Copolyesteramide (CPA) unterschiedlicher MikroStruktur - Entwicklung eines reaktiven Extrusionsprozesses zur kontinuierlichen Herstellung von resorbierbaren CPA auf einem Doppelschneckenextruder

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Edmund Haberstroh; Professor Dr. Martin Möller
• Fachliche Zuordnung: Polymermaterialien
• Förderung: Förderung von 2008 bis 2011
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 55579899

Eine besondere Bedeutung in der Medizintechnik kommt den resorbierbaren Polymeren zu. Herkömmliche bioresorbierbare Werkstoffe auf Basis von Polyglycolsäure (PGA) oder Polylactidsäure (PLA) weisen einige Nachteile auf, von denen insbesondere der Abbaumechanismus zu erwähnen ist. Copolyesteramide (CPA) sind eine Gruppe von bioabbaubaren Werkstoffen, die derartige Probleme nicht aufweisen. Sie werden nach einem für den Körper verträglicheren Mechanismus abgebaut. Grundsätzlich handelt es sich bei den CPA um Polymere auf Basis von E-Caprolactam, α, ω-Diolen und Dicarbonsäuren. Diese besitzen in der Hauptkette Ester- und Amid-Gruppen, die die Eigenschaften des Werkstoffs prägen. Erstes Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Entwicklung von CPA's mit unterschiedlichen thermischen und mechanischen Eigenschaften, kontrollierbarer Bioabbaubarkeit und guten Verarbeitungseigenschaften. Für diese Entwicklung werden unterschiedliche Mikro-Strukturen hinsichtlich der Zahl und der Sequenz von Amid und Ester-Gruppen in der Hauptkette angestrebt. In Laborversuchen bei TexMC werden im Batch-verfahren CPA's hergestellt die eine, zwei und drei aufeinander folgende Amidgruppen statistisch entlang der Polymerkette verteilt aufweisen. Zur Synthese werden zum einen die Edukte variiert, wobei ε-Caprolactam, α,ω-Aminoalkohole, Diamine, Derivate von Dicarbonsäuren und Diole zum Einsatz kommen. Zum anderen wird die Vorgehensweise bei der Synthese variiert. Für statistisch verteilte Amidgruppen entlang der Kette wird ε-Caprolactam, Dicarbonsäurederivate und Diole gleichzeitig zur Reaktion gebracht. Für die Herstellung von CPA's mit zwei oder drei aufeinander folgenden, statistisch verteilten Amidgruppen wird zunächst ein Vorkondensat aus ε-Caprolactam, dem α, ω-Aminoalkohol, bzw. dem Diamin hergestellt, bevor die Polykondensation mit dem Dicarbonsäurederivat und dem Diol erfolgt. Ein weiteres Ziel der CPA-Entwicklung ist die Verwendung von funktioneilen Bausteine zum Einführen von funktionellen Gruppen in die Haupt- und Seitenketten der CPA's. Durch den Einbau von funktionelle Gruppen ist eine anschließende chemische Ankopptung von Substanzen, wie zum Beispiel biologischen Signalen, an die CPA möglich. Für alle dargestellten CPA folgt eine vollständige chemische und physikalische Charakterisierung. Drittes Ziel ist die Entwicklung einer Verfahrenstechnik zur wirtschaftlichen Herstellung der CPA auf Schneckenreaktoren. Aufgrund der modularen und flexiblen Bauweise, der selbstreinigenden Wirkung der ineinandergreifenden Schnecken und der engen Verweilzeitverteilung, sind gleichlaufende Doppelschneckenextruder für die Synthese solcher Produkte mit hoher Viskosität sehr gut geeignet. Von den bei TexMC entwickelten CPA werden gemeinsam mit dem IKV insgesamt drei Typen ausgewählt, für die der reaktive Extrusionsprozess erforscht werden soll. Zunächst wird das am IKV vorhandene Simulationsprogramm MOREX für den Anwendungsfall „Reaktive Extrusion von CPA" erweitert. Es werden Anlagenkonfigurationen und Prozessparameter für maximale Umsätze bei hohen Durchsätzen ausgelegt. Nach Auslegung der Prozesse erfolgen der Aufbau und die Inbetriebnahme des Extrusionsanlage und die Durchführung von Versuchen nach einem statistischen Versuchsplan. Die Untersuchungen umfassen auch Variationen des Anlagenaufbaus, wie zum Beispiel des Zugabeortes der Edukte, der Verfahrenslänge und der Ort der Entgasung. Parallel zu den Extrusionsversuchen findet eine eingehende Charakterisierung der hergestellten Polymere statt. Dafür und für die Optimierung des reaktiven Extrusionsprozesses ist eine enge Zusammenarbeit des IKV mit TexMC erforderlich. Durch reaktive Extrusion werden für die Weiterverarbeitung im Spritzgieß- und Schmelzspinnprozess nutzbare Mengen hergestellt. Es folgt die Herstellung von Probekörpern und die umfangreiche Charakterisierung, insbesondere der mechanischen Eigenschaften beispielsweise durch Zug- und Schlagbiegeprüfung. Bei Erfolg dieses Projektes wird es möglich sein, maßgeschneiderte CPA für unterschiedliche Einsatzbereiche (Hart-, Weichgewebekontakt, Drug Release-Systeme, etc.) wirtschaftlich im reaktiven Extrusionsprozess herzustellen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen