Способ получения покрытого с поверхности изделия и композиция для покрытия изделия Советский патент 1992 года по МПК B32B27/08 C08L71/02 G03C1/72 

Изобретение относится к биомедицине, к способу нанесения гидрофильных покрытий на изделия и композиции для этих покрытий.

Целью изобретения является получение покрытия с улучшенными гидрофильными свойствами и упрощение технологии процесса.

В полиэтиленоксиде каждая цепь имеет один свободный и немодифицированный конец, другой конец цепи имеет хотя бы одну ненасыщенную этиленовую группу. Это значит, что в процессе облучения только один конец полиэтиленоксидной цепи содержит реакционно-способную группу, которая может участвовать в сшивающей реакции, в то время как другой конец цепи не содержит никакой группы, которая может участвовать в этой реакции. Реакционно- способный конец цепи должен содержать только одну ненасыщенную этиленовую группу, однако возможны и случаи, когда присутствуют две, три или более ненасыщенные группы. Такие реакционно-способные группы должны находиться настолько

близко к концу цепи, чтобы не могли образовывать циклы в процессе облучения, т.е. всегда должна существовать свободная подвижная полиэтиленоксидная цепь, свисающая с поверхности основы и направленная к водной фазе, находящейся в контакте с покрытым изделием.

Примерами подходящих ненасыщенных этиленовых групп являются акриловая и метакриловая группы. Однако могут входить группы ненасыщенного этиленового соединения, которое может полимеризо- ваться и сшиваться с помощью радиационного инициирования радикалов. Подгруппу этиленовых групп образуют поляризованные этиленовые группы, в их числе и акриловая и метакриловая. Необходимо однако, чтобы ненасыщенные группы происходили из ненасыщенной карбоновой кислоты с низким молекулярным весом, например менее 1000, особенно менее 200.

Один конец полиэтиленоксида не должен содержать двойную связь, которая может участвовать в сшивающей реакции. Обычно это означает этерифицированный

(Л

С

VI ю ю

Ю 00 4

СО

обыкновенным способом конец полиэтиле- ноксида. Другой конец, т.е. реакционно- способный, полиэтиленоксида может получиться, например, посредством реакции химически немодифицированного гид- роксильного конца полиэтиленоксида этерификацией с соединением, содержащим этиленовую группу. Соединение может содержать различные функциональные группы, зависящие от конечного применения изделия, которое будет произведено.

Другим.методом приготовления полиэтиленоксида является следующий. Соединение, содержащее этиленовую группу, этоксилируется по известному способу. Полученные полиэтиленоксидные цепи представляют собой смесь цепей с распределением молекулярных масс внутри желаемого интервала, например, с так называемым нормальным распределением.

Сшивающий агент - это реакционно- способное вещество с двумя или более ра- диационно-отверждаемыми этиленовыми группами, вступающими в реакцию с этиленовыми группами полиэтиленоксидных цепей. Это означает, что этиленовые группы имеют ту же природу, что и соответствующие группы полиэтиленоксидных цепей. Группами сшивающего агента являются ал- лильная, акриловая и метакриловая. Кроме того, сшивающий агент должен иметь низкую молекулярную массу, например менее 1000, лучше всего менее 300.

Сшивающий агент содержит, кроме ненасыщенных этиленовых групп, одну или более этиленоксидных целей, содержащих 5-500 (лучше всего 3-200) этиленоксидных звеньев, имеющих свободный, непрореагировавший конец. Число ненасыщенных этиленовых групп сшивающего агента составляет 2 или 3.

Примером сшивающего агента является гексаметилендиолдиакрилат.

Полиэтиленоксидный и сшивающий реагенты используются, конечно, в таких пропорциях и мольных соотношениях, чтобы получилось высушенное, прочное прикрепленное (прилипшее) к основе покрытие с желаемыми свойствами, необходимыми для конечного применения изделия. Эти соотношения зависят от специфической природы полиэтиленоксидного и сшивающего реагентов, но они могут быть определены посредством серии экспериментов для каждого конкретного случая.

