DE69629820T2

DE69629820T2 - Fluoroligomere oberflächen modifizierungsmittel für polymere und die hieraus hergestellte gegenstände

Info

Publication number: DE69629820T2
Application number: DE1996629820
Authority: DE
Inventors: Paul J Santerre
Original assignee: Individual
Current assignee: Interface Biologics Inc
Priority date: 1995-08-03
Filing date: 1996-07-31
Publication date: 2004-07-01
Anticipated expiration: 2016-08-01
Also published as: DE69629820D1; CA2228505A1; EP0842207A1; WO1997006195A1; EP0842207B1; NZ313583A; US6127507A; AU711425B2; CA2228505C; AU6609396A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Fluoroligomere als Oberflächenmodifizierer in Beimischung mit Basispolymeren, insbesondere Polyurethanen; aus dem genannten Gemisch hergestellte Artikel, vor allem medizinische Vorrichtungen.
Segmentierte Polyurethane werden zur Herstellung von vielen konventionellen blutkontaktierenden medizinischen Vorrichtungen verwendet, wie zum Beispiel Schrittmacherleitungen und -anschlüsse, Gefäßtransplantate, selbstschließende arteriovenöse Zugangstransplantate und Diagnosekatheter (1–3). Die chemische Struktur solcher Polyurethanelastomere bietet hohe Zugfestigkeit, Schmierfähigkeit, gute Abriebbeständigkeit, leichte Bearbeitung, z. B. Extrudieren und Binden, und gute "Biokompatibilität" (3, 4). Die Vorrichtungen sind zwar für den kurzfristigen Gebrauch von Nutzen, doch stellt ihre Langzeitfunktion noch immer ein Problem dar (5). Ein Nachteil dieser Vorrichtungen liegt in der Fremdartigkeit der Implantatmaterialien mit Bezug auf den Körper, die schließlich zu einem Abbau des Materials (6) führt. Zu den Folgen eines Materialabbaus der Vorrichtung innerhalb des Körpers gehören der Verlust der Materialzugfestigkeit und Oberflächenrisse (7, 8). Es wurde festgestellt, dass eine Hydrolyse und Oxydation von Polyurethanen in vivo die möglichen Ursachen für den Abbau (8, 9) sind. Neben dem Abbau der Polyurethane stellt auch die Thrombusbildung auf der Oberfläche der Polyurethanmaterialien ein Problem dar. Versuche, das Thrombusproblem zu lösen, beinhalten den Einbau von Heparin (10), Albumin (11) und Endothelzellen (12). Außerdem wurde die dauerhafte Bindung biologisch aktiver Anteile an Polymerketten oder Polymeroberflächen untersucht (13, 14). Der Hauptnachteil dieser biologisch modifizierten Materialien besteht jedoch in der geringeren Reproduzierbarkeit der Oberflächenmodifikation und der effektiven Lebensdauer der Komponenten. Obwohl einige neue Polymere mit verbesserter Stabilität (7) entwickelt wurden, wurde somit keine zufriedenstellende Veränderung von Polyurethanen erreicht.
Untersucht wurde die Zugabe polymerer Oberflächenzusatzstoffe zu Basispolyurethanen zur Veränderung der Oberflächenchemie, während gleichzeitig die Haupteigenschaften intakt bleiben (15).
Das am 29. August 1989 erteilte US-Patent Nr. 4,861,830 von Ward et al. beschreibt Polymergemische, die aus einem Basispolymer und thermoplastischen Copolymerzusatzstoffen mit polaren harten Segmenten und polaren und nichtpolaren weichen Blöcken in Pfropf- oder Blockcopolymerform bestehen, zur Verwendung in biomedizinischen Vorrichtungen. Das am 10. August 1993 erteilte US-Patent Nr. 5,235,003 von Ward et al. beschreibt neuartige lineare Polysiloxan-Polyaceton-Blockcopolymere, insbesondere lineare Polysiloxan-Polycaprolacton-Blockcopolymere, die zur Verwendung als oberflächenmodifizierte Nylonartikel mit Nylon vermischbar sind. Das am 19. Juni 1990 erteilte US-Patent Nr. 4,935,480 von Zdrahala et al. beschreibt nichtblockierende, hämokompatible, thermoplastische, fluorierte Polyetherurethane aus Polyetherglykolen, Isocyanaten, Kettenverlängerern und nichtfluorierten Polyolen. Das Herstellungsverfahren umfasst zwei Schritte, bei denen das fluorierte Glykol zunächst mit dem Diisocyanat reagiert wird, um ein Vorpolymer mit endständigen Isocyanatgruppen zu erhalten. Das Vorpolymer wird anschließend mit dem Kettenverlängerer und nichtfluorierten Polyol reagiert. Das fluorierte Polyetherurethan ist in medizinischen Vorrichtungen verwendbar.
Ward et al (16) beschreiben die Anwesenheit von oberflächenaktiven oligomeren, endständigen Gruppen in linearen Basispolymerpolyurethanharnstoffen als neue Biomaterialien. Y.-W. Tang et al (17) beschreiben eine Reihe von fluorhaltigen oberflächenmodifizierenden Polyurethan-Makromolekülen mit verbesserter Bioresistenz und Biokompatibilität.
Fluorierte Polymere sind im Allgemeinen hydrolytisch stabile Materialien, die als Beschichtungsmaterialien verwendet werden (18). Darüber hinaus weisen fluorierte Polymere gute Blutkompatibilitätscharakteristiken auf. Es wurde gezeigt, dass das Pfropfen einer Perfluordecansäure auf ein Polyurethan die Blutkompatibilität (19) verbessert. Diese Studie konzentrierte sich auf die Anwendung von Modifikationstechniken für Polyurethane, die Fluorpolymersegmente enthalten. Die makromolekularen Zusatzstoffe wurden in das Basispolyurethan eingeführt, um die Oberflächenchemie zu verändern, ohne dabei den Haupteigenschaften des Basispolyurethans zu schaden.
Es gibt allerdings noch immer Bedarf an Materialien zur Verwendung in der Herstellung von Artikeln mit akzeptablen Oberflächeneigenschaften, insbesondere medizinische Implantatvorrichtungen, die verbesserte mechanische Eigenschaften, Blutkompatibilität und Langzeitbiostabilität erfordern.
VERÖFFENTLICHUNGEN
Hierin wird auf die folgenden Quellen Bezug genommen.

1. Pourdeyhimi, B.; Wagner, D., J. Biomed. Mater. Res. 1986, 20, 375
2. Hayashi, K., Biomaterials, 1986, 6, 82
3. Lelah, M. D.; Cooper, S. L., "Polyurethanes in Medicine", CRC Press: Boca Raton, FL, 1986.
4. Coleman D. L.; Meuxelaar, H. L. C.; Kessler, T. R.; McIennan. W. H.; Richards, J. M.; Gregonis, D. E., J. Biomed. Mater. Res. 1986, 20, 417
5. Stokes, K.; Cobian, D., Biomaterials, 1982, 3, 225
6. Szycher, M., J. Biomat. Appl., 1988, 3(2), 383
7. Coury, A. J.; Slaikeu, P. C.; Cabalan, P. T.; Stokes, K. B., Hobot, C. M., J. Biomat. Appl. 1988, 3(2), 130–179
8. Parins, D. J.; Black, K. M.; Mccoy, K. D., Horvath, N., "In Vivo Degradation of a Polyurethane", St. Paul, MN, Cardiac Pacemakers, Inc., CP14-511-281, 1981
9. Stokes, K.; Urbanski, P.; Upton, J., J. Biomater Sci. Polymer Ed., 1990, 1(3), 207
10. Shibuta, R.; Tanaka, M.; Sisido, M.; Imanishi, Y., J. Biomed. Mater. Res.; 1986, 20 971
11. Neumann, A. W.; Moscarello, M. A.; Zingg, W.; Hum; O. S.; Chang; S. K., J. Polym. Sci., Polym. Symp., 1979, 66, 391
12. Herring, M.; Baughman, S.; Kesler, K., Surgery, 1984, 96, 745
13. Ueda, T.; Watanabe, A.; Ishihara, K.; Nakabayashi, N., J. Biomater. Sci. Polymer Edn., 1991, 3(2), 185
14. Hall, B.; Bird, R. R.; Kojima, M.; Chapman, D., Biomaterials, 1989, 10, 445
15. Ward, R. S.; White, K. A.; Hu, C. B.; Polyurethanes in Biomedical Engineering, 1984, 181
16. Society for Biomaterials – 20th Annual Meeting, 5.–9. April, 1994, Boston, MA., U.S.A.; und darin genannte Quellen
17. Tang, Y.-W., Santerre, J. P., Labow, R. S., Waghray, G., Taylor, D. The Use of Surface Modifying Macromolecules to Inhibit Biodegradation of Segmented Polyurethanes. 20th Annual Meeting of the Society for Biomaterials, Boston, Massachusetts, U.S.A., Seite 62 (1994).
18. Ito Y.; Iwata, K.; Kang, I. K.; Imanishi, Y., "Synthesis, Blood Compatibility and Gas Permeability of Copolypeptides Containing Fluoroalkyl Side Groups", Int. J. Biol. Macromol., 1988, 10, 201–208
19. Han, P. K.; Yong, S. Y., Kim, Y. H.; Min, B. G., "Surface Characteristics and Blood Compatibility of Polyurethanes Grafted by Perfluoroalkyl Chains", J. Biomater. Sci. Polym. Ed.; 1992, 3(3), 229–241
20. Budavari, S.; O'Neil, M. J.; Smith, A.; Keckelman, P. E., Eds., "The Merck Index: An Encyclopedia of Chemicals, Drugs and Biological", Merk% Col, Inc., Rahway, NJ, U.S.A. 1989

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Polymerzusammensetzung aus oberflächenmodifizierenden Fluoralkylmakromolekülen in Beimischung mit einem kompatiblen Basiselastomer bereitzustellen, um einem Artikel bessere Oberflächeneigenschaften zu verleihen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Polymerzusammensetzungen aus oberflächenmodifizierenden Fluoralkylmakromolekülen in Beimischung mit einem Basispolyurethanelastomer zur Verwendung als medizinische Implantatvorrichtungen mit verbesserter Stabilität und akzeptabler Blutkompatibilität bereitzustellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, die genannten Artikel, insbesondere die genannten medizinischen Implantatvorrichtungen, bereitzustellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, neuartige oberflächenmodifizierende Fluoralkylmakromoleküle zur Verwendung in den genannten Polymerzusammensetzungen bereitzustellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, Fluoralkohole zur Verwendung bei der Herstellung der genannten oberflächenmodifizierenden Fluoralkylmakromoleküle bereitzustellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, Verfahren zur Herstellung der genannten oberflächenmodifizierenden Fluoralkylmakromoleküle bereitzustellen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird demzufolge Folgendes bereitgestellt: ein Formartikel aus einem Basispolymer in Beimischung mit einem oberflächenmodifizierenden Makromolekül mit einem nicht kettenverlängerten zentralen Teil eines segmentierten Blockcopolymers mit einer relativen Molekülmasse von weniger als 5.000 und nicht mehr als 10 monomeren Einheiten einer Strukturformel ABAB, der dadurch erhalten wird, dass ein Diisocyanat mit einer Verbindung reagiert wird, die ausgewählt ist aus einem Polyalkylenoxidpolyol, einem Polycarbonatpolyol, einem Polyesterpolyol und einem Lactonpolyol, und α-ω-endständigen Perfluoralkyloligomergruppen, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Radikalen der allgemeinen Formel CF₃(CF₂)_pCH₂ – wobei p 5–9 ist, und CF₃(CF₂)_m(CH₂CH₂O)_n, wobei n 1–10 und m 1–20 ist.
Das amphipathische oberflächenmodifizierende Makromolekül wird in dieser Spezifikation gelegentlich als "SMM" bezeichnet.
Zu Beispielen für typische Basispolymere zur Verwendung in Beimischung mit dem zuvor genannten SMM gemäß der Erfindung gehören Polyurethane, Polysulfone, Polycarbonate, Polyester, Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol, Poly(acrylonitrilbutadienstyrol), Polybutadien, Polyisopren, Styrolbutadienstyrol-Blockcopolymere, Styrol-Isoprenstyrol-Blockcopolymere, Poly-4-methylpenten, Polyisobutylen, Polymethyl-Methacrylat, Polyvinylacetat, Polyacrylonitril, Polyvinylchlorid, Polyethylenterephthalat, Cellulose und ihre Ester und Derivate. Zu bevorzugten segmentierten Polymeren gehören Polyurethane, Polyester, Polyether, Polyether-Polyamide und Polyamide.
Die erfindungsgemäße Gemischzusammensetzung kann als ein Oberflächenüberzug für einen Artikel verwendet werden, oder, wenn die Zusammensetzung ein Basispolymer eines Typs umfasst, der zu einem trägerlosen Strukturkörper, Film geformt oder als eine Faser gewebt oder gewirkt werden kann, am bevorzugtesten als eine Oberfläche des Artikels oder als der ganze oder ein Teil des Artikel(s), vorzugsweise eine biomedizinische Vorrichtung oder Komponente davon.
Gemäß einem bevorzugten Aspekt stellt die Erfindung eine Zusammensetzung bereit, die in Beimischung ein Polyurethanelastomer und ein kompatibles oberflächenmodifizierendes Makromolekül in einer oberflächenmodifizierenden verbessernden Menge umfasst, wobei das genannte Polyurethanelastomer eine relative Molekülmasse von wenigstens dem 1,5fachen der relativen Molekülmasse des genannten SMM hat.
In der vorliegenden Spezifikation ist:
SMM – oberflächenmodifizierendes Makromolekül
MDI – Methylendiphenyldiisocyanat
HDI – 1,6-Hexandiisocyanat
PPO – Polypropylenoxiddiol
TDI – 2,4-Toluoldiisocyanat
PCL – Polycaprolactondiol
ED – Ethylendiamin
PTMO – Polytetrametylenoxiddiol
BA:
Ba-L (tiefsiedende Fraktion)
BA-L (intermediär siedende Fraktion) und
BA-L (hochsiedende Fraktion)
Folglich beschreibt die vorliegende Erfindung gemäß einem Aspekt eine Familie neuartiger amphipathischer, oberflächenmodifizierender Makromoleküle mit fluorierten Schwänzen an den Enden der Polymerkette. Das Zentrum der SMM-Kette wird maßgeschneidert, damit es mit dem Basispolymersubstrat, zu dem das SMM gegeben wird, kompatibel ist.
