PL240887B1 - Sposób otrzymywania organicznego materiału o właściwościach porotwórczych, przeciwzapalnych i przeciwkrzepliwych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób otrzymywania organicznego materiału o właściwościach porotwórczych, przeciwzapalnych i przeciwkrzepliwych, przeznaczonego zwłaszcza do budowy aparatury medycznej, w szczególności do budowy podzespołów mających bezpośredni styk z krwią.

Materiały o właściwościach porotwórczych wykorzystywane są do wytwarzania membran selektywnych, czyli takich, które przepuszczają jedynie cząstki o określonej wielkości. Z takich materiałów wytwarza się między innymi membrany do zastosowania przy produkcji przedmiotów codziennego użytku, takich jak: namioty, kurtki, filtry, ale także membrany osmotyczne mające zastosowanie w medycynie: w filtrach do terapii nerkozastępczej oraz w oksygenatorach do utlenowania krwi.

Najpopularniejszym, wysoko zaawansowanym technologicznie - w zastosowaniach niemedycznych - materiałem porotwórczym (stosowanym na przykład do produkcji kurtek), z którego wykonywane były membrany jest poli(tetrafluoroetylen).

Natomiast w zastosowaniach medycznych, to jest do budowy aparatury medycznej, z dotychczasowego stanu techniki znane są różne materiały, w tym materiały do budowy porowatych membran stosowanych w aparaturze mającej bezpośredni kontakt z płynami ustrojowymi.

Na przykład z opisu patentowego PL225257 znany jest układ membranowy do miejscowej immobilizacji komórek eukariotycznych, posiadający suport oraz co najmniej jedną biwarstwę, utworzoną kolejno z jednej warstwy polielektrolitu obejmującej hydrożele polisacharydowe, zwłaszcza alginian sodu zawierający w swej strukturze inkorporowany fulerenol oraz proteinę α, charakteryzujący się tym, że pierwsza warstwa jest nałożona bezpośrednio na grupę izolowanych komórek posadowionych następnie na suporcie wykonanym z tego samego materiału pod względem składu oraz drugiej warstwy polimerowej z alifatycznych amin II lub III rzędowych - zawierających grupy etylowe lub metylowe z inkorporowanym fulerenolem. W układzie tym jedna warstwa nałożona jest bezpośrednio na grupę izolowanych komórek eukariotycznych, i pozwala on na izolację komórek eukariotycznych od środowiska zewnętrznego, w szczególności mikroorganizmów, jednocześnie nie ograniczając transportu substancji odżywczych przez membranę, pozwalając na ich ukierunkowany wzrost.

Z opisu patentowego PL212620 znana jest specjalnie modyfikowana membrana poliolefinowa (PP, PE) oraz sposób modyfikowania mikroporowatych membran poliolefinowych przeznaczonych do izolacji bakterii Gram (+), polegający na tym, że w strukturę membrany poliolefinowej o wysokiej porowatości wprowadza się w znany sposób roztwór polikationu, wybranego z grupy obejmującej aminokwasy alifatyczne, zwłaszcza białkowe, korzystnie polarne i rozpuszczone w roztworze NaCl, a następnie w strukturę membrany wprowadza się w znany sposób, korzystnie przez moczenie, roztwór polianionu, wybranego z grupy obejmującej polimer aminy II lub III rzędowej, zwłaszcza metyloaminy i etyloaminy, korzystnie zawierające 100% grup metylowych lub etylowych, rozpuszczony w roztworze NaCl.

Z opisu patentowego PL197199 znana jest również polimerowa membrana protonowo przewodząca na bazie uwodnionego poli(kwasu perfluorosulfonowego) charakteryzująca się tym, że stanowi ją produkt reakcji radiacyjnego szczepienia poli(kwasu perfluorosulfonowego) z kwasem winylofosfonowym użytym w ilości od 1 do 40% wagowych lub kwasem 2-akryloamido-2-metylopropanosulfonowym użytym w ilości od 1 do 40% wagowych.

