Polymeerimateriaalit lääkinnällisissä laitteissa osa III 31.3.2010

Polymeerimateriaalit lääkinnällisissä laitteissa osa III 31.3.2010

Polymeerimateriaalit lääkinnällisissä laitteissa

Polymeerimateriaalien käyttö lääkinnällisissä laitteissa Lääkinnällisissä laitteissa eniten käytettyjä polymeerimateriaaleja ovat valtamuovit, joita ovat polyvinyylikloridi (PVC), polyeteeni (PE), polystyreeni (PS) ja polypropeeni (PP). Kuvasta 4.1. voidaan havaita, että nämä muovit ovat myös eniten käytettyjä polymeerimateriaaleja lääketieteessä, johon lääkinnällisten laitteiden lisäksi kuuluvat lääkinnällisten laitteiden pakkaukset ja lääkkeet. 3

Kuva 4.1. Eniten käytetyt polymeerimateriaalit lääketieteessä. MUUT, 11 % SI, 3 % PES, 3 % PVC, 26 % PC, 3 % PP, 12 % PS, 18 % PE, 24 % 4

Polymeerimateriaalien käyttö lääkinnällisissä laitteissa Valtamuovien suuri osuus johtuu niiden hyvästä hinta/laatusuhteesta, joka mahdollistaa kertakäyttöisten volyymituotteiden valmistamisen. Tällaisia tuotteita ovat esimerkiksi putket, vaipat ja kertakäyttökäsineet. Valtamuoveja parempia ominaisuuksia tavoiteltaessa on lääketieteellisissä laitteissa otettu käyttöön teknisiä ja erikoismuoveja sekä elasteja. 5

Polymeerimateriaalit lääkinnällisissä laitteissa Polyvinyylikloridi (PVC)

PVC:n käyttökohteita lääkinnällisissä laitteissa veripussit katetrit kanyylit veriputket kertakäyttökäsineet suojamaskit ruiskut veren hapetuspumput anestesian valvontalaitteet Jne. 7

Polymeerimateriaalit lääkinnällisissä laitteissa Polyvinyylikloridi (PVC): Polyvinyylikloridin valmistus ja ominaisuudet

Polymerointimenetelmät PVC valmistetaan ketjupolymeroimalla vinyylikloridimonomeerejä polyvinyylikloridiksi, kuten kuvassa 4.1.1.1. on esitetty. Yleensä PVC:n ketjupolymerointi tapahtuu vapaaradikaalipolymeroinnilla suspensio-, emulsio- tai massapolymerointitekniikoita käyttäen. Näistä suspensiopolymerointi on eniten käytetty polymerointitekniikka PVC:lle. 9

Kuva 4.1.1.1. PVC:n ketjupolymerointi vinyylikloridimonomeereistä polyvinyylikloridiksi. 10

Suspensiopolymeroitu PVC: Suspensiopolymeroinnilla saadaan kohtalaisen kirkasta PVC:tä, joka kestää vettä ja kemikaaleja ja se omaa hyvän sähköneristyskyvyn. PVC:n suspensiopolymerointi tapahtuu panostoimisessa autoklaavissa. Polymeroinnin alussa vinyylikloridia, johon on liuotettu initiaattorina toimivaa orgaanista peroksidia tai peroksidikarbonaattia, dispergoidaan veteen. 11

Suspensiopolymeroitu PVC: Syntyneen dispersion hienojakoisuus riippuu sekoituksen tehokkuudesta ja käytetyistä dispersioaineista. Tällöin dispergointiaineet muodostavat kalvon pisaran ympärille, joka estää pisaroiden yhteen tarttumisen. PVC:n dispersioaineena voidaan käyttää esimerkiksi polyvinyylialkoholia tai selluloosajohdannaista 12

Suspensiopolymeroitu PVC: Itse polymeroituminen tapahtuu massapolymeroitumisena vinyylikloridia ja initiaattoria sisältävissä pisaroissa 50-70 C lämpötilassa ja 7-12bar paineessa. Polymeroitumisaika matalissa lämpötiloissa on noin 4-6 tuntia. Polymeroitumisessa käytetty lämpötila ja ketjunsiirtoaineet vaikuttavat muodostuneiden PVC-ketjujen pituuksiin. Mitä korkeampaa polymerointilämpötilaa käytetään, sitä alhaisempi keskimääräinen moolimassa saavutetaan. Ketjunsiirtoaineet puolestaan pienentävät moolimassaa. Stabilisaattorit taas vaikuttavat PVC-hiukkasten muotoon, kokojakaumaan, huokoisuuteen ja bulkkitiheyteen 13

Emulsiopolymeroitu PVC: Emulsiopolymeroitu PVC valmistetaan panos- tai jatkuvatoimisena prosessina. Polymerointi suoritetaan vedessä, johon on liuotettu initiaattoria (kuten kaliumpersulfaattia) ja emulgointiainetta (kuten natriumaryylisulfaattia). Polymerointi tapahtuu 25-60 C polymeroitumisen kestäessä noin 1-2h. Polymeroitumisessa veteen muodostuu pieniä PVC-hiukkasia, jotka eristetään ja kuivataan. 14

Emulsiopolymeroitu PVC: Muodostuneeseen PVC-jauheeseen jää kuitenkin mukaan emulgointiainetta, joka heikentää sen läpinäkyvyyttä, veden ja kemikaalien kestoa sekä sähköneristyskykyä. Emulsiopolymeroinnilla valmistetun PVC:n käyttökohteita ovat esimerkiksi PVC-levyt. 15

