DE69818063T2

DE69818063T2 - Silizium enthaltender kettenverlängerer

Info

Publication number: DE69818063T2
Application number: DE69818063T
Authority: DE
Inventors: Arachchillage Pathiraja GUNATILLAKE; Francis Gordon MEIJS; Raju Adhikari
Original assignee: Aortech Biomaterials Pty Ltd
Current assignee: Aortech Biomaterials Pty Ltd
Priority date: 1997-07-14
Filing date: 1998-07-14
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2018-07-15
Also published as: EP1000070B1; JP2001510196A; DE69818063D1; AUPO787897A0; AU748318B2; EP1000070A1; CA2296642A1; BR9811689A; CA2296642C; AU8201398A; CN1267304A; EP1000070A4; WO1999003863A1; ATE249466T1; US6420452B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ganz allgemein Silizium enthaltende Kettenverlängerer und ihre Verwendung zur Herstellung von Polyurethan-Elastomer-Zusammensetzungen mit verbesserten Eigenschaften. Diese Polyurethan-Zusammensetzungen sind für eine Vielzahl von Anwendungen nützlich, insbesondere für die Herstellung von medizinischen Vorrichtungen, Gegenständen oder Implantaten, die mit lebendem Gewebe oder Körperflüssigkeiten in Berührung kommen.
Polyurethan-Elastomere gehören zu den synthetischen Polymeren mit den besten Eigenschaften bei medizinischen Implantatanwendungen. Ihre hervorragenden mechanischen Eigenschaften verbunden mit relativ guter Biostabilität, macht sie zu den ausgesuchten Materialien für eine Zahl medizinischer Implantate einschließlich Herzschrittmachern, Kathetern, implantierbaren Prothesen, Herzhilfsvorrichtungen, Herzklappen und Gefäßtransplantaten. Die hervorragenden mechanischen Eigenschaften von Polyurethan-Elastomeren wird ihrer Zweiphasenmorphologie zugeschrieben, die aus Mikrophasentrennung von weichen und harten Segmenten resultiert. In für medizinische Implantate verwendeten Polyurethanen wird das weiche Segment üblicherweise aus einem Polyethermakrodiol wie Poly(tetramethylenoxid) (PTMO) gebildet, während das harte Segment aus einem Diisocyanat wie 4,4'-Methylendiphenyldiisocyanat (MDI) und einem Diolkettenverlängerer wie 1,4-Butandiol (BDO) erhalten wird.
Der Diolkettenverlängerer, der verwendet wird, um Diisocyanate zu verknüpfen, ist ein relativ kleines difunktionelles Molekül mit einem Molekulargewicht zwischen ungefähr 60 und 350. Die Struktur des Kettenverlängerers trägt signifikant zu den physikalischen Eigenschaften des Polyurethan-Elastomers bei. Der am häufigsten verwendete Diolkettenverlängerer ist 1,4-Butandiol.
Trotz der Langzeitverwendung von Polyurethan-Elastomeren für Anwendungen wie Herzschrittmachern, werden in manchen Fällen die Polyurethane bioabgebaut, was zu oberflächlichen oder tiefen Rissen, Versteifung, Erosion oder zur Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften wie der Biegefestigkeit, führt¹. Elastomere mit hoher Flexibilität und niedriger Shore A Durometerhärte werden insbesondere schneller als die härteren und steiferen Klassen abgebaut. Es wird allgemein angenommen, dass der Abbau überwiegend ein in vivo Oxidationsprozeß ist, der das Polyether-Weichsegment einschließt. Die zur Zeit verwendeten medizinischen Polyurethane sind auf Polyetherbasis und die empfindlichste Stelle für den Abbau ist die Methylengruppe Alpha zum Ethersauerstoff² des weichen Segments. Mit einer niedrigen Menge an Polyetherkomponente hergestellte Polyurethane zeigen üblicherweise verbesserten Abbauwiderstand. Jedoch besitzen solche Materialien ein hohes Elastizitätsmodul und lassen sich schwierig verarbeiten, was sie für viele Implantatanwendungen weniger wünschenswert macht. Pinchuk hat kürzlich die Biostabilität von Polyurethanen besprochen³.
Nicht-PTMO basierende Polyurethanformulierungen, die signifikant verbesserten in vivo Abbauwiderstand zeigen, wie durch Tierimplantatexperimente gezeigt, sind auch kürzlich in der Patentliteratur offenbart worden. Diese schließen Polyurethanformulierungen auf Basis von Polycarbonatmakrodiolen, offenbart in US 5,133,742 (Pinchuk) und US 5,254,662 (Szycher) und Polyethermakrodiole mit weniger Etherbindungen in US 4,875,308 (Meijs et al.) ein. Die obengenannten Patente offenbaren keine Polyurethanformulierungen, die Materialien mit Biegemodul, Härte und Biostabilität vergleichbar mit denen von Siliziumgummis bereitstellen, während die hohe Zugfestigkeit (tensile strength), Abriebfestigkeit und Reißfestigkeit (tear strength) der typischen Polyurethan-Elastomere erhalten bleiben. Obwohl die in US 5,254,662 offenbarten Zusammensetzungen Materialien bereitstellen mit niedrigem Elastizitätsmodul und hoher Zugfestigkeit, ist ihr Abbauwiderstand unter in vivo Bedingungen fraglich, da diese Zusammensetzungen auf Polycarbonatmakrodiolen und aliphatischen Diisocyanaten basieren. Hergenrother et al.⁴ haben durch Tierimplantatexperimente gezeigt, dass auf aliphatischen Diisocyanaten basierende Polyurethane schneller als die auf aromatischen Diestercyanaten basierenden Polyurethane abgebaut werden. Es werden in US 5,254,662 auch keine Beispiele gezeigt, um die Biostabilität der offenbarten Niedermodul-Elastomer-Zusammensetzungen zu zeigen.
Das übliche Verfahren zur Herstellung von Polyurethan-Elastomeren mit niedriger Härte und Modul geschieht durch Formulierungsänderung, um einen relativ höheren Anteil der Weichsegmentkomponente zu haben. Jedoch besitzen die auf diese Art hergestellten Materialien üblicherweise sehr schlechte mechanische Eigenschaften und Biostabilität. Zum Beispiel wird berichtet^2,3, dass Pellethan 2363-80A (eingetragene Marke), das einen höheren Anteil an Weichsegment hat, als das mit härterem Grad, Pellethan 2363-55D (eingetragene Marke), deutlich anfälliger gegen Spannungsrissbildung unter biologischen Bedingungen ist. Jedoch offenbaren diese Berichte keine Verfahren zur Formulierung von Polyurethanen mit Härten von weniger als 80 A, bei denen gute Biostabilität und mechanische Eigenschaften erhalten werden. Trotz der guten Stabilität von Silikongummi in biologischen Umgebungen ist ihre Verwendung im medizinischen Implantatgebiet aufgrund schlechter Eigenschaften wie niedriger Abriebfestigkeit und niedriger Zug- und Zerreißfestigkeit eingeschränkt.
Obwohl die obengenannten Polyurethan-Elastomere auf nicht PTMO-Basis den Gegenstand der Biostabilität ansprechen, stellen sie keine Verfahren zum Formulieren von Polyurethan mit Eigenschaften wie Flexibilität und Biostabilität, die vergleichbar sind mit denen von Silikongummi, bereit. Die in obigen Patenten (außer US 5,254,662 ) offenbarten Formulierungen besitzen üblicherweise Härten über Shore 80 A.
Entsprechend existiert eine Notwendigkeit, Polyurethane mit Eigenschaften wie niedriger Durometerhärte, niedrigem Biegemodul, guter Verarbeitbarkeit und hohem Widerstand gegenüber Abbau ohne den Nachteil von Silikongummi wie schlechter Zugfestigkeit, Abriebwiderstand und Reißfestigkeit zu entwickeln. Solche Polyurethane sollten auch eine gute Biostabilität für Anwendungen wie Herzschrittmacher, Leitungen (pacemaker leads), Gefäßtransplantate, Herzklappen usw. besitzen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird bereitgestellt die Verwendung eines Silizium enthaltenden Diols der Formel (I) als Kettenverlängerer in einem elastomeren Polyurethans
worin
R₁, R₂, R₃, R₄, R₅ und R₆ gleich oder unterschiedlich und ausgewählt sind aus einem gegebenenfalls substituierten geradkettigen, verzweigten oder zyklischen, gesättigten oder ungesättigten Kohlenwasserstoffradikal; R₇ eine bivalente Verknüpfungsgruppe oder ein gegebenenfalls substituiertes geradkettiges, verzweigtes oder zyklisches, gesättigtes oder ungesättigtes Kohlenwasserstoffradikal ist; und n 0, 1 oder 2 ist.
Die vorliegende Erfindung stellt auch die Verwendung des oben definierten Diols der Formel (I) als Kettenverlängerer bereit.
Die vorliegende Erfindung stellt ferner das oben definierte Diol der Formel (I) bereit, wenn es als Kettenverlängerer verwendet wird.