Так, например, необходимы различные молярные соотношения, если сшивающий агент содержит или не содержит этиленовые звенья.

Растворитель, который кроме свойства растворять (хорошо смачивать) и испаряться, содействует набуханию покрываемой основы. Эта разновидность способа связана в

основном со случаями, когда применяется полимерная основа, и означает, что можно получить улучшенный закрепляющий эффект. При использовании растворителя, имеющего такую набухающую способность,

0 при последующей сшивающей реакции могут создаться мосты или поперечные связи, которые в большей или меньшей степени механически прикреплены к набухающей основе.

5 Основные функции растворителя заключаются в том, что он должен растворять полиэтиленоксид и сшивающий агент, смачивать поверхность основы, чтобы получилось гомогенное растекание окиси

0 полиэтилена, содействовать набуханию полиэтиленоксида к поверхности основы, а также обладать такой скоростью испа-рения, чтобы имелось достаточно времени для набухания поверхности основы для получения

5 гомогенной покрывающей пленки (это про- мотируется посредством медленного испарения растворителя без полной сорбции полиэтиленоксида внутрь полимера).

В предлагаемом способе необходима

0 смесь растворителей, которые должны быть совместимы между собой, т.к. необходима и другая функция, а именно - растворяющая способность. Для поливинилхлорида подходящей является смесь из равных частей тет5 рагидрофурана (способствует набуханию поливинилхлорида), толуола и этанола (растворяет полиэтиленоксид, смачивает поверхность и имеет подходящую скорость испарения).

0 Отверждение кроющей композиции достигается посредством инициируемой облучением полимеризации, так как это быстрый и эффективный способ получения желаемых результатов. Используемыми инициатора5 ми являются инициаторы, активированные радиацией с помощью гамма-рентгеновских лучей, электронных лучей или ультрафиолетовой реакцией. Ультрафиолетовая радиация особенно предпочтительна и мо0 жет проводиться при обыкновенной комнатной температуре. УФ-полимеризация требует присутствия фотоинициатора, который желательно чтобы был так называемого фото-фрагментирующего типа, например 25 гидрокси-2-пропиофенон (при этом два реакционно-способных радикала образуются непосредственно в начале облучения), или Н-извлекающего типа (при этом радикалы образуются путем отнятия водорода от добавленного третичного амина, содержащего кислотные-водородные атомы, например тиоксантон плюс триметиламин). Инициатор может отнимать водородные атомы до известной степени также и от полиэтиле- ноксида и от полимерной основы, адгезия к полимерной основе при этом может улучшиться в результате образования химических связей с основой.

В соответствии с описанным вариантом сшивание проводится в две стадии, а именно частичное сшивание на воздухе в течение краткого времени до образования полиэтиленоксидного геля, малорастворимого в воде,но в котором полиэтиленоксид- ные цепи сохраняют некоторую подвижность, и окончательное облучение геля в водной фазе, при котором полярные, полиэтиленоксидные цепи ориентируются в водной фазе. Это представляет важное преимущество по сравнению с известными методами, так как структура покрытия согласно предлагаемому способу такова, что полиэтиленоксидные цепи сильно сконцентрированы на поверхности производимого изделия, т.е. все цепи направлены в сторону водной фазы.

Практически предлагаемый способ может осуществляться при прокатывании роликом или распылении по поверхности основы или окунания основы в раствор, содержащий окись полиэтилена, сшивающий агент и инициатор радикалов. После этого избытку растворителя дают осесть или испариться с поверхности. Наконец сухое или по крайней мере текущее покрытие отвер- ждается облучением, например, при пропускании основы с нанесенным на нее покрытием на конвейере мимо радиационного источника.

Это означает, что предлагаемый процесс осуществляется в две стадии, простые и быстрые.

