Poly-p-dioxanon
Poly-p-dioxanon (auch Poly-1,4-dioxan-2-on) – oft als PDS, PPDX oder PPDO abgekürzt – ist ein Poly(ether-ester), der quasi ein alternierendes Copolymer aus Ethylenglycol und Glycolsäure darstellt und durch ringöffnende Polymerisation aus 1,4-Dioxan-2-on entsteht.
Neben dem Homopolymeren ist eine Reihe von statistischen Copolymeren und Blockcopolymeren,<ref name="Bezwada">R.S. Bezwada, D.D. Jamiolkowski, K. Cooper: Poly(p-dioxane) and its copolymers, in Handbook of Biodegradable Polymers. Hrsg.: A.J. Domb, J. Kost, D.M. Wiseman. Harwood Academic Publishers, 1997, ISBN 90-5702-153-6, Kap. 2, S. 29–61.</ref><ref>K.-K. Yang, X.-L. Wang, Y.-Z. Wang: Poly(p-dioxanone) and its copolymers. In: J. Macromol. Sci., Part C Polym. Rev. Band 42, Nr. 3, 2002, S. 373–398, doi:10.1081/MC-120006453.</ref> meist mit anderen Lactonmonomeren, wie Glycolid,<ref>Patent US4653497: Crystalline p-dioxanone/glycolide copolymers and surgical devices made therefrom. Angemeldet am 29. November 1985, veröffentlicht am 31. März 1987, Anmelder: Ethicon, Inc., Erfinder: R.S. Bezwada, S.W. Shalaby, H.D. Newman, Jr..</ref> Lactid<ref>Patent US4643191: Crystalline copolymers of p-dioxanone and lactide and surgical devices made therefrom. Angemeldet am 29. November 1985, veröffentlicht am 17. Februar 1987, Anmelder: Ethicon, Inc., Erfinder: R.S. Bezwada, S.W. Shalaby, H. Newman, Jr., A. Kafrawy.</ref> oder ε-Caprolacton<ref>Patent US5047048: Crystalline copolymers of p-dioxanone and ε-caprolactone. Angemeldet am 29. November 1985, veröffentlicht am 17. Februar 1987, Anmelder: Ethicon, Inc., Erfinder: R.S. Bezwada, S.W. Shalaby, M. Erneta.</ref> beschrieben.
Poly-1,4-dioxan-2-on wurde unter dem Namen PDSTM ({{Modul:Vorlage:lang}} Modul:Multilingual:153: attempt to index field 'data' (a nil value)) in Form von Monofilamenten als erstes absorbierbares, d. h. biologisch abbaubares, chirurgisches Nahtmaterial im Jahr 1981 eingeführt.<ref>J.A. Ray, N. Doddi, D. Regula, J.A. Williams, A. Melveger: Polydioxanone (PDS), a novel monofilament synthetic absorbable suture. In: Surgery, Gynecology & Obstetrics. Band 151, Nr. 4, 1981, S. 497–507, PMID 6792722.</ref>
Synthese[Bearbeiten]
Die Herstellung des homopolymeren Poly-p-dioxanons erfolgt in Substanz oder Lösung bei erhöhten Temperaturen (100 °C bis 175 °C) für 3 bis 48 Stunden bei Normaldruck oder Vakuum in Gegenwart von Zinn-Alkoxiden, wie z. B. Dibutylzinndilaurat,<ref>Patent US3645941: Method of preparing 2-p-dioxanone polymers. Angemeldet am 1. April 1970, veröffentlicht am 29. Februar 1972, Anmelder: Eastman Kodak Co., Erfinder: T.C. Snapp, A.E. Blood.</ref> Zinn(II)-2-ethylhexanoat<ref name="Forschner">Patent US5652331: Method for preparing poly-p-dioxanone polymer. Angemeldet am 30. August 1996, veröffentlicht am 29. Juli 1997, Anmelder: Shell Oil Co., Erfinder: T.C. Forschner, D.E. Gwyn, C.A. Veith.</ref> oder dem cyclischen Alkoxid 1-Di-n-butyl-1-stanna-2,5-dioxacyclopentan<ref>T. Redin, A. Finne-Wistrand, T. Mathisen, A.-C. Albertsson: Bulk polymerization of p-dioxanone using a cyclic tin alkoxide as initiator. In: J. Polym. Sci., Part A. Band 45, Nr. 23, 2007, S. 5552–5558, doi:10.1002/pola.22301.</ref>, das Umesterungsreaktionen unterdrückt und zu höheren intrinsischen Viskositäten, also Molmassen des Polymers, führen soll.
