DE60008773T2

DE60008773T2 - Elektrogesponnene fasern und vorrichtung hierzu

Info

Publication number: DE60008773T2
Application number: DE60008773T
Authority: DE
Inventors: Daniel Smith; Darrell Reneker; Albert Mcmanus; Heidi Schreuder-Gibson; Charlene Mello; Michael Sennett; Phillip Gibson
Original assignee: University of Akron
Current assignee: University of Akron
Priority date: 1999-10-08
Filing date: 2000-10-06
Publication date: 2005-02-10
Anticipated expiration: 2020-10-07
Also published as: CA2386674A1; WO2001027365A1; EP1220958A1; ATE261009T1; DK1220958T3; EP1220958B1; DE60008773D1; US6753454B1; AU1075201A

Description

Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen der vorläufigen U.S.-Anmeldung Nr. 60/158 677 , eingereicht am 8. Oktober 1999, und der U.S.-Anmeldung Nr. 09/571 841 , eingereicht am 16. Mai 2000.
ERKLÄRUNG ZUR BUNDESSTAATLICH GEFÖRDERTEN FORSCHUNG
Die U.S.-Regierung hat Forschungsarbeiten zu dieser Erfindung gefördert und besitzt eine bezahlte Lizenz dafür.
TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft einen Herstellungsgegenstand, der elektrogesponnene Fasern umfasst. Insbesondere betrifft die Erfindung Komposit-Nanofasern, die durch das Elektrospinnen eines polymeren Matrixmaterials hergestellt werden können. Sogar noch spezieller betrifft diese Erfindung ein nichtgewebtes Nanofaser-Komposit, der hinsichtlich der Festigkeit, des Absorptionsvermögens und der Einstellbarkeit des pH-Werts verbesserte Qualitäten aufweist. Diese Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Elektrospinnen der Fasern. Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ermöglicht das Auftragen von Fasern auf ein spezielles Ziel. Die Vorrichtung ermöglicht auch das Auftragen von Fasern, die einen weiteren Bereich an möglichen leistungssteigernden Additiven enthalten, als dies bisher für möglich gehalten wurde.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Technik des Elektrospinnens, die in der faserherstellenden Industrie auch als elektrostatisches Spinnen bekannt ist, von Flüssigkeiten und/oder Lösungen, die zur Bildung von Fasern fähig sind, ist wohlbekannt und in einer Anzahl von Patenten sowie in der allgemeinen Literatur beschrieben worden.
Das Verfahren des Elektrospinnens umfasst gewöhnlich die Bildung eines elektrischen Feldes an der Oberfläche einer Flüssigkeit. Die resultierende elektrische Kraft erzeugt einen Flüssigkeitsstrahl, der eine elektrische Ladung trägt. Somit können die Flüssigkeitsstrahlen von anderen elektrisch geladenen Gegenständen mit einem geeigneten elektrischen Potential angezogen werden. Während der Flüssigkeitsstrahl sich ausdehnt und fortbewegt, härtet und trocknet er. Das Härten und Trocknen des länglichen Flüssigkeitsstrahls kann durch ein Abkühlen der Flüssigkeit, d. h., wenn die Flüssigkeit bei Raumtemperatur normalerweise ein Feststoff ist, das Verdampfen eines Lösungsmittels, z. B. durch Entwässerung (ein physikalisch induziertes Härten) oder durch einen Härtungsmechanismus (ein chemisch induziertes Härten) bewirkt werden. Die erzeugten Fasern werden auf einer auf geeignete Weise lokalisierten, entgegengesetzt geladenen Aufnahmevorrichtung aufgenommen und anschließend nach Bedarf davon entfernt oder direkt auf einen entgegengesetzt geladenen, verallgemeinerten Zielbereich aufgetragen.
Mittels dieser Verfahren hergestellte Fasern sind in einer weiten Vielzahl von Anwendungen verwendet worden, und aus den U.S.-Patenten Nr. 4 043 331 und 4 878 908 ist bekannt, dass sie zur Bildung von Vliesmatten, die zur Verwendung in Wundverbänden geeignet sind, besonders brauchbar sind. Einer der Hauptvorteile der Verwendung von elektrogesponnenen Fasern für Wundverbände besteht darin, dass sehr dünne Fasern mit einem Durchmesser in der Größenordnung von etwa 50 nm bis etwa 25 μm und noch mehr bevorzugt in der Größenordnung von etwa 50 nm bis etwa 5 μm hergestellt werden können. Diese Fasern können aufgefangen und zu Vliesmatten mit jeder gewünschten Form und Dicke geformt werden. Es ist ersichtlich, dass aufgrund des sehr kleinen Durchmessers der Fasern eine Matte mit sehr kleinen Zwischenräumen und einer sehr hohen spezifischen Oberfläche pro Masseneinheit, zwei Merkmale, die bei der Bestimmung der Porosität der Matte wichtig sind, hergestellt werden kann.
Wundverbände, die unter Verwendung der Vliesmatten dieser polymeren Fasern gebildet sind, können in Abhängigkeit vom Typ des verwendeten Polymers oder der verwendeten Polymere spezielle Vorteile bieten. Ein benetzbares oder hydrophiles Polymer wie zum Beispiel ein Polyurethan kann verwendet werden, oder ein nicht benetzendes oder wenigstens schwach hydrophobes Polymer wie zum Beispiel ein gesättigter Polyester kann verwendet werden. Wenn der Verband aus einem benetzbaren Polymer gebildet wird, neigt aus der Wunde austretendes Blut oder Serum dazu, den Verband zu durchdringen, und die hohe spezifische Oberfläche fördert die Gerinnung. Solche Verbände könnten als Notverband verwendet werden, um eine Blutung zum Stillstand zu bringen. Wenn der Verband andererseits aus einem nicht benetzenden Polymer gebildet ist und wenn die Zwischenräume zwischen den Fasern ausreichend klein sind, d. h. in der Größenordnung von weniger als etwa 100 μm liegen, neigen Gewebeflüssigkeiten einschließlich Blut dazu, den Verband nicht zu durchdringen. Folglich werden die Flüssigkeiten in der Nähe der Wunde zurückgehalten, wo eine Gerinnung erfolgt. Durch das Fehlen von in das Verbandmaterial eingedrungenen Blutgerinnseln wird die anschließende Entfernung eines solchen Verbandes erleichtert. Noch weiter wird in den U.S.-Patenten Nr. 4 043 331 und 4 878 908 nahegelegt, dass solche Verbände den Vorteil aufweisen, gewöhnlich ausreichend porös zu sein, um einen Austausch zwischen Sauerstoff und Wasserdampf zwischen der Atmosphäre und der Wundoberfläche zu ermöglichen.
Neben der Bereitstellung eines weitreichenden Gestaltungsvermögens für den Durchmesser der Fasern oder der Form, Dicke oder Porosität einer daraus hergestellten Vliesmatte ermöglicht die Fähigkeit zum Elektrospinnen der Fasern auch eine Variabilität der Zusammensetzung der Fasern, ihrer Abscheidungsdichte und ihrer Eigenfestigkeit. In den oben aufgeführten U.S.-Patenten ist angegeben, dass es auch möglich ist, die Vliesmatten mit anderen Materialien nachzubehandeln, um ihre Eigenschaften zu modifizieren. Zum Beispiel könnte man die Festigkeit der Matte mit Hilfe eines geeigneten Bindemittels erhöhen oder die Wasserbeständigkeit erhöhen, indem die Matte mit Silicon oder einem anderen wasserbeständigen Material behandelt wird.
Es ist ersichtlich, dass Fasern mit verschiedenen physikalischen oder chemischen Eigenschaften durch ein Variieren der Zusammensetzung der elektrogesponnenen Fasern erhalten werden können. Dies kann entweder durch das Spinnen einer Flüssigkeit, die eine Mehrzahl von Komponenten enthält, von denen jede ein gewünschtes Merkmal zum fertigen Produkt beitragen kann, oder durch ein gleichzeitiges Spinnen aus mehreren Flüssigkeitsquellen, Fasern mit verschiedenen Zusammensetzungen, die dann gleichzeitig unter Bildung einer Matte abgeschieden werden, bewerkstelligt werden. Die resultierende Matte bestände dann natürlich aus innig vermischten Fasern aus verschiedenen Materialien. Eine weitere, in den U.S.-Patenten aufgeführte Alternative besteht in der Herstellung einer Matte mit einer Mehrzahl von Schichten aus verschiedenen Fasern aus verschiedenen Materialien (oder Fasern aus demselben Material, aber mit verschiedenen Merkmalen, z. B. dem Durchmesser) wie beispielsweise durch das Variieren des im Laufe der Zeit auf der Aufnahme abgeschiedenen Fasertyps. Zum Beispiel weisen benetzbare und nicht benetzende Polymere jeweils zusätzliche Eigenschaften auf, die in verschiedenen Anwendungen wünschenswert sein können. Benetzbare Polymere haben die Neigung, hochabsorbierend, aber relativ schwach zu sein, während nicht benetzende Polymere die Neigung haben, nichtabsorbierend, aber relativ fest zu sein. Bei einigen Anwendungen wie zum Beispiel medizinischen Verbänden kann es wünschenswert sein, eine Kombination aus benetzbaren und nicht benetzenden Polymerschichten in einem einzigen Gegenstand zu verwenden. Bei einer solchen Anwendung verleiht die benetzbare Polymerschicht bzw. verleihen die benetzbaren Polymerschichten dem Gegenstand einen relativ hohen Grad des Absorptionsvermögens, während die nicht benetzende(n) Polymerschicht(en) einen relativ hohen Grad an Festigkeit beitragen. Die Verwendung einer solchen Struktur vom Laminattyp leidet jedoch an dem Nachteil, dass die hydrophobe Schicht eine Barriere gegenüber Flüssigkeiten bilden kann und die Absorption von Flüssigkeit durch die benetzbare Schicht hemmt. Darüber hinaus verliert das benetzbare Polymer bei der Absorption von Flüssigkeit seine dreidimensionale Struktur, und es können eine falsche Ausrichtung, ein Verrutschen oder sogar eine Trennung von Schichten auftreten, was zum Versagen der Unversehrtheit des Gegenstandes führt.
Somit wird in den U.S.-Patenten Nr. 4 043 331 und 4 878 908 klargemacht, dass feste Vliesmatten, die eine Mehrzahl von Fasern aus einem organischen, nämlich polymeren Material umfassen, das durch ein elektrostatisches Spinnen der Fasern aus einer Flüssigkeit, die aus dem Material oder einer Vorstufe davon besteht, hergestellt wird, im Fachgebiet bekannt sind. Diese Fasern werden auf einer auf geeignete Weise geladenen Aufnahme aufgefangen und können anschließend davon entfernt werden. Die dann auf der Aufnahme gebildeten Matten oder Futter können dann übertragen und zusammen mit anderen, zuvor konstruierten Komponenten wie beispielsweise Matten aus gewebten Fasern und Trägerschichten verwendet werden, wodurch ein Wundverband mit erwünschten Eigenschaften erhalten wird. Zum Beispiel sind bei der Herstellung von Wundverbänden zusätzliche Träger oder Verstärkungen wie Matten oder Futter aus gewebten Fasern oder Trägerschichten erforderlich, damit der Wundverband an der Haut haftet und dem Wundverband andere, wünschenswerte Eigenschaften verliehen werden. Beispielsweise kann eine Matte oder ein Futter aus gewebten Fasern Materialien mit antiseptischen oder Wundheilungseigenschaften enthalten. Oberflächenbehandlungen der bereits gebildeten Vliesmatten können bei der Herstellung solcher Wundverbände ebenfalls zusätzliche Vorteile bieten.
In der PCT-Anmeldung WO 98/03267 ist auch beschrieben worden, einen Wundverband an der gewünschten Stelle über einer Wunde elektrostatisch zu spinnen. Bei einer solchen Verwendung wird der Körper selbst geerdet und dient als Kollektor der elektrogesponnenen Fasern. Dieses Verfahren zur Synthetisierung eines Wundverbands ermöglicht die Lösung einiger der mit der Aufbewahrung und Herstellung von Bandagen und Gaze zusammenhängenden Probleme. Es ist beispielsweise wohlbekannt, dass Gaze und Bandagen in einer sterilen Umgebung aufbewahrt und gehalten werden müssen, damit den heilenden Wunden der größte Schutz geboten wird. Wenn die Gaze oder die Bandagen nicht steril sind, bieten diese Produkte beim Schutz der Wunde wenig Hilfe. Das Elektrospinnen eines Wundverbands an der gewünschten Stelle aus einer sterilen Flüssigkeit beseitigt diese Probleme.
