DE69917224T2

DE69917224T2 - Bioabbaubare polymere mit formgedächtnis

Info

Publication number: DE69917224T2
Application number: DE69917224T
Authority: DE
Inventors: S. Robert LANGER; Andreas Lendlein; Annette Schmidt; Hans Grablowitz
Original assignee: Massachusetts Institute of Technology
Current assignee: Massachusetts Institute of Technology
Priority date: 1998-02-23
Filing date: 1999-02-23
Publication date: 2004-09-09
Anticipated expiration: 2019-02-24
Also published as: ATE266434T1; EP1056487B1; CA2316190A1; WO1999042147A1; EP1056487A1; BR9907968A; JP2002503524A; ES2221363T3; IL137299A0; JP4034036B2; RU2215542C2; AU751861B2; JP2007314797A; KR100382568B1; IL137299A; HU222543B1; JP2005325336A; CZ20003072A3; BR9907968B1; AU2784599A

Description

Diese Anmeldung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der Shape-Memory-Polymeren und insbesondere auf biologisch abbaubare Shape-Memory-Polymere.
Unter Shape-Memory ist die Fähigkeit eines Materials zu verstehen, zu seiner ursprünglichen Gestalt zurückzukehren entweder nach einer mechanischen Verformung (1), wobei es sich um einen Einweg-Effekt handelt, oder durch Abkühlen und Erwärmen (2), wobei es sich um einen Zwei-Wege-Effekt handelt. Dieses Phänomen basiert auf einer Struktur-Phasenumwandlung.
Die ersten Materialien, die bekannt dafür waren, dass sie diese Eigenschaften haben, waren Shape-Memory-Metalllegierungen (SMAs), beispielsweise TiNi (Nitinol)-, CuZnAl- und FeNiAl-Legierungen. Die Struktur-Phasenumwandlung dieser Materialien ist bekannt als martensitische Umwandlung. Diese Materialien wurden für verschiedene Verwendungszwecke vorgeschlagen, beispielsweise für Gefäß-Stents, für medizinische Führungsdrähte, orthodontische Drähte, Vibrationsdämpfungsmittel, Rohr- bzw. Schlauchkupplungen, elektrische Verbindungseinrichtungen, Thermostaten, Actuatoren, Brillengestelle und Büstenhalter-Bügel. Diese Materialien wurden bisher jedoch nicht in großem Umfang eingesetzt, zum Teil weil sie verhältnismäßig teuer sind.
Shape-Memory-Polymere (SMPs) wurden entwickelt, um die Verwendung von SMAs zu ersetzen oder zu erweitern, teilweise weil die Polymeren leicht sind, ein hohes Shape-Recovery-Vermögen besitzen, leicht zu handhaben sind und wirtschaftlich sind im Vergleich zu SMAs. In der Literatur werden SMPs allgemein als Phasen segregierte lineare Block-Copolymere charakterisiert, die ein hartes Segment und ein weiches Segment aufweisen. Das harte Segment ist in der Regel kristallin und weist einen definierten Schmelzpunkt auf, und das weiche Segment ist in der Regel amorph und weist eine definierte Glasumwandlungs- bzw. Glasübergangstemperatur auf. Bei einigen Ausführungsformen ist jedoch das harte Segment amorph und weist eine Glasumwandlungs- bzw. Glasübergangstemperatur anstelle eines Schmelzpunktes auf. Bei anderen Ausführungsformen ist das weiche Segment kristallin und weist einen Schmelzpunkt anstelle einer Glasumwandlungs- bzw. Glasübergangstemperatur auf. Der Schmelzpunkt oder die Glasumwandlungs- bzw. Glasübergangstemperatur des weichen Segments ist im Wesentlichen niedriger als der Schmelzpunkt oder die Glasumwandlungs- bzw. Glasübergangstemperatur des harten Segments.
Wenn das SMP auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes oder der Glasübergangstemperatur des harten Segments erhitzt wird, kann das Material geformt werden. Diese (ursprüngliche) Gestalt kann gespeichert werden durch Abkühlen des SMP unter den Schmelzpunkt oder die Glasübergangstemperatur des harten Segments. Wenn das geformte SMP unter den Schmelzpunkt oder die Glasübergangstemperatur des weichen Segments abgekühlt wird, während die Gestalt geändert wird, wird eine neue (vorübergehende) Gestalt fixiert. Die ursprüngliche Gestalt wird zurückgewonnen durch Erhitzen des Materials über den Schmelzpunkt oder die Glasübergangstemperatur hinaus oder durch eine andere thermische Umwandlung des weichen Segments, jedoch unterhalb des Schmelzpunktes oder der Glasübergangstemperatur, oder eine andere thermische Umwandlung des harten Segments. Bei einem anderen Verfahren zum Fixieren einer vorübergehenden Gestalt wird das Material bei einer Temperatur unterhalb der T_trans des weichen Segments verformt, was zu Spannungen und Dehnungen führt, die durch das weiche Segment absorbiert werden. Wenn das Material über den Schmelzpunkt oder die Glasübergangstemperatur des weichen Segments hinaus erhitzt wird, jedoch unterhalb des Schmelzpunktes (oder der Glasübergangstemperatur) des harten Segments bleibt, werden die Spannungen und Dehnungen (Verformungen) aufgelöst und das Material kehrt zu seiner ursprünglichen Gestalt zurück. Die Rückgewinnung der ursprünglichen Ge stalt, die durch eine Erhöhung der Temperatur induziert wird, wird als thermischer Shape-Memory-Effekt bezeichnet. Die Eigenschaften, die den Shape-Memory-Effekt eines Materials beschreiben, sind die Rückgewinnung bzw. Rückkehr zu der ursprünglichen Gestalt und die Fixierung der vorübergehenden Gestalt.
In EP-A-0 326 426 der Firma Japan Medical Supply Co., Ltd., sind Gegenstände bzw. Artikel beschrieben, die durch Formen von biologisch abbaubaren Shape-Memory-Polymeren aus einem Lactid- oder Glycolid-Homopolymer hergestellt sind. Diese Polymeren verändern ihre Gestalt nur als Funktion einer Erhöhung der Temperatur und sind von nur sehr begrenzter Verwendbarkeit, da beide Polymere sehr spröde sind mit Dehnungen beim Bruch von weniger als 10%.
Auch mehrere andere physikalische Eigenschaften der SMPs als die Fähigkeit, die ursprüngliche Gestalt wieder anzunehmen, ändern sich signifikant in Abhängigkeit von äußeren Temperaturänderungen und Beanspruchungen, insbesondere beim Schmelzpunkt oder bei der Glasübergangstemperatur oder bei einem anderen thermischen Effekt des weichen Segments. Zu diesen Eigenschaften gehören der Elastizitätsmodul, die Härte, die Flexibilität, die Wasserdampf-Durchlässigkeit, die Dämpfungseigenschaften, der Brechungsindex und die Dielektrizitätskonstante. Der Elastizitätsmodul (das Verhältnis zwischen der Spannung in einem Körper und der entsprechenden Dehnung) eines SMP kann sich um einen Faktor von bis zu 200 ändern, wenn er auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes oder oberhalb der Glasübergangstemperatur des weichen Segments erhitzt wird. Außerdem ändert sich die Härte des Materials dramatisch, wenn das weiche Segment eine Temperatur beim oder oberhalb seines Schmelzpunktes oder seiner Glasübergangstemperatur hat. Wenn das Material auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes oder der Glasübergangstemperatur des weichen Segments erhitzt wird, kann das Dämpfungsvermögen bis zu dem Fünffachen höher sein als bei einem konventionellen Kautschukprodukt. Das Material kann nach zahlreichen thermischen Zyklen seine ursprüngliche Gestalt leicht wieder annehmen und kann auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des harten Segments erhitzt und umgeformt und abgekühlt werden, um eine neue ursprüngliche Gestalt zu fixieren.
In WO-A-95/34331 ist ein sich selbst ausdehnender anpassungsfähiger Hohlraumverschluss für die Verwendung bei der Implantation von Endo-Gelenkprothesen beschrieben.
In DE-A-42 26 465 ist ein Material beschrieben, das zur Herstellung von Kieferknochen (Backenknochen) verwendbar ist.
Konventionelle Shape-Memory-Polymere sind im Allgemeinen in Segmente unterteilte Polyurethane und sie weisen harte Segmente auf, die aromatische Reste enthalten. In dem US-Patent Nr. 5 145 935 (Hayashi) ist beispielsweise ein Shape-Memory-Polyurethan-Elastomer-Formkörper beschrieben, der aus einem Polyurethan-Elastomer hergestellt ist, das durch Polymerisation aus einem difunktionellen Diisocyanat, einem difunktionellen Polyol und einem difunktionellen Kettenverlängerungsmittel hergestellt worden ist.
Zu Beispielen für Polymere, die zur Herstellung von harten und weichen Segmenten von bekannten SMPs verwendet werden, gehören verschiedene Polyether, Polyacrylate, Polyamide, Polysiloxane, Polyurethane, Polyetheramide, Polyurethan/Harnstoffe, Polyetherester und Urethan/Butadien-Copolymere (vgl. z. B. US-Patent Nr. 5 506 300 (Ward et Al.); US-Patent Nr. 5 145 935 (Hayashi); US-Patent Nr. 5 665 822 (Bitler et Al.) und Gorden, "Applications of Shape Memory Polyurethanes" in "Proceedings of the First International Conference on Shape Memory and Superelastic Technologies", SMST International Committee, Seiten 115–119 (1994).
Obgleich diese Polymeren bereits für eine Reihe von Verwendungszwecken vorgeschlagen worden sind, ist ihre medizinische Verwendung beschränkt auf Einrichtungen, die nicht in den Körper implantiert werden oder darin verbleiben. Es ist wünschenswert, über Shape-Memory-Polymere zu verfügen, die jedoch biologisch abbaubar sein sollten. Es sind viele andere Anwendungszwecke für biologisch abbaubare Shape-Memory-Polymere ersichtlich, beispielsweise für die Verwendung zur Herstellung einer Windel oder von medizinischen Tuch-Einlagen oder für Verpackun gen für Lebensmittel oder andere Materialien, bei denen Entsorgungsprobleme auftreten. Es ist jedoch aus den handelsüblichen Polyurethan-Materialien nicht ersichtlich, dass einem Shape-Memory-Polymer biologisch abbaubare Materialien einverleibt werden können und diese dennoch die strukturellen und anderen physikalischen und chemischen Eigenschaften beibehalten, die wesentlich sind für die Shape-Memory-Polymeren und ihre Anwendung. Darüber hinaus enthalten die Komponenten der bekannten Polyurethan-Shape-Memory-Polymeren aromatische Gruppen, von denen erwartet werden kann, dass sie nicht biologisch kompatibel sind.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, biologisch abbaubare Shape-Memory-Polymere bereitzustellen.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, Shape-Memory-Polymere mit physikalischen und chemischen Eigenschaften und chemischen Strukturen bereitzustellen, die verschieden sind von denjenigen der konventionellen Shape-Memory-Polymeren.
