DE3722111A1 - Medizinische prothese aus polyurethan - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein einfaches Vernet­ zungsverfahren für eine Anzahl von Polyurethanen, insbe­ sondere für medizinische Anwendungen. Die Erfindung bezieht sich vor allem auf elektrostatisch gesponnene Erzeugnisse, wie rohrförmige Gefäßtransplantate und auf Verfahren zu ihrer Herstellung.

Die Technik des elektrostatischen Spinnens von Flüssig­ keiten, die faserbildendes Material enthalten oder umfas­ sen, ist bekannt und beispielsweise in der US-A 40 44 404 beschrieben.

Diese Technik wurde bei der Herstellung von rohrförmigen Erzeugnissen, wie z.B. rohrförmigen Gefäßtransplantaten, angewandt. Beispielsweise beschreibt DE-A 27 04 771.8 die Herstellung solcher rohrförmigen Erzeugnisse durch das elektrostatische Spinnen von Flüssigkeiten, um Fasern zur Verfügung zu stellen, die auf einer elektrostatisch geladenen Form gesammelt werden, die eine Konfiguration entsprechend der gewünschten inneren Konfiguration des rohrförmigen Erzeugnisses aufweist.

Ein ähnliches Verfahren kann benutzt werden, um nicht rohrförmige Erzeugnisse durch Verwendung einer elektro­ statisch geladenen Form geeigneter Gestalt herzustellen.

Eine Verbesserung des Verfahrens zur Bildung rohrförmiger Erzeugnisse ist in der EP-A 00 09 941 enthalten, die ein Verfahren beschreibt, bei dem eine Hilfselektrode oder eine Gruppe von Elektroden verwendet wird, um die Orientierung der Fasern zu variieren, damit das Gleichge­ wicht zwischen der längsgerichteten Festigkeit und der Berstfestigkeit des rohrförmigen Erzeugnisses verändert wird.

Andere Verfahren, mit denen den Fasern in einem rohrförmi­ gen Erzeugnis eine gewisse richtungsmäßige Vorspannung erteilt wird, umfassen die Anwendung von Veränderungen der Drehzahl eines Dorns, wie sie in der GB-A 21 20 946 und GB-A 21 21 286 beschrieben sind.

Weitere Verbesserungen bei der Herstellung rohrförmiger Erzeugnisse durch elektrostatisches Spinnen sind in der britischen Patentanmeldung Nr. 85 24 541 vom 4. Oktober 1985 enthalten, die eine rohrförmige Faserstruktur be­ schreibt, welche Fasern kleinen Durchmessers sowie Fasern wesentlich größeren Durchmessers umfaßt, wobei die Fasern kleinen Durchmessers in der Faserstruktur regellos orien­ tiert sind und die Fasern größeren Durchmessers in einer Matrix der Fasern kleinen Durchmessers eingebettet sind und die Fasern größeren Durchmessers im allgemeinen in Umfangsrichtung in bezug auf die Längsachse der rohrförmi­ gen Struktur orientiert sind.

Derartige rohrförmige Erzeugnisse können beispielsweise als künstliche Harn- oder Gallenleiter, künstliche Herz­ komponenten, künstliche Luftröhren, Bestandteile von medizinischen Hilfseinrichtungen, die in dauernden Kontakt mit lebendem Gewebe kommen, oder vorzugsweise als Gefäß­ transplantate.

Elektrostatisch gesponnene, nicht-rohrförmige Erzeugnisse finden auch auf medizinischem Gebiet Verwendung, bei­ spielsweise zur Verstärkung von geschwächten Gewebeberei­ chen.

