МИКРОЧАСТИЦЫ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕСЯ МНОГОМОДАЛЬНЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ ПОР
MICROPARTICLES, CHARACTERIZED BY MULTIMODAL PORE DISTRIBUTION

Родственная заявка
НАСТОЯЩАЯ ЗАЯВКА ИСПРАШИВАЕТ ПРИОРИТЕТ СОГЛАСНО ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ЗАЯВКЕ НА ПАТЕНТ США С РЕГИСТРАЦИОННЫМ НОМЕРОМ 61/863947, ПОДАННОЙ 9 АВГУСТА 2013 Г., КОТОРАЯ ПОЛНОСТЬЮ ВКЛЮЧЕНА В ДАННЫЙ ДОКУМЕНТ ПОСРЕДСТВОМ ССЫЛКИ НА НЕЕ.
Предпосылки создания изобретения
Liu
Levene, et al.
Пористые микрочастицы используют во многих случаях применения для широкого ряда предназначений. Например, микрочастицы часто применяют для доставки активных средств, таких как смягчающие средства, ароматизирующие средства, солнцезащитные средства, средства, отпугивающие насекомых, противомикробные средства, противовоспалительные средства, лекарственные соединения и т.д. Микрочастицы можно аналогично применять в качестве каркаса или основы для обеспечения клеточного роста и регенерации ткани. Независимо от конкретного применения, были предприняты различные попытки создания многомодального распределения пор в таких частицах для улучшения их функциональности. Например, в публикации патента США № 2011/0212179, выданном , описывают применение многомодальных пористых микрочастиц в качестве каркасных структур. Микрочастицы содержат более крупные поры, имеющие размер от приблизительно 50 до 500 микрон, и более мелкие поры, имеющие размер менее 20 микрон. Аналогичная структура описана в патенте США № 6377198, выданном , в котором описывают пористый каркас, имеющий, главным образом, непрерывную полимерную фазу с высоко взаимосвязанным многомодальным распределением крупных и мелких пор круглой формы с диапазонами размеров, упомянутыми выше. Более крупные поры, как утверждается, обеспечивают достаточное открытое пространство для образования функциональной ткани в пределах каркаса, при этом более мелкие поры, как утверждается, образуют каналы между более крупными порами для улучшения контакта от клетки к клетке, проникновения питательных веществ и кислорода к клеткам, удаления метаболических отходов от клеток и поверхностного структурирования для способствования направленному росту клеток.
Liu
К сожалению, одна из проблем, свойственных таким пористым микрочастицам, заключается в том, что они образуются посредством весьма сложных и неэффективных технологических стадий. Например, микрочастицы по  образуются посредством способа, который включает образование однородного раствора базового полимера в смеси растворителей (например, 1,4-диоксана и воды), добавление макропористого буферного материала (например, NaCl) в раствор, резкое охлаждение капель раствора для отверждения базового полимера в форме частиц, извлечение частиц из устройства для резкого охлаждения и затем промывку макропористого буферного материала от частиц. В дополнение к необходимости осуществления множества стадий промывки, фильтрации, высушивания и т.д., такие методики также требуют применения летучих растворителей, что зачастую нежелательно.
В связи с этим в настоящее время существует потребность в улучшенной методике образования пористых микрочастиц.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения раскрывают микрочастицу, которая содержит полимерный материал. Полимерный материал образован из термопластичной композиции, содержащей непрерывную фазу, включающую матричный полимер. Добавка микровключения и добавка нановключения диспергированы в непрерывной фазе в форме дискретных доменов. Кроме того, в материале определяется поровая сеть, которая включает множество нанопор и микропор.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения раскрывают способ образования микрочастицы, который включает смешивание в расплаве матричного полимера, добавки микровключения и добавки нановключения с образованием термопластичной композиции, при этом композиция содержит дискретные домены добавки микровключения и добавки нановключения, диспергированные в непрерывной фазе, которая включает матричный полимер; образование полимерного материала из термопластичной композиции; растягивание полимерного материала с обеспечением поровой сети, которая содержит множество нанопор и микропор; а также преобразование растянутого полимерного материала в микрочастицу.
Другие признаки и аспекты настоящего изобретения более подробно рассматриваются ниже.
Краткое описание графических материалов
Полное и достаточное описание настоящего изобретения, включая наилучший способ его осуществления, предназначенное для специалиста в данной области техники, изложено ниже, в частности, в остальной части описания, в которой предусмотрены ссылки на соответствующие фигуры, на которых:
фиг. 1-2 представляют собой SEM-микрофотографии частиц из примера 1, где частицы показаны при 100X на фиг. 1 и при 1000X на фиг. 2;
фиг. 3-4 представляют собой SEM-микрофотографии невытянутой пленки из примера 2, где пленка была отрезана перпендикулярно машинному направлению на фиг. 3 и параллельно машинному направлению на фиг. 4;
фиг. 5-6 представляют собой SEM-микрофотографии вытянутой пленки из примера 2 (пленка была отрезана параллельно ориентации машинного направления);
фиг. 7-8 представляют собой SEM-микрофотографии невытянутой пленки из примера 3, где пленка была отрезана перпендикулярно машинному направлению на фиг. 7 и параллельно машинному направлению на фиг. 8; и
фиг. 9-10 представляют собой SEM-микрофотографии вытянутой пленки из примера 3 (пленка была отрезана параллельно ориентации машинного направления).
Повторяющееся использование ссылочных позиций в настоящем описании и графических материалах предназначено для представления одинаковых или аналогичных признаков или элементов настоящего изобретения.
Подробное описание иллюстративных вариантов осуществления
Определения
Применяемые в данном документе выражения “вводить”, “введение” и “при введении”, как правило, относятся к процессу доставки вещества субъекту, как например, без ограничения, посредством доставки легочным путем (например, ингаляция), через слизистую оболочку (например, интраназально), внутрикожным путем, внутривенным путем, внутриартериальным путем, интрабилиарным путем, внутриглазным путем, внутрикостным путем, внутримышечным путем и/или любым другим способом физической доставки, описанным в данном документе или известным из уровня техники. При лечении или контроле другим способом заболевания или его симптома введение вещества обычно осуществляется после появления заболевания или его симптомов. При предупреждении заболевания или его симптома введение вещества обычно осуществляется до начала заболевания или его появления симптомов. В некоторых вариантах осуществления такое введение приводит к приведению в контакт доставляемого вещества с целевым участком (например, тканью или органом).
Применяемые в данном документе выражения “контролировать”, “при контроле” и “контроль”, как правило, относятся к положительным эффектам, которые субъект получает от терапии, которая не приводит к излечению инфекции. В некоторых вариантах осуществления, например, субъекту вводят один или несколько типов терапевтических средств для контроля данного заболевания или одного или нескольких симптомов, связанных с ним, так, чтобы предотвратить развитие или усугубление хода заболевания.
Применяемое в данном документе выражение “субъект” может включать млекопитающее, например, не относящееся к приматам (например, коров, свиней, лошадей, кошек, собак, крыс, кроликов и т.д.), или примата (например, обезьяну и человека). В некоторых вариантах осуществления субъектом является человек.
Применяемые в данном документе выражения “образование ткани”, “формирование ткани”, “культивирование ткани” и “восстановление ткани” используют взаимозаменяемо и, как правило, они относятся к процессам или событиям, связанным с заживлением, ростом, возобновлением роста или изменением состояния тканей. Ткани могут включать, без ограничения, мышечные ткани, соединительные ткани, жировые ткани и нервные ткани. Дефекты тканей, подходящие для способов лечения и контроля, предусматриваемых в данном документе, могут включать, без ограничения, нарушения сердца, коронарных сосудов, кровеносных сосудов, спинного мозга, кости, хряща, сухожилия, связки, молочной железы, печени, желчного пузыря, желчного протока, поджелудочной железы, тканей желудочно-кишечного тракта, мочевыделительной системы, кожи, грыжи и зубных тканей субъекта.
Применяемые в данном документе выражения “лечить”, “лечение” и “при лечении”, как правило, относятся к ослаблению или уменьшению интенсивности развития, степени тяжести и/или продолжительности заболевания или его симптома.
Подробное описание
Далее будет представлено подробное описание со ссылками на различные варианты осуществления настоящего изобретения, один или несколько примеров которых приведены ниже. Каждый пример приведен для пояснения настоящего изобретения и не ограничивает его. В сущности, специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что по отношению к настоящему изобретению могут быть выполнены различные модификации и изменения без отклонения от объема или сущности настоящего изобретения. Например, признаки, показанные или описанные как часть одного варианта осуществления, могут быть использованы в другом варианте осуществления для получения еще одного варианта осуществления. Таким образом, имеется в виду, что настоящее изобретение охватывает такие модификации и изменения, которые подпадают под объем прилагаемой формулы изобретения и ее эквивалентов.
Говоря в общем, настоящее изобретение направлено на микрочастицы, характеризующиеся многомодальным распределением пор по размеру, что может обеспечить ряд различных преимуществ в зависимости от конкретного применения. При применении, например, в качестве каркасной структуры, микропоры могут улучшать образование функциональной ткани в пределах каркаса, при этом нанопоры могут способствовать улучшению контакта от клетки к клетке, проникновению питательных веществ и кислорода к клеткам, удалению метаболических отходов от клеток и поверхностному структурированию для способствования направленному росту клеток. Многомодальное распределение пор может также улучшать динамику кровотока через частицы и вокруг частиц in vivo, а также снижать сопротивление кровотоку, степень турбулентности и перепады давления, вызванные частицами, и таким образом снижать градиенты перфузии и потенциальное образование кровяных сгустков (тромбообразование). Многомодальное распределение может также предусматривать участок для секвестрации клеток, адгезии, фиксации или дифференциации в микропорах, поддерживая при этом перфузию через частицы посредством либо микропор, либо нанопор.
Аналогично, при применении при доставке активных средств, микрочастицы могут обеспечить варьирование скорости доставки средства для определенного применения. Например, скорость потока активного средства обычно выше через микропоры, чем через нанопоры. Таким образом, присутствие различных классов по размерам пор может способствовать в создании профиля высвобождения, при котором часть активного средства может высвобождаться относительно быстро через микропоры, при этом другая часть средства может проходить более медленно через нанопоры так, что она доставляется в течение продолжительного периода времени. Однако поровая сеть не просто представляет собой комбинацию различных типов пор. Вместо этого, вследствие ее высокой степени сложности и общего объема пор поровая сеть может образовываться запутанным путем, за счет которого еще больше улучшается способность к регулируемой доставке активного средства в течение продолжительного периода времени.
Следует отметить, что уникальная поровая сеть по настоящему изобретению может быть образована без необходимости в сложных методиках и химических составах растворителей, традиционно применяемых для образования пористых микрочастиц. Вместо этого, микрочастицы содержат полимерный материал, который образован из термопластичной композиции, которую просто растягивают до определенной степени с обеспечением необходимой структуры поровой сети. Более конкретно, термопластичная композиция, применяемая для образования полимерного материала, содержит добавки микровключения и нановключения, диспергированные в непрерывной фазе, которая включает матричный полимер. Добавки обычно выбирают таким образом, чтобы они были частично несовместимы (например, имели различный модуль упругости) с матричным полимером. Подобным образом, добавки микровключения и нановключения могут стать диспергированными в непрерывной фазе в виде дискретных микроразмерных и наноразмерных фазовых доменов, соответственно. При деформационном растяжении на доменах и вокруг доменов могут образовываться области концентрации напряжений, расположение которых зависит от конкретной природы добавок. Например, если добавки включения имеют более высокий модуль, чем матричный полимер, области максимальной концентрации напряжений расположены на полюсах доменов и ориентированы в направлении прикладываемого усилия. Области концентрации напряжений, созданные добавкой микровключения, могут перекрывать те, которые созданы добавкой нановключения. Таким образом, может происходить резкое увеличение локальных напряжений (т. е. усиление напряжений) на границах включений и вокруг них, при этом меньшие добавки нановключения расположены в областях концентрации напряжений добавок микровключения, проявляющих наибольшее усиление напряжений. Авторы настоящего изобретения обнаружили, что это явление усиления напряжений может инициировать контролируемый и последовательный процесс нарушения адгезии и образования пор на добавках включения или вокруг них, начиная с меньших доменов нановключения, проявляющих наибольшее усиление напряжений, и с передачей на более крупные домены микровключения по мере увеличения прилагаемого извне усилия. Кроме того, поскольку поры расположены вплотную к дискретным доменам, между границами пор может быть образован мостик, функционирующий в качестве внутренних структурных креплений, способствующих предотвращению сжатия пор.
Последовательный характер, при котором может инициироваться образование пор, обеспечивает образование поровой сети с необходимым многомодальным распределением. Например, на доменах микровключения и/или вокруг них может быть образовано множество микропор, имеющих средний размер поперечного сечения (например, ширину или диаметр) от приблизительно 0,5 до приблизительно 30 микрометров, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 1 до приблизительно 20 микрометров и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 2 микрометров до приблизительно 15 микрометров. Кроме того, на вторых доменах и/или вокруг них может быть образовано множество нанопор, имеющих средний размер поперечного сечения (например, ширину или диаметр) от приблизительно 1 до приблизительно 500 нанометров, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 2 до приблизительно 450 нанометров и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 5 до приблизительно 400 нанометров. Следует понимать, что множество подтипов пор может находиться в общих диапазонах, приведенных выше. В некоторых вариантах осуществления, например, могут образоваться первые нанопоры, которые имеют средний размер поперечного сечения от приблизительно 50 до приблизительно 500 нанометров, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 60 до приблизительно 450 нанометров и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 100 до приблизительно 400 нанометров, при этом могут образоваться вторые нанопоры, которые имеют средний размер поперечного сечения от приблизительно 1 до приблизительно 50 нанометров, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 2 до приблизительно 45 нанометров и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 5 до приблизительно 40 нанометров.
3
Микропоры и/или нанопоры могут иметь любую правильную или неправильную форму, например, сферическую, удлиненную и т.д., и могут также иметь соотношение сторон (отношение осевого размера к размеру поперечного сечения) от приблизительно 1 до приблизительно 30, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 1,1 до приблизительно 15 и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 1,2 до приблизительно 5. Средний процентный объем, занимаемый микропорами и нанопорами внутри заданного единичного объема материала, может также составлять от приблизительно 15% до приблизительно 80% на см, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 20% до приблизительно 70% и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 30% до приблизительно 60% на кубический сантиметр материала. В определенных случаях нанопоры могут присутствовать в относительно высоком количестве. Например, нанопоры могут составлять от приблизительно 15 об.% до приблизительно 99 об.%, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 20 об.% до 95 об.% и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 40 об.% до приблизительно 90 об.% от общего объема пор в полимерном материале. Аналогично, микропоры могут составлять от приблизительно 1 об.% до приблизительно 85 об. %, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 5 об.% до 80 об.% и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 10 об.% до приблизительно 60 об.% от общего объема пор в полимерном материале.