Zusammenfassung der Erfindung
Biologisch abbaubare Shape-Memory-Polymerzusammensetzungen, daraus hergestellte Gegenstände bzw. Artikel und Verfahren zur Herstellung und Verwendung derselben werden nachstehend beschrieben. Die Polymerzusammensetzungen umfassen ein oder mehr harte Segmente und ein oder mehr weiche Segmente, wobei die Zusammensetzungen biokompatibel sind und mindestens eines der Segmente biologisch abbaubar ist oder mindestens eines der Segmente über eine biologisch abbaubare Verknüpfung an ein anderes Segment gebunden ist.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind daher Zusammensetzungen, Gegenstände (Artikel) und Verfahren, wie sie in einem der Ansprüche 1 bis 20 definiert sind.
Der Schmelzpunkt oder die Glasübergangstemperatur oder ein anderer thermischer Effekt (nachstehend als T_trans bezeichnet) des harten Segments ist um mindestens 10 °C, vorzugsweise um 20°C höher als die T_trans des weichen Segments. Die T_trans des harten Segments liegt vorzugsweise zwischen –30 und 270°C, besonders bevorzugt zwischen 30 und 150°C und am meisten bevorzugt zwischen 30 und 100°C. Das Gewichtsverhältnis zwischen den harten Segmenten und den weichen Segmenten liegt zwischen etwa 5 : 95 und 95 : 5, vorzugsweise zwischen 20 : 80 und 80 : 20. Die Shape-Memory-Polymeren enthalten mindestens eine physikalische Vernetzung (eine physikalische Wechselwirkung des harten Segments) oder sie enthaltend kovalente Vernetzungen anstelle eines harten Segments. Die Shape-Memory-Polymeren können auch einander durchdringende Netzwerke oder einander halb durchdringende Netzwerke sein.
Neben Zustandsänderungen von einem festen in einen flüssigen Zustand (Schmelzpunkt oder Glasübergangstemperatur) können harte und weiche Segmente auch Zustandsänderungen von einem festen Zustand in einen festen Zustand unterliegen und sie können ionischen Wechselwirkungen unterliegen, an denen Polyelektrolyt-Segmente beteiligt sind oder es können supramolekulare Effekte auf der Basis von hoch organisierten Wasserstoffbindungen auftreten.
Es können beliebige Polymere, die kristallin oder amorph sind und eine T_trans innerhalb des hier definierten Bereiches aufweisen, zur Herstellung der harten und weichen Segmente verwendet werden. Zu repräsentativen biologisch abbaubaren Polymeren gehören Polyhydroxysäuren, Polyalkanoate, Polyanhydride, Polyphosphazene, Polyetherester, Polyesteramide, Polyester und Polyorthoester. Zu Beispielen für biologisch abbaubare Verknüpfungen gehören Ester-, Amid-, Anhydrid-, Carbonat- und Orthoester-Verknüpfungen.
Formgegenstände können hergestellt werden aus den Shape-Memory-Polymerzusammensetzungen, beispielsweise durch Spritzgießen, Blasen, Extrudieren und durch Laserablation. Zur Herstellung eines Gegenstandes, der eine Shape-Memory-Eigenschaft hat, kann der Gegenstand bei einer Temperatur oberhalb der T_trans des harten Segments geformt und auf eine Temperatur unterhalb der T_trans des weichen Segments abgekühlt werden. Wenn der Gegenstand anschließend zu einer zweiten Gestalt geformt wird, kann der Gegenstand durch Erhitzen desselben auf eine Temperatur oberhalb der T_trans des weichen Segments und unterhalb der T_trans des harten Segments wieder in seine ursprüngliche Gestalt zurück überführt werden.
Wärmegehärtete Polymere (Thermosets) können hergestellt werden durch Vorformen von Makromonomeren, beispielsweise durch Extrusion und Fixieren der ursprünglichen Gestalt bei einer Temperatur oberhalb der T_trans des wärmegehärteten Polymers, beispielsweise durch Lichthärtung von reaktiven Gruppen an dem Makromonomer.
Beschreibung der Zeichnungen
1 erläutert den Ein-Weg-Shape-Memory-Effekt;
2 erläutert den Zwei-Wege (thermischen)-Shape-Memory-Effekt;
3 erläutert Kombinationen von geeigneten Klassen von thermoplastischen Materialien;
4 zeigt ein Diagramm einer Reaktionsfolge für die Synthese eines bevorzugten Fotovernetzungsmittels;
5 erläutert einen foto-induzierten Shape-Memory-Effekt;
6 erläutert den Mechanismus des thermischen Shape-Memory-Effekts für ein Multiblock-Copolymer;
7 stellt ein Diagramm dar, das die Spannung in Abhängigkeit von der Dehnung für ein Multilock-Copolymer-Shape-Memory-Polymer zeigt;
8 stellt ein Diagramm dar, das die Schmelztemperatur von Diolen, Dimethacrylaten und wärmegehärteten Materialien aus Poly(ε-caprolacton) als Funktion des Molarmassengewichts M_n der Makromonomeren zeigt.
Detalllierte Beschreibung der Erfindung
Biologisch abbaubare Shape-Memory-Polymerzusammensetzungen, daraus hergestellte Gegenstände bzw. Artikel und Verfahren zur Herstellung und Verwendung derselben werden nachstehend beschrieben.
Definitionen
Der hier verwendete Ausdruck "biologisch abbaubar" bezieht sich auf Materialien, die biologisch resorbierbar und/oder abbaubar sind und/oder durch mechanischen Abbau aufgrund einer Wechselwirkung mit einer physiologischen Umgebung zerfallen zu Komponenten, die über einen Zeitraum von Minuten bis zu drei Jahren, vorzugsweise von weniger als einem Jahr, verstoffwechselbar oder ausscheidbar sind, während sie gleichzeitig die erforderliche Strukturintegrität beibehalten. Der hier unter Bezugnahme auf Polymere verwendete Ausdruck "Abbau" bezieht sich auf eine Spaltung der Polymerkette, sodass das Molekulargewicht in dem Oligomer-Bereich etwa konstant bleibt und Teilchen aus dem Polymer nach dem Abbau verbleiben. Der Ausdruck "vollständiger Abbau" bezieht sich auf eine Spaltung des Polymers im molekularen Bereich, sodass im Wesentlichen ein vollständiger Massenverlust auftritt. Der Ausdruck "Abbau", wie er hier verwendet wird, umfasst, wenn nichts anderes angegeben ist, auch den Ausdruck "vollständiger Abbau".
Ein Polymer ist ein Shape-Memory-Polymer, wenn die ursprüngliche Gestalt des Polymers durch Erhitzen desselben auf eine Temperatur oberhalb einer Gestaltrückgewinnungs-Temperatur (definiert als T_trans eines weichen Segments) zurückgewonnen (zurückgebildet) wird, selbst wenn die ursprüngliche Gestalt des Polymers bei einer niedrigeren Temperatur als der Gestaltrückgewinnungs-Temperatur mecha nisch zerstört wird oder wenn die gespeicherte Gestalt durch Anwendung eines anderen Stimulus zurückgewonnen wird.
Der hier verwendete Ausdruck "Segment" bezieht sich auf einen Block oder eine Sequenz eines Polymers, der (die) einen Teil des Shape-Memory-Polymers bildet.
Die hier verwendeten Ausdrücke "hartes Segment" und "weiches Segment" stellen relative Ausdrücke dar, die sich auf die T_trans der Segmente beziehen. Das (die) harte(n) Segmente) weist (weisen) eine höhere T_trans als das (die) weiche(n) Segmente) auf.
Die Shape-Memory-Polymeren können umfassen mindestens ein hartes Segment und mindestens ein weiches Segment oder sie können umfassen mindestens eine Art eines weichen Segments, wobei mindestens eine Art der weichen Segmente vernetzt ist, ohne Anwesenheit eines harten Segments.
Die harten Segmente können lineare Oligomere oder Polymere sein und sie können cyclische Verbindungen sein, wie z. B. Kronenether, cyclische Di-, Tri- oder Oligopetide und cyclische Oligo(esteramide).
Die physikalische Wechselwirkung zwischen harten Segmenten kann auf Ladungsübertragungskomplexen, Wasserstoff-Bindungen oder anderen Wechselwirkungen basieren, da einige Segmente Schmelztemperaturen aufweisen, die höher sind als die Abbautemperatur (Zersetzungstemperatur). In diesen Fällen gibt es keine Schmelz- oder Glasübergangstemperatur für das Segment. Für eine Änderung der Segment-Bindung ist ein nicht-thermischer Mechanismus, beispielsweise ein Lösungsmittel, erforderlich.
Das Gewichtsverhältnis zwischen harten Segmenten und weichen Segmenten liegt etwa zwischen 5 : 95 und 95 : 5, vorzugsweise zwischen 20 : 80 und 80 : 20.
Shape-Memory-Polymerzusammensetzungen
Thermoplastische Shape-Memory-Materialien werden durch Formgebung in die gewünschte Gestalt gebracht oberhalb der T_trans des (der) harten Segments (Segmente) und sie werden abgekühlt auf eine Temperatur unterhalb der Formrückbildungstemperatur, wobei das Polymer einer mechanischen Verformung unterliegen kann und in dem Polymer Spannungen entstehen. Die ursprüngliche Gestalt der verformten Polymeren wird zurückgewonnen durch Erhitzen derselben auf eine Temperatur, die höher ist als ihre Formrückbildungstemperatur. Oberhalb dieser Temperatur werden die Spannungen in dem Polymer gelöst, sodass das Polymer zu seiner ursprünglichen Gestalt zurückkehren kann. Im Gegensatz dazu werden wärmegehärtete Shape-Memory-Materialien in die gewünschte Gestalt gebracht, bevor die Makromonomeren, die zur Bildung der wärmegehärteten Polymeren verwendet werden, polymerisiert werden. Nachdem die Gestalt fixiert worden ist, werden die Makromonomeren polymerisiert.