Die elektrostatisch gesponnenen Erzeugnisse zur medizini­ schen Verwendung können aus beliebigen biokompatiblen, nicht absorbierbaren oder absorbierbaren, zu Fasern verarbeitbaren Materialien bestehen. Als zu Fasern verar­ beitbarer Werkstoff ist ein solcher zu verstehen, der fähig ist, eine Lösung oder eine Schmelze zu bilden, die zur Herstellung von Fasern elektrostatisch gesponnen werden kann. Geeignete, zu Fasern verarbeitbare Materia­ lien umfassen Polyester, wie z.B. Polyethylenterephthalat, fluorierte Verbindungen, insbesondere fluorierte Kohlen­ wasserstoffe, wie z.B. Polytetrafluorethylen, Silicone, Polyamide, wie z.B. Nylons, Polyacrylnitril und Harn­ stoff/Formaldehydharze. Indessen sind die bevorzugten, zu Fasern zu verarbeitenden Werkstoffe Polyurethane, insbe­ sondere Polyetherurethanharnstoffe. Derartige Werkstoffe sind bekannt und unter den Warenzeichen Biomer (von Ethicon Inc.) und Mitrathane (von Mitral Medical Interna­ tional, Inc., Colorado) erhältlich.

Das unter dem Warenzeichen Biomer erhältliche Polyurethan ist ein Polytetramethylenetherpolyurethanharnstoff und ein Verfahren zur Herstellung desselben ist in der US-A 40 62 834 beschrieben.

Andere Poly(etherurethane), hergestellt aus Tetramethylen­ glycol, wie Pellethane (Bayer) und Tecoflex (Thermedic) können in Rohrform durch Verfahren wie z.B. Extrudieren und Tauchformen zur Verwendung als Katheter, Herzschritt­ macherleitungen und für die oben zitierten Anwendungen für elektrostatisch gesponnene Erzeugnisse benutzt werden.

Eine Übersicht der Verwendung von Polyurethanen als chirurgische Implantate gibt Boretos, J.W., in Pure and Applied Chemistry, 52, 1851, 1980.

Die bekannten elektrostatisch gesponnenen Erzeugnisse für medizinische Zwecke sind notwendig porös. Dies ist ein Vorteil insofern, als er die Bildung von Narbengewebe durch die Poren hindurch erleichtert. Daher kann das Erzeugnis in lebendem Gewebe nicht nur durch irgendwelche Nahtmaterialien verankert werden, die durch das Erzeugnis hindurch plaziert werden, sondern auch und wirksamer durch das regenerierte natürliche Gewebe.

Die bekannten elektrostatisch gesponnenen Erzeugnisse haben nach ihrer Herstellung sehr gute physikalische Eigenschaften für medizinische Zwecke, und diese Eigen­ schaften können bis zu einem gewissen Ausmaß durch das Herstellungsverfahren des Erzeugnisses, wie in den oben angegebenen Patentschriften dargestellt, verbessert wer­ den. Diese Erzeugnisse sind auch im allgemeinen für ihre beabsichtigten Zwecke angemessen flexibel.

Indessen sind die Erzeugnisse, wenn sie einmal im Körper plaziert sind, verschiedenen Beanspruchungen ausgesetzt. Beispielsweise ist ein rohrförmiges Gefäßtransplantat radialen Beanspruchungen aufgrund der Tatsache unterwor­ fen, daß das Blut durch das Transplantat hindurchgepumpt wird, ferner axialen Beanspruchungen aufgrund der Streckung des Transplantates, sowie Biegebeanspruchungen aufgrund der Bewegung des das Transplantat enthaltenden Körperteils. Unter solchen Beanspruchungen hat das Poly­ mermaterial, aus dem das Erzeugnis hergestellt ist, die Neigung, zu kriechen oder sich zu dehnen, und zwar mit einem einhergehenden Verlust der Form und physikalischen Eigenschaften.

Die Kriechneigung könnte durch eine Verstärkung der Dicke des Erzeugnisses verringert werden. Indessen wäre dies nachteilig, weil hierdurch die Porosität und die Flexibi­ lität des Erzeugnisses abnehmen und dem Chirurgen die Handhabung während eines chirurgischen Verfahrens erschwe­ ren würde.

Es ist deshalb erwünscht, ein elektrostatisch gesponnenes Erzeugnis herzustellen, das seine Porosität, Flexibilität und physikalischen Eigenschaften beibehält, jedoch nicht der Neigung zum Kriechen oder Dehnen bei Langzeiteinsatz unterworfen ist.

