DE69723724T2

DE69723724T2 - Verfahren zur herstellung von polyurethan-peo-heparin-beschichtungen

Info

Publication number: DE69723724T2
Application number: DE69723724T
Authority: DE
Inventors: K. Birendra PATNAIK
Original assignee: Boston Scientific Ltd Barbados
Current assignee: Boston Scientific Ltd Barbados
Priority date: 1996-11-25
Filing date: 1997-11-18
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2017-11-19
Also published as: CA2272944A1; EP0948370B1; EP0948370A1; DE69723724D1; AU7409098A; CA2272944C; WO1998023307A1; US5741881A; AU720159B2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG:
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein bio-aktive Beschichtungszusammensetzungen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung verbesserte bio-aktive Beschichtungen mit Polymerhauptketten mit α,β-ungesättigter Carbonyl-Funktionalität. Bio-aktive Mittel sind über Spacer-Gruppen, die an das β-Kohlenstoff der Hauptketten mit α,β-ungesättigter Carbonyl-Funktionalität binden, mit diesen Hauptketten verbunden.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG:
Es ist bekannt, bio-aktive Materialien zum Beschichten von Strukturen zu verwenden, die in ein lebendes System eingebracht werden sollen. In den letzten 30 Jahren wurde die Forschung auf diesem Gebiet mit der Entwicklung von verschiedenen in Kontakt mit Blut verwendbaren bio-kompatiblen Substraten, wie beispielsweise Gefäßtransplantaten, künstlichen Organen, Endoskopen, Kanülen und dergleichen, zunehmend wichtig.
Obwohl verschiedene Materialien zum Herstellen derartiger Substrate verwendet wurden, sind synthetische Polymere aufgrund ihrer antitrombogenen und guten mechanischen Eigenschaften als die bevorzugten Materialien immer beliebter geworden. Beispielsweise ist Polyurethan ein vorteilhaftes und effektives Material mit einer Vielzahl von klinischen Anwendungen. Obwohl synthetische Polymere wie beispielsweise PTFE und Polyurethane weniger thrombogen als frühere Materialien sind, ist die Thrombus-Bildung noch immer ein Problem. Ein Thrombus ist die Bildung eines aus Bestandteilen des Bluts, wie beispielsweise Blutplättchen, Fibrin, rote Blutkörperchen und Leukozyten, zusammengesetzten festen Körpers. Die Thrombus-Bildung wird durch Blutkoagulation und Adhäsion von Blutplättchen an Fremdsubstanzen und Blutplättchenaktivie rung auf Fremdsubstanzen verursacht. Die Thrombus-Bildung ist daher eine ernsthafte Komplikation in der Chirurgie und bei dem klinischen Einsatz von künstlichen Organen.
Verschiedene antithrombogene Mittel wie beispielsweise Heparin sind entwickelt worden und in bio-kompatible Substrate zum Bekämpfen der Thrombus-Bildung eingebracht worden. In einem lebenden System hemmt Heparin die Umwandlung eines Proenzyms (Prothrombin) in seine aktive Form (Thrombin). Thrombin katalysiert eine komplizierte biochemische Kaskadenreaktion, die letztendlich zu der Bildung eines Thrombus führt.
Eine Infektion ist ebenfalls ein ernsthaftes Problem bei in einen Transplantatempfänger zu implantierenden Substraten. Wenn ein Substrat in einen Transplantatempfänger implantiert wird, können bakterielle, virale und andere Formen von Infektionen zu lebensbedrohenden Komplikationen führen. Daher kann ein Binden eines antiinfektiösen Mittels an eine Oberfläche eines implantierbaren Substrates das Risiko einer Infektion mindern, wenn ein Substrat in einen Transplantatempfänger eingebracht wird.
Im Stand der Technik gibt es eine Fülle verschiedener Verfahren zum Aufpfropfen von bio-aktiven Molekülen auf Polymeroberflächen zum Verhindern einer Thrombus-Bildung und/oder einer Infektion. Beispielsweise sind bio-kompatible Polymeroberflächen mit verschiedenen Vorzügen wie verminderter Thrombogenitität, erhöhter Verschleißfestigkeit und verbesserten hydrophilen Schmiereigenschaften beschrieben worden. Alternativ ist im Stand der Technik ein Herstellen von polymeren Oberflächen zum Aufnehmen bio-aktiver Mittel durch eine Plasmabehandlung beschrieben.
Darüber hinaus sind Polymerbeschichtungen beschrieben, die entweder kovalent oder ionisch an Substratoberflächen gebundene bio-aktive Mittel enthalten. Beispielsweise, wie es hier weiter unten beschrieben ist, sind photochemische Reaktionen beschrieben, die bio-aktive Mittel kovalent an Substratoberflächen binden. Ferner werden quarternäre Ammoniumreagentien beschrieben, die ein bio-aktives Mittel ionisch an ein Substrat binden.
Alternativ sind zuvor verschiedene Substratoberflächen beschrieben worden, die ohne Vorbehandlung mit einem beliebigen bio-aktiven Mittel zum Einbringen in ein biologisches System geeignet sind. Beispielsweise beschreibt Yoda et al. in dem US-Patent Nr. 5,061,777, daß Polyurethane und Polyurethanharnstoffe, die sowohl hydrophile als auch hydrophobe Polyether-Segmente enthalten, stärker antithrombogen wirken als Substrate aus entweder ausschließlich einem hydrophilen oder einem hydrophoben Polyol. Ähnlich beschreibt Elton in dem US-Patent Nr. 5,077,352 ein Verfahren zum Herstellen einer Mischung aus einem Isocyanat, einem Polyol und einem Polyethylenoxid in einer Trägerflüssigkeit. Diese Mischung wird anschließend erhitzt und ausgehärtet, um eine Beschichtung aus einem mit einem Polyethylenoxid komplexierten Polyurethan mit einer guten Haftung an einem Substrat und guten Schmiereigenschaften herzustellen.
Eine signifikante Einschränkung dieser bio-kompatiblen Polymeroberflächen ist jedoch, daß sie nicht vollständig bio-kompatibel sind. Die Thrombus-Bildung und Infektionen stellen weiterhin Probleme dar, wenn ein Substrat unter Verwendung dieser bio-kompatiblen Polymeroberflächen in einen Transplantatempfänger implantiert wird. Daher wurden verschiedene alternative Verfahren zum Herstellen der Oberfläche eines in einen Transplantatempfänger zu implantierenden Substrats zum Aufnehmen bio-aktiver Mittel beschrieben. Eine Plasmabehandlung von Substratoberflächen ist eines dieser Verfahren.
Beispielsweise beschreibt Hu et al. in dem US-Patent Nr. 4,720,512 ein Verfahren, um einer Polymerträgerstruktur eine verbesserte antithrombogene Aktivität zu verleihen, indem diese mit einem aminreichen Material wie beispielsweise einem Polyurethanharnstoff beschichtet wird, hydrophobe Grup pen in die aminreiche Oberflächenbeschichtung durch eine Plasmabehandlung mit Fluorkomponenten eingeführt werden und ein antithrombogenes Mittel kovalent an die hydrophobe aminreiche Oberfläche gebunden wird.
Ein derartiges Verfahren zur Plasmabehandlung einer Substratoberfläche ist in seinem Anwendungsbereich begrenzt, da es nur bei bestimmten Substraten funktioniert. Es stellt also keine universelle Beschichtungszusammensetzung zur Verfügung, die an einer Vielzahl von Substratoberflächen binden kann. Bei einem anderen Lösungsweg wurden jedoch verschiedene Verfahren zum direkten Anbinden bio-aktiver Mittel an Substratoberflächen beschrieben.
Beispielsweise beschreibt Solomon et al. in dem US-Patent Nr. 4,642,242 ein Verfahren, um einem Polyurethanpolymermaterial eine antithrombogene Aktivität zu verleihen, indem eine Trägerstruktur mit einem protonierten aminreichen Polyurethanharnstoff beschichtet wird, die Amineinheit mit einem alkalischen Puffer aktiviert wird, und ein antithrombogenes Mittel wie beispielsweise Heparin kovalent mit dem Polyurethanharnstoff unter Verwendung eines Reduktionsmittels verbunden wird.