Die Polymerzusammensetzungen sind vorzugsweise komprimierbar um mindestens 1% oder expandierbar um mindestens 5% der ursprünglichen Dicke bei einer Temperatur unterhalb der Formrückbildungstemperatur, wobei die Deformation fixiert wird durch Anwendung eines Stimulus, wie z. B. Wärme, Licht, Ultraschall, Magnetfelder oder elektrische Felder. Bei einigen Ausführungsformen weisen die Materialien ein Rückbildungsverhältnis von 98% (verglichen mit experimentellen Beispielen) auf.
Wenn eine signifikante Kraft darauf einwirkt, führt dies zu einer verstärkten mechanischen Deformation bei einer Temperatur unterhalb der Gestaltrückbildungstemperatur, die Spannungen bleiben in den weichen Segmenten oder in amorphen Regionen erhalten und eine Volumengestalt-Änderung wird sogar nach der partiellen Lösung der Spannungen durch die Elastizität des Polymers aufrechterhalten. Wenn die Konfiguration der Molekülketten durch Beeinflussung der regulären Anordnung der Molekülketten bei einer Temperatur unterhalb der Glasübergangstemperatur gestört wird, tritt eine Umlagerung der Molekülketten, wie angenommen wird, auf durch eine Zunahme des Volumens und eine Abnahme des Gehalts an Leervolumen. Die ursprüngliche Gestalt wird zurückgewonnen durch die Kontraktion der harten Segment- Aggregate durch Erhöhung der Temperatur entsprechend der Steifheits-Kontrolle der Kettenkonformationen und die Gestalt des Polymers wird in der gespeicherten Gestalt wieder hergestellt.
Zusätzlich zu Änderungen des Zustands von einem festen in einen flüssigen Zustand (Schmelzpunkt oder Glasübergangstemperatur) können die harten oder weichen Segmente ionischen Wechselwirkungen unterliegen, an denen Polyelektrolyt-Segmente beteiligt sind, oder es können supramolekulare Effekte auftreten, die auf hochorganisierten Wasserstoffbindungen basieren. Das SM-Polymer kann auch einem Übergang von einem festen Zustand in einen festen Zustand unterliegen (beispielsweise durch Änderung der Morphologie). Übergänge von einem festen Zustand in einen festen Zustand sind dem Fachmann auf diesem Gebiet allgemein bekannt (z. B. in Poly(styrol-block-butadien)).
Es können verschiedene Änderungen auftreten in Bezug auf die Struktur eines Gegenstandes, der unter Verwendung der Shape-Memory-Polymeren hergestellt worden ist. Wenn die Gegenstände dreidimensionale Gegenstände sind, können die Gestalt-Änderungen zweidimensional sein. Wenn die Gegenstände im Wesentlichen zweidimensionale Gegenstände sind, wie z. B. Fasern, dann können die Gestalt-Änderungen eindimensional sein, wie z. B. entlang der Länge. Die thermische und elektrische Leitfähigkeit der Materialien kann ebenfalls Änderungen unterliegen in Abhängigkeit von Temperaturänderungen.
Die Permeabilität der Zusammensetzungen für Feuchtigkeit kann variiert werden, insbesondere dann, wenn das Polymer zu einem dünnen Film (d. h. zu einem solchen mit einer Dicke von weniger als etwa 10 um) geformt ist. Einige Polymerzusammensetzungen weisen in ihrer ursprünglichen Gestalt eine ausreichende Permeabilität auf, sodass Wasserdampf-Moleküle den Polymerfilm passieren können, während Wasser-Moleküle nicht klein genug sind, um in den Polymerfilm einzudringen. Die resultierenden Materialien weisen eine niedrige Permeabilität für Feuchtigkeit bei Temperaturen unterhalb Raumtemperatur und eine hohe Permeabilität für Feuchtigkeit bei Temperaturen oberhalb Raumtemperatur auf.
Es können auch andere Stimuli als die Temperatur zum Induzieren von Gestalt-Änderungen verwendet werden. Wie nachstehend unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben, können die Gestalt-Änderungen eingeleitet werden durch Aktivierung mit Licht oder durch ein Agens, wie z. B. ein Ion, das die Interpolymer-Bindungen verändert.
1. Polymersegmente
Die Segmente sind vorzugsweise Oligomere. Der hier verwendete Ausdruck "Oligomer" bezieht sich auf ein lineares Kettenmolekül mit einem Molekulargewicht von bis zu 15 000 Da.
Die Polymeren werden ausgewählt auf der Basis der gewünschten Glasübergangstemperatur(en) (wenn mindestens ein Segment amorph ist) oder des (der) gewünschten Schmelzpunkts (Schmelzpunkte) (wenn mindestens ein Segment kristallin ist), die (der) ihrerseits (seinerseits) basiert auf den gewünschten Anwendungen, wobei die Umgebung bei der Verwendung zu berücksichtigen ist. Vorzugsweise beträgt das zahlendurchschnittliche Molekulargewicht des Polymerblocks mehr als 400 und vorzugsweise liegt es in dem Bereich zwischen 500 und 15 000.
Die Glasübergangstemperatur, bei der das Polymer abrupt weich wird und sich verformt, kann kontrolliert (gesteuert) werden durch Änderung der Monomer-Zusammensetzung und der Art des Monomers, das die Einstellung des Shape-Memory-Effekts bei der gewünschten Temperatur ermöglicht.
Die thermischen Eigenschaften der Polymeren können beispielsweise nachgewiesen werden durch dynamisch-mechanische Thermoanalyse oder durch Abtast-Differentialkalorimetrie (DSC)-Untersuchungen. Außerdem kann der Schmelzpunkt bestimmt werden durch Verwendung einer Standard-Schmelzpunktapparatur.
1. Wärmegehärtete (Thermosets) oder thermoplastische Polymere
Die Polymeren können wärmegehärtete oder thermoplastische Polymere sein, wobei thermoplastische Polymere wegen ihrer leichten Formbarkeit bevorzugt sind.
Der Grad der Kristallinität des Polymers oder des (der) Polymerblocks (Polymerblöcke) liegt vorzugsweise zwischen 3 und 80%, besonders bevorzugt zwischen 3 und 60%. Wenn der Grad der Kristallinität mehr als 80% beträgt, während alle weichen Segmente amorph sind, weist die resultierende Polymerzusammensetzung schlechte Shape-Memory-Eigenschaften auf.
Der Zug(festigkeits)modul der Polymeren unterhalb der T_trans liegt in der Regel zwischen 50 MPa und 2 GPa (Gigapascal), während der Zug(festigkeits)modul der Polymeren oberhalb der T_trans in der Regel zwischen 1 und 500 MPa liegt. Vorzugsweise beträgt das Verhältnis zwischen dem Elastizitätmodul oberhalb und unterhalb der T_trans 20 oder mehr. Je höher das Verhältnis ist, umso besser sind die Shape-Memory-Eigenschaften der resultierenden Polymerzusammensetzung.
Die Polymersegmente können natürliche oder synthetische Polymere sein, wobei synthetische Polymere bevorzugt sind. Die Polymersegmente können biologisch abbaubar oder nicht biologisch abbaubar sein, wobei die resultierende SMP-Zusammensetzung, die aus biologisch abbaubaren biokompatiblen Polymeren besteht, für medizinische Anwendungen besonders bevorzugt ist. Im Allgemeinen werden diese Materialien durch Hydrolyse, durch Einwirkenlassen von Wasser oder von Enzymen unter physiologischen Bedingungen, durch Oberflächenerosion, durch Volumen- bzw. Massenerosion oder durch eine Kombination davon abgebaut. Nicht-biologisch abbaubare Polymere, die für medizinische Zwecke verwendet werden, enthalten vorzugsweise keine aromatischen Gruppen, die von solchen verschieden sind, die in in der Natur vorkommenden Aminosäuren vorhanden sind.
Zu repräsentativen natürlichen Polymersegmenten oder Polymeren gehören Proteine wie Zein, modifiziertes Zein, Casein, Gelatine, Gluten, Serumalbumin und Kollagen, und Polysaccharide wie Alginat, Cellulosen, Dextrane, Pullulan und Polyhyaluronsäu re sowie Chitin, Poly(3-hydroxyalkanoat)(e), insbesondere Poly(β-hydroxybutyrat), Poly(β-hydroxyoctanoat) und Poly(β-hydroxyfettsäuren).
Zu repräsentativen natürlichen biologisch abbaubaren Polymersegmenten oder Polymeren gehören Polysaccharide wie Alginat, Dextran, Cellulose, Kollagen und chemische Derivate davon (Substitutionen, Additionen von chemischen Gruppen, wie z. B. Alkyl, Alkylen, Hydroxylierungen, Oxidationen und andere Modifikationen, die routinemäßig von einem Fachmann auf diesem Gebiet hergestellt werden) und Proteine, wie z. B. Albumin, Zein und Copolymere und Mischungen davon, allein oder in Kombination mit synthetischen Polymeren.
Zu repräsentativen synthetischen Polymerblöcken gehören Polyphosphazene, Poly(vinylalkohole), Polyamide, Polyesteramide, Poly(aminosäure)(n), synthetische Poly(aminosäuren), Polyanhydride, Polycarbonate, Polyacrylate, Polyalkylene, Polyacrylamide, Polyalkylenglycole, Polyalkylenoxide, Polyalkylenterephthalate, Polyorthoester, Polyvinylether, Polyvinylester, Polyvinylhalogenide, Polyvinylpyrrolidon, Polyester, Polylactide, Polyglycolide, Polysiloxane, Polyurethane und Copolymere davon.
Zu Beispielen für geeignete Polyacrylate gehören Poly(methylmethacrylat), Poly(ethylmethacrylat), Poly(butylmethacrylat), Poly(isobutylmethacrylat), Poly(hexylmethacrylat), Poly(isodecylmethacrylat), Poly(launlmethacrylat), Poly(phenylmethacrylat), Poly(methylacrylat), Poly(isopropylacrylat), Poly(isobutylacrylat) und Poly(octadecylacrylat).
