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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung von Formgedächtnis-Polymeren
bei Gewebe-Engineering und betrifft ein Verfahren des Gewebe-Engineerings
unter Verwendung von Formgedächtnis-Polymeren.
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Bis
heute wurden biologisch abbaubare und biologisch stabile thermoplastische-
oder Netzwerk-Materialien, die biokompatibel sind, als Gerüst-Materialien
beim Gewebe-Engineering
verwendet. Verschiedene unterschiedliche Polymer-Substanzen wurden
angewendet, von modifizierten biologischen Materialien bis zu vollsynthetischen
Materialien. Große
Fortschritte wurden beim Gewebe-Engineering unter Verwendung dieser Materialien
realisiert, wie beispielsweise durch Gewebe-Engineering hergestellte
Haut-Produkte und
andere Produkte, die derzeit in der klinischen Pipeline sind.
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Jedoch
kann das Gerüst-Material
nicht reagieren oder unabhängig
von der zum Impfen verwendeten Oberfläche, einem Vaskulatur-Einwachsen
oder einer Differenzierung von geimpften Zellen verändert werden. Die
Materialien, die benötigt
werden, sind daher:
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- – Materialien
oder mit bioaktiven Substanzen beladene oder beschichtete Materialien,
die die Möglichkeit haben,
eine Strukturierung, eine Proliferation oder eine Differenzierung
von Zellen in sich selbst zu induzieren;
- – Materialien,
die Freisetzungs-Kinetiken einer oder mehrerer bioaktiver Substanzen
unabhängig
steuern können
durch Triggern eines Effekts, der poröse Strukturen über einen
externen Stimulus öffnen
oder schließen
kann;
- – Gerüste, die
sich nur abbauen, nachdem ein externer Stimulus angesetzt wurde
(Abbau auf Verlangen);
- – Gerüste, die
Kräfte
an geimpften Zellen induzieren können.
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Die
Druckschriften WO-A 99/4217 und WO-A 99/42,528 offenbaren verschiedene
SMP-Materialien.
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Die
Druckschrift EP-A 0422693 betrifft die Verwendung von SMP-Materialien
in Gewebe-Engineering-Anwendungen.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes
der Technik zu überwinden.
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Diese
Aufgabe wurde gelöst
mit der Verwendung und dem Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Bevorzugte
Ausführungsformen
sind in den abhängigen
Unteransprüchen
und in den Ansprüchen angegeben,
die auf das Verfahren und das Polymer-Gerüst gerichtet sind.
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Kurze Beschreibung
der Figuren
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1 zeigt SMP-Teilchen, die
für ein
Gewebe- und/oder Zell-Engineering verwendet werden. Die Oberfläche des
geimpften Teilchens kann durch Induzieren eines Formgedächtnis-Effekts
erhöht
werden.
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2 zeigt, dass eine Trennung
von gewachsenen Zellen und/oder Gewebe von SMP-Teilchen (Gerüst) erreicht
werden kann durch Induzieren eines Abbau-Effekts und/oder eines
Formgedächtnis-Effekts.
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3 zeigt ein Beispiel der
Verwendung eines SMP-Gerüsts
für die
Orientierung von Zellen und/oder Gewebe, das darauf gewachsen ist,
durch Induzieren eines Formgedächtnis-Effekts.
Darüber
hinaus wird gezeigt, dass bioaktive Substanzen, die in dem SMP-Gerüst enthalten
sind, aufgrund des Formgedächtnis-Effekts
freigesetzt werden.
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Zuerst
werden die Formgedächtnis-Polymere
(shape memory polymers; SMP) beschrieben, die im Rahmen der vorliegenden
Erfindung verwendet werden können.
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SMPs
sind allgemein dadurch charakterisiert, dass sie Netzpunkte und
flexible Segmente aufweisen. Diese Netzpunkte können chemischer oder physikalischer
Natur sein.
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SMPs
sind gekennzeichnet als Phasen-entmischte lineare Block-Copolymere,
die ein hartes Segment und ein weiches Segment aufweisen.
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Einige
physikalische Eigenschaften von SMPs, die von dem Vermögen verschieden
sind, die Form im Gedächtnis
zu behalten, werden signifikant verändert in Reaktion auf äußere Änderungen
der Temperatur und der Belastung, speziell am Schmelzpunkt oder
bei der Glasübergangs-Temperatur
des weichen Segments. Diese Eigenschaften schließen den Elastizitätsmodul,
die Härte,
die Flexibilität,
die Dampfpermeabilität,
die Benetzung, den Brechungsindex und die Dielektrizitätskonstante
ein. Der Elastizitätsmodul
(das Verhältnis
der Belastung in einem Körper
zu der entsprechenden Spannung) eines SMP kann sich um einen Faktor
von bis zu 200 ändern,
wenn das Polymer auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts
oder der Glasübergangs-Temperatur
des weichen Segments erhitzt wird. Auch ändert sich die Härte des
Materials dramatisch, wenn das weiche Segment bei oder oberhalb
einer Temperatur seines Schmelzpunkts oder seiner Glasübergangs-Temperatur
ist. Wenn das Material auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts
oder oberhalb der Glasübergangs-Temperatur
des weichen Segments erhitzt wird, kann das Benetzungsvermögen bis
zu fünfmal höher sein
als bei einem herkömmlichen
Kautschuk-Produkt. Das Material kann leicht im Anschluß an zahlreiche
thermische Zyklen seine ursprüngliche
geformte Form wiedererlangen und kann auf eine Temperatur oberhalb
des Schmelzpunkts des harten Segments erhitzt und umgeformt und
abgekühlt
werden, wobei eine neue ursprüngliche
Form fixiert wird.
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Bevorzugte
SMPs oder SMP-Zubereitungen können
mehr als eine Form im Gedächtnis
behalten. Beispielsweise kann die Zusammensetzung ein hartes Segment
und wenigstens zwei weiche Segmente einschließen. Die Ttrans des
harten Segments ist wenigstens 10 °C und vorzugsweise 20 °C höher als
die Ttrans eines der weichen Segmente, und
die Ttrans jedes nachfolgenden weichen Segments
ist wenigstens 10 °C
und vorzugsweise 20 °C
niedriger als die Ttrans des vorangehenden
weichen Segments. Ein Multiblock- Copolymer mit
einem harten Segment mit einer relativ hohen Ttrans und
einem weichen Segment mit einer relativ niedrigen Ttrans kann
gemischt oder geblendet werden mit einem zweiten Multiblock-Copolymer
mit einem harten Segment mit einer relativ niedrigen Ttrans und
demselben weichen Segment wie demjenigen in dem ersten Multiblock-Copolymer. Da die
weichen Segmente in beiden Multiblock-Copolymeren identisch sind,
sind die Polymere mischbar miteinander, wenn die weichen Segmente
geschmolzen werden. Das resultierende Blend weist drei Übergangs-Temperaturen
auf: eine für
das erste harte Segment, eine für
das zweite harte Segment und eine für das weiche Segment. Dementsprechend
sind diese Materialien in der Lage, zwei unterschiedliche Formen
im Gedächtnis
zu behalten.
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Gegenstände mit
zwei oder mehr Formen im Gedächtnis
können
hergestellt werden durch Bilden einer Polymer-Zusammensetzung mit
einem harten Segment, einem ersten weichen Segment und einem zweiten weichen
Segment, wobei das erste weiche Segment einen Wert Ttrans von
wenigstens 10 °C
unterhalb von dem des harten Segments und wenigstens 10 °C oberhalb
von dem des zweiten weichen Segments aufweist. Nachdem die Zusammensetzung
bei einer Temperatur oberhalb der Ttrans des
harten Segments geformt wurde, kann sie auf eine Temperatur unterhalb
der Temperatur der Ttrans des ersten weichen
Segments und oberhalb der Temperatur der Ttrans des
zweiten weichen Segments abgekühlt
und in eine zweite Form gebracht werden. Die Zusammensetzung kann
in eine dritte Form gebracht werden, nachdem sie auf eine Temperatur
unterhalb der Ttrans des zweiten weichen
Segments abgekühlt
wurde. Die Zusammensetzung kann auf eine Temperatur oberhalb der
Ttrans des zweiten weichen Segments erhitzt
werden und führt
so die Zusammensetzung in die zweite Form zurück. Die Zusammensetzung kann
auf eine Temperatur oberhalb der Ttrans des
ersten weichen Segments erhitzt werden und führt so die Zusammensetzung
in die erste Form zurück.
Die Zusammensetzung kann auch auf eine Temperatur oberhalb der Ttrans
des harten Segments erhitzt werden; an diesem Punkt verliert die
Zusammensetzung das Gedächtnis
der ersten und zweiten Form und kann unter Verwendung des oben beschriebenen
Verfahrens umgeformt werden.
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Der
Ausdruck „biologisch
abbaubar", wie er
in der vorliegenden Beschreibung und in den Patentansprüchen verwendet
wird, bezieht sich auf Materialien, die bioresorbierbar sind und/oder
sich abbauen und/oder zerfallen, durch mechanischen Abbau bei Wechselwirkung
mit einer physiologischen Umgebung, und zwar in Komponenten, die
metabolisierbar oder ausscheidbar sind, im Verlauf einer Zeitdauer
von Minuten bis drei Jahren, vorzugsweise weniger als einem Jahr,
wobei sie die erforderliche strukturelle Unversehrtheit aufrechterhalten.
