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Paolo Ferruti
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Mailand / Italien Ezio Martuscelli Neapel / Italien Fernando Riva
Arco Felice, Neapel / Italien Luciano Provenzale Rom / Italien Heparinisierbares
Copolymerisat zur Herstellung antithrombogener Kunstorgane und Prothesen sowie Verfahren
zu seiner Herstellung Die Erfindung betrifft ein heparinisierbares Copolymerisat
zu Herstellung antithrombogener Kunstorgane und Prothesen, bestehend aus Polyamidamin-Blöcken
(AAA...A) und Blöcken herkömmlicher Additions- oder Kondensationspolymerisate (BBB...B),
sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.
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Es ist bekannt, daß Kunstorgane und Prothesen, die aus herkömmlichen
Kunststoffen hergestellt sind, in mehr oder minder großem Ausmaß auf das Blut, mit
dem sie in Berührung kommen, eine thrombogene Wirkung ausüben. Zur Beseitigung dieses
Nachteils ist schon vorgeschlagen worden, die Oberflächen dieser Kunststoffe durch
die Adsorption von Heparin, das ausgezeichnete blutgerinnungshemmende Eigenschaften
hat, antithrombogen zu machen. In der Praxis mußte jedoch immer wieder festgestellt
werden, daß die verschiedenen Kunststoffe mit Heparin entweder keine
oder
nur eine sehr schwache Bindung mit Heparin eingehen.
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Es ist auch schon vorgeschlagen worden, eine beständige, indirekte
Bindung zwischen der Kunststoffoberfläche und dem Heparin dadurch herzustellen,
daß zunächst quaternäre Ammoniumsalze an den Kunststoff adsorbiert und dann das
Heparin an den so vorbehandelten Kunststoff gebunden wird.
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In der Praxis hat sich jedoch auch diese Methode nicht bewährt, da
die Ammoniumsalze zur Desorption neigen und überdies quaternäre Ammoniumverbindungen
hämolytische Wirkungen zeigen und eine schädigende Wirkung auf Thrombocyten ausüben.
Auf biegsame Kunststoffe hat sich die Methode ohnehin als nicht anwendbar erwiesen.
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In der USA-Patentschrift 3 865 723 wird eine Gruppe makromolekularer
Stoffe beschrieben, die die Natur von Polyamidaminen mit tertiären Aminogruppen
haben und in hohem Maße fähig sind, selektiv Heparin aus Blut und anderen biologischen
Flüssigkeiten zu absorbieren und unter Bildung stabiler Komplexe zu binden, ohne
schädliche Wirkungen auf die Plasmaproteine oder Blutkörperchen aus zuüben. Diese
Polymere erwiesen sich jedoch als Werkstoffe für Prothesen als ungeeignet, da sie
unzureichende mechanische Eigenschaften haben und in Wasser löslich sind.
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Durch Vernetzen werden sie zwar wasserunlöslich, doch bleiben ihre
mechanischen Eigenschaften und ihre Verarbeitbarkeit unbefriedigend.
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Neuerdings sind aus der deutschen Offenlegungsschrift 26 25 761 neuartige
Copolymerisate bekanntgeworden, die im Molekül Polyamidamin-Blöcke und Blöcke von
herkömmlichen thermoplastischen Additions- oder Kondensationspolymerisate, wie Vinyl-
und Vinyliden-Polymere, Polyamide, Polyester, Polyharnstoffe, Polyurethane usw.,
enthalten. Neben physikalischen und mechanischen Eigenschaften, die im wesentlichen
denjenigen von Additions- oder Kondensationspolymerisaten entsprechen und sie für
eine
Formgebung nach für Thermoplaste gebräuchlichen Verfahren geeignet
machen, haben die Copolymerisate die Fähigkeit, mit Heparin sehr stabile Komplexe
zu bilden, und sind in Wasser unlöslich. Diese Copolymerisate werden erhalten, indem
zunächst ein Polyamidamin-Vorpolymerisat hergestellt und dieses mit einem Monomeren
oder Gemisch von Monomeren, die herkömmliche thermoplastische Additions- oder Kondensationspolymerisate
bilden, copolymerisiert wird.
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Es stellte sich nun die Aufgabe, diese Copolymerisate weiter zu verbessern,
insbesondere hinsichtlich ihres Heparin-Bindungsvermögens, und ein vereinfachtes
Herstellungsverfahren für ein solches verbessertes Copolymerisat anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Copolymerisat der eingangs
genannten Art dadurch gelöst, daß die Polyamidamin-Blöcke über SO2-Gruppen auf die
Blöcke der herkömmlichen Polymerisate gemäß folgender Formel
aufgepfropft sind.