Die erfindungsgemäßen SMM werden so synthetisiert, dass sie ein basispolymerkompatibles Segment und endständige hydrophobe Fluorkomponenten enthalten, die mit dem Basispolymer nicht kompatibel sind. Das kompatible Segment des SMM wird so ausgewählt, dass es auf ein Vermischen hin einen Anker für das SMM innerhalb des Basispolymersubstrats bereitstellt. Ohne uns durch die Theorie zu binden, gehen wir davon aus, dass die Fluorschwänze zum Teil dafür verantwortlich sind, das SMM an die Oberfläche des Gemischs zu tragen, wobei die chemikalienbeständigen Fluorschwänze von der Oberfläche exponiert sind. Man ist der Ansicht, dass das letztere Verfahren von der thermodynamischen Inkompatibilität der Fluorschwänze mit dem Polymerbasissubstrat sowie der Tendenz in Richtung des Aufbaus einer niedrigen Oberflächenenergie an der Oberfläche des Gemischs angetrieben wird. Wird eine Ausgewogenheit zwischen Verankerung und Oberflächenmigration erreicht, dann bleibt das SMM an der Oberfläche des Polymers stabil, während gleichzeitig die Oberflächeneigenschaften verändert werden. Die Nützlichkeit der erfindungsgemäßen Zusatzstoffe im Vergleich zu anderen bekannten makromolekularen Zusatzstoffen liegt in 1) der molekularen Anordnung der amphipathischen Segmente in der SMM-Kette, d. h. zwei α-ω-Fluorschwänze, einer an jedem Ende, wobei das polare Segment dazwischen angeordnet ist; 2) der relativen Molekülmasse der Fluorschwänze relativ zu der des zentralen Segments; und 3) der Fähigkeit der Materialien, einen biologischen Abbau des Basispolymers zu inhibieren, wenn die Fluorsegmente an der Grenzfläche stabilisiert werden, wodurch eine bessere Blutkompatibilität und Biostabilität der Basispolymere erreicht wird. Diese letztere Verbesserung wurde bisher bei keiner anderen Familie des amphipathischen Polymertyps von oberflächenmodifizierenden Makromolekülen erreicht und/oder demonstriert.
Die erfindungsgemäßen oberflächenmodifizierenden Makromoleküle verändern wesentlich die Oberflächenchemie von beispielsweise segmentierten Polyurethanen, d. h. die SMM migrieren zur Oberfläche des Polymergemischs und erzeugen eine neue hydrophobe Oberfläche. Die Vorrück- und Rückzugskontaktwinkel der nachfolgend beschriebenen Beispiele weisen wesentliche Zunahmen und Parallelwerte zu Kontaktwinkeln auf, die für reines Teflon^® erhalten werden (116° für Vorrückkontaktwinkel und 92° für Rückzugskontaktwinkel). Gleichzeitig verändern sich die thermischen Übergänge von Polyurethanbasispolymeren, die SMM enthalten, nicht mit der Zugabe von 5% SMM zu den Basispolyurethanen. Dies lässt darauf schließen, dass die Polyurethane den größten Teil der Struktur beibehalten, die ihre elastomere Beschaffenheit definiert, aber dennoch ähnliche Oberflächencharakteristiken wie Teflon^® haben. Diese neue Oberfläche hat viele der Merkmale von Perfluorkohlenstoffketten und ist daher in Bezug auf Oxydation und Hydrolyse wesentlich stabiler als viele Polyurethane. Ferner hat die Oberfläche schwache Fouling-Eigenschaften und schwache Benetzungscharakteristiken.
Die SMM können zum Beispiel mit linearen oder vernetzten Polyurethanmaterialien verwendet werden. Durch Maßschneidern der zentralen Segmentkomponenten des SMM kann die Erfindung unter anderem auf eine große Auswahl von Polymermaterialien angewendet werden, zu denen Polymere gehören, die mit Reagenzien synthetisiert werden, die auf dem Gebiet der Polyurethane allgemein bekannt sind. Dazu gehören die nachfolgend aufgeführten Diisocyanate, Weichsegmentkomponenten und Kettenextender:
Übliche Reagenzien für die Polyurethansynthese
Der Begriff "Weichsegmente" bezieht sich auf Teile der zentralen Segmentkomponenten, die keine polaren Hartsegmente sind.
Die oben aufgelisteten Reagenzien sind zwar difunktionell mit Bezug auf ihre reaktiven Gruppen, doch es ist zu verstehen, dass sie auch tri- oder multifunktionell sein könnten. Es könnten entweder verzweigte oder vernetzte Polyurethane erzeugt werden. Die aufgeführten Weichsegment-Vorläuferkomponenten und andere mit ähnlicher Funktion können entweder Hydroxyl-, Carbonsäure- oder aminreaktive, chemische Funktionsgruppen für die Isocyanate enthalten.
Es gibt keine Beschränkungen hinsichtlich der spezifischen Stöchiometrie der Reagenzien, die in der Synthese des SMM verwendet werden, der Art und Weise, in der sie einander zugegeben werden, der Temperatur, des Drucks oder der Atmosphäre, unter der/dem sie synthetisiert werden, oder der Verwendung von Katalysatoren in ihrer Reaktion. Die relative Molekülmasse des Weichsegments der zentralen Komponente liegt jedoch typischerweise zwischen 200 und 5000. Es ist nicht erwünscht, einen SMM-Zusatzstoff simultan mit dem Basispolymer zu synthetisieren, mit dem er vermischt wird, da die Synthese des SMM-Zusatzstoffes gegenüber Reaktionsbedingungen empfindlich ist. Der SMM-Zusatzstoff kann jedoch dem synthetisierten Basispolymer unmittelbar nach dessen Synthese zugegeben werden, und zwar in einer solchen Weise, dass die SMM-Zusatzstoffe im Basispolymersubstrat vor der endgültigen Aufarbeitung des Polymersubstrats aufgenommen werden.
Zur Veranschaulichung der Verwendung der SMM-Zusatzstoffe mit gewöhnlichen Polyurethanen als Basispolymer und zur Beschreibung der Gründe für die Auswahl der SMM-Kandidaten wurden zwei Polyurethane von der zuvor angegebenen Liste von Reagenzien synthetisiert. Ein Material ist ein Polyesterharnstoffurethan (mit der Bezeichnung TDI/PCL/ED), das mit 2,4-Toluoldiisocyanat (TDI), Polycaprolacton (PCL, rel. Molekülmasse 1000) und Ethylendiamin (ED) synthetisiert wird. Das andere Material ist ein Polyetherharnstoffurethan (TDI/PTMO/ED), das mit TDI, ED und Polytetramethylenoxid (PTMO, rel. Molekülmasse 1000) synthetisiert wird. Beide Polyurethane haben einen Reagenziengewichtsgehalt, der in der Weichsegmentkomponente höher ist als in der aromatischen Diisocyanatkomponente. Das Weichsegment beider Polyurethane neigt zum Kristallisieren und sowohl die Carbonylsegmente von PCL als auch die Ethersegmente von PTMO neigen zur Bildung von Wasserstoffbindungsnetzwerken mit den Urethan- und Harnstoffgruppen. Der kristalline Charakter und der Wasserstoffbindungsgrad werden in den meisten Fällen beim TDI/PCL/ED-Material stärker ausfallen. Folglich sollten die in der Synthese eines SMM für diese speziellen Materialien verwendeten Reagenzien und die Stöchiometrie Wasserstoffbindungsinteraktionen mit Basispolyurethanen begünstigen, um das SMM in dem vermischten Material über längere Zeiträume effektiv zu stabilisieren. Die Auswahl eines PTMO-gestützten Weichsegments für das SMM begünstigt wahrscheinlich eine Langzeitstabilität des SMM gegenüber einem Molekül wie Polypropylenoxid, da dessen Seitenketten-Methylgruppe das Molekül am Kristallisieren hindert und seine Fähigkeit, wirksam Wasserstoffrücken mit Harnstoff- und Urethangruppen zu bilden, verringert. Andererseits wird die Migration eines PTMO-gestützten SMM stärker gehemmt als die eines entsprechend großen SMM, das mit PPO synthetisiert wurde, da Letzteres geringere Wechselwirkungskräfte mit beiden Basispolymeren haben wird. Aus diesem Grund ist eine Kontrolle der relativen Molekülmasse in der Synthese eines effektiven SMM für seine Fähigkeit, die Oberflächenchemie der Polyurethansubstrate zu modifizieren, sehr erwünscht.
Allgemeine Synthese eines SMM
SMM können mit einem multifunktionellen Isocyanat, einem damit reaktiven multifunktionellen Weichsegmentvorläufer und einem monofunktionellen Polyfluoralkohol synthetisiert werden. Das Isocyanat ist vorzugsweise difunktionell, jedoch nicht darauf beschränkt, um die Bildung eines linearen SMM zu begünstigen. Lineare SMM haben im Gegensatz zu verzweigten oder vernetzten SMM bessere Migrationseigenschaften innerhalb des Polyurethansubstrats. Ein bevorzugtes Diisocyanat für biomedizinische Anwendungen ist 1,6-Hexandiisocyanat. Das Weichsegmentvorläufermolekül ist vorzugsweise difunktionell, jedoch nicht darauf beschränkt, um die Bildung eines linearen SMM zu begünstigen. Wieder begünstigt die Linearität die Migrationseigenschaften innerhalb des Basispolymersubstrats. Zu Beispielen für typische Weichsegmentvorläufer gehören Polypropylenoxidpolyole mit einer relativen Molekülmasse von 1000 und Polytetramethylenoxiddiole mit einer relativen Molekülmasse von 1000. SMM werden mit einem einleitenden Vorpolymerverfahren synthetisiert, das dem für Polyurethane angewendeten klassischen ähnlich ist. Der nachfolgende Schritt unterscheidet sich jedoch darin, dass keine Kettenverlängerung durchgeführt wird. Es wird eher ein monofunktioneller oligomerer, fluorierter Alkohol zum Abschließen des Vorpolymers verwendet, als das Vorpolymer kettenzuverlängern. Der fluorierte Alkohol hat vorzugsweise einen einzelnen Fluorschwanz, ist auf dieses Merkmal jedoch nicht beschränkt. Ein allgemeine Formel für den oligomeren Fluoralkohol zur Verwendung in der Erfindung lautet H-(OCH₂CH₂)_n-(CF₂)_m-CF₃, wobei n zwischen 1 und 10 liegen kann, vorzugsweise jedoch zwischen 1 und 4 liegt, und m zwischen 1 und 20 liegen kann, vorzugsweise jedoch zwischen 2 und 12 liegt. Eine allgemeine Richtlinie für die Auswahl von "n" relativ zu "m" ist, dass "m" gleich oder größer als "2n" sein sollte, um die Wahrscheinlichkeit zu minimieren, dass das (OCH₂CH₂)_n-Segment nach der Einwirkung von Wasser (CF₂)_m-CF₃ von der Oberfläche verdrängt, da Ersteres hydrophiler als der Fluorschwanz ist und mit dem Fluorschwanz um die Oberfläche konkurriert. Ohne uns durch die Theorie zu binden, gehen wir davon aus, dass die Anwesenheit des (OCH2CH2)n-Segments für die Funktion des SMM wichtig ist, da es ein hochmobiles Spacer-Segment zwischen dem Fluorschwanz und dem Substrat bereitstellt. Dies ist wichtig, um die Fluoroberfläche zum Beispiel einem wässrigen Medium wirksam auszusetzen. Zu Beispielen für typische oligomere Fluoralkohole gehören verschiedene Fraktionen von BA-L, BA-N, FSO-100 und FSN-100 (Marken – erhältlich von DuPont de Nemours, Wilmington, Delaware).
SMM können mit unterschiedlichen Komponenten und unterschiedlicher Stöchiometrie synthetisiert werden. Vor der Synthese wird das Isocyanat vorzugsweise vakuumdestilliert, um Restfeuchtigkeit zu beseitigen. Weichsegmentvorläufer werden über Nacht entgast, um Restfeuchtigkeit und organische Verbindungen von geringer relativer Molekülmasse zu beseitigen. In einem Beispiel, bei dem BA-L als Fluoralkohol verwendet wird, wird dieses Reagens in drei Fraktionen fraktioniert, um die Verbreitung von Molekülen mit verschiedenen "m"-Werten zu reduzieren. Dadurch wird die selektive Reaktion eines Fluoralkohols mit einem speziellen "m"-Wert gegenüber einem anderen reduziert. Die BA-L-Fraktionen wurden gekennzeichnet als (i) eine erste Fraktion, hierin als BA-L (tief) bezeichnet, die eine klare, bei 102°C und atmosphärischem Druck destillierte Flüssigkeit ist; (ii) eine zweite Fraktion, die als BA-L (intermediär) bezeichnet wird, die ein weißes, zwischen 70 und 80°C unter einem Unterdruck von 0,01 mm Hg destilliertes halbfestes Material ist; und (iii) eine dritte Fraktion, die als BA-L (hoch) bezeichnet und zwischen 80 und 100°C unter einem Unterdruck von 0,01 mm Hg als sehr hellgelber Feststoff destilliert wird. Die Selektion dieser Fraktionen geschieht ein wenig willkürlich, und der fachkundigen Person wird es offensichtlich sein, dass verschiedene Fraktionen zur Veränderung der Beschaffenheit des SMM ausgewählt werden können, um das Material für bestimmte Anwendungsbereiche mit Basispolymeren maßzuschneidern.
Die Reaktanten können zwar in Abwesenheit von Lösungsmitteln zur Reaktion gebracht werden, aber es wird bevorzugt, organische Lösungsmittel zu verwenden, die mit der chemischen Beschaffenheit der Reagenzien kompatibel sind, um eine gute Kontrolle über die Charakteristiken des Endproduktes zu haben. Zu typischen organischen Lösungsmitteln gehören Dimethylacetamid, Aceton, Tetrahydrofuran und Dimethylsulfoxid. Ein bevorzugtes Reaktionslösungsmittel ist N,N-Dimethylacetamid (DMAC, Aldrich Chemical Company, Milwaukee, WI). Angesichts der schwachen Reaktionsaktivität einiger Diisocyanate, z. B. HDI, mit Weichsegmentvorläuferdiolen, wird für die Synthese ein Katalysator bevorzugt. Typische Katalysatoren ähneln den in der Synthese von Polyurethanen verwendeten und umfassen Dibutylzinndilaurat, Zinn(II)-Octoat, N,N-Diethylcyclohexylamin, N-Methylmorpholin, Tetramethylbutandiamin und 1,4-Diazo-(2,2,2)bicyclooctan.
Im ersten Schritt der Herstellung eines SMM wird das Isocyanat zum Beispiel zur Weichsegmentkomponente und bei Bedarf zu einem Katalysator gegeben, um ein Vorpolymer zu erzeugen. Anschließend wird der Fluoralkohol zum Vorpolymer gegeben und das Gemisch im Allgemeinen über Nacht reagieren gelassen. Das SMM-Polymer wird in destilliertem Wasser präzipitiert, gewaschen, um restlichen Fluoralkohol zu entfernen und getrocknet.
