DE69229724T2

DE69229724T2 - Hochabsorbierende materialien sowie verwendung derselben

Info

Publication number: DE69229724T2
Application number: DE69229724T
Authority: DE
Inventors: Dan Urry
Original assignee: Bioelastics Research Ltd
Current assignee: Bioelastics Research Ltd
Priority date: 1991-04-19
Filing date: 1992-03-10
Publication date: 2000-02-10
Anticipated expiration: 2012-03-11
Also published as: JP3333508B2; JPH06509247A; EP0580811A4; EP0580811B1; US5393602A; EP0580811A1; US5520672A; DE69229724D1; WO1992018079A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet absorbierender Materialien und deren Verwendung.
Materialien, die fähig sind, Flüssigkeiten, insbesondere wäßrige Flüssigkeiten, zu absorbieren, werden für zahlreiche alltägliche Zwecke eingesetzt, wie z. B. zur Herstellung von Handtüchern (aus Stoff oder Papier) und verschiedenen speziellen absorbierenden Materialien, wie z. B. Windeln und anderen absorbierenden Kleidungstücken, Wundkompressen, medizinischen Schwämmen, Geweben, Servietten, Einlagen, Toilettenpapier, Tampons, Damenbinden, Trockentüchern und Reinigungstüchern. Andere üblicherweise verwendete Absorptionsmittel sind Aerosol-Absorptionsmittel, wie z. B. Antitranspirationsmittel, und Flüssigkeitskörper-Absorptionsmittel, die oft in Form von Pulvern vorliegen und häufig eingesetzt werden, um große Lachen auf Oberflächen zu absorbieren. Diese Materialien werden traditionellerweise aus Stoff oder Papier hergestellt, aber neue Entwicklungen haben eine Anzahl von Absorptionsmaterialien mit unterschiedlicher Struktur ergeben, wie z. B. Hydrogele und Hydroxymethylmethacrylat. Siehe beispielsweise die US-A-4.935.022 und 4.685.909. Absorbensmaterialien wurden bisher aus Cellulosefasern, porösen Mikrofasern, Stapelfasern, Ionenaustauschfasern und Konjugatfasern mit unterschiedlichen Schmelzpunkten hergestellt. Siehe beispielsweise US-A-4.851.284; 4.818.598; und 4.865.596. Außerdem werden in der US-A-4.923.454 aus verschlungenen hydrophilen Nylon-Mikrofasern hergestellte Gewebestrukturen beschrieben, die Stapelfasern und/oder Teilchen aus hydrogel-bildendem Polymer-Geliermittel enthalten. Es besteht weiterhin Bedarf, zu mäßigen Kosten für optimale funktionelle Absorptionseigenschaften zu sorgen.
Bioelastische Polypeptide sind eine relativ neue Entwicklung, die in den Labors des Erfinders des vorliegenden Anmeldungsgegenstandes gemacht wurde und in einer Reihe bereits registrierter Patente und Patentanmeldungen geoffenbart sind. Beispielsweise beschreibt die US-A-4.474.851 eine Anzahl wiederkehrender Tetrapeptid- und Pentapeptid-Einheiten, die verwendet werden können, um ein bioelastisches Polymer zu bilden. Spezifische bioelastische Polymere werden auch in den US-A-4.132.746; 4.187.852; 4.00.700; 4.589.882; und 4.870.055 beschrieben. Bioelastische Polymere werden auch in verwandten Patenten geoffenbart, die für andere Zwecke hergestellte Polymere betreffen, die wiederkehrende Peptideinheiten enthalten, die aber ebenfalls bioelastische Segmente im fertigen Polymer enthalten können; siehe US-A-4.605.413. Eine Anzahl anderer bioelastischer Materialien und Verfahren für deren Verwendung werden unter anderem in den folgenden anhängigen Patentanmeldungen beschrieben: "Bioelastomer Containing Tetra/Pentapeptide Units", EP-A-0.377.567; "Reversible Mechanochemical Engines Comprised of Bioelastomers", US-A-5.032.271; "Elastomeric Polypeptides as Vascular Prosthetic Materials", EP-A-0.365.64, und "Polynonapeptide Bioelastomers Having an lncreased Elastic Modulus", US-A-5.064.430. Alle diese Patente und Patentanmeldungen enthalten detaillierte Beschreibungen von Bioelastomeren, die in den Zusammensetzungen und Verfahren gemäß vorliegender Erfindung eingesetzt werden können. Diese bioelastischen Materialien sind für eine Reihe von Verwendungszwecken vorgeschlagen worden, wie durch den allgemeinen Gegenstand der Anmeldungen und Patente, wie oben dargelegt, angegeben.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine neue Verwendung bioelastischer Materialien, nämlich als Absorbens, entweder allein oder in Kombination mit bereits bekannten Absorbentien und Strukturmaterialien. Es ist entdeckt worden, daß bioelastische Materialien eine Anzahl von Eigenschaften, unter anderem regulierbares Absorptionsvermögen, aufweisen, die sie für eine Anzahl von Situationen ideal machen, welche ein hohes Maß an Absorptionsvermögen erfordern.
Die EP-A-365.655 (WO 89/10099) zeigte, das bestimmte dieser bioelastischen Materialien an Wundstellen verwendet werden können, um ein Festkleben zu verhindern. Neben den obengenannten Patenten und Patentanmeldungen sind für die vorliegende Erfindung eine Reihe von Publikationen der wissenschaftlichen Literatur von Relevanz. Diese Publikationen sind nachstehend angeführt, und in der folgenden Beschreibung wird auf diese Literaturstellen Bezug genommen, indem die Bezugszahl dort, wo die Literaturstelle zitiert ist, in Klammern angeführt wird.
1. Urry, D. W.: J. Protein Chem. 7, 1-34 (1998).
2. Urry, D. W.: J. Protein Chem. 7, 81-114 (1989).
3. Urry, D. W.: American Chemical Society, Div, of Polymeric Materials: Sci, and Engineering 62 (1990).
4. Hollinger, J. O., J. P. Schmitz, R. Yaskovich, M. M. Long, K. U. Prasad, und D. W. Urry: Calacif. Tissue Int. 42, 231-236 (1988)
5. Urry, D. W.: Intl. J. Quantum Chem.: Quantum Biol. Svmp. 15, 235-245 (1988).
6. Edsall, J. T. und H. A. McKenzie: Adv. Biophys. 16, 53-183 (1983).
7. Kauzman, W.: Adv. Protein Chem. 14, 1-63 (1959).
8. Urry, D. W., C-H Luan, R. Dean Harns, und Karl U. Prasad: Polymer Preprint Am. Chem. Soc. Div. Polym. Chem. (1990).
9. Urry, D. W.: J. Protein Chem. 3, 403-436 (1984).
10. Chang, D. K., C. M. Venkatachalam, K. U. Prasad, und D. W. Urry; J. of Biomolecular Structure & Dynamics 6, 851-858 (1989).
11. Chang, D. K. und D. W. Urry: J. of Comoutational Chemistry 10, 850-855 (1969).
12. Urry, D. W., B. Haynes, H. Zhang, R. D. Harns, und K. U. Prasad: Proc. Natl. Acad. Sci. USA 85, 3407-3411 (1988).
13. Urry, D. W., Shao Qing Peng, Larry Hayes, John Jaggard, und R. Dean Harns: Biopolymers (1990).
14. Urry, D. W., D. K. Chang, H. Zhang, und K. U. Prasad: Biochem. Bionhvs. Res. Commun. 153, 832-839 (1988).
15. Robinson, A. B.: Proc. Nat. Acad. Sci. USA 71, 885- 888 (1974).
16. Urry, D. W.: In Methods in Enzymology, (L. W. Cunningham und D. W. Frederiksen, Eds.) Academic Press, Inc. 82, 673-716 (1982).
17. Urry, D. W., John Jaggard, R. D. Harns, D. K. Chang, und K. U. Prasad: In Proaress in Biomedical Polymers (Charles G. Gebelein and Richard L. Dunn, Eds.), Plenum Publishing Co. (1990)
18. Urry, D. W., J. Jaggard, K. U. Prasad, T. Parker, und R. D. Harns: Plenum Press (1990).
19. Urry, D. W., R. D. Harns, und K. U. Prasad: J. Am. Chem. Soc. 110, 3303-3305 (1988).
20. Sciortino, F., M. U. Palma, D. W. Urry, und K. U. Prasad: Biochem. Biophys. Res. Commun. 157, 1061-1066 (1988).
21. Sciortino, F., D. W. Urry, M. U. Palma, und K. U. Prasad: Biopolymers (1990).
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die inversen Temperaturübergangseigenschaften zu nutzen, um ein Absorbens bereitzustellen, das unter verschiedenen Bedingungen, wie z. B. verschiedenen Temperaturen, Salzkonzentrationen, Drücken und pH-Werten, unterschiedliches Absorptionsvermögen aufweist.
Insbesondere weist das Absorbens bei höheren Temperaturen relativ geringe absorbierende Dochtwirkungseigenschaften und bei niedrigeren Temperaturen erhöhtes Absorptionsvermögen auf, so daß Flüssigkeit aus dem Bereich mit höherer Temperatur weggezogen wird.
Viele dieser Polymere wirken als formstabile Absorbentien, die wäßrige Lösungen leicht absorbieren und zurückhalten, wenn sie einem äußeren Druck ausgesetzt werden, der das Absorbens normalerweise zusammenpressen und die Flüssigkeit austreiben würde. Diese und andere Ziele der vorliegenden Erfindung, die in der Folge klarer werden, sind erreicht worden, indem ein absorbierendes Kleidungsstück oder ein Hygieneartikel, das/der Polymermaterial enthält, zum Auflegen auf die Körperoberfläche zur Absorption von Flüssigkeit bereitgestellt wurde, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymermaterial eine inverse Übergangstemperatur aufweist, wodurch die Kapazität des Polymermaterials zum Absorbieren der Flüssigkeit bei niedrigen Temperaturen in einem von der Körperoberfläche entfernten Bereich größer ist als bei höheren Temperaturen in einem Bereich, der an der Körperoberfläche anliegt, wodurch die Flüssigkeit von der Körperober fläche weggezogen wird. Das Polymer weist seinen inversen Temperaturübergang im Bereich von flüssigem Nasser auf. Bevorzugte Polymere umfassen Elastomer-Einheiten, die aus der aus bioelastischen Pentapeptiden, Tetrapeptiden und Nonapeptiden bestehenden Gruppe ausgewählt sind. Durch Auswahl der im Polymerabschnitt der Zusammensetzung vorhandenen Seitenketten ist eine Feine Regulierung der Absorptionseigenschaften der Zusammensetzung möglich, einschließlich der Fähigkeit des Absorbens, absorbierte Flüssigkeit unter Belastung und äußerer Druckeinwirkung zurückzuhalten.