Zu synthetisch modifizierten natürlichen Polymeren gehören Cellulose-Derivate wie Alkylcellulosen, Hydroxyalkylcellulosen, Celluloseether, Celluloseester, Nitrocellulosen und Chitosan. Zu Beispielen für geeignete Cellulosederivate gehören Methylcellulose, Ethylcellulose, Hydroxypropylcellulose, Hydroxypropylmethylcellulose, Hydroxybutylmethylcellulose, Celluloseacetat, Cellulosepropionat, Celluloseacetatbutyrat, Celluloseacetatphthalat, Carboxymethylcellulose, Cellulosetriacetat und Cellulosesulfat-natriumsalz. Diese werden kollektiv hier als "Cellulosen" bezeichnet.
Zu repräsentativen synthetischen abbaubaren Polymersegmenten oder Polymeren gehören Polyhydroxysäuren wie Polylactide, Polyglycolide und Copolymere davon; Poly(ethylenterephthalat); Poly(hydroxybuttersäure); Poly(hydroxyvaleriansäure); Poly[lactid-co-(ε-caprolacton)]; Poly[glycolid-co-(ε-caprolacton)]; Polycarbonate, Poly(pseudoaminosäuren); Poly(aminosäuren); Poly(hydroxyalkanoat)(e); Polyanhydride; Polyorthoester; und Mischungen und Copolymere davon.
Zu Beispielen für nicht biologisch abbaubare Polymersegmente oder Polymere gehören Ethylenvinylacetat, Poly(meth)acrylsäure, Polyamide, Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol, Polyvinylchlorid, Polyvinylphenol und Copolymere und Mischungen davon.
Biologisch schnell erodierbare Polymere, wie z. B. Poly(lactid-co-glycolid)(e), Polyanhydride und Polyorthoester, die Carboxylgruppen aufweisen, die an der äußeren Oberfläche freiliegen, wenn die glatte Oberfläche des Polymers erodiert, können ebenfalls verwendet werden. Außerdem sind Polymere, die labile Bindungen enthalten, wie z. B. Polyanhydride und Polyester, allgemein bekannt wegen ihrer hydrolytischen Reaktionsfähigkeit. Ihre hydrolytischen Abbaugeschwindigkeiten können im Allgemeinen durch einfache Änderungen in Bezug auf das Polymer-Grundgerüst und ihre Sequenzstruktur verändert werden.
Verschiedene Polymere, wie z. B. Polyacetylen und Polypyrrol, sind elektrisch leitende Polymere. Diese Materialien sind für Verwendungszwecke, bei denen eine elektrische Leitfähigkeit wichtig ist, besonders bevorzugt. Zu Beispielen für diese Verwendungen gehören ein Gewebeaufbau und jede biomedizinische Anwendung, bei der ein Zellenwachstum stimuliert werden soll. Diese Materialien sind insbesondere verwendbar auf dem Gebiet der Computerwissenschaft, da sie in der Lage sind, besser als SMAs Wärme zu absorbieren, ohne dass die Temperatur ansteigt. Elektrisch leitende Shape-Memory-Polymere sind verwendbar auf dem Gebiet des Gewebeaufbaus zur Stimulierung des Wachstums von Geweben, wie z. B. Nervengewebe.
2. Hydrogele
Das Polymer kann in Form eines Hydrogels (das in der Regel bis zu etwa 90 Gew.-% Wasser absorbiert) vorliegen und es kann gegebenenfalls mit multivalenten Ionen oder Polymeren ionisch vernetzt sein. Eine ionische Vernetzung zwischen weichen Segmenten kann angewendet werden, um eine Struktur zu erhalten, die dann, wenn sie verformt wird, umgeformt werden kann durch Aufbrechen der ionischen Vernetzungen zwischen den weichen Segmenten. Das Polymer kann auch in Form eines Gels in anderen Lösungsmitteln als Wasser oder wässrigen Lösungen vorliegen. In diesen Polymeren kann die vorübergehende Gestalt durch hydrophile Wechselwirkungen zwischen weichen Segmenten fixiert werden.
Bei einer anderen Ausführungsform umfasst das Shape-Memory-Polymer mindestens ein Segment, das eine T_trens zwischen –40 und 270°C aufweist, und mindestens ein Segment, das mit mindestens einem ersten Segment verknüpft ist und das ionische Wechselwirkungen mit einer ausreichenden Festigkeit umfasst, sodass das zweite Segment in der Lage ist, eine physikalische Vernetzung zu bilden, wobei mindestens eines der ersten oder zweiten Segmente eine biologisch abbaubare Region umfasst oder mindestens eines der ersten Segmente mit mindestens einem der zweiten Segmente über eine biologisch abbaubare Verknüpfung verknüpft ist.
Hydrogele können hergestellt werden aus Polyethylenglycol, Polyethylenoxid, Polyvinylalkohol, Polyvinylpyrrolidon, Polyacrylaten, Poly(ethylenterephthalat), Poly(vinylacetat) und Copolymeren und Mischungen davon. Einige polymere Segmente, wie z. B. Acrylsäure, sind nur elastomer, wenn das Polymer hydratisiert ist und Hydrogele gebildet werden. Andere polymere Segmente, wie z. B. Methacrylsäure, sind kristallin und können schmelzen, auch wenn die Polymeren nicht hydratisiert sind. Es kann jeder beliebige Typ von Polymerblock verwendet werden, je nach der gewünschten Anwendung und den gewünschten Anwendungsbedingungen.
So ist beispielsweise eine Shape-Memory-Eigenschaft bei Acrylsäure-Copolymeren nur im Hydrogel-Zustand feststellbar, weil die Acrylsäure-Einheiten im Wesentlichen hydratisiert sind und sich verhalten wie ein weiches Elastomer mit einer sehr niedri gen Glasübergangstemperatur. Die trockenen Polymere sind keine Shape-Memory-Polymeren. Wenn sie trocken sind, verhalten sich die Acrylsäure-Einheiten wie ein harter Kunststoff selbst oberhalb der Glasübergangstemperatur und sie zeigen keine abrupte Änderung der mechanischen Eigenschaften beim Erhitzen. Im Gegensatz dazu weisen Copolymere, die Methylacrylat-Polymersegmente als weiche Segmente enthalten, Shape-Memory-Eigenschaften auch dann auf, wenn sie trocken sind.
3. Polymere, die bei erhöhten Temperaturen ein Gel bilden können
Bestimmte Polymere, wie z. B. Poly(ethylenoxid-co-propylenoxid) (PLURONICS^TM), sind in Wasser bei Temperaturen unterhalb der Körpertemperatur löslich und werden bei Temperaturen oberhalb der Körpertemperatur zu Hydrogelen. Die Einarbeitung dieser Polymeren als Segmente in Shape-Memory-Polymere verleiht ihnen die Fähigkeit, auf Änderungen in Bezug auf die Temperatur in einer Art zu antworten, die entgegengesetzt zu derjenigen der typischen Shape-Memory-Polymeren ist. Diese Materialien gewinnen ihre Gestalt wieder zurück, wenn sie auf eine Temperatur unterhalb ihrer Gestaltrückgewinnungstemperatur abgekühlt werden, anstatt auf eine Temperatur oberhalb ihrer Gestaltrückgewinnungstemperatur erhitzt zu werden. Dieser Effekt wird als inverser thermischer Shape-Memory-Effekt bezeichnet. Shape-Memory-Polymerzusammensetzungen, die diese Polymer-Segmente enthalten, sie verwendbar für verschiedene biomedizinische Anwendungen, bei denen das Polymer in Form einer Flüssigkeit eingeführt und abgekühlt werden kann, um in situ die gewünschte Gestalt anzunehmen. Der inverse thermische Shape-Memory-Effekt kann erzielt werden durch Einarbeitung von zwei verschiedenen Segmenten in ein Polymer, die bei Temperaturen unterhalb der T_Mischung miteinander mischbar sind, bei höheren Temperaturen jedoch nicht miteinander mischbar sind. Die Phasentrennung bei höheren Temperaturen stabilisiert die vorübergehende Gestalt.
Die Polymeren können aus handelsüblichen Quellen erhalten werden, z. B. von den Firmen Sigma Chemical Co., St. Louis, MO; Polysciences, Warrenton, PA; Aldrich Chemical Co., Milwaukee,Wl; Fluka, Ronkonkoma, NY und BioRad, Richmond, CA.
Alternativ können die Polymeren aus Monomeren synthetisiert werden, die aus handelsüblichen Quellen erhalten werden, unter Anwendung von Standardverfahren.
II. Anordnung der Polymer-Segmente
Das Shape-Memory-Polymer umfasst ein oder mehrere harte Segmente und ein oder mehrere weiche Segmente, wobei mindestens eines der Segmente biologisch abbaubar ist oder mindestens eines der Segmente über eine biologisch abbaubare Verknüpfung mit einem anderen Segment verknüpft ist. Zu repräsentativen biologisch abbaubaren Verknüpfungen gehören Ester-, Amid-, Anhydrid-, Carbonat- oder Orthoester-Verknüpfungen.
1. Polymer-Strukturen
Der Shape-Memory-Effekt basiert auf der Polymer-Morphologie. Bei thermoplastischen Elastomeren wird die ursprüngliche Gestalt eines Gegenstandes durch physikalische Vernetzungen fixiert, die durch das harte Segment hervorgerufen werden. Bei wärmegehärteten Polymeren sind die weichen Segmente kovalent vernetzt anstatt harte Segmente aufzuweisen. Die ursprüngliche Gestalt wird durch den Vernetzungsprozess führt.
Im Gegensatz zu den segmentierten Polyurethan-SMPs des Standes der Technik müssen die Segmente der hier beschriebenen Zusammensetzungen nicht linear sein. Die Segmente können teilweise aufgepfropft sein oder sie können an dendremere Seitengruppen gebunden sein.
A. Thermoplastische und thermoelastische Polymere
Die Polymeren können in Form von linearen Diblock-, Triblock-, Tetrablock- oder Multiblock-Copolymeren in Form von Verzweigungs- oder Pfropf-Polymeren, thermoplastischen Elastomeren, die dendritische Strukturen enthalten, und Mischungen davon vorliegen. Die 3 erläutert einige der Kombinationen geeigneter Klassen von thermoplastischen Materialien, welche die harten und weichen Segmente bilden. Die thermoplastische Shape-Memory-Polymerzusammensetzung kann außerdem eine Mischung von einem oder mehreren Homo- oder Copolymeren mit einem oder mehreren Diblock-, Triblock-, Tetrablock- oder Multiblock-Copolymeren, Verzweigungs- oder Pfropfpolymeren sein. Diese Polymer-Typen sind dem Fachmann auf diesem Gebiet allgemein bekannt.