Das Kohlenwasserstoffradikal für Substituenten R₁, R₂, R₃ und R₄ kann Alkyl-, Alkenyl-, Alkinyl-, Aryl- oder Heterocyclylradikale einschließen. Man wird verstehen, dass die äquivalenten Radikale für Substituenten R₅, R₆ und R₇ verwendet werden können, außer dass der Bezug auf Alkyl, Alkenyl und Alkinyl auf Alkylen, Alkenylen bzw. Alkinylen sein sollte. Um Wiederholung zu vermeiden, werden nachstehend lediglich detaillierte Definitionen von Alkyl, Alkenyl und Alkinyl gegeben.
Der Ausdruck „Alkyl" bedeutet geradkettige, verzweigte oder mono- oder polycyclisches Alkyl, vorzugsweise C_1-12-Alkyl oder Cycloalkyl. Beispiele geradkettigen oder verzweigten Alkyls schließen ein: Methyl, Ethyl, Propyl, Isopropyl, Butyl, Isobutyl, sec-Butyl, Amyl, Isoamyl, sec-Amyl, 1,2-Dimethylpropyl, 1,1-Dimethylpropyl, Pentyl, Hexyl, 4-Methylpentyl, 1-Methylpentyl, 2-Methylpentyl, 3-Methylpentyl, 1,1-Dimethylbutyl, 2,2-Dimethylbutyl, 3,3-Dimethylbutyl, 1,2-Dimethylbutyl, 1,3-Dimethylbutyl, 1,2,2-Trimethylpropyl, 1,1,2-Trimethylpropyl, Heptyl, 5-Methylhexyl, 1-Methylhexyl, 2,2-Dimethylpentyl, 3,3-Dimethylpentyl, 4,4-Dimethylpentyl, 1,2-Dimethylpentyl, 1,3-Dimethylpentyl, 1,4-Dimethylpentyl, 1,2,3-Trimethylbutyl, 1,1,2-Trimethylbutyl, 1,1,3-Trimethylbutyl, Octyl, 6-Methylheptyl, 1-Methylheptyl, 1,1,3,3-Tetramethylbutyl, Nonyl, 1-, 2-, 3-, 4-, 5-, 6- oder 7-Methyloctyl, 1-, 2-, 3-, 4- oder 5-Ethylheptyl, 1-, 2-oder 3-Propylhexyl, Decyl, 1-, 2-, 3-, 4-, 5-, 6-, 7- und 8-Methylnonyl, 1-, 2-, 3-, 4-, 5- oder 6-Ethyloctyl, 1-, 2-, 3- oder 4-Propylheptyl, Undecyl 1-, 2-, 3-, 4-, 5-, 6-, 7-, 8- oder 9-Methyldecyl, 1-, 2-, 3-, 4-, 5-, 6- oder 7-Ethylnonyl, 1-, 2-, 3-, 4- oder 5-Propyloctyl, 1-, 2- oder 3-Butylheptyl, 1-Pentylhexyl, Dodecyl, 1-, 2-, 3-, 4-, 5-, 6-, 7-, 8-, 9- oder 10 Methylundecyl, 1-, 2-, 3-, 4-, 5-, 6-, 7- oder 8-Ethyldecyl, 1-, 2-, 3-, 4-, 5- oder 6-Propylnonyl, 1-, 2-, 3- oder 4-Butyloctyl, 1,2-Pentylheptyl usw. Beispiele cyclischen Alkyls schließen Cyclopropyl, Cyclobutyl, Cyclopentyl, Cylohexyl, Cycloheptyl, Cyclooctyl, Cyclononyl, Cyclodecyl usw. ein.
Der Ausdruck „Alkenyl" bedeutet Gruppen gebildet aus geradkettigen, verzweigten oder mono- oder polycyclischen Alkenen einschließlich ethylenisch mono- oder polyungesättigten Alkyl- oder Cycloalkylgruppen, wie oben definiert, vorzugsweise C_2-12-Alkenyl. Beispiele von Alkenyl schließen ein: Vinyl, Allyl, 1-Methylvinyl, Butenyl, iso-Butenyl, 3-Methyl-2-butenyl, 1-Pentenyl, Cyclopentenyl, 1-Methylcyclopentenyl, 1-Hexenyl, 3-Hexenyl, Cyclohexenyl, 1-Heptenyl, 3-Heptenyl, 1-Octenyl, Cyclooctenyl, 1-Nonenyl, 2-Nonenyl, 3-Nonenyl, 1-decenyl, 3-Decenyl, 1,3-Butadienyl, 1,4-Pentadienyl, 1,3-Cyclopentadienyl, 1,3-Hexadienyl, 1,4-Hexadienyl, 1,3-Cyclohexadienyl, 1,4-Cyclohexadienyl, 1,3-Cycloheptadienyl, 1,3,5-Cycloheptatrienyl, 1,3,5,7-Cyclooctatetraenyl usw.
Der Ausdruck „Alkinyl" bedeutet Gruppen gebildet aus geradkettigen, verzweigten oder mono- oder polycyclischen Alkinen. Beispiele von Alkinyl schließen ein: Ethinyl, 1-Propinyl, 1- und 2-Bitynyl, 2-Methyl-2-propinyl, 2-Pentinyl, 3-Pentinyl, 4-Pentinyl, 2-Hexinyl, 3-Hexinyl, 4-Hexinyl, 5-Hexinyl, 10-Undecinyl, 4-Ethyl-1-octinyl-3-yl, 7-Dodecinyl, 9-Dodecinyl, 10-Dodecinyl, 3-Methyl-1-dodecin-3-yl, 2-Tridecinyl, 11-Tridecinyl, 3-Tetradecinyl, 7-Hexadecinyl, 3-Octadecinyl usw.
Der Ausdruck „Aryl" bedeutet einzelne, polynukleare, konjugierte und kondensierte Reste von aromatischen Kohlenwasserstoffen. Beispiele von Aryl schließen ein: Phenyl, Biphenyl, Terphenyl, Quaterphenyl, Phenoxyphenyl, Naphthyl, Tetrahydronaphthyl, Anthracenyl, Dihydroanthracenyl, Benzanthracenyl, Dibenzanthracenyl, Phenanthrenyl usw.
Der Ausdruck „Heterocyclyl" bedeutet mono- oder polycyclische Heterocyclylgruppen, die mindestens ein Heteroatom ausgewählt aus Stickstoff, Schwefel und Sauerstoff enthalten. Geeignete Heterocyclylgruppen schließen ein: N-enthaltende heterocyclische Gruppen wie ungesättigte 3- bis 6-gliedrige heteromonocyclische Gruppen enthaltend 1 bis 4 Stickstoffatome, z. B. Pyrrolyl, Pyrrolinyl, Imidazolyl, Pyrazolyl, Pyridyl, Pyrimidinyl, Pyrazinyl, Pyridazinyl, Triazolyl oder Tetrazolyl; gesättigte 3- bis 6-gliedrige heteromonocyclische Gruppen enthaltend 1 bis 4 Stickstoffatome, wie Pyrrolidinyl, Imidazolidinyl, Piperidino oder Piperazinyl; ungesättigte kondensierte heterocyclische Gruppen enthaltend 1 bis 5 Stickstoffatome, wie Indolyl, Isoindolyl, Indolizinyl, Benzimidazolyl, Chinolyl, Isochinolyl, Indazolyl, Benzotriazolyl oder Tetrazolopyridazinyl; ungesättigte 3-bis 6-gliedrige heteromonocyclische Gruppen enthaltend ein Sauerstoffatom, wie Pyranyl oder Furyl; ungesättigte 3- bis 6-gliedrige heteromonocyclische Gruppen enthaltend 1 bis 2 Schwefelatome, wie Thenyl; ungesättigte 3- bis 6-gliedrige heteromonocyclische Gruppen enthaltend 1 bis 2 Sauerstoffatome und 1 bis 3 Stickstoffatome, wie Oxazolyl, Isoazolyl oder Oxadiazolyl; gesättigte 3- bis 6gliedrige heteromonocyclische Gruppen enthaltend 1 bis 2 Sauerstoffatome und 1 bis 3 Stickstoffatome, wie Morpholinyl; ungesättigte kondensierte heterocyclische Gruppen enthaltend 1 bis 2 Sauerstoffatome und 1 bis 3 Stickstoffatome, wie Benzoxazolyl oder Benzoxadiazolyl; ungesättigte 3- bis 6-gliedrige heteromonocyclische Gruppen enthaltend 1 bis 2 Schwefelatome und 1 bis 3 Stickstoffatome, wie Thiazolyl oder Thiadiazolyl; gesättigte 3- bis 6-gliedrige heteromonocyclische Gruppe enthaltend 1 bis 2 Schwefelatome und 1 bis 3 Stickstoffatome, wie Thiadiazolyl und ungesättigte kondensierte heterocyclische Gruppe enthaltend 1 bis 2 Schwefelatome und 1 bis 3 Stickstoffatome, wie Benzothiazolyl oder Benzothiadiazolyl.