Die ringöffnende Polymerisation (ROP) des p-Dioxanons mit Aluminiumalkoxiden, wie z. B. Aluminiumisopropoxid<ref name="Dubois">J.-M. Raquez, Ph. Degée, Ph. Dubois: ROP of 1,4-dioxan-2-one initiated by Al(OiPr)3 in bulk: thermodynamics, kinetics and mechanism. (umh.ac.be [PDF]).</ref> oder Aluminium-sec-butoxid führt ebenso zu hochmolekularem PPDO wie mit Diethylzink<ref name="Doddi">Patent US4032988: Synthetic absorbable surgical devices of poly-dioxanone. Angemeldet am 12. Juni 1976, veröffentlicht am 11. Oktober 1977, Anmelder: Ethicon, Inc., Erfinder: N. Doddi, C.C. Versfelt, D. Wasserman.</ref> oder Zirkonylacetylacetonat<ref name="Doddi" /> als Katalysator.
Voraussetzungen für die Erzielung von höhermolekularen Poly-p-dioxanonen ist neben der hohen Reinheit des Monomeren 1,4-Dioxan-2-on (>99,9 %) die Abwesenheit von Wasser, Feuchtigkeit und hydroxygruppenhaltigen Verbindungen, sowie die Anwendung moderater Polymerisationstemperaturen unter 110 °C, d. h. unterhalb der Erstarrungstemperatur von PPDO.<ref name="Dubois" /> Unter diesen Bedingungen reagiert das feste Monomer offensichtlich sehr rasch (innerhalb weniger als 30 Minuten) in den amorphen Bereichen mit der aktiven Aluminium-alkoxidfunktion am Kettenende zu höhermolekularem PPDO.
Während bei der ringöffnenden Polymerisation ähnlicher Verbindungen, wie z. B. ε-Caprolacton vollständiger Monomerumsatz erzielt werden kann, liegen die Polymerausbeuten bei p-Dioxanon – auch bei alternativen Verfahren, wie z. B. der Wärmezufuhr durch Mikrowellenstrahlung<ref>Y. Li, X.-L. Wang, K.-K. Yang, Y.-Z. Wang: A rapid synthesis of poly (p-dioxanone) by ring-opening polymerization under microwave irradiation. In: Polym. Bull. Band 57, Nr. 6, 2006, S. 873–880, doi:10.1007/s00289-006-0668-2.</ref> – in der Regel unter 70 %.
Wegen seiner niedrigen Ceiling-Temperatur von 235 °C (berechnet)<ref name="Dubois" /> bzw. 265 °C (gemessen)<ref>H. Nishida, M. Yamashita, T. Endo, Y. Tokiwa: Equilibrium polymerization behavior of 1,4-dioxan-2-one in bulk. In: Macromolecules. Band 33, Nr. 19, 2000, S. 6982–6986, doi:10.1021/ma000457t.</ref> ist Poly-p-dioxanon inhärent thermisch instabil und neigt beim Erhitzen, also bei der Bildung als auch bei einer späteren thermischen Umformung durch z. B. Extrusion oder Spritzgießen, zur Depolymerisation mit Kettenabbau vom Hydroxykettenende her ({{Modul:Vorlage:lang}} Modul:Multilingual:153: attempt to index field 'data' (a nil value)) unter Bildung des monomeren p-Dioxanons.
Die Depolymerisation wird durch Endcapping, d. h. Verschluss der aktiven Kettenenden gegen Ende der Polymerisation z. B. mit Pyromellitsäuredianhydrid,<ref name="Forschner" /> durch Umsetzung mit Kettenverlängerern ({{Modul:Vorlage:lang}} Modul:Multilingual:153: attempt to index field 'data' (a nil value))<ref>X.-L. Wang, S.-C. Chen, Y.-H. Zhang, K.-K. Yang, Y.-Z. Wang: A biodegradable copolymer from coupling poly(p-dioxanone) with poly(ethylene succinate) via toluene-2,4-diisocyanate. In: e-Polymers. Band 9, 2009, S. 133–144, doi:10.1515/epoly.2009.9.1.133.</ref> oder durch Copolymerisation mit ähnlichen Lactonen, wie z. B. ε-Caprolacton.<ref name="Raquez">J.-M. Raquez, P. Degée, P. Dubois, S. Balakrishnan, R. Narayan: Melt-stable poly(1,4-dioxan-2-one) (co)polymers by ring-opening polymerization via continuous reactive extrusion. In: Polym. Eng. Sci. Band 45, Nr. 4, 2005, S. 622–629, doi:10.1002/pen.20312.</ref> unterdrückt.
