DE69406814T2

DE69406814T2 - Verfahren zur Herstellung resorbierbarem Polymer

Info

Publication number: DE69406814T2
Application number: DE69406814T
Authority: DE
Inventors: Deger Tunc
Original assignee: Johnson and Johnson Orthopaedics Inc
Current assignee: Johnson and Johnson Professional Inc
Priority date: 1993-02-09
Filing date: 1994-02-08
Publication date: 1998-04-02
Anticipated expiration: 2014-02-09
Also published as: EP0611133A3; EP0611133A2; GR940100054A; DK0611133T3; EP0611133B1; ATE160367T1; JPH07499A; CA2115130C; JP3286061B2; DE69406814D1; CA2115130A1; GR1002414B; US5319038A

Description

Hintergrund der Erfindung

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

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.
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
alpha-Hydroxypropansäure,
alpha-Hydroxyessigsäure,
beta-Propiolactid,
Tetramethylglykolid,
beta-Butyrolacton,
gamma-Butyrolacton,
Pivalolacton,
alpha-Hydroxybuttersäure,
alpha-Hydroxyisobuttersäure,
alpha-Hydroxyvaleriansäure,
alpha-Hydroxyisovaleriansäure,
alpha-Hydroxycapronsäure,
alpha-Hydroxyisocapronsäure,
alpha-Hydroxy-alpha-ethylbuttersäure,
alpha-Hydroxy-beta-methylvaleriansäure,
alpha-Hydroxyheptansäure,
alpha-Hydroxyoctansäure,
alpha-Hydroxydecansäure,
alpha-Hydroxymyristinsäure,
alpha-Hydroxystearinsäure,
Dimethylglykolid,
Polymethylglykolid,
Diethylglykolid,
Dibutylglykolid,
Caprolacton,
Valerolacton,
Decalacton,
Propiolacton,
Dioxanon,
substituierte Dioxanone,
Trimethylencarbonat,
Ethylencarbonat und
Propylencarbonat.
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.
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.
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.
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.
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

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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die nachstehenden Beispiele zeigen die erfindungsgemäß erzielten verbesserten Ergebnisse.

Beispiel 1

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.
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.
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.
Nach jeder Testperiode wurde die logarithmische Viskositätszahl des Polymeren bestimmt, um die Geschwindigkeit der Depolymerisation zu verfolgen.
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.
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
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.
Tabelle IB zeigt, daß die Verringerung der Zugfestigkeit nach 12-wöchigem in vivo-Verbleib etwa 31% beträgt.

Beispiel 2

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

Dieser Vorgang umfaßt die folgenden Stufen:
1. PLA wird unter Verwendung einer Mahlvorrichtung mit einem 4 mm- Sieb gemahlen.
2. An das gemahlene PLA wird 16 Stunden bei Raumtemperatur Vakuum angelegt.
3. Das PLA wird unter Vakuum auf 110ºC erwärmt und 24 Stunden unter fortgesetzter Taumelbewegung gehalten.
4. Es wird auf Raumtemperatur abgekühlt.
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
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

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:
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.
2. Das Aceton wird vom Polymeren durch Filtration abgetrennt.
3. Die Stufe 1 wird wiederholt.
4. Die Stufe 2 wird wiederholt.
5. Das PLA wird unter Vakuum getrocknet.
Die Analysenergebnisse für das PLA vor und nach dieser Reinigung sind in der nachstehenden Tabelle zusammengestellt.
ASTM-Probestücke wurden durch Spritzgießen aus dem behandelten PLA hergestellt und vor und nach Inkubation in Puffer-7 bei 37ºC bewertet.
Die Ergebnisse sind in Tabelle III zusammengestellt. Tabelle III
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

Dieses Beispiel erläutert die vorliegende Erfindung.

1. Extraktion in Methanol

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

Das Methanol wird aus dem Polymeren durch Filtration entfernt.

3. Extraktion in Aceton

Das Polymere von Stufe 2 wird 24 Stunden bei etwa 20ºC in 33,5 kg trockenem Aceton gerührt.

4. Filtration zur Entfernung von Aceton

Aceton wird aus dem Polymeren durch Filtration entfernt.

5. Trocknung

a. Das Polymere wird über Nacht bei 38ºC getrocknet.
b. Bei 18ºC wird 24 Stunden Vakuum angelegt.
c. Das Polymere wird sodann 48 Stunden alle 4 Stunden mit Stickstoff gespült, wobei es bei 43ºC und unter Vakuum gehalten wird.
d. Das getrocknete PLA wird zur Lagerung bis zur Verwendung unter Stickstoff in Kunststoffbeutel übertragen.
Nachstehend sind die Analysenergebnisse für das gereinigte und stabilisierte PLA aufgeführt.

Bewertung des Polymeren

ASTM-Probestücke wurden aus dem gereinigten/stabilisierten PLA durch Spritzgießen geformt. Diese Probestücke wurden vor und nach Inkubation bei 37ºC in Puffer-7 getestet.
Die Testergebnisse sind Tabelle IV zusammengestellt. Tabelle IV
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.
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.

Claims

1. Verfahren zur Reinigung und Stabilisierung eines hochmolekularen Polylactids, umfassend das Zerkleinern des Polylactids zu kleinen Teilchen, das Kontaktieren der Polylactidteilchen mit getrocknetem Methylalkohol für eine Zeitspanne von mindestens 10 Stunden bei Raumtemperatur; das Filtrieren der Polylactidteilchen zur Abtrennung des Methylalkohols von den Teilchen, das Kontaktieren der Polylactidteilchen mit trockenem Aceton für eine Zeitspanne von mindestens 10 Stunden bei Raumtemperatur, das Filtrieren der Polylactidteilchen zur Entfernung von Aceton, das Trocknen der PLA- Teilchen und das Lagern des Polylactids in einer inerten Atmosphäre.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Polylactid zu Teilchen mit einer Größe von weniger als 10 mm zerkleinert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Polylactid zu Teilchen mit einer Größe von 1 bis 6 mm zerkleinert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Polylactidteilchen 24 Stunden mit Methylalkohol in Kontakt gebracht werden.