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Patents

  1. Advanced Patent Search
Publication numberDE69931474 T2
Publication typeGrant
Application numberDE1999631474
PCT numberPCT/US1999/003923
Publication dateMay 10, 2007
Filing dateFeb 23, 1999
Priority dateFeb 23, 1998
Also published asCA2316945A1, DE69931474D1, EP1062278A2, EP1062278B1, US6388043, US6720402, US20030055198, WO1999042528A2, WO1999042528A3
Publication number1999631474, 99631474, DE 69931474 T2, DE 69931474T2, DE-T2-69931474, DE1999631474, DE69931474 T2, DE69931474T2, DE99631474, PCT/1999/3923, PCT/US/1999/003923, PCT/US/1999/03923, PCT/US/99/003923, PCT/US/99/03923, PCT/US1999/003923, PCT/US1999/03923, PCT/US1999003923, PCT/US199903923, PCT/US99/003923, PCT/US99/03923, PCT/US99003923, PCT/US9903923
InventorsS. Robert Newton LANGER, Andreas Lendlein
ApplicantMnemoscience Gmbh
Export CitationBiBTeX, EndNote, RefMan
External Links: DPMA, Espacenet
Formgedächtnis-polymer
DE 69931474 T2
Abstract  available in
Claims(43)
  1. Form-Gedächtnis-Polymerzusammensetzung, mit mindestens zwei Formen im Gedächtnis, wobei die Zusammensetzung zwei Weichsegmente und entweder ein Hartsegment oder kovalente Vernetzungsstellen umfasst, wobei das erste Weichsegment eine Ttrans von mindestens 10°C niedriger als die des Hartsegments und mindestens 10°C höher als die des zweiten Weichsegments aufweist.
  2. Zusammensetzung nach Anspruch 1, umfassend: a) mindestens ein Hartsegment mit einer Ttrans zwischen –40 und 270°C, b) ein erstes Weichsegment mit einer Ttrans von mindestens 10°C niedriger als die des Hartsegments oder der Hartsegmente, verbunden mit mindestens einem Hartsegment, c) ein zweites Weichsegment, verbunden mit mindestens einem Segment ausgewählt aus dem Hartsegment und dem ersten Weichsegment, mit einer Ttrans von mindestens 10°C geringer als die Ttrans des ersten Weichsegments.
  3. Zusammensetzung nach Anspruch 2, wobei Ttrans des Hartsegments im Bereich zwischen 30 und 150°C liegt.
  4. Zusammensetzung nach Anspruch 3, wobei Ttrans des Hartsegments im Bereich zwischen 30 und 100°C liegt.
  5. Zusammensetzung nach irgend einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei Ttrans des ersten Weichsegments bzw. der ersten Weichsegmente mindestens 20°C niedriger ist als die des Hartsegments oder der Hartsegmente.
  6. Zusammensetzung nach irgend einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei Ttrans des zweiten Weichsegments bzw. der zweiten Weichsegmente mindestens 20°C unterhalb der des ersten Weichsegments bzw. der ersten Weichsegmente liegt.
  7. Zusammensetzung nach irgend einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei das Form-Gedächtnis-Polymer ein thermoplastisches Polymer umfasst.
  8. Zusammensetzung nach irgend einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei das Polymer mehrere Segmente umfasst und das Molekulargewicht Mn mindestens eines dieser Segmente zwischen 500 und 10.000 liegen.
  9. Zusammensetzung nach irgend einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei das Form-Gedächtnis-Polymer ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Pfropfpolymeren, linearen Polymeren und Dendrimerpolymeren.
  10. Zusammensetzung nach irgend einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei das Polymer Hartsegmente und Weichsegmente umfasst und das Hartsegment zyklische Einheiten umfasst.
  11. Zusammensetzung nach Anspruch 10, wobei die Einheiten ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Kronenethem und zyklischen Oligopeptiden.
  12. Zusammensetzung nach irgend einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Form-Gedächtnis-Polymer bioabbaubar ist.
  13. Zusammensetzung nach Anspruch 12, wobei das Polymer Hartsegmente und Weichsegmente umfasst und mindestens eins der Hartsegmente und Weichsegmente ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyhydroxysäuren, Polyorthoestem, Polyetherestem, Polyestern, Polyamiden, Polyesteramiden, Polydepsipeptiden, aliphatischen Polyurethanen, Polysacchariden, Polyhydroxyalkanoaten und Copolymere davon.
  14. Zusammensetzung nach Anspruch 13, wobei der Polyetherester ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Oligo(p-dioxanon) und Copolymeren davon.
  15. Zusammensetzung nach irgend einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das Polymer mindestens zwei Weichsegmente aufweist und die Segmente verbunden sind durch eine Verbindung die spaltbar durch die Anwendung eines Stimulus ist, wobei der Stimulus ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Ultraschall, elektrischen Feldern, magnetischen Feldern und Licht.
  16. Zusammensetzung nach irgend einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei das Polymer mindestens ein Hartsegment und zwei Weichsegmente umfasst, wobei das Gewichtsverhältnis von Hartsegment : erstes Weichsegment und zweites Weichsegment zwischen 5:95 und 95:5 liegt.
  17. Zusammensetzung nach Anspruch 1, umfassend ein Thermosetpolymer, das mindestens zwei kovalent vernetzte kristallisierbare Weichsegmente umfasst, wobei ein erstes Weichsegment eine Ttrans, zwischen 250 und –40°C aufweist und ein zweites Weichsegment, verbunden mit dem ersten Weichsegment, eine Ttrans von mindestens 10°C weniger aufweist als Ttrans des ersten Weichsegments.
  18. Zusammensetzung nach Anspruch 17, wobei das erste Weichsegment eine Ttrans zwischen 200°C und 0°C aufweist.
  19. Zusammensetzung nach Anspruch 17 oder Anspruch 18, wobei mindestens eines der Hartsegmente und der Weichsegmente eine vernetzbare Gruppe umfasst, und wobei mindestens eines der Hartsegmente und der Weichsegmente verbunden sind, so dass ein interpenetrierendes Netzwerk oder ein semiinterpenetrierendes Netzwerk geformt wird.
  20. Zusammensetzung nach irgend einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei die Hartsegmente und die Weichsegmente ein gemischtes interpenetrierendes Netzwerk formen.
  21. Zusammensetzung nach irgend einem der Ansprüche 17 bis 20, wobei die Hartsegmente und die Weichsegmente ein Form-Gedächtnis-semi-IPN formen, bestehend aus einem Thermosetpolymer mit mindestens einem Weichsegment und einem Homopolymer oder Copolymer.
  22. Zusammensetzung nach Anspruch 21, wobei das resultierende semi-IPN eine höchste Ttrans im Bereich von 200 bis –40°C aufweist.
  23. Zusammensetzung nach Anspruch 21, wobei das Thermosetpolymer abbaubar ist.
  24. Zusammensetzung nach Anspruch 21, wobei das Homopolymer oder das Copolymer abbaubar ist.
  25. Zusammensetzung nach irgend einem der Ansprüche 21 bis 24, mit einer mehrfachen Form-Gedächtnis-Eigenschaft, wobei die Anzahl der Formen im Gedächtnis gleich der Anzahl der thermischen Übergänge des Polymers ist.
  26. Zusammensetzung nach Anspruch 1, umfassend ein Form-Gedächtnis-IPN, umfassend ein interpenetrierendes Netzwerk von Thermosetpolymeren.
  27. Zusammensetzung nach Anspruch 1, umfassend ein Form-Gedächtnis-Misch-IPN, umfassend ein thermoplastisches Elastomer, enthaltend mindestens ein Hartsegment und mindestens ein Weichsegment, sowie ein Thermosetpolymer, enthaltend mindestens ein Weichsegment.
  28. Form-Gedächtnis-Polymer-Zusammensetzung, umfassend: a) mindestens ein Hartsegment mit einer Ttrans zwischen –30 und 270°C, b) mindestens ein Weichsegment mit einer Ttrans mindestens 10°C geringer als die des Hartsegments oder der Hartsegmente, verbunden mit mindestens einem Hartsegment, wobei mindestens eines der Hartsegmente oder der Weichsegmente eine funktionelle Gruppe umfasst, fähig zur Formung einer Vernetzung, die bei Anwendung eines Stimulus, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Licht, elektrischem Feld, magnetischem Feld und Ultraschall, gespalten werden kann.
  29. Form-Gedächtnis-Polymer-Zusammensetzung in Übereinstimmung mit irgend einem der voranstehenden Ansprüche, wobei mindestens eines der Hartsegmente und der Weichsegmente einen Fest-Fest-Übergang und/oder ionische Wechselwirkung, umfassend Polyelektrolyt-Segmente, oder supramolekulare Effekte, basierend auf hoch organisierte Wasserstoffbindungen, zeigt.
  30. Zusammensetzung nach Anspruch 29, worin ein polykationisches Metallsalz mindestens zwei Segmente verbindet, wobei die geformte Verbindung gespalten werden kann unter Einsatz eines wässrigen Lösungsmittels.
  31. Verfahren zur Formung eines Form-Gedächtnis-Gegenstands, mit zwei oder mehr Formen im Gedächtnis, umfassend: a) Herstellen einer Formgedächtis-Polymer-Zusammensetzung, umfassend: i) mindestens ein Hartsegment mit einer Ttrans zwischen –30 und 270°C, ii) ein erstes Weichsegment, mit einer Ttrans mindestens 10°C geringer als die des Hartsegments oder der Hartsegmente, verbunden mit mindestens einem Hartsegment, iii) ein zweites Weichsegment, verbunden mit mindestens einem ausgewählt unter Hartsegment und erstem Weichsegment, mit einer Ttrans mindestens 10°C geringer als die Ttrans des ersten Weichsegments; b) Erwärmen der Zusammensetzung auf oberhalb von Ttrans des Hartsegments; c) Formen der Zusammensetzung um eine erwünschte erste Form zu formen; d) Abkühlen der Zusammensetzung auf eine Temperatur unterhalb von Ttrans des Hartsegments und oberhalb von Ttrans des ersten Weichsegments, um das Hartsegment zu härten, während das erste und zweite Weichsegment im geschmolzenem oder amorphen Zustand gehalten werden; e) Formen der Zusammensetzung um eine erwünschte zweite Form zu formen; f) Formen der Zusammensetzung um eine erwünschte dritte Form zu formen; und g) Abkühlen der Zusammensetzungen auf unterhalb von Ttrans des zweiten Weichsegments, um die zweite Form zu fixieren.
  32. Verfahren nach Anspruch 31, wobei die Zusammensetzung geformt wird durch Extrusion oder Spritzgießen.
  33. Verfahren nach Anspruch 32, weiter umfassend das Erwärmen der Zusammensetzung auf oberhalb von Ttrans des zweiten Weichsegments, um die Zusammensetzung in die zweite Form zurückzuführen.
  34. Verfahren nach Anspruch 33, weiter umfassend das Erwärmen der Zusammensetzung auf oberhalb Ttrans des ersten Weichsegments, um die Zusammensetzung in die erste Form zurückzuführen.
  35. Verfahren nach Anspruch 34, weiter umfassend das Erwärmen der Zusammensetzung auf oberhalb Ttrans des Hartsegments, so dass die Zusammensetzung die erste und zweite Form aus dem Gedächtnis verliert.
  36. Verfahren zur Formung einer Zusammensetzung mit einer Form im Gedächtnis, umfassend: a) Herstellen einer polymeren Zusammensetzung, umfassend: i) mindestens ein Hartsegment mit einer Ttrans zwischen –30 und 270°C, ii) mindestens ein Weichsegment mit einer Ttrans von mindestens 10°C weniger als die des Hartsegments oder der Hartsegmente, verbunden mit mindestens einem Hartsegment, wobei mindestens eines der Hartsegmente oder Weichsegmente eine funktionelle Gruppe umfasst, fähig zur Formung einer Vernetzung, die bei Anwendung eines Stimulus, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Licht, elektrischem Feld, magnetischem Feld und Ultraschall gespaltet werden kann; b) Erwärmen der Zusammensetzung auf oberhalb Ttrans des Hartsegments; c) Formen der Zusammensetzung um eine erwünschte erste Form zu formen; d) Abkühlen der Zusammensetzung auf eine Temperatur unterhalb Ttrans des Hartsegments und oberhalb Ttrans des Weichsegments; e) Formen der Zusammensetzung um eine erwünschte zweite Form zu formen; und f) Fixieren der zweiten Form durch Verbinden des Weichsegments.
  37. Verfahren nach Anspruch 36, weiter umfassend g) Formen der Zusammensetzung in eine dritte Form und Abkühlen auf unterhalb Ttrans des Weichsegments.
  38. Verfahren nach Anspruch 37, weiter umfassend das Rückführen der Zusammensetzung in die zweite Form durch Erwärmen auf oberhalb Ttrans des Weichsegments, aber weniger als Ttrans des Hartsegments.
  39. Verfahren nach Anspruch 38, weiter umfassend das Rückführen der Zusammensetzung in die erste Form durch die Anwendung eines Stimulus, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Licht, elektrischem Feld, magnetischem Feld und Ultraschall.
  40. Zusammensetzung nach irgend einem der Ansprüche, 1, 28 oder 29, umfassend Polymermischungen.
  41. Zusammensetzung nach irgend einem der Ansprüche 1 bis 30 zur Verwendung in der Medizin.
  42. Verwendung der Zusammensetzung nach irgend einem der Ansprüche 1 bis 30 für die Herstellung eines Medikaments für die lokale oder die systemische Verabreichung eines Mittels, ausgewählt aus therapeutischen, prophylaktischen und diagnostischen Mitteln.