Beispiele und Herstellung von Produkten
Die SMM können zur Verwendung mit Basispolymeren in der gleichen Weise bearbeitet und behandelt werden, wie die Polymere per se in der Herstellung von Artikelprodukten behandelt werden können. Das SMM kann zum Beispiel mit Polyurethanbasispolymer vermischt werden durch (1) Mischverfahren für ein anschließendes Strangpressen oder Spritzgießen von Artikeln; 2) gemeinsames Auflösen von Polyurethan und SMM in einem Lösungsmittel allgemeiner Kompatibilität für das anschließende Gießen eines Artikels in eine Form oder für das Spinnen von Fasern zur Herstellung eines Artikels; oder (3) Benetzen der Oberfläche eines Polyurethans mit einer Lösung aus SMM in einem Lösungsmittel allgemeiner Kompatibilität mit dem Polyurethan, auf das die SMM-Lösung aufgebracht wird.
Die Erfindung stellt somit gemäß einem Aspekt eine Reihe von fluorhaltigen, oligomeren, oberflächenmodifizierenden Makromolekülen bereit. Wenn sie zum Beispiel in Beimischung mit einem Polyurethan verwendet werden, dann inhibieren die SMM den Polyurethanabbau durch Enzymwirkung. Die SMM sind Copolymere oder Terpolymere mit der Fähigkeit, die Oberflächenchemie und somit die Oberflächeneigenschaften eines Polymers zu verändern, und werden in einer solchen Weise synthetisiert, dass sie (i) vorzugsweise eine geringere relative Molekülmasse haben als das Basismaterial, d. h. das Polymer, das vor biologischem Abbau geschützt werden muss, und (ii) ein oberflächenaktives Segment enthalten, das α-ω-endständige Polyfluorgruppen enthält.
Die Oberfläche von Produkten, wie medizinische Vorrichtungen, die aus der erfindungsgemäßen Gemischzusammensetzung gebildet werden, wird infolge der selektiven Migration und Grenzflächenlokalisierung des Oligomermakromoleküls von geringer relativer Molekülmasse, das Kohlenstoff/Fluorsegmente und Nicht-Kohlenstoff/Fluorsegmente im gleichen Molekül enthält, modifiziert, so dass die Kohlenstoff/Fluorsegmente in dem Makromolekül endständig sind und sich selektiv an der Material/Umgebungsgrenzfläche aufhalten, während die Nicht-Kohlenstoff/Fluorsegmente von der endständigen Position des Makromoleküls entfernt sind und sich innerhalb der Oberfläche des Produkts aufhalten.
SMM enthalten folglich vorzugsweise als α-ω-endständige Gruppen Fluorpolymersegmente, die eine sequentielle Gruppe von Kohlenstoffatomen umfassen, die Fluoratome enthalten und eine Oligomerkette darstellen. Bevorzugte perfluorierte Alkohole zur Verwendung in der Praxis der Erfindung sind solche der allgemeinen Formel CF₃(CF₂)_nCH₂CH₂OH mit einer linearen Alkylkette, in der n 5–9 ist, wobei C₈F₁₇CH₂CH₂OH am meisten bevorzugt wird. Diese Monomere sind im Handel unter dem Markennamen ZONYL (du Pont de Nemours, Wilmington, Delaware, USA) als homologe Gemische mit verschiedenen Fluoralkankettenlängen erhältlich. Ein solches bevorzugtes Gemisch, das unter der Bezeichnung BA-L erhältlich ist, hat eine durchschnittliche relative Molekülmasse von 443; einen Fluorgehalt von 70%; eine S. G. von 1,5 bei 30°C; einen Verdickungspunkt < 25°C und einen Siedebereich von 102–175°C bei 50 mm Hg.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSGESTALTUNGEN
Damit die Erfindung besser nachvollzogen werden kann, werden nachfolgend bevorzugte Ausgestaltungen nur beispielhaft erläutert.
SMM wurden unter Verwendung klassischer Zweistufen-Vorpolymer- und Endcapping-Reaktionen synthetisiert.
Basispolymere wurden zum Beispiel mit Polycaprolactondiol (rel. Molekülmasse = 1250) und 2,4-Toluoldiisocyanat (TDI) synthetisiert, um Polyurethan-Vorpolymere zu erzeugen, mit Ethylendiamin als Kettenextender. Fluorierte SMM wurden mit HDI (1,6-Hexamethylendiisocyanat), entweder PPO, PCL oder PTMO, und einem fluorierten Alkohol synthetisiert. Diese Materialien wurden anschließend mit dem Basispolyurethan in verschiedenen Konzentrationen kombiniert, um die endgültigen Testmaterialien zu gewinnen. Die relative Molekülmasse des Basispolyurethans und des SMM wurde anhand einer Gelpermeationschromatographie (GPC) bestimmt. Die Oberflächenkonzentration der Elemente in den präparierten Materialien wurde mit Röntgenfotoelektronenspektroskopie (XPS) erhalten. Die Elementkonzentration der SMM-Materialien und des Basispolymers wurde durch analytische Techniken in den Guelph Chemical Laboratories erhalten. Die Oberflächenbenetzbarkeit wurde durch Kontaktwinkelmessungen beurteilt. Die Mikrostruktur der Materialien wurde anhand einer Differentialscanningkalorimetrie (DSC) untersucht.
Basispolyurethane für Enzymabbautests wurden mit radioaktiv markiertem ¹⁴ED oder ¹⁴TDI synthetisiert, um Materialien mit einem empfindlichen Abbaumarker bereitzustellen. Biodegradationsexperimente fanden mit polymerbeschichteten Röhrchen statt, die in Puffer (0,05 M Natriumphosphat, pH 7) und Cholesterolesterase (CE) bei 37°C in sterilen Vacutainern inkubiert wurden. Es wurden Polyurethanmaterialien mit und ohne SMM beurteilt, und Proben der Lösungen wurden für eine radioaktive Messung in definierten Intervallen genommen. Frische Lösung wurde zugegeben, um die Enzymaktivität beizubehalten und Experimente fanden im Triplikat statt.
Die polystyroläquivalente relative Molekülmasse der Basispolyurethane lag bei etwa 1 × 10⁵, während die der SMM zwischen 1,0 und 5,0 × 10⁴ lag. Die Charakteristiken einiger SMM werden nachfolgend beschrieben.
Anhand der Beschreibung der einzelnen SMM werden die flexiblen Eigenschaften der verschiedenen SMM deutlich. Es ist genau diese Flexibilität, die es ermöglicht, dass die Makromoleküle auf ihre jeweiligen Basispolymere abgestimmt werden können. Eine Analyse der Oberflächenchemie des Basispolymers nach der Modifikation mit SMM (auf eine Konzentration von 5 Gew.-%) hat ergeben, dass der Oberflächengehalt von Fluor auf bis zu 66 Atom-% erhöht werden könnte. Dies deutet auf die selektive Migration der SMM zur Oberfläche hin.
1. Beispiel
HDI-PPO212L (SMM) und Gemische mit TDI/PCCL/ED (Polyurethanbasispolymer)
Dies ist ein Beispiel für ein SMM mit einem sehr hohen Fluorgehalt, einer hohen Ordnungsstruktur, einer selektiven Migration zur Oberfläche von Polyurethanen, das die Hydrolysebeständigkeit eines Polyesterurethans verbessert und mit PPO-Diol mit einer relativen Molekülmasse von 1000, 1,6-Hexamethylendiisocyanat (HDI) und der tiefsiedenden Fraktion des Fluoralkohols (BA-L) synthetisiert wurde. Dieses SMM wird im gesamten Text als HDI-PPO-212L bezeichnet. Die Synthesebedingungen für diese Reaktion waren wie folgt. 10 Gramm PPO wurden mit 3,36 Gramm HDI zwei Stunden lang reagiert; anschließend wurden 5 Gramm BA-L (tiefsiedende Fraktion) zur Reaktion gegeben. Das Gemisch wurde mit 42,5 mg des Katalysators Dibutylzinndilaurat in 130 ml Dimethylacetamid (DMAc) zur Reaktion gebracht, und die Reaktionstemperatur für den Vorpolymerschritt wurde zwischen 60 und 70°C gehalten. Die polystyroläquivalente gewichtsgemittelte Molekülmasse betrug 1,6 +/– 2 × 10⁴ und sein Fluorgesamtgehalt lag bei 18,87 +/– 2,38 Gew.-%. Diese SMM-Formulierung brachte einen Zusatzstoff mit charakteristischen Strukturmerkmalen hervor, die die physikalische Stabilität des Materials an der Oberfläche eines Elastomers, das an ein wässriges Medium angrenzt, verbessert. Diese charakteristische Struktur wird durch zweithermische Übergänge (Tg) höherer Ordnung bei etwa 14°C und 85°C definiert. Diese thermischen Übergänge sind mit einer Differentialscanningkalorimetrie nachweisbar und nicht mit dem PPO-Segment des SMM assoziiert, da dieses durch die Tg-Temperatur von HDI-PPO212-L definiert ist, d. h. –53°C bis –47°C.
Nach dem Vermischen von HDI-PPO-212L mit dem Polyesterurethan (TDI/PCL/ED) wurde beobachtet, dass dieser Zusatzstoff zur Oberfläche migrierte. Hinweise darauf werden anhand von Röntgenfotoelektronenspektroskopiedaten in Tabelle 1 gegeben. Die Zugabe von 1 Gew.-% SMM zu TDI/PCL/ED bringt eine Oberfläche hervor, deren oberen 10 nm mit Fluor gesättigt sind. Eine 1 Gew.-% Probe von HDI-PPO212L in TDI/PCI/ED hat einen Fluorgesamtgehalt von etwa 0,19 Gew.-%. Gemäß Tabelle 1 befinden sich innerhalb der oberen 2 nm (15° Abnahmewinkel) wenigstens 54 Atom-% (65 Gew.-%) Fluor. Dies repräsentiert eine 340fache Zunahme der Fluorkonzentration an der Oberfläche. Selbst bei einer Tiefe von 10 nm (90° (I) Abnahmewinkel) sind noch immer 47 Atom-% Fluor vorhanden. Die tatsächlichen Zahlen sind wahrscheinlich noch höher, da es wohl bekannt ist, dass die in der XPS-Technik verwendeten Röntgenstrahlen die Fluorkohlenwasserstoffe im Laufe der Probenanalyse abbauen können. Durch die Zugabe von 5% SMM wird der Fluorgehalt an der Oberfläche im Vergleich zu 1% SMM nicht wesentlich verändert, was darauf schließen lässt, dass die Migration von SMM-Molekülen zur Oberfläche bei einer SMM-Konzentration von 1% so effektiv ist wie bei einem Material, das 5 Gew.-% HDI-PPO212L enthält.
1. Tabelle: XPS-Daten für HDI-PPO212L in TDI/PCL/ED
Während die XPS-Daten den Migrationseffekt darstellen, deuten die Differentialscanningkalorimetriedaten darauf hin, dass die Hauptstruktur des Polyesterurethans durch die Anwesenheit des HDI-PPO212L-Moleküls unverändert bleibt, da die Glasübergangstemperatur (Tg) für TDI/PCL/ED mit dem SMM (5%) innerhalb des Temperaturbereichs von –47°C bis –36°C bleibt, den auch das reine TDI/PCL/ED hat. Dies ist ferner ein Hinweis darauf, dass sich die Mehrheit von SMM-Ketten an der Oberfläche des Polymers und nicht in der Hauptphase befinden, als Weichmacher wirken und den Tg-Wert reduzieren. Die physikalische Stabilität des SMM an der Grenzfläche des TDI/PCL/ED-Materials wird nach der Einwirkung von Wasser durch den Hysteresegrad in den Wasser/Luft-Kontaktwinkeldaten in Tabelle 2 dargestellt. In allen Fällen sind die Hysteresewerte von Proben mit dem SMM besser als die des ursprünglichen Polymers oder diesen ähnlich. Dies ist ein Hinweis darauf, dass die Zunahme an hydrophobem Charakter, die sich aus der Anwesenheit der Fluorschwänze des SMM ergibt, nicht vollständig durch den polaren Charakter der Harnstoff- und Urethanchemie verdrängt wird, der die Mittelsektion der HDI-PPO212L-(SM)-Kette und die Hartsegmentkomponenten des Polyesterurethans definiert. Die hydrophobe Natur des Polyesterurethans wird wesentlich verstärkt, wie anhand der Zunahme der Vorrück- und Rückzugskontaktwinkelwerte für alle SMM-Konzentrationen dargestellt wird.
2. Tabelle: Wasser/Luft-Kontaktwinkeldaten für HDI-PPO212L in TDI/PCL/ED
Es wurde geprüft, inwieweit die Anwesenheit von HDI-PPO212L an der Oberfläche des Polyesterurethans die Hydrolyse des Polymers durch das Enzym Cholesterolesterase inhibieren kann, wodurch teilweise das Bioumfeld der chronischen Langzeitreaktion auf den Verteidungsmechanismus des Körpers gegen Fremdkörper, wie implantierte medizinische Vorrichtungen, reflektiert wird. Durch die Zugabe von 1% HDI-PPO212L zu TDI/PCL/ED wird der Polyesterurethanabbau über einen Zeitraum von 360 Stunden um 40% reduziert, wohingegen die Zugabe von 5% einen Abbau um etwa 45% reduziert. Die Biostabilität des SMM in TDI/PCL/ED, die anhand der Menge radioaktiv markierter SMM gemessen wird, die in Anwesenheit des Enzyms mit der Zeit freigesetzt werden, war ausgezeichnet. Nach einer siebenwöchigen Inkubation mit dem Enzym trat im Vergleich zu Pufferkontrollen kein wesentlicher SMM-Abbau auf.
2. Beispiel
Anhand des nächsten Beispiels wird gezeigt, dass ein SMM, das zur Hemmung eines hydrolytischen Abbaus eines Polyurethans mit einer bestimmten Chemie optimiert ist, möglicherweise nicht die gleiche Leistung bei der Hemmung des hydrolytischen Abbaus eines anderen Polyurethans mit geringfügig anderer Chemie bringt. In diesem Fall wurde die Ester- (d. h. PCL-) Weichsegmentkomponente des Polyurethans, TDI/PCL/ED, durch eine Etherkomponente substituiert, nämlich Polytetramethylenoxid (PTMO). Nach dem Vermischen von HDI-PPO-212L mit dem Polyetherurethan (TDI/PTMO/ED) wurde beobachtet, dass der Zusatzstoff zur Oberfläche migrierte. Hinweise darauf wurden anhand der Kontaktwinkeldaten (s. Tabelle 2) erhalten, denen zufolge die hydrophobe Natur des Polyetherurethans wesentlich verstärkt war und eine ähnliche Größenordnung wie das modifizierte Polyesterurethanmaterial hatte (s. Tabelle 1).
