PL218974B1

PL218974B1 - Sposób otrzymywania segmentowych poliuretanów, zwłaszcza do zastosowań medycznych

Info

Publication number: PL218974B1
Application number: PL394094A
Authority: PL
Inventors: Helena Janik; Iwona Gibas; Przemysław Litwa
Original assignee: Politechnika Gdanska
Priority date: 2011-03-03
Filing date: 2011-03-03
Publication date: 2015-02-27
Also published as: PL394094A1

Abstract

Sposób według wynalazku charakteryzuje się tym, że w pierwszym etapie mieszaninę reakcyjną o zawartości od 65% wag. do 75% wag. polikaprolaktonodiolu jako oligodiolu tworzącego segmenty giętkie i od 25% wag. do 35% wag. diizocyjanianu izoforonu poddaje się działaniu temperatury 90-120°C w czasie 0,5-3 godzin przy obniżonym ciśnieniu do utworzenia prepolimeru korzystnie o zawartości wolnych grup izocyjanianowych od 3,5 do 15%. Następnie w drugim etapie do otrzymanego prepolimeru dodaje się korzystnie przy intensywnym mieszaniu, korzystnie w homogenizatorze, w czasie 0,5-2 minut 1,4-butanodiol w ilości od 6%-12% wag. w stosunku do wyjściowych substratów w etapie pierwszym, po czym tak otrzymaną mieszaninę reakcyjną wylewa się na metalową formę i wygrzewa przez okres 80-120 godzin w temperaturze 70-90°C, a otrzymane poliuretany korzystnie pozostawia się na kolejne 24 godziny celem relaksacji, po czym odformowuje się. Segmentowe poliuretany, zwłaszcza do zastosowań medycznych charakteryzujące się tym, że zawierają od 25 do 45% segmentów sztywnych.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób otrzymywania segmentowych poliuretanów, zwłaszcza do zastosowań medycznych z użyciem izocyjanianu 3-izocyjanianometylo-3,5,5 - trimetylocykloheksylowego - diizocyjanianu izoforonu (IPDI), przeznaczonych w szczególności do otrzymywania materiałów o bardzo szerokim zakresie właściwości mechanicznych i biomedycznych, w tym powłok sprzętu medycznego lub drobnego sprzętu medycznego: drenów, cewników, rurek, pasków oraz części aparatury medycznej.

Z opisu patentowego nr US6825376 znane jest zastosowanie diizocyjanianu izoforonu do otrzymywania bezrozpuszczalnikowo prepolimerów uretanowych o niskiej zawartości nieprzereagowanego IPDI przez reakcję z polieterem typu poliglikolu propylenowego lub innymi polieterami wobec jednego lub dwóch katalizatorów (w tym dilaurynianu dibutylocyny, oktanianu cynku, izopropylanu tytanu) w temperaturze od 20 do 100°C. Poliole te pochodzą z syntez katalizowanych kompleksowymi cyjankami, zawierającymi dwa różne metale, zwanych DMC katalizatorami. Prepolimer ten posiada od 2 - 5% wolnych grup NCO, pochodzących od celowo nieprzereagowanego do końca IPDI, aby wykorzystać ten fakt do dalszych reakcji, w kierunku otrzymywania technicznych produktów typu lepiszczy, uszczelek, mas utwardzających. Niedogodnością opisanej wyżej metody do otrzymywania produktów medycznych jest wprowadzenie przynajmniej jednego lub dwóch katalizatorów.

