Badania implantacyjne

Bezpośrednim sposobem oceny wpływu implantu na otaczające go tkanki jest jego przeszczep do organizmu zwierzęcia laboratoryjnego. W wyniku tego badania otrzymujemy informację odnośnie miejscowej reakcji organizmu po implantacji tworzywa. Metoda ta nie daje oceny wpływów systemowych materiału na cały organizm. Miejscowy odczyn jest oceniany przez porównanie reakcji tkanek na badany materiał z reakcjami tych tkanek na materiał kontrolny. Wybierając materiał kontrolny brane jest pod uwagę jego zastosowanie kliniczne i fakt, że powinno ono być jak najbardziej zbliżone do planowanego zastosowania badanego materiału. Implantacja jest przeprowadzana u zwierząt tego samego gatunku, w jednakowych warunkach i odpowiadających sobie miejscach anatomicznych. Na reakcję tkanek po implantacji mają wpływ takie cechy materiału jak: kształt, twardość, gęstość, sposób wykończenia powierzchni. Aplikowana próbka jest wytworzona, wykończona i wysterylizowana metodami przewidzianymi dla gotowego wyrobu. Przy wyborze zwierząt do badań brane są pod uwagę różne reakcje w zależności od gatunku. Przy doborze czasu badania ważny jest przewidywany okres, po którym odpowiedź biologiczna tkanek osiągnie stan stałej reakcji. Badania miejscowej reakcji wykonywane są na poziomie makroskopowym i mikroskopowym. Poziom makroskopowy pozwala na ocenę charakteru, rodzaju i rozległości zaobserwowanych zmian. Ocena mikroskopowa zawiera dane dotyczące rozległości stanu zapalnego, rozmieszczenia i liczby komórek tego stanu, zmian w strukturze komórek otaczających, a w przypadku implantów o powierzchni porowatej, ilości tkanek wypełniających pory^4,9.

12 2.1.1.5. Badania genotoksyczności i rakotwórczości

Istnieją trzy typy wpływu genotoksycznego: wpływ na DNA, aberracje chromosomalne oraz mutacje genowe. Z tej przyczyny konieczne jest przeprowadzenie badań in vitro, które mogą być w większości wykonywane na kulturach komórkowych lub mikroorganizmach. Szczegółowe opisy testów, jakie są wymagane, zawarte są w zaleceniach Organizacji Współpracy Ekonomicznej i Rozwoju. Najpowszechniej stosowane są testy mutacji genetycznych, przeprowadzane na bakteriach z rodzaju Escherichia lub Salmonella, testy na mysich komórkach szpiku kostnego, a także testy na kulturach komórek jajnika chomika^4,9.

Rakotwórczość jest potencjalną zdolnością materiału, lub jego produktów degradacji będących w kontakcie z żywym organizmem, do inicjacji i indukowania wzrostu komórek zmienionych rakowo. Testy takie należy przeprowadzić w przypadku implantów wszczepianych na stałe. Podstawowe znaczenie w ocenie rakotwórczości mają informacje dotyczące dystrybucji, metabolizmu, wchłaniania i wydalania chemikaliów pochodzących z wyrobu. Testy przeprowadzane są na zwierzętach^4,9.

2.1.2.Inżynieria tkankowa

W inżynierii tkankowej można wyróżnić trzy różne podejścia. Pierwsze z nich zakłada użycie wyizolowanych komórek bądź substytutów komórkowych w celu zastąpienia komórek, które są odpowiedzialne za pożądane funkcje. Ma tu miejsce wstrzyknięcie zawiesiny komórkowej w celu regeneracji uszkodzonej tkanki lub narządu.

Drugie podejście opiera się na dostarczeniu do organizmu czynników indukujących wzrost tkanki (czynników wzrostu). Niestety oba te sposoby obecnie mają ograniczone zastosowanie i mogą być wykorzystywane jedynie w przypadku niewielkich uszkodzeń.

Trzecie i zarazem najważniejsze oferuje hodowlę komórek na trójwymiarowym rusztowaniu. Proces rekonstrukcji uszkodzonych tkanek przebiega etapowo i składa się z określonej sekwencji²⁵.