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Ein
Polymer ist ein Formgedächtnis-Polymer,
wenn die ursprüngliche
Form des Polymers dadurch wiedergewonnen wird, dass man es auf eine
Temperatur oberhalb einer Form-Rückgewinnungs-Temperatur erhitzt
(die definiert ist als die Ttrans eines
weichen Segments), selbst wenn die ursprüngliche geformte Form des Polymers
mechanisch bei einer niedrigeren Temperatur als die Form-Gewinnungs-Temperatur
zerstört wird
oder wenn die im Gedächtnis
behaltene Form durch Anwendung eines anderen Stimulus rückgewinnbar ist.
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Der
Ausdruck „Segment", wie er in der vorliegenden
Beschreibung und in den Patentansprüchen verwendet wird, bezieht
sich auf einen Block oder eine Sequenz eines ein Polymer bildenden
Teils des Formgedächtnis-Polymers.
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Die
Begriffe „hartes
Segment" und „weiches
Segment", wie sie
in der vorliegenden Beschreibung und in den Patentansprüchen verwendet
werden, sind relative Terme, die sich auf die Ttrans des
Segments beziehen. Das/die harte(n) Segmente) weist weisen eine
höhere
Ttrans auf als das/die weiche(n) Segment(e).
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Die
Formgedächtnis-Polymere
können
wenigstens ein hartes Segment und wenigstens ein weiches Segment
einschließen
oder können
wenigstens eine Art von weichem Segment einschließen, worin
wenigstens eine Art des/der weichen Segmente) vernetzt ist, und
zwar ohne das Vorhandensein eines harten Segments.
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Die
harten Segmente können
lineare Oligomere oder Polymere sein und können cyclische Verbindungen
sein, wie beispielsweise Kronenether, cyclische Di-, Tri- oder Oligopeptide
und cyclische Oligoesteramide.
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Die
physikalische Wechselwirkung zwischen harten Segmenten kann auf
LadungsÜbertragungs-Komplexen,
Wasserstoff-Bindungen oder anderen Wechselwirkungen beruhen, da
einige Segmente Schmelz-Temperaturen aufweisen, die höher sind
als die Zersetzungs-Temperatur. In diesen Fällen gibt es kein Schmelzen oder
keine Glasübergangs-Temperatur
für das
Segment. Ein nicht-thermischer Mechanismus wie beispielsweise ein
Lösungsmittel
ist erforderlich, um die Bindung des Segments zu verändern.
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Das
Gewichtsverhältnis
hartes Segment: weiche Segmente liegt zwischen etwa 5 : 95 und 95
: 5, vorzugsweise zwischen 20 : 80 und 80 : 20.
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I. Polymer-Segmente
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Die
Segmente sind vorzugsweise Oligomere. Der Begriff „Oligomer" wie er in der vorliegenden
Beschreibung und in den Patentansprüchen verwendet wird, bezieht
sich auf ein lineares Ketten-Molekül, das ein Molekulargewicht
bis hinauf zu 15.000 Da aufweist.
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Die
Polymere werden gewählt
auf der Basis der gewünschten
Glasübergangs-Temperatur(en) (wenn wenigstens
ein Segment amorph ist) oder des/der Schmelzpunkt(e)s (wenn wenigstens
ein Segment kristallin ist), was seinerseits auf den gewünschten
Anwendungen beruht, wenn man die Anwendungs-Umgebung in Betracht
zieht. Vorzugsweise ist das Zahlenmittel des Molekulargewichts des
Polymer-Blocks größer als
400 und vorzugsweise im Bereich zwischen 500 und 15.000.
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1 Wärmegehärtete oder thermoplastische
Pol
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Die
Polymere können
wärmegehärtete oder
thermoplastische Polymere sein, obwohl thermoplastische Polymere
aufgrund der Leichtigkeit ihrer Formung bevorzugt sein können.
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Vorzugsweise
liegt der Grad der Kristallinität
des Polymers oder des Polymer-Blocks/ der Polymer-Blöcke zwischen
3 und 80 %, noch mehr bevorzugt zwischen 3 und 60 %. Wenn der Grad
der Kristallinität
größer als
80 % ist, während
alle weichen Segmente amorph sind, weist die resultierende Polymer-Zusammensetzung
schlechte Formgedächtnis-Eigenschaften
auf.
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Die
Polymer-Segmente können
natürlich
oder synthetisch sein, obwohl synthetische Polymere bevorzugt sind.
Die Polymer-Segmente können
biologisch abbaubar oder nicht biolgisch abbaubar sein, obwohl die resultierende
SMP-Zusammensetzung biolgisch abbaubar ist. Biokompatible Polymere
sind besonders bevorzugt für
medizinische Anwendungen. Allgemein bauen sich diese Materialien
durch Hydrolyse, durch Kontakt mit Wasser oder Enzymen unter physiologischen
Bedingungen durch Oberflächen-Erosion, Masse-Erosion oder
eine Kombination daraus ab. Nicht biologisch abbaubare Polymere,
wie sie für
medizinische Zwecke verwendet werden, schließen vorzugsweise keine aromatischen
Gruppen ein, die von denen verschieden sind, die in natürlich vorkommenden
Aminosäuren
vorhanden sind.
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Repräsentative
natürliche
Polymer-Segmente und Polymere schließen ein: Proteine wie beispielsweise
Zein, modifiziertes Zein, Casein, Gelatine, Glutin, Serumalbumin
und Collagen und Polysaccharide wie beispielsweise Alginat, Cellulosen,
Dextrane, Pullulan und Polyhyaluronsäure sowie Chitin, Poly-3-hydroxyalkanoat(e),
insbesondere Poly-β-hydroxybutyrat, Poly-3-hydroxyoctanoat
und Poly-3-hydroxyfettsäuren.
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Repräsentative
synthetische Polymer-Blöcke
schließen
ein: Polyphosphazene, Polyvinylalkohole, Polyamide, Polyesteramide,
Polyaminosäure(n),
synthetische Polyaminosäuren,
Polyanhydride, Polycarbonate, Polyacrylate, Polyalkylene, Polyacrylamide, Polyalkylenglycole,
Polyalkylenoxide, Polyalkylenterephthalate, Polyorthoester, Polyvinylether,
Polyvinylester, Polyvinylhalogenide, Polyvinylpyrrolidon, Polyester,
Polylactide, Polyglycolide, Polysiloxane, Polyurethane und Copolymere
daraus.
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Beispiele
geeigneter Polyacrylate schließen
ein: Polymethylmethacrylat, Polyethylmethacrylat, Polybutylmethacrylat,
Polyisobutylmethacrylat, Polyhexylmethacrylat, Polyisodecylmethacrylat,
Polylaurylmethacrylat, Polyphenylmethacrylat, Polymethylacrylat,
Polyisopropylacrylat, Polyisobutylacrylat und Polyoctadecylacrylat.
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Synthetische
modifizierte natürliche
Polymere schließen
ein: Cellulose-Derivate wie beispielsweise Alkylcellulosen, Hydroxyalkylcellulosen,
Celluloseether, Celluloseester, Nitrocellulosen und Chitosan. Beispiele geeigneter
Cellulose-Derivate schließen
ein: Methylcellulose, Ethylcellulose, Hydroxypropylcellulose, Hydroxypropylmethylcellulose,
Hydroxybutylmethylcellulose, Celluloseacetat, Celluloseproprionat,
Celluloseacetatbutyrat, Celluloseacetatphthalat, Carboxymethylcellulose,
Cellulosetriacetat und das Cellulosesulfat-Natriumsalz. Diese werden
gemeinsam nachfolgend als „Cellulosen" bezeichnet.
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Repräsentative
synthetische abbaubare Polymer-Segmente oder Polymere schließen ein:
Polyhydroxysäuren
wie beispielsweise Polylactide, Polyglycolide und Copolymere daraus;
Polyethylenterephthalat; Polyhydroxybuttersäure; Polyhydroxyvaleriansäure, Poly[lactid-co-(ε-caprolacton)];
Poly[glycolid-co-(ε-caprolacton)];
Polycarbonate, Polypseudoaminosäuren,
Polyaminosäuren,
Polyhydroxyalkanoat(e), Polyanhydride, Polyorthoester und Mischungen
und Copolymere daraus.
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Beispiele
nicht biologisch abbaubarer Polymer-Segmente oder Polymere schließen ein:
Ethylenvinylacetat, Polymethacrylsäure, Polyamide, Polyethylen,
Polypropylen, Polystyrol, Polyvinylchlorid, Polyvinylphenol und
Copolymere und Mischungen daraus.
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Schnell
bioerudierbare Polymere wie beispielsweise Poly(lactid-co-glycolid)e,
Polyanhydride und Polyorthoester, die Carboxyl-Gruppen aufweisen
und zu einer Außenober fläche zeigen,
wenn die glatte Oberfläche
des Polymers erudiert, können
auch verwendet werden. Zusätzlich
sind Polymere, die labile Bindungen enthalten, wie beispielsweise
Polyanhydride und Polyester, wohlbekannt für ihre hydrolytische Reaktivität. Ihre hydrolytischen
Abbau-Raten können
allgemein geändert
werden durch einfache Änderungen
im Polymer-Grundgerüst
und ihrer Sequenz-Struktur.
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Verschiedene
Polymere wie beispielsweise Polyacetylen und Polypyrrol sind leitende
Polymere. Diese Materialien sind besonders bevorzugt für Anwendungen,
in denen elektrische Leitung wichtig ist. Beispiele dieser Anwendungen
schließen
Gewebe-Engineering
und irgendeine biomedizinische Anwendung ein, bei der Zellwachstum
stimuliert werden soll. Leitende Formgedächtnis-Polymere sind nützlich im
Bereich des Gewebe-Engineerings zum Stimulieren des Wachstums von
Gewebe, beispielsweise von Nervengewebe.
