Spinnvliesstoffe aus degradierbaren Polymeren

Transkript

1 Spinnvliesstoffe aus degradierbaren Polymeren Martin Dauner, Anette Arnold, Martin Hoss, Heinrich Planck Institut für Textil- und Verfahrenstechnik, Denkendorf der Deutschen Institute für Textil- und Faserforschung Stuttgart itv-denkendorf.de

2 Deutsche Institute für Textil- und Faserforschung Stuttgart (German Institutes for Textile and Fiber Research Stuttgart) Institut für Textil- und Verfahrenstechnik ITV (Institute for Textile and Process Engineering) Institut für Chemiefasern ICF (Institute for Manmade Fibers) Institut für Textilchemie ITC (Institute for Textile Chemistry) Prof. Dr.-Ing. Heinrich Planck ITV Denkendorf Produktservice GmbH Prof. Dr. rer. nat. Wilhelm Oppermann Öffentliche Forschungseinrichtungen in Verbindung mit der Universität Stuttgart Stiftung des öffentlichen Rechts gegründet 1921 ca. 300 Mitarbeiter

3 Anwendung degradierbarer Vliese Hygieneanwendung OP-Textilien Haushaltstücher Geotextilien Agrartextilien Kleidung (?), OP-Kleidung Wirkstoffträger Defekt-/ Wundabdeckung Substrat für den Gewebeersatz

4 Anwendung degradierbarer Vliese für Hygiene- und medizinische Anwendungen Bis 1998: Reduktion von Abfall Heute: Einsatz erneuerbarer Rohstoffe

5 Resorbierbare Polymere Preise in / kg Polymer technische medizinische Anwendung Anwendung Polyglykolsäure./ Polymilchsäure deren Copolymere./. > 1.500

6 Definitionen DEGRADATION: Spaltung von Molekülketten --> Molmassenabbau --> Festigkeitsverlust RESORPTION: Masseabbau --> Freisetzung niedermolekularer Bestandteile --> Desintegration BIOLOGISCH ABBAUBAR: Abbau durch biol. Milieu --> im Organismus --> durch Mikroorganismen

7 In Vivo Degradation Synthese Polylactid H C H 3 O Lactid O = = O O Milchsäure = (-O-CH-C-) -n CH H CH 3 - HO 2 3 HO-CH-COOH - CH 3 + H O 2 HO 2 HO-CH-COOH CH3 O CO2 - = Zitronensäure Zyklus Milchsäure CH -C-COOR 3 Pyruvate Acetyl-CoA Metabolismus

8 Basis synthetisch resorbierbarer Polymer H 3 C O C O O C O Lactid O CH 3 O C O O O C C O Glykolid O O C O O C O O p-dioxanon Trimethylencarbonat ε-caprolacton

9 Resorbierbare Polymere der a-hydroxycarbonsäuren Polymer Kurzzeichen Glasübergang (Tg in C) Schmelztemperatur (T S in C) Degradation (Wochen) Resorption (Wochen) Polyglykolsäure PGA Copolymer Glykolid / L-Lactid im Verhältnis 90:10 Copolymer L-Lactid / Glykolid im Verhältnis 90:10 Poly-L-Milchsäure GLA 90:10 (Vicryl ) LGA 90:10 P-L-LA >104

10 Implantentwicklung am ITV Denkendorf Hirnhaut Trachea Prothese Synthetisch-resorbierbares Hämostyptikum Resorbierbare Osteosynthese Platte Gefäßprothese Biohybrides Pankreasimplantat Endoskop Knorpelgerüst Polylactidmembran Gelenkgurtung Resorbierbares Patchmaterial Faserverstärkte Bandscheibe Extrakorporales Leberunterstützungssystem Herniennetz Bandersatz Resorbierbare Bandaugmentation Resorbierbare Implantate

11 Idealisierter Degradationsverlauf Steifigkeit des Verbundes (Körpergewebe & Implantat) Steifigkeit des geheilten Körpergewebes Resorption 0 Steifigkeit des Implantats 6 12 Implantationszeit Masse des Polymers 24

12 Prinzip des Tissue Engineering

13 Anwendung degradierbarer Vliese für das Tissue Engineering Bieten den Raum an Hohe bis sehr hohe Porosität (bis 98%) Keine flachen / konkaven Oberflächen drapierbar elastisch ausreichende Festigkeit

14 Vorteile (degradierbarer) Spinnvliese für das Tissue Engineering Keine Spinnpräparationen oder Schmälzen erforderlich Ein- bis dreistufige Produktion (Stapelfaservliese ca. 8 Stufen)

15 Spinnvlies-Verfahren mit online - Verfestigung (AiF 8925) Polymergranulat Extruder Schmelzepumpe Druckluft Abzugsdüse Verlegungsdüse Druckluft Kalander Nadelmaschine Förderband