Поры (например, микропоры, нанопоры или и те, и другие) также могут распределяться практически однородным образом по всему материалу. Например, поры могут быть распределены колонками, ориентированными в направлении, обычно перпендикулярном направлению, в котором прилагается усилие. Эти колонки, как правило, могут быть параллельными друг другу по всей ширине материала. Не ограничиваясь теорией, полагают, что наличие такой однородно распределенной поровой сети может еще больше улучшать характеристики микрочастиц, как например, посредством улучшения их способности к регулируемому высвобождению активного средства.
Далее будут более подробно описаны различные варианты осуществления настоящего изобретения.
I. Термопластичная композиция
A. Матричный полимер
Как указано выше, термопластичная композиция содержит непрерывную фазу, в которой диспергированы добавки микровключения и нановключения. Непрерывная фаза содержит один или несколько матричных полимеров, которые обычно составляют от приблизительно 60 вес.% до приблизительно 99 вес.%, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 75 вес.% до приблизительно 98 вес.% и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 80 вес.% до приблизительно 95 вес.% термопластичной композиции. Природа матричного полимера(полимеров), используемого для образования непрерывной фазы, не имеет решающего значения и обычно можно применять любой подходящий полимер, такой как сложные полиэфиры, полиолефины, стирольные полимеры, полиамиды и т.д. В определенных вариантах осуществления в композиции для образования полимерной матрицы можно применять, например, сложные полиэфиры. Как правило, можно применять любой из ряда сложных полиэфиров, таких как сложные алифатические полиэфиры, такие как поликапролактон, сложные полиамидоэфиры, полимолочная кислота (PLA) и ее сополимеры, полигликолевая кислота, полиалкиленкарбонаты (например, полиэтиленкарбонат), поли-3-гидроксибутират (PHB), поли-3-гидроксивалерат (PHV), сополимеры поли-3-гидроксибутирата и 4-гидроксибутирата, поли-3-гидроксибутирата и 3-гидроксивалерата (PHBV), сополимер поли-3-гидроксибутирата и 3-гидроксигексаноата, сополимер поли-3-гидроксибутирата и 3-гидроксиоктаноата, сополимер поли-3-гидроксибутирата и 3-гидроксидеканоата, сополимер поли-3-гидроксибутирата и 3-гидроксиоктадеканоата и алифатические полимеры на основе сукцината (например, полибутиленсукцинат, полибутиленсукцинат адипат, полиэтиленсукцинат и т.д.); сложные алифатическо-ароматические coполиэфиры (например, полибутиленадипаттерефталат, полиэтиленадипаттерефталат, полиэтиленадипатизофталат, полибутиленадипатизофталат и т.д.); сложные ароматические полиэфиры (например, полиэтилентерефталат, полибутилентерефталат и т.д.) и так далее.
g
В определенных случаях термопластичная композиция может содержать по меньшей мере один сложный полиэфир, который является жестким по природе и, следовательно, имеет относительно высокую температуру стеклования. Например, температура стеклования (“T”) может составлять приблизительно 0°C или больше, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 5°C до приблизительно 100°C, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 30°C до приблизительно 80°C и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 50°C до приблизительно 75°C. Сложный полиэфир может также иметь температуру плавления от приблизительно 140°C до приблизительно 300°C, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 150°C до приблизительно 250°C и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 160°C до приблизительно 220°C. Температуру плавления можно определять с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии (“DSC”) в соответствии с ASTM D-3417. Температуру стеклования можно определять динамическим механическим анализом в соответствии с ASTM E1640-09.
Одним особенно подходящим жестким сложным полиэфиром является полимолочная кислота, которая обычно может быть получена из мономерных блоков любого изомера молочной кислоты, такого как левовращающая молочная кислота (“L-молочная кислота”), правовращающая молочная кислота (“D-молочная кислота”), мезо-молочная кислота или их смеси. Мономерные блоки могут также быть образованы из ангидридов любого изомера молочной кислоты, включая L-лактид, D-лактид, мезо-лактид или их смеси. Можно также использовать циклические димеры таких молочных кислот и/или лактидов. Для полимеризации молочной кислоты можно применять любой известный способ полимеризации, такой как поликонденсация или полимеризация с раскрытием цикла. Можно также применять небольшое количество средства для удлинения цепи (например, диизоцианатного соединения, эпоксидного соединения или ангидрида кислоты). Полимолочная кислота может быть гомополимером или сополимером, например, содержащим мономерные блоки, полученные из L-молочной кислоты, и мономерные блоки, полученные из D-молочной кислоты. Хотя этого и не требуется, степень содержания одного из мономерных блоков, полученных из L-молочной кислоты, и мономерных блоков, полученных из D-молочной кислоты, составляет предпочтительно приблизительно 85 мол.% или больше, в некоторых вариантах осуществления приблизительно 90 мол.% или больше и в некоторых вариантах осуществления приблизительно 95 мол.% или больше. Можно смешивать несколько полимолочных кислот, каждая из которых имеет различное соотношение между мономерным блоком, полученным из L-молочной кислоты, и мономерным блоком, полученным из D-молочной кислоты, при произвольном процентном содержании. Естественно, полимолочную кислоту можно также смешивать с другими типами полимеров (например, полиолефинами, сложными полиэфирами и т.д.).
В одном конкретном варианте осуществления полимолочная кислота имеет следующую общую структуру:
Одним конкретным примером подходящего полимера полимолочной кислоты, который можно применять в настоящем изобретении, является коммерчески доступный от Biomer, Inc., Крайлинг, Германия) под названием BIOMER™ L9000. Другие подходящие полимеры полимолочной кислоты коммерчески доступны от Natureworks LLC, Миннетонка, Миннесота (NATUREWORKS) или Mitsui Chemical (LACEA™). Еще одни подходящие полимолочные кислоты описаны в патентах США №№ 4797468; 5470944; 5770682; 5821327; 5880254 и 6326458.
n
w
w
n
Полимолочная кислота обычно имеет среднечисловую молекулярную массу (“M”) в диапазоне от приблизительно 40000 до приблизительно 180000 грамм на моль, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 50000 до приблизительно 160000 грамм на моль и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 80000 до приблизительно 120000 грамм на моль. Аналогично, полимер также обычно имеет среднемассовую молекулярную массу (“M”) в диапазоне от приблизительно 80000 до приблизительно 250000 грамм на моль, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 100000 до приблизительно 200000 грамм на моль и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 110000 до приблизительно 160000 грамм на моль. Отношение среднемассовой молекулярной массы к среднечисловой молекулярной массе (“M/M”), т.е. “коэффициент полидисперсности”, также является достаточно низким. Например, коэффициент полидисперсности обычно варьирует в диапазоне от приблизительно 1,0 до приблизительно 3,0, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 1,1 до приблизительно 2,0 и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 1,2 до приблизительно 1,8. Среднемассовую и среднечисловую молекулярные массы можно определять способами, известными специалистам в данной области.
-1
Полимолочная кислота может также иметь кажущуюся вязкость от приблизительно 50 до приблизительно 600 паскаль-секунда (Па·с), в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 100 до приблизительно 500 Па·с и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 200 до приблизительно 400 Па·с, определенную при температуре 190°C и скорости сдвига в 1000 сек. Показатель текучести расплава полимолочной кислоты (на сухое вещество) может также варьировать в диапазоне от приблизительно 0,1 до приблизительно 40 грамм за 10 минут, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 0,5 до приблизительно 20 грамм за 10 минут и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 5 до приблизительно 15 грамм за 10 минут, определенный при нагрузке 2160 грамм и при 190°C.
Некоторые типы чистых сложных полиэфиров (например, полимолочная кислота) могут поглощать воду из окружающей среды так, что содержание влаги в них составляет от приблизительно 500 до 600 частей на миллион (“ppm”) или даже выше, исходя из сухого веса исходной полимолочной кислоты. Содержание влаги можно определять с помощью ряда способов, известных из уровня техники, например, в соответствии с ASTM D 7191-05, как описано ниже. Поскольку присутствие воды во время переработки расплава может гидролитически разрушать сложный полиэфир и снижать его молекулярную массу, иногда желательно высушивать сложный полиэфир перед смешиванием. В большинстве вариантов осуществления, например, желательно, чтобы содержание влаги в сложном полиэфире составляло приблизительно 300 частей на миллион ("ppm") или меньше, в некоторых вариантах осуществления приблизительно 200 ppm или меньше, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 1 до приблизительно 100 ppm перед смешиванием с добавками микровключения и нановключения. Высушивание сложного полиэфира может проходить, например, при температуре от приблизительно 50°C до приблизительно 100°C и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 70°C до приблизительно 80°C.
Добавка микровключения
B.
Используемое в данном документе выражение “добавка микровключения”, как правило, относится к любому аморфному, кристаллическому или полукристаллическому материалу, который способен диспергироваться в полимерной матрице в форме дискретных доменов микроразмерного размера. Например, перед растягиванием домены могут иметь средний размер поперечного сечения от приблизительно 0,05 мкм до приблизительно 30 мкм, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 0,1 мкм до приблизительно 25 мкм, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 0,5 мкм до приблизительно 20 мкм и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 1 мкм до приблизительно 10 мкм. Выражение “размер поперечного сечения”, как правило, относится к характеристическому размеру (например, ширине или диаметру) домена, который практически перпендикулярен его главной оси (например, длине) и также обычно практически перпендикулярен направлению напряжения, прилагаемого во время растягивания. Хотя они, как правило, образуются из добавки микровключения, следует также понимать, что микроразмерные домены также могут образовываться из комбинации добавок микровключения и нановключения и/или других компонентов композиции.
Добавка микровключения, как правило, является полимерной по природе и характеризуется относительно высокой молекулярной массой для содействия улучшению прочности расплава и устойчивости термопластичной композиции. Как правило, полимер микровключения в целом может быть несмешиваемым с матричным полимером. Таким образом, добавка может стать более диспергированной в виде дискретных фазовых доменов в непрерывной фазе матричного полимера. Дискретные домены способны поглощать энергию, являющуюся результатом воздействия внешней силы, что увеличивает общее сопротивление разрыву и прочность получаемого в результате материала. Домены могут иметь ряд различных форм, таких как эллиптическая, сферическая, цилиндрическая, пластинчатая, трубчатая и т.д. В одном варианте осуществления, например, домены имеют, по сути, эллиптическую форму. Физический размер отдельного домена обычно достаточно мал, чтобы минимизировать распространение трещин по полимерному материалу при приложении внешнего усилия, но достаточно велик, чтобы инициировать микроскопическую пластическую деформацию и допустить образование зон интенсивности сдвига и/или усилия на включениях частиц и вокруг них.
1/2
3/2
1/2
3/2
1/2
3/2
Хотя полимеры могут быть несмешиваемыми, тем не менее, можно выбрать добавку микровключения, характеризующуюся параметром растворимости, который является относительно подобным таковому у матричного полимера. Это может улучшить совместимость между поверхностями и физическое взаимодействие границ дискретной и непрерывной фаз, и тем самым снижает вероятность разрушения композиции. В связи с этим, отношение параметра растворимости для матричного полимера к таковому у добавки составляет, как правило, от приблизительно 0,5 до приблизительно 1,5 и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 0,8 до приблизительно 1,2. Например, добавка микровключения может характеризоваться параметром растворимости от приблизительно 15 до приблизительно 30 МДж/м и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 18 до приблизительно 22 МДж/м, при этом полимолочная кислота может характеризоваться параметром растворимости приблизительно 20,5 МДж/м. Выражение “параметр растворимости” при использовании в данном документе относится к “параметру растворимости Гильдебранда”, который представляет собой квадратный корень из плотности энергии когезии и вычисляется согласно следующему уравнению:
,
где
υ
∆H = теплота испарения,
R = постоянная идеального газа,
T = температура,
m
V = молекулярный объем.
Параметры растворимости Гильдебранда для многих полимеров также доступны из Solubility Handbook of Plastics, Wyeych (2004), которая включена в данный документ посредством ссылки.
Добавка микровключения может также иметь определенный показатель текучести расплава (или вязкость) для того, чтобы обеспечить достаточную поддержку дискретных доменов и полученных пор. Например, если показатель текучести расплава добавки слишком высок, она проявляет склонность к нерегулируемому растеканию и диспергированию по непрерывной фазе. Это приводит к слоистым, пластинчатым доменам или совместным с непрерывной фазой структурам, которые сложно поддерживать и которые также склонны к преждевременному разрушению. Наоборот, если показатель текучести расплава добавки слишком низок, она склонна к комкованию и образованию очень больших эллиптических доменов, которые трудно диспергировать при перемешивании. Это может вызвать неравномерное распределение добавки по всей непрерывной фазе. В связи с этим, авторы настоящего изобретения обнаружили, что отношение показателя текучести расплава добавки микровключения к показателю текучести расплава матричного полимера составляет, как правило, от приблизительно 0,2 до приблизительно 8, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 0,5 до приблизительно 6 и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 1 до приблизительно 5. Добавка микровключения может, например, иметь показатель текучести расплава от приблизительно 0,1 до приблизительно 250 грамм на 10 минут, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 0,5 до приблизительно 200 грамм на 10 минут и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 5 до приблизительно 150 грамм на 10 минут, определенный при нагрузке 2160 грамм и при 190°C.
