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
- composition according
- segment
- 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)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Public Health (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- Epidemiology (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Transplantation (AREA)
- Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Dermatology (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.Degradable shape memory polymer composition characterized in that it comprises at least one hard segment whose transition temperature Ttrans is in the range from - 40 to 270 ° C, and at least one segment associated with at least one hard segment soft, the transformation temperature of which Ttrans is at least 10 ° C lower than the transformation temperature The Ttrans of the hard segment (s), and further 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 bond degradable. 19. Use of the degradable shape memory polymer composition according to claim 1 for the production of technical, pharmaceutical, biomedical and cosmetic articles and equipment and care products, such as, for example, capsules, surgical threads, orthodontic materials, rails, rods, screws, nails and plates used in bone surgery, tissue engineering scaffolds, films, drainage tubes, catheters, prostheses, transplants and implants, contact lenses, pumps and meshes, dosing devices light gauges and thermal sensors, diapers, sanitary napkins and packaging, contrast agents, used, among others, in tomographic, resonance and x-ray examinations.
Description
Opis wynalazkuDescription of the invention
Przedmiot wynalazkuObject 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 present invention relates to a shape memory degradable polymer composition. Furthermore, the invention relates to the use of a degradable polymer composition with a shape memory, in particular for the production of technical, pharmaceutical, biomedical, cosmetic and beauty articles 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 remember its original shape after mechanical deformation, which is a unidirectional effect, or after thermal deformation due to cooling and heating, which is a two-way effect. This phenomenon is based on the transformation of the structural phase.
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 with the above-mentioned properties were shape memory metal alloys (SMA), including TiNi (Nitinol), CuZnAl and FeNiAl alloys. The transformation of the structural phase of these materials is referred to as the martensitic transformation. These materials are used in a variety of applications including vascular drainage tubes, medical guide tubes, orthodontic wires, vibration dampers, tubular connectors, electrical connectors, thermostats, actuating members, spectacle frames, and bra wires. However, it should be noted that the use of the above-mentioned alloys is limited, especially due to their high price.
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 used to replace or complement the use of SMA, in part because these polymers are lighter in weight, have much higher shape recoverability, are easy to handle, and 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 point or glass transition temperature of the soft segment is significantly lower than the melting point 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 remembered by cooling the SMP below the melting point or glass transition temperature of the hard segment. When the shaped SMP is cooled to below the melting point or glass transition temperature of the soft segment during which the shape is deformed, the (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 to establish a temporary shape, the material is deformed at a temperature lower than the melting point or glass transition temperature of the soft segment, resulting in stress and deformation being absorbed by the soft segment. When the 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, stresses and strains are relieved and the material returns to its original shape. The recovery of the original shape, which is caused by the increase in temperature, is called the thermal shape memory effect. The properties that describe the shape memory capacity of a material are the shape recovery of the original shape and the shape setting of the 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 of the physical properties of SMP, other than shape memory, are significantly altered in response to external changes in temperature and stress, particularly with 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 modulus of elasticity (ratio of body stress to corresponding strain) of the SMP can vary by a factor of up to 200 when heated above the melting point or glass transition temperature of the soft segment. Also, the hardness of the material changes dramatically when the soft segment is at or above its 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
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 that of a conventional rubber product. The material can easily regain its original shaped shape after numerous thermal cycles and can be heated above the melting point of the hard segment and be altered in shape and have a new original shape established upon cooling.
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 generally segmented polyurethanes and have hard segments containing aromatic specific portions. For example, US Patent No. 5,145,935 to Hayashi discloses a shape memory article formed of 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 the known SMPs include various polyethers, polyacrylates, polyamides, polysiloxanes, polyurethanes, polyether amides, polyurethane / ureas, polyether esters and urethane / butadiene copolymers. See, for example, US 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 Internationa 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.While these polymers have been proposed for a number of applications, their medical uses 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 of biodegradable shape memory polymers are obvious, for example, in making diapers and sanitary napkins or medical surgical liners, or in food packaging or other materials wherever disposal measures are indicated. It is not obvious from the characteristics of known commercially available polyurethane materials that biodegradable materials can be incorporated into the shape memory polymer and retain the structural and other physico-chemical properties that are characteristic of shape memory polymers and their applications. . Moreover, the components of the known shape memory polyurethane 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.In view of the above, it was an object of the invention to develop and implement biodegradable shape memory polymers.