Tabelle 2.1: Wasser/Luft-Kontaktwinkeldaten für HDI-PPO212L in TDI/PTMO/ED
Es wurde geprüft, inwieweit die Anwesenheit von HDI-PPO212L an der Oberfläche des Polyetherurethans die Hydrolyse des Polymers durch das Enzym Cholesterolesterase inhibieren kann, wodurch teilweise das Bioumfeld der chronischen Langzeitreaktion auf den Verteidigungsmechanismus des Körpers gegen Fremdkörper, wie implantierte medizinische Vorrichtungen, reflektiert wird. Durch die Zugabe von 5% HDI-PPO212L zu TDI/PTMO/ED wurde die Freisetzung von Abbauprodukten von diesem Polymer nach 4 Wochen nicht wesentlich inhibiert oder erhöht. Jenseits des 4-Wochen-Zeitraums wurde jedoch eine wesentliche Abbauinhibition festgestellt, wobei die Differenz zwischen dem Abbauniveau für TDI/PTMO/ED und TDI/PTMO/ED mit SMM mit der Zeit zunahm.
Dies stützt die Annahme, dass die SMM einen Abbau langfristig inhibieren. Dies wurde nach einer Inkubationszeit von 80 Tagen bestätigt.
Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die Biostabilität dieses SMM in TDI/PTMO/ED nach einer vierwöchigen Inkubation mit Enzym in etwa halb so effektiv ist wie bei dem gleichen SMM, das in TDI/PCL/ED eingebaut ist (d. h. die Messwerte für radioaktiv markiertes SMM, das von TDI/PTMO/ED freigesetzt wurde, waren doppelt so hoch wie die für das radioaktiv markierte SMM, das in TDI/PCL/ED eingebaut wurde). Da HDIPPO212L zur Oberfläche von TDI/PTMO/ED migriert, aber nicht wie bei TDI/PCL/ED in der Lage ist, einen Abbau zu inhibieren, könnte die Vermutung nahegelegt werden, dass die chemische Beschaffenheit des SMM-Rückgrats bei der Lokalisierung des SMM exakt in der Nähe der oder an den Stellen der Enzymspaltung auf dem Polymer entscheidend ist.
3. Beispiel
HDI-PTMO212L und Gemische mit TDI/PCL/ED
Ein Beispiel für ein SMM, das einen sehr hohen Fluorgehalt, aber keine negativen Auswirkungen auf die hydrolytische Stabilität eines Polyesterurethans hat, wurde mit PTMO-Diol mit einer relativen Molekülmasse von 1000, 1,6-Hexamethylendiisocyanat (HDI) und einer tiefsiedenden Fraktion des Fluoralkohols (BA-L) synthetisiert. Dieses SMM wird im gesamten Text als HDI-PTMO-212L bezeichnet. Die Synthesebedingungen für diese Reaktion waren wie folgt. 10 Gramm PTMO wurden mit 3,36 Gramm HDI zwei Stunden lang reagiert; anschließend wurden 9 Gramm BA-L (tiefsiedende Fraktion) zur Reaktion gegeben. Das Gemisch wurde mit 60 μl des Katalysators Dibutylzinndilaurat in 70 ml Dimethylacetamid (DMAc) zur Reaktion gebracht, und die Reaktionstemperatur für den Vorpolymerschritt wurde zwischen 60 und 70°C gehalten. Die polystyroläquivalente gewichtsgemittelte Molekülmasse betrug 3,0 × 10⁴ und sein Fluorgesamtgehalt lag bei 7,98 Gew.-%.
Es wurde geprüft, inwieweit die Zugabe von HDI-PTMO212L zum Polyesturethan TDI/PCL/ED die Hydrolyse des Polymers durch das Enzym Cholesterolesterase inhibieren kann. Durch die Zugabe von 1 und 2,5% HDI-PTMO212L zu TDI/PCL/ED nahm der Polyesterurethanabbau um 80% (bei 2,5 Gew.-%) und 40% (bei 1 Gew.-%) über einen Zeitraum von 360 Stunden zu. Die Zunahme des biologischen Abbaus wurde einer Inkompatibilität zwischen SMM und Polyesterurethan zugeschrieben. Nach dem Gießen des Polymers mit HDI-PTMO212L war es sehr schwierig, Bedingungen zu erhalten, unter denen ein glatter, kontinuierlicher Film gebildet werden konnte.
4. Beispiel
HDI-PTMO212I und Gemische mit TDI/PCL/ED
Dieses Beispiel veranschaulicht die Bedeutung der Synthesereaktionskontrolle im Laufe der SMM-Bildung. Die bloße Zugabe eines Diisocyanats, oligomeren Diols und des fluorierten Alkohols reicht nicht aus, um ein SMM mit einer gewünschten relativen Molekülmasse und einem gewünschten Fluorgehalt zu erzeugen, um eine simultane Oberflächenmigration, Integration mit dem Basispolymer, Oberflächenstabilität und endgültige Biostabilität und Biokompatibilität zu erzielen. Die Verwendung des oligomeren Diols, PTMO, resultierte oft in Vorpolymerreaktionen, die gegenüber der Endcapping-Reaktion von BA-L bevorzugt wurden. Dies war besonders dann offensichtlich, wenn die Reaktantlösungsmittelvolumen gering waren. Dies tritt zum Teil infolge der höheren Reaktivität von HDI mit PTMO im Vergleich zu anderen Diolen wie PPO auf und ist vermutlich darin begründet, dass der hydrophobe Fluorschwanz Schwierigkeiten hat, die reaktiven Diisocyanatstellen innerhalb des Vorpolymers zu finden, wenn die Polarität des Vorpolymers stark ist (d. h. PTMO-Segmente tragen zu einem polareren Charakter bei als PPO-Segmente). HDI-PTMO212I wurde mit PTMO-Diol mit einer relativen Molekülmasse von 1000, 1,6-Hexamethylendiisocyanat (HDI) und der intermediär siedenden Fraktion des Fluoralkohols (BA-L) synthetisiert. Die Synthesebedingungen für diese Reaktion waren wie folgt. 5 Gramm PTMO wurden mit 1,68 Gramm HDI zwei Stunden lang reagiert und anschließend wurden 4,5 Gramm BA-L (intermediär siedende Fraktion) zur Reaktion gegeben. Das Gemisch wurde mit 40 μl des Katalysators Dibutylzinndilaurat in 60 ml Dimethylacetamid (DMAc) zur Reaktion gebracht, und die Reaktionstemperatur für den Vorpolymerschritt wurde zwischen 60 und 70°C gehalten. Die polystyroläquivalente gewichtsgemittelte Molekülmasse betrug 1,4 × 10⁵ und sein Fluorgesamtgehalt lag bei 0,10 Gew.-%.
Es wurde geprüft, inwieweit die Zugabe von HDI-PTMO212I zum Polyesterurethan TDI/PCL/ED die Hydrolyse des Polymers durch das Enzym Cholesterolesterase inhibieren kann. Durch die Zugabe von 1% HDI-PTMO212I zu TDI/PCL/ED nahm der Polyesterurethanabbau nicht wesentlich zu oder ab, durch die Zugabe von 2,5 und 5 Gew.-% zum Polyesterurethan nahm die Menge von Abbauprodukten, die in Anwesenheit von Enzym produziert wurden, jedoch wesentlich zu, und zwar um 33% über einen Zeitraum von 360 Stunden.
5. Beispiel
HDI-PTMO212H und Gemische mit TDI/PCL/ED
Ein weiteres Beispiel für den im 4. Beispiel beschriebenen Effekt wurde auch für HDI-PTMO212H beobachtet. HDI-PTM212H wurde mit PTMO-Diol mit einer relativen Molekülmasse von 1000, 1,6-Hexamethylendiisocyanat (HDI) und der hochsiedenden Fraktion des Fluoralkohols (BA-L) synthetisiert. Die Synthesebedingungen für diese Reaktion waren wie folgt. 5 Gramm PTMO wurden mit 1,68 Gramm HDI zwei Stunden lang reagiert und anschließend wurden 4,5 Gramm BA-L (hochsiedende Fraktion) zur Reaktion gegeben. Das Gemisch wurde mit 40 μl des Katalysators Dibutylzinndilaurat in 60 ml Dimethylacetamid (DMAc) zur Reaktion gebracht, und die Reaktionstemperatur für den Vorpolymerschritt wurde zwischen 60 und 70°C gehalten. Die polystyroläquivalente gewichtsgemittelte Molekülmasse betrug 9,7 × 10⁴ und sein Gesamtfluorgehalt lag bei 0,72 Gew.-%.
Es wurde geprüft, inwieweit die Zugabe von HDI-PTMO212H zum Polyesterurethan TDI/PCL/ED die Hydrolyse des Polymers durch das Enzym Cholesterolesterase inhibieren kann. Durch die Zugabe von 1 und 2,5% HDI-PTMO212H zu TDI/PCL/ED nahm der Polyesterurethanabbau über einen Zeitraum von 360 Stunden um etwa 12% (bei 1 Gew.-%) und 25% (bei 2,5 Gew.-%) zu.
6. Beispiel
HDI-PPO322I und Gemische mit TDI/PCL/ED
Ein weiteres PPO-gestütztes System neben dem 1. Beispiel, das eine bevorzugte Leistung erbringt, ist HDI-PPO322I. Dieses Material ist dem aus dem 1. Beispiel ähnlich, mit der Ausnahme, dass es mit einer anderen Reaktant-Stöchiometrie synthetisiert wurde und einen Fluoralkohol mit einer anderen Kettenlänge enthält. HDI-PPO322I wurde mit PPO-Diol mit einer relativen Molekülmasse von 1000, 1,6-Hexamethylendiisocyanat (HDI) und der intermediär siedenden Fraktion des Fluoralkohols (BA-L) synthetisiert. Die Synthesebedingungen für diese Reaktion waren wie folgt. 10 Gramm PPO wurden mit 2,52 Gramm HDI zwei Stunden lang reagiert und anschließend wurden 9 Gramm BA-L (intermediär siedende Fraktion) zur Reaktion gegeben. Das Gemisch wurde mit 42,5 mg des Katalysators Dibutylzinndilaurat in 130 ml Dimethylacetamid (DMAc) zur Reaktion gebracht, und die Reaktionstemperatur für den Vorpolymerschritt wurde zwischen 60 und 70°C gehalten. Die polystyroläquivalente gewichtsgemittelte Molekülmasse betrug 3,3 +/– 0,4 × 10⁴ und sein Fluorgesamtgehalt lag bei 9,37 +/– 1,70 Gew.-%. Im Gegensatz zu HDI-PPO212L brachte diese SMM-Formulierung einen Zusatzstoff hervor, der keine Strukturen höherer Ordnung zusätzlich zur Glasübergangstemperatur zwischen –54 und –48°C aufwies. Dieser thermische Übergang ist durch Differentialscanningkalorimetrie nachweisbar und mit dem PPO-Segment des SMM assoziiert.
Nach dem Vermischen von HDI-PPO-322I mit dem Polyesterurethan (TDI/PCL/ED) wurde beobachtet, dass dieser Zusatzstoff zur Oberfläche migrierte, wie anhand der Röntgenfotoelektronenspektroskopiedaten in Tabelle 3 dargestellt wird. Durch die Zugabe von 1 Gew.-% SMM zu TDI/PCL/ED wird eine Oberfläche erzeugt, deren obere 10 nm mit Fluor gesättigt sind. Eine 1 Gew.-% Probe von HDI-PPO322I in TDI/PCL/ED hat einen Fluorgesamtgehalt von etwa 0,09 Gew.-%. Gemäß Tabelle 3 befinden sich in den oberen 2 nm (15° Abnahmewinkel) wenigstens 53 Atom-% (64 Gew.-%) Fluor. Dies repräsentiert eine 711 fache Zunahme der Fluorkonzentration an der Oberfläche. Selbst bei einer Tiefe von 10 nm (90° (I) Abnahmewinkel) sind noch immer 39 Atom-% Fluor vorhanden. Die tatsächlichen Zahlen sind wahrscheinlich noch höher, da es wohl bekannt ist, dass die in der XPS-Technik verwendeten Röntgenstrahlen die Fluorkohlenwasserstoffe im Laufe der Probenanalyse abbauen können. Durch die Zugabe von 5% SMM wird der Fluorgehalt an der Oberfläche im Vergleich zu 1% SMM nicht wesentlich verändert, was darauf schließen lässt, dass die Migration von SMM-Molekülen zur Oberfläche bei einer SMM-Konzentration von 1% so effektiv ist wie bei einem Material, das 5 Gew.-% HDI-PPO322I enthält.
3. Tabelle: XPS-Daten für HDI-PPO322I in TDI/PCL/ED
Während die XPS-Daten den Migrationseffekt darstellen, deuten die Differentialscanningkalorimetriedaten darauf hin, dass die Hauptstruktur des Polyesterurethans durch die Anwesenheit des HDI-PPO322I-Moleküls unverändert bleibt, da die Glasübergangstemperatur für TDI/PCL/ED mit dem SMM (5%) innerhalb des Temperaturbereichs von –47°C und –36°C bleibt, den auch das reine TDI/PCL/ED hat. Dies zeigt ferner, dass sich die Mehrheit von SMM-Ketten an der Oberfläche des Polymers und nicht in der Hauptphase befinden, als Weichmacher wirken und den Tg-Wert reduzieren. Die physikalische Stabilität des SMM an der Grenzfläche des TDI/PCL/ED- Materials wird nach der Einwirkung von Wasser anhand des Hysteresegrads in den Wasser/Luft-Kontaktwinkeldaten in Tabelle 4 dargestellt. Im Gegensatz zum 1. Beispiel waren die Hysteresewerte von Proben, die HDI-PPO322I enthielten, wesentlich höher als die des ursprünglichen TDI/PCL/ED. Dies ist ein Hinweis darauf, dass die Zunahme an hydrophobem Charakter, die sich aus der Anwesenheit der Fluorschwänze des SMM ergibt, wesentlich durch den polaren Charakter der Harnstoff- und Urethanchemie verdrängt wird, der die Mittelsektion der HDI-PPO322I-Kette und die Hartsegmentkomponenten des Polyesterurethans definiert. Die hydrophobe Natur des Polyesterurethans wird jedoch wesentlich verstärkt, wie anhand der Zunahme der Vorrück- und Rückzugskontaktwinkelwerte für alle SMM-Konzentrationen dargestellt wird. In der Tat übertrifft der Vorrückkontaktwinkel dieses Beispiels bei 5 Gew.-% SMM in TDI/PCL/ED den im 1. Beispiel für die gleiche SMM-Konzentration erhaltenen Wert. Diese Ergebnisse legen die Vermutung nahe, dass dieses spezielle SMM innerhalb des TDI/PCL/ED-Polymers eine höhere Mobilität (relativ zum 1. Beispiel) in Richtung auf die Oberfläche und an der Oberfläche im Anschluss an ein Vermischen mit dem Basispolymer aufweist. Dies wird ferner anhand der Differentialscanningkalorimetriedaten belegt, die zeigen, dass keine Strukturen höherer Ordnung gefunden wurden, was auf weniger Beschränkungen zwischen den SMM-Molekülen selbst und eine bessere Kettenmobilität hindeutet.