In besonders bevorzugten Ausführungsformen betrifft die Erfindung Windeln, andere absorbierende Kleidungsstücke und Hygieneartikel, die mit dem Benutzer in direktem Kontakt stehen, Antitranspirationsmittel, Wundkompressen, wobei das Polymer ein Bioelastomer ist. Es werden auch regulierbare Polymere bereitgestellt, die der durch Druck verursachten Austreibung von Flüssigkeiten (wie durch Sitzen auf einer Windel oder der Ausübung von Druck auf ein feuchtes Papierhandtuch) Widerstand entgegensetzen, da sie dazu neigen, sich unter äußerem Druck auszudehnen. Daher ist die vorliegende Erfindung besonders nützlich zur Vermeidung des Auslaufens von Windeln, lnkontinenz- Schutzartikeln und dergleichen im Bereich von verengten Rändern am Schenkel oder an der Taille, sowie von druckempfindlichen Verbänden oder Damenbinden.
Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung der Erfindung und die Zeichnungen besser verstanden werden, die einen Teil der vorliegenden Beschreibung darstellen und worin:
Fig. 1 eine grafische Darstellung der Modulation inverser Temperaturübergänge mit unterschiedlichen Lösungsmitteln (Salzkonzentrationen in Wasser) ist.
Fig. 2 eine grafische Darstellung der Modulation inverser Temperaturübergänge unter Variation der Polymerhydrophobie ist.
Fig. 3 eine grafische Darstellung der Modulation inverser Temperaturübergänge bei pH-Änderung ist.
Fig. 4 eine grafische Darstellung der Beständigkeit gegen die durch Druck verursachte Austreibung von Flüssigkeiten aus Zusammensetzungen gemäß vorliegender Erfindung ist.
Die vorliegende Erfindung stellt Artikel bereit, bei denen Zusammensetzungen verwendet werden, die bioleastische Polypeptide sowie andere Polymere verwendet werden, die inversen Temperaturübergang zeigen. Bioelastische Polypeptide sind bereits in einer Reihe von Patenten und Patentanmeldungen, wie oben beschrieben, charakterisiert worden. Diese bevorzugten Materialien enthalten entweder Tetrapeptid-, Pentapeptid- oder Nonapeptid-Monomere, die innerhalb des die Monomer-Einheiten enthaltenden Gesamtpeptids jeweils als Elastomer-Einheiten wirken. Es wird angenommen, daß die Elastizität der Monomer-Einheiten auf eine Reihe von β-Windungen in der Sekundärstruktur des Proteins, d. h. die Ausbildung seiner Peptidkette, zurückzuführen ist, die durch dynamische (im Gegensatz zu starren), zwischen den β-Windungen befindliche Brückensegmente getrennt sind. Eine β-Windung ist durch einen über Wasserstoffbrückenbindung gebildeten Ring aus 10 Atomen der folgenden Formel gekennzeichnet:
In dieser Formel stellen R&sub1;-R&sub5; die Seitengruppen der jeweiligen Aminosäurereste dar. Der Ring aus 10 Atomen besteht aus dem Carbonylsauerstoff der ersten Aminosäure, dem Aminowasserstoff der vierten Aminosäure und den dazwischenliegenden Hauptkettenatomen der Aminosäuren 2 und 3. In dieser Monomer-Einheit bilden, wie gezeigt, die übrigen Hauptkettenatome der Kette (der Rest von Aminosäure 4, Aminosäure 5 und dem ersten Teil von Aminosäure 1 der nächsten Pentamer-Einheit) das Brückensegment, das zwischen benachbarten β-Windungen gebunden ist. VVie durch die Gegenwart sowohl wiederkehrender Tetrapeptid- als auch Nonapeptid-Elastomereinheiten angegeben, kann die Länge des Brückensegments variieren, um auch ein Fehlen von Aminosäure 5 oder die Gegenwart von Aminosäuren 6-9 zu ermöglichen.
Die die β-Windung enthaltende Struktur wird in den obengenannten älteren Patenten und Patentanmeldungen beschrieben und braucht hier nicht nochmals im Detail beschrieben zu werden. Eine beträchtliche Variation der Aminosäuren, die an verschiedenen Stellen in den wiederkehrenden Einheiten vorhanden sind, ist möglich, solange die mehreren β-Windungen mit dazwischenliegenden Brückensegmenten in ihrer Reihenfolge gehalten werden, um die Elastizität beizubehalten. Weiters ist es möglich, Polypeptide herzustellen, bei denen diese Monomer-Einheiten in einem größeren Polypeptid, das Peptidsegmente enthält, die für andere Zwecke bestimmt sind, "eingestreut" sind. Beispielsweise können starre Segmente enthalten sein, um den Elastizitätsmodul zu erhöhen, oder es können Segmente mit biologischer Aktivität (wie z. B. Chemotaxis und Zellhaftung) um ihrer biologischen Aktivität willen enthalten sein.
Diese Elastomer-Materialien, zu denen die prototypischen Poly(Val¹-Pro²-Gly³-Val&sup4;- Gly&sup5;)- und Poly(Val¹-Pro²-Gly³-Gly&sup4;)-Moleküle sowie zahlreiche Analoge zählen, bilden beim Kombinieren mit Wasser viskoelastische Phasen, die bei Vernetzung oft weiche, nachgiebige Elastomer-Matrices ergeben (1-3). Es ist gezeigt worden, daß das Polypentapeptid auf VPGVG-Basis (und andere Bioelastomere) sowohl vor als auch nach dem Vernetzen biokompatibel ist (sind) (4). Als Implantate sind solche bioelastische Polymere biologisch abbaubar, was zur Freisetzung von für den Körper natürlichen Produkten, wie z. B. kurzen Peptidketten und freien Aminosäuren, führt. Diese Polymere, die auch als elastomere Polypeptid-Biomaterialien oder einfach bioelastische Materialien bezeichnet werden, können mit stark unterschiedlichen Wasserzusammensetzungen, in einem weiten Hydrophobie-Bereich, mit beinahe jeder gewünschten Form und Porosität und mit einem variablen Vernetzungsgrad (entweder chemisch oder durch Bestrahlung) hergestellt werden, indem verschiedene Aminosäuren für verschiedene Positionen der Monomer-Einheiten gewählt werden und indem das zur Bildung des Endproduktes eingesetzte Vernetzungsverfahren variiert wird.
Die vorliegende Erfindung basiert teilweise auf der Erkenntnis, daß diese Polymermaterialien eine Anzahl von Eigenschaften aufweisen, die teilweise auf ihre inversen Temperaturübergänge zurückzuführen sind, die sie für die Verwendung in einer Vielzahl von Umgebungen, welche die Absorption wäßriger Flüssigkeiten erfordern, ideal machen. An dieser Stelle sei betont, daß die Ergebnisse des Balancierens hydrophober (apolarer) und polarer Gruppen, so daß ein Material, das inversen Temperaturübergang zeigt, nicht für Polypeptide einzigartig ist, sondern auf alle Polymere anwendbar ist, wenn das geeignete Gleichgewicht erzielt werden kann, beispielsweise für Polyester, Polyamide, Poly(organophosphazene), Polyacrylamide, Polyacrylate, Polymethacrylamide, Polymethacrylate usw. Durch Ausnutzung der relativen Hydrophobie und Größe der Seitenketten ist es möglich, durch einen systematischen, empirischen Ansatz Polymere zu konstruieren, die inversen Temperaturübergang zeigen. Dieser Ansatz kann bei natürlichen Verbindungen, wie z. B. den Poly-β-hydroxyafkanaten, eingesetzt werden, wenn stereochemische Regelmäßigkeit vorliegt. Das kann natürlich ebenso mit Polymeren erzielt werden, die abbaubar sind, wie auch mit solchen, die nicht abbaubar sind, und auch mit Polymeren, die höhere Thermostabilität aufweisen.
Das Phänomen des inversen Temperaturübergangs in wäßrigen Systemen ist ein allgemeines und tritt in einer Reihe amphiphile Systeme, üblicherweise bei Polymeren, auf, die ein geeignetes Gleichgewicht von und eine geeignete Anordnung aus apolaren und polaren Gruppen aufweisen. Die polaren Spezies tragen zur Löslichkeit in Wasser bei niedriger Temperatur bei, einer Löslichkeit, die zu Wasser mit hydrophober Hydratation für die apolaren Gruppen führt. Das Wasser mit hydrophober Hydratation, das oft als Clathrat- oder clathratartiges Wasser bezeichnet wird, weist spezifische thermodynamische Eigenschaften auf: exotherme Hydratationswärme (ein negatives ΔH) und negative Hydratationsentropie (6, 7). Beim Anheben der Temperatur durch endothermen Über gang (8) wird das Wasser mit niedriger Entropie der hydrophoben Hydratation zu einem Wasserkörper mit beträchtlicher Zunahme der Solvatationsentropie, wenn sich die Polymere falten und Aggregate bilden, wodurch die intra- und intermolekularen Kontakte zwischen hydrophoben (apolaren) Gruppen optimiert werden, bei einer etwas geringeren Abnahme der Polymerentropie als Zunahme der Solvatationsentropie. Solche Polymere können, wenn ihre Übergänge zwischen 0 und 100ºC auftreten, verwendet werden, um Vorgänge in den in der Biologie vorkommenden wäßrigen Umgebungen zu regulieren.

