WO1994025242A1

WO1994025242A1 - Verfahren zur formgebung von thermoplastischen kunststoffen insbesondere von resorbierbaren thermoplasten

Info

Publication number: WO1994025242A1
Application number: PCT/EP1994/001410
Authority: WO
Inventors: Dieter Bendix; Randolf Von Oepen; Stefan Seibt
Original assignee: Boehringer Ingelheim Kg; Boehringer Ingelheim International Gmbh
Priority date: 1993-05-05
Filing date: 1994-05-04
Publication date: 1994-11-10
Also published as: FI955280A; EP0700331A1; JPH09500151A; FI955280A0; DE4314869A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Formgebung von thermoplastischen Kunststoffen - insbesondere von bioresorbierbaren Kunststoffen - bei Temperaturen unterhalb des Schmelztemperaturbereichs unter Verwendung von Gasen unter kritischen Bedingungen.

Description

Verfahren zur Formgebung von thermoplastischen Kunststoffen insbesondere von resorbierbaren Thermoplasten

Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Formgebung von thermoplastischen Kunststoffen - insbesondere von bioresorbierbaren Kunststoffen - bei Temperaturen unterhalb des Schmelztemperaturbereichs unter Verwendung von Gasen oder Substanzen im flüssigen Aggregatzustand unter hohem Druck.

Thermoplastische Formkorper und Halbzeuge werden nach dem Stand der Technik vor allem spanend, umformend, aus der Lösung oder im sogenannten Urformverfahren hergestellt. Insbesondere für die Verarbeitung resorbierbarer Kunststoffe für den medinzinschen Bereich und anderer technischer Thermoplaste weisen die oben genannten Verfahren prinzipbedingt z. T. sehr gravierende Nachteile auf.

So werden beispielsweise bei der spanenden Bearbeitung Halbzeuge zur Endgeometrie durch Spanabhebung bearbeitet. Aufgrund des hohen Materialverschnitts, der langen Bearbeitungszeiten, der Gefahr von Mikrokerben an den Bearbeitungsflächen, die zu einem frühzeitigen Versagen des Formteils führen können, sowie der eingeschränkten Formgebungsmöglichkeiten kann dieses Verfahren in der Kunststofformgebung jedoch nur in sehr begrenztem Maße eingesetzt werden.

Im Fall der resorbierbaren Kunststoffe stellen besonders der hohe Materialverschnitt sowie die - insbesondere für medizinische Anwendungen - schwer zu gewährleistende Reinheit (Einsatz von Schmier- und Kühlmitteln) schwerwiegende Nachteile dar.

In Umformverfahren werden Halbzeuge unterhalb der Schmelztemperatur zur Endgeometrie verformt. Jedoch können mit

ORIGINALUNTERLAGEN diesem Verfahren nur einfachste Geometrien realisiert werden. In Umformrichtung werden die Makromoleküle orientiert; dies führt zu einem anisotropen Eigenschaftsprofil mit erhöhten mechanischen Eigenschaften in Verstreckrichtung, in Querrichtung jedoch zu einer Schwächung.

Auf der anderen Seite können mit Verfahren, bei denen die Formgebung aus der Lösung üblicherweise in organischen Lösungsmitteln erfolgt, nur sehr dünne Schichten auf entsprechende Träger aufgebracht werden. Vor allem bei der Auftragung mehrerer Schichten zur Erzeugung größerer Wanddicken besteht die Gefahr des Verbleibs von Restlösungsmittel im Formteil. Dies ist insbesondere bei resorbierbaren Kunststoffen nicht akzeptabel, da im Verlauf des Abbaus die Lösungsmittel unerwünschterweise in den Organismus gelangen.

Bei den Urformverfahren - wie z.B. Extrudieren und Spritzgießen - muß der thermoplastische Kunststoff aufgeschmolzen werden, um ihn ausformen zu können. Die hierbei benötigte hohe Temperatur oberhalb des Schmelzbereichs führt bei thermisch labilen Kunststoffen - insbesondere bei resorbierbaren Polymeren und einigen technischen Kunststoffen - zu Molekulargewichtsabbau, was wiederum auf die mechanischen Eigenschaften einen nachteiligen Einfluß ausübt.

Die Extrusion erlaubt ebenfalls nur die Herstellung von Endloshalbzeugen einfacher Geometrie. - Formteile mit komplexer Geometrie - wie sie für medizinische Anwendungen benötigt werden - können dagegen nicht auf dem Wege der Extrusion hergestellt werden.

Auf der anderen Seite können im Spritzgießverfahren Formkorper komplexer Geometrien hergestellt werden. Dabei wird die thermoplastische Schmelze in eingekühltes Werkzeug eingebracht, wobei die Schmelze bereits während der Füllphase erstarrt. Hierdurch kommt es jedoch unvermeidbarerweise meist zu unerwünschten Orientierungen im Formteil, welche insbesondere bei amorphen resorbierbaren Kunststoffen zu einem unkontrollierbaren Schrumpf bei medizinischem Einsatz als Implantatwerkstoff führen können.