Der hier verwendete Ausdruck "abbaubares wärmegehärtetes Material" bezieht sich auf (i) wärmegehärtete SMPs, die nur ein weiches Segment enthalten, das spaltbare Bindungen enthält, und (ii) wärmegehärtete Materialien, die mehr als ein weiches Segment enthalten, wobei mindestens ein weiches Segment abbaubar ist, oder wobei die verschiedenen weichen Segmente durch spaltbare Verbindungen miteinander verbunden sind. Abbaubare wärmegehärtete Polymere können außerdem ein kovalent vernetztes kristallisierbares weiches Segment mit einer Tm zwischen 250 und –40 °C oder ein kovalent vernetztes kristallisierbares weiches Segment mit einer Tm zwischen 200 und 0°C enthalten.
Es gibt mindestens vier verschiedene Typen von wärmegehärteten Polymeren, die Shape-Memory-Eigenschaften haben. Dazu gehören Polymer-Netzwerke, sich wechselseitig halb durchdringende Netzwerke, sich wechselseitig durchdringende Netzwerke und gemischte sich wechselseitig durchdringende Netzwerke.
i. Polymer-Netzwerke
Ein Polymer-Netzwerk wird hergestellt durch kovalentes Vernetzen von Makromonomeren, d. h. von Polymeren, die polymerisierbare Endgruppen enthalten, wie z. B. Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen. Das Polymerisationsverfahren kann durch Verwendung von Licht oder eines wärmeempfindlichen Initiators oder durch Aushärten mit ultraviolettem Licht ("UV-Licht") ohne einen Initiator induziert werden. Shape-Memory-Polymer-Netzwerke werden hergestellt durch Vernetzen eines oder mehrerer weicher Segmente, die einem oder mehreren thermischen Übergängen (Umwandlungen) entsprechen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform für biomedizinische Anwendungen wird die Vernetzung unter Verwendung eines Lichtvernetzungsmittels durchgeführt und sie erfordert keinen chemischen Initiator. Duch das Lichtvernetzungsmittel wird in vorteilhafter Weise die Notwendigkeit der Verwendung von Initiator-Molekülen, die toxisch sein können, eliminiert. 4 zeigt ein Diagramm einer Reaktionsfolge für die Synthese eines bevorzugten Lichtvernetzungsmittels, das eine Gesamtausbeute von etwa 65% ergibt.
ii. Sich wechselseitig durchdringende Netzwerke
Sich wechselseitig durchdringende Netzwerke ("IPN") sind definiert als Netzwerke, bei denen zwei Komponenten vernetzt sind, jedoch nicht miteinander. Die ursprüngliche Gestalt wird bestimmt durch das Netzwerk mit der höchsten Vernetzungsdichte und der höchsten mechanischen Festigkeit. Das Material weist mindestens zwei T_trans auf, die den verschiedenen weichen Segmenten beider Netzwerke entsprechen.
iii. Gemischte sich gegenseitig durchdringende Netzwerke
Ein gemischtes IPN umfasst mindestens ein physikalisch vernetztes Polymer-Netzwerk (ein thermoplastisches Polymer) und mindestens ein kovalent vernetztes Polymer-Netzwerk (ein wärmegehärtetes Polymer), das durch irgendwelche physikalischen Verfahren nicht abgetrennt werden kann. Die ursprüngliche Gestalt wird festgelegt (fixiert) durch das kovalent vernetzte Netzwerk. Die vorübergehenden Gestalten entsprechen der Ttrans der weichen Segmente und der Ttrans des harten Segments der thermoplastischen Elastomer-Komponente.
Ein besonders bevorzugtes gemischtes sich durchdringendes Netzwerk wird hergestellt durch Polymerisieren eines reaktionsfähigen Makromonomers in Gegenwart eines thermoplastischen Polymers, beispielsweise durch Fotopolymerisation von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen. Bei dieser Ausführungsform liegt das Gewichtsverhältnis zwischen dem wärmegehärteten Polymer und dem thermoplasti schen Polymer vorzugsweise zwischen 5 : 95 und 95 : 5, besonders bevorzugt zwischen 20 : 80 und 80 : 20.
iv. Sich halb durchdringende Netzwerke
Sich halb durchdringende Netzwerke ("Semi-IPN") sind definiert als zwei voneinander unabhängige Komponenten, wobei eine Komponente ein vernetztes Polymer (ein Polymer-Netzwerk) und die andere Komponente ein nicht-vernetztes Polymer (ein Homopolymer oder Copolymer) ist, wobei die Komponenten durch physikalische Verfahren nicht voneinander getrennt werden können. Das Semi-IPN weist mindestens einen thermischen Übergang (Umwandlung) auf, der dem (den) weichen Segmenten) und den Homo- oder Copolymer-Komponenten entspricht. Das vernetzte Polymer macht vorzugsweise etwa 10 bis 90 Gew.-% der sich halb durchdringenden Netzwerk-Zusammensetzung aus.
v. Polymer-Mischungen
Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die hier beschriebenen Shape-Memory-Polymerzusammensetzungen aus einer biologisch abbaubaren Polymermischung hergestellt. Der hier verwendete Ausdruck "biologisch abbaubare Polymermischung" steht für eine Mischung, die mindestens ein biologisch abbaubares Polymer aufweist.
Die Shape-Memory-Polymeren liegen in Form von physikalischen Mischungen von thermoplastischen Polymeren vor. Bei einer Ausführungsform kann eine Shape-Memory-Polymerzusammensetzung hergestellt werden durch Aufeinandereinwirkenlassen oder Mischen von zwei thermoplastischen Polymeren. Die Polymeren können semikristalline Homopolymere, semikristalline Copolymere, thermoplastische Elastomere mit linearen Ketten, thermoplastische Elastomere mit Seitenketten oder irgendeiner Art von dendritischen Strukturelementen und verzweigte Copolymere sein und diese können in jeder beliebigen Kombination miteinander gemischt sein.
Beispielsweise kann ein Multiblock-Copolymer mit einem harten Segment mit einer verhältnismäßig hohen T_trans und mit einem weichen Segment mit einer verhältnismäßig niedrigen T_trans mit einem zweiten Multiblock-Copolymer mit einem harten Segment mit einer verhältnismäßig niedrigen T_trans und mit dem gleichen weichen Segment wie dasjenige in dem ersten Multiblock-Copolymer gemischt oder verschnitten sein. Die weichen Segmente in beiden Multiblock-Copolymeren sind identisch, sodass die Polymeren miteinander mischbar sind, wenn die weichen Segmente geschmolzen sind. Es gibt drei Übergangstemperaturen in der resultierenden Mischung – diejenige des ersten harten Segments, diejenige des zweiten harten Segments und diejenige des weichen Segments. Daher sind diese Materialien in der Lage, zwei verschiedene Gestalten zu speichern. Die mechanischen Eigenschaften dieser Polymeren können eingestellt werden durch Veränderung des Gewichtsverhältnisses zwischen den beiden Polymeren.
Es können auch andere Arten von Mischungen aus mindestens zwei Multiblock-Copolymeren hergestellt werden, in denen mindestens eines der Segmente mit mindestens einem der Segmente des anderen Multiblock-Copolymers mischbar ist. Wenn zwei verschiedene Segmente miteinander mischbar sind und eine gemeinsame Domäne bilden, dann hängt der thermische Übergang (Umwandlung) dieser Domäne von dem Gewichtsgehalt der beiden Segmente ab. Die maximale Anzahl von gespeicherten Gestalten resultiert aus der Anzahl der thermischen Übergänge (Umwandlung) der Mischung.
Shape-Memory-Mischungen können bessere Shape-Memory-Eigenschaften aufweisen als die Mischungskomponenten allein. Shape-Memory-Mischungen bestehen aus mindestens einem Multiblock-Copolymer und mindestens einem Homo- oder Copolymer. Im Prinzip können Di-, Tri-, Tetra-Block-Copolymere anstelle eines Multiblock-Copolymers verwendet werden.
Shape-Memory-Mischungen sind sehr nützlich für industrielle Anwendungen, da ein breiter Bereich von mechanischen, thermischen und Shape-Memory-Eigenschaften aus nur zwei oder drei Grundpolymeren erzielt werden kann durch Mischen dersel ben in unterschiedlichen Gewichtsverhältnissen. Ein Doppelschneckenextruder ist ein Beispiel für eine Standard-Verarbeitungsapparatur, die zum Vermischen der Komponente und zur Verarbeitung der Mischung verwendet werden kann.
III. Verfahren zur Herstellung der SMPs
Die vorstehend beschriebenen Polymeren sind entweder im Handel erhältlich oder können unter Anwendung von chemischen Standard-Verfahren synthetisiert werden. Der Fachmann auf diesem Gebiet kann die Polymeren unter Anwendung der bekannten Chemie leicht herstellen. In den nachfolgenden Beispielen 1 und 2 sind experimentelle Verfahren beschrieben, die zur Herstellung der SMPs angewendet werden können.
IV. Verfahren zum Formen der SMP-Zusammensetzungen
Die Zusammensetzungen können unter geeigneten Bedingungen, beispielsweise bei einer Temperatur oberhalb der T_trans der harten Segmente, zu einer ersten Gestalt geformt und auf eine Temperatur unterhalb der T_trans des (der) weichen Segment (Segmente) abkühlen gelassen werden. Standard-Verfahren sind das Extrusionsformen und das Spritzgießen. Gegebenenfalls kann der Gegenstand zu einer zweiten Gestalt umgeformt werden. Bei Anwendung von Wärme oder einer geeigneten Gruppe von anderen Bedingungen kann der Gegenstand in seine ursprüngliche Gestalt zurückkehren.
Wärmegehärtete Polymere können hergestellt werden durch Extrudieren des präpolymerisierten Materials (der Makromonomeren) und Fixieren der ursprünglichen Gestalt bei einer Temperatur oberhalb der T_trans des wärmegehärteten Polymers, beispielsweise durch Lichthärtung von reaktionsfähigen Gruppen an dem Monomer. Die vorübergehende Gestalt wird fixiert durch Abkühlen des Materials unter die T_trans nach dem Deformieren des Materials. 5 erläutert einen durch Licht induzierten Shape-Memory-Effekt.
