TITEL

Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von kurzen Fasern

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von zerkleinerten Fasern, die als Wirkstoffträger für Inhalationsgeräte eingesetzt werden. [Beschreibung und Einleitung des allgemeinen Gebietes der Erfindung]

Die Erfindung liefert ein Verfahren zur Herstellung von Nanofasern, die mit Wirkstoff beladen sind. Durch die geringen Abmessungen der kurzen Fasern wird eine Lungengängigkeit hergestellt. [Stand der Technik]

In der US4499214 wurde ein Verfahren angegeben, bei dem durch Mahlen ein Polymer zu Partikeln mit einer Größe von 70 μm verarbeitet werden.

In der US6765053 wurde ein Verfahren angegeben, bei dem ebenfalls durch Mah- len ein Polymer zu Partikeln mit einer Größe von 10 bis 800 μm bei -130 bis - 155°C verarbeitet wurden.

In der US4934609 wurde ein Verfahren beschrieben, bei dem durch Mahlen ein Polymer zu Partikeln mit einer Größe von 10 bis 500 μm bei 5 bis 60 °C verarbeitet wurden. In der DE102005009212 wurde ein Verfahren beschrieben, bei dem durch eine Klinge Fasern bis auf eine Länge von 1000 μm unter Kühlung geschnitten werden. Zum Zerkleinern von Fasern erwies sich das Mahlen als nicht einsetzbar, da die faserartige Struktur aufgehoben wird und sphärische Partikel entstehen. Gemäß Definition der WHO hat eine lungengängige Faser einen Durchmesser von kleiner 3 μm und eine Länge von größer 5 μm. Insofern sind sphärische Partikel für die Lungengängigkeit ungeeignet.

Weiterhin wird durch das Mahlen und damit zerdrücken des Materials eine breite Partikelgrößenverteilung (10 bis 800 μm) erhalten.

Es wurde ebenfalls ein Einsatz von Klingen untersucht. Es hat sich hier als Nachteil die geringe Verarbeitungsgeschwindigkeit herausgestellt. Eine Erhöhung der Verarbeitungsgeschwindigkeit durch eine Raspel führte, bedingt durch Ausreißungen zu wesentlich verlängerten Faserstücken, die keine Lungengängigkeit aufweisen. Der Anteil an den Ausreißungen macht über 90 % der eingesetzten Fasern aus. Dies ist für einen Wirkstoffträger nicht akzeptabel, da nur 10 % der kurzen Fasern als Wirkstoffträger verwendbar sind. Es hat sich ebenfalls herausgestellt, dass sich solche sehr kleine Fasern nur schwer herstellen lassen, wenn sie aus einem wasserempfindlichen Material bestehen. Meist verloren sie bei der Verarbeitung ihre faserartige Struktur.

[Aufgabe]

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es die Nachteile des Standes der Technik mittels der beschriebenen Vorrichtung und des Verfahrens zu lösen. [Lösung der Aufgabe]

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung, mit einem Kältemittel, Zerkleinerungsmittel und Fasern oder einer gewebten oder ungebew- ten Fasermatte.

Im folgenden stehen Fasern auch für eine Fasermatte. Die Dicke der Fasern wird durch den Spinnprozess festgelegt. Beim Elektrospinnverfahren konnten Fasern mit einer Dicke von 0,1 bis 3 μm hergestellt werden. Die Fasern können z.B. aus Polyamid, Polystyrol , Polylactid, Polylactid-co-Glycolid, Polyvinylalkohol, Polybu- tadien oder Polymethylmethacrylat hergestellt sein. Die Fasern werden als Trä- germaterial für medizinische Wirkstoffe verwendet. Damit die Wirkstoffe freigesetzt werden können und Abstoßungs- und Entzündngsreaktionen vermieden werden, werden die Fasern aus einem biologisch verträglichem Polymer hergestellt. Dieses sollte zudem biologisch abbaubar und/oder wasserlöslich sein. Bevorzugt setzt man hier Polyvinylalkohol, Polylactide oder Polylactid-co-Glycolid ein.

Die Fasern sind bevorzugt mit einem Stabilisierungsmittel versehen.