Durch die inhomogene Erkaltung der Formmasse werden ferner Spannungen eingefroren, die nach der Entformung zu unerwünschtem Verzug führen. Ferner ist es mit diesem Verfahren nicht möglich, Formteile mit einem großen Fließlängen-Wanddickenverhältnis herzustellen.

Insbesondere für thermisch labile resorbierbare Polymere ist eine schonende Verarbeitung zu komplexen Formteilgeometrien bei niedrigen Temperaturen unterhalb des Schmelzbereichs anzustreben. Dies ist mit den obengenannten

Verarbeitungsverfahren - wenn überhaupt - nur unzureichend zu realisieren.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demgemäß darin, ein Verfahren zur Formgebung von thermoplastischen Kunststoffen - insbesondere von resorbierbaren Thermoplasten - zur Verfügung zustellen, welches die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile umgeht. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß man die Viskosität eines thermoplastischen Kunststoffs - wie z. B. eines resorbierbaren Kunststoffs - durch Begasung mit einem oder mehreren - ggf. verflüssigten - Gasen unter hohem Druck - vorzugsweise im überkritischen Bereich - soweit erniedrigt, daß das thermoplastische Material formbar wird. - Die niedrige Viskosität ist dabei eine unabdingbare Voraussetzung für die Ausformung komplexer Geometrien.

Als thermoplastische Polymere eignen sich für das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere amorphe Polyester, wobei für resorbierbare Gegenstände - d. h. Gegenstände, die durch den menschlichen oder tierischen Körper abgebaut werden können - Polyester auf der Basis von α-Hydroxycarbonsäuren besonders bevorzugt werden.

Ganz besonders bevorzugt werden u.a. amorphes Poly-D,L-laktid,

Copoly ere aus D,L-Laktid und Glykolid sowie

Poly- (L-laktid-co-D,L-laktid) , worin das Verhältnis von

L-Laktid zu D,L-Laktid bis 90 zu 10 -bevorzugt 70 zu 30 - betragen kann, Poly-meso-laktid,

Poly(D,L-laktid-co-trimethylencarbonat) ,

Poly(meso-laktid-co-trimethylencarbonat) und amorphes

Poly(L-laktid-co-trimethylencarbonat) .

Die erfindungsgemäße Begasung bei niedrigen Temperaturen und unter hohem Druck setzt voraus, daß das Gas in dem jeweiligen Polymeren eine gute Löslichkeit aufweist. - Die Löslichkeit von Gasen oder Flüssigkeiten in Polymeren ist eine Funktion des Druckes und der Temperatur. Besonders gute Löslichkeitsparameter werden erreicht, wenn das Gas in den sogenannten überkritischen Zustand übergeht.

Überkritische Flüssigkeiten bzw. Gase sind aus dem Stand der Technik bekannt. Als Beispiele seien an dieser Stelle Kohlendioxid, Ethylen, Propan, Ammoniak, Distickstoffdioxid, Wasser und Toluol genannt. In Abhängigkeit von der jeweils eingesetzten überkritischen Substanz kann das erfindungsgemäße Verfahren bei einem Druck in einem Bereich von 50 bis '800 bar - bevorzugt 50 bis 400 bar und besonders bevorzugt 50 bis 200 bar durchgeführt werden.

Überraschenderweise wurde gefunden, daß sich Kohlendioxid besonders gut eignet, um Polymere in ihrer Viskosität zu erniedrigen. Kohlendioxid geht bereits bei einer Temperatur von 31°C und einem Druck von etwas mehr als 73,76 bar in den überkritischen Zustand über und hat einen um den Faktor 25 größeren Diffusionskoeffizienten in Polymeren als beispielsweise Stickstoff.

Jedoch können im erfindungsgemäßen Verfahren auch andere Gase bzw. Flüssigkeiten unter hohem Druck bzw. im überkritischen Bereich eingesetzt werden.

Im folgenden werden drei Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgestellt:

a) Rieselfδrmiger Kunststoff wird in einen Formhohlraum eingebracht und unter hohem Druck begast. Ist die Viskosität so weit erniedrigt, daß sich der Kunststoff verformen läßt, wird der Formhohlraum verkleinert und ein kompaktes Formteil erzeugt.

b) Rieselfδrmiger Kunststoff wird in einen Formvorraum eingebracht und unter hohem Druck begast. Sobald sich die Viskosität so weit erniedrigt, daß sich der Kunststoff verformen läßt, wird der Formvorraum verkleinert - vorzugsweise durch das Eindringen eines Spritzkolbens - und der Kunststoff in den Formhohlraum gepreßt. Die Drücke zum Füllen einer zuvor gefertigten Form werden lediglich durch die Druckverluste, die durch die Geometrie bedingt sind, bestimmt und sind daher erheblich kleiner als bei einer vergleichbaren Formteilherstellung im Spritzgießprozeß, da die Viskosität in diesem Fall keine Funktion der Zeit ist. Somit können selbst sehr dünnwandige Formteile mit langen Fließwegen gefertigt werden.

