Hintergrund der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
resorbierbaren Polymeren, die bei der Herstellung von inneren
Knochenfixiervorrichtungen und Implantaten verwendet werden. Diese Vorrichtungen
werden im allgemeinen aus Polymeren mit einem sehr hochmolekülaren Poly-
L(-)-lactid und Gopolymeren von Lactid und anderen
Poly-(alpha-hydroxysäureestern) hergestellt.
Stand der Technik
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Medizinische Produkte, wie synthetisches resorbierbares
Nahtmaterial, Knochenplatten, Knochenstifte und -schrauben aus resorbierbaren
Polymeren sind seit einiger Zeit bekannt. Diese Produkte werden im
allgemeinen aus alpha-Hydroxypolyester-Polymeren hergestellt. Der Vorteil bei
der Verwendung von synthetischen resorbierbaren Polymeren für interne
Knochenfixierungsvorrichtungen besteht darin, daß es nicht erforderlich
ist, einen zweiten chirurgischen Eingriff vorzunehmen, um diese
Fixierungsvorrichtungen zu entfernen, nachdem sie ihren Zweck erfüllt haben.
Die US-Patente 3 463 158, 3 636 956, 3 739 773, 3 797 499 und 3 839 297
beschreiben Knochenfixierungsvorrichtungen aus synthetischen Polymeren,
bei denen es sich entweder um Polylactide, Polyglykolide oder Copolymere
aus Lactid und Glykolid handelt.
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Das US-Patent 4 550 449 beschreibt resorbierbare
Knochenfixierungsvorrichtungen aus sehr hochmolekularen Polymeren und Copolymeren mit
einem Gehalt an L(-)-Lactid-Monomeren sowie Copolymeren aus L(-)-Lactid
mit untergeordneten Mengen, d. h. 10% oder weniger an verträglichen
Comonomeren. Zu den Comonomeren gehören
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alpha-Hydroxypropansäure,
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alpha-Hydroxyessigsäure,
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beta-Propiolactid,
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Tetramethylglykolid,
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beta-Butyrolacton,
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gamma-Butyrolacton,
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Pivalolacton,
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alpha-Hydroxybuttersäure,
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alpha-Hydroxyisobuttersäure,
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alpha-Hydroxyvaleriansäure,
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alpha-Hydroxyisovaleriansäure,
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alpha-Hydroxycapronsäure,
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alpha-Hydroxyisocapronsäure,
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alpha-Hydroxy-alpha-ethylbuttersäure,
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alpha-Hydroxy-beta-methylvaleriansäure,
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alpha-Hydroxyheptansäure,
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alpha-Hydroxyoctansäure,
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alpha-Hydroxydecansäure,
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alpha-Hydroxymyristinsäure,
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alpha-Hydroxystearinsäure,
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Dimethylglykolid,
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Polymethylglykolid,
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Diethylglykolid,
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Dibutylglykolid,
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Caprolacton,
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Valerolacton,
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Decalacton,
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Propiolacton,
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Dioxanon,
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substituierte Dioxanone,
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Trimethylencarbonat,
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Ethylencarbonat und
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Propylencarbonat.
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Die im US-Patent 4 550 449 beschriebenen Polymeren unterscheiden
sich von den in den vorerwähnten Patenten darin, daß das Molekulargewicht
der im US-Patent 4 550 449 beschriebenen Polymeren wesentlich höher als
das Molekulargewicht der in den übrigen Patenten beschriebenen Polymeren
ist.
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Ferner ist es bekannt, daß die Anwesenheit von nicht-umgesetztem
Monomeren in derartigen Polymeren tendenziell den Abbau der Polymeren
beschleunigt, wenn die Polymeren einem Tierkörper implantiert werden. Das
US-Patent 3 626 948 ist auf ein Verfahren zur Reinigung von
Polyglykolsäure durch Entfernung von verdampfbaren Verunreinigungen, die
nicht-umgesetzte Monomere umfassen, abgestellt.
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Ferner wurde festgestellt, daß die Anwesenheit von Katalysatorresten
in diesen Polymeren zum unkontrollierten Abbau des Polymeren und zur
Resorption der Polymeren in einer implantierten Struktur mit einer
nichtvorhersagbaren Geschwindigkeit führen kann.