Помимо упомянутых выше свойств для обеспечения желаемой поровой сети можно также выбирать механические характеристики добавки микровключения. Например, если смесь матричного полимера и добавки микровключения наносить с внешним усилием, можно инициировать концентрации напряжений (например, включая нормальные или сдвиговые напряжения) и зоны выделения сдвига и/или пластической деформации на дискретных фазовых доменах и вокруг них в результате концентрации напряжений, которые возникают из разницы в модулях упругости добавки и матричного полимера. Большие концентрации напряжений вызывают более интенсивную локализованную пластическую деформацию на доменах, что позволяет им становиться значительно удлиненными при приложении усилий. Эти удлиненные домены могут позволить композиции проявлять более гибкое и мягкое поведение, чем матричный полимер, например, когда он является жесткой полиэфирной смолой. Для усиления концентраций напряжения добавку микровключения можно выбрать так, чтобы она имела относительно низкий модуль упругости Юнга по сравнению с матричным полимером. Например, отношение модуля упругости матричного полимера к таковому у добавки составляет, как правило, от приблизительно 1 до приблизительно 250, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 2 до приблизительно 100 и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 2 до приблизительно 50. Модуль упругости добавки микровключения может, например, варьировать в диапазоне от приблизительно 2 до приблизительно 1000 мегапаскаль (МПа), в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 5 до приблизительно 500 МПа и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 10 до приблизительно 200 МПа. Напротив, модуль упругости полимолочной кислоты, например, составляет, как правило, от приблизительно 800 МПа до приблизительно 3000 МПа.
Хотя можно применять широкий ряд добавок микровключения, имеющих определенные выше свойства, особенно подходящие примеры таких добавок могут включать синтетические полимеры, такие как полиолефины (например, полиэтилен, полипропилен, полибутилен и т.д.); стирольные сополимеры (например, стирол-бутадиен-стирол, стирол-изопрен-стирол, стирол-этилен-пропилен-стирол, стирол-этилен-бутадиен-стирол и т.д.); политетрафторэтилены; полиэфиры (например, рециклизованный сложный полиэфир, полиэтилентерефталат и т.д.); поливинилацетаты (например, полиэтиленвинилацетат, поливинилхлорид ацетат и т.д.); поливиниловые спирты (например, поливиниловый спирт, полиэтиленвиниловый спирт и т.д.); поливинилбутирали; акриловые смолы (например, полиакрилат, полиметилакрилат, полиметилметакрилат и т.д.); полиамиды (например, нейлон); поливинилхлориды; поливинилиденхлориды; полистиролы; полиуретаны и т.д. Подходящие полиолефины могут, например, включать этиленовые полимеры (например, полиэтилен низкой плотности (“LDPE”), полиэтилен высокой плотности (“HDPE”), линейный полиэтилен низкой плотности (“LLDPE”) и т.д.), гомополимеры пропилена (например, синдиотактический, атактический, изотактический и т.д.), сополимеры пропилена и так далее.
В одном конкретном варианте осуществления полимер представляет собой полимер пропилена, такой как гомополипропилен или сополимер пропилена. Полимер пропилена можно, например, образовывать главным образом из изотактического гомополимера полипропилена или сополимера, содержащего равное или меньшее количество, чем приблизительно 10 вес.% другого мономера, т.е. по меньшей мере приблизительно 90% по весу пропилена. Температура плавления таких гомополимеров может составлять от приблизительно 160°C до приблизительно 170°C.
3
20
3
12
В еще одном варианте осуществления полиолефин может быть сополимером этилена или пропилена с другим α-олефином, таким как C-Cα-олефин или C-Cα-олефин. Конкретные примеры подходящих α-олефинов включают 1-бутен; 3-метил-1-бутен; 3,3-диметил-1-бутен; 1-пентен; 1-пентен с одним или несколькими метильными, этильными или пропильными заместителями; 1-гексен с одним или несколькими метильным, этильными или пропильными заместителями; 1-гептен с одним или несколькими метильными, этильными или пропильными заместителями; 1-октен с одним или несколькими метильными, этильными или пропильными заместителями; 1-нонен с одним или несколькими метильными, этильными или пропильными заместителями; этил-, метил- или диметилзамещенный 1-децен; 1-додецен и стирол. Особенно желательными α-олефиновыми сомономерами являются 1-бутен, 1-гексен и 1-октен. Содержание этилена или пропилена в таких сополимерах может составлять от приблизительно 60 мол.% до приблизительно 99 мол.%, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 80 мол.% до приблизительно 98,5 мол.%, а в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 87 мол.% до приблизительно 97,5 мол.%. Содержание α-олефинов может аналогично варьировать в диапазоне от приблизительно 1 мол.% до приблизительно 40 мол.%, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 1,5 мол.% до приблизительно 15 мол.% и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 2,5 мол.% до приблизительно 13 мол.%.
Ewen, et al.
Tsutsui, et al.
Lai, et al.
Lai, et al.
Datta, et al.
Yang, et al.
Resconi, et al
Типичные олефиновые сополимеры для применения в настоящем изобретении включают сополимеры на основе этилена, доступные под названием EXACT™ от ExxonMobil Chemical Company, Хьюстон, Техас. Другие подходящие сополимеры этилена доступны под названием ENGAGE™, AFFINITY™, DOWLEX™ (LLDPE) и ATTANE™ (ULDPE) от Dow Chemical Company, Мидленд, Мичиган. Другие подходящие полимеры этилена описаны в патентах США №№ 4937299, выданном ; 5218071, выданном ; 5272236, выданном ; и 5278272, выданном  Подходящие сополимеры пропилена также коммерчески доступны под обозначениями VISTAMAXX™ от ExxonMobil Chemical Co., Хьюстон, Техас; FINA™ (например, 8573) от Atofina Chemicals, Фелю, Бельгия; TAFMER™, доступный от Mitsui Petrochemical Industries, и VERSIFY™, доступный от Dow Chemical Co., Мидленд, Мичиган. Подходящие гомополимеры полипропилена могут также включать полипропилен Exxon Mobil 3155, смолы Exxon Mobil Achieve™ и смолу Total M3661 PP. Другие примеры подходящих полимеров пропилена описаны в патентах США №№ 6500563, выданном ; 5539056, выданном ; и 5596052, выданном .
McAlpin, et al.
Davis, et al.
Obijeski, et al.
Lai, et al.
Wheat, et al.
w
n
Для образования олефиновых сополимеров обычно можно применять любую из множества известных методик. Например, олефиновые полимеры можно образовывать с использованием свободнорадикального или комплексного катализатора (например, Циглера-Натта). Предпочтительно олефиновый полимер образуют из комплексного катализатора с единым центром полимеризации, такого как металлоценовый катализатор. Такая каталитическая система обеспечивает сополимеры этилена, в которых сомономер случайно распределен в молекулярной цепи и равномерно распределен по фракциям с различной молекулярной массой. Полиолефины, полученные посредством катализа металлоценами, описаны, например, в патентах США №№ 5571619, выданном ; 5322728, выданном ; 5472775, выданном ; 5272236, выданном ; и 6090325, выданном  Примеры металлоценовых катализаторов включают бис(н-бутилциклопентадиенил)титана дихлорид, бис(н-бутилциклопентадиенил)циркония дихлорид, бис(циклопентадиенил)скандия хлорид, бис(инденил)циркония дихлорид, бис(метилциклопентадиенил)титана дихлорид, бис(метилциклопентадиенил)циркония дихлорид, кобальтоцен, циклопентадиенилтитана трихлорид, ферроцен, гафноцен дихлорид, изопропил(циклопентадиенил-1-флуоренил)циркония дихлорид, молибдоцена дихлорид, никелоцен, ниобоцена дихлорид, рутеноцен, титаноцен дихлорид, цирконоценхлоридгидрид, цирконоцена дихлорид и так далее. Полимеры, полученные с помощью металлоценовых катализаторов, как правило, имеют узкий диапазон молекулярной массы. Например, полимеры, полученные посредством катализа металлоценами, могут иметь числа полидисперсности (M/M) ниже 4, регулируемое распределение короткоцепочечной разветвленности и регулируемую изотактичность.
Независимо от использованных материалов, относительное процентное содержание добавки микровключения в термопластичной композиции выбирают для достижения желаемых свойств без значительного воздействия на основные свойства композиции. Например, добавку микровключения, как правило, применяют в количестве от приблизительно 1 вес.% до приблизительно 30 вес.%, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 2 вес.% до приблизительно 25 вес.% и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 5 вес.% до приблизительно 20 вес.% термопластичной композиции на основе веса непрерывной фазы (матричный полимер(ы)). Концентрация добавки микровключения во всей термопластичной композиции может аналогично составлять от приблизительно 0,1 вес.% до приблизительно 30 вес.%, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 0,5 вес.% до приблизительно 25 вес.% и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 1 вес.% до приблизительно 20 вес.%.
Добавка нановключения
C.
Используемое в данном документе выражение “добавка нановключения”, как правило, относится к любому аморфному, кристаллическому или полукристаллическому материалу, который способен диспергироваться в полимерной матрице в форме дискретных доменов наноразмерного размера. Например, перед растягиванием домены могут иметь средний размер поперечного сечения от приблизительно 1 до приблизительно 1000 нанометров, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 5 до приблизительно 800 нанометров, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 10 до приблизительно 500 нанометров и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 20 до приблизительно 200 нанометров. Следует также понимать, что наноразмерные домены также могут образовываться из комбинации добавок микровключения и нановключения и/или других компонентов композиции. Добавку нановключения, как правило, используют в количестве от приблизительно 0,05 вес.% до приблизительно 20 вес.%, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 0,1 вес.% до приблизительно 10 вес.% и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 0,5 вес.% до приблизительно 5 вес. % термопластичной композиции на основе веса непрерывной фазы (матричный полимер(ы)). Концентрация добавки нановключения во всей термопластичной композиции может аналогично составлять от приблизительно 0,01 вес.% до приблизительно 15 вес.%, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 0,05 вес.% до приблизительно 10 вес.% и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 0,3 вес.% до приблизительно 6 вес.% термопластичной композиции.
Добавка нановключения может быть полимерной по природе и обладать относительно высокой молекулярной массой для способствования улучшению прочности расплава и устойчивости термопластичной композиции. Для улучшения способности к диспергированию в наноразмерные домены добавка нановключения может также быть выбрана из материалов, которые, как правило, совместимы с матричным полимером и/или добавкой микровключения. Это может быть особенно полезно, если матричный полимер или добавка микровключения обладает полярным фрагментом, таким как сложный полиэфир. Одним примером такой добавки нановключения является функционализированный полиолефин. Полярный компонент можно, например, обеспечивать одной или несколькими функциональными группами, а неполярный компонент можно обеспечивать олефином. Олефиновый компонент добавки нановключения обычно может быть образован из любого линейного или разветвленного α-олефинового мономера, олигомера или полимера (в том числе сополимеров), полученного из олефинового мономера, такого как описанные выше.
Функциональная группа добавки нановключения может представлять собой любую группу, молекулярный сегмент и/или блок, обеспечивающий полярный компонент молекуле и несовместимый с матричным полимером. Примеры молекулярного сегмента и/или блоков, несовместимых с полиолефином, могут включать акрилатные, стироловые, сложные полиэфирные, полиамидные и т.д. Функциональная группа может иметь ионную природу и включать заряженные ионы металлов. Особенно подходящими функциональными группами являются малеиновый ангидрид, малеиновая кислота, фумаровая кислота, малеимид, гидразид малеиновой кислоты, продукт реакции малеинового ангидрида и диамина, метилнадиновый ангидрид, дихлормалеиновый ангидрид, амид малеиновой кислоты и т.д. Полиолефины, модифицированные малеиновым ангидридом, являются особенно подходящими для применения в настоящем изобретении. Такие модифицированные полиолефины, как правило, образуют путем прививки малеинового ангидрида на полимерный материал основной цепи. Такие малеинированные полиолефины доступны от E. I. du Pont de Nemours and Company под названием Fusabond, такие как P Series (химически модифицированный полипропилен), E Series (химически модифицированный полиэтилен), C Series (химически модифицированный этиленвинилацетат), A Series (химически модифицированные этиленакрилатные сополимеры или тройные сополимеры) или N Series (химически модифицированный этилен-пропилен, этилен-пропилен-диеновый мономер ("EPDM") или этилен-октен). В качестве альтернативы, малеинированные полиолефины также доступны от Chemtura Corp. под названием Polybond и Eastman Chemical Company под названием Eastman G series.
В определенных вариантах осуществления добавка нановключения также может быть реакционноспособной. Одним примером такой реакционноспособной добавки нановключения является полиэпоксид, содержащий в среднем по меньшей мере два оксирановых кольца на молекулу. Не вдаваясь в теорию, считается, что такие полиэпоксидные молекулы могут вызывать реакцию матричного полимера (например, сложного полиэфира) при определенных условиях, тем самым улучшая его прочность расплава без значительного снижения температуры стеклования. Реакция может включать удлинение цепи, разветвление боковой цепи, привитие, образование сополимеров и т.д. Удлинение цепи, например, может происходить посредством ряда различных путей реакции. Например, модификатор может обеспечивать нуклеофильную реакцию раскрытия цикла через карбоксильную концевую группу сложного полиэфира (этерификация) или через гидроксильную группу (образование простого эфира). Аналогично могут протекать реакции со стороны оксазолина с образованием сложноэфирно-амидных фрагментов. Посредством таких реакций молекулярная масса матричного полимера может быть увеличена для противодействия деградации, часто наблюдаемой во время переработки расплава. Хотя может быть желательным индуцировать реакцию с матричным полимером, как описано выше, авторы настоящего изобретения обнаружили, что слишком большая степень протекания реакции может приводить к сшиванию между основными цепями полимера. Если допустить протекание такого сшивания в значительной степени, полученная полимерная смесь может стать хрупкой и сложной для переработки в материал с желаемыми свойствами прочности и удлинения.
В связи с этим авторы настоящего изобретения обнаружили, что особенно эффективными являются полиэпоксиды, имеющие относительно низкую эпоксидную функциональность, что можно количественно выразить через их “эквивалентную массу эпоксида”. Эквивалентная масса эпоксида отражает количество смолы, которая содержит одну молекулу эпоксидной группы, и ее можно вычислить делением среднечисловой молекулярной массы модификатора на количество эпоксидных групп в молекуле. Среднечисловая молекулярная масса полиэпоксида по настоящему изобретению составляет, как правило, от приблизительно 7500 до приблизительно 250000 грамм на моль, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 15000 до приблизительно 150000 грамм на моль и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 20000 до 100000 грамм на моль при коэффициенте полидисперсности, как правило, в диапазоне от 2,5 до 7. Полиэпоксид может содержать менее 50, в некоторых вариантах осуществления от 5 до 45 и в некоторых вариантах осуществления от 15 до 40 эпоксидных групп. В свою очередь, эквивалентная масса эпоксида может составлять менее чем приблизительно 15000 грамм на моль, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 200 до приблизительно 10000 грамм на моль и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 500 до приблизительно 7000 грамм на моль.