Durch das Elektrospinnen eines Wundverbands an der gewünschten Stelle auf einer Wunde sind jedoch die verwendbaren Lösungsmitteltypen auf diejenigen Lösungsmittel beschränkt, die mit der Haut oder dem anderen Gewebe, auf das der Verband aufgetragen wird, verträglich sind. Beispiele für solche Lösungsmittel umfassen Wasser, Alkohole und Aceton. Gleichermaßen sind, weil die Typen der brauchbaren Lösungsmittel begrenzt sind, die Additivtypen wie zum Beispiel Absorptionsmittel, Bakterizide und Antibiotika, die zusammen mit dem Polymer verwendet werden können, auf diejenigen begrenzt, die im speziell verwendeten Lösungsmittel löslich sind. Auf ähnliche Weise sind die verwendbaren Polymertypen auch auf diejenigen beschränkt, die in einem haut- oder gewebeverträglichen Lösungsmittel löslich sind. Bioverträgliche Polymer/Lösungsmittel-Kombinationen umfassen zum Beispiel Poly(ethylenimin)/Ethanol, Poly(vinylpyrrolidon)/Ethanol, Polyethylenoxid/Wasser und Poly(2-hydroxymethacrylat)/Ethanol + Säure. Obwohl Fasern aus einer solchen Kombination im gesponnenen Zustand unreaktiv sind, kann die Einwirkung von Flüssigkeiten entweder aus einer Wunde oder aus äußeren Quellen auf die Fasern in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Faser eine örtliche Änderung des pH-Werts von einem neutralen oder einem fast neutralen zu einem sauren oder alkalischen pH-Wert bewirken. Wenn zum Beispiel Flüssigkeit auf Poly(ethylenimin)-Faser einwirkt, nimmt diese an der Protonenübertragung teil, was bei der das Polymer berührenden Flüssigkeit zu einem alkalischen pH-Wert führt. Die Erzeugung einer unerwünschten pH-Umgebung kann Nebenwirkungen wie eine langsame Wundheilung bewirken.
Wie oben erwähnt wurde, umfasst das Elektrospinnen die Bildung eines Flüssigkeitsstrahls in einem elektrischen Feld. Der Flüssigkeitsstrahl dehnt sich aus und härtet oder trocknet, während er zu seinem Ziel transportiert wird. Die resultierenden Fasern werden auf eine zufällige und diffuse Weise abgeschieden. Dies führt dazu, dass Material außerhalb des Zielbereichs abgeschieden wird, wodurch Abfall verursacht wird. Das allgemeine elektrische Feld, von dem die Bildung von Fasern abhängt, kann auch eine Abscheidung von Fasern im tiefsten Teil einer Lazeration oder einer anderen tiefen Wunde verhindern, weil Fasern von demjenigen Teil der Wunde angezogen werden, der der Elektrospinnvorrichtung am nächsten liegt, und dort abgeschieden werden. Die Geschwindigkeit des Härtens oder Trocknens hängt auch von Faktoren wie der Weglänge des Flüssigkeitsstrahls ab. Dies beeinflusst wiederum die physikalischen Merkmale des Vliesgegenstandes.
Daher besteht der Bedarf an einem Wundverband oder einer anderen Vliesmatte oder -membran, die sowohl fest als auch flüssigkeitsabsorbierend ist, fort. Dieser Bedarf besteht auch an einem Wundverband oder einer anderen Vliesmatte oder -membran, die aus bioverträglichen Polymeren elektrogesponnen ist und im Bereich des Polymers keine unerwünschte pH-Umgebung erzeugt. Der Verband oder die andere Vliesmatte sollte jedoch dennoch alle Vorteile beibehalten, die durch das Elektrospinnen der den Verband bildenden Faser(n) erhalten werden. Es besteht auch ein Bedarf an einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Elektrospinnen eines medizinischen Verbands oder einer anderen Vliesmatte oder Membran, mit dem die resultierenden Fasern auf einen spezifizierten Zielbereich fokussiert werden. Es besteht auch ein Bedarf an einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Elektrospinnen von Additive enthaltenden Nanofasern ohne Berücksichtigung ihrer Löslichkeit in einer bioverträglichen Lösungsmittel/Polymer-Kombination. Gleichermaßen besteht auch ein Bedarf an einem Verfahren zur Manipulation der Härtungsgeschwindigkeit der elektrogesponnenen Fasern, wodurch die Eigenschaften der Vliesmatte oder -membran, die aus den elektrogesponnenen Fasern besteht, manipuliert werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Daher besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung von elektrogesponnenen Fasern, die sowohl fest als auch flüssigkeitsabsorbierend sind.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines verbesserten medizinischen Verbands zur Behandlung einer Wunde oder eines anderen Schutzes vor einer Verunreinigung benötigenden Bereichs eines Patienten, der Fasern umfasst, die sowohl fest als auch flüssigkeitsabsorbierend sind und gegebenenfalls eine den pH-Wert regelnde Komponente enthalten.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines verbesserten medizinischen Verbands wie oben, wobei die Fasern des Verbands elektrogesponnen sind.
Noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines verbesserten medizinischen Verbands wie oben, der auf eine gezieltere Weise, als sie zuvor im Fachgebiet bekannt war, durch Elektrospinnen auf die Wunde aufgetragen werden kann.
Noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines verbesserten medizinischen Verbands wie oben mit einem weiten Bereich an Größen und Formen, der leicht aufgetragen werden kann, um Wunden zu bedecken.
Noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines verbesserten medizinischen Verbands wie oben, wobei die den Verband bildenden Fasern direkt auf eine Wunde aufgebracht werden.
Noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in einem verbesserten Verfahren zur Behandlung einer Wunde eines Patienten.
Noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Behandlung einer Wunde wie oben, wobei die den Wundverband bildenden Fasern direkt auf eine Wunde aufgebracht werden.
Noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Behandlung einer Wunde wie oben, wobei der Verband leicht entfernbar ist und auf eine weniger schmerzhafte Weise als andere, herkömmliche Wundverbände aufgetragen wird.
Noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer einzigen Vorrichtung zum Elektrospinnen von Komposit-Polymerfasern und dem Auftragen der Komposit-Polymerfasern auf eine Wundoberfläche.
Wenigstens eine der obigen Aufgaben, die aus der folgenden Beschreibung hervorgeht, wird zusammen mit deren Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik in Bezug auf das elektrostatische Spinnen von Fasern und Wundverbände durch die hiernach beschriebene und beanspruchte Erfindung gelöst.
Im allgemeinen macht der Gegenstand der vorliegenden Erfindung wenigstens eine Faser verfügbar, die durch das Elektrospinnen einer im wesentlichen homogenen Mischung aus einem Polymer, das wenigstens schwach hydrophob ist, einem hydrophilen Polymer und gegebenenfalls einer Verbindung zur Einstellung des pH-Wertes gebildet worden ist. Gewöhnlich sind wenigstens schwach hydrophobe Polymerfasern Fasern mit einem Gleichgewichts-Feuchtigkeitsgehalt von weniger als etwa 80%. Hydrophile Polymerfasern sind Fasern mit einem Gleichgewichts-Feuchtigkeitsgehalt von mehr als etwa 60%. Polymerfasern mit einem Gleichgewichts-Feuchtigkeitsgehalt von mehr als oder gleich etwa 80% werden gewöhnlich als Hydrogele bezeichnet.
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung macht auch eine faserhaltige Matrixmembran verfügbar, die wenigstens eine Faser umfasst, die wie oben beschrieben elektrogesponnen worden ist. Dieser Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Form eines medizinischen Verbandes einnehmen. Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung unter Bildung eines medizinischen Verbands kann auch direkt auf die dreidimensionale Topographie einer Wunde aufgetragen werden. Die wenigstens eine Faser dieses Aspekts der Erfindung umfasst eine im wesentlichen homogene Mischung aus einem Polymer, das wenigstens schwach hydrophob ist, einem hydrophilen Polymer und gegebenenfalls einer den pH-Wert einstellenden Komponente. Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung kann auch gegebenenfalls ein oder mehrere die therapeutische Leistung verstärkende Verbindungen einschließlich beispielsweise antibiotischen Verbindungen, bakterioziden Verbindungen, fungiziden Verbindungen, bakteriostatischen Verbindungen, vernetzenden Verbindungen, analgetischen Verbindungen, thrombogenen Verbindungen, Stickstoff(II)-oxid freisetzenden Verbindungen wie Sydnoniminen und NO-Komplexen, die die Wundheilung fördern, anderen pharmazeutischen Verbindungen, Klebstoffen, Aromen, geruchsabsorbierenden Verbindungen und Nucleinsäuren ohne Berücksichtigung der Löslichkeit in einem bioverträglichen Lösungsmittel einschließt. Im Gegensatz zu bisherigen elektrogesponnenen Fasern sind die Additive nicht auf diejenigen beschränkt, die in der Polymer/Lösungsmittel-Kombination löslich sind. Es ist gefunden worden, dass sogar unlösliche Additive zur Polymer/Lösungsmittel-Kombination der vorliegenden Erfindung gegeben werden können, ohne dass das Additiv sich vom Polymer in den elektrogesponnenen Fasern trennt oder absondert. Daher ist der Begriff "Flüssigkeit", wenn er hier zur Beschreibung der Polymer/Lösungsmittel-Kombination der vorliegenden Erfindung verwendet wird, dahingehend zu verstehen, dass er Suspensionen von Teilchen einschließt, die in einem gegebenen Lösungsmittel unlöslich sind.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung wenigstens einer Faser, umfassend das Elektrospinnen einer im wesentlichen homogenen Mischung aus einem Lösungsmittel, einem Polymer, das wenigstens schwach hydrophob ist, einem hydrophilen Polymer und gegebenenfalls einer den pH-Wert einstellenden Komponente.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer faserhaltigen Matrixmembran, umfassend das Elektrospinnen einer im wesentlichen homogenen Mischung aus einem Lösungsmittel, einem Polymer, das wenigstens schwach hydrophob ist, einem hydrophilen Polymer und gegebenenfalls einer den pH-Wert einstellenden Komponente.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines medizinischen Verbands, wobei die Fasern aus einer im wesentlichen homogenen Mischung elektrogesponnen sind, die Folgendes umfasst: ein Lösungsmittel, ein Polymer, das wenigstens schwach hydrophob ist, ein hydrophiles Polymer und gegebenenfalls eine den pH-Wert einstellende Komponente, wobei die resultierenden Fasern auf einem auf geeignete Weise geladenen Sammelbereich abgeschieden und zur anschließenden Verwendung entfernt werden.
In einem anderen Aspekt der Erfindung werden die Fasern gemäß der obigen Beschreibung elektrogesponnen und direkt auf ihrer vorgesehenen Nutzfläche abgeschieden, ohne die Fasern zuerst auf eine geladene Übergangsaufnahme aufzutragen oder sie anderen dazwischenliegenden Fabrikationsschritten zu unterziehen. Wenn die Fasern direkt auf eine Wunde aufgetragen werden, kann der Verband so angefertigt werden, dass er jede Größe oder Form einer Wunde erfasst. Nach diesem Aspekt der Erfindung werden die Fasern aus einer im wesentlichen homogenen Mischung aus einem Lösungsmittel, einem Polymer, das wenigstens schwach hydrophob ist, einem hydrophilen Polymer und gegebenenfalls einer den pH-Wert einstellenden Komponente elektrogesponnen. Weiterhin sind nach diesem Aspekt der Erfindung, wenn die Fasern direkt auf eine Wundoberfläche elektrogesponnen werden, die polymeren Materialien, aus denen die Fasern elektrogesponnen werden, in einem bioverträglichen Lösungsmittel gelöst oder suspendiert. Ebenfalls nach diesem Aspekt der Erfindung kann die anfänglich verwendete polymere Flüssigkeit oder Lösung zusätzlich ein oder mehrere Pharmazeutika oder therapeutische Hilfsstoffe enthalten. Die Additive sind nicht auf diejenigen beschränkt, die im bioverträglichen Lösungsmittel oder der bioverträglichen Polymer/Lösungsmittel-Kombination löslich sind. Es ist gefunden worden, dass sogar unlösliche aus Teilchen bestehende Additive in der Polymer/Lösungsmittel-Kombination der vorliegenden Erfindung dispergiert werden können, ohne dass in den elektrogesponnenen Fasern eine Trennung oder Entmischung des Additivs vom Polymer erfolgt.
Das Verfahren zur Herstellung eines medizinischen Verbands der vorliegenden Erfindung macht auch ein Verfahren verfügbar, bei dem der medizinische Verband unter Bildung eines medizinischen Verbands direkt auf die dreidimensionale Topographie der Wunde aufgetragen wird. Nach diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden Fasern aus einer Mischung aus einem Lösungsmittel, einem Polymer, das wenigstens schwach hydrophob ist, einem hydrophilen Polymer und gegebenenfalls einer den pH-Wert einstellenden Komponenten elektrogesponnen. Nach diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden die elektrogesponnenen Fasern auf einem Zielbereich fokussiert, statt weit verteilt zu werden, wie dies zuvor von elektrogesponnenen Fasern bekannt war.
