NO158783B

NO158783B - FILAMENT MATERIAL AND PROCEDURE FOR ITS MANUFACTURING.

Info

Publication number: NO158783B
Application number: NO84841009A
Authority: NO
Inventors: Sylvester Gogolewski; Albert Johan Pennings
Original assignee: Univ Groningen
Priority date: 1982-07-16
Filing date: 1984-03-15
Publication date: 1988-07-25
Also published as: NO841009L; NO158783C; BR8307449A

Description

Denne oppfinnelse vedrører et filamentmateriale og en fremgangsmåte for fremstilling av et slikt materiale. This invention relates to a filament material and a method for producing such a material.

Materialet er egnet for kirurgisk anvendelse, som sådant eller The material is suitable for surgical use, as such or

i vevd, flettet eller strikket form, og også som forsterkende strenger. Som kirurgisk materiale er det bioforlikelig og bionedbrytbart. in woven, braided or knitted form, and also as reinforcing strings. As a surgical material, it is biocompatible and biodegradable.

Ved fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen spinnes et polyestermateriale i nærvær av et spesielt additiv. Det kan således fremstilles sterkt fibrillerte suturer som på grunn av sin fibrillering fremviser en god resorpsjons-grad og fleksibilitet som er viktig for håndtering av suturen og binding av knuten. In the method according to the invention, a polyester material is spun in the presence of a special additive. Strongly fibrillated sutures can thus be produced which, due to their fibrillation, exhibit a good degree of resorption and flexibility, which is important for handling the suture and tying the knot.

Regulær strukturisering av fiber-overflaten, dannet ved foreliggende spinnefremgangsmåte og konservert i fibrene endog etter varm-trekking, gir fibrene høy knute-styrke. Regular structuring of the fiber surface, formed by the present spinning process and preserved in the fibers even after hot drawing, gives the fibers high knot strength.

Det foreligger en rekke kommersielle bioforlikelige og bionedbrytbare suturer basert på polyglykolid ("Dexon"), kopolymer av laktid og glykolid ("Vicryl") eller lakton av hydroksy-etyl-glykolsyre ("PDS"). Disse velkjente materialer er det bekvemt å håndtere, og de har den nødvendige grad av bioresorpsjon. There are a number of commercial biocompatible and biodegradable sutures based on polyglycolide ("Dexon"), copolymer of lactide and glycolide ("Vicryl") or lactone of hydroxyethyl glycolic acid ("PDS"). These well-known materials are convenient to handle, and they have the required degree of bioresorption.

Det foreligger imidlertid fremdeles et behov for nye bioforlikelige og bionedbrytbare sutur-materialer. However, there is still a need for new biocompatible and biodegradable suture materials.

Som det fremgår av litteratur-data, er polylaktid-fibre allerede blitt fremstilt, men nedbrytingsgraden for disse fibre er for lav sammenlignet med for "Vicryl"-, "Dexon"- eller "PDS"-suturer. As can be seen from literature data, polylactide fibers have already been produced, but the degradation rate of these fibers is too low compared to "Vicryl", "Dexon" or "PDS" sutures.

Mens suturer av "Vicryl", "Dexon" og "PDS" forsvinner etter henholdsvis ca. 90, 120 og 180 dager fra implantasjonen, blir ikke polylaktid-suturene resorbert før etter ca. 8 til 17 måneder fra implantasjonen. While "Vicryl", "Dexon" and "PDS" sutures disappear after approx. 90, 120 and 180 days from implantation, the polylactide sutures are not resorbed until after approx. 8 to 17 months from implantation.

Selv om således polylaktid er en bioforlikelig, bionedbryt-bar og fiberdannende polymer, har polylaktid-suturene ennå ikke funnet praktisk anvendelse i kirurgi. Thus, although polylactide is a biocompatible, biodegradable and fiber-forming polymer, the polylactide sutures have not yet found practical use in surgery.