In dieser Beschreibung bedeutet „gegebenenfalls substituiert", dass eine Gruppe ferner substituiert sein kann oder nicht mit einer oder mehreren Gruppen ausgewählt aus Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel, Alkyl, Alkenyl, Alkinyl, Aryl, Halogen, Halogenalkyl, Halogenalkenyl, Halogenalkinyl, Halogenaryl, Hydroxy, Alkoxy, Alkenyloxy, Alkinyloxy, Aryloxy, Carboxy, Benzyloxy, Halogenalkoxy, Halogenalkenyloxy, Halogenalkynyloxy, Halogenaryloxy, Nitro, Nitroalkyl, Nitroalkenyl, Nitroalkinyl, Nitroaryl, Nitroheterocyclyl, Azid, Amin, Alkylamin, Alkenylamin, Alkinylamin, Arylamin, Benzylamin, Acyl, Alkenylacyl, Alkinylacyl, Arylacyl, Acylamin, Acyloxy, Aldehyd, Alkylsulfonyl, Arylsulfonyl, Alkylsulfonylamin, Arylsulfonylamin, Alkylsulfonyloxy, Arylsulfonyloxy, Heterocyclyl, Heterocycloxy, Heterocyclylamino, Halogenheterocyclyl, Alkylsulphenyl, Arylsulphenyl, Carboalkoxy, Carboaryloxy, Mercapto, Alkylthio, Arylthio, Acylthio usw.
Geeignete divalente Verknüpfungsgruppen für R₇ schließen O, S und NR ein, worin R Wasserstoff oder ein gegebenenfalls substituiertes geradkettiges, verzweigtes oder cyclisches, gesättigtes oder ungesättigtes Kohlenwasserstoffradikal ist.
Bevorzugte Silizium enthaltende Diole sind 1,3-Bis(4-hydroxybutyl)tetramethyldisiloxan (Verbindung der Formel (I), worin R₁, R₂, R₃ und R₄ Methyl sind, R₅ und R₆ Butyl sind und R₇ O ist), 1,4-Bis(3-hydroxypropyl)tetramethyldisilylethylen (Verbindung der Formel (I), worin R₁, R₂, R₃ und R₄ Methyl sind, R₅ und R₆ Propyl sind und R₇ Ethylen ist) und 1,4-Bis(3-hydroxypropyl)tetramethyldisiloxan.
Die Silizium enthaltenden Diolkettenverlängerer können leicht durch in der Literatur⁶ genannte Verfahren hergestellt werden. Manche dieser Verbindungen, wie 1,4-Bis(3-hydroxypropyl)tetramethyldisilylethylen (HTDE) und 1,3-Bis(4-hydroxybutyl)tetramethyldisiloxan (BHTD) sind kommerziell erhältlich. Andere können durch Verwendung der Hydrosylilierungsreaktion des entsprechenden Hydroxyalkens und 1,1,3,3-Tetramethyldisiloxan unter Verwendung eines Katalysators wie Wilkinson-Katalysator hergestellt werden.
Manche der Diole der Formel (I) sind per se neu. Deshalb stellt die vorliegende Erfindung auch ein oben definiertes Silizium enthaltendes Diol der Formel (I) bereit, worin R₇ Ethylen ist und n 1 oder 2 ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das oben definierte Diol der Formel (I) mit einem auf dem Gebiet der Polyurethanherstellung bekannten Kettenverlängerer kombiniert.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Kettenverlängerer-Zusammensetzung bereitgestellt, die ein oben definiertes Silikon enthaltendes Diol der Formel (I) und einen im Gebiet der Polyurethanherstellung bekannten Kettenverlängerer einschließt.
Die vorliegende Erfindung stellt auch die Verwendung der oben definierten Zusammensetzung als Kettenverlängerer bereit.
Die vorliegende Erfindung stellt ferner die oben definierte Zusammensetzung bereit, wenn sie als Kettenverlängerer verwendet wird.
Der im Gebiet der Polyurethanherstellung bekannte Kettenverlängerer wird vorzugsweise ausgewählt aus 1,4-Butandiol, 1,6-Hexandiol, 1,8-Octandiol, 1,9-Nonandiol, 1,10-Decandiol, 1,12-Dodecandiol, 1,4-Cyclohexandimethanol, p-Xylolglycol und 1,4-Bis(2-hydroxyethoxy)benzol. 1,4-Butandiol ist besonders bevorzugt.
Der Silizium-Kettenverlängerer und der bekannte Kettenverlängerer können in einem Bereich der molaren Anteile verwendet werden, wobei die Zugeigenschaften abnehmen, wenn der molare Anteil des Silizium-Kettenverlängerers in der Mischung zunimmt. Ein bevorzugter molarer Anteil des Silizium-Kettenverlängerers ist ca. 1 bis ca. 50%, bevorzugter ca. 40%.
Obwohl die bevorzugte Kettenverlängerungs-Zusammensetzung einen bekannten Kettenverlängerer und ein Silizium enthaltendes Diol enthält, wird man verstehen, dass Mischungen, die mehr als einen bekannten Kettenverlängerer und Diol enthalten, in der Kettenverlängerungs-Zusammensetzung verwendet werden können.
Kettenverlängerer und Kettenverlängerer-Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung sind besonders nützlich zur Herstellung von Polyurethan-Elastomer-Zusammensetzungen.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Polyurethan-Elastomer-Zusammensetzung bereitgestellt, die eine(n) oben definierte(n) Kettenverlängerer oder Kettenverlängerer-Zusammensetzung einschließt.
Die erfindungsgemäßen Polyurethan-Elastomer-Zusammensetzungen können durch jedes geeignete bekannte Verfahren hergestellt werden. Ein bevorzugtes Verfahren schließt ein: Mischen des Kettenverlängerers oder der Kettenverlängerer-Zusammensetzung mit einem Weichsegment-Makrodiol und dann Umsetzen dieser Mischung mit einem Diisocyanat. Die Ausgangsbestandteile werden vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von ca. 45 bis ca. 100°C, bevorzugter ca. 60 bis ca. 80°C, gemischt. Falls gewünscht, kann ein Katalysator wie Dibutylzinndilaurat in einer Menge von ca. 0,001 bis 0,5 Gew.-% auf Basis der Gesamtbestandteile zu der Ausgangsmischung gegeben werden. Das Mischen kann in einer konventionellen Apparatur oder in einem Reaktionsextruder oder kontinuierlichen Reaktionsspritzgußmaschine geschehen.
Alternativ können die Polyurethane durch das Vorpolymerverfahren hergestellt werden, das das Umsetzen eines Diisocyanats mit dem Weichsegment-Makrodiol zur Bildung eines Vorpolymers mit terminal reaktiven Diisocyanatgruppen beinhaltet. Das Vorpolymer wird dann mit Kettenverlängerer oder Kettenverlängerer-Zusammensetzung umgesetzt.
Deshalb kann die Polyurethan-Elastomer-Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung ferner definiert werden, dass sie umfasst das Reaktionsprodukt aus:

(i) einem Weichsegment-Makrodiol;
(ii) einem Diisocyanat und
(iii) dem oben definierten Kettenverlängerer oder Kettenverlängerer-Zusammensetzung.

Das Weichsegment-Makrodiol kann jedes geeignete im Gebiet der Polyurethanherstellung bekannte sein. Beispiele schließen Polyether, Polyester, Polysiloxane, Polycarbonate oder Mischungen davon ein. Vorzugsweise wird das Weichsegment aus einem Polysiloxanmakrodiol und einem Polyethermakrodiol erhalten.
Ein geeignetes Polysiloxan ist Polydimethylsiloxan (PDMS). Die Polysiloxanmakrodiole können als kommerziell erhältliche Produkte wie X-22-160AS von Shin Etsu verwendet oder gemäß bekannten Verfahren⁷ hergestellt werden. Der bevorzugte Molekulargewichtsbereich des Polysiloxanmakrodiols ist ca. 200 bis ca. 5000, vorzugsweise ca. 300 bis ca. 1200.
Geeignete Polyethermakrodiole schließen diejenigen ein, dargestellt durch die Formel (II): HO-[CH₂)_m-O]_n-H (II)worin
m eine ganze Zahl von 5 oder mehr, vorzugsweise 5 bis 18 ist; und
n eine ganze Zahl von 2 bis 50 ist.
Obwohl übliche Polyethermakrodiole wie PTMO verwendet werden können, werden die bevorzugteren Makrodiole und ihre Herstellung in Gunatillake et al.⁸ und US 5403912 beschrieben. Polyether wie PHMO, die in diesen Quellen beschrieben werden, sind hydrophober als PTMO und kompatibler mit Polysiloxanmakrodiolen. Der bevorzugte Molekulargewichtsbereich des Polyethermakrodiols ist ca. 200 bis ca. 5000, bevorzugter ca. 200 bis ca. 1200.
