PL B1. ZACHODNIOPOMORSKI UNIWERSYTET TECHNOLOGICZNY W SZCZECINIE, Szczecin, PL POLITECHNIKA WARSZAWSKA, Warszawa, PL

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (21) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (13) B1 (51) Int.Cl. C08L 29/04 ( ) A61L 15/60 ( ) (54) Hydrożel polimerowy oraz sposób wytwarzania hydrożelu polimerowego (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 16/07 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 09/11 (73) Uprawniony z patentu: ZACHODNIOPOMORSKI UNIWERSYTET TECHNOLOGICZNY W SZCZECINIE, Szczecin, PL POLITECHNIKA WARSZAWSKA, Warszawa, PL (72) Twórca(y) wynalazku: MIROSŁAWA EL FRAY, Dobra Szczecińska, PL AGNIESZKA PILASZKIEWICZ, Szczecin, PL WOJCIECH ŚWIĘSZKOWSKI, Warszawa, PL KRZYSZTOF J. KURZYDŁOWSKI, Warszawa, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Renata Zawadzka PL B1

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest hydrożel polimerowy na bazie poli(alkoholu winylowego) (PVA) usieciowanego chemicznie i fizycznie oraz sposób wytwarzania hydrożelu polimerowego na bazie poli(alkoholu winylowego) (PVA) usieciowanego chemicznie i fizycznie. Hydrożel polimerowy według wynalazku posiada szczególnie korzystną charakterystykę właściwości mechanicznych, dzięki czemu będzie mógł znaleźć zastosowanie jako materiał biomedyczny do produkcji protez chrząstki. Poli(alkohol winylowy) jest polimerem, który wśród tworzyw sztucznych rozpuszczalnych w wodzie, produkowany jest na świecie w największych ilościach. Komercyjnie otrzymuje się go przez hydrolizę poli(octanu winylu). Największe jego zużycie związane jest z produkcją wodorozpuszczalnych klejów do papieru i tkanin, wykorzystaniem PVA jako stabilizatora w polimeryzacji emulsyjnej. Fakt rozpuszczalności PVA w wodzie wykorzystuje się również do produkcji rozpuszczalnych w wodzie worków na pranie, pestycydy i nawozy. Równie cenną właściwością PVA jest biodegradowalność, zarówno w warunkach tlenowych, jak i beztlenowych. Do zastosowań medycznych i farmaceutycznych PVA musi być usieciowany. Reakcje sieciowania mogą być prowadzone na różne sposoby. Jedną z metod jest dodatek środka sieciującego, takiego jak aldehyd glutarowy czy octowy. Jednakże, aby wytworzone zostały połączenia acetalowe pomiędzy środkiem sieciującym a grupami hydroksylowymi, konieczne jest prowadzenie sieciowania w obecności takich związków jak kwas siarkowy, kwas octowy czy metanol. Zastosowanie tego typu reagentów wiąże się z ich późniejszym uwalnianiem lub wymywaniem z hydrożelu, co zwykle dyskwalifikuje materiał w zastosowaniu biomedycznym. Rozwiązaniem, które eliminuje użycie toksycznych związków, jest sieciowanie PVA przy pomocy promieniowania γ. (Hassan Ch.M., Peppas N.A., Adv. Polym. Sci. (2000), 153, 37-65). Minimalna dawka promieniowania powodująca żelowanie zależy od stopnia polimeryzacji i stężenia polimeru w roztworze. Podczas procesu sieciowania oprócz zjawiska sieciowania, zaobserwowano również powstawanie obszarów krystalicznych, które istotnie wpływały na przenoszenie zewnętrznych obciążeń. Znany jest z opisu patentowego US 6,231,605 i pracy Ch. M. Hassan, N.A.Peppas (Adv. Polym. Sci. (2000), 153, 37-65) sposób sieciowania PVA poprzez wielokrotne zamrażanie i odmrażanie wodnych roztworów, prowadzące do otrzymania żeli fizycznych. W wyniku takiego działania w całej objętości trójwymiarowej sieci powstają krystality, które są w stanie przenosić większe obciążenia mechaniczne, niż ma to miejsce w przypadku sieciowania chemicznego