Polymeerimateriaalit lääkinnällisissä laitteissa Styreenimuovit

Styreenimuuoveja Styreenimuovit ovat kestomuoveja, joista tärkeimpiä lääkinnällisissä laitteissa käytettäviä muoveja ovat polystyreenit (PS), korkean iskulujuuden polystyreenit (HI-PS), solustetut polystyreenit (PS-E) sekä polystyreenin kopolymeerit, joita ovat styreeniakryylinitriilit (SAN), akryylinitriilibutadieenistyreenit (ABS) ja akryylistyreeniakryylinitriilit (ASA). Polystyreeniä seostetaan usein myös muiden polymeerimateriaalien kanssa. 17

Käyttö lääkinnällisissä laitteissa PS ja PS-HI: Ruiskut Näyteastiat Koeputket viljelmäastiat, kuten petrimaljat pinsetit vähäisissä määrin luusementissä parantamaan: sekoitusominaisuuksia hajoamista säteilysteriloinnissa polymeroinnissa syntyvän lämmön vähentämiseen imukanisterit 18

Käyttö lääkinnällisissä laitteissa ABS: leikkausinstrumentit lävistysneulat kuulolaiteiden kotelot SAN: dialyysilaitteet nesteitä käsittelevät laitteet 19

Polymeerimateriaalit lääkinnällisissä laitteissa Styreenimuovit:Styreenimuovien valmistus ja ominaisuudet

Polystyreeni (PS): Valmistetaan ketjupolymeroimalla styreenimonomeereja polystyreeniksi, kuten kuvassa 4.2.1.1 on esitetty. PS:n fenyyliryhmä, eli bentseenirengas, aiheuttaa PS:ssä jäykkyyttä, haurautta ja amorfisuutta (ja täten läpinäkyvyyttä). 21

Kuva 4.2.1.1. Styreenimonomeerien polymeroituminen polystyreeniksi. 22

Polystyreeni (PS): Normaalin PS:n polymerointi voi tapahtua radikaali- tai koordinaatiopolymeroinnilla. Yleensä PS:n polymerointi tapahtuu radikaalipolymeroinnilla käyttäen suspensio- (yleisimmin käytetty), liuos-, massa- tai emulsiopolymerointia. Tällöin muodostuu ataktista polystyreeniä (PSa), jossa fenyyliryhmä sijaitsee satunnaisesti PS -ketjun molemmin puolin. 23

Polystyreeni (PS): PS:n ataktisuus johtaa PS-a:n amorfiseen rakenteeseen. PS-a:n hyviin ominaisuuksiin kuuluvat muun muassa sen alhainen hinta, hyvä läpinäkyvyys, prosessoitavuus kaikilla kestomuovien prosessointimenetelmillä, hyvä pinnanlaatu, hyvä mittapysyvyys, hyvä jäykkyys, erittäin laajat värjäysmahdollisuudet, alhainen veden absorptio, hyvät sähköiset eristeominaisuudet, helppo liimattavuus esimerkiksi liuotinliimojen avulla ja säteilysteriloitavuus. Sen huonoihin puoliin kuuluvat taas muun muassa sen hauraus, jännityssäröilyherkkyys, heikko UV-säteilyn kesto, suuri vesihöyryn ja hapen läpäisevyys sekä huono öljyjen ja liuottimien kesto. 24

Polystyreeni (PS): Mikäli PS:n polymerointi tapahtuu koordinaatiopolymeroinnilla metalloseenikatalyyttejä käyttäen, syntyy syndiotaktista polystyreeniä (PS-s). Syntiotaktisessa polystyrenissä fenyyliryhmät vuorottelevat ketjun molemmin puolin, muodostaen melko säännöllisen rakenteen. Tämä mahdollistaa sen osittaisen kiteytymisen. 25

Polystyreeni (PS): PS-s on erittäin lämmönkestävä polymeerimateriaali, jonka Tm on noin 277 C. Sillä on parempi sitkeys, paremmat barrierominaisuudet ja parempi kemiallinen kestävyys kuin PS-a:lla. Se on kuitenkin kalliimpi kuin PS-a sekä se on yhä hauras, vaikka sillä onkin parempi sitkeys kuin PS-a:lla. Jos PS:n koordinaatiopolymeroinnissa käytetään Ziegler- Natta katalyyttejä metalloseenikatalyyttien sijaan, syntyy isotaktista polystyreeniä (PS-i). PS-i:tä ei kuitenkaan valmisteta kaupallisesti 26

Polystyreeni (PS): Jos PS:n koordinaatiopolymeroinnissa käytetään Ziegler-Natta katalyyttejä metalloseenikatalyyttien sijaan, syntyy isotaktista polystyreeniä (PS-i). PS-i:tä ei kuitenkaan valmisteta kaupallisesti 27

Korkean iskulujuuden polystyreenit (PS-HI): PS:n alhaista iskulujuutta voidaan parantaa muun muassa käyttämällä korkeamman molekyylipainon omaavaa polystyreeniä, plastisointiaineiden käytöllä, lujitteiden (kuten lasikuidun) avulla, yksi- tai kaksiaksiaalisella orientoinnilla, kopolymeroinnilla tai seostamalla elasteja polystyreenin joukkoon. 28

