Neue Anwendungen für ionische Flüssigkeiten in der Technik und Medizintechnik

131 Pages·2014·3.76 MB·German

by  Florian Stein

Neue Anwendungen für
ionische Flüssigkeiten in
der Technik und
Medizintechnik
Dissertation
zur
Erlangung des akademischen Grades
doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.)
der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät
der Universität Rostock
vorgelegt von
Florian Stein, geb am 06.04.1984 in Schwerin
aus Rostock
Rostock, den 19.11.2013
urn:nbn:de:gbv:28-diss2014-0088-7
Gutachter:
1. Gutachter:
Prof. Dr. Udo Kragl
Institut für Chemie, Universität Rostock
2. Gutachter:
Prof. Dr. Katrin Sternberg
Institut für biomedizinische Technik, Universität Rostock

Datum der Einreichung: 02.12.2013
Datum der Verteidigung: 01.04.2014
Danksagung

An dieser Stelle kommt einer der wichtigsten Teile dieser Arbeit. Es gilt meinen Dank den
Leuten auszusprechen, die direkt oder indirekt an der Entstehung dieser Arbeit beteiligt waren.
Zu aller erst möchte ich gerne meinem Doktorvater Professor Kragl danken. Er gab mir
innerhalb des Remedis Projektes 'Höhere Lebensqualität durch neuartige Mikroimplantate' die
Möglichkeit mich intensiv mit medizintechnischen Anwendungen von ionischen Flüssigkeiten
zu beschäftigen und hatte immer ein offenes Ohr für meine Anliegen.
Besonders möchte ich mich auch bei meinen Projektpartnern bedanken. Mit Svea Petersen
und Katrin Sternberg hatte ich immer einen wichtigen Ansprechpartner für alle Probleme die
sich rund um die Medizintechnik auftaten und mit Sebastian Kaule einen Studenten der im
Rahmen seiner Bachelorarbeit die gefundenen ionischen Flüssigkeiten beschichtet hat. Auch
möchte ich mich bei Herrn Löbler, Babette Hummel und Martina Nerger bedanken, die alle
Toxizitätstest im IBMT Warnemünde durchgeführt haben.
Ganz besonders möchte ich dabei Frau Christel Freitag danken, die sich so liebevoll um
unsere Probleme kümmert. Ein Dank gilt auch Jana Unger und Petra Duncker, die mich als
Laborantinnen mit ihrer Routine bei einigen Experimenten tatkräftig unterstützen konnten.
Weiterhin danke ich meinen Mitstreitern aus meinem Büro Regina, Sebastian und Thomas.
Ohne euch wäre die Reise auf dem Weg zur Promotion nur halb so unterhaltsam gewesen.
Danke für euren kreativen und anregenden Gespräche.
Danken möchte ich auch meinen Freunden, die mich von den Sorgen und Nöten, die mit dem
Promotion einhergingen, ablenkten, indem sie mich zum Strand, zum Sport oder zu einem
geselligen Abend entführten.
Zu guter Letzt möchte ich noch meiner Familie danken. Meinen Eltern danke ich für die
Unterstützung, die sie mir jederzeit während des Studiums und darüber hinaus zuteilwerden
ließen. Dieser Dank gilt auch meiner Schwester, die mich genauso mit Verständnis und guten
Ratschlägen eindeckte.
Danke!
Selbstständigkeitserklärung

Hiermit erkläre ich, Florian Stein (Matrikel-Nr. 4291462), dass die vorliegende Dissertation mit
dem Thema „Neue Anwendungen für ionische Flüssigkeiten in der Technik und
Medizintechnik“ von mir selbstständig verfasst wurde. Dafür wurden keine anderen als die
angegeben Quellen und Hilfsmittel verwendet.

Rostock, den 19.11.2013
Florian Stein

We keep moving forward, opening new doors,
and doing new things, because we're curious
and curiosity keeps leading us down new paths.
(Walt Disney)

Kurzfassung

Diese Dissertation beschäftigt sich mit den neuen Anwendungen für ionische Flüssigkeiten
(ILs) in Technik und Medizintechnik. Dazu wurden zunächst die Toxizität und der pH-Wert
ionischer Flüssigkeiten untersucht. Basierend auf diesen Ergebnissen wurden ILs für eine
neue Anwendung im Bereich der Medizintechnik ausgewählt, um eine neuartige Beschichtung
für Ballonkatheter für eine Perkutane Coronar Interventon (PCI) zu entwickeln, Die
vielversprechendste IL, Cetylpyridiniumsalicylat, löst den zu beschichtenden Wirkstoff,
Paclitaxel, gut auf und ermöglicht eine gleichmäßige Beschichtung, die teilweise
vergleichbaren bereits marktfähigen Ballons überlegen ist. Die IL zeigt zu dem
außergewöhnliches Verhalten beim Schmelzen und die wässrige Lösung besitzt thixotrope
Eigenschaften. Desweiteren wurde mit Hilfe von ILs die Verbesserung eines Verfahrens zur
Wärmebehandlung von Metallen untersucht.