czy napromieniowywania. Ilość i stabilność fazy krystalicznej wzrasta wraz ze wzrostem ilości cykli zamrażania i odmrażania. Autorzy przedstawiają również możliwości otrzymywania blend PVA. Jedną z możliwości jest otrzymywanie wrażliwych na zmiany ph polimerów na bazie PVA i poli(kwasu akrylowego) (PAA). Membrany otrzymane były poprzez chemiczne usieciowanie, posiadały różny stopień usieciowania, różna była też zawartość jonowa. Zmiany ph następowały w obszarze wartości od ph=3 do ph=6, a reakcje wynikające z tych zmian badane były podczas procesu spęczniania. Membrany PVA/PAA otrzymano również metodą zamrażania i odmrażania wodnych roztworów obydwu komponentów. Membrany te posiadały dobre właściwości mechaniczne i współczynnik pęcznienia osiągał równowagę już po kilku godzinach prowadzenia procesu. Badane były również układy PVA z poli(glikolem etylenowym) (Llanos G.R., Sefton M.V. Makromol. (1991), 24, ). Ich otrzymywanie polegało na naszczepianiu PEG na PVA, w celu obniżenia adsorpcji protein i osadzania się komórek. Wiązanie PEG z PVA następowało przy użyciu wiązań uretanowych bądź acetalowych. W pracy Thomas J., Lowman A. i Marcolongo M. (J. Biomed. Mater. Res.67A ) opisano sposób sieciowania PVA stosując polimeryczny PVP. Hydrożele otrzymane na bazie wodnych roztworów obydwu polimerów, przy różnym udziale poszczególnych składników badane były pod kątem wytrzymałości mechanicznej oraz zachowania się podczas pęcznienia. Zmiany zachodzące w procesie pęcznienia obserwowano metodami spektroskopowymi. Mieszanina o najlepszej stabilności sieci polimerowej w warunkach fizjologicznych zawierała 99 części wag. PVA i 1 część wag. PVP. Znany jest z amerykańskiego opisu patentowego nr 6,231,605 sposób otrzymywania hydrożeli na bazie PVA, w których zamiast wody stosowano roztwór soli izotonicznej (0,9% wagowych na objętość wody) z dodatkiem szeregu bioaktywnych środków (heparyna, czynniki wzrostu, inhibitory sieciowania kolagenu, antyciała, cytokiny i inne). Opisany przez autorów sposób otrzymywania hydrożeli obejmował dwa etapy. W pierwszym etapie, mieszaninę PVA i wody umieszczano w formie i wielo-

3 PL B1 3 krotnie cyklicznie zamrażano i odmrażano, aż otrzymano odpowiedni hydrożel. W drugim etapie hydrożel był usuwany z formy, umieszczany w wodzie i poddawany jeszcze raz cyklowi zamrażania i odmrażania aż zostały osiągnięte odpowiednie właściwości mechaniczne. Stężenie PVA miało wpływ na sztywność hydrożelu i mogło być dobierane, tak aby otrzymać żądane wartości twardości. Bardziej korzystne okazało się otrzymywanie hydrożeli, w których zawartość PVA wynosiła części wag. i odpowiednio części wag. wody, szczególnie korzystna okazała się mieszanina z 25 częściami wagowymi PVA i 75 wody. Hydrożel polimerowy według wynalazku, składający się z poli(alkoholu winylowego) o ciężarze cząsteczkowym od do i rozpuszczalnika, charakteryzuje się tym, że zawiera związany chemicznie niskocząsteczkowy metaboliczny kwas di- lub wielofunkcyjny w ilości od 1 do 10% wagowych, korzystnie kwas bursztynowy (kwas 1,4-butanodiowy), cytrynowy (kwas 2-hydroksy-1,2,3- -propanotrikarboksylowy), kapronowy (kwas heksanowy), fumarowy (kwas trans-1,2-etylenodikarboksylowy), maleinowy (kwas cis-butenedikarboksylowy), jabłkowy (kwas L (-)-jabłkowy, kwas hydroksyetylenodikarboksylowy), glukonowy (kwas 2,3,4,5,6-pentahydroksyheksanowy) i szczawiooctowy (kwas oksalooctowy). Hydrożel zawiera rozpuszczalnik w postaci płynu infuzyjnego takiego jak woda do iniekcji, 