Korkean iskulujuuden polystyreenit (PS-HI): Korkean iskulujuuden omaaviapolystyreenejä kutsutaan korkean iskulujuuden polystyreeneiksi (PS-HI). PS:n korkea iskulujuus voidaan saavuttaa muun muassa kopolymeroimalla butadieenia ja styreeniä 70:30 suhteessa tai seostamalla polybutadieenikumia polystyreenin joukkoon. Kuvassa 64.2.1.2 on esitetty PS-HI:n, jonka iskunsitkeys on saavutettu styreenin ja butadieenin kopolymeroinnilla, rakennekaava. 29

Kuva 4.2.1.2. PS-HI:, jonka iskunsitkeys on saavutettu styreenin ja butadieenin kopolymeroinnilla, rakennekaava. 30

Solupolystyreeni (PS-E): PS:ää voidaan solustaa fysikaalisesti tai kemiallisesti, jolloin saadaan aikaiseksi solupolystyreeniä (PS-E). PS-E:tä kutsutaan myös yleisnimellä styrox. PS-E tuo muun muassa paremmat lämmöneristeominaisuudet ja alhaisemman tiheyden verrattuna PS:n. 31

Akryylinitriilibutadieenistyreeni (ABS): Kolmen komponentin (akryylinitriilin, butadieenin ja styreenin) styreenimuovi, joka voidaan valmistaa kahdella tavalla, tyypillä A ja tyypillä B. 32

Akryylinitriilibutadieenistyreeni (ABS): Tyyppi A radikaalikopolymeroidaan styreeniä ja akryylinitriiliä emulsiopolymerointimenetelmän avulla lievästi silloittuneen polybutadieenin läsnä ollessa. Tällöin muodostuu ABS:ää, jossa suurin osa styreenistä ja akryylinitriilistä polymeroituu styreeniakryylinitriiliksi (SAN) muodostaen jatkuvan faasin ABS:ään. Suurin osa polybatadieenista puolestaan jää epäjatkuvaksi faasiksi ABS:ään. Osa styreenistä, akryylinitriilistä ja polybutadieenista muodostaa kuvan 4.2.1.3. oksaspolymeerin, jossa polybutadieeniin on oksastunut styreeniaryylinitriiliä. Nämä oksaspolymeerit johtavat polybutadieeneistä koostuvien epäjatkuvien faasien hyvään dispersioon SAN -matriisissa sekä parempaan adheesioon faasien välillä. 33

Kuva 4.2.1.3. ABS:ssä esiintyy oksaspolymeerejä, joissa SAN on oksastunut polybutadieenin. 34

Akryylinitriilibutadieenistyreeni (ABS): Tyyppi B Valmistetaan mekaanisesti sekoittamalla polybutadieenia ja styreeniakryylinitriilimuovia (SAN) toisiinsa. Tällöin muodostuu ABS:ää, jossa butadieenikumi on epäjatkuvana faasina SAN -faasissa. Käytettävää butadieenikumia on usein modifioitu styreenillä tai akryylinitriilillä, jolloin saavutetaan parempi adheesio SAN:n ja butadieenikumin välillä. 35

Akryylinitriilibutadieenistyreeni (ABS): ABS:n tyypillinen koostumus on 20-30% akryylinitriiliä, 20-30% butadieeniä ja 40-60% styreeniä. ABS on amorfinen kestomuovi, jonka hyviä puolia ovat muun muassa sen hyvä yhdistelmä mekaanisia ominaisuuksia (PS:ä parempi lujuus, suuri jäykkyys ja hyvä iskusitkeys), helppo sulatyöstettävyys, hyvät liittämismahdollisuudet (liimaus ja hitsaus), hyvä pinnoitettavuus (elektrolyyttinen pinnoitus), hyvä mittapysyvyys, hyvä pintakovuus ja pinnanlaatu sekä suhteellisen alhainen veden absorptio. Sen huonoja puolia ovat taas muun muassa sen alhainen dielektrinen lujuus, alhainen maksimikäyttölämpötila, keskinkertainen UV-säteilyn kestävyys, heikko väsymislujuus ja huono liuottimien kestävyys. 36

Styreeniakryylinitriili (SAN): Kahden komponentin (styreenin ja akryylinitriilin) styreenimuovi, joka valmistetaan kopolymeroimalla sen komponentteja. Kuvassa 4.2.1.4. on esitetty SAN:n rakennekaava. 37

Kuva 4.2.1.4. SAN:n rakennekaava. 38

Styreeniakryylinitriili (SAN): Tyypillisesti SAN sisältää 20-30% akryylinitriiliä ja loput on styreeniä. SAN:n tyypillisiä hyviä ominaisuuksia ovat muun muassa sen hyvä kovuus ja jäykkyys, PS:ä parempi lämmön-, kemikaalien-, ja säänkesto, hyvä mittapysyvyys ja PS:ä parempi jännityskorroosionkesto. Sen huonoja puolia ovat taas muun muassa suhteellisen matala käyttölämpötila, kellastuminen ulkokäytössä, hauraus ja PS suurempi veden absorptio 39

Akryylistyreeniakryylinitriili (ASA): ABS:n huonoa UV-valon ja hapen kestävyyttä on pyritty parantamaan ASA:ssa modifioimalla akryylinitriilin ja styreenin kopolymeeriä tyydytetyllä akryyliesterielastomeerillä. Muuten ASA on ominaisuuksiltaan hyvin samanlainen kuin ABS. 40