SUPERABSORBIERENDE MATERIALIEN AUF BASIS DES PHÄNOMENS DES INVERSEN TEMPERATURÜBERGANGS

Die Wahl des Absorptionsmaterials oder Absorptionskerns in Windeln, Hygienetüchern, lnkontinenz-Schutzartikeln und dergleichen wird sowohl in Hinblick auf die tatsächlichen Absorptionsfunktionen als auch die wirtschaftlichen Kosten getroffen. Der Begriff "Absorptionsfunktion" bezeichnet das Gleichgewicht zwischen dem Absorbensmaterial, das eingesetzt wird oder erforderlich ist, um eine spezifische Flüssigkeitsmenge zu absorbieren und zurückzuhalten. Die Absorptionsfunktion umfaßt auch die Fähigkeit des Zusammenwirkens mit anderen Materialien im Endprodukt, wie z. B. der äußeren Materialschicht, die dem Verwender des Produktes zugewandt ist, um eine trockene Oberfläche zu erhalten, die auch nach relativ langer Verwendungsdauer trocken bleibt. Die Polymersysteme gemäß vorliegender Erfindung mit dem korrekten Gleichgewicht zwischen hydrophoben (apolaren) und polaren Resten können bei niedrigen Temperaturen in Wasser löslich sein, aber wenn die Temperatur auf einen Übergangsbereich angehoben wird, ballen sie sich in kondensierten, stärker geordneten Zuständen zusammen. Das heißt, sie weisen einen Phasenübergang aus einem Zustand I (der Lösung) zu einem Zustand II (einer kondensierten Phase) auf, der dichter ist und mit der überstehenden Lösung im Gleichgewicht steht. Wenn solche Polymersysteme vernetzt werden, ist festzustellen, daß sie in jenem Ausmaß quellen, das durch die Vernetzung beim Sinken der Temperatur unter den Übergang ermöglicht wird, und sich mit dem Austreiben von Wasser beim Anheben der Temperatur über den Übergangstemperaturbereich zusammenziehen. Die meisten Systeme (ein herkömmliches Beispiel wären Kristalle im Gleichgewicht mit einer Mutterlauge) werden beim Anheben der Temperatur stärker löslich und weniger geordnet. Im Gegensatz dazu wird das gemäß vorliegender Erfindung beschriebene Phänomen als inverser Temperaturübergang bezeichnet, bei dem die molekulare Basis für einen solchen Übergang in der Beschaffenheit der Hydratationshülle begründet liegt, welche die hydrophobe (apolare) Gruppen umgibt.
Das Lösen hydrophober Gruppen in Wasser ist ein exothermer Prozeß (AH ist negativ), aber die Löslichkeit, die von der negativen freien Hydratationsenergie nach Gibbs (ΔG (Hydratation) ΔH - TΔS) hydrophober Gruppen abhängt, ist aufgrund einer beträchtlichen negativen Entropieänderung (ΔS), weil Wassermoleküle in der Gesamtlösung innerhalb der Wasserhülle, welche die hydrophoben Gruppen umgibt, stärker geordnet werden, im allgemeinen niedrig. Daher wird, obwohl ein Anstieg der Temperatur bestimmter in Wasser gelöster Polymere bewirken kann, daß Sie sich zu einer kondensierten Phase mit niedrigerer Entropie sammeln, das stärker geordnete Wasser hydrophober Hydratation, das die hydrophoben Gruppen des Polymers in seinem gelösten Zustand umgibt, zu einem weniger geordneten Wasserkörper, während sich die Polymere zusammenballen. Das Nettoergebnis beim Anheben der Temperatur über den Übergang ist ein Zunahme der Unordnung, d. h. eine Zunahme der Entropie für das System insgesamt, das mit dem zweiten Satz der Thermodynamik in Einklang steht, aber entscheidenderweise ist es zu einer sehr nützlichen Zunahme der Ordnung, einer Verringerung der Entropie, für den polymeren Teil des Systems gekommen.
Im Niedertemperatur-Zustand (Zustand I) ist das vernetzte Polymer ein Hydrogel oder ein Superabsorbens, das beträchtliche Wassermengen austreibt, wenn die Temperatur angehoben wird, was eine dichtere, kondensierte Phase ergibt (Zustand II). Es gibt viele Arten, wie die Übergangstemperatur verschoben werden kann. Das bedeutet, daß es ohne eine Temperaturänderung möglich wird, von Zustand I in Zustand II oder umgekehrt zu wechseln. Der Phasenübergang kann eingesetzt werden, um Arbeit zu verrichten (z. B. zieht sich die vernetzte Matrix für den Übergang von Zustand I → Zustand II zusammen und kann Gewichte heben, die tausendmal größer sind als das Trockengewicht der vernetzten Matrix). Somit ist der inverse Temperaturübergang selbst eine thermisch gesteuerte Kontraktion, das heißt, solche Materialien zeigen thermochemische Transduktion.
Wenn sich das System beispielsweise bei Umgebungstemperatur in Zustand 1 befindet und eine Änderung der chemischen Konzentration ein Sinken der Übergangstemperatur auf einen Wert unterhalb der Umgebungstemperatur bewirkt, bewirkt die Änderung der chemischen Konzentration die Kontraktion, während das System in Zustand II wechselt. Das ist chemomechanische Transduktion, und sie kann durch zwei verschiedene, im allgemeinen chemische Verfahren erzielt werden: ein Verfahren auf Polymerbasis und ein Verfahren auf Lösungsmittelbasis.
Beim Verfahren auf Polymerbasis werden funktionelle Seitenketten im Polymer eingesetzt, die beispielsweise durch Protonierung oder Deprotonierung (d. h. pH-Änderung), zwischen einem stärker polaren (weniger hydrophoben) und weniger polaren (stärker hydrophoben) Zustand wechseln können. Beim Verfahren auf Lösungsmittelbasis können Anderungen in der Zusammensetzung des Lösungsmittels die Temperatur des Übergangs ändern. Beispielsweise senkt eine Steigerung der Salzkonzentration (NaCl) die Übergangstemperatur; die Zugabe von Harnstoff (beispielsweise aus Harn) hebt die Übergangstemperatur an; die Zugabe von Ethylenglykol senkt die. Übergangstemperatur usw. Ein Beispiel für die Änderung der Übergangstemperatur mit der Änderung im Salzgehalt des wäßrigen Mediums wird in Fig. 1 gezeigt. Es ist vor kurzem auch in der Anmeldung EP-A-580.811 der Anmelderin gezeigt worden, daß eine Änderung des Drucks die Übergangstemperatur verschieben und zu baromechanischer Transduktion führen kann.
Gemäß vorliegender Erfindung konstruierte Polymersysteme können für eine Vielzahl von Funktionen mit einer gewünschten Übergangstemperatur verwendet werden. Mit dem Wissen über die Wirkung der gelösten Stoffe, die bei einer bestimmten Anwendung beteiligt sind, kann die Übergangstemperatur für diesen Zweck maßgeschneidert werden. Beispielsweise ist eine bevorzugte Ausführungsform eine zum Absorbieren von Körperflüssigkeiten, im speziellen eine Anwendung für Windeln. Bei dieser Ausführungsform ist es möglich, die Wärmegradienten von der Körperoberflächentemperatur zur Umgebungstemperatur, die in einer Windel oder einem Inkontinenz-Artikel natürlich auftreten, in Kombination mit entsprechend konstruierten Polymermaterialien zu nutzen, um die wäßrigen Flüssigkeiten durch Dochtwirkung von wärmeren zu kühleren Temperaturen ziehen. Auf diese Weise kann die Temperatur des inversen Temperaturübergangs wünschenswerterweise von 0ºC bis 70ºC, aber insbesondere zwischen Körperoberflächentemperatur und Umgebungstemperatur eingestellt werden. Weiters kann die Windel, weil die auf geeignete Weise vernetzten Matrices Form-Memory besitzen, eine geeignete Form und Größe verliehen bekommen, so daß sie im nassen Zustand den Körperkonturen gut entspricht. Die Druckwirkung verschiebt, wie oben angeführt, den Übergang zu Zustand I, dem Superabsorbenszustand, hin, so daß die Wirkung des Sitzens auf der Windel eine Komponente zunehmenden Absorptionsvermögens bewirkt, wodurch die Tendenz verringert wird, daß Flüssigkeit und Inhalt aus der Windel herausgedrückt werden.
Es kann in manchen Fällen vorteilhaft sein, das Absorbens gemäß vorliegender Erfindung mit anderen Absorptionsmitteln zu kombinieren oder Cellulose oder andere geeignete Materialien mit dem transduzierbaren Absorbens gemäß vorliegender Erfindung zu beschichten oder auf andere Weise zu verbinden, um ein Superabsorbens, das fähig ist, inversen Temperaturübergang zu erfahren, mit den Möglichkeiten, die dieser Eigenschaft innewohnen, auf Cellulose oder anderen Trägern oder Oberflächen, bereitzustellen. Ein Vorteil besteht darin, daß ein biologisch abbaubares Superabsorbens gemäß vorliegender Erfindung vorliegt, das die Probleme der Abfallbeseitigung löst, die bei Wegwerfwindeln auftreten. Biologische Abbaubarkeit würde die Möglichkeit umfassen, daß chemische Bindungen vorliegen, die ausreichend und selektiv destabilisiert werden können, damit sich der Füllstoff einer Windel, einer Damenbinde oder eines Tampons mit ausreichender Geschwindigkeit zersetzen kann, um wegspülbar zu sein. Dieses Verfahren könnte die Verwendung von Enzymzusätzen, wie z. B. Thermolysin, in der Toiletteschüssel, oder anderer Chemikalien umfassen, mit denen die Innenseite eines Beutels beschichtet ist, in dem das Absorbensprodukt entsorgt werden kann. Siehe die EP-A- 449.592 für eine Erörterung des biologischen Abbaus von Bioelastomeren. Die vorliegende Erfindung betrifft jedoch auch wiederverwendbare Windeln.
Somit weist die vorliegende Erfindung zahlreiche Anwendungen für Wundkompressen, Verbänden, medizinischen Pflastern zur Abgabe von Arzneimitteln und anderen Produkten auf, die mit der Haut oder Körperoberfläche des Benutzers in Kontakt stehen. Die vorliegende Erfindung betrifft auch Anwendungen auf dem Gebiet der Veterinärmedizin.