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Das Verfahren zur Herstellung des Copolymerisats besteht darin, daß
a) ein herkömmliches Additions- oder Kondensationspolymerisat in an sich bekannter
Weise chlorsulfoniert, b) ein Polyamidamin-Vorpolymerisat durch Polyaddition von
Aminen der Formeln
oder R1 -NH2 zu Bis-Acrylamiden der Formel
worin R und worin R1 und R2 Alkyl- oder Hydroxyalkylradikale mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen,
R3 und R4 Alkylradikale mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen sind und R5 ein Alkenylradikal
mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen ist oder zusammen mit R1,R2 bzw. R3,R4 und den zugehörigen
Stickstoffatomen einen unsubstituierten oder substituierten Piperazinring bilden,
hergestellt, c) eine Lösung des bei dem Schritt a) erhaltenen chlorsulfonierten
Polymerisates in einem inerten, alkoholfreien Lösungsmittel zu einer Lösung des
bei dem Schritt b) erhaltenen Polyamidamin-Vorpolymerisates in einem inerten, alkoholfreien
Lösungsmittel zugesetzt, das Gemisch unter Rühren 1 bis 8 Stunden auf 30 bis 90
"C gehalten und d) das Copolymerisat durch Eingießen des Reaktionsgemisches in einen
Oberschuß von Methanol ausgefällt, abfiltriert und getrocknet wird.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Es wurde festgestellt, daß Körper aus den Copolymerisaten gemäß der
Erfindung Heparin an ihrer Oberfläche noch fester als die obengenannten Copolymerisate
binden. Darüber hinaus wurde festgestellt, daß sich selbst an den
Verbindungsstellen
schlauchförmiger Prothesen aus den Copolymerisaten gemäß der Erfindung keine Thrombosen
bilden.
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Das Copolymerisat gemäß der Erfindung kann nach einem wesentlich einfacheren
Verfahren als die bekannten Polymerisate hergestellt werden, da es nicht mehr notwendig
ist, Monomere oder Gemische von Monomeren, die herkömmliche Additions- oder Kondensationspolymerisate
bilden, mit einem Polyamidamin-Vorpolymerisat zu polymerisieren. Vielmehr kann man
nun von im Handel erhältlichen, fertigen Additions- oder Kondensationspolymerisaten
ausgehen.
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Die Blöcke der herkömmlichen Polymerisate bestehen in der Regel aus
Additions- oder Kondensationspolymerisaten, die chlorsulfoniert werden können. Geeignete
Additionspolymerisate sindVinyl- und Vinyliden-Polymere sowie vor allem Polyäthylene
niedriger und hoher Dichte, ataktische, isotaktische und syndiotaktische C3-C6-Polymere,
insbesondere Polypropylen, Olefin-Copolymerisate wie die elastomeren C2-C3-Copolymerisate,
Polystyrole, Polyacrylate, Polymethacrylate, Polyacrylamide, Polyacrylnitrile und
Polyvinylacetate. Geeignete Kondensationspolymerisate sind vor allem Polyamide,
Polyharnstoffe, Polyurethane und Polyester.
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Die einzelnen Verfahrensschritte zur Herstellung der Copolymerisate
gemäß der Erfindung werden nachstehend beschrieben.
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Chlorsulfonierung der herkömmlichen thermoplastischen Polymere Verfahren
zum Chlorsulfonieren der herkömmlichen thermoplastischen Polymere sind bekannt und
brauchen daher im einzelnen nicht beschrieben zu werden. Es sei auf die Encyclopedia
of Polymer Science and Technology, Band 6, Seite 443, Stichwort "Chlorsulfonation
Processes", verwiesen.
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Typische Chlorsulfonierungsverfahren werden in den nachfolgenden Beispielen
veranschaulicht, doch sei hervorgehoben, daß auch andere als die angegebenen Verfahren
angewendet werden können, insbesondere die Dampfphasenchlorsulfonierung von Polyäthylen
mit Schwefeldioxid und Chlor.
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Herstellung des Polyamidamin-Vorpolymerisates Die Polyamidamine für
die Herstellung des Copolymerisates gemäß der Erfindung werden im wesentlichen durch
Polyaddition von sekundären Di- bzw. Bis-Aminen oder primären Monoaminen zu Bis-Acrylamiden
gemäß folgender Reaktionen erhalten:
worin R1 und R2 Alkyl- oder Hydroxyalkylradikale mit 1 bis
6 Kohlenstoffatomen,
R3 und R4 Alkylradikale mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen sind und R ein Alkenylradikal
mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen ist oder zusammen mit R1,R2 bzw.