Akryylistyreeniakryylinitriili (ASA): Sen hyviin ominaisuuksiin kuuluu muun muassa sen hyvä pintakovuus ja pinnalaatu, ABS:ää ja PMMA:ta parempi jännityssäröilyn kesto, hyvä UV-säteilyn ja hapen kesto sekä värjättävyys. Sen huonoja puolia ovat muun muassa sen huono iskusitkeys kylmässä, rajallinen liuottimien kestävyys sekä ABS:ää korkeampi hinta 41

Polymeeriseokset: Polystyreeniä ja sen kopolymeerejä voidaan seostaa keskenään tai muiden kestomuovien kanssa parempien ominaisuuksien saavuttamiseksi. Esimerkiksi seuraavien ABS:ää sisältävien seosten ominaisuudet ABS:ään verrattuna ovat: (ABS) + (PC), parempi iskusitkeys lämmönkesto (ABS) + (PSU), parempi lämmönkesto ja alentumaton iskulujuus (ABS) + (PVC), parempi palonkesto liittyneenä säilyneeseen iskulujuuteen ja UV-säteilyn kestoon (ABS) + (PS-HI), halvempi, mutta yhtä iskusitkeä. 42

Polymeerimateriaalit lääkinnällisissä laitteissa Polyolefiinit

Polyolefiinien rakenne Polyalkeeni on polymeeri, joka polymeroidaan alkeenimonomeereistä eli monomeereistä, joilla on vähintään yksi hiili-hiili-kaksoissidos. Alkeenia voidaan myös kutsua olefiiniksi ja polyalkeenia polyolefiiniksi. Polyolefiinit sisältävät eri polymeerimateriaaleja, kuten polyeteenin (PE) ja polypropeenin (PP). PE ja PP ovatkin eniten käytettyjä polyolefiinejä lääkinnällisissä laitteissa. 44

Käyttö lääkinnällisissä laitteissa Polyeteeni: Pipetit Ommellangat Polvi- olkapää-, sormi-, ranne- ja lonkkaproteeseissa Sydämentahdistimen pinnoitteena Katetrimateriaaleina Jne. 45

Käyttö lääkinnällisissä laitteissa Polypropeeni: Injektioruiskuissa Katetreissa Verensuodattimissa Sydänläpässä Dialyysilaitteissa Verenhapettimissa Ommelmateriaaleina Lonkkaproteeseissa Jne. 46

Polymeerimateriaalit lääkinnällisissä laitteissa Polyolefiinit: Valmistus ja ominaisuudet

Polyeteeni (PE): Polyeteeni valmistetaan eteenistä kuvan 4.3.1.1 mukaisesti ketjupolymeroitumisen avulla. Polyeteenit voidaan jakaa niiden tiheyden mukaan taulukon 4.3.1.1. mukaan. Näistä korkean tiheyden polyeteeni (PE- HD) ja alaisen tiheyden polyeteeni (PE- LD) ovat eniten käytettyjä polyeteenejä lääkinnällisissä laitteissa. 48

Kuva 4.3.1.1. Polyeteenin valmistus eteenistä. 49

Taulukko 4.3.1.1. Polyeteenin jaottelu tiheyden mukaan. Lyhenne Polyeteeni Tiheys [kg/m 3 ] PE-LD Alhaisen tiheyden polyeteeni 910-925 PE-MD Keskitiheyksinen polyeteeni 926-940 PEHD Korkean tiheyden polyeteeni >941 PE-LLD Lineaarinen alhaisen tiheyden polyeteeni 910-925 PE-HMW Korkean moolimassan polyeteeni >925 PE-UHMW Erittäin korkean moolimassan polyeteeni 930-940 50

Polyeteeni (PE): Matalan tiheyden polyeteeniä (LDPE) voidaan valmistaa korkeapainemenetelmällä, jossa polymeroituminen tapahtuu radikaalipolymeraatiolla käyttäen massapolymerointia. Korkeapainemenetelmässä eteenimonomeereihin kohdistuvaa painetta korotetaan aluksi boosterkompressorilla. Tällöin paine nousee säiliössä noin 40 bar:iin. Tämän jälkeen eteeni syötetään synteesiyksikköön, jossa reaktiopaine on yli 2000bar. 51

Polyeteeni (PE): Sitten initiaattoria lisätään katalyyttipumpulla autokaavireaktoriin, jossa lämpötila on noin 150-300 C. Reaktorissa eteeniä pidetään noin 10-50s, jota seuraava paineenlasku aiheuttaa reagoimattoman eteenin erkautumista sulasta polyeteenistä. Reagoimaton eteeni palaa takaisin sekundäärikompressoriin uudelleenkäytettäväksi. Polymeerisula taas johdetaan matalapaineimun avulla ekstuuderille, joka muodostaa pellettejä sulasta polymeerimateriaalista. 52

Polyeteeni (PE): Korkean tiheyden polyeteeniä voidaan valmistaa Unipolkaasufaasiprosessilla. Siinä polymerointi tapahtuu noin 20 bar paineessa ja 20-100 C lämpötilassa metallioksidi- tai Ziegler Nattatyyppisen katalyytin läsnä ollessa. Reaktion lämpötilaa voidaan säätää kierrättämällä kaasua säätimen kautta, jolloin tasainen lämpötila ja hyvä sekoittuvuus on mahdollista. 53