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 physico-chemical and structural properties as compared to the prior 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 consists in the fact that the polymer composition comprises at least one hard segment, the transformation temperature of which Ttrans is in the range of -40 to 270 ° C, and at least one soft segment associated with at least one hard segment, the transformation temperature Ttrans is at least 10 ° C lower than the transformation temperature Ttrans of the hard segment (s), in addition, 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 degradation.
Korzystnym jest gdy kompozycja zawiera polimery z pamięcią kształtu, które podlegają oddziaływaniu bodźców zewnętrznych, zwłaszcza temperatury lub światła.It is preferred that the composition comprises shape memory polymers that are exposed to 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 if 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).It is furthermore preferred that the transformation temperature Ttrans of the soft segment (s) is at least 20 ° C lower than the transformation 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 if at least one of the hard and soft segments is a thermoplastic polymer.
Ponadto korzystnym jest gdy w segmencie twardym występują części cykliczne.Moreover, it is advantageous if cyclic parts are present 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 preferred that the weight ratio of the hard and soft segments is in the range 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 preferred that the shape memory polymer belongs to the group consisting of graft, 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 if the degradable region of the polymer belongs to the group consisting of polyhydric acids, ether polyesters, polyorthoesters, polyamino acids.
PL 193 700 B1 sów, syntetycznych poliaminokwasów, polibezwodników, poliwęglanów, polihydroksyalkanoanów, i polife-kaprolaktonów).Words, synthetic polyamino acids, polyanhydrides, polycarbonates, polyhydroxyalkanoates, and polyphaprolactones).
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 preferred that the polymer contains a biodegradable bond which 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 if the composition comprises 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 crystallizing soft segment having a cross-linked covalent structure having a melting point Tm ranging from 250 ° C to (-) 40 ° C, preferably from 200 ° C to 0 ° C. ° C, or a cross-linked covalent soft segment having a transition temperature Ttrans ranging 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 if the composition comprises at least two segments:
a) segment pierwszy, którego temperatura przemiany Ttrans jest zawarta w przedziale od -40 do 270°C,a) the first segment, the transformation temperature of which 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 which is associated with at least one first segment and which is an ionic interaction of sufficient strength that the second segment is capable of forming a physical cross-link other than at the melting or glass transition temperature, at least one of the segments having a melting point. the biodegradable region or at least one of the first segments is bound to at least one of the second segments through 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 preferred that the ionic interaction is polyelectolytic segments, or polyelectolytic 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 if the polymer has an inverse temperature effect whereby the shape of the composition is recovered 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 furthermore 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 preferred that the composition comprises a polymer set belonging to the group consisting of physical polymer mixtures, polymer sets containing hard segments with different transformation temperatures Ttrans and soft segments with the same transformation temperature Ttrans, sets of multi-block copolymers in which at least one of the first copolymer segments it is miscible with at least one of the segments of the second copolymer, and sets 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 preferred that the composition includes a coating that modifies 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, scaffolding for tissue engineering, films, drainage tubes, catheters, prostheses, transplants and implants, contact lenses, pumps and meshes, light dosing devices, indicators and thermal sensors, diapers, sanitary napkins and packaging, contrast agents, used, inter alia, in tomography, resonance and X-rays.
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 above biocompatible polymer compositions contain one or more hard segments and one or more soft segments, wherein at least one polymer contained therein or at least one segment bond 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.In contrast, shape memory polymers 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 networks that interpenetrate - wholly or partially.
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 (melting point or glass transition point), the hard and soft segments can undergo solid to solid changes, they can also be subject to 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 the shape memory polymer composition by, for example, injection molding, blowing, extrusion, and laser removal. To prepare a memory shaped article, the product may be formed 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.Of the hard segment and cooled to a temperature below the Ttrans of the soft segment. The original shape can be restored by heating the article 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 preforming macromoners, for example by extrusion, and setting the original shape at a temperature above the Ttrans of the thermosetting polymer, for example by photo-curing 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 a one-way shape memory effect;
Fig. 2 jest ilustracją efektu dwukierunkowej (termicznej) pamięci kształtu;Fig. 2 is an illustration of a two-way (thermal) shape memory effect;
Fig. 3 jest ilustracją kombinacji odpowiednich klas materiałów termoplastycznych;Fig. 3 is an illustration of a combination of suitable 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 crosslinking;
Fig. 5 jest ilustracją fotowywołanego efektu pamięci kształtu.Fig. 5 is an illustration of a photo evoked shape memory effect.