Die Vernetzung kann auch in einer Lösung der Makromeren durchgeführt werden. Das Lösungsmittel wird aus dem gebildeten Gel in einer nachfolgenden Stufe entfernt.
Diese aus thermoplastischen Polymeren hergestellten Zusammensetzungen können geblasen, zu Folien extrudiert oder durch Spritzgießen geformt werden, beispielsweise zur Herstellung von Fasern. Die Zusammensetzungen können auch nach anderen dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannten Verfahren zum Formen von festen Gegenständen, wie z. B. durch Laser-Ablation, durch Mikromaschinenbearbeitung, durch Verwendung eines heißen Drahts und durch CAD/CAM (Computer-gestützte Design/Computer-gestützte Herstellungs)-Verfahren geformt werden. Diese Verfahren sind für die Formgebung bei wärmegehärteten Polymeren bevorzugt.
V. Therapeutische, prophylaktische und diagnostische Anwendungen
Es kann eine Vielzahl von therapeutischen, prophylaktischen und/oder diagnostischen Agentien den Polymerzusammensetzungen einverleibt werden, mit denen lokal oder systemisch die eingearbeiten Agentien nach der Verabreichung an einen Patienten abgegeben werden können.
1. Therapeutische, diagnostische und prophylaktische Anwendungen
Eine Vielzahl von therapeutischen Agentien kann den Teilchen einverleibt werden zur lokalen oder systemischen Zuführung der eingearbeiten Agentien nach der verabreichung an einen Patienten. Zu Beispielen gehören synthetische anorganische und organische Verbindungen oder Moleküle, Proteine und Peptide, Polysaccharide und andere Zucker, Lipide und Nucleinsäure-Moleküle, die therapeutische, prophylaktische oder diagnostische Aktivitäten aufweisen. Zu Nucleinsäure-Molekülen gehören Gene, Plasmid-DNA, nackte DNA, Antisense-Moleküle, die sich an komplementäre DNA binden zur Hemmung der Transkription, Ribozyme und Ribozym-Führungssequenzen. Die Agentien, die eingearbeitet werden sollen, können eine Vielzahl von biologischen Aktivitäten aufweisen, wie z. B. vasoaktive Agentien, neu roaktive Agentien, Hormone, Wachstumsfaktoren, Cytokine, Anästhetika, Steroide, Antikoagulantien, antiinflammatorische Agentien, Immunmodulatoren, cytotoxische Agentien, prophylaktische Agentien, Antibiotika, antivirale Agentien, Antisense-Agentien, Antigene und Antikörper. In einigen Fällen können die Proteine Antikörper oder Antigene sein, die ansonsten durch Injektion verabreicht werden müssten, um eine geeignete Antwort auszulösen. Proteine sind definiert als solche, die aus 100 Aminosäure-Resten oder mehr bestehen; Peptide umfassen weniger als 100 Aminosäure-Reste. Wenn nichts anderes angegeben ist, bezieht sich der Ausdruck Protein sowohl auf Proteine als auch auf Peptide. Polysaccharide wie Heparin können ebenfalls verabreicht werden. Verbindungen mit einem breiten Molekulargewichtsbereich, beispielsweise zwischen 10 und 500 000 g pro mol, können eingekapselt werden.
Zu Bild-erzeugenden Agentien, die verwendet werden können, gehören handelsübliche Agentien, die in der Positronen-Emissionstomographie (PET), in der Computergestützten Tomographie (CAT), in der Computer-gestützten Einzelphotonen-Emissionstomographie, bei der Röntgenbestrahlung, in der Fluoroskopie, bei der magnetischen Resonanzbilderzeugung (MRI) verwendet werden können, und Ultraschall-Agentien.
VI. Gegenstände, Vorrichtungen und Überzüge
Die SMP-Zusammensetzungen können zur Herstellung zahlreicher Artikel bzw. Gegenstände für die Verwendung für biomedizinischen und andere Anwendungen eingesetzt werden.
1. Artikel und Einrichtungen für biomedizinische Anwendungen
Die Polymerzusammensetzungen können verwendet werden zur Herstellung von Gegenständen für die Verwendung für biomedizinische Zwecke. Beispielsweise können Nahtmaterialien bzwl Nähte, orthodontische Materialien, Knochenschrauben, Nägel, Platten, Katheter, Schläuche, Filme, Stents, orthopädische Klammern, Schie nen, Bänder zur Herstellung von Gußkörpern, Gerüste für den Gewebeaufbau, Kotaktlinsen, Arzneimittelzuführungseinrichtungen, Implantate und thermische Indikatoren hergestellt werden.
Die SMP-Zusammensetzungen werden vorzugsweise hergestellt aus biokompatiblen Polymeren und für die meisten Anwendungszwecke werden sie aus biologisch abbaubaren Polymeren hergestellt. Biologisch abbaubare Polymere werden mit einer kontrollierten Geschwindigkeit abgebaut je nach Zusammensetzung und Vernetzung des Polymers. Abbaubare Polymerimplantate machen die Notwendigkeit der Entfernung der Implantats überflüssig und können gleichzeitig verwendet werden, um therapeutische Agentien zuzuführen.
Die Materialien können für verschiedene Anwendungszwecke eingesetzt werden, bei denen eine Ladung tragende Eigenschaften und ein kontrollierter Abbau erforderlich sind.
Die Polymerzusammensetzungen können zu der Gestalt eines Implantats geformt werden, das in den Körper implantiert werden kann, um eine mechanische Funktion zu erfüllen. Zu Beispielen für solche Implantate gehören Stäbe, Pins, Schrauben, Platten und anatomische Formkörper.
Eine besonders bevorzugte Verwendung der Zusammensetzung ist die zur Herstellung von Nähten, die steif genug sind, um die Einführung zu erleichtern, die beim Erreichen von Körpertemperatur jedoch weich werden und eine zweite Gestalt bilden, die für den Patienten angenehmer ist, und die dennoch ein Ausheilen erlauben.
Eine andere bevorzugte Verwendung ist die auf dem Gebiet der Katheter. Ein Katheter kann bei Körpertemperatur steif sein, um sein Einführen zu erleichtern, der jedoch beim Erwärmen auf Körpertemperatur weich werden kann, um für den Patienten angenehm zu sein.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die Implantations-Gegenstände hergestellt aus Shape-Memory-Polymeren, die keine aromatischen Gruppen enthalten. Die Polymerzusammensetzungen können mit Füllstoffen, Verstärkungsmaterialien, Radiobildgebermaterialien, Exzipienten oder anderen Materialien, die für eine spezielle Implantations-Anwendung benötigt werden, kombiniert werden. Zu Beispielen für Füllstoffe gehören Calciumnatrium-metaphosphat, das in dem US-Patent Nr. 5 108 755 beschrieben ist. Der Fachmann auf diesem Gebiet kann eine geeignete Menge dieser Materialien für die Einarbeitung in die Zusammensetzungen leicht bestimmen.
Die Gegenstände können verschiedene therapeutische und/oder diagnostische Agentien, wie vorstehend beschrieben, enthalten.
2. Nicht-medizinische Anwendungen
Es gibt zahlreiche Anwendungen für die Shape-Memory-Polymerzusammensetzungen, die von biomedizinischen Anwendungen verschieden sind.
Zu Beispielen für Anwendungen vom nicht-medizinischen Typ für biologisch abbaubare Polymere gehören solche, bei denen die Entsorgung ein Problem ist, wie z. B. wegwerfbare Windeln und Verpackungsmaterialien.
3. Überzüge mit einem kontrollierten Abbau
Shape-Memory-Polymere können so gestaltet sein, dass die Abbaugeschwindigkeit variiert. Beispielsweise kann bei einer Ausführungsform ein hydrolytisch abbaubares Polymer selektiv geschützt werden durch Aufbringen eines hydrophoben SMP-Überzugs, der vorübergehend verhindert, dass Wasser die hydrolytisch spaltbaren Bindungen des Polymerkörpers erreicht. Das Schutzmerkmal des Überzugs kann dann modifiziert werden, wenn es erwünscht ist, einen äußeren Stimulus anzuwenden, sodass die Diffusionseigenschaften des Überzugs geändert werden, sodass Wasser oder andere wässrige Lösungen den Überzug durchdringen und den Abbau prozess initiieren können. Wenn die Hydrolysegeschwindigkeit verhältnismäßig hoch ist im Vergleich zu der Diffusionsrate von Wasser, dann bestimmt die Diffusionsrate des Wassers durch den Überzug hindurch die Abbaurate. Bei einer anderen Ausführungsform kann ein hydrophober Überzug, der aus dicht vernetzten weichen Segmenten besteht, als Diftusionssperrschicht für Wasser oder wässrige Lösungen verwendet werden. Die weichen Segmente sollten mindestens teilweise durch Verknüpfungen vernetzt sein, die durch Anwendung eines Stimulus gespalten werden können. Die Diffusionsrate von Wasser kann durch Herabsetzung der Vernetzungsdichte erhöht werden.
VII. Anwendungsverfahren
Bestimmte Formkörper sind so gestaltet, dass sie ihre gewünschte Gestalt behalten, wenn nicht auf eine Weise auf sie eingewirkt wird, die mit ihrer normalen Verwendung nicht in Übereinstimmung steht. Beispielsweise behält eine Autostoßstange die gewünschte Gestalt so lange bei, bis sie einen Aufprall erleidet. Diese Formkörper sollten in ihrer gewünschten Gestalt verwendet und repariert werden, beispielsweise durch Anwendung von Wärme, wenn sie einmal beschädigt worden sind.
Andere Formkörper sind so gestaltet, dass sie in einer Weise verwendet werden können, bei der die erste Gestalt für eine erste Verwendung bestimmt ist und eine zweite Gestalt für eine nachfolgende Verwendung bestimmt ist. Zu Beispielen dafür gehören biomedizinische Einrichtungen, die beim Erreichen von Körpertemperatur oder bei Anwendung eines äußeren Stimulus, der die Einrichtung auf eine Temperatur oberhalb Körpertemperatur erwärmt, eine zweite Gestalt annehmen können.
Weitere Formkörper sind bestimmt für eine solche Verwendung, bei der ihre Gestaltänderungen als Reaktion oder als Einstellung auf Temperaturänderungen sich ändern, wie z. B. Thermosensoren in medizinischen Einrichtungen.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die folgenden nicht-beschränkenden Beispiele näher erläutert.
