DE3239318A1

DE3239318A1 - Formbares polyurethanelastomer mit guter blutvertraeglichkeit

Info

Publication number: DE3239318A1
Application number: DE19823239318
Authority: DE
Inventors: Michael Lynnfield Mass. Szycher
Original assignee: Thermo Electron Corp
Current assignee: Thermo Fisher Scientific Inc
Priority date: 1981-10-30
Filing date: 1982-10-23
Publication date: 1983-05-11
Also published as: AU560959B2; CH655937A5; AU8931282A; CA1197037A; JPS58132017A; NL8204162A; GB2111067A; GB2111067B

Description

HOEGEB, 6T£-LLßEJ(DHJ^: & PARTNER

.:..*.p.* _{A T}.g«N*T*A n"W*a"lT E UHLANDSTRASSE 14 c ■ D 70OO STUTTGART 1

A 45 352 b Anmelder:

k - 189 Thermo Electron Corporation

18. Oktober 1982 101 First Avenue

Waltham, Mass. 02154

USA

Formbares Polyurethanelastomer mit guter Blutverträglichkeit

Die Erfindung betrifft ein formbares Polyurethanelastomer mit guter Blutverträglichkeit für medizinische Zwecke, insbesondere für Prothesen.

Bei der Entwicklung von Gefäßprothesen wurden in den letzten Jahren beträchtliche Fortschritte erreicht. Beispielsweise beschreibt die US-PS 4,131,604, welche ein" Polyurethanelastomer für Herz-Hilfseinrichtungen betrifft, eine Familie von Polyurethanen mit hervorragenden Eigenschaften, die zum Formen von Prothesen verwendet werden können. Ein Nachteil der Polyurethanverbindungen, die in der genannten Patentschrift beschrieben sind, besteht jedoch darin, daß diese Polyurethane nicht extrudierbar sind. Andererseits gibt es viele Prothesen und andere Teile, welche mit Blut verträglich sein müssen und nur durch Extrudieren oder im Blasformverfahren hergestellt werden können.

Es sollte bekannt sein, daß Einrichtungen wie Schrittmacher-Zuleitungen, Blutbeutel, Katheder und intravenös einzusetzende Schläuche, aus einem Material bestehen müssen, welches eine Anzahl von Kriterien erfüllt. Das wichtigste Kriterium besteht dabei darin, daß das Material, aus dem derartige Einrichtungen hergestellt sind, mit

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dem Blut kompatibel bzw. verträglich sein muß. Das Material sollte also nicht zur Bildung eines Thrombus führen, der im peripheren Kreislauf zu einer Embolie führen könnte. Weiterhin muß das Material natürlich ungiftig sein. Außerdem ist es wünschenswert, daß die Materialien, die zur Herstellung von GefSßprothesen verwendet werden sollen, sehr elastisch sind, eine hohe Festigkeit besitzen und gebogen werden können, ohne daß die Gefahr besteht, daß sie brechen. Weiterhin ist es für die Herstellung gewisser Teile, wie oben erwähnt, wünschenswert, daß das Ausgangsmaterial extrudierbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Polyurethanelastomer anzugeben, welches den vorstehend angegebenen Kriterien genügt und extrudierbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Polyurethanelastomer gelöst, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß es das Reaktionsprodukt folgender Komponenten ist:

a) eines der folgenden Diisocyanate: Isophorondiisocyanat, Trimethylhexamethylendiisocyanat, Dicyclohex lmethandiisocyanat, dimeres äure-Diisocyanat;

b) ein Polytetramethylenätherpolyol mit einem Molekulargewicht zwischen 500 und 5000 und

c) 1,4-Butandiol.