  43. Formkörper, umfassend eine Form-Gedächtnis-Polymer-Zusammensetzung in Übereinstimmung mit irgend einem der Ansprüche 1 bis 30, wobei der Formkörper ausgewählt ist unter chirurgischem Nahtmaterial, orthodentischen Materialien, Knochenschrauben, Nägeln, Platten, Netzen, Prothesen, Pumpen, Kathetern, Röhren, Filmen, Stents, orthopädischen Klammem, medizinischen Schienen, Tape-Material zur Herstellung von Gipsverbänden, Gerüsten für Tissue Engineering, Kontaktlinsen, Arzneimittelverabreichungsvorrichtungen, Implantaten, thermischen Indikatoren, Schäumen, Verpackungsmaterial für Nahrungsmittel, automatischen Starterklappen, Polymerkompositien, Textilmaterialien, feuchtigkeitspermeablen Kleidungsgegenständen, Windeln, Innenmaterial für Schuhe, Röhrenverbindern, Maskenkernmaterialien, wärmeschrumpfbaren Röhren, wiederbeschreibbaren CDs, Klammem, Themperatursensoren, Dämpfungsmateria-lien, Fußbettmaterialien und Schutzausrüstung, Spielzeug, Verbindungsmaterialien und Schalldämpfungsmaterialien.
Description
  • Hintergrund der Erfindung
  • [0001]
    Diese Anmeldung liegt hauptsächlich auf dem Gebiet von Form-Gedächtnis-Polymeren, und ganz besonders von Form-Gedächtnis-Polymeren mit erhöhten Leistungskennzeichen und mehr als einer Form im Gedächtnis.
  • [0002]
    Beim Formgedächtnis handelt es sich um die Fähigkeit eines Materials, sich an seine ursprüngliche Form zu erinnern, entweder nach mechanischer Verformung (1), wobei es sich um einen Einwegeffekt handelt, oder durch Abkühlen und Erwärmen (2), wobei es sich um einen Zweiwegeffekt handelt. Dieses Phänomen beruht auf einer strukturellen Phasenumwandlung.
  • [0003]
    Die ersten Materialien, von denen bekannt war, dass sie diese Eigenschaften aufwiesen, waren Form-Gedächtnis-Metalllegierungen (SMAs) einschließlich TiNi- (Nitinol-), CuZnAl- und FeNiAl-Legierungen. Die Strukturphasenumwandlung dieser Materialien ist als eine martensitische Umwandlung bekannt. Diese Materialien sind für verschiedene Verwendungen einschließlich Gefäß-Stents, medizinischen Leitdrähten, orthodentischen Drähten, Vibrationsdämpfstoffen, Röhrenanschlussstücken, elektrischen Steckern, Thermostaten, Schaltbuchsen, Brillenrahmen und BH-Bügeln vorgeschlagen worden. Diese Materialien sind noch nicht weithin verwendet worden, zum Teil, weil sie relativ teuer sind.
  • [0004]
    Wissenschaftler sind dabei, Form-Gedächtnis-Polymere (SMPs) aktiv zu entwickeln, um die Verwendung von SMAs zu ersetzen oder zu erweitern, zum Teil, weil die Polymere leicht sind, eine hohe Fähigkeit zur Formwiederherstellung aufweisen, leicht handzuhaben sind und im Vergleich zu SMAs wirtschaftlich sind. In der Literatur werden SMPs im Allgemeinen als phasensegregierte, lineare Blockcopolymere gekennzeichnet, die ein Hartsegment und ein Weichsegment aufweisen. Das Hartsegment ist typischerweise kristallin mit einem definierten Schmelzpunkt, und das Weichsegment ist typischerweise amorph mit einer definierten Glasübergangstemperatur. In einigen Ausführungsformen ist das Hartsegment jedoch amorph und hat eine Glasübergangstemperatur statt eines Schmelzpunkts. In anderen Ausführungsformen ist das Weichsegment kristallin und hat einen Schmelzpunkt statt einer Glasübergangstemperatur. Der Schmelzpunkt oder die Glasübergangstemperatur des Weichsegments ist wesentlich geringer als der Schmelzpunkt oder die Glasübergangstemperatur des Hartsegments.
  • [0005]
    Wenn das SMP auf oberhalb des Schmelzpunkts oder der Glasübergangstemperatur des Hartsegments erwärmt wird, kann das Material geformt werden. Diese (ursprüngliche) Form kann durch Abkühlen des SMPs auf unterhalb des Schmelzpunkts oder der Glasübergangstemperatur des Hartsegments gespeichert werden. Wenn das geformte SMP auf unterhalb des Schmelzpunkts oder der Glasübergangstemperatur des Weichsegments abgekühlt wird, während die Form verformt wird, wird diese (vorübergehende) Form fixiert. Die ursprüngliche Form wird durch Erwärmen des Materials auf oberhalb des Schmelzpunkts oder der Glasübergangstemperatur des Weichsegments, aber unterhalb des Schmelzpunkts oder der Glasübergangstemperatur des Hartsegments wiederhergestellt. In einem anderen Verfahren für das Festlegen einer vorübergehenden Form wird das Material bei einer Temperatur verformt, die niedriger als der Schmelzpunkt oder die Glasübergangstemperatur des Weichsegments ist, was dazu führt, dass die Spannung und Dehnung durch das Weichsegment absorbiert wird. Wenn das Material auf oberhalb des Schmelzpunkts oder der Glasübergangstemperatur des Weichsegments, aber unterhalb des Schmelzpunkts (oder der Glasübergangstemperatur) des Hartsegments erwärmt wird, werden die Spannungen und Dehnungen entspannt und das Material kehrt zu seiner ursprünglichen Form zurück. Das Wiederherstellen der ursprünglichen Form, das durch eine Erhöhung der Temperatur induziert wird, wird thermischer Form-Gedächtnis-Effekt genannt. Eigenschaften, welche die Form-Gedächtnis-Fähigkeiten eines Materials beschreiben, sind die Formwiederherstellung der ursprünglichen Form und die Formfestigkeit der vorübergehenden Form.
  • [0006]
    Einige physikalische Eigenschaften von SMPs außer der Fähigkeit, Form zu speichern, werden als Reaktion auf externe Änderungen der Temperatur und Spannung signifikant verändert, besonders am Schmelzpunkt oder der Glasübergangstemperatur des Weichsegments. Diese Eigenschaften schließen den Elastizitätsmodul, die Härte, die Flexibilität, die Dampfdurchlässigkeit, die Dämpfung, den Brechungsindex und die Dielektrizitätskonstante ein. Der Elastizitätsmodul (das Verhältnis der Spannung in einem Körper zu der entsprechenden Dehnung) eines SMP kann sich um einen Faktor von bis zu 200 ändern, wenn es auf oberhalb des Schmelzpunkts oder der Glasübergangstemperatur des Weichsegments erwärmt wird. Auch ändert sich die Härte des Materials dramatisch, wenn sich das Weichsegment an oder oberhalb seines Schmelzpunkts oder seiner Glasübergangstemperatur befindet. Wenn das Material auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts oder der Glasübergangstemperatur des Weichsegments erwärmt wird, kann die Dämpfungsfähigkeit 5-mal höher sein als ein herkömmliches Gummiprodukt. Das Material kann nach zahlreichen thermischen Zyklen leicht zu seiner ursprünglichen geformten Form zurückkehren und kann auf oberhalb des Schmelzpunkts des Hartsegments erwärmt werden und erneut geformt und abgekühlt werden, um eine neue ursprünliche Form zu fixieren.
  • [0007]
    Der Form-Gedächtnis-Effekt existiert für Polymere (z. B. wärmeschrumpfbare Filme). Er ist jedoch keine spezifische Masseneigenschaft sondern ergibt sich aus der Struktur und Morphologie des Polymers. Der Effekt besteht in vielen Polymeren, die sich in ihrer chemischen Zusammensetzung signifikant unterscheiden könnten. Es sind jedoch nur wenige Form-Gedächtnis-Polymersysteme in der Literatur beschrieben worden (Kim et al., "Polyurethanes having shape memory effect," Polymer 37(26): 5781–93 (1996); Li et al., "Crystallinity and morphology of segmented Polyurethanes with different soft-segment length," J. Applied Polymer 62: 631–38 (1996); Takahashi et al., "Structure and properties of shape-memory polyurethane block copolymers, "J. Applied Polymer Science 60: 1061–69 (1996); Tobushi H., et al., "Thermomechanical properties of shape memory polymers of polyurethane series and their applications," J. Physique IV (Colloque C1) 6: 377–84 (1996)).
  • [0008]
    Beispiele für Polymere, die verwendet werden, um Hart- und Weichsegmente von SMPs herzustellen, schließen verschiedene Polyether, Polyacrylate, Polyamide, Polysiloxane, Polyurethane, Polyetheramide, Polyurethan/harnstoffe, Polyetherester und Urethan/Butadien-Copolymere ein. Siehe zum Beispiel US-Patent Nr. 5.506.300 an Ward et al., US-Patent Nr. 5.145.935 an Hayashi, US-Patent Nr. 5.665.822 an Bitler et al. und Gorden, "Applications of Shape Memory Polyurethanes," Proceedings of the First International Conference on Shape Memory and Superelastic Technologies, SMST International Committee, S. 115–19 (1994). Die SMPs, die bisher entwickelt worden sind, scheinen darauf beschränkt zu sein, nur eine vorübergehende Form im Gedächtnis zu halten. Es wäre vorteilhaft, SMPs bereitzustellen, die fähig sind Objekte zu formen, die fähig sind, mehr als eine Form im Gedächtnis zu halten.
  • [0009]
    EP 0 422 693 A2 offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines Gegenstands mit Form-Gedächtnis-Eigenschaften und einige der so erhaltenen Gegenstände.
  • [0010]
    Yong Li et al. offenbaren in J. of Appl. Polym. Sc. Band 63, Nr. 9, 1173–1178, Form-Gedächtnis-Gele, die durch die modulierte Gel-Technologie hergestellt werden. Zhibin Hu et al. offenbaren in Science, Band 269, 525–527 die Synthese und Anwendungen modulierter Polymergele.
  • [0011]
    JP-A-03-068611 offenbart ein Form-Gedächtnis-Polymermaterial.
  • [0012]
    EP 0 385 443 A2 offenbart ein Polymermaterial mit Form-Gedächtnis-Kennzeichen.
  • [0013]
    EP 0 374 961 A2 offenbart ein Form-Gedächtnis-Polymerharz.
  • [0014]
    Es ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, SMPs bereitzustellen, die fähig sind, Objekte zu formen, die fähig sind, mehr als eine Form im Gedächtnis zu behalten.
  • [0015]
    Es ist ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, SMPs mit physikalischen und chemischen Eigenschaften und chemischen Strukturen bereitzustellen, die anders als die bei herkömmlichen SMPs sind.
  • [0016]
    Es ist noch ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, SMPs mit Formen im Gedächtnis, die durch einen anderen Stimulus als Temperatur hervorgerufen werden, bereitzustellen. Dieses Ziel ist durch Bereitstellen des Materials nach Anspruch 1 gelöst worden. Bevorzugte Ausführungsformen werden in den Ansprüchen 2–43 definiert.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • [0017]
    Form-Gedächtnis-Polymerzusammensetzungen, deren Formkörper und Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung werden beschrieben. Die Zusammensetzung kann zum Beispiel ein Hartsegment und mindestens zwei Weichsegmente einschließen. Die Ttrans des Hartsegments ist mindestens 10°C und vorzugsweise 20°C höher als die Ttrans von einem der Weichsegmente, und die Ttrans jedes nachfolgenden Weichsegments ist mindestens 10°C und vorzugsweise 20°C niedriger als die Ttrans des vorhergehenden Weichsegments. Ein Multiblockcopolymer mit einem Hartsegment mit einer relativ hohen Ttrans und einem Weichsegment mit einer relativ niedrigen Ttrans kann mit einem zweiten Multiblockcopolymer mit einem Hartsegment mit einer relativ niedrigen Ttrans und dem gleichen Weichsegment wie dem im ersten Multiblockcopolymer gemischt oder vermengt werden. Da die Weichsegmente in beiden Multiblockcopolymeren identisch sind, sind die Polymere ineinander mischbar, wenn die Weichsegmente geschmolzen sind. Die resultierende Mischung hat drei Übergangstemperaturen; eine für das erste Hartsegment, eine für das zweite Hartsegment und eine für das Weichsegment. Demgemäß sind diese Materialien fähig, zwei verschiedene Formen zu speichern.
  • [0018]
    Jedes Polymer, das kristallin oder amorph ist und das eine Ttrans innerhalb des hierin definierten Bereichs aufweist, kann verwendet werden, um die Hart- und Weichsegmente zu formen. Der Schmelzpunkt oder die Glasübergangstemperatur (nachstehend die Ttrans) des Hartsegments ist mindestens 10°C und vorzugsweise 20°C höher als die Ttrans des Weichsegments. Die Ttrans der Hartsegments liegt vorzugsweise zwischen –30 und 270°C und stärker bevorzugt zwischen 30 und 150°C. Das Gewichtsverhältnis von Hartsegment zu Weichsegmenten liegt zwischen 5:95 und 95:5, vorzugsweise zwischen 20:80 und 80:20.
  • [0019]
    In einigen Ausführungsformen enthalten die Form-Gedächtnis-Polymere mindestens eine physikalische Vernetzungsstelle (physikalische Wechselwirkung des Hartsegments) oder enthalten kovalente Vernetzungsstellen anstelle eines Hartsegments. Bei den Form-Gedächtnis-Polymeren kann es sich auch um interpenetrierende Netzwerke oder semi-interpenetrierende Netzwerke handeln. Zusätzlich zu Zustandsänderungen von einem festen zu einem flüssigen Zustand (Schmelzpunkt oder Glasübergangstemperatur) können Hart- und Weichsegmente Fest-Fest-Übergänge zeigen und können ionische Wechselwirkungen, umfassend Polyelektrolyt-Segmente oder supramolekulare Effekte, basierend auf hoch organisierten Wasserstoffbindungen, zeigen.