Direkt an Polymerhauptketten gebundene bio-aktive Mittel weisen verschiedene Einschränkungen auf. Erstens ist deren In-Vivo-Beweglichkeit herabgesetzt, da diese bio-aktiven Mittel direkt an die Polymerhauptkette gebunden sind. Zweitens kann der Prozeß des Anbindens des bio-aktiven Mittels an die Polymerhauptkette die Anzahl der funktionellen Bindungsstellen des bio-aktiven Mittels vermindern. Drittens begrenzt die große Nähe des bio-aktiven Mittels zu der Polymerhauptkette seine Fähigkeit, mit seinen physiologischen Substraten zu interagieren. Somit sind aus diesen Gründen direkt an die Polymerhauptkette gebundene, bio-aktive Moleküle enthaltende Beschichtungen durch die verminderte Aktivität des bio-aktiven Mittels eingeschränkt.
Folglich wurden alternative Verfahren zum Binden bioaktiver Moleküle an Substratoberflächen entwickelt. Insbesondere wurden Verfahren zum ionischen Binden bio-aktiver Mittel an ein Substrat mit einer quaternären Ammoniumverbindung beschrieben. Siehe beispielsweise Mano in dem US-Patent Nr. 4,229,838, Williams et al. in dem US-Patent Nr. 4,613,517, McGary et al. in dem US-Patent Nr. 4,678,660, Solomon et al. in dem US-Patent Nr. 4,713,402 und Solomon et al. in dem US-Patent Nr. 5,451,424.
Diese Verfahren sind jedoch stark eingeschränkt, da das bio-aktive Mittel mit der Zeit aus der Oberfläche des Substrats herausgelöst wird. Somit ist der durch das ionisch an der Substratoberfläche gebundene bio-aktive Mittel erreichte Schutz bestenfalls kurzzeitig. Folglich wurden auch dauerhaftere Verfahren zum Binden bio-aktiver Moleküle an Substratoberflächen entwickelt. Diese Verfahren umfassen ein kovalentes Binden eines bio-aktiven Moleküls an einer Substratoberfläche, und zwar entweder direkt oder über ein Spacer-Molekül.
Beispielsweise sind photochemische Reaktionen zum Herstellen von Substratoberflächen zum Aufnehmen antithrombogener Mittel beschrieben worden. Kudo et al. beschreibt in dem US-Patent Nr. 4,331,697 ein Verfahren, um einem biomedizinischen Material eine antithrombogene Aktivität zu verleihen, und zwar durch direktes Verknüpfen eines Heparinderivats mit der Oberfläche des Materials mit aktinischer Strahlung. Kudo et al. beschreibt ferner ein Beschichten einer Oberfläche eines biomedizinischen Materials mit einem Polymer mit einer Carbonsäurehalogenidgruppe und/oder einer funktionellen Carboxylanhydridgruppe als Seitenkette, die mit einem Heparinderivat reagieren kann.
Alternativ beschreibt Guire et al. in den US-Patenten Nr. 4,973,493 und 4,979,959 Verfahren zum Binden bio-aktiver Moleküle an Substraten unter Verwendung einer Verbindungseinheit mit funktionalisierten Endgruppen, die vorzugsweise durch verschiedene Signale aktiviert werden. Die Verbindungseinheit kann bei Einführung eines ersten Aktivierungssignales, welches die erste funktionalisierte Endgruppe aktiviert kovalent ein bio-aktives Molekül binden. Die Verbindungseinheit ist ferner dazu in der Lage, bei Einführung eines anderen zweiten (photochemischen) Signals, welches die zweite funktionalisierte Endgruppe aktiviert, das Substrat kovalent zu binden.
Bichon et al. beschreibt in dem US-Patent Nr. 4,987,181 ein Substrat mit einem haftenden Film mit antithrombogenen Eigenschaften auf seiner Oberfläche. Dieser haftende Film ist ein olefinisches Copolymer mit zufällig an der Hauptkette verteilten Seitengruppen, wobei diese Seitengruppen Carboxylgruppen und Gruppen der Formel -CONH-(CH₂)_n-NH-CH₂-R sind, wobei R ein Heparinmolekül oder ein Depolymerisationsfragment eines Heparinmoleküls ist. Der haftende Film wird durch eine photo-initiierte Polymerisation eines geeigneten Monomers auf dem Substrat abgeschieden. Damit wird Heparin oder ein Fragment davon kovalent über einen Amin-Spacer an dem Substrat gebunden.
Es sind also in den oben zitierten Studien verschiedene Spacer-Moleküle beschrieben, die bio-aktive Mittel an Polymersubstraten binden. Diese Studien zeigen, daß bio-aktive, an Polymerbeschichtungen gebundene Mittel wie beispielsweise Heparin, mehr von ihrer Aktivität behalten, wenn sie durch einen Spacer entfernt von der Oberfläche eines Substrats angebunden sind. Obwohl Spacer-Moleküle eine Einrichtung zum Optimieren der Bio-Aktivität von an Substratoberflächen gebundenen bio-aktiven Molekülen bereitstellen, bestehen weiterhin verschiedene Probleme bei den photochemischen Reaktionen, die zum Anbinden dieser bio-aktiven Moleküle über Spacer an Substratoberflächen verwendet werden. Zu diesen Problemen gehört sowohl die Fähigkeit des bio-aktiven Moleküls, das zu seiner Bindung an die Substratoberfläche verwendete photochemische Signal auszuhalten, als auch die Fä higkeit des Substrats, Lichtstrahlung auszuhalten. Beispielsweise zersetzen sich inerte polymere Substrate wie beispielsweise Polytetrafluorethylen, wenn sie photochemischen Reaktionen ausgesetzt werden und können bei diesen nicht verwendet werden. Daher wurden Versuche unternommen, Spacer-Moleküle zu verwenden, um bio-aktive Mittel ohne photochemisch reaktive Gruppen an Substratoberflächen zu binden.
Beispielsweise entwickelte Park et al. ein neues lösliches segmentiertes Polyurethanharnstoff-Polyethylenoxid-Heparin-Pfropfcopolymer mit verbesserter Blutverträglichkeit.
Insbesondere wird die neue lösliche Pfropfcopolymerzumsammensetzung durch einen vierstufigen Prozeß erhalten, wobei Heparin auf einer kommerziellen Zubereitung eines segmentierten Polyurethanharnstoffes (PUU) unter Verwendung hydrophiler Polyethylenoxid(PEO)-Spacer mit unterschiedlichen Molekulargewichten immobilisiert wird. Dieses neue Verfahren umfaßt (1) ein Verknüpfen von Hexamethyldiisocyanat (HMDI) mit einer segmentierten Polyurethanharnstoffhauptkette durch eine Allophanat/Biuret-Reaktion zwischen dem Urethan/Harnstoff-Stickstoffproton und einer der Isocyanatgruppen des HMDI. Anschließend werden (2) die an der Hauptkette befestigten freien Isocyanatgruppen mit einer terminalen Hydroxylgruppe an einem PEO verknüpft, um ein PUU-PEO-Produkt zu bilden. Danach werden (3) die freien Hydroxylgruppen des PUU-PEO-Produktes mit HMDI behandelt, um eine terminale Isocyanatgruppe einzuführen. Abschließend wird (4) das NCO-funktionalisierte PUU-PEO zum Bilden eines PUU-PEO-Hep-Produktes kovalent an reaktive funktionelle Gruppen des Heparin (-OH und -NH₂) gebunden. Siehe K. D. Park und S. W. Kim "PEO-Modified Surfaces-In Vitro, Ex Vivo and In Vivo Blood Compatibility", in Poly(Ethylene Glycol) Chemistry: Biotechnical and Biomedical Applications 283, 293–295 (J. Milton Harris ed. 1992). Dieses Verfahren wird hier als das "Park-Verfahren" bezeichnet.