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Das US-Patent 4 960 866 beschreibt ein Verfahren zur Verringerung
der Katalysatorreste in Polylactid-Polymeren und -Copolymeren, indem man
das Polymere löst und es umkristallisiert. Ein ähnliches Verfahren ist in
einem Artikel von Kulkarmi et al. in Journal of Biomedical Materials
Research, Bd. 5 (1971), 5. 169-181 beschrieben. Bei diesen herkömmlichen
Verfahren weisen die Polymeren im allgemeinen ein Molekulargewicht auf,
das wesentlich geringer als das Molekulargewicht des im US-Patent
4 550 449 beschriebenen Polymeren ist.
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Das Auflösungs- und Fällungsverfahren oder
Umkristallisationsverfahren, das im vorerwähnten Patent sowie im genannten Artikel beschrieben
ist, eignet sich besser für niedermolekulare Polymere als zur Reinigung
von sehr hochmolekularen Polymeren, wie sie in US-4 550 449 beschrieben
sind. Um die Polymeren mit einem hohen Molekulargewicht, wie es durch
eine logarithmische Viskositätszahl über etwa 4,5 angezeigt wird, zu
lösen, erfordern die Lösungs- und Umkristallisations- oder
Fällungsverfahren längere Zeitspannen zur Lösung der Polymeren und übermäßige Mengen an
Lösungsmitteln, um die Lösung des Polymeren zu erreichen. Ferner
erfordert eine Fällung und Umkristallisation des Polymeren unter Bildung von
Teilchen große Mengen an Fällungsmitteln.
Zusammenfassende Darstellung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung ist auf die Reinigung von sehr
hochmolekularen Polymeren von L(-)-Lactid und Copolymeren von derartigen Lactiden
mit anderen Comonomeren abgestellt. Das vorliegende Verfahren umfaßt die
Extraktion von Teilchen des festen Polymeren mit Methylalkohol bei
Umgebungstemperatur und die Extraktion von nicht-umgesetztem Monomeren und
etwaigen Katalysatorresten mit Aceton. Es wird angenommen, daß die
Extraktion des festen Polymeren mit Methanol eher zur Stabilisierung des
Polymeren als zur Entfernung von Verunreinigungen führt. Der Kontakt des
Polymeren mit Methanol kann die Carbonsäure-Endgruppe des Polymeren
verestern und dabei das Polymere durch Verringerung der
Depolymerisationsgeschwindigkeit stabilisieren. Weitere niedermolekulare Alkohole, d. h. C
2- bis C-4-Alkohole sind ebenfalls zur Veresterung der Carbonsäuregruppe
geeignet, wobei aber Methanol bevorzugt wird.
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Das hochmolekulare Polymere wird in einem Reaktionsgefäß hergestellt
und üblicherweise in Form eines großen Blocks aus dem Gefäß entnommen.
Der Block des Polymeren wird in einer Mühle zu kleinen Teilchen gemahlen.
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Die Teilchen weisen im allgemeinen eine Größe von weniger als 1/2 Zoll
auf. Die bevorzugte Teilchengröße liegt unter 10 mm und die besonders
bevorzugte Teilchengröße beträgt 1 bis 6 mm. Ein Polymeres mit einer
Teilchengröße von mehr als etwa 10 mm erfordert lange Kontaktzeiten mit den
speziellen Lösungsmitteln. Polymere mit einer Teilchengröße von weniger
als 1 mm sind aufgrund der kleinen Größe schwierig zu handhaben.
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Die Extraktionsstufen werden für Zeitspannen von 10 bis etwa 24
Stunden bei Raumtemperatur unter Rühren der festen Polymerteilchen mit
dem im Extraktionsverfahren verwendeten Lösungsmittel durchgeführt. Das
Polymere wird vom Methanol nach der ersten Extraktionsstufe durch
Filtration abgetrennt. Die Abtrennung vom Aceton nach der zweiten
Extraktionsstufe erfolgt ebenfalls durch Filtration. Sodann werden die
Polymerteilchen getrocknet und in einer inerten Atmosphäre verpackt, bis das
Polymere zu der gewünschten implantierbaren Vorrichtung verarbeitet wird.