W inżynierii tkankowej podstawą są komórki, które mogą pochodzić z różnych źródeł, stąd też wynika ich klasyfikacja:

- ksenogeniczne - pochodzące od obcego gatunku,

- allogeniczne - przeszczep następuje w obrębie tego samego gatunku,

- syngeniczne - jednorodne, pochodzące od osobników identycznych genetycznie, - autologiczne - przeszczep w obrębie tego samego ustroju²⁶.

13 Komórki macierzyste i prekursorowe określa się jako komórki proliferacyjnie nieaktywne. Są one obecne w małej liczbie we wszystkich głównych tkankach. Ze wszystkich potencjalnych źródeł komórek, najmniej inwazyjnym i najłatwiejszym sposobem ich otrzymania jest pobranie ze szpiku kostnego droga przezskórnej biopsji. Stosowanie komórek autologicznych daje możliwość uniknięcia problemów z układem immunologicznym, organizm nie potraktuje ich jako obcych.

Uzyskany w procesie biopsji materiał zostaje poddany obróbce polegającej na uwolnieniu komórek z naturalnej macierzy, która otacza je w organizmie. Pozyskane komórki są wysiewane na rusztowaniach komórkowych (in vitro) symulujących macierz zewnątrzkomórkową. Tak przygotowany nośnik wraz z wysianymi na nim komórkami jest umieszczany w komorze bioreaktora, w której to zachodzi proces namnażania komórek.

Bioreaktor zapewnia właściwe warunki środowiskowe, dostarczenie pożywki hodowlanej oraz czynników wzrostu (Rys. 2).

Rys. 2. Kolejne etapy wytwarzania substytutów tkanek lub organów metodami inżynierii tkankowej (www.bionova.com.au)

2.1.3. Rusztowania komórkowe

Naturalna regeneracja uszkodzonych tkanek jest w przypadku wielu ich typów praktycznie niemożliwa. Sposobem na rozwiązanie tego problemu jest zastosowanie w miejscu uszkodzenia sztucznego rusztowania (skafoldu), które ułatwia proces regeneracji.

Odpowiada ono za proces scalania komórek w tkanki, wpływa na ich kształt i ruch, a także stanowi dla nich mechaniczną podporę. Rusztowania wykonane z materiałów naturalnych

14 bądź syntetycznych powinny w jak największym stopniu odzwierciedlać cechy i funkcje naturalnej matrycy. Po spełnieniu swojego zadania wszczepiony materiał powinien ulegać stopniowej degradacji na rzecz naturalnej matrycy, nie powodując przy tym negatywnych dla organizmu ludzkiego konsekwencji^3,4.

Skafoldy służą między innymi do uzupełniania kości uszkodzonych na skutek resekcji nowotworów, obrażeń poniesionych w nieszczęśliwych wypadkach, złamań, będących konsekwencją chorób (np. osteoporozy). Tworzywo takie będzie mogło zregenerować lub zastąpić uszkodzoną tkankę w organizmie i przywrócić jej funkcję.

Szkielet człowieka nadaje ciału kształt i stanowi podporę dla narządów. Jego podstawowym materiałem budulcowym jest tkanka kostna. Odznacza się ona impregnacją istoty międzykomórkowej solami, węglanami wapnia i magnezu oraz fosforanami tworzącymi krystaliczne struktury (hydroksyapatyty) nadające tej tkance dużą twardość.

Kość jest materiałem kompozytowym, gdzie rolę osnowy spełnia organiczna istota bezpostaciowa wraz z substancją nieorganiczną – hydroksyapatytem. Rolę struktury nośnej pełnią włókna kolagenowe. Ukształtowanie i struktura kości w ciele człowieka są dostosowane do funkcji, jaką pełni. Kości są zdolne do dopasowywania się do obciążeń, jakie muszą przenosić. Charakterystyczna jest także stosunkowo niska masa i struktura porowata przy zachowaniu wysokich właściwości wytrzymałościowych.

Ruch kości następuje w wyniku skurczów przymocowanych do nich mięśni szkieletowych. Układ kostny, nerwowy oraz mięśniowy stanowią narząd ruchu. Tkankę kostną pod względem anatomiczno-histologicznym tworzą trzy rodzaje komórek: osteocyty, osteoklasty i osteoblasty. Organiczna matryca wraz z wodą i solami organicznymi stanowią substancję międzykomórkową. Zadaniem osteoblastów jest wytworzenie kości, osteocyty odpowiadają za jej utrzymanie, a osteoklasty zapewniają jej resorpcję. Resorpcja i tworzenie kości sprawiają, że kość tkana podlega przemianie w koncentryczną kość blaszkowatą.