Das Park-Verfahren weist verschiedene Nachteile auf. Insbesondere ist die Synthese der Beschichtungszusammensetzung aufgrund der Anzahl der in dem Park-Verfahren enthaltenen Reaktionsschritte langsam, ineffizient und anfällig für Nebenreaktionen, wobei dies zu einer geringen Ausbeute und einer Zunahme der Menge von vernetztem Polymer beiträgt.
Allgemein betrafen sämtliche dieser Veröffentlichungen Substratoberflächen und/oder Beschichtungen davon, die in biologischen Systemen existieren können und insbesondere die Antithrombogenität der Oberfläche von beispielsweise medizinischen Substraten erhöhen können. Diese Reaktionen sind jedoch im allgemeinen langsame, mehrere Schritte umfassende Synthesen und sind durch Nebenreaktionen gekennzeichnet, die zu geringen Ausbeuten und einer Bildung von vernetzten Polymeren führen. Darüber hinaus können diese Reaktionen nicht universell auf Substratoberflächen angewendet werden. Somit gibt es insbesondere einen Bedarf nach einer bio-aktiven Beschichtung und einem Verfahren, das mit einem breiten Spektrum von Substratoberflächen verwendet werden kann. Darüber hinaus gibt es einen besonderen Bedarf nach bio-aktiven Beschichtungszusammensetzungen, die eine α,β-ungesättigte Funktionalität als Plattform zum Binden bio-aktiver Mittel an Polymerhauptketten aufweisen. Ferner gibt es einen Bedarf nach einem vereinfachten Verfahren zum Herstellen derartiger bio-aktiver Beschichtungen, das höhere Ausbeuten mit einer vernachlässigbaren Vernetzung in einem geringeren Zeitraum liefert. Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lösung dafür bereitzustellen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG:
Die vorliegende Erfindung betrifft eine bio-aktive Beschichtungszusammensetzung, die das Reaktionsprodukt von zwei unterschiedlichen Reaktionen ist. Die erste Reaktion umfaßt eine Reaktion einer bio-kompatiblen Polymerhauptkette mit einer α,β-ungesättigten Carbonyl-Funktionalität mit ei nem hydrophilen Spacer mit zumindest einer reaktiven funktionellen Gruppe an seinem ersten und zweiten Ende. Bei dieser Reaktion reagiert eine der reaktiven funktionellen Gruppen des Spacers mit einem β-Kohlenstoff der Carbonyl-Funktionalität, um den Spacer an die Polymerhauptkette zu binden. Die zweite Reaktion umfaßt eine Reaktion eines bio-aktiven Mittels mit einer verbleibenden, nicht abreagierten reaktiven funktionellen Gruppe des Spacers, um das bio-aktive Mittel kovalent an den Spacer zu binden.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegende Erfindung wird eine Beschichtungszusammensetzung zur Verfügung gestellt, die eine von einer bio-kompatiblen Polymerhauptkette mit einer Carbonyl-Funktionalität und zumindest einem an ein β-Kohlenstoff der Carbonyl-Funktionalität gebundenes Seitenteil definierte Polymerstruktur umfaßt. Das Seitenteil ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: NH-R¹-NH-R², wobei R¹ eine hydrophile Spacergruppe ist, die aus der aus aliphatischen Kohlenwasserstoffen, hydrophilen Polyoxyolefin-Polyethern, hydrophilen Polyethylenen, modifizierten Polyolefinen, aliphatischen Polyestern, Polyaminen, Polysiloxanen, Polysilazanen, hydrophilen Acrylaten, hydrophilen Methacrylaten, Polyaminosäuren und linearen Polysacchariden bestehenden Gruppe ausgewählt ist; und R² ein bio-aktives Mittel ist, das aus der aus antithrombogenen Mitteln, Antibiotika, antibakteriellen Mitteln, antiviralen Mitteln, ihren pharmazeutischen Salzen und Mischungen daraus bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird ein Verfahren zum Herstellen einer bio-aktiven Polymerbeschichtung mit einer bio-aktiven Gruppe, die über eine hydrophile Spacergruppe kovalent an eine Polymerhauptkette gebunden ist, bereitgestellt. Dieses Verfahren umfaßt ein Bereitstellen einer Polymerhauptkette mit einer α,β-ungesättigten Carbonyl-Funktionalität; Reagieren eines β-Kohlenstoffs der Carbonyl-Funktionalität mit einem hydrophilen Spacer, der zumindest eine reaktive funktionelle Gruppe an seinem ersten und zweiten Ende aufweist, um den hydrophilen Spacer als eine Seitengruppe der Hauptkette anzufügen; und Weiter-Reagieren der Seitengruppen mit einem bio-aktiven Mittel, um das bio-aktive Mittel kovalent an die Seitengruppe zu binden.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine polymergebundene bio-aktive Zusammensetzung bereitgestellt, die dargestellt wird durch die Struktur:
wobei P eine bio-kompatible Polymerhauptkette mit einem von einer α,β-ungesättigten Carbonyl-Funktionalität abgeleiteten β-Kohlenstoff ist. R¹ ist eine hydrophile Spacergruppe mit zumindest einer reaktiven funktionellen Gruppe an ihrem ersten und zweiten Ende und ist ferner aus der aus aliphatischen Kohlenwasserstoffen, hydrophilen Polyoxyolefin-Polyethern, hydrophilen Polyethylenen, modifizierten Polyolefinen, aliphatischen Polyestern, Polyaminen, Polysiloxanen, Polysilazanen, hydrophilen Acrylaten, hydrophilen Methacrylaten, Polyaminsäuren und linearen Polysacchariden bestehenden Gruppe ausgewählt ist. R² ist ein bio-aktives Mittel, das aus der aus antithrombogenen Mitteln, Antibiotika, antibakteriellen Mittel, antiviralen Mitteln, ihren pharmazeutischen Salzen und Mischungen daraus bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Darüber hinaus wird eine bio-aktive Beschichtungszusammensetzung bereitgestellt, die aus einer Polymerhauptkette mit einer α,β-ungesättigten Carbonyl-Funktionalität gebildet wird. Die Polymerhauptkette wird in vier Reaktionen gebildet. Bei der ersten Reaktion reagiert ein Polydiol mit einem Methylendiisocyanat, um ein NCO-terminiertes Prepolymer zu bilden. Bei der zweiten Reaktion reagiert eine α,β-ungesättigte Carbonyl-Funktionalität mit dem NCO-terminierten Prepolymer, um die Polymerhauptkette zu bilden. Bei der dritten Reaktion reagiert die Polymerhauptkette mit einer hydrophilen Spacer-Gruppe mit zumindest einer reaktiven Funktionalität an ihrem ersten und zweiten Ende. Bei der vierten Reaktion reagiert ein bio-aktives Mittel mit einem nicht abreagierten Ende des hydrophilen Spacers in der Gegenwart eines optionalen Katalysators, um das bio-aktive Mittel über den hydrophilen Spacer kovalent an die Polymerhauptkette zu binden.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG:
Während unter dieser Erfindung Ausführungsbeispiele in vielen verschiedenen Formen fallen, werden hier detailliert bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Es sollte dabei beachtet werden, daß die vorliegende Beschreibung zur Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung aufzufassen ist und die Erfindung nicht auf die gezeigten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt sein soll. Der Schutzbereich der Erfindung wird durch die beigefügten Ansprüche und ihre Äquivalente bestimmt.
Erfindungsgemäß werden neue bio-aktive Beschichtungen bereitgestellt. Insbesondere werden neue Zusammensetzungen und Verfahren für die Synthese von mit Heparin derivatisierten Polyurethanen zur Verfügung gestellt.
