PL193700B1 - Biodegradable shape memory polymers, and their use - Google Patents
Biodegradable shape memory polymers, and their useInfo
- Publication number
- PL193700B1 PL193700B1 PL99342899A PL34289999A PL193700B1 PL 193700 B1 PL193700 B1 PL 193700B1 PL 99342899 A PL99342899 A PL 99342899A PL 34289999 A PL34289999 A PL 34289999A PL 193700 B1 PL193700 B1 PL 193700B1
- Authority
- PL
- Poland
- Prior art keywords
- polymer
- segments
- degradable
- segment
- composition according
- Prior art date
Links
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
- A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
- A61L27/14—Macromolecular materials
- A61L27/18—Macromolecular materials obtained otherwise than by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
- A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
- A61L27/50—Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
- A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
- A61L27/50—Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
- A61L27/58—Materials at least partially resorbable by the body
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
- A61L29/00—Materials for catheters, medical tubing, cannulae, or endoscopes or for coating catheters
- A61L29/14—Materials characterised by their function or physical properties, e.g. lubricating compositions
- A61L29/148—Materials at least partially resorbable by the body
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
- A61L2400/00—Materials characterised by their function or physical properties
- A61L2400/16—Materials with shape-memory or superelastic properties
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Epidemiology (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Public Health (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Dermatology (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
- Transplantation (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
- Materials For Medical Uses (AREA)
Abstract
Ulegająca degradacji kompozycja polimerowa z pamięcią kształtu, znamienna tym, że zawiera co najmniej jeden segment twardy, którego temperatura przemiany Ttrans jest zawarta w przedziale od - 40 do 270°C, oraz co najmniej jeden, związany z co najmniej jednym segmentem twardym, segment miękki, którego temperatura przemiany Ttrans jest co najmniej o 10°C niższa od temperatury przemiany Ttrans segmentu(ów) twardego(ych), a ponadto co najmniej jeden z segmentów twardych lub miękkich ma ulegający degradacji region, lub co najmniej jedna para segmentów twardego i miękkiego ma wiązanie ulegające degradacji. 19. Zastosowanie ulegającej degradacji kompozycji polimerowej z pamięcią kształtu wg zastrz. 1 do produkcji artykułów i urządzeń technicznych, farmaceutycznych, biomedycznych, kosmetycznych i pielęgnacyjnych, takich jak na przykład kapsułki, nici chirurgiczne, materiały ortodontyczne, szyny, pręty, śruby, gwoździe i płytki używane w chirurgii kości, rusztowania do inżynierii tkankowej, filmy, rurki udrażniające, cewniki, protezy, transplanty i wszczepy, soczewki kontaktowe, pompy i siatki, urządzenia dozujące lekki wskaźniki i czujniki termiczne, pieluszki, podpaski i opakowania, środki kontrastowe, stosowane między innymi w badaniach tomograficznych, rezonansowych i rentgenowskich.A degradable shape memory polymer composition, characterized in that it comprises at least one hard segment having a Ttrans transition temperature in the range of -40 to 270°C, and at least one soft segment bonded to at least one hard segment having a Ttrans transition temperature at least 10°C lower than the Ttrans transition temperature of the hard segment(s), and furthermore at least one of the hard or soft segments has a degradable region, or at least one pair of hard and soft segments has a degradable bond. 1 for the production of technical, pharmaceutical, biomedical, cosmetic and care articles and devices, such as capsules, surgical threads, orthodontic materials, splints, rods, screws, nails and plates used in bone surgery, scaffolds for tissue engineering, films, drainage tubes, catheters, prostheses, transplants and implants, contact lenses, pumps and meshes, devices for dispensing light, thermal indicators and sensors, diapers, sanitary napkins and packaging, contrast agents used, among others, in tomographic, magnetic resonance and X-ray examinations.
Description
Opis wynalazkuDescription of the invention
Przedmiot wynalazkuSubject of the invention
Przedmiotem wynalazku jest ulegająca degradacji kompozycja polimerowa z pamięcią kształtu. Ponadto przedmiotem wynalazku jest zastosowanie ulegającej degradacji kompozycji polimerowej z pamięcią kształtu, zwłaszcza do produkcji artykułów i urządzeń technicznych, farmaceutycznych, biomedycznych, kosmetycznych i pielęgnacyjnych.The invention relates to a degradable shape memory polymer composition. Furthermore, the invention relates to the use of the degradable shape memory polymer composition, particularly for the production of technical, pharmaceutical, biomedical, cosmetic, and personal care products and devices.
Stan technikiState of the art
Pamięć kształtu jest zdolnością materiału do zapamiętywania swojego kształtu pierwotnego po odkształceniu mechanicznym, co jest efektem jednokierunkowym, albo po odkształceniu termicznym wskutek ochłodzenia i ogrzania, co jest efektem dwukierunkowym. Zjawisko to jest oparte na przemianie fazy strukturalnej.Shape memory is the ability of a material to retain its original shape after mechanical deformation, which is a unidirectional effect, or after thermal deformation due to cooling and heating, which is a bidirectional effect. This phenomenon is based on a structural phase transition.
Pierwszymi znanymi materiałami, charakteryzującymi się w/w własnościami, były stopy metali z pamię cią kształ tu (SMA), obejmują ce stopy TiNi (Nitinol), CuZnAl i FeNiAl. Przemiana fazy strukturalnej tych materiałów jest określana jako przemiana martenzytyczna. Materiały te są wykorzystywane w róż nych zastosowaniach, obejmują cych naczyniowe rurki udraż niają ce, medyczne rury prowadzą ce, druty ortodontyczne, tłumiki drgań, złączki rurowe, łączniki elektryczne, termostaty, człony uruchamiające, ramki do okularów i druty do biustonoszy. Trzeba jednak stwierdzić, że stosowanie w/w stopów jest ograniczone, zwłaszcza z uwagi na ich wysoką cenę.The first known materials characterized by these properties were shape-memory metal alloys (SMAs), including TiNi (Nitinol), CuZnAl, and FeNiAl alloys. The structural phase transformation of these materials is referred to as the martensitic transformation. These materials are used in a variety of applications, including vascular dilatation tubes, medical guide tubes, orthodontic wires, vibration dampers, pipe connectors, electrical connectors, thermostats, actuators, spectacle frames, and bra wires. However, the use of these alloys is limited, particularly due to their high cost.
Jednakże polimery z pamięcią kształtu (SMP) są coraz częściej stosowane, tak aby zastąpić lub uzupełnić zastosowanie SMA, częściowo dlatego, że polimery te są lżejsze, mają znacznie wyższą zdolność do odzyskiwania kształtu, są łatwe w manipulacji i bardziej ekonomiczne w stosowaniu. W literaturze SMP są ogólnie charakteryzowane jako segregowane fazowo, liniowe kopolimery mają ce segment twardy i segment miękki. Segment twardy jest typowo krystaliczny, z określoną temperaturą topnienia, zaś segment miękki jest typowo bezpostaciowy, z określoną temperaturą zeszklenia. Jednakże w pewnych wykonaniach segment twardy jest bezpostaciowy i ma raczej temperaturę zeszklenia niż temperaturę topnienia. W innych wykonaniach, segment miękki jest krystaliczny i ma raczej temperaturę topnienia niż temperaturę zeszklenia. Temperatura topnienia lub temperatura zeszklenia segmentu miękkiego jest znacznie niższa niż temperatura topnienia lub temperatura zeszklenia segmentu twardego.However, shape memory polymers (SMPs) are increasingly being used to replace or complement SMAs, in part because these polymers are lighter, have significantly higher shape recovery, are easy to handle, and are more economical to use. In the literature, SMPs are generally characterized as phase-segregated, linear copolymers having a hard segment and a soft segment. The hard segment is typically crystalline with a defined melting point, and the soft segment is typically amorphous with a defined glass transition temperature. However, in some embodiments, the hard segment is amorphous and has a glass transition temperature rather than a melting point. In other embodiments, the soft segment is crystalline and has a melting point rather than a glass transition temperature. The melting temperature or glass transition temperature of the soft segment is significantly lower than the melting temperature or glass transition temperature of the hard segment.
Gdy SMP jest ogrzany powyżej temperatury topnienia lub temperatury zeszklenia segmentu twardego, materiał może być ukształtowany. Ten (pierwotny) kształt może być zapamiętany przez ochłodzenie SMP poniżej temperatury topnienia lub temperatury zeszklenia segmentu twardego. Gdy ukształtowany SMP jest ochłodzony poniżej temperatury topnienia lub temperatury zeszklenia segmentu miękkiego podczas czego kształt jest deformowany, ustalony zostaje kształt (tymczasowy). Kształt pierwotny jest odzyskiwany przez ogrzanie materiału powyżej temperatury topnienia lub temperatury zeszklenia segmentu miękkiego lecz poniżej temperatury topnienia lub temperatury zeszklenia segmentu twardego. W innym sposobie dla ustalenia kształtu tymczasowego, materiał jest odkształcany przy temperaturze niższej niż temperatura topnienia lub temperatura zeszklenia segmentu miękkiego, co daje w wyniku naprężenie i odkształcenie absorbowane przez segment miękki. Gdy materiał jest ogrzany powyżej temperatury topnienia lub temperatury zeszklenia segmentu miękkiego, lecz poniżej temperatury topnienia (lub temperatury zeszklenia) segmentu twardego, naprężenia i odkształcenia są odprężane i materiał powraca do swojego pierwotnego kształtu. Odzyskanie kształtu pierwotnego, które jest wywołane przez wzrost temperatury, jest nazywane termicznym efektem pamięci kształtu. Własności które opisują zdolności pamięci kształtu materiału są odzyskiwaniem kształtowym kształtu pierwotnego i ustalaniem kształtowym kształtu tymczasowego.When the SMP is heated above the melting point or glass transition temperature of the hard segment, the material can be shaped. This (original) shape can be stored by cooling the SMP below the melting point or glass transition temperature of the hard segment. When the shaped SMP is cooled below the melting point or glass transition temperature of the soft segment, during which the shape is deformed, a (temporary) shape is established. The original shape is recovered by heating the material above the melting point or glass transition temperature of the soft segment but below the melting point or glass transition temperature of the hard segment. In another method for establishing a temporary shape, the material is deformed at a temperature below the melting point or glass transition temperature of the soft segment, resulting in stress and strain absorbed by the soft segment. When a material is heated above the melting point or glass transition temperature of the soft segment but below the melting point (or glass transition temperature) of the hard segment, the stresses and strains are relieved and the material returns to its original shape. The recovery of the original shape, which is induced by an increase in temperature, is called the thermal shape memory effect. Properties that describe the shape memory capabilities of a material are the shape recovery of the original shape and the shape setting of a temporary shape.
Kilka własności fizycznych SMP innych niż zdolność zapamiętywania kształtu jest znacznie zmienionych w odpowiedzi na zmiany zewnętrzne temperatury i naprężenia, w szczególności przy temperaturze topnienia lub temperaturze zeszklenia segmentu miękkiego. Własności te obejmują moduł sprężystości podłużnej, twardość, podatność, przepuszczalność pary, tłumienie, współczynnik refrakcji i stałą dielektryczną. Moduł sprężystości podłużnej (stosunek naprężenia ciała do odpowiadającego odkształcenia) SMP może zmieniać się przez współczynnik aż do 200, gdy następuje ogrzewanie powyżej temperatury topnienia lub temperatury zeszklenia segmentu miękkiego. Także twardość materiału zmienia się dramatycznie, gdy segment miękki jest w lub powyżej temperatury topnienia lub temperatury zeszklenia. Gdy materiał jest ogrzany do temperatury powyżej temperatury topnienia lub temperatury zeszklenia segmentu miękkiego, zdolność tłumienia może być aż do pięć razySeveral physical properties of SMPs other than shape memory are significantly altered in response to external changes in temperature and stress, particularly at the melting point or glass transition temperature of the soft segment. These properties include elastic modulus, hardness, compliance, vapor permeability, damping, refractive index, and dielectric constant. The elastic modulus (the ratio of stress to the corresponding strain) of SMPs can change by a factor of up to 200 when heated above the melting point or glass transition temperature of the soft segment. The hardness of the material also changes dramatically when the soft segment is at or above the melting point or glass transition temperature. When the material is heated to a temperature above the melting point or glass transition temperature of the soft segment, the damping capacity can be up to five times greater.
PL 193 700 B1 wyższa niż konwencjonalnego produktu gumowego. Materiał może łatwo odzyskiwać swój pierwotny uformowany kształt po licznych cyklach termicznych i może być ogrzewany powyżej temperatury topnienia segmentu twardego i mieć zmieniony kształt i po ochłodzeniu mieć ustalony nowy kształt pierwotny.PL 193 700 B1 higher than a conventional rubber product. The material can easily regain its original molded shape after numerous thermal cycles and can be heated above the melting point of the hard segment and have its shape changed, and upon cooling, have its new original shape established.
Konwencjonalne polimery z pamięcią kształtu są zasadniczo podzielonymi na segmenty poliuretanami i mają segmenty twarde zawierające aromatyczne części specyficzne. Na przykład, patent USA nr 5,145,935 na rzecz Hayashi ujawnia artykuł z pamięcią kształtu uformowany z elastomeru poliuretanowego polimeryzowanego z dwufunkcyjnego dwuizocyjanianu, dwufunkcyjnego poliolu i dwufunkcyjnego przedł u ż acza ł a ń cucha.Conventional shape memory polymers are essentially segmented polyurethanes and have hard segments containing aromatic specific portions. For example, U.S. Patent No. 5,145,935 to Hayashi discloses a shape memory article formed from a polyurethane elastomer polymerized from a difunctional diisocyanate, a difunctional polyol, and a difunctional chain extender.
Przykłady polimerów stosowanych do przygotowania segmentów twardych i miękkich znanych SMP obejmują różne polietery, poliakrylany, poliamidy, polisiloksany, poliuretany, amidy polieterowe, poliuretan/moczniki, estry polieterowe i kopolimery uretanowe/butadienowe. Patrz, na przykład, patent USA nr 5,506,300 na rzecz Ward i inni; patent USA nr 5,145,935 na rzecz Hayashi; patent USA nr 5,665,822 na rzecz Bitler i inni; i Gorden, „Zastosowania poliuretanów z pamięcią kształtu, Proceedings of the First Internationa Conference on Shape Memory and Superelastic Technologies, SMST International Committee, str. 115-19(1994).Examples of polymers used to prepare the hard and soft segments of known SMPs include various polyethers, polyacrylates, polyamides, polysiloxanes, polyurethanes, polyether amides, polyurethane/ureas, polyether esters, and urethane/butadiene copolymers. See, for example, U.S. Patent No. 5,506,300 to Ward et al.; U.S. Patent No. 5,145,935 to Hayashi; U.S. Patent No. 5,665,822 to Bitler et al.; and Gorden, "Applications of Shape Memory Polyurethanes," Proceedings of the First International Conference on Shape Memory and Superelastic Technologies, SMST International Committee, pp. 115-19 (1994).
