CZ20003071A3 - Shape memory polymers - Google Patents
Shape memory polymers Download PDFInfo
- Publication number
- CZ20003071A3 CZ20003071A3 CZ20003071A CZ20003071A CZ20003071A3 CZ 20003071 A3 CZ20003071 A3 CZ 20003071A3 CZ 20003071 A CZ20003071 A CZ 20003071A CZ 20003071 A CZ20003071 A CZ 20003071A CZ 20003071 A3 CZ20003071 A3 CZ 20003071A3
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- segment
- stable
- shape
- segments
- composition
- Prior art date
Links
Landscapes
- Materials For Medical Uses (AREA)
Abstract
Směsi polymerů s tvarovou pamětí mající v paměti alespoň dva tvary obsahují: a) alespoň jeden stabilní segment s teplotou tání nebo skelnou přechodovou teplotou tání nebo skelnou přechodovou teplotou Ttrans 40 až 270 °C, b) první přizpůsobivý segment, vázaný alespoň na jeden stabilní segment, s teplotou Ttrans alespoň o 10 °C nižší než u stabilního segmentu, c) druhý přizpůsobivý segment, vázaný alespoň najeden stabilní segment nebo první přizpůsobivý segment s teplotou Ttrans alespoň o 10 °C než Ttrans prvního přizpůsobivého segmentu, přičemž polymer s tvarovou pamětí je vybrán ze skupiny obsahující roubované polymery, lineární polymery a dendrimerní polymery, např. polyetherestery, polyestery, polyamidy, polyesteramidy, polyurethany, polysacharidy, a molekulová hmotnost alespoň jednoho ze segmentů je 500 až 10000. Při způsobu tvarování předmětů se předmět formuje do daného tvaru při teplotě nad Ttrans přizpůsobivého segmentu a pod T,rans stabilního segmentu a ochladí se na teplotu pod Ttrans přizpůsobivého segmentu, pokud se předmět následně formuje do druhého tvaru, lze ho vrátit do jeho původního tvarujeho zahřátím nad T,rans stabilního segmentu.Shape memory polymer blends having at least two shapes in memory comprise: a) at least one stable segment with a melting point or glass transition temperature Ttrans of 40 to 270 °C, b) a first conformable segment, bonded to at least one stable segment, with a temperature Ttrans at least 10 °C lower than that of the stable segment, c) a second conformable segment, bonded to at least one stable segment or first conformable segment with a temperature Ttrans at least 10 °C lower than that of the first conformable segment, wherein the shape memory polymer is selected from the group consisting of grafted polymers, linear polymers and dendrimeric polymers, e.g. polyetheresters, polyesters, polyamides, polyesteramides, polyurethanes, polysaccharides, and the molecular weight of at least one of the segments is 500 to 10,000. In the method of shaping objects, the object is shaped into a given shape at a temperature above the Ttrans of the conformable segment and below T,rans stable segment and cooled to a temperature below Ttrans of the conformable segment, if the object is subsequently formed into a second shape, it can be returned to its original shape by heating it above T,trans of the stable segment.
Description
Polymery s tvarovou pamětíShape memory polymers
Oblast techniky:Technical area:
Vynález se týká polymerů s tvarovou pamětíThe invention relates to shape memory polymers
Dosavadní stav technikyState of the art
Tato přihláška je obecně z oblasti polymerů s tvarovou pamětí a zvláště polymerů s tvarovou pamětí majících zlepšené charakteristiky a v paměti více než jeden tvar.This application is generally in the field of shape memory polymers and particularly shape memory polymers having improved characteristics and memory of more than one shape.
Tvarová paměť je schopnost materiálu zapamatovat si původní tvar i po mechanické deformaci (obrázek 1), který je „one-way“ ovlivněním, nebo ochlazením či zahřátím (obrázek 2), což je „two-way“ ovlivnění. Tento jev je založen na strukturní transformaci fází.Shape memory is the ability of a material to remember its original shape after mechanical deformation (Figure 1), which is a “one-way” effect, or cooling or heating (Figure 2), which is a “two-way” effect. This phenomenon is based on a structural phase transformation.
Prvními známými látkami majícími tyto vlastnosti byly kovové slitiny s tvarovou pamětí (SMA), mezi něž patřily slitiny TiNi (Nitinol), CuZnAl a FeNiAI. Strukturní transformace fází těchto materiálů je známá jako martenzitická transformace. Tyto materiály byly navrhovány pro různé účely, včetně cévních stentů, lékařských katetrů, zubařských drátů, tlumičů vibrací, potrubních spojů, elektrických konektorů, termostatů, ovladačů, brýlových obrub a podprsenkových výztuží. Tyto materiály nebyly dosud siřeji využívány částečně proto, že jsou relativně drahé. Vědci činorodě vyvíjejí polymery s tvarovou pamětí (SMP) jako náhrady nebo rozšiřování využití SMA částečně proto, že polymery jsou lehčí, mají vyšší schopnost návratu do původního tvaru, snadno se s nimi manipuluje a v porovnání se SMA jsou ekonomičtější. V literatuře jsou SMP obecně charakterizovány jako fázově oddělené lineární blokové kopolymery mající stabilní [hard] segment (úsek) a přizpůsobivý [soft] segment. Stabilní segment je typicky krystalický s definovaným bodem tání a přizpůsobivý segment je typicky amorfní s definovanou skelnou přechodovou teplotou. V některých případech je stabilní segment amorfní a má spíše skelnou přechodovou teplotu než bod tání. V jiných případech je přizpůsobivý segment krystalický a má spíše bod tání než skelnou ····· · · · ·· ·· • · · ···· ···· • ··· φ · ···· • ·· · ······ • · ·· ···· ······ ······· ·· ·· *»The first known materials to possess these properties were shape memory alloys (SMAs), which included TiNi (Nitinol), CuZnAl, and FeNiAl. The structural phase transformation of these materials is known as the martensitic transformation. These materials have been designed for a variety of purposes, including vascular stents, medical catheters, dental wires, vibration dampers, pipe joints, electrical connectors, thermostats, actuators, spectacle frames, and bra underwires. These materials have not been widely used, in part because they are relatively expensive. Scientists are actively developing shape memory polymers (SMPs) to replace or extend the uses of SMAs, in part because polymers are lighter, have a higher ability to recover their original shape, are easy to handle, and are more economical than SMAs. In the literature, SMPs are generally characterized as phase-separated linear block copolymers having a stable [hard] segment and a compliant [soft] segment. The stable segment is typically crystalline with a defined melting point and the compliant segment is typically amorphous with a defined glass transition temperature. In some cases, the stable segment is amorphous and has a glass transition temperature rather than a melting point. In other cases, the compliant segment is crystalline and has a melting point rather than a glass transition temperature. ···· ·
- 2 přechodovou teplotu. Bod tání nebo skelná přechodová teplota přizpůsobivého segmentu je podstatně nižší než bod tání nebo skelná přechodová teplota stabilního segmentu.- 2 transition temperature. The melting point or glass transition temperature of the compliant segment is significantly lower than the melting point or glass transition temperature of the stable segment.