4. Tabelle: Wasser/Luft-Kontaktwinkeldaten für HDI-PPO322I in TDI/PCL/ED
Es wurde geprüft, inwieweit die Anwesenheit von HDI-PPO322I an der Oberfläche des Polyesterurethans die Hydrolyse des Polymers durch das Enzym Cholesterolesterase inhibieren kann. Durch die Zugabe von 1% HDI-PPO322I zu TDI/PCL/ED wurde der Polyesterurethanabbau über einen Zeitraum von 360 Stunden um 16% reduziert, wohingegen die Zugabe von 5% einen Abbau um etwa 31% reduzierte. Im Anschluss an eine 34-wöchige Beobachtung des biologischen Abbaus lag die Inhibition des Abbaus für das TDI/PLC/ED-Material mit 2,5% SMM bei 30% und für TDI/PCL/ED mit 5% SMM bei 45%. Die Biostabilität des SMM in TDI/PCL/ED, die anhand der Menge radioaktiv markierter SMM gemessen wurde, die mit der Zeit in Anwesenheit des Enzyms freigesetzt wurden, war ausgezeichnet. Es trat kein wesentlicher SMM-Abbau nach einer siebenwöchigen Inkubation mit dem Enzym im Vergleich zu Pufferkontrollen auf.
Die Interaktion des Schlüsselproteins Fibrinogen, das in der Blutkoagulationsreaktion auf Biomaterialien involviert ist, wurde wesentlich verringert (um 50% bei einer Fibrinogenkonzentration von 0,01 mg/ml, 25% bei einer Fibrinogenkonzentration von 0,1 mg/ml und um 15% bei einer Fibrinogenkonzentration von 1,00 mg/ml). Da Fibrinogen ein Molekül ist, das während des Koagulationsprozesses vernetzt wird und mit Oberflächen assoziiert wurde, die eine Gerinnselbildung induzieren, lässt die Erkenntnis, dass die SMM-modifizierten Oberflächen den Fibrinogenadsorptionsgrad reduzieren, darauf schließen, dass die modifizierten Oberflächen möglicherweise bedeutende Blutkompatibilitätscharakteristiken haben und die Blutaktivierung in medizinischen Vorrichtungen reduzieren können.
7. Beispiel
HDI-PPO322H und Gemische mit TDI/PCL/ED
Dieses Material ist dem aus dem 6. Beispiel ähnlich, mit der Ausnahme, dass es mit einem Fluoralkohol einer anderen Kettenlänge synthetisiert wurde. HDI-PPO322H wurde mit PPO-Diol mit einer relativen Molekülmasse von 1000, 1,6-Hexamethylendiisocyanat (HDI) und der hochsiedenden Fraktion des Fluoralkohols (BA-L) synthetisiert. Die Synthesebedingungen für diese Reaktion waren wie folgt. 10 Gramm PPO wurden mit 2,52 Gramm HDI zwei Stunden lang reagiert und anschließend wurden 9 Gramm BA-L (hochsiedende Fraktion) zur Reaktion gegeben. Das Gemisch wurde mit 42,5 mg des Katalysators Dibutylzinndilaurat in 130 ml Dimethylacetamid (DMAc) zur Reaktion gebracht, und die Reaktionstemperatur für den Vorpolymerschritt wurde zwischen 60 und 70°C gehalten. Die polystyroläquivalente gewichtsgemittelte Molekülmasse betrug 2,9 +/– 0,5 × 10⁴ und sein Fluorgesamtgehalt lag bei 4,63 +/– 2,55 Gew.-%. Im Gegensatz zum 6. Beispiel brachte diese SMM-Formulierung einen Zusatzstoff hervor, der Strukturen höherer Ordnung zusätzlich zur Glasübergangstemperatur zwischen –54 und –49°C aufwies. Diese Übergänge höherer Ordnung wurden zwischen 90 und 120°C ständig beobachtet.
Nach dem Vermischen von HDI-PPO-322H mit dem Polyesterurethan (TDI/PCL/ED) wurde beobachtet, dass dieser Zusatzstoff zur Oberfläche migrierte. Hinweise darauf werden anhand der Röntgenfotoelektronenspektroskopiedaten in Tabelle 5 gegeben. Durch die Zugabe von 2,5 Gew.-% SMM zu TDI/PCL/ED wird eine Oberfläche erzeugt, deren obere 10 nm mit Fluor gesättigt sind. Eine 2,5 Gew.-% Probe von HDI-PPO322H in TDI/PCL/ED hat einen Fluorgesamtgehalt von etwa 0,11 Gew.-%. Gemäß Tabelle 5 befinden sich in den oberen 2 nm (15° Abnahmewinkel) wenigstens 53 Atom-% (64 Gew.-%) Fluor. Dies repräsentiert eine 582fache Zunahme der Fluorkonzentration an der Oberfläche. Selbst bei einer Tiefe von 10 nm (90° (I) Abnahmewinkel) sind noch immer 41 Atom-% Fluor vorhanden. Die tatsächlichen Zahlen sind wahrscheinlich noch höher, da es hinlänglich bekannt ist, dass die in der XPS-Technik verwendeten Röntgenstrahlen die Fluorkohlenwasserstoffe im Laufe der Probenanalyse abbauen können.
Während die XPS-Daten den Migrationseffekt darstellen, deuten die Differentialscanningkalorimetriedaten darauf hin, dass die Hauptstruktur des Polyesterurethans durch die Anwesenheit des HDI-PPO322H-Moleküls unverändert bleibt, da die Glasübergangstemperatur für TDI/PCL/ED mit dem SMM (5%) innerhalb des Temperaturbereichs von –47°C und –36°C bleibt, den auch das reine TDI/PCL/ED hat. Dies ist ferner ein Hinweis darauf, dass sich die Mehrheit von SMM-Ketten an der Oberfläche des Polymers und nicht in der Hauptphase befinden, als Weichmacher wirken und den Tg-Wert reduzieren. Die physikalische Stabilität des SMM an der Grenzfläche des TDI/PCL/ED-Materials wird nach der Einwirkung von Wasser durch den Hysteresegrad in den Wasser/Luft-Kontaktwinkeldaten in Tabelle 6 dargestellt. Im Gegensatz zum 1. Beispiel sind die Hysteresewerte von Proben mit HDI-PPO322H wesentlich höher als die des ursprünglichen TDI/PCL/ED. Dies ist ein Hinweis darauf, dass die Zunahme an hydrophobem Charakter, die sich aus der Anwesenheit der Fluorschwänze des SMM ergibt, durch den polaren Charakter der Harnstoff- und Urethanchemie wesentlich verdrängt wird, der die Mittelsektion der HDI-PPO322H Kette und die Hartsegmentkomponenten des Polyesterurethans definiert. Die hydrophobe Natur des Polyesterurethans wird jedoch wesentlich verstärkt, wie anhand der Zunahme der Vorrück- und Rückzugskontaktwinkelwerte für alle SMM-Konzentrationen dargestellt wird. Diese Ergebnisse zeigen, dass dieses spezielle SMM innerhalb des TDI/PCL/ED-Polymers eine höhere Mobilität (relativ zum 1. Beispiel) in Richtung auf die Oberfläche und an der Oberfläche im Anschluss an ein Vermischen mit dem Basispolymer aufweist. Dies wird mit Differentialscanningkalorimetriedaten belegt, die zeigen, dass weniger Strukturen höherer Ordnung (relativ zum 1. Beispiel) gefunden wurden, was auf weniger Beschränkungen zwischen den SMM-Molekülen selbst und eine bessere Kettenmobilität hindeutet.
6. Tabelle: Wasser/Luft-Kontaktwinkeldaten für HDI-PPO322H in TDI/PCL/ED
Es wurde geprüft, inwieweit die Anwesenheit von HDI-PPO322H an der Oberfläche des Polyesterurethans die Hydrolyse des Polymers durch das Enzym Cholesterolesterase inhibieren kann. Durch die Zugabe von 1% HDI-PPO322H zu TDI/PCL/ED wurde der Polyesterurethanabbau über einen Zeitraum von 360 Stunden um 30% reduziert, wohingegen die Zugabe von 5% den Abbau um etwa 45% reduzierte. Dieses SMM erzielt geringfügig bessere Ergebnisse als das im 6. Beispiel und ist dem aus dem 1. Beispiel über den gleichen zeitlichen Rahmen ähnlich.
8. Beispiel
HDI-PTMO322I und Gemische mit TDI/PCL/ED
Dieses Material ist dem aus dem 6. Beispiel ähnlich, mit der Ausnahme, dass es mit einem anderen oligomeren Diol synthetisiert wurde. HDI-PTMO322I wurde mit PTMO-Diol mit einer relativen Molekülmasse von 1000, 1,6-Hexamethylendiisocyanat (HDI) und der intermediär siedenden Fraktion des Fluoralkohols (BA-L) synthetisiert. Die Bedingungen der Synthese für diese Reaktion waren wie folgt. 10 Gramm PTMO wurden mit 2,52 Gramm HDI zwei Stunden lang reagiert und anschließend wurden 9 Gramm BA-L (intermediär siedende Fraktion) zur Reaktion gegeben. Das Gemisch wurde mit 42,5 mg des Katalysators Dibutylzinndilaurat in 130 ml Dimethylacetamid (DMAc) zur Reaktion gebracht, und die Reaktionstemperatur für den Vorpolymerschritt wurde zwischen 60 und 70°C gehalten. Die polystyroläquivalente gewichtsgemittelte Molekülmasse betrug 4,6 +/– 0,5 × 10⁴ und der Fluorgesamtgehalt lag bei 5,50 +/– 1,21 Gew.-%. Diese SMM- Formulierung bringt einen Zusatzstoff hervor, der eine Struktur höherer Ordnung in Verbindung mit dem PTMO-Weichsegment aufweist. Dies ist ein Hinweis darauf, dass wahrscheinlich ein gewisser Kristallinitätsgrad in der Vorpolymerkomponente des SMM gebildet wird. Darüber hinaus hat sie eine Glasübergangstemperatur zwischen –73 und –62°C. Dieser letztere Übergang ist durch Differentialscanningkalorimetrie nachweisbar und mit dem PTMO-Weichsegment des SMM assoziiert.
Nach dem Vermischen von HDI-PTMO-322I mit dem Polyesterurethan (TDI/PCL/ED) wurde beobachtet, dass dieser Zusatzstoff zur Oberfläche migrierte. Hinweise darauf werden anhand der Röntgenfotoelektronenspektroskopiedaten in Tabelle 7 gegeben. Durch die Zugabe von 1 Gew.-% SMM zu TDI/PCL/ED wird eine Oberfläche erzeugt, deren obere 10 nm mit Fluor gesättigt sind. Eine 1 Gew.-% Probe von HDI-PTMO322I in TDI/PCL/ED hat einen Fluorgesamtgehalt von etwa 0,05 Gew.-%. Gemäß Tabelle 7 befinden sich in den oberen 2 nm (15° Abnahmewinkel) wenigstens 53 Atom-% Fluor. Dies repräsentiert eine 1164fache Zunahme der Fluorkonzentration an der Oberfläche. Selbst bei einer Tiefe von 10 nm (90° (I) Abnahmewinkel) sind noch immer 38 Atom-% Fluor vorhanden. Die tatsächlichen Zahlen sind wahrscheinlich noch höher, da es hinlänglich bekannt ist, dass die in der XPS-Technik verwendeten Röntgenstrahlen die Fluorkohlenwasserstoffe im Laufe der Probenanalyse abbauen können. Durch die Zugabe von 5% SMM wird der Fluorgehalt an der Oberfläche im Vergleich zu einem Gehalt von 1% SMM nicht wesentlich verändert, was darauf schließen lässt, dass bei einer SMM-Konzentration von 1% die Migration der SMM-Moleküle zur Oberfläche so effektiv ist wie bei einem Material, das 5 Gew.-% HDI-PTMO322I enthält.
7. Tabelle: XPS-Daten für HDI-PTMO322I in TDI/PCL/ED
Während die XPS-Daten den Migrationseffekt darstellen, deuten die Differentialscanningkalorimetriedaten darauf hin, dass die Hauptstruktur des Polyesterurethans durch die Anwesenheit des HDI-PTMO322I-Moleküls unverändert bleibt, da die Glasübergangstemperatur für TDI/PCL/ED mit dem SMM (5%) innerhalb des Temperaturbereichs von –47°C und –36°C bleibt, den auch das reine TDI/PCL/ED hat. Dies ist ferner ein Hinweis darauf, dass sich die Mehrheit von SMM-Ketten an der Oberfläche des Polymers und nicht in der Hauptphase befinden, als Weichmacher wirken und den Tg-Wert reduzieren. Die physikalische Stabilität des SMM an der Grenzfläche des TDI/PCL/ED-Materials wird nach der Einwirkung von Wasser durch den Hysteresegrad in den Wasser/Luft-Kontaktwinkeldaten in Tabelle 8 dargestellt. Im Gegensatz zu den Beispielen 6 und 7 sind die Hysteresewerte von Proben mit HDI-PTMO322I wesentlich geringer als die des ursprünglichen TDI/PCL/ED. Dies ist ein Hinweis darauf, dass die Zunahme an hydrophobem Charakter, die sich aus der Anwesenheit der Fluorschwänze des SMM ergibt, durch den polaren Charakter der Harnstoff- und Urethanchemie nicht wesentlich verdrängt wird, der die Mittelsektion der HDI-PTMO322I Kette und die Hartsegmentkomponenten des Polyesterurethans definiert. Ferner wird der Hysteresegrad gegenüber der im 1. Beispiel präsentierten Formulierung wesentlich verbessert und ist den für reines Teflon^® berichteten Werten ähnlich (116° für Vorrückkontaktwinkel und 92° für Rückzugskontaktwinkel, woraus sich eine Hysterese von 24° ergibt) (Brandrum, J., Immugut, E. A., Hrsg. "Polymer Handbook", 34. Ausgabe, John Wiley & Sons, 1989). Gleichzeitig wird die hydrophobe Natur des Polyesterurethans wesentlich verstärkt, wie anhand der Zunahme der Vorrück- und Rückzugskontaktwinkelwerte für alle SMM-Konzentrationen dargestellt wird.
8. Tabelle: Wasser/Luft-Kontaktwinkeldaten für HDI-PTMO322I in TDI/PCL/ED
Es wurde geprüft, inwieweit die Anwesenheit von HDI-PTMO322I an der Oberfläche des Polyesterurethans die Hydrolyse des Polymers durch das Enzym Cholesterolesterase inhibieren kann. Durch die Zugabe von 1% HDI-PTMO322I zu TDI/PCL/ED wurde der Polyesterurethanabbau über einen Zeitraum von 360 Stunden um 21% reduziert, wohingegen die Zugabe von 5% den Abbau um etwa 37% reduzierte. Im Anschluss an eine 34-wöchige Beobachtung des biologischen Abbaus lag die Inhibition des Abbaus für das TDI/PCL/ED-Material mit 5% SMM bei 50%. Dies übertrifft das Ergebnis aus dem 6. Beispiel und reflektiert wahrscheinlich das Kristallisationspotential von HDI-PTMO322I, so dass das SMM an der Oberfläche über sehr lange Zeiträume stabilisiert wird. Die Biostabilität des SMM in TDI/PCL/ED, die anhand der Menge radioaktiv markierter SMM gemessen wird, die mit der Zeit in Anwesenheit des Enzyms freigesetzt werden, war ausgezeichnet. Es trat kein wesentlicher SMM-Abbau nach einer siebenwöchigen Inkubation mit dem Enzym im Vergleich zu Pufferkontrollen auf.
