DE4107284A1

DE4107284A1 - Verfahren zur herstellung von polyurethanen

Info

Publication number: DE4107284A1
Application number: DE4107284A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Wick; Karl Bauer
Original assignee: HEBA OTOPLASTISCHES LABOR PAUL
Current assignee: HEBA OTOPLASTISCHES LABOR PAUL
Priority date: 1990-03-08
Filing date: 1991-03-07
Publication date: 1991-09-12
Also published as: DE4107284C2

Description

Die Erfindung betrifft biokompatible Polyurethane, die insbesondere als Implantatmaterial, Vergußmassen und Formkörper bei medizinischen Anwendungen eine große Beständigkeit aufweisen und die sich gut, auch wiederholt, sterilisieren lassen, wobei die Polyurethane lediglich aus niedermolekularen aliphatischen Verbindungen aufgebaut sind.

Polyurethane sind bereits seit langem bekannt. So gibt O. Bayer in Angewandte Chemie 59. Jahrgang, Nr. 9, Seiten 257-72 (1947) einen zusammenfassenden Bericht über das umfangreiche Gebiet der Polyurethan-Chemie. Dort wird auch schon die Herstellung von Polyurethanen und Mischpolyurethanen unter der Verwendung von aliphatischen niedermolekularen Verbindungen erwähnt. Von biokompatiblen und biostabilen Produkten, insbesondere von Zusammensetzungen, wie sie gemäß der Erfindung erhalten werden, ist dort jedoch nicht die Rede.

Bei der Entwicklung von biokompatiblen Polyurethanen stellt sich heraus, daß nicht nur die verwendeten Ausgangsstoffe und die benutzten Katalysatoren, sondern auch die Reaktionsführung wie Reihenfolge der einzelnen Reaktionsschritte, Temperatur und vieles mehr von großer Bedeutung sein können.

So heißt es beispielsweise in der DD-PS 1 55 777 auf Seite 3, daß hydroxylgruppenhaltige Naturstoffe wie Rizinusöl wegen ihrer natürlichen Reinheit besondere Bedeutung erlangt hätten, daß die anzuwendenden Reaktionsbedingungen aber von Nachteil seien, weswegen der Einsatz von aromatischen Diisocyanaten zusammen mit schwefelhaltigen Metallverbindungen als Katalysator empfohlen wird. Die dort beschriebenen Polyurethane lassen jedoch, was ihre Eigenfarbe und ihre Beständigkeit gegenüber wiederholter Sterilisation betrifft, noch zu wünschen übrig.

Einen anderer Weg zur Herstellung von biokompatiblen Polyurethanen zeigt die DE-OS 33 18 730. Dort wird ein Verfahren beschrieben, das mit cycloaliphatischen Diisocyanaten und einem Gemisch aus einem niedermolekularen Diol und einem Makrodiol als Kettenverlängerer arbeitet.

In der DE-OS 34 11 361 schließlich werden biokompatible Einbettmassen beschrieben, bei deren Herstellung keine Makrodiole zum Einsatz gelangen und die aus rein aliphatischen Verbindungen gewonnen werden. Auch diese Polyurethane sind noch verbesserungsfähig, insbesondere was ihre Eigenfarbe und ihre Stabilität bei der Sterilisation betrifft.

Obwohl bereits zahlreiche Verfahren zur Herstellung von biokompatiblen Polyurethanen bekannt sind, besteht noch ein Bedürfnis nach Polyurethanen, die eine sehr gute Biokompatibilität und Biostabilität besitzen, die sich durch ein klares bzw. wasserklares Aussehen auszeichnen und die auch bei wiederholter Sterilisation keine oder nur zu vernachlässigende Verfärbungen und Veränderungen der Oberflächenstruktur zeigen. Es ist somit Aufgabe der Erfindung, derartige Polyurethane zur Verfügung zu stellen und vorteilhafte Verwendungsmöglichkeiten zu zeigen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung von Polyurethanen durch Umsetzung eines molaren Überschusses von Hexamethylendiisocyanat mit einem Gemisch aus mindestens zwei niedermolekularen, Hydroxylgruppen aufweisenden Verbindungen zu einem NCO-Gruppen aufweisenden Voraddukt und weiterer Umsetzung des Voradduktes mit einem Kettenverlängerergemisch aus mindestens drei Verbindungen mit Hydroxylgruppen in Gegenwart von katalytischen Mengen einer Metallverbindung gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man Hexamethylendiisocyanat mit einem Gemisch, das Trimethylhexandiol und Trimethylolpropan in einem Val-Verhältnis von 10 : 1 bis 1,5 : 1 enthält, zu einem NCO-Gruppen aufweisenden Voraddukt umsetzt und man das Voraddukt in Gegenwart von katalytischen Mengen einer Metallverbindung mit einem Kettenverlängerergemisch umsetzt, das Trimethylhexandiol, Butandiol-(1,4) und Trimethylolpropan enthält, wobei das Val-Verhältnis von Trimethylolpropan zu den beiden anderen Kettenverlängerern 1 : 30 bis 1 : 5 beträgt. Es ist vorteilhaft, wenn das Val-Verhältnis von Trimethylolpropan zu den beiden anderen Kettenverlängerern 1 : 20 bis 1 : 10 beträgt. Vorzugsweise werden 50-250 ppm Zinnoctoat, berechnet als elementares Zinn und bezogen auf das Gewicht der Gesamtausgangsstoffe, als Metallverbindung verwendet.