Die hier beschriebenen bio-aktiven Beschichtungen und das hier beschriebene Verfahren sind besonders vorteilhaft gegenüber zuvor beschriebenen Polymerbeschichtungen, insbesondere gegenüber dem weiter oben beschriebenen Park-Verfahren, da die α,β-ungesättigte Carbonyl-Funktionalität der Polymerhauptketten der vorliegenden Beschichtungen besser steuer- und reproduzierbare bio-aktive Beschichtungen zur Verfügung stellt. Darüber hinaus können die Eigenschaften der erfindungsgemäßen bio-aktiven Beschichtungen, wie beispielsweise Biostabilität, Hydrophilie etc., einfach variiert werden. Ferner steigert bei den vorliegenden bioaktiven Beschichtungen die Verwendung einer α,β-ungesättigten Carbonyl-Funktionalität im Vergleich zu zuvor beschriebenen Verfahren die Reaktionseffizienzen und vermindert die Reaktionszeiten. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung einer α,β-ungesättigten Carbonyl-Funktionalität in der Hauptkette der vorliegenden Beschichtungen, daß diese Reaktionen bei geringeren Temperaturen durchgeführt werden können. Wichtig ist, daß die α,β-ungesättigte Carbonyl-Funktionalität der vorliegenden Hauptketten die Anzahl gebildeter Vernetzungsstellen vermindert und höhere Polymerausbeuten als zuvor beschriebene Verfahren liefert. Darüber hinaus sind diese biokompatiblen Polyurethanhauptketten mit α,β-ungesättigter Carbonyl-Funktionalität kommerziell nicht erhältlich und werden hier zum ersten Mal in Verbindung mit den vorliegenden Beschichtungen beschrieben.
Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine bio-aktive Beschichtungszusammensetzung mit einer Polymerhauptkette mit α,β-ungesättigter Carbonyl-Funktionalität bereitgestellt. Diese Beschichtungszusammensetzung umfaßt vier Reaktionen. Die erste Reaktion umfaßt ein Reagieren eines Polydiols wie beispielsweise Polycarbonat(PC)-Diol mit einer Diisocyanat-Funktionalität (II). Obwohl das bevorzugte Polycarbonatdiol (I) beschrieben ist, kann jedes Polydiol verwendet werden, das mit der Diisocyanat-Funktiona lität zur Bildung eines NCO-terminierten Prepolymers reagieren kann. Andere Polydiole umfassen beispielsweise Polyetherdiol und Polyesterdiol. Somit zeigt RM #1, wie es unten angedeutet ist, die Synthese von Prepolymer (III) aus einem Polycarbonatdiol und einem Methylendiisocyanat.
Reaktionsmechanismus (RM) #1
wobei Φ eine aromatische Verbindung mit beispielsweise sechs Kohlenstoffatomen ist. Wie es oben in RM #1 beschrieben ist, ist die Diisocyanat-Funktionalität Methylendiisocyanant, es kann jedoch jedes Diisocyanat verwendet werden, das mit Polydiol (I) reagieren kann und das Prepolymer (III) bildet.
Gemäß RM #1 reagiert das resultierende NCO-terminierte Prepolymer (III) anschließend mit einer α,β-ungesättigten Carbonyl-Funktionalität wie beispielsweise Verbindung (IV), wie es unten in RM #2 beschrieben ist:
RM #2
Zusammensetzung (IV) kann jede α,β-ungesättigte Carbonyl-Funktionalität sein, die mit dem Prepolymer (III) reagieren kann und ein Zwischenprodukt (V) bildet.
Das Zwischenprodukt V wird anschließend auf eine Temperatur erhitzt, die zum Austreiben von CO₂ aus der Polymerhauptkette geeignet ist, wie es weiter unten in RM #3 gezeigt ist. Diese Temperatur liegt unterhalb von 100°C und vorzugsweise bei 60°C.
RM #3
Die erfindungsgemäße bio-kompatible Polymerhauptkette (VI) kann eine beliebige Polymerhauptkette sein, die in der Lage ist, die hier beschriebenen Reaktionen einzugehen. Bevorzugte Polymerhauptketten sind Polyurethane einschließlich beispielsweise Polycarbonaturethanharnstoffe, Polyetheru rethanharnstoffe und Polyesterurethanharnstoffe. Die Art von Hauptkette wird selbstverständlich in Abhängigkeit von sowohl der Anwendung, gewünschten Eigenschaften des Endproduktes als auch den zum Synthetisieren der Hauptkette verwendeten Ausgangsmaterialien variieren.
Die Polymerhauptkette (VI) reagiert anschließend mit einer hydrophilen Spacergruppe R¹ wie beispielsweise Polyethylenoxid (PEO) mit zumindest einer reaktiven Funktionalität an ihrem ersten und zweiten Ende, wie es weiter unten in RM #4 angegeben ist:
RM #4
Die in der bio-kompatiblen Polymerhauptkette enthaltene α,β-ungesättigte Carbonyl-Funktionalität wird so ausgewählt, daß sie an Reaktionen vom Typ der Michael-Addition zum Binden des Spacers an die bio-kompatible Hauptketten teilhaben kann. Somit umfassen die enthaltenen Carbonyl-Funktionalitäten der vorliegenden Polymerhauptketten solche α,β-ungesättigten Carbonyl-Funktionalitäten, die mit dem Spacer reagieren können und den Spacer über das β-Kohlenstoff der Carbonyl-Funktionalität an die Hauptkette binden können. Ein Beispiel einer derartigen Carbonyl-Funktionalität ist HOOC-CH=CH-COOH.
Die oben gezeigte Reaktion, das heißt RM #4, kann in der Gegenwart einer wasserstoffliefernden Verbindung stattfinden. Vorzugsweise ist diese wasserstoffliefernde Verbindung eine Säure. Insbesondere ist diese Säure beispielsweise Methanol oder verdünnte Fumarsäure.
Obwohl die bevorzugte hydrophile Spacergruppe, das heißt ein aminterminierter Polyethylenoxid(PEO)-Spacer, beschrieben ist, kann jeder Spacer verwendet werden, der sowohl mit dem β-Kohlenstoff der α,β-ungesättigten Carbonyl-Funktionalität in der Polymerhauptkette als auch einem bio-aktiven Mittel reagieren kann, wie es weiter unten in RM #5 beschrieben ist: RM #5
wobei R¹ eine Spacergruppe und R² ein bio-aktives Mittel ist.
Bei der oben beschriebenen RM #5 wird ein bio-aktives Mittel wie beispielsweise Heparin in der Gegenwart eines optionalen Katalysators/Dehydrationsmittels wie beispielsweise 1-(3-Dimethylaminopropyl)-3-Ethylcarbodiimid-Hydrochlorid kovalent (EDC) an das Zwischenprodukt (VIII) gebunden. In nicht wässrigen organischen Lösungsmittel können viele Carbodiimide wie beispielsweise Dicyclohexylcarbodiimid verwendet werden. Alternativ kann das Zwischenprodukt VIII mit einem Aldehyd-termindierten Heparin wie beispielsweise einem mit salpetriger Säure zersetzten Heparinmolekül reagieren.
Das Produkt (IX) gemäß der oben gezeigten RM #5 ist gekennzeichnet durch die chemische Verknüpfung, das heißt -NH-, sowohl zwischen dem Spacer und dem bio-aktiven Molekül wie beispielsweise Heparin als auch zwischen der Polymerhauptkette und dem Spacer. Diese Zusammensetzung und ihr Syntheseverfahren werden hier als "erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel I" bezeichnet.
Das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel I verbessert zuvor beschriebene bio-aktive Beschichtungszusammensetzungen und Verfahren zu deren Herstellung signifikant, wie beispielsweise das weiter oben beschriebene Park-Verfahren. Insbesondere liefert das erfindungsgemäße Verfahren eine ungefähr 100%ige Steigerung der Polymerausbeute, während es die Menge von Polymervernetzungen, das heißt unerwünschten Nebenreaktionen und Querreaktionen, signifikant vermindert, ohne die Bio-Aktivität des Heparin zu opfern.