  • [0020]
    Formkörper können aus den Form-Gedächtnis-Polymerzusammensetzungen zum Beispiel durch Spritzgießen, Blasen, Extrusion und Laserablation hergestellt werden. Um ein Objekt mit einer Form im Gedächtnis herzustellen, kann das Objekt bei einer Temperatur oberhalb der Ttrans des Hartsegments geformt werden und auf eine Temperatur unterhalb der Ttrans des Weichsegments abgekühlt werden. Wenn das Objekt anschließend in eine zweite Form geformt wird, kann das Objekt durch Erwärmen des Objekts auf oberhalb der Ttrans des Weichsegments und unterhalb der Ttrans des Hartsegments zu seiner ursprünglichen Form zurückgeführt werden.
  • [0021]
    Formkörper mit zwei oder mehr Formen im Gedächtnis können durch Formen einer Polymerzusammensetzung mit einem Hartsegment, einem ersten Weichsegment und einem zweiten Weichsegment hergestellt werden, wobei das erste Weichsegment eine Ttrans mindestens 10°C unterhalb der des Hartsegments und mindestens 10°C oberhalb der des zweiten Weichsegments aufweist. Nachdem die Zusammensetzung bei einer Temperatur oberhalb der Ttrans der Hartsegments geformt wurde, kann sie auf eine Temperatur unterhalb der Ttrans des erstens Weichsegments und oberhalb der des zweiten Weichsegments abgekühlt werden und in eine zweite Form geformt werden. Die Zusammensetzung kann in eine dritte Form geformt werden, nachdem sie auf unterhalb der Ttrans des zweiten Weichsegments abgekühlt wurde. Die Zusammensetzung kann auf oberhalb der Ttrans des zweiten Weichsegments erwärmt werden, um die Zusammensetzung zur zweiten Form zurückzuführen. Die Zusammensetzung kann auf oberhalb der Ttrans des ersten Weichsegments erwärmt werden, um die Zusammensetzung zur ersten Form zurückzuführen. Die Zusammensetzung kann auch auf oberhalb der Ttrans des Hartsegments erwärmt werden, worauf die Zusammensetzung das Gedächtnis der ersten und zweiten Formen verliert und unter Verwendung des vorstehend beschriebenen Verfahrens erneut geformt werden kann.
  • [0022]
    Thermosetpolymere können durch Vorformen von Makromonomeren zum Beispiel durch Extrusion und Fixieren der ursprünglichen Form bei einer Temperatur oberhalb der Ttrans des Thermosetpolymers hergestellt werden, zum Beispiel durch Photohärten von reaktiven Gruppen auf dem Makromonomer. Die ursprüngliche Form kann jedoch nur ein Mal programmiert werden.
  • [0023]
    In einer bevorzugten Ausführungsform findet die Formänderung als Reaktion auf eine Temperaturänderung statt. In einer andern Ausführungsform kann die Zusammensetzung ihre Form jedoch als Reaktion auf die Anwendung von Licht, von Änderungen der ionischen Konzentration und/oder des pH-Wertes, eines elektrischen Feldes, eines magnetischen Feldes oder von Ultraschall ändern. Zum Beispiel kann ein SMP mindestens ein Hartsegment und mindestens ein Weichsegment einschließen, wobei mindestens zwei der Segmente, vorzugsweise zwei Weichsegmente, durch eine funktionelle Gruppe miteinander verbunden sind, die bei Anwendung von Licht, elektrischem Feld, magnetischem Feld oder Ultraschall spaltbar ist. Die vorübergehende Form wird durch Vernetzen der linearen Polymere fixiert. Durch Spalten dieser Verbindungen kann die ursprüngliche Form wiederhergestellt werden. Die Stimuli für das Vernetzen und Spalten dieser Bindungen können gleich oder verschieden sein.
  • Beschreibung der Zeichnungen
  • [0024]
    1 ist eine bildliche Darstellung des Einweg-Form-Gedächtnis-Effekts.
  • [0025]
    2 ist eine bildliche Darstellung des (thermischen) Zweiweg-Form-Gedächtnis-Effekts.
  • [0026]
    3 ist eine bildliche Darstellung von Kombinationen geeigneter Klassen thermoplastischer Materialien.
  • [0027]
    4 ist das Diagramm einer Reaktionssequenz für die Synthese eines bevorzugten Photovernetzers.
  • [0028]
    5 ist eine bildliche Darstellung eines photoinduzierten Form-Gedächtnis-Effekts.
  • [0029]
    6 ist die bildliche Darstellung des Mechanismus des thermischen Form-Gedächtnis-Effekts für ein Multiblockcopolymer.
  • [0030]
    7 ist ein Graph, der Spannung gegen Elongation für ein Multiblockcopolymer-Form-Gedächtnis-Polymer zeigt.
  • [0031]
    8 ist ein Graph, der die Schmelztemperatur von Diolen, Dimethacrylaten und Poly(ε-caprolacton)-Thermosetpolymeren als Funktion der molaren Masse Mn der Makromonomere zeigt.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • [0032]
    Form-Gedächtnis-Polymerzusammensetzungen, deren Formkörper und Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung werden bereitgestellt.
  • Definitionen
  • [0033]
    Bei einem Polymer handelt es sich um ein Form-Gedächtnis-Polymer, falls die ursprüngliche Form des Polymers wiederhergestellt wird, indem es auf oberhalb einer Formwiederherstellungstemperatur (definiert als die Ttrans eines Weichsegments) erwärmt wird, sogar falls die ursprüngliche gepresste Form des Polymers bei einer niedrigeren Temperatur als der Formwiederherstellungstemperatur mechanisch zerstört wird, oder falls die gespeicherte Form durch Anwendung eines anderen Stimulus wiederhergestellt werden kann.
  • [0034]
    Wie hierin verwendet bezeichnet der Begriff "Segment" einen Block oder eine Sequenz eines Polymer bildenden Teils des Form-Gedächtnis-Polymers.
  • [0035]
    Wie hierin verwendet sind die Begriffe Hartsegment und Weichsegment relative Begriffe, welche die Ttrans der Segmente betreffen. Das Hartsegment (die Hartsegmente) hat (haben) eine höhere Ttrans als das Weichsegment (die Weichsegmente). Das Gewichtsverhältnis von Hartsegment : Weichsegmenten liegt zwischen etwa 5:95 und 95:5, vorzugsweise zwischen 20:80 und 80:20.
  • [0036]
    Wie hierin verwendet bezeichnet der Begriff "bioabbaubar" Materialien, die über einen Zeitraum von Minuten bis zu drei Jahren, vorzugsweise weniger als einem Jahr, nach Wechselwirkung mit einer physiologischen Umgebung bioresorbierbar sind und/oder sich abbauen und/oder durch mechanischen Abbau in Komponenten zerfallen, die metabolisierbar oder ausscheidbar sind, während sie die benötigte strukturelle Integrität beibehalten. Wie hierin in Bezug auf Polymere verwendet bezeichnet der Begriff "abbauen" eine Spaltung der Polymerkette, so dass das Molekulargewicht auf der Oligomerebene ungefähr konstant bleibt und nach dem Abbau Teilchen des Polymers verbleiben. Der Begriff "vollständig abbauen" bezeichnet eine Spaltung der Polymers auf der molekularen Ebene, so dass es im Wesentlichen einen vollständigen Massenverlust gibt. Der Begriff "abbauen" wie hierin verwendet schließt "vollständig abbauen" ein, falls es nicht anders angegeben wird.
  • Form-Gedächtnis-Polymerzusammensetzungen
  • [0037]
    Form-Gedächtnis-Polymere können thermoplastisch, Thermosetpolymere, interpenetrierende Netzwerke, semi-interpenetrierende Netzwerke oder gemischte Netzwerke sein. Bei Polymeren kann es sich um ein einzelnes Polymer oder eine Mischung von Polymeren handeln. Polymere können linear, verzweigt, thermoplastische Elastomere mit Seitenketten oder jeder Art von verästelten strukturellen Elementen sein. Bei Stimuli, die Formänderungen verursachen, kann es sich um Temperatur, ionische Änderung, pH-Wert, Licht, ein elektrisches Feld, ein magnetisches Feld oder Ultraschall handeln.
  • [0038]
    Thermoplastische Form-Gedächtnis-Materialien können oberhalb der Ttrans des Hartsegments (der Hartsegmente) in eine erwünschte Form geformt (z. B. gepresst) werden und auf eine Temperatur unterhalb der Formwiederherstellungstemperatur abgekühlt werden, wo sich das Polymer mechanischer Verformung unterziehen kann und Dehnungen im Polymer erzeugt werden. Die ursprüngliche Form der verformten Polymere kann wiederhergestellt werden, indem sie auf eine höhere Temperatur als ihre Formwiederherstellungstemperatur erwärmt werden. Oberhalb dieser Temperatur werden die Dehnungen im Polymer entspannt, wodurch dem Polymer ermöglicht wird, zu seiner ursprünglichen Form zurückzukehren. Im Gegensatz dazu werden Form-Gedächtnis-Materialien aus Thermosetpolymer in eine gewünschte Form geformt, bevor die Makromonomere, die verwendet werden, um die Thermosetpolymere zu formen, polymerisiert werden. Nachdem die Form fixiert worden ist, werden die Makromonomere dann polymerisiert.
  • [0039]
    Die Polymerzusammensetzungen sind vorzugsweise um mindestens ein Prozent komprimierbar und um mindestens fünf Prozent der ursprünglichen Dicke bei einer Temperatur unterhalb der Formwiederherstellungstemperatur ausdehnbar, wobei die Verformung durch Anwendung eines Stimulus wie zum Beispiel Wärme, Licht, Ultraschall, magnetische Felder oder elektrische Felder fixiert wird. In einigen Ausführungsformen zeigen die Materialien ein Wiederherstellungsverhältnis von 98% (vergleiche mit den experimentellen Beispielen).
  • [0040]
    Wenn eine signifikante Spannung angewendet wird, die zu einer erzwungenen mechanischen Verformung bei einer niedrigeren Temperatur als der Formwiederherstellungstemperatur führt, werden Spannungen in den Weichsegmenten oder amorphen Bereichen beibehalten und eine massive Formänderung wird sogar nach der teilweisen Freisetzung der Spannung durch die Elastizität des Polymers behalten. Falls die Konfiguration der molekularen Ketten durch Beeinflussen des regulierten Arrangements der molekularen Ketten bei einer niedrigeren Temperatur als der Glasübergangstemperatur gestört wird, nimmt man an, dass ein Rearrangement der molekularen Ketten durch die Zunahme der Volumengröße und die Abnahme des freien Volumeninhalts stattfindet. Die ursprüngliche Form wird durch die Kontraktion der Hartsegment-Aggregate durch die Erhöhung der Temperatur gemäß einer starren Kontrolle von Kettenkonformationen wiederhergestellt und die Form des Polymers wird zu der gespeicherten Form zurückgebracht.
  • [0041]
    Zusätzlich zu Zustandsänderungen von einem festen zu einem flüssigen Zustand (Schmelzpunkt oder Glasübergangstemperatur) können Hart- oder Weichsegmente ionische Wechselwirkungen, umfassend Polyelektrolyt-Segmente oder supramolekulare Effekte, basierend auf hoch organisierten Wasserstoffbindungen, zeigen. Das SMP kann Übergänge von Festzustand zu Festzustand (z. B. eine Morphologieänderung) zeigen. Übergänge von Festzustand zu Festzustand sind Fachleuten wohlbekannt, zum Beispiel wie bei Poly(styrol-block-butadien).
  • [0042]
    Ein Objekt, das unter Verwendung von Form-Gedächtnis-Polymeren geformt wird, kann hergestellt werden, um die Richtung der Änderung während der Wiederherstellung zu kontrollieren. Mit anderen Worten können Kontraktion und/oder Expansion entlang einer oder mehrerer dimensionaler Achsen stattfinden, je nachdem, wie die Polymere geformt und gespannt sind. Zum Beispiel kann in einer SMP-Faser die Formänderung auf eine Dimension beschränkt sein, wie zum Beispiel entlang der Länge.
  • [0043]
    In einer anderen Ausführungsform kann die thermische und elektrische Leitfähigkeit der SMP-Materialien als Reaktion auf Temperaturänderungen verändert werden. Die Feuchtigkeitsdurchlässigkeit der Zusammensetzungen kann variiert werden, besonders wenn das Polymer zu einem dünnen Film geformt wird (d. h. weniger als etwa 10 μm). Einige Polymerzusammensetzungen haben in ihrer ursprünglichen Form genügend Durchlässigkeit, so dass Wasserdampfmoleküle durch den Polymerfilm übertragen werden können, während Wassermoleküle nicht groß genug sind, um den Polymerfilm zu durchdringen. Die resultierenden Materialien haben eine niedrige Feuchtigkeitsdurchlässigkeit bei Temperaturen unterhalb der Raumtemperatur und eine hohe Feuchtigkeitsdurchlässigkeit bei Temperaturen oberhalb der Raumtemperatur.
  • I. Polymersegmente
  • [0044]
    Die Polymere beziehen "Hart-" und "Weich-"Segmente ein. Bei den Segmenten handelt es sich vorzugsweise um Oligomere. Wie hierin verwendet bezeichnet der Begriff "Oligomer" ein Molekül mit einer linearen Kette mit einem Molekulargewicht bis zu 15.000 Dalton. Die Polymere, welche die Segmente formen, werden basierend auf der erwünschten Glasübergangstemperatur (den erwünschten Glasübergangstemperaturen) (falls mindestens ein Segment amorph ist) oder des Schmelzpunkts (der Schmelzpunkte) (falls mindestens ein Segment kristallin ist) ausgewählt, was wiederum auf den erwünschten Anwendungen beruht, wobei die Verwendungsumgebung berücksichtigt wird. Vorzugsweise ist das Zahlenmittel des Molekulargewichts des Polymersegments größer als 400 und liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 500 und 15.000.