c) Ein genau dosierter Vorformling - vorzugweise in Form einer Tablette - kann nach den beiden oben genannten Verfahren ebenfalls sinngemäß verarbeitet werden. Aufgrund der nahezu konstanten Viskosität der "Polymerschmelze" während der Füllzeit kann das Formteil sehr langsam gefüllt werden, um so einem Abbau des Molekulargewichts durch Scherung entgegenzuwirken. Eigenspannungen durch Temperaturgradienten über den Formteilquerschnitt, können ebenfalls vermieden werden. Formkörper, welche mit diesem Verfahren hergestellt werden, sind frei von Orientierungen, da Moleküle, welche durch den Füllvorgang ausgerichtet wurden, nach der Formfüllung über eine genügend lange Zeit zur Relaxation verfügen.

Die Form selbst muß über ausreichend Entlüftungsmöglichkeiten verfügen, damit das Gas wieder aus dem Polymeren entweichen kann. Notwendig ist daher der Einsatz von Sinterwerkzeugen oder von Werkzeugen mit Entlüftungsschlitzen. - Als Werkzeuge sind an dieser Stelle beispielhaft Silikonwerkzeuge zu nennen, die sich sowohl für die Fertigung von Individualimplantaten als auch für Kleinserien und Prototypen eignen. - Silikon eignet sich besonders aufgrund der besonderen Diffusionseigenschaften, seiner hohen Dimensionsstabilität und seiner unkomplizierten Verarbeitbarkeit.

Für die Fertigung - beispielsweise - von Kleinserien aber auch Großserien eignen sich u.a. Werkzeuge aus PUR-Weichschaum. Auch Polyurethan besitzt hervorrragende Diffusionseigenschaften und weist ebenfalls eine hervorragende Dimensionsstabilität auf.

Ebenfalls für das Anfertigen von Klein- und Großserien eignen sich Sintermetallwerkzeuge mit einer Sperrschicht aus "einer gasdurchlässigen Membran (z.B. Silikonanstrich) .

Zur Beschleunigung der Entgasung kann an das Werkzeug Vakuum angelegt werden. Der Formkorper kann der Form entnommen werden, wenn die Viskosität so weit angestiegen ist, daß er formstabil ist. Zur Veranschaulichung des Herstellvorgangs wird auf die Zeichnungen verwiesen:

Fig. 1 zeigt das Schema einer für das erfindungsgemäße Verfahren geeigneten Begasungsanlage. - Diee besteht im wesentlichen aus der Gasversorgung 1 mit Druckanzeige 2, den Filtern 3 und 4, den Kühlern 5 und 6, der einstellbaren Membranpumpe 7, dem Pulsationsdämpfer 8 sowie den Absperrventilen 9 und 10, dem Sicherheitsventil 11 und der Druckanzeige 12 sowie dem Autoklaven 13 mit der Temperaturanzeige 14 und der Druckanzeige 15 sowie dem Absperrventil 16 und dem Schalldämpfer 17.

Fig. 2 zeigt den Prozeßautoklaven 20, in den die für die Formgebung erforderlichen Vorrichtungen wie Preß- oder Einspritzeinheit eingebracht werden.

Fig. 3 zeigt die Einspritzeinheit 28 mit dem Auslδsemechanismus 21, der Federvorspanneinrichtung 22, der Feder 23, der Kolbenstange 24, dem Kolben 25 und dem Kolbenvorraum 26 sowie das Werkzeug 29 mit dem Verschließmechanismus 27.

Die Einspritzeinheit 28 dient dazu, durch CO2 plastifiziertes Polymer in ein Werkzeug zu spritzen.

Zunächst wird das Polymergranulat in den Kolbenvorraum 26 der Spritzeinheit 28 eingefüllt. Anschließend wird die Feder 23 vorgespannt, wobei der Einspritzdruck - beispielsweise - zwischen 1 und 10 bar eingestellt werden kann. Die Einspritzeinheit mitsamt dem angeflanschten Werkzeug 29 wird in den Prozeßautoklaven 13 (Fig. 1) eingesetzt. Es folgt die Begasung, die durch die Parameter Druck, Temperatur und Zeit charakterisiert ist. Nach Erreichen des angestrebten Begasungszustandes wird von außen ein Auslδsemechanismus 21 betätigt und damit die Einspritzung ausgelöst. Das plastifizierte Polymer wird in die Werkzeugkavität (vgl. Fig. 4) eingespritzt. Es folgt der Druckablaß, der abhängig von erwünschter Formteilstruktur und abhängig vom verwendeten Werkzeugmaterial unterschiedlich schnell erfolgen kann.