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2. Hydrogele
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Das
Polymer kann in Form eines Hydrogels vorliegen (das typischerweise
bis zu etwa 90 Gew.-% Wasser absorbiert) und kann gegebenenfalls
ionisch mit mehrwertigen Ionen oder Polymeren vernetzt sein. Ionisches
Vernetzen zwischen weichen Segmenten kann verwendet werden, um eine
Struktur zu halten, die dann, wenn sie deformiert ist, wieder zurückgeformt
werden kann, indem man die ionischen Vernetzungen zwischen den weichen
Segmenten bricht. Das Polymer kann auch in Form eines Gels in von
Wasser oder wässrigen
Lösungsmitteln
vorliegen. In diesen Polymeren kann die temporäre Form fixiert werden durch
hydrophile Wechselwirkungen zwischen weichen Segmenten.
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Hydrogele
können
gebildet werden aus Polyethylenglycol, Polyethylenoxid, Polyvinylalkohol,
Polyvinylpyrrolidon, Polyacrylaten, Polyethylenterephthalat, Polyvinylacetat
und Copolymeren und Mischungen (Blends) daraus. Einige polymere
Segmente wie beispielsweise Acrylsäure sind elastomer nur dann,
wenn das Polymer hydratisiert ist und Hydrogele gebildet werden.
Andere polymere Segmente wie beispielsweise Methacrylsäure sind
kristallin und sind in der Lage, zu schmelzen, selbst wenn die Po lymere
nicht hydratisiert sind. Jeder von beiden Typen von Polymer-Blöcken kann
verwendet werden, und zwar abhängig
von der gewünschten
Anwendung und den gewünschten
Verwendungs-Bedingungen.
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3 Polymere die in der Lage
sind ein Gel bei erhöhten
Temperaturen zu bilden
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Bestimmte
Polymere wie beispielsweise Copolymere von Polyethylenoxid und Polypropylenoxid (PLURONICSTM) sind löslich in Wasser bei Temperaturen
unterhalb der Körpertemperatur
und werden Hydrogele bei Temperaturen oberhalb von Körpertemperatur.
Eine Einarbeitung dieser Polymere als Segmente in Formgedächtnis-Polymere
versieht diese mit dem Vermögen,
auf Änderungen
der Temperatur in einer Weise zu reagieren, die gegenläufig zu
der typischer Formgedächtnis-Polymere
ist. Diese Materialien nehmen wieder ihre Form ein, wenn sie unter
die Form-Rückgewinnungs-Temperatur abgekühlt werden
und nicht, wenn sie auf eine Temperatur erhitzt werden, die oberhalb
ihrer Form-Rückgewinnungs-Temperatur
liegt. Dieser Effekt wird umgekehrter thermischer Formgedächtnis-Effekt
genannt. Formgedächtnis-Polymer-Zusammensetzungen,
die diese Polymer-Segmente einschließen, sind nützlich in verschiedenen biomedizinischen
Anwendungen, bei denen das Polymer als Flüssigkeit eingebaut werden kann
und abgekühlt
wird, um eine intendierte Form in situ wiederzugewinnen. Der umgekehrte
(inverse) thermische Formgedächtnis-Effekt
kann erhalten werden durch Einarbeiten von zwei verschiedenen Segmente
in ein Polymer, die bei Temperaturen unterhalb der Tmisc mischbar
sind, jedoch bei höheren
Temperaturen unmischbar sind. Die Phasentrennung bei höheren Temperaturen
stabilisiert die temporäre
Form.
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II Zusammenbau von Polymer-Segmenten
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Das
Formgedächtnis-Polymer
schließt
ein oder mehrere hartes) Segmente) und ein oder mehrere weiches)
Segmente) ein, worin wenigstens eines der Segmente biologisch abbaubar
ist oder wenigstens eines der Segmente an ein anderes Segment über eine
biologisch abbaubare Bindung gebunden ist. Repräsentative biologisch abbaubare
Bindungen schließen
Ester-, Amid-, Anhydrid-, Carbonat- oder Orthoester-Bindungen ein.
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1. Polymerstrukturen
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Der
Formgedächtnis-Effekt
basiert auf der Polymer-Morphologie. In Bezug auf thermoplastische
Elastomere ist die ursprüngliche
Form eines Gegenstandes fixiert durch physikalische Vernetzungen,
die durch das harte Segment verursacht werden. In Bezug auf Netzwerk-Polymere
sind die weichen Segmente kovalent vernetzt, statt harte Segmente
aufzuweisen. Die ursprüngliche
Form wird eingestellt durch den Vernetzungs-Prozeß.
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Im
Gegensatz zu segmentierten Polyurethan-SMPs des Standes der Technik
müssen
die Segmente der Zusammensetzungen, die in der vorliegenden Beschreibung
beschrieben sind, nicht linear sein. Die Segmente können partiell
gepfropft oder in dendrimere Seitengruppen eingebunden werden.
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A Thermoplastische und thermoelastische
Polymere
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Die
Polymere können
vorliegen in Form von linearen Diblock-, Triblock-, Tetrablock- oder Multiblock-Copolymeren,
verzweigten Polymeren oder gepfropften Polymeren, thermoplastischen
Elastomeren, die dendrtitische Strukturen enthalten und Mischungen
daraus. Die thermoplastische Formgedächtnis-Polymer-Zusammensetzung
kann auch eine Mischung aus einem oder mehreren Homo- oder Copolymeren)
mit einem oder mehreren Diblock-, Triblock-, Tetrablock- oder Multiblock-Copolymeren,
verzweigten Polymeren oder Pfropf-Polymeren sein. Diese Typen von
Polymeren sind Fachleuten mit Sachverstand in diesem technischen
Bereich wohlbekannt.
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Der
Ausdruck „abbaubar
wärmegehärtet", wie er in der vorliegenden
Beschreibung und in den Patentansprüchen verwendet wird, bezieht
sich auf (i) wärmegehärtete SMPs,
die nur ein weiches Segment enthalten, das spaltbare Bindungen enthält; und
(ii) wärmegehärtete Polymere,
die mehr als ein weiches Segment enthalten, worin wenigstens ein
weiches Segment abbaubar ist oder worin die verschiedenen weichen
Segmente über
spaltbare Bindungen miteinander verbunden sind. Es gibt vier verschiedene
Typen von wärmegehärteten Polymeren,
die Formgedächtnis-Vermögen aufweisen.
Diese schlie ßen
ein: Polymer-Netzwerke, semi-interpenetrierende Netzwerke, interpenetrierende
Netzwerke und gemischt interpenetrierende Netzwerke.
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(i). Polymer-Netzwerke
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Ein
Polymer-Netzwerk wird hergestellt durch kovalentes Vernetzen von
Makromonomeren, d.h. Polymeren, die polymerisierbare Endgruppen
wie beispielsweise Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen enthalten.
Der Polymerisations-Prozeß kann
induziert werden unter Verwendung von Licht- oder Hitze-empfindlichen
Initiatoren oder durch Härten
mit ultraviolettem Licht („UV-Licht") ohne einen Initiator.
Formgedächtnis-Polymer-Netzwerke
werden hergestellt durch Vernetzen eines oder mehrerer Segmente(s),
die einem oder mehreren thermischen Übergang/Übergängen entsprechen.
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In
einer Ausführungsform,
die für
biomedizinische Anwendungen bevorzugt ist, wird das Vernetzen durchgeführt unter
Verwendung eines Photo-Vernetzers und erfordert keinen chemischen
Initiator. Der Photo-Vernetzer eliminiert in vorteilhafter Weise
den Bedarf für
Initiator-Moleküle,
die toxisch sein können.
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(ii). Interpenetrierende
Netzwerke
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Interpenetrierende
Netzwerke („IPN") sind definiert
als Netzwerke, in denen zwei Komponenten vernetzt werden, jedoch
nicht miteinander. Die Ursprungsform wird durch das Netzwerk mit
der höchsten
Vernetzungs-Dichte und die höchste
mechanische Festigkeit bestimmt. Das Material weist wenigstens zwei
Werte Ttrans auf, die den verschiedenen
weichen Segmenten beider Netzwerke entsprechen.
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(iii) Gemischte interpenetrierende
Netzwerke
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Ein
gemischtes IPN schließt
wenigstens ein physikalisch vernetztes Polymer-Netzwerk (ein thermoplastisches
Polymer) und wenigstens ein kovalent vernetztes Polymer-Netzwerk ein, das
nicht durch irgendwelche physikalischen Verfahren abgetrennt werden
kann. Die Ursprungsform wird festgesetzt durch das kovalent vernetzte
Netzwerk. Die temporären
Formen entsprechen den Werten Ttrans der
weichen Segmente und den Werten Ttrans des
harten Segments der thermoplastischen Elastomer-Komponente.
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Ein
besonders bevorzugtes gemischtes interpenetrierende Netzwerk wird
hergestellt durch Polymerisieren eines reaktiven Makromonomers in
Gegenwart eines thermoplastischen Polymers, beispielsweise durch
Photo-Polymerisation von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen. Bei dieser
Ausführungsform
liegt das Gewichtsverhältnis
des wärmegehärteten Polymers
zu dem thermoplastischen Polymer vorzugsweise zwischen 5 : 95 und
95 : 5, noch mehr bevorzugt zwischen 20 : 80 und 80 : 20.
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(iv). Semi-interpenetrierende
Netzwerke
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Semi-interpenetrierende
Netzwerke („Semi-IPN") sind definiert
als zwei unabhängige
Komponenten, bei denen eine Komponente ein vernetztes Polymer ist
(ein Polymer-Netzwerk)
und die andere Komponente ein nicht-vernetztes Polymer ist (ein
Homopolymer oder Copolymer), worin die Komponenten nicht durch physikalische
Methoden getrennt werden können.