Chociaż polimery te zostały zaproponowane do pewnej liczby zastosowań, ich zastosowania medyczne były ograniczone do urządzeń, które nie są wszczepiane lub pozostawiane w ciele. Pożądane jest aby mieć polimery z pamięcią kształtu, ale które podlegają degradacji biologicznej. Wiele zastosowań polimerów z pamięcią kształtu podlegających degradacji biologicznej jest oczywistych, na przykład, zastosowanie w wykonywaniu pieluszek i podpasek lub medycznych wyściółek operacyjnych, albo w opakowaniach żywności lub innych materiałach, wszędzie tam, gdzie są wskazane przedsięwzięcia utylizacyjne. Z charakterystyki znanych, dostępnych w handlu materiałów poliuretanowych nie wynika w sposób oczywisty, że materiały podlegające degradacji biologicznej można włączyć do polimeru z pamięcią kształtu i utrzymać przy tym strukturalne i inne fizyczno-chemiczne własności, które są charakterystyczne dla polimerów z pamięcią kształtu i ich zastosowań. Ponadto składniki znanych poliuretanowych polimerów z pamięcią kształtu zawierają grupy aromatyczne, które, jak można by się spodziewać, nie są zgodne biologicznie.Although these polymers have been proposed for a number of applications, their medical applications have been limited to devices that are not implanted or left in the body. It is desirable to have shape memory polymers that are biodegradable. Many applications for biodegradable shape memory polymers are obvious, for example, in diapers and sanitary napkins, medical surgical liners, or in food packaging or other materials where disposal measures are indicated. It is not obvious from the characteristics of known commercially available polyurethane materials that biodegradable materials can be incorporated into a shape memory polymer and still retain the structural and other physicochemical properties characteristic of shape memory polymers and their applications. Furthermore, components of known polyurethane shape memory polymers contain aromatic groups, which would be expected to be biocompatible.
Biorąc powyższy stan pod uwagę, celem wynalazku było opracowanie i doprowadzenie do stosowania polimerów z pamięcią kształtu podlegających degradacji biologicznej.Taking the above into account, the aim of the invention was to develop and introduce biodegradable shape memory polymers into use.
Jeszcze innym celem było uzyskanie nowego jakościowo typu polimerów z pamięcią kształtu, o odmiennych, bardziej przydatnych właściwościach fizyczno-chemicznych i strukturalnych, w porównaniu z dotychczasowym stanem techniki.Yet another goal was to obtain a qualitatively new type of shape memory polymers with different, more useful physicochemical and structural properties compared to the current state of the art.
Istota wynalazkuThe essence of the invention
Istota pierwszego wynalazku polega na tym, że kompozycja polimerowa zawiera co najmniej jeden segment twardy, którego temperatura przemiany Ttrans jest zawarta w przedziale od -40 do 270°C, oraz co najmniej jeden, związany z co najmniej jednym segmentem twardym, segment miękki, którego temperatura przemiany Ttrans jest co najmniej o 10°C niższa od temperatury przemiany Ttrans segmentu(ów) twardego(ych), a ponadto co najmniej jeden z segmentów twardych lub miękkich ma ulegający degradacji region, lub co najmniej jedna para segmentów twardego i miękkiego ma ulegające degradacji wiązanie.The essence of the first invention is that the polymer composition comprises at least one hard segment having a transition temperature Ttrans in the range from -40 to 270°C, and at least one soft segment bonded to at least one hard segment having a transition temperature Ttrans at least 10°C lower than the transition temperature Ttrans of the hard segment(s), and furthermore at least one of the hard or soft segments has a degradable region, or at least one pair of hard and soft segments has a degradable bond.
Korzystnym jest gdy kompozycja zawiera polimery z pamięcią kształtu, które podlegają oddziaływaniu bodźców zewnętrznych, zwłaszcza temperatury lub światła.It is advantageous when the composition contains shape memory polymers that are subject to the action of external stimuli, especially temperature or light.
Korzystnym jest także gdy temperatura przemiany Ttrans segmentu twardego jest zawarta w przedziale od 30 do 150°C, korzystnie do 100°C.It is also advantageous when the transformation temperature Ttrans of the hard segment is in the range from 30 to 150°C, preferably up to 100°C.
Ponadto korzystnym jest gdy temperatura przemiany Ttrans segmentu(ów) miękkiego(ich) jest co najmniej o 20°C niższa od temperatury przemiany Ttrans segmentu(ów) twardego(ych).Furthermore, it is advantageous when the transition temperature Ttrans of the soft segment(s) is at least 20°C lower than the transition temperature Ttrans of the hard segment(s).
Korzystnym jest także gdy co najmniej jeden z segmentów twardych i miękkich jest polimerem termoplastycznym.It is also advantageous when at least one of the hard and soft segments is a thermoplastic polymer.
Ponadto korzystnym jest gdy w segmencie twardym występują części cykliczne.Furthermore, it is advantageous when cyclic parts occur in the hard segment.
Korzystnym jest także gdy stosunek wagowy segmentów twardych i miękkich jest zawarty w przedziale od okoł o 5 : 95 do 95 : 5, korzystnie od 20 : 80 do 80 : 20.It is also advantageous if the weight ratio of the hard and soft segments is in the range of from about 5:95 to 95:5, preferably from 20:80 to 80:20.
Ponadto korzystnym jest gdy polimer z pamięcią kształtu przynależy do grupy składającej się z polimerów szczepionych, liniowych i dendrytycznych.Furthermore, it is advantageous if the shape memory polymer belongs to the group consisting of grafted, linear and dendritic polymers.
Znacząco korzystnym jest także gdy ulegający degradacji region polimeru przynależy do grupy składającej się z kwasów wielowodorotlenowych, poliestrów eterowych, poliortoestrów, poliaminokwa4It is also significantly advantageous when the degradable region of the polymer belongs to the group consisting of polyhydroxy acids, ether polyesters, polyorthoesters, polyamino acids
PL 193 700 B1 sów, syntetycznych poliaminokwasów, polibezwodników, poliwęglanów, polihydroksyalkanoanów, i polife-kaprolaktonów).PL 193 700 B1 s, synthetic polyamino acids, polyanhydrides, polycarbonates, polyhydroxyalkanoates, and polyphenolic acid caprolactones).
Przy tym korzystnym jest gdy polimer zawiera ulegające biodegradacji wiązanie, które przynależy do grupy składającej się z podgrup estrowych, węglanowych, amidowych, bezwodnikowych i ortoestrowych.It is advantageous for the polymer to contain a biodegradable bond that belongs to the group consisting of ester, carbonate, amide, anhydride and orthoester subgroups.
Korzystnym jest także gdy kompozycja zawiera polimer ulegający całkowitej biodegradacji.It is also advantageous when the composition contains a completely biodegradable polymer.
Znacząco korzystnym jest gdy kompozycja zawiera ulegający degradacji polimer termoutwardzalny, który z kolei zawiera krystalizujący segment miękki, o strukturze kowalencyjnej z wiązaniem poprzecznym, mający temperaturę topnienia Tmw przedziale od 250°C do (-)40°C, korzystnie od 200°C do 0°C, lub segment miękki, o strukturze kowalencyjnej z wiązaniem poprzecznym, mający temperaturę przemiany Ttrans zawartą w przedziale od 250°C do (-)60°C, korzystnie od 200°C do 0°C.It is significantly preferred that the composition comprises a degradable thermosetting polymer which in turn comprises a crystallizable soft segment having a cross-linked covalent structure having a melting temperature Tm in the range of from 250°C to (-)40°C, preferably from 200°C to 0°C, or a soft segment having a cross-linked covalent structure having a transition temperature Ttrans in the range of from 250°C to (-)60°C, preferably from 200°C to 0°C.
Korzystnym jest także gdy kompozycja zawiera co najmniej dwa segmenty:It is also advantageous when the composition contains at least two segments:
a) segment pierwszy, którego temperatura przemiany Ttrans jest zawarta w przedziale od -40 do 270°C,a) the first segment, whose transformation temperature Ttrans is in the range from -40 to 270°C,
b) segment drugi, który jest związany z co najmniej jednym segmentem pierwszym i który stanowi interakcję jonową o sile wystarczającej aby segment drugi był zdolny uformować fizyczne wiązanie poprzeczne, inne niż w temperaturze topnienia lub zeszklenia, przy czym co najmniej jeden z tych segmentów ma ulegający biodegradacji region lub co najmniej jeden z segmentów pierwszych jest związany z co najmniej jednym z segmentów drugich poprzez ulegające biodegradacji wiązanie.b) a second segment that is bonded to at least one first segment and that comprises an ionic interaction of sufficient strength for the second segment to be capable of forming a physical cross-link other than at the melting or glass transition temperature, wherein at least one of the segments has a biodegradable region or at least one of the first segments is bonded to at least one of the second segments via a biodegradable bond.
Ponadto korzystnym jest gdy interakcję jonową stanowią segmenty polielektolityczne, lub segmenty polielektolityczne i jony, lub segmenty polianionowy i polikationowy, lub oparte na wysoko zorganizowanych wiązaniach wodorowych efekty supramolekularne.Furthermore, it is advantageous when the ionic interaction consists of polyelectrolytic segments, or polyelectrolytic segments and ions, or polyanionic and polycationic segments, or supramolecular effects based on highly organized hydrogen bonds.
Korzystnym jest także gdy polimer cechuje odwrócony efekt temperaturowy, przy czym odzyskanie kształtu kompozycji następuje po schłodzeniu poniżej temperatury odzyskiwania kształtu.It is also advantageous when the polymer is characterized by a reverse temperature effect, wherein the shape recovery of the composition occurs upon cooling below the shape recovery temperature.
Ponadto korzystnym jest gdy kompozycja zawiera zestawy polimerowe zawierające dwu-, trzylub czteroblokowe kopolimery i jeden homo- lub kopolimer.It is further preferred that the composition comprises polymer compositions comprising two-, three- or four-block copolymers and one homo- or copolymer.
Znacząco korzystnym jest gdy kompozycja zawiera zestaw polimerowy przynależny do grupy składającej się z fizycznych mieszanin polimeru, zestawów polimerowych zawierających segmenty twarde o zróżnicowanych temperaturach przemiany Ttrans i miękkie o tej samej temperaturze przemiany Ttrans, zestawów kopolimerów wieloblokowych, w których co najmniej jeden z segmentów pierwszego kopolimeru jest mieszalny z co najmniej jednym z segmentów drugiego kopolimeru, oraz zestawów co najmniej jednego kopolimera wieloblokowego i co najmniej jednego homo- lub kopolimera.It is significantly advantageous when the composition comprises a polymer composition belonging to the group consisting of physical polymer mixtures, polymer compositions containing hard segments with different Ttrans transition temperatures and soft segments with the same Ttrans transition temperature, multiblock copolymer compositions in which at least one of the segments of the first copolymer is miscible with at least one of the segments of the second copolymer, and compositions of at least one multiblock copolymer and at least one homo- or copolymer.
Korzystnym jest także gdy kompozycja zawiera powłokę zmieniającą degradację polimeru z pamięcią kształtu.It is also advantageous when the composition contains a coating that changes the degradation of the shape memory polymer.
Istotą drugiego wynalazku jest zastosowanie kompozycji polimerowej wg wynalazku do produkcji artykułów i urządzeń technicznych, farmaceutycznych, biomedycznych, kosmetycznych i pielęgnacyjnych, takich jak kapsułki, nici chirurgiczne, materiały ortodontyczne, szyny, pręty, śruby, gwoździe i płytki używane w chirurgii kości, rusztowania do inżynierii tkankowej, filmy, rurki udrażniąjące, cewniki, protezy, transplanty i wszczepy, soczewki kontaktowe, pompy i siatki, urządzenia dozujące lekki, wskaźniki i czujniki termiczne, pieluszki, podpaski i opakowania, środki kontrastowe, stosowane między innymi w badaniach tomograficznych, rezonansowych i rentgenowskich.The essence of the second invention is the use of the polymer composition according to the invention for the production of technical, pharmaceutical, biomedical, cosmetic and care articles and devices, such as capsules, surgical threads, orthodontic materials, splints, rods, screws, nails and plates used in bone surgery, scaffolds for tissue engineering, films, drainage tubes, catheters, prostheses, transplants and implants, contact lenses, pumps and meshes, light dispensing devices, thermal indicators and sensors, diapers, sanitary napkins and packaging, contrast agents used, among others, in tomographic, resonance and X-ray examinations.
Przedstawione powyżej zgodne biologicznie kompozycje polimerowe zawierają jeden lub więcej segmentów twardych oraz jeden lub więcej segmentów miękkich, przy czym co najmniej jeden zawarty w nich polimer lub też co najmniej jedno wiązanie segmentowe ulegają degradacji biologicznej.The biocompatible polymer compositions described above comprise one or more hard segments and one or more soft segments, wherein at least one polymer contained therein or at least one segment bond therein is biodegradable.
Z kolei polimery z pamięcią kształtu zawierają co najmniej jedno fizyczne wiązanie poprzeczne (fizyczne oddziaływanie wzajemne segmentu twardego) lub zawierają kowalencyjne wiązanie poprzeczne zamiast segmentu twardego. Polimery te mogą być również sieciami przenikającymi się wzajemnie - w całości lub w części.Shape memory polymers, on the other hand, contain at least one physical cross-link (physical interaction of the hard segment) or contain a covalent cross-link in place of the hard segment. These polymers can also be interpenetrating networks, in whole or in part.
Poza zmianami ze stanu stałego do ciekłego (temperatura topnienia lub zeszklenia), segmenty twardy i miękki mogą podlegać przemianom ze stanu stałego w stały, mogą również podlegać wzajemnym oddziaływaniom jonowym, dotyczącym segmentów polielektrolitycznych lub zjawiskom ponad molekularnym, opartych na wysoko zorganizowanych wiązaniach wodorowych.In addition to changes from solid to liquid state (melting or glass transition temperature), hard and soft segments may undergo solid-to-solid transitions, ionic interactions involving polyelectrolytic segments, or supramolecular phenomena based on highly organized hydrogen bonds.
Produkty polimerowe mogą być uzyskiwane z kompozycji polimerów z pamięcią kształtu, na przykład przez formowanie wtryskowe, wydmuchiwanie, wytłaczanie i usuwanie laserowe. Aby przygotować artykuł mający kształt w pamięci, produkt może być formowany przy temperaturze poniżej TtransPolymer products can be obtained from shape memory polymer compositions, for example, by injection molding, blow molding, extrusion, and laser removal. To prepare a shape memory article, the product can be molded at a temperature below the Ttrans
PL 193 700 B1 segmentu twardego i ochłodzony do temperatury poniżej Ttrans segmentu miękkiego. Kształt pierwotny może być przywrócony przez ogrzanie przedmiotu powyżej Ttrans segmentu miękkiego, a poniżej Ttrans segmentu twardego.PL 193 700 B1 hard segment and cooled to a temperature below the Ttrans of the soft segment. The original shape can be restored by heating the object above the Ttrans of the soft segment and below the Ttrans of the hard segment.