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R3,R4 und den zugehörigen Stickstoffatomen einen unsubstituierten
oder substituierten Piperazinring bildet.
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Der durchschnittliche Polymerisationsgrad x dieser Produkte kann aus
dem Verhältnis p der beiden Typen der chemischen Funktionen (Vinyl- und Aminofunktion)
in dem Ausgangsmonomerengemisch nach folgender Formel vorausbestimmt werden: x 1+CI
X wobei vorausgesetzt wird - was in diesem Falle zulässig erscheint -, daß die Polyadditionsreaktion
bis zur Vollständigkeit fortschreitet.
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Durch Arbeiten mit einem Uberschuß von Bis-Acrylamiden oder Aminen
kann man Polyamidamine mit Vinyl oder mit Amino-Endgruppen erhalten.
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Die Copolymerisate gemäß der Erfindung können dadurch hergestellt
werden, daß Polyamidamine mit sekundären Amino-Endgruppen mit chlorsulfonierten
Polymerisaten der genannten Art unter geeigneten Reaktionsbedingungen, wie sie vorstehend
angegeben sind, gemischt werden.
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Zur Herstellung der Polyamidamine werden die ausgewählten Monomere
in Wasser oder einem hydroxylgruppenhaltigen Lösungsmittel, am besten Alkohol, gelöst
und bei Temperaturen von 10 bis 50 "C polymerisiert werden, wobei die Reaktionszeit
je nach den verwendeten Monomeren einige Stunden (3-4 Stunden) bis zu einigen Tagen
(3-5 Tage) betragen kann. Einzelheiten des Verfahrens werden in den nachstehenden
Beispielen angegeben.
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Herstellung des Copolymerisates gemäß der Erfindung Das herkömmliche,
chlorsulfonierte Polymerisat wird in einem inerten, alkoholfreien Lösungsmittel
- z.B. Chloroform - gelöst und diese Lösung wird der Lösung eines Polyamidamin-Vorpolymerisats
in einem ebenfalls inerten, alkoholfreien Lösungsmittel, wie Chloroform, zugesetzt.
Das Gemisch wird 1-8 Stunden unter Rühren auf 30-90 OC gehalten; dann wird das Polymerisat
durch Eingießen des Reaktionsgemisches in einen Uberschuß von Alkohol, z. B.
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Methanol, Abfiltrieren und Trocknen isoliert.
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Heparinisierung des Copolymerisates Die Bindung des Heparins an die
Oberfläche von Gegenständen aus dem Copolymerisat gemäß der Erfindung geschieht
in einfacher Weise dadurch, daß diese Gegenstände zwei bis 100 Minuten mit einer
alkoholischen, wäßrig-alkoholischen oder wäßrigen Lösung von Heparin mit einer Konzentration
von 0,1 bis 20% und einem pH-Wert von 0 bis 9 in Berührung gebracht werden. Manchmal
kann eine Vorbehandlung der Gegenstände mit Säuren, wie Salzsäure, Essigsäure usw.,
in 0,1- bis 20%iger wäßrig-alkoholischer oder wäßriger Lösung vorteilhaft sein.
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Das adsorbierte Heparin kann mit Glutaraldehyd oder anderen Dialdehyden
vernetzt werden, um die Desorption des Heparins von den Oberflächen der Gegenstände
unter den in einer biologischen Umgebung herrschenden Bedingungen zu erschweren.
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An Hand der folgenden Beispiele wird die Erfindung näher veranschaulicht.
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BEISPIEL 1 a) Chlorsulfonierung von Polyäthylen Ein Gemisch von 20
g Hochdruck-Polyäthylen (mit niedriger Dichte) und 250 ml wasserfreiem Benzol wurde
unter Rückflußkühlung erhitzt, bis eine klare Lösung erhalten wurde.
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Sodann wurden - am besten unter Inertgasatmosphäre - der Lösung 8
ml Sulfurylchlorid (SO2Cl2) und 1,2 g Azodiisobutyronitril zugesetzt, und das Gemisch
wurde weitere 4 Stunden unter Rückflußkühlung erhitzt. Danach wurde das Gesamtvolumen
des Gemisches durch teilweises Abdestillieren des Lösungsmittels auf 150 ml verringert,
und dann wurde das Gemisch in einen Ueberschuß von trockenem Ather gegossen. Das
ausgefällte Produkt wurde abfiltriert und im Vakuum getrocknet. Es wurden 20,5 g
chlorsulfoniertes Polyäthylen erhalten, das auf Grund einer Elementaranalyse etwa
1t Schwefel und 4t Chlor enthielt.