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Die Erfindung betrifft also speziell eine Familie von extrudierbaren Polyurethanpolymeren, die speziell zur Verwendung in Einrichtungen bzw. Geräten entwickelt wurden, bei denen ein hohes Maß an Blutverträglichkeit erforderlich ist. Die Polymere können dabei vorzugsweise dadurch gekennzeichnet sein, daß es sich um im wesentlichen linare, segmentierte, aliphatische Polyurethanelastomere handelt. Bei dieser Familie von aliphatischen Polymeren auf Polyätherbasis mit 100 % Urethanbindungen im Molekül-Rückgrat zeigt sich eine überragende, dauerhafte Flexibilität, eine hervorragende Stabilität gegenüber hydrolytischen Effekten und ein hohes Maß von Blut-Verträglichkeit. Außerdem können diese Polymere zu Pellets verarbeitet und später extrudiert werden, um verschiedene Teile bzw. Einrichtungen herzustellen, wie zum Beispiel Zuleitungen für Herzschrittmacher, Blutbeutel, Katheder und intravenös einsetzbare Schläuche. Diese ungewöhnliche Kombination von Eigenschaften macht die betrachtete Polymer-Familie für Teile bzw. Einrichtungen geeignet, deren Oberflächen zumindest teilweise in Kontakt mit dem Blut stehen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand einer Zeichnung noch näher erläutert und/oder sind Gegenstand von Unteransprüchen. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von erfindungsgemäßen formbaren Polyurethanpolymeren bzw. -elastarieren einschließlich der Herstellung von extrudierbaren Pellets aus diesem Material.

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Der Gegenstand der Erfindung soll nachstehend zunächst noch einmal relativ breit beschrieben werden, ehe dann eine mehr ins Einzelne gehende Beschreibung erfolgt. Das erfindungsgemäße Polyurethanelastomer ist ein gummiartiges Reaktionsprodukt von aliphatischen, organischen Diisocyanaten, Polyätherpolyolen mit hohem Molekulargewicht und einem spezifischen Glykol (Kettenstrecker; chain extender) niedrigen Molekulargewichts. Das Glykol niedrigen Molekulargewichts ist im vorliegenden Fall 1,4-Butandiol.

Zusätzlich zu den vorstehend angegebenen,erforderlichen Bestandteilen sind als Reaktionskomponenten außerdem vorzugsweise ein Katalysator und auf Wunsch ein öxydationshemmender Stoff (antioxidant) sowie ein Schmiermittel für die Extrusion vorgesehen.

Allgemein gesagt sind Polyurethanpolymere die Kondensationsprodukte von den Reaktionen zwischen Diisocyanaten und Verbindungen, welche wasserstoffaktive Plätze besitzen, wie zum Beispiel die Hydroxylgruppen.

Ein Diisocyanat ist eine Isocyanatverbindung mit einer Wertigkeit von 2. Die Polymerisation erfolgt in Anwesenheit einer zweiwertigen Hydroxylverbindung (bei dieser kann es sich entweder um ein einfaches Glykol oder um ein makromolekulares Glykol handeln).

Die Reaktion zur Herstellung von Polyurethan läßt sich wie folgt darstellen:

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— "7 _

η O»C=N—r—n== (Diisocyanat)

:—ν—R—N--c-

I I

H H (Polyurethan)

+ η HO—R¹—OH (Glykol)

-R-

_l η

Gemäß der Erfindung sind folgende aliphatischen Diisocyanate besonders vorteilhaft:

CH₃

CH₃ CH₂NCO OCN (CH₂)6^NCO?

Isophorondiisocyanat (IPDI); Trimethylhexamethylendiisocyanat (TMHDI),

•^CH3

OCN-CH₂-C-CH₂ -CH-CH₂-CH₂-NCO ; .CH₃ CH₃

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Dicyclohexylmethandiisocyanat (HMDI),

OCN

CH ·>—

-NCO

CH₂(C₆H₁₀NCO)₂,

und Dimersaurediisocyanat (DDI) (CH₂J₉-NCO

CH=CH— (CH₂ ) 9—NCO (CH₂J₄CH₃

(CH₂J₉-CH₃

Das bevorzugte Diisocyanat zum Herstellen von Polymeren gemäß der Erfindung ist das Dicyclohexylmethandiisocyanat (HMDI).