Z opisu patentowego PL165872 znany jest sposób wytwarzania wielowarstwowej membrany porowatej z policzterofluoroetylenu zawierającej co najmniej dwie warstwy posiadające pory o różnych przeciętnych średnicach, który obejmuje etapy: napełnienia cylindra wytłaczarki co najmniej dwoma różniącymi się rodzajami drobnoziarnistych proszków policzterofluoroetylenowych, przy czym z każdym zmieszany został ciekły środek poślizgowy.

Z opisu patentowego EP0409496 znany jest proces otrzymywania mikroporowatych membran zawierających co najmniej częściowo krystaliczny aromatyczny polimer zawierający w łańcuchu eter lub wiązania tioeterowe i ketonowe. Proces pozwala na wytwarzanie membran z niektórych aromatycznych polimerów o wysokiej temperaturze topnienia, na przykład PEDK.

Rodzaj materiałów z jakich wykonywane były membrany znane ze wskazanych wyżej rozwiązań pozwala - ze względów sterycznych - na ich zastosowanie do oksygenacji krwi, jednakże ich istotne ograniczenia biochemiczne w znaczącym stopniu limitują to zastosowanie. Membrany te nie zawierały bowiem dodatków zapewniających uwalnianie substancji przeciwkrzepliwych, co w takich zastosowaniach było ich istotną niedogodnością. Ponadto, ze względu na swoją strukturę charakteryzują się rozwiniętą topografią powierzchni w skali mikrometrycznej, co było przyczyną ich negatywnego działania na organizmy żywe. Na poziomie komórkowym membrany te powodują steryczne uszkodzenie błon

PL 240 887 B1 komórkowych, co skutkuje destabilizacją komórek. Ponadto membrany nie mogą hamować tworzenia skrzeplin i nie zabezpieczają przed tworzeniem się biofilmu bakteryjnego.

Jak dotąd, w zastosowaniach medycznych, jako materiały o właściwościach porotwórczych stosowane były przede wszystkim polipropylen (PP) i poliuretan (PU). Na przykład w urządzeniach stosowanych w procesie utlenowania (oksygenacji) krwi, jako materiał porowaty do budowy membran wykorzystywany był poliuretan, a do budowy elementów do rozdzielania warstw membran (spacer) stosowany był polipropylen. Pomimo wysokiej skuteczności takich membran pod względem wymiany gazowej, mają one ograniczenia związane przede wszystkim z inicjowaniem reakcji zapalnej z niskiej bioinercji tych materiałów. Wpływało to na tworzenie się stopniowo narastających skrzeplin na powierzchni membrany. W takim przypadku, aby utrzymać skuteczność utlenowania krwi konieczne było zwiększenie stężenia tlenu, co indukuje stres oksydacyjny i nasila proces wykrzepiania, wywołując niekorzystną kaskadę szybko następujących po sobie niekorzystnych czynników, ponieważ należy ciągle zwiększać stężenie tlenu aby utrzymać poziom saturacji krwi, a to nasila stres oksydacyjny i potęguje wykrzepianie. Po przekroczeniu pewnego progu, ilość skrzeplin jest już tak duża, że urządzenie nie nadaje się do dalszej pracy (nie spełnia swojej funkcji) i należy wymienić cały układ oksygenatora.

W związku z tym zaistniała potrzeba opracowania nowego materiału na membrany, przeznaczonego zwłaszcza do zastosowań medycznych, który pozwalałby na osiągnięcie wysokiego poziomu właściwości porotwórczych, a jednocześnie zapewniałby jego biokompatybilność i bioinercję (obojętność) w kontakcie z krwią pacjenta. Powodem zastosowania nowego materiału do wytworzenia membrany w oksygenatorze jest potrzeba zmniejszenia ryzyka indukowania stanu zapalnego, a co za tym idzie spowalniania procesów wykrzepiania na membranie i wydłużenia żywotności urządzenia.