Składają się na nią włókna kolagenowe, układ kanałów Haversa oraz blaszki śródmiąższowe, ułożone tak, by zapewnić maksymalną siłę kości w przeliczeniu na jej objętość. Komórki wytwarzające nową tkankę kostną, czyli osteoblasty, są otaczane przez zrąb kostny i przemieniają się w dojrzale osteocyty. Osteocyty produkują wypustki komórkowe służące do transportu międzykomórkowego⁴.

Skafoldy stanowią specyficzne podłoże dla żywych komórek. Aby dobrze spełniały swą funkcję należy projektować ich budowę tak, aby jak najdokładniej przypomniały swoją

15 strukturą macierz zewnątrzkomórkową, która występuje we wszystkich żywych komórkach.

Macierz ta, w warunkach organizmu ludzkiego, odpowiada za właściwości mechaniczne tkanki, utrzymuje jej strukturę, umożliwia dostarczanie składników pokarmowych do komórek dzięki swej porowatej budowie, oraz stanowi dla nich przyczep. Zbudowana jest głównie z białek kolagenowych i niekolagenowych oraz różnego rodzaju innych składników:

hydroksyapatytu, keratyny, płynu tkankowego, kwasu hialuronowego - zależnie od tkanki, w której występuje⁴.

Porowate podłoża do hodowli tkanek kostnych muszą spełniać szereg warunków, by dobrze pełniły swą funkcję^4,15. Należą do nich:

- trójwymiarowa struktura, zawierająca ilość porów, umożliwiającą przyłączenie komórek, ich proliferację i wytwarzanie własnej macierzy zewnątrzkomórkowej,

- odpowiednia budowa chemiczna powierzchni skafoldów, odpowiadająca za absorpcję białek,

- połączona siec porów zapewniająca dopływ składników pokarmowych oraz odprowadzanie produktów przemiany materii. W celu uzyskania odpowiednich warunków migracji komórek i płynów należy dążyć do osiągnięcia wysokiego udziału porowatości otwartej, a także wytworzyć połączenia porów o świetle nie mniejszym niż średnia wielkość komórki,

- biokompatybilność i bioresorbowalność materiału o kontrolowanej szybkości degradacji, - nietoksyczne i łatwo usuwalne produkty rozkładu,

- środowisko sprzyjające namnażaniu komórek,

- powtarzalna architektura skafoldu dostosowana rozmiarem i kształtem do wymogów klinicznych,

- odpowiednio dobrane właściwości mechaniczne i fizyczne rusztowania, umożliwiające integrację oraz współdziałanie skafoldu z naturalną tkanką. Wytrzymałość mechaniczna rusztowania powinna być maksymalnie zbliżona do wytrzymałości mechanicznej tkanki, którą ma zastępować.

Opisane parametry idealnego skafoldu charakteryzowane są różnymi wielkościami i w różnych skalach. Wielkość porów zawarta w przedziale 15 – 300 nm najczęściej podlega ocenie metodami takimi jak skaningowa mikroskopia elektronowa bądź mikroskopia konfokalna. Wytrzymałość mechaniczna, oceniana jest zwykle w skali makroskopowej, np. w statycznej próbie rozciągania lub ściskania.

Idealny implant, mający zastąpić uszkodzoną kość, powinien się charakteryzować dobrym połączeniem z tkanką kostną, poprzez wytworzenie wiązania chemicznego oraz złącza biologicznego. Zespół Hulberta prowadził badania nad szybkością wrastania tkanki

16 kostnej w materiały porowate CaO-Al2O3. Naukowcy ci wykazali, że dla porów o rozmiarach 15-40 µm zachodzi słaba penetracja porowatego implantu przez tkankę włóknistą, natomiast pory o średnicy co najmniej 200 µm umożliwiają bardzo dobre przerastanie implantu kością^27,28. Podczas opracowywania porowatych implantów kostnych, oprócz odpowiednio ukształtowanej porowatości, należy wziąć pod uwagę jej negatywny wpływ na wytrzymałość materiałów. Coraz bardziej zaawansowane metody badawcze oraz szeroka wiedza opisująca wpływ białek na proces proliferacji komórek, pozwalają na analizę właściwości powierzchniowych w skali nano. Dobór odpowiedniego materiału jest jednak najistotniejszy dla procesu wytwarzania trójwymiarowych struktur.