Polyeteeni (PE): Polymerointi kestää keskimäärin noin 3-4h. Valmiin polymeerin poistaminen tapahtuu jaksoittain. Kaasunerotuksesta tullut jauhe voidaan suoraan ottaa käyttöön, mutta usein siihen sekoitetaan lisäaineita sulasekoituksen avulla 54

Polyeteeni (PE): Korkeapainemetelmällä valmistetulla LDPE:llä on alhainen tiheys, matala hinta ja helppo prosessoitavuus. Koska LDPE:llä on korkea lyhyiden ja pitkien haarojen määrä, ei se ole yhtä kiteinen polymeerimateriaali kuin HDPE. Tämä puolestaan johtaa sen HDPE:ä huonompaan mekaaniseen lujuuteen, mutta samalla se on huomattavasti joustavampi polymeerimateriaali kuin HDPE. 55

Polypropeeni (PP): Polypropeeni valmistetaan kuvan 4.3.1.2. mukaisesti propeenista ketjupolymeroinnin avulla koordinaatiopolymeroinnin avulla. Tällöin polymeroinnissa käytetään yleensä joko metalloseeni- tai Ziegler Natta katalyyttiä. 56

Polypropeeni (PP): Polymerointiolosuhteiden ja katalyytin avulla voidaan vaikuttaa siihen, sitoituuko metyyliryhmät ketjun vasemmalle, oikealle puolelle. Isotaktisessa polypropeenissa metyyliryhmät ovat sijoittuneet vain toiselle puolelle. Tällainen polypropeeni on kova, osakiteinen polymeerimateriaali, jolla on hyvä kemiallinen kestävyys. Se onkin yleisimmin käytetty polypropeeni lääkinnällisissä laitteissa. 57

Polypropeeni (PP): Ataktisessa polypropeenissa metyyliryhmät ovat sijoittuneet epäsäännöllisesti ketjun kummallekin puolelle, jolloin epäsäännöllisestä rakenteesta johtuen ataktinen polypropeeni on amorfinen. Se on erittäin pehmeä materiaali, joka kestää huonosti korkeita lämpötiloja ja kemikaaleja. 58

Polypropeeni (PP): Syndiotaktisessa polypropeenissa puolestaan metyyliryhmät ovat sijoittuneet ketjun kummallekin puolelle säännöllisesti. Se onkin pehmeämpi kuin isotaktinen polypropeeni. Se kestää hyvin gammasterilointia. Kuitenkin sen käyttöä on rajoittanut sen pieni saanto. Tänä päivänä syndiotaktista polypropeenia voidaan kuitenkin valmistaa myös laajalla volyymillä. 59

Polymeerimateriaalit lääkinnällisissä laitteissa Silikoni

Käyttö Frost & Sullivanin tekemässä tutkimuksessa on todettu, että silikonin kulutus lääketieteessä tulee Länsi-Euroopassa olemaan vuonna 2012 yli 232 miljoonaa dollaria ja USA:ssa vastaavasti 250 miljoonaa dollaria. Lääketieteellisessä käytössä silikoneja käytetään kuvan 4.4.1. mukaisesti korkean moolimassan omaavina nesteinä (L), nestemäisinä silikonikumeina (LSR), lämpökovettuvina elastomeereinä (HCE) ja viskoelastisina kompaundeina (RTV). 61

Kuva 4.4.1. Silikonin eri muodot ja niiden käyttökohteet lääketieteessä. Kuvassa korkean moolimassan omaava neste (L), nestemäinen silikonikumi (LSR), lämpökovettuva elastomeeri (HCE) ja viskoelastinen kompaundi (RTV). 62

Käyttö Silikonia käytetään lääkinnällisissä laitteissa, koska sillä on: Erinomainen bioyhteensopivuus ihmiskehon kudoksen ja veren kanssa. Se on hajuton, mauton ja se ei ylläpidä bakteerien kasvua. Hyvä biokompatibiliteetti johtuu osittain sen alhaisesta kemiallisesta reaktiivisuudesta, alhaisesta pintaenergiasta ja polydimetyylisiloksaanin hydrofobisuudesta. Laaja käyttölämpötila (-60 C - 260 C) sekä huono lämmönjohtavuus. Hyvät voiteluominaisuudet (nestemäisten silikonien käyttö voiteluaineina). 63

Käyttö Jatkuu.. Hyvä UV-valon kesto Hyvä otsonin kesto Hyvät mekaaniset ominaisuudet (ei koske nestemäisiä silikoneja): hyvä repimis- ja vetolujuus, hyvät virumisominaisuudet, joustavuus, laaja kovuusalue. Hyvät sähköiset ominaisuudet: Korkea dielektrinen lujuus ja alhainen sähkönjohtavuus. Silikoneja käytetäänkin lääketieteessä kuvan 4.4.2. esittelemissä kohteissa 64

Kuva 4.4.2. Silikonien käyttökohteet lääketieteessä. Haavanhoito 5 % 8 % 6 % Ruiskuvatetut ja ekstruusiolla valmistetut osat (ei sisällä muita kohtia) 16 % Voitetulaineet/Farmaseuttiset kohteet 46 % Implantit Hammaslääketiede 19 % Käyttötarvikkeet 65