Zur Herstellung des Voraddukts wird Hexamethylendiisocyanat mit dem Gemisch aus Trimethylhexandiol und Trimethylolpropan vorzugsweise in einem Val-Verhältnis NCO-Gruppen zu OH-Gruppen von 1 : 0,4 bis 1 : 0,6 umgesetzt.

Insgesamt soll bei der Herstellung des Polyurethans durch Bildung des Voraddukts und Reaktion mit den Kettenverlängerern mit einem leichten Überschuß an NCO-Gruppen gearbeitet werden, der vorzugsweise 0,5 bis 1 Val-% beträgt.

Die Polyurethane sind besonders geeignet als Einbettmaterial von Hohlfaser- und Flachfolienmembranen in Hämoseparatoren insbesondere Hämodialysatoren, Oxygenatoren sowie für die Herstellung von Otoplastiken und Kunststoffteilen von Herzschrittmachern.

Unter Kunststoffteilen von Herzschrittmachern sind im Rahmen der Erfindung insbesondere Herzschrittmachergehäuseoberteile zu verstehen, die nach der Gießtechnik hergestellt werden können. Sie dienen u. a. zum Einführen der Elektroden in die Steuerung des Herzschrittmachers.

Derartige Oberteile sind z. B. in der Zeitschrift für Elektrostimulation in der Kardiologie Jahrgang 1, Heft 1 vom 29. Oktober auf Seite 33 und 65 abgebildet.

Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Polyurethane stellt man zuerst das Voraddukt her. Dabei ist es zweckmäßig, von möglichst reinen Verbindungen auszugehen. Vorzugsweise werden das Hexamethylendiisocyanat und die Hydroxylverbindungen vor dem Einsatz noch einmal destillativ gereinigt, wobei es zweckmäßig ist, diese Destillation unter reduziertem Druck und einer Atmosphäre von gereinigtem Stickstoff durchzuführen.

Das Diisocyanat wird zunächst mit einem Gemisch, das Trimethylhexandiol und Trimethylolpropan enthält, unter Einhaltung der o. g. Mengenverhältnisse umgesetzt. Bei der Herstellung des Voraddukts wird das Diisocyanat in stöchiometrischem Überschuß bezüglich der OH-Gruppen aufweisenden Verbindungen eingesetzt. Dabei ist es nicht unbedingt erforderlich, pro Val OH-Gruppen zwei genau Val NCO-Gruppen einzusetzen. So kann man auch mit geringeren oder höheren Überschüssen arbeiten, z. B. 1,5 oder 4 Val. Je nach den Reaktionsbedingungen kann das Voraddukt noch freies Hexamethylendiisocyanat enthalten. Unter Voraddukt ist deshalb im Rahmen der Erfindung auch ein Gemisch zu verstehen, das noch nicht umgesetztes Hexamethylendiisocyanat enthält. Die Anwesenheit eines Lösungsmittels oder Katalysators ist nicht erforderlich. In Tabelle 1 sind verschiedene Mengenangaben für das Voraddukt angegeben, das im Rahmen der Erfindung A-Komponente genannt wird. Die Reaktion wird meist durch Erhöhung der Temperatur gestartet, wobei es ausreicht wenn man unterhalb 75°C bleibt. Man erhöht dann die Temperatur, vorzugsweise in zwei Stufen z. B. eine Stunde auf 100°C, sodann 2 Stunden auf 120°C.

Man erhält auf diese Weise Voraddukte, deren Viskosität bei Zimmertemperatur bei etwa 2 bis 35 Pa×s liegt, also noch sehr gut durch Gießen verarbeitbar sind.