Das Werkzeug 29 besteht aus Aufspannplatten aus Lochblech und Formplatten, die die abzuformende Kavität enthalten. Als Formplattenmaterialien kommen unterschiedlichste Materialien in Frage. In den Anwendungsbeispielen werden Silikon und Polycarbonat verwendet. Ebenso sind Werkzeuge aus Sintermetall oder Polyurethanschäumen möglich.

Fig. 4 zeigt eine Werkzeughaltevorrichtung 30 mit Flansch und Rückhalteventil (beispielsweise aus Polycarbonat gefertigt) 31, Angußdüse 32, Rückschlagventil (mit Kugel) 33, Formplatten 34, Aufspannplatten aus Lochblech 35 sowie die Kavität 36.

Fig. 5 zeigt das Ergebnis eines Anwendungsbeispieles für die Formgebung mit Hilfe des Begasungsverfahrens

Im folgenden wird die Herstellung eines resorbierbaren Gefäßclips schematisch beschrieben.

Verfahrensablauf:

- Konstruktion des Formteils mit Hilfe eines CAD-Systems

- Herstellung eines Prototypen mit Hilfe der Stereolithographie

- Abguß des Werkzeuges des Prototypen mit Silikonkautschuk

(KE-1300T von HEK

- Herstellung des Formteils mit Hilfe des Silikonwerkzeugs im Begasungsverfahren

Material: 50 : 50 Blend von PDLLA (Poly-D,L-laktid) und P(DLLA- co-TMC) Poly(D,L-laktid-co-trimethylencarbonat 50-50) Verfahrensparameter:

Begasungszeit 2 h Begasungstemperatur: 38°C Begasungsdruck: 100 bar Einspritzdruck: 5 bar Druckablaß: 6 h

Ergebnis: Mikrozellulärer Clip, siehe Fotos, in Fig. 5.

Wie schon erwähnt, ist es ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, kompakte Formkorper herzustellen, welche je nach Bedarf mit Wirkstoffen beladen werden können. Eine Möglichkeit, die beschriebenen Formteile herzustellen, bietet die Preßtechnologie, welche hier exemplarisch für einen Zugstab beschrieben wird.

Werkzeugtechnologie:

Das Werkzeug (im vorliegenden Fall ein Tauchkantenwerkzeug zur Herstellung kompakter Zugstabe) besteht aus einer Formplatte 40, auf der die Kontur des Tauchstempels erhaben eingearbeitet wird (siehe Fig. 6) . Die Formblende 41 weist exakt die Negativkontur des Preßstempels auf. Als Deckplatte dient ein Sintermetall 43, der den Gasein- und Austritt erleichtert. Eine spezielle - gasdurchlässige - Folie 42 verhindert das Eindringen von dem in seiner Viskosität stark erniedrigten Material in die Sinterporen. Die Verdichtung des Schüttgutes (resorbierbares Polymer, Zugabe von Wirkstoffen) erfolgt über die Verspannung der Formplatte mit der Sintermetallplatte mittels Tellerfedern 44.

Daneben wird in Fig. 6 der Paßbolzen 45 gezeigt. Formplatte, Formblende und Sintermetall sind aus Edelstahl gefertigt. Verfahrensablauf:

Einfüllen des Polymers in Pulver-, Granulat- oder Flockenform in die Form. Ist eine Beladung mit Wirkstoffen erwünscht, wird das Polymer zunächst mit dem Wirkstoff gemischt. Der Preßstempel (Formplatte 40) wird in die Formblende 41 eingeführt und über die Schrauben mittels Tellerfedern verspannt. Das gesamte Werkzeug wird in den Autoklaven 13 (Fig. 1) gegben.

Prozeßparamter:

Der Autoklav wird mit CO2 befüllt, welches mittels einer Kolbenmembranpumpe verdichtet wird, der Prozeßdruck beträgt zwischen 20 und 2000 bar, vorzugsweise zwischen 60 und 200 bar. Die Prozeßtemperatur beträgt bei Beladung mit temperatursensiblen Wirkstoffen weniger als 37°C. Über eine Temperierung des Autoklav ist die Temperatur jedoch in Grenzen zwischen - 70°C und 400°C frei wählbar.

Material:

Resorbierbare Polymere, vorzugsweise amorphe resorbierbare

Polymere. Wirkstoffe: keine Einschränkung.

Ergebnisse:

Es wurde ein Gemisch aus 50 Volumenprozent resorbierbarem Material (z.B. Resomer® R 207, ein Poly-D,L-laktid mit einer inherenten Viskosität von ca. 1.5) und 50 Volumenprozent Wirkstoff (Modellsubstanz Puderzucker) in das Werkzeug eingegeben. Fig. 7 zeigt zwei rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen der Probe. Die Probe wurde kalt gebrochen. Der erhaltene Formkorper ist kompakt, die Wirkstoffpartikel (Zucker) sehr gut in der Matrix gebunden. Fig. 7 offenbart im vorliegenden Fall die Morphologie eines mit 50 Gew.-% Rohrzucker beladenen Körpers aus Resomer® R 207.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, geschäumte Formkorper mit vorgegebener Geometrie zu schäumen. Die Schaumstruktur sollte dabei möglichst integral aufgebaut sein, um die Biegesteifigkeit der Proben, gegenüber einen Formteil mit gleicher Masse zu erhöhen.