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b) Herstellung des Polyamidamin-Vorpolymeren 9,518 g (0,049 mol) N,N'-Bis-Acryllylpiperazin
wurde in 25 ml einer 2-m wäßriger Lösung von N,N'-Dimethyläthylendiamin gelöst.
Das Gemisch wurde unter gelegentlichem Rühren zwei Tage bei Raumtemperatur stehengelassen
und dann in 200 ml Aceton gegossen. Der ausgefällte Niederschlag wurde durch Dekantieren
abgetrennt und zweimal mit je 100 ml frischem Aceton gewaschen. Danach wurde er
mehrere Stunden unter Aceton stehengelassen. Es trat Kristallisation ein, und das
gummiartige Produkt wandelte sich in ein weißes Pulver um. Dieses wurde auf dem
Filter gesammelt und im Vakuum getrocknet. Es wurde ein Polyamidamin in einer Ausbeute
von 95t mit einem mittleren Molekulargewicht von 15 000 erhalten, dessen Endgruppen
überwiegend aus sekundären Aminogruppen bestanden.
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c) Herstellung des Copolymerisates 14 g chlorsulfoniertes Polyäthylen
wurden in 240 ml trokkenem, alkoholfreiem Chloroform gelöst. Eine Lösung von 1,9
g Polyamidamin-Vorpolymerisat mit sekundären Amino-Endgruppen in 20 ml trockenem,
alkoholfreiem Chloroform wurde zugesetzt, und das Reaktionsgemisch wurde drei Stunden
bei 60 "C gerührt. Das Produkt wurde durch Eingießen des Reaktionsgemisches in einen
Dberschuß von Methanol, der eine kleine Menge einer Base enthielt, ausgefällt, abfiltriert
und im Vakuum getrocknet. Es wurden etwa 15 g eines Pfropfpolymerisates erhalten,
das Polyäthylen-und Polyamidamin-Blöcke enthielt. Der Polyamidamin-Gehalt betrug,
wie eine Stickstoffbestimmung ergab, etwa 9,5 Gewichtsprozent.
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Da das Polyamidamin (PAA) in Alkoholen gut löslich ist, kann mit Hilfe
des beschriebenen Fällungs- und Isolierungsverfahrens nicht umgesetztes PAA leicht
aus dem Produkt entfernt werden.
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Das Copolymerisat war in Chloroform löslich, in Wasser, Alkoholen
und aliphatischen Kohlenwasserstoffen jedoch unlöslich.
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Feste Filme aus dem Copolymerisat konnten entweder durch Schmelzpressen
des trockenen Polymeren oder durch Verdunsten 5- bis 30%der Lösungen in Chloroform
auf geeigneten Unterlagen erhalten werden.
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d) Herstellung von Versuchskörpern für die Einpflanzung in Versuchstiere
Mit Hilfe einer Spezialform aus verchromtem Messing wurden aus dem nach dem vorstehend
beschriebenen Verfahren hergestellten Polymeren einige zylindrische Hohlkörper von
25 mm Länge, 8 mm Innendurchmesser und 12 mm Außendurchmesser
hergestellt.
I)iese Versuchskörper wurden in einer 5%gen alkoholischen Essigsäure-Lösung vorbehandelt
(um die Aminogruppen zu ionisieren), dann durch Behandeln mit einer 10%igen wäßrigen
Lösung von Heparin heparinisiert und mit einer 2,5%igen wäßrigen Lösung von Glutaraldehyd
nachbehandelt (um das Heparin durch teilweises Vernetzen fest zu binden). Abschließend
wurden die Körper wiederholt und sorgfältig mit destilliertem Wasser gewaschen.
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Die Prüfkörper wurden dann unter Anwendung anerkannter Methoden zum
Testen der Thrombosewidrigkeit (in diesem Zusammenhang sei auf die Arbeit "Antithrombogenic
surfaces, classification and in vivo evaluation" von Vincent L. Gott und Akira Furuse,
Federation Proceedings, Band 30, Nr. 5, September/Oktober 1971, verwiesen) in die
untere Hohlvene eines Versuchstieres (Hund) eingepflanzt.