2.1.3.1. Materiały na podłoża

Materiały na matryce polimerowe dobierane są w zależności od przeznaczenia.

Obecnie stosowane są metale, ceramika oraz polimery, które znajdują najszersze zastosowanie ze względu na duże możliwości sterowania ich właściwościami fizycznymi, chemicznymi i mechanicznymi.

Poliestry alifatyczne są główną grupą materiałów stosowanych do otrzymywania trójwymiarowych podłoży. Zalicza się do nich takie polimery jak: poli(kwas glikolowy) (PGA), poli(ε-kaprolakton) (PCL), poli(kwas mlekowy) (PLA). Charakteryzują się biodegradowalnością i bioresorbowalnością. Rusztowania z tych materiałów ulegają dość szybkiej degradacji, przy czym szybkość degradacji tych polimerów maleje według przedstawionej kolejności: PGA> P(D,L–LA)> P(L–LA)> PCL. Czas degradacji polimeru może wynosić od kilku tygodni (np. L, D-PLA) do kilku lat (np. L-PLA)²⁹. Degradacja tych materiałów zachodzi w wyniku hydrolizy wiązań estrowych łańcucha głównego³⁰.

Poliestry alifatyczne ulegają degradacji na drodze hydrolizy wiązań estrowych łańcucha głównego, zaś produkty ich rozkładu zostają włączone w cykl metaboliczny Krebsa.

Mechanizm degradacji materiałów jest różny w zależności od pH środowiska, co schematycznie przedstawiono na Rys. 3.

17 pH ≤ 7

pH > 7

Rys. 3. Schemat degradacji hydrolitycznej wiązania estrowego w środowisku neutralnym, kwaśnym bądź zasadowym¹⁵.

Na szybkość degradacji ma wpływ wiele czynników takich jak: historia termiczna, skład chemiczny, polidyspersyjność, ciężar cząsteczkowy, czynniki środowiskowe, krystaliczność, morfologia łańcucha polimerowego, obecność chemicznie reaktywnych składników w masie polimeru, obecność różnego rodzaju dodatków, hydrofilowość, postać materiału (zwłaszcza porowata). Czas życia polimeru, a także jego parametry fizyczne i mechaniczne mogą być modyfikowane przez otrzymywanie jego kopolimerów z monomerami wpływającymi na stopień jego krystaliczności, biozgodność, biodegradowalność^31,32,33. Produkty degradacji PLA, PGA, PGLA, PCL są nietoksyczne, jednak duża ilość kwasowych produktów degradacji może prowadzić do lokalnych stanów zapalnych. PLA lub PGA są stosowane często jako materiały referencyjne dla nowo opracowywanych materiałów w inżynierii tkankowej.

18 Obecnie prowadzone są na szeroką skalę badania nad poliuretanami jako materiałami na podłoża do hodowli tkanek kostnych. Ich unikalna budowa chemiczna, osiągana dzięki możliwości modyfikacji substratów oraz warunków syntezy, pozwala na uzyskanie materiałów o szerokim spektrum właściwości mechanicznych, fizycznych i biologicznych^34,35,36. Podstawowym kryterium badań ze względu na przeznaczenie jest tempo rozkładu oraz nietoksyczność produktów powstających po degradacji³⁷. Możliwość modyfikacji składu poliuretanów pozwala na uzyskanie materiałów o kontrolowanym tempie degradacji, dzięki czemu można uniknąć niepożądanych reakcji implantacji, takich jak lokalnego zakwaszenia środowiska wokół implantu. Stosowanie odpowiednich substratów zapewnia nietoksycznośc powstających substratów zarówno warunkach in vitro jak i in vivo.

2.1.3.2. Metody formowania porowatych podłoży

Istnieje wiele metod otrzymywania materiałów porowatych. Metody stosowane do wytwarzania rusztowań polimerowych determinują geometrię, architekturę, a także właściwości mechaniczne wytworzonego materiału³⁸. Do najpopularniejszych należą:

- metoda SCPL (ang. Solvent Casting & Particulate Leaching)

Metoda ta umożliwia dobranie porowatości preparatów. Roztwór polimeru wlewany jest do formy zawierającej cząsteczki porogenne. Zależnie od wymaganej średnicy porów stosuje się sole nieorganiczne (najczęściej NaCl), żelatynowe kulki bądź sacharozę.