Vorzugsweise wird das Diisocyanat ausgewählt aus: 4,4'-Methylendiphenyldiisocyanat (MDI), Methylenbis(cyclohexyl)diisocyanat (H12MDI), p-Phenylendiisocyanat (p-PDI), trans-Cyclohexan-1,4-diisocyanat (CHDI) oder eine Mischung der cis- und trans-Isomere, 1,6-Hexamethylendiisocyanat (DICH), 2,4-Toluoldiisocyanat (2,4-TDI) oder seine Isomeren oder Mischungen davon, p-Tetramethylxyloldiisocyanat (p-TMXDI) und m-Tetramethylxylyldiisocyanat (m-TMXDI). MDI ist besonders bevorzugt.
Eine besonders bevorzugte Polyurethan-Elastomer-Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung umfasst ein Reaktionsprodukt von:

(i) Makrodiolen einschließlich:
(a) Polysiloxan-Makrodiol und
(b) Polyether-Makrodiol;
(ii) MDI; und
(iii) Kettenverlängerer-Zusammensetzung einschließlich 1,4-Butandiol und ein Silizium-Kettenverlängerer ausgewählt aus 1,3-Bis(4-hydroxybutyl)tetramethyldisiloxan und 1,4-Bis(3-hydroxypropyl)tetramethyldisilylethylen und 1,4-Bis(3-hydroxypropyl)tetramethyldisiloxan.

Vorzugsweise ist der Siliziumkettenverlängerer in einer Menge von ca. 40 Mol-% der Kettenverlängerer-Zusammensetzung vorhanden.
Die oben beschriebenen Verfahren verursachen keine vorzeitige Phasentrennung und ergeben Polymer, die bezüglich der Zusammensetzung homogen und transparent mit hohen Molekulargewichten sind. Diese Verfahren haben auch den Vorteil, dass sie nicht die Verwendung eines Lösungsmittels erfordern, um sicherzustellen, dass die Weich- und Hartsegmente während der Synthese kompatibel sind.
Das Polyurethan kann durch übliche Verfahren verarbeitet werden wie Extrusion, Injektion und Kompressionskneten, ohne die Notwendigkeit von zugegebenen Verarbeitungswachsen. Falls gewünscht, können jedoch übliche Polyurethan-Verarbeitungsadditive wie Katalysatoren, Antioxidanzien, Stabilisatoren, Gleitmittel, Farbstoffe, Pigmente, anorganische und/oder organische Füllstoffe und Verstärkungsmaterialien in das Polyurethan während der Herstellung aufgenommen werden. Solche Additive werden vorzugsweise zu dem Weichsegment-Makrodiol gegeben.
Das Weichsegment-Makrodiol, Diisocyanate und Kettenverlängerer oder Kettenverlängerer-Zusammensetzung kennen in bestimmten bevorzugten Anteilen vorhanden sein. Der bevorzugte Anteil des Hartsegments (z. B.- Diisocyanat und Kettenverlängerer) in der Zusammensetzung ist ca. 40 bis ca. 60 Gew.-%. Das Gewichtsverhältnis von Polysiloxan zu Polyether in dem bevorzugten Weichsegment kann im Bereich von 1 : 99 bis 99 : 1 sein. Ein besonders bevorzugtes Verhältnis von Polysiloxan zu Polyether, das verbesserten Abbauwiderstand, Stabilität und Klarheit bereitstellt, ist 80 : 20.
Die erfindungsgemäße Polyurethan-Elastomer-Zusammensetzung ist besonders nützlich zur Herstellung von Materialien mit guten mechanischen Eigenschaften, in besondere Biomaterialien.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird, ein Material bereitgestellt mit verbesserten mechanischen Eigenschaften, Klarheit-, Verarbeitbarkeit- und/oder Abbauwiderstand umfassend eine Polyurethan-Elastomer-Zusammensetzung, die einen oben definierten Kettenverlängerer oder Kettenverlängerer-Zusammensetzung einschließt.
Die vorliegende Erfindung stellt auch bereit die Verwendung der eben definierten Polyurethan-Elastomer-Zusammensetzung als Material mit verbesserten mechanischen Eigenschaften, Klarheit, Verarbeitbarkeit und/oder Abbauwiderstand.
Die vorliegende Erfindung stellt ferner die oben definierte Polyurethan-Elastomer-Zusammensetzung bereit, wenn sie als Material mit verbesserten mechanischen Eigenschaften, Klarheit, Verarbeitbarkeit und/oder Abbauwiderstand verwendet wird.
Die mechanischen Eigenschaften, die verbessert werden, schließen Zugfestigkeit, Reißfestigkeit, Abriebfestigkeit, Durometerhärte, Biegemodul und verwandte Maßsysteme der Flexibilität oder Elastizität ein.
Der verbesserte Widerstand gegen Abbau schließt Widerstand gegen freie Radikale, oxidative, enzymatische oder hydrolytische Verfahren und gegenüber Abbau, Wenn als Biomaterial implantiert, ein.
Die verbesserte Verarbeitbarkeit schließt die Einfachheit des Verarbeitens durch Gießen, wie Lösungsmittelgießen und durch thermische Mittel wie Extrusions- und Injektionsformen, z. B. niedrige Klebrigkeit nach Extrusion und relative Freiheit an Gelen, ein.
Es wird auch ein abbauresistentes Material bereitgestellt, das die oben definierte Polyurethan-Elastomer-Zusammensetzung umfasst.
Die Polyurethan-Elastomer-Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung zeigt gute Elastomereigenschaften. Sie sollte auch eine gute Kompatibilität und Stabilität in biologischen Umgebungen besitzen, insbesondere wenn sie in vivo für ausgedehnte Zeitdauern implantiert wird.
Gemäß einem anderen erfindungsgemäßen Aspekt wird ein in vivo abbauresistentes Material bereitgestellt, das die oben definierte Polyurethan-Elastomer-Zusammensetzung umfasst.
Die Polyurethan-Elastomer-Zusammensetzung kann auch als Biomaterial verwendet werden. Der Ausdruck „Biomaterial" wird hier in seinem breitesten Sinn verwendet und betrifft ein Material, das in Situationen verwendet wird, wo es mit den Zellen und/oder Körperflüssigkeiten von lebenden Tieren oder Menschen in Kontakt kommt.
Die Polyurethan-Elastomer-Zusammensetzung ist deshalb zum Herstellen von medizinischen Vorrichtungen, Artikeln oder Implantaten nützlich.
Deshalb stellt die vorliegende Erfindung ferner medizinische Vorrichtungen, Gegenstände oder Implantate bereit, die vollständig oder teilweise aus der oben definierten Polyurethan-Elastomer-Zusammensetzung zusammengesetzt sind.
Die medizinischen Vorrichtungen, Gegenstände oder Implantate können einschließen Katheter, Kanülen, implantierbare Prothesen, kardialunterstützende Vorrichtungen, Herzklappen, Gefäßtransplantate, Stents, extrakorporale Vorrichtungen, künstliche Organe, Schrittmacherleitungen, Defibrillatorleitungen, Blutpumpen, Ballonpumpen, A-V-Shunts, Biosensoren, Membranen zur Zellverkapselung, Arzneimittel-Zuführungsvorrichtungen, Wundverbände, künstliche Gelenke, orthopädische Implantate und Weichteilersatz.
Man wird verstehen, dass Polyurethan-Elastomer-Zusammensetzungen mit zur Verwendung für die Herstellung von verschiedenen medizinischen Vorrichtungen, Gegenständen oder Implantaten optimierten Eigenschaften auch andere nicht medizinische Anwendungen besitzen werden. Solche Anwendungen können ihre Verwendung einschließen in der Herstellung von künstlichem Leder, Schuhsohlen, Kabelumhüllung, Lacke und Beschichtungen, strukturelle Komponenten für Pumpen oder Fahrzeuge, Erzabbausiebe und -transportbänder, Laminierverbindungen, Textilien, Trennmembranen, Dichtmaterialien und Komponenten von Klebstoffen.
Deshalb erstreckt sich die vorliegende Erfindung auf die Verwendung der oben definierten Polyurethan-Elastomer-Zusammensetzung zur Herstellung von Vorrichtungen oder Gegenständen.
Die vorliegende Erfindung stellt auch Vorrichtungen oder Gegenstände bereit, die teilweise oder vollständig aus der oben definierten Polyurethan-Elastomer-Zusammensetzung zusammengesetzt sind.
Die Erfindung wird jetzt mit Bezugnahme auf folgende Beispiele beschrieben. Diese Beispiele sollen die Erfindung nicht auf irgendeine Weise einschränken.
In den Beispielen wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, worin:
1a und 1b zwei lichtmikroskopische Aufnahmen einer nach drei Monaten explantierten Polyurethan-Zusammensetzung in Beispiel 1 sind; und
2a und 2b zwei lichtmikroskopische Aufnahmen eines nach drei Monaten explantierten kommerziellen Pellethan 2363-55D sind.