Das Semi-IPN weist wenigstens einen thermischen Übergang entsprechend dem/den
weichen Segmenten) und den Homo- oder Copolymer-Komponenten auf. Das vernetzte Polymer
macht vorzugsweise zwischen etwa 10 und 90 Gew.-% der semi-interpenetrierenden
Netzwerk-Zusammensetzung aus.
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(v). Polymer-Mischungen
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
werden die Formgedächtnis-Polymer-Zusammensetzungen, die
in der vorliegenden Beschreibung beschrieben sind, gebildet aus
einer biologisch abbaubaren Polymer-Mischung. Eine biologisch abbaubare
Polymer-Mischung in dem Sinne, wie der Ausdruck in der vorliegenden
Beschreibung und in den Patentansprüchen verwendet wird, ist eine
Mischung, die wenigstens ein biologisch abbaubares Polymer aufweist.
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Die
Formgedächtnis-Polymere
können
als physikalische Mischungen thermoplastischer Polymere existieren.
In einer Ausführungsform
kann eine Formgedächtnis-Polymer-Zusammensetzung hergestellt
werden durch In-Wechselwirkung-Bringen oder Mischen zweier thermoplastischer
Polymere. Die Polymere können
semi-kristalline Homopolymere, semi-kristalline Copolymere, thermoplastische
Elastomere mit linearen Ketten, thermoplastische Elastomere mit
Seitenketten oder jede beliebige Art dentritischer Struktur-Elemente und
verzweigte Copolymere sein, und diese können in irgendeiner Kombination
der Polymere vermischt werden.
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Beispielsweise
können
ein Multiblock-Copolymer mit einem harten Segment mit einer relativ
hohen Ttrans und ein weiches Segment mit
einer relativ niedrigen Ttrans gemischt
oder geblendet werden mit einem zweiten Multiblock-Copolymer mit
einem harten Segment mit relativ niedriger Ttrans und
demselben weichen Segment, wie es in dem ersten Multiblock-Copolymer
enthalten ist. Die weichen Segmente in beiden Multiblock-Copolymeren
können
identisch sein, so daß die
Polymere ineinander mischbar sind, wenn die weichen Segmente geschmolzen
werden. Es gibt drei Übergangs-Temperaturen in der
resultierenden Mischung, nämlich
diejenige des ersten harten Segments, diejenige des zweiten harten
Segments und diejenige des weichen Segments. Dementsprechend sind
diese Materialien in der Lage, zwei verschiedene Formen im Gedächtnis zu
behalten. Die mechanischen Eigenschaften dieser Polymere können eingestellt
werden durch Ändern
des Gewichtsverhältnisses
der beiden Polymere.
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Formgedächtnis-Mischungen
können
bessere Formgedächtnis-Vermögen haben
als die Mischungs-Komponenten alleine. Formgedächtnis-Mischungen aus wenigstens
einem Multiblock-Copolymer und wenigstens einem Homopolymer oder
Copolymer. Im Prinzip können
Di-, Tri-, Tetra-Block-Copolymere anstelle eines Multiblock-Copolymers
verwendet werden.
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Formgedächtnis-Mischungen
sind in hohem Maße
nützlich
in industriellen Anwendungen, da ein breiter Bereich von mechanischen,
thermischen und Formgedächtnis-Eigenschaften von
nur zwei oder drei grundlegenden Polymeren durch Mischen in unterschiedlichen
Gewichtsverhältnissen
erhalten werden kann. Ein Doppelschnecken-Extruder ist ein Beispiel einer Standard-Prozeß-Anlage,
die zum Mischen der Komponenten und Verarbeiten der Mischung verwendet
werden könnte.
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SMPs,
die vorzugsweise in der vorliegenden Erfindung verwendet werden
können,
sind biologisch abbaubare und biokompatible SMPs, und zwar Polymer-Netzwerke
wie auch thermoplastische Polymere, wie sie oben beschrieben wurden,
die als Gerüst
für ein
Gewebe-Engineering verwendet werden.
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Der
Formgedächtnis-Effekt
kann induziert werden auf thermalem Wege, mit Strahlung im nahen
Infrarot-Bereich, mit UV-Strahlung, mit Ultraschall oder mit anderen
Energiequellen. Der thermisch induzierte Formgedächtnis-Effekt beruht auf einem
Glasübergangs-Punkt
oder Schmelzpunkt oder auf einem anderen thermischen Effekt. Segmentierte
Block-Copolyester-Urethane (thermoplastische Copolymere) können als
Polymere mit physikalischen Vernetzungen verwendet werden. Die Copolymere
können
verwendet werden als thermisch stimulierte Formgedächtnis-Materialien
mit hoher Spannungs-Wiedergewinnung und hoher endgültiger Wiedergewinnungsrate.
Der Hauptvorteil der Verwendung von Copolymeren sind ihre verbesserten
Verarbeitungs-Bedingungen,
verglichen mit Polymeren mit chemischen Vernetzungen. Da nur physikalische
Vernetzungen eingeführt
werden, können
alle herkömmlichen
Verarbeitungs- techniken für
thermoplatische Polymere verwendet werden, und die Materialien werden
leicht wiederverwendbar im Fall nicht abbaubarer Anwendungen.
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Wärmegehärtete Materialien
mit viel besseren mechanischen Eigenschaften wie z.B. interpenetrierende
und semi-interpenetrierende Netzwerke, die von denselben Monomeren
für die
Makrodiol-Synthese Gebrauch machen, jedoch von anderen multifunktionellen
Kupplungsmitteln, z.B. Methacrylaten, können daher verwendet werden
und sind bevorzugt.
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Die
Multiblock-Copolyester-Urethane sowie die Netzwerke können gekoppelte
Co-Oligomere aus ε-Caprolacton,
L,L,-Dilactid, D,L-Dilactid, Diglycolid und Paradioxanon umfassen.
Die Kupplung wird durchgeführt
unter Verwendung von 2,2(4),4-Trimethylhexandiisocyanat
im Fall der thermoplastischen Materialien und unter Verwendung polymerisierbarer
Methacrylat-Gruppen im Fall der wärmehärtenden Materialien. Eine Synthese
wird typischerweise in zwei Stufen durchgeführt. Im ersten Schritt werden
Makrodiole mit unterschiedlichen charakteristischen thermischen
Eigenschaften über
eine Ringöffnungs-Polymerisation
(ring opening polymerization; ROP) der cyclischen Ester synthetisiert
und gereinigt. Eine Copolymerisation von L-Milchsäure mit
Glycolsäure
unter Verwendung eines Zinn-Katalysators für eine Umesterung und Ethylenglycol
als Initiator in einer Masse-Reaktion führen zu einem amorphen weichen
Segment mit einer durch das Dilactid/Diglycolid-Verhältnis gesteuerten
Tg.
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Um
Multiblock-Strukturen von den synthetisierten Makrodiolen zu erhalten,
muß ein
Kopplungs-Verfahren angewendet werden. Es gibt einige mögliche Verfahrensweisen
von der Funktionalisierung mit einer polymerisierbaren Endgruppe
zur direkten Kupplung mit einer difunktionellen Verbindung. Das
Koppeln der verschiedenen Segmente wird beispielsweise durchgeführt unter
Verwendung von 2,2(4),4-Trimethylhexandiisocyanat.
Die Synthese ist beendet, wenn alle Isocyanat-Gruppen im IR-Spektrum
verschwunden sind. Es ist hier sehr wichtig, eine Kupplungs-Verbindung
zu verwenden, die keine zusätzlich
kristalline Domain dem ziemlich komplexen Multiblock-System zufügt. Die
Phasentrennung des Systems könnte
untersucht werden unter Anwendungen von DSC und AFM. Im Fall der
wärmehärtenden
Materialien werden die synthetisierten Makrodiole unter Verwendung
einer polymerisierbaren Endgruppe als Methacrylat-Gruppe funktionalisiert.
Das Material wird in der gewünschten
Form geschmolzen und dann unter Verwendung von z.B. UV-Licht gehärtet. Die Formgedächtnis-Übergangs-Temperatur
kann durch unterschiedliche Monomer-Verhältnisse maßgeschneidert eingestellt werden.
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Eine
Vorbedingung für
biomedizinische Produkte ist die Sterilisierbarkeit. Einige Verfahrensweisen sind
zum Sterilisieren medizinischer Produkte verfügbar, wie beispielsweise Heiß-Sterilisation
(Dampf oder trockene heiße
Luft), Kalt-Sterilisation (Ethylenoxid, Formaldehyd oder ionisierende
Strahlung) und Sterilisation in wässriger Lösung. Im Bereich der Sterilisation
biologisch abbaubarer thermoplastischer Stoffe werden eine ganze
Zahl von verschiedenen Verfahrensweisen bisher verwendet. Diese
waren beispielsweise Plasma-Sterilisation sowie Behandlung mit Ethylenoxid
bei 50 °C.
Die Anwendung von Plasma-Sterilisation ist wirklich eine interessante
Idee für
die Modifikati on der Oberfläche
solcher Materialien, jedoch nicht für die Sterilisation von Polymeren,
und zwar aufgrund der induzierten Reaktionen auf der Oberfläche. Daher
sind irgendwelche beobachteten Unterschiede in den charakteristischen
Material-Eigenschaften schwierig zurückzuverfolgen. Dasselbe Problem
existiert bei dem Ethylenoxid-Verfahren
bei 50 °C.
Aufgrund der Erweichung des Implantants wird Ethylenoxid in das
Implantat eingearbeitet. Nach der Absenkung der Temperatur und des
Ethylenoxid-Drucks
gibt es nur eine geringe Freisetzung des Gases von dem Material.
Toxische Reaktionen der eingesetzten Zellen könnten aufgrund des Ethylenoxids
auftreten, das langsam freigesetzt wird, oder die charakteristischen
Eigenschaften des SM-Materials könnten
sich ändern.