REGULIERUNG DES INVERSEN TEMPERATURÜBERGANGS BEI BIOELASTOMEREN UND VERWENDUNG ZUR HERSTELLUNG VON ABSORBENTIEN

Nachstehend folgt eine detaillierte Beschreibung des Verfahrens zur Konstruktion von Bioelastomeren spezifisch zur Verwendung als selektive Absorbentien. Als Basis wird ein Bioelastomer ausgewählt, das fähig ist, bei Kontakt mit einem bestimmten physiologischen Zustand (wie z. B. Temperatur oder Salzgehalt) aus einem kondensierten in einen gequollenen Zustand zu wechseln, so daß der inverse Temperaturübergangspunkt selektiv entweder oberhalb oder unterhalb der Umgebungstemperatur der lokalen Umgebung liegt, in der sich das Bioelastomer befindet; das ermöglicht selektives Entfalten und Zerlegen von Polymermatrices, um das Absorptionsvermögen zu begünstigen oder Kontraktion zu verursachen, die bewirkt, daß die hydrophoben Eigenschaften der Elastomere Vorrang bekommen.
Die nachstehend zur Veranschaulichung dieses Verfahrens angeführten spezifischen Beispiele sind überwiegend Beispiele für elastomere Polypentapeptidmatrices. Es ist jedoch klar, daß die gleichen Überlegungen auf elastomere Tetrapeptid- und Nonapeptidmatrices sowie auf Matrices angewandt werden können, die unter Einsatz dieser Elastomer-Einheiten in Kombination mit anderen Polypeptideinheiten hergestellt werden könne, wie zuvor für bioelastische Materialien beschrieben, die unter anderen Umständen verwendet werden.
Das Phänomen des inversen Temperaturübergangs in wäßrigen Systemen ist ein allgemeines und tritt in einer Reihe amphiphile Systeme, üblicherweise bei Polymeren, auf, die ein geeignetes Gleichgewicht von und eine geeignete Anordnung aus apolaren und polaren Gruppen aufweisen. Die polaren Spezies tragen zur Löslichkeit in Wasser bei niedriger Temperatur bei, einer Löslichkeit, die zu Wasser mit hydrophober Hydratation für die apolaren Gruppen führt. Das Wasser mit hydrophober Hydratation, das oft als Clathrat- oder clathratartiges Wasser bezeichnet wird, weist spezifische thermodynamische Eigenschaften auf: exotherme Hydratationswärme (ein negatives ΔH) und negative Hydratationsentropie (6, 7). Beim Anheben der Temperatur durch endothermen Übergang (8) wird das Wasser mit niedriger Entropie der hydrophoben Hydratation zu einem Wasserkörper mit beträchtlicher Zunahme der Solvatationsentropie, wenn sich die Polymere falten und Aggregate bilden, wodurch die intra- und intermolekularen Kontakte zwischen hydrophoben (apolaren) Gruppen optimiert werden, bei einer etwas geringeren Abnahme der Polymerentropie als Zunahme der Solvatationsentropie. Solche Polymere können, wenn ihre Übergänge zwischen 0 und 100ºC auftreten, verwendet werden, um Vorgänge in den in der Biologie vorkommenden wäßrigen Umgebungen zu regulieren.
Das Polypentapeptid Poly(Val¹-Pro²-Gly³-Val&sup4;-Gly&sup5;), für das auch die Bezeichnung Poly- (VPGVG) verwendet wird, ist ein besonders gut ausbalanciertes Polymer für biologische Zwecke, da sein Übergang nahe 37ºC gerade abgeschlossen ist. Unter 25ºC ist es in jedem Verhältnis mit Wasser mischbar, in dem es eine β-Windung aufweist (siehe obige Strukturformel), in der Wasserstoffbrückenbindungen zwischen der Val¹-CO- und der Val&sup4;-NH-Gruppe auftreten (9). Beim Anheben der Temperatur faltet sich das Polypentapeptid zu einer losen Helix, in der die dominanten hydrophoben Kontakte zwischen den Windungen die Val¹-γCH&sub3;-Gruppen in einer Windung und die Pro²-βCH&sub2;-Gruppe in der nächsten Windung umfassen (10). Die lose Helixstruktur wird als dynamische β- Spirale bezeichnet, und es wird vermutet, daß sie die Basis für die entropische elastomere Kraft darstellt, die dieses Material nach dem Vernetzen aufweist (11). Gleichzeitig mit dem Falten erfolgt eine Assemblierung der β-Spiralen, um ein verwundenes Filament zu bilden, das intermolekulare Kontakte optimiert.
Wenn Poly(VPGVG) beispielsweise durch 20 Mrad Gammastrahlung vernetzt wird, wird eine Elastomermatrix gebildet, die unter 25ºC gequollen ist, die sich aber beim Anheben der Temperatur durch den Übergang zusammenzieht, wodurch das Volumen auf 1 Zehntel sinkt und die Länge eines Matrixstreifens auf 45 St seiner Länge im gequollenen Zustand verringert wird (2). Diese thermisch gesteuerte Kontraktion ist bereits zum Heben von Gewichten genutzt worden, die das Tausendfache des Trockengewichts der Matrix ausmachen. Diese Eigenschaft wird daher als thermochemische Transduktion bezeichnet. Nie nachstehend erörtert werden wird, kann jedes chemische Mittel zur reversiblen oder irreversiblen Verschiebung der Temperatur des Übergangs isotherm eingesetzt werden, um chemomechanische Transduktion zu erreichen, und, wie gerade erst entdeckt, die Absorbenseigenschaften der Bioelastomere auf ähnliche Weise zu modifizieren.