9. Beispiel
HDI-PTMO322H und Gemische mit TDI/PCL/ED
Dieses Material ist dem aus dem 8. Beispiel ähnlich, mit der Ausnahme, dass es mit einem Fluoralkohol mit einer anderen Kettenlänge synthetisiert wurde. HDI-PTMO322H wurde mit PTMO-Diol mit einer relativen Molekülmasse von 1000, 1,6-Hexamethylendiisocyanat (HDI) und der hochsiedenden Fraktion des Fluoralkohols (BA-L) synthetisiert. Die Synthesebedingungen für diese Reaktion waren wie folgt. 10 Gramm PTMO wurden mit 2,52 Gramm HDI zwei Stunden lang reagiert und anschließend wurden 9 Gramm BA-L (hochsiedende Fraktion) zur Reaktion gegeben. Das Gemisch wurde mit 42,5 mg des Katalysators Dibutylzinndilaurat in 130 ml Dimethylacetamid (DMAc) zur Reaktion gebracht, und die Reaktionstemperatur für den Vorpolymerschritt wurde zwischen 60 und 70°C gehalten. Die polystyroläquivalente gewichtsgemittelte Molekülmasse betrug 5,5 +/– 0,8 × 10⁴ und der Fluorgesamtgehalt lag bei 3,83 +/– 1,80 Gew.-%. Diese SMM-Formulierung bringt einen Zusatzstoff hervor, der Strukturen höherer Ordnung zusätzlich zu einer Glasübergangstemperatur zwischen –54 und –49°C aufweist. Die Übergänge höherer Ordnung wurden zwischen 70 und 120°C ständig beobachtet.
Nach dem Vermischen von HDI-PTMO-322H mit dem Polyesterurethan (TDI/PCL/ED) wurde beobachtet, dass dieser Zusatzstoff zur Oberfläche migrierte, wie anhand der Röntgenfotoelektronenspektroskopiedaten in Tabelle 9 dargestellt wird. Durch die Zugabe von 1 Gew.-% SMM zu TDI/PCL/ED wird eine Oberfläche erzeugt, deren obere 10 nm mit Fluor gesättigt sind. Eine 1 Gew.-% Probe von HDI-PTMO322H in TDI/PCL/ED hat einen Fluorgesamtgehalt von etwa 0,04 Gew.-%. Gemäß Tabelle 9 befinden sich in den oberen 2 nm (15° Abnahmewinkel) wenigstens 55 Atom-% (66 Gew.-%) Fluor. Dies repräsentiert eine 1650fache Zunahme der Fluorkonzentration an der Oberfläche. Selbst bei einer Tiefe von 10 nm (90° (I) Abnahmewinkel) sind noch immer 42 Atom-% Fluor vorhanden. Die tatsächlichen Zahlen sind wahrscheinlich noch höher, da es hinlänglich bekannt ist, dass die in der XPS-Technik verwendeten Röntgenstrahlen die Fluorkohlenwasserstoffe im Laufe der Probenanalyse abbauen können. Durch die Zugabe von 5% SMM wird der Fluorgehalt an der Oberfläche wesentlich verändert, was darauf schließen lässt, dass die Migration von SMM-Molekülen zur Oberfläche bei einer SMM- Konzentration von 1% so effektiv ist wie bei einem Material, das 5 Gew.-% HDI-PTMO322H enthält.
9. Tabelle: XPS-Daten für HDI-PTMO322H in TDI/PCL/ED
Während die XPS-Daten den Migrationseffekt darstellen, deuten die Differentialscanningkalorimetriedaten darauf hin, dass die Hauptstruktur des Polyesterurethans durch die Anwesenheit des HDI-PTMO322H-Moleküls unverändert bleibt, da die Glasübergangstemperatur für TDI/PCL/ED mit dem SMM (5%) innerhalb des Temperaturbereichs von –47°C und –36°C bleibt, den auch das reine TDI/PCL/ED hat. Dies ist ferner ein Hinweis darauf, dass sich die Mehrheit von SMM-Ketten an der Oberfläche des Polymers und nicht in der Hauptphase befinden, als Weichmacher wirken und den Tg-Wert reduzieren. Die physikalische Stabilität des SMM an der Grenzfläche des TDI/PCL/ED-Materials wird nach der Einwirkung von Wasser durch den Hysteresegrad in den Wasser/Luft-Kontaktwinkeldaten in Tabelle 10 dargestellt. Im Gegensatz zu den Beispielen 6 und 7 sind die Hysteresewerte von Proben mit HDI-PTMO322H wesentlich geringer als die des ursprünglichen TDI/PCL/ED. Dies ist ein Hinweis darauf, dass die Zunahme an hydrophobem Charakter, die sich aus der Anwesenheit der Fluorschwänze des SMM ergibt, durch den polaren Charakter der Harnstoff- und Urethanchemie nicht wesentlich verdrängt wird, der die Mittelsektion der HDI-PTMO322H Kette und die Hartsegmentkomponenten des Polyesterurethans definiert. Ferner wird der Hysteresegrad gegenüber der im 1. und 8. Beispiel präsentierten Formulierung wesentlich verbessert und übertrifft sogar die für reines Teflon^® berichteten Werte (116° für Vorrückkontaktwinkel und 92° für Rückzugskontaktwinkel, woraus sich eine Hysterese von 24° ergibt). Gleichzeitig wird die hydrophobe Natur des Polyesterurethans wesentlich verstärkt, wie anhand der Zunahme der Vorrück- und Rückzugskontaktwinkelwerte für alle SMM-Konzentrationen dargestellt wird.
10. Tabelle: Wasser/Luft-Kontaktwinkeldaten für HDI-PTMO322H in TDI/PCL/ED
Es wurde geprüft, inwieweit die Anwesenheit von HDI-PTMO322H an der Oberfläche des Polyesterurethans die Hydrolyse des Polymers durch das Enzym Cholesterolesterase inhibieren kann. Durch die Zugabe von 1% HDI-PTMO322H zu TDI/PCL/BD wurde der Polyesterurethanabbau über einen Zeitraum von 360 Stunden um 38% reduziert, wohingegen die Zugabe von 5% den Abbau um etwa 40% reduzierte. Dieses SMM erzielt geringfügig bessere Ergebnisse als das im 7. Beispiel und ist dem aus dem 1. Beispiel über den gleichen zeitlichen Rahmen ähnlich.
10. Beispiel
HDI-PTMO322L und Gemische mit TDI/PCL/ED
Ein weiteres Beispiel für den im 4. Beispiel beschriebenen Effekt wurde auch für HDI-PTMO322L beobachtet. HDI-PTMO322L wurde mit PTMO-Diol mit einer relativen Molekülmasse von 1000, 1,6-Hexamethylendiisocyanat (HDI) und der tiefsiedenden Fraktion des Fluoralkohols (BA-L) synthetisiert. Die Synthesebedingungen für diese Reaktion waren wie folgt. 10 Gramm PTMO wurden mit 2,52 Gramm HDI zwei Stunden lang reagiert und anschließend wurden 5,0 Gramm BA-L (tiefsiedende Fraktion) zur Reaktion gegeben. Das Gemisch wurde mit 60 μl des Katalysators Dibutylzinndilaurat in 70 ml Dimethylacetamid (DMAc) zur Reaktion gebracht, und die Reaktionstemperatur für den Vorpolymerschritt wurde zwischen 60 und 70°C gehalten. Die polystyroläquivalente gewichtsgemittelte Molekülmasse betrug 2,4 × 10⁵ und es wurde kein Fluor nachgewiesen. Dieses Material wurde keinen weiteren Tests unterzogen, da es eine misslungene Synthese repräsentierte, da Materialien mit einer messbaren Fluoranwesenheit und einer relativen Molekülmasse gewonnen werden müssen, die unter der typischer Polyurethane liegt.
11. Beispiel
HDI-PTMO432L und Gemische mit TDI/PCL/ED
Bei einer SMM-Stöchiometrie von Diisocyanat : oligomerem Diol : Fluoralkohol von jeweils 4 : 3 : 2 ist eine Kontrolle der Vorpolymerreaktion gegenüber der Fluoralkoholanlagerungsreaktion schwierig. Folglich können die relativen Molekülmassen recht hoch und die Aufnahmefähigkeit von Fluor in das SMM kann schwierig werden. Dieser Kontrollmangel ist besonders dann offensichtlich, wenn die Reaktantkonzentrationen hoch sind oder das Reaktantlösungsmittelvolumen gering ist. Das folgende Beispiel veranschaulicht diesen Aspekt der SMM-Synthese. HDI-PTMO432L wurde mit PTMO-Diol mit einer relativen Molekülmasse von 1000, 1,6-Hexamethylendiisocyanat (HDI) und der tiefsiedenden Fraktion des Fluoralkohols (BA-L) synthetisiert. Die Synthesebedingungen für diese Reaktion waren wie folgt. 10 Gramm PTMO wurden mit 2,24 Gramm HDI zwei Stunden lang reagiert und anschließend wurden 4,0 Gramm BA-L (tiefsiedende Fraktion) zur Reaktion gegeben. Das Gemisch wurde mit 100 μl des Katalysators Dibutylzinndilaurat in 70 ml Dimethylacetamid (DMAc) zur Reaktion gebracht, und die Reaktionstemperatur für den Vorpolymerschritt wurde zwischen 60 und 70°C gehalten. Die polystyroläquivalente gewichtsgemittelte Molekülmasse betrug 1,8 × 10⁵ und es wurde kein Fluor nachgewiesen.
Es wird anerkannt, dass das Fluoranalyseverfahren für das reine SMM Grenzen hat, da es nur ppm-Werte von Fluor messen kann. Wenn das SMM an der Oberfläche konzentriert ist, könnte theoretisch selbst SMM mit Fluorkonzentrationen im ppm-Bereich zur Oberfläche migrieren und eine nachweisbare Fluormenge unter Anwendung von Röntgenfotoelektronenspektroskopie-(XPS)-Verfahren zeigen. Aus diesem Grund wurde eine XPS-Analyse der oberen 10 nm der Oberfläche durchgeführt. Es wurde eine Fluorkonzentration von 3,38 Atom-% nachgewiesen. Diese sehr geringe Fluorkonzentration reflektiert die Natur des SMM und bestätigt das Nichtvorhandensein einer wesentlichen SMM-Oberflächenmodifikation. Dieses Material wurde keinen weiteren Tests unterzogen, da es eine misslungene Synthese repräsentierte, da Materialien mit einem erhöhten Fluorgehalt und einer relativen Molekülmasse gewonnen werden müssen, die unter der typischer Polyurethane liegt.
12. Beispiel
HDI-PTMO432I und Gemische mit TDI/PCL/ED
Eine weitere Demonstration des im 11. Beispiel beschriebenen Effekts wurde auch für HDI-PTMO432I beobachtet. HDI-PTMO432I wurde mit PTMO-Diol mit einer relativen Molekülmasse von 1000, 1,6-Hexamethylendiisocyanat (HDI) und der intermediär siedenden Fraktion des Fluoralkohols (BA-L) synthetisiert. Die Synthesebedingungen für diese Reaktion waren wie folgt. 10 Gramm PTMO wurden mit 2,24 Gramm HDI zwei Stunden lang reagiert und anschließend wurden 4,0 Gramm BA-L (intermediär siedende Fraktion) zur Reaktion gegeben. Das Gemisch wurde mit 80 μl des Katalysators Dibutylzinndilaurat in 70 ml Dimethylacetamid (DMAc) zur Reaktion gebracht, und die Reaktionstemperatur für den Vorpolymerschritt wurde zwischen 60 und 70°C gehalten. Die polystyroläquivalente gewichtsgemittelte Molekülmasse betrug 1,1 × 10⁵ und es wurde kein Fluor nachgewiesen.
Die XPS-Analyse der Oberfläche fand in der gleichen Weise wie im 11. Beispiel statt. Es wurde festgestellt, dass die oberen 10 nm der Oberfläche 4 Atom-% Fluor enthielten. Dieses Material wurde keinen weiteren Tests unterzogen, da es eine misslungene Synthese repräsentierte, da Materialien mit einem erhöhten Fluorgehalt und einer relativen Molekülmasse gewonnen werden müssen, die unter der typischer Polyurethane liegt.
13. Beispiel
HDI-PTMO432H und Gemische mit TDI/PCL/ED
Im 11. Beispiel wurde festgestellt, dass das Lösungsmittelvolumen, das die Reaktantkonzentrationen bestimmt, für die Kontrolle der SMM-Synthese wichtig ist. Dies wird anhand des folgenden Beispiels erläutert. Durch Erhöhen des Reaktantlösungsmittelvolumens kann ein SMM, das mit ähnlichen Reaktanten wie den in den Beispielen 11 und 12 verwendeten synthetisiert wird, erzeugt werden, das Eigenschaften hat, die dem gewünschten Charakter der SMM angemessener entsprechen.
HDI-PTMO432H wurde mit PTMO-Diol mit einer relativen Molekülmasse von 1000, 1,6-Hexamethylendiisocyanat (HDI) und der hochsiedenden Fraktion des Fluoralkohols (BA-L) synthetisiert. Die Synthesebedingungen für diese Reaktion waren wie folgt. 10 Gramm PTMO wurden mit 2,24 Gramm HDI zwei Stunden lang reagiert und anschließend wurden 4,0 Gramm BA-L (hochsiedende Fraktion) zur Reaktion gegeben. Das Gemisch wurde mit 80 μl des Katalysators Dibutylzinndilaurat in 100 ml (im Vergleich zu 70 mlin den Beispielen 10 und 11) Dimethylacetamid (DMAc) zur Reaktion gebracht, und die Reaktionstemperatur für den Vorpolymerschritt wurde zwischen 60 und 70°C gehalten. Die polystyroläquivalente gewichtsgemittelte Molekülmasse betrug 7,1 × 10⁴ und der Fluorgehalt lag bei 3,28 Gew.-%.