Pokud se SMP zahřívá nad teplotu tání nebo skelnou přechodovou teplotu stabilního segmentu, lze materiál tvarovat. Tento (původní) tvar je možno vložit do paměti materiálu ochlazením SMP pod bod tání nebo skelnou přechodovou teplotu stabilního segmentu. Pokud se vytvarovaný SMP ochladí pod bod tání nebo skelnou přechodovou teplotu přizpůsobivého segmentu při deformaci tvaru, tento (dočasný) tvar se zafixuje. Do původního tvaru se navrátí zahřátím materiálu nad bod tání nebo skelnou přechodovou teplotu přizpůsobivého segmentu, avšak pod bod tání nebo skelnou přechodovou teplotu stabilního segmentu. Při jiném způsobu uchování přechodného tvaru se materiál deformuje při teplotě nižší než je bod tání nebo skelná přechodová teplota přizpůsobivého segmentu, což má za následek napětí a pnutí, které je přizpůsobivým segmentem absorbováno. Pokud se materiál zahřeje nad bod tání nebo skelnou přechodovou teplotu přizpůsobivého segmentu, avšak pod bod tání (nebo skelnou přechodovou teplotu) stabilního segmentu, napětí a pnutí se uvolní a materiál se vrátí do původního tvaru. Návrat do původního stavu, který je způsoben zvýšením teploty se nazývá ovlivnění tepelné tvarové paměti. Vlastnosti, které popisují schopnost tvarové paměti materiálu jsou obnova tvaru do původního stavu a tvarová stabilita dočasného tvaru.If the SMP is heated above the melting point or glass transition temperature of the stable segment, the material can be shaped. This (original) shape can be stored in the material by cooling the SMP below the melting point or glass transition temperature of the stable segment. If the shaped SMP is cooled below the melting point or glass transition temperature of the compliant segment while deforming the shape, this (temporary) shape is fixed. The original shape is restored by heating the material above the melting point or glass transition temperature of the compliant segment, but below the melting point or glass transition temperature of the stable segment. In another way of preserving the temporary shape, the material is deformed at a temperature below the melting point or glass transition temperature of the compliant segment, resulting in stresses and strains that are absorbed by the compliant segment. If the material is heated above the melting point or glass transition temperature of the compliant segment, but below the melting point (or glass transition temperature) of the stable segment, the stresses and strains are released and the material returns to its original shape. The return to the original state caused by an increase in temperature is called thermal shape memory effect. The properties that describe the shape memory ability of a material are the restoration of the shape to the original state and the shape stability of the temporary shape.
Jako reakce na vnější změny teploty a napětí se značně mění i mnoho jiných fyzikálních vlastností SMP než je schopnost zapamatovat si tvar, a to zvláště při bodu tání nebo skelné přechodové teplotě přizpůsobivého segmentu. Mezi tyto vlastnosti patří modul pružnosti, tvrdost, pružnost, pronikání par, tlumení, refrakční index a dielektrická konstanta. Modul pružnosti (poměr pnutí v tělese vzhledem k odpovídajícímu napětí) SMP se může při zahřívání nad bod tání nebo skelnou přechodovou teplotu přizpůsobivého segmentu měnit až 200 násobně. Tvrdost materiálu se také dramaticky mění, pokud je přizpůsobivý segment nad nebo při bodu tání nebo skelné přechodové teplotě. Pokud se materiál zahřívá na teplotu nad bod tání nebo skelnou přechodovou teplotu přizpůsobivého segmentu, může být útlumová schopnost proti běžnému gumovému výrobku vyšší až pětinásobně.In response to external changes in temperature and stress, many physical properties of SMPs other than shape memory change significantly, particularly at the melting point or glass transition temperature of the compliant segment. These properties include the elastic modulus, hardness, flexibility, vapor permeability, damping, refractive index, and dielectric constant. The elastic modulus (the ratio of stress in a body to the corresponding stress) of an SMP can change by a factor of up to 200 when heated above the melting point or glass transition temperature of the compliant segment. The hardness of the material also changes dramatically when the compliant segment is above or at the melting point or glass transition temperature. When the material is heated above the melting point or glass transition temperature of the compliant segment, the damping capacity can be up to five times higher than that of a conventional rubber product.
• ·• ·
- 3 Materiál se může rychle vracet do svého původního odlitého tvaru po mnoha tepelných cyklech a může se zahřívat nad bod tání stabilního segmentu a přetvařovat a ochladit k zafixování nového původního tvaru.- 3 The material can quickly return to its original cast shape after many thermal cycles and can be heated above the melting point of the stable segment and reshaped and cooled to fix the new original shape.
U polymerů je možné ovlivňování tvarové paměti (např. teplem smršťovací fólie). To však není hlavní specifickou vlastností, ale vychází ze struktury polymeru a jeho morfologie. Účinek přetrvává u mnoha polymerů, které se mohou značně lišit ve svém chemickém složení. V literatuře však bylo popsáno pouze několik polymerních systémů s tvarovou pamětí (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)).In polymers, it is possible to influence the shape memory (e.g. heat shrinkable film). However, this is not the main specific property, but is based on the structure of the polymer and its morphology. The effect persists for many polymers, which can vary considerably in their chemical composition. However, only a few polymer systems with shape memory have been described in the literature (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)).
Mezi příklady polymerů užívaných k přípravě stabilních a přizpůsobivých segmentů SMP patří různé polyethery, polyakryláty, polyamidy, polysiloxany, polyurethany, polyetheramidy, polyurethan-močovinové kopolymery, polyetherestery a urethan-butadienové kopolymery. Viz například US patent č. 5,506,300 udělený Wardovi, et al.; US patent č. 5,145,935 udělený Hayashimu; US patent č. 5,665,822 udělený Bitlerovi, et al.; a Gorgen: „Application of Shape Memory Polyurethanes“, Proceedings of the First International Conference on Shape Memory and Superelastic Technologies, SMST International Committee, str. 115 - 19, (1994). Vyvinuté SMP, většinou omezený na schopnost podržet v paměti přechodně pouze jeden tvar. Přínosem by bylo zajistit SMP schopné vytvořit předměty schopné udržet v paměti více než jeden tvar.Examples of polymers used to prepare stable and conformable SMP segments include various polyethers, polyacrylates, polyamides, polysiloxanes, polyurethanes, polyetheramides, polyurethane-urea copolymers, polyetheresters, and urethane-butadiene copolymers. See, for example, U.S. Patent No. 5,506,300 to Ward, et al.; U.S. Patent No. 5,145,935 to Hayashi; U.S. Patent No. 5,665,822 to Bitler, et al.; and Gorgen: “Application of Shape Memory Polyurethanes,” Proceedings of the First International Conference on Shape Memory and Superelastic Technologies, SMST International Committee, pp. 115-19, (1994). SMPs developed, mostly limited to the ability to temporarily retain only one shape. It would be beneficial to provide SMPs capable of forming objects capable of retaining more than one shape.
Podstata vynálezuThe essence of the invention
Předmětem předloženého vynálezu je tedy zajištění SMP, které jsou schopny • · • · • ·The object of the present invention is therefore to provide SMPs that are capable of • · • · • ·
• ·• ·
- 4 vytvořit předměty, které mohou udržet v paměti více než jeden tvar.- 4 create objects that can hold more than one shape in memory.
Dalším předmětem předloženého vynálezu je zajištění SMP o fyzikálních a chemických vlastnostech a chemické struktuře odlišné od běžných SMP .Another object of the present invention is to provide SMPs with physical and chemical properties and chemical structure different from conventional SMPs.
Ještě dalším předmětem předloženého vynálezu je zajištění SMP s tvarovou pamětí, která se vyvolá i jiným podnětem než je teplota.Yet another object of the present invention is to provide a shape memory SMP that is triggered by a stimulus other than temperature.
Shrnutí vynálezuSummary of the invention
Zde je popsáno složení směsí, z nich vyráběné výrobky a způsoby jejich přípravy a využívání. Řešení, kterému se dává přednost má taková složení směsí polymerů s tvarovou pamětí, která mohou v paměti podržet více než jeden tvar. Může být například složen ze stabilního segmentu a alespoň dvou přizpůsobivých segmentů. Ttrans stabilního segmentu je alespoň o 10 °C, lépe o 20 °C vyšší než Kans jednoho z přizpůsobivých segmentů a Ttrans každého následujícího přizpůsobivého segmentu alespoň o 10 °C, lépe o 20 °C nižší než Ttrans předchozího přizpůsobivého segmentu. Víceblokový kopolymer se stabilním segmentem s relativně vysokou Ttrans a přizpůsobivý segment s relativně nízkou Kans lze mísit nebo míchat s druhým víceblokovým kopolymerem se stabilním segmentem s relativně nízkou Ttrans a stejným přizpůsobivým segmentem jako u prvního víceblokového kopolymeru. Pokud jsou přizpůsobivé segmenty v obou víceblokových kopolymerech identické, jsou při roztavení přizpůsobivých segmentů polymery navzájem mísitelné. Výsledná směs má tři přechodové teploty: jednu pro první stabilní segment, jednu pro druhý stabilní segment a jednu pro přizpůsobivý segment. Tím jsou tyto materiály schopné zapamatovat si dva tvary.The composition of the mixtures, the products made from them and the methods of their preparation and use are described here. A preferred solution has such compositions of mixtures of polymers with shape memory that can retain more than one shape in memory. It may, for example, be composed of a stable segment and at least two adaptive segments. The Ttrans of the stable segment is at least 10 °C, preferably 20 °C higher than the Kans of one of the adaptive segments and the Ttrans of each subsequent adaptive segment is at least 10 °C, preferably 20 °C lower than the Ttrans of the previous adaptive segment. A multiblock copolymer with a stable segment with a relatively high Ttrans and an adaptive segment with a relatively low Kans can be mixed or blended with a second multiblock copolymer with a stable segment with a relatively low Ttrans and the same adaptive segment as the first multiblock copolymer. If the conforming segments in both multiblock copolymers are identical, the polymers are miscible when the conforming segments are melted. The resulting mixture has three transition temperatures: one for the first stable segment, one for the second stable segment, and one for the conforming segment. This allows these materials to remember two shapes.