CHEMISCHE MODULATION INVERSER TEMPERATURÜBERGÄNGE UND ABSORPTIONSVERMÖGEN: AUSWAHL VON BIOELASTOMEREN

Die Temperatur des inversen Temperaturübergangs kann geändert werden, indem die Hydrophobie des Polymer geändert wird. Wenn beispielsweise das Polypeptid stärker hydrophob gemacht wird, etwa mit Poly(Ile¹-Pro²-Gly³-Val&sup4;-Gyl&sup5;), wobei das Ersetzen von Val¹ durch Ile¹ die Hinzufügung einer CH&sub2;-Gruppe pro Pentamer darstellt, sinkt die Temperatur des Übergangs um 20ºC von 30ºC für Poly(VPGVG) auf 10ºC für Poly- (IPGVG) (1). Auf ähnliche Weise wird, wenn die Hydrophobie verringert wird, indem beispielsweise Val&sup4; durch Ala&sup4; ersetzt wird, d. h. die beiden CH&sub2;-Gruppen pro Pentamer entfernt werden, steigt die Temperatur des Übergangs um etwa 40ºC auf 70ºC an. Siehe Fig. 2, die diese Eigenschaft grafisch darstellt.
Auf einer verallgemeinerten Hydrophobie-Skala ist die COOH-Gruppe stärker hydrophob als die COO&supmin;-Gruppe, so daß durch einfaches Ändern des pH-Wert der Umgebung, mit der ein Bioelastomer mit freien Carboxylgruppen in Kontakt steht, die Temperatur des Übergangs geändert werden kann. Die Übergangstemperatur kann gesenkt werden, indem der pH verringert wird, und sie kann angehoben werden, indem der pH erhöht wird, wenn eine Carboxylgruppe (oder eine andere Gruppe, die bei Erhöhung des pH-Werts zur Bildung eines Ions fähig ist) vorhanden ist. Wenn eine mittlere Temperatur gehalten wird, zieht sich eine mit 20 Mrad vernetzte Matrix aus Poly[4(VPGVG), (VPGEG)], d. h. ein statistisches Copolymer, bei dem die beiden Pentamer-Monomere in einem Verhältnis von 4 : 1 vorliegen sind, worin E = Glu, beim Senken des pHs zusammen und entspannt sich oder schwillt an, wenn der pH erhöht wird (12). Alternativ dazu kann diese Formel als Poly[0.8(VPGVG), 0.2(VPGEG)] angeschrieben werden, wobei eine Formulierung verwendet wird, die an anderer Stelle in der vorliegenden Beschreibung vorkommt. Die Temperatur des Übergangs in phosphatgepufferter Salzlösung verlagert sich von etwa 20ºC bei niedrigem pH, wo COOH vorliegt, um etwa 50ºC auf etwa 70ºC bei neutralem pH, wo alle Carboxyle in Carboxylat-Anionen umgewandelt sind. Siehe Fig. 3, die diese Eigenschaft grafisch darstellt.
Bei auf ähnliche Weise vernetztem Poly[4(IPGVG),(IPGEG)] verlagert sich die Temperatur des inversen Temperaturübergangs von etwa 10ºC für COOH zu über 50ºC für COO&supmin; (5). Bei diesem stärker hydrophoben Polypentapeptid, das 4 Glu-Reste pro insgesamt 100 Aminosäurereste enthält, sind doppelt so viele Carboxylat-Anionen erforderlich, um den Übergang auf 40ºC zu verlagern, als für das weniger hydrophobe Polypentapeptid auf Basis des VPGVG-Monomers. Daher ist es möglich, die Bedingungen des Übergangs zu ändern, indem die Hydrophobie des Bereichs variiert wird, der die Gruppe umgibt, welche die chemische Veränderung erfährt. Da Zusammenziehen und Entspannung des Gesamtpolymers von der Summe aller lokalen thermodynamischen Zustände abhängt, ist ausreichende Kontrolle möglich, indem einfach die durchschnittliche Umgebung beispielsweise ionisierbarer Gruppen gesteuert wird, etwa durch Ändern des Prozentsatzes an Monomeren, die in einem statistischen (oder organisierten) Copolymer vorhanden sind.
Wenn der pH gesenkt wird (d. h. beim Anheben des chemischen Potentials u der vorhandenen Protonen) bei isothermen Bedingungen von 37ºC, können diese Matrices Kräfte f ausüben, die ausreichen, um Gewichte zu heben, die tausendmal größer als ihr Trockengewicht sind. Das ist chemomechanische Transduktion, die auch als mechanochemische Kopplung bezeichnet wird. Der Mechanismus, nach dem dies passiert, wird als hydratationsvermittelte apolar-polar-abstoßungsfreie Energie bezeichnet und wird durch die Gleichung (δu/δf)n < 0 ausgedrückt; das heißt, die Änderung des chemischen Potentials in bezug auf die Kraft bei konstanter Matrixzusammensetzung ist ein negativer Wert (13). Solche Matrices nehmen beim Strecken Protonen auf, d. h. Strecken setzt mehr hydrophobe Gruppen Wasser aus, wodurch die COO&supmin;-Gruppen energetisch weniger begünstigt werden. Das stellt einen klaren Unterschied zum Ladungs-Ladungs-Abstoßungsmechanismus für mechnochemische Kopplung jenes Typs dar, wo (δu/δf)n > 0 ist und Strecken solcher Matrices die Freisetzung von Protonen bewirkt. Der hydratationsvermittelte Apolar-Polar-Abstoßungsmechanismus erscheint eine Größenordnung effizienter für die Umwandlung chemischer Arbeit in mechanische Arbeit zu sein.
An dieser Stelle kann betont werden, daß jedes chemische Mittel zum Ändern der mittleren Hydrophobie des Polymers, wie z. B. eine säure-basen-titrierbare Funktion, Dephosphorylierung/Phosphorylierung, Reduktion/Oxidation eines Redox-Paares usw., eingesetzt werden kann, um Kontraktion/Entspannung zu bewirken. Die meisten Übergänge treten an den Seitenketten bestimmter Aminosäuren auf, vorzugsweise einer der 20 genetisch kodierten Aminosäuren oder eines Derivats davon. Besonders bevorzugt werden Änderungen, die an genetisch kodierten Aminosäuren als Ergebnis des Kontakts mit einer physiologischen Umgebung auftreten. Beispiele sind Ionisierung und Neutralisation von Glu-, Asp-, Lys- und His-Seitenketten; Oxidation der Thio-Gruppe von Cys (beispielsweise zur Bildung von Cystein) oder Reduktion einer oxidierten Form zu Cys; Amidierung von Glu oder Asp; und Deamidierung von Gln oder Asn. Es ist auch mög lich, eine Gruppe anzubinden, die eine funktionelle Gruppe enthält, die unter anderen Bedingungen als jenen, die für natürlich vorkommende Aminosäure-Seitenketten zugänglich sind, einen Übergang erfährt. Beispielsweise kann ein Sulfatester von Ser hergestellt werden, bei dem Sulfat-lonisierungen bei einem pH außerhalb jenes Bereichs auftreten, dem Carboxylatgruppen ausgesetzt sind. Eine Änderung des Oxidationszustands von NAD, eines Flavins oder einen Chinons, das an eine Aminosäure gebunden ist, durch Reaktion der funktionellen Gruppe in der modifizierenden Gruppe mit einer funktionellen Gruppe in einer Aminosäure-Seitenkette ist ebenfalls wirksam. Ein spezifisches Beispiel für einen solchen modifizierten Aminosäurerest ist ein Riboflavin, das durch die Ausbildung einer Esterbindung an die Carboxylatgruppe eines Glu- oder Asp- Rests gebunden ist. Ein weiteres Beispiel wäre eine Häm-Gruppe, die kovalent an die Seitenkette einer Aminosäure gebunden ist. Beispielsweise kann Protoporphyrin IX über eine seiner eigenen Carboxylatgruppen an die Aminogruppe von Lys gebunden werden. Häm A (Cytochrom der Klasse A) könnte auf ähnliche Weise gebunden werden. Änderungen des Oxidationszustands des Eisenatoms in einem Häm oder Koordination mit einem Liganden, der an eine Aminosäure-Seitenkette gebunden ist, könnte ebenfalls genutzt werden, um den gewünschten Übergang auszulösen.
Es ist auch möglich, eine Feinregulierung des Übergangs vom entspannten in den kontrahierten Zustand (oder umgekehrt) durchzuführen, indem die durchschnittliche Umgebung reguliert wird, in der sich die verschiedenen funktionellen Gruppen befinden, die den Übergang erfahren. Beispielsweise kann die Hydrophobie des Gesamt-Polymers (und daher die durchschnittliche Hydrophobie funktioneller Gruppen, die im Polymer vorhanden sind) modifiziert werden, indem das Verhältnis der verschiedenen Typen an Monomer-Einheiten geändert werden, wie zuvor angeführt. Dabei kann es sich um Monomer-Einheiten handeln, welche die funktionellen Gruppen enthalten, die den Übergang erfahren, oder um andere im Polymer vorhandene Monomer-Einheiten. Wenn beispielsweise die grundlegende Monomer-Einheit VPGVG ist und die Übergang erfahrende Einheit VPGKG ist, worin K ein Lysinrest ist, kann entweder das Verhältnis zwischen VPGVG-Einheiten und VPGKG-Einheiten variiert werden, oder eine andere Struk tureinheit, wie z. B. IPGVG; kann in unterschiedlichen Mengen eingebaut werden, bis die entsprechende Übergangstemperatur erreicht ist.
Im allgemeinen kann die Wahl der Aminosäuresequenz in einer speziellen Monomer- Einheit und die Wahl des erforderlichen Anteils an Monomer-Einheiten nach einem empirischen Verfahren erfolgen, das damit beginnt, die Eigenschaften bekannter Bioelastomere zu bestimmen (oder nachzuschlagen), wobei ähnliche, aber andere Bioelastomere an diesen Spezifikationen orientiert hergestellt werden und die Übergangstemperatur wie hierin und in den genannten Patenten und Patentanmeldungen beschrieben gemessen wird. Vorzugsweise werden jedoch Tabellen der relativen Hydrophobie von Aminosäureresten (entweder natürlich vorkommend oder modifiziert) verwendet, um die Übergangstemperatur ohne Versuche zu berechnen. Siehe beispielsweise Y. Nozaki und C. Tanford, J. Biol. Chem. 246, 2211-2217 (1971), oder H. B. Bull und K. Breese, Archives Biochem. Biophys. 161, 665-670 (1974), für besonders nützliche Sammlungen von Hydrophobiedaten. Es gibt etwa 30 verschiedene Hvdrophobieskalen, wobei die Hydrophobieskalen, die Tryptophan (Trp) als stärksten (oder zumindest einen der stärksten) hydrophoben Reste zeigen, für die Praxis der vorliegenden Erfindung am besten geeignet sind. Beispielsweise kann eine ungefähre Abschätzung der wahrscheinlichen Übergangstemperatur erfolgen, indem die mittleren Hydrophobiewerte der einzelnen Aminosäurereste in den Monomer-Einheiten des Polymers addiert werden und das Ergebnis mit der Summe verglichen wird, die für Polymere mit bekannten Übergangstemperaturen erhalten wird.
Genauere Werte können für jedes gegebene Polymer berechnet werden, indem die Übergangstemperaturen für eine Reihe verwandter Polymere gemessen werden, in denen nur eine Komponente variiert ist. Beispielsweise können hauptsächlich VPGVG-Monomere enthaltende Polymere, die variierende Mengen an VPGKG-Monomeren enthalten (beispielsweise 2%, 4% und 8% K) hergestellt und auf die Übergangstemperaturen getestet werden. Der Test besteht hauptsächlich darin, das Polymer in unvernetzter Form herzustellen, das Polymer in Wasser zu lösen und die Temperatur der Lösung an zuheben, bis Trübung auftritt, was auf die Fällung von Polymer aus der Lösung hinweist. Wenn die Übergangstemperaturen über dem Anteil an VPGKG-Monomer im Polymer aufgetragen werden, wird eine Gerade erhalten, und der für jede andere gewünschte Temperatur notwendige Anteil an VPGKG (innerhalb der Grenzen, die durch 0% bis 100% des VPGK-Monomers angegeben werden) kann direkt aus der Grafik abgelesen werden. Wenn diese Technik mit der ungefähren Abschätzung der Hydrophobie-Summierung, wie oben beschrieben, kombiniert werden kann, kann jede gewünschte Übergangstemperatur im Bereich von flüssigem Wasser erhalten werden.