Die mit der Kriechneigung verbundenen Probleme sind allgemein und die vorhergehende Feststellung bezieht sich ebenso auf durch andere Herstellungsverfahren als durch das elektrostatische Spinnen aus Polyurethanen hergestell­ te Erzeugnisse.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich daher auf ein elektrostatisch gesponnenes Erzeugnis, bestehend aus einer Struktur aus faserigem Polymermaterial, wobei das Polymer­ material in den einzelnen Fasern mindestens teilweise vernetzt ist, jedoch im wesentlichen keine Vernetzung zwischen den einzelnen Fasern vorliegt.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen elektrostatisch gesponnenen Erzeugnisses, bestehend aus dem elektrostatischen Spinnen einer Schmelze oder Lösung eines zu Fasern verarbeitbaren Polymermate­ rials auf einer geeignet gestalteten Form, wobei das so gebildete Erzeugnis der Einwirkung von Dampf eines Vernetzungsmittels ausgesetzt wird.

Es wurde überraschend gefunden, daß die Verwendung eines Vernetzungsmittels in der Dampfphase zur Vernetzung des Polymermaterials innerhalb der Fasern führt, aber nicht zu irgendeiner signifikanten Vernetzung zwischen den Fasern. Daher behält das gebildete Erzeugnis, wenn es auf diese Weise behandelt ist, im wesentlichen sein ursprüngliches mikroskopisches und makroskopisches Aussehen bei und behält auch im wesentlichen seine ursprüngliche Flexibili­ tät und Porosität. Indessen werden seine physikalischen Eigenschaften signifikant verbessert, wie z.B. die Streck-, Biege- und Berstfestigkeit, insbesondere seine Kriechfestigkeit.

Darüber hinaus hat es sich als unmöglich erwiesen, das Polymermaterial vor dem elektrostatischen Spinnen zu vernetzen, weil dies entweder die Löslichkeit des Werk­ stoffes vermindert oder seinen Schmelzpunkt in einem solchen Ausmaß erhöht, daß das Material nicht mehr elektrostatisch gesponnen werden kann.

Das Erzeugnis gemäß der Erfindung kann durch irgendein beliebiges Verfahren gesponnen werden, das oben erwähnt wurde oder durch beliebige Veränderung oder Entwicklung solcher Verfahren. Vorzugsweise wird das in der britischen Patentanmeldung 85 24 541 beschriebene Verfahren ange­ wandt.

Das Vernetzungsmittel, das verwendet wird, hängt ab von dem Polymermaterial, das verwendet wird, um das Erzeugnis herzustellen. Das Vernetzungsmittel kann irgendein belie­ biges solches bekanntes Mittel sein, das als Vernetzungs­ mittel für das besondere polymere Material benutzt wird, vorausgesetzt, daß das Mittel als Dampf bei einer Temperatur unterhalb derjenigen vorliegen kann, bei der das Polymermaterial in seiner unvernetzten Form sich zu zersetzen oder zu erweichen beginnt. Falls gewünscht, kann Vakuum angewandt werden, um den Verdampfungsgrad des Mittels zu erhöhen, das aus einer Flüssigkeit oder aus einem sublimierbaren Feststoff bestehen kann.

Die Auswahl eines geeigneten Vernetzungsmittels ist lediglich eine Sache eines Routineversuchs für einen Fachmann.

Falls gewünscht, kann das Erzeugnis auf einer erhöhten Temperatur gehalten werden, um die Vernetzungsreaktion zu verbessern. Indessen wird es bevorzugt, daß die Vernet­ zungsreaktion angenähert bei Raumtemperatur stattfindet.

Das Erzeugnis kann entweder während es sich noch auf der Form befindet oder wenn es von dieser entfernt ist, vernetzt werden.

Dieses Verfahren kann angewandt werden zum Vernetzen von Polyurethangegenständen, die durch andere Methoden als das elektrostatische Spinnen hergestellt sind.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt das gesponne­ ne Erzeugnis Fasern eines Polyetherpolyurethanharnstoffs, wobei das Vernetzungsmittel ein verdampfbares Halogenal­ kylisocyanat, wie z.B. Chlormethylisocyanat, ist.

