ГИДРОФИЛЬНЫЕ ГЕЛИ, ПОЛУЧЕННЫЕ ИЗ ПРИВИТЫХ ФОТОИНИЦИАТОРОВ
HYDROPHILIC GELS, OBTAINED FROM GRAFTED PHOTOINITIATORS

Область изобретения
Настоящее изобретение относится к способам получения предшественника гидрофильного геля и геля. Настоящее изобретение также относится к гелям и предшественникам гидрофильного геля, получаемым с применением вышеупомянутого способа, а также к медицинским устройствам, включающим гели и предшественники гидрофильного геля. Настоящее изобретение также обеспечивает применение полимерного фотоинициатора при получении геля.
Предпосылки изобретения
Отверждение покрытий посредством ультрафиолетового (УФ) излучения, тем самым приводящего к образованию покрытия для применения в качестве геля (например, гидрогель), нуждается в эффективных способах инициирования химической реакции, обусловливающей процесс отверждения. Сшивание полимерного материала посредством образования радикальных частиц при облучении УФ-светом широко применяется для получения гидрогелей для покрытий медицинских устройств. Композиции покрытия с поливинилпирролидоном и фотоинициатором в качестве главных составляющих, которые отверждаются при помощи УФ-облучения, часто применяются для получения гидрогелей. Фотоинициаторы, применяемые в данных способах, могут быть либо олигомерными, либо полимерными. Олигомерные фотоинициаторы имеют возможность частично диффундировать в поверхность отвержденного материала, что тем самым приводит эти вещества в состояние подверженности воздействию окружающей среды.
Европейский патент № 2060589 раскрывает арилкетоны с функциональной группой Si-H, у которых арилкетон включает фотоинициаторный фрагмент.
Патент США № 4477326 относится к полимерным фотоинициаторам, включающим органосилановые полимеры.
Цель изобретения
Целью настоящего изобретения является обеспечение способа получения предшественников гидрофильного геля и гелей, а также предшественники гидрофильного геля и гели, получаемые в результате данных способов.
Краткое описание изобретения
В широком аспекте настоящее изобретение относится к способу получения гидрофильного геля, причем указанный способ включает этапы:
а. обеспечения матричной композиции, включающей полимерный фотоинициатор общей формулы I:
2
n
m
Полимер-[CR-CHR-спейсер(PI)] (I)
b. отверждения матричной композиции, полученной на этапе a., путем воздействия на нее УФ-излучением и
c. воздействия на матричную композицию средой, вызывающей разбухание.
Этапы b. и c. можно осуществлять в любом порядке. В вышеприведенном полимерном фотоинициаторе формулы (I) m представляет собой целое число от 1 до 5000, n представляет собой действительное число больше 0 и меньше 5, PI представляет собой фотоинициаторный фрагмент, и каждая группа R представляет собой заместитель, независимо выбранный из водорода, C1-C25 линейного алкила, C3-C25 разветвленного алкила, C3-C25 циклоалкила, арила, гетероарила, -OH, -CN, галогенов, аминов (например, -NR'R'', где R' и R'' представляют собой алкильные группы, преимущественно C1-C25 алкильные группы) и амидов (например, -CONR'R'' или R'CONR''-, где R' и R'' представляют собой алкильные группы, преимущественно C1-C25 алкильные группы).
Настоящее изобретение также относится к способу получения геля, причем указанный способ включает этапы:
a. обеспечения матричной композиции, включающей полимерный фотоинициатор общей формулы I:
2
n
m
Полимер-[CR-CHR-спейсер(PI)] (I)
где m представляет собой целое число от 1 до 5000;
n представляет собой действительное число больше 0 и меньше 5; и
PI представляет собой фотоинициаторный фрагмент;
полимер выбирают из группы, состоящей из полиакрилатов, полиалкиловых эфиров, полиуретанов, полиэтиленвинилацетатов, поливинилпирролидона и и их сополимеров и их смесей;
и где каждая группа R представляет собой заместитель, независимо выбранный из водорода, C1-C25 линейного алкила, C3-C25 разветвленного алкила, C3-C25 циклоалкила, арила, гетероарила, -OH, -CN, галогенов, аминов (например, -NR'R'', где R' и R'' представляют собой алкильные группы, преимущественно C1-C25 алкильные группы) и амидов (например, -CONR'R'' или R'CONR''-, где R' и R'' представляют собой алкильные группы, преимущественно C1-C25 алкильные группы),
b. отверждения матричной композиции, полученной на этапе a., путем воздействия на нее УФ-излучением,
c. воздействия на матричную композицию средой, вызывающей разбухание, таким образом получая гидрофильный гель,
где этап c. можно осуществлять до или после этапа b.
Настоящее изобретение также обеспечивает способ получения геля, причем указанный способ включает этапы:
a. обеспечение матричной композиции, включающей полимерный фотоинициатор общей формулы I:
2
n
m
Полимер-[CR-CHR-спейсер(PI)] (I),
где m представляет собой целое число от 1 до 5000;
n представляет собой действительное число больше 0 и меньше 5; и
PI представляет собой фотоинициаторный фрагмент;
полимер выбирают из группы, состоящей из полиакрилатов, полиалкиловых эфиров, полиуретанов, полиэтиленвинилацетатов, поливинилпирролидона и их сополимеров и их смесей;
и где каждая группа R представляет собой заместитель, независимо выбранный из водорода, C1-C25 линейного алкила, C3-C25 разветвленного алкила, C3-C25 циклоалкила, арила, гетероарила, -OH, -CN, галогенов, аминов (например, -NR'R'', где R' и R'' представляют собой алкильные группы, преимущественно C1-C25 алкильные группы) и амидов (например, -CONR'R'' или R'CONR''-, где R' и R'' представляют собой алкильные группы, преимущественно C1-C25 алкильные группы),
b. отверждение матричной композиции, полученной на этапе a., путем воздействия на нее УФ-излучением,
c. воздействие на матричную композицию средой, вызывающей разбухание, таким образом получая гидрофильный гель,
где этап c. можно осуществлять до или после этапа b.
Ряд фотоинициаторов, попадающих в пределы общего объема вышеприведенной формулы (I), можно применять в способе настоящего изобретения, как, например, фотоинициаторы с общими формулами II, IIa, IIb, III, IV и V:
2
n
m
Полимер-[CR-CHR-C(=O)-спейсер(PI)] (II),
2
n
m
Полимер-[CR-CHR-C(=O)-O-спейсер(PI)] (IIa),
2
n
m
Полимер-[CR-CHR-C(=O)-NH-спейсер(PI)] (IIb),
2
n
m
Полимер-[CR-CHR-O-спейсер(PI)] (III),
2
n
m
1
Полимер-[CR-CHR-NR-спейсер(PI)] (IV),
2
n
m
Полимер-[CR-CHR-Ph-спейсер(PI)](V).
1
В вышеприведенных формулах: m представляет собой целое число от 1 до 5000; n представляет собой действительное число больше 0 и меньше 5; Ph представляет собой необязательно замещенную фенильную группу, каждая группа R представляет собой заместитель, независимо выбранный из водорода, C1-C25 линейного алкила, C3-C25 разветвленного алкила, C3-C25 циклоалкила, арила, гетероарила, -OH, -CN, галогенов, аминов (например, -NR'R'', где R' и R'' представляют собой алкильные группы, преимущественно C1-C25 алкильные группы) и амидов (например, -CONR'R'' или R'CONR''-, где R' и R'' представляют собой алкильные группы, преимущественно C1-C25 алкильные группы); R представляет собой заместитель, независимо выбранный из водорода, C1-C25 линейного алкила, C3-C25 разветвленного алкила, C3-C25 циклоалкила, арила, гетероарила, -OH, -CN и галогенов, и PI представляет собой фотоинициаторный фрагмент.