  • [0045]
    Die Übergangstemperatur, bei der das Polymer plötzlich weich wird und sich verformt, kann durch Ändern der Monomerzusammensetzung und der Art des Monomers kontrolliert werden, was einem ermöglicht, den Form-Gedächtnis-Effekt auf eine erwünschte Temperatur einzustellen. Die thermischen Eigenschaften der Polymere können zum Beispiel durch dynamisch-mechanische thermische Analyse oder dynamische Differenz-Kalorimetrie (DSC) nachgewiesen werden. Zusätzlich kann der Schmelzpunkt unter Verwendung eines Standard-Schmelzpunktgerätes bestimmt werden.
  • [0046]
    Bei den Polymeren kann es sich um Thermoset- oder thermoplastische Polymere handeln, obwohl thermoplastische Polymere wegen der Leichtigkeit des Pressens bevorzugt werden können. Thermosetpolymere können jedoch bei manchen Anwendungen bevorzugt werden, da sie in ihrer ursprünglichen Form bei Temperaturen höher als Ttrans im Allgemeinen weicher als physikalisch vernetzte Polymere sind.
  • [0047]
    Vorzugsweise liegt der Kristallinitätsgrad des Polymers oder des Polymerblocks (der Polymerblöcke) zwischen 3 und 80%, stärker bevorzugt zwischen 3 und 60%. Wenn der Kristallinitätsgrad höher als 80% ist, während alle Weichsegmente amorph sind, hat die resultierende Polymerzusammensetzung schwache Form-Gedächtnis-Kennzeichen.
  • [0048]
    Der Zugmodul des Polymers unterhalb der Ttrans liegt typischerweise zwischen 50 MPa und 2 GPa (Gigapascal), während der Zugmodul der Polymere oberhalb der Ttrans typischerweise zwischen 1 und 500 MPa liegt. Vorzugsweise ist das Verhältnis des Elastizitätsmoduls oberhalb und unterhalb der Ttrans 20 oder mehr. Je höher das Verhältnis ist, umso besser ist das Formgedächtnis der resultierenden Polymerzusammensetzung.
  • [0049]
    Die Polymersegmente können natürlich oder synthetisch sein, obwohl synthetische Polymere bevorzugt werden. Die Polymersegmente können bioabbaubar oder nicht bioabbaubar sein, obwohl bioabbaubare Polymerzusammensetzungen im Allgemeinen für medizinische Anwendungen in vivo bevorzugt werden. Im Allgemeinen bauen sich diese Materialien durch Hydrolyse ab, indem sie Wasser oder Enzymen unter physiologischen Bedingungen ausgesetzt werden, durch Oberflächenerosion, durch Massenerosion oder durch eine Kombination davon. Nicht bioabbaubare Polymere, die für medizinische Anwendungen verwendet werden, schließen vorzugsweise keine aromatischen Gruppen außer denen, die in natürlich vorkommenden Aminosäuren vorliegen, ein.
  • [0050]
    Die Polymere werden, basierend auf der erwünschten Glasübergangstemperatur (den erwünschten Glasübergangstemperaturen) (falls mindestens ein Segment amorph ist) oder des Schmelzpunkts (der Schmelzpunkte) (falls mindestens ein Segment kristallin ist) ausgewählt, was wiederum auf den erwünschten Anwendungen beruht, wobei die Verwendungsumgebung berücksichtigt wird. Vorzugsweise ist das Zahlenmittel des Molekulargewichts des Polymerblocks größer als 400 und liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 500 und 15.000.
  • [0051]
    Das Polymer kann in Form eines Hydrogels (das typischerweise bis zu etwa 90 Gewichtsprozent Wasser absorbiert) vorliegen und kann wahlweise mit multivalenten Ionen oder Polymeren ionisch vernetzt sein. Ionisches Vernetzen zwischen Weichsegmenten kann verwendet werden, um eine Struktur zu halten, die, wenn sie verformt wird, durch Brechen der ionischen Vernetzungen zwischen den Weichsegmenten erneut geformt werden kann. Das Polymer kann auch in Form eines Gels in anderen Lösungsmitteln als Wasser oder wässrigen Lösungen vorliegen. In diesen Polymeren kann die vorläufige Form durch hydrophile Interaktionen zwischen den Weichsegmenten fixiert werden.
  • [0052]
    Repräsentative natürliche Polymerblöcke oder Polymere schließen Proteine wie zum Beispiel Zein, modifiziertes Zein, Casein, Gelatine, Gluten, Serumalbumin und Kollagen, und Polysaccharide, wie zum Beispiel Alginat, Cellulosen, Dextrane, Pullulane und Polyhyaluronsäure, sowie Chitin, Poly(3-hydroxyalkanoate), besonders Poly(β-hydroxybutyrat), Poly(3-hydroxyoctanoat) und Poly(3-hydroxyfettsäuren) ein. Reprä- sentative natürliche, bioabbaubare Polymerblöcke oder Polymere schließen Polysaccharide, wie zum Beispiel Alginat, Dextran, Cellulose, Kollagen und deren chemische Derivate (Substitutionen, Additionen chemischer Gruppen, zum Beispiel Alkyl, Alkylen, Hydroxylierungen, Oxidationen und andere Modifikationen, die routinemäßig von Fachleuten durchgeführt werden), und Proteine, wie zum Beispiel Albumin, Zein und deren Copolymere und Mischungen, allein oder in Kombination mit synthetischen Polymeren, ein.
  • [0053]
    Repräsentative synthetische Polymerblöcke oder Polymere schließen Polyphosphazene, Poly(vinylalkohole), Polyamide, Polyesteramide, Poly(aminosäuren), synthetische Poly(aminosäuren), Polyanhydride, Polycarbonate, Polyacrylate, Polyalkylene, Polyacrylamide, Polyalkylenglycole, Polyalkylenoxide, Polyalkylenterephthalate, Polyorthoester, Polyvinylether, Polyvinylester, Polyvinylhalide, Polyvinylpyrrolidon, Polyester, Polylactide, Polyglycolide, Polysiloxane, Polyurethane und deren Copolymere ein. Beispiele geeigneter Polyacrylate schließen Poly(methylmethacrylat), Poly(ethylmethacrylat), Poly(butylmethacrylat), Poly(isobutylmethacrylat), Poly(hexylmethacrylat), Poly(isodecylmethacrylat), Poly(laurylmethacrylat), Poly(phenylmethacrylat), Poly (methylacrylat), Poly(isopropylacrylat), Poly(isobutylacrylat) und Poly(octadecylacrylat) ein.
  • [0054]
    Synthetisch modifizierte natürliche Polymere schließen Cellulosederivate wie zum Beispiel Alkylcellulosen, Hydroxyalkylcellulosen, Celluloseether, Celluloseester, Nitrocellulosen und Chitosan ein. Beispiele für geeignete Cellulosederivate schließen Methylcellulose, Ethylcellulose, Hydroxypropylcellulose, Hydroxypropylmethylcellulose, Hydroxybutylmethylcellulose, Celluloseacetat, Cellulosepropionat, Celluloseacetatbutyrat, Celluloseacetatphthalat, Carboxymethylcellulose, Cellulosetriacetat und Cellulosesulfat-Natriumsalz ein. Diese werden hierin gesammelt als "Cellulosen" bezeichnet.
  • [0055]
    Repräsentative synthetische abbaubare Polymersegmente schließen Poly- hydroxysäuren, wie zum Beispiel Polylactide, Polyglycolide und deren Copolymere, Poly(ethylenterephthalat), Polyanhydride, Poly(hydroxybuttersäure), Poly(hydroxyvaleriansäure), Poly[lactid-co-(ε-caprolacton)], Poly[glycolid-co-(ε-caprolacton)], Polycarbonate, Poly(pseudoaminosäuren), Poly(aminosäuren), Poly(hydroxyalkanoate), Polyanhydride, Polyorthoester und deren Mischungen und Copolymere ein. Polymere, die labile Bindungen enthalten, wie zum Beispiel Polyanhydride und Polyester, sind für ihre hydrolytische Reaktivität wohlbekannt. Ihre hydrolytischen Abbauraten können im Allgemeinen durch einfache Änderungen des Polymergerüsts und ihrer Sequenzstruktur verändert werden.
  • [0056]
    Beispiele für nicht abbaubare synthetische Polymersegmente schließen Ethylenvinylacetat, Poly(meth)acrylsäure, Polyamide, Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol, Polyvinylchlorid, Polyvinylphenol und deren Copolymere und Gemische ein.
  • [0057]
    Die Polymere können aus handelsüblichen Quellen wie zum Beispiel Sigma Chemical Co., St. Louis, MO.; Polysciences, Warrenton, PA; Aldrich Chemical Co., Milwaukee, WI; Fluka, Ronkonkoma, NY; und BioRad, Richmond, CA erhalten werden. Alternativ dazu können die Polymere aus Monomeren, die aus handelsüblichen Quellen erhalten werden, unter Verwendung von Standardtechniken synthetisiert werden.
  • Hydrogele
  • [0058]
    Hydrogele können aus Polyethylenglycol, Polyethylenoxid, Polyvinylalkohol, Polyvinylpyrrolidon, Polyacrylaten, Poly(ethylenterephthalat), Poly(vinylacetat) und deren Copolymeren und Mischungen geformt werden. Einige Polymerblöcke, zum Beispiel Acrylsäure, sind nur dann elastomer, wenn das Polymer hydriert ist und Hydrogele geformt werden. Andere Polymerblöcke, zum Beispiel Methacrylsäure, sind kristallin und sogar zum Schmelzen fähig, wenn die Polymere nicht hydriert sind. Jede Art von Polymerblock kann verwendet werden, je nach der erwünschten Anwendung und den Verwendungsbedingungen.
  • [0059]
    Für Acrylsäurecopolymere wird Formgedächtnis zum Beispiel nur im Hydrogelzustand beobachtet, weil die Acrylsäureeinheiten im Wesentlichen hydriert sind und sich wie ein weiches Elastomer mit einer sehr niedrigen Glasübergangstemperatur verhalten. Die trockenen Polymere sind keine Form-Gedächtnis-Polymere. Wenn sie trocken sind, verhalten sich die Acrylsäureeinheiten sogar oberhalb der Glasübergangstemperatur wie ein Hartkunststoff und zeigen beim Erwärmen keine plötzlichen Änderungen der mechanischen Eigenschaften. Im Gegensatz dazu zeigen Copolymere, die Methylacrylat-Polymerblöcke als Weichsegmente enthalten, sogar Form-Gedächtnis-Eigenschaften, wenn sie trocken sind.
  • [0060]
    Bestimmte Polymere, zum Beispiel Poly(ethylenoxid-co-propylenoxid)-Blockcopolymere (PLURONICSTM, BASF) sind bei Temperaturen unterhalb der Körpertemperatur in Wasser löslich und werden bei Temperaturen oberhalb der Körpertemperatur Hydrogele. Das Einbeziehen dieser Polymere als Blöcke in Form-Gedächtnis-Polymere stattet die Form-Gedächtnis-Polymere mit der Fähigkeit aus, auf Änderungen der Temperatur in einer Weise zu reagieren, die völlig gegensätzlich zu der typischer Form-Gedächtnis-Polymere ist. Diese Materialien gewinnen ihre Form zurück, wenn sie auf unterhalb ihrer Formwiederherstellungstemperatur abgekühlt werden, statt auf oberhalb ihrer Formwiederherstellungstemperatur erwärmt zu werden. Dieser Effekt wird umgekehrter thermischer Form-Gedächtnis-Effekt genannt. Form-Gedächtnis-Polymerzusammensetzungen, die diese Polymerblöcke einschließen, sind bei verschiedenen biomedizinischen Anwendungen nützlich, wo das Polymer als Flüssigkeit eingeführt und abgekühlt werden kann, um eine beabsichtigte Form in situ zurückzugewinnen. Der umgekehrte thermische Form-Gedächtnis-Effekt kann durch Einbeziehen von zwei unterschiedlichen Blöcken, die bei niedrigeren Temperaturen als Tmisc mischbar aber bei höheren Temperaturen unmischbar sind, in ein Polymer erhalten werden. Die Phasentrennung bei höheren Temperaturen stabilisiert die vorübergehende Form.
  • [0061]
    Bei verschiedenen Polymeren, wie zum Beispiel Polyacetylen und Polypyrrol, handelt es sich um leitende Polymere. Diese Materialien werden besonders für Verwendungen bevorzugt, bei denen die elektrische Leitfähigkeit wichtig ist. Beispiele für diese Verwendungen schließen Tissue Engineering und jede biomedizinische Anwendung, bei der Zellwachstum stimuliert werden muss, ein. Diese Materialien können besonderen Nutzen auf dem Gebiet der Computerwissenschaft finden, da sie besser als SMAs fähig sind, Hitze zu absorbieren, ohne dass ihre Temperatur steigt. Leitende Form-Gedächt nis-Polymere sind auf dem Gebiet des Tissue Engineering nützlich, um das Wachstum von Gewebe, zum Beispiel Nervengewebe, zu stimulieren.