Nach dem Vermischen von HDI-PTMO-432H mit dem Polyesterurethan (TDI/PCL/ED) wurde beobachtet, dass dieser Zusatzstoff an die Oberfläche migrierte, wie anhand der Röntgenfotoelektronenspektroskopiedaten in Tabelle 11 dargestellt wird. Durch die Zugabe von 5 Gew.-% SMM zu TDI/PCL/ED wird eine Oberfläche erzeugt, deren obere 10 nm mit Fluor gesättigt sind. Gemäß Tabelle 11 befinden sich in den oberen 2 nm (20° Abnahmewinkel) wenigstens 57 Atom-% Fluor. Selbst bei einer Tiefe von 10 nm (90° (I) Abnahmewinkel) sind noch immer 44 Atom-% Fluor vorhanden. Folglich ist die Konzentration des Fluorgehalts an der unmittelbaren Oberfläche ähnlich wie die in den bevorzugten Formulierungen, die in den Beispielen 1, 2, 6, 7, 8 und 9 beschrieben werden.
11. Tabelle: XPS-Daten für HDI-PTMO432H in TDI/PCL/ED
Es wurde geprüft, inwieweit die Zugabe von HDI-PTMO432H zum Polyesterurethan TDI/PCL/ED die Hydrolyse des Polymers durch das Enzym Cholesterolesterase inhibieren kann. Durch die Zugabe von 1% HDI-PTMO432H zu TDI/PCL/ED wurde der Polyesterurethanabbau nicht wesentlich erhöht oder verringert. Durch die Zugabe von 2,5 Gew.-% zum Polyesterurethan wurde die Menge von Abbauprodukten, die in Anwesenheit des Enzyms produziert wurden, jedoch wesentlich erhöht, und zwar um 18% über einen Zeitraum von 360 Stunden.
14. Beispiel
MDI-PPO(425)322H
Anhand dieses Beispiels wird veranschaulicht, dass die SMM von verschiedenen Diisocyanaten (die sich von HDI unterscheiden) und oligomeren Diolen mit einer anderen relativen Molekülmasse als 1000 synthetisiert werden können. Ein Beispiel für ein SMM mit einem sehr hohen Fluorgehalt wurde mit PPO-Diol mit einer relativen Molekülmasse von 425, 4,4'-Methylendiphenyldiisocyanat (MDI) und der hochsiedenden Fraktion des Fluoralkohols (BA-L) synthetisiert. Dieses SMM wird im gesamten Text als MDI-PPO(425)322H bezeichnet. Die Synthesebedingungen für diese Reaktion waren wie folgt. 8,5 Gramm PPO wurden mit 7,5 Gramm MDI zwei Stunden lang reagiert und anschließend wurden 11,78 Gramm BA-L (hochsiedende Fraktion) zur Reaktion gegeben. Das Gemisch wurde ohne Katalysator in 100 ml Dimethylacetamid (DMAc) zur Reaktion gebracht, und die Reaktionstemperatur für den Vorpolymerschritt wurde zwischen 60 und 70°C gehalten. Die polystyroläquivalente gewichtsgemittelte Molekülmasse betrug 2,7 × 0,27 × 10⁴ und der Fluorgesamtgehalt lag bei 13 +/– 2,00 Gew.-%. Dieses SMM hatte einen Tg-Temperaturbereich von 17°C bis 33°C. Diese hohe Tg deutet darauf hin, dass es sich hier um ein weit starreres Makromolekül als in den Beispielen 1 bis 13 handelte, das für einen Einbau in die kristallinen Segmente von Polyurethanelastomeren gut geeignet ist.
15. Beispiel
Zu Beispielen für biomedizinische Artikel, die das SMM im Polyurethan unter Anwendung des genannten zuvor beschriebenen Verfahrens 1) integrieren, gehören die folgenden Artikel, die vollständig oder teilweise aus Polyurethankomponenten bestehen oder einige Polyurethankomponenten enthalten: Herzunterstützungsvorrichtungen, Herzersatzvorrichtungen, Herzscheidewand-Patches, intraaortale Ballons, perkutane Herzunterstützungsvorrichtungen, Extrakorporalkreisläufe, A-V-Fisteln, Dialysekomponenten (Rohrleitungen, Filter, Membranen, usw.), Aphoreseeinheiten, Membranoxygenatoren, Herz-Bypass-Komponenten (Rohrleitungen, Filter, usw.), Herzbeutel, Kontaktlinsen, kochleäre Ohrimplantate, Nahtmaterial, Nahtringe, Kanülen, Kontrazeptiva, Spritzen, O-Ringe, Blasen, Penisimplantate, Arzneimittelzufuhrsysteme, Drainageröhrchen, Schrittmacher-Leitungsisolierungen, Herzklappen, Blutbeutel, Beschichtungen für implantierbare Drähte, Katheter, Gefäßstents, Angioplastikballons und -vorrichtungen, Bandagen, Herzmassagebecher, Trachealtuben, Brustimplantatbeschichtungen, künstliche Gänge, kraniofaziale und maxillofaziale Rekonstruktionsanwendungen, Ligamente, Eileiter.
Zu nicht biomedizinischen Artikeln, die mit dem 1. Verfahren hergestellt werden, gehören extrudierte Isolierungen für elektrische Drähte, O-Ringe und Spritzen.
16. Beispiel
Zu Beispielen für biomedizinische Artikel, die das SMM im Polyurethan unter Anwendung des genannten zuvor beschriebenen Verfahrens 2) integrieren, gehören die folgenden Artikel, die vollständig oder teilweise aus Polyurethankomponenten bestehen oder einige Polyurethankomponenten enthalten: Herzunterstützungsvorrichtungen, Herzersatzvorrichtungen, Herzscheidewand-Patches, intraaortale Ballons, perkutane Herzunterstützungsvorrichtungen, Herzbeutel, Kontaktlinsen, Nahtmaterial, Kanülen, Kontrazeptiva, Handschuhe, Blasen, Penisimplantate, Arzneimittelzufuhrsysteme, Drainageröhrchen, Schrittmacher-Leitungsisolierungen, Herzklappen, Blutbeutel, Beschichtungen für implantierbare Drähte, Gefäßstents, Angioplastikballons und -vorrichtungen, Bandagen, Herzmassagebecher, Trachealtuben, Brustimplantatbeschichtungen, künstliche Gänge, kraniofaziale und maxillofaziale Rekonstruktionsanwendungen, Ligamente. Spezifische Beispiele für Artikel dieser Gruppe wurden mit 9 verschiedenen SMM-Formulierungen hergestellt, die in N,N-Dimethylacetamid mit dem Polyurethan TDI/PCL/ED gelöst und zu Gießfolien oder -röhrchen gegossen wurden. Die Oberflächenzusammensetzung der flachen Folien wurde bestimmt, wohingegen die Röhrchen in Biodegradationstests verwendet wurden.
Zu nicht medizinische Anwendungen, die im Verfahren 2) exemplifiziert werden, gehören Handschuhe und Bekleidungsartikel aus Polyurethanfasern (z. B. Lycra^®).
17. Beispiel
Zu Beispielen für biomedizinische Artikel, die das SMM im Polyurethan unter Anwendung des genannten zuvor beschriebenen Verfahrens 3) integrieren, gehören die folgenden Artikel, die ganz oder teilweise aus Polyurethankomponenten bestehen oder einige Polyurethankomponenten enthalten: Herzunterstützungsvorrichtungen, Herzersatzvorrichtungen, Herzscheidewand-Patches, intraaortale Ballons, perkutane Herzunterstützungsvorrichtungen, Extrakorporalkreisläufe, A-V-Fisteln, Dialysekomponenten (Rohrleitungen, Filter, Membranen, usw.), Aphoreseeinheiten, Membranoxygenatoren, Herz-Bypass-Komponenten (Rohrleitungen, Filter, usw.), Herzbeutel, Kontaktlinsen, kochleäre Ohrimplantate, Nahtmaterial, Nahtringe, Kanülen, Kontrazeptiva, Handschuhe, Spritzen, O-Ringe, Blasen, Penisimplantate, Arzneimittelzufuhrsysteme, Drainageröhrchen, Schrittmacher-Leitungsisolierungen, Herzklappen, Blutbeutel, Beschichtungen für implantierbare Drähte, Katheter, Gefäßstents, Angioplastikballons und -vorrichtungen, Bandagen, Herzmassagebecher, Trachealtuben, Brustimplantatbeschichtungen, künstliche Gänge, kraniofaziale und maxillofaziale Rekonstruktionsanwendungen, Ligamente, Eileiter.
Zu nicht medizinischen Anwendungen dieses Typs gehören Lacke für Böden und andere Artikel, sowie wasserabweisende Beschichtungen. Unter den Eigenschaften des erfindungsgemäßen SMM sind ihre nicht benetzenden und wasserabweisenden Eigenschaften, wie anhand der Kontaktwinkeldaten in den Beispielen belegt wird, sowie Schmier- und schwachen Haftungseigenschaften zu verstehen, wie anhand der Studien mit reduzierter Proteinadsorption für PPO-322I belegt wird.
18. Beispiel
HDI-PTMO212I, synthetisiert mit überschüssigem Fluoralkohol, und Gemische mit dem handelsüblichen Polyurethan Tecoflex 65D EG
Dieses Beispiel veranschaulicht die Bedeutung einer Kontrolle der Synthesereaktion im Laufe der SMM-Bildung, um eine gewünschte SMM-Formulierung zu erzielen. Konkurrenzreaktionen des PTMO und der Fluoralkohole mit der Diisocyanatkette können minimiert werden, indem überschüssige Fluoralkohole verwendet werden und gewährleistet wird, dass die Vorpolymerstufe fast abgeschlossen ist, bevor Fluoralkohole zugegeben werden. HDI-PTMO212I wurde mit PTMO-Diol mit einer relativen Molekülmasse von 1000, 1,6-Hexamethylendiisocyanat (HDI) und einem 25 Gew.-%igen Überschuss des stöchiometrischen Bedarfs an der intermediär siedenden Fraktion des Fluoralkohols (BA-L) synthetisiert. Die Synthesebedingungen für diese Reaktion waren wie folgt. 16,6 Gramm PTMO wurden mit 5,6 Gramm HDI vier Stunden lang reagiert und anschließend wurden 18,5 Gramm BA-L (intermediär siedende Fraktion) zur Reaktion gegeben. Das Gemisch wurde mit 0,3 Gramm des Katalysators Dibutylzinndilaurat in 300 ml Dimethylacetamid (DMAc) zur Reaktion gebracht, und die Reaktionstemperatur für den Vorpolymerschritt wurde zwischen 65 und 70°C gehalten. Die polystyroläquivalente gewichtsgemittelte Molekülmasse betrug 2,2 × 10⁴ und sein Fluorgesamtgehalt lag bei 20 Gew.-%.
Nach dem Vermischen dieser HDI-PTMO212I-Formulierung mit dem handelsüblichen Polyurethan Tecoflex 65D EG (von Thermedics Inc.) wurde beobachtet, dass dieser Zusatzstoff zur Oberfläche des Materials migrierte. Tecoflex 65D EG ist ein Polymer aus Methylen-di-cyclohexandiisocyanat, Polytetramethylenoxid mit einer relativen Molekülmasse von 1000 und Butandiol. Es ist ein extrudierbares Polymer und unterscheidet sich wesentlich von den Polymeren TDI/PTMO/ED und TDI/PCL/ED. Zusätzlich zu den Unterschieden in der Chemie hat es einen oberflächenaktiven Kohlenwasserstoff, der die Gleiteigenschaften in extrudierten Komponenten verbessert. Folglich muss das in dieses Polymer eingebaute SMM mit dem Kohlenwasserstoffzusatz um Oberflächenpräsenz konkurrieren. Die Kontaktwinkeldaten für das Material mit und ohne SMM zeigen, dass die SMM die Chemie des modifizierten Materials dominieren (s. Tabelle 12).
12. Tabelle Wasser/Luft-Kontaktwinkeldaten für HDI-PTMO212I in Tecoflex 65D EG
Die Biostabilität des in Tecoflex 65D EG eingebauten SMM, die anhand der Menge radioaktiv markierter SMM gemessen wird, die mit der Zeit in Anwesenheit von Enzym und Puffer freigesetzt wird, ist sehr gut. Die Daten belegen, dass nach einer 4-wöchigen Inkubation mit Enzym bei 37°C keine wesentliche Freisetzung von radioaktiver Markierung über den Hintergrundkontrollwerten auftrat. Nach 18 Wochen lag die Freisetzung bei lediglich 100 Molekülen der ursprünglich 60.000 Moleküle in dem Experiment.
19. Beispiel
HDI-PTMO212I, synthetisiert mit überschüssigem Fluoralkohol, und Gemische mit dem handelsüblichen Polyurethan Tecoflex 80A EG
Dieses Beispiel zeigt, dass das SMM aus dem 18. Beispiel in ein handelsübliches Polyurethan mit Polymerweichsegmenten unterschiedlicher Länge eingebaut werden und noch immer einen Oberflächenmodifikationseffekt erzielen kann.
Nach dem Vermischen von HDI-PTMO212I aus dem 18. Beispiel mit dem handelsüblichen Polyurethan Tecoflex 80A EG (von Thermedics Inc.) wurde beobachtet, dass dieser Zusatzstoff zur Oberfläche dieses Materials migrierte. Tecoflex 85A EG ist ein Polymer aus Methylen-di-cyclohexandiisocyanat, Polytetramethylenoxid mit einer relativen Molekülmasse von 2000 und Butandiol. Es ist ein extrudierbares Polymer, das sich mechanisch von Tecoflex 65D EG bzgl. seiner Härte unterscheidet. Die Kontaktwinkeldaten für das Material mit und ohne SMM zeigen, dass die SMM die Chemie des modifizierten Materials dominieren (s. Tabelle 13).
13. Tabelle Wasser/Luft-Kontaktwinkeldaten für HDI-PTMO212I in Tecoflex 80A EG
Die Biostabilität des in Tecoflex 80A EG eingebauten SMM, die anhand der Menge radioaktiv markierter SMM gemessen wird, die mit der Zeit in Anwesenheit von Puffer freigesetzt wird, war über einen Zeitraum von 18 Wochen identisch zu der des 65D Materials (18. Beispiel). In Anwesenheit von Enzym lag die Freisetzung radioaktiver Markierung bei einem Zählergebnis von 200 der ursprünglich 60.000 in dem Experiment.
20. Beispiel
Extrudierte Rohrleitung aus dem Gemisch aus HDI-PTMO212I (synthetisiert mit überschüssigem Fluoralkohol) und dem handelsüblichen Polyurethan Tecoflex 65D EG
HDI-PTMO212I aus dem 18. Beispiel wurde mit Tecoflex 65D EG in einer Konzentration von 2 Gew.-% vermischt und zu einer hohlen Rohrleitung für die Aufnahme in Herzkatheterprodukten extrudiert. Im Anschluss an die thermische Extrusion der Rohrleitung migrierten die SMM zur Oberfläche und wiesen eine erhöhte Fluorkonzentration im Vergleich zur extrudierten Rohrleitung ohne SMM auf. Hinweise hierauf werden anhand der in Tabelle 14 enthaltenen XPS-Daten gegeben. Es ist zu bemerken, dass die luftgetrocknete Innenfläche eine wesentlich höhere Fluorkonzentration innerhalb der oberen 10 nm der Oberfläche im Vergleich zur Außenfläche hatte, die unmittelbar nach dem Austreten der Rohrleitung aus dem Extruder mit Wasser abgeschreckt wurde. Das Wasser auf der weichen geschmolzenen Oberfläche neigt dazu, die Anwesenheit der hydrophoben Fluorschwänze auf der Oberfläche zu minimieren, da diese Gruppen noch nicht in der gekühlten Struktur fixiert sind. Das Wasser fördert die Anwesenheit hydrophiler Gruppen an der Oberfläche während der Kühlungsperiode. Dies geschieht auf der luftgekühlten Oberfläche nicht.