Die vorliegende Erfindung macht weiterhin ein Verfahren zur Verwendung eines medizinischen Verbands verfügbar, umfassend das Elektrospinnen von einer oder mehreren Fasern zur Bildung einer faserhaltigen Membran, die zum Bedecken der Wunde geeignet ist bzw. sind. Die Fasern der Membran werden entweder direkt an der Wunde aufgebracht oder zuerst auf eine geladene Übergangsaufnahme aufgetragen und/oder anderen dazwischenliegenden Fabrikationsschritten unterzogen. Die elektrogesponnenen Fasern umfassen im Verfahren der vorliegenden Erfindung Fasern, bei denen es sich um ein Komposit aus einem Polymer, das wenigstens schwach hydrophob ist, eines hydrophilen Polymers und gegebenenfalls eine den pH-Wert einstellende Komponente handelt. Nach diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung können die Fasern gegebenenfalls auch ein oder mehrere die therapeutischen Leistung verstärkende Verbindungen einschließlich beispielsweise antibiotischer Verbindungen, bakteriozider Verbindungen, fungizider Verbindungen, bakteriostatischer Verbindungen, vernetzender Verbindungen, analgetischer Verbindungen, anderer pharmazeutischer Verbindungen, Klebstoffen, Aromen, geruchsabsorbierender Verbindungen und Nucleinsäuren einschließen. Diese Verbindungen werden über den Wundverband auf den Behandlungsbereich aufgetragen. Die Additive, die mittels dieses Aspekts der Erfindung auf eine Wunde aufgetragen werden können, sind nicht auf diejenigen beschränkt, die in der Polymer/Lösungsmittel-Kombination löslich sind. Es ist gefunden worden, dass sogar unlösliche Additive zur Polymer/Lösungsmittel-Kombination der vorliegenden Erfindung gegeben werden können, ohne dass eine Trennung oder Entmischung des Additivs vom Polymer in den elektrogesponnenen Fasern erfolgt. Daher ist der Begriff "Flüssigkeit", wenn er hier zur Beschreibung der Polymer/Lösungsmittel-Kombination der vorliegenden Erfindung verwendet wird, dahingehend zu verstehen, dass er Suspensionen einschließt, die in einem gegebenen Lösungsmittel unlösliche Teilchen enthalten.
Die vorliegende Erfindung macht auch eine Vorrichtung zur Synthetisierung wenigstens einer Polymerfaser verfügbar, wobei die Vorrichtung wenigstens einen Vorratsbehälter, wenigstens eine Vorrichtung zum Elektrospinnen wenigstens einer Faser, wobei die wenigstens eine Vorrichtung sich in flüssiger Kommunikation mit dem wenigstens einen Vorratsbehälter befindet, eine Mischvorrichtung zum Bewegen der Flüssigkeit innerhalb des Vorratsbehälters und eine Stromquelle, die zur Erzeugung eines elektrischen Feldes in elektrischer Kommunikation mit der wenigstens einen Vorrichtung in der Lage ist, umfasst.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst die Vorrichtung ein Gehäuse, das wenigstens einen Vorratsbehälter zur Aufnahme einer Flüssigkeit, eine Vorrichtung zum Elektrospinnen der Flüssigkeit zu wenigstens einer Faser enthält, wobei die Vorrichtung sich in flüssiger Kommunikation mit dem Vorratsbehälter befindet; eine Stromquelle, die dazu fähig ist, ein elektrisches Feld in elektrischer Kommunikation mit der Vorrichtung zu erzeugen, und eine Verlängerung, die sich zur Beabstandung der Elektrospinnvorrichtung vom verletzten Bereich vom Gehäuse aus erstreckt, und eine Vorrichtung zum Fokussieren der elektrogesponnenen Fasern in einem definierten Bereich, wobei die Fasern ein Polymer, das wenigstens schwach hydrophob ist, ein hydrophiles Polymer und gegebenenfalls eine den pH-Wert einstellende Komponente umfassen.
Die vorliegende Erfindung macht auch eine Vorrichtung zum direkten Aufbringen und Zusammenbringen einer Mehrzahl von elektrogesponnenen Fasern auf einer dreidimensionalen Oberfläche einer Wunde entweder mit oder ohne dazwischenliegende Fabrikationsschritte wie die Verwendung einer geladenen Übergangsaufnahme, wobei die Vorrichtung wenigstens eine Vorrichtung zum Elektrospinnen wenigstens einer Faser, wenigstens einen Vorratsbehälter zur Aufnahme einer Flüssigkeit, aus der die wenigstens eine Faser elektrogesponnen wird, wobei der Vorratsbehälter sich in flüssiger Kommunikation mit der wenigstens einen Vorrichtung zum Elektrospinnen der wenigstens einen Faser befindet, eine Mischvorrichtung zum Bewegen des Spinnmaterials, eine Stromquelle in elektrischer Kommunikation mit der wenigstens einen Vorrichtung zum elektrostatischen Spinnen der wenigstens einen Faser und ein Mittel zum Fokussieren der elektrogesponnenen Fasern in einem definierten Bereich umfasst.
In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Vorrichtung weiterhin ein Gehäuse zum Einschließen der anderen aufgeführten Komponenten der Vorrichtung und ein oder mehrere mit dem Gehäuse verbundene Beine oder Verlängerungen zur Abstützung der Vorrichtung und/oder zur Beibehaltung eines optimalen Abstands von der Wundoberfläche während des Gebrauchs einschließen. Die Vorrichtung kann den Körper des Patienten zum Anziehen der elektrisch geladenen Fasern verwenden, und daher sei darauf hingewiesen, dass der geerdete elektrische Anschluss der Vorrichtung durch ein getrenntes Kabel oder dergleichen auf eine im Fachgebiet bekannte Weise mit dem Patienten verbunden sein kann, um das Anziehen oder Zusammenbringen der Mehrzahl von Fasern auf der Oberfläche der Wunde zu unterstützen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein schematischer Querschnitt einer tragbaren Vorrichtung zum Elektrospinnen von Fasern und zum direkten Zusammenbringen der Fasern auf der Wundbehandlungsfläche eines Patienten, und
2 ist eine schematische, perspektivische Ansicht eines Teils einer tragbaren Vorrichtung mit mehreren Vorratsbehältern zur Verwendung bei der Herstellung von Fasern, die gemäß der Konzepte der vorliegenden Erfindung direkt auf die Oberfläche einer Wunde eines Patienten aufgetragen werden können.
3 ist ein Diagramm, in dem die Geschwindigkeit der Flüssigkeitsaufnahme für Matten aus elektrogesponnenen Fasern aus Kompositpolymeren im Vergleich zur Geschwindigkeit der Wasseraufnahme für eine Matte aus elektrogesponnenen Fasern, die Schichten aus hydrophoben Polymeren, eine Schicht aus einem hydrophilen Polymer und eine Schicht aus einer den pH-Wert einstellenden Verbindung enthält, dargestellt ist.
4 ist ein Diagramm, in dem die Geschwindigkeit des Gleichgewichts-Flüssigkeitsgehalts für Matten aus elektrogesponnenen Fasern aus Kompositpolymeren im Vergleich zur Geschwindigkeit des Gleichgewichts-Flüssigkeitsgehalts für eine Matte aus elektrogesponnenen Fasern, die Schichten aus hydrophoben Polymeren, eine Schicht aus einem hydrophilen Polymer und eine Schicht aus einer den pH-Wert einstellenden Verbindung enthält, dargestellt ist.
5 ist ein Diagramm, in dem der Luftstromwiderstand und die Aerosolfiltrationswirksamkeit von Membranen aus elektrogesponnenem Nylon mit verschiedenen Dicken dargestellt ist.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN ZUR DURCHFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Im Allgemeinen ist der Gegenstand der vorliegenden Erfindung wenigstens eine elektrogesponnene Faser, die ein wenigstens schwach hydrophobes Polymer und ein hydrophiles Polymer umfasst. Polymere Materialien, die zum Elektrospinnen zu Fasern geeignet sind, können zum Beispiel diejenigen inerten polymeren Substanzen einschließen, die absorbierbar und/oder biologisch abbaubar sind, mit ausgewählten organischen oder wässrigen Lösungsmitteln gut reagieren oder schnell trocknen. Im Wesentlichen jedes in organischen oder wässrige Systemen lösliche Polymer oder alle Dispersionen eines solchen Polymers mit einem löslichen oder unlöslichen Additiv, das zur topischen therapeutischen Behandlung einer Wunde geeignet ist, kann verwendet werden. Beispiele für solche geeigneten Polymere umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, lineares Poly(ethylenimin), Celluloseacetat und andere vorzugsweise gepfropfte Cellulosen, Poly(L-milchsäure), Poly(caprolacton), Poly(ethylenoxid) und Polyvinylpyrrolidon.
In einer Ausführungsform handelt es sich beim Gegenstand der vorliegenden Erfindung um wenigstens eine elektrogesponnene Faser wie oben, die zusätzlich eine den pH-Wert einstellende Komponente umfasst.
In einer anderen Ausführungsform umfasst der Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine faserförmige, nichtgewebte Matrix aus elektrogesponnenen Fasern, die ein wenigstens schwach hydrophobes Polymer, ein hydrophiles Polymer und gegebenenfalls eine den pH-Wert einstellende Komponente umfassen.
In einer anderen Ausführungsform umfasst der Gegenstand der vorliegenden Erfindung einen medizinischen Wundverband zum Schutz von Wunden. In dieser Ausführungsform umfasst der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein wenigstens schwach hydrophobes Polymer, ein hydrophiles Polymer, gegebenenfalls eine den pH-Wert einstellende Komponenten und ebenfalls gegebenenfalls wenigstens ein Pharmazeutikum oder Therapeutikum. Die medizinischen, maßgeschneiderten Membranen, die die Wundverbände dieser Ausführungsform bilden, können gebildet werden, wenn die elektrogesponnenen Fasern in jeder gewünschten Größe, Dicke oder Form schmerzlos und direkt auf der Wunde abgeschieden werden. Weil die meisten Wunden eine dreidimensionale Beschaffenheit haben, ist ersichtlich, dass die Membran der vorliegenden Erfindung gemäß der dreidimensionalen Topographie der Wunde konstruiert und zusammengebracht werden kann, wodurch die Wunde einen besseren Schutz erhält und eine direktere und vollständigere Verabreichung medizinisch wichtiger, in den Verband eingearbeiteter Additive in die Wunde ermöglicht wird. Diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung richtet sich auf einen definierten Bereich, wodurch ein stärkeres Eindringen der Fasern in tiefe Wunden wie Lazerationen und daher ein verbesserter Schutz der Wunde und eine verbesserte Verabreichung von Pharmazeutika oder Therapeutika ermöglicht wird. Gewöhnlich in Form von Filmen vorliegende Membranen, die sich auf diese Weise an die Wunde anpassen, werden manchmal als "aufgesprühte" Wundverbände bezeichnet.
Es ist ersichtlich, dass die medizinisch maßgeschneiderte, polymere, faserförmige Membran der obigen Ausführungsform aufgrund der Fähigkeit der elektrogesponnenen Fasern, in der gewünschten Größe und mit den gewünschten Oberflächenmerkmalen der Wunde auf eine gerichtete Weise direkt auf den betroffenen Wundbereich aufgetragen zu werden, relativ preiswert herstellbar ist. Die frisch gebildete Membran ist auch inhärent steril.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Gegenstand der vorliegenden Erfindung einen medizinischen Verband wie oben, der durch das Elektrospinnen einer Flüssigkeit zu wenigstens einer Faser erzeugt wird, die auf einem Aufnahmebereich aufgenommen und zum späteren Auftrag auf die Wundfläche entfernt wird, wobei die Flüssigkeit ein wenigstens schwach hydrophobes Polymer, ein hydrophiles Polymer, gegebenenfalls eine den pH-Wert einstellende Verbindung und auch gegebenenfalls wenigstens ein Pharmazeutikum oder Therapeutikum umfasst.
Der medizinische Verband dieser Ausführungsform kann nicht nur die Wunde schützen oder reparieren, sondern gegebenenfalls auch topische Analgetika oder andere, ähnliche Pharmazeutika oder Therapeutika am verletzten Gewebe des Patienten verabreichen.
Wie oben diskutiert wurde, besteht einer der Hauptvorteile der Verwendung von elektrostatisch gesponnenen Fasern in Wundverbänden darin, dass diese Fasern mit sehr kleinen Durchmessern, gewöhnlich in der Größenordnung von etwa 3 nm bis etwa 3000 nm und noch mehr bevorzugt in der Größenordnung von etwa 10 nm bis etwa 500 nm und am meisten bevorzugt in der Größenordnung von etwa 10 nm bis etwa 100 nm hergestellt werden können. Somit ist in Anbetracht der Tatsache, dass diese "Nanofasern" relativ leicht zu Vliesmembranen jeder gewünschten Form und Dicke geformt werden können, ihre Nützlichkeit und Erwünschtheit in medizinischen Verbänden leicht ersichtlich.
Aufgrund des sehr kleinen Durchmessers der Fasern wird eine Membran mit sehr kleinen Zwischenräumen und einer hohen spezifischen Oberfläche erzeugt. Der resultierende medizinische Verband ist seinerseits mikroporös und atmungsaktiv, gegenüber einem starken Luftstrom jedoch beständig. Dies sind wichtige und wünschenswerte Merkmale von medizinischen Verbänden. Gewöhnlich reichen Porengrößen für den medizinischen Verband, die unter Anwendung von Elektrospinntechniken hergestellt werden, von etwa 500 nm bis etwa 1 μm, was klein genug ist, um das Eindringen von Bakterien über Aerosolteilchen-Einfangmechanismen zu verhindern. Porengrößen in diesem Bereich können auch das Durchlassen von Virusteilchen durch den Verband zur Wunde behindern. Die elektrogesponnenen Polymermatrix-Membranen der vorliegenden Erfindung haben für eine wirksame Flüssigkeitsabsorption und dermale Verabreichung hohe spezifische Oberflächen von wenigstens 5 m²/g und noch mehr bevorzugt von etwa 100 m²/g. Durch die hohe spezifische Oberfläche wird dem Verband auch ein hohes hämostatisches Potential verliehen.