  • II. Aufbau von Polymersegmenten
  • [0062]
    In der Erfindung ist die Form-Gedächtnis-Polymerzusammensetzung fähig, mehr als eine Form im Gedächtnis zu halten. Die Zusammensetzung kann zum Beispiel ein Hartsegment und mindestens zwei Weichsegmente einschließen, wobei die Ttrans des Hartsegments zwischen –30 und 270°C liegt und mindestens 10°C und vorzugsweise 20°C höher als die Ttrans von einem der Weichsegmente ist und die Ttrans jedes nachfolgenden Weichsegments mindestens 10°C und vorzugsweise 20°C geringer als die Ttrans des vorhergehenden Weichsegments ist. Wahlweise kann eins oder können mehrere der Segmente bioabbaubar oder mit einem anderen Segment durch eine bioabbaubare Verbindung, wie zum Beispiel Ester-, Amid-, Anhydrid-, Carbonat- oder Orthoesterverbindungen, verbunden sein.
  • [0063]
    Der Form-Gedächtnis-Effekt beruht auf der Polymermorphologie. In Bezug auf thermoplastische Elastomere wird die ursprüngliche Form eines Objekts durch physikalische Vernetzungen fixiert, die durch das Hartsegment verursacht werden. In Bezug auf Thermosetpolymere sind die Weichsegmente kovalent vernetzt, statt Hartsegmente zu haben. Die ursprüngliche Form wird durch den Vernetzungsvorgang festgelegt.
  • [0064]
    Im Gegensatz zu segmentierten Polyurethan-SMPs nach dem Stand der Technik brauchen die Segmente der hierin beschriebenen Zusammensetzungen nicht linear zu sein. Die Segmente können teilweise gepfropft oder in dendrimeren Seitengruppen befestigt sein.
  • Thermoplastische Polymere und Thermosetpolymere
  • [0065]
    Die Polymere können in Form von linearen Diblock-, Triblock-, Tetrablock- oder Multiblockcopolymeren, verzweigten Polymeren oder Pfropfpolymeren, thermoplastischen Elastomeren, die verästelte Strukturen enthalten, und Mischungen davon vorliegen. 3 stellt einige Kombinationen geeigneter Klassen thermoplastischer Materialien, welche die Hart- und Weichsegmente formen, bildlich dar. Bei der thermoplastischen Form-Gedächtnis-Polymerzusammensetzung kann es sich auch um eine Mischung von einem oder mehreren Homo- oder Copolymeren mit einem oder mehreren Diblock-, Triblock-, Tetrablock- oder Multiblockcopolymeren, verzweigten Polymeren oder Pfropfpolymeren handeln. Diese Polymerarten sind Fachleuten wohlbekannt.
  • [0066]
    Bei den Polymeren kann es sich um Thermosetpolymere handeln. Es gibt vier verschiedene Arten von Thermosetpolymeren, die Form-Gedächtnis-Fähigkeit aufweisen. Diese schließen Polymernetzwerke, semi-interpenetrierende Netzwerke, interpenetrierende Netzwerke und gemischte interpenetrierende Netzwerke ein.
  • i. Polymernetzwerke
  • [0067]
    Ein Polymernetzwerk wird durch kovalentes Vernetzen von Makromonomeren, d. h. Polymeren, die polymerisierbare Endgruppen wie zum Beispiel Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen enthalten, hergestellt. Der Polymerisationsvorgang kann durch Verwenden von Licht oder wärmeempfindlichen Initiatoren oder durch Härten mit ultraviolettem Licht ("UV-Licht") ohne einen Initiator induziert werden. Form-Gedächtnis-Polymernetzwerke werden durch Vernetzen von einem oder mehreren Weichsegmenten, die einem oder mehreren thermischen Übergängen entsprechen, hergestellt.
  • [0068]
    In einer Ausführungsform, die für biomedizinische Anwendungen bevorzugt wird, wird die Vernetzung unter Verwendung eines Photovernetzers durchgeführt und erfordert keinen chemischen Initiator. Der Photovernetzer eliminiert zweckmäßigerweise den Bedarf für Initiatormoleküle, die toxisch sein können. 4 ist das Diagramm einer Reaktionssequenz für die Synthese eines bevorzugten Photovernetzers, die eine Gesamtausbeute von etwa 65% ergab.
  • ii. Interpenetrierende Netzwerke
  • [0069]
    Interpenetrierende Netzwerke ("IPN") werden als Netzwerke definiert, bei denen zwei Komponenten vernetzt sind, aber nicht miteinander. Die ursprüngliche Form wird durch das Netzwerk mit der höchsten Vernetzungsdichte und der höchsten mechanischen Festigkeit bestimmt. Das Material hat mindestens zwei Ttrans, die den unterschiedlichen Weichsegmenten der beiden Netzwerke entsprechen.
  • iii. Gemischtes interpenetrierendes Netzwerk
  • [0070]
    Ein gemischtes IPN schließt mindestens ein physikalisch vernetztes Polymernetzwerk (ein thermoplastisches Polymer) und mindestens ein kovalent vernetztes Polymernetzwerk (ein Thermosetpolymer) ein, die durch kein physikalisches Verfahren getrennt werden können. Die ursprüngliche Form wird durch das kovalent vernetzte Netzwerk festgelegt. Die vorübergehenden Formen entsprechen den Ttrans der Weichsegmente und der Ttrans des Hartsegments der thermoplastischen Elastomerkomponente.
  • [0071]
    Ein besonders bevorzugtes gemischtes interpenetrierendes Netzwerk wird durch Polymerisieren eines reaktiven Makromonomers in Anwesenheit eines thermoplastischen Polymers hergestellt, zum Beispiel durch die Photopolymerisation von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen. In dieser Ausführungsform liegt das Gewichtsverhältnis von Thermosetpolymer zu thermoplastischem Polymer vorzugsweise zwischen 5:95 und 95:5, stärker bevorzugt zwischen 20:80 und 80:20.
  • iv. Semi-interpenetrierende Netzwerke
  • [0072]
    Semi-interpenetrierende Netzwerke ("Semi-IPN") werden als zwei unabhängige Komponenten definiert, wobei es sich bei der einen Komponente um ein vernetztes Polymer (ein Polymernetzwerk) handelt und bei der anderen Komponente um ein nicht vernetztes Polymer (ein Homopolymer oder Copolymer) handelt, wobei die Komponenten durch physikalische Verfahren nicht getrennt werden können. Das Semi-IPN hat mindestens einen thermischen Übergang, der dem Weichsegment (den Weichsegmenten) und den Homo- oder Copolymerkomponenten entspricht. Das vernetzte Polymer macht vorzugsweise zwischen etwa 10 und 90 Gewichtsprozent der semi-interpenetrierenden Netzwerkzusammensetzung aus.
  • v. Polymermischungen
  • [0073]
    Die Form-Gedächtnis-Polymere können als physikalische Gemische thermo plastischer Polymere existieren. In einer Ausführungsform kann eine Form-Gedächtnis-Polymerzusammensetzung durch Wechselwirken oder Vermengen von zwei thermoplastischen Polymeren hergestellt werden. Bei diesen Polymeren kann es sich um semikristalline Homopolymere, semikristalline Copolymere, thermoplastische Elastomere mit linearen Ketten, thermoplastische Elastomere mit Seitenketten oder jeder Art verästelter Strukturelemente und verzweigte Copolymere handeln, und diese können in jeder Kombination davon vermengt werden.
  • [0074]
    Zum Beispiel kann ein Multiblockcopolymer mit einem Hartsegment mit einer relativ hohen Ttrans und einem Weichsegment mit einer relativ niedrigen Ttrans mit einem zweiten Multiblockcopolymer mit einem Hartsegment mit einem relativ niedrigen Ttrans und dem gleichen Weichsegment wie dem im ersten Multiblockcopolymer gemischt oder vermengt werden. Die Weichsegmente in beiden Multiblockcopolymeren sind identisch, also sind die Polymere ineinander mischbar, wenn die Weichsegmente geschmolzen werden. In der resultierenden Mischung gibt es drei Übergangstemperaturen – die des ersten Hartsegments, die des zweiten Hartsegments und die des Weichsegments. Demgemäß sind diese Materialien fähig, zwei verschiedene Formen zu speichern. Die mechanischen Eigenschaften dieser Polymere können durch Ändern des Gewichtsverhältnisses der beiden Polymere eingestellt werden.
  • [0075]
    Andere Arten von Mischungen von mindestens zwei Multiblockcopolymeren, wobei mindestens eines der Segmente mit mindestens einem der Segmente des anderen Multiblockcopolymers mischbar ist, können hergestellt werden. Wenn zwei unterschiedliche Segmente mischbar sind und zusammen eine Domäne bilden, dann hängt der thermische Übergang dieser Domäne vom Gewichtsgehalt der beiden Segmente ab. Die maximale Anzahl gespeicherter Formen ergibt sich aus der Anzahl der thermischen Übergänge der Mischung.
  • [0076]
    Form-Gedächtnis-Mischungen können bessere Form-Gedächtnis-Fähigkeiten haben als die Mischungskomponenten alleine. Form-Gedächtnis-Mischungen bestehen aus mindestens einem Multiblockcopolymer und mindestens einem Homo- oder Copolymer. Di-, Tri- oder Tetrablockcopolymere sollten ein geeigneter Ersatz für ein Multiblockcopolymer sein.
  • [0077]
    Form-Gedächtnis-Mischungen sind bei industriellen Anwendungen höchst nützlich, da ein weiter Bereich mechanischer, thermischer und Form-Gedächtnis-Fähigkeiten aus nur zwei oder drei Grundpolymeren erhalten werden kann, indem sie in unterschiedlichen Gewichtsverhältnissen vermengt werden. Ein Doppelschneckenextruder ist ein Beispiel für eine Ausstattung für ein Standardverfahren, die verwendet werden könnte, um die Komponenten zu mischen und die Mischung zu verarbeiten.
  • Polymere mit funktionellen Gruppen die auf andere Stimuli als Temperatur reagieren
  • [0078]
    In einer bevorzugten Ausführungsform schließt die Form-Gedächtnis-Polymerzusammensetzung mindestens ein Hartsegment und mindestens ein Weichsegment oder mehrere Weichsegmente ein, die kovalent vernetzt sind, wobei mindestens zwei der Segmente durch eine funktionelle Gruppe verbunden sind, die unter Anwendung von Licht, Änderungen der Ionenkonzentration, Änderungen des pH-Wertes, eines elektrischen Feldes, eines magnetischen Feldes und/oder Ultraschall spaltbar sind. Zusätzlich zum Ändern der Form als Reaktion auf Temperaturänderungen kann die Zusammensetzung ihre Form als Reaktion auf die Anwendung von Licht, Änderungen der Ionenkonzentration, Änderungen des pH-Wertes, eines elektrischen Feldes, eines magnetischen Feldes und/oder Ultraschall ändern. Bei diesen Polymeren ist die vorübergehende Form durch kovalente Vernetzungen fixiert.
  • i. Photochemische Stimuli
  • [0079]
    Photoreversible Reaktionen können verwendet werden, um Weichsegmente zusammen zu verbinden und das Polymer in einer vorübergehenden Form zu halten. Die ursprüngliche Form eines Materials wird durch das Hartsegment festgelegt. Nach photochemischer Spaltung dieser Verbindungen kehrt das Material zu seiner ursprünglichen Form zurück. Da diese Reaktionen photoreversibel sind, können die Bindungen durch mehrere Zyklen gemacht und gebrochen werden. Jedesmal, wenn die Bindungen gebrochen werden, müssen sie jedoch wieder neu gemacht werden, um die Form zu speichern. Beispiele für derartige funktionelle Gruppen, die fähig sind, photoreversible Reaktionen zu zeigen, sind Zimtsäurederivate und Cinnamylidensäurederivate. Verbindung und Spaltung kann durch unterschiedliche Wellenlängen des UV-Lichts induziert werden. Zusätzlich kann eine Spaltung während einer Wärmebehandlung auftreten.
  • [0080]
    In einer anderen Ausführungsform können die Polymere Seitenketten mit Chromophoren, wie zum Beispiel Azogruppen, enthalten, die Licht absorbieren. Die Chromophore können auch in die Hauptkette einbezogen werden. Die Hart- und/oder Weichsegmente können auch Doppelbindungen enthalten, die von cis- zu trans-Isomeren wechseln, wenn die Chrornophore Licht absorbieren. Licht kann deshalb verwendet werden, um das Segment zu isomerisieren, was die Ttrans des Segments dramatisch beeinflussen kann. Die ursprüngliche Form derartiger Polymere wird durch das Hartsegment festgelegt. Das Polymer kann dann in eine vorübergehende Form verformt werden. Die vorübergehende Form kann durch Härten des Polymers mit Licht, um Photoisomerisierung zu verursachen, fixiert werden. Auf diese Weise wird das Polymer daran gehindert, zu seiner ursprünglichen Form zurückzukehren, weil die Temperatur des thermischen Übergangs erhöht worden ist. Fest-Fest-Übergänge können auf diese Weise auch induziert werden.
  • ii. Änderungen von Ionenstärke und/oder pH-Wert
  • [0081]
    Von verschiedenen funktionellen Gruppen ist bekannt, dass sie in Anwesenheit bestimmter Ionen oder als Reaktion auf pH-Wert-Änderungen vernetzen. Zum Beispiel ist bekannt, dass Calciumionen Amine und Alkoholgruppen vernetzen, d. h. die Amingruppen auf Alginat können mit Calciumionen vernetzt werden. Auch werden Carboxylat- und Amingruppen bei bestimmten pH-Werten zu geladenen Spezies. Wenn diese Spezies geladen sind, können sie mit Ionen der gegensätzlichen Ladung vernetzen. Die Anwesenheit von Gruppen auf Hart- und/oder Weichsegmenten, die auf Änderungen der Konzentration einer Ionenspezies und/oder auf Änderungen im pH-Wert reagieren, führt zu reversiblen Verbindungen zwischen diesen Segmenten. Man kann die Form eines Objekts fixieren, während die Segmente vernetzt werden. Nachdem die Form verformt worden ist, kann eine Veränderung der Ionenkonzentration oder des pH-Werts zur Spaltung der Ionenwechselwirkungen führen, welche die Vernetzungen zwischen den Segmenten geformt haben, wodurch die durch die Verformung verursachte Spannung entspannt wird und so das Objekt in seine ursprüngliche Form zurückgeführt wird. Weil Ionenbindungen in diesem Vorgang gemacht und gebrochen werden, kann er nur einmal durchgeführt werden. Die Bindungen können jedoch durch Verändern der Ionenkonzentration und/oder des pH-Wertes erneut geformt werden, so dass der Vorgang wie erwünscht wiederholt werden kann.