Das erfindungsgemäße bio-aktive Mittel ist über eine Spacergruppe an die Polymerhauptkette gebunden. Die Spacergruppe kann Polyoxiolefine (beispielsweise Polyethylenoxid), aliphatische Polyester, Polyaminosäuren, Polyamine, hydrophile Polysiloxane, hydrophile Polysilazane, hydrophile Acrylate, hydrophile Methacrylate und lineare oder leicht verzweigte Polysaccharide umfassen. Die Spacergruppe soll hydrophil wirken, um den Vorteil der natürlichen Abstoßungskräfte des hydrophoben Polymersubstrats zu nutzen. Die Spacergruppe soll reaktive funktionelle Gruppen an jedem Ende aufweisen, die mit der bio-kompatiblen Polymerhauptkette bzw. dem bio-aktiven Mittel reagieren können oder an diesen binden können. Vorzugsweise ist die reaktive funktionelle Gruppe an jedem Ende des Spacers beispielsweise eine Amingruppe. Wie weiter oben gesagt, ist ein an den Enden mit Aminogruppen blockiertes Polyethylenoxid ein bevorzugtes Beispiel.
Darüber hinaus werden hydrophile Polyethylenoxid-Spacer bevorzugt, da sie eine geringe freie Grenzflächenenergie aufweisen, es ihnen an Bindungsstellen mangelt und sie eine hohe dynamische Beweglichkeit aufweisen. Diese Charakteristika sind wichtig, da sie die Aktivität eines PEO-verknüpften bio-aktiven Mittels wie beispielsweise Heparin erhöhen. Siehe K. D. Park et al., oben.
Wie es zuvor beschrieben wurde, kann die Länge der Spacergruppe verwendet werden, um die Aktivität des bioaktiven Mittels zu steuern. Es ist bekannt, daß die antithrombogene Aktivität von Heparin zunimmt, wenn es in einer bestimmen Entfernung zu dem Substrat, an dem es gebunden ist, angeordnet wird. Beispielsweise wies bei einem Vergleich von polymeren Substrat-Spacer-Heparin-Beschichtungen mit einem C₆-Alkyl-Spacer, PEO 200, PEO 1000 und PEO 4000 die Polymer-PEO-4000-Heparin-Oberfläche die höchste Bio-Aktivität auf. Siehe K. D. Park et al., oben. Somit sind Verfahren zum Steuern der Aktivität eines Polymer-gebundenen bio-aktiven Mittels im Stand der Technik verfügbar. Unter Verwendung dieser Verfahren kann man die optimale Länge für den Spacer bestimmen. Demgemäß bedeutet "wirksamer Abstand", wie es hier verwendet wird, der Abstand zwischen dem gebundenen bio-aktiven Mittel und der Polymerhauptkette, der einem gewünschten Grad von Aktivität bei dem bio-aktiven Mittel entspricht.
Somit wird bei der vorliegenden Erfindung die Steuerung der Aktivität des bio-aktiven Mittels durch Variierung der Länge, das heißt des Molekulargewichts, der Spacergruppe bei dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel I erzielt. Die Spacergruppe kann ein Molekulargewicht von ungefähr 100 bis ungefähr 200.000 Dalton haben. Vorzugsweise weist die Spacergruppe ein Molekulargewicht von ungefähr 200 bis ungefähr 50.000 Dalton auf. Insbesondere hat die Spacergruppe ein Molekulargewicht von ungefähr 1.000 bis ungefähr 4.000 Dalton. Darüber hinaus kann die Menge des eingebauten bioaktiven Mittels auch durch die Menge der in die Polymerhauptkette eingebauten α,β-ungesättigten Carbonylgruppen gesteuert werden.
Erfindungsgemäß wird eine signifikante Verminderung der Thrombus-Bildung und/oder von Infektionen im Zusammenhang mit der Verwendung von bio-kompatiblen Polymerhauptketten durch Bindung eines antithrombogenen und/oder antiinfektiösen Mittels in einer Beschichtung erzielt, die auf eine Oberfläche bzw. Oberflächen beispielsweise eines medizinischen Geräts mit Kontakt zum Transplantatempfänger aufgebracht wird. Eine Vielzahl bekannter antiinfektiöser Mittel können verwendet werden, einschließlich Antibiotika wie beispielsweise Penicillin, und antibakterielle Mittel wie beispielsweise Silbersulfadiazin. In ähnlicher Weise können eine Vielzahl von bekannten antithrombogenen Mitteln verwendet werden, einschliefllich Heparin, Hirudin, Prostaglandin, Urokinase, Streptokinase, sulfonierte Polysaccharide und Albumin. In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, entweder eine doppelte antiinfektiöse oder antithrombogene Wirkung mit zwei oder mehr Mitteln zur Verfügung zu stellen. Darüber hinaus kann es wünschenswert sein, eine antiinfektiöse und eine antithrombogene Wirkung durch Kombination von zwei oder mehr dieser unterschiedlichen Mittel zu kombinieren. Die Erfindung wird im Hinblick auf das bevorzugte Heparin, einem bekannten antithrombogenen Mittel mit bekannter Verträglichkeit und hoher Anti-Koagulationsaktivität beschrieben, wobei klar sein sollte, daß die Erfindung alle antithrombogenen und/oder antiinfektiösen Mittel umfaßt, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auf das Polymersubstrat aufgepfropft werden können.
Wie es weiter oben beschrieben ist, sind die erfindungsgemäßen bio-aktiven Beschichtungen dafür ausgelegt, auf der Oberfläche von Substraten wie beispielsweise eines medizinischen Geräts mit Transplantatempfängerkontakt aufgebracht zu werden. Ein medizinisches Gerät nach der vorliegenden Erfindung kann ein beliebiges, mit einem der vorliegenden bioaktiven Beschichtungen kompatibles Polymersubstrat sein, das ohne die Beschichtung zur Thrombus-Bildung und/oder zu Infektionen führen kann, wenn es in Kontakt mit Körpergewebe oder Körperfluid kommt. Das Polymersubstrat ist vorzugsweise aus hydrophoben, inerten Polymermaterial einschließlich beispielsweise Polytetrafluorethylen (ePTFE) und Polyethylenterephthalat (PET) hergestellt. Nicht als Beschränkung zu betrachtende Beispiele für derartige medizinische Geräte sind Gefäßzugangskatheter (arteriell und venös), Introducer, Gefäßtransplantate, Endoprothesen, Stents, Stent/Transplantat-Kombinationen, Urinkatheter und zugehörige Substrate wie beispielsweise Drainagebeutel und -anschlüsse und alle Bauchhöhlendrainageschläuche, -beutel und -anschlüsse. Bevorzugte medizinische Geräte sind beispielsweise ePTFE-Gefäßtransplantate. In dieser Erfindung soll der Begriff "Gefäßtransplantate" Endoprothesen umfassen.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wurde eine bio-aktive Beschichtung in einer zweistufigen Reaktion hergestellt, die im wesentlichen identisch mit in RM #4 und RM #5 beschriebenen Reaktionen ist. Die erste Reaktion umfaßt ein Reagieren einer bio-kompatiblen Polymerhauptkette mit einer α,β-ungesättigten Carbonyl-Funktionalität (VI) mit einem hydrophilen Spacer mit zumindest einer reaktiven funktionellen Gruppe an seinem ersten und zweiten Ende (VII), wie es in RM #4 gezeigt ist. Bei dieser Reaktion reagiert eine der reaktiven funktionellen Gruppen des Spacers mit einem β-Kohlenstoff der Carbonyl-Funktionalität, um den Spacer an die Polymerhauptkette zu binden.
Die zweite Reaktion umfaßt, wie es in RM #5 gezeigt ist, ein Reagieren eines zuvor beschriebenen bio-aktiven Mittels mit einer verbleibenden, nicht abreagierten funktionellen Gruppe des Spacers in der Gegenwart eines optionalen Katalysators, um das bio-aktive Mittel kovalent an den Spacer zu binden.
Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird eine Beschichtungszusammensetzung bereitgestellt, die durch eine bio-kompatible Polymerhauptkette mit einer Carbonyl-Funktionalität und zumindest ein, an ein β-Kohlenstoff der Carbonyl-Funktionalität gebundenes Seitenteil definiert ist. Dieses Seitenteil ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: NH-R¹-NH-R² wobei R¹ und R² ein Spacer bzw. ein bio-aktives Mittel sind, wie sie weiter oben definiert sind.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer bio-aktiven Polymerbeschichtung beschrieben, bei dem eine bio-aktive Gruppe über eine hydrophile Spacergruppe kovalent an eine Polymerhauptkette gebunden wird. Insbesondere umfaßt dieses Verfahren ein Bereitstellen einer Polymerhauptkette mit einer α,β-ungesättigten Carbonyl-Funktionalität darin, wie es zuvor beschrieben wurde. Diese Polymerhauptkette kann jede Hauptkette sein, die an diesen Reaktionen teilhaben kann. Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Hauptkette hydrophob, was eine abstoßende Kraft gegenüber dem hydrophilen Spacer erzeugt, die, wie es zuvor angemerkt wurde, beim Anbinden des Spacers entfernt von der Hauptkette hilft, um die Verfügbarkeit des bio-aktiven Mittels zu erhöhen. Ein β-Kohlenstoff der Carbonyl-Funktionalität reagiert anschließend wie oben beschrieben mit einem hydrophilen Spacer, wobei der Spacer zumindest eine reaktive funktionelle Gruppe an seinem ersten und zweiten Ende aufweist. Nach Beendigung dieser Reaktion ist der Spacer als eine Seitengruppe entfernt von der Hauptkette gebunden. Diese Seitenspacergruppe reagiert anschließend wie oben beschrieben mit einem bio-aktiven Mittel, um das bio-aktive Mittel kovalent an die Seitengruppe zu binden.
Bei der vorliegenden Erfindung kann optional ein die oben beschriebene Reaktion beschleunigender Katalysator verwendet werden. Ein bevorzugter Katalysator ist 1-(3-Dimethylaminopropyl)-3-Ethylcarbodiimid-Hydrochlorid, obschon auch andere denkbar sind.
Bei noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Polymer-gebundene bio-aktive Zusammensetzung mit der folgenden Struktur bereitgestellt:
wobei P eine bio-kompatible Polymerhauptkette, R¹ ein hydrophiler Spacer und R² ein bio-aktives Mittel ist, wie sie zuvor beschrieben wurden.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfaßt eine bio-aktive Beschichtungszusammensetzung eine Polymerhauptkette mit einer α,β-ungesättigten Carbonyl-Funktionalität, die mit einem hydrophilen Spacer mit zumindest einer reaktiven funktionellen Gruppe an seinem ersten und zweiten Ende und einem bio-aktiven Mittel, das kovalent mit einer der reaktiven funktionellen Gruppen des Spacers reagieren kann, umgesetzt ist. Wie es hier verwendet wird, bedeutet "kovalent reagieren kann mit", daß das bio aktive Mittel eine kovalente Bindung mit einem nicht reagierten Ende des Spacers bilden kann.
BEISPIEL 1
Synthese einer α,β-ungesättigten Polyurethanpolymerhauptkette
Eine 20%ige Polycarbonatdiol-Lösung (PC-diol, Molekulargewicht 890) wurde durch Hinzufügen von 17,8 g PC-diol zu N,N-Dimethylacetamid (DMAC) hergestellt. Eine 20%ige Methylendiisocyanat-Lösung (MDI) wurde durch Hinzufügen von 7,50 g MDI zu DMAC hergestellt. Eine 5%ige Fumarsäure-Lösung (FA) wurde durch Hinzufügen von 1,16 g FA zu DMAC hergestellt. Die MDI-Lösung wurde in ein Reaktionsgefäß überführt und bei 60°C gehalten. Die PC-Diol-Lösung wurde über einen Zeitraum von 15 Minuten in das Gefäß gegeben und die Reaktion wurde fortgeführt, bis der gewünschte NCO-Gehalt erreicht war (0,134 μm NCO/g Lösung). Zu dieser Zeit wurde die Fumarsäurelösung mit 0,038 g Dibutylzinndiluarat-Katalysator über einen Zeitraum von 15 Minuten in das Gefäß gegeben. Diese Reaktionsmischung wurde für eine Stunde bei 60°C gehalten. Die Temperatur wurde anschließend 4 Stunden auf 70°C erhöht. Wenn die Reaktionsmischung viskos wird, können 166 g DMAC hinzugefügt werden. Die Reaktionsmischung wurde für weitere 2 Stunden bei 70°C gehalten. Die Heizung wurde dann abgeschaltet und die Reaktionsmischung wurde ungefähr 14 Stunden bei Raumtemperatur gerührt. Die Reaktion wurde anschließend beendet, indem über einen Zeitraum von einer Stunde ein Abbruchmittel wie beispielsweise 5 mM Dibutylamin (DBA) (0,65 g in 5,0 g DMAC) unter Rühren zugegeben wird. Andere Abbruchmittel wie beispielsweise Alkohole können ebenfalls verwendet werden.
Die Polymerzusammensetzung (hiernach Zusammensetzung A) wurde aus der Lösung ausgefällt, indem sie tropfenweise zu 2,5 l Umkehrosmosewasser (RO) hinzugegeben wurde. Der Niederschlag wurde 3 Stunden in 2,5 l RO-Wasser gerührt. Das RO-Wasser wurde dekantiert und die abgelagerte Polymerzusammensetzung wurde in kleine Teile geschnitten und ungefähr 14 Stunden in 1,5 l RO-Wasser gerührt. Das RO-Wasser wurde dekantiert und 1,5 l frisches RO-Wasser wurden hinzugefügt und es wurde ungefähr 14 Stunden gerührt. Das RO-Wasser wurde dekantiert und 1,0 l frisches RO-Wasser wurden hinzugefügt und es wurde 2 Stunden gerührt. Diese Prozedur wurde insgesamt drei mal wiederholt. Das RO-Wasser wurde ein letztes Mal dekantiert und die Zusammensetzung A wurde für ungefähr 60 Stunden luftgetrocknet. Die Zusammensetzung A wurde anschließend ungefähr 7 Stunden unter Vakuum bei ungefähr 35-40°C getrocknet. Es wurden ungefähr 19,5 g (Trockengewicht) von Zusammensetzung A erhalten.
BEISPIEL 2
Synthese von α,β-ungesättigtem Polyurethangebundenen Amin-terminierten PEO
Es wurde eine 5%ige Lösung von Zusammensetzung A gemäß Beispiel 1 hergestellt, indem 3,75 g von Zusammensetzung A zu 75,0 g DMAC gegeben wurden. Eine Lösung eines zuvor beschriebenen aminterminierten Polyethylenoxids (PEO) (Jeffamine ED2001, Molekulargewicht = 2.000) wurde hergestellt, indem 30 gm aminterminiertes PEO zu 270 g DMAC gegeben wurden.
Die Zusammensetzung A und das aminterminierte PEO wurden in einem Ölbad bei ungefähr 65°C unter Rühren in einem Erlenmeyerkolben gemischt. Fünfundzwanzig (25) ml wasserfreies Methanol wurden über einen Zeitraum von 3–4 Minuten langsam zu der Mischung hinzugegeben. Der Kolben wurde verschlossen, unter einem Stickstoffschutz gehalten und bei 65°C 42 Stunden gerührt.
Die Lösung wurde mit einem Rotationsverdampfer auf 83 gm eingeengt. Die eingeengte Lösung wurde dann in Ether gegeben, was einen Ausfall eines braunen Materials aus der Lösung bewirkte. Der Niederschlag wurde dann wieder in Lösung gebracht, indem RO-Wasser zugegeben wurde. Diese Lösung wurde in einen 500 ml Erlenmeyerkolben gegeben und zur Trockenheit eingeengt.