Das Stabilisierungsmittel sollte die Fasern gut benetzen, die Fasern nicht angreifen, einen Siedepunkt möglichst unter 100 °C und im festen Zustand mechanisch bearbeitbar sein. Damit werden als Stabilisierungsmittel Ethanol, Aceton, Pentan, Methanol, Petrolether, Dichlormethan, Dichlorethen, Acetonitril, bevorzugt jedoch 1 ,4-Dioxan, Dimethylacetamid, Cyclohexan oder Wasser, deren Gefrierpunkte über -20 °C liegen, umfasst.

Anschließend wird mit einem Kältemittel im Kälteprozess abgekühlt. Das Kältemittel umfasst eine Kältemischung aus festem Kohlenstoffdioxid und einem Lö- sungsmittel (beispielsweise Aceton, Ethanol, Methanol, Ether) oder reinen flüssigen Stickstoff.

Die Endtemperatur liegt unterhalb der Glasübergangstemperatur des Polymers der Fasern. Wenn der Gefrierpunkt des Stabilisierungsmittels unterhalb der Glas- Übergangstemperatur der Fasern liegt, wird unter den Gefrierpunkt abgekühlt. Das Kältemittel ist auch ohne Stabilisierungsmittel auf die Fasern anwendbar. Durch die Kühlung unterhalb der Glasübergangstemperatur der Fasern und des Gefrierpunktes des Stabilisierungsmittels werden die Fasern und das Stabilisierungsmittel fest. Somit werden die Fasern in eine feste Matrix eingebettet und sind somit in ihrer Flexibilität stark eingeschränkt.

Anschließend erfolgt der Zerkleinerungsprozess.

Die festen Fasern werden gegen ein Schleifmittel gepresst. Das Schleifmittel um- fasst Schleifpapier, ein Schleifband oder eine Schleifscheibe. Der Zerkleinerungsprozess erfolgt damit durch geometrisch unbestimmte Kanten. Mittels Bewegung des Schleifmittels oder der Fasern z.B. Rotation der Schleifscheibe, erfolgt der Materialabtrag. Die dabei entstehenden kurzen Fasern haben eine durchschnittliche Länge von 10 bis 30 μm. Ausreißungen wie beim Einsatz einer Raspel entstehen dabei nur im reduzierten Umfang. Das hat den Vorteil, dass der Anteil an lungengängigen Fasern auf 80% gesteigert werden konnte. Die Ausreißungen sammeln sich am Boden des Gefäßes. Diese können in den Zerkleinerungsprozess rückgeführt werden.

Es konnten somit lungengängige Fasern hergestellt werden, die sich wie bei einer Asbestose in der Lunge verankern. Damit ist von der Form und der Größe der Fasern eine gute inhalative Aufnahme gegeben. Die beim Zerkleinerungsprozess entstehenden kurzen Fasern verteilen sich im Kältemittel. Anschließend erfolgt der Abtrennprozess.

Die kurzen Fasern können durch ein Abtrennmittel aus dem Kältemittel entfernt werden. Das Abtrennmittel umfasst einen Abscheider, einen Scheidetrichter, einen Filter, ein Sieb, ein aus dem Kältemittel herausragende, umlaufende Kette bevorzugt mit perforierten Behältern, Sieben oder Gittern, eine Zentrifuge, einen Hydrozyklon, einen Zyklon, einen Verdampfer oder ein Suspensionsmittel. Um eine Kondensation der Luftfeuchtigkeit an der Kette zu verhindern, kann eine Abdeckung oder trockenes Gas z.B. Luft, Stickstoff, Argon, Kohlendioxid verwendet werden. Ein andere Alternative ist es, den Teil des Gemisches mit den kurzen Fa- sern abzutrennen und dann eine Trennung vom Kältemittel durchzuführen. Durch das anschließende Abdampfen des Kältemittels und des vorhandenen Stabilisierungsmittels sind die erhaltenen kurzen Fasern leicht trockenbar.