Beispiel 1
Eine Polyurethan-Zusammensetzung auf Basis einer Mischung aus PDMS/PHMO, einer Mischung aus BDO und BHTD, und MDI wurde durch ein Einschritt-Blockpolymerisationsverfahren hergestellt.
0,1 Gew.-% Tris(nonyltriphenyl)phosphin (TNPP) enthaltendes α,ω-Bis(6-hydroxyethoxypropyl)polydimethylsiloxan (Shin Etsu Produkt x-22-160AS, MW 940,27) (PDMS) wurde 15 h bei 105°C unter Vakuum (0,1 Torr) getrocknet. Poly(hexamethylenoxid) (PHMO), hergestellt gemäß einem durch Gunatillake et al.⁸ und US 5403912 beschriebenen Verfahren, wurde bei 130°C mit 0,1 Gew.-% TNPP (auf Basis des PHMO-Gewichts) unter Vakuum (0,1 Torr) 4 h getrocknet. Das Molekulargewicht des PHMO war 851,54. BHTD wurde unter Vakuum (0,1 Torr) bei Umgebungstemperatur unmittelbar vor Verwendung zum Entfernen der cyclischen Verunreinigungen entgast.
Eine Mischung aus getrocknetem PDMS (260,0 g), PHMO (65,00 g), 1,4-Butandiol (16,14 g), Dibutylzinndilaurat-Katalysator (0,054 g), Irgawax (0,81 g) und Irganox 1010 (0,54 g) wurden in einen 1 1 Kolben gegeben und 2 Stunden bei 80°C unter Vakuum (0,2 Torr) entgast. Getrennt davon entgastes BHTD (33,256 g) wurde zu dem die Makrodiolmischung enthaltenden Kolben gegeben. Diese Mischung (370,00 g) wurde in einen 1 1 Polypropylenbecher abgewogen und unter Stickstoff auf 70°C abkühlen gelassen. Geschmolzenes MDI (164,67 g) bei 60°C wurde in einem Abzug in einem 250 ml Polypropylenbecher abgewogen. Das MDI wurde dann schnell unter schnellem Rühren unter Verwendung eines Spatels aus rostfreiem Stahl zugegeben. Die Mischung, die zugegeben trübe war, wurde unter Mischen nach ca. 10 sec. klar. Die viskose Mischung wurde schnell auf einen teflonbeschichteten Metallträger gegossen und in einem Ofen bei 100°C unter Stickstoff gehärtet. Erwärmen wurde nach 4 h beendet und das Polyurethanblatt über eine Zeitdauer von ca. 15 h auf Umgebungstemperatur abkühlen gelassen.
Eine Probe des Polymers wurde nach 15 h Trocknen bei 45°C unter Vakuum (0,1 Torr) bei 180°C in ein 1 mm dickes flaches Blatt für Zuguntersuchungen formgepreßt. Aus dem Blatt ausgestanzte Dumbbells wurden mit einer Instron Model 4032 Universal Testing Machine Zugtests unterworfen.
Der Abbauwiderstand der in Beispiel 1 beschriebenen Polyurethan-Zusammensetzung wurde durch ein Dreimonats-Schafimplantat-Experiment untersucht.
Polyurethan in Beispiel 1, Pellethan 2363-80A (eingetragene Marke) und 2363-55D wurden in Blätter von 0,5 mm Dicke formgepresst. Als Dumbbells geformte Proben wurden aus den Blättern geschnitten und über Poly(methylmethacrylat)halter gedehnt. Dies führte dazu, dass der Zentralteil auf 250% seiner ursprünglichen Länge gedehnt wurde. Ein Polypropylenfaden wurde fest um das Zentrum jeder Probe gebunden. Dies führte zu einem lokalen Anstieg an Spannung in der Probe. Die an ihren Haltern befestigten Proben wurden mit Ethylenoxid sterilisiert und in das subkutane Fettgewebe in der dorsalen thorakolumbalen Region erwachsener gekreuzter Hammelschafe implantiert. Dieses Testverfahren stellt ein Mittel zum Bestimmen des Widerstands gegen biologischen Abbau durch Umgebungsspannungs-Rißbildung bereit.
Nach einer Zeitdauer von 3 Monaten wurden die Polyurethane wieder geholt. Befestigtes Gewebe wurde vorsichtig seziert und die Proben durch Tauchen in 0,1 M Natriumhydroxid für 2 Tage bei Umgebungstemperatur gefolgt durch Spülen mit deionisiertem Wasser, gewaschen. Die Proben wurden dann in Luft getrocknet und durch Rasterelektronen-Mikroskopie (SEM) auf Anzeichen von Abplatzen (pitting) oder Rissbildung untersucht. Die Polyurethanprobe zeigte keine Anzeichen von Spannungsrissbildung, während Pellethan 80A starken Abbau zeigt. Da Pellethan 80A einen starken Abbau zeigte, der mit dem bloßen Auge sichtbar war, wurden diese Proben nicht durch SEM untersucht. Repräsentative rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen der neuen Polyurethan-Zusammensetzung und Pellethan 55D sind in 1 bzw. 2 gezeigt.
Die mechanischen Eigenschaften des in Beispiel 1 hergestellten Materials wurden untersucht und die Resultate sind in Tabelle 1 mit denen von Pellethan 233-80A (registrierte Marke) zum Vergleich gezeigt.
Tabelle 1
Die thermische Verarbeitbarkeit des gemäß dem Verfahren in Beispiel 1 hergestellten Polyurethan-Elastomers wurde durch Extrusion in einen dünnen Film (0,5 mm) unter Verwendung eines Einschnecken-Brabender-Extruders bestimmt. Das Polyurethan wurde 48 h bei 45°C unter Vakuum (0,1 Torr) vor der Extrusion getrocknet. Das Material ließ sich leicht in einen klaren und transparenten Film ohne Fehler extrudieren und die Klebrigkeit nach Extrusion war minimal mit einfacher Handhabbarkeit.
Beispiel 2
Eine Polyurethan-Zusammensetzung auf Basis einer Mischung aus PDMS/PHMO, einer Mischung aus BDO und BHTD, und MDI wurde durch ein Zweischritt-Block-Polymerisationsverfahren ohne die Verwendung des Katalysators oder anderen üblichen Additiven, verwendet in Beispiel 1, hergestellt. Die Zusammensetzung basierte auf einem Isocyanatindex ([NCO]/[OH]) von 1,03 und einem Hartsegment-Gewichtsanteil von 40.
PDMS (Shin Etsu Produkt X-22-160AS, MW 937,83) wurde 15 h bei 105°C unter Vakuum (0,1 Torr) getrocknet. PHMO (MW 696,06) wurde 4 h bei 130°C unter Vakuum (0,1 Torr) vorder Polymerisation getrocknet.
Geschmolzenes MDI (195,0 g) wurde in einen 2 l Dreihalsrundkolben, der mit einem zusätzlichen Trichter, Stickstoffeinlaß und einem mechanischen Rührer versehen war, eingewogen. Die trockene Polyolmischung (240,0 g PDMS und 60,0 g PHMO) wurde in den zusätzlichen Trichter eingewogen und dann zu MDI in dem Kolben über eine Zeitdauer von 30 Minuten unter Rühren gegeben. Während dieser Zeit wurde die Reaktionstemperatur auf 70°C gehalten. Die Reaktion wurde weitere 2 h bei 80°C unter Rühren zur Bildung des Vorpolymers fortgesetzt. Das Vorpolymer (537,1 g) wurde dann in einen 2 l Polypropylenbecher eingewogen und gründlich mit den Kettenverlängerern BDO {16,82 g) 2 Minuten gründlich gemischt. Das Polymer wurde in eine teflonbeschichtete Pfanne gegossen und 4 h bei 100°C in einem Ofen unter Stickstoff gehärtet.
Das gehärtete Polyurethan wurde nach Trocknen bei 45°C unter Vakuum (0,1 Torr) bei 180°C in 2 mm dicke flache Blätter zum Testen der Zugeigenschaften und Biegemoduls und 2 mm dicke Scheiben mit 10,5 cm Durchmesser für Abriebfestigkeit formgepresst. Zugeigenschaften und Biegefestigkeit wurden mit einem Instron Model 4032 Universal Testing Machine untersucht, während die Abriebfestigkeit mit einem Taber Model 503 Abraser unter Verwendung von Calibrade H-22 Schleifräder und 1000 g Radlast untersucht wurde. Die Zugversuchsproben waren 10 cm lange Dumbbells mit einer 6 mm breiten Engstelle. Die Versuchsergebnisse sind in Tabelle 2 zusammen mit den entsprechenden Eigenschaften für eine kommerzielle Siliziumgummi-Probe zusammengefasst. Manche Eigenschaften von in der Literatur⁵ angegebenen hochzerreißfestem Siliziumgummi sind in Tabelle 3 zum Vergleich gezeigt.