250 ml Isopropylalkohol (IPA) wurden in den Erlenmeyerkolben gegeben und es wurde ungefähr 30 Minuten bei Raumtemperatur gerührt. Anschließend wurde eine gummiartige, zähe, am Kolben klebende Polymerzusammensetzung beobachtet, während die IPA-Schicht klar blieb. Die IPA-Schicht wurde dekantiert und es wurden 150 ml frisches IPA in den das Polymer enthaltenden Kolben gegeben, der anschließend ungefähr 30 Minuten gerührt wurde. Die IPA-Schicht wurde abdekantiert und es wurden 100 ml frisches IPA in den das Polymer enthaltenden Kolben gegeben und es wurde ungefähr 30 Minuten gerührt. Die IPA-Schicht wurde abdekantiert und durch 150 ml RO-Wasser ersetzt. Der das Polymer enthaltende Kolben wurde 1 Stunde bei Raumtemperatur gerührt. Das Polymer wurde gefiltert, mit zusätzlichen 100 ml RO-Wasser gewaschen und im Vakuumofen bei ungefähr 35–40°C getrocknet. Es wurden ungefähr 3,5 g eines braunen gummiartigen Polymers (hiernach Zusammensetzung B) erhalten.
BEISPIEL 3
Synthese von α,β-ungesättigtem Polyurethan-Polyethylenoxid-Heparin
Ungefähr 1,5 g von Zusammensetzung B, hergestellt wie in Beispiel 2 beschrieben, wurden in 28,5 g DMAC und 1,0 g RO-Wasser gelöst. Des weiteren wurde eine Heparin-Lösung hergestellt, indem 0,6 Na-Heparin (Sigma) in 6,0 g RO-Wasser gelöst wurden und anschließend 193,4 g wasserfreies DMAC hinzugefügt wurden. Die die Zusammensetzung B enthaltende Lösung wurde mit der Heparin-Lösung bei einem pH-Wert von 9,54 zusammengegeben. Der pH-Wert der Mischung wurde durch tropfenweise Zugabe von 1 N HCl auf einen pH-Wert von 4,7 eingestellt. Eine 3%ige (Gewichtsprozent) EDC-Lösung mit 0,096 g EDC, 3,0 g DMAC und 0,1 g RO-Wasser wurde über einen Zeitraum von 2,5 Stunden ungefähr alle 30 Minuten in 6 Raten der Zusammensetzung B-Heparin-Mischung hinzugefügt. Nach der ersten halben Stunde wurde der pH-Wert der Mischung durch tropfenweises Hinzufügen von 1 N NaOH auf 7,62 erhöht. Nachdem die EDC-Lösung vollständig zu der Zusammensetzung B-Heparin-Mischung gegeben wurde, wurde ungefähr 14 Stunden bei Raumtemperatur gerührt.
Die Mischung wurde anschließend mit einem Rotationsverdampfer auf 48,0 gm eingeengt und in 500 ml Ether ausgefällt. Der Ether wurde dekantiert und 500 ml RO-Wasser wurden hinzugefügt. Das Polymer wurde gefiltert und die Wasserschicht wurde zentrifugiert. Die Polymerkügelchen wurden mit Wasser gewaschen und anschließend mit dem filtrierten Polymermaterial kombiniert. Das gesamte Polymermaterial wurde auf eine Teflonplatte überführt und unter Vakuum bei ungefähr 35–40°C getrocknet. Ungefähr 1,17 g des Heparin-gebundenen Polymers wurden erhalten (hiernach Zusammensetzung C).

Claims

Eine bio-aktive Beschichtung, aufweisend das Reaktionsprodukt aus: a) einer ersten Reaktion, die eine Reaktion einer biokompatiblen Polymerhauptkette mit einer α,β-ungesättigten Carbonyl-Funktionalität mit einem hydrophilen Spacer mit zumindest einer reaktiven funktionellen Gruppe an seinem ersten und zweiten Ende umfaßt, wobei eine der reaktiven funktionellen Gruppen mit einem β-Kohlenstoff der ungesättigten Carbonyl-Funktionalität reagiert, um den Spacer an die Polymerhauptkette zu binden; und b) einer zweiten Reaktion, die eine Reaktion eines bioaktiven Mittels mit einer verbleibenden, nicht abreagierten reaktiven funktionellen Gruppe des Spacers umfaßt, um das bio-aktive Mittel kovalent an den Spacer zu binden.
Die bio-aktive Beschichtung nach Anspruch 1, wobei die Polymerhauptkette ein aus der aus Polyesterurethanharnstoffen, Polyetherurethanharnstoffen, Polycarbonaturethanharnstoffen und Mischungen daraus bestehenden Gruppe ausgewähltes Polyurethan ist.
Die bio-aktive Beschichtung nach Anspruch 1, wobei der hydrophile Spacer aus der aus aliphatischen Kohlenwasserstoffen, hydrophilen Polyoxyolefin-Polyethern, hydrophilen Polyethylenen, modifizierten Polyolefinen, aliphatischen Polyestern, Polyaminen, Polysiloxanen, Polysilazanen, hydrophilen Acrylaten, hydrophilen Methacrylaten, Polyaminosäuren und linearen Polysacchariden bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Die bio-aktive Beschichtung nach Anspruch 1, wobei der hydrophile Spacer ein amino-terminiertes Polyethylenoxid ist.
Die bio-aktive Beschichtung nach Anspruch 1, wobei die reaktive funktionelle Gruppe des Spacers aus der aus Amino, Carboxyl, Isocyanat, Hydroxyl und deren Mischungen bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Die bio-aktive Beschichtung nach Anspruch 4, wobei das amino-terminierte Polyethylenoxid ein Molekulargewicht von ungefähr 100 Dalton bis ungefähr 200.000 Dalton aufweist.
Die bio-aktive Beschichtung nach Anspruch 4, wobei das amino-terminierte Polyethylenoxid ein Molekulargewicht von ungefähr 200 bis ungefähr 50.000 Dalton aufweist.
Die bio-aktive Beschichtung nach Anspruch 4, wobei das amino-terminierte Polyethylenoxid ein Molekulargewicht von ungefähr 1.000 bis ungefähr 4.000 Dalton aufweist.
Die bio-aktive Beschichtung nach Anspruch 1, wobei das Molekulargewicht des hydrophilen Spacers das bio-aktive Mittel bei einem bio-wirksamen Abstand von der Polymerhauptkette positioniert.
Die bio-aktive Beschichtung nach Anspruch 1, wobei das bio-aktive Mittel aus der aus antithrombogenen Mitteln, antibiotischen Mitteln, antiviralen Mitteln, deren pharmazeutischen Salzen und Mischungen daraus bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Die bio-aktive Beschichtung nach Anspruch 1, wobei das bio-aktive Mittel Heparin, ein aldehyd-terminiertes Heparin und deren pharmazeutische Salze ist/sind.
Die bio-aktive Beschichtung nach Anspruch 1, wobei die zweite Reaktion in Gegenwart eines Katalysators abläuft.
Die bio-aktive Beschichtung nach Anspruch 12, wobei der Katalysator 1-(3-Dimethylaminopropyl)-3-Ethylcarbodiimid-Hydrochlorid ist.
Die bio-aktive Beschichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Reaktion in Gegenwart einer Säure ausgeführt wird.
Eine Beschichtungszusammensetzung mit einer von einer bio-kompatiblen Polymerhauptkette mit einer α,β-ungesättigten Carbonyl-Funktionalität und zumindest einem Seitenteil, der an einen β-Kohlenstoff der ungesättigten Carbonyl-Funktionalität gebunden ist, definierten Polymerstruktur, wobei der Seitenteil aus der Gruppe bestehend aus: NH-R¹-NH-R² ausgewählt ist, wobei R¹ eine hydrophile Spacergruppe ist, die aus der aus aliphatischen Kohlenwasserstoffen, hydrophilen Polyoxyolefin-Polyethern, hydrophilen Polyethylenen, modifizierten Polyolefinen, aliphatischen Polyestern, Polyaminen, Polysiloxanen, Polysilazanen, hydrophilen Acrylaten, hydrophilen Methacrylaten, Polyaminosäuren und linearen Polysacchariden bestehenden Gruppe ausgewählt ist; und R² ein bio-aktives Mittel ist, das aus der aus antithrombogenen Mitteln, Antibiotika, antibakteriellen Mitteln, antiviralen Mitteln, ihren pharmazeutischen Salzen und Mischungen daraus bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Eine Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 15, wobei die hydrophile Spacergruppe ein amino-terminiertes Polyethylenoxid aufweist.