K vytváření stabilních a přizpůsobivých segmentů lze používat jakékoliv polymery, které jsou krystalické nebo amorfní, a které mají Ttrans v oblasti zde definované. Bod tání nebo skelná přechodová teplota (dále jen Ttrans) stabilního segmentu je alespoň o 10 °C, lépe o 20 °C vyšší než Ttrans přizpůsobivého segmentu. Ttrans stabilního segmentu je přednostně mezi -30 a 270 °C a lépe mezi 30 a 150 °C. Hmotnostní poměr stabilního segmentu ku přizpůsobivému segmentu je přibližně v poměru mezi 5 : 95 a 95 : 5, přednostně mezi 20 : 80 a 80 : 20.Any polymers that are crystalline or amorphous and that have a Ttrans within the range defined herein can be used to form the stable and compliant segments. The melting point or glass transition temperature (hereinafter referred to as Ttrans ) of the stable segment is at least 10°C, more preferably 20°C higher than the Ttrans of the compliant segment. The Ttrans of the stable segment is preferably between -30 and 270°C, and more preferably between 30 and 150°C. The weight ratio of the stable segment to the compliant segment is approximately between 5:95 and 95:5, preferably between 20:80 and 80:20.
• · • 9• · • 9
- 5 Polymery s tvarovou pamětí v některých případech mají alespoň jedno fyzikální zesítění (fyzikální interakce stabilního segmentu) nebo obsahují namísto stabilního segmentu kovalentní zesítění. Polymery s tvarovou pamětí mohou také pronikat dovnitř mřížky nebo částečně pronikat dovnitř mřížky. Vedle změn stavu z pevného skupenství do kapalného skupenství (bod tání nebo skelná přechodová teplota) mohou navíc jak stabilní, tak přizpůsobivé segmenty procházet přechody z jednoho pevného stavu do druhého pevného stavu a procházet iontovými interakcemi vyžadující však polyelektrolytické segmenty nebo supramolekulárním ovlivněním prostřednictvím vysoce organizovaných vodíkových můstků.- 5 Shape memory polymers in some cases have at least one physical crosslink (physical interactions of the stable segment) or contain covalent crosslinks instead of a stable segment. Shape memory polymers can also penetrate into the lattice or partially penetrate into the lattice. In addition to changes of state from solid to liquid (melting point or glass transition temperature), both stable and flexible segments can also undergo transitions from one solid state to another solid state and undergo ionic interactions, however, requiring polyelectrolyte segments or supramolecular influence through highly organized hydrogen bonds.
Předměty mohou být připravovány ze směsí polymerů s tvarovou pamětí například vstřikovacím litím, nadouváním, extruzí a laserovým nanášením. Při přípravě předmětů majících v paměti tvar lze předměty vytvarovat při teplotě nad Ttrans stabilního segmentu a ochladit je pod teplotu Ttrans přizpůsobivého segmentu. Pokud se předmět následně tvaruje do druhého tvaru, lze ho vrátit do jeho původního tvaru zahřátím nad Ttrans přizpůsobivého segmentu a pod Ttrans stabilního segmentu.Articles can be prepared from blends of shape memory polymers by, for example, injection molding, blow molding, extrusion, and laser deposition. In preparing shape memory articles, the articles can be formed at a temperature above the Ttrans of the stable segment and cooled below the Ttrans of the compliant segment. If the article is subsequently formed into a second shape, it can be returned to its original shape by heating above the Ttrans of the compliant segment and below the Ttrans of the stable segment.
Předměty se dvěma nebo více tvary v paměti mohou být připraveny tvářením polymerní směsi se stabilním segmentem, prvním přizpůsobivým segmentem a druhým přizpůsobivým segmentem, kde první přizpůsobivý segment má Ttrans alespoň 10 °C pod stabilním segmentem a alespoň 10 °C nad druhým přizpůsobivým segmentem. Po vytvarování směsi při teplotě nad Ttrans stabilního segmentu se může ochladit na teplotu pod teplotou Ttrans prvního přizpůsobivého segmentu a nad teplotou druhého přizpůsobivého segmentu a tvarovat do druhého tvaru. Směs může být tvarována do třetího tvaru po tom, co se ochladí pod Ttrans druhého přizpůsobivého segmentu. K návratu směsi do druhého tvaru lze směs zahřívat nad Ttrans druhého přizpůsobivého segmentu. K návratu do prvního tvaru se může směs zahřívat nad Ttrans prvního přizpůsobivého segmentu. Směs lze také zahřívat nad Ttrans stabilního segmentu, kde směs ztrácí paměť prvního a druhého tvaru a lze ji přeformovat za použití způsobu popsaného výše. Termosetové polymery lze připravovat předběžným zformováním makromonomerů, například extruzí a stabilizací původního tvaru při teplotě nad Ttrans termosetového polymeru, například fotochemicky vybuzenou reakcíArticles with two or more shape memory components can be prepared by molding a polymer blend with a stable segment, a first conforming segment, and a second conforming segment, wherein the first conforming segment has a Ttran s at least 10°C below the stable segment and at least 10°C above the second conforming segment. After molding the blend at a temperature above the Ttran s of the stable segment, it can be cooled to a temperature below the Ttran s of the first conforming segment and above the temperature of the second conforming segment and molded into a second shape. The blend can be molded into a third shape after cooling below the Ttran s of the second conforming segment. To return the blend to the second shape, the blend can be heated above the Ttran s of the second conforming segment. To return the blend to the first shape, the blend can be heated above the Ttran s of the first conforming segment. The blend can also be heated above the Ttran s of the stable segment, where the blend loses the first and second shape memory and can be reshaped using the method described above. Thermosetting polymers can be prepared by preforming macromonomers, for example by extrusion, and stabilizing the original shape at a temperature above the Ttrans of the thermosetting polymer, for example by a photochemically excited reaction
- 6 reaktivních skupin makromonomeru. Původní tvar však lze naprogramovat pouze jednou.- 6 reactive groups of the macromonomer. However, the original shape can only be programmed once.
Při řešení, jemuž se dává přednost nastává tvarová změna jako reakce na změnu teploty. Při jiném řešení může ovšem měnit směs svůj tvar jako odezvu na ozáření, změnu koncentrace iontů a/nebo pH, elektrické pole, magnetické pole nebo ultrazvuk. SMP může mít například alespoň jeden stabilní segment a alespoň jeden přizpůsobivý segment, kde jsou alespoň dva segmenty, nejlépe dva přizpůsobivé segmenty navzájem navázány přes funkční skupinu, která je štěpitelná ozářením, elektrickým polem, magnetickým polem nebo ultrazvukem. Dočasný tvar se stabilizuje zesítěním lineárních polymerů. Štěpením těchto vazeb se může navrátit do původního stavu. Podněty pro zesítění a štěpení těchto vazeb mohou být bud' stejné nebo různé.In a preferred embodiment, the shape change occurs in response to a change in temperature. In another embodiment, however, the mixture may change shape in response to irradiation, changes in ion concentration and/or pH, an electric field, a magnetic field, or ultrasound. For example, the SMP may have at least one stable segment and at least one flexible segment, wherein at least two segments, preferably two flexible segments, are linked to each other via a functional group that is cleavable by irradiation, an electric field, a magnetic field, or ultrasound. The temporary shape is stabilized by crosslinking the linear polymers. By cleavage of these bonds, it can be restored to its original state. The stimuli for crosslinking and cleavage of these bonds may be either the same or different.