Fig. 6 jest ilustracją mechanizmu efektu termicznej pamięci kształtu dla kopolimeru wieloblokowego.Fig. 6 is an illustration of a thermal shape memory effect mechanism 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 shape memory polymer of a multiblock copolymer.
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 polyphaprolactone thermosetting materials as a function of the molar mass of M n 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 degraded by mechanical degradation upon interaction with the physiological environment on parts that are metabolized or secreted for a period ranging from minutes to three. years, preferably less than one year, while the necessary structural integrity is maintained. As used herein with respect to polymers, the term "to degrade" refers to the cleavage of the polymer chain such that the molecular weight remains approximately constant at the oligomeric level and the polymer particles remaining after degradation. The term "to degrade completely" refers to the cleavage of the polymer at the molecular level such that there is substantially complete weight loss. The term "to 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 Ttrans of the soft segment) even if the originally formed shape of the polymer is mechanically damaged at a temperature lower than the shape recovery temperature or if the remembered shape is recovered by applying a different 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 the shape memory portion of the 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 that refer to the Ttrans of 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 include at least one hard segment and at least one soft segment, or may include at least one type of soft segment, one type of soft segment being cross-bonded 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 can be linear oligomers or polymers and can 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 interaction between the hard segments can be based on charge transfer complexes, hydrogen bonding, or other interactions, since certain segments have a melting point higher than the degradation temperature. In these cases, there is no melting point or glass transition point for the segment. A non-thermal mechanism, such as a solvent, is required to alter segment binding.
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 approximately 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 / formed into a desired shape above the Ttrans of the hard segment (s) and cooled to a temperature below the shape recovery temperature where the polymer may undergo mechanical deformation and deformations are generated in the polymer. The original shape of deformed polymers can be recovered by heating them to a temperature higher than their shape recovery temperature. Above this temperature, strains in the polymer are relaxed, allowing the polymer to return to its original shape. In contrast, shape memory thermosetting materials are shaped / molded into a desired shape before the macromonomers used to form the thermosetting polymers are polymerized. The macromonomers are polymerized after setting the shape.
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, deformation being set by the application of a stimulus such as heat, light, ultrasound, magnetic fields, or electric fields. In some embodiments, the materials exhibit a recovery ratio of 98% (compare 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 considerable stress is applied, resulting in forced mechanical deformation at a temperature lower than the shape recovery temperature, the deformation is retained in the soft segments or amorphous regions and a large change in shape is maintained even after the stress is partially relieved by polymer elasticity. If the molecular chain configuration is disturbed by the effect of the regulated ordering of the molecular chains at a temperature lower than the glass transition temperature, the molecular chain reordering is assumed to occur by increasing the volume size and reducing the free volume content. The original shape is recovered by shrinking the hard segment aggregates by raising the temperature according to stringent chain conformation control and the polymer shape is restored to the remembered 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 the changes from solid to liquid (melting point or glass transition temperature), the hard and soft segments may undergo solid to solid transformation and may be subject to ionic interactions involving polyelectrolytic segments or supermolecular effects based on highly organized hydrogen bonds. SMP can undergo solid-state transformations (e.g. change in morphology). Solid to solid conversions are well known to those skilled in the art, for example, as in poly (styrene-butadiene block).
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 to the structure of an object formed using shape memory polymers can take place. If the objects are three-dimensional, the shape changes can be two-dimensional. If the objects are essentially two-dimensional objects, such as fibers, then the shape variations 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 varied, especially when the polymer is formed into a thin film (ie, less than about 10 µm). Certain polymer compositions, in their original shape, have sufficient permeability such that the water vapor molecules can be transmitted through the polymer film, while the 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 in relation to certain embodiments, the changes in shape can be induced by exposure to light or an agent such as an ion that changes the 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 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 at least one segment is amorphous) or melting point (s) (if at least one segment is crystalline), which in turn is based on the desired applications, taking into account the environment application. Preferably, the average molecular weight number of the polymer segment is greater than 400, and preferably ranges 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 softens and deforms can be controlled by changing the monomer composition and the type of monomer, allowing 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 the 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.The polymers can be thermosetting or thermoplastic polymers, although thermoplastic polymers may be preferred for their ease of molding.
