PL234639B1 - Sposób wytwarzania prepolimeru poli(sebacynianu glicerolu) - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania prepolimeru poli(sebacynianu glicerolu).

Poli(sebacynian glicerolu) (PGS) jest biodegradowlanym poliestrem alifatycznym. Stosowany jest w: inżynierii tkanek miękkich, chrząstki, siatkówki, tkanki nerwowej, regeneracji tkanek serca oraz jako uzupełnienie perforacji błony bębenkowej. Ponadto może być wykorzystany jako nośnik leków, szczególnie przeciwnowotworowych, uszczelniacz chirurgiczny lub jako powierzchnia kontaktowa czujników biomedycznych (R. Rai, M. Tallawi, A. Grigore, A. R. Boccaccini, Progress in Polymer Science, 2012, 37, 1051-1078).

Każde z zastosowań wymaga polimeru o odmiennych właściwościach. W zależności od funkcji, jaką pełni tkanka, stosuje się rusztowania komórkowe wykonane z usieciowanego PGS o różnej średnicy porów. Przykładowo, w przypadku tkanki serca stosuje się PGS o średnicy porów około 380 μm, zaś dla tkanki naczyniowej 25-90 μm. Parametry te znacząco od siebie odbiegają, a uzyskanie określonego materiału zależy od sposobu prowadzenia procesu otrzymywania skafoldu, a nie samego polimeru. Drugim kryterium zastosowania materiału są jego właściwości mechaniczne, które także zależą od sposobu syntezy materiału. Wiele właściwości mechanicznych PGS jest wspólnych dla wymienionych zastosowań (L. L. Liu, F. Ch. Yi, W. Cai, Advanced Materials Research, 2012, 476-478, 2141-2144). Istotne są także standardy czystości wymagane dla wyrobów medycznych.

W przypadku materiałów stosowanych w inżynierii tkankowej niezwykle ważny jest moduł Young'a, określający sprężystość materiału. Ta cecha materiału może być regulowana przez takie parametry syntezy, jak czas i temperatura. Podobna sytuacja występuje w przypadku maksymalnego wydłużenia przy zerwaniu. Elastomer PGS (PGS usieciowany w około 100%), którego moduł Young'a znajduje się w przedziale 0,0250-1,2 MPa może być porównany do tkanki mięśnia sercowego o module 0,02-0,5 MPa, zaś wydłużenie przy zerwaniu wynoszące 330% jest bliskie temu, jakie wykazują tkanki naczyniowe - 260% (Q. Liu, M. Tian, T. Ding, R. Shi, Y. Feng, L. Zhang, D. Chen, W. Tian, Journal of Applied Polymer Science, 2007, 103, 1412-1419; Y. Wang, G. A. Ameer, B. J. Sheppard, R. Langer, Nature Biotechnology, 2002, 20, 602-606).

Biokompatybilność PGS gwarantuje obecność gliceryny jako jednego z monomerów w jego strukturze chemicznej. Ugrupowania estrowe tworzone z kwasem sebacynowym mogą zostać rozłożone przez organizm z taką samą skutecznością, jak te występujące w tłuszczach (Y. Li, W. D. Cook, C. Moorhoff, W.-C. Huang, Q.-Z. Chen, Polymer International, 2013, 62, 534-547).

Wszystkie opisane w literaturze metody otrzymywania poli(sebacynianu glicerolu) polegają na reakcji polikondensacji propan-1,2,3-triolu (gliceryny) z kwasem dekano-1,2-diowym (kwas sebacynowy), z wydzieleniem cząsteczki wody. Znane metody syntezy składają się z wielu etapów pozwalających otrzymać usieciowany polimer (R. Maliger, P. J. Halley, J. J. Cooper-White, Journal of Applied Polymer Science, 2013, 127, 3980-3986; W. Cai, L. Liu, Materials Letters, 2008, 62, 2171-2173).