Polimery termoutwardzalne mogą być przygotowane przez ukształtowanie wstępne makromonerów, na przykład przez wytłaczanie i ustalenie kształtu pierwotnego w temperaturze powyżej Ttrans polimeru termoutwardzalnego, na przykład przez fotoutwardzanie grup aktywnych na makromonomerze.Thermosetting polymers can be prepared by pre-shaping the macromonomer, for example by extrusion, and fixing the initial shape at a temperature above the T trans of the thermosetting polymer, for example by photocuring the active groups on the macromonomer.
PrzykładyExamples
Wynalazek zostanie przedstawiony na podstawie przykładowych wykonań pokazanych na rysunku, na którym:The invention will be presented on the basis of exemplary embodiments shown in the drawing, in which:
Fig. 1 jest ilustracją efektu jednokierunkowej pamięci kształtu;Fig. 1 is an illustration of the one-way shape memory effect;
Fig. 2 jest ilustracją efektu dwukierunkowej (termicznej) pamięci kształtu;Fig. 2 is an illustration of the bidirectional (thermal) shape memory effect;
Fig. 3 jest ilustracją kombinacji odpowiednich klas materiałów termoplastycznych;Fig. 3 is an illustration of the combination of the respective classes of thermoplastic materials;
Fig. 4 jest diagramem sekwencji reakcji dla syntezy preferowanego motowiązania poprzecznego;Fig. 4 is a reaction sequence diagram for the synthesis of a preferred motocrosslink;
Fig. 5 jest ilustracją fotowywołanego efektu pamięci kształtu.Fig. 5 is an illustration of the photoinduced shape memory effect.
Fig. 6 jest ilustracją mechanizmu efektu termicznej pamięci kształtu dla kopolimeru wieloblokowego.Fig. 6 is an illustration of the mechanism of the thermal shape memory effect for a multi-block copolymer.
Fig. 7 jest wykresem pokazującym naprężenie w funkcji wydłużenia dla polimeru z pamięcią kształtu kopolimeru wieloblokowego.Fig. 7 is a graph showing stress versus elongation for a multi-block copolymer shape memory polymer.
Fig. 8 jest wykresem pokazującym temperaturę topnienia dioli, dwumetakrylanów i materiałów termoutwardzalnych z polife-kaprolaktonu) w funkcji ciężaru masy molowej Mn makromonomerów.Fig. 8 is a graph showing the melting point of diols, dimethacrylates, and poly(phenylene-caprolactone) thermosets as a function of the molar mass M n of the macromonomers.
Szczegółowy opis wynalazkuDetailed description of the invention
Opisane są kompozycje polimerowe z pamięcią kształtu podlegające degradacji biologicznej, artykuły produkowane z nich i sposoby przygotowania i stosowania ich.Biodegradable shape memory polymer compositions, articles manufactured therefrom, and methods of preparing and using them are described.
DefinicjeDefinitions
Jak stosuje się tutaj, termin „podlegający degradacji biologicznej odnosi się do materiałów które są resorbowane biologicznie i/lub degradowane i/lub rozkładane przez degradację mechaniczną przy oddziaływaniu wzajemnym ze środowiskiem fizjologicznym na części które są metabolizowane lub wydzielane, przez okres czasu od minut do trzech lat, korzystnie mniej niż jeden rok, podczas gdy utrzymuje się niezbędną integralność strukturalną. Jak stosuje się tutaj w odniesieniu do polimerów, termin „degradować odnosi się do rozszczepiania łańcucha polimerowego takiego, że masa cząsteczkowa pozostaje w przybliżeniu stała przy poziomie oligomerowym i cząstkach polimeru pozostających po degradacji. Termin „degradować całkowicie odnosi się do rozszczepiania polimeru na poziomie molekularnym takiego że następuje zasadniczo całkowita utrata masy. Termin „degradować, jak stosuje się tutaj, obejmuje „degradowanie całkowite, o ile nie wskazano inaczej.As used herein, the term "biodegradable" refers to materials that are biologically resorbed and/or degraded and/or broken down by mechanical degradation upon interaction with the physiological environment into components that are metabolized or excreted, over a period of time ranging from minutes to three years, preferably less than one year, while maintaining the necessary structural integrity. As used herein with respect to polymers, the term "degrade" refers to the cleavage of a polymer chain such that the molecular weight remains approximately constant at the oligomer level and the polymer particles remaining after degradation. The term "completely degrade" refers to the cleavage of a polymer at the molecular level such that substantially complete mass loss occurs. The term "degrade," as used herein, includes "complete degradation," unless otherwise indicated.
Polimer jest polimerem z pamięcią kształtu, jeśli kształt pierwotny polimeru jest odzyskiwany przez ogrzanie go powyżej temperatury odzyskiwania kształtu (zdefiniowanej jako Ttrans segmentu miękkiego) nawet jeśli pierwotnie uformowany kształt polimeru jest zniszczony mechanicznie przy temperaturze niższej niż temperatura odzyskiwania kształtu, lub jeśli kształt zapamiętany jest odzyskiwany przez przyłożenie innego bodźca.A polymer is a shape memory polymer if the original shape of the polymer is recovered by heating it above the shape recovery temperature (defined as the Ttrans of the soft segment) even if the originally formed shape of the polymer is mechanically destroyed at a temperature lower than the shape recovery temperature, or if the memorized shape is recovered by applying another stimulus.
Jak stosuje się tutaj, termin „segment odnosi się do bloku lub sekwencji polimeru tworzącej część polimeru z pamięcią kształtu.As used herein, the term "segment" refers to a block or sequence of polymer forming part of a shape memory polymer.
Jak stosuje się tutaj, terminy segment twardy i segment miękki są terminami względnymi, odnoszącymi się do Ttrans segmentów. Segment(y) twardy ma wyższą Ttrans niż segment(y) miękki.As used herein, the terms hard segment and soft segment are relative terms, referring to the Ttrans of the segments. The hard segment(s) have a higher Ttrans than the soft segment(s).
Polimery z pamięcią kształtu mogą zawierać co najmniej jeden segment twardy i co najmniej jeden segment miękki, lub mogą zawierać co najmniej jeden rodzaj segmentu miękkiego, przy czym jeden rodzaj segmentów miękkich jest wiązany poprzecznie, bez obecności segmentu twardego.The shape memory polymers may comprise at least one hard segment and at least one soft segment, or may comprise at least one type of soft segment, wherein one type of soft segment is cross-linked, without the presence of a hard segment.
Segmenty twarde mogą być oligomerami lub polimerami liniowymi i mogą być związkami cyklicznymi, takimi jak etery koronowe, cyklicznymi dwu-, trój- lub oligopeptydami i cyklicznymi oligo(estroamidami).The hard segments may be oligomers or linear polymers and may be cyclic compounds such as crown ethers, cyclic di-, tri- or oligopeptides and cyclic oligo(esteramides).
Wzajemne oddziaływanie fizyczne między segmentami twardymi może być oparte na kompleksach przenoszenia ładunków, wiązaniach wodorowych lub innych oddziaływaniach wzajemnych, ponieważ pewne segmenty mają temperaturę topnienia wyższą niż temperatura degradacji. W tych przypadkach nie ma żadnej temperatury topnienia lub zeszklenia dla segmentu. Mechanizm nietermiczny, taki jak rozpuszczalnik, jest wymagany dla zmiany wiązania segmentu.The physical interactions between hard segments can be based on charge transfer complexes, hydrogen bonds, or other interactions, as some segments have melting points higher than the degradation temperature. In these cases, there is no melting point or glass transition temperature for the segment. A nonthermal mechanism, such as a solvent, is required to change the segment bonding.
Stosunek wagowy segmentu twardego: segmenty miękkie wynosi pomiędzy około 5:95 a 95:5, korzystnie pomiędzy 20:80 a 80:20.The weight ratio of hard segment:soft segments is between about 5:95 and 95:5, preferably between 20:80 and 80:20.
PL 193 700 B1PL 193 700 B1
Kompozycje polimerowe z pamięcią kształtuShape memory polymer compositions
Termoplastyczne materiały z pamięcią kształtu są kształtowane/formowane do żądanego kształtu powyżej Ttrans segmentu(ów) twardego i chłodzone do temperatury poniżej temperatury odzyskiwania kształtu, gdzie polimer może podlegać deformacjom mechanicznym i w polimerze wytwarzane są odkształcenia. Kształt pierwotny zdeformowanych polimerów może być odzyskany przez ogrzanie ich do temperatury wyższej niż ich temperatura odzyskiwania kształtu. Powyżej tej temperatury odkształcenia w polimerze są odprężane, pozwalając polimerowi na powrót do jego kształtu pierwotnego. W przeciwieństwie do tego, materiały termoutwardzalne z pamięcią kształtu są kształtowane/formowane do żądanego kształtu zanim makromonomery stosowane do tworzenia polimerów termoutwardzalnych ulegną polimeryzacji. Makromonomery są polimeryzowane po ustaleniu się kształtu.Thermoplastic shape memory materials are shaped/molded to the desired shape above the T trans of the hard segment(s) and cooled to a temperature below the shape recovery temperature, where the polymer can undergo mechanical deformation and strains are generated in the polymer. Deformed polymers can be recovered to their original shape by heating them to a temperature above their shape recovery temperature. Above this temperature, the strains in the polymer are relaxed, allowing the polymer to return to its original shape. In contrast, thermoset shape memory materials are shaped/molded to the desired shape before the macromonomers used to create the thermoset polymers polymerize. The macromonomers are polymerized after the shape has established.
Kompozycje polimerowe są korzystnie ściśliwe o co najmniej jeden procent lub rozszerzalne o co najmniej pięć procent grubości pierwotnej w temperaturze poniżej temperatury odzyskiwania kształtu, przy czym deformacja jest ustalona przez przyłożenie bodźca takiego jak ciepło, światło, ultradźwięk, pola magnetyczne lub pola elektryczne. W pewnych wykonaniach materiały wykazują stosunek odzyskiwania 98% (porównaj przykłady doświadczalne).The polymer compositions are preferably compressible by at least one percent or expandable by at least five percent of their original thickness at a temperature below the shape recovery temperature, wherein the deformation is established by the application of a stimulus such as heat, light, ultrasound, magnetic fields, or electric fields. In certain embodiments, the materials exhibit a recovery ratio of 98% (see Experimental Examples).
Gdy przyłożone jest znaczne naprężenie, dając w wyniku wymuszoną deformację mechaniczną przy temperaturze niższej niż temperatura odzyskiwania kształtu, odkształcenia są utrzymywane w segmentach miękkich lub regionach bezpostaciowych i duża zmiana kształtu jest utrzymywana nawet po częściowym uwolnieniu naprężenia przez sprężystość polimeru. Jeśli konfiguracja łańcuchów molekularnych jest zakłócona przez wpływ uregulowanego uporządkowania łańcuchów molekularnych w temperaturze niższej niż temperatura zeszklenia, przyjmuje się że występuje ponowne uporządkowanie łańcuchów molekularnych przez wzrost rozmiaru objętościowego i zmniejszenie wolnej zawartości objętościowej. Kształt pierwotny jest odzyskiwany przez skurczenie się skupień segmentu twardego przez podniesienie temperatury według surowej kontroli konformacji łańcuchowych i kształt polimeru jest przywracany do kształtu zapamiętanego.When a significant stress is applied, resulting in forced mechanical deformation at a temperature below the shape recovery temperature, the strain is retained in the soft segments or amorphous regions, and a large change in shape is maintained even after partial stress release by the polymer's elasticity. If the molecular chain configuration is disturbed by the influence of regulated molecular chain ordering at a temperature below the glass transition temperature, it is assumed that the molecular chains re-arrange themselves by increasing the bulk size and reducing the free volume content. The original shape is recovered by shrinking the hard segment clusters by increasing the temperature under strict control of the chain conformations, and the polymer shape is restored to the stored shape.
Poza zmianami ze stanu stałego do stanu ciekłego (temperatura topnienia lub temperatura zeszklenia), segmenty twarde i miękkie mogą podlegać przemianom ze stanu stałego w stały i mogą podlegać wzajemnym oddziaływaniom jonowym dotyczącym segmentów polielektrolitycznych lub efektom ponadmolekularnym opartym na wysoko zorganizowanych wiązaniach wodorowych. SMP mogą podlegać przemianom stanu stałego w stan stały (np. zmiana w morfologii). Przemiany stanu stałego w stan stały są dobrze znane osobom wykwalifikowanym w tej dziedzinie, na przykład jak w poli(styrenowym-bloku butadienowym).In addition to changes from the solid to the liquid state (melting point or glass transition temperature), the hard and soft segments can undergo solid-to-solid transitions and may be subject to ionic interactions involving polyelectrolytic segments or supramolecular effects based on highly organized hydrogen bonds. SMPs can undergo solid-to-solid transitions (e.g., a change in morphology). Solid-to-solid transitions are well known to those skilled in the art, for example, as in poly(styrene-block-butadiene).
Mogą mieć miejsce różne zmiany struktury przedmiotu uformowanego przy użyciu polimerów z pamięcią kształtu. Jeśli przedmioty są trójwymiarowe, zmiany kształtu mogą być dwuwymiarowe. Jeśli przedmioty są zasadniczo przedmiotami dwuwymiarowymi, takimi jak włókna, wówczas zmiany kształtu będą jednowymiarowe, takie jak wzdłuż długości. Przewodność cieplna i elektryczna materiałów może także zmieniać się w odpowiedzi na zmiany temperatury.Various changes can occur in the structure of an object formed using shape memory polymers. If the objects are three-dimensional, the shape changes may be two-dimensional. If the objects are essentially two-dimensional, such as fibers, then the shape changes will be one-dimensional, such as along the length. The thermal and electrical conductivity of materials can also change in response to changes in temperature.
Przepuszczalność wilgoci kompozycji może być zmieniana, zwłaszcza gdy polimer jest uformowany w cienki film (tj. mniej niż około 10 μm). Pewne kompozycje polimerowe, w ich kształcie pierwotnym, mają dostateczną przepuszczalność taką że molekuły pary wodnej mogą być przesyłane poprzez film polimerowy, podczas gdy molekuły wody nie są dość duże aby przenikały film polimerowy. Wynikłe materiały mają niską przepuszczalność wilgoci przy temperaturach poniżej temperatury pokojowej i wysoką przepuszczalność wilgoci przy temperaturach powyżej temperatury pokojowej.The moisture permeability of the composition can be altered, particularly when the polymer is formed into a thin film (i.e., less than about 10 μm). Certain polymer compositions, in their original shape, have sufficient permeability such that water vapor molecules can be transmitted through the polymer film, while water molecules are not large enough to penetrate the polymer film. The resulting materials have low moisture permeability at temperatures below room temperature and high moisture permeability at temperatures above room temperature.
Do wywołania zmian kształtu mogą być stosowane bodźce inne niż temperatura. Jak opisano poniżej w odniesieniu do pewnych wykonań, zmiany kształtu mogą być wywołane przez wystawienie na działanie światła lub środek taki jak jon który zmienia wiązania międzypolimerowe.Stimuli other than temperature may be used to induce shape changes. As described below with respect to certain embodiments, shape changes may be induced by exposure to light or an agent such as an ion that alters interpolymer bonds.