Полиэпоксид может быть линейным или разветвленным гомополимером или сополимером (например, статистическим, привитым, блоксополимером и т.д.), содержащим концевые эпоксидные группы, скелетные оксирановые блоки и/или боковые эпоксидные группы. Мономеры, используемые для образования таких полиэпоксидов, можно варьировать. В одном конкретном варианте осуществления, например, полиэпоксид содержит по меньшей мере один эпокси-функциональный (мет)акриловый мономерный компонент. Используемое в данном документе выражение “(мет)акриловый” включает акриловый и метакриловый мономеры, а также их соли или сложные эфиры, такие как акрилатные и метакрилатные мономеры. Например, подходящие эпокси-функциональные (мет)акриловые мономеры могут включать без ограничения мономеры, содержащие 1,2-эпоксидные группы, такие как глицидилакрилат и глицидилметакрилат. Другие подходящие эпокси-функциональные мономеры включают простой аллилглицидиловый эфир, глицидилэтакрилат и глицидилитаконат.
Полиэпоксид, как правило, имеет относительно высокую молекулярную массу, как указано выше, так, что это может приводить не только к удлинению цепи, но также способствует достижению желаемой морфологии смеси. Таким образом, полученный показатель текучести расплава полимера, как правило, варьирует в диапазоне от приблизительно 10 до приблизительно 200 грамм за 10 минут, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 40 до приблизительно 150 грамм за 10 минут и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 60 до приблизительно 120 грамм за 10 минут, определенные при нагрузке 2160 грамм и при температуре 190°C.
При необходимости в полиэпоксиде можно также применять дополнительные мономеры с целью способствования достижению желаемой молекулярной массы. Такие мономеры можно варьировать и включают, например, сложноэфирные мономеры, (мет)акриловые мономеры, олефиновые мономеры, амидные мономеры и т.д. В одном конкретном варианте осуществления, например, полиэпоксид включает по меньшей мере один линейный или разветвленный α-олефиновый мономер, такой как имеющий от 2 до 20 атомов углерода и предпочтительно от 2 до 8 атомов углерода. Конкретные примеры включают этилен, пропилен, 1-бутен; 3-метил-1-бутен; 3,3-диметил-1-бутен; 1-пентен; 1-пентен с одним или несколькими метильными, этильными или пропильными заместителями; 1-гексен с одним или несколькими метильным, этильными или пропильными заместителями; 1-гептен с одним или несколькими метильными, этильными или пропильными заместителями; 1-октен с одним или несколькими метильными, этильными или пропильными заместителями; 1-нонен с одним или несколькими метильными, этильными или пропильными заместителями; этил-, метил- или диметилзамещенный 1-децен; 1-додецен и стирол. Особенно желаемыми α-олефиновыми сомономерами являются этилен и пропилен.
Другой подходящий мономер может включать (мет)акриловый мономер, не являющийся эпокси-функциональным. Примеры таких (мет)акриловых мономеров могут включать метилакрилат, этилакрилат, н-пропилакрилат, изопропилакрилат, н-бутилакрилат, втор-бутилакрилат, изобутилакрилат, трет-бутилакрилат, н-амилакрилат, изоамилакрилат, изоборнилакрилат, н-гексилакрилат, 2-этилбутилакрилат, 2-этилгексилакрилат, н-октилакрилат, н-децилакрилат, метилциклогексилакрилат, циклопентилакрилат, циклогексилакрилат, метилметакрилат, этилметакрилат, 2-гидроксиэтилметакрилат, н-пропилметакрилат, н-бутилметакрилат, изопропилметакрилат, изобутилметакрилат, н-амилметакрилат, н-гексилметакрилат, изоамилметакрилат, втор-бутил-метакрилат, трет-бутилметакрилат, 2-этилбутилметакрилат, метилциклогексилметакрилат, циннамилметакрилат, кротилметакрилат, циклогексилметакрилат, циклопентилметакрилат, 2-этоксиэтилметакрилат, изоборнилметакрилат и т.д., а также их комбинации.
В одном особенно желательном варианте осуществления настоящего изобретения полиэпоксид представляет собой тройной сополимер, образованный из эпокси-функционального (мет)акрилового мономерного компонента, α-олефинового мономерного компонента и (мет)акрилового мономерного компонента без эпокси-функциональной группы. Например, полиэпоксид может представлять собой сополимер этилена-метилакрилата-глицидилметакрилата, имеющий следующую структуру:
,
где x, y и z равны 1 или больше.
Эпокси-функциональный мономер можно преобразовать в полимер с использованием ряда известных методик. Например, мономер, содержащий полярные функциональные группы, можно привить на полимерную основную цепь с получением привитого сополимера. Такие методики привития хорошо известны из уровня техники и описаны, например, в патенте США № 5179164. В других вариантах осуществления мономер, содержащий эпокси-функциональные группы, можно полимеризовать совместно с мономером с образованием блок- или статистического сополимера, используя известные технологии свободнорадикальной полимеризации, такие как реакции под высоким давлением, каталитические реакционные системы Циглера-Натта, каталитические реакционные системы с единым центром полимеризации (например, металлоцен) и т.д.
Относительную долю мономерного компонента(-ов) можно выбирать для достижения баланса между эпокси-реакционной способностью и показателем текучести расплава. Более конкретно, высокие содержания эпокси-мономера могут приводить к хорошей реакционной способности с матричным полимером, но слишком высокое содержание может снизить показатель текучести расплава до такой степени, что полиэпоксид отрицательно влияет на прочность расплава полимерной смеси. Таким образом, в большинстве вариантов осуществления содержание эпокси-функционального (мет)акрилового мономера(-ов) составляет от приблизительно 1 вес.% до приблизительно 25 вес.%, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 2 вес.% до приблизительно 20 вес.% и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 4 вес.% до приблизительно 15 вес.% сополимера. Содержание α-олефинового мономера(-ов) может аналогично составлять от приблизительно 55 вес.% до приблизительно 95 вес.%, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 60 вес.% до приблизительно 90 вес.% и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 65 вес.% до приблизительно 85 вес.% сополимера. В случае использования другие мономерные компоненты (например, (мет)акриловые мономеры без эпокси-функциональной группы) могут составлять от приблизительно 5 вес.% до приблизительно 35 вес.%, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 8 вес.% до приблизительно 30 вес.% и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 10 вес.% до приблизительно 25 вес.% сополимера. Одним конкретным примером подходящего полиэпоксида, который можно применять в настоящем изобретении, является коммерчески доступный от Arkema под названием LOTADER AX8950 или AX8900. LOTADER AX8950, например, имеет показатель текучести расплава от 70 до 100 г/10 мин и имеет содержание глицидилметакрилатного мономера от 7 вес.% до 11 вес.%, содержание метилакрилатного мономера от 13 вес.% до 17 вес.%, а содержание этиленового мономера от 72 вес.% до 80 вес.%. Другим подходящим полиэпоксидом является коммерчески доступный от DuPont под названием ELVALOY PTW, являющийся тройным сополимером этилена, бутилакрилата и глицидилметакрилата и имеющий показатель текучести расплава 12 г/10 мин.
Помимо регуляции типа и относительного содержания мономеров, используемых для образования полиэпоксида, можно также регулировать общее весовое процентное содержание для достижения желаемых преимуществ. Например, если уровень модификации слишком низок, желаемое увеличение прочности расплава и механических свойств может не достигаться. Однако авторы настоящего изобретения также обнаружили, что если уровень модификации слишком высок, переработка может быть затруднена вследствие сильных молекулярных взаимодействий (например, сшивания) и образования физической сети эпоксидными функциональными группами. Таким образом, полиэпоксид, как правило, применяют в количестве от приблизительно 0,05 вес.% до приблизительно 10 вес.%, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 0,1 вес.% до приблизительно 8 вес.%, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 0,5 вес.% до приблизительно 5 вес.% и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 1 вес.% до приблизительно 3 вес.%, исходя из веса матричного полимера, используемого в композиции. Содержание полиэпоксида может также составлять от приблизительно 0,05 вес.% до приблизительно 10 вес.%, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 0,05 вес.% до приблизительно 8 вес.%, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 0,1 вес.% до приблизительно 5 вес.% и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 0,5 вес.% до приблизительно 3 вес.%, из общего веса композиции.
В настоящем изобретении можно также использовать другие реакционноспособные добавки нановключения, такие как функционализированные оксазолином полимеры, функционализированные цианидом полимеры и т.д. В случае использования такие реакционноспособные добавки нановключения можно применять в концентрациях, указанных выше для полиэпоксида. В одном конкретном варианте осуществления можно применять привитой оксазолином полиолефин, представляющий собой полиолефин, привитой мономером, содержащим оксазолиновый цикл. Оксазолин может включать 2-оксазолин, например, 2-винил-2-оксазолин (например, 2-изопропенил-2-оксазолин), 2-алифатический-алкил-2-оксазолин (например, получаемый из этаноламида олеиновой кислоты, линолевой кислоты, пальмитолеиновой кислоты, гадолеиновой кислоты, эруковой кислоты и/или арахидоновой кислоты) и их комбинации. В другом варианте осуществления оксазолин можно выбирать, например, из рицинолоксазолин малеината, ундецил-2-оксазолина, 2-оксазолина из сои, рицин-2-оксазолина и их комбинаций. В еще одном варианте осуществления оксазолин выбран из 2-изопропенил-2-оксазолина, 2-изопропенил-4,4-диметил-2-оксазолина и их комбинаций.
2
2
5
4
2
2
5
4
Также можно использовать нанонаполнители, такие как углеродная сажа, углеродные нанотрубки, углеродные нановолокна, наноглины, наночастицы металлов, нанокремнезем, нанооксид алюминия и т.д. Наноглины являются особенно подходящими. Выражение “наноглина” обычно относится к наночастицам глинистого материала (природного минерала, органически модифицированного минерала или синтетического наноматериала), как правило, имеющего пластинчатую структуру. Примеры наноглин включают, например, монтмориллонит (2:1 структура слоистой смектитной глины), бентонит (алюминиевый филлосиликат, образованный главным образом из монтмориллонита), каолинит (1:1 алюмосиликат, имеющий пластинчатую структуру и эмпирическую формулу AlSiO(OH)), галлуазит (1:1 алюмосиликат, имеющий трубчатую структуру и эмпирическую формулу AlSiO(OH)) и т.д. Примером подходящей наноглины является Cloisite, представляющий собой монтмориллонитную наноглину и коммерчески доступный от Southern Clay Products, Inc. Другие примеры синтетических наноглин включают без ограничения наноглину из смешанных гидроксидов металлов, наноглину из слоистого двойного гидроксида (например, сепиоцит), лапонит, гекторит, сапонит, индонит и т.д.
При необходимости наноглина может содержать средство для обработки поверхности, что способствует улучшению совместимости с матричным полимером (например, сложным полиэфиром). Средство для обработки поверхности может быть органическим или неорганическим. В одном варианте осуществления применяют органическое средство для обработки поверхности, получаемое путем реакции органического катиона с глиной. Подходящие органические катионы могут включать, например, органические четвертичные аммониевые соединения, способные к катионному обмену с глиной, такие как диметил бис[гидрогенизированный талловый] аммония хлорид (2M2HT), метилбензил-бис[гидрогенизированный талловый]-аммония хлорид (MB2HT), метил-трис[гидрогенизированный талловый алкил]хлорид (M3HT) и т.д. Примеры коммерчески доступных органических наноглин могут включать, например, Dellite 43B (Laviosa Chimica of Livorno, Италия), который представляет собой монтмориллонитную глину, модифицированную диметилбензилгидрогенизированной талловой аммониевой солью. Другие примеры включают Cloisite 25A и Cloisite 30B (Southern Clay Products) и Nanofil 919 (Sϋd Chemie). При необходимости нанонаполнитель можно смешать с полимерным носителем для образования концентрата добавки, повышающего совместимость добавки с другими полимерами в композиции. Особенно подходящие полимерные носители включают, например, сложные полиэфиры (например, полимолочную кислоту, полиэтилентерефталат и т.д.); полиолефины (например, полимеры этилена, полимеры пропилена и т.д.) и так далее, как описано более подробно выше.
В определенных вариантах осуществления настоящего изобретения несколько добавок нановключения можно использовать в комбинации. Например, первая добавка нановключения (например, полиэпоксид) может быть диспергирована в форме доменов со средним размером поперечного сечения от приблизительно 50 до приблизительно 500 нанометров, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 60 до приблизительно 400 нанометров и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 80 до приблизительно 300 нанометров. Вторая добавка нановключения (например, нанонаполнитель) может быть диспергирована в форме доменов, которые меньше, чем первая добавка нановключения, как например, домены со средним размером поперечного сечения от приблизительно 1 до приблизительно 50 нанометров, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 2 до приблизительно 45 нанометров и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 5 до приблизительно 40 нанометров. В случае использования содержание первой и/или второй добавки нановключения, как правило, составляет от приблизительно 0,05 вес.% до приблизительно 20 вес.%, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 0,1 вес.% до приблизительно 10 вес.% и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 0,5 вес.% до приблизительно 5 вес.% термопластичной композиции, исходя из веса непрерывной фазы (матричного полимера(-ов)). Концентрация первой и/или второй добавок нановключения во всей термопластичной композиции может аналогично составлять от приблизительно 0,01 вес.% до приблизительно 15 вес.%, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 0,05 вес.% до приблизительно 10 вес.% и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 0,1 вес.% до приблизительно 8 вес.% термопластичной композиции.
Другие компоненты
D.
В композиции можно применять широкий спектр ингредиентов по ряду причин. Например, в одном конкретном варианте осуществления в термопластичной композиции можно применять модификатор поверхности раздела фаз для способствования снижению степени трения и связности между добавкой микровключения и матричным полимером, и, следовательно, для снижения степени и однородности нарушения адгезии. Таким образом, поры могут быть распределены более однородным образом по всей композиции. Модификатор может находиться в жидкой или полутвердой форме при комнатной температуре (например, 25°C), вследствие чего он обладает относительно низкой вязкостью, что позволяет ему легче включаться в термопластичную композицию и беспрепятственно мигрировать к поверхностям полимера. В связи с этим кинематическая вязкость модификатора поверхности раздела фаз обычно составляет от приблизительно 0,7 до приблизительно 200 сантистокс (“сСт”), в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 1 до приблизительно 100 сСт и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 1,5 до приблизительно 80 сСт, что определено при 40°C. Кроме того, модификатор поверхности раздела фаз также обычно является гидрофобным, вследствие чего он обладает сродством к добавке микровключения, например, приводящим к изменению поверхностного натяжения на границе раздела фаз между матричным полимером и добавкой. При снижении физических сил на границах раздела между матричным полимером и добавками микровключения, считается, что низкая вязкость, гидрофобная природа модификатора могут способствовать усилению нарушения адгезии. При использовании в данном документе выражение “гидрофобный”, как правило, относится к материалу, имеющему краевой угол смачивания водой в воздухе приблизительно 40° или больше и в некоторых случаях приблизительно 60° или больше. Напротив, выражение “гидрофильный”, как правило, относится к материалу, имеющему краевой угол смачивания водой в воздухе менее приблизительно 40°. Одним подходящим испытанием для измерения угла смачивания является ASTM D5725-99 (2008).