Přehled obrázkůImage overview
Obrázek 1 je zobrazením „one-way“ ovlivnění tvarové paměti.Figure 1 is a depiction of the “one-way” influence of shape memory.
Obrázek 2 je zobrazením „two-way“ (tepelného) ovlivnění tvarové paměti.Figure 2 is a depiction of the “two-way” (thermal) influence of shape memory.
Obrázek 3 znázorňuje kombinace vhodných skupin termoplastů.Figure 3 shows combinations of suitable groups of thermoplastics.
Obrázek 4 je diagramem následných reakcí při syntéze fotoreaktivním zesítěním, jemuž se dává přednost.Figure 4 is a diagram of the subsequent reactions in the synthesis by photoreactive crosslinking, which is preferred.
Obrázek 5 je znázorněním vzniku tvarové paměti vybuzené fotocestou.Figure 5 is an illustration of the formation of shape memory excited by a photopath.
Obrázek 6 je znázorněním mechanismu teplotního ovlivnění tvarové paměti u víceblokového kopolymeru.Figure 6 is an illustration of the mechanism of temperature influence on shape memory in a multiblock copolymer.
Obrázek 7 je diagramem znázorňujícím závislost napětí na prodloužení polymeru s tvarovou pamětí u víceblokového kopolymeru.Figure 7 is a diagram showing the stress-elongation dependence of a shape memory polymer for a multiblock copolymer.
Obrázek 8 je diagram znázorňující závislost teploty tání diolů, dimetakrylátů a poly-s-kaprolaktonových termosetů na molárni hmotnosti Mn makromonomeru.Figure 8 is a diagram showing the dependence of the melting point of diols, dimethacrylates and poly-ε-caprolactone thermosets on the molar mass M n of the macromonomer.
Podrobný popis vynálezuDetailed description of the invention
• ·• ·
- 7 Zabezpečuje se složení směsí polymerů s tvarovou pamětí, předměty z nich vyrobené a způsoby jejich přípravy a využití. Polymery s tvarovou pamětí se mohou skládat z alespoň jednoho stabilního segmentu a alespoň jednoho přizpůsobivého segmentu, nebo se mohou skládat alespoň z jednoho druhu přizpůsobivého segmentu, vyznačujícího se tím, že alespoň jeden druh přizpůsobivého segmentu je zesíťován, bez přítomnosti stabilního segmentu. Při řešení, kterému se dává přednost, mohou mít polymery dvě nebo více tvarových pamětí.- 7 The composition of the shape memory polymer blends, articles made therefrom, and methods of their preparation and use are provided. The shape memory polymers may consist of at least one stable segment and at least one flexible segment, or may consist of at least one type of flexible segment, characterized in that at least one type of flexible segment is crosslinked, without the presence of a stable segment. In a preferred embodiment, the polymers may have two or more shape memories.
Definice použitých výrazůDefinition of terms used
Polymerem se míní polymer s tvarovou pamětí, pokud se původní tvar polymeru obnoví jeho zahřátím nad teplotu pro obnovení (definovanou jako Ttrans přizpůsobivého segmentu) i v případě, že se mechanicky poruší původní odlitý tvar polymeru při teplotě nižší než je teplota pro obnovení tvaru, nebo pokud lze paměťový tvar navrátit do původního stavu použitím jiného podnětu.A polymer is considered to be a shape memory polymer if the original shape of the polymer is restored by heating it above the recovery temperature (defined as the T trans of the conformable segment) even if the original molded shape of the polymer is mechanically broken at a temperature below the shape recovery temperature, or if the shape memory can be restored to its original state by applying another stimulus.
Tak, jak se zde používá termínu „segment“, míní se tím blok nebo sled skupin v polymeru tvořícím část polymeru s tvarovou pamětí.As used herein, the term "segment" refers to a block or sequence of groups in a polymer forming part of a shape memory polymer.
Tak, jak se zde používá termínů stabilní (hard) segment a přizpůsobivý (soft) segment, jde o relativní termíny týkající se Ttrans segmentů. Stabilní segment(y) má vyšší Ttrans než přizpůsobivý(é) segment(y). Poměr hmotnosti stabilního segmentu ku přizpůsobivému segmentu je přibližně mezi 5 : 95 a 95 : 5, lépe mezi 20 : 80 a 80 : 20.As used herein, the terms stable (hard) segment and flexible (soft) segment are relative terms relating to the T tra ns segments. The stable segment(s) have a higher T tra ns than the flexible segment(s). The weight ratio of the stable segment to the flexible segment is approximately between 5 : 95 and 95 : 5, more preferably between 20 : 80 and 80 : 20.
Tak, jak se zde používá termínu „biologicky degradovatelné“, míní se tím látky, které jsou biologicky resorbovatelné a/nebo degradovatelné a/nebo rozložitelné mechanickým rozrušením interakcí s fyziologickým prostředím na složky, které jsou metabolizovatelné nebo vyloučitelné během období od minut do tří roků, přednostně rychleji než jeden rok, za udržení požadované strukturní integrity. Tak, jak se zde používá v odkazu na polymery termínu “degradování“, míní se tím rozštěpení řetězce polymeru tak, že molekulární hmotnost se dostane přibližně na konstantní úroveň oligomerů a částice polymeru se podrobí další degradaci.As used herein, the term "biodegradable" refers to substances that are bioresorbable and/or degradable and/or break down by mechanical disruption through interaction with the physiological environment into components that are metabolizable or excreted within a period of minutes to three years, preferably faster than one year, while maintaining the desired structural integrity. As used herein in reference to polymers, the term "degradation" refers to the cleavage of the polymer chain such that the molecular weight is brought to approximately a constant oligomer level and the polymer particle undergoes further degradation.
99
99
- 8 Termínem „úplné degradování“ se míní rozštěpení polymeru na molekulární úroveň tak, že nastane úplný rozklad hmoty. Termín „degradovat“ jak je zde použit zahrnuje i „úplnou degradaci“, pokud není uvedeno jinak.- 8 The term "complete degradation" refers to the breakdown of a polymer at the molecular level such that the complete decomposition of the material occurs. The term "degrade" as used herein includes "complete degradation" unless otherwise specified.
Složení směsí polymerů s tvarovou pamětíComposition of shape memory polymer blends
Polymery s tvarovou pamětí mohou být termoplasty, termosety, interpenetrované mřížky, semipenetrované mřížky nebo směsné mřížky. Polymery mohou být jednoduchými polymery nebo směsí polymerů. Polymery mohou být lineární, rozvětvené, termoplastické eíastomery s postranními řetězci, nebo jakýkoliv druh dendritických strukturních prvků. Podněty způsobující tvarové změny mohou být teplota, změna iontové síly, pH, světlo, elektrické pole, magnetické pole nebo ultrazvuk.Shape memory polymers can be thermoplastics, thermosets, interpenetrated networks, semi-penetrated networks or mixed networks. The polymers can be single polymers or mixtures of polymers. The polymers can be linear, branched, thermoplastic elastomers with side chains, or any type of dendritic structural elements. The stimuli causing the shape changes can be temperature, change in ionic strength, pH, light, electric field, magnetic field or ultrasound.
Termoplastické materiály s tvarovou pamětí mohou být tvarovány (např. odlévány) do požadovaného tvaru nad Ttrans stabilního segmentu(ů) a ochlazeny na teplotu pod teplotou pro obnovu tvaru, kde může polymer podstoupit mechanickou deformaci a vytvoří se v něm napětí. Původní tvar deformovaných polymerů lze obnovit jejich zahřátím na teplotu vyšší než je teplota pro obnovu tvaru. Nad touto teplotou se napětí polymeru uvolní, a polymer se navrátí do svého původního tvaru. Termosetové materiály s tvarovou pamětí se naproti tomu tvarují do požadovaného tvaru před tím, než se makromonomery použité k vytvoření termosetových polymerů zpolymerují. Po stabilizaci tvaru se potom makromonomery polymerizují.Thermoplastic shape memory materials can be molded (e.g., cast) into a desired shape above the T tra ns of the stable segment(s) and cooled to a temperature below the shape recovery temperature, where the polymer can undergo mechanical deformation and stress is generated in it. Deformed polymers can be restored to their original shape by heating them to a temperature above the shape recovery temperature. Above this temperature, the stress in the polymer is released, and the polymer returns to its original shape. Thermoset shape memory materials, on the other hand, are molded into the desired shape before the macromonomers used to form the thermoset polymers polymerize. After the shape is stabilized, the macromonomers are then polymerized.