Im Fall von flüssigem Stickstoff als Kältemittel kann dessen Abdampfen auch durch Zugabe der Stickstoff/Faser-dispersion zu einem Suspensionsmittel erfol- gen. Der Stickstoff verdampft und die Fasern werden im Suspensionsmittel suspendiert und sind somit weiter verarbeitbar. Außerdem wird dadurch vermieden, dass wasserempfindliche Fasern in Kontakt mit Wasser kommen, das durch Kondensation aus der Umgebung durch die Kälte des Stickstoffs in das System eingebracht werden kann. Es ist somit von Anfang bis Ende des Prozesses ein was- serfreies Arbeiten möglich, was die Verarbeitung von wasserempfindlichen Fasern überhaupt erst erlaubt. Durch die Aufnahme der Fasern in ein geeignetes Suspensionsmittel können diese auch sehr gut durch Sedimentation oder mit einem Hydrozyklon, Zentrifuge oder Zyklon von Ausreißungen separiert werden. Das Suspensionsmittel wird nach der Auftrennung durch Abdampfen, abtropfen, abfilt- rieren oder absaugen entfernt. An den Fasern anhaftende Reste können durch Zusatzstoffe an den Fasern stabilisiert werden. Der Zusatzstoff umfasst nanoska- liertes Siliziumdioxid oder Aluminiumoxid. Das Suspensionsmittel umfasst dabei Ethanol, Methanol, Isopropanol, Butanol, Chloroform, Dichlorethan, Hexan, Pen- tan, Aceton, Ether und für den Fall, dass wasserunempfindliches Polymer ver- wendet wird auch Wasser. Die kurzen Fasern können als solche oder mit dem Suspensionsmittel in einem Inhalator eingesetzt werden.

Damit ist eine kontinuierliche Herstellung von kurzen Fasern möglich.

[Ausführungsbeispiele]

In der Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt. In einen Behälter 100 wird das Kältemittel z.B. flüssiger Stickstoff gegeben. Darin wird eine Schleifscheibe 102 (Drehrichtung 107) angeordnet, auf die die Fasern 103 in Richtung 108 aufgepresst werden. Durch die Strömung 106 werden die kurzen Fasern 105 zum Band 104 (Kette mit perforierten Mulden) gespült. Mit dem Band 104, wel- ches sich in Richtung 109 bewegt, werden die kurzen Fasern 105 in den Endbehälter 101 transportiert. Das Band 104 ist auch als Kette mit beweglichen Gittergliedern oder Siebgliedern ausführbar. Die Ablösung der kurzen Fasern 105 vom Band ist auch mittels Gasstrom oder durch elektrische Ladung des Bandes möglich. Damit keine permanente Luftfeuchtigkeit die Funktion des Bandes beein- trächtigt, wird eine Abdeckung 114 angebracht. Alternativ zur Abdeckung 114 oder in Kombination mit der Abdeckung 114 ist auch eine Verwendung von trockener Luft, Argon, Stickstoff oder Kohlendioxid möglich. Die Abdeckung 114 ist mit einem Überdruckventil versehen. Die Abdeckung 114 ist auch so ausführbar, dass der Behälter 100 und der Behälter 101 abgedeckt werden. Bevorzugt ist die Ab- deckung 114 abnehmbar und weist Öffnungen für das Überdruckventil, den Antrieb der Schleifscheibe und die Zuführung der Fasern auf.

In der Fig. 2 wird im Gegensatz zur Fig. 1 die Schleifscheibe in Richtung 106 gedreht. Das hat den Vorteil, dass ein vorhandenes Band besser angeströmt werden kann. In diesem Fall werden durch die Strömung die Fasern 105 in den Behälter 101 gespült. In diesen Behälter wird ein Suspensionsmittel z.B. Ethanol 110 zugesetzt. Das bewirkt eine Verdampfung des Kältemittels und ein Schmelzen des Stabilisierungsmittels. Gleichzeitig werden die kurzen Fasern 105 vor Wasser geschützt. Die Suspension wird in den Behälter 112 überführt. Die vorliegenden suspendierten Fasern 111 können jetzt im Inhalator eingesetzt werden. Mit dem Band 115 (Kette mit perforierten Behältern, Gitter, Gitterstäbe, Siebe) werden Ausreißungen 113 vom Boden des Gefäß entfernt.

In der Fig. 3 wird als Kältemittel ein Gemisch aus Ethanol und Trockeneis verwendet. Die Ausreißungen 113 und die kurzen Fasern 105 werden anschließend in einem Behälter 116 getrennt. Der Behälter umfasst dabei einen Zyklon, Hydro- zylkon oder Zentrifuge. Die abgetrennten, suspendierten kurzen Fasern 111 können dann direkt oder nach Entfernung des Suspensionsmittels im Inhalator eingesetzt werden. [Abbildungslegenden und Bezugszeichenliste]

Fig. 1 Schematischer Aufbau einer Vorrichtung

Fig. 2 Schematischer Aufbau einer Vorrichtung

Fig. 3 Schematischer Aufbau einer Vorrichtung

Fig. 4 Größe der Fasern