Obwohl eine Reihe von aliphatischen Diisocyanaten zur Herstellung eines Polymers gemäß der Erfindung verwendet werden kann, haben zahlreiche Versuche gezeigt, daß als Polyol mit hohem Molekulargewicht nur Polytetramethylenätherglycol (PTMEG) H-

• (0—CH₂—CH₂—CH

) _n—OH in Frage kommt.

Mit anderen Worten ist also dieses Polyol hohen Molekulargewichts das einzige Polyol, bei dem es sich gezeigt hat, daß es zu einem Polyurethan führt, welches

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mit dem Blut gut verträglich ist und welches außerdem die übrigen oben geforderten Eigenschaften besitzt. Im allgemeinen sollte dieses Glykol ein mittleres Molekulargewicht zwischen etwa 500 und 5000, vorzugsweise zwischen 1000 und 3000, besitzen. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird PTMEG mit einem Molekulargewicht von 2000 verwendet.

Wie oben ausgeführt, wird zum Strecken der Kette des erfindungsgemäßen Polymers 1,4-Butandiol (HO—CH₂—

CH₂—CH₂-

₂—OH) verwendet.

Ein besonders bevorzugtes Polyurethan gemäß der Erfindung besitzt folgende Strukturformel:

0—Oi2—CH₂-CH₂-CH2—O--Qi (S) CHo (S) NC

1,4-Butandiol

JDiisocvanat (HMDI)

CH₂CH₂Ci₁₂CH₂ J₁

Macroglykol PIMEG

wobei n₂ eine ganze Zahl ist, die so gewählt wird, daß sich ein Molekulargewicht zwischen 500 und 5000 ergibt,

wobei χ eine ganze Zahl zwischen 1 und 5 ist

und wobei η eine ganze Zahl ist, die so gewählt wird, daß sich -bezogen auf die Einheiten - ein mittleres Molekulargewicht von 120.000 Einheiten und - bezogen auf das Gewicht - ein mittleres Molekulargewicht von 315.000 Molekulargewichtseinheiten ergibt.

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Wie aus der vorstehenden Strukturformel deutlich wird, wird das Polymer gemäß der Erfindung aus drei sich wiederholenden Einheiten, nämlich dem Diol, dem Diisocyanat und dem Macroglykol, gebildet. Das Verhältnis zwischen diesen sich wiederholenden Eigenheiten untereinander wird durch die gewünschten physikalischen Eigenschaften bestimmt. Beispielsweise werden bei einem Material für Schläuche, die aus einem weichen, elastomeren Material bestehen sollten (Shore-A-Härte 70) für jede Dioleinheit zwei Diisocyanateinheiten und eine Macroglykoleinheit vorgesehen. Wenn ein härteres Material hergestellt werden soll, dann kann das Verhältnis von Diol einerseits zu Diisocyanat und Macroglykol andererseits erhöht werden, so daß sich ein härteres Material ergibt. Beispielsweise werden für Katheder (Shore-D-Härte 50) zwei Butandioleinheiten pro Isocyanat- und Macroglykol-Einheit vorgesehen.

Die Reagenzien bzw. Reaktionskomponenten werden etwa in den molaren Mengen vorgesehen, die erforderlich sind, um das angegebene Polymer zu erzeugen.

Um innerhalb einer vernünftigen, kurzen Zeit völlig ausgehärtete Polyurethan-Gieß- bzw. -spritzteile zu erhalten, ist es üblich, in die Mischung einen geeigneten Katalysator einzuführen, um die Polymerisationsreaktion zu fördern. Zu den hier geeigneten Katalysatoren gehören N-Methylmorpholin, Trimethylamin, Triäthylamin, Zinkoctoat, Dibutylzinndilaurat und Dioctylzinndilaurat. Als besonders vorteilhaft hat sich von diesen Katalysatoren das Dioctylzinndilaurat erwiesen.