I. Segmenty polimeroweI. Polymer segments
Segmenty korzystnie są oligomerami. Jak stosowane jest tutaj, termin „oligomer odnosi się do molekuły łańcucha liniowego mającego masę molekularną do 15000 daltonów.The segments are preferably oligomers. As used herein, the term "oligomer" refers to a linear chain molecule having a molecular weight of up to 15,000 Daltons.
Polimery są wybierane w oparciu o żądaną temperaturę(y) zeszklenia (jeśli co najmniej jeden segment jest bezpostaciowy) lub temperaturę(y) topnienia (jeśli co najmniej jeden segment jest krystaliczny), co z kolei jest oparte o żądane zastosowania, biorąc pod uwagę środowisko stosowania. Korzystnie, liczba średniej masy molekularnej segmentu polimerowego jest większa niż 400 i korzystnie jest w zakresie pomiędzy 500 a 15000.The polymers are selected based on the desired glass transition temperature(s) (if the at least one segment is amorphous) or melting point(s) (if the at least one segment is crystalline), which in turn is based on the desired applications, taking into account the environment of use. Preferably, the number average molecular weight of the polymer segment is greater than 400 and preferably is in the range between 500 and 15,000.
PL 193 700 B1PL 193 700 B1
Temperatura przejścia w której polimer nagle staje się miękki i deformuje się może być kontrolowana przez zmianę kompozycji monomeru i rodzaj monomeru, co umożliwia wyregulowanie efektu pamięci kształtu w żądanej temperaturze.The transition temperature at which the polymer suddenly becomes soft and deforms can be controlled by changing the monomer composition and type of monomer, which allows the shape memory effect to be adjusted at the desired temperature.
Własności termiczne polimerów mogą być wykryte, na przykład, przez dynamiczną termoanalizę mechaniczną lub badania różnicowej kalorymetrii skaningowej (DSC). Ponadto temperatura topnienia może być określona przy zastosowaniu standardowej aparatury temperatury topnienia.The thermal properties of polymers can be detected, for example, by dynamic mechanical thermoanalysis or differential scanning calorimetry (DSC) studies. In addition, the melting point can be determined using standard melting point apparatus.
1. Polimery termoutwardzalne lub termoplastyczne1. Thermosetting or thermoplastic polymers
Polimery mogą być polimerami termoutwardzalnymi lub termoplastycznymi, chociaż polimery termoplastyczne mogą być preferowane dzięki łatwości ich formowania.Polymers may be either thermosetting polymers or thermoplastic polymers, although thermoplastic polymers may be preferred due to their ease of forming.
Korzystnie, stopień krystaliczności polimeru lub bloku(ów) polimerowego jest pomiędzy 3 a 80%, korzystniej pomiędzy 3 a 60%. Gdy stopień krystaliczności jest większy niż 80% podczas gdy wszystkie segmenty miękkie są bezpostaciowe, wynikła kompozycja polimerowa ma niezadowalające charakterystyki pamięci kształtu.Preferably, the degree of crystallinity of the polymer or polymer block(s) is between 3 and 80%, more preferably between 3 and 60%. When the degree of crystallinity is greater than 80% while all the soft segments are amorphous, the resulting polymer composition has unsatisfactory shape memory characteristics.
Wytrzymałość na rozciąganie polimerów poniżej Ttrans jest typowo pomiędzy 50 Mpa a 2 Gpa (gigapaskalami), podczas gdy wytrzymałość na rozciąganie polimerów powyżej Ttrans jest typowo pomiędzy 1 a 500 Mpa. Korzystnie, stosunek modułów sprężystości podłużnej powyżej i poniżej Ttrans wynosi 20 lub więcej. Im wyższy ten stosunek, tym lepsza pamięć kształtu wynikłej kompozycji polimerowej.The tensile strength of polymers below Ttrans is typically between 50 Mpa and 2 Gpa (gigapascals), while the tensile strength of polymers above Ttrans is typically between 1 and 500 Mpa. Preferably, the ratio of the elastic moduli above and below Ttrans is 20 or greater. The higher this ratio, the better the shape memory of the resulting polymer composition.
Segmenty polimeru mogą być naturalne lub syntetyczne, chociaż polimery syntetyczne są preferowane. Segmenty polimeru mogą podlegać degradacji biologicznej lub nie podlegać degradacji biologicznej, chociaż wynikła kompozycja SMP podlega degradacji biologicznej, do zastosowań medycznych szczególnie preferowane są polimery zgodne biologicznie. Ogólnie, materiały te degradują się przez hydrolizę, przez wystawienie na wodę lub enzymy w warunkach fizjologicznych, przez erozję powierzchniową, przez erozję masową lub ich kombinacje. Polimery nie podlegające degradacji biologicznej używane do zastosowań medycznych korzystnie nie obejmują grup aromatycznych, innych niż obecne w naturalnie występujących aminokwasach.The polymer segments may be natural or synthetic, although synthetic polymers are preferred. The polymer segments may be biodegradable or non-biodegradable. Although the resulting SMP composition is biodegradable, biocompatible polymers are particularly preferred for medical applications. Generally, these materials degrade by hydrolysis, by exposure to water or enzymes under physiological conditions, by surface erosion, by bulk erosion, or a combination thereof. Non-biodegradable polymers used for medical applications preferably do not contain aromatic groups other than those present in naturally occurring amino acids.
Reprezentatywne naturalne segmenty polimerowe lub polimery obejmują białka takie jak zeina, zeina modyfikowana, kazeina, żelatyna, gluten, albumina surowicy krwi i kolagen oraz wielocukry takie jak alginian, celulozy, dekstrany, pululan i kwas polihialuronowy, jak również chityna, poli(3-hydroksyalkanoan)y, zwłaszcza poli(e-hydroksymaślan), poli(3-hydroksyoktanoan) i poli(kwasy 3-hydroksytłuszczowe).Representative natural polymer segments or polymers include proteins such as zein, modified zein, casein, gelatin, gluten, serum albumin, and collagen, and polysaccharides such as alginate, celluloses, dextrans, pullulan, and polyhyaluronic acid, as well as chitin, poly(3-hydroxyalkanoates), especially poly(ε-hydroxybutyrate), poly(3-hydroxyoctanoate), and poly(3-hydroxy fatty acids).
Reprezentatywne naturalne podlegające degradacji biologicznej segmenty polimerowe lub polimery obejmują wielocukry takie jak alginian, dekstran, celuloza, kolagen i ich pochodne chemiczne (podstawienia, dodania grup chemicznych, na przykład, alkil, alkilen, hydroksylowania, utleniania i inne modyfikacje rutynowo wykonywane przez osoby wykwalifikowane w tej dziedzinie) oraz białka takie jak albumina, zeina, kopolimery i ich zestawy, same lub w kombinacji z polimerami syntetycznymi.Representative natural biodegradable polymer segments or polymers include polysaccharides such as alginate, dextran, cellulose, collagen, and chemical derivatives thereof (substitutions, additions of chemical groups, for example, alkyl, alkylene, hydroxylations, oxidations, and other modifications routinely performed by those skilled in the art), and proteins such as albumin, zein, copolymers, and compositions thereof, alone or in combination with synthetic polymers.
Reprezentatywne syntetyczne bloki polimerowe obejmują polifosfazeny, poli(alkohole winylowe), poliamidy, amidy poliestrowe, poli(aminokwas(y)), syntetyczne poli(aminokwasy), polibezwodniki, poliwęglany, poliakrylany, polialkileny, poliakrylamidy, glikole polialkilenowe, tlenki polialkilenowe, tereftalany polialkilenowe, poliortoestry, poliwinyloetery, poliwinyloestry, poliwinylohalogenki, poliwinylopirolidon, poliestry, polilaktydy, poliglikolidy, polisiloksany, poliuretany i ich kopolimery.Representative synthetic polymer blocks include polyphosphazenes, polyvinyl alcohols, polyamides, polyester amides, polyamino acid(s), synthetic polyamino acid(s), polyanhydrides, polycarbonates, polyacrylates, polyalkylenes, polyacrylamides, polyalkylene glycols, polyalkylene oxides, polyalkylene terephthalates, polyorthoesters, polyvinyl ethers, polyvinyl esters, polyvinyl halides, polyvinylpyrrolidone, polyesters, polylactides, polyglycolides, polysiloxanes, polyurethanes, and copolymers thereof.
Przykłady odpowiednich poliakrylanów obejmują poli(metakrylan metylu), poli(metakrylan etylu), poli(metakrylan butylu), poli(metakrylan izobutylu), poli(metakrylan heksylu), poli(metakrylan izodecylu), poli(metakrylan laurylu), poli(metakrylan fenylu), poli(akrylan metylu), poli(akrylan izopropylu), poli(akrylan izobutylu), poli(akrylan oktadecylu).Examples of suitable polyacrylates include poly(methyl methacrylate), poly(ethyl methacrylate), poly(butyl methacrylate), poly(isobutyl methacrylate), poly(hexyl methacrylate), poly(isodecyl methacrylate), poly(lauryl methacrylate), poly(phenyl methacrylate), poly(methyl acrylate), poly(isopropyl acrylate), poly(isobutyl acrylate), poly(octadecyl acrylate).
Syntetycznie zmodyfikowane polimery naturalne obejmują pochodne celulozy takie jak celulozy alkilowe, celulozy hydroksyalkilowe, etery celulozowe, estry celulozowe, nitrocelulozy i chitosan. Przykłady odpowiednich pochodnych celulozy obejmują metylocelulozę, etylocelulozę, hydroksypropylocelulozę, hydroksypropylometylocelulozę, hydroksybutylometylocelulozę, octan celulozy, propionian celulozy, butyran octanu celulozy, ftalan octanu celulozy, karboksymetylocelulozę, trójoctan celulozy i sól sodową siarczanu celulozy. Są one tutaj zbiorowo określane jako „celulozy.Synthetically modified natural polymers include cellulose derivatives such as alkyl celluloses, hydroxyalkyl celluloses, cellulose ethers, cellulose esters, nitrocelluloses, and chitosan. Examples of suitable cellulose derivatives include methyl cellulose, ethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, hydroxypropyl methyl cellulose, hydroxybutyl methyl cellulose, cellulose acetate, cellulose propionate, cellulose acetate butyrate, cellulose acetate phthalate, carboxymethyl cellulose, cellulose triacetate, and sodium cellulose sulfate. They are collectively referred to herein as "celluloses."
Reprezentatywne syntetyczne podlegające degradacji segmenty polimerowe obejmują kwasy poliwodorotlenowe, takie jak polilaktydy, poliglikolidy i ich kopolimery; poli(tereftalan etylenu); poli(kwas hydroksymasłowy); poli(kwas hydroksywalerianowy); poli[laktyd-ko-fe-kaprolakton)]; poli[glikolidko-(e-kaprolakton)]; poliwęglany, poli(pseudoaminokwasy); poli(aminokwasy); poli(hydroksyalkanoan)y; polibezwodniki; poliortoestry i ich zestawy i kopolimery.Representative synthetic degradable polymer segments include polyhydroxy acids such as polylactides, polyglycolides, and copolymers thereof; poly(ethylene terephthalate); poly(hydroxybutyric acid); poly(hydroxyvaleric acid); poly[lactide-co-fe-caprolactone]; poly[glycolide-(e-caprolactone)]; polycarbonates, poly(pseudoamino acids); poly(amino acids); poly(hydroxyalkanoates); polyanhydrides; polyorthoesters, and blends and copolymers thereof.
PL 193 700 B1PL 193 700 B1
Przykłady segmentów polimerów syntetycznych nie podlegających degradacji biologicznej obejmują etylenowy octan winylu, kwas poli (met)akrylowy, poliamidy, polietylen, polipropylen, polistyren, polichlorek winylu, poliwinylofenol i ich kopolimery i mieszaniny.Examples of non-biodegradable synthetic polymer segments include ethylene vinyl acetate, poly(meth)acrylic acid, polyamides, polyethylene, polypropylene, polystyrene, polyvinyl chloride, polyvinylphenol, and copolymers and mixtures thereof.
Szybko erodujące biologicznie polimery takie jak poli(laktydy-ko-glikolid)y, polibezwodniki i pliortoestry, które mają grupy karboksylowe wystawione na powierzchnię zewnętrzną gdy gładka powierzchnia polimeru eroduje, mogą być także stosowane. Ponadto, polimery zawierające wiązania nietrwałe, takie jak polianhydrydy i poliestry, są dobrze znane z powodu swojej reaktywności hydrolitycznej. Ich szybkości degradacji hydrolitycznej mogą zasadniczo być zmienione przez proste zmiany w łańcuchu głównym polimeru i ich strukturze sekwencji.Rapidly bioerodible polymers such as poly(lactide-co-glycolide), polyanhydrides, and polyorthoesters, which have carboxyl groups exposed to the outer surface when the smooth polymer surface erodes, can also be used. Furthermore, polymers containing labile bonds, such as polyanhydrides and polyesters, are well known for their hydrolytic reactivity. Their hydrolytic degradation rates can be substantially altered by simple changes in the polymer backbone and their sequence structure.
Różne polimery, takie jak poliacetylen i polipirol, są polimerami przewodzącymi. Materiały te są szczególnie preferowane do zastosowań w których ważna jest przewodność elektryczna. Przykłady tych zastosowań obejmują inżynierię tkankową i zastosowania biomedyczne, gdzie ma być pobudzany wzrost komórki. Materiały te mogą znaleźć szczególną użyteczność w dziedzinie informatyki, ponieważ są one zdolne do absorbowania ciepła bez wzrostu temperatury lepiej niż SMA. Przewodzące polimery z pamięcią kształtu są użyteczne w dziedzinie inżynierii tkankowej do pobudzania wzrostu tkanki, na przykład tkanki nerwowej.Various polymers, such as polyacetylene and polypyrrole, are conductive polymers. These materials are particularly favored for applications where electrical conductivity is important. Examples of these applications include tissue engineering and biomedical applications where cell growth is to be stimulated. These materials may find particular utility in the field of computer science because they can absorb heat without increasing temperature better than SMA. Conductive shape memory polymers are useful in tissue engineering for stimulating tissue growth, such as neural tissue.
2. Hydrożele2. Hydrogels
Polimer może być w formie hydrożelu (typowo absorbującego do około 90% wagowo wody) i może opcjonalnie być jonowo wiązany poprzecznie z wielowartościowymi jonami lub polimerami. Jonowe wiązanie poprzeczne pomiędzy segmentami miękkimi może być stosowane do utrzymania struktury, która, gdy zdeformowana, może ponownie być formowana przez rozerwanie jonowych wiązań poprzecznych pomiędzy segmentami miękkimi. Polimer może także być w postaci żelu w rozpuszczalnikach innych niż woda lub roztworach wodnych. W tych polimerach, kształt tymczasowy może być ustalany przez hydrofilowe oddziaływanie wzajemne pomiędzy segmentami miękkimi.The polymer may be in the form of a hydrogel (typically absorbing up to about 90% by weight of water) and may optionally be ionically cross-linked with polyvalent ions or polymers. The ionic cross-link between the soft segments may be used to maintain the structure, which, when deformed, can be reformed by breaking the ionic cross-links between the soft segments. The polymer may also be in the form of a gel in solvents other than water or aqueous solutions. In these polymers, the temporary shape may be established by hydrophilic interactions between the soft segments.