W dotychczas znanych sposobach wytwarzania PGS stosowano powszechnie polikondensację bez rozpuszczalnika. Kwas sebacynowy rozpuszcza się w glicerynie w stosunku molowym 1:1. Dalsze etapy prowadzi się w atmosferze gazu inertnego (argonu lub azotu). Syntezę polimeru prowadzi się przez 8, 24 lub 48 godzin w temperaturach 110-150°C. Następnie mieszaninę poreakcyjną chłodzi się do temperatury pokojowej (X. Li, A. T.-L. Hong, N. Naskar, H.-J. Chung, Biomacromolecules, 2015, 16, 1525-1533).

W wyniku tak przeprowadzonej reakcji otrzymuje się polimer, który jest już materiałem częściowo usieciowanym, zatem nie można go przetwarzać i formować produktów medycznych np. skafoldów. Również jego rozpuszczalność w rozpuszczalnikach organicznych jest ograniczona, zatem w warunkach przechowywania może on wypadać z roztworu, a przez to ulegać szybszej degradacji.

Nieusieciowany poli(sebacynian glicerolu), czyli prepolimer PGS, ma większą rozpuszczalność od polimeru i jest lepszym materiałem z punktu widzenia przetwarzania w kierunku produktów medycznych.

Znana jest metoda syntezy prepolimeru PGS z użyciem glicerolu i kwasu sebacynowego w stosunku molowym 1:1 (Changsheng L., Kai Y., Jing Z., Yuan Y., Yulin L., Yifan M., Patent CN104587524, 2015). Reakcję prowadzi się w temperaturze 120-140°C, w atmosferze argonu, przez 24 godziny. Autorzy pracy nie oczyszczają go i nie wydzielają tylko dalej prowadzą proces. Drugi etap polega na polikondensacji pod zmniejszonym ciśnieniem przez 18-36 godzin. W tym etapie otrzymuje się częściowo usieciowany prepolimer, a nie prepolimer o małym stopniu usieciowania. W publikacji przedstawiona jest także metoda oczyszczania materiału. Surowy prepolimer PGS rozpuszcza się w etanolu i powstałą emulsję pozostawia się do odstania. Po zlaniu supernatantu koloid poddaje się dializie

PL 234 639 B1 uzyskując oczyszczony prepolimer PGS. Zastosowanie dializy prowadzi do otrzymania niewielkich ilości prepolimeru, co jest nie efektywne z punktu widzenia aplikacji wielkotonażowych.

Otrzymywanie prepolimeru PGS z zastosowaniem równomolowej ilości kwasu sebacynowego oraz glicerolu jest znane także z (Deng Y., Yang Bo., Patent US2016263227, 2016). Reakcje prowadzono w atmosferze azotu, przez 24 godziny, w temperaturze 120°C. Następnie prepolimery mogą być utwardzane w warunkach podwyższonej temperatury (120°C), przez 72 godziny, pod zmniejszonym ciśnieniem. Nie opisano jednak metody oczyszczania prepolimeru z resztek nieprzereagowanej gliceryny, kwasu sebacynowego oraz wody powstającej w reakcji. Obecność wody reakcyjnej jest szczególnie niekorzystna w produkcie ponieważ może ona być czynnikiem hydrolizującym materiał.

Prepolimer PGS, ze względu na swoją niestabilność, powinien być przechowywany w warunkach pokojowych jako roztwór, np. w THF, acetonie, metanolu (X. J. Loh, A. A. Karim, C. Owh, Journal of Materials Chemistry B, 2015, 3, 7641-7652). Przechowywanie w formie rozpuszczonej jest niekorzystne z punktu widzenia dalszego przetwórstwa, ponieważ rozpuszczalniki organiczne zawsze zwierają pewną zawartość wody, która może w niekontrolowany sposób degradować prepolimer PGS. Dodatkowo, jeśli ma on być przetwarzany, to musi on zostać wydzielony z tego roztworu, przez co wzrasta liczba operacji jednostkowych do wykonania. Odparowanie rozpuszczalnika wymaga dostarczenia dużej energii, zatem podnosi koszty wytworzenia produktu, a ponadto podczas odparowywania rozpuszczalnika (zwłaszcza w podwyższonej temperaturze i przy obniżonym ciśnieniu) zachodzą dalsze procesy sieciowania prepolimeru w wyniku czego materiał ulega zmianie (jest niestabilny).