Det er et formål med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe suturer med passende strekkfasthet, høy dimensjonsstabilitet og en hydrolysegrad som er sammenlignbar med verdiene for "Vicryl"-, "Dexon"- eller "PDS"-suturer. Et annet formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe fibre som har større fleksibilitet enn dem som frembringes i henhold til standard-metodene, og likevel ha høy strekkfasthet og modul. Det er et ytterligere formål med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe suturer som har høyere knutestyrke enn for fibre fremstilt ved vanlige spinne-prosesser. It is an object of the present invention to provide sutures with suitable tensile strength, high dimensional stability and a degree of hydrolysis comparable to the values of "Vicryl", "Dexon" or "PDS" sutures. Another purpose of the invention is to provide fibers that have greater flexibility than those produced according to the standard methods, and yet have high tensile strength and modulus. It is a further object of the present invention to provide sutures which have a higher knot strength than for fibers produced by ordinary spinning processes.

Disse og andre formål oppnås med filamentmateriale fremstilt ved tørr- eller våt-spinning av en spinneblanding som i alt vesentlig består av et polylaktid og et additiv av poly-uretanmateriale. Når det dreier seg om våt-spinning, er det nød-vendig med et koagulerende materiale. Foretrukne polyester-materialer er poly(L-laktid), (PLLA), poly(dL-laktid) (PdLLA) og kombinasjoner derav, som har en viskositets-midlere molekylvekt pa minst 3 x 10 og fortrinnsvis over 5,0 x 10 kg/kmol, beregnet i samsvar med formelen:tni = 5,45 x 10~^Mv°'<7> , for en viskositet målt ved 25°C i triklormetan. These and other purposes are achieved with filament material produced by dry or wet spinning of a spinning mixture which essentially consists of a polylactide and an additive of polyurethane material. When it comes to wet spinning, a coagulating material is necessary. Preferred polyester materials are poly(L-lactide), (PLLA), poly(dL-lactide) (PdLLA) and combinations thereof, which have a viscosity average molecular weight of at least 3 x 10 and preferably above 5.0 x 10 kg /kmol, calculated in accordance with the formula: tni = 5.45 x 10~^Mv°'<7> , for a viscosity measured at 25°C in trichloromethane.

Oppfinnelsen angår også en fremgangsmåte for fremstilling av filaméntmaterialet ved tørr- eller våt-spinning av en spinneblanding som i alt vesentlig består av polylaktid og et additiv av polyuretan-materiale. The invention also relates to a method for producing the filament material by dry or wet spinning of a spinning mixture which essentially consists of polylactide and an additive of polyurethane material.

Polyuretan-additivet i spinneblandingen kan være et polyester-uretan basert på heksametylen-diisocyanat, 1,4-butandiol og en kopolymer av melkesyre og etylenglykol, dietylenglykol eller tetrametylenglykol; heksametylen-diisocyanat, 2,4,6-tris(dimetyl-aminometyl)fenol og kopolymer av melkesyre og dietylenglykol, etylenglykol eller tetrametylenglykol, et polyester-uretan basert på heksametylen-diisocyanat, trimetylolpropan og en kopolymer av polymelkesyre og tetrametylenglykol eller et polyester-uretan basert på 4,4'-difenylmetan-diisocyanat, 1,4-butandiol og poly-tetrametylen-adipat. Konsentrasjonen av additivet i polylaktid-materialet kan ligge i området fra 1 til 45 vekt%. The polyurethane additive in the spinning mixture can be a polyester urethane based on hexamethylene diisocyanate, 1,4-butanediol and a copolymer of lactic acid and ethylene glycol, diethylene glycol or tetramethylene glycol; hexamethylene diisocyanate, 2,4,6-tris(dimethylaminomethyl)phenol and copolymer of lactic acid and diethylene glycol, ethylene glycol or tetramethylene glycol, a polyester-urethane based on hexamethylene diisocyanate, trimethylolpropane and a copolymer of polylactic acid and tetramethylene glycol or a polyester- urethane based on 4,4'-diphenylmethane diisocyanate, 1,4-butanediol and poly-tetramethylene adipate. The concentration of the additive in the polylactide material can lie in the range from 1 to 45% by weight.