Der medizinische Verband der vorliegenden Erfindung ergibt eine höhere, durch den Wasserdampffluss ausgedrückte Wasserdampfdurchlässigkeit als kommerzielle Sperrschichtfolien. In einer Ausführungsform bildet die elektrogesponnene Membran einen medizinischen Verband, dessen Wasserdampffluss wenigstens 10 Mal höher als derjenige von festen Folien-Sperrschichten ist. Vorzugsweise weist der medizinische Verband einen wenigstens 31 Mal höheren Wasserdampffluss als eine kommerzielle Sperrschichtfolie auf. Noch mehr bevorzugt weist der medizinische Verband einen wenigstens 34 Mal höheren Wasserdampffluss als eine kommerzielle Sperrschichtfolie auf.
Der medizinische Verband der vorliegenden Erfindung ist gegenüber Verunreinigungen eine dünne, aber wirksame Sperrschicht. Die geeignete Dicke der elektrogesponnenen Fasern des Verbands hängt von Faktoren wie dem verwendeten Polymer oder den verwendeten Polymeren und der Größe der durch die elektrogesponnenen Fasern sowie dem gewünschten Grad der Luftdurchlässigkeit und dem gewünschten Schutz vor Verunreinigungen ab. Zum Beispiel können die elektrogesponnenen Fasern, wenn sie mit einem Beschichtungsgrad von nur etwa 10^–4 kg/m² aufgetragen werden, einen medizinischen Verband bilden. Die elektrogesponnenen Fasern können auch mit einem Beschichtungsgrad zwischen 2 × 10^–4 und etwa 10^–2 kg/m² aufgetragen werden. Bei derselben Dicke ergeben die elektrogesponnenen Fasern des medizinischen Verbandes gegenüber Aerosolen mit einem Durchmesser zwischen etwa 0,5 und etwa 20 μm eine Filtrationswirksamkeit von mehr als 97%. Die elektrogesponnenen Fasern können auch mit einer Dicke aufgetragen werden, die eine im Wesentlichen vollständige Filtration von Aerosolen mit einem Durchmesser zwischen etwa 0,5 und etwa 20 μm ergibt.
Obwohl der medizinische Verband der vorliegenden Erfindung einen Schutz vor Verunreinigungen bietet, ermöglicht er den Durchtritt von Luft. Dies ermöglicht das Eindringen von Sauerstoff durch den Verband zu einer Wunde, Verbrennung oder einem anderen geschützten Bereich, wodurch im Vergleich zu Wundverbänden, die einen Luftstrom zum geschützten Bereich nicht zulassen, ein beschleunigtes Heilen und eine verminderte Wahrscheinlichkeit für eine Infektion ermöglicht werden. In einem Beispiel ergibt der elektrogesponnene medizinische Verband einen Luftstromwiderstand von weniger als 5 × 10⁹ m^–1. Vorzugsweise weist der elektrogesponnene medizinische Verband einen Luftstromwiderstand von weniger als 2 × 10⁸ m^–1 auf. In einem anderen Beispiel hat der elektrogesponnene medizinische Verband einen Luftstromwiderstand von weniger als 2 × 10⁷ m^–1.
Die aus elektrogesponnenen Fasern gebildeten Membranen und die resultierenden medizinischen Verbände der vorliegenden Erfindung sind leicht, sauerstoff- und feuchtigkeitsdurchlässig und dennoch windbeständig zum Schutz gegen in der Luft befindliche Verunreinigungen wie Staub, Mikroben oder andere infektiöse Mittel, die von Luftströmen getragen werden könnten. Die Fähigkeit der Membranfasern zum Transport von therapeutischen Additiven zur Stelle der Wunde und zur dort erfolgenden Verabreichung sind ebenfalls wichtig. Diese Fähigkeit zum Transport und zur Verabreichung von Additiven kann durch die Wahl des Polymerträgers, der Dichte und Dicke der aufgetragenen Membran und/oder die Schichtung verschiedener Membranfaser-Zusammensetzungen geregelt werden.
Hinsichtlich der Fasern gilt als vereinbart, dass die Fasern vorzugsweise so trocken sein sollten, dass ihre Festigkeit zur Bildung der Membran ausreichend ist. In einigen Fällen kann jedoch eine nasse Faser verwendet werden. Solche nassen Fasern sind gewöhnlich weicher und passen sich besser an die Oberfläche der Haut an. Andere Vorteile können diejenigen einschließen, die oben bei der Diskussion des U.S.-Patents Nr. 4 043 331 aufgeführt wurden. Auf jeden Fall ermöglicht die Fähigkeit zum Elektrospinnen der Fasern der vorliegenden Erfindung direkt auf die Oberfläche der Wunde eine verbesserte Flexibilität hinsichtlich der Zusammensetzung der Fasern, eine verbesserte Porosität der Membran und eine verbesserte Festigkeit, alles auf eine weniger teure und schnellere Weise. Darüber hinaus bedeutet die direkte Auftragung der Fasern, dass diese vorteilhaft in einem innigen Kontakt mit der gesamten Wundfläche positioniert werden können. Dies ermöglicht bei einem Verbandwechsel die wirksame Entfernung von toten Zellen, Flüssigkeit oder Bakterien aus der Tiefe der Wunde, wodurch die Notwendigkeit für ein Debridement der Wunde vermindert wird oder entfällt. Ein direkter Kontakt mit der Wundoberfläche ermöglicht auch eine verbesserte Verabreichung des Medikaments in die Wunde. Schließlich ist ersichtlich, dass ein direktes Aufbringen eine verbesserte und tatsächlich inhärente Sterilität der Fasern und daher des Verbands bewirkt, wodurch die Notwendigkeit für eine Gamma-Bestrahlung oder andere Behandlungen zum Desinfizieren der Verbandsmaterialien entfällt. Darüber hinaus kann eine kontrollierte Erzeugung von Ozon und anderen aktiven Spezies zur Unterstützung der Sterilisation verwendet werden.
In einer Ausführungsform liegt das Polymer in Form eines geschlossenzelligen Schaumstoffs vor, um die behandelte Fläche gegen eine mechanische Störung zu schützen oder eine Wärmeisolation zu erhalten.
Im Fachgebiet der Faserbildung ist das Elektrospinnen wohlbekannt und umfasst gewöhnlich die Einführung einer Flüssigkeit (z. B. einer Lösung oder Dispersion) in ein elektrisches Feld, so dass Flüssigkeitsstrahlen mit einer elektrischen Ladung gebildet werden und sich von der Oberfläche der Flüssigkeit aus erstrecken. Diese elektrisch geladenen Strahlen (die zu Fasern werden sollen) werden gewöhnlich mittels eines anziehenden elektrischen Potentials zu einer Aufnahme gezogen. Bei der Aufnahme kann es sich in diesem Fall um den Körper des Patienten handeln. Während der Bildung der Flüssigkeitsstrahlen zu Fasern werden diese viel länger und dünner und kühlen, härten und/oder trocknen gewöhnlich genug, wodurch sie vor dem Berühren der Wundoberfläche fest sind. Sie bilden dann auf der Wunde schnell eine Schutzummantelung oder Membran.
Die Ergebnisse der vorliegenden Erfindung sind durch die Entwicklung von Elektrospinntechniken, die die Verarbeitung löslicher Polymere sowohl aus organischen als auch aus wässrigen Lösungsmitteln ermöglichen, ermöglicht worden. Weiterhin ist gefunden worden, dass Dispersionen diskreter Teilchen und löslicher, nicht faserbildender Additive in der zur Faser zu spinnenden Flüssigkeit (d. h. der Spinnlösung) die Bildung von Membranen unter Verwendung von Elektrospinntechniken nicht verhindert. Solche Additive können daher für nützliche Zwecke in die Fasern und Membranen eingearbeitet werden.
Die den medizinischen Verband bildende Polymermembran der vorliegenden Erfindung wird gewöhnlich aus einer Mehrzahl von Fasern gebildet, die aus einer im Wesentlichen homogenen Mischung aus irgendeinem von einer Vielzahl von hydrophilen und wenigstens schwach hydrophoben Polymeren, die gegebenenfalls mit irgendeiner von einer Anzahl von medizinisch wichtigen Wundbehandlungen einschließlich Analgetika und anderen pharmazeutischen oder therapeutischen Additiven vermischt werden können, elektrogesponnen wird. Solche polymeren, für das Elektrospinnen zu Fasern geeigneten Materialien können zum Beispiel diejenigen inerten polymeren Substanzen einschließen, die absorbierbar und/oder biologisch abbaubar sind, mit den ausgewählten organischen oder wässrigen Lösungsmitteln gut reagieren oder schnell trocknen. Im Wesentlichen kann jedes in einer organischen oder wässrigen Lösung lösliche Polymer oder jede Dispersion eines solchen Polymers mit einem löslichen oder unlöslichen Additiv, das zur topischen, therapeutischen Behandlung einer Wunde geeignet ist, verwendet werden. Polymerlösungen können gegebenenfalls in einem sterilen Zustand aufgetragen werden. Beispiele für geeignete hydrophile Polymere umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, lineares Poly(ethylenimin), Celluloseacetat und andere gepfropfte Cellulosen, Poly(hydroxyethylmethacrylat), Poly(ethylenoxid) und Polyvinylpyrrolidon. Beispiele für geeignete Polymere, die wenigstens schwach hydrophob sind, umfassen Acryle und Polyester wie Poly(caprolacton), Poly(L-milchsäure), Poly(glycolsäure), ähnliche Copolymere dieser Säuren.
Wie oben vorgeschlagen wurde, können andere, entweder lösliche oder unlösliche Additive ebenfalls in die zu den Fasern elektrozuspinnende(n) Flüssigkeiten) eingeschlossen sein. Vorzugsweise sind diese Additive medizinisch wichtige, topische Additive, die in wenigstens therapeutisch wirksamen Mengen zur Behandlung des Patienten bereitgestellt werden. Solche Mengen hängen außerordentlich vom Additivtyp und den physikalischen Merkmalen der Wunden sowie vom Patienten ab. Gewöhnlich können solche Additive jedoch in Mengen, die von Spurenmengen (weniger als 0,1 Gew.-Teile auf 100 Teile des Polymers) bis 500 Gew.-Teile auf 100 Teile des Polymers oder mehr reichen, in die Fasern eingearbeitet werden. Beispiele für solche therapeutischen Additive umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, antimikrobielle Additive wie silberhaltige antimikrobielle Mittel und antimikrobielle Polypeptide, Analgetika wie Lidocain, lösliche oder unlösliche Antibiotika wie Neomycin, thrombogene Verbindungen, Stickstoff(II)-oxid freisetzende Verbindungen wie Sydnonimine und NO-Komplexe, die die Wundheilung fördern, andere antibiotische Verbindungen, bakteriozide Verbindungen, fungizide Verbindungen, bakteriostatische Verbindungen, analgetische Verbindungen, andere pharmazeutische Verbindungen, Klebstoffe, Duftstoffe, geruchsabsorbierende Verbindungen und Nucleinsäuren einschließlich Desoxyribonucleinsäure, Ribonucleinsäure und Nucleotidanalogen.
In noch einer anderen Ausführungsform können Additive zugegeben werden, die zu den strukturellen Eigenschaften des Gegenstands beitragen. Diese umfassen kleine, feste Teilchen, dispergierte Tröpfchen aus unmischbaren Flüssigkeiten, in denen andere Substanzen gelöst werden können, vernetzende Verbindungen, Treibmittel zur Bildung von Schaumstoffen, Klebstoffe, Elastomere und dergleichen, die mit Hinblick auf ihre Funktion beim Schutz und der Heilung der Wunde ausgewählt werden können.
Es ist ersichtlich, dass mit den Fasern in Abhängigkeit davon, wie die Fasern erzeugt und abgeschieden werden, eine Anzahl verschiedener Typen von Membranen hergestellt werden kann. In einer Ausführungsform handelt es sich bei der zur Mehrzahl von Fasern zu elektrospinnende Flüssigkeit um eine Mischung aus einem wenigstens schwach hydrophoben Polymer, einem hydrophilen Polymer, gegebenenfalls einer den pH-Wert einstellenden Verbindung und auch gegebenenfalls wenigstens einem Pharmazeutikum oder Therapeutikum. Somit könnte eine Flüssigkeit die gesamte Membran ergeben. Es wird jedoch auch für möglich gehalten, dass zum Erhalt einer geeigneten Membran Fasern aus zusätzlichen verschiedenen Zusammensetzungen zusammen oder in aufeinanderfolgenden Schichten gesponnen werden könnten.
Im Allgemeinen umfasst das Verfahren der Verwendung des medizinischen Verbands der vorliegenden Erfindung das Auftragen von Fasern auf eine Wunde oder einen anderen Bereich, der einen Schutz vor einer Verunreinigung benötigt, oder einen Bereich, der eine Behandlung mit therapeutischen oder pharmazeutischen Verbindungen benötigt, wodurch eine faserförmige Vliesmatrix gebildet wird, wobei die Fasern aus einer im Wesentlichen homogenen Mischung, die ein hydrophiles Polymer und ein wenigstens schwach hydrophobes Polymer umfasst, elektrogesponnen werden.