Hydrożele mogą być tworzone z glikolu polietylenowego, tlenku polietylenu, alkoholu poliwinylowego, pirolidonu poliwinylowego, poliakrylanów, poli(tereftalanu etylenowego), poli(octanu winylu) i ich kopolimerów i zestawów. Niektóre segmenty polimerowe, na przykład kwas akrylowy, są elastomerowe dopiero gdy polimer jest uwodniony i utworzone sąhydrożele. Inne segmenty polimerowe, na przykład kwas metakrylowy, są krystaliczne i zdolne do topienia się nawet gdy polimery nie są uwodnione. Może być zastosowany którykolwiek blok polimerowy, w zależności od żądanego zastosowania i warunków stosowania.Hydrogels can be formed from polyethylene glycol, polyethylene oxide, polyvinyl alcohol, polyvinyl pyrrolidone, polyacrylates, polyethylene terephthalate, polyvinyl acetate, and their copolymers and blends. Some polymer segments, such as acrylic acid, become elastomeric only when the polymer is hydrated and hydrogels are formed. Other polymer segments, such as methacrylic acid, are crystalline and capable of melting even when the polymers are not hydrated. Any polymer block can be used, depending on the desired application and conditions of use.
Na przykład, pamięć kształtu jest obserwowana u kopolimerów z kwasu akrylowego tylko w stanie hydrożelu, ponieważ jednostki kwasu akrylowego są zasadniczo uwodnione i zachowują się jak miękki elastomer z bardzo niską temperaturą zeszklenia. Suche polimery nie są polimerami z pamięcią kształtu. Gdy są suche, jednostki kwasu akrylowego zachowują się jak twarde tworzywo sztuczne nawet powyżej temperatury zeszklenia i wykazują brak nagłej zmiany własności mechanicznych przy ogrzewaniu. W przeciwieństwie do tego, kopolimery zawierające segmenty polimerowe z octanu metylu jako segmenty miękkie wykazują własności pamięci kształtu nawet gdy są suche.For example, shape memory is observed in acrylic acid copolymers only in the hydrogel state, because the acrylic acid units are essentially hydrated and behave like a soft elastomer with a very low glass transition temperature. Dry polymers are not shape memory polymers. When dry, the acrylic acid units behave like a hard plastic even above the glass transition temperature and exhibit no abrupt change in mechanical properties upon heating. In contrast, copolymers containing methyl acetate polymer segments as soft segments exhibit shape memory properties even when dry.
3. Polimery zdolne do tworzenia żelu w podwyższonych temperaturach.3. Polymers capable of forming a gel at elevated temperatures.
Pewne polimery, na przykład poli(tlenek etylenu-ko-tlenek propylenu) (PLURONICS™) są rozpuszczalne w wodzie w temperaturach niższych niż temperatura ciała i stają się hydrożelami w temperaturach wyższych niż temperatura ciała. Włączenie tych polimerów jako segmenty do polimerów z pamięcią kształtu zapewnia polimerom z pamięcią kształtu zdolność odpowiedzi na zmiany temperatury w sposób przeciwny do typowych polimerów z pamięcią kształtu. Materiały te odzyskują swój kształt gdy są raczej ochłodzone poniżej swojej temperatury odzyskiwania kształtu niż będąc ogrzane powyżej swojej temperatury odzyskiwania kształtu. Efekt ten jest nazywany odwróconym efektem termicznej pamięci kształtu. Kompozycje polimerów z pamięcią kształtu obejmujące te segmenty polimerowe są użyteczne w różnych zastosowaniach biomedycznych, gdzie polimer może być wstawiany jako ciecz i chłodzony dla odzyskania zamierzonego kształtu na miejscu. Odwrócony efekt termicznej pamięci kształtu może być uzyskany przez włączenie do polimeru dwóch różnych segmentów, które są mieszalne w temperaturach niższych niż Tmisc (Tmieszania), lecz są niemieszalne w temperaturach wyższych. Separacja fazowa w wyższych temperaturach stabilizuje kształt tymczasowy.Certain polymers, such as poly(ethylene oxide-co-propylene oxide) (PLURONICS™), are water-soluble at temperatures below body temperature and become hydrogels at temperatures above body temperature. Incorporating these polymers as segments into shape memory polymers provides shape memory polymers with the ability to respond to temperature changes in a manner opposite to typical shape memory polymers. These materials recover their shape when cooled below their shape recovery temperature rather than when heated above their shape recovery temperature. This effect is called the reverse thermal shape memory effect. Shape memory polymer compositions incorporating these polymer segments are useful in various biomedical applications where the polymer can be inserted as a liquid and cooled to recover the intended shape in situ. The reverse thermal shape memory effect can be achieved by incorporating two different segments into the polymer that are miscible at temperatures lower than Tmisc (Tmixing) but immiscible at higher temperatures. Phase separation at higher temperatures stabilizes the temporary shape.
Polimery mogą być otrzymane ze źródeł handlowych takich jak Sigma Chemical Co., St. Louis, MO.; Polysciences, Warrenton, PA; Aldrich Chemical Co., Milwaukee, WI; Fluka, Ronkonkoma, NY i BioRad, Richmond, CA. Alternatywnie, polimery mogą być syntezowane z monomerów otrzymanych ze źródeł handlowych, przy zastosowaniu standardowych technik.Polymers can be obtained from commercial sources such as Sigma Chemical Co., St. Louis, MO.; Polysciences, Warrenton, PA; Aldrich Chemical Co., Milwaukee, WI; Fluka, Ronkonkoma, NY; and BioRad, Richmond, CA. Alternatively, polymers can be synthesized from monomers obtained from commercial sources using standard techniques.
PL 193 700 B1PL 193 700 B1
II. Montaż segmentów polimeruII. Assembly of polymer segments
Polimer z pamięcią kształtu zawiera jeden lub więcej segmentów twardych i jeden lub więcej segmentów miękkich, przy czym co najmniej jeden z segmentów podlega degradacji biologicznej lub co najmniej jeden z segmentów jest związany z innym segmentem poprzez wiązanie podlegające degradacji biologicznej. Reprezentatywne wiązania podlegające degradacji biologicznej obejmują wiązania estro-, amido-, bezwodniko-, węglano lub ortoestrowe.The shape memory polymer comprises one or more hard segments and one or more soft segments, wherein at least one of the segments is biodegradable or at least one of the segments is linked to another segment via a biodegradable linkage. Representative biodegradable linkages include ester-, amide-, anhydride-, carbonate-, or orthoester linkages.
1. Struktury polimerowe.1. Polymer structures.
Efekt pamięci kształtu jest oparty na morfologii polimeru. W odniesieniu do elastomerów termoplastycznych, kształt pierwotny przedmiotu jest ustalony przez fizyczne wiązania poprzeczne powodowane przez segment twardy. W odniesieniu do polimerów termoutwardzalnych, segmenty miękkie są kowalencyjnie wiązane poprzecznie zamiast posiadania segmentów twardych. Kształt pierwotny jest ustalany przez proces wiązania poprzecznego.The shape memory effect is based on the morphology of the polymer. In thermoplastic elastomers, the original shape of the object is established by physical cross-links caused by the hard segment. In thermosetting polymers, the soft segments are covalently cross-linked instead of having hard segments. The original shape is established by the cross-linking process.
W przeciwieństwie do istniejących w stanie techniki segmentowych SMP poliuretanowych, segmenty kompozycji opisanych tutaj nie muszą być liniowe. Segmenty mogą być częściowo szczepione lub przymocowane w dendrytycznych grupach bocznych.Unlike existing segmented polyurethane SMPs in the art, the segments of the compositions described herein need not be linear. The segments may be partially grafted or attached at dendritic side groups.
A. Polimery termoplastyczne i termoelastyczneA. Thermoplastic and thermoelastic polymers
Polimery mogą być w formie liniowych polimerów dwublokowych, trójblokowych, czteroblokowych lub wieloblokowych, polimerów rozgałęzionych lub szczepionych, elastomerów termoplastycznych, które zawierają struktury dendrytyczne i ich zestawów. Fig. 3 ilustruje pewne kombinacje odpowiednich klas materiałów termoplastycznych tworzących segmenty twarde i miękkie. Kompozycja polimeru termoplastycznego z pamięcią kształtu może także być zestawem jednego lub więcej homolub ko-polimeru z jednym lub więcej kopolimerów dwublokowych, trójblokowych, czteroblokowych lub wieloblokowych, polimerów rozgałęzionych lub szczepionych. Te typy polimerów są dobrze znane osobom wykwalifikowanym w tej dziedzinie.The polymers may be in the form of linear diblock, triblock, tetrablock, or multiblock polymers, branched or grafted polymers, thermoplastic elastomers that contain dendritic structures, and blends thereof. Figure 3 illustrates certain combinations of suitable classes of thermoplastic materials forming hard and soft segments. The thermoplastic shape memory polymer composition may also be a blend of one or more homopolymer or copolymer with one or more diblock, triblock, tetrablock, or multiblock copolymers, branched or grafted polymers. These types of polymers are well known to those skilled in the art.
Jak stosuje się tutaj, termin „materiał termoutwardzalny podlegający degradacji odnosi się do (i) SMP termoutwardzalnych, które zawierają wiązania rozszczepialne i (ii) materiałów termoutwardzalnych zawierających więcej niż jeden segment miękki, przy czym co najmniej jeden segment miękki podlega degradacji lub różne segmenty miękkie są połączone wiązaniami rozszczepialnymi. Istnieją cztery różne typy polimerów termoutwardzalnych, które mają zdolność pamięci kształtu. Obejmują one sieci polimerowe, sieci półprzenikające się wzajemnie, sieci przenikające się wzajemnie i mieszane sieci przenikające się wzajemnie.As used herein, the term "degradable thermosetting material" refers to (i) thermosetting SMPs that contain cleavable bonds and (ii) thermosetting materials containing more than one soft segment, wherein at least one soft segment is degradable or different soft segments are connected by cleavable bonds. There are four different types of thermosetting polymers that have shape memory capability. These include polymer networks, semi-interpenetrating networks, interpenetrating networks, and mixed interpenetrating networks.
i. Sieci polimerowei. Polymer networks
Sieć polimerowa jest przygotowana przez kowalencyjne wiązanie poprzeczne makromonomerów, tj. polimerów które zawierają polimeryzowalne grupy końcowe takie jak podwójne wiązania węgiel-węgiel. Proces polimeryzacji może być wywołany przez zastosowanie czułych na światło lub ciepło inicjatorów lub przez utwardzanie światłem nadfioletowym bez inicjatora. Sieci polimerowe z pamięcią kształtu są przygotowane przez wiązanie poprzeczne jednego lub więcej segmentów miękkich, które odpowiadają na jedno lub więcej przejść termicznych.A polymer network is prepared by covalently cross-linking macromonomers, i.e., polymers containing polymerizable end groups such as carbon-carbon double bonds. The polymerization process can be induced by the use of light- or heat-sensitive initiators or by curing with ultraviolet light without an initiator. Shape-memory polymer networks are prepared by cross-linking one or more soft segments that respond to one or more thermal transitions.
W wykonaniu zalecanym do zastosowań medycznych, wiązanie poprzeczne jest dokonywane przy zastosowania fotowiązania poprzecznego i nie wymaga żadnego inicjatora chemicznego. Foto wiązanie poprzeczne eliminuje korzystnie potrzebę molekuł inicjatora, które mogą być toksyczne. Fig. 4 jest diagramem sekwencji reakcji dla syntezy preferowanego fotowiązania poprzecznego, która wytwarza całkowitą wydajność reakcji około 65%.In an embodiment preferred for medical applications, cross-linking is accomplished using photocrosslinking and does not require any chemical initiator. Photocrosslinking advantageously eliminates the need for initiator molecules, which can be toxic. Fig. 4 is a reaction sequence diagram for the synthesis of the preferred photocrosslinker, which produces an overall reaction yield of approximately 65%.
ii. Sieci przenikające się wzajemnieii. Interpenetrating networks
Sieci przenikające się wzajemnie („IPN) są zdefiniowane jako sieci gdzie dwa składniki są związane poprzecznie, lecz nie ze sobą. Kształt pierwotny jest określony przez sieć z najwyższą gęstością wiązania poprzecznego i najwyższą wytrzymałością mechaniczną. Materiał ma co najmniej dwie Ttrans odpowiadające różnym segmentom miękkim obydwu sieci.Interpenetrating networks ("IPNs") are defined as networks where two components are cross-linked but not interconnected. The primary shape is determined by the network with the highest cross-link density and the highest mechanical strength. The material has at least two Ttrans corresponding to different soft segments of the two networks.
iii. Mieszane sieci przenikające się wzajemnieiii. Mixed networks that interpenetrate each other
Mieszana IPN obejmuje co najmniej jedną sieć polimerową fizycznie związaną poprzecznie (polimer termoplastyczny) i co najmniej jedną sieć polimerową kowalentnie związaną poprzecznie (polimer termoutwardzalny), które nie mogą być rozdzielone żadnymi sposobami fizycznymi. Kształt pierwotny jest ustalony przez sieć kowalentnie związaną poprzecznie. Kształty tymczasowe odpowiadają Ttrans segmentów miękkich i Ttrans segmentu twardego termoplastycznego składnika elastomerowego.A mixed IPN comprises at least one physically cross-linked polymer network (thermoplastic polymer) and at least one covalently cross-linked polymer network (thermoset polymer), which cannot be separated by any physical means. The primary shape is established by the covalently cross-linked network. The temporary shapes correspond to the T trans of the soft segments and the T trans of the hard segment of the thermoplastic elastomer component.
Szczególnie zalecana mieszana sieć przenikająca się wzajemnie jest przygotowana przez polimeryzację reaktywnego makromonomeru w obecności polimeru termoplastycznego, na przykład,A particularly preferred mixed interpenetrating network is prepared by polymerizing a reactive macromonomer in the presence of a thermoplastic polymer, for example,
PL 193 700 B1 przez fotopolimeryzację wiązań podwójnych węgiel-węgiel. W tym wykonaniu, stosunek wagowy polimeru termoutwardzalnego do polimeru termoplastycznego jest korzystnie pomiędzy 5:95 a 95:5, korzystniej pomiędzy 20:80 a 80:20.PL 193 700 B1 by photopolymerization of carbon-carbon double bonds. In this embodiment, the weight ratio of thermosetting polymer to thermoplastic polymer is preferably between 5:95 and 95:5, more preferably between 20:80 and 80:20.
iv. Sieci półprzenikające się wzajemnieiv. Semi-interpenetrating networks
Sieci półprzenikające się wzajemnie („semi-IPN) są zdefiniowane jako dwa niezależne składniki, gdzie jeden składnik jest polimerem związanym poprzecznie (sieć polimerowa) a drugi składnik jest polimerem nie związanym poprzecznie (homopolimerem lub kopolimerem), przy czym składniki nie mogą być rozdzielone sposobami fizycznymi. Sieć półprzenikająca się wzajemnie ma co najmniej jedno przejście termiczne odpowiadające segmentowi(om) miękkiemu i składnikom homo- lub kopolimerowym. Polimer związany poprzecznie korzystnie stanowi pomiędzy około 10 a 90% wagowo kompozycji sieci półprzenikającej się wzajemnie.Semi-interpenetrating networks ("semi-IPNs") are defined as two independent components, where one component is a cross-linked polymer (polymer network) and the other component is a non-cross-linked polymer (homopolymer or copolymer), wherein the components cannot be separated by physical means. The semi-interpenetrating network has at least one thermal transition corresponding to the soft segment(s) and the homo- or copolymer components. The cross-linked polymer preferably constitutes between about 10 and 90% by weight of the semi-interpenetrating network composition.
v. Zestawy polimerowev. Polymer kits
W zalecanym wykonaniu, kompozycje polimerowe z pamięcią kształtu opisane tutaj są uformowane z zestawu polimerowego podlegającego degradacji biologicznej. Jak stosuje się tutaj, „zestaw polimerowy podlegający degradacji biologicznej jest zestawem mającym co najmniej jeden polimer podlegający degradacji biologicznejIn a preferred embodiment, the shape memory polymer compositions described herein are formed from a biodegradable polymer composition. As used herein, a "biodegradable polymer composition" is a composition having at least one biodegradable polymer.