Filaméntmaterialet fremstilt fra denne type av polylaktid/- The filament material produced from this type of polylactide/-

additiv-blandinger blir dannet ved. tørr-spinning av polymeren fra en løsning i et godt oppløst materiale, spesielt i diklormetan og/ eller triklormetan ved romtemperatur gjennom en spinnemaskin. Det oppnådde filamentmateriale blir deretter, i henhold til en spesielt foretrukket utførelse av fremgangsmåten i henhold til oppfin- additive mixtures are formed by dry-spinning of the polymer from a solution in a well-dissolved material, especially in dichloromethane and/or trichloromethane at room temperature through a spinning machine. The obtained filament material is then, according to a particularly preferred embodiment of the method according to the invention

nelsen, utsatt for en varm-trekke-operasjon ved anvendelse av et trekke-forhold innen et bredt område, spesielt opptil 25. nelsen, subjected to a hot-drawing operation using a drawing ratio within a wide range, especially up to 25.

De resulterende orienterte filamenter er sterke, og på grunn The resulting oriented filaments are strong, and for good reason

av sin regulært strukturerte overflate danner de sterke knuter. of their regularly structured surface they form strong knots.

På grunn av deres utstrakte fibrillering ved innvirkning av anvendelse av et additiv, er fibrene fleksible og lette å be-handle ved sutur-dannelse eller knytting, og de hydrolyserer mye raskere enn vanlige polylaktid-fibre. Due to their extensive fibrillation under the influence of the use of an additive, the fibers are flexible and easy to handle by suturing or tying, and they hydrolyze much faster than ordinary polylactide fibers.

De oppfunne fibre, så som de polylaktid-holdige fibre, har svært liten krymping når de oppvarmes ved 37°C i vann i 30 timer, nemlig ca. 1 til 5 % av deres opprinnelige lengde. Ved den oppfunne spinneprosess unngås nedbryting av polymeren under ekstru-dering, og dette resulterer i fibre med høyere strekkfasthet. The invented fibers, such as the polylactide-containing fibers, have very little shrinkage when heated at 37°C in water for 30 hours, namely approx. 1 to 5% of their original length. With the invented spinning process, degradation of the polymer during extrusion is avoided, and this results in fibers with higher tensile strength.

Det anbefales at etylenoksyd anvendes for sterilisering av fibrene, f.eks. polylaktid-holdige fibre, da høy-energi-stråling kan resultere i tverrbinding og kjede-saksing og en viss ned-settelse av strekkfasthet. It is recommended that ethylene oxide is used to sterilize the fibres, e.g. polylactide-containing fibres, as high-energy radiation can result in cross-linking and chain scission and a certain reduction in tensile strength.

Etter sterilisering med etylenoksyd blir suturene i lukkede pakninger utsatt for et vakuum på 10"^ Torr ved 70°C i 1 time. After sterilization with ethylene oxide, the sutures in closed packages are exposed to a vacuum of 10"^ Torr at 70°C for 1 hour.

Ved dette unngås steriliserings-gass i suturene. This avoids sterilization gas in the sutures.

Filamentene i henhold til foreliggende oppfinnelse har en god strekkfasthet på minst 0,4 GPa, fortrinnsvis 0,7 GPa. Noen har strekkfastheter så høye som 0,8 til 1,0 GPa. De oppfunne fibre blir resorbert så som til 50% etter ca. 150 dager, og med en hydrolysegrad som er sammenlignbar med den for PDS-fibre med sammenlignbar tykkelse og fasthet. The filaments according to the present invention have a good tensile strength of at least 0.4 GPa, preferably 0.7 GPa. Some have tensile strengths as high as 0.8 to 1.0 GPa. The invented fibers are resorbed as much as 50% after approx. 150 days, and with a degree of hydrolysis comparable to that of PDS fibers of comparable thickness and strength.