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren der Verwendung des medizinischen Verbands der vorliegenden Erfindung das Aufbringen von Fasern wie oben, die aus einer im Wesentlichen homogenen Mischung elektrogesponnen werden, die ein hydrophiles Polymer, ein wenigstens schwach hydrophobes Polymer und eine den pH-Wert einstellende Verbindung umfasst.
In einer anderen Ausführungsform umfasst das Verfahren der Verwendung des medizinischen Verbands der vorliegenden Erfindung das Aufbringen von Fasern wie oben, die aus einer im Wesentlichen homogenen Mischung elektrogesponnen werden, die ein hydrophiles Polymer, ein wenigstens schwach hydrophobes Polymer, eine den pH-Wert einstellende Verbindung und wenigstens ein Pharmazeutikum oder Therapeutikum umfasst.
In einer anderen Ausführungsform ist das wenigstens eine Pharmazeutikum oder Therapeutikum aus der Gruppe ausgewählt, die aus antibiotischen Verbindungen wie bakterioziden und fungiziden Verbindungen, bakteriostatischen Verbindungen, vernetzenden Verbindungen, analgetischen Verbindungen, thrombogenen Verbindungen, Stickstoff(II)-oxid freisetzenden Verbindungen wie Sydnoniminen und NO-Komplexen, die die Wundheilung fördern, anderen pharmazeutischen Verbindungen, Klebstoffen, Aromen, geruchsabsorbierenden Verbindungen und Nucleinsäuren ohne Berücksichtigung der Löslichkeit in einem bioverträglichen Lösungsmittel besteht. Im Gegensatz zu bisherigen elektrogesponnenen Fasern sind die Additive nicht auf diejenigen begrenzt, die in der Polymer/Lösungsmittel-Kombination löslich sind. Es ist gefunden worden, dass sogar unlösliche Additive zur Polymer/Lösungsmittel-Kombination der vorliegenden Erfindung gegeben werden können, ohne dass eine Trennung oder Entmischung des Additivs vom Polymer erfolgt.
In einer anderen Ausführungsform umfasst das Verfahren der Verwendung des medizinischen Verbands der vorliegenden Erfindung das Aufbringen von Fasern wie oben, die aus einer im Wesentlichen homogenen Mischung elektrogesponnen werden, die ein hydrophiles Polymer und ein wenigstens schwach hydrophobes Polymer umfasst, wobei der medizinische Verband unter Bildung des medizinischen Verbands direkt auf die dreidimensionale Topographie der Wunde aufgebracht wird.
In einer anderen Ausführungsform dieser Erfindung werden die oben beschriebenen elektrogesponnenen Fasern auf eine fokussierte Weise auf einem Zielbereich abgeschieden.
Gewöhnlich umfasst die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung wenigstens eine Vorrichtung zum Elektrospinnen von wenigstens einer Faser, wenigstens einen Vorratsbehälter zur Aufnahme einer Flüssigkeit, aus der die wenigstens eine Faser elektrogesponnen wird, wobei der Vorratsbehälter sich in flüssiger Kommunikation mit der wenigstens einen Vorrichtung zum Elektrospinnen der wenigstens einen Faser befindet, eine Vorrichtung zum Mischen der Flüssigkeit innerhalb des Vorratsbehälters, eine Stromquelle in elektrischer Kommunikation mit der wenigstens einen Vorrichtung zum elektrostatischen Spinnen der wenigstens eine Faser und eine Vorrichtung zum Fokussieren der elektrogesponnenen Fasern in einem definierten Bereich.
In einer Ausführungsform ist die Vorrichtung klein genug, um transportabel oder sogar tragbar zu sein, wodurch seine sofortige Verwendung am Patienten an demjenigen Ort, an dem die Verletzung erfolgte, vor dem Transport des verletzten Patienten erfolgen kann.
In einer anderen Ausführungsform kann die Vorrichtung weiter ein Gehäuse zum Einschluss der anderen aufgeführten Komponenten der Vorrichtung und ein oder mehrere Beine oder Verlängerungen einschließen, die mit dem Gehäuse verbunden sind, um die Vorrichtung abzustützen und/oder während der Verwendung einen optimalen Abstand zur Oberfläche der Wunde aufrecht zu erhalten.
In einer anderen Ausführungsform kann die Vorrichtung den Körper des Patienten zur Anziehung der elektrisch geladenen Fasern benutzen. In einer solchen Ausführungsform befindet sich die Stromquelle in elektrischer Kommunikation mit einem geerdeten elektrischen Anschluss der Vorrichtung, die durch ein getrenntes Kabel oder dergleichen auf eine im Fachgebiet bekannte Weise mit dem Patienten verbunden ist, um die Anziehung oder das Zusammenbringen der Mehrzahl von Fasern auf der Wundoberfläche zu unterstützen.
In einer anderen Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zum Fokussieren der elektrogesponnenen Fasern in einem definierten Bereich einen gerichteten Gasstrom, der die Fasern von der Elektrospinnvorrichtung weg und zum Ziel leitet. Eine solche Ausführungsform kann ein Gasabgabesystem umfassen, das einen oder mehrere ringförmige Gasströme zum Zielbereich leitet, wodurch die Fasern auf den Zielbereich begrenzt und dorthin geleitet werden.
In einer anderen Ausführungsform kann die Vorrichtung zum Fokussieren der elektrogesponnenen Fasern eine oder mehrere Fokussierelektroden umfassen.
Es ist vorgesehen, dass die Elektroden in einer solchen Ausführungsform in Form von einer oder mehreren ringförmigen Elektroden vorliegen können, die zwischen der Vorrichtung zum Elektrospinnen und dem Ziel positioniert sind. Dadurch, dass diese Elektroden ein vorbestimmtes elektrisches Potential erhalten, kann der Verlauf der Fasern geändert werden. Wenn eine ringförmige Elektrode zum Beispiel dieselbe elektrische Ladung wie den Fasern gegeben wird, werden die Fasern zum Inneren der Elektrode geleitet, wodurch die Fasern auf einen relativ begrenzten Bereich fokussiert werden. Es ist auch vorgesehen, dass es in einigen Anwendungen wünschenswert sein kann, die Verteilung der Fasern dahingehend zu ändern, dass sie einen weiteren Bereich einschließen, als dies sonst möglich wäre. In einem solchen Fall würde der Elektrode vom Ringtyp die entgegengesetzte Ladung der Fasern verliehen, wodurch sie sich auf einen weiteren Bereich verteilen, als dies sonst möglich wäre. Es ist auch vorgesehen, dass die Formen und Größen der Fokussierelektroden gemäß der Merkmale des vorgesehenen Ziels variieren können.
In noch einer anderen Ausführungsform kann die Vorrichtung zum Fokussieren der elektrogesponnenen Fasern eine Vorrichtung zur Änderung der Polarität der Elektrospinnvorrichtung und des Ziels umfassen. Im Verlauf des Aufbringens von elektrogesponnenen Fasern auf ein Ziel kann dort; wo Fasern sich angesammelt haben, eine lokalisierte Ladung existieren. Eine solche lokalisierte Ladung würde der Ladung der Fasern entsprechen, und daher würde erwartet, dass sie tatsächlich neue Fasern abstößt und ihre Abscheidung auf dem vorgesehenen Ziel verhindert. Durch ein Alternieren der Ladung der Elektrospinnvorrichtung und des Ziels können sich Schichten aus Fasern mit einer alternierenden Ladung mit einer geringeren Dispersion ansammeln, als dies sonst der Fall wäre, und daher kann eine dickere Membran erzeugt werden.
Weiterhin ist ersichtlich, dass die "aufsprühbaren" medizinischen Verbände mittels einer transportierbaren Vorrichtung wie derjenigen, die in 1 mit der Nummer 10 schematisch dargestellt ist, hergestellt werden können. Die transportable Elektrospinnapparatur 10 kann nicht nur zur Herstellung der elektrogesponnenen Fasern zur Verwendung im medizinischen Verband der vorliegenden Erfindung verwendet werden, sondern auch zum direkten Aufbringen und Zusammenbringen der Mehrzahl von elektrostatisch gesponnenen Fasern, die in 1 allgemein mit dem Buchstaben F bezeichnet sind, auf einer dreidimensionale Wundoberfläche, die in 1 allgemein mit dem Buchstaben W bezeichnet ist, ohne dass eine geladene Übergangs-Aufnahme oder einer anderen temporären direkten Aufnahme, die dann die Form einer Bandage annehmen könnte, verwendet wird.
Die transportable Apparatur 10 umfasst wenigstens eine Vorrichtung 12 zum elektrostatischen Spinnen der Mehrzahl von Fasern. Eine solche Vorrichtung 12 ist im Fachgebiet wohlbekannt und funktioniert auf eine Weise, die den Fachleuten wohlbekannt ist. Wenigstens ein Vorratsbehälter 14, der eine Flüssigkeit wie 16 enthält, aus der eine oder mehrere Fasern (F) elektrogesponnen werden, befindet sich vorzugsweise unmittelbar neben der Elektrospinnvorrichtung 12 und in flüssiger Kommunikation damit. Eine Stromquelle 18 kann in der Apparatur 10 untergebracht sein und befindet sich wie durch ein Kabel 20, das sich in den Vorratsbehälter 14 und darum herum erstreckt und zur Vorrichtung führt, in elektrischer Kommunikation mit der Elektrospinnvorrichtung 12. Ein Batteriepaket 22 kann ebenfalls in der Apparatur 20 montiert sein und operativ mit der Stromversorgung 18 verbunden sein, wodurch diese mit erneuerbarer Energie versorgt wird. Im Wesentlichen kann jede Batterie, die dazu fähig ist, die Notwendigkeiten der Vorrichtung zu erfüllen, einschließlich bekannter 1,5-V-Alkalibatterien, Lithiumbatterien mit hoher Energie, 12-V-Bleiakkumulatoren, wiederaufladbarer Batterien etc. verwendet werden. In einer Ausführungsform befindet sich eine Mischvorrichtung 19 zum Bewegen der Flüssigkeit 16 innerhalb des Vorratsbehälters 14.
In einer anderen Ausführungsform handelt es sich bei der Mischvorrichtung 19 um eine Ultraschallvorrichtung. In noch einer anderen Ausführungsform handelt es sich bei der Mischvorrichtung 19 um eine Ultraschallvorrichtung, die an der Seite des Vorratsbehälters 14 angebracht ist und die Flüssigkeit 16 durch das Aussenden von Schallwellen durch die Wände des Vorratsbehälters 14 mischt.
In noch einer anderen Ausführungsform befindet sich die Mischvorrichtung 19 innerhalb des Vorratsbehälters 14, ist innerhalb des Behälters 14 aber frei beweglich und unterstützt das Vermischen der Flüssigkeit 16 durch ein physikalisches Rühren, wie zum Beispiel während des physikalischen Schüttelns des Vorratsbehälters 14 oder der Apparatur 10. Die Mischvorrichtung einer solchen Ausführungsform kann mit einer Kugel innerhalb einer Dose mit Sprühfarbe verglichen werden, die die Sprühfarbe mischt, wenn die Dose geschüttelt wird.
Jede der oben erwähnten Komponenten der Vorrichtung 10 kann in einem Gehäuse 24 für die Vorrichtung eingeschlossen sein. Vom Gehäuse 24 aus erstrecken sich ein oder mehrere Paare von Beinen 26 zur Abstützung der Apparatur 10 und/oder zur Beibehaltung eines optimalen Abstands der Vorrichtung 12 zur Oberfläche der Wunde (W) während des Gebrauchs. Dadurch erhalten die Fasern ausreichend Zeit zum Trocknen, bevor sie die Hautoberfläche berühren. Es ist ersichtlich, dass die Beine 26 in einer alternativen Ausführungsform eine einzige Verlängerung sein können, die den zu behandelten Wundbereich vollständig umgibt. Auch eine Art von Isolierschild kann sich vom Gehäuse 24 erstrecken, um eine Berührung der Spitze der Vorrichtung 12 zu verhindern.
Vorzugsweise ist die Apparatur 10 klein genug, um sie in der Hand halten zu können, wodurch ihr sofortiger Einsatz am Patienten an derjenigen Stelle, an der die Verletzung erfolgte, vor einem Transport des verletzten Patienten zu ermöglichen. Dies wäre auf Gefechtsfeldern oder in Fällen, in denen der Patient nicht leicht transportiert werden kann, wie bei Autounfällen, bei denen der Patient im Fahrzeug eingeschlossen ist, besonders nützlich.
Beim Betrieb wird die Apparatur 10 zunächst mit einer gewünschten Flüssigkeit oder einem gewünschten Fluid befällt, die zu einer Faser elektro gesponnen werden kann. Es ist vorgesehen, dass das Gehäuse 24 der Apparatur 10 auf eine Weise wie bei 28 getrennt werden kann, um Zugang zum Flüssigkeits-Vorratsbehälter 14 zu erhalten. Natürlich kann der Flüssigkeits-Vorratsbehälter 14 während der Herstellung auch an seiner Position zur einmaligen Verwendung befüllt werden. Der Zugang zum Vorratsbehälter 14 kann durch das Einlassventil 30 erfolgen. Nichtlösliche Additive können durch das Einschalten der Mischvorrichtung 19 in einer homogenen Suspension gehalten werden.