Матричная композиция дополнительно может включать один или несколько гидрофильных гелеобразующих полимеров и/или гидрофильных гелеобразующих мономеров. Матричная композиция альтернативно может состоять из полимерного фотоинициатора общей формулы I.
В случае, если средой, вызывающей разбухание, является вода, получают гидрогель.
В другом варианте осуществления настоящее изобретение обеспечивает способ получения предшественника гидрофильного геля, причем указанный способ включает этапы:
a. обеспечение матричной композиции, состоящей из полимерного фотоинициатора общей формулы I:
2
n
m
Полимер-[CR-CHR-спейсер(PI)](I),
где m представляет собой целое число от 1 до 5000;
n представляет собой действительное число больше 0 и меньше 5; и
PI представляет собой фотоинициаторный фрагмент;
полимер выбирают из группы, состоящей из полиакрилатов, полиалкиловых эфиров, полиуретанов, полиэтиленвинилацетатов, поливинилпирролидона и их сополимеров и их смесей;
и где каждая группа R представляет собой заместитель, независимо выбранный из водорода, C1-C25 линейного алкила, C3-C25 разветвленного алкила, C3-C25 циклоалкила, арила, гетероарила, -OH, -CN, галогенов, аминов (например, -NR'R'', где R' и R'' представляют собой алкильные группы, преимущественно C1-C25 алкильные группы) и амидов (например, -CONR'R'' или R'CONR''-, где R' и R'' представляют собой алкильные группы, преимущественно C1-C25 алкильные группы),
b. отверждение матричной композиции, полученной на этапе a., путем воздействия на нее УФ-излучением.
Настоящее изобретение относится к предшественнику гидрофильного геля, полученному таким образом.
Настоящее изобретение также относится к гелю, получаемому посредством способов настоящего изобретения. Поскольку фотоинициатор остается связанным в матричной композиции после отверждения, данные гели можно отличить от известных гелей посредством анализа их химического состава.
Также предоставлено медицинское устройство, которое включает гель или предшественник гидрофильного геля настоящего изобретения.
Кроме того, настоящее изобретение обеспечивает применение полимерного фотоинициатора общей формулы I, II, IIa, IIb, III, IV или V при получении геля.
Дополнительные подробности настоящего изобретения представлены в следующем описании и зависимых пунктах формулы изобретения.
Перечень условных обозначений фигур
Фиг.1 иллюстрирует общий мотив полимерных фотоинициаторов, с фотоинициаторными фрагментами в боковой цепи на полимерном скелете.
Фиг.2 представляет собой схематическую иллюстрацию способа(ов) настоящего изобретения.
Подробное раскрытие изобретения
Определения
“Необязательно замещенный” означает необязательно замещенный одним или несколькими заместителями, выбранными из группы, состоящей из C1-C25 линейных, разветвленных или циклических алкилов, арилов, -OH, -CN, галогенов, аминов, амидов, спиртов, эфиров, тиоэфиров, сульфонов и их производных, сульфоновой кислоты и ее производных, сульфоксидов и их производных, карбонатов, изоцианатов, нитратов, акрилатов. Предпочтительно, один или несколько заместителей выбирают из группы, состоящей из -OH, -CN, галогенов, аминов, амидов, спиртов, эфиров, тиоэфиров, сульфонов и их производных, сульфоновой кислоты и ее производных, сульфоксидов и их производных, карбонатов, изоцианатов, нитратов, акрилатов. Наиболее предпочтительно, заместитель выбирают из группы, состоящей из -OH, -CN, галогенов, аминов, амидов, спиртов, эфиров, тиоэфиров, сульфонов и их производных, сульфоновой кислоты и ее производных и сульфоксидов и их производных.
Гидрофильный
Материал описывают как гидрофильный, если он имеет природное сродство к воде. Гидрофильные материалы определяются как материалы, которые имеют угол смачивания с водой менее 90°, предпочтительно, менее 80°, более предпочтительно, менее 75° и, наиболее предпочтительно, менее 50° (см. ASTM D7334-08), измеренный при помощи измерения динамического угла смачивания. Вкратце, способ измерения динамического угла смачивания капли воды на поверхности осуществляют путем нанесения капли воды (~5-20 мкл) с контролируемым размером в пределах 0,1 мкл с применением шприца для подкожных инъекций. Затем гониометр регулируют так, чтобы можно было определить внутренний угол каждой из двух точек контакта капли. Проводят два измерения угла (по одному на каждом крае капли) трех капель на образце, и угол смачивания для образца является средним от этих шести измерений угла.
Гидрофильный полимер, вероятно, содержит атомы с высокими значениями электроотрицательности, такие как кислород и азот. Материалы, которые являются гидрофильными в соответствии с вышеприведенным определением, также будут иметь сродство к спиртам с короткой цепью (например, C1-C8) и глицерину. Конкретные примеры гидрофильных полимеров представляют собой полиэтиленоксиды, поливинилацетаты, поливинилпирролидоны, полимеры с аминной функциональной группой, например, поли(2-этил-2-оксазолин), акрилопласты, полиэфиры, сульфонаты полиалкиловых эфиров и поливиниловые спирты.
Гидрофильные гели
Гель представляет собой взаимосвязанную жесткую сетчатую структуру с порами субмикронных размеров и полимерными цепями, средняя длина которых более микрометра. Выражение "гель" подробно рассматривается в Flory, P. J. Principles of Polymer Chemistry; Cornell University Press: Ithaca, NY, 1953; Chapter IX.
Определение геля приведено в Polymer Gels and Networks, 1 (1993), 5-17: Гель представляет собой мягкий, твердый или твердообразный материал из двух или более компонентов, один из которых представляет собой жидкость, присутствующую в значительном количестве. Твердообразные гели характеризуются отсутствием равновесного модуля, модулем накопления G'(ω), который демонстрирует отчетливо выраженное плато протяженностью по времени по меньшей мере порядка секунд, и модулем потерь G''(ω), который значительно меньше модуля накопления в области плато.
В интересах характеристики эффективности фотоинициатора в сшивающихся полимерных матрицах важным является переход от жидкости к твердому материалу. Жидкости характеризуются как имеющие G''(ω)>G'(ω) и соответственно, твердые вещества характеризуются G''(ω)<G'(ω). Переход от жидкости к твердому веществу, часто называемый точкой гелеобразования, определяется при G''(ω)=G'(ω). Время отверждения, определяемое как время от инициации процесса отверждения до момента, когда G''(ω)=G'(ω) или tan δ=1, является характеристическим показателем эффективности фотоинициатора в конкретной матричной композиции.
Конкретные варианты осуществления настоящего изобретения
Настоящее изобретение обеспечивает гели, в том числе гидрофильные гели, предшественники гидрофильного геля и способы их получения.
Как изложено в общем на фиг.2, настоящее изобретение обеспечивает способ получения гидрофильного геля, причем указанный способ включает этапы:
a. обеспечения матричной композиции, включающей полимерный фотоинициатор общей формулы I:
2
n
m
Полимер-[CR-CHR-спейсер(PI)] (I),
b. отверждения матричной композиции, полученной на этапе a., путем воздействия на нее УФ-излучением, и
c. воздействия на матричную композицию средой, вызывающей разбухание, таким образом получая гидрофильный гель,
где этап c. можно осуществлять до или после этапа b.
Поскольку фотоинициаторы связаны в пределах матричной композиции после отверждения, снижена вероятность выщелачивания фотоинициаторов с низким молекулярным весом с поверхности отвержденного материала.