Соотношения между различными компонентами композиции следующие: на 1 моль окиси полиэтилена используются 0,1- 10 предпочтительнее 0,3-3 моль сшивающего агента в случае, если упомянутый агент не содержит значительной части эти- леноксидных звеньев, и 0,002-50 моль упомянутого сшивающего агента в случае, если он содержит такие этиленоксидные звенья 0-500 предпочтительнее 50-150 моль растворителя и, по желанию, 0,0001-0,5 предпочтительнее 0,001-0,01 моль инициатора радикалов. Так, в случае, когда не присутствуют значительные количества этиленок- сидных звеньев в сшивающем агенте, соотношение полиэтиленоксид/сшивающий агент обычно должно составлять 1:10- 10:1, но для получения оптимальных

свойств предпочтительнее соотношение 1:3-3:1. Для полиэтиленоксидов с более низкой молекулярной массой особенно предпочтительно молярное соотношение

1:1 или близкое к этому.соотношению, а чем выше молекулярная масса полиэтиленокси- да, тем больше соотношение приближается к 1:3.

Для сшивающих агентов, содержащих

0 этиленоксидные звенья, варьирование молярных соотношений большее или изменяющееся, так как часть желаемых свойств, приписываемых этиленоксидным звеньям, может быть передана изделию и через сши5 вающий агент. Общие границы соотношений можно выразить соответственно от 1:50 до 50:1, причем трудно указать более узкий общий интервал, так как он зависит от гибкости этой разновидности изобретения. Но

0 иногда и в этом случае применимы интервалы 1:100-10:1 и 1:3-3:1.

Изобретение может применяться в качестве противозагрязняющего или антистатического изделия или в качестве изделия со

5 свойствами, уменьшающими трение. Установлено, что изделие обладает отличными свойствами для предотвращения адсорбции белка, которые открывают широкие возможности для его применения в области

0 биоматериалов, особенно в биомедицин-- ской области. Биологическая совместимость особенно ясно выражена для полиэтиленоксидных цепей, по крайней мере 10 или более, предпочтительнее по край5 ней мере 25 или 30 этиленоксидных звеньев.

Кроме того, поверхностное покрытие согласно изобретению делает гидрофобные поверхности полностью гидрофильными и

0 смачивающимися водой и облегчает очистку загрязненных и зараженных областей. Оно также предотвращает зарядку статическим электричеством поверхности основы, отталкивает масло и различные дисперсные час5 тицы. Другим важдым свойством, которое можно использовать для специальных вариантов применения, является свойство уменьшить трение между поверхностями. Предлагаемое изделие может приме0 няться в медицине, например, для получения биологически совместимых поверхностей тканей; которые можно использовать внутри человеческого организма, например, для сосудистых и костных

5 протезов, для предотвращения реакций несовместимости, для получения биологически совместимых с кровью поверхностей для предотвращения коагуляции крови и отложения белка, например при использовании катетеров и при циркуляции крови вне

организма, например, при случаях использования оксигенераторов и искусственной почки; при применении перевязок для абсорбирования тканевой жидкости, при пропитке композиции йодом/йодидом калия достигается оздоровительный эффект и ускоряется заживление раны.

Кроме того, оно может использоваться для предотвращения развития бактерий на поверхностях (антибактериальный эффект), например для медицинских катетеров, для противозачаточных средств, как покрытие, убивающее сперму.

В связи с применением изделия в медицине, согласно предлагаемому способу отверждение облучением имеет значительное преимущество, так как в этом случае достигается и стерилизация предмета.

П р и м е р 1. Моноэтилэтерифицирован- ный полиэтиленгликоль (ПЭГ) с мол. массой 550 моноакрилируют акриловой кислотой, После испарения для того, чтобы получить продукт, обозначенный как ПЭГ-А-550, к упомянутому продукту добавляют 0,02 моль гексаметилен-диол-диакрилата (ГДДА) (бифункциональный сшивающий агент), 0,002 моль 2-гидрокси-2-пропиофенона (фотоинициатор) и смесь растворителей, состоящую из 1,5 моль этанола, 0,75 моль толуола и 1,0 моль тетрагирофурана (ТТФ).