  • iii. Elektrische und magnetische Felder
  • [0082]
    Verschiedene Einheiten, wie zum Beispiel Chromophore mit einer großen Anzahl delokalisierter Elektronen, zeigen eine Temperaturerhöhung als Reaktion auf Pulse angewandter elektrischer oder magnetischer Felder als Ergebnis des erhöhten Elektronenflusses, der duch die Felder verursacht wird. Nachdem sich die Temperatur der Materialien erhöht hat, können sie ein durch Temperatur induziertes Formgedächtnis auf die gleiche Weise zeigen, als ob die Materialien direkt erwärmt worden wären. Diese Zusammensetzungen sind besonders nützlich bei biomedizinischen Anwendungen, wo die direkte Anwendung von Wärme auf ein implantiertes Material schwierig wäre, aber die Anwendung eines angewandten magnetischen oder elektrischen Feldes nur die Moleküle mit dem Chromophor beeinflussen würde und das umgebende Gewebe nicht erwärmen würde.
  • iv. Ultraschall
  • [0083]
    Verschiedene Materialien enthalten reaktive funktionelle Gruppen, die als Reaktion auf angewandten Ultraschall fragmentieren. Beispiele für diese Gruppen sind solche, die stabile Radikale formen, wie zum Beispiel Nitroso- und Triphenylmethangruppen. Man kann die Form eines Objekts fixieren, während man Bindungen zwischen zwei oder mehr Weichsegmenten formt, zum Beispiel durch Verwenden von Wärme oder Licht. Nachdem die Form verformt ist, kann die Anwendung von Ultraschall die Bindungen zwischen den Weichsegmenten brechen und die durch die Verformung verursachte Spannung entspannen. Das Objekt wird dann zu seiner ursprünglichen Form zurückkehren. Weil bei diesem Vorgang kovalente Bindungen gemacht und gebrochen werden, kann er nur einmal durchgeführt werden.
  • III. Verfahren zur Herstellung der Polymere
  • [0084]
    Die Polymere, die verwendet werden, um die Segmente in den vorstehend beschriebenen SMPs zu formen, sind entweder im Handel erhältlich oder können unter Verwendung von Routinechemie synthetisiert werden. Fachleute können die Polymere unter Verwendung bekannter Chemie leicht herstellen.
  • IV. Verfahren zum Formen der Polymerzusammensetzungen
  • [0085]
    Die Zusammensetzungen können unter geeigneten Bedingungen in eine erste Form geformt werden, zum Beispiel bei einer Temperatur oberhalb der Ttrans der Hartsegmente, und man kann sie auf unterhalb der Ttrans des Weichsegments (der Weichsegmente) abkühlen lassen. Standardtechniken sind Extrusion und Spritzgießen. Wahlweise kann das Objekt in eine zweite Form erneut geformt werden. Nach Anwendung von Wärme oder einem geeigneten Satz von Bedingungen kehrt das Objekt zu seiner ursprünglichen Form zurück.
  • [0086]
    Thermosetpolymere können durch Extrudieren des vorpolymerisierten Materials (der Makromonomere) und Fixieren der ursprünglichen Form bei einer Temperatur oberhalb der Ttrans des Thermosetpolymers hergestellt werden, zum Beispiel durch Photohärten reaktiver Gruppen auf dem Monomer. Die vorübergehende Form wird nach dem Verformen des Materials durch Abkühlen des Materials auf unterhalb der Ttrans fixiert.
  • [0087]
    Das Vernetzen kann auch in einer Lösung der Makromonomere durchgeführt werden. In einem nachfolgenden Schritt wird das Lösungsmittel von dem geformten Gel entfernt.
  • [0088]
    Die aus thermoplastischen Polymeren gebildeten Zusammensetzungen können geblasen, zu Bahnen extrudiert oder durch Spritzgießen geformt werden, um zum Beispiel Fasern zu formen. Die Zusammensetzungen können auch durch andere, Fachleuten bekannte, Verfahren zum Formen fester Objekte geformt werden, zum Beispiel Laserablation, Mikrobearbeitung, Verwendung eines heißen Drahts und durch CAD/CAM- (computerunterstützte Design-/computerunterstützte Herstellungs-)Verfahren. Diese Vorgänge werden für das Formen von Thermosetpolymeren bevorzugt.
  • 1. Übergänge zwischen Formen
  • [0089]
    Für einige Anwendungen ist es zweckmäßig, in kleinen Schritten von einer vorübergehenden Form zu einer anderen vorübergehenden Form oder der ursprünglichen Form zu gehen. Es ist möglich, unter der Kontrolle eines Operators nach Bedarf zwischen Formen zurück und vorwärts zu gehen.
  • A. Breite Thermische Übergänge
  • [0090]
    Normalerweise ist die Ttrans eines Form-Gedächtnis-Polymers schart, so dass das Polymer seine ursprüngliche Form einfach durch Erwärmen des Materials um nur einige Grad Celsius zurückgewinnt. In einer alternativen Ausführungsform hat das Form-Gedächtnis-Polymer jedoch einen breiten thermischen Übergang, so dass die ursprüngliche Form nur wiederhergestellt wird, wenn das Polymer höher erwärmt wird als die Obergrenze des thermischen Übergangs. Eine teilweise Wiederherstellung wird beim Erwärmen auf eine Temperatur zwischen der niedrigeren und der oberen Grenze des thermischen Übergangs stattfinden. In dieser Ausführungsform ist die Temperatur der Auslöser, und der Effekt ist im Wesentlichen unabhängig vom Zeitintervall der Wärmeanwendung.
  • B. Schrittweiser Energietransfer
  • [0091]
    Eine bestimmte Energiemenge muss auf das Form-Gedächtnis-Polymer übertragen werden, um eine gespeicherte Form wiederherzustellen. Für den thermischen Form-Gedächtnis-Effekt hängt die Energiemenge, die erforderlich ist, um eine gespeicherte Form vollständig wiederherzustellen, von der Wärmekapazität des Materials ab. Bei lichtsensitiven Materialien hängt die Energiemenge jedoch von der Strahlungsdosis ab. In einer bevorzugten Ausführungsform eines thermischen Form-Gedächtnis-Effekts hat das Polymer einen scharten thermischen Übergang, der basierend auf der Dauer ausgelöst wird, die das Material einer höheren Temperatur als Ttrans ausgesetzt wird. Andere Faktoren, die den Übergang beeinflussen, schließen die Masse oder Größe des Materials und den Temperatur- und Wärmeübertragungskoeffizienten des Mediums oder der Umgebung ein, mit dem bzw. der das Material in Kontakt ist (und das bzw. die verwendet wird, um das Material zu erwärmen). Zum Beispiel wird die gespeicherte Form umso schneller wiederhergestellt, je höher die Temperatur der Umgebung ist.
  • C. Selektiver Energietransfer und alternative Mechanismen
  • [0092]
    Im Fall des klassischen thermischen Form-Gedächtnis-Effekts muss das ganze Polymer durch Anwendung (und Übertragung) von Wärmeenergie von einer externen Quelle erwärmt werden, um die ursprüngliche Form zurückzugewinnen. In einer alternativen Ausführungsform wird das Polymer durch andere Energiequellen als Temperatur erwärmt. Unter Verwendung dieser Techniken ist es nicht nur möglich, die ganze Form-Gedächtnis-Vorrichtung sondern auch ausgewählte Teile der Form-Gedächtnis-Vorrichtung zu erwärmen (eine andere Weise, die Kontrolle auszulösen und zu verstärken, um die ursprüngliche Form wiederherzustellen).
  • i. Lichtenergie
  • [0093]
    Polymere absorbieren Licht bei unterschiedlichen Wellenlängen, je nach ihrer chemischen Struktur. Typischerweise zeigen Polymere eine starke Strahlungsabsorption im infraroten (IR) und nahen infraroten (NIR) Bereich. Die stärksten und geeignetsten Absorptionsbereiche für eine bestimmte Polymeranwendung können unter Verwendung von IR- oder NIR-Spektroskopie identifiziert werden. Form-Gedächtnis-Polymere können auch eine starke Absorption im ultravioletten (UV) Bereich zeigen. Das Polymer kann mit Licht, das mindestens eine der in seinem Spektrum spezifizierten Frequenzen einschließt, gehärtet werden, so dass das Polymer die Lichtenergie absorbiert und sich erwärmt.
  • [0094]
    Die Absorptionskennzeichen des Form-Gedächtnis-Polymers können durch die Zugabe eines Chromophors modifiziert werden, wobei es sich um eine Einheit, funktionelle Gruppe oder ein Molekül handelt, das eine starke Absorption in spezifischen Bereichen des UV-/sichtbaren/IR-/NIR-/Mikrowellen-Spektrum zeigt. Der Chromophor kann kovalent an das Polymer gebunden sein, als physikalisches Gemisch mit dem Polymer kombiniert sein oder beides.
  • [0095]
    In einer bevorzugten biomedizinischen Ausführungsform kann Licht verwendet werden, um eine implantierte SMP-Vorrichtung nichtinvasiv zu kontrollieren. Zum Beispiel kann das implantierte Polymer unter Verwendung spezifischer externer Lichtquellen gehärtet werden, die Gewebe, Serum oder andere Teile der physiologischen Umgebung, die das SMP-Implantat umgibt, nicht gleichzeitig erwärmen. Eine derartige Lichtquelle (z. B. Lampe) sollte eine oder mehrere Lichtfrequenzen emittieren (z. B. nahes Infrarot, "NIR"), die nicht durch die physiologische Umgebung absorbiert werden, die aber durch das Form-Gedächtnis-Material absorbiert werden. Die Verwendung von NIR-Licht ist auf dem diagnostischen Fachgebiet bekannt.
  • [0096]
    In einer alternativen Ausführungsform wird die Interferenztechnik angewendet, um die Lichtfrequenz zu kontrollieren, die auf ein implantiertes SMP angewendet wird. Interferenz stellt eine dreidimensionale (3-D) Kontrolle des zu härtenden Bereichs bereit, da die spezifische Lichtfrequenz, die durch die Form-Gedächtnis-Vorrichtung absorbiert wird, an einem spezifischen Ort durch die Interferenz von zwei oder mehr Strahlen produziert wird, die sich an dem spezifischen Ort kreuzen. Die Quellen der Strahlen sind außerhalb des Körpers, und die Frequenzen der Strahlen sind im Allgemeinen modulierte Radiofrequenzen, die ausgewählt werden, um die erwünschte Anwendungsfrequenz aus der resultierenden Interferenz zu produzieren.
  • ii. Ultraschall
  • [0097]
    In einer alternativen Ausführungsform werden Gasblasen oder Flüssigkeiten, die Blasen enthalten, vorzugsweise Fluorcarbone, in die Form-Gedächtnis-Vorrichtung einbezogen. Unter Verwendung der Standard-Ultraschalltechnologie kann man einen Aushöhlungseffekt in dem Gas/der Flüssigkeit induzieren, um das SMP zu erwärmen. Techniken für eine 3-D-kontrollierte Anwendung von Ultraschall sind auf dem Fachgebiet der biomedizinischen Diagnostik bekannt.
  • iii. Allgemeines
  • [0098]
    Es ist auch möglich, Energietransfers basierend auf der Wechselwirkung des Form-Gedächtnis-Polymers und elektromagnetischer Felder zu bewirken. Die Verwendung elektromagnetischer Felder, um Erwärmen oder lokalisierte Temperaturänderungen zu induzieren, sind wohlbekannt. In noch einer anderen Ausführungsform wird ein Energietransfer basierend auf Effekten produziert, bei denen es sich nicht um Strahlung handelt, wie zum Beispiel dem Foerster-Perrin-Energietransfer.
  • 2. Zweiweg-Form-Gedächtnis-Effekt
  • [0099]
    Form-Gedächtnis-Polymerzusammensetzungen können hergestellt werden, um zwei ursprüngliche (dauerhafte) Formen zu haben, d. h. einen Zweiweg-Form-Gedächtnis-Effekt. Diese Systeme bestehen immer aus mindestens zwei Komponenten. Die Komponenten werden durch Schichttechniken (ähnlich wie Bimetalle) kombiniert oder es handelt sich um interpenetrierende Netzwerke. Durch Ändern der Temperatur ändert die Form-Gedächtnis-Vorrichtung ihre Form in Richtung auf die dauerhafte Form 1 oder dauerhafte Form 2. Jede der dauerhaften Formen gehört zu einer Komponente der Vorrichtung. Die Formen der Vorrichtung sind immer zwischen beiden Formen im Gleichgewicht. Die Temperaturabhängigkeit der Form wird durch die Tatsache verursacht, dass die mechanischen Eigenschaften einer Komponente ("Komponente A") im Temperaturintervall von Interesse fast unabhängig von der Temperatur sind. Die mechanischen Eigenschaften der anderen Komponente ("Komponente B") hängen von der Temperatur ab. In einer Ausführungsform wird Komponente B bei niedrigeren Temperaturen im Vergleich zu Komponente A stärker, während Komponente A bei hohen Temperaturen stärker ist und die tatsächliche Form bestimmt. Eine Zweiweg-Gedächtnis-Vorrichtung kann durch (a) Festlegen der ursprünglichen Form von Komponente A; (b) Verformen der Vorrichtung in die ursprüngliche Form von Komponente B; und (c) Fixieren einer ursprünglichen Form der Komponente B, während eine Spannung auf die Komponente ausgeübt wird; hergestellt werden.