Polimery z pamięcią kształtu mogą istnieć jako mieszaniny fizyczne polimerów termoplastycznych. W jednym wykonaniu, kompozycja polimeru z pamięcią kształtu może być przygotowana przez wzajemne oddziaływanie lub zestawianie dwóch polimerów termoplastycznych. Polimery mogą być homopolimerami półkrystalicznymi, kopolimerami półkrystalicznymi, elastomerami termoplastycznymi z łańcuchami liniowymi, elastomerami termoplastycznymi z łańcuchami bocznymi lub jakimkolwiek rodzajem elementów strukturalnych dendrytycznych oraz kopolimerami rozgałęzionymi i mogą one być zestawiane w jakiejkolwiek ich kombinacji.Shape memory polymers can exist as physical mixtures of thermoplastic polymers. In one embodiment, the shape memory polymer composition can be prepared by the interaction or blending of two thermoplastic polymers. The polymers can be semi-crystalline homopolymers, semi-crystalline copolymers, thermoplastic elastomers with linear chains, thermoplastic elastomers with side chains or any type of dendritic structural elements, and branched copolymers, and can be blended in any combination thereof.
Na przykład, kopolimer wieloblokowy z segmentem twardym ze względnie wysoką Ttrans i segmentem miękkim ze względnie niską Ttrans może być mieszany lub zestawiany z drugim kopolimerem wieloblokowym z segmentem twardym ze względnie niską Ttans i tym samym segmentem miękkim jak w pierwszym kopolimerze wieloblokowym. Segmenty mię kkie w obydwu kopolimerach wieloblokowych są identyczne, a więc polimery są mieszalne jeden w drugim gdy segmenty miękkie są stopione. Istnieją trzy temperatury przejścia w wynikłym zestawie, ta pierwszego segmentu twardego, ta drugiego segmentu twardego i ta segmentu miękkiego. Stosownie do tego, materiały te są zdolne do zapamiętania dwóch różnych kształtów. Własności mechaniczne tych polimerów mogą być regulowane przez zmianę stosunku wagowego tych dwóch polimerów.For example, a multiblock copolymer with a hard segment with a relatively high T trans and a soft segment with a relatively low T trans can be mixed or combined with a second multiblock copolymer with a hard segment with a relatively low T trans and the same soft segment as in the first multiblock copolymer. The soft segments in both multiblock copolymers are identical, so the polymers are miscible with each other when the soft segments are melted. There are three transition temperatures in the resulting composition: that of the first hard segment, that of the second hard segment, and that of the soft segment. Accordingly, these materials are capable of memorizing two different shapes. The mechanical properties of these polymers can be adjusted by changing the weight ratio of the two polymers.
Mogą być przygotowane inne rodzaje zestawów co najmniej dwóch kopolimerów wieloblokowych, w których co najmniej jeden z segmentów jest mieszamy z co najmniej jednym z segmentów innych kopolimerów wieloblokowych. Jeśli dwa różne segmenty są mieszalne i budują razem jedną domenę, wówczas przejście termiczne tej domeny zależy od zawartości wagowej tych dwóch segmentów. Maksymalna liczba kształtów zapamiętanych wynika z liczby przejść termicznych zestawu.Other types of sets of at least two multiblock copolymers can be prepared, in which at least one segment is mixed with at least one segment from another multiblock copolymer. If two different segments are miscible and together form a single domain, then the thermal transition of that domain depends on the weight fraction of the two segments. The maximum number of memorized shapes results from the number of thermal transitions of the set.
Zestawy z pamięcią kształtu mogą mieć lepsze zdolności zapamiętania kształtu niż same składniki zestawu. Zestawy z pamięcią kształtu są złożone z co najmniej jednego kopolimera wieloblokowego i co najmniej jednego homo- lub kopolimera. W zasadzie kopolimery dwu-, trzy- lub czteroblokowe mogą być stosowane zamiast kopolimera wieloblokowego.Shape memory polymers can have better shape retention than the components themselves. Shape memory polymers are composed of at least one multiblock copolymer and at least one homo- or copolymer. In principle, di-, tri-, or tetrablock copolymers can be used instead of the multiblock copolymer.
Zestawy z pamięcią kształtu są wysoce użyteczne w zastosowaniach przemysłowych, ponieważ szeroki zakres zdolności mechanicznych, termicznych i pamięci kształtu może być uzyskany z tylko dwóch lub trzech podstawowych polimerów przez zestawianie ich w różnych stosunkach wagowych. Wytłaczarka dwuśrubowa jest przykładem standardowego wyposażenia technologicznego, które może być stosowane do mieszania składników i przetwarzania zestawu.Shape memory polymers are highly useful in industrial applications because a wide range of mechanical, thermal, and shape memory properties can be obtained from just two or three basic polymers by combining them in different weight ratios. A twin-screw extruder is an example of standard process equipment that can be used for compounding and processing the polymers.
III. Sposoby wykonania SMPIII. Methods of performing SMP
Polimery opisane powyżej są albo dostępne na rynku albo mogą być syntezowane przy zastosowaniu znanych dla fachowców z tej dziedziny sposobów. Poniżej przytoczone przykłady 1 i 2 przedstawiają procedury doświadczalne dla przygotowania SMP.The polymers described above are either commercially available or can be synthesized using methods known to those skilled in the art. Examples 1 and 2 below present experimental procedures for preparing SMPs.
IV. Sposoby kształtowania kompozycji SMPIV. Methods of shaping SMP compositions
Kompozycje te mogą być tworzone w pierwszym kształcie według stosownych warunków, na przykład w temperaturze powyżej Ttrans segmentów twardych, i schłodzone poniżej Ttrans segmentu (ów) miękkiego. Standardowymi technikami są wytłaczanie i formowanie wtryskowe. Opcjonalnie przedmiot może być ponownie formowany do drugiego kształtu. Pod wpływem ciepła lub innego stosownego zestawu czynników, przedmiot powraca do kształtu pierwotnego.These compositions may be formed into a first shape under appropriate conditions, for example, at a temperature above the T trans of the hard segments and cooled below the T trans of the soft segment(s). Standard techniques include extrusion and injection molding. Optionally, the article may be remolded into a second shape. Under the influence of heat or another appropriate set of factors, the article returns to its original shape.
PL 193 700 B1PL 193 700 B1
Polimery termoutwardzalne mogą być przygotowane przez wytłoczenie materiału wstępnie spolimeryzowanego (makromonomerów) i ustalenie kształtu pierwotnego w temperaturze powyżej Ttrans polimeru termoutwardzalnego, na przykład przez fotoutwardzanie grup reaktywnych na monomerze.Thermosetting polymers can be prepared by extruding prepolymerized material (macromonomers) and setting the original shape at a temperature above the T trans of the thermosetting polymer, for example by photocuring reactive groups on the monomer.
Kształt tymczasowy jest ustalany przez chłodzenie materiału poniżej Ttrans po deformacji materiału.The temporary shape is established by cooling the material below Ttrans after the material has been deformed.
Fig. ilustruje foto-wywołany efekt pamięci kształtu.Fig. illustrates the photo-induced shape memory effect.
Wiązanie poprzeczne może także być wykonane w roztworze makromonomerów, przy czym rozpuszczalnik jest usuwany z utworzonego żelu w następnej operacji.Cross-linking can also be performed in a solution of the macromonomers, with the solvent being removed from the formed gel in a subsequent operation.
Kompozycje wytworzone z polimerów termoplastycznych mogą być wydmuchiwane, wytłaczanie w arkuszach lub kształtowane przez formowanie wtryskowe, na przykład, aby utworzyć włókna. Kompozycje te mogą także być kształtowane innymi sposobami, znanymi fachowcom z tej dziedziny, w celu ukształtowania przedmiotów stałych, na przykład, usuwaniem laserowym, mikroobróbką, skrawaniem, stosowaniem gorącego drutu i procesami CAD/CAM (projektowania / wytwarzania wspomaganego komputerowo). Procesy te są zalecane do kształtowania polimerów termoutwardzalnych.Compositions made from thermoplastic polymers can be blown, extruded into sheets, or shaped by injection molding, for example, to form fibers. These compositions can also be shaped by other methods known to those skilled in the art to shape solid objects, for example, laser abatement, micromachining, machining, hot wire, and CAD/CAM (computer-aided design/manufacturing) processes. These processes are preferred for shaping thermoset polymers.
V. Zastosowania terapeutyczne, profilaktyczne i diagnostyczneV. Therapeutic, prophylactic and diagnostic applications
Każdy z różnorodnych środków terapeutycznych, profilaktycznych i diagnostycznych może być włączony do wnętrz kompozycji polimerowych, które mogą miejscowo lub systemowo dostarczać włączone środki po podaniu pacjentowi.Any of a variety of therapeutic, prophylactic and diagnostic agents may be incorporated into the polymer compositions, which can locally or systemically deliver the incorporated agents upon administration to a patient.
Przykłady obejmują syntetyczne nieorganiczne i organiczne związki lub molekuły, białka i peptydy, wielocukry i inne cukry, lipidy i molekuły kwasu nukleinowego mające działania terapeutyczne, profilaktyczne i diagnostyczne.Examples include synthetic inorganic and organic compounds or molecules, proteins and peptides, polysaccharides and other sugars, lipids, and nucleic acid molecules having therapeutic, prophylactic, and diagnostic activities.
Molekuły kwasu nukleinowego obejmują geny, plazmowe DNA, gołe DNA, molekuły antyczuciowe które wiążą się z komplementarnym DNA aby wstrzymywać transkrypcję, rybozymy i sekwencje prowadzenia rybozymów. Ze względu na różnorodne działania biologiczne, można wyróżnić środki naczyniowe czynne, środki neuroaktywne, hormony, czynniki wzrostu, cytokiny, środki znieczulające, steroidy, antykoagulanty, środki przeciwzapalne, środki immunomodulujajse, środki cytotoksyczne, środki profilaktyczne, antybiotyki, środki przeciwwirusowe, środki antyzmysłowe, antygeny i przeciwciała. W pewnych przypadkach białka mogą być przeciwciałami albo antygenami, które inaczej musiałyby być podawane przez zastrzyk aby wywołać stosowną odpowiedź.Nucleic acid molecules include genes, plasma DNA, bare DNA, antisensory molecules that bind to complementary DNA to inhibit transcription, ribozymes, and ribozyme guidance sequences. Due to their diverse biological activities, they include vasoactive agents, neuroactive agents, hormones, growth factors, cytokines, anesthetics, steroids, anticoagulants, anti-inflammatory agents, immunomodulators, cytotoxic agents, prophylactic agents, antibiotics, antivirals, antisensory agents, antigens, and antibodies. In some cases, proteins may be antibodies or antigens that would otherwise require injection to elicit a response.
Białka są definiowane jako składające się z pozostałych 100 aminokwasów lub więcej; peptydy są pozostałościami mniej niż 100 aminokwasów. O ile nie podano inaczej, termin białko odnosi się do zarówno białek jak i peptydów. Wielocukry, takie jak heparyna, mogą także być podawane. Związki o szerokim zakresie masy molekularnej, na przykład pomiędzy 10 a 500 000 gramów na mol, mogą być zakapsułkowane.Proteins are defined as consisting of 100 or more amino acid residues; peptides are residues of fewer than 100 amino acids. Unless otherwise specified, the term protein refers to both proteins and peptides. Polysaccharides, such as heparin, may also be administered. Compounds with a wide range of molecular weights, for example, between 10 and 500,000 grams per mole, may be encapsulated.
Można także wymienić dostępne w handlu środki odwzorowujące, które mogą być stosowane w tomografii pozytronowej emisyjnej (PET), tomografii wspomaganej komputerowo (CAT), skomputeryzowanej tomografii emisyjnej jednofotonowej, prześwietlaniu rentgenowskim, fluoroskopii, obrazowaniu rezonansem magnetycznym (MRI) i środkach ultradźwiękowych.Commercially available imaging agents may also be mentioned that can be used in positron emission tomography (PET), computer-assisted tomography (CAT), single-photon emission computerized tomography, X-ray, fluoroscopy, magnetic resonance imaging (MRI), and ultrasound imaging.
VI. Artykuły, urządzenia i powłokiVI. Articles, Devices and Coatings
Kompozycje SMP mogą być także wykorzystywane w zastosowaniach biomedycznych i innych.SMP compositions can also be used in biomedical and other applications.
1. Artykuły i urządzenia do zastosowań medycznych1. Articles and devices for medical applications
Przykładami takich zastosowań są szwy, materiały ortodontyczne, śruby kostne, gwoździe, płytki, cewniki, rurki, filmy, rurki drożnościowe, szelki ortopedyczne, szyny, taśma do przygotowania odlewów, rusztowania do inżynierii tkankowej, soczewki kontaktowe, urządzenia dostarczania leków, wszczepy i wskaźniki termiczne.Examples of such applications include sutures, orthodontic materials, bone screws, nails, plates, catheters, tubes, films, patency tubes, orthopedic braces, splints, cast preparation tape, tissue engineering scaffolds, contact lenses, drug delivery devices, implants, and thermal indicators.
Kompozycje SMP są korzystnie sporządzone z polimerów zgodnych biologicznie i dla większości zastosowań z polimerów podlegających degradacji biologicznej, przy czym prędkość tej degradacji może być kontrolowana, w zależności od rodzaju kompozycji i wiązania poprzecznego polimeru. Wszczepy polimerowe, podlegające degradacji biologicznej, eliminują potrzebę odzyskiwania wszczepu i mogą być stosowane równocześnie do dostarczania środków terapeutycznych.SMP compositions are preferably made from biocompatible polymers and, for most applications, biodegradable polymers, where the rate of degradation can be controlled depending on the type of composition and polymer crosslinking. Biodegradable polymer implants eliminate the need for implant recovery and can be used concurrently to deliver therapeutic agents.
Materiały te mogą być wykorzystywane w wielu zastosowaniach wymagających zdolności przenoszenia obciążeń i kontrolowanej degradacji.These materials can be used in many applications requiring load-bearing capacity and controlled degradation.