Каждая группа R представляет собой заместитель, независимо выбранный из водорода, C1-C25 линейного алкила, C3-C25 разветвленного алкила, C3-C25 циклоалкила, арила, гетероарила, -OH, -CN, галогенов, аминов (например, -NR'R'', где R' и R'' представляют собой алкильные группы, преимущественно C1-C25 алкильные группы) и амидов (например, -CONR'R'' или R'CONR''-, где R' и R'' представляют собой алкильные группы, преимущественно C1-C25 алкильные группы). Предпочтительно, R независимо выбирают из водорода, C1-C25 линейного алкила, C3-C25 разветвленного алкила, C3-C25 циклоалкила, предпочтительно, водорода.
Преимущественно, полимер является термопластичным. Преимущественно, полимер выбирают из группы, состоящей из полиолефинов, полиакрилатов, сложных полиэфиров, полиуретанов, полиамидов, полиалкилоксидов, полидиалкилсилоксанов или различных сополимеров, содержащих блоки или повторяющиеся элементарные звенья этих полимеров. Предпочтительно, полимер выбирают из группы, состоящей из полиолефинов, полиакрилатов, сложных полиэфиров, полиуретанов, полиамидов, полиалкилоксидов и полидиалкилсилоксанов. Наиболее предпочтительно, полимер представляет собой полиолефин или полиалкилоксид, предпочтительно, полиалкилоксид. Полимер преимущественно имеет молекулярный вес в диапазоне от 50 до 500000 Да.
Спейсер преимущественно выбирают из группы, состоящей из одинарной связи, C1-C25 линейного алкилена, C3-C25 разветвленного алкилена, C3-C25 циклоалкилена, арилена, гетероарилена, аминов, амидов, спиртов, эфиров, сложных эфиров, тиоэфиров, сульфонов и их производных, сложных сульфоновых эфиров и их производных, сульфоксидов и их производных, а также карбонатов, кетонов и сложных эфиров. Предпочтительно, спейсер выбирают из группы, состоящей из C1-C25 линейного алкилена, C3-C25 разветвленного алкилена, C3-C25 циклоалкилена и сложных эфиров.
Спейсер может быть полимерной структурной единицей. Спейсер можно выбрать из группы, состоящей из полиолефинов, полиакрилатов, полиуретанов, сложных полиэфиров, полиамидов, полидиалкилсилоксанов, полиалкилоксидов или различных сополимеров, содержащих блоки или повторяющиеся элементарные звенья упомянутых полимеров. В случае полимерного, спейсер может иметь молекулярный вес в диапазоне от 50 до 500000 Да.
В формуле (I) PI представляет собой фотоинициаторный фрагмент.
В полимерном фотоинициаторе формулы (I) m представляет собой целое число от 1 до 5000, предпочтительно, от 1 до 3000, более предпочтительно, от 1 до 1000. n представляет собой действительное число больше 0 и меньше 5.
Индекс n относится к статистическому среднему, и m представляет собой общее количество фрагментов, содержащих фотоинициаторы, присоединенных к полимерному скелету. Таким образом, всего (n x m) фотоинициаторных фрагментов присутствуют в полимерном фотоинициаторе. Пример обозначения представлен на схеме 1.
20
40
2
2
2
Схема 1: Пример фотоинициатора полимерного типа, иллюстрирующий статистическое значение индексов. Итоговая формула, таким образом, читается CH-(CH-CH-CO(PhCOPh))
w
В настоящем изобретении M (средневесовой молекулярный вес) применяют для характеристики полимерных фотоинициаторов. Эффективность полимерного фотоинициатора - среди прочего - связана с тем, насколько хорошо фотоинициатор смешан с гелеобразующим(и) полимером(ами) или мономером(ами). Среди важных в этом отношении параметров находится молекулярный вес фотоинициатора. Слишком высокий молекулярный вес не обеспечивает хорошую смешиваемость полимерного фотоинициатора с другими компонентами матричной композиции. В отношении настоящего изобретения при рассмотрении двухкомпонентной системы важной является смешиваемость полимерного фотоинициатора с другими компонентами в матричной композиции. В частности, если химическая природа и молекулярный вес полимерного фотоинициатора и гелеобразующего(их) полимера(ов) значительно отличаются, получается низкая смешиваемость, которая в свою очередь приводит в результате к матричной композиции, которая отверждается с трудом.
Субструктуры
Настоящее изобретение обеспечивает полимерные фотоинициаторы с субструктурами, попадающими в пределы объема вышеприведенной формулы (I).
Полимерный фотоинициатор может иметь общую формулу II:
2
n
m
Полимер-[CR-CHR-C(=O)-спейсер(PI)] (II)
где m представляет собой целое число от 1 до 5000;
n представляет собой действительное число больше 0 и меньше 5;
каждая группа R представляет собой заместитель, независимо выбранный из водорода, C1-C25 линейного алкила, C3-C25 разветвленного алкила, C3-C25 циклоалкила, арила, гетероарила, -OH, -CN, галогенов, аминов (например, -NR'R'', где R' и R'' представляют собой алкильные группы, преимущественно C1-C25 алкильные группы) и амидов (например, -CONR'R'' или R'CONR''-, где R' и R'' представляют собой алкильные группы, преимущественно C1-C25 алкильные группы);
и PI представляет собой фотоинициаторный фрагмент.
Другая субструктура в отношении полимерного фотоинициатора имеет общую формулу IIa:
2
n
m
Полимер-[CR-CHR-C(=O)-O-спейсер(PI)] (IIa)
где m представляет собой целое число от 1 до 5000;
n представляет собой действительное число больше 0 и меньше 5;
каждая группа R представляет собой заместитель, независимо выбранный из водорода, C1-C25 линейного алкила, C3-C25 разветвленного алкила, C3-C25 циклоалкила, арила, гетероарила, -OH, -CN, галогенов, аминов (например, -NR'R'', где R' и R'' представляют собой алкильные группы, преимущественно C1-C25 алкильные группы) и амидов (например,-CONR'R'' или R'CONR''-, где R' и R'' представляют собой алкильные группы, преимущественно C1-C25 алкильные группы);
и PI представляет собой фотоинициаторный фрагмент.
Дополнительная субструктура в отношении полимерного фотоинициатора имеет общую формулу IIb:
2
n
m
Полимер-[CR-CHR-C(=O)-NH-спейсер(PI)](IIb)
где m представляет собой целое число от 1 до 5000;
n представляет собой действительное число больше 0 и меньше 5;
каждая группа R представляет собой заместитель, независимо выбранный из водорода, C1-C25 линейного алкила, C3-C25 разветвленного алкила, C3-C25 циклоалкила, арила, гетероарила, -OH, -CN, галогенов, аминов (например, -NR'R'', где R' и R'' представляют собой алкильные группы, преимущественно C1-C25 алкильные группы) и амидов (например, -CONR'R'' или R'CONR''-, где R' и R'' представляют собой алкильные группы, преимущественно C1-C25 алкильные группы);
и PI представляет собой фотоинициаторный фрагмент.
Полимерный фотоинициатор может иметь общую формулу III:
2
n
m
Полимер-[CR-CHR-O-спейсер(PI)] (III)
где m представляет собой целое число от 1 до 5000;
n представляет собой действительное число больше 0 и меньше 5;
каждая группа R представляет собой заместитель, независимо выбранный из водорода, C1-C25 линейного алкила, C3-C25 разветвленного алкила, C3-C25 циклоалкила, арила, гетероарила, -OH, -CN, галогенов, аминов (например, -NR'R'', где R' и R'' представляют собой алкильные группы, преимущественно C1-C25 алкильные группы) и амидов (например, -CONR'R'' или R'CONR''-, где R' и R'' представляют собой алкильные группы, преимущественно C1-C25 алкильные группы);
и PI представляет собой фотоинициаторный фрагмент.