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Im allgemeinen beträgt die Menge des verwendeten Lösungsmittels 2,5
bis 25 Gew.-teile auf 1 Gew.-teil des Polymeren. Ein Verhältnis von 2,5:1
stellt die bevorzugte Menge dar, wobei aber gegebenenfalls auch mehr
Lösungsmittel verwendet werden kann. Die Lösungsmittel-Extraktionsstufe
wird bei Raumtemperatur oder bei einer geringfügig über Raumtemperatur
liegenden Temperatur durchgeführt. Es ist nicht erforderlich, die
Lösungsmittel-Extraktionsstufe bei den relativ hohen Temperaturen
durchzuführen, die bei Verfahren zur Reinigung von Polylactid-Polymeren durch
Lösung und Umkristallisation erforderlich sind. Im Anschluß an jede
Extraktionsstufe wird das feste Polymere abfiltriert, um die
Polymerteilchen vom Lösungsmittel abzutrennen. Nach der Aceton-Extraktion wird das
Polymere in einem Vakuumtrockenschrank bei Temperaturen von 40 bis 50ºC
bei 1,0 mmHg 48 Stunden getrocknet und sodann bis zur Verwendung in einer
inerten Atmosphäre gelagert.
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In den folgenden Beispielen erfolgte die Bestimmung der
logarithmischen Viskositätszahl durch Lösen des Polymeren in Chloroform mit einer
Konzentration von 0,1 g pro dlchloroform. Die Bestimmung der
logarithmischen Viskositätszahl erfolgte bei 25ºC. Sämtliche Probestücke, die
implantiert wurden, wiesen Abmessungen von 20 mm x 3 mm x 1 mm auf. Die in
vitro-Bewertungen wurden durchgeführt, indem man die Probestücke in einer
Pufferlösung von 37º ± 0,5º inkubierte und drei Probestücke in bezug
auf die Zugfestigkeit und drei Probestücke in bezug auf die
Biegefestigkeit für eine Testdauer von jeweils bis zu 24 Wochen prüfte. Die in vivo-
Tests in Beispiel 1 wurden durch Implantieren identischer Probestücke,
wie sie bei den in vitro-Tests eingesetzt wurden, in dorsale, subkutane
Gewebe von Ratten durchgeführt, wobei pro Tier vier Probestücke verwendet
wurden. Die Tiere wurden nach verschiedenen Zeitspannen getötet, wonach
die Probestücke explantiert und zusammen mit den in vitro-Probestücken
getestet wurden. Der Zinngehalt des Polymeren wurde durch Atomabsorption
bestimmt.
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Der prozentuale Gewichtsverlust (Gew.-% Verlust) ist ein Maß für den
prozentualen Anteil des flüchtigen Materials in der speziellen Probe.
Dieser Wert wurde durch thermogravimetrische Analyse (TGA) bestimmt.
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Die nachstehenden Beispiele zeigen die erfindungsgemäß erzielten
verbesserten Ergebnisse.
Beispiel 1
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Dieses Beispiel erläutert den Abbau des Molekulargewichts (gemessen
durch die logarithmische Viskositätszahl) und die Veränderung der
mechanischen Eigenschaften des ungereinigten/unstabilisierten, d. h.
unbehandelten, Polylactids. Dies stellt die Basis für den Vergleich mit den PLA-
Proben, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und nach anderen
herkömmlichen Verfahren behandelt worden waren, dar.
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Probestücke wurden aus Poly-[L(-)-lactid] (PLA), das eine in
Chloroform in einer Konzentration von 0,1 g/dl bei 25ºC bestimmte
logarithmische Viskositätszahl von 7,1 aufwies, hergestellt. Die logarithmische
Viskositätszahl stellt einen Parameter dar, der in logarithmischer
Beziehung zum Molekulargewicht steht. Die Abmessungen der Probestücke betrugen
20 x 3 x 1 mm.
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Die in vitro-Bewertung der Probestücke wurde durch Inkubieren der
Probestücke in einer Puffer-7-Lösung bei 37 ± 0,5ºC durchgeführt, wobei 3
Probestücke in bezug auf die Zugeigenschaften und 3 Probestücke in bezug
auf die Biegeeigenschaften jeweils für eine Testdauer bis zu 24 Wochen
getestet wurden.