Der Kettenverlängerer wird durch einfaches Vermischen z. B. unter Rühren der drei Komponenten in den angegebenen Mengenverhältnissen hergestellt. Vorzugsweise findet das Vermischen bei erhöhter Temperatur statt, z. B. bei 80°C. Das Rühren soll solange fortgesetzt werden, bis eine möglichst homogene Mischung entstanden ist.

Der Katalysator wird im allgemeinen dem Kettenverlängerer entweder vor, während oder nach dem Vermischen beigemengt. Man kann den Katalysator aber auch in Butandiol und/oder Trimethylhexandiol vorlösen und dann die endgültige Kettenverlängerermischung herstellen.

Auch das als B-Komponente bezeichnete Kettenverlängerergemisch ist sehr dünnflüssig und kann sehr gut mit der A-Komponente gemischt werden. In der Tabelle 2 sind Zusammensetzungen für die B-Komponente angegeben. Sie enthalten allesamt als Katalysator Dibutylzinndilaurat. Außer dieser Verbindung können auch andere übliche Metallverbindungen als Katalysator eingesetzt werden.

Vorzugsweise wird jedoch Zinndioctoat verwendet, und zwar vorteilhaft in Mengen von 50-250 ppm, berechnet als elementares Zinn und bezogen auf das Gewicht der Gesamtausgangsstoffe.

Da die vermischten A- und B-Komponenten nach ihrer Vermischung noch eine ausreichende Zeit sehr dünnflüssig sind, lassen sich nach der Methode der Gießtechnik auch die kompliziertesten Formen füllen. Die Aushärtungszeit ist abhängig von der angewandten Temperatur und der Menge des eingesetzten Katalysators. Beim Gießen können die üblichen Gießtechniken angewandt werden. So lassen sich z. B. Hohlfäden sehr gut nach dem Schleudergußverfahren einbetten; auch ist es möglich zunächst durch Gießen in eine Form einen Formkörper herzustellen und diesen dann durch spanabhebende Bearbeitung noch weiter zu bearbeiten. Dies ist z. B. bei Otoplastiken von Vorteil, wo der Ohreinsatz von Hörgeräten individuell angepaßt werden kann. Auch können Blöcke oder sonstige Rohlinge hergestellt werden, die sich entsprechend weiter bearbeiten lassen. So können Formkörper von höchster Präzision angefertigt werden. Da die Polyurethane bei Zimmertemperatur meist ziemlich elastisch sind, erfolgt die Nachbearbeitung im allgemeinen bei niedrigeren Temperaturen, vorzugsweise unterhalb 0°C.

Schließlich können die A- und B-Komponenten auch nach Verfahren verarbeitet werden, wie sie bei Zwei-Komponenten-Systemen üblich sind. Es versteht sich von selbst, daß dabei die Dosierung der beiden Komponenten genauestens aufeinander abgestimmt sein muß.

Die erhaltenen Polyurethane sind glasklar. Sie sind besonders geeignet für medizinische Anwendungen, wo es auf Biokompatibilität, Biostabilität, Elastizität, Hydrolysestabilität, Sterilisierbarkeit und Wasserdampf-Transport ankommt. Sie sind darüber hinaus sehr alterungsbeständig, klebefrei und weisen eine ausreichende Durchlässigkeit für Gase und Wasserdampf auf.

In Tabelle 3 werden Polyurethanzusammensetzungen entsprechend der Erfindung wiedergegeben. Tabelle 4 gibt die Zusammensetzungen der Polyurethane von Tabelle 3 ausgedrückt in Val wieder.

In Tabelle 5 werden Polyurethane gleicher chemischer Zusammensetzung aber mit unterschiedlichen Katalysatorgehalten gegenübergestellt. Es zeigt sich, daß Polyurethane mit 100 bzw. 200 ppm Zinnoctoat nach mehrfachem Sterilisieren den geringsten Stickstoffgehalt im Migrationswasser aufweisen.

Es war besonders überraschend, daß auch nach 50maliger Sterilisation mit Wasserdampf von 121°C die Oberflächenstruktur von Formkörpern aus den erfindungsgemäßen Polyurethanen unverändert geblieben ist.

Die bei der Herstellung der Polyurethane gemäß der Erfindung eingesetzten Ausgangssubstanzen sind im Handel erhältliche Produkte. Bei dem verwendeten Trimethylhexandiol handelt es sich um ein Isomerengemisch aus 2,2,4-Trimethylhexandiol und 2,4,4-Trimethylhexandiol der Firma Veba-Chemie AG (Siedepunkt 135°C bei 5 Torr; Dichte bei 20°C 0,946, Brechungsindex n²⁰ 1,4630).