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Das Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Polymers bzw. Elastomers ist schematisch in der einzigen Figur der Zeichnung dargestellt.

Wie die Zeichnung zeigt, wird das Polyurethan aus zwei Komponenten hergestellt, die als Komponente A und als Komponente B bezeichnet werden können. Dabei ist die Komponente A.das aliphatische Diisocyanat, während sich die Komponente B aus den übrigen Bestandteilen zusammensetzt, nämlich aus einem Macroglykol (auf Polyätherbasis), aus. dem Kettenstrecker niedrigen Molekulargewichts, aus dem Katalysator, aus dem ein Oxydieren verhindernden Antioxydans und aus dem Schmiermittel. Dabei versteht es sich, daß der Katalysator, das Antioxydans und das Schmiermittel..keine chemische Verbindung als Bestandteile des Polymers eingehen.

Zum Herstellen eines Polyurethanelements werden die richtigen stöchiometrischen Anteile der Komponenten A und B mit Hilfe eines Mischers bei Raumtemperatur emulgiert, um eine mäßig reagierende thixotrope Mischung mit einer Viskosität unterhalb von etwa 2500 cp. zu erhalten.

Da beim Emulgieren Luft in das Reaktionsgemisch eingeführt wird, muß diese Luft anschließend entfernt werden. Das Entfernen der Luftblasen geschieht, indem man das die Emulsion enthaltende Gefäß unter eine Glocke setzt und in dieser mittels einer Saugvorrichtung einen Unterdruck erzeugt. Vorzugsweise wird ein Unterdruck von etwa

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0,3 μΐαΗ9 erzeugt, den man für die Dauer von etwa 8 Minuten auf die Mischung einwirken läßt, die bei diesem Endgasen zu kochen scheint. Nach dem Entfernen des Gefäßes mit der Mischung aus der Unterdruckapparatur läßt man . das Gemisch ruhen, bis es aufgrund der exothernen Reaktion zwischen den Reaktionskomponenten, die nunmehr stattfindet, eine Temperatur von etwa 400°C erreicht.

Zu diesem Zeitpunkt wird die Emulsion vorzugsweise in eine Pfanne gegossen, in der sie auseinanderläuft, um ungehärtete Blätter bzw. Platten zu bilden. Die Pfanne mit den Platten wird dann in einen Ofen eingebracht und auf eine Temperatur von mindestens 110⁰C erwärmt, und zwar für vier Stunden oder länger, bis das Elastomer ausgehärtet ist. Die Platten werden dann zerhackt bzw. in einer üblichen Maschine zu Pellets verarbeitet, die eine Länge von etwa 6 mm besitzen. Aus diesen Pellets wird dann später mittels eines Extruders das gewünschte Erzeugnis extrudiert.

Gemäß einem abgewandelten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist es auch möglich, die Pellets in einem Lösungsmittel, beispielsweise in Dimethylacetamid, Tetrahydrofuran, 1,4-Dioxan und m-Pyrrol, aufzulösen. Aus dieser Lösung können dann die gewünschten Gegenstände nach dem Lösungs-Gieß-Verfahren hergestellt werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines besonders bevorzugten Ausführungsbeispiels noch näher erläutert, wobei anzumerken ist, daß die Erfindung keineswegs auf das Ausführungsbeispiel beschränkt ist.