Z dotychczasowego stanu techniki znane są różne związki o działaniu przeciwzakrzepowym. Między innymi znana jest biwalirudyna - lek przeciwzakrzepowy z grupy bezpośrednich swoistych inhibitorów trombiny (DTI). DTI blokują miejsce aktywne, odpowiedzialne za główne działanie trombiny i/lub miejsce zewnętrzne, gdzie substrat jest rozpoznawany i przestrzennie prawidłowo orientowany. Działanie tych inhibitorów jest bezpośrednie i nie zależy od obecności antytrombiny. W przeciwieństwie do pośrednich inhibitorów DTI mogą one hamować trombinę związaną z fibryną, co uniemożliwia rozszczepienie przez trombinę fibrynogenu do monomerów fibryny, aktywację czynników XIII, V, VIII i pobudzanie trombocytów do agregacji.

W opisach patentowych US 2008125857 A1, US 4229838 A, CN 101745327 A ujawniono substancję aktywną o działaniu przeciwzakrzepowym, która może zaadsorbowana wewnątrz porów membran na bazie polimerów fluorowych. Aktywna substancja jest w formie jonowej lub kompleksu. Ponadto z opisów patentowych JP 2007229123 A oraz CN 103240006 A, a także publikacji: S. Salgin et al., “Adsorption of bovine serum albumin on polyether sulfone ultrafiltration membranes: Determination of interfacial interaction energy and effective diffusion coefficient”, Journal of Membrane Science 278 (2006) 251-260; Tongwen Xu et al., “Determination of effective diffusion coefficient and interfacial mass transfer coefficient of bovine serum albumin (BSA) adsorption into porous polyethylene membrane by microscope FTIR-mapping study”, Chemical Engineering Science 59 (2004) 4569-4574, Ana Maria Brites et al., “A new approach to the evaluation of the effects of protein adsorption onto a polysulfone membrane”, Journal of Membrane Science 78 (1993) 265-276, wiadome jest, że aktywna substancja jak: albumina, heparyna, hirudyna czy argatroban, może być zaadsorbowana wewnątrz porów różnych polimerowych materiałów, w szczególności przeznaczonych do wytwarzania membran stosowanych w aparaturze medycznej.

Sam fakt dodania substancji aktywnej do materiału bazowego nie jest jednak wystarczający aby uzyskać zadowalające i specyficzne właściwości materiału. Do tego niezbędne jest opracowanie efektywnego sposobu otrzymywania materiału. Celem twórców niniejszego wynalazku stało się zatem opracowanie efektywnego sposobu otrzymywania materiału o właściwościach porotwórczych, przeciwzapalnych i przeciwkrzepliwych, zawierającego immobilizowaną w swoim składzie biwalirudynę, półprzepuszczalnego dla gazów, przeznaczonego zwłaszcza do budowy membran stosowanych w medycznych układach gazowymiennych, zwłaszcza do oksygenacji krwi (oksygenatory).

Istotę wynalazku stanowi sposób otrzymywania organicznego materiału o właściwościach porotwórczych, przeciwzapalnych i przeciwkrzepliwych charakteryzujący się tym, że materiał bazowy w postaci polimeru fluorowego, korzystnie poli(tetrafluoroetylenu) (PTFE, teflon) lub polifluorku winylidenu (PVDF) lub kopolimeru tetrafluoroetylenu i heksafluoropropylenu (FEP) wytłacza się na głowicy liniowej w postaci struny, korzystnie o średnicy od 2 do 10 mm, lub na głowicy krzyżowej w postaci rurki, korzystnie o średnicy zewnętrznej od 2 do 10 mm, lub na głowicy płaskiej w postaci folii korzystnie