Sobald der Vorratsbehälter befüllt und die Batterie geladen ist, wird die Apparatur 10 eingesetzt, indem die Spitze oder Kappe wie 32 neben der Elektrospinnvorrichtung 12 abgebrochen oder anders entfernt wird. Das elektrische Potential, das das Auftreten des Elektrospinnverfahrens bewirkt, wird an die Flüssigkeit 16 und die Vorrichtung 12 neben der Spitze 32, die sich in elektrischem Kontakt befinden, angelegt. Durch das Abbrechen der Spitze wird das Fluid oder die Flüssigkeit freigesetzt, und die elektrischen Kräfte stoßen einen Flüssigkeitsstrahl aus der Vorrichtung 12, der sich unter Bildung von Nanofasern oder einer sehr langen Nanofaser verfestigt. Es ist ersichtlich, dass in diesem Fall die Fasern von der Wunde angezogen werden, die mit einem Kabel wie 34 oder einem anderen elektrischen Leiter, der an einen Masseanschluss 36, bei dem es sich auch um den Masseanschluss der Apparatur 10 handeln kann, wie im Fachgebiet bekannt ist, verbunden ist, auf Massepotential gehalten wird. Das heißt, das die Apparatur 10 und der Körper des Patienten elektrisch geerdet sind, und ein solcher Masseanschluss kann sowohl für die Apparatur 10 als auch den Patienten verwendet werden. Alternativ kann der Patient einfach dadurch geerdet werden, dass er die Hand des Betätigers der Apparatur 10 hält, wobei der Masseanschluss sowohl für die Apparatur als auch für den Patienten derselbe ist.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines allgemein als 50 bezeichneten Ausschnitts der Apparatur der vorliegenden Erfindung und insbesondere denjenigen Ausschnitt, der den Flüssigkeits-Vorratsbehälter enthält. In 2 sind im Gehäuse mehrere Flüssigkeits-Vorratsbehälter 52a, 52b, 52c und 52d (perspektivisch dargestellt) so enthalten, dass sie gleichzeitig oder unabhängig voneinander verwendet werden können. Jeder Vorratsbehälter 52 kann ein Polymer oder eine von den anderen verschiedene Polymerlösung enthalten. Dies ermöglicht ein einfaches Aufbringen verschiedener Typen von Nanofasern entweder gleichzeitig oder nacheinander.
In einer Ausführungsform kann der Vorratsbehälter 52a mit einer Lösung befüllt werden, die ein hervorragendes Absorptionsvermögen ergibt; der Vorratsbehälter 52b kann mit einer Lösung befüllt werden, die ein Antibiotikum enthält, der Vorratsbehälter 52c kann mit einer Lösung befüllt werden, die als innere Verbandschicht zu verwenden ist, und der Vorratsbehälter 52d kann mit einer Lösung befüllt werden, die als äußere Schutzschicht zu verwenden ist. Es ist ersichtlich, dass jeder dieser Vorratsbehälter verwendet werden kann, um die Fasern für den Verband aufzuschichten, oder mehrere Vorratsbehälter können gleichzeitig verwendet werden.
In der dargestellten Ausführungsform ist ein Wählschalter 54 dargestellt, der das Elektrospinnen der Flüssigkeit ermöglicht. Der Schalter 54 ist wie durch das Kabel 56 an die (nicht dargestellte) Stromversorgung angeschlossen und kann, wie im Fachgebiet bekannt ist, so ausgebildet sein, dass er einen oder alle Flüssigkeitsbehälter betätigt.
Mit Hinsicht auf die Schichtung der verschiedenen Membranfaser-Zusammensetzungen ist ersichtlich, dass viele der erwünschten Funktionen des Verbands durch die schichtweise erfolgende Anordnung von speziellen Eigenschaften während des Elektrospinnens der Fasern in den Verband eingebaut werden können. Zum Beispiel können bestimmte Schichten Trennmittel oder Komplexe einschließen, die medizinisch wichtige Additive in die Wunde freigeben. Zum Beispiel könnten Fasern, die hohe Konzentrationen an Antibiotika und/oder gewebereparierenden Medikamenten enthalten, unmittelbar neben der Oberfläche der Wunde angeordnet werden, während antimikrobielle Verbindungen neben oder in den äußeren Schichten des Verbands konzentriert sein könnten. In einer alternativen Ausführungsform können innere Verbandschichten Fasern einschließen, die ein hohes Absorptionsvermögen aufweisen, während äußere Schichten Fasern zur Wasserabstoßung einschließen können.
Es ist ersichtlich, dass im Wesentlichen jedes organische oder wässrige Lösungsmittel, das zum Auflösen des gewünschten Polymers in der Lage ist und elektrogesponnen werden kann, verwendet werden kann. Lösungsmittel, die die Wunde reizen oder stören könnten, könnten verwendet werden, wenn sie auf geeignete Weise verdampft wären, bevor die Faser die Wunde erreicht. Nicht einschränkende Beispiele für solche geeigneten Lösungsmittel umfassen Aceton, Tetrahydrofuran, Ethanol oder andere Alkohole mit niedriger Molmasse und Wasser. Es ist weiterhin ersichtlich, dass die therapeutischen Additive ein Lösungsmittel oder im Lösungsmittel unlöslich sein können. Wenn die Additive unlöslich sind, können sie unter Verwendung der beschriebenen Elektrospinntechniken innerhalb der Fasern eingekapselt sein. Es ist gefunden worden, dass Fasern, die mittels dieser Elektrospinntechniken mit solchen Additiven erzeugt wurden, die gewünschten Eigenschaften des Additivs dennoch verleihen und dennoch die beschriebenen porösen, membranartigen Eigenschaften des Nanofaser-Verbands beibehalten.
Die folgenden Beispiele dürfen nicht dahingehend aufgefasst werden, als ob sie den Rahmen der Erfindung einschränken. Die Ansprüche dienen zur Definition der Erfindungen.
Allgemeines Experimentieren
Beispiel 1
Wundverbände unter Verwendung von Fasern, die Polycaprolacton und/oder lineares Polyethylenimin enthalten.
Materialien
Polycaprolacton (PCL) mit einer mittleren Molmasse von 120 000 wurde von Scientific Polymer Products, Inc., bezogen und in diesem Zustand verwendet. Lineares Polyethylenimin (LPEI) wurde aus Polyethyloxazolin mit einer mittleren Molmasse von 500 000 synthetisiert. Letzteres wurde von der Sigma Chemical Co. bezogen. Die zur Einstellung des pH-Werts dienende Verbindung Carboxypolymethylen, die unter der Handelsbezeichnung Carbopol^® (974P NF, Charge Nr.: AB07525) verkauft wurde, wurde von B. F. Goodrich bezogen, während Alginsäure von der Sigma Chemical Co. erhalten wurde.
Verfahren: Polycaprolacton wurde in Aceton gelöst, wodurch eine Lösung mit 18 Gew.-% hergestellt wurde. Lineares Polyethylenimin wurde in Ethanol gelöst, wodurch eine Lösung von 25 Gew.-% hergestellt wurde. Aus diesen Lösungen wurden verschiedene Proben gemischt. Zum Spinnen der LPEI: PCL-Mischung wurde das Verhältnis von 20 : 80 LPEI: PCL (auf das Gewicht bezogen) verwendet. Darüber hinaus wurden mehrere den pH-Wert einstellende Komponenten mit den Spinnmischungen verwendet. Wenn Alginsäure oder Carbopol^® verwendet wurde, betrug der Prozentwert 2,9% des Gesamtgewichts beider Polymere (PCL und LPEI). Um die Komponenten zum Spinnen zu vermischen, wurde zuerst Alginsäure in einer kleinen Menge Ethanol suspendiert. Dann wurde LPEI-Lösung zugegeben, und schließlich wurde PCL-Lösung damit vermischt, und die fertige Mischung wurde sofort gesponnen, um eine Aggregation der den pH-Wert einstellenden Komponente zu verhindern. Im Fall von Carbopol^® wurde dieses zuerst in einer kleinen Menge Aceton suspendiert, dann wurde PCL-Lösung zugegeben, und schließlich wurde LPEI-Lösung damit vermischt, und die fertige Mischung wurde direkt versponnen, um eine Aggregation der den pH-Wert einstellenden Komponente zu verhindern.
Zur Messung des Absorptionsgrades wurde ein Stück der Fasermatte von 1,5 cm² ausgeschnitten und gewogen (Trockengewicht oder DW). Die Faser wurde dann für verschiedene Zeiträume entweder in Wasser oder einer Kochsalzlösung (pH-Wert: 7) eingeweicht. Die Flüssigkeit wurde abgelassen, und die Faser wurde getrocknet und gewogen (Nassgewicht oder WW). Gleichungen
Es gilt als vereinbart, dass die Bedeutung der Begriffe "Gleichgewichts-Flüssigkeitsgehalt", "Gleichgewichts-Wassergehalt" und "Gleichgewichts-Puffergehalt" äquivalent ist und jeder dieser Begriffe auf die obige Formel bezogen werden sollte.
pH-Werte der Flüssigkeiten wurden bestimmt, nachdem die Faser für 24 h darin eingeweicht worden war. Die Fasermatte löst sich nicht in Wasser, und sogar nach einem Einweichen für mehr als 10 Tage ist die Faser noch fest.
Probe 1
Spinnen von PCL allein. Eine Lösung von 18 Gew.-% PCL in Aceton wurde hergestellt und bei einem Spaltabstand von 7 Inch (17,8 cm) mit 23 kV bei Raumtemperatur versponnen. Sie ergab sehr feste weiße Fasern mit einer variablen Größe um 1 μm.
Probe 2
Spinnen von PCL mit Carbopol^® als den pH-Wert einstellende Komponente. Eine Lösung von 18 Gew.-% PCL in Aceton wurde hergestellt, und 2,9 Gew.-% Carbopol^® wurden damit vermischt. Die Mischung wurde bei einem Spaltabstand von 7,5 inch (19,1 cm) mit 24 kV bei Raumtemperatur versponnen. Die Faser war weiß und sehr fest mit einer variablen Größe von etwa 1 μm.
Probe 3
Spinnen von PCL mit Alginsäure als den pH-Wert einstellende Komponente. Eine Lösung von 18 Gew.-% PCL in Aceton wurde hergestellt, und 2,9 Gew.-% Alginsäure wurden damit vermischt. Die Mischung wurde bei einem Spaltabstand von 6,5 inch (16,5 cm) mit 15 kV bei Raumtemperatur versponnen. Die Faser war weiß und sehr fest mit einer variablen Größe von etwa 1 μm.
Probe 4
Spinnen von LPEI allein. Eine Lösung von 25 Gew.-% LPEI in Ethanol wurde hergestellt und mit bei einem Spaltabstand von 7 Inch (17,8 cm) 23 kV bei Raumtemperatur versponnen. Die Größe der Faser betrug weniger als 1 μm, und sie war weiß und fest.
Probe 5
Spinnen von LPEI mit Carbopol^® als den pH-Wert einstellende Komponente. Eine Lösung von 25 Gew.-% LPEI in Ethanol wurde hergestellt, und 2,9 Gew.-% Carbopol^® wurden damit vermischt. Die Mischung wurde bei einem Spaltabstand von 6 Inch (15,2 cm) mit 19 kV bei Raumtemperatur versponnen. Die Größe der Faser betrug weniger als 1 μm, und sie war weiß und fest.
Probe 6
Spinnen von LPEI mit Alginsäure als den pH-Wert einstellende Komponente. Eine Lösung von 25 Gew.-% LPEI in Ethanol wurde hergestellt, und 2,9 Gew.-% Alginsäure wurden damit vermischt. Die Mischung wurde bei einem Spaltabstand von 7 Inch (17,8 cm) mit 15 kV bei Raumtemperatur versponnen. Die Größe der Faser betrug weniger als 1 μm, und sie war weiß und fest.
Beispiel 7
Spinnen von LPEI und PCL ohne eine den pH-Wert einstellende Komponente. Eine Lösung von 25 Gew.-% LPEI in Ethanol wurde hergestellt und mit einer Lösung von 18 Gew.-% PCL in Aceton in einem Verhältnis von 20 : 80 vermischt. Die Mischung wurde bei einem Spaltabstand von 7 Inch (17,8 cm) mit 15 kV bei Raumtemperatur versponnen. Die Größe der Faser betrug weniger als 1 μm, und sie war weiß und sehr fest.
Probe 8
Spinnen von LPEI und PCL mit Carbopol^® als den pH-Wert einstellende Komponente. Eine Lösung von 25 Gew.-% LPEI in Ethanol wurde hergestellt und mit einer Lösung von 18 Gew.-% PCL in Aceton in einem Verhältnis von 20 : 80 vermischt. Eine Lösung von 2,9 Gew.-% Carbopol^® wurde zugegeben. Die Mischung wurde bei einem Spaltabstand von 5 inch (12,7 cm) mit 15 kV bei Raumtemperatur versponnen. Die Größe der Faser betrug weniger als 1 μm, und sie war weiß und sehr fest.
Probe 9
Spinnen von LPEI und PCL mit Alginsäure als den pH-Wert einstellende Komponente. Eine Lösung von 25 Gew.-% LPEI in Ethanol wurde hergestellt und mit einer Lösung von 18 Gew.-% PCL in Aceton in einem Verhältnis von 20 : 80 vermischt. Eine Lösung von 2,9 Gew.-% Alginsäure wurde zugegeben. Die Mischung wurde bei einem Spaltabstand von 7,5 Inch (19,1 cm) mit 23 kV bei Raumtemperatur versponnen. Die Größe der Faser betrug weniger als 1 μm, und sie war weiß und sehr fest.