Подходящие гидрофобные модификаторы поверхности раздела фаз низкой вязкости могут включать, например, силиконы, сополимеры силиконов-полимерных простых эфиров, сложные алифатические полиэфиры, сложные ароматические полиэфиры, алкиленгликоли (например, этиленгликоль, диэтиленгликоль, триэтиленгликоль, тетраэтиленгликоль, пропиленгликоль, полиэтиленгликоль, полипропиленгликоль, полибутиленгликоль и т.д.), алкандиолы (например, 1,3-пропандиол, 2,2-диметил-1,3-пропандиол, 1,3-бутандиол, 1,4-бутандиол, 1,5-пентандиол, 1,6-гександиол, 2,2,4-триметил-1,6-гександиол, 1,3-циклогександиметанол, 1,4-циклогександиметанол, 2,2,4,4-тетраметил-1,3-циклобутандиол и т.д.), аминоксиды (например, октилдиметиламиноксид), сложные эфиры жирных кислот, амиды жирных кислот (например, олеамид, эрукамид, стеарамид, этилен-бис(стеарамид) и т.д.), минеральные и растительные масла и так далее. Одним особенно подходящим жидким или полутвердым веществом является простой полиэфир-полиол, такой как коммерчески доступный под торговым названием Pluriol WI от BASF Corp. Другим подходящим модификатором является частично возобновляемый сложный эфир, такой как коммерчески доступный под торговым названием HALLGREEN IM от Hallstar.
В случае использования содержание модификатора поверхности раздела фаз может составлять от приблизительно 0,1 вес.% до приблизительно 20 вес.%, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 0,5 вес.% до приблизительно 15 вес.% и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 1 вес.% до приблизительно 10 вес.% термопластичной композиции на основе веса непрерывной фазы (матричного полимера(-ов)). Концентрация модификатора поверхности раздела фаз во всей термопластичной композиции может аналогично составлять от приблизительно 0,05 вес.% до приблизительно 20 вес.%, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 0,1 вес.% до приблизительно 15 вес.% и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 0,5 вес.% до приблизительно 10 вес.%.
При использовании в количествах, указанных выше, модификатор поверхности раздела фаз имеет свойства, позволяющие ему беспрепятственно мигрировать к поверхности раздела фаз полимеров и способствовать нарушению адгезии без нарушения общих свойств расплава термопластичной композиции. Например, модификатор поверхности раздела фаз, как правило, не оказывает пластицирующего воздействия на полимер путем снижения его температуры стеклования. Совсем наоборот, авторы настоящего изобретения обнаружили, что температура стеклования термопластичной композиции может быть практически такой же, что и у исходного матричного полимера. В связи с этим отношение температуры стеклования композиции к таковой у матричного полимера составляет, как правило, от приблизительно 0,7 до приблизительно 1,3, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 0,8 до приблизительно 1,2 и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 0,9 до приблизительно 1,1. Термопластичная композиция может, например, иметь температуру стеклования от приблизительно 35°C до приблизительно 80°C, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 40°C до приблизительно 80°C и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 50°C до приблизительно 65°C. Показатель текучести расплава термопластичной композиции может также быть близким к таковому у матричного полимера. Например, показатель текучести расплава композиции (на сухое вещество) может составлять от приблизительно 0,1 до приблизительно 70 грамм за 10 минут, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 0,5 до приблизительно 50 грамм за 10 минут и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 5 до приблизительно 25 грамм за 10 минут, определенный при нагрузке 2160 грамм и при температуре 190°C.
Можно также применять средства улучшения совместимости, которые улучшают межфазную адгезию и снижают поверхностное натяжения на границе раздела фаз между доменом и матрицей, тем самым допуская образование меньших доменов во время перемешивания. Примеры подходящих средств улучшения совместимости могут включать, например, сополимеры, функционализированные эпоксидными химическими фрагментами или малеиновым ангидридом. Примером средства улучшения совместимости на основе малеинового ангидрида является полипропилен-привитой-малеиновый ангидрид, коммерчески доступный от Arkema под торговыми названиями Orevac™ 18750 и Orevac™ CA 100. В случае использования содержание средств улучшения совместимости может составлять от приблизительно 0,05 вес.% до приблизительно 10 вес.%, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 0,1 вес.% до приблизительно 8 вес.% и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 0,5 вес.% до приблизительно 5 вес.% термопластичной композиции на основе веса матрицы непрерывной фазы.
Другие подходящие материалы, которые можно также применять в термопластичной композиции, такие как катализаторы, антиоксиданты, стабилизаторы, поверхностно-активные вещества, воски, твердые растворители, наполнители, структурообразователи (например, карбонат кальция и т.д.), пластификаторы, твердые частицы и другие материалы, добавляют для улучшения обрабатываемости и механических свойств термопластичной композиции.
Для образования термопластичной композиции компоненты, как правило, смешивают вместе с помощью любой из ряда известных методик. В одном варианте осуществления, например, компоненты можно доставлять по отдельности или в комбинации. Например, компоненты можно сначала смешивать в сухом виде с образованием практически однородной сухой смеси, и их аналогично можно доставлять либо одновременно, либо последовательно, в устройство для формования из расплава, с помощью которого смешивают материалы с дисперсией. Можно применять технологии порционного и/или непрерывного формования из расплава. Например, для смешивания и формования из расплава материалов можно использовать смеситель/месильную машину, смеситель типа Бенбери, смеситель непрерывного действия "Farrel Continuous Mixer", одношнековый экструдер, двухшнековый экструдер, вальцовую дробилку и т.д. Особенно подходящим устройством для формования в расплаве может быть вращающийся в одном направлении двухшнековый экструдер (например, экструдер ZSK-30, доступный от Werner & Pfleiderer Corporation, Рэмси, Нью-Джерси, или экструдер Thermo Prism™ USALAB 16, доступный от Thermo Electron Corp., Стоун, Англия). Такие экструдеры могут содержать подающие и выпускные отверстия и обеспечивать высокоинтенсивное распределительное и диспергирующее перемешивание. Например, компоненты можно подавать в один или различные подающие отверстия двухшнекового экструдера и смешивать в расплаве с образованием практически однородной расплавленной смеси. При необходимости другие добавки можно также вводить в полимерный расплав и/или отдельно подавать в экструдер в другой точке вдоль его длины.
-1
-1
-1
-1
-1
-1
3
3
Независимо от выбранной конкретной методики переработки, полученная смешанная в расплаве композиция, как правило, содержит микроразмерные домены добавки микровключения и наноразмерные домены добавки нановключения, как описано выше. Степень сдвига/давления и нагрев можно регулировать для обеспечения достаточной дисперсии, но не настолько высокой, чтобы неблагоприятно снизить размер доменов до такой степени, что они будут непригодны для достижения желаемых свойств. Например, смешивание, как правило, происходит при температуре от приблизительно 180°C до приблизительно 300°C, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 185°C до приблизительно 250°C и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 190°C до приблизительно 240°C. Аналогично, кажущаяся скорость сдвига во время переработки расплава может находиться в диапазоне от приблизительно 10 секунд до приблизительно 3000 секунд, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 50 секунд до приблизительно 2000 секунд и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 100 секунд до приблизительно 1200 секунд. Кажущаяся скорость сдвига может быть равна 4Q/πR, где Q – это объемный расход (“м/с”) расплава полимера и R представляет собой радиус (“м”) капилляра (например, экструзионной матрицы), через который течет расплавленный полимер. Конечно, для достижения желаемой степени однородности можно также регулировать другие переменные, такие как время пребывания во время переработки расплава, которое обратно пропорционально скорости пропускания материала.
Для достижения желаемых условий сдвига (например, степени, времени пребывания, скорости сдвига, температуры переработки расплава и т.д.) можно выбирать в определенном диапазоне скорость шнека(-ов) экструдера. Обычно с увеличением скорости шнека наблюдается увеличение в температуре продукта вследствие дополнительного подвода в систему механической энергии. Например, скорость шнека может варьировать от приблизительно 50 до приблизительно 600 оборотов в минуту (“об/мин”), в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 70 до приблизительно 500 об/мин и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 100 до приблизительно 300 об/мин. Результатом этого может быть температура, достаточно высокая для диспергирования добавки микровключения без неблагоприятного влияния на размер полученных доменов. Скорость сдвига расплава, и, в свою очередь, степень, до которой диспергированы добавки, можно также увеличивать посредством применения одного или нескольких распределительных и/или диспергирующих смешивающих элементов в смешивающей части экструдера. Подходящие распределительные смесители для одношнековых экструдеров могут включать, например, смесители Saxon, Dulmage, Cavity Transfer и т.д. Аналогично, подходящие диспергирующие смесители могут включать смесители Blister ring, Leroy/Maddock, CRD и т.д. Как хорошо известно из уровня техники, смешивание можно еще дополнительно улучшить использованием штифтов в цилиндре, которые создают неравномерность и переориентацию расплава полимера, таких как таковые, используемые в экструдерах Buss Kneader, смесителях Cavity Transfer и смесителях Vortex Intermeshing Pin (VIP).
Образование пор
II.
После образования, термопластичную композицию можно преобразовывать в полимерный материал и затем растягивать с созданием необходимой многомодальной поровой сети. Природа полимерного материала не имеет решающего значения, и он может находиться в форме листа, пленки, волокна, волокнистого полотна, профиля, литой формы, бруска и т.д. Как правило, полимерный материал характеризуется толщиной от приблизительно 1 до приблизительно 5000 микрометров, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 2 до приблизительно 4000 микрометров, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 5 до приблизительно 2500 микрометров и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 10 до приблизительно 500 микрометров. В качестве альтернативы, термопластичную композицию можно также растягивать in situ по мере ее формовки в желаемую форму (например, пленку или волокно) для полимерного материала.
В любом случае, деформационное растяжение (например, изгибание, растягивание, скручивание и т.д.) применяют по отношению к полимерному материалу, например посредством растяжения, в продольном направлении (например, машинном направлении), боковом направлении (например, поперечном направлении) и т.д., а также их комбинациях. Растягивание обычно можно осуществлять вручную или с применением традиционного оборудования (например, механическое вытягивание). Одной подходящей методикой механического вытягивания, например, является способ с использованием прижимных роликов, в котором материал пропускают в зазор, заданный между двумя роликами, по меньшей мере один из которых способен вращаться. В одном варианте осуществления по меньшей мере один из роликов содержит структуру приподнятых рельефных элементов, которые могут создавать в материале локальные деформации. Другой ролик аналогично может иметь рисунок или быть гладким (например, опорный ролик). Если на деформированные области оказывается усилие до уровня, превосходящего усилие образования пустот, эти области могут образовывать начальные поры. При воздействии дальнейшего усилия вытягивания области пор будут увеличиваться в размере, прежде чем остальной материал образует пустоты. Другой подходящий способ с использованием прижимных роликов включает использование рифленого ролика, через который способен проходить полимерный материал. Помимо использования зазора, можно также использовать вращательную скорость самих роликов для способствования приданию желаемой степени механического напряжения. В одном варианте осуществления, например, материал пропускают через последовательность роликов, которые поступательно вытягивают материал. Один такой подходящий способ выполнения такого вытягивания заключается в использовании ориентирующего устройства машинного направления (“MDO”). Блоки MDO, как правило, имеют множество роликов (например, от 5 до 8), которые могут поступательно вытягивать полимерный материал в машинном направлении. Материал можно вытягивать либо в одной, либо в нескольких отдельных операциях вытягивания. Следует отметить, что некоторые из вальцов в аппарате MDO могут не работать при поступательно возрастающих скоростях. Для вытягивания материала описанным выше образом обычно желательно, чтобы ролики MDO не были нагреты. Тем не менее, при необходимости, один или несколько роликов можно нагревать в небольшой степени для облегчения процесса вытягивания, при условии, что температура композиции остается ниже указанных выше диапазонов.
Break
Break
Chubb
Другим примером методики вытягивания является вытягивание через фильеру. В типичном процессе вытягивания через фильеру материал вначале экструдируют в первичную форму (например, профиль) и закаливают. Затем заготовку механически вытягивают через сужающуюся фильеру при нахождении в твердом состоянии. Одним особенно пригодным процессом вытягивания через фильеру является пултрузия, во время которой материал вытягивают или протягивают сквозь фильеру с образованием заданного профиля или формы, определенной формой фильеры. Помимо вытягивания через фильеру, можно также применять другие технологии механического вытягивания. В одном варианте осуществления, например, можно применять вытягивание листа, такое как вытягивание на раме для растягивания, вытягивание с листогибкой и т.д. В одном конкретном варианте осуществления, например, полимерный материал можно механически вытягивать в виде листа с помощью механического, электрического, гидравлического или пневматического листогибочного устройства. Листогибочное устройство может включать поверхность, где изначально размещают материал, прижимную планку и изгибающий элемент, приподнятый для создания изгиба в материале. Более конкретно, листогибочное устройство может включать множество обычно c-образных элементов, каждый из которых представляет собой противоположные прижимные поверхности для приема полимерного материала. Помимо этого, для свободно вращающейся поддержки изгибающих элементов для изгиба материала, расположенного между прижимными поверхностями, можно применять муфтовое соединение. Муфтовое соединение обычно содержит штекерную часть и гнездовую часть в скользящем зацеплении друг с другом или соединенные друг с другом болтовым шарнирным соединением. Такие листогибочные устройства известны из уровня техники и описаны более подробно, например, в патенте США № 4282735, выданном ; 4557132, выданном , и 6389864, выданном .