Приготовляют три различных образца: образец А, содержащий 0,005 моль ПЭГ-А- 550, образец В, содержащий 0,002 моль этого соединения и образец С, содержащий 0,4 моль указанного соединения.

Каждый из описанных растворов капают на.поливинилхлоридную пластинку, растворитель испаряется, после чего нанесенное покрытие отверждаютс использованием облучения от УФ- аппарата (Primare, USA), в котором имеются две ртутные лампы, дающие мощность 100 Вт/см при скорости 6 м/мин.

Образцы промывают водой в течение 60 с. Только для образца В получена полностью гидрофильная водосмачиваемая поверхность.

П р и м е р 2. К 0,02 моль ПЭГ-А-1900 добавляют 0,02 моль ГДДА и 0,0002 моль 2-гидрокси-2-пропиофенона. В качестве растворителя используют чистый паракси- лол (0,2 моль) для набухания полиэтилена. Этот раствор Д, как и раствор В, из примера 1 (приготовленный с ПЭГ-А-1900 вместо с ПЭГ-А-550) наносят тонким слоем на полиэтиленовую поверхность. Растворитель испаряется и покрытие отверждается как и в примере 1.

Полученные покрытия в течение 60 с промывают водой.

Только продукт Д был полностью гидрофильным, покрытие В облезло через некоторое время.

Образцы с покрытием окунают после

этого в сосуд с тяжелым горючим маслом. На обоих образцах наблюдают черную масляную пленку. Если образцы снова окунают в воду, масло удаляется с покрытия Д, оно полностью очищается от масла. Образец В

0 остается покрытым маслом и не очищается при промывании водой.

П р и м е р 3. Кроющие композиции, приготовленные согласно С в примере 1 и содержащие соответственно ПЭГ-А-550.

5 ПЭГ-А-1900, ПЭГ-А-5000 наносят на поливи- нилхлоридную пленку, растворитель испаряется, после чего образцы отверждают УФ-облучением как и в примере 1.

Все образцы обрабатывают в течение 6

0 ч 1%-ной альбумина бычьей сывороткой (BSA), растворенной в физиологическом растворе хлорида натрия, после чего поверхности промывают в чистом физиологическом растворе соли натрия в течение 60 мин,

5

Образцы высушивают и поверхность анализуют с помощью электронной спектроскопии для химических анализов. ESCA в отношении протеинового азота.

0 Для всех полиэтиленгликолей адсорбция протеина меньше по сравнению с адсорбцией необработанного поливинилхлорида. Адсорбированное количество протеина умень- шаеться с увеличением молекулярной массы

5 ПЭГ следующим образом, мол.% азота на поверхности: необработанный поливинилхло- рид 5; ПЭГ-А550 2; ПЭГ-А-1900 0,9; ПЭГ-А-5000 менее 0,5.

П р и м е р 4. Покрывающую компози0 цию, приготовленную как В по примеру 1, но с ПЭГ-А-1900, наносят на две пластинки из нержавеющей стали, которые предварительно покрывают тонкой поливинилхло- ридной пленкой, полученной в результате

5 испарения 0,5%-ного раствора поливинилхлорида в тетрагидрофуране, нанесенного на сталь ную пластинку. Кроющую композицию оставляют на воздухе для высыхания и после этого из пластинок - образцов отвер0 ждают нормальным способом - в одну ста-- дню на воздухе, а другую пластинку высушивают в две стадии: сначала частично и очень быстро (менее, чем на 0,5 м/мин) УФ-облучением на воздухе, после этого кро5 ющую композицию покрывают слоем воды, под которым осуществляют окончательное со скоростью 5 м/мин УФ-облучением,

Образцы обрабатывают 1%-ным раствором BSA с последующим промыванием, как это описано в примере 3.

Содержание протеина, определенное с помощью ESCA, следующее, мол.% азота на поверхности: одностадийное отверждение 0,9; двухстадийное отверждение менее 0,5.