0,9% roztwór chlorku sodu do iniekcji lub 5% roztwór glukozy do iniekcji. Sposób otrzymywania hydrożelu polimerowego według wynalazku polegający na sieciowaniu poli(alkoholu winylowego) środkiem sieciującym charakteryzuje się tym, że do roztworu poli(alkoholu winylowego) dodaje się niskocząsteczkowy metaboliczny kwas di- lub wielofunkcyjny w ilości od 1 do 10% wagowych, korzystnie kwas bursztynowy (kwas 1,4-butanodiowy), cytrynowy (kwas 2-hydroksy- -1,2,3-propanotrikarboksylowy), kapronowy (kwas heksanowy), fumarowy (kwas trans-1,2-etylenodikarboksylowy), maleinowy (kwas cis-butenedikarboksylowy), jabłkowy (kwas L (-)-jabłkowy, kwas hydroksyetylenodikarboksylowy), glukonowy (kwas 2,3,4,5,6-pentahydroksyheksanowy) i szczawiooctowy (kwas oksalooctowy). Następnie mieszaninę podgrzewa się do temperatury 90 C i miesza w takich warunkach przez godzin, po czym za pomocą strzykawki umieszcza się w formach, w sposób zapewniający wprowadzenie jak najmniejszej ilości pęcherzyków powietrza. W kolejnym etapie mieszaninę poddaje się kolejnym cyklom zamrażania i odmrażania, przy czym po trzech cyklach zamrażania i odmrażania otrzymane hydrożele wyciąga się delikatnie z formy i umieszcza na minut w wodzie, po czym ponownie umieszcza się w formie i poddaje się kolejnym cyklom zamrażania i odmrażania. Korzystnie zamrażanie prowadzi się w temperaturze -20 C ± 2 C przez okres godzin. Korzystnie ilość następujących po sobie cykli zamrażania i odmrażania wynosi od 4 do 14. Zaletą hydrożelu i sposobu według wynalazku jest stosowanie nietoksycznych związków chemicznych w postaci kwasów di- lub wielofunkcyjnych będących naturalnymi metabolitami. Hydrożel według wynalazku charakteryzuje się wysokimi właściwościami wytrzymałościowymi, wytrzymałością na ściskanie porównywalną do naturalnej chrząstki oraz stabilnością tych właściwości w czasie przebywania w organizmie. Hydrożel oraz sposób według wynalazku bliżej objaśniono w podanych poniżej przykładach i na rysunku, na którym wzór 1 przedstawia związany z PVA kwas glukonowy, wzór 2 przedstawia kwas bursztynowy (kwas 1,4-butanodiowy), wzór 3 przedstawia kwas cytrynowy (kwas 2-hydroksy- 1,2,3-propanotrikarboksylowy), wzór 4 przedstawia kwas kapronowy (kwas heksanowy), wzór 5 przedstawia kwas fumarowy (kwas trans-1,2-etylenodikarboksylowy), wzór 6 przedstawia kwas maleinowy (kwas cis-butenedikarboksylowy), wzór 7 przedstawia kwas jabłkowy (kwas L (-)-jabłkowy, kwas hydroksyetylenodikarboksylowy), wzór 8 przedstawia kwas glukonowy (kwas 2,3,4,5,6-pentahydroksyheksanowy) i wzór 9 przedstawia kwas szczawiooctowy (kwas oksalooctowy). P r z y k ł a d 1 Do kolby trójszyjnej wyposażonej w mieszadło wprowadzono 75 części wagowych wody do iniekcji, 25 części wagowych poli(alkoholu winylowego) (M w = ) i 3 części wagowe kwasu bursztynowego. Mieszaninę reakcyjną podgrzano do temperatury 90 C i w tej temperaturze mieszano przez minimum 12 godzin. Następnie strzykawką pobierano niezbędną ilość roztworu i umieszczono w formie, w taki sposób, aby wprowadzić jak najmniejszą ilość pęcherzyków powietrza. Zamknięty w formie roztwór poddano 9 cyklom zamrażania i odmrażania. Zamrażanie odbywało się z szybkością ok. 0,7 C/min do temperatury ok. -20 C i trwało 12 godzin. Etap odmrażania trwał 12 godzin i przebiegał w temperaturze pokojowej. Po trzecim cyklu materiał był wyciągany z formy, umieszczany w 30 ml destylowanej wody. Następnie ponownie umieszczano go w formie i powtarzano proces zamrażania i odmrażania jeszcze 6-krotnie.