Die Proben 1–9 wurden zu Fasermatten versponnen, und die Matten wurden auf ihre Auswirkung auf den pH-Wert und ihr Wasserabsorptionsvermögen getestet. Diese Vergleiche sind in den Tabellen 1 und 2 und in den 3 und 4 zusammengefasst. Es sei darauf hingewiesen, dass der Gleichgewichts-Wassergehalt und die Flüssigkeitsaufnahme-Prozentwerte der Fasermatten sich vom Gleichgewichts-Wassergehalt einzelner Fasern unterscheiden, weil die zwischen den Fasern in der Matte vorhandene Oberflächenspannung eine höhere Wasserretention bewirkt, als dies bei einzelnen Fasern möglich wäre.
Tabelle 1 pH-Werte
In Tabelle 1 sind die pH-Werte von Wasser und Kochsalzlösung nach dem 24-stündigen Einweichen von Proben darin dargestellt. Die Daten veranschaulichen, dass die Zugabe einer den pH-Wert einstellenden Komponente zur homogenen Mischung von Polymeren der vorliegenden Erfindung den pH-Wert der Flüssigkeit, die sich in Kontakt mit den Fasern befand, näher an den Neutralwert bringt als die Flüssigkeit, die sich in Kontakt mit Homopolymer-Fasern aus hydrophilem LPEI allein befand.
In Tabelle 2 ist der Gleichgewichts-Feuchtigkeitsgehalt von verschiedenen Fasern nach 24 h aufgeführt. Die Daten zeigen, dass PCL/LPEI/Alginat-Fasern und PCL/LPEI/Carbopol-Fasern einen ähnlichen Gleichgewichts-Puffergehalt wie LPEI-Fasern, LPEI/Alginat-Fasern und LPEI/Carbopol-Fasern aufweisen. Tabelle 2 Gleichgewichts-Feuchtigkeitsgehalt von elektrogesponnenen Fasern
Die 3 und 4 veranschaulichen die Aufnahme sowohl von Wasser als auch von phosphatgepufferter Kochsalzlösung (PBS) in 1 min (1 M), 1 h (1 N), 1 Tag (1D) und 4 Tagen (4D) für Matten aus elektrogesponnenen Fasern von Kompositpolymeren (PCL/LPEI, PCL/LPEI/C.P., PCL/LPEI/Alginsäure) im Vergleich zur Geschwindigkeit der Wasseraufnahme einer Matte aus elektrogesponnenen Fasern, die Schichten aus hydrophoben Homopolymerfasern, eine Schicht aus hydrophilen Homopolymerfasern und eine Schicht aus einer den pH-Wert einstellenden Verbindung (PCL/LPEI/Alginsäure/PCL) enthält. 3 zeigt, dass PCL/LPEI/Alginat-Fasern und PCL/LPEI/Carbopol-Fasern Flüssigkeitsaufnahme-Prozentwerte aufweisen, die diejenigen von PCL/LPEI/Alginat/PCL-Schichtfasermatten übertreffen. Auf vergleichbare Weise zeigt 4, dass der Gleichgewichts-Wassergehalt von PCL/LPEI/Alginat-Fasern und PCL/LPEI/Carbopol-Fasern denjenigen von PCL/LPEI/Alginat/PCL-Schichtfasermatten übertrifft.
Beispiel 2
Herstellung von Fasern aus verschiedenen Kompositpolymerlösungen
Materialien
Polycaprolacton (PCL) mit einer mittleren Molmasse von 120 000 wurde von Scientific Polymer Products, Inc., bezogen und in diesem Zustand verwendet. Lineares Polyethylenimin (LPEI) wurde aus Polyethyloxazolin mit einer mittleren Molmasse von 500 000 synthetisiert. Letzteres wurde von der Sigma Chemical Co. bezogen. Die zur Einstellung des pH-Werts dienende Verbindung Carboxypolymethylen, die unter der Handelsbezeichnung Carbopol^® (974P NF, Charge Nr.: AB07525) verkauft wurde, wurde von B. F. Goodrich bezogen, während Alginsäure von Sigma erhalten wurde.
Lösungen von Polycaprolacton (PCL), Poly(2-hydroxymethacrylat) (Poly-HEMA), Poly(vinylpyrrolidon) (PVP), Poly(ethyloxazolin) (PEOz), Polyethylenoxid (PEO) und linearem Polyethylenimin (L-PEI) wurden zur Herstellung verschiedener, unten beschriebener Kompositpolymerfasern verwendet. PCL und PEO wurden von Scientific Polymer Products of Ontario, New York, erhalten. Poly-HEMA, PVP und PEOz wurden von Polysciences Inc., Warring, Pennsylvania, erhalten. Verschiedene therapeutische Additive wurden ebenfalls zu mehreren der Spinnlösungen gegeben und dadurch in die Fasern eingearbeitet, wie unten beschrieben ist. Dextran, Lidocain, Eryhtromycin, Aktivkohle, Pluronic F-127, Chitosan und Polyethylenimincellulose wurden von der Sigma Chemical Co. bezogen. Aceton, Methylsalicylat und Isoamylacetat wurden von der Aldrich Chemical Co., Inc., Milwaukee, Wisconsin, bezogen. Rhoplex-Klebstoff wurde von Rohm and Haas, Philadelphia, Pennsylvania, erhalten.
Probe 10
PCL (12,29 g) wurde zusammen mit 50 g Aceton in ein Becherglas gefüllt. Das Becherglas wurde erwärmt, bis das Polymer sich gelöst hatte. Sobald das Polymer gelöst war, wurde die Lösung gerührt und auf Raumtemperatur abkühlen gelassen. Dann wurde Aceton zur Probe gegeben, wodurch eine 16-%ige Lösung von PCL in Aceton erhalten wurde. In Abhängigkeit von der (den) zugegebenen Substanzen) wurde diese oder eine konzentriertere Lösung zur Herstellung der Spinnmischungen verwendet. Methylsalicylat oder Isoamylacetat wurden zur fertigen Lösung gegeben, um den Punkt der Lösung zu erhöhen.
Proben 11, 12 und 13
PEOz-, PEO- und PVP-Lösungen wurden alle unter Befolgung desselben Verfahrens hergestellt. Polymer (9,10 g) wurde in einem Behälter mit Deckel gefüllt. Zum Polymer wurden 47,77 g des gewünschten Lösungsmittels gegeben. In Abhängigkeit von der (den) zugegebenen Substanzen) wurde diese oder eine konzentriertere Lösung zur Herstellung der Spinnmischungen verwendet.
Probe 14
L-PEI wurde unter Verwendung des Warakomski-Verfahrens synthetisiert. Kurzgefasst wird Polyethyloxazolin in konzentrierter Schwefelsäure gelöst und für 24 h auf 80°C erwärmt. Die Lösung wurde mit Base neutralisiert, und das resultierende lineare Polyethylenimin-Polymer wurde aus heißem Wasser umkristallisiert. Nachdem das Polymer synthetisiert war, wurden 5,00 g davon in 20 g Ethanol gelöst, wodurch eine 20-%ige Lösung erhalten wurde. In Abhängigkeit von der (den) zugegebenen Substanzen) wurde diese oder eine konzentriertere Lösung zur Herstellung der Spinnmischungen verwendet.
Probe 15
Poly-HEMA (7,07 g) wurde in ein Becherglas gefüllt, und 38,39 g Ethanol wurden zugegeben. Dann wurde das Becherglas erwärmt, um das Polymer zu lösen. Sobald das Polymer begann, in Lösung zu gehen, wurden 2,25 g Glycolsäure in 2,02 g Ethanol zugegeben. Die endgültige Lösung enthielt 5,5% Glycolsäure und 15% Poly-HEMA. Wie oben erwähnte Lösungen halfen die zum Polymer gegebenen Substanzen bei der Bestimmung der Polymerkonzentration in Lösung.
Probe 16
Zur Herstellung einer PVP-I₂-Lösung wurde PVP (9,02 g, Molmasse 360 000) in absolutem Ethanol gelöst. I₂ (1,04 g) wurde in 50 ml absolutem Ethanol gelöst. Die beiden wurden in einem Kolben vereinigt und in einem Ölbad für 3,5 h unter Rückfluss bei 50–90°C erwärmt. Um überschüssiges Ethanol zu entfernen, wurde dann Unterdruck auf die Lösung einwirken gelassen. Die fertige Lösung wies 70 Gew.-% Polymer auf.
Herstellung von Fasern mit zusätzlichen die therapeutische Wirkung verstärkenden Additiven.
Probe 17
Lidocain wurde in Ethanol eingebracht, wodurch eine 23%ige Lösung gebildet wurde, und dann zu den verschiedenen Polymerlösungen gegeben, wodurch eine Lidocain-Konzentration von 2,5% in den gesponnenen Fasern erhalten wurde. Proben mit Lidocain wurden dann auf die Freisetzung von Lidocain getestet. Eine Probe von Beispiel 1 und Lidocain wurde mit 18 kV, 120 μA und bei einem Spaltabstand von 26 cm versponnen. Diese Lösung ergab Fasern mit einem von 400–700 nm reichenden Durchmesser. Beispiel 6 und Lidocain wurden mit 12 kV, 80 μA und bei einem Spaltabstand von 30 cm versponnen. Diese Lösung ergab Fasern mit einem von 1–5 μm reichenden Durchmesser.
Probe 18
Lidocain wurde in Ethanol gelöst und dann in eine Petrischale mit Waterlock 180 gegeben. Das Ethanol wurde verdampfen gelassen, wodurch das Waterlock mit Lidocain beschichtet verblieb. Diese Teilchen wurden dann zu Polymerlösungen gegeben und versponnen. Die Freisetzungsuntersuchung an diesen Proben zeigte, dass das Waterlock die Freisetzung von Lidocain aus den Nanofaser-Vliesmatten verlangsamt. Beispiel 1 und Beispiel 9 wurden mit 21,0 kV bei einem Spaltabstand von 20 cm versponnen. Der Durchmesser der Fasern aus dieser Lösung betrug 1 μm.
Probe 19
Eryhtromycin (0,10 g) wurde in 0,31 g Aceton gegeben und unter Bildung einer 24%igen Lösung aufgelöst. Die Eryhtromycin-Lösung wurde dann zu einer Polymerlösung gegeben. In den gesponnenen Fasern wies das Eryhtromycin eine Konzentration von 2,5 Gew.-% auf. Beispiel 1 und Beispiel 10 wurden mit 19,9 kV bei einem Spaltabstand von 20 cm versponnen. Der Durchmesser der Fasern aus dieser Lösung betrug 1–2 μm.
Probe 20
Dextran wurde in destilliertem Wasser gelöst und dann zu einer Polymerlösung gegeben. Die typische Dextrankonzentration betrug, bezogen auf das Polymer, 4 Gew.-%. Beispiel 4 und Beispiel 11 wurden mit 17,2 kV, 100 μA und bei einem Spaltabstand von 20 cm versponnen. Der Durchmesser der Fasern aus dieser Lösung betrug 400–600 nm.
Probe 21
Die meisten der mit den PCL-Fasern versponnenen Farbstoffe waren in Alkohol löslich. Eine 20–35%ige Farbstofflösung wurde angefertigt und dann zur Polymerlösung gegeben. Die Endkonzentration des Farbstoffs in den gesponnenen Fasern variierte von 1,2% bis 5,4%. Beispiel 1 und Beispiel 12 wurden mit 17 kV, 390 μA und bei einem Spaltabstand von 23 cm versponnen. Der Durchmesser der Fasern aus dieser Lösung betrug 1–2 μm.
Probe 22
Klebstoffe wurden zu den Polymerlösungen gegeben und mit den Fasern versponnen. Rhoplex und oligomeres BE wurden beide zur Lösung gegeben, und dann wurden beide mit begrenztem Erfolg in PCL-Fasern versucht. Beispiel 1 und Beispiel 13 wurden mit 16,5 kV bei einem Spaltabstand von 25 cm versponnen. Der Durchmesser der Fasern aus dieser Lösung betrug 1 μm.
Probe 23
Pluronic F-127 wurde in Aceton gelöst und dann zu den verschiedenen Polymerlösungen gegeben. Die Konzentrationen an Pluronic F-127 in den PCL-Proben variierten von 15 – 25 %. Beispiel 1 und Beispiel 14 wurden mit 17,5 kV, 30 μA und bei einem Spaltabstand von 20 cm versponnen. Der Durchmesser der Fasern aus dieser Lösung betrug 1–2 μm.
Proben 24, 25, 26, 27, 28 und 29.
Carbopol^®, Aktivkohle, Waterlock 180, Chitosan und PEI-Cellulose wurden alle als Feststoffe unter Bildung von Suspensionen in den Polymerlösungen zugegeben. Ihre Konzentrationen, bezogen auf die Konzentration der Polymerlösung und in Abhängigkeit von der Teilchengröße, variierten weit. Beispiel 1 und Beispiel 16 wurden mit 21 kV, 21 μA und bei einem Spaltabstand von 20 cm versponnen. Der Durchmesser der Fasern aus dieser Lösung betrug 1 μm. Diese Lösung ergab keine gute Suspension. Um die Verteilung der Teilchen zu unterstützen, wurde eine kleine elektrische Bohrmaschine mit einem 10 cm langen Glas-Rührstab, der an einem Ende leicht gebogen war, verwendet, um die Teilchen suspendiert zu halten, während die Lösung gesponnen wurde.