Процентное содержание ПЭГ на поверхности, определенное с помощью ESCA в виде СНаО - углерод следующее, мол.% PEG: одностадийное отверждение 60; двухстадийное отверждение более 90.

П р и м е р 5. Триметилпропан (ТМР), этоксилированной 20 этиленоксидными звеньями на ТМР, диакрилируют введением 2 моль акриловой кислоты на 1 моль ТМР.

К 0,003 моль сухого продукта (ТМР- (ЕО)20-А) прибавляют следующие компоненты, моль: 2-гидрокси-2-пропи офенон 0,0001; этанол 0,78; толуол 0,50; тетрагидрофуран 0,25.

Кроющую композицию наносят на плексиглас (R) (ПММА) и пленку двухстадийным методом как это описано в примере 4. Одну обработанную и одну необработанную ПММА-пластинки плексигласа обрабатывают пылевидной смесью из окиси железа (Рв20з) и коллоидального углерода, взятых в равных массовых частях, при раскачивании в пробной камере при относительной влажности 70% в течение 15 мин.

После испытания необработанная пластинка имеет стойкое красно-черное покрытие, в то время как обработанный образец полностью свободен от частиц смеси после извлечения из камеры.

П р и м е р 6. Кремниевая пластинка покрыта поливинилхлоридной пленкой окунанием а 0,5%-ный раствор поливинилхло- рида в тетрагидрофуране, После этого на пластинку наносят пленку со следующим составом, моль: ПЭГ-А-500 0,02; триметилолп- ро п а нтриакрилат 0,04; 2-гидрокси-2-протиофенон 0,02; этанол 2; толуол 2; тетрагидрофуран 2.

Пленки получают при вращении на ротационной пластине при 100 об/мин, высушивают и отверждают одностадийно. Адсорбцию белка измеряют методом эллип- сометрии. Получают следующие результаты для основы толщиной А: кремний-поливи- нилхлорид 20-30; кремний-поливинилхло- рид-PEG-A-SOOO менее 2.

Приме р.7. Налипание клеток и эритроцитов.

Эквимолярные количества (0,01 моль) моноакрилированного ПЭГ 1900 и диакри- лата гександиола растворяют в смеси толу- ол-циклогексанон-этанол (по 1 мае.ч. каждого) и разбавляют до окончательной концентрации твердых веществ 0,5 мас.%.

Полученный раствор наносят на пленки из ПВХ и пластинки из ПММА каждая размером 3x3 см использованием аппликатора со спиральным стержнем, наносящим слой

толщиной 1 мм (группа а), внутреннюю часть (просвет) почти прозрачных трубочек из ПЭ (полиэтилен) длиной 1 м и внутренним диаметром 2 мм, которые обрабатывают пропусканием через просвет раствора с помощью

0 пипетки. Перед. нанесением пленки ПЭГ трубкам из ПЭ придают гидрофильность выдерживанием 2 мин в концентрированной серной кислоте, содержащей 2 мг/л перман- ганата калия, с последующим тщательным

5 промыванием водой (группа в).

Для основ обоих типов растворитель испаряют перед отверждением досуха. Все предметы подвергают отверждению в аппарате Mi nicure в течение 15 мин. Особенно

0 длительного времени требует отверждение внутренней поверхности трубочек вследствие рассеивания и поглощения излучения материалом трубочек.

Основы группы а, подвергнутые предва5 рительной стерилизации этанолом, обрабатывают 75 мл культуры фибробластовых клеток, содержащей 1 млн клеток в 1 мл. Суспензии составляют на 1 ч для осаждения на основу, после чего предметы переносят в

0 чувствительную к зародышам сыворотку крови теленка и инкубируют до 48 ч при 37°С. Поверхности затем осматривают визуально и фотографируют под микроскопом. На необработанном ПММА через 48 ч видны

5 соответствующие слои клеток, полностью покрывающих поверхность путем образования сети клеточных бугров, крепко связанных с поверхностью. Для обработанных ПЭГ поверхностей ПВХ и ПММА видны от0 дельные клетки сферической формы, что указывает на интактность этих клеток и отсутствие их роста на поверхности. Проведенные испытания показывают, что в противоположность обычным полимерным

5 основам обработанные ПЭГ поверхности не благоприятствуют росту клеток и показывают очень низкую склонность к адгезии клеток.