WAHL VON BIOELASTOMEREN, DIE DER DURCH DRUCK VERURSACHTER AUSTREIBUNG VON FLÜSSIGKEIT STANDHALTEN

Es ist auch möglich, Absorbentien gemäß vorliegender Erfindung in Form einer Zusammensetzung bereitzustellen, die fähig ist, der Austreibung von zurückgehaltenem Wasser unter dem Einfluß eines äußeren Drucks standzuhalten, umfassend ein bioelastisches Polymer, das elastomere Einheiten enthält, die aus der aus bioelastischen Pentapeptiden, Tetrapeptiden und Nonapeptiden bestehenden Gruppe ausgewählt sind, worin zumindest ein Teil der Elastomer-Einheiten zumindest einen Aminosäurerest mit einer hydrophoben Seitenkette in ausreichender Menge enthält, um ein PdV/dS für das Polymer von zumindest 0,2 K zu liefern. Die Übergangseigenschaften der Elastomere können reguliert werden, indem die Hydrophobie und Größe der Seitenkette (oder Seitenketten) und der Molenbruch der hyrophoben Einheiten im Gesamt-Polymer variiert werden.
Es ist festgestellt worden, daß durch Einbau relativ großer hydrophober Seitenketten in solche Polymere, die Polymere auf den Druck in unerwarteter Weise reagieren. Wenn der Druck auf die Polymere in einer wäßrigen Lösung erhöht wird (oder während die Polymere ein wäßriges Medium enthalten), dehnen sich die Polymere aus, statt sich zusammenzuziehen, wenn zusätzlicher (nicht-assoziierter) Wasserkörper vorhanden ist. Diese Eigenschaft kann genutzt werden, um dem mechanischen Austreiben von absorbiertem Wasser aus Absorbentien gemäß vorliegender Erfindung standzuhalten, wie nachstehend beschrieben.
Mehr Informationen über die theoretische Grundlage dieser Eigenschaft der Druckbeständigkeit ist der Anmeldung des Erfinders des vorliegenden Anmeldungsgegenstandes zu entnehmen, die mit gleichem Datum wie die vorliegende Erfindung eingereicht wurde und den Titel "Polymers Capable of Baromechanical and Barochemical Transduction" trägt (EP-A-0.581.891). Diese verwandte Anmeldung enthält den ersten Bericht über die Auswirkungen von Druck auf die 7 für Poly(VPGVG) und dessen empfindlicheren Analoge und beschreibt, wie diese Systeme eingesetzt werden können, damit sie baromechanische Transduktion aufweisen. Hochgeschwindigkeits-Ultrazentrifugation wurde eingesetzt, um erhöhte Drücke auszuüben, und eine analytische Ultrazentrifuge wurde verwendet, um die Übergangstemperatur zu überwachen. Mehrere Polymere wurden synthetisiert und untersucht, einschließlich der Homopolypentapeptide Poly- (GVGVP) und Poly(GMGVP) sowie der komplexen Polypentapeptide Poly[0,8(GVGVP), 0,2(GYGVP)], Poly[0,8(GVGVP),0,2(GFGVP)] und Poly[0,857(GVGVP),0,143 (GWGVP)], worin M = Met, Y = Tyr, F = Phe und W = Trp (angeführt in der Reihenfolge zunehmender Druckwirkung) sind, und die Ergebnisse dieser und anderer Untersuchungen haben verständlich gemacht, wie Bioelastomere und andere Polymere zu konstruieren sind, die als Absorbentien verwendet werden, um Quetschdrücken standzuhalten.
Bei solchen Polymeren werden relativ große hydrophobe Seitenketten in monomere Polypeptideinheiten eingebaut, um eine zuvor unbekannte Eigenschaft im resultierenden Gesamtpolymer hervorzurufen, nämlich die Empfindlichkeit des inversen Temperaturübergangs des Polymers für äußeren Druck. Die neue Eigenschaft steht nicht im gleichen Verhältnis wie die Temperatur des Übergangs 7 streng mit der Hydrophobie im Zusammenhang, sondern erfordert das Vorhandensein großer hydrophober Seitenketten. Hier ist mit "groß" vorzugsweise ein größeres Volumen gemeint als eine Isopropylgruppe; d. h. größer als 20 cm³/Mol. Noch größere hydrophobe Gruppen werden bevorzugt (z. B. 100, 500, 1.000 cm³/Mol oder noch größere Volumina). Die hydrophoben Gruppen werden so ausgewählt, daß sie ausreichend groß und in einem ausreichenden Aus maß vorhanden sind, um für einen PdV/dS von zumindest (),2 K, vorzugsweise zumindest 1 K, mehr bevorzugt zumindest 5 K und am meisten bevorzugt zumindest 20 K, zu sorgen (worin P = Druck, V = Volumen und S = Entropie sind). PdV/dS-Werte können durch Versuch ermittelt werden, indem Änderungen des inversen Temperaturübergangs für ein bestimmtes Polymer bei Änderungen des Drucks gemessen werden und die Temperaturänderung über dem log des Drucks aufgetragen wird. Der Anstieg der resultierenden Linie ist PdV/dS. Ein detailliertes Versuchsbeispiel für dieses Verfahren ist der oben angeführten gleichzeitig eingereichten Anmeldung zu entnehmen.
Zu den Beispielen für typische hydrophobe Gruppen, die als Seitenketten dienen, zählen Butylgruppen und größere Kohlenwasserstoffe, die 4 oder mehr Kohlenstoffatome enthalten. Es gibt keine spezielle Obergrenze für die Größe des Kohlenwasserstoffs mit Ausnahme der Fähigkeit des Gesamtpolymers, den gewünschten inversen Temperaturübergang durchzumachen, was leicht im Versuch ermittelt werden kann. Bevorzugte Kohlenwasserstoffgruppen enthalten 7 bis 50 Kohlenstoffe, mehr bevorzugt 7 bis 20 Kohlenstoffe, und typischerweise 7 bis 15 Kohlenstoffe. Ein üblicher Substituent umfaßt einen 6-gliedrigen aromatischen Ring, wie z. B. einen Phenylring. Funktionelle Gruppen können an diesen Kohlenwasserstoffen vorhanden sein, solange die hydrophobe Beschaffenheit der Seitenkette insgesamt beibehalten wird. Nützliche Hydrophobie-Skalen für Substituenten werden nachstehend detaillierter erörtert. Wenn Polypeptide hergestellt werden, können die Aminosäuren Phenylalanin, Tryptophan, Tyrosin und Histidin in die Aminosäureketten aufgenommen werden, um die gewünschten großen hydrophoben Seitenketten zu liefern. Der PdV/dS-Wert wird erhöht, indem entweder das Ausmaß an Hydrophobie der vorhandenen hydrophoben Gruppen oder ihre Menge (üblicherweise als Molenbruch ausgedrückt) in einem Polymer erhöht wird. Die Kenntnis des genauen PdV/dS-Werts für ein bestimmtes Polymer ist jedoch nicht erforderlich, um die vorliegende Erfindung durchzuführen, und Schätzung, ob es wahrscheinlich ist, daß ein bestimmtes Polymer eine wünschenswerte baromechanische oder barochemische Reaktion aufweist, kann leicht durchgeführt werden, indem die Menge und die Art hydrophober Gruppen verglichen wird, die in einem bestimmten Polymer vorhanden sind. Es gibt keine speziellen Obergrenzen für die Größe oder Menge an hydrophoben Gruppen in einem Polymer gemäß vorliegender Erfindung oder die Hydrophobie des jeweiligen Substituenten, solange das resultierende Polymer einen inversen Temperaturübergang erfährt und den angegeben PdV/dS-Wert aufweist. Die Herstellung ist jedoch im allgemeinen einfacher, wenn wasserlösliche Polymere (unter der Übergangstemperatur) verwendet werden. Nicht-wasserlösliche Polymere können unter Verwendung organischer Lösungsmittel hergestellt werden, aber das organische Lösungsmittel muß in den meisten Fällen entfernt und durch Wasser ersetzt werden, nachdem die Polymermatrix gebildet wurde, um die gemäß vorliegender Erfindung beschriebenen Ergebnisse zu erzielen.
Die Druckbeständigkeit wird zunächst beschrieben, indem das Modellsystem eingesetzt wird, das ursprünglich hilfreich für die Bestimmung der allgemeineren Aspekte der Erfindung war, die später hierin beschrieben werden. Es wird jedoch anerkannt werden, daß diese anfängliche Beschreibung die Erfindung nicht einschränkt, da diese Beispiele leicht unter Einsatz der später beschriebenen Techniken modifiziert werden können, um zahlreiche Zusammensetzungen bereitzustellen, welche die hierin erörterten Eigenschaften aufweisen, und die bei den später beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen eingesetzt werden können.