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Man läßt 67,75 g des Dicyclohexylmethandiisocyanats (HMDI) mit einem Gemisch der folgenden fünf Bestandteile reagieren: 229,2 g Polytetramethylenätherglykol mit einem Molekulargewicht von 2000, 12,35 CM,4-Butandiol. Das Reaktionsgemisch enthält dabei außerdem 3,0 g eines Antioxidans, Das im speziellen Fall verwendete Antioxidans wird von der Firma Ciba Geigy unter dem Warenzeichen "IRGANOX" 1010 vertrieben. Die chemische Bezeichnung des Antioxidans ist Tetrakis /""Methylen (3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyhydrocinnamat) _J. Außerdem enthält das Reaktionsgemisch 0,5 g eines Schmiermittels, wie es von der Firma Glyco Chemical Company, New York, USA, unter dem Warenzeichen "GLYCOLUBE" VL in den Handel gebracht wird. Außerdem enthält das Reaktionsgemisch 0,006 g eines Katalysators auf der Basis von Zinn, wie er von der Firma Cosan Chemical Corporation, Carlstadt, New Jersey, USA, unter der Bezeichnung "COTIN 430" vertrieben wird.

Die vorstehend angegebenen Bestandteile werden mit dem HMDI gemischt-und entgast, bis alle eingeschlossenen Gase entfernt sind. Das Gemisch wird dann bei 110 C für drei Stunden unter einer Stickstoffatmosphäre in Form von Platten gehärtet. Anschließend werden die Platten in einer Standardmaschine zu Pellets zerschnitten, die sich für das Extrudieren eignen. Es zeigte sich, daß das ausgehärtete Elastomer folgende physikalische Eigenschaften besaß:
Zugfestigkeit 3160 N/cm²
Shore-A-Härte 70 bis 75.

ο
Zugfestigkeit 3160 N/cm , Bruchdehnung 650 %,

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Die auf die beschriebene Weise erhaltenen Pellets wurden in einem Laborextruder verarbeitet. Die Verarbeitungsbedingungen wurden bei einer 24/1-Mehrzweckschnecke mit einem Durchmesser von etwa 2,54 cm wie folgt gewählt:

Temperatur hinten 149°C

Temperatur in der Mitte 160⁰C

Temperatur vorn 160°C

Temperatur der Form 166 C

Wasserkühlung an der Engstelle.

Es wurden Schläuche mit einer für die Zuleitungen von Herzschrittmachern geeigneten Größe extrudiert. Die Schläuche zeigten alle gewünschten physikalischen Eigenschaften, die für derartige Anwendungen gefordert werden.

Abschließend sei noch darauf hingewiesen, daß dem Fachmann, ausgehend von den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen, zahlreiche Möglichkeiten für Änderungen und/oder Ergänzungen zu Gebote stehen, ohne daß er dabei den Grundgedanken der Erfindung verlassen müßte.

Claims

18 ^p PARTNER :.. *.fi*A τ·ε·ν·τ a n*?v VVt ε UHLANDSTRASSE 14 c- D 7000 STUTTGART 1 A 45 352 b Anmelder: k - 189 Thermo Electron Corporation 18. Oktober 1982 101 First Avenue Waltham, Mass. 02154 USA Patentansprüche

1. Formbares Polyurethanelastomer mit guter Blutverträglichkeit für medizinische Zwecke, insbesondere für Prothesen, dadurch gekennzeichnet , daß es das Reaktionsprodukt folgender Komponenten ist:

a) eines der folgenden Diisocyanate: Isophorondiisocyanat, Trimethylhexamethylendiisocyanat, Dicyclohexylmethandiisocyanat, Dimersäure-Diisocyanat;

c) 1,4-Butandiol.

2. Polyurethanelastomer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch DicyclohexylmethandiisoGyanat als Reaktionskomponente .

3. Polyurethanelastomer nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch sein Vorliegen in gelöstem Zustand in einer Lösung.

4. Polyurethanelastomer nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch sein Vorliegen in Form von Pellets.

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5. Polyurethanelastomer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet/ daß es das Reaktionsprodukt folgender Komponenten ist:

a) Dicyclohexylmethandiisocyanat und

b) eine stöchiometrische Menge von Polytetramethylenätherpolyol und 1,4-Butandiol.