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Makrostrukturen:
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Synthetische
segmentierte Block-Copolyester-Urethane mit thermischen charakteristischen
Formgedächtnis-Eigenschaften
können
hergestellt werden als gewebte Fasern oder Vlies-Fasern, poröse Schäume oder
Filme, Membranen, Hohlfasern, Mono- oder Multi-Filainente sowie
wärmegehärtete Formgedächtnis-Materialien,
die als dünne
Filme oder Kugeln verarbeitet werden.
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Die
Verarbeitung erfolgt in Mono- oder Multi-Filament-Fasern und der
Bildung dreidimensionaler oder zweidimensionaler Strukturen durch
unterschiedliche Techniken (gewebte Materialien, Vlies-Materialien),
Bildung von Filmen durch verschiedene Techniken wie beispielsweise
Schleuder-Gießen
und die Bildung dreidimensionaler poröser Strukturen durch Salz-Auslaugen,
thermisch induzierte Phasentrennung, Doppelemulsions-Technik oder
Gasschäum-Prozesse.
Die verschiedenen makroskopischen Formen könnten in noch besser ausgeklügelten Vorrichtungen
kombiniert werden.
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Diese
Materialien können
mit einer oder mehreren bioaktiven Substanzen und Zellen kombiniert
werden.
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Bioaktive Substanzen:
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Repräsentative
bioaktive Substanzen schließen
ein: Wachstumsfaktoren, Haft-Proteine, angiogene Faktoren sowie
andere Verbindungen.
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Wachstumsfaktoren:
Epidermaler Wachstumsfaktor (epidermal growth factor; EGF), Fibroblasten-Wachstumsfaktoren
(fibroblast growth factors; FGFs), Hepatocyten-Wachstumsfaktor (hepatocyte growth factor;
HGF), Insulin-ähnlicher
Wachstumfaktor-1
(insulin-like growth factor-1; IGF-1), Insulin-ähnlicher Wachstumsfaktor 2
(insulinlike growth factor-2; IGF-2), Keratinocyten-Wachstums-Faktor
(keratinocyte growth factor; KGF); Nerven-Wachstumsfaktor (nerve
growth factor; NGF), von Blutplättchen
abgeleiteter Wachstumsfaktor (platelet-derived growth factor; PDGF),
transformierender Wachstumsfaktor-α (transforming growth factor-α; TGF-α), transformierende
Wachstumsfaktoren-β (transforming
growth factors-β;
TGFs-β),
vascular-endothelialer Wachstumsfaktor (vascular endothelial grwoth
factor; VEGF), rekombinantes Human-Wachstums-Hormon (recombinant human
growth hormone; rhGH); angiogenetische und anti-angiogenetische
Faktoren (siehe beispielsweise US-Patent Nr. 6,024,688, angiogenetische
Faktoren); J.M. Folkman, M. S. O'Reilly,
Y. Cao).
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Haft-Proteine:
-
RGD,
RGDS, GRGDS, cyclische RGD-Peptide, PHSRN, KQAGDV, LDV, IDAPS, REDV,
DGEA, KRLDGS, YIGSR, IKAKV, SIKVAV, CDPGYIGSR-NH2, Polylysin, Polyornithin,
KRSR, RKKRRQRRR, RQK und RNR, VAPG, VGVAPG (Aminosäuren-Einbuchstaben-Code).
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Bevorzugte
bioaktive Substanzen sind nachfolgend angegeben:
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-
-
Diese
können
in die Polymer-Matrix unter Beibehaltung ihrer vollen Aktivität eingebaut
oder an der Oberfläche
befestigt werden. Die Freisetzung einer oder mehrerer bioaktiver
Substanzen) wird unter Anwendung des Formgedächtnis-Effekts gesteuert.
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Zellen:
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Die
Zellen werden auf dem hergestellten Gerüst „ausgesät" und in einen Bioreaktor für die Proliferation der
Zellen gegeben. Der Formgedächtnis-Effekt
wird getriggert und so ein Strukturieren der Zellen durch die angewendeten
Kräfte
induziert. Die bioaktiven Verbindungen als Wachstumsfaktoren, Haft-Proteine,
angiogenetische Faktoren und differenzierende Faktoren werden auf
Anforderung durch ein Triggern des Formgedächtnis-Effekts freigesetzt.
Zellen, die auf den Gerüsten „ausgesät" werden sollen, werden
unter Anwendung von Standard-Techniken dissoziiert. Bevorzugte Zell-Typen
sind mesenchymale adulte Stammzellen, Muskel-Stammzellen sowie bereits
differenzierte Zellen wie Epithel-Zellen, glatte Muskelzellen, Herzmuskel-Zellen in
Co-Kultur, Mesothelial-Zellen und Chondrocyten, Schwann-Zellen,
Glia-Zellen. In einigen Fällen
kann es auch wüschenswert
sein, Nervenzellen einzuschließen.
Verwiesen wird auf das US-Patent Nr. 5,869,041 (Vandenburgh) in
Bezug auf Muskelzellen. Für
im Gewebe-Enigneering
hergestellte Organe, bei denen unterschiedliche Gewebe in einer
Vorrichtung einbezogen werden müssen,
können
Co-Kulturen der verschiedenen Zellen angewendet werden.
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Zellen
sind vorzugsweise autologe Zellen, die durch Biopsie erhalten und
in Kultur für
eine anschließende
Implantation expandiert wurden, obwohl Zellen von nahen Verwandten
oder anderen Donoren derselben Spezies bei passender Immunosuppression
verwendet werden können.
Nach Zell-Expansion innerhalb der Kultur-Platte können die
Zellen leicht unter Anwendung der üblichen Technik passagiert
werden, bis eine adäquate
Zahl von Zellen erreicht ist.
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Der
Formgedächtnis-Effekt
wird verwendet, um Kräfte
auf die ausgesäten
Zellen zu induzieren. Diese Zellen werden auf einen zusammengezogenen
Filme ausgesät.
Für die
Strukturierung von z.B. Skelett-Muskeln, Knorpel-Gewebe oder Nerven
wird der Formgedächtnis-Effekt
getriggert, und eine Kraft wird auf die ausgesäten Zellen einwirken lassen,
die zu einer Anordnung der Zellen in Reihe in der gewünschten
Richtung führt.
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Beispiele von Gewebe-Engineering-Vorrichtungen:
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Die
vorbereiteten Formgedächtnis-Gerüste werden
für das
Aussäen
von Zellen verwendet. Eine Möglichkeit
ist die Verwendung von Muskelzellen in Kombination mit den SM-Polymer-Gerüsten.
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Muskel-Transfer
ist eine übliche
Prozedur in der plastischen und rekonstruktiven Chirurgie sowie
in anderen Chirurgie-Bereichen, ist jedoch verbunden mit dem Risiko
der Morbidität
für den
Donor-Bereich. Die Fabrikation von Skelettmuskel-Gewebe sowie Glattmuskel-Gewebe
in vitro bietet eine Alternative für diese Verfahrensweise. Die
Schlüssel-Technologie
für die
Fabrikation von durch Gewebe-Engineering hergestellten Skelettmuskel-Gewebe
liegt in der Anordnung der Zellen in Reihe und ihrer Strukturierung.
Hier kann das neue interessante Formgedächtnis-Material in Kombination
mit daran gebundenen Haft-Proteinen das Material sein, nach dem
gesucht wurde, Zwei Möglichkeiten
werden hier kurz angedeutet:
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Eine
Möglichkeit
ist, einen transplantierbaren inneren Sphinkter-Muskel bereitzustellen.
Ein sterilisierter, biologisch abbaubarer thermoplastischer Formgedächtnis-Elastomerfilm wird
als Saat-Oberfläche
für glatte
Muskelzellen verwendet. Die Polymer-Oberfläche kann mit Haft-Proteinen
oder Wachstumsfaktoren bepfropft sein, die auf Anforderung freigesetzt
werden könnten.
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Schweres
Herzversagen ist unter den Todesurachen Nummer eins in westlichen
Gesellschaften. Da Herzmuskel-Gewebe keine Stammzellen hat, müssen neue
Ansätze
für durch
Gewebe-Engineering hergestelltes Herzmuskel-Gewebe entwickelt werden.
Die neuen hervorragenden Formgedächtnis-Materialien
liefern ein Gerüst
mit steuerbaren programmierten Kräften, die eine Co-Kultur von
Herzmuskel-Gewebe mit Skelettmus kel-Stammzellen beeinflussen. Eine
zusätzliche
Differenzierungs-Beschleunigung kann durch in dem Polymer-Gerüst eingearbeitete
bioaktive Substanzen durchgeführt
werden.
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Die
Herausforderung einer geordneten Integration eines komplexen arteriovenösen und
kapillar-vasculären
Baums in große
lebende, durch Gewebe-Engineering hergestellte Organe ex vivo muss
noch gelöst werden.
Für das
Haupt-Ziel einer Bereitstellung neuer Organe für eine Transplantation ist
dies eine wichtige Vorraussetzung. Das Beschicken eines biologisch
abbaubaren thermoplastischen Formgedächtnis-Gerüsts mit Angiogenese-Faktoren,
bei denen die Freisetzung durch den Formgedächtnis-Effekt kontrolliert
werden könnte,
ist eine vollständig
neue Technologie. Die Rekonstruktion ganzer Organe ist einfach nicht
möglich, wenn
es keine Chance gibt, ein funktionierendes arteriovenöses System
in dem Implantat zu generieren. Eine weitere interessante Richtung
ist das Engieering größerer Blutgefäße für eine Transplantation
unter Verwendung von Formgedächtnis-Thermoplasten.
Das Aussäen
glatter Muskelzellen auf der Außenfläche eines Formgedächtnis-Röhrchens
könnte
als stabilisierender Teil für
Blutgefäße verwendet
werden. Die innere Oberfläche
eines solchen Implantats kann mit Epithel-Zellen bedeckt werden,
um eine Thrombose zu vermeiden.
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Bevorzugte
Formgedächtnis-Polymere
(SMP), die im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden
können
sind Lactid-freie SMPs. Es wurde überraschend gefunden, dass
die Lactid-freien SMPs ein Abbau-Verhalten zeigen, das sich von
dem entsprechenden Verhalten Lactid-enthaltender SMPs unterscheidet. Während die
letztgenannten kleine kristalline Teilchen bei Abbau produzieren,
also Teilchen, die ein potentielles Gesundheitsrisiko präsentieren,
wenn dieses Material in vivo verwendet wird, produzieren die Lactid-freien SMPs
keine kleinen kristallinen Teilchen beim Abbau. Dies verbreitert
die Möglichkeiten
zur Verwendung solcher SMPs bei Gewebe-Engineering, insbesondere bei Verwendungen
in vivo.
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Eine
weitere Möglichkeit,
die SMPs zu verändern,
die im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden, ist die
Bereitstellung von Überzügen auf
den SMP-Gerüsten. Solche Überzüge können verwendet werden,
um weiter die Steuerung der Abbau-Kinetiken oder die Freisetzung
von Substanzen zu verbessern, wie beispielsweise der beschriebenen
bioaktiven Substanz von dem SMP-Gerüst während dessen Verwendung bei
Gewebe-Engineering.
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Das Überziehen
einer sich schnell abbauenden Verbindung mit einer sich langsam
abbauenden Verbindung mit geringer Wasser-Permeabilität führt zu einem
Abbau auf Wunsch. Der Formgedächtnis-Effekt
wird verwendet, um den Diffusions-Koeffizienten von Wasser durch
das sich langsam abbauende Material zu verändern oder einfach den Überzug durch
Sher-Kräfte
zu zerstören.
Der Abbau des beschichtungsmäßig aufgebrachten
Materials führt
zu einem scharfen Verlust der strukturellen Integrität des implantierten
Gerüsts.
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Formgedächtnis-Polymere
können
so entworfen werden, dass sich die Abbau-Rate ändern lässt. Beispielsweise kann in
einer Ausführungsform
ein hydrolytisch abbaubares Polymer selektiv durch Aufbringen eines
hydrophoben SMP-Überzugs
geschützt
werden, der zeitweise verhindert, dass Wasser die hydrolytisch abbaubaren
Bindungen des Masse-Polymers erreicht. Das Schutzmerkmal des Überzugs
kann dann modifiziert werden, wenn dies erwünscht ist, indem man einen
externen Stimulus einwirken lässt,
so dass die Diffusions-Eigenschaften des Überzugs in der Weise geändert werden,
dass erlaubt wird, dass Wasser oder andere wässrige Lösungen durch den Überzug permeieren
und den Abbau-Prozeß initiieren.
Wenn die Hydrolyse-Rate relativ hoch ist, verglichen mit der Diffusions-Rate
von Wasser, dann bestimmt die Diffusions-Rate von Wasser durch den Überzug die
Abbau-Geschwindigkeit. In einer anderen Ausführungsform kann ein hydrophober Überzug,
der aus dicht vernetzten weichen Segmenten besteht, als Diffusions-Barriere
für Wasser
oder wässrige
Lösungen
verwendet werden. Die weichen Segmente sollten wenigstens teilweise
vernetzt sein über
Bindungen, die durch Anwenden eines Stimulus gespalten werden können. Die
Diffusions-Rate von Wasser kann durch Senken der Vernetzungs-Dichte
erhöht
werden.
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Ein
weiterer Vorteil des Verfahrens und der Verwendung gemäß der vorliegenden
Erfindung ist die Tatsache, dass die SMPs mit Zellen „ausgesät" werden können, während das
SMP in der temporären
Form zugegen ist. Nach Proliferation der ausgesäten Zellen selbst in vivo während einer
Rekonstruktion von zerstörtem Gewebe
kann der Formgedächtnis-Effekt,
d.h. die Änderung
der Form und/oder des Volumens des SMP-Gerüsts, dazu verwendet werden,
mechanische Kräfte
auf das gewachsene Gewebe auszuüben,
um eine Orientierung und/oder Differenzierung zu induzieren und/oder
bioaktive Substanzen freizusetzen, die innerhalb des SMP-Gerüsts enthalten
sind. Dies ermöglicht
beispielsweise die Orientierung von Knorpel-Gewebe und/oder Muskel-Gewebe,
das auf SMP-Gerüsten
gewachsen ist, in vivo ohne das Erfordernis invasiver Chirurgie.
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Die
im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendeten SMP-Gerüste können in
jeder beliebigen geeigneten Form verwendet werden, jedoch sind Sphären (Kügelchen),
Pellets, Stäbe,
Filme und Röhren
bevorzugt. Verwendbar sind auch poröse Materialien und Schäume.
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Ein
weiterer Vorteil der Verwendung und des Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung ist die Möglichkeit,
eine Abtrennung von SMP-Gerüst
und darauf gewachsenem Gewebe unter Verwendung des Formgedächtnis-Effekts
zu induzieren. Dieses Merkmal kann insbesondere während des
Gewebe-Engineerings adhäsiver
Zellen wie beispielsweise Knorpel-Zellen und/oder Keratinocyten
verwendet werden.
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Zum
Kultivieren adhäsiver
Zellen ist es nötig,
dass jede Zelle physischen Kontakt zu ihren nächsten Nachbarn hat. Wenn die
gesamte Oberfläche
des Träger-Materials
durch die Zellen besetzt ist, stoppt das Zell-Wachstum, und es findet
eine Differenzierung statt. So beschränkt die Oberfläche des
Träger-Materials das
Wachstum der adhäsiven
Zellen. Bis heute wurden für
die Immobilisierung von adhäsiven
Zellen oder bioaktiven Substanzen wie Enzymen, Peptiden, Wachstumsfaktoren
oder Arzneimitteln biokompatible poröse Glaskugeln oder mit Collagen
beschichtete Mikro-Träger
auf der Basis von Dextran verwendet.
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SM-Mikro-Träger, vorzugsweise
poröse
Kugeln, die durch externen Stimulus expandiert werden können, sind
ein innovatives Werkzeug für
einen effizienteren Weg des Kultivierens adhäsiver Zellen. Beispielsweise
ruft ein Öffnen
von Poren oder Kanälen
durch SM-Übergang
in der Schale der Mikro-Kugel ein gesteuertes kontinuierliches Quellen
des Teilchen-Kerns hervor, d.h. eine kontinuierliche Vergrößerung der
Mikro-Teilchen-Oberfläche. Diese
durch Quellen induzierte Expansion erhöht die Mikro-Teilchen-Oberfläche im Bereich
von 20 % bis 500 %, vorzugsweise von 50 % bis 200 %.
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Ein
weiterer schwieriger Schritt beim Kultivieren adhäsiver Zellen
ist die Entfernung der Zellen von dem Träger-Material. Um die Zellen
von dem Glas-Mikroträger
oder mit Kollagen beschichteten Mikro-Träger zu entfernen, wird ein
aggressiver Enzym-Cocktail
verwendet, der den Verlust von Bioaktivität von nahezu 20 % bis 35 %
der Zellen hervorruft. Daher ist das Bedürfnis einer Vorgehensweise
zur minimalen oder nicht-invasiven Entfernung offensichtlich. Diese
nicht-invasive Entfernung kann auch bewirkt werden durch schnellen Abbau
der Mikro-Teilchen-Schale. Die Abbau-Kinetiken sowie die Formgedächtnis-Übergangs-Temperatur wird
unter Anwendung unterschiedlicher Monomer-Verhältnisse maßgeschneidert. Eine andere
Möglichkeit zur
minimalen invasiven Entfernung der Zellen ist der Abbau auf Anforderung,
der durch einen externen Stimulus induziert wird.
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Andererseits
wird auch ein zweiter Formgedächtnis-Effekt
für eine
leichte Entfernung adhäsiver
Zellen ohne Verlieren ihrer Bioaktivität verwendet, und zwar aufgrund
drastischer Änderungen
in der Form der Mikro-Träger
oder durch Umschalten der Oberflächen-Morphologie
von glatt auf rauh oder in verschiedener Richtung. Die vorliegende
Erfindung intelligenter Formgedächtnis-Mikro-Kugeln
führt zu
einem effizienteren Verfahren der Kultivierung jeder Art adhäsiver Zellen.
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Mucosa-Zellen
können
beispielsweise bevorzugt auf Formgedächtnis-Mikro-Kugeln kultiviert
werden, die ein rauhe Oberfläche
aufweisen. Eine Abtrennung kann bewirkt werden durch Induzieren
eines Formgedächtnis-Effekts,
der die Oberflächen-Morphologie von rauh
nach glatt ändert.
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Die
typische Größe der SM-Teilchen
liegt zwischen 10 Nanometer und 2.000 Mikrometer, bevorzugt 200
Nanometer bis 800 Mikrometer. Die Form der Teilchen kann sphärisch (kugelförmig), ellipsoid,
zylindrisch oder in Form eines statistischen Knäuels sein, ist jedoch vorzugsweise
kugelförmig.
Die Mikro-Kugeln können Hart-Kugeln
oder Weich-Kugeln mit einem vorbestimmten Gehalt an Lösungsmittel
(Gel) oder ein poröses
Material mit einheitlicher oder gradientenartig angelegter Polymer-Dichte
sein. Auch hohle Kugeln wie Micellen, Kern-Schale-Teilchen oder
zwei- oder mehrschichtige Strukturen wie Vesikel wie beispielsweise „Zwiebeln" können als
SM-Mikro-Kugeln verwendet werden.