Filamentene i henhold til oppfinnelsen, så som de polylaktid-holdige fibre, som kan være vevd, flettet, strikket eller anvendt som monofilamenter ved vanlige kirurgiske anvendelser, kan anvendes som forsterkende strenger ved oppbygging av bionedbrytbare trakeale eller vaskulære proteser, spesielt for omførings-systemer. Det polymere materiale, spesielt når det er PLLA og/eller PdLLA, som kan omdannes til filamenter, spesielt ved tørr-spinning, kan være tilstede i en spinneløsning, og dette i en konsentrasjon på 10 til 40 vekt% i diklormetan og/eller triklormetan, da disse to løsnings-midler lett oppløser polylaktidet med ovennevnte viskositetsmidlere molekylvekt på ca. 3 x 10 ^ kg/kmol ved romtemperatur. Spinning av polylaktid-fibre fra en løsning med en konsentrasjon i området på 10-40 vekt%, tilveiebringer et monofilament med rimelig strekkfasthet, som i tillegg er regulært strukturert på grunn av The filaments according to the invention, such as the polylactide-containing fibers, which can be woven, braided, knitted or used as monofilaments in common surgical applications, can be used as reinforcing strings in the construction of biodegradable tracheal or vascular prostheses, especially for bypass systems . The polymeric material, especially when it is PLLA and/or PdLLA, which can be converted into filaments, especially by dry spinning, can be present in a spinning solution, and this in a concentration of 10 to 40% by weight in dichloromethane and/or trichloromethane , as these two solvents easily dissolve the polylactide with the above viscosity average molecular weight of approx. 3 x 10 ^ kg/kmol at room temperature. Spinning polylactide fibers from a solution with a concentration in the range of 10-40% by weight provides a monofilament with reasonable tensile strength, which is additionally regularly structured due to

smelte-bruddet som vist skjematisk på den medfølgende tegning, the melt fracture as shown schematically in the accompanying drawing,

så som oppnådd (trekke-forhold A = 0) og etter varm-trekking ved trekke-forhold X på henholdsvis 6, 10 og 20. Selv varm-trekking ved høye trekke-forhold fjerner ikke fullstendig overflate-strukturen, men resulterer i en forlengelse av stig-ningen på spiral-strukturen. as obtained (draw ratio A = 0) and after hot-drawing at draw ratios X of 6, 10 and 20 respectively. Even hot-drawing at high draw ratios does not completely remove the surface structure, but results in an elongation of the rise on the spiral structure.

Diameteren på den resulterende fiber vil vanligvis ligge The diameter of the resulting fiber will usually lie

i området fra 0,3 til 1 x 10 -4 m. Foretrukne monofilamenter har en diameter på ca. 0,4 til 1 x 10 -4 m. in the range from 0.3 to 1 x 10 -4 m. Preferred monofilaments have a diameter of approx. 0.4 to 1 x 10 -4 m.

Spinnemaskiner som har dysestørrelser på 0,2 til 1 mm og Spinning machines that have nozzle sizes of 0.2 to 1 mm and

en lengde på kapillarrøret på 10 mm, er egnet for spinning av monofilamentene. Ved tørr-spinning fra diklormetan- eller triklormetan-løsninger, blir løsningen ekstrudert ved romtemperatur ved hvilken løsningsmidlet sakte fordamper. En foretrukket polymer-konsentrasjon er 15-25, spesielt ca. 20 vekt%. a length of the capillary tube of 10 mm is suitable for spinning the monofilaments. In dry spinning from dichloromethane or trichloromethane solutions, the solution is extruded at room temperature at which the solvent slowly evaporates. A preferred polymer concentration is 15-25, especially approx. 20% by weight.