Ein elektrostatisch gesponnenes Polyurethan kann in einem flüssigen Medium unter Bedingungen vernetzt werden, die eine geringe Anderung sowohl des mikroskopischen als auch des makroskopischen Aussehens des Erzeugnisses hervorru­ fen. Dies kann bewirkt werden durch Quellen des Produktes in einer Flüssigkeit mit geringer oder keiner Wirkung auf das Polyurethan (z.B. n-Hexan), enthaltend eine geeignete Menge von Chlormethylisocyanat (z.B. 1-90% v/v). Falls eine geeignete Menge (typischerweise 10% v/v) eines Chlormethylisocyanats in n-Hexan verwendet wird, bleibt die gesamte Flexibilität und Porosität des Erzeugnisses nach dem Vernetzen im wesentlichen unverändert. Diese Reaktion ist auch geeignet zum Vernetzen von Polyurethan­ erzeugnissen, die durch andere Verfahren als das elektro­ statische Spinnen hergestellt sind.

Beispiele des Verfahrens gemäß der Erfindung, die benutzt werden, um ein Erzeugnis gemäß der Erfindung zu bilden, sind nachstehend aufgeführt. Es ist indessen verständlich, daß die unten angegebenen Beispiele die Erfindung nur beispielsweise beschreiben und daß einzelne Abänderungen innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung vorgenommen werden können.

Beispiele

1) Ein Polytetramethylenätherpolyurethanharnstoffharz (Biomer hergestellt durch Ethicon Inc.) wird in Dimethylacetamid gelöst und elektrostatisch gemäß dem Verfahren in GB-A 21 20 946 oder GB-A 21 21 286 auf zylindrischen Formen gesponnen, um eine Anzahl von rohrförmigen, elektrostatisch gesponnenen faserigen Erzeugnissen mit einer Faser von durchschnittlich einem Micrometer im Durchmesser zu erzeugen.

Ein derartiges Erzeugnis wird in ein Bad von Dimethyl­ acetamid eingetaucht und innerhalb zwei Stunden Tauchzeit vollständig aufgelöst.

Ein zweites derartiges Produkt wird auf seiner Form in einem abdichtbaren Glasbehälter plaziert, der danach evakuiert wird, um das Gas aus dem Behälter und dem Produkt zu entfernen. Eine Menge Chlormethylisocyanat wird in den evakuierten Behälter eingeführt, ohne daß es mit dem Erzeugnis unmittelbar in Berührung kommt. Das Erzeugnis wird in dem Behälter 24 Stunden bei einer Temperatur von annähernd 20°C gehalten, worauf­ hin der Druck im Behälter auf Atmosphärendruck zurückgeführt wird. Überschüssiges flüssiges Chlor­ methylisocyanat wird entfernt und das Erzeugnis wird in Wasser gewaschen, um Vernetzungsmittel, das nicht reagiert hat und an den Fasern anhaftet, zu entfernen.

Das mikroskopische und makroskopische Aussehen des so behandelten Erzeugnisses wird mit demjenigen eines ähnlichen unbehandelten Erzeugnisses verglichen und stimmt mit diesem im wesentlichen überein. Es wurde auch beobachtet, daß Flexibilität und Porosität des behandelten Erzeugnisses im wesentlichen dieselben sind wie bei den unbehandelten Erzeugnissen. Indessen sind die Streck-, Biege- und Berstfestigkeit sowie der Kriechwiderstand des behandelten Erzeugnisses denjeni­ gen des unbehandelten Erzeugnisses überlegen.

Das behandelte Erzeugnis wird dann in ein Bad von Dimethylacetamid eingetaucht. Nach 24 Stunden Tauch­ zeit ist wenig, wenn überhaupt etwas von dem Erzeugnis gelöst, was anzeigt, daß die Fasern in hohem Maß vernetzt worden sind. Dies zeigt auch, daß das vernetzte Material bei einem elektrostatischen Spinn­ verfahren nicht hätte verwendet werden können.

So wird durch das Verfahren gemäß der Erfindung ein elektrostatisch gesponnenes Erzeugnis mit verbesserten Festigkeits- und Kriechwiderstandseigenschaften herge­ stellt, das aber hinsichtlich seiner Porosität, Flexibilität und Handhabbarkeit im wesentlichen keine Beeinträchtigung aufweist.