Werkzeugtechnologie:

Als Formteilgeometrie wurde ein Zugstab ausgewählt. Fig. 8 zeigt ein modular aufgebautes Schäumwerkzeug; dieses Werkzeug besteht aus 2 Stützplatten, 51, 52, aus 2 gasdurchlässigen Kunstoffplatten 53, 54 (beispielsweise aus Polycarbonat) und Zwischenblechen 55 mit einem speziellen Schliff zu Be- und entgasung versehen sind. Die Zentrierung der Zwischenbleche erfolgt mittels Paßbolzen 45. Verpannt wird das Werkzeug mit Schrauben und Muttern 46, 47. Die -Anzahl der Zwischenbleche gibt die Höhe des geschäumten Bauteils vor.

Verfahrensablauf:

Eingabe eines Vorformlings, hergestellt z.B. im Spritzguß oder im Pressen. Verschließen des Werkzeuges. Einlegen des gefüllten Werkzeuges in den Autoklaven und Druckbeaufschlagung mit CO2•

Prozeßführung:

Eine Variation der Prozeßparameter zeigte, daß ein relativ niedriger Begasungsdruck (100 bar) und eine niedrige Begasungstemperatur von 30°C gute Eigenschaften bezüglich einer integralen Schaumausbildung zeigen. Höhere Drucke (200 bar) und eine höhere Prozeßtemperatur (65°C) führen zu einer Schaumstruktur mit gleichmäßiger Porenverteilung. Die Zeit wurde konstant auf 60 Minuten gehalten. Material:

Als Material wurde ein spritzgegossener Zugstab aus Resomer® R

207 verwendet.

Ergebnisse:

Bei einem Aufschäumgrad von 150 % (Faktor 2,5) ergab sich für einen Druck von 100 bar, einer Temperatur von 30°C und einer Begasungszeit von 60 Minuten die in Fig. 9 dargestellte Schaumstruktur. Ein Vergleich der Biegesteifigkeit zeigt für keline Durchbiegungen (< 2 mm) eine Steigerung um den Faktor 4 verglichen mit dem ungeschäumten Zugstab gleicher Masse.

Figs. 10 und 11 zeigen die homogene Schaumausbildung bei einem Druck von 200 bar, einer Temperatur von 65°C und eine Begasungszeit von 60 Minuten.

Mit diesem Verfahren ist es ebenfalls möglich, partiell aufgeschäumte Strukturen zu erzielen, indem die nicht zu schäumenden Teile durch eine Einlegeteil "ausgebockt" werden. Die Prozeßführung muß in diesem Fall angepaßt werden.

Fig. 10 zeigt dabei die innere Struktur des geschäumten Materials.

Fig. 11 zeigt die Schaumstruktur von Poly (D,L-laktid-L- laktid)/Poly-L-laktid bei 65°C, 200 bar und einem Aufschäumungsgrad von 150 .

Herstellung eines resorbierbaren Rδhrchens

Verfahrensablauf:

Spanende Herstellung eines Polycarbonatwerkzeuges Herstellung des Formteils mit Hilfe des Polycarbonatwerkzeuges im Begasungsverfahren

Material: 50 : 50 Blend von PDLLA und P(DLLA-co-TMC) (50-50)

Verfahrensparameter:

Begasungszeit: 2 h Begasungstemperatur: 45°C Begasungsdruck: 100 bar Einspritzdruck: 10 bar Druckablaß: 2 h

Ergebnis: nahezug kompaktes Rδhrchen, Außendurchmesser 6 mm, Innendurchmesser 4 mm, Länge: 18 mm

Fig. 12 gibt den systematischen Verfahrensablauf beim Herstellen eines selbstexpandierenden Schaumes wieder: Schritt 1 betrifft das Befüllen; die Trockeneistablette 60 und das - beladene - Polymer 61 werden in ein entsprechend ausgestaltes Reaktionsgefäß eingebracht. Schritt 2 beinhaltet das Verschließen des Reaktionsgefäßes 62 mit anschließender Temperaturerhöhung. Schritt 3 betrifft schließlich die tiefkalte Entnahme des Probenkδrpers 63 mit anschließendem Aufwärmen zum expandierenden Schaum 64.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung betrifft^• selbstexpantierende Schäume. Insbesondere besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Bauteil herzustellen, welches bei niedriger Temperatur formstabil ist und bei Körpertemperatur aufschäumt. Werkzeugtechnologie:

Ein kleiner verschließbarer Edelstahlbehälter.