Die Untersuchung von mechanischen Eigenschaften wie der Shore-Härte, das Sterilisations- und Migrationsverhalten wurde an durch Gießen erhaltenen Normstäben gemäß DIN-Norm 53504 durchgeführt, und zwar jeweils an 10 Normstäben mit insgesamt 200 cm² Oberfläche.

Eine Sterilisation bestand aus einer 30-minütigen Behandlung mit Wasserdampf von 121°C bei 2 bar.

Zur Bestimmung des Migrationsverhaltens wurde der Prüfling nach der Sterilisation in 100 ml destilliertem Wasser 24 Stunden bei 40°C stehen gelassen und sodann der migrierte Stickstoff durch eine Microkjehldalbestimmung ermittelt.

Die Polyurethane entsprechend der Erfindung sind sehr hydrolysestabil und somit für den Einsatz in vielen Filtermodulen sehr geeignet. Da die Polyurethane wasserklar sind, besitzen sie ein ästhetisch sehr ansprechendes Aussehen, was für viele Anwendungen, insbesondere auf medizinischem Gebiet von großem Vorteil ist.

Ihre Sterilisierbarkeit ist ausgezeichnet; da sie auch noch nach häufigem Sterilisieren ihre Gebrauchseigenschaften beibehalten, sind sie auch vorzüglich als Einbettmaterial für Hämodialysatoren geeignet, wo man dazu übergehen möchte, den gleichen Modul für einen bestimmten Nierenpatienten mehrfach zu benutzen. Hier ist nach jedem Gebrauch auch eine Sterilisation nötig.

Gegossene Kopfteile von Herzschrittmachern lassen sich problemlos mit dem metallischen Batterieteil des Herzschrittmachers verbinden.

Die Polyurethane lassen sich auch gut einfärben, z. B. hautfarben, so daß sie für die verschiedensten Prothesen als Werkstoff sehr geeignet sind. Sehr geeignet sind die Polyurethane auch für Ohreinsätze von Hörgeräten. Sie lassen sich nicht nur präzise passend für das Ohr herstellen, auf Grund ihrer Elastizität und ihres Wasseraufnahme- und Transportvermögens sind sie für das Ohr ausgesprochen angenehm und verträglich. Da sie sehr beständig gegenüber Licht, insbesondere gegenüber UV-Licht sind, neigen sie nicht oder kaum zu Verfärbungen.

Von Vorteil ist ferner, daß sie nicht zu Verklebungen neigen.

Die Erfindung wird durch folgende Beispiele näher erläutert:

Herstellungsbeispiel (entspricht Beispiel 7 in den Tabellen 1-4)

In einem 0,3 l fassenden Dreihalskolben, ausgerüstet mit Rührer und Stickstoffüberleitung werden 1 Val - 84,1 g Hexamethylendiisocyanat eingefüllt und nach Stickstoffspülung auf 70°C erhitzt. Dann wird mit Hilfe eines Tropftrichters eine Auflösung von 0,4 Val = 32,05 g Trimethylhexandiol und 0,1 Val = 4,473 g Trimethylolpropan zugetropft. Dabei wird die Reaktionstemperatur auf 100°C erhöht und eine Stunde lang gehalten. Anschließend wird das Reaktionsgemisch weitere 2 Std. auf 120°C erwärmt, bis der Isocyanatgehalt 17,41 Gew.-% beträgt. Die Viscosität des Isocyanatadduktes wird bei 20°C mit 7,7 Pa×s gemessen. Der Kettenverlängerer wird gesondert durch Auflösen von 0,2 Val = 8,946 g Trimethylolpropan in 1,0 Val = 45,06 g Butandiol-1,4 und 1,0 Val = 80,125 g Trimethylhexandiol hergestellt. Die Lösung erfolgt durch Rühren in einem 0,3 l fassenden, Stickstoff gespülten Rührbehälter bei 80°C. Danach werden 36,2 mg Dibutylzinndilaurat als Katalysator zugesetzt und bis zur klaren Lösung weiter gerührt. Ein Val des Kettenverlängerers beträgt 60,97.

Verarbeitungsbeispiele

Für die Herstellung eines Gießlings werden 80,17 g des Isocyanatadduktes mit 19,83 g des Kettenverlängerers gemischt und in eine vorbereitete, trockene Gießform eingefüllt. Die Mischung enthält 0,3 Gew.-% Isocyanat-Überschuß. Nach Aushärtung wird ein optisch reiner, wasserklarer Gießling erhalten. Die Shore-D Härte beträgt 72/66, die Wasseraufnahme wird nach 24 Std. mit 4,1 Gew.-% ermittelt.