2) Lösungen von Biomer in N,N-Dimethylacetamid können leicht vernetzt werden durch direkte Hinzufügung von Chloromethylisocyanat.

Typischerweise werden 10 g einer 15%-igen w/w Lösung von Biomer in N,N-Dimethylacetamid innerhalb von Sekunden durch unmittelbare Hinzufügung von 0,5 ml reinen Chlormethylisocyanats geliert, um schließlich ein hartes elastomeres Netzwerk zu erhalten, das in irgendeiner nicht zersetzenden Flüssigkeit nicht mehr löslich ist.

3) Filme von Poly(etherurethanen) Tecoflex (Thermedic) hergestellt durch Extrusion und Pellethane (Bayer), gegossen aus einer N,N-Dimethylacetamidlösung (2% w/w) wurden vernetzt durch Tauchen in eine Lösung von Chlormethylisocyanat in Hexan (10% v/v) für 24 Stunden. Nach Waschen und Trocknen aller Filme, die diese Behandlung erfahren haben, wurde ein Quellen, jedoch nicht ein Lösen in N,N-Dimethylacetamid unähn­ lich aller unbehandelten Proben festgestellt. Es wurde gefunden, daß die mechanischen Eigenschaften der vernetzten Filme den unbehandelten merklich überlegen sind.

Claims (21)

1. Medizinische Prothese aus Polyurethan, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Polyurethanpolymer nach Bildung der Prothese mindestens teilweise vernetzt worden ist.

2. Medizinische Prothese nach Anspruch 1, die ein elektrostatisch gesponnenes Erzeugnis darstellt, das eine Struktur aus einem faserigen Polymermaterial umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymermate­ rial in den einzelnen Fasern mindestens teilweise vernetzt ist, jedoch im wesentlichen keine Vernetzung zwischen den einzelnen Fasern vorliegt.

3. Medizinische Prothese nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß diese einen Formkörper darstellt.

4. Medizinische Prothese nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß es sich hierbei um ein Tauchformstück handelt.

5. Medizinische Prothese nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Vernetzungen Reste umfassen, die von einem verdampfbaren Halogenalkylisocyanat stammen.

6. Medizinische Prothese nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Halogenalkylisocyanat Chlor­ methylisocyanat ist.

7. Verfahren zur Herstellung einer medizinischen Prothe­ se, gekennzeichnet durch die Bildung der Prothese aus einem unvernetzten Polyurethan und dem darauf folgen­ den mindestens teilweisen Vernetzen des Polyurethans mit einem Vernetzungsmittel.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die medizinische Prothese durch Verformen hergestellt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Vernetzungsmittel in das Polyurethan eingearbeitet und mit diesem verformt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die medizinische Prothese durch Tauchformen herge­ stellt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch elektrostatisches Spinnen einer Schmelze oder Lösung des Polyurethanwerkstoffs auf einer geeignet gestalte­ ten Form.

12. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Vernetzungsmittel durch Tauchen der Prothese in eine dsd Vernetzungsmittel enthaltende Flüssigkeit aufgebracht wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit nur aus dem Vernetzungsmittel besteht.

14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit eine Lösung des Vernetzungsmittels in einem Lösungsmittel umfaßt, das Polyurethan weder löst noch mit diesem reagiert.

15. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Vernetzungsmittel dadurch aufgebracht wird, daß die Prothese einem das Vernetzungsmittel enthaltenden Dampf ausgesetzt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß als Vernetzungsmittel ein solches verwendet wird, das als Dampf bei einer Temperatur unterhalb derjeni­ gen vorliegt, bei der das Polyurethanmaterial in seiner unvernetzten Form sich zu zersetzen oder zu erweichen beginnt.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Vernetzungsmittel ein verdampfbares Halogen­ alkylisocyanat ist.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Halogenalkylisocyanat Chlormethylisocyanat ist.

19. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vernetzungsreaktion bei etwa Raumtemperatur statt­ findet.

20. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Erzeugnis vernetzt wird, während es sich noch auf seiner Form befindet.

21. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Prothese nach der Behandlung mit dem Vernetzungs­ mittel mit Wasser oder einer wässerigen Lösung gewaschen wird.