Обработанные трубочки группы б испы0 тывают на предмет налипания тромбоцитов. Через трубочки 20 мин циркулируют свежую цитратную кровь человека, после чего промывают обычным образом солевым раствором. В конечном счете буферным рас5 твором из налипших тромбоцитов извлекается АТФ(аденозинтрифосфат), количество которого определяют. Получены следующие результаты, ммоль АТФ/см2: необработанный полиэтилен 1500х10 11; полиэтилен, обработанный ПЭГ-акрилатом 13х10 11.

Полученные результаты показывают, что поверхность основы (полиэтилен) полностью покрыта отталкивающей тромбоциты пленкой ПЭГ.

Примерб. Антистатические свойства.

Видеоэкраны покрывают рядом пленок, соответствующих примерам 1-3.

Изменения в напряженности электростатического поля измеряют с помощью измерителя напряженности электростатического поля типа Eltex О 475/А, С.

Опыты проводят в следующих условиях: толщина ПЭГ-акрилатного покрытия менее 5 мм, отверждение ПЭГ-акрйлатного покрытия проводят на вращающемся диске облу- чением УФ-ламп 4x300 Вт Osram ultra vitalux.

Видеоэкраны работают в течение 1 ч.

Видеоэкраны отключают и на фиксированном расстоянии от экрана 30 см замеря- ют зависимость изменения напряженности электростатического поля от времени.

Проведенные испытания ясно показы вают, что пленки из ПЭГ-акрилата значительно снижают напряженность электрического поля, т.е. являются эффективными антистатическими покрытиями.

Антистатические характеристики приведены в табл.1; сравнительные данные по гидрофильности покрытия - в табл.2.

Формула изобретения

1. Способ получения покрытого с поверхности изделия путем нанесения на поверхность изделия смеси модифицированного полиэтиленоксида, бифункционального сшивающего агента, инициатора и .растворителя, испарения растворителя и отверждения покрытия, отлича ющийся тем, что, с целью получения покрытия, обладающего улучшенными гидрофильными свойствами, и упрощения технологии процесса, в качестве полиэтиленоксида используют мо- ноакрилированный полиэтиленоксид с мол.м. 550,1900, 5000, в качестве инициатора - фотоинициатор при следующем соотношении компонентов, моль: указанный полиэтиленоксид 0,002-0,4; бифункциональный сшивающий агент 0,02-0,04; фотоинициатор 0,00001-0,002; растворитель 0,2-3,25.

2. Композиция для покрытия изделия, включающая модифицированный полиэтиленоксид, бифункциональный сшивающий агент, инициатор, растворитель, отличающаяся тем, что, с целью повышения гидрофильности композиции, в качестве модифицированного полиэтиленоксида она содержит моноакрилированный полиэтиленоксид с мол.м. 550, 1900, 5000, в качестве инициатора-фотоинициатор при следующем соотношении компонентов, моль: указанный модифицированный полиэтиленоксид 0,002- 0,4; бифункциональный сшивающий агент 0,02-0,04; фотоинициатор 0,00001-0,00 2; растворитель 0,2-3,25.

Покрытие I Время, Напряженность мин электрического пплл, кВ/м

Таблица2

Изобретение позволяет получать покрытия с улучшенными гидрофильными свойствами по упрощенной технологии. Для этого наносят на поверхность изделия композицию, содержащую, моль: моноакрилированный по- лиэтиленоксид (мол.м. 550, 1900, 5000) 0,002-0,4; сшивающий агент 0,02-0,04; фотоинициатор 0,00001-0,002; растворитель 0,2-3,25. 2 с.п. ф-лы, 2 табл.