  • 3. Initiierung der Wiederherstellung der ursprünglichen Form durch Polymerabbau
  • [0100]
    Die Wiederherstellung der ursprünglichen Form eines Form-Gedächtnis-Polymers kann durch einen hydrolytischen Abbauvorgang initiiert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird dieses Merkmal in ein System einbezogen, das ein thermoplastisches Polymer, bestehend aus einem Hartsegment und mindestens einem Weichsegment, oder ein Thermosetpolymer, das mindestens ein Weichsegment enthält (Einkomponentensysteme) einschließt. Bei diesen Polymeren können zwei Weichsegmente durch eine leicht hydrolysierbare Bindung verbunden sein. Der Begriff "leicht hydrolysierbare Bindung" wird hierin verwendet, um Gruppen mit einer Hydrolysegeschwindigkeit zu bezeichnen, die höher als die für andere funktionelle Gruppen in dem Polymer ist. Die ursprüngliche Form dieser Polymere wird durch die Hartsegmente (thermoplastisches Material) oder die kovalenten Vernetzungen (Thermosetpolymer) bestimmt. Die vorübergehende Form wird nach dem Verformen der Vorrichtung durch die Vernetzungen zwischen zwei Weichsegmenten fixiert. Wenn die Vernetzungen zwischen den Weichsegmenten hydrolysiert werden, wird die ursprüngliche Form wiederhergestellt. Leicht hydrolysierbare funktionelle Gruppen schließen aktivierte Esterbindungen, wie zum Beispiel Glycolylglycolat, und Anhydridbindungen ein.
  • [0101]
    In einer anderen bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Polymer um ein Zweikomponentensystem, bei dem mindestens eine Komponente ein kovalentes Netzwerk, wie zum Beispiel ein IPN, ein Misch-IPN oder ein Semi-IPN ist. Das kovalente Netzwerk ist ein amorphes Netzwerk mit einer sehr geringen Ttrans. Das kovalente Netzwerk bestimmt die ursprüngliche Form des Systems und die zweite Komponente verformt das System, um die vorübergehende Form zu fixieren. Die zweite Komponente ist im Falle eines IPN ein weiteres Netzwerk, im Falle eines Semi-IPN ein Homo- oder Copolymer und im Falle eines Misch-IPNs ein thermoplastisches Elastomer. Die erste Komponente (das kovalente Netzwerk) hydrolysiert langsamer als die zweite Komponente, so dass das Polymer seine ursprüngliche Form wiedergewinnt, wenn die zweite Komponente abgebaut wird.
  • V. Anwendungen
  • [0102]
    Diese Materialien weisen eine enorme Anzahl von Anwendungen auf.
  • 1. Therapeutische, prophylaktische und diagnostische Anwendungen
  • [0103]
    Diese Materialien sind für medizinische und biologische Anwendungen besonders nützlich.
  • [0104]
    Zum Beispiel kann eine Vielzahl von therapeutischen, prophylaktischen und/oder diagnostischen Mitteln in die Polymerzusammensetzungen einbezogen werden, welche die einbezogenen Mittel nach der Verabreichung an einen Patienten lokal oder systemisch abgeben können. Repräsentative Beispiele schließen synthetische anorganische und organische Verbindungen oder Moleküle, Proteine und Peptide, Polysaccharide und andere Zucker, Lipide und Nukleinsäuremoleküle mit therapeutischen, prophylaktischen oder diagnostischen Aktivitäten ein. Nukleinsäuremoleküle schließen Gene, Plasmid-DNA, nackte DNA, Antisense-Moleküle, die an komplementäre DNA binden, um die Transkription zu hemmen, Ribozyme und Ribozym-Leitsequenzen ein. Die einzubeziehenden Mittel können eine Vielzahl biologischer Aktivitäten aufweisen, wie zum Beispiel vasoaktive Mittel, neuroaktive Mittel, Hormone, Wachstumsfaktoren, Cytokine, Anästhetika, Steroide, Antikoagulantien, Entzündungshemmer, immunmodulierende Mittel, zytotoxische Mittel, prophylaktische Mittel, Antibiotika, antivirale Mittel, Antisense-Mittel, Antigene und Antikörper. In einigen Fällen kann es sich bei den Proteinen um Antikörper oder Antigene handeln, die sonst durch Injektion verabreicht werden müssten, um eine entsprechende Reaktion hervorzurufen. Proteine werden als aus 100 Amino säureresten oder mehr bestehend definiert; Peptide sind weniger als 100 Aminosäurereste. Wenn nicht anders erwähnt bezeichnet der Begriff Protein sowohl Proteine als auch Peptide. Polysaccharide, wie zum Beispiel Heparin, können auch verabreicht werden. Verbindungen mit einem weiten Molekulargewichtsbereich, zum Beispiel zwischen 10 und 500.000 Gramm pro Mol können eingekapselt werden.
  • [0105]
    Diagnostische oder bildgebende Mittel, die benutzt werden können, schließen im Handel erhältliche Mittel, die bei der Positron-Emissions-Tomographie (PET), computerunterstützten Tomographie (CAT), computerunterstützen Single-Photon-Emissions-Tomographie, beim Röntgen, bei der Fluoroskopie, beim Magnetresonanzbildgebungsvefahren (MRI) verwendet werden, und Ultraschall-Kontrastmittel ein.
  • 2. Gegenstände und Vorrichtungen für biomedizinische Anwendungen
  • [0106]
    Die Polymerzusammensetzungen können verwendet werden, um Formkörper zur Verwendung bei biomedizinischen Anwendungen herzustellen. Zum Beispiel können chirurgisches Nahtmaterial, orthodentische Materialien, Knochenschrauben, Nägel, Platten, Netze, Prothesen, Pumpen, Katheter, Röhren, Filme, Stents, orthopädische Klammern, medizinische Schienen, Tape-Material zur Herstellung von Gipsverbänden und Gerüste für Tissue Engineering, Kontaktlinsen, Arzneimittelverabreichungsvorrichtungen, Implantate und thermische Indikatoren hergestellt werden.
  • [0107]
    Implantierbare Polymerzusammensetzungen werden vorzugsweise aus biokompatiblen Polymeren und, für die meisten Anwendungen, aus bioabbaubaren Polymeren hergestellt. Bioabbaubare Polymere bauen sich mit einer kontrollierten Geschwindigkeit ab, je nach Zusammensetzung und Vernetzung des Polymers. Abbaubare polymere Implantate eliminieren die Notwendigkeit der Rückgewinnung des Implantats und können gleichzeitig verwendet werden, um therapeutische Mittel abzugeben. Die Materialien können bei vielen Anwendungen verwendet werden, die Tragfähigkeit und kontrollierten Abbau erfordern.
  • [0108]
    Die Polymerzusammensetzungen können in die Form eines Implantats geformt werden, das innerhalb des Körpers implantiert werden kann, um einer mechanischen Funktion zu dienen. Beispiele für derartige Implantate schließen Stäbe, Stifte, Schrauben, Platten und anatomische Formen ein. Eine besonders bevorzugte Verwendung der Zusammensetzungen ist, chirurgisches Nahtmaterial herzustellen, das eine starr genuge Zusammensetzung aufweist, um für leichtes Einführen zu sorgen, aber nach Erreichen der Körpertemperatur weich wird und eine zweite Form formt, die für den Patienten angenehmer ist, während sie das Heilen immer noch ermöglicht.
  • [0109]
    Eine andere bevorzugte Verwendung liegt auf dem Gebiet von Kathetern. Katheter erfordern im Allgemeinen zum Einführen eine hohe Steifigkeit, aber wenn sie einmal eingeführt sind, wird ein weicher, flexibler Katheter bevorzugt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der SMP-Katheter zum leichten Einführen unterhalb der Körpertemperatur starr und wird nach dem Erwärmen auf Körpertemperatur weich, um das Unwohlsein des Patienten und Komplikationen zu reduzieren.
  • [0110]
    Die Polymerzusammensetzungen können mit Füllstoffen, Verstärkungsmaterialien, Röntgenbildgebungsmaterialien, Exzipienten oder anderen Materialien, die für eine bestimmte Implantatanwendung benötigt werden, kombiniert werden. Fachleute können leicht eine geeignete Menge dieser Materialien zum Einschließen in die Zusammensetzungen bestimmen.
  • [0111]
    Die Gegenstände können verschiedene therapeutische und/oder diagnostische Mittel, wie vorstehend beschrieben, einbeziehen.
  • 3. Nichtmedizinische Anwendungen
  • [0112]
    Es gibt zahlreiche andere Anwendungen für die Form-Gedächtnis-Polymerzusammensetzungen als biomedizinische Anwendungen. Diese Anwendungen schließen ein: Form-Gedächtnis-Polymer-Schäume, Elemente, die nach der Absorption eines Aufpralls eine Zurückbringen der Verformung erfordern, wie zum Beispiel Stoßstangen und andere Karosserieteile, Verpackungsmaterial für Nahrungsmittel, automatische Starterklappen für Verbrennungsmotoren, Polymer-Verbundwerkstoffe, Textilien, feuchtigkeitspermeable Kleidungsgegenstände, wie zum Beispiel Sportkleidung, Windeln und Innenmaterial für Schuhe, Röhrenverbinder, Maskenkernmaterialien, wärmeschrumpfbare Röhren, wiederbeschreibbare CDs und Klammern, Temperatursensoren, Dämpfungsmaterialien, Fußbettmaterialien und Schutzausrüstung, Spielzeug, Verbindungsmaterialien für einzelne Röhren, innere Laminiermaterialien für Röhren, Auskleidungsmaterialien, Klammern, Materialien für medizinische Instrumente wie zum Beispiel Gips usw., Schreibwaren und Ausbildungsmaterialien, künstliche Blumen, Puppen, innere Auskleidungen der Rollen von Nadeldruckern für Computer, Schalldämpfungsmaterialien, Elemente, die nach der Absorption eines Aufpralls ein Zurückbringen der Verformung erfordern, wie zum Beispiel Autostoßstangen und andere Teile, Materialien zum Verhindern von Lücken von Trennwand-Bauteilen für Häuser, tragbare Behälter, die während des Nichtgebrauchs zusammengefaltet und während des Gebrauchs zur Form zurückgebracht werden, mechanische Vorrichtungen wie zum Beispiel eine Kupplung, usw., verschiedene wärmeschrumpfbare Röhren, Makeup-Materialien für die Verwendung bei Menschen, Form-Gedächtnis-Polymer-Schäume, Fasern, Polymer-Verbundwerkstoffe, eine Versie gelung und Abdichtungen, Ventile für automatische Starterklappen, Schallisolierung und Entsorgung von Ölverschmutzung.
  • [0113]
    Form-Gedächtnis-Schäume haben eine verformte Form und eine durch Pressen festgelegte Form. Sie weisen ihre verformte Form auf, wenn der Polymerschaum bei einer Temperatur oberhalb der Ttrans komprimiert wird und bei einer Temperatur unterhalb der Ttrans komprimiert gehalten wird, bis die Form festgelegt ist, und die durch Pressen festgelegte Form wird produziert, wenn der komprimierte Polymerschaum wieder auf eine höhere Temperatur als die Formwiederherstellungstemperatur erwärmt wird, bis er seine ursprüngliche Form wiedergewinnt. Schäume können durch Polymerisieren von Materialien in Anwesenheit eines Schäumungsmittels (d. h. einem Gas oder niedrig siedenden Lösungsmittel) hergestellt werden.
  • VII. Verfahren zur Verwendung
  • [0114]
    Es ist vorgesehen, dass bestimmte Formkörper ihre vorgesehene Form halten, außer wenn in einer Weise auf sie eingewirkt wird, die mit ihrer normalen Verwendung nicht vereinbar ist. Zum Beispiel wird eine Autostoßstange ihre vorgesehene Form halten, bis sie zusammengepresst worden ist. Ein Formkörper, der SMPs einschließt, kann in seiner vorgesehenen Form verwendet werden, aber wenn er beschädigt (d. h. verformt) wird, kann er zum Beispiel durch Anwendung von Wärme repariert werden.
  • [0115]
    Es ist vorgesehen, dass andere Formkörper so verwendet werden, dass die erste Form für einen ersten Gebrauch vorgesehen ist und eine zweite Form für eine zweite, nachfolgende Verwendung vorgesehen ist. Beispiele für diese Gegenstände schließen biomedizinische Vorrichtungen ein, die eine zweite Form nach dem Erreichen der Körpertemperatur oder nach Anwendung eines externen Stimulus, der die Vorrichtung auf oberhalb der Körpertemperatur erwärmt, formen können.
  • [0116]
    Es ist vorgesehen, dass andere Formkörper so verwendet werden, dass die Formänderung, die als Reaktion auf eine Temperaturänderung stattfindet, eine bestimmte Wirkung auslöst, wie zum Beispiel das Aktivieren eines mechanischen oder elektrischen Schalters. Der Schalter könnte zum Beispiel beim Regulieren der Temperatur der SMP-Umgebung helfen, wie zum Beispiel bei Temperatursensoren und automatischen Starterklappen für Kraftfahrzeuge.
  • [0117]
    Die vorliegende Erfindung wird mit Bezug auf die folgenden nichtbeschränkenden Beispiele weiter verstanden werden.
  • Beispiel 1: Form-Gedächtnis-Polymere aus Copolyesterurethan
  • [0118]
    Eine Gruppe biokompatibler und bioabbaubarer Multiblockcopolymere, die einen thermischen Form-Gedächtnis-Effekt zeigen, wurde synthetisiert. Diese Polymere bestanden aus einem kristallisierbaren Hartsegment (Tm) und einem Weichsegment mit einer thermischen Übergangstemperatur Ttrans zwischen Raum- und Körpertemperatur. Im Gegensatz zu segmentierten Polyurethanen nach dem Stand der Technik war das Hartsegment ein Oligoester und enthielt keine aromatische Komponente.