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Nach zwei bis vier Wochen wurden die schlauchförmigen Versuchskörper
wieder entfernt. In keinem Falle war es an den Innenteilen der schlauchförmigen
Körper zur Thrombosebildung gekommen. Selbst die Verbindungsstellen der Versuchskörper
waren thrombusfrei.
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Kontrollkörper aus Polyäthylen waren massiv thrombosiert, und die
Ringöffnung war verstopft.
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BEISPIEL 2 Ataktisches Polystyrol mit einem viskosimetrisch bestimmten
mittleren Molekulargewicht von 80 000 wurde nach dem Verfahren a) des Beispiels
1 chlorsulfoniert. 15 g chlorsulfoniertes Polystyrol wurden in 250 ml trockenem,
alkoholfreiem Chloroform gelöst und mit einer Lösung von 2 g eines nach dem Verfahren
b) des Beispiels 1 hergestellten Polyamidamin-Vorpolymerisates mit sekundären Amino-Endgruppen
in 25 ml trockenem, alkoholfreiem Chloroform versetzt. Das Reaktionsgemisch wurde
drei Stunden bei 60 "C
gerührt; dann wurde das gebildete Produkt
durch Eingießen des Reaktionsgemisches in einen Ueberschuß von Methanol, das eine
kleine Menge einer Base enthielt, ausgefällt, abfiltriert und im Vakuum getrocknet.
Es wurden etwa 15 g eines Block-Copolymerisates erhalten, das Polystyrol- und Polyamidamin-Blöcke
enthielt.
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Nach dem Verfahren des Beispiels 1 wurden aus dem Block-Copolymerisat
zylindrische Hohlkörper hergestellt. Auch diese Versuchskörper bestanden den Test
auf Thrombosewidrigkeit.
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BEISPIEL 3 a) Chlorsulfonierung von Polyäthylen Hochdruck-Polyäthylen
(von niedriger Dichte) wurde nach dem Verfahren des Beispiels 1 chlorsulfoniert,
wobei jedoch die Konzentration des Chlorsulfonierungsmittels variiert wurde, um
Polyäthylene mit verschiedem Chlorsulfonierungsgrad zu erhalten.
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b) Herstellung des Polyamidamin-Vorpolymerisates 19,4238 g 1,4-Bis-Acrylylpiperazin
wurden in 51,28 ml einer 1-m wäßrigen Lösung von N,N'-Dimethylendiamin gelöst, die
durch acidimetrische Titration eingestellt worden war.
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Das Molverhältnis der beiden Reagenzien betrug = 0,975, so daß theoretisch
ein Produkt mit einem durchschnittlichen Polymerisationsgrad von x = 79 erhalten
werden n sollte. Das Gemisch wurde vier Tage bei Raumtemperatur stehengelassen,
dann in einen Oberschuß von Aceton gegossen und einige Stunden stehengelassen. Das
Produkt kristallisierte und wurde durch Filtrieren abgetrennt.
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Mit einer Ausbeute von 95% wurde ein Polyamidamin der Formel
mit Endgruppen folgender Art
und einem durch Osmometrie bestimmten Polymerisationsgrad erhalten, der mit dem
theoretischen Wert gut übereinstimmte.
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Nach dem gleichen Verfahren wurden Polyamidamine mit Amino-Endgruppen
und durchschnittlichen Polymerisationsgraden von 10 bis 300 (durch Veränderung des
Molverhältnisses Li im Bereich von 0,818 bis 0,993), wobei von folgenden Bis-Acrylamiden
CH2-CH-CO-NH-CH2-NH-CO-CH=CH2 CH2-CH-CO-NH(CH2)2NH-CO-CH=CH2 CH2-CH-CO-NH(CH2)3NH-CO-CH=CH2
CH2-CH-CO-NH(CH2)4NH-CO-CH=CH2
CH2-CH-CO-NH(CH2)12NH-CO-CH=CH2
und folgenden Aminen CH3NH2, C2H5NHZ2, C3H7NH2, (CH3)2CH-NH2,
ausgegangen wurde.
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Anstelle reiner Bis-Acrylamide und reiner Amine wurden auch Gemisches
von Bis-Acrylamiden und Gemische von Aminen - auch mit anderen Monomeren der angebenen
Art (Piperazinmonocarbonsäuren, Piperazindicarbonsäuren und aliphatische Aminosäuren
mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, Allylamine, primäre Amine mit 2 bis 12 Kohlenstoffatomen)
-verwendet, wobei jedoch in jedem Falle das Verhältnis der Bis-Acrylamide zu den
Amin-Monomeren in dem vorstehend angegebenen Bereich gehalten wurde.