Następnym krokiem jest odparowanie rozpuszczalnika i usunięcie substancji porotwórczej.

Wadą tej metody są trudności w usunięciu pozostałości rozpuszczalnika i porogenu, które mogą niekorzystnie wpływać na kultury komórkowe^15,39.

- wytwarzanie pianek z fazą gazową

Sposobem bezrozpuszczalnikowym na otrzymanie struktur porowatych jest wykorzystanie sprężonego gazu obojętnego (CO2 lub N2). W tej metodzie materiał poddawany jest przesycaniu gazem w czasie od kilku do kilkunastu godzin. Po zmniejszeniu ciśnienia następuje desorpcja w wyniku której tworzone są pory. Materiał zmienia się w gąbkowatą, wypełnioną porami strukturę. Problemem w tej metodzie jest brak połączeń między pęcherzykami oraz niejednorodny rozkład porów.

Metodą otrzymywania porów jest także wprowadzenie łatwo lotnej cieczy w niskiej temperaturze. Po ogrzaniu ciecz przechodzi w gaz i wydziela się z układu tworząc strukturę

19 porowatą tworzywa, która utrwala się po ochłodzeniu. Metoda ta służy do wytwarzania porowatego PVC, polistyrenu oraz polietylenu.

Istnieje także możliwość wydzielania gazu w wyniku reakcji zachodzącej między substratami użytymi do wytworzenia materiału. Przykładem są pianki poliuretanowe, gdzie produktem nadającym porowatą strukturę jest CO₂, powstający w wyniku reakcji izocyjanianu z wodą¹⁵.

- emulgowanie, liofilizacja

W metodzie tej polimer traktowany jest emulsją, na którą składa się rozpuszczalnik i woda. Zanim nastąpi samoczynne rozdzielenie faz cieczy, mieszanina wlewana jest do formy i chłodzona ciekłym azotem. W procesie liofilizacji usuwana jest woda i rozpuszczalnik, co pozwala na otrzymanie porowatego rusztowania. Zaletą metody jest pominięcie procesu ługowania, jednak problem stanowią resztki rozpuszczalnika, które mogą być zagrożeniem dla hodowanych komórek. Otrzymane pory są nierównomiernie rozmieszczone w materiale i mają małe rozmiary^15,40.

- elektroprzędzenie

Metoda ta umożliwia otrzymanie włókien o średnicach nano- i mikrometrowych.

Roztwór stopionego polimeru przepuszczany jest przez dyszę przędzalniczą, podłączoną do wysokiego napięcia. Siły odpychania elektrostatycznego powodują wypuszczenie cienkiej, włóknistej wiązki. Naładowany przeciwnie lub uziemiony odbieralnik gromadzi strumień, zamieniający się w wypełnioną porami sieć. Głównymi zaletami tej metody jest możliwość otrzymania wysokiej porowatości (do 95%) i duża powierzchnia właściwa, wadą są słabe właściwości mechaniczne materiału otrzymanego tym sposobem^15,40.

- technologie CAM/CAD

W metodzie tej wykorzystywane są programy wspomagające projektowanie i wytwarzanie materiałów. Trójwymiarowy model, wygenerowany w aplikacji CAD jest wytwarzany metodą osadzania topionego materiału bądź drukowany z użyciem sproszkowanego polimeru^15,40.

20 Na Rys. 4 przedstawiono skafoldy otrzymane różnymi technikami¹⁵.

- odlewanie połączone z wymywaniem cząstek

- termicznie indukowana separacja faz

- formowanie ze stopu

21 - spiekanie mikrosfer

Rys. 4. Różne techniki otrzymywania skafoldów¹⁵

2.2. Poliuretany

Wszechstronność poliuretanów pozwoliła na ich zastosowanie w wielu dziedzinach przemysłu. Zależnie od stosunku użytych monomerów, ich funkcyjności, rodzaju i stężenia katalizatora, modyfikatorów, otrzymuje się różnego rodzaju tworzywa poliuretanowe⁴⁰. Prowadzone są badania dotyczące zastosowania tych materiałów na podłoża do hodowli tkanek kostnych.

2.2.1. Substraty i otrzymywanie poliuretanów

Podstawowymi substratami do syntezy liniowych poliuretanów są:

- diizocyjaniany, - poliole,

- przedłużacze łańcucha.