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 modulus of elasticity above and below Ttrans is 20 or more. The higher the 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 can be natural or synthetic, although synthetic polymers are preferred. The polymer segments may or may not be 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 mass erosion, or combinations thereof. The non-biodegradable polymers used in medical applications preferably do not include aromatic groups other than those present in the 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 polyaluronic acid, as well as chitin, poly (3-hydroxyalkanoate). ) y, especially poly (e-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, e.g., alkyl, alkylene, hydroxylations, oxidations, and other modifications routinely performed by those skilled in the art. in this field) and proteins such as albumin, zein, copolymers and combinations 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, poly (amino acid (s)), synthetic poly (amino acids), polyanhydrides, polycarbonates, polyacrylates, polyalkylenes, polyacrylamides, polyalkylene glycols, polyalkylene oxides , polyorthoesters, polyvinyl ethers, polyvinylesters, polyvinyl halides, polyvinylpyrrolidone, polyesters, polylactides, polyglycolides, polysiloxanes, polyurethanes and their copolymers.
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, sodium carboxymethyl cellulose and cellulose tri cellulose. 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 polyhydric acids such as polylactides, polyglycolides, and copolymers thereof; poly (ethylene terephthalate); poly (hydroxybutyric acid); poly (hydroxyvaleric acid); poly [lactide-co-feta-caprolactone)]; poly [glycolide- (ε-caprolactone)]; polycarbonates, poly (pseudoamino acids); poly (amino acids); poly (hydroxyalkanoate) y; polyanhydrides; polyorthoesters and their kits and copolymers.
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) y, polyanhydrides and pliorthoesters, which have carboxyl groups exposed to the exterior surface when the smooth surface of the polymer erodes, may also be used. Moreover, polymers containing labile bonds such as polyanhydrides and polyesters are well known for their hydrolytic reactivity. Their rates of hydrolytic degradation can essentially be altered by simple changes to 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 preferred 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 can find particular utility in the field of computing as they are better able to absorb heat without increasing temperature than SMA. Conductive shape memory polymers are useful in the field of tissue engineering for promoting the growth of tissue, e.g., nervous 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 crosslinked to polyvalent ions or polymers. Ionic crosslinks between soft segments can be used to maintain a structure that, when deformed, can be reformed by breaking the ionic crosslinks between soft segments. The polymer may also be in the form of a gel in solvents other than water or in aqueous solutions. In these polymers, the temporary shape can be set by the hydrophilic interaction 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 copolymers and kits thereof. Some polymer segments, for example acrylic acid, are elastomeric only when the polymer is hydrated and hydrogels are formed. Other polymer segments, e.g., 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 the 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 substantially 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 show no sudden change in mechanical properties when heated. 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 gels 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, for example poly (ethylene oxide-propylene co-oxide) (PLURONICS ™), are water-soluble at temperatures lower than body temperature and become hydrogels at temperatures higher than body temperature. Incorporating these polymers as segments into shape memory polymers enables shape memory polymers to respond to temperature changes in a manner contrary to conventional shape memory polymers. These materials regain their shape when cooled below their shape recovery temperature rather than being heated above their shape recovery temperature. This effect is called the inverse thermal shape memory effect. Shape memory polymer compositions including these polymer segments are useful in a variety of biomedical applications where the polymer may be inserted as a liquid and cooled to recover its intended shape on site. The inverse thermal shape memory effect can be obtained by including in the polymer two different segments which are miscible at temperatures lower than the Tmisc (Tmisc) but are 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.The 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, the polymers can be synthesized from monomers obtained from commercial sources using standard techniques.