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Nach jeder Testperiode wurde die logarithmische Viskositätszahl des
Polymeren bestimmt, um die Geschwindigkeit der Depolymerisation zu
verfolgen.
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In vivo-Tests wurden durchgeführt, indem man identische Probestücke,
wie sie vorher verwendet wurden, in dorsale subkutane Gewebe von Ratten
implantierte, wobei pro Tier jeweils 4 Probestücke verwendet wurden. Die
Tiere wurden nach verschiedenen Zeitspannen gemäß den Angaben in den
Tabellen getötet. Die Probestücke wurden explantiert und gemäß den Angaben
getestet. Sodann wurden die Probestücke in bezug auf Biegemodul,
Reißfestigkeit (UTS) und Streckgrenze getestet.
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Die Ergebnisse sind in den Tabellen IA und IB zusammengestellt.
Tabelle IA
In vitro-Test von hochmolekularem PLA
Tabelle IB
In vivo-Testergebnisse von hochmolekularem PLA
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Tabelle IA zeigt, daß beim in vitro-Test von ungereinigtem PLA etwa
16% der ursprünglichen Zugfestigkeit und Streckgrenze nach 12-wöchiger
Inkubation im Puffer 7 erhalten bleiben.
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Tabelle IB zeigt, daß die Verringerung der Zugfestigkeit nach
12-wöchigem in vivo-Verbleib etwa 31% beträgt.
Beispiel 2
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Dieses Beispiel erläutert den Einfluß der Entfernung von
nicht-umgesetztem Monomeren durch ein Vakuum-Verflüchtigungsverfahren auf die
Beibehaltung der Festigkeit des durch die Verflüchtigung behandelten
Polymeren.
Verflüchtigung
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Dieser Vorgang umfaßt die folgenden Stufen:
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1. PLA wird unter Verwendung einer Mahlvorrichtung mit einem 4 mm-
Sieb gemahlen.
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2. An das gemahlene PLA wird 16 Stunden bei Raumtemperatur Vakuum
angelegt.
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3. Das PLA wird unter Vakuum auf 110ºC erwärmt und 24 Stunden unter
fortgesetzter Taumelbewegung gehalten.
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4. Es wird auf Raumtemperatur abgekühlt.
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Nachstehend sind die Ergebnisse der chemischen Analyse dieses
verflüchtigten PLA aufgeführt:
ASTM-Probestücke, die aus dem der Verflüchtigung unterzogenen PLA
geformt worden waren, wurden in Puffer-7 bei 37ºC inkubiert und in bezug
auf Reißfestigkeit, Biegemodul und maximale Faserspannung getestet. Die
Ergebnisse sind in Tabelle II aufgeführt.
Tabelle II
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Diese Tabelle zeigt, daß etwa 32% der anfänglichen Festigkeit nach
12-wöchiger Inkubation erhalten bleiben, wenn ein
Vakuum-Verflüchtigungsverfahren zur Entfernung von nicht-umgesetzten Monomeren angewandt wird.
Beispiel 3
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Dieses Beispiel erläutert den Einfluß einer Fest-Flüssig-Extraktion
als Reinigungsbehandlung, wodurch der Großteil des nicht-umgesetzten
Monomeren und der Katalysator aus dem Polymeren entfernt werden. Dieses
Verfahren wird folgendermaßen durchgeführt:
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1. Gemahlenes PLA wird in trockenem Aceton 24 Stunden bei
Raumtemperatur unter heftigem Rühren bei Verwendung von 2,5 Gew.-teilen Aceton pro
1 Gew.-teil des trockenen Polymeren extrahiert.
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2. Das Aceton wird vom Polymeren durch Filtration abgetrennt.
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3. Die Stufe 1 wird wiederholt.
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4. Die Stufe 2 wird wiederholt.
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5. Das PLA wird unter Vakuum getrocknet.
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Die Analysenergebnisse für das PLA vor und nach dieser Reinigung
sind in der nachstehenden Tabelle zusammengestellt.
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ASTM-Probestücke wurden durch Spritzgießen aus dem behandelten PLA
hergestellt und vor und nach Inkubation in Puffer-7 bei 37ºC bewertet.
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Die Ergebnisse sind in Tabelle III zusammengestellt.