PL 240 887 B1 o grubości 0,1 do 3 mm, po czym przeprowadza się proces immobilizacji biwalirudyny do struktury sterycznej tak otrzymanego materiału w sposób zapewniający jej zawartość w materiale w proporcji bazabiwalirudyna od 80^1 do 1200^1, korzystnie 150^1, w taki sposób, że po wstępnym ochłodzeniu wytłoczonego materiału w łaźni zawierającej przesycony wodny roztwór biwalirudyny do temperatury ±30°C od temperatury przejścia plastycznego, korzystnie poniżej temperatury przejścia plastycznego dokonuje się jego rozciągnięcia na kalandrach (znanymi metodami tworzenia włókien lub folii), tak aby otrzymać wydłużenie 5^20-krotne, korzystnie 10-krotne, co skutkuje powstaniem mikroporów, w których immobilizuje się biwalirudyna, przy czym w wariancie z wytłoczoną struną proces jej rozciągania prowadzi się liniowo - zachowując formę struny lub w dwóch kierunkach - tworząc ze struny płaską folię.

Korzystnie, materiał bazowy stosuje się w postaci przemiału albo kruszywa albo najkorzystniej granulatu.

Korzystnie, na etapie kalandrowania podczas immobilizacji czynnika aktywnego w postaci biwalirudyny stosuje się cykliczne zmniejszanie i zwiększanie naprężenia, co zwiększa skuteczność immobilizacji biwalirudyny w porach materiału.

Struktura chemiczna makrocząsteczek materiałów otrzymanych sposobem według wynalazku wpływa na ich dobre właściwości porotwórcze, a jednocześnie zapewnia jego biokompatybilność i bioinercję (całkowitą obojętność). W przypadku zastosowania tych materiałów do wytworzenia membran do oksygenatorów ograniczone jest ryzyko indukowania stanów zapalnych, a co za tym idzie spowalnia się proces wykrzepiania na membranie. Sposób według wynalazku umożliwia otrzymanie materiałów o wielkości porów w zakresie nano, tak aby pojedyncza molekuła tlenu i dwutlenku węgla była w stanie przenikać przez pory, a jednocześnie żeby pory były mniejsze niż wielkocząsteczkowe pakiety z jakich zbudowane są płyny ustrojowe, co w efekcie pozwala skutecznie utlenować krew, bez ryzyka przenikania przez pory cząsteczek krwi.

Poza powyższymi zaletami, rozwiązanie według wynalazku pozwala na otrzymanie membran o bardzo szerokim zakresie wielkości porów od skali nano/mikro (zastosowanie zwłaszcza do oksygenacji, wymiany gazowej) do skali makroporów o wielkości nawet dziesiątych części milimetra (zastosowanie jako materiały wodoszczelne, oddychające). Sposób według wynalazku umożliwia precyzyjne sterowanie wielkością tworzonych porów.

Zastosowanie immobilizowanej biwalirudyny pozwala na utrzymanie stałego jej stężenia na powierzchni kontaktowej detalu przez cały okres stosowania materiałów (programowanego życia produktu). Zminimalizowana jest możliwość nadmiernego wypłukiwania biwalirudyny, a ze względu na kontrolowany dyfuzyjnie proces uwalniania biwalirudyny, jej stężenie kontaktowe na powierzchni produktu jest stałe.

Wprowadzenie biwalirudyny w sposobie otrzymywania materiału według wynalazku nadaje materiałowi również pożądane właściwości przeciwzakrzepowe i przeciwzapalne. Biwalirudyna, jak już wyżej zaznaczono ma silne działanie przeciwzakrzepowe krwi dzięki oddziaływaniu na centrum aktywne trombiny. Domieszka biwalirudyny wbudowana jest zarówno w pory materiału jak i w mikropęknięcia powstałe jako defekty równowagowe na etapie tworzenia materiału. Poprawia to istotnie ciągłość powierzchniową struktury materiału, a przez to zabezpiecza przed zaleganiem materiału organicznego w porach i mikropęknięciach i znacząco obniża wykrzepianie.

Sposób otrzymywania organicznego materiału o właściwościach porotwórczych, przeciwzapalnych i przeciwkrzepliwych z dodatkiem biwalirudyny według wynalazku zostanie bliżej objaśniony na podstawie poniższych przykładów.