Filamentet blir ekstrudert med. en hastighet innen området på 0,02 til 2 mm/min. Dette gir ingen orientering til fibrene som spunnet. Etter spinning blir polylaktid-fibrene varm-trukket ved en temperatur i området 45 til 200°, fortrinnsvis ved 110, 170, 180 eller 200°C, hvilken temperatur avhenger av additiv-konsentrasjonen i polymeren og smelte-temperaturen til additivet. The filament is extruded with a speed in the range of 0.02 to 2 mm/min. This gives no orientation to the fibers as spun. After spinning, the polylactide fibers are hot-drawn at a temperature in the range 45 to 200°, preferably at 110, 170, 180 or 200°C, which temperature depends on the additive concentration in the polymer and the melting temperature of the additive.

Trekke-forholdet X kan være opptil 25, fortrinnsvis 14 til 18. Opptakshastigheten kan være 1 området på 0,2 til 1 cm.sek. med en strammehastighet i området på 10 ^ sek. The draw ratio X may be up to 25, preferably 14 to 18. The recording speed may be in the range of 0.2 to 1 cm.sec. with a tightening speed in the range of 10 ^ sec.

Varm-trekkingen av fibrene kan utføres i en elektrisk rør-ovn med en lengde på 60 cm under en tørr, oksygen-fri atmos-fære. Varm-trekking ved temperaturer over 120°C kan redusere molekylvekten til utgangs-polymeren med 1-2 prosent. The hot drawing of the fibers can be carried out in an electric tube furnace with a length of 60 cm under a dry, oxygen-free atmosphere. Hot drawing at temperatures above 120°C can reduce the molecular weight of the starting polymer by 1-2 percent.

Filamentet kan farves ved tilsetning av et inert materiale, f.eks. Cosmetic Violet No. 2, til løsningsmidlet før fremstil-lingen av spinneløsningen. The filament can be colored by adding an inert material, e.g. Cosmetic Violet No. 2, to the solvent before the production of the spinning solution.

Oppfinnelsen belyses i og ved de følgende eksempler. The invention is illustrated in and by the following examples.

EKSEMPEL t EXAMPLE t

Filamenter med en regulært strukturert overflate og med en diameter på 0,44 x 10 —4m, en strekkf asthet på 1 GPa, en modul på 12 GPa, en styrke på båtsroannsknute på 0,6 GPa og en forlengelse ved brudd på 18% ble fremstilt ved å spinne poly(L-laktid) fra en 20 vekt% løsning i triklormetan ved romtemperatur. Filaments with a regularly structured surface and with a diameter of 0.44 x 10 -4m, a tensile strength of 1 GPa, a modulus of 12 GPa, a boat rope knot strength of 0.6 GPa and an elongation at break of 18% were prepared by spinning poly(L-lactide) from a 20 wt% solution in trichloromethane at room temperature.

Poly(L-laktidet) hadde en viskositets-midlere molekylvekt på 6,0 x IO<5>. Fibrene ble som spunnet varm-trukket ved 200°C til et trekke-forhold på 20. The poly(L-lactide) had a viscosity average molecular weight of 6.0 x 10<5>. As spun, the fibers were hot-drawn at 200°C to a drawing ratio of 20.

EKSEMPEL II EXAMPLE II

Filamenter med en regulært strukturert overflate og med en diameter på 0,6 x 10 -4 m, en strekkfasthet på 0,8 GPa, en modul på 9 GPa, en styrke på båtsmannsknute på 0,5 GPa og en forlengelse ved brudd på 17% ble fremstilt ved spinning av poly(L-laktid) som inneholdt 10 vekt% kamfer, fra en 20 vekt% løsning i triklormetan ved romtemperatur. Poly(L-laktidet) hadde en viskositets-midlere molekylvekt på 6,0 x IO<5>. Fibrene ble trukket ved 180°C til et trekke-forhold på 4. Filaments with a regularly structured surface and with a diameter of 0.6 x 10 -4 m, a tensile strength of 0.8 GPa, a modulus of 9 GPa, a boatman's knot strength of 0.5 GPa and an elongation at break of 17 % was prepared by spinning poly(L-lactide) containing 10 wt% camphor, from a 20 wt% solution in trichloromethane at room temperature. The poly(L-lactide) had a viscosity average molecular weight of 6.0 x 10<5>. The fibers were drawn at 180°C to a draw ratio of 4.