Směsi polymerů musí být hlavně při teplotě pod teplotou pro obnovu tvaru kompresibilní alespoň o jedno procento nebo expandovatelné alespoň o pět procent původní tloušťky s možností stabilizace deformace použitím takových podnětů jako je teplo, světlo, ultrazvuk, magnetické pole nebo elektrické pole. V některých případech vykazují materiály stupeň obnovy až 98 % (v porovnání s pokusnými vzorky).Polymer blends must be compressible by at least one percent or expandable by at least five percent of their original thickness, especially at temperatures below the recovery temperature, with the ability to stabilize the deformation by applying stimuli such as heat, light, ultrasound, magnetic fields, or electric fields. In some cases, the materials show a recovery rate of up to 98% (compared to experimental samples).
Pokud se vloží významné napětí vyúsťující v mechanickou deformaci při teplotě nižší než je teplota pro obnovu tvaru, napětí se v přizpůsobivých segmentech ··«·If a significant stress resulting in mechanical deformation is introduced at a temperature lower than the shape recovery temperature, the stress in the compliant segments ··«·
- 9 nebo amorfních oblastech zachová a hlavní změna tvaru se udrží i po částečném uvolnění napětí elasticitou polymeru. Pokud se konfigurace molekulárního řetězce poruší ovlivněním řízeného uspořádání molekulárních řetězců při teplotě nižší než je skelná teplota přechodu, vznikne vlivem zvětšení objemu a zmenšení prostoru volného objemu nové uspořádání molekulárního řetězce. Původní tvar se obnoví kontrakcí stabilních segmentových agregátů zvýšením teploty podle tuhosti řídících řetězcových konformací a tvar polymeru se obnoví na zapamatovaný tvar. Při změnách stavu z pevného do kapalného skupenství (bod tání nebo skelná přechodová teplota) mohou navíc stabilní nebo přizpůsobivé segmenty projít iontovými interakcemi včetně polyelektrolytových segmentů nebo supramolekulárních účinků založených na vysoce organizovaných vodíkových můstcích. SMP mohou projít z pevného stavu do přechodového pevného stavu (např. morfologická změna). Přechody z pevného stavu do přechodového pevného stavu jsou odborníkům dobře známy, například u blokového polystyrenbutadienu.- 9 or amorphous regions are preserved and the main shape change is maintained even after partial stress relaxation by the elasticity of the polymer. If the molecular chain configuration is disrupted by influencing the controlled arrangement of the molecular chains at a temperature lower than the glass transition temperature, a new arrangement of the molecular chain will arise due to the increase in volume and the decrease in free volume space. The original shape is restored by the contraction of the stable segment aggregates by increasing the temperature according to the rigidity of the controlling chain conformations, and the shape of the polymer is restored to the memorized shape. In addition, during changes of state from solid to liquid (melting point or glass transition temperature), stable or flexible segments can undergo ionic interactions including polyelectrolyte segments or supramolecular effects based on highly organized hydrogen bonds. SMPs can go from a solid state to a transitional solid state (e.g. morphological change). Transitions from a solid state to a transitional solid state are well known to those skilled in the art, for example in block polystyrene butadiene.
Předměty zformované za použití tvarové paměti polymerů mohou být připraveny tak, aby během obnovy regulovaly změnu směru. Jinými slovy: kontrakce a expanze může nastat podél jedné nebo více os v závislosti na tom, jak je polymer tvarován a namáhán. Tak například v SMP vláknu může být změna tvaru omezena najeden rozměr, například na podélný směr vlákna.Objects formed using shape memory polymers can be engineered to control the change in direction during recovery. In other words, contraction and expansion can occur along one or more axes depending on how the polymer is shaped and stressed. For example, in an SMP fiber, the change in shape can be limited to one dimension, such as the longitudinal direction of the fiber.
U jiného případu mohou být u SMP materiálů měněny tepelná a elektrická vodivost jako odezva na změnu teploty.In another case, the thermal and electrical conductivity of SMP materials can be changed in response to a change in temperature.
U směsí se může měnit propustnost pro vlhkost, zvláště pokud je polymer zformován do tenké fólie (tj. méně než přibližně 10 pm). Některé směsi polymerů mají ve svém původním stavu dostatečnou propustnost, například pro molekuly vodních par, které mohou pronikat polymemí fólií, zatímco molekuly vody nejsou dostatečně malé na to, aby polymerni fólií mohly pronikat. Výsledné materiály mají malou permeabilitu pro vlhkost při teplotách pod teplotou místnosti a vysokou permeabilitu při teplotách nad teplotou místnosti.Blends can vary in moisture permeability, especially when the polymer is formed into a thin film (i.e., less than about 10 μm). Some polymer blends in their original state have sufficient permeability, for example, for water vapor molecules to penetrate the polymer film, while water molecules are not small enough to penetrate the polymer film. The resulting materials have low moisture permeability at temperatures below room temperature and high permeability at temperatures above room temperature.
I. Polymerni segmentyI. Polymer segments
99
9 ···· * 94 ·49 ···· * 94 ·4
9 9999 99 9999 9
9999 4 9 9 • 9 · · 9 4 9 · 94 44449999 4 9 9 • 9 · · 9 4 9 · 94 4444
949 949 999 9494 99 99949 949 999 9494 99 99
SWITH
- 10 Polymery obsahují „stabilní“ (hard) a „přizpůsobivé“ (soft) segmenty. Segmenty jsou přednostně oligomery. Tak, jak se zde používá termínu „oligomer“, míní se tím molekula s lineárním řetězcem o molekulové hmotnosti do 15000 Daltonů. Segmenty vytvářející polymery se volí podle požadované(ých) teploty skelného přechodu (pokud je alespoň jeden segment amorfní), nebo bodu(ů) tání (pokud je alespoň jeden segment krystalický), což naopak záleží na požadovaném způsobu využívání, přičemž se bere v úvahu prostředí, pro které mají být využívány. Průměrná molekulová hmotnost polymerového segmentu je přednostně vyšší než 400 a nejlépe v oblasti mezi 500 a 15000.- 10 The polymers contain "hard" and "soft" segments. The segments are preferably oligomers. As used herein, the term "oligomer" refers to a linear chain molecule with a molecular weight of up to 15,000 Daltons. The segments forming the polymers are selected according to the desired glass transition temperature(s) (if at least one segment is amorphous) or melting point(s) (if at least one segment is crystalline), which in turn depends on the desired use, taking into account the environment for which they are to be used. The average molecular weight of the polymer segment is preferably greater than 400 and most preferably in the range between 500 and 15,000.
Přechodovou teplotu, při které se polymer stává náhle měkkým, a deformaci lze řídit změnou složení monomeru a druhem monomeru. To umožňuje nastavit ovlivnění tvarové paměti při požadované teplotě. Tepelné vlastnosti polymerů lze určovat například dynamickou mechanickou termoanalyzou nebo diferenciální skenovací kalorimetrií (DSC). Bod tání lze vedle toho stanovit za využití standardního přístroje pro stanovení bodu tání.The transition temperature at which the polymer suddenly becomes soft and the deformation can be controlled by changing the monomer composition and the type of monomer. This allows the shape memory effect to be adjusted at the desired temperature. The thermal properties of polymers can be determined, for example, by dynamic mechanical thermal analysis or differential scanning calorimetry (DSC). The melting point can also be determined using a standard melting point apparatus.
Polymery mohou být termosety nebo termoplasty, i když se pro snadnost odlévání dává přednost termoplastovým polymerům. Pro některé aplikace se dává přesto přednost termosetům, protože jsou obecně měkčí ve svém původním tvaru při teplotách vyšších než T Trans než fyzikálně zesíťované polymery.The polymers may be thermosets or thermoplastics, although thermoplastic polymers are preferred for ease of casting. For some applications, thermosets are still preferred because they are generally softer in their original shape at temperatures above T Tran s than physically crosslinked polymers.