P r z y k ł a d 1

Materiał w postaci granulatu PTFE wytłacza się na głowicy liniowej w postaci struny, o średnicy 2 mm po czym przeprowadza się proces immobilizacji biwalirudyny do struktury sterycznej tak otrzymanego materiału, w taki sposób, że po wstępnym ochłodzeniu w łaźni zawierającej przesycony wodny roztwór biwalirudyny do temperatury o 20°C niższej od temperatury przejścia plastycznego, dokonuje się jego rozciągnięcia na kalandrach, tak aby otrzymać wydłużenie 10-krotne. Podczas kalandrowania stosuje się cykliczne zmniejszanie i zwiększanie naprężenia w zakresie 60^90% naprężenia, tak aby otrzymać wydłużenie 10-krotne. Proces jej rozciągania prowadzi się w dwóch kierunkach tworząc ze struny płaską folię. W tego typu procesie otrzymuje się stosunek biwalirudyny do bazy na poziomie 1:100.

Tak otrzymany materiał na bazie PTFE (teflonu) może być stosowany jako filtr do skrzeplin w sprzęcie medycznym ze względu na dużą biokompatybilność. Otrzymane pory charakteryzują się wielkością od 1 nanometra do 300 mikrometrów. Układy posiadające wielkość porów pomiędzy 75

PL 240 887 B1 a 150 mikrometrów idealnie nadają się do hodowli komórek. Układy posiadające pory rzędu nanometrów mogą być wykorzystywane do tworzenia membran gazo-przepuszczalnych na przykład w procesie utlenowania krwi i oksygenacji.

P r z y k ł a d 2

Materiał w postaci granulatu PVDF wytłacza się na głowicy płaskiej w postaci folii o grubości 0,1 mm, po czym przeprowadza się proces immobilizacji biwalirudyny do struktury sterycznej tak otrzymanego materiału, w taki sposób, że po wstępnym ochłodzeniu w łaźni zawierającej przesycony wodny roztwór biwalirudyny do temperatury o 10°C niższej od temperatury przejścia plastycznego, dokonuje się jego rozciągnięcia na kalandrach, tak aby otrzymać wydłużenie 15-krotne. W tego typu procesie otrzymuje się stosunek biwalirudyny do bazy na poziomie 1:140.

Tak otrzymany materiał na bazie polifluorku winylidenu może być stosowany jako filtr do skrzeplin w sprzęcie medycznym ze względu na dużą biokompatybilność. Otrzymane pory charakteryzują się wielkością od 1 nanometra do 300 mikrometrów. Układy posiadające wielkość porów pomiędzy 75 a 150 mikrometrów idealnie nadają się do hodowli komórek. Układy posiadające pory rzędu nanometrów mogą być wykorzystywane do tworzenia membran gazo-przepuszczalnych na przykład w procesie utlenowania krwi i oksygenacji.

P r z y k ł a d 3

Materiał w postaci przemiału FEP wytłacza się na głowicy krzyżowej w postaci rurki o średnicy zewnętrznej 3 mm, po czym przeprowadza się proces immobilizacji biwalirudyny do struktury sterycznej tak otrzymanego materiału, w taki sposób, że po wstępnym ochłodzeniu w łaźni zawierającej przesycony wodny roztwór biwalirudyny do temperatury o 15°C wyższej od temperatury przejścia plastycznego, dokonuje się jego rozciągnięcia na kalandrach, tak aby otrzymać wydłużenie 5-krotne. Podczas kalandrowania stosuje się cykliczne zmniejszanie i zwiększanie naprężenia w zakresie 60^90% naprężenia, tak aby otrzymać wydłużenie 5-krotne. W tego typu procesie otrzymuje się stosunek biwalirudyny do bazy na poziomie 1:1200.