Etter varm-trekking ble filamentene ekstrahert i etanol i After hot-drawing, the filaments were extracted in ethanol i

4 timer. Det var ikke noe additiv tilstede i fibrene etter ekstraneringen. De oppnådde filamenter viste seg å ha en sterkt fibrillert struktur. 4 hours. There was no additive present in the fibers after the extraction. The filaments obtained were found to have a highly fibrillated structure.

EKSEMPEL III EXAMPLE III

Filamenter med en regulært strukturert overflate og med en diameter på 0,7 x 10 -4 m, en strekkfasthet på 0,65 GPa, en modul på 8 GPa, en styrke på båtsmannsknute på 0,45 GPa og en forlengelse ved brudd på 19% ble fremstilt ved å spinne poly(L-laktid) inneholdende 5 vekt% av et polyester-uretan fra en 18 vekt% løsning i et vandig triklormetan. Poly(L-laktidet) hadde en viskositets-midlere molekylvekt på 4,0 x 10 5. Fibrene ble trukket ved 150°C til et trekke-forhold på 24. Poly(L-laktid)/- polyester-uretan-monofilamentet som således ble oppnådd hadde en sterkt fibrillert struktur. Filaments with a regularly structured surface and with a diameter of 0.7 x 10 -4 m, a tensile strength of 0.65 GPa, a modulus of 8 GPa, a boatman's knot strength of 0.45 GPa and an elongation at break of 19 % was prepared by spinning poly(L-lactide) containing 5 wt% of a polyester-urethane from an 18 wt% solution in an aqueous trichloromethane. The poly(L-lactide) had a viscosity-average molecular weight of 4.0 x 10 5. The fibers were drawn at 150°C to a draw ratio of 24. The poly(L-lactide)/- polyester-urethane monofilament which thus was obtained had a highly fibrillated structure.

EKSEMPEL IV EXAMPLE IV

-4 Sterkt fibrillerte filamenter med en diameter på 0,6 x 10 m og en strekkfasthet ved brudd på 0,7 GPa ble holdt i vann ved 37°C i 10 til 200 dager. Etter ca. 150 dager ble filamentene hydrolysert til 50%. Hydrolysegraden er sammenlignbar med den for PDS-filamenter med lignende fasthet og tykkelse. -4 Strongly fibrillated filaments with a diameter of 0.6 x 10 m and a tensile strength at break of 0.7 GPa were kept in water at 37°C for 10 to 200 days. After approx. 150 days, the filaments were hydrolyzed to 50%. The degree of hydrolysis is comparable to that of PDS filaments of similar strength and thickness.

Claims

1. Filament material suitable for surgical use, characterized in that it is produced by dry or wet spinning of a spinning mixture which essentially consists of polylactide and a polyurethane additive.

2. Process for producing a filament material as stated in claim 1, characterized by dry or wet spinning of a spinning mixture which essentially consists of polylactide and an additive of polyurethane material.

3. Method according to claim 2, characterized in that the manufactured filament is subjected to hot drawing.

4. Method according to claim 3, characterized in that the drawing is carried out using a drawing ratio of up to 25.

5. Method according to claim 2, characterized in that the filaments are produced by dry spinning at room temperature of a solution of poly(L-lactide), PLLA, and/or poly(dL-lactide), PdLLa, with a concentration in the range of 5-70% by weight in the presence of a biodegradable polyester-urethane material.

6. Method according to claim 5, characterized in that a concentration in the range of 10-40% by weight is used, especially approx. 20% by weight.

7. Method according to claims 5 and 6, characterized in that CHCl3 and/or CH2Cl2 is used as solvent.

8. Method according to claims 2-7, characterized in that a polyurethane material is used which is soluble in CHCl3 and/or CH2CI2 and/or C2HaOH and has a melting temperature in the range 40-180°C.

9. Method according to claims 2-8, characterized in that a concentration of the polyurethane material in the polylactide material is used which is in the range 1-45% by weight.