Stupeň krystalinity polymeru nebo polymerního(ch) bloku(ů) je přednostně mezi 3 a 80 %, lépe mezi 3 a 60 %. Pokud je stupeň krystalinity vyšší než 80 %, zatímco přizpůsobivé segmenty jsou amorfní, má výsledné složení polymeru chabé charakteristiky tvarové paměti.The degree of crystallinity of the polymer or polymer block(s) is preferably between 3 and 80%, more preferably between 3 and 60%. If the degree of crystallinity is higher than 80% while the conformable segments are amorphous, the resulting polymer composition has poor shape memory characteristics.
Modul pevnosti v tahu polymerů při teplotě pod Ttrans je obvykle mezi 50 MPa a 2 GPa (gigapaskaly), zatímco modul pevnosti v tahu polymerů nad Ttrans je obvykle mezi 1 a 500 MPa. Poměr modulu prožnosti nad a pod Ttrans je 20 nebo vyšší. Čím vyšší poměr, tím lepší paměť výsledné polymerní směsi.The tensile modulus of polymers below T trans is typically between 50 MPa and 2 GPa (gigapascals), while the tensile modulus of polymers above T trans is typically between 1 and 500 MPa. The ratio of the elastic modulus above and below T trans is 20 or higher. The higher the ratio, the better the memory of the resulting polymer blend.
Polymerní segmenty mohou být přírodní nebo syntetické, i když se dává přednost syntetickým polymerům. Polymerní segmenty mohou být biologicky degradovatelné nebo biologicky nedegradovatelné, i když se pro lékařské využívání in vivo dává přednost biologicky degradovatelným polymerům. Obecně se tyto materiály rozkládají hydrolýzou, vystavením působení vody nebo enzymůThe polymer segments may be natural or synthetic, although synthetic polymers are preferred. The polymer segments may be biodegradable or non-biodegradable, although biodegradable polymers are preferred for in vivo medical use. Generally, these materials are degraded by hydrolysis, exposure to water or enzymes
99999999
9 99 9
999999
9 9 ·9 9 ·
999 999 9999 999 9
9· 999· 99
9 • 9999 • 999
- 11 9 9 9- 11 9 9 9
9 99 9
9 9 • 4 4 9 za fyziologických podmínek, povrchovou erozí, celkovou erozí, nebo jejich kombinací. Biologicky nedegradovatelné polymery využívané pro lékařské účely nemají přednostně obsahovat jiné aromatické skupiny než ty, které se vyskytují v přírodních aminokyselinách.9 9 • 4 4 9 under physiological conditions, by surface erosion, total erosion, or a combination thereof. Non-biodegradable polymers used for medical purposes should preferably not contain aromatic groups other than those found in natural amino acids.
Polymery se vybírají na základě jejich teploty skelného přechodu (pokud je alespoň jeden segment amorfní) nebo bodu(ů) tání ( pokud je alespoň jeden segment krystalický), což vlastně vyžaduje způsob aplikace a současně se bere v úvahu prostředí, ve kterém budou využity. Průměrná molekulová hmotnost polymerového bloku je přednostně vyšší než 400 a nejlépe v rozsahu mezi 500 a 15 000.The polymers are selected based on their glass transition temperature (if at least one segment is amorphous) or melting point(s) (if at least one segment is crystalline), which actually requires the method of application and at the same time takes into account the environment in which they will be used. The average molecular weight of the polymer block is preferably higher than 400 and most preferably in the range between 500 and 15,000.
Polymer může být ve formě hydrogelu (obvykle absorbující až do 90 % hmotn. vody) a může být volitelně zesíťován vícevalentními ionty nebo polymery. Iontové zesítění mezi přizpůsobivými segmenty lze využít k udržení struktury, která se může při deformaci přeformovat rozštěpením iontového zesítění mezi přizpůsobivými segmenty. Polymer může být také ve formě gelu v rozpouštědlech jiných než je voda nebo vodné roztoky. U těchto polymerů lze dočasný tvar fixovat hydrofilními interakcemi mezi přizpůsobivými segmenty.The polymer may be in the form of a hydrogel (typically absorbing up to 90% by weight of water) and may optionally be cross-linked with multivalent ions or polymers. Ionic cross-linking between the compliant segments can be used to maintain a structure that can be reshaped upon deformation by breaking the ionic cross-linking between the compliant segments. The polymer may also be in the form of a gel in solvents other than water or aqueous solutions. In these polymers, the temporary shape can be fixed by hydrophilic interactions between the compliant segments.
Mezi představitele přírodních polymerních bloků nebo polymerů patří proteiny jako je zein, modifikovaný zein, kasein, želatina, lepek, serumalbumin a kolagen a polysacharidy jako je alginát, celulózy, dextrany, pullulan a kyselina polyhyaluronová, rovněž tak jako chitin, poly-3-hydroxyalkanoáty, zvláště poly-βhydroxybutyrát, poly-3-hydroxyoktanoát a poly-3-hydroxymastné kyseliny. Mezi představitele přírodních biologicky degradovatelných polymerových bloků nebo polymerů patří polysacharidy jako je alginát, dextran, celulóza, kolagen a jejich deriváty (substituční, s addovanými skupinami, například alkylem, alkylenem, hydroxylované, oxidované a další modifikace běžně odborníky připravované) a proteiny jako je albumin, zein a jejich kopolymery a směsi, samotné nebo v kombinaci se syntetickými polymery.Representatives of natural polymer blocks or polymers include proteins such as zein, modified zein, casein, gelatin, gluten, serum albumin and collagen and polysaccharides such as alginate, celluloses, dextrans, pullulan and polyhyaluronic acid, as well as chitin, poly-3-hydroxyalkanoates, especially poly-β-hydroxybutyrate, poly-3-hydroxyoctanoate and poly-3-hydroxyfatty acids. Representatives of natural biodegradable polymer blocks or polymers include polysaccharides such as alginate, dextran, cellulose, collagen and their derivatives (substituted, with added groups, for example alkyl, alkylene, hydroxylated, oxidized and other modifications commonly prepared by those skilled in the art) and proteins such as albumin, zein and their copolymers and mixtures, alone or in combination with synthetic polymers.
Mezi představitele syntetických polymerních bloků nebo polymerů patří polyfosfazeny, polyvinylalkoholy, polyamidy, polyesteramidy, polyaminokyseliny, syntetické polyaminokyseliny, polyanhydridy, polykarbonáty, polyakryláty,Representatives of synthetic polymer blocks or polymers include polyphosphazenes, polyvinyl alcohols, polyamides, polyesteramides, polyamino acids, synthetic polyamino acids, polyanhydrides, polycarbonates, polyacrylates,
polyalkyleny, polyakrylamidy, polyalkylenglykoly, polyalkylenoxidy, polyalkylentereftaláty, polyorthoestery, polyvinylethery, polyvinylestery, polyvinylhalogenidy, polyvinylpyrrolidon, polyestery, polylaktidy, polyglykolidy, polysiloxany, polyurethany a jejich kopolymery. Mezi příklady vhodných polyakrylátů patří polymethymetakrylát, polyethylmetakrylát, polybutylmetakrylát, polyisobutylmetakrylát, polyhexylmetakrylát, polyisodecylmetakrylát, polylaurylmetakrylát, polyfenylmetakrylát, polymethylakrylát, polyisopropylakrylát, polyisobutylakrylát a polyoktadecylakrylát.polyalkylenes, polyacrylamides, polyalkylene glycols, polyalkylene oxides, polyalkylene terephthalates, polyorthoesters, polyvinyl ethers, polyvinyl esters, polyvinyl halides, polyvinyl pyrrolidone, polyesters, polylactides, polyglycolides, polysiloxanes, polyurethanes and copolymers thereof. Examples of suitable polyacrylates include polymethyl methacrylate, polyethyl methacrylate, polybutyl methacrylate, polyisobutyl methacrylate, polyhexyl methacrylate, polyisodecyl methacrylate, polylauryl methacrylate, polyphenyl methacrylate, polymethyl acrylate, polyisopropyl acrylate, polyisobutyl acrylate and polyoctadecyl acrylate.