Verfahrensablauf:

Einfüllen einer bestimmten Menge Trockeneis (festes CO2) und eines resorbierbaren Körpers, wahlweise beladen mit Wirkstoffen. Eingabe von Trockeneis und Formkorper in die gekühlte Edelstahlkammer und Verschließen der selbigen. Erwärmen der Edelstahlkammer auf Raumtemperatur. Vor der Entnahme des Körpers muß die kleine Druckkammer samt Inhalt gekühlt werden (je nach Einwaage an Trockeneis und des hieraus resultierenden Gasdruckes) reicht eine Temperatur von ca. 0°C aus. Öffnen des kleinen Druckbehälters, Entnahme der Probe und Positionierung an der gewünschten Indikationsstelle, beispielsweise zur Aufführung eines Knochendefektes oder zum Verschließen eines Markraumes. Die Verfahrenskette ist in Fig. 12 dargestellt.

Material: Amorphes resorbierbares Polymer, beispielsweise Resomer® R 207.

Ergebnisse:

Je nach Eingabe an Trockeneis kann die Schäumtemperatur und die hieraus resultierende Entnahmetemperatur des Formkδrpers vorgegeben werden. Der Körper expandiert je nach der gelösten Menge an Gas isotrop um den Faktor 2 welches einer Verachtfachung seines Volumens entspricht.

Ergänzend ist anzumerken, daß durch geringe (beispielsweise im Rahmen von 1 Gew.-%) Zusätze von Lösungsmitteln - wie z.B. Aceton - zum Gas - beispielsweise Kohlendioxid - die Lδslichkeit im Polymeren - beispielsweise Poly-L-lactid - um ca. 500 % zu erhöhen. Zusammenfassend kann gesagt werden, daß sich die vorgestellten Verfahren sich durch folgende Eigenschaften auszeichnen:

Herstellung von Formkδrpern komplexer Geometrie ohne thermische Schädigung,

Herstellung von spannungsfreien Formkδrpern,

Möglichkeit zur Herstellung von Formkδrpern mit dünner Wandstärke und gegebenenfalls langen Fließwegen,

Vermeidung von Molekulargewichtsabbau aufgrund von Scherung.

Die Begasung kann in Abhängigkeit vom eingesetzten enthermoplastischen Material und in Abhängigkeit von den Grenzen, die von dem überkritischen Material gesetzt werden, in einem Temperaturbereich von 20 bis 400°C - bevorzugt 20 bis 120°C und für resorbierbare Polyester auf der Basis von Laktid und Glykolid besonders bevorzugt in einem Bereich von 20 bis 80°C - erfolgen.

Zur Erniedrigung der Viskosität sind bei den genannten bioabbaubaren Polyestern jedoch nur geringe Temperaturen erforderlich. Insbesondere bei der Verwendung von Kohlendioxid reichen Temperaturen von ca. 30°C aus, um thermoplastische Polymere - insbesondere resorbierbare Polymere - in ihrer Viskosität so weit zu erniedrigen, daß sie ausgeformt werden können. Aufgrund dieser geringen Temperaturen ist es möglich, dem Polymer Füllstoffe zuzuschlagen, welche temperaturempfindlich sind und daher in den üblichen Verarbeitungsverfahren sonst nicht verwendet werden können. Insbesondere für resorbierbare Polymere bietet es sich an, pharmazeutische Wirkstoffe in ein Implantat, beispielsweise eine Osteosynthesevorrichtung - wie z.B.eine Knochenplatte -, vor der Verarbeitung unterzumischen. Der Wirkstoff kann dann mit der Resorption des Polymeren oder durch

Diffusionsmechanismen langsam an das benachbarte Körpergewebe abgegeben werden.

Die Formgebung erfolgt bei Polymeren, welche mit Füllstoffen beladen werden, analog zu der Herstellung von Formkδrpern gemäß oben genannten Verfahren. Um eine möglichst feine Verteilung der Füllstoffe im Formkorper zu garantieren, muß der Füllstoff mit dem Polymer gutvermischt werden. Eine Möglichkeit besteht darin, Polymer und Füllstoff vor der Begasung zu vermischen und die Mischung (Compound) durch eine anschließende Begasung in ihrer Viskosität so weit zu erniedrigen, daß es zu seinem Formkorper ausgeformt werden kann.

Eine weitere Variante besteht darin, zunächst die Viskosität des Polymers durch Begasung zu erniedrigen und anschließend ein Füllstoff unterzumischen. Bei diesem Verfahren kann der Füllstoff auch eine flüssige Komponente sein. Nach der Vermischung kann das Compound wiederum in oben beschriebener Weise zu einem Formkorper ausgeformt werden.