Znane są z publikacji Czech Z, Pełech R., „Thermal decomposition of polyurethane pressuresensitive adhesives dispersions” Progress in Organic Coatings 67 (2010) 72-75, kleje poliuretanowe otrzymane z dioli lub hydroksylowanych różnych związków wielkocząsteczkowych (poliestrów, polieterów, polibutadienów) oraz alifatycznych, aromatycznych lub cykloalifatycznych diizocyjanianów w tym IPDI. Bezrozpuszczalnikowa synteza poliuretanów przebiega z wykorzystaniem diizocyjanianu izoforonu, poliglikolu propylenowego, hydroksylowanego polibutadienu, kwasu dimetylopropionowego oraz katalizatora - dilaurynianu dibutylocyny przez 2 godziny w ok. 85°C i w atmosferze azotu. Po tym etapie prowadzi się 1-godzinną neutralizację w 50°C z pomocą trietyloaminy (TEA). Otrzymuje się w ten sposób dyspersję wodną w 25°C. W ostatnim etapie, po godzinnym utrzymywaniu dyspersji w 35°C, celem zakończenia reakcji przedłużania łańcuchów zachodzącej między grupami aminowymi przedłużacza oraz grupami NCO, dodaje się etylenodiaminę (EDA). Otrzymane w ten sposób kleje i uszczelniacze znajdują różne zastosowania techniczne. Rozwiązanie to wykorzystywane jest do otrzymywania poliuretanów do celów przemysłowych. Proces ten charakteryzuje się wieloetapowością i wprowadzaniem związków potencjalnie zwiększających toksyczność produktu, a tym samym niedogodnym do zastosowań medycznych.

Z publikacji Jiang X., Li J., Ding M., Tan H., Ling Q., Zhong Y., Fu Q., „Synthesis and degradation of nontoxic biodegradable waterborne polyurethanes elastomer with poly(s-caprolactone) and poly(ethylene glycol) as soft segment” European Polymer Journal 43 (2007) 1838-1846, znany jest sposób, w którym usieciowane poliuretany otrzymuje się z użyciem diizocyjanianu izoforonu (IPDI), -1 poli(e-kaprolaktonu) (PCL; M_w = 2000 g mol^-), poli(glikolu etylenowego) (PEG) jako polioli oraz mieszaniny przedłużaczy łańcuchów 1,4-butanodiolu (BDO) i L-lizyny, a także katalizatora w postaci oktanianu cyny. W rozwiązaniu zastosowano mieszaniny oligomerów i przedłużaczy łańcuchów, a także rozcieńczonego roztworu wodorotlenku sodu (NaOH) celem neutralizacji kwaśnych grup karboksylowych L-lizyny. Otrzymany poliuretan, ze względu na swoje silne usieciowanie, nie wykazuje zdobności do wchłaniania mediów przydatnych do wprowadzania leków, a zatem jego zastosowanie w medycynie jest bardzo ograniczone do materiałów na rusztowania tkankowe lub implanty biodegradowalne.

Znany jest z publikacji Zhang Y., Xia Z., Huang H., Chen H., „Thermctl degradation of polyurethane based on IPDI” Journal of Analytical and Applied Pyrolysis 84 (2009) 89-94 sposób otrzymywania poliuretanów w wyniku dwuetapowej poliaddycji. Prepolimer syntetyzuje się z IPDI oraz poliglikolu propylenowego (PPG). Następnie prowadzi się przedłużanie łańcuchów za pomocą roztworu 1,4-butanodiolu (BDO) i kwasu dimetylopropionowego (DMPA) w metylo-2-pirolidonie. Sposób ten ma zastosowanie techniczne i przemysłowe, ale jest mniej korzystne w aplikacjach biomedycznych.

Sposób otrzymywania segmentowych poliuretanów, zwłaszcza do zastosowań medycznych, polegający na prowadzeniu procesu w masie w sposób dwuetapowy bezrozpuszczalnikowy charakteryzuje się według wynalazku tym, że w pierwszym etapie mieszaninę reakcyjną o zawartości od 65% wag. do 75% wag. polikaprolaktonodiolu jako oligodiolu tworzącego segmenty giętkie i od 25% wag do 35% wag. diizocyjanianu izoforonu poddaje się działaniu temperatury 90 - 120°C w czasie 0,5 - 3 godzin przy obniżonym ciśnieniu do utworzenia prepolimeru korzystnie o zawartości wolnych grup izocyjanianowych od

PL 218 974 B1

3,5% do 15%. W drugim etapie do otrzymanego prepolimeru dodaje się korzystnie przy intensywnym mieszaniu, korzystnie w homogenizatorze, w czasie 0,5 - 2 minut 1,4-butanodiol w ilości od 6% - 12% wag. w stosunku do wyjściowych substratów w etapie pierwszym. Następnie tak otrzymaną mieszaninę reakcyjną wylewa się na metalową formę i wygrzewa przez okres 80 - 120 godzin w temperaturze 70 - 90°C. Otrzymane poliuretany korzystnie pozostawia się na kolejne 24 godziny celem relaksacji, po czym odformowuje się.