Beispiel mit Zinnoctoat als Katalysator

In einem 0,3 l Dreihalskolben mit Rührer und Stickstoffüberleitung werden 1 Val = 84,1 g Hexamethylendiisocyanat eingefüllt und auf 70°C erhitzt. Dann werden nacheinander 0,4 Val = 32,05 g Trimethylhexandiol und 0,05 Val = 2,2365 g Trimethylolpropan eingetragen. Nach Steigerung der Reaktionstemperatur auf 100°C wird 1 Std. lang weitergerührt. Danach wird der Kolbeninhalt unter Rühren auf 120°C erwärmt und 2 Std. lang gehalten. Der Isocyanatgehalt soll nach dieser Zeit 19,51 Gew.-% betragen. Die Viskosität des Isocyanatadduktes wird mit 2,6 Pa×s bei 20°C gemessen.

In einem weiteren 0,3 l fassenden Glaskolben werden bei 80°C 0,1 Val = 4,473 g Trimethylolpropan in 1 Val = 45,06 g Butandiol-1,4 und 1 Val = 80,125 g Trimethylhexandiol unter Stickstoffüberleitung gelöst.

Als Katalysator werden 195,6 mg Zinnoktoat zugegeben und so lange bei 80°C gerührt, bis eine klare Lösung vorliegt. Die Viskosität des Kettenverlängerers beträgt bei 20°C 0,55 Pa×s; ein Val des Kettenverlängerers ist 61,74.

Zum Vergießen werden 78,06 g des Isocyanatadduktes mit 21,94 g des Kettenverlängerers gemischt und in die trockene Gießform gefüllt. Die Mischung enthält 0,3 Gew.-% Isocyanatüberschuß. Der wasserklare Gießling besitzt eine Shore-D Härte von 72/64 nach Aushärtung. Der Zinngehalt beträgt 100 ppm. Mit Zinnoktoat als Katalysator werden besonders hydrolysestabile Polyurethane erhalten.

Tabelle 1

A-Komponente

Tabelle 2

B-Komponente

Tabelle 3

Polyurethane als Vergußmassen

PUR-Zusammensetzung

Tabelle 4

Polyurethanzusammensetzung in Val

Tabelle 5

Ergebnisse der Sterilisations- und Migrations-Prüfung

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Polyurethanen durch Umsetzung eines molaren Überschusses von Hexamethylendiisocyanat mit einem Gemisch aus mindestens zwei niedermolekularen, Hydroxylgruppen aufweisenden Verbindungen zu einem NCO-Gruppen aufweisenden Voraddukt und weiterer Umsetzung des Voradduktes mit einem Kettenverlängerergemisch aus mindestens drei Verbindungen mit Hydroxylgruppen in Gegenwart von katalytischen Mengen einer Metallverbindung, dadurch gekennzeichnet, daß man Hexamethylendiisocyanat mit einem Gemisch, das Trimethylhexandiol und Trimethylolpropan in einem Val-Verhältnis von 10 : 1 bis 1,5 : 1 enthält, zu einem NCO-Gruppen aufweisenden Voraddukt umsetzt und man das Voraddukt in Gegenwart von katalytischen Mengen einer Metallverbindung mit einem Kettenverlängerergemisch umsetzt, das Trimethylhexandiol, Butandiol-(1,4) und Trimethylolpropan enthält, wobei das Val-Verhältnis von Trimethylolpropan zu den beiden anderen Kettenverlängerern 1 : 30 bis 1 : 5 beträgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Val-Verhältnis von Trimethylolpropan zu den beiden anderen Kettenverlängerern 1 : 20 bis 1 : 10 beträgt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß 50-250 ppm Zinnoctoat, berechnet als elementares Zinn und bezogen auf das Gewicht der Gesamtausgangsstoffe, als Metallverbindung verwendet.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, daß man zur Herstellung des Voraddukts Hexamethylendiisocyanat mit dem Gemisch aus Trimethylhexandiol und Trimethylolpropan in einem Val-Verhältnis NCO-Gruppen zu OH-Gruppen von 1 : 0,4 bis 1 : 0,6 umsetzt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, daß bei der Herstellung des Voraddukts und der Kettenverlängerung ein Überschuß von NCO-Gruppen von 0,5 bis 1 Val% vorhanden ist.

6. Polyurethane erhältlich nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5.

7. Verwendung der Polyurethane nach Anspruch 6 als Einbettmaterial von Hohlfaser- und Flachfolienmembranen.

8. Verwendung der Polyurethanen nach Anspruch 6 zur Herstellung von Otoplastiken.

9. Verwendung der Polyurethane nach Anspruch 6 zur Herstellung von Kunststoffteilen von Herzschrittmachern.