Kompozycje polimerowe mogą także być formowane odpowiednio do kształtu wszczepu, który ma być wszczepiany wewnątrz ciała aby spełniać funkcję mechaniczną. Przykłady takich wszczepów obejmują pręty, szpilki, śruby, płytki i kształty anatomiczne.Polymer compositions can also be molded into the shape of an implant to be implanted inside the body to perform a mechanical function. Examples of such implants include rods, pins, screws, plates, and anatomical shapes.
PL 193 700 B1PL 193 700 B1
Szczególnie zalecanym zastosowaniem kompozycji jest przygotowanie szwów, które są dość sztywne aby zapewnić łatwe wprowadzanie, lecz po uzyskaniu temperatury ciała miękną i tworzą drugi kształt, który jest bardziej dogodny dla pacjenta podczas dalszego leczenia.A particularly recommended use of the composition is the preparation of sutures that are stiff enough to ensure easy insertion, but after reaching body temperature they soften and create a second shape that is more comfortable for the patient during further treatment.
Inne korzystne zastosowanie dotyczy cewników, które powinny być sztywne, poniżej temperatury ciała, w celu łatwiejszego wprowadzenia, a po ogrzaniu do temperatury ciała miękną, zapewniając pacjentowi odpowiedni komfort.Another beneficial application is for catheters, which should be stiff below body temperature for easier insertion and soften when warmed to body temperature, providing adequate patient comfort.
Kompozycje polimerów mogą być również łączone z wypełnieniami, materiałami wzmacniającymi, materiałami radioobrazującymi, zaróbkami lub innymi materiałami według potrzeby poszczególnego zastosowania wszczepowego. Przykłady wypełnień obejmują metafosforan wapniowo-sodowy, który jest opisany w patencie USA nr 5,108,755. Osoby wykwalifikowane w tej dziedzinie mogą łatwo ustalić odpowiednią ilość tych materiałów do włączenia w kompozycję.The polymer compositions may also be combined with fillers, reinforcing materials, radioimaging materials, excipients, or other materials as needed for the particular implant application. Examples of fillers include calcium sodium metaphosphate, which is described in U.S. Patent No. 5,108,755. Those skilled in the art can readily determine the appropriate amount of these materials to include in the composition.
Artykuły mogą mieć włączone różne środki terapeutyczne i/lub diagnostyczne, jak opisano powyżej.Articles may incorporate various therapeutic and/or diagnostic measures as described above.
2. Zastosowania niemedyczne2. Non-medical applications
Istnieją liczne zastosowania dla kompozycji polimerowych z pamięcią kształtu inne niż zastosowania biomedyczne.There are numerous applications for shape memory polymer compositions other than biomedical applications.
Przykłady zastosowań typu niemedycznego dla polimerów podlegających degradacji biologicznej obejmują pozycje dla których problemem jest usuwanie, takie jak podlegające likwidacji pieluszki i podpaski oraz materiały opakowaniowe.Examples of non-medical applications for biodegradable polymers include items for which disposal is a concern, such as disposable diapers and sanitary napkins, and packaging materials.
3. Powłoki z kontrolowaną degradacją3. Coatings with controlled degradation
Polimery z pamięcią kształtu mogą być zaprojektowane tak aby szybkość degradacji była zmienna. Na przykład, w jednym wykonaniu polimer podlegający degradacji hydrolitycznej może być wybiórczo chroniony przez nałożenie hydrofobowej powłoki SMP aby czasowo zapobiegała przedostawaniu się wody do hydrolitycznie rozszczepialnych wiązań masy polimerowej. Cecha ochronna powłoki może być potem modyfikowana według życzenia przez przyłożenie bodźca zewnętrznego takiego, że własności dyfuzyjne powłoki są zmieniane pozwalając wodzie i innym roztworom wodnym na przenikanie przez powłokę i rozpoczęcie procesu degradacji. Jeśli szybkość hydrolizy jest względnie wysoka w porównaniu z szybkością dyfuzji wody, wówczas szybkość dyfuzji wody przez powłokę determinuje szybkość degradacji. W innym wykonaniu, powłoka hydrofobowa składająca z się gęsto związanych poprzecznie segmentów miękkich może być stosowana jako bariera dyfuzyjna dla wody lub roztworów wodnych. Segmenty miękkie powinny być co najmniej częściowo związane poprzecznie wiązaniami które mogą być rozszczepiane przez przyłożenie bodźca. Szybkość dyfuzji wody może być zwiększona przez obniżenie gęstości wiązania poprzecznego.Shape memory polymers can be designed to have variable degradation rates. For example, in one embodiment, a hydrolytically degradable polymer can be selectively protected by applying a hydrophobic SMP coating to temporarily prevent water from reaching the hydrolytically cleavable bonds in the polymer mass. The protective feature of the coating can then be modified as desired by applying an external stimulus such that the diffusion properties of the coating are altered, allowing water and other aqueous solutions to penetrate the coating and initiate the degradation process. If the hydrolysis rate is relatively high compared to the water diffusion rate, then the rate of water diffusion through the coating determines the degradation rate. In another embodiment, a hydrophobic coating composed of densely cross-linked soft segments can be used as a diffusion barrier for water or aqueous solutions. The soft segments should be at least partially cross-linked by bonds that can be cleaved by the application of a stimulus. The rate of water diffusion can be increased by lowering the cross-link density.
VII. Sposoby stosowaniaVII. Methods of use
Pewne artykuły wytwarzane są przewidziane do utrzymania ich zamierzonego kształtu o ile nie działają w sposób niezgodny z ich normalnym stosowaniem. Na przykład, zderzak samochodowy utrzyma swój zamierzony kształt dopóki nie zostanie uderzony. Te artykuły wytwarzane mają być stosowane w swym zamierzonym kształcie i naprawione, na przykład przez przyłożenie ciepła, skoro zostaną uszkodzone.Certain manufactured articles are designed to maintain their intended shape unless they function in a manner inconsistent with their normal use. For example, a car bumper will maintain its intended shape unless impacted. These manufactured articles are intended to be used in their intended shape and repaired, for example, by applying heat, if damaged.
Inne artykuły wytwarzane są zaprojektowane do stosowania takiego, że pierwszy kształt jest przewidziany do stosowania pierwotnego, a drugi kształt jest przewidziany do następnego stosowania. Przykłady tych artykułów obejmują urządzenia biomedyczne, które mogą tworzyć drugi kształt po osiągnięciu temperatury ciała lub po przyłożeniu bodźca zewnętrznego, który ogrzeje urządzenie powyżej temperatury ciała.Other manufactured articles are designed for use in such a way that a first shape is intended for initial use and a second shape is intended for subsequent use. Examples of these articles include biomedical devices that can form a second shape upon reaching body temperature or upon the application of an external stimulus that heats the device above body temperature.
Jeszcze inne artykuły wytwarzane są zaprojektowane do stosowania takiego, że ich kształt zmienia się w reakcji na lub regulacji według zmian temperatury, tak jak czujniki termiczne w urządzeniach medycznych.Still other manufactured articles are designed to be used such that their shape changes in response to or adjusts according to changes in temperature, such as thermal sensors in medical devices.
Wynalazek niniejszy będzie lepiej zrozumiany dzięki następującym nie ograniczającym przykładom.The present invention will be better understood by the following non-limiting examples.
P r z y k ł a d 1: Kopoliestrouretanowe polimery z pamięcią kształtuExample 1: Copolyesterurethane shape memory polymers
Zsyntezowana została grupa zgodnych biologicznie i podlegających degradacji biologicznej kopolimerów wieloblokowych wykazujących termiczny efekt pamięci kształtu. Polimery te były złożone z krystalizowalnego segmentu twardego (Tm) i segmentu miękkiego mającego termiczną temperaturę przemiany Ttrans pomiędzy temperaturą pokojową a temperaturą ciała. W przeciwieństwie do poliuretanów segmentowych stanu techniki, segment twardy był oligoestrem lub oligoeteroestrem i nie zawierał składnika aromatycznego.A group of biocompatible and biodegradable multiblock copolymers exhibiting a thermal shape memory effect were synthesized. These polymers were composed of a crystallizable hard segment (Tm) and a soft segment with a thermal transition temperature Ttrans between room temperature and body temperature. Unlike prior art segmented polyurethanes, the hard segment was an oligoester or oligoetherester and did not contain an aromatic component.
PL 193 700 B1PL 193 700 B1
Mechanizm programowania kształtu tymczasowego i odzyskiwania kształtu stałego kopolimeru wieloblokowego jest pokazany na fig. 6. Kształt stały materiałów był ustalony przez stopienie polimeru i ochłodzenie powyż ej Ttrans (fig. 6 poz. górna). Następnie polimer był uformowany do swojego kształtu tymczasowego (fig. 6 poz. prawa), który był ustalony przez ochłodzenie poniżej Ttrans (fig. 6 poz.The mechanism of temporary shape programming and permanent shape recovery of the multiblock copolymer is shown in Fig. 6. The permanent shape of the materials was set by melting the polymer and cooling above Ttrans (Fig. 6, top). The polymer was then formed into its temporary shape (Fig. 6, right), which was set by cooling below Ttrans (Fig. 6, bottom).
dolna). Po odciążeniu kształt stały był odzyskiwany przez ogrzanie powyżej Ttrans.lower). After unloading, the solid shape was recovered by heating above Ttrans.
Synteza telechelików, oligomerów z grupami funkcyjnymi na obydwu końcachSynthesis of telechelics, oligomers with functional groups at both ends
Makrodiol telechelikowy był syntezowany przez polimeryzację z otwarciem pierścienia monomerów cyklicznych z dwu(n-butyl)tlenkiem cyny jako katalizatorem transestryfikacji w atmosferze N2.The telechelic macrodiol was synthesized by ring-opening polymerization of cyclic monomers with di(n-butyl)tin oxide as a transesterification catalyst in a N2 atmosphere.
Segment twardy a,<O-dwuhydroksy[oligo(glikolan glikolu etylenowego)etylen oligo(glikolan glikolu etylenowego)]-(PDS1200 i PDS1300) był przygotowany jak następuje. Monomer p-dioksan-2-jeden był uzyskany przez destylację (depolimeryzację termiczną) oligomeru przed zastosowaniem. 57 g (0,63 mol) monomeru, 0,673 g (10,9 mmol) glikolu etylenowego i 0,192 g (0,773 mmol) dwu(n-butyl)tlenku cyny było ogrzane do 80°C przez 24 h. Koniec reakcji (równowaga) był określony przez GPC. Produkt był rozpuszczony w gorącym 1,2-dwuchloroetanie i filtrowany na gorąco przez lejek Buechnera wypełniony żelem krzemionkowym.The hard segment α,β-dihydroxy[oligo(ethylene glycol glycolate)ethylene oligo(ethylene glycol glycolate)]-(PDS1200 and PDS1300) was prepared as follows. The p-dioxane-2-one monomer was obtained by distillation (thermal depolymerization) of the oligomer before use. 57 g (0.63 mol) of the monomer, 0.673 g (10.9 mmol) of ethylene glycol, and 0.192 g (0.773 mmol) of di(n-butyl)tin oxide were heated to 80°C for 24 h. The end of the reaction (equilibrium) was determined by GPC. The product was dissolved in hot 1,2-dichloroethane and hot filtered through a Buechner funnel packed with silica gel.
Produkt był uzyskany przez wytrącanie w heksanach i suszony w próżni przez 6 h.The product was obtained by precipitation in hexanes and dried in vacuum for 6 h.
Segment miękkiSoft segment
i. Krystalicznyi. Crystalline
Polife-kaprolakton)diole z różną Mn są dostępne w handlu, na przykład z Aldrich i Polisciences. Tutaj był stosowany PCL-2000.Poly(propylene-caprolactone)diols with various Mn are commercially available, for example, from Aldrich and Polisciences. Here, PCL-2000 was used.
ii. Bezpostaciowy a,<O-dwuhydroksy[oligo(L-laktan-ko-glikolan)etylen oligo(L-laktan-ko-glikolan)-(skrót: PLGA2000-15) był przygotowany jak następuje. W 1000 ml dwuszyjkowej okrągłej na dnie kolbie, 300 g (2,08 mol) L,L-dwulaktydu, 45 g (0,34 mol) dwuglikolidu i 4,94 g (0,80 mol) glikolu etylenowego było ogrzane do stopienia w 40°C i mieszane. 0,614 g (2,5 mmol) dwu(n-butyl)tlenku cyny było dodane. Po 7 h reakcja osiągnęła równowagę jak określono przez GPC. Mieszanina reakcji była rozpuszczona w 1,2-dwuchloroetanie i oczyszczona w kolumnie z żelem krzemionkowym. Produkt był uzyskany przez wytrącanie w heksanach i suszony w próżni przez 6 h.ii. Amorphous α,β-O-dihydroxy[oligo(L-lactane-co-glycolate)ethylene oligo(L-lactane-co-glycolate)-(abbreviation: PLGA2000-15) was prepared as follows. In a 1000 ml two-necked round-bottom flask, 300 g (2.08 mol) L,L-dilactide, 45 g (0.34 mol) diglycolide, and 4.94 g (0.80 mol) ethylene glycol were heated to melt at 40°C and stirred. 0.614 g (2.5 mmol) tin di(n-butyl)oxide was added. After 7 h, the reaction reached equilibrium as determined by GPC. The reaction mixture was dissolved in 1,2-dichloroethane and purified on a silica gel column. The product was obtained by precipitation in hexanes and dried in vacuum for 6 h.
Własności telechelikówProperties of telechelics
Masa molekularna Mn i własności termiczne makrodioli były określone jak pokazano w tabeli 1 poniżej.The molecular weight Mn and thermal properties of the macrodiols were determined as shown in Table 1 below.
T a b e l a 1:T a b l e 1:
Masa molekularna i własności termiczne makrodioliMolecular mass and thermal properties of macrodiols
Synteza elastomerów termoplastycznych (kopolimer wieloblokowy)Synthesis of thermoplastic elastomers (multiblock copolymer)
W 100 ml dwuszyjkowej kolbie o okrągłym dnie połączonej z ekstraktorem Soxhleta wypełnionym sitem molekularnym 0,4 nm, dwa różne makrodiole (jeden segment twardy i jeden segment miękki), jak opisano w tablicy 2 poniżej, były rozpuszczone w 80 ml 1,2-dwuchloroetanu. Mieszanina przepływała ponownie dla osuszenia przez ekstrahowanie azeotropowe z rozpuszczalnika. Dodany był strzykawką świeżo przedestylowany trójmetyloheksan-1,6-dwuizocyjanian i mieszanina reakcyjna była ogrzana do 80°C przez co najmniej 10 dni. W regularnych odstępach czasu próbki mieszaniny były pobierane dla określenia masy molekularnej polimeru przez GPC. Na końcu reakcji produkt był uzyskany przez wytrącanie polimeru w heksanach i oczyszczenie przez ponowne rozpuszczenie w 1,2-dwuchloroetanie i wytrącanie w heksanach.In a 100-ml two-necked round-bottomed flask connected to a Soxhlet extractor packed with 0.4-nm molecular sieves, two different macrodiols (one hard segment and one soft segment), as described in Table 2 below, were dissolved in 80 ml of 1,2-dichloroethane. The mixture was recirculated to dryness by azeotropic extraction from the solvent. Freshly distilled trimethylhexane-1,6-diisocyanate was added by syringe, and the reaction mixture was heated to 80°C for at least 10 days. At regular intervals, samples of the mixture were taken to determine the molecular weight of the polymer by GPC. At the end of the reaction, the product was obtained by precipitation of the polymer in hexanes and purified by redissolving it in 1,2-dichloroethane and precipitating it in hexanes.