Problemy związane z otrzymywaniem nieusieciowanego prepolimeru PGS zostały rozwiązane w sposobie według wynalazku, zgodnie z którym otrzymuje się prepolimer w formie suchego granulatu.

Sposób wytwarzania prepolimeru poli(sebacynianu glicerolu) według wynalazku charakteryzuje się tym, że mieszaninę kwasu sebacynowego z glicerolem w stosunku molowym 1:2 do 1:5, ogrzewa się w temperaturze 130-170°C przez 4-8 h, z odbieraniem wody i intensywnym mieszaniem oraz w przepływie gazu inertnego. Następnie mieszaninę schładza się do temperatury poniżej 30°C i dodaje się rozpuszczalnik eterowy. Stosunek objętościowy rozpuszczalnika do mieszaniny poreakcyjnej wynosi od 5:1 do 20:1. Otrzymany roztwór wkrapla się do wody, korzystnie demineralizowanej, o temperaturze poniżej 10°C, z intensywnym mieszaniem. Po wkropleniu całego roztworu organicznego do wody mieszaninę chłodzi się do temperatury -5-5°C, następnie filtruje się pod zmniejszonym ciśnieniem w temperaturze 0-10°C, po czym produkt suszy się.

Korzystnie wodę odprowadza się przez wymrażanie lub poprzez dodanie czynnika azeotropującego.

Korzystnie w czasie reakcji kwasu sebacynowego z glicerolem mieszaninę reakcyjną miesza się z prędkością 150-300 rpm.

Korzystne jest stosowanie mieszadła mechanicznego, z łopatkowym elementem mieszającym.

Korzystnie jako rozpuszczalnik eterowy stosuje się dioksan, dioksal lub tetrahydrofuran.

Korzystnie podczas wkraplania roztworu w rozpuszczalniku eterowym do wody stosuje się prędkość mieszania 300-600 rpm.

Korzystnie do filtracji stosuje się filtr o porowatości 3G.

Korzystnie produkt suszy się w przepływie azotu w temperaturze poniżej 25°C pod zmniejszonym ciśnieniem.

W sposobie według wynalazku zastosowano inny stosunek molowy substratów, niż w znanych reakcjach, w których stosuje się zwykle mieszaninę równomolową. Tymczasem zgodnie z wynalazkiem użyto w nadmiarze glicerynę. Dzięki temu reakcję można łatwo zatrzymać na etapie prepolimeru. Dzięki odprowadzaniu wody w czasie reakcji produkt nie zawiera pozostałości wody, niekorzystnej ze względu na niebezpieczeństwo hydrolizy. Sposobem według wynalazku otrzymuje się prepolimer poli(sebacynianu glicerolu) w formie kulistych granul o średnicy do 1 mm. Otrzymanie produktu w formie granul eliminuje całkowicie problemy związane z przechowywaniem w roztworze. Wydajność syntezy prepolimeru PGS jest większa niż 85%, a wydajność oczyszczania wynosi min. 60%.

Sposób według wynalazku został bliżej przedstawiony w przykładach.

P r z y k ł a d 1

Zmieszano kwas sebacynowy z glicerolem w stosunku molowym 1:2,1. Reakcję prowadzono w temperaturze 150°C przez 6 godzin w reaktorze z mieszadłem mechanicznym (300 rpm). W trakcie reakcji cały czas wymrażano wodę w trapie z suchym lodem. Otrzymano prePGS z wydajnością 90%. Następnie zawartość naczynia reakcyjnego schłodzono do 28°C. Stałą pozostałość rozpuszczono w dioksanie (5 mL) i wytrącono do 250 mL lodowatej wody destylowanej (T=8°C). Podczas wkraplania

PL 234 639 B1 stosowano intensywne mieszanie 400 rpm. Następnie zawiesinę ochłodzono do 5°C. Po schłodzeniu zawiesiny przesączono ją na schłodzonym lejku Buchnera z podwójnym sączkiem. Sączek z osadem suszono w 15°C pod ciśnieniem 40 mbar przez 24 godziny. Otrzymano kuliste granule o średnicy do 0,2-0,5 mm (metodą DLS). Wydajność oczyszczania wynosiła min. 80%.