PL 193 700 B1PL 193 700 B1
II. Montaż segmentów polimeruII. Installation 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, at least one of the segments being biodegradable or at least one of the segments being linked to another segment by a biodegradable bond. Representative biodegradable linkages include ester, amide, anhydride, carbonate, or ortho ester 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. With regard to thermoplastic elastomers, the original shape of the object is determined by the physical crosslinks caused by the hard segment. With regard to thermosetting polymers, the soft segments are covalently cross-linked instead of having hard segments. The original shape is set by a transverse linkage 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 prior art segmented polyurethane SMPs, the segments of the compositions described herein need not be linear. The segments may be partially grafted or attached to the 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 can be in the form of linear two-block, tri-block, four-block or multi-block polymers, branched or grafted polymers, thermoplastic elastomers that contain dendritic structures, and combinations thereof. Fig. 3 illustrates some combinations of the respective classes of thermoplastic materials to form hard and soft segments. The shape memory thermoplastic polymer composition may also be a batch of one or more homo or co-polymers with one or more diblock, triblock, fourblock 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 with at least one soft segment being degraded or different soft segments. they are connected by cleavable bonds. There are four different types of thermosetting polymers that have shape memory capability. These include polymer networks, 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.The polymer network is prepared by a covalent crosslink of macromonomers, i.e. polymers that contain polymerizable end groups such as carbon-carbon double bonds. The polymerization process can be triggered by the use of light or heat sensitive initiators or by curing with ultraviolet light without an initiator. The 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 recommended for medical applications, the crosslinking is accomplished using a transverse linkage and does not require any chemical initiator. The photo crosslink advantageously eliminates the need for initiator molecules which may be toxic. Fig. 4 is a reaction sequence diagram for the synthesis of a preferred cross photo linkage which produces a total reaction yield of about 65%.
ii. Sieci przenikające się wzajemnieii. Intertwining 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.Intersecting Networks ("IPNs") are defined as networks where the two components are cross-linked but not related to each other. The original 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 both networks.
iii. Mieszane sieci przenikające się wzajemnieiii. Mixed networks interpenetrating 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 ALS comprises at least one physically cross-linked polymer network (thermoplastic polymer) and at least one covalently cross-linked polymer network (thermosetting polymer), which cannot be separated by any physical means. The original shape is fixed by a covalently cross-linked lattice. The temporary shapes correspond to the Ttrans of the soft segments and the Ttrans 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.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. Mutually 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.Interconnecting 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), and the components cannot be separated by methods. physical. The 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 comprises between about 10 and 90% by weight of the interpenetration 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 kit is a kit 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 interacting or blending 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 they can be assembled 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 hard segment copolymer with a relatively high Ttrans and a soft segment with a relatively low Ttrans may be blended or blended with a second multiblock copolymer with a hard segment with a relatively low Ttans and the same soft segment as the first multiblock copolymer. The soft segments in both multi-block copolymers are identical, so the polymers are miscible with one another when the soft segments are melted. There are three transition temperatures in the resulting set, that of the first hard segment, that of the second hard segment, and that of the soft segment. Accordingly, the materials are capable of remembering two different shapes. The mechanical properties of these polymers can be controlled by varying 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 batch of at least two multi-block copolymers can be prepared in which at least one of the segments is mixed with at least one of the segments of the other multi-block copolymers. If two different segments are miscible and constitute one domain together, then the thermal transition of that domain depends on the weight content of the two segments. The maximum number of shapes saved is derived from the number of thermal transitions in 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 kits may have better shape memory capabilities than the kit components alone. Shape memory blends are composed of at least one multi-block copolymer and at least one homo- or copolymer. In principle, two-, three- or four-block copolymers can be used in place of the multi-block 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 blends are highly useful in industrial applications because a wide range of mechanical, thermal and shape memory capabilities can be obtained from only two or three primary polymers by blending them at different weight ratios. A twin screw extruder is an example of standard process equipment that can be used to mix ingredients and process the batch.
III. Sposoby wykonania SMPIII. Ways of making 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 show the experimental procedures for the preparation of SMP.
IV. Sposoby kształtowania kompozycji SMPIV. Ways 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 according to suitable conditions, for example at a temperature above the Ttrans of the hard segment (s), and cooled below the Ttrans of the soft segment (s). Standard techniques are extrusion and injection molding. Optionally, the item may be remoulded into a second shape. Under the influence of heat or some other appropriate set of factors, the object 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 the pre-polymerized material (macromonomers) and setting the original shape at a temperature above the Ttrans of the thermosetting polymer, for example by photo-curing reactive groups on the monomer.