14. Tabelle: XPS-Analyse der Rohrleitungsoberfläche (obere 10 nm)
21. Beispiel
HDI-PTMO212I, synthetisiert mit überschüssigem Fluoralkohol, und Gemische mit dem handelsüblichen Polyurethan Corethane 80A
Dieses Beispiel zeigt, dass das SMM aus dem 18. Beispiel in ein handelsübliches Polyurethan von Corvita Inc. mit Polymerweichsegmenten unterschiedlicher Zusammensetzung (d. h. Polycarbonat) eingebaut werden und immer noch einen Oberflächenmodifikationseffekt erzielen kann.
Nach dem Vermischen von HDI-PTMO212I aus dem 18. Beispiel mit dem handelsüblichen Polyurethan Corethane 80A wurde beobachtet, dass dieser Zusatzstoff zur Oberfläche dieses Materials migrierte. Corethane 80A ist ein Polymer aus Methylen-diphenyldiisocyanat, Poly(1,6-hexyl-1,2-ethylcarbonat)diol mit einer relativen Molekülmasse von 2000 und Butandiol. Es ist ein extrudierbares Polymer, das sich von Thermedics Tecoflex-Materialien bzgl. der Isocyanatchemie und der Weichsegmentchemie unterscheidet. Die Kontaktwinkeldaten für dieses Material mit und ohne SMM zeigen, dass die SMM die Chemie des modifizierten Materials dominieren (s. Tabelle 15).
15. Tabelle Wasser/Luft-Kontaktwinkeldaten für HDI-PTMO212I in Corethane 80A
Die Oberflächenmigration des SMM ist in diesem Material ausgezeichnet, und die durch den Kontaktwinkel gemessene Oberflächenhydrophobie der Oberfläche entspricht der von Teflon^®.
22. Beispiel
Gesponnene Fasern in der Form einer hohlen Rohrleitung, hergestellt aus dem Gemisch aus HDI-PTMO212I (synthetisiert mit überschüssigem Fluoralkohol) und dem handelsüblichen Polyurethan Corethane 80A
HDI-PTMO212I aus dem 18. Beispiel wurde mit einer Lösung aus Corethane 80A und Dimethylacetamid in einer Konzentration von 2 Gew.-% (relativ zu Polymerfeststoffen) vermischt und auf einen rotierenden Dorn gesponnen, um die Form einer hohlen Rohrleitung zu erzielen. Nach dem Aushärten der Fasern auf dem Dorn migrierten die SMM zur Oberfläche und wiesen eine erhöhte Fluorkonzentration im Vergleich zur Faserrohrleitung ohne SMM auf. Hinweise darauf werden anhand der XPS-Daten in Tabelle 16 gegeben. Es ist zu bemerken, dass sowohl die Innen- als auch die Außenseite der hohlen Rohrleitung eine erhöhte Fluorkonzentration beinhaltet.
16. Tabelle: XPS-Analyse der Rohrleitungsoberfläche
Man stellte fest, dass es keinen qualitativen Unterschied zwischen den mechanischen Eigenschaften der Faserrohrleitungen mit oder ohne SMM gab. Hohle Rohrleitungen dieser Art werden für künstliche Arterien und verschiedene andere Arten von Blutleitungen in medizinischen Vorrichtungen verwendet.
23. Beispiel
Synthese von MDI-PPO(425)322FSOI
Dieses Beispiel zeigt, dass die SMM mit verschiedenen, hierin definierten, Fluoralkoholen synthetisiert werden können. Dieses spezielle SMM ist dem aus dem 14. Beispiel ähnlich, mit der Ausnahme, dass es mit einem Fluoralkohol mit dem Markennamen Zonyl FSO100 synthetisiert wurde. Dieser Alkohol hat einen ähnlichen fluorierten Schwanz wie BA-L (der in den vorherigen Beispielen verwendet wurde), aber eine -(CH₂CH₂O)_n-Komponente unterschiedlicher Länge, wobei für BA-L n = 1 und für FSO-100 n > 1. Letzterer wird durch Destillations- und Zentrifugierungsverfahren in drei Fraktionen aufgeteilt (Definition siehe folgende Tabelle):
Das SMM MDI-PPO(425)322FSO1 wurde in der folgenden Weise synthetisiert. Die Synthesebedingungen für diese Reaktion waren wie folgt. 8,5 Gramm PPO wurden mit 7,5 Gramm MDI vier Stunden lang reagiert und anschließend wurden 14,6 Gramm FSO1 zur Reaktion gegeben. Das Gemisch wurde ohne Katalysator in 200 ml Dimethylacetamid (DMAc) zur Reaktion gebracht, und die Reaktionstemperatur für den Vorpolymerschritt wurde zwischen 40 und 50°C gehalten. Die polystyroläquivalente gewichtsgemittelte Molekülmasse betrug 1,7 × 10⁴ und sein Fluorgesamtgehalt lag bei 21 Gew.-%.
24. Beispiel
Synthese von MDI-PCL(530)322L
Dieses Beispiel zeigt, dass die SMM von verschiedenen anderen Weichsegmentkomponenten als Polyether synthetisiert werden und aus Polyester, Polyamiden, Polysulfonen usw. bestehen können, was von dem Kompatibilitätsgrad abhängig ist, der für das Substrat erforderlich ist, zu dem das SMM gegeben wird. Dieses spezielle SMM ist dem aus dem 14. Beispiel ähnlich, mit der Ausnahme, dass es mit einem Polyester und nicht mit einem Polyether, nämlich Polycaprolactondiol, synthetisiert wurde. Das SMM MDI-PCL(530)322L wurde in der folgenden Weise synthetisiert. Die Synthesebedingungen für diese Reaktion waren wie folgt: 10,6 Gramm PCL wurden mit 7,5 Gramm MDI vier Stunden lang reagiert, und anschließend wurden 9 Gramm BA-L zur Reaktion gegeben. Das Gemisch wurde ohne Katalysator in 200 ml Dimethylacetamid (DMAc) zur Reaktion gebracht, und die Reaktionstemperatur für den Vorpolymerschritt wurde zwischen 40 und 50°C gehalten. Die polystyroläquivalente gewichtsgemittelte Molekülmasse betrug 2,6 × 10⁴ und sein Fluorgesamtgehalt lag bei 8,6 Gew.-%.
25. Beispiel
Dieses Beispiel zeigt, dass die SMM mit einer Reihe von Polymeren vermischt werden können, um ähnliche Effekte wie die zu erzielen, die für die oben genannten Polyurethanbeispiele beobachtet wurden. Dies wird durch die Tatsache belegt, dass in den obigen Polyurethanbeispielen die dominierende Komponente (nach Gewichtsprozent) die Weichsegmentchemie ist. Die oben genannten Basispolyurethan-Weichsegmente umfassten Polyester, Polyether und Polycarbonate. Nach der Optimierung der SMM-Chemie migrierten diese Zusatzstoffe durch starre und elastomere Polyurethane auf der Basis von Polyether, Polyester und Polycarbonat. Dies lässt somit darauf schließen, dass die SMM durch Polymere variierender Zusammensetzung migrieren können, die unter anderem Polyester, Polyurethane, Polysulfone, Polyamide, Polyether, Polycarbonate, Polyolefine usw. umfassen. Dies wird im folgenden Beispiel veranschaulicht. Die in den Beispielen 14, 23 und 24 synthetisierten SMM wurden mit dem handelsüblichen Polyethersulfon PES, Victrex 4800P von ICI vermischt und als Filme aus 25 Gew.-% PES-Lösungen und 4 Gew.-% SMM (relativ zu PES) gegossen. Victrex 4800P ist ein starres glasartiges Polymer mit einer Glasübergangstemperatur von 220°C. Die Kontaktwinkeldaten für das Material mit und ohne SMM zeigen, dass die SMM die Oberflächenchemie des nativen Polyethersulfons verändert haben (s. Tabellen 17, 18 und 19).
17. Tabelle: Wasser/Luft-Kontaktwinkeldaten für MDI-PCL(530)322L in Victrex 4800P
18. Tabelle: Wasser/Luft-Kontaktwinkeldaten für MDI-PPO(425)FSO1 in Victrex 4800P
19. Tabelle: Wasser/Luft-Kontaktwinkeldaten für MDI-PPO(425)332L in Victrex 4800P
26. Beispiel
SMM in Beimischung mit Polymeren für blutkontaktierende Anwendungen
Synthetisierte SMM können, nachdem sie zu Polymeren medizinischer Bedeutung gegeben wurden, zum Verändern biologischer Interaktionen an der Oberfläche der Materialien verwendet werden. Die Interaktion von Enzymen mit der Oberfläche von Polyurethanen wird beispielsweise in den Beispielen 1, 6 und 8 illustriert. Eine weitere Anforderung an blutkontaktierende Polymere ist, dass sie eine minimale Aktivierung von Blutkomponenten aufweisen. Das folgende Beispiel veranschaulicht die Blutplättchen- und Leukozyten-Reaktivität von 3 verschiedenen SMM (HDI-PPO212L, HDI-PPO322I, HDI-PTMO322I) mit zwei Polyurethanen, nämlich TDI/PCL/ED und MDI/PTMO/ED. Die SMM wurden mit 10%igen Lösungen von TDI/PCL/ED und 5%igen Lösungen von MDI/PTMO/ED in Dimethylacetamid vermischt. Die Menge des SMM relativ zum Basispolymer betrug 5 Gew.-%. Die Lösungen wurden zum Beschichten von Glasröhrchen verwendet, die dann an einer Schaukelplattformvorrichtung montiert wurden. Kurz gesagt, 550 ml frisch heparinisiertes Vollblut wurden in jedes Röhrchen gegeben, und die Enden der Röhrchen wurden mit Armen verbunden, die sich von einer Schaukelplattform erstreckten. Das Vollblut wurde in den Röhrchen 1 Stunde lang bei 37°C leicht geschüttelt; anschließend wurde eine Durchflusszytometrieanalyse der Vollblutmenge von den Röhrchen mit Puffer verlagert [Gemmell C., Ramirez, S. M., Yeo, E. L., Sefton, M. V., "Platelet activation in whole blood by artificial surfaces; identification of platelet-derived microparticles and activated platelet binding to leukocytes as material-induced activation events", J. Lab. Clin. Med. (1995) 125(2), 276–287]. Das Blut wurde in Bezug auf eine Blutplättchenaktivierung durch eine Messung der P-Selektin-Expression und Bildung von Mikropartikeln und Bestimmung der Blutplättchenzahl analysiert. Der n-Wert des Experiments betrug 3 und Silastic und Polyethylenoberflächen wurden als Standard verwendet. Die Aktivierung weißer Blutzellen (Monozyten und Neutrophilen) wurde durch eine Messung der Hinaufregulation von CD11b bestimmt. Die Daten sind in Tabelle 20 enthalten. Silastic-Elastomere werden als gutes Standardreferenzmaterial angesehen, da sie eine minimale Blutzellenaktivierung aufweisen. Es ist erkennbar, dass es keine statistischen Unterschiede zwischen Silastic und irgendeinem der modifizierten Materialien bezüglich einer Aktivierung von Blutplättchen und weißen Blutzellen gibt. Dies legt den Schluss nahe, dass SMM-Materialien neben all ihren anderen Merkmalen eine minimale Blutzellaktivierung aufweisen, wodurch ihre potentielle Anwendung in medizinischen Anwendungen demonstriert wird. Im Vergleich zu Polyethylen führen die SMM-Polyurethane zu einem geringeren Blutplättchenverlust.
20. Tabelle Daten über die Aktivierung von Blutplättchen und weißen Blutzellen für Gemische von SMM und Polyurethanen

Claims

Formartikel aus einem Basispolymer in Beimischung mit einem oberflächenmodifizierenden Makromolekül mit: (i) einem nicht kettenverlängerten zentralen Teil eines segmentierten Blockcopolymers mit einer relativen Molekülmasse von weniger als 5000 und nicht mehr als 10 monomeren Einheiten einer Strukturformel ABAB, der dadurch erhalten wird, dass ein Diisocyanat mit einer Verbindung, die ausgewählt ist aus einem Polyalkylenoxidpolyol, einem Polycarbonatpolyol, einem Polyesterpolyol und einem Lactonpolyol, reagiert wird, und (ii) α-ω-endständigen Perfluoralkyloligomergruppen, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Radikalen der allgemeinen Formel: CF₃(CF₂)_pCH₂ – wobei p 5–9 ist; und CF₃(CF₂)_m(CH₂CH₂O)_n, wobei n 1–10 und m 1–20 ist.
Artikel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Basispolymer ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyurethanen, Polysulfonen, Polycarbonaten, Polyestern, Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol, Poly(acrylonitrilbutadienstyrol), Polybutadien, Polyisopren, Styrolbutadienstyrol-Blockcopolymeren, Styrol-Isoprenstyrol-Blockcopolymeren, Poly-4-methylpenten, Polyisobutylen, Polymethyl-Methacrylat, Polyvinylacetat, Polyacrylonitril, Polyvinylchlorid, Polyethylenterephthalat, Cellulose und ihren Estern und Derivaten, Polymadise, Polyester-Polyethern, Styrol-Isoprenen, Styrol-Butadienen, thermoplastischen Polyolefinen, styrolgesättigten Olefinen, Polyester-Polyester, Ethylen-Vinylacetat, Ethylen-Ethylacrylat, Ionomeren, thermoplastischen Polydienen.
Artikel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Basispolymer ein segmentiertes Polyurethan ist.
Artikel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Polyalkylenoxidpolyol ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyethylenoxid, Polypropylenoxid und Polytetramethylenoxid.
Artikel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Lactonpolyol Caprolactondiol ist.
Artikel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Diisocyanat ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus 2,4-Toluoldiisocyanat, 2,6-Toluoldiisocyanat, Methylen-bis(p-phenyl)diisocyanat, 1,5-Napthalendiisocyanat, 3,3'-Bitoluoldiisocyanat, Methylen-bis(p-cyclohexyldiisocyanat), 1,6-Hexandiisocyanat, 1,12-Dodecandiisocyanat, Isophorondiisocyanat und Cyclohexyldiisocyanat.
Artikel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Perfluoralkylgruppe C₈F₁₇CH₂CH₂ ist.