Beim ersten Polymersystem, das die gemäß vorliegender Erfindung beschriebenen baromechanischen Eigenschaften aufweist, wurden elastische Polymere auf Proteinbasis der Formel Poly[fx(VPGXG),fv(VPGVG)] verwendet, worin fx und fv Molenbrüche sind, wobei gilt fx + fv = 1. Wie oben beschrieben, weisen diese Bioelastomere inverse Temperaturübergänge in Form einer Phasentrennung auf, in der beim Anheben der Temperatur Faltung und Aggregation der wasserlöslichen Polymerketten in stärker geordnete Zustände der kondensierten (Koazervat-) Phase auftreten. Dieser inverse Temperaturübergang ist zwar auf dem Gebiet der Polymere unüblich, aber bei den hierin beschriebenen Bioelastomeren üblich, und kann bei anderen Polymeren durch das einfache oben beschriebene Lösungs/Heiz-Schema leicht detektiert werden. Untersuchungen über die Polymere der soeben genannten Formel, worin X = Trp, Phe oder Tyr ist, zeigten, daß eine Druckerhöhung einen beträchtlichen Anstieg der Übergangstemperatur verursachte, so daß eine Ausübung von Druck, wenn das Polymer oberhalb der Übergangstemperatur vorliegt, zur Entfaltung und Disaggregation des Polymers führt, wodurch das Volumen der Koazervatphase (oder einer vernetzten Matrix) mit zunehmendem Druck zunimmt. Der Erfinder möchte zwar nicht auf eine Theorie beschränkt sein, wie diese Ausdehnung stattfindet, es wird jedoch angenommen, daß Wassermoleküle, welche die aromatischen Seitenketten von Trp(W), Phe(F) oder Tyr(Y) umgeben, weniger Volumen einnehmen als Wassermoleküle im Wasserkörper, der das Polymer umgibt. Die berechnete Volumsänderung für Poly[0,8(GVGVP),0,2(GFGVP)], beträgt beispielsweise, wenn von der Koazervatphase, wo hydrophobe Assoziationen Wasser der hydrophoben Hydratation weitgehend eliminiert haben, zur Dispersion in Nasser übergegangen wird, wo die hydrophoben Gruppen von Wasser umgeben sind, beträgt im Mittel 80 cm³/Mol Pentamere oder etwa 400 cm³/Mol (GFGVP). Die Ergebnisse liefern die Möglichkeit, Materialien zu konstruieren, die in der Lage sind, baromechanische Transduktion aufzuweisen.
Es sollte angemerkt werden, daß die Position des "X"-Rests im Polymer, wie oben beschrieben, nicht entscheidend ist und in diesen Beispielen hauptsächlich zwecks einfacher Synthese erfolgte, obwohl bei einer Substitution anderer Aminosäurereste in der Pentamer-Elastomereinheit gewisse Änderungen der Eigenschatten auftreten. Die spezifische Position einer Seitenkette im Polymer ist nicht ausschlaggebend, solange die Gesamteigenschaften des Polymers beibehalten werden.
Die Auswirkung erhöhter Drücke auf die Temperatur des inversen Temperaturübergangs, Tt, tritt auf, ist aber bei Poly(GVGVP) und Poly(GMGVP) kaum merklich. Andererseits ist die Druckabhängigkeit von Tt bei Polypentapeptiden, die aromatische Reste enthalten, auffällig. Wenn Vergleiche für das gleiche Ausmaß an Substitution an der gleichen Position innerhalb von Poly(Val¹-Pro²-Gly³-Val&sup4;-Gly&sup5;) angestellt werden, ist das Ausmaß der Änderung der Übergangstemperatur ΔT&sup5; aufgrund einer gegebenen Zunahme im Druck beim Trp&sup4;-enthaltenden Polypentapeptid um das 70fache größer und beim PheLenthaltenden Polypentapeptid um das 60-fache größer als beim Val&sup4;-enthaltenden Polypentapeptid. Wegen der unterschiedlichen relativen Enthalpien für die Übergänge (32) L = ΔHt, die erforderlich sind, um eine experimentelle Bewertung der Entropien des Übergangs ΔSt ( = ΔHt/Tt') zu erzielen sind die berechneten Änderungen des Volumens für den Übergang ΔVt etwas anders. Aus den Anstiegen der resultierenden Kurve über log (oder ln) P und mit den Werten für ΔS, werden die Werte für ΔVt erhalten; die Äncierungen im Volumen sind bei den Pentapeptiden, die einen aromatischen Rest an Position 4 enthalten, um das Hundertfache größer als beim Val&sup4;-Rest. Signifikanterweise ist der kontrahierte Zustand in bezug auf den inversen Temperaturübergang für die vernetzte Matrix (oder des Koazervats) des Polypentapeptids tatsächlich der Zustand des erhöhten Volumens für das System insgesamt (d. h. das Polymer und umgebenden Wasserkörper). Das bedeutet natürlich, daß 1 Gramm Wasser der hydrophoben Hydratation weniger Volumen einnimmt als 1 g Wasserkörper. Das Ergebnis ist ein nützlicher Effekt bei den Absorbentien, da, wenn Druck auf ein Molekülsystem ausgeübt wird, das fähig ist, einen inversen Temperaturübergang zu zeigen, wenn das Molekülsystem auf einer Temperatur innerhalb des Übergangstemperaturbereichs vorliegt, und wenn die Zusammensetzung druckempfindlich ist, der Austreibung von Flüssigkeiten standgehalten wird, da die Zusammensetzung versucht, an angrenzendem Wasserkörper (d. h. absorbiertes Wasser in einem Absorbens) festzuhalten und diesen sogar in die Zusammensetzung hineinzuziehen.
Die Auswirkung des Drucks, die Temperatur des inversen Temperaturübergangs zu erhöhen, führt zu dem wichtigen Ergebnis im Übergangstemperaturbereich, das Gleichgewicht für das Polymer zu einem gequollenen Zustand hin zu verlagern, weil das der Zustand ist, für den das System insgesamt und Wasser im speziellen das kleinere Volumen einnimmt. Die Koazervatphase für Poly(VPGVG) ist bei 37ºC 60 Gew.-% Wasser und 40 Gew.-% Peptid (33). Wenn das von den 60 Gew.-% Wasser eingenommene Volumen selbst größer ist als das Volumen, das vom Wasser der hydrophoben Hydratation eingenommen wird, erzeugt das Zusammendrücken der Koazervatphase oder der vernetzten Matrix im Gleichgewicht mit einem Wasserbad einen Gegendruck aufgrund einer Verschiebung zum ungefalteten, gequollenen Zustand bei niedriger Temperatur, in dem ein Entfalten des Polypentapeptids zu einem Freilegen hydrophober Reste mit seinem dichter gepackten Wasser der hydrophoben Hydratation führen würde.
Diese Eigenschaft wird in Fig. 4 gezeigt, die Kurven des Volumens über der Temperatur enthält. Da die Wirkung des erhöhten Drucks darin besteht, die Übergangstemperatur zu erhöhen, wäre das Ergebnis einer versuchsweisen 4ºC-Änderung von Tt (z. B. für Phe-hältiges Polymer) bei 30 atm die durch die strichlierte Kurve gezeigte Verschiebung. Die Wirkung des Drucks besteht darin, die Temperatur des inversen Temperaturübergangs auf solche Weise zu verschieben, daß dem Effekt der Druckausübung entgegengewirkt wird.
Unter Berücksichtigung dieser Versuchsergebnisse können sinnvoll Bioelastomere konstruiert werden, um die gewünschten hierin beschriebenen baromechanischen Eigenschatten zu erreichen. Die folgende Erörterung beschreibt allgemeine Selektionstechniken, um die Ergebnisse der Erfindung mit einer Vielzahl verschiedener Bioelastomere zu erzielen.
Die obige Erörterung, die allgemein das Phänomen der Steuerung der inversen Temperaturübergänge bei Bioelastomeren betrifft, unabhängig davon, ob diese Materialien die baromechanischen und barochemischen Eigenschaften aufweisen, ist auch relevant, um den inversen Temperaturübergang von Zusammensetzungen mit druckempfindlichen Eigenschaften zu variieren. Wie zuvor erörtert, enthalten Polymere, die Druckempfindlichkeit aufweisen, lediglich hydrophobe Seitenketten in einer ausreichenden Anzahl und Größe, um für die gewünschten Druckempfindlichkeits-Effekte zu sorgen. Ein Polymer mit den Druckempfindlichkeits-Effekten gemäß vorliegender Erfindung zu versehen, beseitigt jedoch nicht die anderen Eigenschaften dieser Polymere. Demgemäß ist es möglich, die verschiedenen mechanochemischen und thermochemischen Eigenschaften zu erreichen, die bereits beispielsweise bei bioelastischen Materialien beschrieben worden sind, indem ein Polymer bereitgestellt wird, das funktionelle Gruppen zusätzlich zu den für Druckempfindlichkeit erforderlichen enthält. Ein Polymer weist die ihm eigenen thermischen und mechanischen Eigenschaften (einschließlich von Absorptionsvermögen) auf, wenn es lediglich die Polymer-Hauptkette und den erforderlichen inversen Temperaturübergang aufweist. Indem große hydrophobe Seitenketten bereitgestellt werden, wird für bestimmte Druckeigenschaften gesorgt, während das Vorsehen von Seitenketten mit chemischer Funktionalität ermöglicht, daß chemische Wechselwirkungen stattfinden.
Nachdem die Erfindung nun allgemein beschrieben wurde, wird sie unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele näher erklärt, die nur dem Zweck der Veranschaulichung dienen und nicht als Einschränkung anzusehen sind, wenn dies nicht ausdrücklich angegeben ist.