Kształt tymczasowy jest ustalany przez chłodzenie materiału poniżej Ttrans po deformacji materiału.The temporary shape is fixed by cooling the material below Ttrans after deforming the material.
Fig. ilustruje foto-wywołany efekt pamięci kształtu.The 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.The crosslinking can also be performed in a macromonomer solution, with the solvent being removed from the gel formed in the next 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 removal, micromachining, machining, hot wire and CAD / CAM (computer aided design / manufacturing) processes. These processes are recommended for the shaping of thermosetting 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 wide variety of therapeutic, prophylactic, and diagnostic agents can be incorporated within the polymer compositions that can deliver the incorporated agents locally or systemically when administered 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 effects.
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, anti-sensory molecules that bind to complementary DNA to suppress transcription, ribozymes, and ribozyme guide sequences. Due to the variety of biological activities, we can distinguish active vascular agents, neuroactive agents, hormones, growth factors, cytokines, anesthetics, steroids, anticoagulants, anti-inflammatory agents, immunomodulating agents, cytotoxic agents, prophylactic agents, antibiotics, antiviral agents, antisensory agents, antigens and antibodies. In some instances, the proteins may be antibodies or antigens that would otherwise need to be administered by injection to elicit an appropriate 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 the remaining 100 amino acids or more; peptides are residues of less than 100 amino acids. Unless otherwise stated, 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, can 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.Also mention may be made of commercially available imaging agents that can be used in positron emission tomography (PET), computer assisted tomography (CAT), computerized single-photon emission tomography, x-rays, fluoroscopy, magnetic resonance imaging (MRI) and ultrasound media.
VI. Artykuły, urządzenia i powłokiVI. Articles, devices and coatings
Kompozycje SMP mogą być także wykorzystywane w zastosowaniach biomedycznych i innych.The SMP compositions may also be used in biomedical and other applications.
1. Artykuły i urządzenia do zastosowań medycznych1. Articles and devices for medical use
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 are 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 indicators thermal.
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 of biocompatible polymers and, for most applications, biodegradable polymers, the rate of degradation may be controlled depending on the nature of the composition and the crosslinking of the polymer. 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 a variety of 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.The polymer compositions can also be molded to the shape of the 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 preferred use of the compositions is in the preparation of sutures that are quite stiff to allow easy insertion, but which soften upon reaching body temperature and form 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 preferred use is for catheters, which should be rigid below body temperature for easier insertion and softened when warmed to body temperature to provide 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 can also be combined with fillers, reinforcement materials, radioimaging materials, excipients or other materials as needed for a particular implant application. Examples of fillers include sodium calcium metaphosphate, which is described in US Patent No. 5,108,755. Those skilled in the art can readily determine the appropriate amount of these materials to be included in a composition.
Artykuły mogą mieć włączone różne środki terapeutyczne i/lub diagnostyczne, jak opisano powyżej.The articles may incorporate a variety of therapeutic and / or diagnostic agents, 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 type applications for biodegradable polymers include items where 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 so that the rate of degradation is variable. For example, in one embodiment, the hydrolytically degradable polymer may be selectively protected by applying a hydrophobic SMP coating to temporarily prevent water from entering the hydrolytically cleavable bonds of 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 permeate through the coating and initiate the degradation process. If the rate of hydrolysis is relatively high compared to that of water, then the rate of water diffusion through the coating determines the rate of degradation. In another embodiment, a hydrophobic coating consisting 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 diffusion rate of water can be increased by lowering the cross-link density.
VII. Sposoby stosowaniaVII. Application methods
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 articles are manufactured to maintain their intended shape as long as they do not function incompatible with their normal use. For example, a car bumper will maintain its intended shape until it is struck. These manufactured articles are to be used as intended and repaired, for example by applying heat, once they have been 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 articles of manufacture are designed to be used such that the first shape is intended for primary use and the second shape is intended for subsequent use. Examples of these articles include biomedical devices that can form a second shape when body temperature is reached or when an external stimulus is applied that warms 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 articles produced are designed to be used such that their shape changes in response to or regulated 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 on the basis of the following non-limiting examples.