Полимерный фотоинициатор также может иметь общую формулу IV:
2
n
m
1
Полимер-[CR-CHR-NR-спейсер(PI)] (IV)
где m представляет собой целое число от 1 до 5000;
n представляет собой действительное число больше 0 и меньше 5;
каждая группа R представляет собой заместитель, независимо выбранный из водорода, C1-C25 линейного алкила, C3-C25 разветвленного алкила, C3-C25 циклоалкила, арила, гетероарила, -OH, -CN, галогенов, аминов (например, -NR'R'', где R' и R'' представляют собой алкильные группы, преимущественно C1-C25 алкильные группы) и амидов (например,-CONR'R'' или R'CONR''-, где R' и R'' представляют собой алкильные группы, преимущественно C1-C25 алкильные группы);
1
R представляет собой заместитель, независимо выбранный из водорода, C1-C25 линейного алкила, C3-C25 разветвленного алкила, C3-C25 циклоалкила, арила, гетероарила, -OH, -CN и галогенов;
и PI представляет собой фотоинициаторный фрагмент.
Полимерный фотоинициатор может иметь общую формулу V
2
n
m
Полимер-[CR-CHR-Ph-спейсер(PI)](V)
где m представляет собой целое число от 1 до 5000;
n представляет собой действительное число больше 0 и меньше 5;
Ph представляет собой необязательно замещенную фенильную группу
каждая группа R представляет собой заместитель, независимо выбранный из водорода, C1-C25 линейного алкила, C3-C25 разветвленного алкила, C3-C25 циклоалкила, арила, гетероарила, -OH, -CN, галогенов, аминов (например, -NR'R'', где R' и R'' представляют собой алкильные группы, преимущественно C1-C25 алкильные группы) и амидов (например,-CONR'R'' или R'CONR''-, где R' и R'' представляют собой алкильные группы, преимущественно C1-C25 алкильные группы);
и PI представляет собой фотоинициаторный фрагмент.
В соответствии с субструктурой (V) группа Ph замещена одним или несколькими заместителями, независимо выбранными из C1-C25 линейного алкила, C3-C25 разветвленного алкила, C3-C25 циклоалкила, арила, гетероарила, -OH, -CN, галогенов, аминов (например, -NR'R'', где R' и R'' представляют собой алкильные группы, преимущественно C1-C25 алкильные группы) и амидов (например, -CONR'R'' или R'CONR''-, где R' и R'' представляют собой алкильные группы, преимущественно C1-C25 алкильные группы). Преимущественно, фенильная группа является незамещенной.
Из вышеприведенных субструктур общих формул II, IIa, IIb, III, IV и V, субструктуры формулы II (в том числе IIa и IIb) являются предпочтительными. Причина заключается в том, что алкен, сопряженный с карбонильной группой, является более реакционноспособным в процессе привитой сополимеризации. Субструктуры общей формулы IIa являются наиболее предпочтительными, так как они имеют дополнительное преимущество совместимости с матричными композициями на основе акрилата, и их относительно просто синтезировать.
Фотоинициатор и фотоинициаторные фрагменты
Как изложено выше, PI представляет собой фотоинициаторный фрагмент. В настоящем изобретении фотоинициатор определяется как фрагмент, который при поглощении света образует реакционноспособные частицы (ионы или радикалы) и инициирует одну или несколько химических реакций или превращение. Одним предпочтительным свойством фотоинициатора является хорошее перекрытие между спектром источника УФ-света и спектром поглощения фотоинициатора. Другим желательным свойством является незначительное перекрытие или отсутствие перекрытия между спектром поглощения фотоинициатора и спектром суммарного собственного поглощения других компонентов в матричной композиции.
2
n
m
Преимущественно, фотоинициаторные фрагменты находятся в боковой цепи полимера. Это означает, что они присоединены к полимеру в точках, отличных от концов полимерной цепи. Такое расположение легко достигается посредством способа, применяемого для синтеза фотоинициаторов формулы I. Если m больше 1, элементарные звенья -[CR-CHR-спейсер(PI)] предпочтительно равномерно распределены по полимеру.
Фотоинициаторные фрагменты настоящего изобретения независимо могут быть расщепляемыми (тип I по Норришу) или нерасщепляемыми (тип II по Норришу). Преимущественно, все фотоинициаторные фрагменты настоящего изобретения являются нерасщепляемыми (тип II по Норришу). В качестве справочной информации см., например, A. Gilbert, J. Baggott: “Essentials of Molecular Photochemistry”, Blackwell, London, 1991). При возбуждении расщепляемые фотоинициаторные фрагменты спонтанно распадаются на два радикала, по меньшей мере один из которых является достаточно реакционноспособным для того, чтобы забрать атом водорода от большинства субстратов. Бензоиновые эфиры (в том числе бензилдиалкилкетали), фенилгидроксиалкилкетоны и фениламиноалкилкетоны являются важными примерами расщепляемых фотоинициаторных фрагментов. Нерасщепляемые фотоинициаторные фрагменты не распадаются при возбуждении, таким образом обеспечивая меньше возможностей для выщелачивания малых молекул из матричной композиции. Фотоинициаторные фрагменты настоящего изобретения являются эффективными при превращении света от источника УФ или видимого света в реакционноспособные радикалы, которые могут забирать атомы водорода и другие подвижные атомы из полимеров и, следовательно, влияют на ковалентное сшивание. Необязательно, амины, тиолы и другие доноры электронов могут быть либо ковалентно связаны с полимерным фотоинициатором, либо добавлены по отдельности, либо и то и другое. Добавление доноров электронов не является необходимым, но может увеличить общую эффективность расщепляемых фотоинициаторов в соответствии с механизмом, сходным с описанным ниже для нерасщепляемых фотоинициаторов.
Возбужденные нерасщепляемые фотоинициаторы не распадаются на радикалы при возбуждении, но забирают атом водорода от органической молекулы или, более эффективно, забирают электрон от донора электрона (такого как амин или тиол). Перенос электронов образует анион-радикал на фотоинициаторе и катион-радикал на доноре электронов. За этим следует перенос протона от катион-радикала к анион-радикалу с получением двух незаряженных радикалов; среди них радикал на доноре электронов является достаточно реакционноспособным для того, чтобы забрать атом водорода от большинства субстратов. Бензофеноны и родственные кетоны, такие как тиоксантоны, ксантоны, антрахиноны, флуореноны, дибензосубероны, бензилы и фенилкетокумарины, являются важными примерами нерасщепляемых фотоинициаторов. Большинство аминов со связью C-H в α-положении по отношению к атому азота и многие тиолы будут функционировать в качестве доноров электронов. Фотоинициаторные фрагменты настоящего изобретения предпочтительно являются нерасщепляемыми.
Самоинициирующиеся фотоинициаторные фрагменты входят в объем настоящего изобретения. При возбуждении УФ или видимым светом такие фотоинициаторы главным образом расщепляются по механизму типа I по Норришу и, к тому же, сшиваются в отсутствии какого-либо традиционного фотоинициатора, обеспечивая отверждение толстых слоев. Не так давно новый класс фотоинициаторов на основе сложных β-кетоэфиров был представлен M.L Gould, S. Narayan-Sarathy, T.E. Hammond и R.B. Fechter из Ashland Specialty Chemical, США (2005): “Novel Self-Initiating UV-Curable Resins: Generation Three”, Proceedings from RadTech Europe 05, Barcelona, Spain, October 18-20 2005, vol. 1, p. 245-251, Vincentz. После катализируемого основанием присоединения по Михаэлю сложного эфира к полифункциональным акрилатам образуется сетчатая структура с рядом четвертичных атомов углерода, каждый с двумя соседними карбонильными группами.