BEISPIEL

Ein absorbierender Artikel zur Verwendung als Windel kann aus Papierfasern in Form von sogenannter Staub-(Fluff-)pulpe und Kleber-(Bonding-)pulpe konstruiert werden, wie sie unter dem Markennamen PULPEX von der amerikanischen Firma Hercules vertrieben werden. Die Klebefasern schmelzen bei ihrer Bindetemperatur und werden mit dem erfindungsgemäßen Absorbens verklebt, wodurch ein Absorptionskörper erhalten wird, der sowohl im nassen als auch im trockenen Zustand vergleichsweise formstabil ist.
Die Oberfläche des Artikels ist dem Benutzer des Produkts zugewandt, und die gegenüberliegende Oberfläche kann mit einem wasserfesten Überzug aus Kunststoff oder einem anderen derartigen Material beschichtet sein. Das Polymersystem kann als Hydrogel formuliert oder in einem Fasergewebe verteilt sein, wobei der Temperaturgradient in der Gesamtdimension des Gewebes variiert werden kann.
Demgemäß dringt die Flüssigkeit in die Windel und das Absorbensmaterial ein, wo die Flüssigkeit zur Superabsorption der kühleren Bereiche, weg vom Kontakt mit dem Benutzer und weg vom im allgemeinen wärmeren Nässungspunkt gezogen wird.
Alle Veröffentlichungen und Patentanmeldungen, die in der vorliegenden Beschreibung erwähnt werden, sind im gleichen Ausmaß durch Verweis hierin aufgenommen, als wäre jede einzelne Publikation oder Patentanmeldung an der Stelle ihrer Erwähnung spezifisch und einzeln als durch Verweis hierin aufgenommen angeführt.

Claims

1. Absorbierendes Kleidungsstück zum Auflegen auf eine Körperoberfläche zur Absorption von Flüssigkeit, das eine Windel, eine Inkontinenz-Schutzeinrichtung oder ein Trainingshöschen ist, die/das ein Polymermaterial enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymermaterial eine inverse Übergangstemperatur aufweist, wodurch die Fähigkeit des Polymermaterials, die Flüssigkeit zu absorbieren, bei niedriger Temperatur in einem von der Körperoberfläche abgewandten Bereich höher ist als in einem an der Körperoberfläche anliegenden Bereich, wodurch die Flüssigkeit von der Körperoberfläche weggezogen wird.

2. Hygieneeinrichtung zum Auflegen auf eine Körperoberfläche zur Absorption von Flüssigkeit, die eine Wundkompresse, ein Verband, ein medizinisches Pflaster, eine Damenbinde, ein Tampon oder ein Schweißkissen ist, die/der/das ein Polymermaterial enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymermaterial eine inverse Übergangstemperatur aufweist, wodurch die Fähigkeit des Polymermaterials, die Flüssigkeit zu absorbieren, bei niedriger Temperatur in einem von der Körperoberfläche abgewandten Bereich höher ist als in einem an der Körperoberfläche anliegenden Bereich, wodurch die Flüssigkeit von der Körperoberfläche weggezogen wird.

3. Kleidungsstück oder Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, worin das Polymermaterial eine reaktive funktionelle Gruppe enthält, die mit einer Komponente einer Körperflüssigkeit reagiert, worin Kontakt der Körperflüssigkeit mit dem Polymer bewirkt, daß das Polymer in einen gequollenen Zustand übergeht, wobei die funktionelle Gruppe eine elektrische Ladung aufweist und die Reaktion eine ionische Interaktion zwischen der Ladung und einem Ion in der Flüssigkeit ist.

4. Kleidungsstück oder Vorrichtung nach Anspruch 4, worin das Polymermaterial eine funktionelle Seitenkette enthält, die mit einer Komponente der Körperflüssigkeit reagiert, worin Kontakt der Körperflüssigkeit mit dem Polymer bewirkt, daß das Polymer in einen gequollenen Zustand übergeht, und worin die Reaktion eine Protonierung oder Deprotonierung der funktionellen Seitenkette ist.

5. Kleidungsstück oder Einrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin das Polymermaterial ein bioelastisches Polymer umfaßt, das Elastomereinheiten enthält, die aus der aus bioelastischen Pentapeptiden, Tetrapeptiden und Nonapeptiden bestehenden Gruppe ausgewählt sind.

6. Kleidungsstück oder Einrichtung nach Anspruch 5, worin zumindest ein Teil der Elastomermonomere zumindest einen Aminosäurerest mit einer hydrophoben Seitenkette enthält, die in einer ausreichenden Menge vorhanden ist, um für ein PdV/dS des Polymers von zumindest 0,2 K zu sorgen.

7. Kleidungsstück oder Einrichtung nach Anspruch 6, worin die Aminosäure Phenylalanin, Tryptophan, Tyrosin oder Histidin ist.

8. Kleidungsstück oder Einrichtung nach Anspruch 6, worin zumindest ein Teil der Elastomereinheiten zumindest einen Aminosäurerest mit einer Seitenkette enthält, die eine reversible chemische Veränderung erfahren kann.

9. Kleidungsstück oder Einrichtung nach Anspruch 6, worin zumindest ein Teil der Elastomereinheiten eine VPGVG-Struktureinheit umfaßt.

10. Kleidungsstück oder Einrichtung nach Anspruch 6, worin das Polymer ein Segment mit der Formel

Poly[(VPGXG)fx,(VPGVG)fy]

umfaßt, worin fx und fy für Molenbrüche stehen, worin gilt: fx + fy = 1, und X für den hydrophoben Aminosäurerest steht.

11. Kleidungsstück oder Einrichtung nach Anspruch 6, worin das Polymer ein Segment der Formel

Poly[(VPGXG)fx,(VPGVG)fy,(VPGZG)fz]

umfaßt, worin fx, fy und fz für Molenbrüche stehen, worin gilt: fx + fy + fz = 1, X für den hydrophoben Aminosäurereste steht und Z für einen Aminosäurerest mit einer Seitenkette steht, die in wäßriger Umgebung reversible Protonierung erfahren kann.

12. Kleidungsstück oder Einrichtung nach Anspruch 5, worin das Polymer eine Reihe von β-Windungen umfaßt, die durch dynamische Brückenelemente getrennt sind, die zwischen den β-Windungen gebunden sind.

13. Kleidungsstück oder Einrichtung nach Anspruch 5, worin das Polymer im wesentlichen aus Elastomer-Polypeptidmonomeren besteht, die jeweils eine β-Windung umfassen.

14. Kleidungsstück oder Einrichtung nach Anspruch 5, worin das Polymer mehrere Elastomer-Polypeptidmonomere umfaßt, von denen jedes eine β-Windung umfaßt, und weiters dazwischenliegende Polypeptidsegmente zwischen zumindest einigen Elastomer-Monomeren umfaßt.