Polymeerimateriaalit lääkinnällisissä laitteissa Silikoni:Valmistus

Valmistus Silikonien valmistus riippuu siitä, onko se nestemäistä vai kiinteää materiaalia. Esimerkiksi nestemäistä silikonia valmistetaan kuvan 4.4.1.1. mukaisella prosessilla. Ensin metanolista ja vetykloridista (HCl) valmistetaan metyylikloridia (CH3Cl). Tämän puolestaan taas reagoi Piin (Si) kanssa, jolloin syntyy kloorisilaaninen seos. Tästä seoksesta eri kloorisilaanit erotetaan toisistaan. Erotetusta dimetyylidikloorisilaanista ((CH3)2SiCl2) valmistetaan hydrolyysin kautta lineaarista polydimetyylisiloksaania (PDMS). Ketjun kasvu pysäytetään trimetyylikloorisilaanilla. 67

Kuva 4.4.1.1. Nestemäisen silikonin valmistus hydrolyysin kautta. 68

Polymeerimateriaalit lääkinnällisissä laitteissa Polyglykolidi (PGA) ja polylaktidi (PLA)

PGA: Polyklygolidi oli ensimmäinen biohajoava, synteettinen polymeerimateriaali. Se on yksinkertaisin biohajoava polyesteri, jonka kiteisyysaste on yleensä 46-52%, sulamispiste 224-226 C ja lasisiirtymälämpötila 35-40 C. Sitä valmistetaan renkaanavautumispolymeroinnilla diglykolidista Lewis happojen läsnä ollessa. PGA:n liukoisuus yleisiin liuottimiin on huono, mikä korkean sulamispisteen lisäksi vaikeuttaa sen prosessointia. 70

PGA:Käyttö Ommellangoissa Neuloissa Implanttimateriaalina esimerkiksi: Ruuveissa Levyissä 71

PLA: Polylaktidi on synteettinen biohajoava polymeerimateriaali, jota valmistetaan renkaanavautumispolymerisaatiolla kahden maitohappomolekyylin muodostamasta dimeeristä eli dilaktidista. 72

PLA: Polylaktidin sulamispiste riippuu sen isomeerimuodosta. Polylaktidilla on kolme keskeistä isomeeriä, PLLA, DPLA ja PDLLA. PLLA on PLA:ta, joka sisältää vain yhtä PLA:n optista isomeerimuotoa l, PDLA puolestaan sisältää vain yhtä optista isomeeria d, kun taas PDLLA sisältää sekä l- että d-muotoa yhtä paljon. Näistä yleisimmin käytetään PLLA:ta sillä se esiintyy tässä muodossa luonnossa. Taulukossa 4.5.1. on esitelty polyglykolidin (PGA) ja poly-l-laktidin (PLLA) keskeisiä ominaisuuksia. 73

Taulukko 4.5.1. Yleisimpien synteettisten, lääkinnällisissä laitteissa käytettävien biopolymeerien ominaisuuksia. Polymeerimateriaali T m ( C) T g ( C) Moduuli (Gpa) a Hajoamisaika (kuukausina) b PGA 225-230 35-40 7.0 6-12 PLLA 173-178 60-65 2.7 >24 74

PGA:Käyttö Haavasulkeumahakasissa Väliaikaisina suojakalvoina kirurgisiin tarkoituskiin Lääkkeiden luovutusmatriisina Jne. 75

Polymeerimateriaalit lääkinnällisissä laitteissa Hydrogeelit

Hydrogeelien käyttökohteet Hydrogeeleiksi kutsutaan polymeerimateriaaleja, jotka pystyvät absorboimaan itseensä vettä huomattavia määriä ilman että se liukenisi veteen. Hydrogeelien ensimmäisiä merkittäviä käyttökohteita olivat pehmeät piilolinssit, jotka saatettiin markkinoille 1950-luvulla. Vaikka tänä päivänä hydrogeelien valmistettujen piilolinssien osuus piilolinssien markkinoilla on merkittävä, niiden osuus hydrogeelien tuotannosta on vain murto-osa. 77

Hydrogeelien käyttökohteet Piilolinssien lisäksi hydrogeelejä käytetään lääkinnällisissä laitteissa muun muassa: sarveiskalvomateriaalina lääkkeiden annostelumateriaalina haavojen peitemateriaalina ommelmateriaalien pinnoitteina erilaisten implanttien pinnoitteina kirurgisten välineiden pinnoitteina diagnostisten laitteiden pinnoitteina katetrien pinnoitteina. 78

Ominaisuudet Hydrogeelien käyttöä lääkinnällisissä laitteissa ovat puoltaneet niiden lukuisat hyvät puolet, joita ovat esimerkiksi kyky imeä vettä ja vesiliuoksia, biokompatibiliteetti sekä kyky toimia lääkkeiden annostelumateriaalina. 79

Ominaisuudet Huonoja puolia ovat puolestaan olleet niiden huonot mekaaniset ominaisuudet. Ne ovat sitä huonommat, mitä enemmän hydrogeelit sisältävät vettä. Myös ketjujen välisten sidosten luonne ja määrä vaikuttavat merkittävästi mekaanisiin ominaisuuksiin. Kovalenttisten ristisidosten avulla verkkoutuneet hydrogeelit ovat mekaanisesti huomattavasti lujempia kuin fysikaalisten sidoksen (esimerkiksi heikot van der Waals sidokset) avulla komiulotteisen verkkorakenteen muodostaneet hydrogeelit. Sidosten määrä puolestaan lisää mekaanista lujuutta, mutta samalla veden tai vesiliuosten absorptiokyky heikkenee, kuten kuvasta 4.6.1. voidaan havaita 80