Stosuje się też środki pomocnicze takie jak katalizatory, środki sieciujące, dodatki funkcjonalne i przetwórcze⁴¹.

W procesie otrzymywania podłoży do hodowli tkanek kostnych korzystne jest wytwarzanie liniowych poliuretanów, które będą łatwiej degradowały niż poliuretany usieciowane.

2.2.1.1. Izocyjaniany

Podstawowymi składnikami do otrzymywania poliuretanów są izocyjaniany, otrzymane w 1849 r. przez Wurtza. Ich reakcje ze związkami zawierającymi aktywne atomy

22 wodoru wykorzystał w 1937 r. Bayer, który wraz ze współpracownikami stworzył podstawy chemii i technologii polimerów. Izocyjaniany posiadają w strukturze bardzo reaktywną, zawierającą dwa skumulowane wiązania podwójne, grupę izocyjanianową o wzorze

−N=C=O⁴¹.

Do najpopularniejszych izocyjanianów należą: alifatyczne izocyjaniany liniowe:

diizocyjanian heksametylenu – HDI, cykliczne: 4,4'-diizocyjanian dicykloheksylenometanu HMDI, diizocyjanian izoforonu – IPDI, oraz aromatyczne: metyleno-difenylo-4,4'-diizocyjanian – MDI, 2,4-metyleno-difenylo-4,4'-diizocyjanian toluilenu – TDI, m-metyleno-difenylo-4,4'-diizocyjanian ksylenu – XDI⁴¹.

2.2.1.2. Poliole

Najczęściej stosowanymi poliolami są: poli(tlenek etylenu) – PEO, poli(tlenek propylenu) – PPO, poli(izobutylen) – PIB, poli(octan etylu) – PEA, poli(ε-kaprolakton) – PCL, czy poli(butadien) – PBD. Poliole odgrywają bardzo ważną rolę w produkcji poliuretanów^41,42. Zastosowanie polioli petrochemicznych jest niekorzystne z punktu widzenia produkcji, energii i kosztów. Zarówno z ekonomicznego jak i środowiskowego punktu widzenia pożądane jest, aby zastąpić poliole otrzymywane z ropy naftowej tymi, które można otrzymać z zasobów odnawialnych. Obecnie opracowywane są różne metody syntezy polioli z olejów roślinnych. Badania prowadzone są przede wszystkim nad modyfikacją olejów:

sojowego, rzepakowego, rycynowego, palmowego⁴².

Otrzymywanie polioli roślinnych na przykładzie oleju rzepakowego

Jednym z surowców roślinnych wykorzystywanych do syntezy polioli jest olej rzepakowy.

Poliole z oleju rzepakowego otrzymywane są metodą dwuetapową, która obejmuje utlenianie wiązań nienasyconych i otwarcie utworzonych pierścieni epoksydowych. W skład oleju rzepakowego wchodzą reszty kwasu oleinowego (ponad 60% mas.) z jednym wiązaniem podwójnym⁴². Na Rys. 5 przedstawiono schemat struktury chemicznej oleju rzepakowego.

23 Rys. 5. Schemat struktury chemicznej oleju rzepakowego⁴²

Pierwszym etapem otrzymywania poliolu roślinnego jest poddawanie oleju rzepakowego reakcji niepełnego utleniania nadkwasem octowym w celu uzyskania epoksydowanego oleju rzepakowego (Rys. 6).

Rys. 6. Utlenianie oleju rzepakowego z użyciem nadkwasu octowego⁴². Symbole R’, R” – reszty kwasowe

Kolejnym etapem syntezy jest reakcja pełnego otwarcia pierścieni oksiranowych z użyciem glikolu etylenowego i rezorcyny (Rys. 7).

Rys. 7. Otwieranie pierścieni oksiranowych glikolem dietylenowym i rezorcyną w epoksydowanym oleju rzepakowym⁴²

24 2.2.1.3. Przedłużacze łańcucha

Przedłużacze łańcucha w istotny sposób wpływają na poliuretany nadając im giętkość i elastyczność. Jako przedłużacze stosowane są między innymi: alkohole (glikol etylenowy, 1-4-butanodiol, 1-6-heksanodiol), diaminy (etylenodiamina, 1-2-propylenodiamina)⁴³.