Beispiel 1: Copolyesterurethan-Shape-Memory-Polymere
Es wurde eine Gruppe von biologisch kompatiblen und biologisch abbaubaren Multiblock-Copolymeren, die einen thermischen Shape-Memory-Effekt aufwiesen, synthetisiert. Diese Polymeren bestanden aus einem kristallisierbaren harten Segment (Tm) und einem weichen Segment mit einer thermischen Übergangstemperatur T_trans zwischen Raumtemperatur und Körpertemperatur. Im Gegensatz zu den segmentierten Polyurethanen des Standes der Technik handelte es sich bei dem harten Segment um einen Oligoester oder einen Oligoetherester, der keine aromatische Komponente enthielt.
Der Mechanismus zur Programmierung der vorübergehenden Gestalt und zur Rückbildung bzw. Rückgewinnung der permanenten (dauerhaften) Gestalt eines Multiblock-Copolymers ist in der 6 dargestellt. Die permanente Gestalt der Materialien wurde eingestellt durch Schmelzen des Polymers und Abkühlen oberhalb der T_trans (6 – obere Position). Dann wurde das Polymer in seine vorübergehende Gestalt gebracht (6 – rechte Position), die durch Abkühlen auf unterhalb T_trans (6 – untere Position) fixiert wurde. Nach dem Entladen wurde die permanente Gestalt durch erneutes Erhitzen auf eine Temperatur oberhalb von T_trans zurückgewonnen.
Synthese von Telechelics, Oligomeren mit funktionellen Gruppen an beiden Enden
Das Telechelic-Makrodiol wurde synthetisiert durch Ringöftnungs-Polymerisation von cyclischen Monomeren mit Di(n-butyl)zinnoxid als Umesterungskatalysator unter einer N2-Atmosphäre.
Hartes Segment
Ein α,ω-Dihydroxy-[oligo(ethylenglycolglycolat)ethylen-oligo(ethylenglycolglycolat)] – (PDS 1200 und PDS 1300) wurde wie folgt hergestellt: das monomere p-Dioxan-2-on wurde erhalten durch Destillation (thermische Depolymerisation) 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 24 h lang auf 80°C erhitzt. Das Ende der Reaktion (das Gleichgewicht) wurde durch GPC bestimmt. Das Produkt wurde in heißem 1,2-Dichlorethan gelöst und durch einen mit Silicagel gefüllten Buechner-Trichter filtriert. Das Produkt wurde durch Ausfällung in Hexanen erhalten und 6 h lang im Vakuum getrocknet.
Weiches Segment
i. Kristallin
Poly(ε-caprolacton)-diole mit unterschiedlichen M_n sind im Handel erhältlich, beispielsweise von den Firmen Aldrich and Polysciences. Hier wurde PCL-2000 verwendet.
ii. Amorph
α,ω-Dihydroxy-[oligo(L-lactat-co-glycolat)-ethylen-oligo-(L-lactat-co-glycolat)] – (Abkürzung: PLGA2000-15) wurde wie folgt hergestellt: In einem 1000 ml Zweihals-Rundkolben wurden 300 g (2,08 mol) L,L-Dilactid, 45 g (0,34 mol) Diglycolid und 4,94 g (0,80 mol) Ethylenglycol auf 40°C zum Schmelzen erhitzt und gerührt. Es wurden 0,614 g (2,5 mmol) Di(n-butyl)zinnoxid zugegeben. Nach 7 h hatte die Reaktion ein Gleichgewicht erreicht, was durch GPC bestimmt wurde. Die Reaktionsmischung wurde in 1,2-Dichloroethan gelöst und in einer Silicagel-Kolonne gereinigt. Das Produkt wurde durch Ausfällung in Hexanen erhalten und 6 h lang im Vakuum getrocknet.
Eigenschaften der Telechelics
Das Molekulargewicht M_n und die thermischen Eigenschaften der Makrodiole wurden wie in der nachstehenden Tabelle 1 angegeben bestimmt.
Tabelle 1: Molekulargewicht und thermische Eigenschaften der Makrodiole
Synthese von thermoplastischen Elastomeren (Multiblock-Copolymer)
In einem 100 ml Zweihals-Rundkolben, der mit einem mit einem Molekularsieb von 0,4 nm gefüllten Soxhlet-Extraktor verbunden war, wurden zwei verschiedene Makrodiole (ein hartes Segment und ein weiches Segment), wie in der nachstehenden Tabelle 2 beschrieben, in 80 ml 1,2-Dichlorethan gelöst. Die Mischung wurde durch azeotrope Extraktion des Lösungsmittels unter Rückfluss erhitzt. Mittels einer Spritze wurde frisch destilliertes Trimethylhexan-1,6-diisocyanat zugegeben und die Reaktionsmischung wurde mindestens 10 Tage lang auf 80°C erhitzt. In regelmäßigen Zeitabständen wurden Proben aus der Mischung entnommen, um das Molekulargewicht des Polymers durch GPC zu bestimmen. Am Ende der Reaktion wurde das Produkt durch Ausfällung des Polymers in Hexanen erhalten und durch wiederholtes Auflösen in 1,2-Dichlorethan und Ausfällen in Hexanen gereinigt.
Aus den folgenden zwei Typen von Polymeren wurden Multiblock-Copolymere hergestellt:

(i) PDC-Polymere, enthaltend Poly(ε-caprolacton); die T_trans für das weiche Segment ist der Schmelzpunkt;
(ii) PDL-Polymere, enthaltend α,ω-Dihydroxy-[oligo(L-lactat-co-glycolat)-ethylenoligo-(L-lactat-co-glycolate)], die T_trans für das weiche Segment ist der Glasübergangspunkt.

Tabelle 2: Synthese von Multiblock-Copolymeren
Eigenschaften der thermoplastischen Elastomeren
Die physikalischen, mechanischen und Abbau-Eigenschaften, die für die Zusammensetzungen bestimmt wurden, sind in den nachstehenden Tabellen 3 bis 9 angegeben.
Das hydrolytische Abbauverhalten der neuen Materialien wurde in einer Puffer-Lösung von 37°C bei pH 7 getestet. Es zeigte sich, dass die Polymeren vollständig abbaubar waren und dass ihre Abbaugeschwindigkeit durch die Konzentration von leicht hydrolysierbaren Ester-Bindungen eingestellt werden kann. Die Werte für den relativen Massenverlust sind m_r = m(t₀)/m(t) in% bei 37°C und für den relativen Molekulargewichtsverlust sind sie M_r = M_w(t) M_w(t₀) in % bei 37°C.
Die Toxizität der beiden unterschiedlichen Multiblock-Copolymeren wurde unter Verwendung eines Hühereiertest bestimmt. Es wurde gezeigt, dass Blutgefäße sich regulär entwickelten und ihr Zustand wurde durch die Polymer-Proben nicht beeinflusst.
Tabelle 3: Zusammensetzung der Copolyester-Urethane, bestimmt durch 400 MHz ¹N-NMR-Spektroskopie
Tabelle 4: Molekulargewicht M_w der Copolyester-Urethan-Filme, bestimmt durch Multidedektor-GPC
Tabelle 5: Übergangstemperaturen T_m und T_g Enthalpien für die Fusion ΔH_m und Änderung der Wärmekapazität Δc_p der Polymerfilme durch DSC-Messungen (die angegebenen Werte stammen aus dem zweiten Erhitzungsvertahren)
Tabelle 6: Mechanische Eigenschaften der Polymerfilme bei 50°C aufgrund von Zugfestigkeitsstest
Tabelle 7: PDC22 Abbaubarkeit
Tabelle 8: PDL23 Abbaubarkeit
Tabelle 9: Verlust an relativer Masse
Shape-Memory-Eigenschaften
Die 7 zeigt die Ergebnisse von Zugfestigkeitstests, die mit den Multiblock-Copolymeren durchgeführt wurden, als Funktion der Anzahl der thermolytischen Zyklen. Die durchschnittliche Gestalt-Fixierungsrate von thermocyclisch behandelten Polymeren und die Abhängigkeit der Spannungserholungsraten als Funktion der Anzahl der Zyklen sind in den nachstehenden Tabellen 10 bzw. 11 angegeben. Die Polymeren weisen eine gute Gestalt-Fixierbarkeit auf und ein Gleichgewichtszustand wurde nach nur zwei Zyklen erhalten.
Tabelle 10: durchschnittliche Gestaltfixierungsrate R_f
Tabelle 11: Abhängigkeit der Spannungserholungsraten R_r von der Anzahl der Zyklen
Beispiel 2: Abbaubares Shape-Memory-Thermoset-Material mit einem kristallisierbaren weichen Segment
Eine Reihe von Poly(ε-caprolacton)-dimethacrylaten und Thermosets wurde im Hinblick auf ihre mechanischen und Shape-Memory-Eigenschaften bewertet.
Synthese des Makromonomers
Poly(ε-caprolacton)-dimethacrylate (PCLDMAs) wurden wie folgt hergestellt: zu einer Lösung von Poly(ε-caprolacton)-diol mit M_n = 2 000 gmol^–1 (20,0 g, 10 mmol) und Triethylamin (5,3 mL, 38 mmol) in 200 mL trockenem THF wurde Methacryloylchlorid (3,7 mL, 38 mmol) bei 0°C zugetropft. Die Lösung wurde 3 Tage lang bei 0°C gerührt und das ausgefallene Salz wurde abfiltriert. Nach dem Einengen der Mischung bei Raumtemperatur unter vermindertem Druck wurden 200 mL Ethylacetat zugegeben und die Lösung wurde erneut filtriert und in einem 10-fachen Überschuss einer Mischung von Hexanen, Ethylether und Methanol (18 : 1 : 1) ausgefällt. Das farblose Präzipitat wurde gesammelt, in 200 mL Dichlorethan gelöst, erneut ausgefällt und bei Raumtemperatur unter vermindertem Druck vorsichtig getrocknet.
Synthese der Thermosets
Das Makromonomer (oder die Monomermischung) wurde auf 10°C oberhalb seiner Schmelztemperatur (Tm) erhitzt und in eine aus zwei Glasplatten (25 mm × 75 mm) und einem Teflon-Abstandhalter einer Dicke von 0,60 mm gebildete Form eingefüllt. Zur Erzielung einer guten Homogenität wurde die Form eine weitere Stunde lang bei T_m gehalten. Eine Lichthärtung wurde durchgeführt auf einer erhitzten Platte für 15 min bei T_m. Der Abstand zwischen dem Kopf der Heizlampe und der Probe betrug 5,0 cm. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur wurde die Probe extrahiert und in einem 100-fachen Überschuss von Dichloromethan über Nacht aufquellen gelassen und vorsichtig gewaschen. Schließlich wurde die Probe unter vermindertem Druck bei Raumtemperatur getrocknet.