Kuva 4.6.1. Ristisilloituksen määrän vaikutus superabsorboivien polymeerien veden absorptioon. 81

Pintamodifiointi Pintamodifioimattomat, alhaisen ristisilloitusasteen omaavat hydrogeelit pystyvät imemään itseensä suuriakin määriä vettä, mutta niiden veden absorptiokyky korotetussa paineessa on huono. Esimerkiksi lapsen istuessa hydrogeelistä valmistetun vaipan päällä sen imukyky heikkenee. Tähän ongelmaan on pystytty vastaamaan kuvan 4.6.2. kuori-ydin rakenteella. Siinä hydrogeelipartikkelin pinta on tiheämmin ristisilloitettu kuin sen ydin. Tämä antaa hydrogeelille paremman mekaanisen lujuuden ilman että sen veden absorptiokyky merkittävästi heikkenisi. Ristisilloitusasteen paikallinen modifioiminen onkin yksi tärkeä tekijä, jolla hydrogeelien ominaisuuksia voidaan säädellä. 82

Kuva 4.6.2. Kuori-ydin SAP-partikkeli, jossa pinta on tiheämmin ristisilloitettu kuin ydin. 83

PHEMA Lääkinnällisissä laitteissa eniten käytetty hydrogeeli on polyhydroksietyylimetakrylaatti (PHEMA). Sillä on hyvät optiset ominaisuudet, joten sitä käytetäänkin runsaasti pehmeiden piilolinssien valmistukseen. PHEMA ei myöskään aiheuta veren hyytymistä haittaavissa määrin, sillä ne eivät sisällä voimakkaasti negatiivisia anionisia radikaaliryhmiä ja ne eivät ole negatiivisesti varautuneita. Tästä johtuen PHEMA -hydrogeelejä käytetäänkin muun muassa veren kanssa kontaktiin joutuvissa lääkinnällisissä laitteissa, kuten verisuoniproteeseissa. Hyvän veriyhteensopivuuden takia hydroksyetyylimetakrtylaattia (HEMA) käytetään myös oksastettuna muihin polymeerimateriaaleihin, kuten styreeni-butadieeni-styreeniblokkikopolymeereihin, paremman veriyhteensopivuuden saavuttamiseksi. Hydrogeelejä valmistetaan myös esimerkiksi akryaateista, metakryyliamideista, akryyliamideista, gelatiinista, agarista ja alginaatista 84

PHEMA Hyvän veriyhteensopivuuden takia hydroksyetyylimetakrtylaattia (HEMA) käytetään myös oksastettuna muihin polymeerimateriaaleihin, kuten styreenibutadieeni-styreeni-blokkikopolymeereihin, paremman veriyhteensopivuuden saavuttamiseksi. Hydrogeelejä valmistetaan myös esimerkiksi akryaateista, metakryyliamideista, akryyliamideista, gelatiinista, agarista ja alginaatista. 85

Polymeerimateriaalit lääkinnällisissä laitteissa Hydrogeelit: Jaottelu

Jaottelu Hydrogeelit voidaan jaotella niiden muodon, polymeeriketjujen välisten sidosten, alkuperän, rakenteen, fysikaalisten ominaisuuksien ja biohajoavuuden mukaan kuvan 4.6.1.1. esittämällä tavalla. 87

Kuva 4.6.1.1. Hydrogeelien jaottelu. 88

Muodon mukaan jaotellut hydrogeelit: Hydrogeelejä voidaan käyttää suoraan jauheina tai granulaatteina, tai ne voivat olla loppukäyttökohteessa muun muassa: liuoksista valmistettuja pinnoitteita kuituja vaahtoja komposiittilevyjä ja kalvoja ruiskuvalettuja kappaleita Jne. 89

Muodon mukaan jaotellut hydrogeelit: Liuoksena olevien hydrogeelien avulla voidaan helposti muodostaa tuotteisiin hydrofiilisiä pinnoitteita, jotka vedenimeytymisen jälkeen ovat hyvin liukkaita. Tätä piirrettä käytetään hyväksi esimerkiksi virtsakatetrien letkuissa. 90

Muodon mukaan jaotellut hydrogeelit: Hydrogeelipinnoitteiden valmistus koostuu seuraavista vaiheista: pinnoitettavan tuotteen pintaan ruiskutetaan, kastetaan tai printataan hydrogeeliliuosta muodostunut pinnoite kuivataan kuivanut pinnoite ristisilloitetaan kolmiulotteiseksi verkkorakenteeksi ristisilloittajien avulla korotetuissa lämpötiloissa tai huoneenlämpötiloissa. 91

Muodon mukaan jaotellut hydrogeelit: Vaahdotuksen avulla hydrogeelien veden absorptiota voidaan nopeuttaa huokoisten aiheuttaman kapillaari-ilmiön avulla ja samalla mahdollistetaan tuotteen homogeeninen turpoaminen. Hydrogeelien vaahdottaminen voidaan suorittaa polymeerimateriaaleille tarkoitettujen fysikaalisten tai kemiallisten vaahdotusmenetelmien avulla. Myös hydrogeelisten kuitujen valmistuksessa voidaan käyttää polymeerimateriaaleille tarkoitettuja menetelmiä. Matriisimateriaalina hydrogeeliä sisältävissä komposiittilevyissä ja - kalvoissa voidaan hydrogeelien huonoa mekaanista lujuutta parantaa lujitekuitujen ja kuitukankaiden avulla 92