Mezi synteticky modifikované přírodní polymery patří deriváty celulózy jako jsou aikylcelulosy, hydroxyalkylcelulozy, ethery celulózy, estery celulózy, nitrocelulozy a chitosan. Příklady vhodných derivátů celulózy jsou methylceluloza, ethylceluloza, hydroxypropylceluloza, hydroxypropylmethylceluloza, hydroxybutylmethylceluloza, acetátceluloza, propionátceluloza, acetátbutyrátceluloza, acetátftalátceluloza, karboxymethylceluloza, triacetátceluloza a sodná sůl sulfátcelulozy. Tyto jsou zde společně nazývány „celulózy“.Synthetically modified natural polymers include cellulose derivatives such as alkyl celluloses, hydroxyalkyl celluloses, cellulose ethers, cellulose esters, nitrocelluloses and chitosan. Examples of suitable cellulose derivatives are methyl cellulose, ethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, hydroxypropyl methyl cellulose, hydroxybutyl methyl cellulose, cellulose acetate, cellulose propionate, cellulose acetate butyrate, cellulose acetate phthalate, carboxymethyl cellulose, cellulose triacetate and sodium sulfate cellulose. These are collectively referred to herein as "celluloses".
Mezi představitele segmentů syntetických degradovatelných polymerů patří polyhydroxykyseliny jako jsou polylaktidy, polyglykolidy a jejich kopolymery; polyethylentereftalát; polyanhydridy; kyselina polyhydroxymáselná; kyselina polyhydroxyvalerová; kopolymer polylaktidu a poly-s-kaprolaktonu; kopolymer polyglykolidu a poly-c-kaprolaktonu; polykarbonáty, polypseudoaminokyseliny; polyaminokyseliny, polyhydroxyalkanoáty, polyanhydridy, polyorthoestery; a jejich směsi a kopolymery. Polymery obsahující labilní vazby jako jsou polyanhydridy a polyestery jsou pro jejich hydrolytickou reaktivitu dobře známé. Rychlost jejich hydrolytické degradace lze změnit jednoduchou změnou na kostře polymeru a strukturní sekvencí.Representatives of the synthetic degradable polymer segments include polyhydroxy acids such as polylactides, polyglycolides and their copolymers; polyethylene terephthalate; polyanhydrides; polyhydroxybutyric acid; polyhydroxyvaleric acid; polylactide-poly-s-caprolactone copolymer; polyglycolide-poly-c-caprolactone copolymer; polycarbonates, polypseudoamino acids; polyamino acids, polyhydroxyalkanoates, polyanhydrides, polyorthoesters; and mixtures and copolymers thereof. Polymers containing labile bonds such as polyanhydrides and polyesters are well known for their hydrolytic reactivity. The rate of their hydrolytic degradation can be altered by simple changes in the polymer backbone and structural sequence.
Mezi příklady biologicky nedegradovatelných syntetických polymerních segmentů patří ethylenvinylacetát, kyselina polymetakrylová, polyamidy, polyethylen, polypropylen, polystyren, polyvinylchlorid, polyvinylfenol a jejich kopolymery a směsi.Examples of non-biodegradable synthetic polymer segments include ethylene vinyl acetate, polymethacrylic acid, polyamides, polyethylene, polypropylene, polystyrene, polyvinyl chloride, polyvinylphenol, and copolymers and blends thereof.
Polymery lze získat z obchodních zdrojů jako je Sigma Chemical Co., St. Louis,Polymers can be obtained from commercial sources such as Sigma Chemical Co., St. Louis,
MO; Polysciences, Warrenton, PA; Aldrich Chemical Co., Milwaukee, WI; Fluka, • ·MO; Polysciences, Warrenton, PA; Aldrich Chemical Co., Milwaukee, WI; Fluke, • ·
- 13 Ronkonkoma, NY; a BioRad, Richmond, CA. Alternativně mohou být polymery syntetizovány z monomerů získaných z obchodních zdrojů za využití standardních technologií.- 13 Ronkonkoma, NY; and BioRad, Richmond, CA. Alternatively, polymers can be synthesized from monomers obtained from commercial sources using standard techniques.
HydrogelyHydrogels
Hydrogely lze vytvářet z polyethylenglykolů, polyethylenoxidu, polyvinylalkoholu, polyvinylpyrrolidonu, polyakrylátů, polyethylentereftalátu, polyvinylacetátu a jejich kopolymerů a směsí. Mnoho polymerních bloků, například kyselina akrylová, jsou elastomery pouze tehdy, pokud je polymer hydratovaný a vytvoří se hydrogely. Jiné polymerní bloky, například kyselina metakrylové jsou krystalické a schopné tání, i když polymery nejsou hydratovány. V závislosti na aplikaci a podmínkách používání lze použít jakýkoliv typ polymerního bloku.Hydrogels can be formed from polyethylene glycols, polyethylene oxide, polyvinyl alcohol, polyvinyl pyrrolidone, polyacrylates, polyethylene terephthalate, polyvinyl acetate, and copolymers and mixtures thereof. Many polymer blocks, such as acrylic acid, are elastomers only when the polymer is hydrated and hydrogels are formed. Other polymer blocks, such as methacrylic acid, are crystalline and meltable even when the polymers are not hydrated. Depending on the application and conditions of use, any type of polymer block can be used.
Tvarová paměť se například pozoruje u kopolymerů kyseliny akrylové pouze v hydrogelovém stavu, protože jednotky kyseliny akrylové jsou hlavně hydratovány a chovají se jako přizpůsobivý elastomer s velmi nízkou teplotou skelného přechodu. Suché polymery nejsou polymery s tvarovou pamětí. Pokud jsou jednotky kyseliny akrylové suché, chovají se jako tvrdý plast i nad teplotou skelného přechodu a nevykazují při zahřívání žádnou náhlou změnu mechanických vlastností.For example, shape memory is observed in acrylic acid copolymers only in the hydrogel state, because the acrylic acid units are mainly hydrated and behave as a compliant elastomer with a very low glass transition temperature. Dry polymers are not shape memory polymers. When the acrylic acid units are dry, they behave as a hard plastic even above the glass transition temperature and do not show any sudden change in mechanical properties upon heating.
Naproti tomu kopolymery obsahující polymerní bloky methylmetakrylátu jako přizpůsobivé segmenty, vykazují vlastnosti tvarové paměti i když jsou suché.In contrast, copolymers containing methyl methacrylate polymer blocks as conformable segments exhibit shape memory properties even when dry.
Jisté polymery, například blokové kopolymery polyethylenoxidu a polypropylenoxidu (PLURONICS™, BASF) jsou rozpustné ve vodě při teplotách nižších než je tělesná teplota a stávají se hydrogely při teplotách vyšších než je tělesná teplota. Vložením těchto polymerů jako bloků do polymerů s tvarovou pamětí se vytvářejí polymery s tvarovou pamětí se schopností reagovat na změny teploty zcela opačně než je tomu u polymerů s běžnou tvarovou pamětí. Tyto materiály obnovují svůj tvar při ochlazení pod jejich teplotu pro obnovení tvaru namísto toho, aby se zahřívaly nad jejich teplotu pro obnovení tvaru. Tento efekt se nazývá inverzní účinek tepelný tvarové paměti. Směsi polymerů s tvarovou pamětí včetně těchto polymerových bloků jsou vhodné pro různé biomedicinální • ·Certain polymers, such as block copolymers of polyethylene oxide and polypropylene oxide (PLURONICS™, BASF), are water-soluble at temperatures below body temperature and become hydrogels at temperatures above body temperature. By incorporating these polymers as blocks into shape memory polymers, shape memory polymers are created with a temperature response that is completely opposite to that of conventional shape memory polymers. These materials recover their shape when cooled below their shape recovery temperature instead of being heated above their shape recovery temperature. This effect is called the inverse thermal shape memory effect. Shape memory polymer blends including these polymer blocks are suitable for a variety of biomedical applications.
- 14 aplikace, kde může být polymer vložen jako kapalina a k obnově zamýšleného tvaru in šitu ochlazen. Inverzní tepelný účinek tvarové paměti lze získat umístěním dvou různých bloků mísitelných při teplotách nižších než Tmisc, ale nemísitelných při vyšších teplotách do polymeru. Oddělení fází při vyšších teplotách stabilizuje dočasný tvar.- 14 applications where the polymer can be inserted as a liquid and cooled in situ to recover the intended shape. The inverse thermal shape memory effect can be obtained by placing two different blocks miscible at temperatures below T misc but immiscible at higher temperatures into the polymer. Phase separation at higher temperatures stabilizes the temporary shape.