Sposób według wynalazku umożliwia krótki czas prowadzenia reakcji, a także niskie koszty i nakłady energetyczne potrzebne do wytworzenia poliuretanów. Otrzymywane poliuretany zgodnie ze sposobem według wynalazku zawierają od 25% do 45% segmentów sztywnych i otrzymywane są bezrozpuszczalnikowo, bez udziału substancji toksycznych oraz bez udziału katalizatorów. Masa pozostałości suchej po wyciągach heksanowych z produktu mieści się w normie wymaganej dla materiałów medycznych i wynosi od 2,8 do 5,3 mg.

P r z y k ł a d I

Otrzymywanie 50 g niekatalizowanego poliuretanu o zawartości segmentów sztywnych równej 32%.

W pierwszym etapie miesza się 75% wag. polikaprolaktonodiolu (PCL, CAPA®7201A; producent SOLVAY, Anglia) i 25% wag. diizocyjanianu izoforonu (IPDI, producent Merck Schuchardt OHG, Hohenbrunn, Niemcy). Reakcję prowadzi się pod obniżonym ciśnieniem, przy ciągłym mieszaniu. Zawartość wolnych grup NCO w prepolimerze wyznacza się przez ich reakcję z N,N-dibutyloaminą (producent Aldrich® Chemistry, Spruce Street, Francja) i odmiareczkowanie nadmiaru aminy kwasem solnym. Otrzymany prepolimer o zawartości wolnych grup NCO wynoszącej 6% poddaje się reakcji z 0,07 moli 1,4-butanodiolu (BDO, producent BASF Niemcy) intensywnie mieszając w homogenizatorze przez 1 minutę. Mieszaninę wylewa się na metalową formę i produkt reakcji wygrzewa się przez około 120 godzin w temperaturze 80°C, a następnie pozostawia się na 24 godziny celem relaksacji i odformowuje się. Otrzymany poliuretan posiada twardość na poziomie 84 Sh A, gęstość wynoszącą ₃

1,0321 g/cm³, chłonność soli fizjologicznej w temperaturze 37°C na poziomie 2,1%, kąt zwilżania, który wyznacza się metodą upadku kropli na poziomie 83 stopni oraz 2,4%-owy ubytek masy po działaniu PBS przez 12 tygodni w temperaturze 37°C.

P r z y k ł a d II

Otrzymywanie poliuretanu zawierającego 37% segmentów sztywnych w ilości 70 g. W pierwszym etapie uzyskuje się prepolimer z mieszaniny reakcyjnej zawierającej 69% wag. polikaprolaktonodiolu (PCL, CAPA®7201A; producent SOLVAY, Anglia) i 31% wag. diizocyjanianu izoforonu (IPDI, producent Merck Schuchardt OHG, Hohenbrunn, Niemcy). Reakcję prowadzi się pod obniżonym ciśnieniem, przy ciągłym mieszaniu. Zawartość wolnych grup NCO w prepolimerze wyznacza się przez ich reakcję z N,N-dibutyloaminą i odmiareczkowuje się nadmiar aminy kwasem solnym. Mieszaninę reakcyjną poddaje się działaniu 0,1 moli 1,4-butanodiolu (BDO, producent BASF Niemcy) intensywnie mieszając w homogenizatorze przez 1 minutę. Mieszaninę wylewa się na metalową formę i wygrzewa przez około 120 godzin w temperaturze 80°C, a następnie pozostawia się na 24 godziny celem relaksacji i odformowuje się. Otrzymany poliuretan posiada twardość na poziomie 87 Sh A, ₃ gęstość wynoszącą 1,1142 g/cm³, chłonność soli fizjologicznej w temperaturze 37°C na poziomie 1,4%, kąt zwilżania, który wyznacza się metodą upadku kropli na poziomie 98 stopni oraz 0,9%-owym ubytek masy po działaniu PBS przez 12 tygodni w temperaturze 37°C.