Abstract

This thesis deals with new applications for ionic liquids in engineering and medical engineering.
First toxicity and pH-value were investigated. Based on this results ionic liquids were chosen
for a new application in medical engineering. Cetylpyridiniumsalicylate was selected for a
coating of balloons for percutane coronar intervention (PCI). Paclitaxel, the used drug, is
dissolved excellently in the IL. The coating is smooth and is competitive towards already
commercial available balloons. The ionic liquid also has exceptional behavior regarding
melting. A solution of water and ionic liquid shows thixotropic characteristics. Moreover a
process for heat treatment was investigated and improved by using ionic liquids.
i

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung ............................................................................................................................ 1
2 Theoretische Grundlagen ................................................................................................... 3
2.1 Ionische Flüssigkeiten ................................................................................................. 3
2.1.1 Definition des Begriffs "Ionische Flüssigkeit" ....................................................... 4
2.1.2 Aufbau und Eigenschaften ionischer Flüssigkeiten ............................................. 4
2.1.3 Kurzer historischer Abriss über ILs ..................................................................... 6
2.1.4 Nomenklatur ionischer Flüssigkeiten ................................................................... 7
2.2 Anwendung von ILs in großtechnischen Prozessen ................................................... 8
2.2.1 BASIL™-Prozess ................................................................................................. 9
2.2.2 Synthese von 2,5-Dihydrofuran ......................................................................... 10
2.2.3 DIFASOL Prozess .............................................................................................. 11
2.3 Umweltaspekte von ionischen Flüssigkeiten ............................................................ 12
2.3.1 Toxizität von ionischen Flüssigkeiten ................................................................ 12
2.3.2 Ökologische Bilanz von ionischen Flüssigkeiten: Life Cycle Assessment ........ 16
2.4 Implantate für koronare Herzerkrankungen .............................................................. 18
2.4.1 Aufbau des Herz und Kreislaufsystems ............................................................. 19
2.4.2 Krankheiten am Herz-Kreislaufsystem .............................................................. 20
2.4.2.1 allgemeine Erkrankungen .......................................................................... 20
2.4.2.2 Risikofaktoren für koronare Herzerkrankungen ........................................ 20
2.4.2.3 Stenose . ..................................................................................................... 21
2.4.3 Behandlung von koronaren Herzerkrankungen ................................................ 22
2.4.3.1 Prävention ................................................................................................... 22
2.4.3.2 Medikation ................................................................................................... 23
2.4.3.3 Operative Methoden ................................................................................... 23
2.4.4 Stents und Ballone für die PCTA ....................................................................... 24
2.5 thermische Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe .......................................... 26
ii

2.5.1 Metallaufbau ....................................................................................................... 26
2.5.2 Wärmebehandlung von Metallen ....................................................................... 27
3 Methoden .......................................................................................................................... 31
3.1 Toxizitätstest unterschiedlicher Zelllinien .................................................................. 31
3.2 Synthese ionischer Flüssigkeiten .............................................................................. 32
3.2.1 Synthese von Aminosäure basierten ionische Flüssigkeiten ........................... 32
3.2.2 Synthese von Cetylpyridiniumsalicylat .............................................................. 33
3.2.3 Synthese von CPS mit Ionenaustauscher ........................................................ 33
3.2.4 Umkristallisation von CPS aus zwei Lösungsmitteln ......................................... 33
3.3 Analytik von ionischen Flüssigkeiten ........................................................................ 34
3.3.1 pH-Wert .............................................................................................................. 34
3.3.2 Wassergehalt ..................................................................................................... 34
3.3.3 Messung des hygroskopischen Verhalten von CPS ......................................... 35
3.3.4 Bestimmung der Chloridkonzentration ............................................................... 36
3.3.5 Schmelzverhalten ionischer Flüssigkeiten ......................................................... 36
3.3.5.1 Differential Scanning Calorimetry ............................................................... 36
3.3.5.2 Schmelzpunkt mittels Polarisationsmikroskop ........................................... 36
3.3.6 Viskositätsmessung ........................................................................................... 37
4 Ergebnisse ........................................................................................................................ 39
4.1 Auswirkungen von ionischen Flüssigkeiten auf umweltrelevante Parameter .......... 39
4.1.1 pH-Wert ionischer Flüssigkeiten ........................................................................ 41
4.1.2 Toxizität ionischer Flüssigkeiten ........................................................................ 46
4.2 Beschichtung von medizinischen Implantaten mit Cetylpyridiniumsalicylat ............. 58
4.2.1 Anforderung einer ionischen Flüssigkeit für eine Beschichtung von
biomedizinischen Implantaten ............................................................................ 58
4.2.2 Voruntersuchungen zur Auswahl einer ionischen Flüssigkeit ........................... 60
4.2.2.1 Vorauswahl geeigneter ionischer Flüssigkeiten anhand des
Schmelzpunktes und der Toxizität.............................................................. 60