Die Klarheit der Polyurethan-Zusammensetzung in Beispiel 2 und kommerziellem Siliziumgummi wurde mit einem Gardner Hazemeter Model UX10 unter Verwendung von 2 mm dicken Filmen gemessen.
Tabelle 2
Tabelle 3
Tabelle 4
Die Resultate in Tabellen 2, 3 und 4 zeigen deutlich, dass die erfindungsgemäße Zusammensetzung besser ist als Siliziumgummi hinsichtlich der Zugfestigkeit, Reißfestigkeit und Abriebfestigkeit als auch Klarheit ist.
Beispiel 3
1,4-Bis(3-hydroxypropyl)-1,1,4,4-tetramethyldisilylethylen (HTDE) wurde durch ein Hydrosylilierungsverfahren hergestellt.
1,1,4,4-Tetramethyldisilylethylen (50,0 g) und Tris(triphenylphosphin)rhodiumchlorid (Wilkinson Katalysator, 0,005 g) wurden in einem mit einer Stickstoffeinlasskammer Additionstrichter, Trockenröhrchen und Kühlrohr versehenem 500 ml Rundkolben gegeben. Der Kolben wurde in ein Ölbad bei 40°C gegeben und Allylalkohol (80,00 g) wurde zu der Reaktonsmischung über eine Dauer von 30 Minuten gegeben. Nachdem die Adition vervollständigt war, wurde die Ölbadtemperatur auf 80°C erhöht und die Reaktion 2 h weitergeführt. Eine Probe der Reaktion wurde durch IR-Spektroskopie analysiert. Die Abwesenheit einer Si-H-Bande bei 2160 cm^–1 wurde als Abschluß der Reaktion genommen. Die Produktmischung wurde in CH₂Cl₂ gelöst und mit Aktivkohle zum Entfernen des Katalysators behandelt. Das Produkt wurde durch Vakuumdestillation gereinigt und die bei 135 bis 137°C/0,1 Torr siedende Fraktion zur Herstellung von Polyurethan verwendet.
PDMS und PHMO wurden gemäß dem in Beispiel 1 beschriebenen Verfahren gereinigt. PDMS (28,00 g), PHMO (7,00 g), BDO (2,433 g), HTDE (2,363 g) und Dibutylzinndilaurat (0,006 g) wurden in einen 100 ml Poly(propylen)becher eingewogen und 2 h bei 80°C unter Vakuum (2 Torr) entgast. Geschmolzenes MDI (18,57 g) wurde schnell zu dem Inhalt im Becher gegeben und schnell gerührt. Das Polymer wurde im Becher 4 h bei 100°C in einem Ofen unter Stickstoff gehärtet.
Eine Probe des Polymers wurde nach 15 h Trocknen bei 45°C unter Vakuum (0,1 Torr) bei 180°C in ein 1 mm dickes flaches Blatt für die Zugversuche formgepresst. Aus dem Blatt ausgestanzte Dumbbells wurden an einem Instron Model 4032 Universal Testing Machine Zugversuchen unterworfen: Spannungsversagen 17 MPa, Beanspruchungsversagen 460%, Youngscher Modul 17,6 MPa, Shorehärte 79A und Reißfestigkeit 51 N/mm.
Beispiel 4
1,3-Bis(5-hydroxypentyl)-1,1,3,3-tetramethyldisiloxan (BHPD) und 1,3-Bis(6-hydroxyhexyl)-1,1,3,3-tetramethyldisiloxan (BHHD) wurden unter Verwendung von zu den in Beispiel 3 beschriebenen Verfahren hergestellt.
Zwei Polyurethane wurden unter Verwendung eines ähnlich zu dem in Beispiel 1 beschriebenen Einschrittverfahrens hergestellt. Das Polyurethan auf Basis von BHPD wurde aus PDMS (20,0 g), PHMO (5,0 g), MDI (12,72 g), BDO (1,209 g), BHPD (2,742 g) und Katalysator-Dibutylzinndilaurat (0,004 g) hergestellt. Ebenso wurde ein Polyurethan auf Basis von BHHD aus PDMS (20,0 g), PHMO (5,0 g), MDI (12,57 g), BDO (1,178 g), BHHD (2,914 g) und Dibutylzinndilaurat (0,004 g) hergestellt.
Nach 15 Trocknen bei 45°C unter Vakuum (0,1 Torr) wurden Proben der zwei Polymere bei 180°C in ein 1 mm dickes flaches Blatt zum Untersuchen der Zugeigenschaften formgepresst. Aus den Blättern ausgestanzte Dumbbells wurden an einer Instron Model 4032 Universal Testing Machine untersucht. Das Polyurethan auf Basis von BHPD zeigte: Spanungsversagen 19,5 MPa, Beanspruchungsversagen 300%, Spannung bei 100%, Ausdehnung 7,2 MPa, Shorehärte 67A und Youngscher Modul 11,2 MPa. Ähnlich zeigte das Polyurethan auf Basis von BHHD Spannungsversagen 22,2 MPa, Beanspruchungsversagen 290%, Shorehärte 60A und Youngscher Modul 12,7 MPa.
Beispiel 5
PDMS und PHMO wurden gemäß dem in Beispiel 1 beschriebenen Verfahren hergestellt. PDMS (5,00 g), PHMO (20,0 g), BDO (2,04 g), BHTD (4,203 g) und Dibutylzinndilaurat (0,005 g) wurden in einen 100 ml Poly(propylen)becher eingewogen und 2 h bei 80°C unter Vakuum (2 Torr) entgast. Hydriertes MDI (Aldrich, 18,76 g) wurde schnell zum Inhalt im Becher gegeben und schnell gerührt. Das Polymer wurde im Becher 4 h bei 100°C in einem Ofen unter Stickstoff gehärtet.
Das Polymer war nach Härten farblos und transparent. Ein 1 mm dickes Blatt des Polymers wurde bei 180°C durch Formpressen hergestellt. Aus dem Blatt ausgestanzte Dumbbells wurden auf die Zugeigenschaften an einer Instron Model 4032 Univesal Testing Machine untersucht: Spannungsversagen 18 MPa, Beanspruchungsversagen 410%, Spannung bei 100%, Ausdehnung 2,3 Mpa, Youngscher Modul 10 MPa und Shorehärte 60A.
Beispiel 6
Dieses Beispiel veranschaulicht die Synthese einer Polyurethan-Zusamensetzung unter Verwendung eines PDMS-Makrodiols mit einem Molekulargewicht von 1913,3 gemäß einem Zweischritt-Polymerisationsverfahren.
MDI (23,85 g) wurde in einen mit einem Trockenstickstoff-Eeinlaß, einem mechanischen Rührer und einem Additionstrichter versehenen 250 ml Dreihalsrundkolben eingewogen. Der Reaktionskolben wurde in ein Ölbad bei 70°C gegeben und die Polyolmischung (40,00 g, PDMS Molekulargewicht 1913,3 und 10,00 g PHMO, Molekulargewicht 700,16) wurde langsam aus dem Additionstrichter über eine Dauer von 15 Minuten zum MDI gegeben. Nach Vervollständigung der Addition wurde die Ölbadtemperatur auf 80° erhöht und 2 h unter Rühren unter einem langsamen Stickstoffluß zum Vervollständigen der Reaktion umgesetzt. Das Vorpolymer wurde dann in wasserfreiem N,N-Dimethylformamid (DMF) (440 ml) zur Herstellung einer 15% Lösung gelöst. Die Kettenverlängerungsmischung, 1,4-Butandiol (3,099 g) und 1,3-Bis(4-hydroxybutyl)tetramethyldisiloxan (6,387 g) wurde zur Vorpolymerlösung gegeben und 4 h bei 90°C unter Rühren umgesetzt.
Ein 0,5 mm dicker Film wurde aus der DMF-Lösung des Polymers in eine Petrischale gegossen und bei 45°C in einem Ofen 48 h getrocknet zum Entfernen des Lösungsmittels. Der gegossene Film war klar und transparent. Testproben wurden aus dem Film zum Untersuchen der Zugeigenschaften und Reißfestigkeit ausgestanzt.
Das Polyurethan zeigte 22 MPa Spannungsversagen, 440% Beanspruchungsversagen, 15 MPa Youngscher Modul und 7 MPa Spannung bei 100% Ausdehnung. Die Reißfestigkeit des Polyurethans war 60 N/mm.
Quellen

1. M. Szycher, J. Biomat. Appl., Band 3, Seiten 297–402, (1988).
2. M. Szycher und W. A. McArthur, Surface Fissuring of Polyurethanes Following In Vivo Exposure, In A. C. Fraker und C. D. Griffin, Eds. Corrosion and Degradation of Implant Materials, Philadelphia, PA, ASTM STP 859, Seiten 308–321, (1985).