Durch die Viskositätserniedrigung infolge der Begasung ist es auch möglich, einen Vorformling zu verschäumen. Zunächst wird ein kompakter Vorformling - vorzugweise im Spritzgießprozeß - hergestellt und in ein entsprechendes Werkzeug, welches die Kontur des geschäumten Endproduktes besitzt, eingelegt. Das Werkzeug muß gemäß dem oben beschriebenen Verfahren über ausreichende Be- bzw. Entlüftungsmδglichkeiten verfügen oder aus einem Sintermetall gefertigt sein. Das eingelegte Formteil wird mit dem Werkzeug unter einem hohen Druck begast, so daß das Gas bzw. das überkritische Fluid im Polymeren gelöst wird. Nachdem der Druck abgelassen ist, kann das Formteil durch Expansion des im Formteil gelösten Gases in der Formaufschäumen. Das Aufschäumen kann durch Erwärmen beeinflußt werden, wobei die Temperatur deutlich geringer ist als die Schmelztemperatur. Aufgrund der vorgegebenen Kontur des Formhohlraumes schäumt das Formteil definiert auf. Anhand des freien zur Verfügung gestellten Volumen kann der Aufschäumgrad genau vorgegeben werden.

Insbesondere für resorbierbare Polymere stellt diese Entwicklung einen großen Nutzen dar. So befinden sich zum Beispiel zur Schienung von Knochenbrüchen derzeit resorbierbare Knochenplatten in der Erprobung. Die Festigkeit der resorbierbaren Polymere reicht jedoch häufig nicht aus, um metallische Implantate in ähnlicher Dimension vollwertig substituieren zu können. Um die schwächeren

Materialeigenschaften zu kompensieren, müssen die Platten daher häufig vergleichsweise wesentlich größer dimensioniert werden. Eine damit verbundene Massenanhäufung resorbierbarer Kunststoffe im Körper ist auf der anderen Seite wenig wünschenswert. Zum einen steigt mit wachsender Implantatgrδße die Resorptionszeit an, was in vielen Fällen unerwünscht ist - zum anderen kann ein erhöhter Materialeinsatz bei der Resorption zu unerwünschten Reaktionen des Körpers führen. Eine nur in der Höhe aufgeschäumte Knochenplatte, die nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt wird, verfügt bei einer integralen Dichteverteilung und gleicher eingesetzter Masse jedoch über eine wesentlich erhöhte Biegesteifigkeit. Aufgrund der Schaumstruktur kann ein derartiges Implantat schneller resorbiert werden als ein vergleichbar steifes Implantat, welches kompakt aufgebaut ist.

Nach dem oben beschriebenen Schäumungsverfahren ist es ebenfalls möglich, zweistufig zu schäumen, ein zuvor gefertigtes Formteil partiell aufzuschäumen. Dazu wird das Formteil wiederum in ein Werkzeug eingelegt,welches der Endkontur des geschäumten Bauteils entspricht. Die Stellen, welche bei dem späteren Formteil kompakt sein sollen, werden von dem Werkzeug eng umschlossen. Die zu schäumenden Bereiche verfügten über den Freiraum, um den das Formteil an dieser Stelle aufschäumen soll. Die Herstellung partiell geschäumter Bauteile verläuft analog dem oben beschriebenen Verfahren zur Herstellung geschäumter Formteile.

Insbesondere für resorbierbare Implantate ist eine partielle Aufschäumung wünschenswert. Die oben beschriebenen geschäumten Knochenplatten verfügen zwar bei gleichem Materialeinsatz wie eine kompakte Formplatte über eine wesentlich gesteigerte Biegefestigkeit, jedoch ist es kaum möglich, eine solche Platte dem Knochen anzupassen. Es ist jedoch erforderlich, Knochenplatten der jeweiligen Geometrie des Knochen anpassen zu können. Aufgrund des thermoplastischen WerkstoffVerhaltens resorbierbarer Polymere kann durch eine partielle Erwärmung an der gewünschten Biegestelle - z. B. mit einem warmen Gegenstand oder mit einem Heißluf gebläse - die Platte angepaßt werden. Eine geschäumte Struktur verfügt jedoch aufgrund der Porosität über eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit, so daß eine geschäumte Platte nur sehr schwer gebogen werden kann. Die Stellen, an denen die Möglichkeit der Biegung vorgesehen werden soll,+ sollten daher kompakt ausgeschaltet sein.

Die eingangs genannten Aufgaben werden durch die in den vorstehenden Beispielen beschriebenen Verfahren gelöst. Verschiedenartige, andere Ausgestaltungen des Verfahrens werden für den Fachmann aus der vorliegenden Beschreibung ersichtlich. Es wird jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen, daß das Beispiel und die diesem zugeordnete Beschreibung lediglich zum Zweck der Erläuterung und Beschreibung vorgesehen und nicht als Einschränkung der Erfindung anzusehen ist.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Formgebung von thermoplastischen Kunststoffen, dadurch gekennzeichnet, daß man den thermoplastischen Kunststoff in rieselfδrmiger Form oder in Form eines Vorformlings in einen Formhohlraum einbringt und mit überkritischen Verbindungen die Viskosität des Kunststoffs soweit erniedrigt, daß dieser sich verformen läßt und durch Reduktion des Formhohlraums einen kompakten Formkorper erzeugt.