P r z y k ł a d 1: Kopoliestrouretanowe polimery z pamięcią kształtuExample 1: Copolyestrethane 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 multi-block copolymers exhibiting a thermal shape memory effect has been synthesized. These polymers were composed of a crystallizable hard segment (Tm) and a soft segment having a thermal transition temperature Ttrans between room temperature and body temperature. Unlike prior art segmented polyurethanes, the hard segment was an oligoester or oligoether ester 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 for programming the temporary shape and recovering the shape of the solid block copolymer is shown in Fig. 6. The solid shape of the materials was established by melting the polymer and cooling the above Ttrans (Fig. 6 top position). The polymer was then formed into its temporary shape (Fig. 6, pos. Right), which was fixed by cooling below Ttrans (Fig. 6, pos.
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 telechels, 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.Telechelic macrodiol was synthesized by ring-opening polymerization of cyclic monomers with di (n-butyl) tin oxide as a transesterification catalyst under 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, O-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 prior to use. 57 g (0.63 mol) of monomer, 0.673 g (10.9 mmol) of ethylene glycol and 0.192 g (0.773 mmol) of di (n-butyl) tin oxide was heated to 80 ° C for 24 h. End of reaction (equilibrium) was determined by GPC. The product was dissolved in hot 1,2-dichloroethane and filtered hot through a Buechner funnel filled 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 vacuo 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.Polyphaprolactone) diols with different M n are commercially available from e.g. Aldrich and Polysciences. 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-dihydroxy [oligo (L-lactane-co-glycolate) ethylene oligo (L-lactane-co-glycolate) - (abbreviation: PLGA2000-15) was prepared as follows. In a 1000 mL double-necked round bottom flask, 300 g (2.08 mol) L, L-diclactide, 45 g (0.34 mol) diglycolide, and 4.94 g (0.80 mol) ethylene glycol were heated to melt in 40 ° C and mixed. 0.614 g (2.5 mmol) of di (n-butyl) tin oxide was added. After 7 h the reaction had equilibrated 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 vacuo for 6 h.
Własności telechelikówProperties of telechelikes
Masa molekularna Mn i własności termiczne makrodioli były określone jak pokazano w tabeli 1 poniżej.The molecular weight Mn and the thermal properties of the macrodiols were determined as shown in Table 1 below.
T a b e l a 1:T a b e l a 1:
Masa molekularna i własności termiczne makrodioliMolecular mass and thermal properties of macrodiols
Synteza elastomerów termoplastycznych (kopolimer wieloblokowy)Synthesis of thermoplastic elastomers (multi-block 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 bottom flask connected to a Soxhlet extractor filled with a 0.4 nm molecular sieve, 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 flowed back to dry by azeotropic extraction from the solvent. Freshly distilled trimethylhexane-1,6-diisocyanate was added via 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 purification by redissolving in 1,2-dichloroethane and precipitation in hexanes.
Kopolimery wieloblokowe były przygotowane z następujących dwóch typów polimerów.The multi-block 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.(I) PDC polymers contain polyphaprolactone). 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 (? -lactane-co-glycolate). Ttrans for the soft segment is the glass transition temperature.
T a b e l a 2:T a b e l a 2:
Synteza kopolimerów wieloblokowychSynthesis of multi-block 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 tested in a pH 7 buffer solution at 37 ° C. It has been shown that the polymers are completely degradable and the rate of their degradation can be controlled by the concentration of easily hydrolysable ester bonds. Relative mass loss values mr = m (t0) / m (t) in% at 37 ° C and relative molecular weight 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 multi-block copolymers was tested using the chicken egg test. It was shown that the blood vessels developed regularly and the polymer samples did not affect their condition.
T a b e l a 3:T a b e l a 3:
Kompozycja z uretanów kopoliestrowych określona spektroskopią-1H-NMR 400 MHzThe composition of the copolyester urethanes defined spektroskopią- 1 H-NMR 400 MHz
* W zawartości uretanu jest różnica do 100%* There is a difference of up to 100% in urethane content
PL 193 700 B1PL 193 700 B1
T a b e l a 4:T a b e l a 4:
Masa molekularna Mm filmów uretanowych kopoliestrowych określona multidetektorem-GPCMolecular mass Mm of copolyester urethane films determined by multidetector-GPC
T a b e l a 5:T a b e l a 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 e l a 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 a b e l a 7: Degradability of PDL22
PL 193 700 B1PL 193 700 B1
T a b e l a 8: Degradowalność PDL23T a b e l a 8: Degradability of PDL23
T a b e l a 9: Utrata masy względnejT a b e l a 9: Loss of relative mass
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.Fig 7 shows the results of tensile tests performed on multi-block copolymers as a function of thermolytic cycles. The average rate of formation of the shape of thermocyclic treated polymers and the relationship of the strain removal 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 achieved after only two cycles.