4 4 PL B1 - zawartość PVA 25% - zawartość kwasu bursztynowego 3% - stopień krystaliczności 50% - masowy współczynnik pęcznienia po 168 godzinach 2,44 przy próbie statycznego ściskania [MPa] 1,82-2,16 P r z y k ł a d 2 Do kolby trójszyjnej wyposażonej w mieszadło wprowadzono 90 części wagowych wody do iniekcji, 10 części wagowych poli(alkoholu winylowego) (M w = ) i 1 część wagową kwasu kapronowego. Mieszaninę reakcyjną podgrzano do temperatury 90 C i w tej temperaturze mieszano przez minimum 12 godzin. Następnie strzykawką pobierano niezbędną ilość roztworu i umieszczono w formie, w taki sposób, aby wprowadzić jak najmniejszą ilość pęcherzyków powietrza. Zamknięty w formie roztwór poddano 7 cyklom zamrażania i odmrażania. Zamrażanie odbywało się z szybkością ok. 0,7 C/min do temperatury ok. -20 C i trwało 12 godzin. Etap odmrażania trwał 8 godzin i przebiegał w temperaturze pokojowej. Po trzecim cyklu materiał był wyciągany z formy, umieszczany w 30 ml destylowanej wody. Następnie ponownie umieszczano go w formie i powtarzano proces zamrażania i odmrażania jeszcze 4-krotnie. - zawartość PVA 10% - zawartość kwasu kapronowego 1% - stopień krystaliczności 33% - masowy współczynnik pęcznienia po 168 godzinach 1,87 przy próbie statycznego ściskania [MPa] 1,24-1,75 P r z y k ł a d 3 Do kolby trójszyjnej wyposażonej w mieszadło wprowadzono 80 części wagowych 0,9% roztworu chlorku sodu do iniekcji, 20 części wagowych poli(alkoholu winylowego) (M w = ) i 3 część wagową kwasu glukonowego. Mieszaninę reakcyjną podgrzano do temperatury 90 C i w tej temperaturze mieszano przez minimum 12 godzin. Następnie strzykawką pobierano niezbędną ilość roztworu i umieszczono w formie, w taki sposób, aby wprowadzić jak najmniejszą ilość pęcherzyków powietrza. Zamknięty w formie roztwór poddano 4 cyklom zamrażania i odmrażania. Zamrażanie odbywało się z szybkością ok. 0,5 C/min do temperatury ok. -20 C i trwało 12 godzin. Etap odmrażania trwał 10 godzin i przebiegał w temperaturze pokojowej. Po trzecim cyklu materiał był wyciągany z formy, umieszczany w 30 ml destylowanej wody. Następnie ponownie umieszczano go w formie i powtórzono proces zamrażania i odmrażania pięć razy. - zawartość PVA 20% - zawartość kwasu glukonowego 3% - stopień krystaliczności 27% - masowy współczynnik pęcznienia po 168 godzinach 1,79 przy próbie statycznego ściskania [MPa] 1,67-2,28 P r z y k ł a d 4 Do kolby trójszyjnej wyposażonej w mieszadło wprowadzono 90 części wagowych wody do iniekcji, 10 części wagowych poli(alkoholu winylowego) (M w = ) i 10 części wagowe kwasu kapronowego. Mieszaninę reakcyjną podgrzano do temperatury 90 C i w tej temperaturze mieszano przez minimum 12 godzin. Następnie strzykawką pobierano niezbędną ilość roztworu i umieszczono w formie, w taki sposób, aby wprowadzić jak najmniejszą ilość pęcherzyków powietrza. Zamknięty w formie roztwór poddano 9 cyklom zamrażania i odmrażania. Zamrażanie odbywało się z szybkością ok. 0,7 C/min do temperatury ok. -20 C i trwało 10 godzin. Etap odmrażania trwał 10 godzin i przebiegał w temperaturze pokojowej. Po trzecim cyklu materiał był wyciągany z formy, umieszczany w 30 ml destylowanej wody. Następnie ponownie umieszczano go w formie i powtarzano proces zamrażania i odmrażania jeszcze 6-krotnie. - zawartość PVA 10%

5 PL B1 5 - zawartość kwasu kapronowego 10% - stopień krystaliczności 42% - masowy współczynnik pęcznienia po 168 godzinach 2,27 przy próbie statycznego ściskania [MPa] 2,01-2,27 P r z y k ł a d 5 Do kolby trójszyjnej wyposażonej w mieszadło wprowadzono 80 części wagowych 5% roztworu glukozy do iniekcji, 20 części wagowych poli(alkoholu winylowego) (M w = ) i 1 część wagową kwasu cytrynowego. Mieszaninę reakcyjną podgrzano do temperatury 90 C i w tej temperaturze mieszano przez minimum 12 godzin. Następnie strzykawką pobierano niezbędną ilość roztworu i umieszczono w formie, w taki sposób, aby wprowadzić jak najmniejszą ilość pęcherzyków powietrza. Zamknięty w formie roztwór poddano 10 cyklom zamrażania i odmrażania. Zamrażanie odbywało się z szybkością