Еще одна методика включает использование текучей среды (например, газа) для передачи материалу желаемой степени энергии и напряжения. Одним таким способом является, например, аспирация, которая, как правило, включает использование нагнетаемого воздуха для вытягивания материала. Например, для вытягивания волокна можно использовать аспиратор, такой как линейный аспиратор волокна по типу, показанному в патентах США №№ 3802817 и 3423255. Аспиратор для вытягивания волокна обычно содержит удлиненный вертикальный канал, через который волокна вытягиваются всасываемым воздухом, входя с боков канала и протекая вниз по каналу. Нагреватель или воздуходувка могут осуществлять приток всасываемого воздуха, заставляющий волокна вытягиваться или утончаться.
Независимо от выбранной конкретной методики степень вытягивания (например, в машинном направлении) может быть такой, что достигается коэффициент вытягивания от приблизительно 1,1 до приблизительно 3,5, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 1,2 до приблизительно 3,0 и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 1,3 до приблизительно 2,5. Коэффициент вытягивания можно определить делением длины растянутого материала на его длину до растягивания. Скорость можно также изменять с целью способствования достижению желаемых свойств, например, в диапазоне от приблизительно 5% до приблизительно 1500% за минуту деформации, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 20% до приблизительно 1000% за минуту деформации и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 25% до приблизительно 850% за минуту деформации. Материал, как правило, в течение вытягивания хранят при температуре ниже температуры стеклования матричного полимера и/или добавки микровключения. Помимо прочего, это позволяет обеспечить неизменность полимерных цепей до такой степени, чтобы поровая сеть стала нестабильной. Например, материал можно растягивать при температуре, которая по меньшей мере приблизительно на 10°C, в некоторых вариантах осуществления по меньшей мере приблизительно на 20°C и в некоторых вариантах осуществления по меньшей мере приблизительно на 30°C ниже температуры стеклования матричного полимера. Например, материал можно растягивать при температуре от приблизительно -50°C до приблизительно 125°C, предпочтительно от приблизительно -25°C до приблизительно 100°C и более предпочтительно от приблизительно -20°C до приблизительно 50°C. В некоторых вариантах осуществления растягивание может происходить при окружающих условиях, таких как при температуре от приблизительно 0°C до приблизительно 50°C, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 5°C до приблизительно 40°C и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 10°C до приблизительно 35°C.
Помимо образования поровой сети, растягивание может также значительно увеличить осевой размер микроразмерных доменов так, что они будут иметь в целом линейную, удлиненную форму, что может улучшить механические свойства и устойчивость полученного в результате полимерного материала. Например, микроразмерные домены удлиненной формы могут характеризоваться осевым размером, который приблизительно на 10% или больше, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 20% до приблизительно 500% и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 50% до приблизительно 250% больше, чем осевой размер доменов до растягивания. Средний осевой размер после растягивания может находиться в диапазоне, например, от приблизительно 0,5 до приблизительно 250 микрометров, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 1 до приблизительно 100 микрометров, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 2 до приблизительно 50 микрометров и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 5 до приблизительно 25 микрометров. Микроразмерные домены могут быть относительно тонкими, таким образом, иметь малый размер поперечного сечения. Например, средний размер поперечного сечения может составлять от приблизительно 0,05 до приблизительно 50 микрометров, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 0,2 до приблизительно 10 микрометров и в некоторых вариантах осуществления от 0,5 до приблизительно 5 микрометров. В результате это может привести к отношению сторон для микроразмерных доменов (отношению осевого размера к размеру поперечного сечения), составляющему от приблизительно 2 до приблизительно 150, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 3 до приблизительно 100 и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 4 до приблизительно 50.
Микрочастицы
III.
Pallmann
После образования поровой сети из полимерного материала могут быть образованы микрочастицы с помощью любой из ряда известных методик. Например, в некоторых вариантах осуществления полимерный материал может быть легко уменьшен до необходимых частиц посредством механической обработки. Например, уменьшение размера посредством ударного действия, при котором, как правило, используют устройство для измельчения, содержащее вращающийся измельчающий элемент, может применяться с образованием микрочастиц. Повторяющееся ударное и/или сдвиговое напряжение может создаваться между вращающимся измельчающим элементом и неподвижным или вращающимся в противоположном направлении измельчающим элементом. При уменьшении размера посредством ударного действия может также использоваться поток воздуха для перемещения на измельчающий диск и ударения материала с измельчающим диском (или другим сдвиговым элементом). Одним особенно подходящим устройством для уменьшения размера посредством ударного действия является коммерчески доступное от Pallmann Industries (Клифтон, Нью-Джерси) под наименованием Turbofiner, тип PLM. В данном устройстве в цилиндрической камере измельчения создается высокоактивное вихревое движение воздуха между неподвижным измельчающим элементом и вращающимся измельчающим элементом ударной мельницы. За счет большого объема воздуха полимерный материал может подвергаться ударному действию и размер может быть уменьшен до необходимого размера частиц. Другие подходящие способы уменьшения размера посредством ударного действия могут быть описаны в патентах США №№ 6431477 и 7510133, оба выданы .
Khait
Furgiuele, et al.
Khait, et al.
Khait
Torkelson, et al.
Другим подходящим способом образования микрочастиц является уменьшение размера посредством холодной экструзии, при котором обычно используют сдвиговые и сжимающие усилия для образования частиц. Например, материал может проталкиваться через головку при температурах ниже точки плавления матричного полимера. Твердофазное сдвиговое растирание является другим подходящим способом, который может применяться. Такие способы обычно включают непрерывную экструзию материала при условиях высоких сдвиговых и сжимающих усилий, при этом цилиндры экструдера и шнек охлаждают для предотвращения плавления полимера. Примеры таких методик твердофазного растирания описаны, например, в патентах США №№ 5814673, выданном ; 6479003, выданном ; 6494390, выданном ; 6818173, выданном ; и публикации заявки на патент США № 2006/0178465, выданном  Еще одной подходящей методикой образования микрочастиц является методика, известная как помол в криогенной дисковой мельнице. При помоле в криогенной дисковой мельнице обычно используют жидкость (например, жидкий азот) для охлаждения или заморозки материала до и/или во время измельчения. В одном варианте осуществления может использоваться устройство для дискового помола с одним рабочим диском, которое имеет неподвижный диск и вращающийся диск. Материал поступает в пространство между дисками через канал вблизи центра диска и формуется в микрочастицы посредством сил трения, создаваемых между дисками. Одно подходящее устройство для помола в криогенной дисковой мельнице доступно под названием система для криогенного измельчения Wedco от ICO Polymers (Аллентаун, Пенсильвания).
Получаемые микрочастицы по настоящему изобретению могут принимать любую необходимую форму, например, чешуйчатую, округлую, сферическую, трубчатую и т.д., и могут включать термопластичную композицию, описанную выше, а также другие материалы, покрытия и т.д. Размер частиц может регулироваться для оптимизации характеристик для конкретного применения. Однако, как правило, микрочастицы могут характеризоваться медианным размером (например, диаметром) от приблизительно 1 до приблизительно 2000 микрометров, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 10 до приблизительно 1000 микрометров и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 100 до приблизительно 600 микрометров. Применяемое в данном документе выражение “медианный” размер относится к распределению частиц по размеру “D50”, которое означает, что по меньшей мере 50% микрочастиц имеет указанный размер. Микрочастицы аналогично могут характеризоваться распределением по размеру D90 (по меньшей мере 90% микрочастиц имеют указанный размер) в диапазонах, указанных выше.
Активные средства
IV.
Несмотря на то, что никоим образом не требуется, микрочастицы по настоящему изобретению необязательно могут содержать активное средство. Например, в некоторых вариантах осуществления микрочастицы могут регулируемым образом высвобождать активное средство с обеспечением определенного терапевтического положительного воздействия. Применяемое в данном документе выражение “активное средство” обычно относится к любому соединению или смеси соединений, с помощью которых можно получить определенный результат. Активное средство может быть предусмотрено в ряде различных форм (например, жидкость, твердое вещество, гель, взвесь, наночастицы металла, наноглина и т.д.) и может быть выбрано из ряда известных классов соединений. Активные средства могут включать биологически активные средства, химически активные средства, а также их комбинации. Для биологически активных средств, например, как правило, необходимый результат (например, физиологический) достигается при контакте с живым организмом (например, млекопитающего, такого как человек) и/или поверхностью, посредством которой живой организм может вступать в контакт. Некоторые примеры подходящих с биологической точки зрения активных средств могут включать, например, белки, пептиды, нуклеотиды, лекарственные средства против ожирения, нутрицевтики, пищевые добавки, каротиноиды, кортикостероиды, ингибиторы эластазы, противомикробно активные соединения (например, биоциды, противогрибковые средства, антибиотики, антибактериальные средства и т.д.), медиаторы клеточной адгезии, противоаллергические средства, противорвотные средства, анальгезирующие средства, средства для сердечнососудистой системы, противовоспалительные средства, противоглистные средства, противоаритмические средства, антикоагулянты, антидепрессанты, противодиабетические средства, противоэпилептические средства, антигистаминные средства, антигипертензивные средства, антимускариновые средства, противоопухолевые средства, антиоксиданты (например, витамин E), иммуносупрессанты, антитиреоидные средства, анксиолитические седативные средства (снотворные средства и нейролептики), вяжущие средства, средства, блокирующие бета-адренорецепторы, препараты крови и кровезаменители, инотропные сердечные средства, контрастное средство, кортикостероиды, косметические средства, средства от кашля (отхаркивающие средства и муколитики), дезодорирующие средства, дермальные средства (например, лекарственный препарат против акне, средства против морщин, и т.д.), диагностические средства, средства диагностической визуализации, диуретики, дофаминергические средства (антипаркинсонические средства), смягчающие средства, ароматизирующие средства, кровоостанавливающие средства, иммунологические средства, средства, отпугивающие насекомых, средства регуляции содержания липидов, увлажняющие средства, мышечные релаксанты, противоопухолевые терапевтические средства, парасимпатомиметики, кальцитонин паращитовидной железы и дифосфонаты, простагландины, радиофармацевтические средства, половые гормоны (в том числе стероиды), солнцезащитные средства, стимуляторы и аноректики (например, кофеин), симпатомиметики, тиреоидные средства, сосудорасширяющие средства и ксантины.
-я
-я
Особенно подходящие биологически активные средства для применения в настоящем изобретении представляют собой такие средства, которые можно применять местно по отношению к поверхности (например, телу человека, твердой поверхности и т.д.), такие как противомикробные активные средства, солнцезащитные средства, косметические средства, дермальные средства, ароматизирующие средства, средства, отпугивающие насекомых, увлажняющие средства, дезодорирующие средства и т.д. В одном определенном варианте осуществления, например, активное средство может представлять собой противомикробное активное средство. Одним классом противомикробных активных средств, который может использоваться в настоящем изобретении, являются масла растительного происхождения. Масло растительного происхождения может представлять собой “эфирное” масло, которое экстрагируют из растения. Подобным образом, масло растительного происхождения также может быть выделено, или очищено от эфирного масла, или оно может быть легко получено синтетически с воспроизведением соединения, полученного из растения (например, полученный синтетически тимол). Масла растительного происхождения обычно являются растворимыми в липидах и, как полагают, проявляют противомикробную эффективность за счет их способности вызывать разрушение липидного компонента клеточной мембраны в микроорганизмах, посредством чего происходит ингибирование их пролиферации. Эфирные масла получают из трав, цветков, деревьев и других растений, и они, как правило, присутствуют в виде очень маленьких капелек между клетками растений и могут быть экстрагированы с помощью способов, известных специалисту в данной области техники (например, перегонкой с водяным паром, анфлеражем (то есть, экстракцией с применением жира(-ов)), мацерацией, экстракцией растворителем или механическим выжиманием). Примеры подходящих эфирных масел для применения в настоящем изобретении могут включать, например, анисовое масло, лимонное масло, апельсиновое масло, масло орегано, розмариновое масло, винтергриновое масло, тимьяновое масло, лавандовое масло, гвоздичное масло, масло хмеля, масло чайного дерева, цитронелловое масло, масло ростков пшеницы, масло ячменя, лемонграссовое масло, американское можжевеловое масло, масло кедрового дерева, коричное масло, масло блошной травы, гераниевое масло, санталовое масло, фиалковое масло, масло клюквы, эвкалиптовое масло, масло вербены, масло мяты перечной, бензойную смолу, базиликовое масло, фенхелевое масло, пихтовое масло, бальзамовое масло, ментол, масло душицы, масло Hydastis carradensis, масло Berberidaceae daceae, масло Ratanhiae и Curcuma longa, сезамовое масло, масло ореха макадамия, масло вечерней примулы, масло шалфея испанского, масло розмарина испанского, масло из плодов кориандра, тимьяновое масло, масло душистого перца, розовое масло, бергамотное масло, масло розового дерева, масло обыкновенной ромашки, масло шалфея, масло шалфея мускатного, масло кипариса, масло критмума морского, олибановое масло, имбирное масло, грейпфрутовое масло, жасминовое масло, можжевеловое масло, лаймовое масло, мандариновое масло, масло майорана, масло мирры, неролиевое масло, масло пачули, перечное масло, масло черного перца, петигреновое масло, хвойное масло, болгарское розовое масло, масло мяты кудрявой, масло аралии или ветиверовое масло. Тем не менее, другие эфирные масла, известные специалистам в данной области техники, также рассматриваются как полезные в контексте настоящего изобретения (например, International Cosmetic Ingredient Dictionary, 10 и 12 редакции, 2004 и 2008, соответственно).
Карвакрол- и тимол-содержащие масла могут быть очищены из видов Origanum vulgare вариетета hirtum. В идеальном случае это осуществляют из гибридной линии, которая продуцирует высококачественные масла, но не ограничиваются данным родом, видами или линией. Масляный экстракт также могут получать из растения рода Nepeta, в том числе, но без ограничения, видов Nepeta racemosa (котовник кошачий), Nepeta citriodora, Nepeta elliptica, Nepeta hindostoma, Nepeta lanceolata, Nepeta leucophylla, Nepeta longiobracteata, Nepeta mussinii, Nepeta nepetella, Nepeta sibthorpii, Nepeta subsessilis, Nepeta tuberosa, Thymus glandulosus, Thymus hyemalis, Thymus vulgaris и Thymus zygis.