3. L. Pinchuk, J. Biomaters. Sci. Edn, Band 3 (3), Seiten 225–267, (1994).
4. R. W. Hergenrother und S. L. Cooper, Mat. Res. Soc. Symp. Proc., Band 252, Seiten 257–263, (1992).
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Claims

Verwendung eines Silizium enthaltenden Diols der Formel (I) als Kettenverlängerer in einem elastomeren Polyurethan:
worin R₁, R₂, R₃, R₄, R₅ und R₆ gleich oder unterschiedlich und ausgewählt sind aus einem gegebenenfalls substituierten geradkettigen, verzweigten oder zyklischen, gesättigten oder ungesättigten Kohlenwasserstoffradikal; R₇ eine bivalente Verknüpfungsgruppe oder ein gegebenenfalls substituiertes geradkettiges, verzweigtes oder zyklisches, gesättigtes oder ungesättigtes Kohlenwasserstoffradikal ist; und n 0, 1 oder 2 ist.
Verwendung gemäß Anspruch 1, worin R₁, R₂, R₃ und R₄ gleich oder unterschiedlich und ausgewählt sind aus Alkyl-, Alkenyl-, Alkinyl-, Aryl- oder Heterozyklusradikalen.
Verwendung gemäß Anspruch 2, worin die Alkylradikale geradkettige, verzweigte oder mono- oder polyzyklische Alkylradikale einschließen.
Verwendung gemäß Anspruch 3, worin die Radikale ausgewählt sind aus Methyl, Ethyl, Propyl, Isopropyl, Butyl, Isobutyl, sec-Butyl, Amyl, Isoamyl, sec-Amyl, 1,2-Dimethylpropyl, 1,1-Dimethylpropyl, Pentyl, Hexyl, 4-Methylpentyl, 1-Methylpentyl, 2-Methylpentyl, 3-Methylpentyl, 1,1-Dimethylbutyl, 2,2-Dimethylbutyl, 3,3-Dimethylbutyl, 1,2-Dimethylbutyl, 1,3-Dimethylbutyl, 1,2,2-Trimethylpropyl, 1,1,2-Trimethylpropyl, Heptyl, 5-Methylhexyl, 1-Methylhexyl, 2,2-Dimethylpentyl, 3,3-Dimethylpentyl, 4,4-Dimethylpentyl, 1,2-Dimethylpentyl, 1,3-Dimethylpentyl, 1,4-Dimethylpentyl, 1,2,3-Trimethylbutyl, 1,1,2-Trimethylbutyl, 1,1,3-Trimethylbutyl, Octyl, 6-Methylheptyl, 1-Methylheptyl, 1,1,3,3-Tetramethylbutyl, Nonyl, 1-, 2-, 3-, 4-, 5-, 6- oder 7-Methyloctyl, 1-, 2-, 3-, 4-oder 5-Ethylheptyl, 1-, 2- oder 3-Propylhexyl, Decyl, 1-, 2-, 3-, 4-, 5-, 6-, 7- und 8-Methylnonyl, 1-, 2-, 3-, 4-, 5- oder 6-Ethyloctyl, 1-, 2-, 3- oder 4-Propylheptyl, Undecyl, 1-, 2-, 3-, 4-, 5-, 6-, 7-, 8-oder 9-Methyldecyl, 1-, 2-, 3-, 4-, 5-, 6- oder 7-Ethylnonyl, 1-, 2-, 3-, 4- oder 5-Propyloctyl, 1-, 2-oder 3-Butylheptyl, 1-Pentylhexyl, Dodecyl, 1-, 2-, 3-, 4-, 5-, 6-, 7-, 8-, 9- oder 10-Methylundecyl, 1-, 2-, 3-, 4-, 5-, 6-, 7- oder 8-Ethyldecyl, 1-, 2-, 3-, 4-, 5- oder 6-Propylnonyl, 1-, 2-, 3- oder 4-Butyloctyl, 1,2-Penhylheptyl, Cyclopropyl, Cyclobutyl, Cyclopentyl, Cyclohexyl, Cycloheptyl, Cyclooctyl, Cyclononyl und Cyclodecyl.
Verwendung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, worin die Alkenylradikale aus geradkettigen, verzweigten oder mono- oder polyzyklischen Alkenen gebildete Gruppen einschließen.
Verwendung gemäß Anspruch 5, worin die Alkenylradikale Vinyl, Allyl, 1-Methylvinyl, Butenyl, iso-Butenyl, 3-Methyl-2-butenyl, 1-Pentenyl, Cyclopentenyl, 1-Methyl-cyclopentenyl, 1-Hexenyl, 3-Hexenyl, Cyclohexenyl, 1-Heptenyl, 3-Heptenyl, 1-Octenyl, Cyclooctenyl, 1-Nonenyl, 2-Nonenyl, 3-Nonenyl, 1-Decenyl, 3-Decenyl, 1,3-Butadienyl, 1,4-Pentadienyl, 1,3-Cyclopentadienyl, 1,3-Hexadienyl, 1,4-Hexadienyl, 1,3-Cyclohexadienyl, 1,4-Cyclohexadienyl, 1,3-Cycloheptadienyl, 1,3,5-Cyclaheptatrienyl und 1,3,5,7-Cyclooctatetraenyl einschließen.
Verwendung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6, worin die Alkinylradikale aus geradkettigen, verzweigten oder mono- oder polyzyklischen Alkinen gebildete Gruppen einschließen.
Verwendung gemäß Anspruch 7, worin die Alkinylradikale Ethinyl, 1-Propinyl, 1- und 2-Butinyl, 2-Methyl-2-propinyl, 2-Pentinyl, 3-Pentinyl, 4-Pentinyl, 2-Hexinyl, 3-Hexinyl, 4-Hexinyl, 5-Hexinyl, 10-Undecinyl, 4-Ethyl-1-octin-3-yl, 7-Dodecinyl, 9-Dodecinyl, 10-Dodecinyl, 3-Methyl-1-dodecin-3-yl, 2-Tridecinyl, 11-Tridecinyl, 3-Tetradecinyl, 7-Hexadecinyl und 3-Octadecinyl einschließen.
Verwendung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, worin R₅, R₆ und R₇ gleich oder unterschiedlich und ausgewählt sind aus Alkylen-, Alkenylen-, Alkinylen-, Aryl- oder Heterocyclylradikalen.
Verwendung gemäß Anspruch 9, worin die Alkylenradikale das Alkylenäquivalent der in Anspruch 3 oder 4 beanspruchten Alkylradikale sind.
Verwendung gemäß Anspruch 9, worin die Alkenylenradikale das Alkenylinäquivalent der in Anspruch 5 oder 6 beanspruchten Alkenylradikale sind.
Verwendung gemäß Anspruch 9, worin die Alkinylenradikale das Alkinylinäquivalent der in Anspruch 7 oder 8 beanspruchten Alkinylradikale sind.
Verwendung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, worin die Arylradikale einzelne, mehrkettige, konjugierte und kondensierte Reste von aromatischen Kohlenwasserstoffen einschließen.
Verwendung gemäß Anspruch 13, worin die Arylreste Phenyl, Biphenyl, Terphenyl, Quaterphenyl, Phenoxyphenyl, Naphthyl, Tetrahydronaphthyl, Antrhacenyl, Dihydroanthracenyl, Benzanthracenyl, Dibenzanthracenyl und Phenanthrenyl einschließen.
Verwendung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, worin die Heterozyklusradikale mono- oder polyzyklische Heterocyclylgruppen enthaltend mindestens ein Heteroatom ausgewählt aus Stickstoff, Schwefel und Sauerstoff einschließen.
Verwendung gemäß Anspruch 15, worin die Heterozyklusradikale einschließen: N-enthaltende heterozyklische Gruppen, gesättigte 3- bis 6-gliedrige heteromonozyklische Gruppen enthaltend 1 bis 4 Stickstoffatome, ungesättigte kondensierte heterozyklische Gruppen enthaltend 1 bis 5 Stickstoffatome, ungesättigte 3- bis 6-gliedrige heteromonozyklische Gruppen enthaltend ein Sauerstoffatom, ungesättigte 3- bis 6-gliedrige heteromonozyklische Gruppen enthaltend 1 bis 3 Schwefelatome, ungesättigte 3- bis 6-gliedrige heteromonozyklische Gruppen enthaltend 1 bis 2 Sauerstoffatome und 1 bis 3 Stickstoffatome, gesättigte 3- bis 6-gliedrige heteromonozyklische Gruppen enthaltend 1 bis 2 Sauerstoffatome und 1 bis 3 Stickstoffatome, ungesättigte kondensierte heterozyklische Gruppen enthaltend 1 bis 2 Sauerstoffatome und 1 bis 3 Stickstoffatome, ungesättigte 3- bis 6-gliedrige heteromonozyklische Gruppen enthaltend 1 bis 2 Schwefelatome und 1 bis 3 Stickstoffatome, gesättigte 3- bis 6-gliedrige heteromonozyklische Gruppen enthaltend 1 bis 2 Schwefelatome und 1 bis 3 Stickstoffatome und ungesättigte kondensierte heterozyklische Gruppe enthaltend 1 bis 2 Schwefelatome und 1 bis 3 Stickstoffatome.