ok. 0,5 C/min do temperatury ok. -20 C i trwało 12 godzin. Etap odmrażania trwał 4 godziny i przebiegał w temperaturze pokojowej. Po trzecim cyklu materiał był wyciągany z formy, umieszczany w 30 ml destylowanej wody. Następnie ponownie umieszczano go w formie i powtarzano proces zamrażania i odmrażania jeszcze 7-krotnie. - zawartość PVA 20% - zawartość kwasu cytrynowego 1% - stopień krystaliczności 59% - masowy współczynnik pęcznienia po 168 godzinach 2,34 przy próbie statycznego ściskania [MPa] 2,23-2,61 P r z y k ł a d 6 Do kolby trójszyjnej wyposażonej w mieszadło wprowadzono 70 części wagowych wody do iniekcji, 30 części wagowych poli(alkoholu winylowego) (M w = ) i 5 części wagowych kwasu jabłkowego. Mieszaninę reakcyjną podgrzano do temperatury 90 C i w tej temperaturze mieszano przez minimum 12 godzin. Następnie strzykawką pobierano niezbędną ilość roztworu i umieszczono w formie, w taki sposób, aby wprowadzić jak najmniejszą ilość pęcherzyków powietrza. Zamknięty w formie roztwór poddano 7 cyklom zamrażania i odmrażania. Zamrażanie odbywało się z szybkością ok. 0,7 C/min do temperatury ok. -20 C i trwało 16 godzin. Etap odmrażania trwał 8 godzin i przebiegał w temperaturze pokojowej. Po trzecim cyklu materiał był wyciągany z formy, umieszczany w 30 ml destylowanej wody. Następnie ponownie umieszczano go w formie i powtarzano proces zamrażania i odmrażania jeszcze 4-krotnie. - zawartość PVA 30% - zawartość kwasu jabłkowego 5% - stopień krystaliczności 53% - masowy współczynnik pęcznienia po 168 godzinach 1,97 przy próbie statycznego ściskania [MPa] 2,03-2,39 Zastrzeżenia patentowe 1. Hydrożel polimerowy, składający się z poli(alkoholu winylowego) o ciężarze cząsteczkowym od do i rozpuszczalnika, znamienny tym, że zawiera związany chemicznie niskocząsteczkowy metaboliczny kwas di- lub wielofunkcyjny w ilości od 1 do 10% wagowych. 2. Hydrożel według zastrz. 1, znamienny tym, że niskocząsteczkowy metaboliczny kwas dii wielofunkcyjny to kwas bursztynowy (kwas 1,4-butanodiowy), cytrynowy (kwas 2-hydroksy-1,2,3- -propanotrikarboksylowy), kapronowy (kwas heksanowy), fumarowy (kwas trans-1,2-etylenodikarboksylowy), maleinowy (kwas cis-butenedikarboksylowy), jabłkowy (kwas L (-)-jabłkowy, kwas hydroksyetylenodikarboksylowy), glukonowy (kwas 2,3,4,5,6-pentahydroksyheksanowy) i szczawiooctowy (kwas oksalooctowy).

6 6 PL B1 3. Hydrożel według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera rozpuszczalnik w postaci płynu infuzyjnego takiego jak woda do iniekcji, 0,9% roztwór chlorku sodu do iniekcji lub 5% roztwór glukozy do iniekcji. 4. Sposób otrzymywania hydrożelu polimerowego polegający na sieciowaniu poli(alkoholu winylowego) środkiem sieciującym, znamienny tym, że do roztworu poli(alkoholu winylowego) dodaje się niskocząsteczkowy metaboliczny kwas di- lub wielofunkcyjny w ilości od 1 do 10% wagowych, następnie mieszaninę podgrzewa się do temperatury 90 C i miesza w takich warunkach przez godzin, po czym poddaje się go kolejnym cyklom zamrażania i odmrażania, przy czym po trzech cyklach zamrażania i odmrażania otrzymane hydrożele umieszcza na minut w wodzie, po czym ponownie poddaje się kolejnym cyklom zamrażania i odmrażania. 5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że jako niskocząsteczkowy metaboliczny kwas dii wielofunkcyjny stosuje się kwas bursztynowy (kwas 1,4-butanodiowy), cytrynowy (kwas 2-hydroksy- -1,2,3-propanotrikarboksylowy), kapronowy (kwas heksanowy), fumarowy (kwas trans-1,2-etylenodikarboksylowy), maleinowy (kwas cis-butenedikarboksylowy), jabłkowy (kwas L (-)-jabłkowy, kwas hydroksyetylenodikarboksylowy), glukonowy (kwas 2,3,4,5,6-pentahydroksyheksanowy) i szczawiooctowy (kwas oksalooctowy). 6. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że zamrażanie prowadzi się w temperaturze -20 C ± 2 C przez okres godzin. 7. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że ilość następujących po sobie cykli zamrażania i odmrażania wynosi od 4 do 14.

7 PL B1 7 Rysunki

8 8 PL B1 Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)