16 Höchstzugfestigkeit von degradierbaren Spinnvliesstoffen ,4 Probe 150 mm x 60 mm; trocken Probe 150 mm x 60 mm; nass Höchstzugkraft/Flächengewicht [cn*m²/g] ,4 bei 90 C thermisch nachbehandelt 23,1 13,7 82,59 84,6 40,6 32,4 0 PGA P-DL-LA LGA 9010 P-L-LA

17 Porengrößen von Spinnvliesstoffen (Coulter Porometer) 70 Mittlere Porengröße [µm] PGA LG 9010 P-L-LA Filamentdurchmesser [µm]

18 Filamentdurchmesser und mittlere Porengrößen von Stapelfaservliesstoffen Polymer PGA LG 1090 LG9010 P-L-LA Filamentdurchmesser µm mittlere Porengröße µm D.h. Porengröße = f (Filamentdurchmesser) = f (Fasersteifigkeit)

19 In vitro Degradation von Spinnvliesstoffen Lagerung in Phosphatpuffer bei 37 C, ph 7,4 (ISO/DIS ) Testung bei RT, feucht Festigkeit [% vom Ausgangswert]

20 Schrumpf von Spinnvliesstoffen als Funktion der Kristallinität Schrumpf [%] PGA LG 9010 P-L-LA Kristallinität [%]

21 Schrumpf von Spinnvliesstoffen als Funktion der Kristallinität Bedeutet: Reduzierte Dimensionen Zunahme des Faserdurchmessers Abnahme der Porengröße Reduzierte Porosität Steiferer Vliesstoff

22 Schrumpf (z.b. von Spinnvliesstoffen) Ist verbunden mit den amorphen (Phasen in einem polymeren) Material und inneren Spannungen (Eigenspannungen) Tritt auf bei Erwärmung über den Glasübergang Kann vermieden werden durch Erhöhung der Kristallinität Tritt nicht auf bei hochkristallinen Strukturen

23 Glaspunktsdepression von LG E+01 trocken im Wasserbad 1E+00 TAN delta 1E-01 1E-02 Test Frequenz: 10 Hz Statische Dehnung: 5% Dyn. Dehnung: 0,1% Heizrate: 1 K/min 1E TEMPERATUR [ C]

24 Einflüsse auf die Kristallinität von Spinnvliesstoffen Polymer: Zusammensetzung, Molmasse, Polydispersität, Monomergehalt Verarbeitungsbedingungen Schmelze: T, p, Düsengeometrie, Extrusionsgeschwindigkeit Verarbeitungsbedingungen Abzug: Kühlluft, Spinnlänge, Spinngeschwindigkeit

25 Kristallinität von Spinnvliesstoffen als Funktion der Spinngeschwindigkeit (Abzugsgeschwindigkeit) Kristallinität [%] PGA LG 9010 P-L-LA Spinngeschwindigkeit [m/min]

26 Schrumpf von Spinnvliesstoffen als Funktion der Spinngeschwindigkeit (Abzugsgeschwindigkeit) Schrumpf [%] PGA LG P-L-LA Spinngeschwindigkeit [m/min]

27 Kristallinität von Spinnvliesstoffen als Funktion der Extrusionsgeschwindigkeit (Spinnpumpe/Kapillare) Kristallinität [%] PGA LG 9010 P-L-LA 0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 Extrusionsgeschwindigkeit [cm³/min]

28 Kristallinität von Spinnvliesstoffen als Funktion der Spinnlänge Kristallinität [%] PGA LG 9010 P-L-LA Abstand Spinndüse - Abzugsdüse [mm]

29

30

31 Gezüchtete Knorpelzellen

32 Gezüchtete Knorpelzellen

33 Stapelfaservliesherstellung für Medizinprodukte Trockenluftklima Reinraum Klasse EN / ISO 9001

34 Zusammenfassung Resorbierbare Vliesstoffe für das Tissue Engineering. Vliesstoffe für Medizinprodukte präparationsfrei herstellen. Faserschrumpf vor Vliesbildung eliminieren. Porenvolumina und Porengrößen unabhängig von Prozeßparameter. Antrag für DFG-Vorhaben zum Verständnis der Zusammenhänge Schrumpf - Kristallinität - Spinnparameter - Polymer

35 Danksagung Das Projekt "Herstellungsverfahren für resorbierbare Spinnvliesstoffe" wurde gefördert von dem "Forschungskuratorium Gesamttextil" (Az: AiF 8925) aus Mitteln des Bundeswirtschaftsministeriums und über einen Zuschuß der "Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen". Der AiF-Abschlußbericht kann beim Institut für Textil- und Verfahrenstechnik angefordert werden. BMBF-Projekt BMBF 03N4012 Züchtung von Gelenkknorpel

36 Vielen Dank fürs Zuhören