Polymeeriketjujen välisten sidosten mukaan jaotellut hydrogeelit: Hydrogeelit voidaan jaotella kemiallisiin ja fysikaalisiin hydrogeeleihin niiden polymeeriketjujen välisten sidosten perusteella. Kemiallisten hydrogeelien, joita kutsutaan myös pysyviksi hydrogeeleiksi, polymeeriketjut ovat sitoutuneet verkkomaiseksi kolmiulotteiseksi rakenteeksi kovalenttisten ristisidoksien kautta, kuten kuvasta 4.6.1.2.a. voidaan havaita. Fysikaalisilla hydrogeeleillä polymeeriketjut ovat puolestaan sitoutuneet toisiinsa koheesiovoimien avulla muodostaen ei-kovalenttisia sidoksia polymeeriketjujen väliin kuvan 4.6.1.2.b. mukaisesti. 93

Kuva 4.6.1.2. Skemaattinen kuva a) kemiallisen hydrogeelin ja b) fysikaalisen hydrogeelin rakenteesta. a. b. 94

Polymeeriketjujen välisten sidosten mukaan jaotellut hydrogeelit: Kemiallisten hydrogeelien valmistus tapahtuu yleensä joko: vesiliukoisten monomeerien kopolymerointi ristisilloittajien läsnä ollessa, vesiliukoisten polymeerimateriaalien ristisilloittaminen silloitusaineita käyttäen tai vesiliukoisten polymeerimateriaalien ristisilloittaminen säteilyn avulla. 95

Polymeeriketjujen välisten sidosten mukaan jaotellut hydrogeelit: Fysikaalisilla hydrogeeleillä koheesivoimat sisältävät vetysidoksia, van der Waals voimia, ionisidoksia sekä voimia, jotka muodostuvat hydrofobisuudesta, kiteisyydestä ja muista heikoista vuorovaikutuksista. Koska fysikaaliset sidokset ovat heikkoja sidoksia, termodynaamiset parametrit kuten ph, paine ja lämpötila vaikuttavat sidoksiin. 96

Polymeerimateriaalit lääkinnällisissä laitteissa Hydrogeelit: Superabsorboivat polymeerit (SAP)

SAP Hydrogeeleihin kuuluvat superabsorboivat polymeerit (SuperAbsorbent Polymers, eli SAP) ovat materiaaleja, jotka pystyvät imemään ja pitämään itsessään erittäin suuria määriä vettä tai vesiliuoksia. Ne voivat sisältää jopa 99 paino-%:a vettä ilman että niiden kolmiulotteisen, verkkomaisen rakenteen stabiilius menetetään. 98

SAP Ensimmäiset superabsorboivat polymeerit valmistettiin ristisilloittamalla kevyesti hydrofiilisiä, modifioituja polymeerejä, joita olivat esimerkiksi modifioitu tärkkelys ja selluloosa. Tänä päivänä suurin osa superabsorboivista polymeereistä kuitenkin valmistetaan osittain neutraloidusta polyakryylihaposta hyvän hinta/ominaisuus-suhteensa vuoksi. 99

SAP Superabsorboivien polymeerien erinomainen imukyky johtuu niiden rakenteesta. Kuvassa 4.6.2.1. on esitetty skemaattisesti polyakryylihaposta valmistetun SAP:n verkkorakenne. 100

Kuva 4.6.2.1. Skemaattinen kuva polyakryylihaposta valmistetun SAP:n rakenteesta. 101

SAP Kuvasta voidaan havaita, että verkkorakenteen negatiiviset karboksylaatti-ionit (-COO-) on neutralisoitu positiivisilla natriumioneilla (Na+). Materiaalin joutuessa kosketuksiin veden kanssa, reagoivat karboksylaatti- ja natriumionit kuvan 4.6.2.2. mukaisesti. 102

Kuva 4.6.2.2. a) COO ionein ja b) Na+-ionien vuorovaikutus vesimolekyylien kanssa. 103

Käyttö Tänä päivänä superabsorboivia polymeerejä tuotetaan noin miljoona tonnia, josta 94%:a käytetään lastenvaippojen, virtsankarkailutuotteiden ja naisten hygieeniatuotteiden valmistukseen. Loput 6%:a menevät muun muassa: Kasvualustoiksi Kaapeleiden ja johtojen tiivistemateriaaleiksi Superabsorboiviksi kuiduiksi ruokapakkauksiin Tulen sammutusmateriaaliksi Kylmä ja kuumaterapiapakkauksiin Jne. 104

Käyttö lääkinnällisissä laitteissa Lääketieteessä superabsorboivia polymeerejä käytetään muun muassa: Haavapeitteissä Imutuppoina Nestemäisten jätteiden hävityksessä 105

Käyttö Kuvassa 4.6.2.3. on esitetty SAP:n kulutuksen kasvu 1970-luvulta tähän päivään asti sekä tulevaisuuden kasvuodotukset vuoteen 2018. Kuvasta voidaan havaita, että vuonna 2018 superabsorboivien polymeerien käytön oletetaan nousevan 1.5 miljoonaan tonniin. Käyrän muodosta voidaan myös havaita, että kasvunopeus on kuitenkin hidastunut vuoden 2000 jälkeen. 106

Kuva 4.6.2.3. Superabsorboivien polymeerien käytön kasvu 1970 luvulta tähän päivään sekä tulevaisuuden kasvuodotukset. 107