Ein doppelseitiger Klebstoff von Avery wurde zur Befestigung der PCL-Fasern verwendet, die direkt auf die Hand eines Menschen gesponnen wurden. Ein 1 cm dicker Klebstoffring mit einem Durchmesser von 3 cm wurde aus dem doppelseitigen Klebstoff von Avery ausgeschnitten und auf der Hand eines Menschen platziert, um die Fasern auf der Hautoberfläche fixieren zu können.
Beispiel 3
Herstellung von atmungsaktiven Textilmaterialien aus Kompositpolymer-Lösungen
Lösungen von PCL und PCL + Lidocain wurden zu Wundverbänden in Form von Fasermatten elektrogesponnen, wie oben für Probe 17 beschrieben ist. Diese Matten wurden auf ihren Feuchtigkeitsdampf-Transport, ihre Luftdurchlässigkeit, ihre mittlere Porosität und ihre Fasermattendichte getestet. Eine kommerzielle Sperrfolie, Bioclusive Wound Dressing, verkauft von Johnson & Johnson, wurde als Kontrolle verwendet. Die PCL-Fasermatte und die Fasermatte aus PCL + Lidocain waren etwa 200 μm dick. Die Transporteigenschaften der Proben wurde mittels eines Konvektions/Diffusions-Testverfahrens getestet, bei dem die im U.S.-Patent Nr. 6 119 506 beschriebene dynamische Feuchtigkeitspermeationszelle (DPMC) verwendet wurde. Bei diesem Testverfahren werden sowohl der Wasserdampf-Diffusionswiderstand als auch die Luftdurchlässigkeit (der Widerstand gegenüber dem Luftstrom) über einer dünnen, flachen Probe gemessen. Die Porometrie wurde mit einem Kapillarstromporometer durchgeführt, das von Porous Materials, Inc., hergestellt wurde. Faserdichte-Berechnungen basierten auf Quadratzentimeter-Ausschnitten der Proben. Die Ergebnisse dieser Tests sind in Tabelle 3 zusammengefasst.
Tabelle 3 Transport- und Struktureigenschaften
Diese Ergebnisse zeigen, dass jede Fasermatte einen Luftstromwiderstand aufweist, der um mehrere Größenordnungen kleiner als der Widerstand der kommerziellen Sperrfolie ist. Ein höherer Luftstrom ermöglicht ein stärkeres Eindringen von Sauerstoff in die Wunde durch den Verband. Die Daten zeigen auch, dass jede Fasermatte einen Wasserdampffluss aufweist, der mehr als eine Größenordnung höher als derjenige einer herkömmlichen Sperrfolie ist. Diese Eigenschaften deuten darauf hin, dass ein elektrogesponnener Verband eine signifikant bessere Gesamt-Atmungsaktivität als ein kommerzieller Sperrverband aufweist.
Beispiel 4
Herstellung von Aerosol filtrierenden, atmungsaktiven Textilmaterialien aus Kompositpolymerlösungen
Eine 10%ige Lösung von NyLon in AmeiseNsäure wurde mit variablen Dicken auf ein offenzelliges Schaumstoff-Trägermateril elektrogesponnen, wobei 15 kV und ein Spaltabstand von 10– 5 cm verwendet wurden. Der Durchmesser der Fasern aus dieser Lösung betrug etwa 0,2 μm. Die Proben wurden auf ihre Fähigkeit zur Entfernung von Aerosolen mit einem Durchmesser von etwa 0,5 bis etwa 20 μm aus einem Gasstrom getestet, wobei das folgende Verfahren angewandt wurde. Eine verdünnte Lösung von wässrigem Kaliumiodid wurde mit einem Ultraschall-Zerstäuber zerstäubt. Der resultierende Nebel wurde mit trockenem Stickstoff verdünnt und in eine Heiz-Trockenkammer transportiert. Die Flüssigkeit verdampfte in der Trockenkammer, wodurch ein festes Salzaerosol erzeugt wurde, das durch die elektrogesponnenen Fasern geleitet wurde. Die Teilchengröße und die Konzentration des Aerosols wurden mittels einer Aerosol-Analysiervorrichtung (API Aerolizer, Amherst Instruments, Inc.) überwacht, der die Flugdauer einzelner Teilchen maß, wenn diese durch zwei Laserstrahlen gelangten. Die Aerosol-Analysiervorrichtung ist zu einer Teilchengröße-Messung über den Bereich von etwa 0,5 bis etwa 200 μm befähigt. Der Luftstromwiderstand der Proben wurde ebenfalls wie oben erwähnt gemessen. Die Ergebnisse dieser Messungen sind in 5 graphisch veranschaulicht. In 5 veranschaulichen offene Kreise die Datenpunkte für die Effizienz der Aerosolfiltration, während gefüllte Kreise die Datenpunkte für den Luftstromwiderstand veranschaulichen.
Wie in 5 veranschaulicht ist, ist der Luftstromwiderstand der Membran proportional zur Dicke der Membran. Aerosolfiltrations-Wirksamkeiten, die 100 % erreichen oder gleich 100% sind, werden mit Faserschichtdicken erreicht, die immer noch gering luftdurchlässig sind. Ein kompletter Aerosolschutz wurde mit einem extrem dünnen elektrogesponnenen Verband erreicht. Bei Beschichtungsgraden von mehr als 10^–3 kg/m² wurde kein Durchdringen von Aerosol beobachtet. Bei diesem Beschichtungsgrad wies die Filtermatte einen Luftstromwiderstand von etwa 2 × 10⁸ m^–1 auf. Für Proben mit einem Beschichtungsgrad von etwa 2 × 10^–4 kg/m² wurde eine Aerosolfiltrationswirksamkeit von mehr als 97% beobachtet. Solche Proben wiesen einen Luftstromwiderstand von etwa 2 × 10⁷ m^–1 auf. Proben mit einem Beschichtungsgrad von 10^–2 kg/m² wiesen dennoch einen Luftstromwiderstand von weniger als 5 × 10⁹ m^–1 auf.
Somit sollte offensichtlich sein, dass der Verband, die Vorrichtung und die Verfahren der vorliegenden Erfindung zum Schutz und zur Reparatur von Wundflächen hochgradig wirksam sind. Die Erfindung ist zur Verwendung bei der Erzeugung von thrombogenen Verbänden und zur Behandlung von Wunden auf dem Gefechtsfeld besonders geeignet, aber nicht notwendigerweise darauf beschränkt. Der Verband, die Vorrichtung und das Verfahren der vorliegenden Erfindung können getrennt mit anderen Vorrichtungen, Verfahren und dergleichen sowie zur Herstellung von anderen Nicht-Wundverband-Materialien verwendet werden.
Auf der Grundlage der obigen Offenbarung sollte jetzt ersichtlich sein, dass durch die Verwendung des hier beschriebenen Verbands und der hier beschriebenen Vorrichtung die oben angegebenen Ziele erreicht werden. Daher gilt als vereinbart, dass alle ersichtlichen Variationen in den Rahmen der beanspruchten Erfindung fallen und somit die Auswahl der spezifischen Komponentenelemente bestimmt werden kann, ohne von dem hier offenbarten und beschriebenen Rahmen der Erfindung abzuweichen. Insbesondere sind die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Verbände nicht notwendigerweise auf diejenigen beschränkt, die unter Verwendung der beschriebenen Apparatur erreicht wurden. Somit umfasst der Rahmen der Erfindung alle Modifikationen und Variationen, die in den Rahmen der anliegenden Patentansprüche fallen.

Claims

Herstellungsgegenstand, umfassend: wenigstens eine Faser, die aus einer im wesentlichen homogenen Mischung elektrogesponnen ist, die wenigstens ein hydrophiles Polymer, wenigstens ein Polymer, das wenigstens schwach hydrophob ist, und wenigstens eine Verbindung zur Einstellung des pH-Wertes enthält.
Gegenstand nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Gegenstand um einen medizinischen Verband handelt.
Gegenstand nach Anspruch 2, wobei die im wesentlichen homogene Mischung zusätzlich wenigstens einen die therapeutischen Gebrauchseigenschaften verstärkenden Zusatz enthält.
Gegenstand nach Anspruch 3, wobei der wenigstens eine die therapeutischen Gebrauchseigenschaften verstärkende Zusatz aus der aus antibiotischen Verbindungen, bakteriziden Verbindungen, fungiziden Verbindungen, bakteriostatischen Verbindungen, vernetzenden Verbindungen, analgetischen Verbindungen, thrombogenen Verbindungen, Stickstoffmonoxid freisetzenden, die Wundheilung fördernden Verbindungen und Nucleinsäuren bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Gegenstand nach Anspruch 2, wobei der Verband einen Wasserdampffluss, der wenigstens 10 Mal so hoch wie derjenige von festen Folien sperrschicht-Verbänden ist, und einen Strömungswiderstand der Luft von weniger als 5 × 10⁹ m^–1 aufweist.
Gegenstand nach Anspruch 2, der zusätzlich einen darunter liegenden, doppelseitigen Klebstoff umfasst, der um den Umfang des Verbands aufgetragen ist.
Gegenstand nach Anspruch 3, wobei wenigstens ein hydrophiles Polymer einen Gleichgewichts-Feuchtigkeitsgehalt von mehr als etwa 80 % aufweist, wenn es als Fasern eines Homopolymers gesponnen wird.
Gegenstand nach Anspruch 3, wobei das wenigstens eine hydrophile Polymer aus der aus linearem Poly(ethylenimin), gepfropften Cellulosen, Poly(ethylenoxid) und Polyvinylpyrrolidon bestehenden Gruppe ausgewählt ist und das wenigstens eine Polymer, das wenigstens schwach hydrophob ist, aus der aus Polyestern und Acrylen bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Gegenstand nach Anspruch 8, wobei es sich bei dem wenigstens einen hydrophilen Polymer um lineares Poly(ethylenimin) handelt und beim wenigstens einen Polymer, das wenigstens schwach hydrophob ist, um Poly(caprolacton) handelt.
Gegenstand nach Anspruch 2, wobei die wenigstens eine Faser einen Durchmesser zwischen etwa 3 nm und etwa 3000 nm aufweist.
Gegenstand nach Anspruch 2, wobei der Verband gegenüber Aerosolen mit einem Durchmesser zwischen etwa 0,5 und etwa 20 μm einen Filtrations-Wirkungsgrad von mehr als 97% aufweist, während er einen Strömungswiderstand der Luft von weniger als 5 × 10⁹ m^–1 aufweist.
Gegenstand nach Anspruch 2 mit einer spezifischen Oberfläche von wenigstens etwa 5 m²/g.
Gegenstand nach Anspruch 2, wobei die Verbindung zur Einstellung des pH-Wertes aus Carboxypolymethylen, Algensäure, Polyacrylsäure und Derivaten davon ausgewählt ist.
Verfahren zur Herstellung wenigstens einer Faser, umfassend das Elektrospinnen einer im wesentlichen homogenen Mischung, umfassend ein Lösungsmittel, ein wenigstens schwach hydrophobes Polymer, ein hydrophiles Polymer und gegebenenfalls eine Verbindung zur Einstellung des pH-Wertes.
Vorrichtung zum Elektrospinnen wenigstens einer Polymerfaser, umfassend: wenigstens einen Vorratsbehälter; wenigstens eine Vorrichtung zum Elektrospinnen wenigstens einer Faser, wobei die wenigstens eine Vorrichtung sich in flüssiger Kommunikation mit dem wenigstens einem Vorratsbehälter befindet, eine Mischvorrichtung zum Bewegen der Flüssigkeit im Vorratsbehälter und eine Stromquelle, die zur Erzeugung eines elektrischen Feldes befähigt ist, in elektrischer Kommunikation mit der wenigstens einen Vorrichtung.
Vorrichtung nach Anspruch 15, zusätzlich umfassend eine Vorrichtung zum Fokussieren der elektrogesponnenen Fasern in einem definierten Bereich.
Vorrichtung nach Anspruch 15, zusätzlich umfassend: ein Gehäuse, das den wenigstens einen Vorratsbehälter zur Aufnahme einer Flüssigkeit umgibt, und eine sich vom Gehäuse aus erstreckende Verlängerung zur Beabstandung der Elektrospinnvorrichtung vom verletzten Bereich.
Medizinischer Verband, umfassend wenigstens eine aus einem Polymer elektrogesponnene Faser, wobei der medizinische Verband einen Wasserdampffluss, der wenigstens 10 Mal so hoch wie derjenige von festen Foliensperrschicht-Verbänden ist, und einen Strömungswiderstand der Luft von weniger als 5 × 10⁹ m^–1 aufweist.
Medizinischer Verband nach Anspruch 18, wobei der Verband gegenüber Aerosolen mit einem Durchmesser zwischen etwa 0,5 und etwa 20 μm einen Filtrations-Wirkungsgrad von mehr als 97% aufweist, während er einen Strömungswiderstand der Luft von weniger als 5 × 10⁹ m^–1 aufweist.