2. Verfahren zur Formgebung von thermoplastischen Kunststoffen, dadurch gekennzeichnet, daß es folgende Schritte umfaßt

einbringen eines kompakten Vorformlings in ein Formgebungswerkzeug, welches die Kontur des angestrebten Formteils aufweist.

begasen des Vorformlings mit einem oder mehreren Gasen einem Druck im Bereich von 50 bis 800 bar oder mit einem oder mehreren verflüssigten Gasen unter hohem Druck im Bereich von 50 bis 800 bar unter überkritischen Bedingungen.

expandieren des Vorformlings innerhalb des Formgebungswerkzeugs.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorformling partiell aufgeschäumt wird, wobei das resultierende Formteil an den gewünschten Stellen eine kompakte bzw. eine geschäumte Struktur aufweist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Gas bzw. Flüssigkeit in überkritischem Zustand befindet.

5. Verfahren nach Anspruch 4,dadurch gekennzeichnet, daß die überkritische Verbindung aus der Gruppe Kohlenioxid, Ethylen, Propan, Ammoniak, Distickstoffdioxid, Wasser oder Toluol ausgewählt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren bei einer Temperatur in einem Bereich von 20 bis 400°C durchgeführt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren bei einer Temperatur in einem Bereich von 20 bis 120°C durchgeführt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren bei einer Temperatur in einem Breich von 20 bis 80°C durchgeführt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren bei einem Druck im Bereich von 50 bis 400 bar durchgeführt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren bei einem Druck'im Bereich von 50 bis 200 bar durchgeführt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß man als thermoplastisches Material ein amorphes thermoplastischen Material - insbesondere einen amorphen Polyester - einsetzt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß man als Polyester einen Polyester einsetzt, der sich von einer oder mehreren α-Hydroxycarbonsäuren ableitet.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die α-Hydroxycarbonsäure durch Glukolsäure, D- oder L-Milchsäure dargestellt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß als thermoplastisches Material ein Copolymer einsetzt.

15. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß man als Copolymer ein Copoly erisat auf der Basis einer α -Hydroxycarbonsäure und eines weiteren physiologisch verträglichen Comonomeren einsetzt.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß man als Copolymerisat Poly-D,L-laktid, Copolymere aus D,L-Laktid und Glykolid, Poly(L-laktid-co-D,L-laktid) , Poly(D,L-laktid-co-trimethylencarbonat,

Poly(meso-laktid-co-trimethylencarbonat oder Poly(L-laktid-co-trimethylencarbonat) einsetzt.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Poly(L-laktid-co-D,L-laktid) einsetzt, in dem das Verhältnis von L-Laktid zu D,L-Laktid bis 90 : 10 beträgt.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von L-Laktid zu D,L-Laktid bis zu 70 zu 30 beträgt.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß rieselfähiger Kunststoff vorzugweise als Pulver oder Granulat -in einem Formhohlraum gefüllt wird, der unter kritischen Bedingungen fließfähige Kunststoff anschließend durch eine Verkleinerung des Formhohlraums der Kunststoff kompaktiert und zu einem Formteil geformt wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß rieselfähiger Kunststoff vorzugweise als Pulver oder Granulat -in einen Vorraum gefüllt und der fließfähige Kunststoff anschließend durch eine Verkleinerung des Vorraums in einen Formhohlraum gepreßt wird und zu einem Formteil geformt wird.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vorformling in Tablettenform eingesetzt wird.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vorformling in einen in seinen Abmessungen größeren Formhohlraum eingebracht und anschließend begast wird und im Anschluß daran in dem Formhohlraum zur Endgeometrie aufgeschäumt wird.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der im Anschluß an die Begasung stattfindende Aufschaumvorgang durch Erwärmen kontrolliert wird.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß durch geeignete Wahl der Abmessungen des Formhohlraums der Vorformling partiell aufgeschäumt wird.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß in den rieselfδrmigen Kunststoff feste Zusätze - zum Beispiel pharmazeutisch wirksame Zusätze - eingemischt sind.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Erreichen der Fließfähigkeit des Kunststoffs pharmazeutische Zusätze in flüssiger Form beigemischt werden.

27. Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusätze Pharmazeutika - insbesondere Antibiotika oder Wachstumsproteine oder Rδntgenkontrastmittel eingesetzt werden.

28. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß als Formgebungswerkzeug ein Silikonwerkzeug, ein Werkzeug aus Polyurethan-Weichschaum oder Polycarbonat oder ein Sintermetallwerkzeug mit einer Sperrschicht aus einer gasdurchlässigen Membran eingesetzt wird.

29. Formteil, hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß es ein kompaktes Formteil ist.

30. Formteil hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß es ein geschäumtes Formteil ist.