Как указано выше, могут также использоваться выделенные вещества и/или производные эфирных масел. Например, монотерпен-фенолы являются особенно подходящими, при этом они могут быть выделены и очищены из экстрактов растительного масла или могут быть получены синтетически с помощью известных способов. Подходящие монотерпен-фенолы могут включать, например, тимол, карвакрол, эвкалиптол и т.д. Тимол (изопропил-крезол) является одним особенно подходящим монотерпен-фенолом, который представляет собой кристаллическое вещество, которое характеризуется точкой кипения приблизительно 238°C при атмосферном давлении. Карвакрол (изопропил-o-крезол), изомер тимола, является другим подходящим соединением. Карвакрол представляет собой жидкость с точкой кипения приблизительно 233°C при атмосферном давлении. Тимол и карвакрол, а также их изомеры могут быть получены из экстрактов растительного масла или синтезированы. Например, карвакрол может быть синтезирован с помощью реакции азотистой кислоты с 1-метил-2-амино-4-пропилбензолом. В дополнение к применению в выделенной или предварительно синтезированной форме могут использоваться эфирные масла, содержащие монотерпен-фенолы в качестве главных составляющих, при конечных концентрациях монотерпен-фенолов, находящихся в диапазонах, предусмотренных в данном документе. Выражение “главная составляющая” обычно относится к таким эфирным маслам, которые содержат монотерпен-фенолы в количестве более чем 50 вес.%. Из уровня техники хорошо известно, что такие эфирные масла могут также содержать меньшие количества других составляющих, таких как соединения, не относящиеся к ароматическим терпенам. Эфирные масла с органическими фенольными соединениями в качестве главной составляющей включают, например, анисовое масло, бестерпеновое лавровое масло, масло бутонов гвоздичного дерева, масло листа гвоздики, гвоздичное масло, масло стебля гвоздики, масло душицы, перуанский бальзам, пиментовое масло, эвкалиптовое масло и тимьяновое масло.
В дополнение к маслам растительного происхождения в настоящем изобретении также могут использоваться другие известные противомикробные активные средства. Некоторые примеры таких активных средств могут включать, например, частицы металла (например, наночастицы металлов), наноглины, галогенированные соединения (например, п-хлорметаксиленол (“PCMX”), 2,4,4'-трихлор-2-гидроксидифениловый эфир (“триклозан”), глюконат хлоргексидина (“CHG”) и т.д.); бигуанидные соединения (например, полигексаметилена бигуанид (“PHMB”)); соединения четвертичного аммония (например, бехеналкония хлорид, цетилпиридиния хлорид, соединения четвертичного аммония на кремнийорганической основе и т.д.) и так далее.
Как указано выше, в настоящем изобретении могут также использоваться химически активные средства. Без ограничения, некоторые примеры таких средств могут включать, например, антиоксиданты, такие как витамин E, токоферила ацетат, ретинилпальмитат и т.д.; модификаторы вязкости; смазывающие средства; огнеупорные или огнезащитные средства; соединения, представляющие собой удобрение; и так далее.
Относительное процентное содержание активных средств в термопластичной композиции можно выбирать при применении для обеспечения необходимых преимуществ. Например, активные средства можно применять в количестве от приблизительно 1 вес.% до приблизительно 60 вес.%, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 5 вес.% до приблизительно 50 вес.% и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 10 вес.% до приблизительно 40 вес.%, исходя из веса непрерывной фазы (матричный полимер(-ы)). Концентрация средств относительно всей термопластичной композиции может аналогично составлять от приблизительно 0,5 вес.% до приблизительно 50 вес.%, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 1 вес.% до приблизительно 30 вес.% и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 2 вес.% до приблизительно 25 вес.%.
Активное средство, как правило, можно вводить в микрочастицы до, во время и/или после создания поровой сети. Например, в одном варианте осуществления активное средство вводят в полимерный материал после образования поровой сети. Например, полимерный материал может быть изначально образован и затем растянут для создания поровой сети, а затем растянутый полимерный материал может быть сформован в микрочастицы. В таких вариантах осуществления активное средство можно приводить в контакт с растянутым материалом до или после образования микрочастиц. Методики приведения в контакт полимерного материала с активным средством могут включать, например, пропитку, нанесение покрытия, печать, погружение в ванну, экструзию из расплава и т.д. В других вариантах осуществления активное средство можно приводить в контакт с полимерным материалом во время или до образования поровой сети. В одном варианте осуществления, например, материал может быть приведен в контакт (например, погружен в ванну) с активным средством по мере растягивания. Аналогично, активное средство может быть объединено с компонентами термопластичной композиции перед растягиванием. Например, в одном варианте осуществления активное средство может быть смешано в расплаве с матричным полимером и добавками включения способом, описанным выше, и после этого может быть произведено растягивание с созданием поровой сети. Активное средство также может быть включено в полимерный материал после его образования, но все же до растягивания.
Применения
V.
Микрочастицы по настоящему изобретению можно применять для широкого ряда случаев применения. Например, микрочастицы можно применять для культивирования ткани, направленной регенерации ткани, сбора стволовых клеток in vivo, культивирования или дифференциации, доставки и прикрепления активных средств и т.д. Например, микрочастицы можно вводить (или приводить в контакт другим способом) в ткань или орган (например, сердце, почку, спинной мозг, матку, печень или поджелудочную железу) посредством способов, известных из уровня техники. В некоторых вариантах осуществления микрочастицы можно вводить в ткань и/или орган субъекта, например, печень, легкое, матку, сердце, нервную систему (например, позвоночник, спинной мозг и т.д.), головной мозг, поджелудочную железу и т.д., и/или кровеносный сосуд, вену, артерию и т.д. в пределах ткани или органа. Микрочастицы можно доставлять системно или местно в необходимую ткань или орган. В некоторых вариантах осуществления микрочастицы можно вводить в ткань или орган до, во время или после хирургического вмешательства. В других вариантах осуществления микрочастицы доставляют в ткань или орган с помощью нехирургических способов, например, либо местно, путем непосредственной инъекции в выбранные ткани, в удаленный участок с обеспечением пассивной циркуляции к целевому участку, либо в удаленный участок с активным направлением в целевой участок с помощью магнита. Такие нехирургические способы доставки включают, например, введение путем инфузии или внутрисосудистое (например, внутривенное или внутриартериальное), внутримышечное, внутрибрюшинное, подоболочечное, внутрикожное или подкожное введение. Например, микрочастицы можно вводить с помощью катетера или инъецировать с применением иглы, прикрепленной к шприцу.
Микрочастицы можно применять для ряда различных предназначений, охватывающих трансплантацию клеток (например, отделение клеток и непрерывную перфузию), клеточный рост, регенерацию ткани, доставку активного средства и т.д. Например, в некоторых вариантах осуществления может быть предусмотрен способ образования и формирования ткани, который включает введение многомодальных пористых микрочастиц субъекту, такому как млекопитающее. Например, микрочастицы можно применять при терапии стволовыми клетками в качестве каркаса для обеспечения дифференциации стволовых клеток и формирования ткани. Инъекция микрочастиц (необязательно с активными средствами, такими как селектины, гормоны, клеточные рецепторы, вирусы, фармацевтические средства и т.д.) может привести к миграции стволовых клеток или целевых клеток (для сбора, обработки или дифференциации в линии терминальных клеток) или, в определенных вариантах осуществления, к in vitro созданию функциональных клеточных групп или органов (органогенез). Конкретные неограничивающие случаи применения терапии стволовыми клетками включают инъекцию микрочастиц и стволовых клеток в печень или легкие, которые обладают уникальными анатомическими характеристиками, такими как сосудистый приток посредством как артериального снабжения, так и притока через ворота органа, и при этом легкое характеризуется двойным притоком кровоснабжения через легочную артерию и бронхиальные артерии, для концентрирования, сбора или дифференциации.
В контексте трансплантации клеток или формирования ткани микрочастицы по настоящему изобретению могут быть образованы из биоразлагаемого полимера (например, полимолочной кислоты) и, таким образом, разлагаться с течением времени, оставляя только сформированную или трансплантированную клеточную структуру. Разлагаемые микрочастицы могут также обеспечивать повышенный кровоток к доставленным средствам и повышенное проникновение средств в целевые ткани. Постепенное разрушение микрочастиц может также обеспечить постепенную доставку локализованного средства (такого как лекарственное средство или средство лучевой терапии) в целевой участок.
Микрочастицы по настоящему изобретению можно также применять для широкого спектра других предназначений, таких как внутриартериальная терапия близкофокусным радиоактивным излучением (например, инфузия радиоактивных материалов через артерию в целевой участок), трансплантация островковых клеток (например, имплантация инсулин-продуцирующих клеток в печень субъекта), генная терапия, секвестрация клеток, химиоэмболизация, радиоэмболизация, доставка средства для визуализации, косметическая терапия, местная или трансдермальная доставка, сбор ткани и т.д. Микрочастицы можно вводить одновременно с клеточной доставкой, которая может включать, без ограничения, трансплантацию островковых клеток поджелудочной железы при диабете, введение стволовых клеток для восстановления или поддержания миокарда, стимуляцию роста костей или синтез в костных структурах и введение стволовых клеток с помощью катетера в печень или легкое. В некоторых вариантах осуществления клетки (например, стволовые клетки) можно вводить в ткань, орган до введения микрочастиц. В других вариантах осуществления клетки (например, стволовые клетки) можно вводить параллельно с микрочастицами.
Как указано выше, в некоторых вариантах осуществления микрочастицы можно применять для доставки активного средства, например, в клетки, ткани и/или органы, нуждающиеся в этом. Говоря в общем, активное средство способно к контролируемому высвобождению из микрочастиц благодаря их многомодальному распределению пор по размеру. Точный профиль высвобождения отчасти зависит от размера микропор и нанопор, который можно подстраивать путем регуляции степени растягивания и/или температуры, при которой проводят растягивание, как обсуждалось выше. В некоторых случаях может быть необходима инициация высвобождения части активного средства в относительно короткий промежуток времени. Такое “взрывное высвобождение”, например, может применяться для быстрого достижения терапевтического количества активного средства. Однако даже после такого быстрого высвобождения уникальная природа поровой сети может позволить остальной части активного средства, подлежащего регулируемому высвобождению в течение продолжительного периода времени, например, обеспечивать поддержание средства при терапевтическом уровне. Можно применять различные известные механизмы для запуска взрывного высвобождения активного средства, такие как применение жидкости (например, растворителя), давления (например, выжимание, втирание, складывание и т.д.), нагрева и т.д. Например, в одном варианте осуществления микрочастицы можно нагревать до температуры стеклования матричного полимера или выше температуры стеклования матричного полимера, такой как при от приблизительно 40 до приблизительно 200°C, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 50°C до приблизительно 150°C и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 70°C до приблизительно 120°C. При таких температурах полимер будет начинать течь и вызывать нарушение устойчивости и разрушение пор, что может вызвать быстрое высвобождение значительной части активного средства из материала.
Следует понимать, что несмотря на то, что никоим образом не требуется, может быть предусмотрен слой или материал для вторичной инкапсуляции с целью способствования медленному высвобождению активного средства до необходимости. Микрочастицы можно также применять с другими типами поверхностных обработок, покрытий, и т.д., такими как многослойные покрытия (например, полиэлектролиты), для придания ряда различных функций, таких как изменение химии поверхностных явлений, физических свойств (например, гидрофобности или гидрофильности), сродства к маслам, сродства к веществам биологического происхождения (например, белкам) и так далее.
Микрочастицы по настоящему изобретению могут также хорошо подходить для применения в ряде различных типов изделий, таких как впитывающие изделия, маски, крема, гели, лосьоны, мази, масла и т.д. Например, микрочастицы могут быть включены в масло, как например, для доставки химически активного средства (например, модификатора вязкости). В других вариантах осуществления микрочастицы могут быть включены во “впитывающее изделие”, как например, для доставки биологически активного средства (например, противомикробного активного средства). Впитывающие изделия обычно способны впитывать воду или другие жидкости и без ограничения могут включать впитывающие изделия личной гигиены, такие как подгузники, трусы, приучающие к горшку, впитывающие трусы, изделия, применяемые при недержании, женские гигиенические продукты (например, гигиенические прокладки), купальники, детские влажные салфетки, салфетки для рук и так далее; медицинские впитывающие изделия, такие как предметы одежды, материалы для фенестрации, подкладные пеленки, наматрасники, перевязочные материалы, впитывающие хирургические салфетки и медицинские салфетки; полотенца для общественного питания; изделия одежды; сумки и так далее.
Материалы и способы, подходящие для получения таких изделий, хорошо известны специалистам в данной области. Например, впитывающие изделия, как правило, включают, по сути, непроницаемый для жидкости слой (например, наружное покрытие), проницаемый для жидкости слой (например, верхний слой, волнистый распределяющий слой, вентиляционный слой, оберточный материал и т.д.) и впитывающую сердцевину. Верхний слой, например, обычно используют для способствования изоляции кожи пользователя от жидкостей, удерживаемых во впитывающей сердцевине. За счет его близости к коже в верхнем слое обычно используют волокнистое полотно для обеспечения ощущения, подобного ткани. При необходимости, волокнистое полотно, применяемое в верхнем слое, может содержать микрочастицы, образованные в соответствии с настоящим изобретением, которые могут быть выполнены с возможностью высвобождения активного средства на кожу пользователя. Наружное покрытие подобным образом выполняют непроницаемым для жидкости, но все же, как правило, проницаемым для газов и водяных паров (то есть, "воздухопроницаемым"). Это обеспечивает парам выход из впитывающей сердцевины, но все еще предотвращает прохождение жидких выделений через наружное покрытие. В то время как наружное покрытие обычно содержит пленку для придания необходимой непроницаемости для жидкостей, волокнистое полотно часто покрывает пленку в качестве внешнего слоя для придания большего ощущения ткани.
Krzysik, et al.
Amundson, et al.
Cole
Win, et al.
Kopacz, et al.
Jackson, et al
В еще одном варианте осуществления микрочастицы по настоящему изобретению могут быть включены в салфетку, выполненную с возможностью применения по отношению к коже, такую как салфетка для детей, салфетка для взрослых, салфетка для рук, салфетка для лица, косметическая салфетка, хозяйственная салфетка, салфетка для промышленных целей, индивидуальная салфетка для очищения, ватный шарик, ватный тампон и так далее. Салфетка может принимать ряд форм, в том числе без ограничения обычно круглую, овальную, квадратную, прямоугольную или неправильную форму. Каждая отдельная салфетка может быть расположена в сложенной конфигурации и уложена одна сверху другой с получением пачки влажных салфеток. Такие сложенные конфигурации хорошо известны специалисту в данной области техники и включают c-сложенную, z-сложенную, сложенную в четверо конфигурации и так далее. Например, салфетка может иметь длину в несложенном состоянии от приблизительно 2,0 до приблизительно 80,0 сантиметров и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 10,0 до приблизительно 25,0 сантиметров. Подобным образом салфетки могут иметь ширину в несложенном состоянии от приблизительно 2,0 до приблизительно 80,0 сантиметров и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 10,0 до приблизительно 25,0 сантиметров. Пачка сложенных салфеток может быть помещена во внутреннее пространство контейнера, такого как пластмассовая коробка, с получением упаковки салфеток для конечной реализации потребителю. В качестве альтернативы, салфетки могут включать непрерывную полосу материала, которая имеет перфорационные отверстия между каждой салфеткой и которая может быть расположена в пачке или намотана в рулон для раздачи. Салфетка может представлять собой “влажную салфетку” в том отношении, что она содержит раствор для очистки, дезинфицирования, санации и т.д. Конкретные растворы для влажных салфеток не имеют решающего значения для настоящего изобретения и описаны подробнее в патентах США №№ 6440437, выданном ; 6028018, выданном ; 5888524, выданном ; 5667635, выданном ; 5540332, выданном ; и 4741944, выданном .