Tabelle III
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Tabelle III zeigt, daß die Entfernung des nicht-umgesetzten
Monomeren und des Großteils des Katalysators aus dem Polymeren ausreicht, um
das Absinken der mechanischen Eigenschaften des Polymeren zu
verlangsamen. Nach 12 Wochen bleiben etwa 32% der ursprünglichen Festigkeit
erhalten, im Vergleich zu 16% beim unbehandelten Polymeren gemäß Tabelle I.
Beispiel 4
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Dieses Beispiel erläutert die vorliegende Erfindung.
1. Extraktion in Methanol
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13,4 kg gemahlenes PLA werden in 33,5 kg trockenem Methanol unter
heftigem Rühren mit 345 Ulmin 24 Stunden bei etwa 21ºC extrahiert.
2. Filtration zur Entfernung von Methanol
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Das Methanol wird aus dem Polymeren durch Filtration entfernt.
3. Extraktion in Aceton
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Das Polymere von Stufe 2 wird 24 Stunden bei etwa 20ºC in 33,5 kg
trockenem Aceton gerührt.
4. Filtration zur Entfernung von Aceton
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Aceton wird aus dem Polymeren durch Filtration entfernt.
5. Trocknung
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a. Das Polymere wird über Nacht bei 38ºC getrocknet.
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b. Bei 18ºC wird 24 Stunden Vakuum angelegt.
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c. Das Polymere wird sodann 48 Stunden alle 4 Stunden mit Stickstoff
gespült, wobei es bei 43ºC und unter Vakuum gehalten wird.
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d. Das getrocknete PLA wird zur Lagerung bis zur Verwendung unter
Stickstoff in Kunststoffbeutel übertragen.
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Nachstehend sind die Analysenergebnisse für das gereinigte und
stabilisierte PLA aufgeführt.
Bewertung des Polymeren
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ASTM-Probestücke wurden aus dem gereinigten/stabilisierten PLA durch
Spritzgießen geformt. Diese Probestücke wurden vor und nach Inkubation
bei 37ºC in Puffer-7 getestet.
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Die Testergebnisse sind Tabelle IV zusammengestellt.
Tabelle IV
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Ein Vergleich der Eigenschaften in dieser Tabelle mit den
Eigenschaften von PLA-Produkten, die durch andere Verfahren gemäß den
Beispielen 2 und 3 gereinigt worden sind und mit den Eigenschaften von
ungereinigtem PLA, dessen Eigenschaften in Beispiel 1 zusammengestellt sind,
zeigt klar, daß das Verfahren von Beispiel 4 zu einem sehr deutlichen
Vorteil insofern führt, als sämtliche Eigenschaften des Polymeren über
längere Zeitspannen hinweg auf höherem Niveau erhalten bleiben. Die
Reißfestigkeit nach 12 Wochen beträgt etwa 75% der ursprünglichen Festigkeit.
Ferner ist die Festigkeit nach 12 Wochen 6 mal höher als die
Zugfestigkeit zu diesem Zeitpunkt für ungereinigtes PLA.
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Obgleich der exakte Mechanismus, der für die erhöhte Festigkeit
sorgt, nicht genau bestimmt werden kann, kann er auf eine Veresterung der
Carbonsäure-Endgruppe der Poly-(alpha-hydroxycarbonsäuren) zurückzuführen
sein. Die Ester-Endgruppe kann die Geschwindigkeit der Depolymerisation
des Polymeren verlangsamen, was zu einer langsameren Geschwindigkeit des
Festigkeitsverlustes einer aus dem gemäß Beispiel 4 gereinigten Polymeren
hergestellten Vorrichtung führt. Die Veresterung ist schwierig
nachzuweisen. Jedoch hat die Anmelderin ein Polylactid-Polymeres mit Methanol mit
einem Flüssigkeits/Feststoff-Verhältnis von 25:1 96 Stunden extrahiert
und die Anwesenheit der Säure- und Ester-Endgruppen durch
NMR-Spektroskopie bestimmt. Der Test ergab weniger als 0,01 Mol-% Ester und 0,64 Mol-%
Säure für die unbehandelte Probe und 0,27 Mol-% Ester und 0,26 Mol-%
Säure für die behandelte Probe.