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Die
SM-Mikro-Kugeln können
elektrisch leitfähige
oder magnetische Teilchen oder Teilchen für diagnostische Bildgebungs-Verfahren
wie radioopaque Materialien oder biologisch aktive Moleküle, die
verabreicht werden sollen, oder Verbindungen zur zielgerichteten
Abgabe der Mikro-Kugeln einschließen.
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Diese
Mikro-Kugeln zeigen einen durch einen äußeren Stimulus induzierten
SM-Übergang
mit einer oder mehreren Formen im Gedächtnis bei makroskopischer
oder mikroskopischer Längen-Skala.
Die SM-Mikro-Kugeln bestehen aus biokompatiblen, biologisch abbaubaren
Formgedächtnis-Polymeren,
die wenigstens eine physikalische Vernetzung enthalten (Thermoplaste)
oder kovalente Vernetzungen enthalten (Thermoset bzw. wärmegehärtete Materialien).
Die Formgedächtnis-Polymere
können
auch einander durchdringende Netzwerke oder semi-interpenetrierende
Netzwerke sein. Die verwendeten biokompatiblen, biologisch abbaubaren
thermoplastischen Formgedächtnis-Mikro-Kugeln
sind ein Multiblock-Copolymer mit amorphen und/oder kristallinen
Domänen,
die aus gekoppelten Co-Oligomeren von ε-Caprolacton, Ethylenglycol,
Propylenglycol, L,L-Milchsäure,
D,L-Milchsäure,
Glycolsäure
und Paradioxanon bestehen.
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Für die SM-Mikro-Kugeln
ist die Verwendung synthetischer segmentartig aufgebauter Block-Copolyester-Urethane
mit thermischen Formgedächtnis-Eigenschaften
als poröse
Schäume
oder Filme bevorzugt. Diese Materialien sind die poröse hydrophobe
Struktur-Basis der
Mikro-Teilchen. Die Multiblock-Copolyester-Urethane bestehen aus
gekop pelten Co-Oligomeren von ε-Caprolacton,
L,L-Milchsäure,
D,L-Milchsäure, Glycolsäure und
Paradioxanon. Die Kupplung wird unter Verwendung von 2,2(4),4-Trimethylhexandiisocyanat durchgeführt. Eine
Synthese wird typischerweise in zwei Schritten durchgeführt. Im
ersten Schritt werden Makrodiole mit verschiedenen thermischen charakteristischen
Eigenschaften über
Ringöffnungs-Polymerisation (ROP)
der cyclischen Ester synthetisiert gereinigt. Eine Copolymerisation
von L-Milchsäure
mit Glycolsäure unter
Verwendung eines Zinn-Katalysators für die Umesterung und Ethylenglycol
als Initiator in einer Masse-Reaktion führt zu einem amorphen weichen
Segment mit einem durch das Lactid-/Glycolid-Verhältnis gesteuertem
Wen der Tg. Der Oligomerisations-Grad könnte unter
Verwendung des Monomer-Initiator-Verhältnisses maßgeschneidert werden.
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Für die kovalent
vernetzten Polymer-Netzwerke werden die telechelen Makrodiole difunktionalisiert oder
höher funktionalisiert,
und zwar mit jeder beliebigen An von polymerisierbaren End-Gruppen,
vorzugsweise Methacrylaten oder Acrylaten. Die Netzwerk-Bildung
wird indüziert
durch Radikal-Polymerisation, vorzugsweise durch Bestrahlung mit
UV-Licht.
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Die
Synthese der gewünschten
Mikro-Träger
bezieht sich auf die Verarbeitung in der benötigten Form, das Programmieren
des Formgedächtnis-Effekts
und die Bestimmung der Rate und Kinetik des Polymer-Abbaus wie auch
die Sterilisation des Materials in nicht-invasiver Weise.
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Eine
Verarbeitung der gewünschten
Form bedeutet einerseits die Verwendung von Emulsions-Polymerisations-Techniken
für die
Synthese der Mikro-Teilchen. Andererseits können alle herkömmlichen
Verfahrensweisen des Mahlens und Zerkleinerns von makroskopischen
Materialien in Mikro-Teilchen verwendet werden, auch die Verwendung
von Sprühtrocknungs-Verfahren
ist zur Schaffung der Mikro-Kugeln möglich.
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Die
Bildung von dreidimensionalen porösen Strukturen kann induziert
werden durch Auslaugen mit Salz, thermisch induzierte Phasen-Trennung,
Doppel-Emulsions-Technik
oder Gasschäum-Verfahren.
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Das
Programmieren des Formgedächtnis-Effekts
bedeutet die Schaffung einer permanenten Struktur und Form der Vorrichtung
durch Erhitzen in einer Form auf eine Temperatur oberhalb der Übergangs-Temperatur
der oberen Domain und Ausbalancieren des Systems. Die temporäre Struktur
wird durch Erhitzen auf einen Wert oberhalb der Übergangs-Temperatur der unteren
Domänen,
Fixieren der temporären
Struktur und Abschrecken fixiert, beispielsweise durch die Aufbringung
von Sher-Kraft auf die Mikro-Teilchen.
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Die
folgenden Synthese-Beispiele veranschaulichen die Herstellung von
SMP-Materialien,
die im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
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Thermoplastische SMP mit
Phasen-segregierten Block-Couolymeren
-
Block-Copolymere
wurden hergestellt durch Verbinden von Makrodiolen mit Diisocyanat.
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Synthese von telechelen
Molekülen
Oligomeren mit funktionellen Gruppen an beiden Enden:
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Das
telechele Makrodiol wurde synthetisiert durch Ring-Öffnungs-Polymerisation
cyclischer Monomere mit Di(n-butyl-)zinnoxid als Umesterungs-Katalysator
unter einer N2-Atmosphäre.
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α,ω-Dihydroxy-[oligo-(ethylenglycolglycolat-)
ethylen-oligo-(ethylenglycolglycolat)] – (PDS 1200 und PDS 1300) wurde
wie folgt hergestellt: Das Monomer p-Dioxan-2-on wurde erhalten
durch Destillation (thermische Depolymersiation) des Oligomers vor
der Verwendung. 57 g (0,63 Mol) des Monomers, 0,673 g (10,9 mMol),
Ethylenglycol und 0,192 g (0,773 mMol) Di-(n-butyl-)zinnoxid wurden
auf 80 °C
für die
Zeit von 24 h erhitzt. Das Ende der Reaktion (Gleichgewicht) wurde
durch GPC bestimmt. Das Pro dukt wurde in heißem 1,2-Dichlorethan gelöst und durch
einen Büchner-Trichter
heiß filtriert,
der mit Silica-Gel gefüllt
war. Das Produkt wurde erhalten durch Fällung von Hexanen und Trocknen
im Vakuum für
die Zeit von 6 h.
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α,ω-Dihydroxy-[oligo-(L-lactat-co-glycolat-)
ethylen-oligo-(L-lactat-co-glycolat)] – (abgekürzt: PLGA2000-15) wurde wie
folgt hergestellt: In einem 1.000 ml Zweihals-Rundboden-Kolben wurden 300 g (2,08 Mol)
L,L-Dilactid, 45 g (0,34 Mol) Diglycolid und 4,94 g (0,80 Mol) Ethylenglycol
zum Schmelzen bei 40 °C
erhitzt und gerührt.
0,614 g (2,5 mMol) Di-(n-butyl-)zinnoxid wurden zugesetzt. Nach
7 h erreicht die Reaktion das Gleichgewicht; die
durch GPC bestimmt wurde. Die Reaktionsmischung wurde in 1,2-Dichlorethan
gelöst und
in einer Silica-Gel-Säule
gereinigt. Das Produkt wurde erhalten durch Fällen in Hexanen und wurde im
Vakuum 6 h lang getrocknet.
-
Makrodiole von ε-Caprolacton:
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51,5
g (0,452 Mol) ε-Caprolacton,
565,6 mg (62,1 mMol) Ethylenglycol und 337,1 mg (1,49 mMol) Di-n-butyl-zinnoxid
wurden bei 135 °C
6 h lang gerührt.
Die Reaktionsmischung wurde in 1,2-Dichlorethan gelöst und in
einer Silica-Gel-Säule
gereinigt. Das Produkt wurde erhalten durch Fällung mit Hexanen und wurde im
Vakuum 6 h lang getrocknet.
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Polyaddition:
-
Die
Makrodiole wurden in trockenem 1,2-Dichlorethan gelöst und über einem
Molekular-Sieb durch azeotrope Soxleth-Destillation getrocknet.
Der Wassergehalt (< 10
ppm) wurde bestimmt in Übereinstimmung mit
dem Karl-Fischer-Verfahren. Frisch destilliertes Diisocyanat wurde
in das Reaktionsgefäß mit einer
Spritze gegeben, und eine Polymerisation wurde bei 80 °C unter Rühren durchgeführt. Die
Reaktion wurde über
GPC überwacht.
Das Polymer wurde erhalten durch Fällung in Hexan, und eine Reinigung
wurde durchgeführt
durch wiederholtes Lösen
in 1,2-Dichlorethan und Fällen
in Hexan. Das End-Polymer wurde im Vakuum getrocknet.
-
Die
Polyaddukte, die Caprolacton und Dioxan umfassen, werden nachfolgend
mit „PDC" abgekürzt.
-
Die
Gew.-%-Menge wurde an Oligo-(p-dioxanon) in dem Polymer wird angegeben
mit der Probe ID.