Другая самоиницирующаяся система на основе малеимидов также была обнаружена C.K. Nguyen, W. Kuang и C.A. Brady из Albemarle Corporation и Brady Associates LLC, оба США (2003): “Maleimide Reactive Oligomers”, Proceedings from RadTech Europe 03, Berlin, Germany, November 3-5, 2003, vol. 1, p. 589-94, Vincentz. Малеимиды инициируют радикальную полимеризацию, действуя, главным образом, как нерасщепляемые фотоинициаторы и, в то же время, спонтанно полимеризуются путем присоединения радикала по малеимидной двойной связи. Кроме того, сильное поглощение УФ малеимидом исчезает в полимере, т.е. малеимид является обесцвечивающимся на свету фотоинициатором; это делает возможным отверждение толстых слоев.
Таким образом, в варианте осуществления настоящего изобретения фотоинициаторные фрагменты включают по меньшей мере два различных типа фотоинициаторных фрагментов. Предпочтительно, пики поглощения различных фотоинициаторов приходятся на различные длины волны, таким образом, возрастает общее количество света, поглощенного системой. Различные фотоинициаторы могут быть все расщепляемыми, все нерасщепляемыми или смесью расщепляемых и нерасщепляемых. Смесь нескольких фотоинициаторных фрагментов может демонстрировать синергические свойства, как, например, описано J.P. Fouassier: “Excited-State Reactivity in Radical Polymerization Photoinitiators”, Ch. 1, pp. 1-61, in “Radiation curing in Polymer Science and technology”, Vol. II (“Photo-initiating Systems”), ed. by J.P. Fouassier and J.F. Rabek, Elsevier, London, 1993. Если кратко, то перенос эффективной энергии или перенос электронов осуществляется от одного фотоинициаторного фрагмента к другому в парах [4,4'-бис(диметиламино)бензофенон+бензофенон], [бензофенон+2,4,6-триметилбензофенон], [тиоксантон+метилтиофенилморфолиноалкилкетон].
Более того, не так давно было обнаружено, что ковалентно связанные 2-гидрокси-1-(4-(2-гидроксиэтокси)фенил)-2-метилпропан-1-он, который коммерчески доступен под торговым наименованием Irgacure 2959, и бензофенон в молекуле 4-(4-бензоилфеноксиэтокси)фенил 2-гидрокси-2-пропилкетона дают значительно более высокую эффективность инициирования радикальной полимеризации, чем простая смесь двух отдельных соединений, см. S. Kopeinig и R. Liska из Венского технического университета, Австрия (2005): “Further Covalently Bonded Photoinitiators”, Proceedings from RadTech Europe 05, Barcelona, Spain, October 18-20 2005, vol. 2, p. 375-81, Vincentz. Это показывает, что различные фотоинициаторные фрагменты могут проявлять значительные синергические эффекты, если они присутствуют в одном и том же олигомере или полимере.
Каждый и все из описанных выше типов фотоинициаторов и фотоинициаторных фрагментов можно использовать в качестве фотоинициаторных фрагментов в полимерных фотоинициаторах настоящего изобретения.
В соответствии с настоящим изобретением фотоинициаторные фрагменты независимо выбирают из группы, состоящей из бензоиновых эфиров, фенилгидроксиалкилкетонов, фениламиноалкилкетонов, бензофенонов, тиоксантонов, ксантонов, акридонов, антрахинонов, флуоренонов, дибензосуберонов, бензилов, бензилкеталей, α-диалкоксиацетофенонов, α-гидроксиалкилфенонов, α-аминоалкилфенонов, ацилфосфиноксидов, фенилкетокумаринов, силанов, малеимидов и их производных. Преимущественно, фотоинициаторные фрагменты являются необязательно замещенными бензофенонами или тиоксантонами. Бензофеноны или тиоксантоны могут быть “необязательно замещенными” одним или несколькими фрагментами, определенными как R выше.
Полимерные фотоинициаторы настоящего изобретения
Полимерные фотоинициаторы настоящего изобретения можно синтезировать путем привитой сополимеризации фотоинициаторных фрагментов на полимерном скелете.
Процесс привитой сополимеризации начинается с полимера, имеющего связь X-H, и фотоинициаторных фрагментов (PI), содержащих по меньшей мере одну активированную алкеновую функциональную группу. Радикальное присоединение X-H связи в полимере осуществляется по двойной связи C=C активированных(ой) алкеновых(ой) функциональных(ой) групп(ы), присутствующих(ей) на фотоинициаторном фрагменте. X-H представляет собой одинарную связь, присутствующую в полимере, которая может образовать радикал, как правило, C-H или N-H. По этой причине, в продукте привитой сополимеризации атом водорода H всегда присутствует на втором атоме углерода из полимера, который имеет формулу -CHR-.
Для упрощения, каждый фотоинициаторный фрагмент PI преимущественно содержит одну активированную алкеновую функциональную группу на фрагмент PI.
Под “активированным алкеном” подразумевается алкен, который - посредством его заместителей - имеет увеличенную реакционную способность в отношении реакций радикального присоединения по сравнению с алкеном, замещенным атомом водорода (H-). Заместители на алкене могут выступать в качестве электроноакцепторных или электронодонорных заместителей, таким образом изменяя распределение плотности электронов активированного алкена. Акцепторность электронов или донорность из алкена может быть посредством π-связей (т.е. делокализация электронов) или σ-связей.
Преимущественно, активированную алкеновую функциональную группу выбирают из группы, состоящей из акрилатной, винилэфирной, виниламинной, акриламидной и стирольной функциональных групп. Предпочтительно, активированную алкеновую функциональную группу выбирают из группы, состоящей из акрилатной, винилэфирной, виниламинной и стирольной функциональных групп. Наиболее предпочтительно, активированный алкен представляет собой акрилат.
Способ настоящего изобретения, описанный выше, обеспечивает получение различных полимерных фотоинициаторов, а именно таковых общей формулы I, II, IIa, IIb, III, IV или V.
2
В одном аспекте, активированный алкен представляет собой акрилатную функциональную группу. Под “акрилатной функциональной группой” подразумевают функциональную группу C=C-C(=O)-. Другими словами, фотоинициаторный фрагмент (PI), содержащий этиленовую функциональную группу, из которой синтезированы полимерные фотоинициаторы формулы (I), содержит функциональную группу: CR=CR-C(=O)-. Продукты реакции привитой сополимеризации этих фотоинициаторных фрагментов с полимерами имеют общую формулу II:
2
n
m
Полимер-[CR-CHR-C(=O)-спейсер(PI)] (II)
2
В ходе привитой сополимеризации акрилатная функциональная группа превращается в фрагмент CR-CHR в формуле (II).
2
n
m
2
Преимущественно, акрилатная функциональная группа представляет собой сложный акрилатный эфир, в случае которого элементарные звенья -[CR-CHR-C(=O)-спейсер(PI)] в формуле II содержат фрагмент CR-CHR-C(=O)-O- (т.е. спейсерная группа содержит атом кислорода O вплотную к карбонильному фрагменту (C=O)). Такой подкласс фотоинициаторов имеет общую формулу IIa:
2
n
m
Полимер-[CR-CHR-C(=O)-O-спейсер(PI)] (IIa)
Эта формула проиллюстрирована на схеме 2.
Схема 2: привитая сополимеризация 4-бензоилфенилакрилата на полиэтиленоксиде.
2
n
m
2
Дополнительно, акрилатная функциональная группа может быть акриламидом, в случае которого элементарные звенья -[CR-CHR-C(=O)-спейсер(PI)] в формуле II содержат фрагмент CR-CHR-C(=O)-NH- (т.е. спейсерная группа содержит атом азота N вплотную к карбонильному фрагменту (C=O)). Такой подкласс фотоинициаторов имеет общую формулу IIb:
2
n
m
Полимер-[CR-CHR-C(=O)-NH-спейсер(PI)] (IIb)
Эта формула проиллюстрирована на схеме 3.
Схема 3: привитая сополимеризация N-(4-бензоилфенил)акриламида на полиэтиленоксиде.