2.2.1.4. Katalizatory

Największe zastosowanie do produkcji poliuretanów znalazły katalizatory aminowe, głównie aminy III-rz. np. trietylenodwuamina, trietyloamina, N-metylomorfolina.

Katalizatory te dodane w ilości 0,1-0,2% powodują znaczne przyspieszenie reakcji z izocyjanianami. Ich działanie polega na regulowaniu przebiegu reakcji spieniania i sieciowania. Drugą grupę katalizatorów stanowią związki ołowiu, cyny, kobaltu, miedzi np.

naftenian kobaltowy, kaprylan cynowy, naftenian miedziowy. Związki te katalizują reakcje polimeryzacji. Używanie obydwu typów katalizatorów daje osiągnięcie niezbędnej równowagi pomiędzy szybkością wzrostu makrocząsteczek polimeru a stopniem spieniania w porowatych poliuretanach⁴³.

2.2.1.5. Reakcje otrzymywania poliuretanów

Liniowe poliuretany są otrzymywane na skutek reakcji poliaddycji, która następuje w wyniku przeskoku atomu wodoru grupy hydroksylowej do atomu azotu grupy izocyjanianowej z utworzeniem wiązania charakterystycznego dla tej grupy materiałów- wiązania uretanowego (-O-C(O)-NH-). Zawierają one w łańcuchu głównym obok silnie polarnych ugrupowań uretanowych, grupy eterowe, estrowe, biuretowe i inne. Segmentowe poliuretany otrzymywane są w reakcji stopniowego wzrostu łańcucha makrocząsteczek (reakcja kopoliaddycji)^41,43(Rys. 8).

Rys. 8. Reakcje otrzymywania poliuretanów⁴¹

25 Jeżeli zastosujemy jako substraty reakcji diizocyjaniany i glikole, powstaną poliuretany o budowie liniowej. W reakcji izocyjanianów zawierających więcej niż dwie grupy izocyjanianowe w cząsteczce, lub związków wielohydroksylowych powstają poliuretany usieciowane⁴¹.

W celu otrzymania poliuretanów o dużym ciężarze cząsteczkowym proces należy prowadzić zachowując ściśle równowagowe stosunki grup funkcyjnych obu reagentów, ponieważ nadmiar jednego ze składników może prowadzić do zmniejszenia ciężaru cząsteczkowego polimeru⁴¹.

Proces otrzymywania poliuretanów w przemyśle prowadzi się z wykorzystaniem rozpuszczalnika (chlorobenzen), lub bezrozpuszczalnikowo (w masie). W celu osiągnięcia równomiernego rozkładu substratów w mieszaninie reakcyjnej należy zastosować intensywne mieszanie. Stosowana jest także metoda polikondensacji na granicy faz, w której substratami są dichloromrówczan glikolu i diamina⁴⁴.

W poliuretanach wyróżniamy chemicznie połączone segmenty sztywne (An = HS) oraz giętkie (Bm = SS)⁴⁵(Rys. 9).

Rys. 9. Budowa blokowych (segmentowych) poliuretanów zawierających segmenty giętkie i sztywne⁴⁵ Segmenty sztywne są produktem reakcji diiizocyjanianów i małocząsteczkowych dioli, zaś segmenty giętkie są wynikiem reakcji diizocyjanianów z makrodiolami typu polieterodioli, poliestrodioli, poliestro-eterodioli. Otrzymujemy poli(etero-uretany), poli(estro-uretany) lub poli(estro-etero-uretany). Obok małocząsteczkowych przedłużaczy łańcucha stosowane są także diaminy i pochodne mocznika prowadzące do otrzymania poli(uretano-moczników) i poli(uretano-biuretów).

26 Segmenty sztywne (polarne) silnie oddziaływają ze sobą w głównej mierze poprzez wiązania wodorowe i nie ulegają mieszaniu jednorodnemu w temperaturze poniżej 120°C z mniej polarnymi segmentami giętkimi. Następuje rozdział fazowy i powstaje mikroniejednorodna

26 Segmenty sztywne (polarne) silnie oddziaływają ze sobą w głównej mierze poprzez wiązania wodorowe i nie ulegają mieszaniu jednorodnemu w temperaturze poniżej 120°C z mniej polarnymi segmentami giętkimi. Następuje rozdział fazowy i powstaje mikroniejednorodna