-
Tabelle
1 Reaktionsparameter
für PDC-Multiblock-Copolymere,
die ODX und OCL umfassen.
-
Tabelle
2 Chemische
Zusammensetzung und Molekulargewichte der PDC-Multiblock-Copolymere
-
Die
Molekulargewichte der synthetisierten Materialien wurden gemessen
durch relative GPC in Chloroform. Eine Kalibrierung erfolgte unter
Verwendung enger Polystyrol-Standards.
-
Tabelle
5 Ausgewählte Formgedächtnis-Eigenschaften,
bestimmt aus cyclischen thermomechnischen Experimenten zwischen –20 und
50 °C
-
Formgedächtnis-Eigenschaften
können
gemessen werden unter Anwendung cyclischer thermo-mechanischer Tests
nach einem in der Literatur beschriebenen Verfahren (B.K. Kim, S.Y.
Lee, M. Xu, Polymer 37 (1996), 5781). Das Material wird zu Filmen
mit einer speziellen Dicke gepresst. In Form von „Hundeknochen" ausgebildete Proben
wurden aus den Filmen ausgestanzt und in ein Gerät zum Testen der Zugfestigkeit
angebracht, das mit einer Thermo-Kammer ausgestattet war.
-
Das
Spannungs-Rückgewinnungs-Verhältnis Rf und die Form-Fixheit Rf können erhalten
werden nach der Berechnung, die beschrieben wurde in: „H. Tobushi,
H. Hara, E. Yamada, S. Hayashi; S. P. I. E. 2716, (1996), 46". Die Spannungs-Rückgewinnung
hängt ab
von der Zyklus-Zahl n und nähert
sich schrittweise an 100 % nach einer Lernphase während des
ersten Paars von Zyklen an. Die Form-Fixiertheit wird bestimmt durch
die amorphen Bereiche, die in der Lage sind, entropische Elastizität nach der
Form-Programmierung zu zeigen, und bleibt über die verschiedenen Zyklen
konstant.
-
Die
Formgedächtnis-Eigenschaften
hängen
stark von der Kombination der zwei Segmente ab. Das harte Segment
ist verantwortlich für
die mechanische Stabilität
des Materials, und das weiche Segment ist verantwortlich für hohe Verhältnisse
der Spannungs-Rückgewinnung.
-
-
1. Hydrolytischer Abbau
thermoplastischer Formgedächtnis-Elastomere
bei einem pH-Wert von 7, Masse- und Molekulargewichts-Verlust verschiedener
Polymer-Proben bei
70 °C (☐ PDC10;
(O PDC17; (Δ PDC31; ∇ PDC42).
-
Abbaubare
Biomaterialien müssen
Bindungen enthalten, die unter physiologischen Bedingungen gespalten
werden können.
Es kann ein enzymatisches oder hydrolytisches Schneiden der chemischen
Bindungen erfolgen. Die hydrolytische Spaltung hat den Vorteil,
dass die Abbau-Rate unabhängig
von der Implantations-Stelle ist. Da Enzym-Konzentration im Körper signifikant in Abhängigkeit
von dem Ort schwanken, hängt die
enzymatisch katalysierte Spaltung chemischer Verbindungen stark
von der Implantations-Stelle ab. Aus diesem Grund führten wir
hydrolytisch spaltbare Bindungen für die Synthese biologisch abbaubarer
thermoplastischer Formgedächtnis-Elastomere
ein. Die Abbau-Kinetiken könnten
geändert
werden durch Modifikation der verwendeten Kombination von Vorstufen-Materialien.
Eine Erhöhung
der Menge an hartem Segment führt
zu einem schnelleren Verlust an Masse und an Molekulargewicht.
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Es
gibt einige Verfahren zum charakterisieren des Abbaus eines Polymers,
z.B. mechanische Eigenschaften, molare Masse und Gewicht.
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Der
Abbau-Prozeß könnte in
drei Stufen aufgespalten werden. In der ersten Stufe findet eine
Wasseraufnahme und ein Quellen des Polymers in erheblicher Menge
in Abhängigkeit
von der Hydrophobizität
statt. Einige Ester-Bindungen werden gespalten. In der zweiten Stufe
konnte ein erheblicher Verlust an molarer Masse beobachtet werden.
Die Hydrolyse ist autokatalysiert durch saure Gruppen, die durch
die Spaltung der Ester-Bindungen
aufgebaut werden. Die mechanischen Eigenschaften brechen zusammen.
Die dritte Stufe ist gekennzeichnet durch den Massen-Verlust der
Probe. In einigen Fällen
konnten hochkristalline Polymer-Teilchen am Ende des Abbau-Prozesses
beobachtet werden. Der Abbau von Materialien auf Poly-L-Milchsäure-Basis
führt zur
Bildung solch hochkristalliner Teilchen. Wenn diese Teilchen eine
zu große
Größe, haben, könnte die
Bildung fibröser
Kapseln in vivo beobachtet werden. Der Abbau-Prozeß wird gestoppt,
und die verkapselten Teilchen bleiben im Körper und können Entzündungen hervorrufen. Die Materialien
zeigen auch einen nicht-linearen Masse-Verlust, der zu einer plötzlichen
Freisetzung von Abbau-Produkten aus dem Bulk-Material und daher
zu hohen Konzentrationen an z.B. Milchsäure führt, die Entzündungen
hervorrufen können
(K. Fu, D.W. Pack, A.M. Kilbanov, R.S. Langer, Pharm. Res. 17: 1,
100 (2000); K.A. Hooper, N.D. Macon, J. Kohn, J. Biomed. Mat. Res.
32, 443 (1998). Im Gegensatz zu diesen Polymeren zeigen die angewendeten
Multiblock-Copolymere einen linearen Masse-Verlust und keine Bildung
kristalliner Teilchen. Die neuen hervorragenden Multiblock-Formgedächtnis-Materialien
zeigen einen Teilchen-freien Abbau in in vitro-Studien.
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Synthese von Polye-Caprolactondimethacrylaten
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Die
Synthese von Poly-ε-caprolactondimethacrylaten
(PCLDMA) erfolgt nach dem Verfahren, das beschrieben wurde von Aoyagi
et al. (19). Das Verfahren wird beschrieben an dem Beispiel von
PCLDMA2000 (Molekulargewicht = 2000). Einer Lösung von 20 g (10 mMol) Poly-ε-caprolactondiol
und 5,3 ml Triethylamin (38 mMol) in 200 ml an trockenem THF wurden
3,7 ml (38 mMol) Methacrylochlorid tropfenweise bei 0 °C zugesetzt.
Die Lösung
ließ man
nun auf Raumtemperatur erwärmen
und rührte
für 3 Tage.
Danach wurde das ausgefällte
Salz abfiltriert, und das Lösungsmittel
wurde bei Raumtemperatur unter verringertem Druck verdampft. Das
rohe Produkt wurde erneut in 200 ml Ethylacetat gelöst, wiederum
filtriert und in einen zehnfachen Überschuß einer Mischung von Hexanen,
Ethylether und Methanol (18 : 1 : 1) ausgefällt. Das farblose Präzipitat
wurde gesammelt und in 100 ml Dichlorethan gelöst, erneut gefällt und
sorgfältig
unter verringertem Druck bei Raumtemperatur getrocknet. Der Grad
an Methacrylierung wurde durch 1H-NMR-Spektroskopie
bestimmt.
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Synthese der Polymer-Netzwerke:
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Eine
Mischung von Poly-ε-caprolactondimethacrylat
und der passenden Menge an m-Butylacrylat
wurde auf 10 °C
oberhalb der Schmelztemperatur Tm erhitzt und in eine Form gefüllt, die
aus zwei Glasplatten (25 mm × 75
mm) und einen Teflon-Abstandhalter
von 0,6 mm Dicke gebildet wurde. Um eine gute Homogenität zu erreichen,
wurde die Form bei Tm für
eine weitere Stunde gelagert. Ein Photohärten erfolgte mit einer 100 Watt
Quecksilberbogen-Lampe (Ultracure 100ss plus, Firma Efos) auf einer
geheizten Platte bei Tm und dauerte, solange nichts anderes angegeben
ist, 15 min. Die Entfernung zwischen Lampenkopf und Probe betrug 5,0
cm. Nach Abkühlen
auf Raumtemperatur wurde das isolierte Gewicht bestimmt (miso).
Die Probe wurde extrahiert und mit einem 100-fachen Überschuß an Dichlormethan über Nacht
gequollen, sorgfältig
gewaschen und gewogen (msw). Nach Trocknen bei Raumtemperatur unter
verringertem Druck wurde die Probe erneut gewogen (md).
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Mechanische und thermomechanische
Experimente:
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Zugfestigkeits-Tests
bei Raumtemperatur wurden an dem Gerät Instron 3100 durchgeführt. Experimente
bei ausgedehnter Temperatur und thermocyclische Experimente wurden
auf einem Gerät
Zwick 1410 mit einer Climatix-Wärmekammer
und einem Eurotherm-Temperatur-Steuergerät durchgeführt. Die Spannungs-Rate betrug
10 mm/min in allen Experimenten. Das thermocyclische Programm bestand
aus (a) Aufheizen der Probe auf Th; Ausdehnen auf εm, Herunterkühlen auf
T1 im ausgedehnten Zustand und (b) Entlasten auf 0 % Ausdehnung
bei T1. Die Temperaturen Th und T1 wurden für wenigstens 10 Minuten gehalten,
bevor man die Probe belastete oder entlastete. Jeder Zyklus (a)
bis (b) wurde fünfmal
wiederholt.
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Tabelle
1 Copolymerisate
aus PCLDMA2000 oder PCLDMA10000 und n-Butylacrylat
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Quell-Grad
Q der Filme: in Dichlormethan