Tak otrzymany materiał na bazie kopolimeru tetrafluoroetylenu i heksafluoropropylenu może być stosowany jako filtr do skrzeplin w sprzęcie medycznym ze względu na dużą biokompatybilność. Otrzymane pory charakteryzują się wielkością od 1 nanometra do 300 mikrometrów. Układy posiadające wielkość porów pomiędzy 75 a 150 mikrometrów idealnie nadają się do hodowli komórek. Układy posiadające pory rzędu nanometrów mogą być wykorzystywane do tworzenia membran gazo-przepuszczalnych na przykład w procesie utlenowania krwi i oksygenacji.

P r z y k ł a d 4

Materiał w postaci kruszywa PVDF wytłacza się na głowicy płaskiej w postaci folii o grubości 0,5 mm, a następnie po wstępnym ochłodzeniu w łaźni zawierającej przesycony wodny roztwór biwalirudyny do temperatury o 15°C niższej od temperatury przejścia plastycznego, dokonuje się jego rozciągnięcia na kalandrach, tak aby otrzymać wydłużenie 15-krotne. W tego typu procesie otrzymuje się stosunek biwalirudyny do bazy na poziomie 1:150.

Tak otrzymany materiał na bazie polifluorku winylidenu może być stosowany jako filtr do skrzeplin w sprzęcie medycznym ze względu na dużą biokompatybilność. Otrzymane pory charakteryzują się wielkością od 1 nanometra do 300 mikrometrów. Układy posiadające wielkość porów pomiędzy 75 a 150 mikrometrów idealnie nadają się do hodowli komórek. Układy posiadające pory z rzędu nanometrów mogą być wykorzystywane do tworzenia membran gazo-przepuszczalnych na przykład w procesie utlenowania krwi i oksygenacji.

Sposób według wynalazku pozwala otrzymać materiał o właściwościach porotwórczych, przeciwzapalnych i przeciwkrzepliwych, przeznaczony zwłaszcza do budowy aparatury medycznej, w szczególności do budowy podzespołów mających bezpośredni styk z krwią. Rozwiązanie może między innymi znaleźć zastosowanie do otrzymywania membran do utlenowania krwi oraz innych membran gazo selektywnych.

Claims (3)

1. Sposób otrzymywania organicznego materiału o właściwościach porotwórczych, przeciwzapalnych i przeciwkrzepliwych, znamienny tym, że materiał bazowy w postaci polimeru fluorowego, korzystnie poli(tetrafluoroetylenu) lub polifluorku winylidenu lub kopolimeru tetrafluoroetylenu i heksafluoropropylenu wytłacza się na głowicy liniowej w postaci struny, korzystnie

PL 240 887 B1 o średnicy od 2 do 10 mm, lub na głowicy krzyżowej w postaci rurki, korzystnie o średnicy zewnętrznej od 2 do 10 mm, lub na głowicy płaskiej w postaci folii korzystnie o grubości 0,1 do 3 mm, po czym przeprowadza się proces immobilizacji biwalirudyny do struktury sterycznej tak otrzymanego materiału w sposób zapewniający jej zawartość w materiale w proporcji bazabiwalirudyna od 80^1 do 120^1, korzystnie 150^1, w taki sposób, że po wstępnym ochłodzeniu w łaźni zawierającej przesycony wodny roztwór biwalirudyny do temperatury ±30°C od temperatury przejścia plastycznego, korzystnie poniżej temperatury przejścia plastycznego, dokonuje się jego rozciągnięcia na kalandrach, tak aby otrzymać wydłużenie 5^20-krotne, korzystnie 10-krotne, przy czym w wariancie z wytłoczoną struną proces jej rozciągania prowadzi się liniowo - zachowując formę struny lub w dwóch kierunkach - tworząc ze struny płaską folię.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że materiał stanowiący bazę dodaje się w postaci przemiału albo kruszywa albo najkorzystniej granulatu.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że na etapie kalandrowania podczas immobilizacji czynnika aktywnego w postaci biwalirudyny w porach materiału, zwiększa się skuteczność immobilizacji poprzez stosowanie cyklicznego zmniejszania i zwiększania naprężenia.