P r z y k ł a d 2

Zmieszano kwas sebacynowy z glicerolem w stosunku molowym 1:3. Reakcję prowadzono w temperaturze 150°C przez 6 godzin w reaktorze z mieszadłem mechanicznym (300 rpm). W trakcie reakcji cały czas wymrażano wodę w trapie z suchym lodem. Otrzymano prePGS z wydajnością 86%. Następnie zawartość naczynia reakcyjnego schłodzono do 20°C. Stałą pozostałość rozpuszczono w dioksanie (10 mL) i wytrącono do 350 mL lodowatej wody destylowanej (T=4°C). Podczas wkraplania stosowano intensywne mieszanie 600 rpm. Następnie zawiesinę ochłodzono do ok. 0°C. Po schłodzeniu zawiesiny przesączono ją na schłodzonym lejku Buchnera z podwójnym sączkiem. Sączek z osadem suszono w 20°C pod ciśnieniem 20 mbar przez 30 godzin. Otrzymano kuliste granule o średnicy do 0,5-0,8 mm (metodą DLS). Wydajność oczyszczania wynosiła 90%.

P r z y k ł a d 3

Zmieszano kwas sebacynowy z glicerolem w stosunku molowym 1:5. Reakcję prowadzono w temperaturze 170°C przez 4 godziny w reaktorze z mieszadłem mechanicznym (250 rpm). W trakcie reakcji cały czas wymrażano wodę w trapie z suchym lodem. Otrzymano prePGS z wydajnością 98%. Następnie zawartość naczynia reakcyjnego schłodzono do 20°C. Stałą pozostałość rozpuszczono w dioksanie (15 mL) i wytrącono do 500 mL lodowatej wody destylowanej (T=4°C). Podczas wkraplania stosowano intensywne mieszanie 300 rpm. Następnie zawiesinę ochłodzono do ok. 0°C. Po schłodzeniu zawiesiny przesączono ją na schłodzonym lejku Buchnera z podwójnym sączkiem. Sączek z osadem suszono w 15°C pod ciśnieniem 20 mbar przez 24 godziny. Otrzymano kuliste granule o średnicy do 0,1-0,25 mm (metodą DLS). Wydajność oczyszczania wynosiła min. 75%.

Claims (7)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób wytwarzania prepolimeru poli(sebacynianu glicerolu) w reakcji polikondensacji kwasu sebacynowego z glicerolem, znamienny tym, że mieszaninę kwasu sebacynowego z glicerolem w stosunku molowym 1:2 do 1:5 ogrzewa się w temperaturze 130-170°C przez

   4-8 h, z odbieraniem wody i intensywnym mieszaniem oraz w przepływie gazu inertnego, następnie mieszaninę schładza się do temperatury poniżej 30°C i dodaje się rozpuszczalnik eterowy, przy czym stosunek objętościowy rozpuszczalnika do mieszaniny poreakcyjnej wynosi od 5:1 do 20:1, po czym otrzymany roztwór wkrapla się do wody o temperaturze poniżej 10°C, z intensywnym mieszaniem, zaś po wkropleniu całego roztworu organicznego do wody mieszaninę chłodzi się do temperatury -5-5°C, następnie filtruje się pod zmniejszonym ciśnieniem w temperaturze 0-10°C, po czym produkt suszy się.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wodę odprowadza się przez wymrażanie lub poprzez dodanie czynnika azeotropującego.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w czasie reakcji kwasu sebacynowego z glicerolem mieszaninę reakcyjną miesza się z prędkością 150-300 rpm.
4. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako rozpuszczalnik eterowy stosuje się dioksan, dioksal lub tetrahydrofuran.
5. 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że podczas wkraplania roztworu w rozpuszczalniku eterowym do wody stosuje się prędkość mieszania 300-600 rpm.
6. 6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do filtracji stosuje się filtr o porowatości 3G.
7. 7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że produkt suszy się w przepływie azotu w temperaturze poniżej 25°C pod zmniejszonym ciśnieniem.