Кроме того, предпочтительным является фотоинициатор общей формулы II, в котором спейсерный фрагмент содержит ароматическое кольцо, предпочтительно, необязательно замещенное фенильное кольцо, прилегающее к карбонильному фрагменту (C=O).
Фотоинициаторный фрагмент (PI) настоящего изобретения может быть моно-, ди- или триакрилатом (т.е. содержащим один, два или три фрагмента C=C-C(=O)-, соответственно). Предпочтительно, мономер фотоинициаторного фрагмента (PI) представляет собой моноакрилат.
2
В другом аспекте активированная алкеновая функциональная группа представляет собой винилэфирную функциональную группу. Под “винилэфирной функциональной группой” подразумевают функциональную группу CR=CR-O-. Это дает фотоинициаторы с общей формулой III:
2
n
m
Полимер-[CR-CHR-O-спейсер(PI)] (III)
Эта формула проиллюстрирована на схеме 4.
Схема 4: привитая сополимеризация фенил(4-(винилокси)фенил)метанона на полиэтиленоксиде.
2
1
В дополнительном аспекте активированная алкеновая функциональная группа представляет собой виниламидную функциональную группу, т.е. функциональную группу CR=CR-NR-. Это дает фотоинициаторы с общей формулой IV:
2
n
m
1
Полимер-[CR-CHR-NR-спейсер(PI)] (IV)
Эта формула проиллюстрирована на схеме 5.
Схема 5: привитая сополимеризация фенил(4-(виниламино)фенил)метанона на полиэтиленоксиде.
2
В еще одном дополнительном аспекте активированная алкеновая функциональная группа представляет собой стирольную группу, т.е. функциональную группу CR=CR-Ph-. Таким образом получают фотоинициатор с общей формулой V:
2
n
m
Полимер-[CR-CHR-Ph-спейсер(PI)] (V)
Эта формула проиллюстрирована на схеме 6.
Схема 6: привитая сополимеризация фенил(4-винилфенил)метанона на полиэтиленоксиде.
Во всех структурах I, II, IIa, IIb, III, IV и V, приведенных выше, R можно независимо выбрать из водорода, C1-C25 линейного алкила, C3-C25 разветвленного алкила и C3-C25 циклоалкила.
Предпочтительно, во всех структурах I, II, IIa, IIb, III, IV и V все группы R представляют собой водород. Поскольку группы R являются “независимо выбранными”, они могут быть одинаковыми или различными во всех случаях и, предпочтительно, являются одинаковыми.
Полимерные фотоинициаторы можно синтезировать с применением экструдера как реактора в способе, известном как реакционное смешение; методика хорошо известна среди способов, где винилсиланы прививают на полиолефины. Фотоинициаторные фрагменты имеют активированную алкеновую функциональную группу, которая может реагировать с радикалами, образованными на полимерном скелете посредством реакции с радикальным инициатором. Следовательно, привитую сополимеризацию фотоинициаторных фрагментов (PI) на полимере можно активизировать при помощи радикального инициатора.
Это проиллюстрировано на схеме 7, где бензоилпероксид применяют в качестве радикального инициатора. Все способы осуществляют в экструдере.
Схема 7: привитая сополимеризация 3-акрилоил-9H-тиоксантен-9-она на полиэтилене с применением бензоилпероксида в качестве радикального инициатора.
Вместо применения радикального инициатора можно предположить, что сдвиговые силы, присутствующие в ходе экструзии, являются достаточными, чтобы вызвать разрыв цепи с выходом свободных радикалов, которые могут вступать в реакцию с активированными алкенсодержащими фотоинициаторными фрагментами. Специалист в данной области техники при необходимости сможет отрегулировать набор шнека экструдера и оптимизировать параметры процесса в отношении процесса экструзии. Следовательно, в соответствии с настоящим изобретением обеспечивают способ, где привитая сополимеризация фотоинициаторных фрагментов (PI) на полимере осуществляется в экструдере.
В нескольких работах подробно описывается привитая сополимеризация акрилатов на полиэтиленах с применением реакционной экструзии/смешения, где, например, привитая сополимеризация 2-(диметиламино)этилметакрилата описана в K. E. Oliphant, K. E. Russel, W. E. Baker Polymer, 36 (1995), 1597-1603. В этом способе применяли радикальный инициатор 1,1-ди-(трет-бутилперокси)-3,3,5-триметилциклогексан.
Аналогично, Y. M. Krivoguz, S. S. Pesetskii, B. Jurkowski, T. Tomczyk J. Appl. Polym. Sci., 102 (2006), 1746-1754 описывает, каким образом осуществляют привитую сополимеризацию итаконовой кислоты на полипропилене и полиэтилене, также с применением пероксида в качестве радикального инициатора на этапе смешения.
Привитая сополимеризация фотоинициаторов на полимерных материалах с применением активированных алкенов в качестве исходного материала обеспечивает следующие преимущества: (a) Фотоинициаторы, замещенные активированными алкенами (например, акрилаты) являются легко доступными, а именно 1-(4-бензоилфенил)проп-2-ен-1-он (полученный из Chemos GmbH). (b) Остаточные активированные алкены в форме исходного материала или чистых полимеров, полученных в результате реакции активированного алкена с самим собой, как правило, являются более растворимыми чем, например, привитые на полиолефин фотоинициаторы. Это облегчает очистку привитого фотоинициатора.
Пример в пределах настоящего изобретения показан на схеме 8, где 1-(4-бензоилфенил)проп-2-ен-1-он является привитым на полиэтилене.
Схема 8: обработка 1-(4-бензоилфенил)проп-2-ен-1-она и полиэтилена с образованием полимерного фотоинициатора.
Радикальным инициатором, например, может быть 2,5-диметил-2,5-ди-(трет-бутилперокси)гексан (торговое наименование L-101, произведен Elf-Atokem France). Другими подходящими инициаторами могут быть дикумилпероксид (торговое наименование DCP, произведен AO Kazanorgsintez), 2,2-ди-(трет-бутилперокси)-5,5,6-триметилбисцикло-[2,2,1]-гептан (торговое наименование D-1, произведен Химико-технологическим центром Академии наук Республики Беларусь), 2,2-ди(3-метил-1-бутин-3-перокси)-5,5,6-триметилбисцикло[2,2,1]-гептан (торговое наименование D2, произведен Химико-технологическим центром Академии наук Республики Беларусь) или 2,5-диметил-2-гидрокси-5-трет-бутилперокси-3-гексин (торговое наименование OP-2, произведен Химико-технологическим центром Академии наук Республики Беларусь), бензоилпероксид, лауроилпероксид, t-бутил-α-кумилпероксид, ди-t-бутилпероксид, ди-t-амилпероксид, t-бутилпероксибензоат, t-амилпероксибензоат, 1,1-бис(t-бутилперокси)-3,3,5-триметилциклогексан, α,α'-бис(t-бутилперокси)-1,3-диизопропилбензол, α,α'-бис(t-бутилперокси)-1,4-диизопропилбензол, 2,5-бис(t-бутилперокси)-2,5-диметилгексан, 2,5-бис(t-бутилперокси)-2,5-диметил-3-гексин.
В предыдущей работе (Y.-J. Sun, G.-H. Hu, M. Lambla Angew. Makrom. Chem. 3982 (1995), 1-13) было описано, что добавление стирола способствует повышению эффективности привитой сополимеризации, в частности, когда полипропилен декорирован акрилатами, например, глицидилметакрилатом.
Особо важное значение имеет привитая сополимеризация на полиэтиленоксиде, как проиллюстрировано на схеме 9, где 4-акрилоилбензофенон является привитым на цепь PEO с применением радикального инициатора.
Схема 9: привитая сополимеризация 4-акрилоилбензофенона на PEO.