Kopolimery wieloblokowe były przygotowane z następujących dwóch typów polimerów.Multiblock copolymers were prepared from the following two types of polymers.
PL 193 700 B1 (i) Polimery PDC zawierają polife-kaprolakton). Ttrans dla segmentu miękkiego jest temperaturą topnienia.PL 193 700 B1 (i) PDC polymers contain polyphenylene-caprolactone.) T trans for the soft segment is the melting point.
(ii) Polimery PDL zawierają a,ff>-dwuhydroksy[oligo(L,-laktan-co-glikolan) etylen oligo(Ł-laktan-co-glikolan). Ttrans dla segmentu miękkiego jest temperaturą zeszklenia.(ii) PDL polymers contain α, ff>-dihydroxy[oligo(L,-lactane-co-glycolate)ethylene oligo(L-lactane-co-glycolate). Ttrans for the soft segment is the glass transition temperature.
T a b e l a 2:T a b l e 2:
Synteza kopolimerów wieloblokowychSynthesis of multiblock copolymers
Własności elastomerów termoplastycznychProperties of thermoplastic elastomers
Własności fizyczne, mechaniczne i degradacji określone dla kompozycji są podane w tabelach 3-9 poniżej.The physical, mechanical and degradation properties determined for the compositions are given in Tables 3-9 below.
Zachowanie degradacyjne hydrolityczne nowych materiałów było badane w roztworze buforowym pH 7 przy 37°C. Wykazano że polimery są całkowicie degradowalne i szybkość ich degradacji może być regulowana przez stężenie łatwo hydrolizujących wiązań estrowych. Wartości utraty masy względnej mr = m(t0)/m(t) w % przy 37°C, a utrata względnej masy molekularnej Mr = Mw(t)/M(t0) w % przy 37°C.The hydrolytic degradation behavior of the new materials was studied in a pH 7 buffer solution at 37°C. It was shown that the polymers are completely degradable and their degradation rate can be controlled by the concentration of easily hydrolyzable ester bonds. The values of relative mass loss mr = m(t0)/m(t) in % at 37°C, and the relative molecular mass loss Mr = Mw(t)/M(t0) in % at 37°C.
Toksyczność dwóch różnych kopolimerów wieloblokowych była badana przy zastosowaniu testu jajek kurczakowych. Wykazano że naczynia krwionośne rozwijały się regularnie i próbki polimerowe nie wpływały na ich stan.The toxicity of two different multiblock copolymers was tested using the chicken egg test. It was shown that blood vessels developed regularly and were not affected by the polymer samples.
T a b e l a 3:T a b l e 3:
Kompozycja z uretanów kopoliestrowych określona spektroskopią-1H-NMR 400 MHzComposition of copolyester urethanes determined by 1 H-NMR spectroscopy at 400 MHz
* W zawartości uretanu jest różnica do 100%* There is a difference in urethane content of up to 100%
PL 193 700 B1PL 193 700 B1
T a b e l a 4:T a b l e 4:
Masa molekularna Mm filmów uretanowych kopoliestrowych określona multidetektorem-GPCMolecular mass Mm of urethane copolyester films determined by multidetector-GPC
T a b e l a 5:T a b l e 5:
Temperatury przemiany Tm i Tg, entalpie topnienia \HTI i zmiana w pojemności cieplnej Δcp filmu polimerowego z DSCTransition temperatures Tm and Tg, melting enthalpies \H TI and change in heat capacity Δcp of the polymer film from DSC
T a b e l a 6:T a b l e 6:
Własności mechaniczne filmów polimerowych przy 50°C z prób rozciąganiaMechanical properties of polymer films at 50°C from tensile tests
T a b e l a 7: Degradowalość PDL22T able 7: Degradability of PDL22
PL 193 700 B1PL 193 700 B1
T a b e l a 8: Degradowalność PDL23Table 8: Degradability of PDL23
T a b e l a 9: Utrata masy względnejTable 9: Relative mass loss
Własności pamięci kształtuShape memory properties
Fig 7 pokazuje wyniki prób rozciągania wykonanych na kopolimerach wieloblokowych jako funkcję cykli termolitycznych. Przeciętna szybkość ustalania kształtu polimerów traktowanych termocyklicznie i zależność szybkości usuwania odkształceń jako funkcja liczby cykli jest pokazana poniżej w tabelach 10 i 11, odpowiednio. Polimery mają wysokie ustalanie kształtu i stan równowagi był osiągany po zaledwie dwóch cyklach.Figure 7 shows the results of tensile tests performed on multiblock copolymers as a function of thermolytic cycles. The average rate of shape fixation of the thermocycled polymers and the dependence of the strain recovery rate as a function of the number of cycles are shown below in Tables 10 and 11, respectively. The polymers have high shape fixation and equilibrium was reached after only two cycles.
T a b e l a 10:T a b l e 10:
Przeciętna szybkość ustalania kształtu RfAverage shape-fixing speed Rf
T a b e l a 11:T a b l e 11:
Zależność liczby cykli od szybkości usuwania odkształceń RrDependence of the number of cycles on the strain removal rate Rr
P r z y k ł a d 2: Podlegający degradacji materiał termoutwardzalny z pamięcią kształtu z segmentem miękkim krystalizowalnymExample 2: Degradable shape memory thermoset with a crystallizable soft segment
Pewien zakres polife-kaprolakton)dwumetakrylanów i materiałów termoutwardzalnych był oceniany pod względem własności mechanicznych i pamięci kształtu.A range of poly(poly ...
PL 193 700 B1PL 193 700 B1
Synteza makromonomeruMacromonomer synthesis
Polife-kaprolakton)dwumetakrylany (PCLDMA) były przygotowane jak następuje. Do roztworu polife-kaprolakton)diolu z Mn = 2'000mol-1 (20,0 g, 10 mmol) i trójetylaminy (5,3 ml, 38 mmol) w 200 ml suchego THF, dodany był kroplami przy 0°C chlorek metakryloilu (3,7 ml, 38 mmol). Roztwór był mieszany przy 0°C przez 3 dni i wytrącana sól odfiltrowywana. Po skoncentrowaniu mieszaniny w temperaturze pokojowej pod zmniejszonym ciśnieniem, dodane było 200 ml octanu etylu i roztwór był ponownie filtrowany i wytrącany do dziesięciokrotnego nadmiaru mieszaniny heksanów, eteru etylowego i metanolu (18:1:1). Bezbarwne wytrącenie było gromadzone, rozpuszczane w 200 ml dwuchloroetanu, wytrącane ponownie i suszone starannie w temperaturze pokojowej pod zmniejszonym ciśnieniem.Poly(phenyl)caprolactone)dimethacrylates (PCLDMA) were prepared as follows. To a solution of poly(phenyl)caprolactone)diol with M n = 2'000mol -1 (20.0 g, 10 mmol) and triethylamine (5.3 ml, 38 mmol) in 200 ml of dry THF, methacryloyl chloride (3.7 ml, 38 mmol) was added dropwise at 0°C. The solution was stirred at 0°C for 3 days and the precipitated salt was filtered off. After concentrating the mixture at room temperature under reduced pressure, 200 ml of ethyl acetate was added and the solution was again filtered and precipitated into a tenfold excess of a mixture of hexanes, diethyl ether, and methanol (18:1:1). The colorless precipitate was collected, dissolved in 200 ml of dichloroethane, reprecipitated and dried carefully at room temperature under reduced pressure.
Synteza materiałów termoutwardzalnychSynthesis of thermosetting materials
Makromonomer (lub mieszanina monomerów) był ogrzany do 10°C powyżej jego temperatury topnienia (Tm) i umieszczony w formie utworzonej przez dwie płytki szklane (25 mm x 75 mm) i teflonowy element odległościowy o grubości 0,60 mm. Aby osiągnąć dobrą jednorodność, forma była przechowywana przy Tm przez dalszą godzinę. Fotoutwardzenie było dokonane na ogrzewanej płytce przy Tm przez 15 min. Odległość pomiędzy głowicą lampy grzejnej a próbką wynosiła 5,0 cm. Po ochłodzeniu do temperatury pokojowej, próbka była wydobyta i spęczniana 100-krotnym nadmiarem dwuchlorometanu przez noc i obmyta starannie. W końcu próbka była suszona w temperaturze pokojowej pod zmniejszonym ciśnieniem.The macromonomer (or monomer mixture) was heated to 10°C above its melting point (Tm) and placed in a mold formed by two glass plates (25 mm x 75 mm) and a 0.60 mm thick Teflon spacer. To achieve good homogeneity, the mold was kept at Tm for a further hour. Photocuring was performed on the heated plate at Tm for 15 min. The distance between the heating lamp head and the sample was 5.0 cm. After cooling to room temperature, the sample was extracted and swollen with a 100-fold excess of dichloromethane overnight and washed thoroughly. Finally, the sample was dried at room temperature under vacuum.
Własności makromonomerów i materiałów termoutwardzalnychProperties of macromonomers and thermosetting materials
Tabela 12 poniżej wykazuje polife-kaprolakton)dwumetakrylany które były przygotowane, a także odpowiedni stopień akrylacji (Da) (%). Liczba następująca po PCLDMA jest masą molekularną Mn polife-kaprolakton)diolu stosowanego w syntezie jak określono stosując 12H-NMR i GPC, zaokrągloną do 500.Table 12 below lists the poly(phenylene-caprolactone)dimethacrylates that were prepared, as well as the corresponding degree of acrylation (Da) (%). The number following PCLDMA is the molecular weight Mn of the poly(phenylene-caprolactone)diol used in the synthesis as determined using 12 H-NMR and GPC, rounded to the nearest 500.
T a b e l a 12:T a b l e 12:
Poli(s-kaprolakton)diol i stopień akrylacjiPoly(s-caprolactone)diol and degree of acrylation
Fig. 8 pokazuje temperaturę topnienia (Tm) dioli, dwumetakrylanów i materiałów termoutwardzalnych z polife-kaprolaktonu) jako funkcję masy molowej Mn makromonomerów. Na wykresie makrodiole są reprezentowane przez ----; makromonomery przez......., a materiały termoutwardzalne przez -▲Własności występujące przy rozciąganiu materiałów termoutwardzalnych z polife-kaprolaktonu) C1 do C7 w temperaturze pokojowej są pokazane poniżej w tabeli 13, gdzie E jest modułem sprężystości (modułem Younga), ε,; jest wydłużeniem a σ.; jest naprężeniem na granicy plastyczności, amax jest naprężeniem maksymalnym, επ3χ jest wydłużeniem przy σπ3χ, εκ jest wydłużeniem przy rozerwaniu a σβ jest naprężeniem przy rozerwaniu. Tabela 14 przedstawiona poniżej pokazuje własności przy rozciąganiu tych samych materiałów termoutwardzalnych z polife-kaprolaktonu) przy 70°C.Figure 8 shows the melting temperature (Tm) of diols, dimethacrylates, and poly(phenylene)caprolactone thermosets as a function of the molar mass Mn of the macromonomers. In the graph, macrodiols are represented by ----; macromonomers by......, and thermosets by -▲The tensile properties of poly(phenylene)caprolactone thermosets C1 to C7 at room temperature are shown below in Table 13, where E is the elastic modulus (Young's modulus), ε, ; is the elongation, and σ, is the stress at yield, a max is the maximum stress, επ3χ is the elongation at σπ3χ , εκ is the elongation at break, and σβ is the stress at break. Table 14 below shows the tensile properties of the same poly(polyphenyl)caprolactone thermosets at 70°C.
PL 193 700 B1PL 193 700 B1
T a b e l a 13:T a b l e 13:
Własności występujące przy rozciąganiu materiałów termoutwardzalnych w temperaturze pokojowejTensile properties of thermosetting materials at room temperature
T a b e l a 14:T a b l e 14:
Własności materiałów termoutwardzalnych przy rozciąganiu w 70°CTensile properties of thermosetting materials at 70°C
Własności pamięci kształtuShape memory properties
Ustalono że materiały termoutwardzalne mają mieć własności termomechaniczne wskazane w tabeli 15. Liczba przeciętnej masy molekularnej (Mn) dotyczy makromonomeru. Niższa temperatura graniczna, T1, wynosi 0°C, a wyższa temperatura graniczna, Th, wynosi 70°C. Rozciągnięcie kształtu tymczasowego wynosi 50%. Rr(2) jest stopniem regeneracji odkształcenia drugiego cyklu, Rr,tot jest całkowitym stopniem regeneracji odkształcenia po 2 cyklach, Rf jest przeciętnym stopniem ustalenia odkształcenia.Thermosetting materials were determined to have the thermomechanical properties shown in Table 15. The average molecular weight (Mn) refers to the macromonomer. The lower limiting temperature, T1, is 0°C, and the upper limiting temperature, Th, is 70°C. The extension of the temporary shape is 50%. Rr(2) is the strain recovery rate of the second cycle, Rr,tot is the total strain recovery rate after 2 cycles, and Rf is the average strain fixation rate.
T a b e l a 15:T a b l e 15:
Własności termomechaniczne materiałów termoutwardzalnychThermomechanical properties of thermosetting materials
Zastrzeżenia patentowePatent claims
Claims (19)
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US7552398P | 1998-02-23 | 1998-02-23 | |
| PCT/US1999/003977 WO1999042147A1 (en) | 1998-02-23 | 1999-02-23 | Biodegradable shape memory polymers |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| PL342899A1 PL342899A1 (en) | 2001-07-16 |
| PL193700B1 true PL193700B1 (en) | 2007-03-30 |
Family
ID=37946170
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PL99342899A PL193700B1 (en) | 1998-02-23 | 1999-02-23 | Biodegradable shape memory polymers, and their use |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| PL (1) | PL193700B1 (en) |
-
1999
- 1999-02-23 PL PL99342899A patent/PL193700B1/en not_active IP Right Cessation
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| PL342899A1 (en) | 2001-07-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP1056487B1 (en) | Biodegradable shape memory polymers | |
| US6720402B2 (en) | Shape memory polymers | |
| CA2410637C (en) | Shape memory polymers seeded with dissociated cells for tissue engineering | |
| US8834522B2 (en) | Biodegradable shape memory polymeric sutures | |
| AU2003204827B2 (en) | Shape memory polymers | |
| PL193700B1 (en) | Biodegradable shape memory polymers, and their use | |
| CZ20003071A3 (en) | Shape memory polymers | |
| Lendlein | Tailor-made intelligent polymers for biomedical applications |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| RECP | Rectifications of patent specification | ||
| LAPS | Decisions on the lapse of the protection rights |
Effective date: 20120223 |