Verwendung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, worin R₇ eine divalente Verknüpfungsgruppe ausgewählt aus O, S und NR ist, worin R Wasserstoff oder ein gegebenenfalls substituiertes geradkettiges, verzweigtes oder zyklisches, gesättigtes oder ungesättigtes Kohlenwasserstoffradikal ist.
Verwendung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, worin die gegebenenfalls substituierten Radikale mit einer oder mehreren Gruppen ausgewählt aus Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel, Alkyl, Alkenyl, Alkinyl, Aryl, Halogen, Halogenalkyl, Halogenalkenyl, Halogenalkinyl, Halogenaryl, Hydroxy, Alkoxy, Alkenyloxy, Alkinyloxy, Aryloxy, Carboxy, Benzyloxy, Halogenalkoxy, Halogenalkenyloxy, Halogenalkinyloxy, Halogenaryloxy, Nitro, Nitroalkyl, Nitroalkenyl, Nitroalkinyl, Nitroaryl, Nitroheterocyclyl, Azido, Amino, Alkylamino, Alkenylamino, Alkinylamino, Arylamino, Benzylamina, Acyl, Alkenylacyl, Alkinylacyl, Arylacyl, Acylamino, Acyloxy, Aldehydo, Alkylsulfonyl, Arylsulfonyl, Alkylsulfonylamino, Arylsulfonylamino, Alkylsulfonyloxy, Arylsulfonyloxy, Heterocyclyl, Heterocyclyloxy, Heterocyclylamino, Halogenheterocyclyl, Alkylsulfenyl, Arylsulfenyl, Carboalkoxy, Carboaryloxy, Mercapto, Alkylthio, Arylthio und Acylthio substituiert sind.
Verwendung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, worin das Silizium enthaltende Diol 1,2-Bis(4-hydroxybutyl)tetramethyldisiloxan oder 1,4-Bis(3-hydroxypropyl)tetramethyldisilylethylen und 1,4-Bis(3-hydroxypropyl)tetramethyldisiloxan ist.
Verwendung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, worin das Silizium enthaltende Diol in Kombination mit mindestens einem anderen Kettenverlängerer verwendet wird.
Verwendung gemäß Anspruch 20, worin der mindestens eine andere Kettenverlängerer ausgewählt ist aus 1,4-Butandiol, 1,6-Hexandiol, 1,8-Octandiol, 1,9-Nonandio, 1,10-Decandiol, 1,2-Dodecandiol, 1,4-Cyclohexandimethanol, p-Xylolglycol und 1,4-Bis(2-hydroxyethoxy)benzol.
Verwendung gemäß Anspruch 20 oder 21, worin das Silizium enthaltende Diol in der Kombination in einer Menge von 1 bis 50 mol-% vorhanden ist.
Polyurethanelastomer-Zusammensetzung, die die Kombination eines Silizium enthaltenden Diols und mindestens eines anderen Kettenverlängerers wie in einem der Ansprüche 20 bis 22 definiert einschließt.
Polyurethanelastomer-Zusammensetzung erhältlich aus der Reaktion zwischen: (i) einem Weichsegment-Makrodiol ausgewählt aus Polyethern, Polyestern, Polysiloxanen, Polycarbonaten oder Mischungen davon, worin das Polyether-Makrodiol von Formel (II) ist: HO-[(CH₂)_m-O]_n-H (II)worin m eine ganze Zahl von 5 oder mehr ist; und n eine ganze Zahl von 2 bis 50 ist; (ii) einem Diisocyanat; und (iii) einem Silizium enthaltenden Diol der Formel (I) wie in Anspruch 1 definiert.
Polyurethan-Zusammensetzung gemäß Anspruch 24, worin das Weichsegment-Makrodiol aus einem Polysiloxan-Makrodiol und einem Polyether-Makrodiol erhalten wird.
Polyurethan-Zusammensetzung gemäß Anspruch 24, worin das Weichsegment-Makrodiol ein Polysiloxan-Makrodiol mit einem Molekulargewicht im Bereich von 200 bis 5.000 umfaßt.
Polyurethan-Zusammensetzung gemäß Anspruch 25, worin das Molekulargewicht des Makrodiols im Bereich von 300 bis 1.200 ist.
Polyurethan-Zusammensetzung gemäß Anspruch 24, 26 oder 27, worin das Weichsegment-Makrodiol aus Polydimethylsiloxan erhalten wird.
Polyurethan-Zusammensetzung gemäß Anspruch 24, worin m 5 bis 18 ist.
Polyurethan-Zusammensetzung gemäß Anspruch 24 oder 29, worin das Molekulargewicht des Polyether-Makrodiols 200 bis 5.000 ist.
Polyurethan-Zusammensetzung gemäß Anspruch 30, worin das Molekulargewicht des Polyether-Makrodiols 200 bis 1.200 ist.
Polyurethan-Zusammensetzung gemäß Anspruch 24 bis 27, worin das Diisocyanat ausgewählt ist aus 4,4'-Methylendiphenyldiiscyanat (MDI), Methylenbis(cyclohexyl)diisocyanat (H12MDI), p-Phenylendiisocyanat (p-PDI), trans-Cyclohexan-1,4-diisocyanat (DHDI) oder einer Mischung aus cis- und trans-Isomeren, 1,6-Hexamethylendiisocyanat (DICH), 2,4-Toluoldiisocyanat (2,4-TDI) oder seinen Isomeren oder Mischungen davon, p-Tetramethylxyloldiisocyanat (p-TMXDI) und m-Tetramethylxyloldiisocyanat (m-TMXDI).
Polyurethanelastomer-Zusammensetzung erhältlich aus der Reaktion zwischen: (i) Makrodiolen einschließlich: (a) Polysiloxan-Makrodiol und (b) Polyether-Makrodiol; (ii) MDI; und (iii) Kettenverlängerer-Zusammensetzung einschließlich 1,4-Butandiol und ein Silizium-Kettenverlängerer ausgewählt aus 1,3-Bis(4-hydroxybutyl)tetramethyldisiloxan und 1,4-Bis(3-hydroxypropyl)tetramethyldisilylethylen und 1,4-Bis(3-hydroxypropyl)tetramethyldisiloxan.
Polyurethan-Zusammensetzung gemäß Anspruch 33, worin der Silizium-Rettenverlängerer in einer Menge von ungefähr 40 mol-% der Kettenverlängerer-Zusammensetzung vorhanden ist.
Polyurethan-Zusammensetzung gemäß einem der Ansprüche 24 bis 34, worin der Gewichtsanteil des (Diisocyanats plus Kettenverlängerer) in der Zusammensetzung 20 bis 60 Gew.-% ist.
Polyurethan-Zusammensetzung gemäß Anspruch 33, worin das Gewichtsverhältnis von Polysiloxan zu Polyether 1 : 99 bis 99 : 1 ist.
Polyurethan-Zusammensetzung gemäß Anspruch 36, worin das Gewichtsverhältnis von Polysiloxan zu Polyether ca. 80 : 20 ist.
Material oder Biomaterial umfassend eine Polyurethanelastomer-Zusammensetzung gemäß einem der Ansprüche 24 bis 37.
Verwendung des Materials oder Biomaterials gemäß Anspruch 38 als ein in vivo abbaubeständiges Material.
Vorrichtung, medizinische Vorrichtung, Gegenstand oder Implantat, das vollständig oder teilweise aus der Polyurethanelastomer-Zusammensetzung gemäß einem der Ansprüche 24 bis 37 zusammengesetzt ist.
Vorrichtung, medizinische Vorrichtung, Gegenstand oder Implantat gemäß Anspruch 40, ausgewählt aus Herzschrittmachern, Defibrillatoren und anderen elektromedizinischen Vorrichtungen, Kathetern, Kanülen, implantierbare Prothesen, kardialunterstützende Vorrichtungen, Herzklappen, Gefäßtransplantate, Stents, extrakorporale Vorrichtungen, künstliche Organe, Schrittmacherleitungen, Defibrillatorleitungen, Blutpumpen, Ballonpumpen, A-V-Shunts, Biosensoren, Membranen zur Zellverkapselung, Arzneimittel-Zuführungsvorrichtungen, Wundverbände, künstliche Gelenke, orthopädische Implantate, Weichteilersatz, künstliches Leder, Schuhsohlen, Kabelumhüllung, Lacke und Beschichtungen, strukturelle Komponenten für Pumpen oder Fahrzeuge, Erzabbausiebe und -transportbänder, Laminierverbindungen, Textilien, Trennmembranen, Dichtmaterialien und Komponenten von Klebstoffen.
Silizium enthaltendes Diol der Formel (I):
worin R₁, R₂, R₃, R₄, R₅ und R₆ gleich oder unterschiedlich und ausgewählt sind aus einem gegebenenfalls substituierten geradkettigen, verzweigten oder zyklischen, gesättigten oder ungesättigten Kohlenwasserstoffradikal; R₇ Ethylen ist; und n 1 oder 2 ist.