  • [0119]
    Der Mechanismus für das Programmieren der vorübergehenden Form und das Wiederherstellen der dauerhaften Form eines Multiblockcopolymers wird in 6 gezeigt. Die dauerhafte Form der Materialien wurde durch Schmelzen des Polymers und Abkühlen auf oberhalb der Ttrans festgelegt (6 – obere Position). Dann wurde das Polymer in seine vorübergehende Form geformt (6 – rechte Position), die durch Abkühlen auf unterhalb der Ttrans fixiert wurde (6 – untere Position). Nach dem Abladen wurde die dauerhafte Form durch erneutes Erwärmen auf oberhalb der Ttrans wiederhergestellt.
  • Synthese von telechelischen Oligomeren mit funktionellen Gruppen an beiden Enden
  • [0120]
    Der telechelische Makrodiol wurde durch ringöffnende Polymerisation zyklischer Monomere mit Di(n-butyl)zinnoxid als Katalysator für die Transveresterung unter einer N2-Atmosphäre synthetisiert.
  • Hartsegment
  • [0121]
    α,ω-Dihydroxy[oligoethylenglycolglycolat)ethylenoligo(ethylenglycolglycolat)] – (PDS1200 und PDS1300) wurde folgendermaßen hergestellt. Das Monomer p-Dioxan-2-on wurde durch Destillation (thermische Depolymerisation) des Oligomers vor der Verwendung erhalten. 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 Std. lang auf 80 °C erwärmt. Das Ende der Reaktion (Gleichgewicht) wurde durch GPC bestimmt. Das Produkt wurde in warmem 1,2-Dichlorethan aufgelöst und warm durch einen mit Silicagel gefüllten Büchner-Trichter filtriert. Das Produkt wurde durch Fällung in Hexan erhalten und 6 Std. lang im Vakuum getrocknet.
  • Weichsegment
  • i. Kristallin
  • [0122]
    Poly(ε-caprolacton)-diole mit unterschiedlichen Mn sind im Handel erhältlich, zum Beispiel von Aldrich und Polysciences. PCL-2000 wurde hierin verwendet.
  • ii. Amorph
  • [0123]
    α,ω-Dihydroxy[oligo(L-lactat-co-glycolat)ethylenoligo(L-lactat-co-glycolat)] – (Abk.: PLGA2000-15) wurde folgendermaßen hergestellt. In einem 1000 ml Zweihalsrundkolben wurden 300 g (2,08 mol) L,L-Dilactid, 45 g (0,34 mol) Diglycolid und 4,94 g (0,80 mol) Ethylenglycol erwärmt, um bei 40°C zu schmelzen, und gerührt. 0,614 g (2,5 mmol) Di(n-butyl)zinnoxid wurden zugefügt. Nach 7 Std. erreichte die Reaktion das Gleichgewicht, wie durch GPC bestimmt wurde. Das Reaktionsgemisch wurde in 1,2-Dichlorethan aufgelöst und in einer Silicagelsäule gereinigt. Das Produkt wurde durch Fällung in Hexan erhalten und 6 Std. lang im Vakuum getrocknet.
  • Eigenschaften von telechelischen Oligomeren
  • [0124]
    Das Molekulargewicht Mn und die thermischen Eigenschaften der Makrodiole wurden, wie in der nachstehenden Tabelle 1 gezeigt, bestimmt. Tabelle 1: Molekulargewicht und thermische Eigenschaften der Makrodiole
  • Synthese thermoplastischer Elastomere (Multiblockcopolymer)
  • [0125]
    In einem 100 ml Zweihalsrundkolben, der mit einem Soxleth-Extraktor, der mit einem Molekularsieb von 0,4 nm gefüllt war, verbunden war, wurden zwei unterschiedliche Makrodiole (ein Hartsegment und ein Weichsegment), wie in der nachstehenden Tabelle 2 beschrieben, in 80 ml 1,2-Dichlorethan aufgelöst. Das Gemisch wurde bis zur Trockene durch azeotrope Extraktion des Lösungsmittels unter Rückfluss erwärmt. Frisch destilliertes Trimethylhexan-1,6-diisocyanat wurde mit einer Spritze zugegeben und das Reaktionsgemisch wurde mindestens 10 Tage lang auf 80°C erwärmt. In regelmäßigen Abständen wurde Proben des Gemisches genommen, um das Molekulargewicht des Polymers durch GPC zu bestimmen. Am Ende der Reaktion wurde das Produkt durch Fällen des Polymers in Hexan erhalten und durch wiederholtes Lösen in 1,2-Dichlorethan und Fällen in Hexan gereinigt.
  • [0126]
    Multiblockcopolymere wurden aus den folgenden zwei Arten von Polymeren hergestellt.
    • (i) PDC-Polymere enthalten Poly(ε-caprolacton). Die Ttrans für das Weichsegment ist der Schmelzpunkt.
    • (ii) PDL-Polymere enthalten α,ω-Dihydroxy[oligo(L-lactat-co-glycolat)ethylenoligo(L-lactat-co-glycolat)]. Die Ttrans für das Weichsegment ist der Glasübergangspunkt.
  • Tabelle 2: Synthese von Multiblockcopolymeren
  • Eigenschaften der thermoglastischen Elastomere
  • [0127]
    Die physikalischen, mechanischen und Abbau-Eigenschaften, die für die Zusammensetzungen bestimmt wurden, werden in den nachstehenden Tabellen 3–9 bereitgestellt.
  • [0128]
    Das hydrolytische Abbauverhalten der neuen Materialien wurde in einer Pufferlösung von pH 7 bei 37°C getestet. Es wurde gezeigt, dass die Polymere vollständig abbaubar sind und ihre Abbaugeschwindigkeit durch die Konzentration der leicht hydrolysierbaren Esterbindungen eingestellt werden kann. Die Werte für den Verlust an relativer Masse mr = m(t0)/m(t) in % bei 37°C und Verlust an relativem Molekulargewicht Mr = Mw(t)/Mw(t0) in % bei 37°C:
    Die Toxizität von zwei unterschiedlichen Multiblockcopolymeren wurde unter Verwendung eines Hühnerei-Tests untersucht. Es wurde gezeigt, dass sich Blutgefäße regelmäßig entwickelten und ihr Zustand durch die Polymerproben nicht beeinflusst wurde. Tabelle 3: Zusammensetzung der Copolyesterurethane, bestimmt durch 1H-NMR-Spektroskopie bei 400MHz
    • * Die Differenz zu 100% ist der Urethangehalt.
    Tabelle 4: Molekulargewicht Mw der Copolyesterurethanfilme, bestimmt durch Multidetektor-GPC Tabelle 5: Übergangstemperaturen Tm und Tg, Fusionsenthalpien ΔHm und Änderungen der Wärmekapazität ΔCP der Polymerfilme aus DSC-Messungen (angegebene Werte aus dem zweiten Erwärmungsvorgang) Tabelle 6: Mechanische Eigenschaften von Polymerfilmen bei 50°C aus Zugversuchen Tabelle 7: Abbaubarkeit von PDL22 Tabelle 8: Abbaubarkeit von PDL23 Tabelle 9: Verlust der relativen Masse
  • Form-Gedächtnis-Eigenschaften
  • [0129]
    7 zeigt die Ergebnisse von Zugversuchen, die mit den Multiblockcopolymeren durchgeführt wurden, als Funktion der Anzahl der thermolytischen Zyklen. Die mittlere Formbeständigkeitsrate von thermozyklisch behandelten Polymeren und die Abhängigkeit von Spannungserholungsraten als Funktion der Anzahl der Zyklen wird nachstehend in den Tabellen 10 bzw. 11 gezeigt. Die Polymere haben eine hohe Formbeständigkeit und ein Gleichgewichtszustand wurde nach nur zwei Zyklen erreicht. Tabelle 10: Mittlere Formbeständigkeitsrate Rf Tabelle 11: Abhängigkeit der Spannungserholungsraten Rr von der Anzahl der Zyklen
  • Beispiel 2: Abbaubares Form-Gedächtnis-Thermosetpolymer mit kristallisierbarem Weichsegment
  • [0130]
    Eine Reihe von Poly(ε-caprolacton)dimethacrylaten und Thermosetpolymeren wurden auf ihre mechanischen und Form-Gedächtnis-Eigenschaften hin ausgewertet.
  • Synthese des Makromonomers
  • [0131]
    Poly(ε-caprolacton)dimethacrylate (PCLDMAs) wurden folgendermaßen hergestellt. Zu einer Lösung von Poly(ε-caprolacton)diol mit Mn = 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) tropfenweise bei 0°C gegeben. Die Lösung wurde 3 Tage lang bei 0°C gerührt und ausgefälltes Salz wurde abfiltriert. Nach dem Konzentrieren des Gemisches bei Raumtemperatur unter reduziertem Druck wurden 200 ml Ethylacetat zugegeben und die Lösung wurde wieder filtriert und in einem zehnfachen Überschuss eines Gemisches aus Hexan, Ethylether und Methanol (18:1:1) gefällt. Das farblose Präzipitat wurde gesammelt, in 200 ml Dichlorethan gelöst, wieder gefällt und sorgfältig bei Raumtemperatur unter reduziertem Druck getrocknet.
  • Synthese von Thermosetpolymeren
  • [0132]
    Das Makromonomer (oder das Monomergemisch) wurde auf 10°C oberhalb seiner Schmelztemperatur (Tm) erwärmt und in eine Form, die durch zwei Glasplatten (25 mm × 75 mm) und einen Teflon-Spacer von 0,60 mm Dicke gebildet wurde, gefüllt. Um eine gute Homogenität zu erreichen, wurde die Form eine weitere Stunde lang bei Tm aufbewahrt. Das Photohärten wurde 15 min lang auf einer erwärmten Platte bei Tm durchgeführt. Der Abstand zwischen dem Kopf der Wärmelampe und der Probe war 5,0 cm. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur wurde die Probe extrahiert und mit einem 100-fachen Überschuss von Dichlormethan über Nacht gequollen und sorgfältig gespült. Die Probe wurde schließlich bei Raumtemperatur unter reduziertem Druck getrocknet.
  • Eigenschaften von Makromonomeren und Thermosetpolymeren
  • [0133]
    Die nachstehende Tabelle 12 listet zusammen mit dem jeweiligen Acrylierungsgrad (Da) (%) die Poly(ε-caprolacton)dimethacrylate auf, die hergestellt wurden. Die Zahl, die auf PCLDMA folgt, ist das Molekulargewicht Mn des Poly(ε-caprolacton)diols, der in der Synthese verwendet wurde, wie unter Verwendung von 1H-NMR und GPC bestimmt wurde, gerundet auf 500. Tabelle 12: Poly(ε-caprolacton)diol und Acrylierungsgrad
  • [0134]
    8 zeigt die Schmelztemperatur (Tm) von Diolen, Dimethacrylaten und Poly(ε-caprolacton)-Thermosetpolymeren als Funktion der molaren Masse Mn der Makromonomere. In dem Graph werden Makrodiole durch --∎--, Makromonomere durch und Thermosetpolymere durch dargestellt.
  • [0135]
    Die Zugeigenschaften der Poly(ε-caprolacton)-Thermosetpolymere C1 bis C7 bei Raumtemperatur werden nachstehend in Tabelle 13 gezeigt, wobei es sich bei E um den Elastizitätsmodul (Young'schen Modul), bei εS um die Dehnung und bei σs um die Spannung an der Elastizitätsgrenze, bei σmax um die maximale Spannung, bei εmax um die Dehnung bei σmax, bei εR um die Bruchdehnung und bei σR um die Bruchspannung handelt. Die nachstehend bereitgestellte Tabelle 14 zeigt die Zugeigenschaften der gleichen Poly(ε-caprolacton)-Thermosetpolymere bei 70°C. Tabelle 13: Zugeigenschaften der Thermosetpolymere bei Raumtemperatur Tabelle 14: Zugeigenschaften der Thermosetpolymere bei 70°C
  • Form-Gedächtnis-Eigenschaften
  • [0136]
    Es wurde bestimmt, dass die Thermosetpolymere die in Tabelle 15 angegebenen thermomechanischen Eigenschaften aufweisen. Die Zahlenmittel des Molekulargewichts (Mn) sind die des Makromonomers. Die untere Grenztemperatur, Tl, beträgt 0°C und die höhere Grenztemperatur, Th, beträgt 70°C. Die Ausdehnung in der vorläufigen Form beträgt 50%. Bei Rr(2) handelt es sich um die Dehnungserholungsrate des zweiten Zyklus, bei Rr,tot handelt es sich um die Gesamtdehnungserholungsrate nach 5 Zyklen, Rf ist die mittlere Dehnungsbeständigkeitsrate. Tabelle 15: Thermomechanische Eigenschaften der Thermosetpolymere
Referenced by
Citing PatentFiling datePublication dateApplicantTitle
DE102008004574A1 *Jan 9, 2008Jul 16, 2009Aesculap AgChirurgisches Nahtmaterial mit Verankerungselementen
DE102013000690A1Jan 14, 2013Jul 17, 2014Axel RitterVerfahren zur Herstellung von insbesondere linear arbeitenden Aktoren
US8641850Mar 2, 2009Feb 4, 2014GM Global Technology Operations LLCPolymer systems with multiple shape memory effect
Classifications
International ClassificationB29C61/00, C08L101/00, A61L27/00, C08F299/04, C08G81/00, C08L101/16
Cooperative ClassificationY10S977/754, Y10S525/903, C08L101/00, B29C61/003, A61B2017/00871, G01K5/483
European ClassificationB29C61/00B, C08L101/00, G01K5/48B