Радикальные инициаторы, подходящие для реакции, изображенной на схеме 9, например, можно выбрать из инициаторов, перечисленных выше.
Матричная композиция
Полимерные фотоинициаторы формулы (I) объединяют с одним или несколькими гелеобразующими полимерами и/или гелеобразующими мономерами в матричной композиции. Гелеобразующими полимерами являются полимеры, которые - вследствие их гидрофильной природы - удерживают среду, вызывающую разбухание, такую как вода, в пределах структуры полимера, обеспечивая образование гидрофильного геля после отверждения матричной композиции.
В частности, гелеобразующий полимер может быть полимером, образующим гидрогель. Полимер, образующий гидрогель, выбирают из группы, включающей полиакрилаты, полиалкиловые эфиры, такие как полиэтиленоксид, полиуретаны, полиамиды, полиэтиленвинилацетаты, поливинилпирролидон и их сополимеры и их смеси. Предпочтительно, полимер, образующий гидрогель, выбирают из группы, состоящей из полиалкиловых эфиров, полиуретанов, полиэтиленвинилацетата.
Гелеобразующий мономер представляет собой мономер, который при полимеризации образует гелеобразующий полимер. Мономер, образующий гидрогель, является тем, который образует гидрофильные полимеры как изложено выше. Подходящие мономеры, образующие гидрогель, можно выбрать из группы, состоящей из акрилатных мономеров, N-винилпирролидона, и эпоксидных мономеров, и, например, мономеров с двумя или более функциональными гидроксильными и/или аминогруппами, таких как диэтанол и аминоэтанол.
Для получения геля после этапа отверждения осуществляют полимеризацию мономерных структурных единиц, предположительно вместе со сшиванием. После этапа отверждения сшитую композицию затем подвергают разбуханию при помощи среды, вызывающей разбухание, такой как вода, C1-C5 спирты, глицерин и полиэтиленгликоль (PEG), предпочтительно, PEG-2000.
Другие возможные компоненты в матричной композиции включают антиоксиданты, такие как BHT (2,6-бис(1,1-диметилэтил)-4-метилфенол), Irganox 1010 (от Ciba) и подобные структуры. Терапевтические добавки также являются возможными компонентами в матричной композиции. Если такие дополнительные компоненты присутствуют в матричной композиции, их можно добавлять непосредственно в то же время, когда образуется матричная композиция, в любой момент до отверждения, или в качестве компонента среды, вызывающей разбухание. Последнее является наиболее предпочтительным.
Отверждение
Матричную композицию настоящего изобретения отверждают путем воздействия на нее УФ-излучением.
Отверждение можно осуществлять либо в состоянии расплава, либо в растворе. Последнее включает этапы, где матричную композицию растворяют в подходящем растворителе и, например, наносят распылением на трубку, и в дальнейшем на нее воздействуют УФ-излучением. После этого растворитель можно либо выпарить, либо оставить в покрытии, и он функционирует в качестве среды, вызывающей разбухание, с образованием требуемого геля.
Ультрафиолетовый спектр разделяют на участки A, B и C, где УФ A простирается от 400 нм до 315 нм, УФ B от 315 до 280 нм, и УФ C от 280 до 100 нм. С помощью источника света, который образует свет с длинами волн в видимой области (от 400 до 800 нм), получают некоторые преимущества по отношению к глубине отверждения, при условии, что фотоинициатор может успешно отверждать материал при таких длинах волн. В частности, явление рассеяния менее выражено при более длинной длине волны, таким образом обеспечивая большую глубину проникновения в материал. Таким образом, представляют интерес фотоинициаторы, которые поглощают и могут вызывать отверждение при более длинной длине волны. Путем обоснованного выбора заместителей на ароматических фрагментах спектр поглощения полимерного фотоинициатора в некоторой степени можно сдвинуть в красный участок спектра, что затем может облегчить отверждение на сравнительно больших глубинах.
Мультифотонное поглощение также можно применять для отверждения образцов с применением источников света, излучающих при длинах волн в два раза или даже несколько раз больше длины волны света, необходимой для отверждения в однофотонном процессе. Например, композицию, содержащую фотоинициатор с максимумом поглощения при ~250 нм, вероятно, можно отверждать при помощи источника света, излучающего при ~500 нм, с использованием процесса двухфотонного поглощения, при условии, что сечение двухфотонного поглощения является достаточно высоким. Мультифотонно инициированный процесс отверждения также может способствовать большей пространственной разрешающей способности по отношению к отверждаемой области, как проиллюстрировано в Nature 412 (2001), 697, где 3D структура образуется с помощью двухфотонного процесса отверждения.
В настоящем изобретении отверждение изначально инициируют путем воздействия на матричную композицию облучением с высокой энергией, предпочтительно, УФ-светом. Фотоинициированный процесс осуществляется посредством способов, описанных выше, и которые известны сами по себе, посредством облучения при помощи света или УФ-облучения в диапазоне длины волны от 250 до 500 нм. Источники облучения, которые можно применять, представляют собой солнечный свет или лампы искусственного света, или лазеры. Преимущественными являются, например, ртутные лампы высокого давления, среднего давления или низкого давления и ксеноновые и лампы накаливания. Аналогично, преимущественными являются эксимерные, твердотельные лазеры и лазеры на основе диода. Даже импульсные лазерные системы можно рассматривать как применимые в отношении настоящего изобретения. В целом, в отношении инициирования химических реакций преимущественными являются источники света на основе диода.
В процессе отверждения полимерный фотоинициатор преобразует матричную композицию в химическом процессе, вызванном при помощи света, в предшественник гидрофильного геля.
Самоотверждение
Полимерные фотоинициаторы, описанные в данном документе, также могут облегчать отверждение окружающей матрицы, но поскольку фотоинициаторы сами по себе являются полимерами, они также могут “самоотверждаться”, что означает, что одни лишь полимерные фотоинициаторы могут составлять матричную композицию, которая отверждается при помощи УФ-облучения. Это особенно важно, если полимер в формуле I представляет собой полиолефин или полиалкилоксид, предпочтительно, полиалкилоксид.
В одном аспекте, следовательно, настоящее изобретение обеспечивает способ получения предшественника гидрофильного геля, причем указанный способ включает этапы:
а. обеспечения матричной композиции, состоящей из полимерного фотоинициатора общей формулы I:
2
n
m
Полимер-[CR-CHR-спейсер(PI)] (I),
где m представляет собой целое число от 1 до 5000;
n представляет собой действительное число больше 0 и меньше 5; и
PI представляет собой фотоинициаторный фрагмент;
полимер выбирают из группы, состоящей из полиакрилатов, полиалкиловых эфиров, полиуретанов, полиэтиленвинилацетатов, поливинилпирролидона и их сополимеров и их смесей;
и где каждая группа R представляет собой заместитель, независимо выбранный из водорода, C1-C25 линейного алкила, C3-C25 разветвленного алкила, C3-C25 циклоалкила, арила, гетероарила, -OH, -CN, галогенов, аминов (например, -NR'R'', где R' и R'' представляют собой алкильные группы, преимущественно C1-C25 алкильные группы) и амидов (например, -CONR'R'' или R'CONR''-, где R' и R'' представляют собой алкильные группы, преимущественно C1-C25 алкильные группы),
b. отверждение матричной композиции, полученной на этапе a., путем воздействия УФ-излучением.
Способ “самоотверждения” преимущественно осуществляется при помощи этапов a. и b., осуществляемых в алфавитном порядке, непосредственно друг за другом (т.е. без промежуточных этапов). В одном аспекте данного способа “самоотверждения” данный способ состоит только из этапов a. и b.