Eigenschaften der Makromonomeren und der Thermosets
In der nachstehenden Tabelle 12 sind die Poly(ε-caprolacton)-dimethacrylate aufgezählt, die hergestellt wurden, zusammen mit dem jeweiligen Acylierungsgrad (Da) (%). Die auf PCLDMA folgende Ziffer steht für das Molekulargewicht M_n des bei der Synthese verwendeten Poly(ε-caprolacton)-diols, bestimmt unter Verwendung von ¹H-NMR und GPC, gerundet auf 500.
Tabelle 12: Poly(ε-caprolacton)-diol und Acylierungsgrad
Die 8 zeigt die Schmelztemperatur (T_m) von Diolen, Dimethacrylaten und Thermosets aus Poly(ε-caprolacton) als Funktion des molaren Massengewichts M_n der Makromonomeren. In dem Diagramm sind die Makrodiole dargestellt durch
die Makromoneren sind dargestellt durch ...•..... und die Thermosets sind dargestellt durch
Die Zugfestigkeitseigenschaften der Poly(ε-caprolacton)-Thermosets C1 bis C7 bei Raumtemperatur sind in der nachstehenden Tabelle 13 angegeben, in der E für den Elastizitätsmodul (Young'schen Modul), ε_s für die Dehnung und σ_max für die Belastung an der Streckgrenze, σ_max für die maximale Belastung, ε_max für die Dehnung bei σ_max, ε_R für die Dehnung beim Bruch und σ_R für die Belastung beim Bruch stehen.
In der nachstehenden Tabelle 14 sind die Zugfestigkeits-Eigenschaften der gleichen Poly(ε-caprolacton)-Thermosets bei 70°C angegeben.
Tabelle 13: Thermoset-Zugfestigkeitseigenschaften bei Raumtemperatur
Tabelle 14: Thermoset-Zugfestigkeitseigenschaften bei 70°C
Shape-Memory-Eigenschaften
Die thermomechanischen Eigenschaften der Thermosets wurden bestimmt und sind in der Tabelle 15 angegeben. Die zahlendurchschnittlichen Molekulargewichte (M_n) sind diejenigen des Makromonomers. Die untere Grenztemperatur (T₁) ist 0°C und die obere Grenztemperatur (T_h) ist 70°C. Die Ausdehnung in der vorübergehenden Gestalt beträgt 50%. R_r (2) ist die Spannungserholungsrate des zweiten Zyklus, R_r,tot ist die gesamte Spannungerholungsrate nach 5 Zyklen, Rf ist die durchschnittliche Spannungsfixierungsrate.
Tabelle 15: Thermomechanische Eigenschaften der Thermosets

Claims

Abbaubare Shape-Memory-Polymerzusammensetzung, die ein Polymer umfasst, das aufweist: (1) harte und weiche Segmente oder (2) ein oder mehrere weiche Segmente, die kovalent oder ionisch miteinander vernetzt sind, oder (3) Polymermischungen, wobei die Polymermischungen mindestens ein Di-, Tri-, Tetra- oder Multiblock-Copolymer und mindestens ein Homo- oder Copolymer umfassen und wobei die ursprüngliche Gestalt des Polymers wieder entsteht durch Änderung der Temperatur oder durch Anwendung eines anderen Stimulus, wie z. B. Licht.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, die umfasst a) mindestens ein hartes Segment, das eine T_trans zwischen –40 und 270°C aufweist, b) mindestens ein weiches Segment, das eine T_trans aufweist, die um mindestens 10°C niedriger ist als diejenige des (der) harten Segments (Segmente), das mit mindestens einem harten Segment verknüpft ist, wobei mindestens eines der harten oder weichen Segmente eine abbaubare Region aufweist oder mindestens eines der harten Segmente mit mindestens einem der weichen Segmente durch eine abbaubare Brückenbindung verknüpft ist.
Zusammensetzung nach Anspruch 2, worin die T_trans des harten Segments in dem Bereich zwischen 30 und 150°C liegt.
Zusammensetzung nach Anspruch 3, worin die T_trans des harten Segments in dem Bereich zwischen 30 und 100°C liegt.
Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, worin die T_trans des (der) weichen Segments (Segmente) um mindestens 20°C unterhalb derjenigen des (der) harten Segments (Segmente) liegt.
Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, worin mindestens eines der harten und weichen Segmente ein thermoplastisches Polymer ist.
Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, worin das harte Segment cyclische Reste umfasst.
Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, worin das Gewichtsverhältnis zwischen den harten und weichen Segmenten zwischen etwa 5 : 95 und 95 : 5 liegt.
Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, worin das Shape-Memory-Polymer ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus Pfropfpolymeren, linearen Polymeren und Dendrimer-Polymeren.
Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, worin das Polymer eine abbaubare Region umfasst, ausgewählt aus der Gruppe, die besteht aus Polyhydroxysäuren, Poly(etherestern), Polyorthoestern, Poly(aminosäuren), synthetischen Poly(aminosäuren), Polyanhydriden, Polycarbonaten, Poly(hydroxyalkanoaten) und Poly(ε-caprolactonen).
Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, worin das Polymer eine biologisch abbaubare Brückenbindung umfasst, ausgewählt aus der Gruppe, die besteht aus Estergruppen, Carbonatgruppen, Amidgruppen, Anhydridgruppen und Orthoestergruppen.
Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, worin das Polymer vollständig biologisch abbaubar ist.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, die umfasst: ein abbaubares wärmegehärtetes Polymer, das umfasst ein kovalent vernetztes kristallisierbares weiches Segment mit einer Tm zwischen 250 und –40°C oder ein kovalent vernetztes weiches Segment mit einer T_trans zwischen 250 und –60°C.
Zusammensetzung nach Anspruch 13, worin das abbaubare wärmegehärtete Polymer umfasst ein kovalent vernetztes kristallisierbares weiches Segment mit einer Tm zwischen 200 und 0°C oder ein kovalent vernetztes weiches Segment mit einer T_trans zwischen 200 und 0°C.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, die umfasst a) mindestens ein erstes Segment, das eine T_trans zwischen –40 und 27°C aufweist, b) mindestens ein zweites Segment, das mit mindestens einem ersten Segment verknüpft ist und ionische Wechselwirkungen mit einer ausreichenden Festigkeit aufweist, sodass das zweite Segment eine physikalische Vernetzung bilden kann, verschieden von einem Schmelzpunkt oder einem Glasübergang, wobei mindestens eines der ersten oder zweiten Segmente eine abbaubare Region aufweist oder mindestens eines der ersten Segmente mit mindestens einem der zweiten Segmente durch eine biologisch abbaubare Brückenbindung verknüpft ist.
Zusammensetzung nach Anspruch 15, worin die ionische Wechselwirkung Polyelectrolyt-Segmente, multivalente Ionen oder Polymere oder supramolekulare Effekte auf der Basis von hoch-organisierten Wasserstoffbindungen umfasst.
Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, worin das Polymer einen inversen Temperatureffekt aufweist, wobei die Zusammensetzung ihre Gestalt wieder annimmt, wenn sie auf eine Temperatur unterhalb ihrer Gestalt-Rückbildungstemperatur abgekühlt wird.
Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, worin das Polymer seine Gestalt in Abhängigkeit vom Licht ändert.
Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, worin das Polymer eine Polymermischung ist.
Zusammensetzung nach Anspruch 19, worin die Polymermischung ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus physikalischen Mischungen von Polymeren, Mischungen von Polymeren, die harte Segmente mit unterschiedlicher T_trans und identische weiche Segmente mit der gleichen T_trans, umfassen, Mischungen von Multiblock-Copolymeren, worin mindestens eines der Segmente eines ersten Copolymers mit mindestens einem der Segmente eines zweiten Copolymers mischbar ist, und Mischungen von mindestens einem Multiblock-Copolymer und mindestens einem Homo- oder Copolymer.
Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, die einen Überzug umfasst, der den Abbau des Shape-Memory-Polymers verändert.
Gegenstand, der die abbaubare Shape-Memory-Polymerzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 21 umfasst.
Gegenstand nach Anspruch 22, der ein Agens enthält, ausgewählt aus der Gruppe, die besteht aus therapeutischen, diagnostischen und prophylaktischen Agentien.
Gegenstand nach Anspruch 22 oder 23, der implantierbar ist und bei dem das biologisch abbaubare Shape-Memory-Polymer biologisch kompatibel ist.
Gegenstand nach Anspruch 24, worin das Shape-Memory-Polymer keine aromatischen Gruppen enthält.
Gegenstand nach einem der Ansprüche 22 bis 25, bei dem es sich um eine medizinische Einrichtung handelt, ausgewählt aus der Gruppe, die besteht aus Stents, Kathetern, Prothesen, Transplantaten, Schrauben, Stiften, Pumpen und Maschengittern (Netzen).
Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, für die Verwendung in der Medizin.
Verwendung einer Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 21 bei der Herstellung eines Arzneimittels für die lokale oder systemische Zuführung eines Agens, ausgewählt aus der Gruppe, die besteht aus therapeutischen, prophylaktischen und diagnostischen Agentien.
Zusammensetzung nach Anspruch 13 oder 14, in der das Polymer ein Netzwerk umfasst, ausgewählt aus der Gruppe, die besteht aus Polymer-Netzwerken, sich wechselseitig durchdringenden Netzwerken, sich wechselseitig semi-durchdringenden Netzwerken und gemischten sich wechselseitig durchdringenden Netzwerken.
Verfahren zur Verwendung der Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 20 und 29 zur Herstellung eines Gegenstandes, ausgewählt aus der Gruppe, die besteht aus Nähten, Orthodontie-Einrichtungen, Knochen-Schrauben, -Nägeln, -Platten, Kathetern, Schläuchen, Filmen, Stents, orthopädischen Klammern, Schienen, Bändern zur Herstellung von Gusskörpern, Kontaktlinsen, Implantaten, Wärmeindikatoren, Gerüsten für den Gewebeaufbau und Arzneimittelzuführungs-Einrichtungen.