T a b e l a 10:T a b e l a 10:
Przeciętna szybkość ustalania kształtu RfAverage rate of fixing the shape of Rf
T a b e l a 11:T a b e l a 11:
Zależność liczby cykli od szybkości usuwania odkształceń RrThe dependence of the number of cycles on the rate of deformation removal 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 Material with Soft Crystallizable Segment
Pewien zakres polife-kaprolakton)dwumetakrylanów i materiałów termoutwardzalnych był oceniany pod względem własności mechanicznych i pamięci kształtu.A certain range of polyphe-caprolactone) dimethacrylates and thermosetting materials has been evaluated with respect to mechanical properties and shape memory.
PL 193 700 B1PL 193 700 B1
Synteza makromonomeruSynthesis of the macromonomer
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.Polyphe-caprolactone) dimethacrylates (PCLDMA) were prepared as follows. To a solution of polyphe-caprolactone) diol with M n = 2'000 mol -1 (20.0 g, 10 mmol) and triethylamine (5.3 ml, 38 mmol) in 200 ml of dry THF, chloride was added dropwise at 0 ° C methacryloyl (3.7 mL, 38 mmol). 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 filtered again and precipitated into a tenfold excess of a mixture of hexanes, diethyl ether and methanol (18: 1: 1). The colorless precipitation was collected, dissolved in 200 ml of dichloroethane, precipitated again and dried thoroughly 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 (25mm x 75mm) and a 0.60mm Teflon spacer. To achieve good homogeneity, the mold was stored at Tm for a further hour. Photo-curing was performed on a heated plate at Tm for 15 min. The distance between the heat lamp head and the sample was 5.0 cm. After cooling to room temperature, a sample was withdrawn and swelled with a 100-fold excess of dichloromethane overnight and washed thoroughly. Finally the sample was dried at room temperature under reduced pressure.
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 shows the polyphaprolactone) dimethacrylates that were prepared as well as the corresponding degree of acrylation (Da) (%). The number following PCLDMA is the molecular weight Mn polyhaloC-caprolactone) diol used in the synthesis as determined using H-12 NMR and GPC, rounded to 500.
T a b e l a 12:T a b e l a 12:
Poli(s-kaprolakton)diol i stopień akrylacjiPoly (? -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.Fig. 8 shows the melting point (Tm) of diols, dimethacrylates and polyphaprolactone thermosetting materials as a function of the molar mass of M n macromonomers. In the diagram, macrodioles are represented by ----; macromonomers by ....... and thermosetting materials by - ▲ Tensile properties of polyphe-caprolactone thermosets) C1 to C7 at room temperature are shown below in table 13, where E is the modulus of elasticity (Young's modulus), ε,; is the elongation a σ .; is the yield stress, and max is the maximum stress, ε π3χ is the elongation at σ π3χ , ε κ is the elongation at failure and σ β is the stress at failure. Table 14 below shows the tensile properties of the same polyphaprolactone thermosetting materials at 70 ° C.
PL 193 700 B1PL 193 700 B1
T a b e l a 13:T a b e l a 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 e l a 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.It was determined that the thermosetting materials should have the thermomechanical properties indicated in Table 15. The molecular weight average number (Mn) refers to the macromonomer. The lower limit temperature, T1, is 0 ° C and the higher limit temperature, Th, is 70 ° C. The stretch of the temporary shape is 50%. Rr (2) is the second cycle strain regeneration rate, Rr, tot is the total 2 cycle strain recovery rate, Rf is the average set strain rate.
T a b e l a 15:T a b e l a 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 |
---|---|---|
US6160084A (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) | Polymers exhibiting non-destructible memory |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
RECP | Rectifications of patent specification | ||
LAPS | Decisions on the lapse of the protection rights |
Effective date: 20120223 |