Однокомпонентная система - которую получают с помощью способа “самоотверждения” - обеспечивает преимущества в том, что полимерные фотоинициаторы являются термопластичными. По этой причине они становятся менее вязкими при более высоком градиенте скорости сдвига, что упрощает их обработку в процессе экструзии. Напротив, например, поливинилпирролидон не может быть экструдирован. Все подробности и структурные модификации полимерного фотоинициатора, приведенные в данном документе, предназначены для получения фотоинициаторов, подходящих для применения в способе “самоотверждения”.
Кроме того, полимерные фотоинициаторы способа “самоотверждения” могут содержать единственный компонент матричной композиции; т.е. матричная композиция может состоять из полимерных фотоинициаторов. Это обеспечивает преимущество в том, что можно избежать добавок (например, пластификаторов, модификаторов вязкости), тем самым снижая вероятность выщелачивания компонентов с низким молекулярным весом из сшитой матричной композиции.
Гелеобразное состояние
Для получения гидрофильного геля настоящего изобретения на матричную композицию воздействуют средой, вызывающей разбухание, такой как вода, C1-C5 спирты, глицерин и полиэтиленгликоль (PEG), предпочтительно, PEG-2000 (в данном документе именуется как этап c.). Композиции, таким образом, подвергают разбуханию для получения геля. Контакт со средой, вызывающей разбухание, может осуществляться до или после отверждения матричной композиции. Среда, вызывающая разбухание, может находиться в ее первоначальном состоянии или присутствовать в комбинации с другими веществами, например, в солевом растворе или биологической жидкости. Частицы, представленные в газообразном состоянии в равновесии со значительной частью, представленной в своей жидкой форме, также составляют среду, вызывающую разбухание.
Матричную композицию можно отверждать путем воздействия УФ до или после воздействия среды, вызывающей разбухание. Если сперва отверждают, то получают “сухую” отвержденную матричную композицию (= предшественник геля). Если сперва воздействуют средой, вызывающей разбухание, то гидрофильный гель можно получить в одноэтапном процессе, так как этап отверждения осуществляется в присутствии среды, вызывающей разбухание. Другими словами, среда, вызывающая разбухание, в отношении гидрофильного геля представляет собой растворитель для этапа отверждения. Что касается этапов способа, этап c. можно осуществлять до или после этапа b. Преимущественно, этап c. осуществляют до этапа b.
В способе “самоотверждения” полимерный фотоинициатор можно отверждать путем воздействия УФ до или после воздействия средой, вызывающей разбухание. Если сперва отверждают, то получают “сухой” отвержденный полимерный фотоинициатор (= предшественник гидрофильного геля). Если сперва воздействуют средой, вызывающей разбухание, то гидрофильный гель можно получить в одноэтапном процессе, так как этап отверждения осуществляют в присутствии среды, вызывающей разбухание. Другими словами, среда, вызывающая разбухание, в отношении гидрофильного геля представляет собой растворитель для этапа отверждения. Преимущественно, этап c. осуществляют до этапа b.
Гель характеризуют как разбухающий материал, однако, нерастворимый в среде, вызывающей разбухание. Под гидрогелем подразумевается материал, имеющий в составе, главным образом, водорастворимый или разбухающий в воде материал. Гелеобразный материал характеризуют на основании его реологических свойств и в его сухом состоянии. В частности, модуль накопления и потерь применяют для характеристики механических свойств материалов (T. G. Mezger: “The Rheology Handbook”, Vincentz Network, Hannover, 2006). Как описано выше, отверждение матричной композиции сопровождают отслеживанием изменения G'(ω) и G''(ω) в качестве функции времени воздействия УФ. В примерах, применяемых для описания настоящего изобретения, частоту 1 Гц применяют для исследования реологических свойств, и образцы нагревали до 120°C в ходе тестирования.
Настоящее изобретение также относится к гидрофильному гелю, получаемому посредством способов, описанных в данном документе.
Медицинское устройство
Один аспект настоящего изобретения обеспечивает медицинское устройство, включающее предшественник геля или гидрофильный гель, получаемый в результате способов настоящего изобретения. Выражение "медицинское устройство" следует истолковывать в достаточно широком смысле. Подходящие примеры медицинских устройств (в том числе оборудования) представляют собой катетеры (такие как мочевые катетеры), эндоскопы, ларингоскопы, трубки для питания, трубки для дренирования, эндотрахеальные трубки, проволочные проводники катетера, хирургические нити, канюли, иглы, термометры, кондомы, уропрезервативы, защитные покрытия, например, для перчаток, стенты и другие имплантаты, контактные линзы, трубки для экстракорпорального кровообращения, мембраны, например, для диализа, фильтры для крови, устройства для вспомогательного кровообращения, повязки для ухода за раной и калоприемники. Наиболее значимыми являются катетеры, эндоскопы, ларингоскопы, трубки для питания, трубки для дренирования, проволочные проводники катетера, хирургические нити и стенты и другие имплантаты. Представляющими особый интерес медицинскими устройствами в контексте настоящего изобретения являются катетеры, такие как мочевые катетеры.
На медицинское устройство можно нанести покрытие, по меньшей мере на его поверхностной части, предшественником геля или гидрофильным гелем настоящего изобретения. В некоторых вариантах осуществления гидрофильный гель покрывает всю (внешнюю) поверхность медицинского устройства, и в некоторых других вариантах осуществления только часть его поверхности. В наиболее значимых вариантах осуществления гидрофильный гель покрывает по меньшей мере часть поверхности (предпочтительно, всю поверхность) медицинского устройства, которое - при надлежащем применении - входит в прямой контакт с частями тела, для которых предназначено медицинское устройство. Возможно, что медицинское устройство покрыто предшественником геля, и гидрофильный гель образуется при контакте с жидкостью - либо с биологическими жидкостями пациента, либо с активирующим раствором, содержащим воду.
Настоящее изобретение, таким образом, обеспечивает катетер, получаемый посредством способа настоящего изобретения, в частности, катетер, где гидрофильным гелем покрыта по меньшей мере его поверхностная часть.
1
Настоящее изобретение также относится к применению фотоинициатора общей формулы I, II, IIa, IIb, III, IV или V, где m, n, PI, R, R, спейсер и полимер являются такими, как определено в данном документе, при получении гидрофильного геля, в частности, гидрогеля.
Пример 1
Ряд привитых полиэтиленоксидных полимеров получают путем загрузки смесителя Брабендера 60 г PEO NF1 (Sumitomo) при 150°C. К этой смеси добавляют различные количества 4-акрилоилбензофенона (1-10 г) и 2,5-бис(трет-бутилперокси)-2,5-диметилгексана в различных количествах (0,5-5 г). Эту смесь перемешивают в течение 20 минут при 150°C и в дальнейшем отбирают из смесителя Брабендера. Выделенный материал анализируют с применением FT-IR для подтверждения полного превращения добавленного акрилата.
Воздействие воды на этот материал приводит в результате к образованию гидрогеля в качестве разбухающего материала, однако, нерастворимого в воде. Более того, гидрогель представляет собой твердый или твердообразный материал из двух или более компонентов, один из которых представляет собой жидкость, присутствующую в значительном количестве. Твердообразные гели характеризуются отсутствием равновесного модуля, модулем накопления G'(ω), который демонстрирует отчетливо выраженное плато протяженностью по времени по меньшей мере порядка секунд, и модулем потерь G''(ω), который значительно меньше модуля накопления в области плато.
Несмотря на то, что настоящее изобретение было описано со ссылкой на ряд вариантов осуществления и предпочтительных признаков, наиболее полный объем не следует рассматривать как ограниченный именно этими вариантами осуществления. Объем настоящего изобретения определяется прилагаемой формулой изобретения. Совместимые признаки из различных вариантов осуществления и аспектов настоящего изобретения можно комбинировать по усмотрению специалиста в данной области техники, в то же время оставаясь в рамках настоящего изобретения.