P r z y k ł a d III

Otrzymywanie 60 g poliuretanu o zawartości segmentów sztywnych równej 42%. W pierwszym etapie uzyskuje się prepolimer z mieszaniny reakcyjnej zawierającej 64% wag. polikaprolaktonodiolu (PCL, CAPA®7201A; producent SOLVAY, Anglia) i 36% wag. diizocyjanianu izoforonu (IPDI, producent Merck Schuchardt OHG, Hohenbrunn, Niemcy). Reakcję prowadzi się pod obniżonym ciśnieniem, przy ciągłym mieszaniu. Zawartość wolnych grup NCO w prepolimerze wyznacza się przez ich reakcję z N,N-dibutyloaminą i odmiareczkowuje nadmiar aminy kwasem solnym. Otrzymany prepolimer o zawartości wolnych grup NCO wynoszącej 10% poddaje się reakcji z 0,12 moli 1,4-butanodiolu (BDO, producent BASF Niemcy) intensywnie mieszając w homogenizatorze przez 1 minutę. Mieszaninę wylewa się na metalową formę i wygrzewa przez około 120 godzin w temperaturze 80°C, a następnie pozostawia się na 24 godziny celem relaksacji i odformowuje się.

₃

Otrzymany poliuretan posiada twardość na poziomie 90 Sh A, gęstość wynoszącą 1,1388 g/cm³, chłonność soli fizjologicznej w temperaturze 37°C na poziomie 1,4%, kąt zwilżania, który wyznacza się metodą upadku kropli na poziomie 104 stopni oraz 1,0%-owy ubytek masy po działaniu PBS przez 12 tygodni w temperaturze 37°C.

PL 218 974 B1

P r z y k ł a d IV

Otrzymywanie 75 g poliuretanu w syntezie katalizowanej dilaurynianem dibutylocyny w ilości 2,5% wag. w stosunku do ilości 1,4-butanodiolu (BDO). Prepolimer uzyskuje się z mieszaniny zawierającej ok. 69% wag. polikaprolaktonodiolu PCL, CAPA®7201A; producent SOLVAY, Anglia) i ok. 31% wag. diizocyjanianu izoforonu (IPDI, producent Merck Schuchardt OHG, Hohenbrunn, Niemcy). Reakcję prowadzi się pod obniżonym ciśnieniem, przy ciągłym mieszaniu. Zawartość wolnych grup NCO w prepolimerze wyznacza się przez ich reakcję z N,N-dibutyloaminą i odmiareczkowuje się nadmiar aminy kwasem solnym. Otrzymany prepolimer o zawartości wolnych grup NCO wynoszącej 7,7% poddaje się działaniu 0,09 moli 1,4-butanodiolu (BDO, producent BASF Niemcy), który uprzednio miesza się z 2,5% wag. dilaurynianu dibutylocyny, intensywnie mieszając w homogenizatorze przez 30 sekund. Mieszaninę wylewa się na metalową formę i wygrzewa przez około 48 godzin w temperaturze 80°C, a następnie pozostawia się na 24 godziny celem relaksacji i odformowuje się.

₃

Otrzymany poliuretan posiada twardość na poziomie 42 Sh A, gęstość wynoszącą 0,9256 g/cm³.

Claims

Sposób otrzymywania segmentowych poliuretanów, zwłaszcza do zastosowań medycznych, polegający na prowadzeniu procesu w masie w sposób dwuetapowy bezrozpuszczalnikowy, znamienny tym, że w pierwszym etapie mieszaninę reakcyjną o zawartości od 65% wag. do 75% wag. polikaprolaktonodiolu jako oligodiolu tworzącego segmenty giętkie i od 25% wag do 35% wag. diizocyjanianu izoforonu poddaje się działaniu temperatury 90 - 120°C w czasie 0,5 - 3 godzin przy obniżonym ciśnieniu do utworzenia prepolimeru korzystnie o zawartości wolnych grup izocyjanianowych od 3,5% do 15%, zaś w drugim etapie do otrzymanego prepolimeru dodaje się korzystnie przy intensywnym mieszaniu, korzystnie w homogenizatorze, w czasie 0,5 - 2 minut 1,4-butanodiol w ilości od 6% - 12% wag. w stosunku do wyjściowych substratów w etapie pierwszym, po czym tak otrzymaną mieszaninę reakcyjną wylewa się na metalową formę i wygrzewa przez okres 80 - 120 godzin w temperaturze 70 - 90°C, a otrzymane poliuretany korzystnie pozostawia się na kolejne 24 godziny celem relaksacji, po czym odformowuje się.