Die reaktive Koextrusion z. B. in einem Doppelschneckenextruder erzeugt bereits bei niedrigen Caprolactongehalten und kurzen Reaktionszeiten unter vollständiger Umsetzung des p-Dioxanons semikristalline Copolymere mit statistisch verteilten, kurzen PPDO- und Polycaprolacton-Blöcken, deren thermische Stabilität bei Schmelzpunkten bis 94 °C gegenüber dem Homopolymer wesentlich verbessert ist. Der effiziente, einstufige, kontinuierliche und schnelle Prozess der reaktiven Koextrusion könnte geeignet sein, die Schwächen des herkömmlichen erzeugten Poly-p-dioxanons zu vermeiden und kommerzielle Mengen reproduzierbar und kostengünstig zu erzeugen.<ref>Patent WO2006020544: Copolymerization of 1,4-dioxan-2-one and a cyclic ester monomer producing thermal stabilized 1,4-dioxan-2-one (co)polymers. Angemeldet am 8. August 2005, veröffentlicht am 23. Februar 2006, Anmelder: Michigan State University, Erfinder: R. Narayan, J.-M. Raquez, S. Balakrishnan, P. Dubois, P. Degee.</ref>
Eigenschaften[Bearbeiten]
Poly-1,4-dioxan-2-on ist ein semikristallines Polymer (Kristallinität von 37 bis 55 %) mit einem Schmelzpunkt Tm = 110 °C und einer Glasübergangstemperatur Tg = −10 °C.<ref name="Raquez" /> bzw. −16 °C,<ref name="Doddi" /> sowie einem Zahlenmittel der Molmasse Mn von ca. 28000<ref name="Forschner" /> bis ca. 68000<ref name="Raquez" /> und einer relativ engen Polydispersität von ca. 1,6. Das Elastizitätsmodul und die Glasübergangstemperatur von PPDO ist im Vergleich zu den Polylactonen Polyglycolid und Polylactid niedriger; aufgrund der Etherfunktion im Polymerrückgrat ist PPDO flexibler und weicher als die beiden anderen Polylactone und kann daher auch als Monofilament eingesetzt werden.<ref name="Doddi" /> Poly-p-dioxanon ist zäher als Polylactid und sogar als Polyethylen mit einer Zugfestigkeit von 48,3 MPa bei einer maximalen Bruchdehnung von 500 bis 700 %.<ref name="Dubois" />
Zum Einsatz als Implantatmaterial kann Poly-1,4-dioxan-2-on ohne wesentliche Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften strahlensterilisiert werden.<ref name="Doddi" />
Unter physiologischen Bedingungen wird PPDO chemisch abgebaut, wobei nach vier Wochen noch ca. 58 % der ursprünglichen Nahtstärke vorhanden war. Nach ca. 180 Tagen im Körper ist das Polymer ohne negative Gewebereaktionen vollständig abgebaut.
Segmentierte Copolymere oder Blockcopolymere von PPDO mit anderen Lactonen führen zu Materialien mit geänderten Eigenschaftsprofilen, wie z. B. kürzerer Abbaudauer in vivo bei Polyglycolid- oder höherer Flexibilität bei Poly-ε-Caprolacton-Segmenten.
Anwendungen[Bearbeiten]
Die für Poly-p-dioxanon diskutierten und realisierten Anwendungen umfassen bioabbaubare Folien, Fasern, Vliese, Klebstoffe und Beschichtungen, insbesondere aber biokompatible Artikel zur Wundversorgung wie resorbierbares chirurgisches Nahtmaterial (PDS), Ligaturclips, Wundklammern, Kordeln (PDS-Banding), Nadeln und Knochenstifte, wie z. B. Ethipin.<ref>J.-M. Raquez, O. Coulombier, A. Duda, R. Narayan, P. Dubois: Recent advances in the synthesis and applications of poly(1,4-dioxan-2-one) based copolymers. In: Polymery. Band 53, Nr. 3, 2009, S. 165–178.</ref>
Während das Homopolymer Poly-p-dioxanon keine Anwendungen als Implantatmaterial für die kontrollierte Wirkstofffreisetzung im Körper gefunden hat, scheinen Copolymere, wie z. B. aus 1,4-Dioxan-2-on und ω-Pentadecalacton (Cyclopentadecanolid) dafür geeignet zu sein.<ref>J. Liu, Z. Jiang, C. Liu, R.A. Gross, T.R. Kyriakides, W.M. Saltzman: Biodegradation, biocompatibility, and drug delivery in poly(ω-pentadecalactone-co-p-dioxanone) copolyesters. In: Biomaterials. Band 32, Nr. 27, 2011, S. 6646–6654, doi:10.1016/j.biomaterials.2011.05.046.</ref>
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Einzelnachweise[Bearbeiten]
<references />