Eine Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 16, wobei das amino-terminierte Polyethylenoxid ein Molekulargewicht von ungefähr 100 Dalton bis ungefähr 200.000 Dalton aufweist.
Eine Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 16, wobei das amino-terminierte Polyethylenoxid ein Molekulargewicht von ungefähr 200 bis ungefähr 50.000 Dalton aufweist.
Eine Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 16, wobei das amino-terminierte Polyethylenoxid ein Molekulargewicht von ungefähr 1.000 bis ungefähr 4.000 Dalton aufweist.
Eine Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 15, wobei das Molekulargewicht des Spacers das bio-aktive Mittel bei einem bio-wirksamen Abstand von der Polymerhauptkette positioniert.
Eine Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 15, wobei das antithrombogene Mittel Heparin, ein aldehyd-terminiertes Heparin und deren pharmazeutische Salze ist/sind.
Eine Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 15, wobei die Polymerhauptkette ein Polyurethan ist, das aus der aus Polyetherurethanharnstoffen, Polyesterurethanharnstoffen, Polycarbonaturethanharnstoffen und Mischungen daraus bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Ein Verfahren zum Herstellen einer bio-aktiven Polymerbeschichtung mit einer bio-aktiven Gruppe, die über eine hydrophile Spacergruppe kovalent an eine Polymerhauptkette gebunden ist, umfassend: a) Bereitstellen einer Polymerhauptkette mit einer α,β-ungesättigten Carbonyl-Funktionalität; b) Reagieren eines β-Kohlenstoffs der ungesättigten Carbonyl-Funktionalität mit dem hydrophilen Spacer, der zumindest eine reaktive funktionelle Gruppe an seinem ersten und zweiten Ende aufweist, um den hydrophilen Spacer als eine Seitengruppe der Hauptkette anzufügen; und d) Weiter-Reagieren der Seitengruppe mit einem bioaktiven Mittel, um das bio-aktive Mittel kovalent an die Seitengruppe zu binden.
Das Verfahren nach Anspruch 23, wobei der hydrophile Spacer aus der aus aliphatischen Kohlenwasserstoffen, hydrophilen Polyoxyolefin-Polyethern, hydrophilen Polyethylenen, modifizierten Polyolefinen, aliphatischen Polyestern, Polyaminen, Polysiloxanen, Polysilazanen, hydrophilen Acrylaten, hydrophilen Methacrylaten, Polyaminosäuren und linearen Polysacchariden bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Das Verfahren nach Anspruch 23, wobei der hydrophile Spacer ein amino-terminiertes Polyethylenoxid ist.
Das Verfahren nach Anspruch 25, wobei das amino-terminierte Polyethylenoxid ein Molekulargewicht von ungefähr 100 Dalton bis ungefähr 200.000 Dalton aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 25, wobei das amino-terminierte Polyethylenoxid ein Molekulargewicht von ungefähr 200 bis ungefähr 50.000 Dalton aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 25, wobei das amino-terminierte Polyethylenoxid ein Molekulargewicht von ungefähr 1.000 bis ungefähr 4.000 Dalton aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 23, wobei das Molekulargewicht des hydrophilen Spacers das bio-aktive Mittel bei einem bio-wirksamen Abstand von der Polymerhauptkette positioniert.
Das Verfahren nach Anspruch 23, wobei das bio-aktive Mittel aus der aus antithrombogenen Mitteln, antibiotischen Mitteln, antibakteriellen Mittel, antiviralen Mitteln, ihren pharmazeutischen Salzen und Mischungen daraus bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Das Verfahren nach Anspruch 23, wobei das bio-aktive Mittel Heparin, ein aldehyd-terminiertes Heparin und deren pharmazeutische Salze ist/sind.
Das Verfahren nach Anspruch 23, wobei das Weiter-Reagieren in Gegenwart eines Katalysators abläuft.
Das Verfahren nach Anspruch 32, wobei der Katalysator 1-(3-Dimethylaminopropyl)-3-Ethylcarbodiimid-Hydrochlorid ist.
Das Verfahren nach Anspruch 23, wobei die Polymerhauptkette ein aus der aus Polyesterurethanharnstoffen, Polyetherurethanharnstoffen, Polycarbonaturethanharnstoffen und Mischungen daraus bestehenden Gruppe ausgewähltes Polyurethan ist.
Eine polymergebundene bio-aktive Zusammensetzung, dargestellt durch die Struktur:
wobei P eine bio-kompatible Polymerhauptkette mit einem von einer α,β-ungesättigten Carbonyl-Funktionalität abgeleiteten β-Carbonyl ist; R¹ eine hydrophile Spacergruppe mit zumindest einer reaktiven funktionellen Gruppe an ihrem ersten und zweiten Ende und ferner aus der aus aliphatischen Kohlenwasserstoffen, hydrophilen Polyoxyolefin-Polyethern, hydrophilen Polyethylenen, modifizierten Polyolefinen, aliphatischen Polyestern, Polyaminen, Polysiloxanen, Polysilazanen, hydrophilen Acrylaten, hydrophilen Methacrylaten, Polyaminosäuren und linearen Polysacchariden bestehenden Gruppe ausgewählt ist; und R² ein bio-aktives Mittel ist, das aus der aus antithrombogenen Mitteln, Antibiotika, antibakteriellen Mitteln, antiviralen Mitteln, ihren pharmazeutischen Salzen und Mischungen daraus bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Eine bio-aktive Beschichtung nach Anspruch 35, wobei die Polymerhauptkette ein aus der aus Polyetherurethanharnstoffen, Polyesterurethanharnstoffen, Polycarbonaturethanharnstoffen und Mischungen daraus bestehenden Gruppe ausgewähltes Polyurethan ist.
Die bio-aktive Beschichtung nach Anspruch 35, wobei die reaktive funktionelle Gruppe des Spacers aus der aus Amino, Carboxyl, Isocyanat, Hydroxyl und deren Mischungen bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Die bio-aktive Beschichtung nach Anspruch 35, wobei der Spacer ein amino-terminiertes Polyethylenoxid ist.
Die bio-aktive Beschichtung nach Anspruch 38, wobei das amino-terminierte Polyethylenoxid ein Molekulargewicht von ungefähr 100 Dalton bis ungefähr 200.000 Dalton aufweist.
Die bio-aktive Beschichtung nach Anspruch 38, wobei das amino-terminierte Polyethylenoxid ein Molekulargewicht von ungefähr 200 bis ungefähr 50.000 Dalton aufweist.
Die bio-aktive Beschichtung nach Anspruch 38, wobei das amino-terminierte Polyethylenoxid ein Molekulargewicht von ungefähr 1.000 bis ungefähr 4.000 Dalton aufweist.
Die bio-aktive Beschichtung nach Anspruch 35, wobei das Molekulargewicht des Spacers das bio-aktive Mittel bei einem bio-wirksamen Abstand von der Polymerhauptkette einstellt.
Die bio-aktive Beschichtung nach Anspruch 35, wobei das bio-aktive Mittel Heparin, ein aldehyd-terminiertes Heparin und deren pharmazeutische Salze ist/sind.
Eine bio-aktive Beschichtungszusammensetzung mit einer Polymerhauptkette mit einer Seitengruppe, die an einen β-Kohlenstoff einer α,β-ungesättigten Carbonyl-Funktionali tät gebunden ist, wobei die Zusammensetzung durch das Verfahren hergestellt wird: a) Reagieren eines Polydiols mit Methylendiisocyanat zum Bilden eines NCO-terminierten Prepolymers; b) Reagieren einer Verbindung mit einer α,β-ungesättigten Carbonyl-Funktionalität mit dem NCO-terminierten Prepolymer zum Bilden der Polymerhauptkette; c) Reagieren der Polymerhauptkette mit einer hydrophilen Spacergruppe mit zumindest einer reaktiven Funktionalität an ihrem ersten und zweiten Ende; und d) Reagieren eines bio-aktiven Mittels mit einem nicht abreagierten Ende des hydrophilen Spacers, um das bio-aktive Mittel über den hydrophilen Spacer kovalent an die Polymerhauptkette zu binden.