Следующие приведенные эксперименты будут способствовать большему пониманию настоящего изобретения.
Методы испытания
Свойства пленки при растяжении
Пленки можно подвергать испытаниям на свойства при растяжении (максимальное напряжение, модуль, удлинение при разрыве и энергия при разрыве на единицу объема) на раме растяжения MTS Synergie 200. Испытание можно проводить в соответствии с ASTM D638-10 (при приблизительно 23°C). Образцы пленки перед испытанием можно нарезать в формы с заплечиками с шириной в центре 3,0 мм. Образцы пленки с заплечиками можно удерживать на месте с использованием захватов на устройстве MTS Synergie 200 с рабочей длиной 18,0 мм. Образцы пленки можно растягивать при скорости перемещения траверсы 5,0 дюйм/мин до возникновения разрыва. Для каждой пленки можно провести испытание пяти образцов как в машинном направлении (MD), так и в поперечном направлении (CD). Для сбора данных при проведении испытания и для получения кривой зависимости деформаций от напряжения, из которой можно определить ряд свойств, включая модули, максимальное напряжение, удлинение и энергию при разрыве, можно использовать компьютерную программу (например, TestWorks 4).
Показатель текучести расплава
Показатель текучести расплава (“MFR”) - это масса полимера (в граммах), продавливаемого через отверстие экструзионного пластометра (диаметр 0,0825 дюйма) при воздействии нагрузки 2160 грамм в течение 10 минут, как правило, при 190°C, 210°C или 230°C. Если не указано иное, показатель текучести расплава измеряют в соответствии с методикой испытания ASTM Test Method D1239 с помощью экструзионного пластометра Tinius Olsen.
Плотность и объем пор в процентах
i
i
i
f
f
f
i
i
i
i
i
f
f
f
f
f
f
f
i
i
v
v
Для определения плотности и объема пор в процентах вначале можно измерить ширину (W) и толщину (T) образца до растягивания. Длину (L) перед растягиванием можно также определить путем измерения расстояния между двумя отметками на поверхности образца. После этого образец можно растягивать для инициирования порообразования. Затем можно измерить ширину (W), толщину (T) и длину (L) образца с точностью 0,01 мм, используя электронно-цифровой штангенциркуль (Mitutoyo Corporation). Объем (V) до растягивания можно рассчитать по формуле W x T x L = V. Объем (V) после растягивания также можно рассчитать по формуле W x T x L = V. Плотность (Ρ) можно рассчитать по формуле: Ρ = Ρ/Φ, где Ρ представляет собой плотность материала заготовки; и объем пор в процентах (% V) можно вычислить по формуле: %V = (1 – 1/ Φ) x 100.
Содержание влаги
Содержание влаги можно определять с помощью прибора для определения влаги Arizona Instruments Computrac Vapor Pro (модель № 3100) в соответствии со стандартом ASTM D 7191-05, который включен в данный документ во всей своей полноте посредством ссылки. Температура испытания (§X2.1.2) может составлять 130°C, размер образца (§X2.1.1) может составлять от 2 до 4 грамм, а время продувки ампулы (§X2.1.4) может составлять 30 секунд. Кроме того, критерий завершения (§X2.1.3) можно определить как режим "предсказания", что означает, что испытание будет окончено, когда встроенный запрограммированный критерий (с помощью которого математически рассчитывают конечную точку содержания влаги) будет удовлетворен.
ПРИМЕР 1
3
Была продемонстрирована возможность образования микрочастиц в соответствии с настоящим изобретением. Первоначально, термопластичная композиция была образована из 85,3 вес.% полимолочной кислоты (PLA 6201D, Natureworks), 9,5 вес.% добавки микровключения, 1,4 вес.% добавки нановключения и 3,8 вес.% внутреннего модификатора поверхности раздела фаз. Добавкой микровключения являлась Vistamaxx™ 2120 (ExxonMobil), представляющая собой эластомер на основе сополимера полипропилена и полиэтилена с показателем текучести расплава 29 г/10 мин (190°C, 2160 г) и плотностью 0,866 г/см. Добавкой нановключения был сополимер этилена, метилакрилата и глицидилметакрилата (Lotader AX8900, Arkema), имеющий показатель текучести расплава 5-6 г/10 мин (190°C/2160 г), содержание глицидилметакрилата от 7 до 11 вес.%, содержание метилакрилата от 13 до 17 вес.% и содержание этилена от 72 до 80 вес.%. Внутренним межфазным модификатором был PLURIOL WI 285 Lubricant от BASF, представляющий собой функциональную жидкость на основе полиалкиленгликоля.
Для смешивания полимеры подавали во вращающийся в одном направлении двухшнековый экструдер (ZSK-30, диаметр 30 мм, длина 1328 миллиметров), произведенный Werner and Pfleiderer Corporation, Рэмси, Нью-Джерси. Экструдер имел 14 зон, пронумерованных последовательно 1-14 от загрузочной воронки к фильере. Первая зона цилиндра № 1 получала смолы через весовой дозатор с общей подающей способностью 15 фунтов в час. В зону цилиндра № 2 добавляли PLURIOL WI285 через насос-форсунку. Фильера, использованная для экструзии смолы, имела 3 канала фильеры (6 миллиметров в диаметре), разделенные расстояниями 4 миллиметра. При образовании экструдированную смолу охлаждали на охлаждаемой вентилятором ленте транспортера и формовали в гранулы с помощью гранулятора Conair. Скорость шнеков экструдера составляла 200 оборотов в минуту (“об/мин”). Затем гранулы потоком подавали в устройство для литья под давлением (Spritzgiessautomaten BOY 22D) с образованием образца для испытания на разрыв в соответствии с типом I ASTM D638. Температурные режимы для способа литья под давлением находились в диапазоне от 185°C до 225°C, внешнее давление составляло от 10 до 14 секунд, время охлаждения составляло от 25 до 50 секунд, продолжительность цикла составляла от 35 до 65 секунд, и температура формы составляла либо приблизительно 10°C, либо 21°C.
+
3
Сразу после формования образцы для испытания на разрыв вытягивали с помощью системы MTS 810 при 23°C (3°C) при скорости 5 миллиметров в минуту и номинальной длине 115 миллиметров до относительного удлинения 54%. Определяли степень расширения, плотность и объем пор, равные 1,38, 0,86 г/см и 27,5%, соответственно. Пористый материал затем резали на готовые образцы с размером от приблизительно 3 до 5 миллиметров и охлаждали в жидком азоте в течение 15 минут. После этого, образцы применяли в настольной мельнице тонкого помола Brinkman Retsch, которую устанавливали на скорость 2. Строение полученных в результате частиц анализировали с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM). Результаты показаны на фиг. 1-2. Как показано, частицы имеют поровую сеть с многомодальным распределением, характеризующуюся как микропорами, так и нанопорами.
ПРИМЕР 2
Была продемонстрирована возможность создания уникальной поровой сети в полимерном материале, который может быть сформован в микрочастицы. Сначала формовали гранулы из термопластичной композиции, как описано в примере 1, и затем подавали потоком в червячный экструдер с сигнальным устройством, нагретый до температуры 212°C, где расплавленная смесь выходила через щелевую головку шириной 4,5 дюйма и вытягивалась в пленку толщиной в диапазоне от 36 мкм до 54 мкм. Пленки вытягивали в машинном направлении до приблизительно 100% для инициирования кавитации и образования пустот. Морфологию пленок анализировали сканирующей электронной микроскопией (SEM) до и после вытягивания. Результаты показаны на фиг. 3-6. Как показано на фиг. 3-4, добавка микровключения изначально диспергировалась в домены, имеющие осевой размер (в машинном направлении) от приблизительно 2 до приблизительно 30 микрометров и поперечный размер (в поперечном направлении) от приблизительно 1 до приблизительно 3 микрометров, тогда как добавка нановключения изначально диспергировалась в виде сферических или сфероидальных доменов, имеющих осевой размер от приблизительно 100 до приблизительно 300 нанометров. На фиг. 5-6 показана пленка после вытягивания. Как упоминалось, поры образовались вокруг добавок включения. Микропоры, образованные вокруг добавки микровключения, обычно имели удлиненную или щелеобразную форму с широким распределением размеров в диапазоне от приблизительно 2 до приблизительно 20 микрометров в осевом направлении. Нанопоры, связанные с добавкой нановключения, обычно имели размер от приблизительно 50 до приблизительно 500 нанометров.
ПРИМЕР 3
Составленные гранулы из примера 1 смешивали в сухом виде с третьей добавкой включения, которая представляла собой концентрат галлуазитовой глины (MacroComp MNH-731-36, MacroM), содержащий 22 вес.% наноглины, модифицированной стироловым сополимером, и 78 вес.% полипропилена (Exxon Mobil 3155). Соотношение составляющих в смеси являлось следующим: 90 вес.% гранул и 10 вес.% концентрата добавки глины, что обеспечило общее содержание глины в 2,2%. Затем сухую смесь загружали в шнековый экструдер с сигнальным устройством, нагретый до температуры 212°C, где расплавленная смесь выходила через щелевую головку шириной 4,5 дюйма и вытягивалась в пленку толщиной в диапазоне от 51 до 58 мкм. Пленки вытягивали в машинном направлении до приблизительно 100% для инициирования кавитации и образования пустот.
Морфологию пленок анализировали сканирующей электронной микроскопией (SEM) до и после вытягивания. Результаты показаны на фиг. 7-10. Как показано на фиг. 7-8, некоторые из частиц наноглины (видимые как более светлые области) становились диспергированными в виде очень маленьких доменов – т.е. осевой размер в диапазоне от приблизительно 50 до приблизительно 300 нанометров. Сам концентрат добавки также образовывал домены микроразмерного размера (осевой размер от приблизительно 1 до приблизительно 5 микрометров). Также, добавка микровключения (Vistamaxx™) образовывала удлиненные домены, тогда как добавка нановключения (Lotader, видимая как очень мелкие темные точки) и концентрат добавки наноглины образовывали сфероидальные домены. Вытянутая пленка показана на фиг. 9-10. Как показано, структура с пустотами является более открытой и проявляет широкий диапазон размеров пор. Помимо сильно удлиненных микропор, образованных первыми включениями (Vistamaxx™), включения концентрата добавки наноглины образовали более открытые сфероидальные микропоры с осевым размером приблизительно 10 микрон или менее и поперечным размером приблизительно 2 микрона. Сферические нанопоры также образованы второй добавкой включения (Lotader) и третьей добавкой включения (частицы наноглины).
ПРИМЕР 4
Была продемонстрирована возможность создания полимерного материала, обладающего уникальными свойствами, который может быть сформован в микрочастицы. Сначала образовывали смесь из 85,3 вес.% PLA 6201D, 9,5 вес.% Vistamaxx™ 2120, 1,4 вес.% Lotader AX8900 и 3,8 вес.% PLURIOL WI 285. Для смешивания полимеры подавали во вращающийся в одном направлении двухшнековый экструдер (ZSK-30, диаметр 30 мм, длина 1328 миллиметров), произведенный Werner and Pfleiderer Corporation, Рэмси, Нью-Джерси. Экструдер имел 14 зон, пронумерованных последовательно 1-14 от загрузочной воронки к фильере. Первая зона цилиндра № 1 получала смолы через весовой дозатор с общей подающей способностью 15 фунтов в час. В зону цилиндра № 2 добавляли PLURIOL WI285 через насос-форсунку. Фильера, использованная для экструзии смолы, имела 3 канала фильеры (6 миллиметров в диаметре), разделенные расстояниями 4 миллиметра. При образовании экструдированную смолу охлаждали на охлаждаемой вентилятором ленте транспортера и формовали в гранулы с помощью гранулятора Conair. Скорость шнеков экструдера составляла 200 оборотов в минуту (“об/мин”). Затем гранулы загружали в виде потока в шнековый экструдер с сигнализирующим устройством, нагретый до температуры 212°C, где расплавленная смесь выходила через щелевую головку шириной 4,5 дюйма и вытягивалась в пленку толщиной в диапазоне от 0,54 до 0,58 мм.
ПРИМЕР 5
Гранулы формовали, как описано в примере 4, а затем подавали потоком в одношнековый экструдер Rheomix 252 при соотношении L/D 25:1 и нагревали до температуры 212°C, где расплавленная смесь выходила через щелевую головку Haake шириной 6 дюймов и вытягивалась в пленку толщиной в диапазоне от 39,4 мкм до 50,8 мкм посредством вытяжного вальца Haake. Пленку вытягивали в машинном направлении до линейной деформации 160% при скорости вытягивания 50 мм/мин (скорость деформации 67%/мин) посредством рамы для растяжения с захватами MTS Synergie 200 при рабочей длине 75 мм.
ПРИМЕР 6
Пленки образовывались, как описано в примере 5, за исключением того, что пленку также растягивали в машинном направлении до деформации в 100% при скорости вытягивания 50 мм/мин (скорость деформации 100%/мин) посредством захватов с рабочей длиной 50 мм. Проводили испытания пленок из примеров 5-6 в отношении различных свойств, как описано выше. Результаты изложены в таблицах ниже.
Свойства пленки
Механические свойства при растяжении
Несмотря на то, что изобретение было подробно описано относительно его конкретных вариантов осуществления, следует понимать, что специалисты в данной области техники, при достижении понимания вышеизложенного, смогут легко понять альтернативы, вариации и эквиваленты этих вариантов осуществления. Соответственно, объем настоящего изобретения следует определять как объем прилагаемой формулы изобретения и любых ее эквивалентов.