Vodivými polymery jsou různé polymery jako jsou polyacetyleny a polypyrroly. Těmto materiálům se dává zvláště přednost při využívání tam, kde je důležitá elektrická vodivost. Mezi příklady využití patří tkáňové inženýrství a jakékoliv biomedicínské aplikace, kde se podporuje růst buněk. Tyto materiály mohou najít zvláště uplatnění v oblasti počítačů, protože jsou schopné lépe absorbovat teplo bez zvýšení teploty než SMA. Polymery s vodivostní tvarovou pamětí jsou užitečné v oblasti tkáňového inženýrství k podporování růstu tkáně, například nervové tkáně.Conductive polymers include various polymers such as polyacetylenes and polypyrroles. These materials are particularly preferred for applications where electrical conductivity is important. Examples of applications include tissue engineering and any biomedical application where cell growth is supported. These materials may find particular application in the computer field, as they are better able to absorb heat without increasing temperature than SMA. Conductive shape memory polymers are useful in the field of tissue engineering to support tissue growth, such as neural tissue.
II. Spojování polymerních segmentůII. Joining of polymer segments
Výhodné jsou směsi polymerů s tvarovou pamětí u nichž je možné vytvořit více než jednu tvarovou paměť. Součástí směsi může být například stabilní segment a alespoň dva přizpůsobivé segmenty, u nichž Ttrans stabilního segmentu je mezi 30 a 270 °C a je alespoň o 10 °C, ale lépe o 20 °C vyšší než Ttrans jednoho z přizpůsobivých segmentů, a Ttrans každého následujícího přizpůsobivého segmentu je alespoň o 10 °C, lépe o 20 °C nižší než Ttrans předcházejícího přizpůsobivého segmentu.Blends of shape memory polymers are preferred in which more than one shape memory can be formed. The blend may include, for example, a stable segment and at least two conformable segments, wherein the Ttrans of the stable segment is between 30 and 270°C and is at least 10°C, but preferably 20°C higher than the Ttrans of one of the conformable segments, and the Ttrans of each subsequent conformable segment is at least 10°C, preferably 20°C lower than the Ttrans of the preceding conformable segment.
Jeden nebo více segmentů může být volitelně biologicky degradovatelný nebo navázán na jiný segment přes biologicky degradovatelnou vazbu jako je esterová, amidová, anhydridová, karbonátová nebo orthoesterová vazba.One or more segments may optionally be biodegradable or linked to another segment via a biodegradable linkage such as an ester, amide, anhydride, carbonate or orthoester linkage.
Účinek tvarové paměti je založen na morfologii polymeru. Co se týká termoplastických elastomerů, je původní tvar předmětu zafixován fyzikálním zesítěním působeným stabilním segmentem. Co se týká polymerů termosetů, jsou přizpůsobivé segmenty kovalentně zesíťovány namísto toho, aby měly stabilní segmenty. Původní tvar je dán procesem zesítění.The shape memory effect is based on the morphology of the polymer. In the case of thermoplastic elastomers, the original shape of the object is fixed by physical crosslinking caused by the stable segment. In the case of thermoset polymers, the flexible segments are covalently crosslinked instead of having stable segments. The original shape is given by the crosslinking process.
Oproti předchozímu způsobu u segmentovaných polyurethanových SMP nemusí • ·Compared to the previous method, segmented polyurethane SMPs do not have to • ·
- 15 být směsi segmentů zde popsané lineární. Segmenty mohou být částečně naroubovány nebo připojeny na dendremerické postranní skupiny.- 15 the mixtures of segments described herein may be linear. The segments may be partially grafted or attached to dendrimeric side groups.
Termoplastové a termosetové polymeryThermoplastic and thermosetting polymers
Polymery mohou být ve formě dvoj blokových, trojblokových, čtyřblokových nebo víceblokových kopolymerů, rozvětvených nebo roubovaných polymerů, termoplastových elastomerů obsahujících dendritické struktury a jejich směsi. Obrázek 3 znázorňuje některé kombinace vhodných skupin termoplastických materiálů vytvářejících stabilní a přizpůsobivé segmenty. Termoplastové polymery s tvarovou pamětí mohou být také směsí jednoho nebo více homo nebo kopolymerů s jedním nebo více dvojblokovými, trojblokovými, čtyřblokovými nebo víceblokovými kopolymery, rozvětvenými nebo roubovanými polymery. Tyto typy polymerů jsou odborníkům dobře známy.The polymers may be in the form of diblock, triblock, tetrablock or multiblock copolymers, branched or grafted polymers, thermoplastic elastomers containing dendritic structures and mixtures thereof. Figure 3 illustrates some combinations of suitable groups of thermoplastic materials forming stable and conformable segments. Thermoplastic shape memory polymers may also be a blend of one or more homo- or copolymers with one or more diblock, triblock, tetrablock or multiblock copolymers, branched or grafted polymers. These types of polymers are well known to those skilled in the art.
Polymery mohou být i termosetovými polymery. Existují čtyři různé typy termosetových polymerů majících schopnost tvarové paměti. Mezi ně patří polymery s polymerními mřížkami, semiinterpenetrovanými mřížkami, interpenetrovanými mřížkami a směsným způsobem interpenetrovanými mřížkami.The polymers can also be thermosetting polymers. There are four different types of thermosetting polymers with shape memory properties. These include polymers with polymer networks, semi-interpenetrated networks, interpenetrated networks, and mixed interpenetrated networks.
i. Polymerové mřížkyi. Polymer grids
Polymerní mřížka se připraví kovalentním zesítěním makromonomerů, tj. polymerů obsahujících polymerizovatelné koncové skupiny jako jsou dvojné vazby uhlíku s uhlíkem. Polymerační proces lze indukovat iniciátory citlivými na světlo nebo teplo, nebo ozařováním ultrafialovým světlem („UV záření“) bez iniciátoru. Mřížky polymerů s tvarovou pamětí se připravují zesítěním jednoho nebo více přizpůsobivých segmentů odpovídajícíh jednomu nebo více tepelným přechodům. Pro případ biomedicíských aplikací se zesítění provádí za použití podnětu způsobujícího zesítění působením záření a nevyžaduje žádný chemický iniciátor. Látka způsobující zesítění působením záření výhodně eliminuje nutnost přítomnosti molekul iniciátoru, který může být toxický. Obrázek 4 je diagramem reakční posloupnosti při syntéze látky způsobující zesítění působením záření, které se dává přednost, s celkovým výtěžkem okolo 65 %.The polymer network is prepared by covalent crosslinking of macromonomers, i.e. polymers containing polymerizable end groups such as carbon-carbon double bonds. The polymerization process can be induced by light- or heat-sensitive initiators, or by irradiation with ultraviolet light (“UV”) without an initiator. Shape memory polymer networks are prepared by crosslinking one or more conformable segments corresponding to one or more thermal transitions. For biomedical applications, crosslinking is performed using a radiation crosslinking stimulus and does not require any chemical initiator. The radiation crosslinking agent advantageously eliminates the need for initiator molecules, which can be toxic. Figure 4 is a diagram of the reaction sequence for the synthesis of a preferred radiation crosslinking agent, with an overall yield of about 65%.
- 16 ii. Interpenetrované mřížky- 16 ii. Interpenetrated grids
Interpenetrované mřížky („IPN“) jsou definovány jako mřížky, ve kterých jsou dvě složky zesítěný, avšak nikoliv navzájem. Původní tvar je určen mřížkou s nejvyšší hustotou zesítění a nejvyšší mechanickou pevností. Materiál má alespoň dvě Ttrans odpovídající různým přizpůsobivým segmentům obou mřížek.Interpenetrated lattices ("IPN") are defined as lattices in which two components are crosslinked, but not to each other. The original shape is determined by the lattice with the highest crosslink density and the highest mechanical strength. The material has at least two T tran s corresponding to different adaptive segments of the two lattices.
iii. Směsné interpenetrované mřížkyiii. Mixed interpenetrated grids
Směsná IPN má alespoň jednu mřížku s fyzikálně zesíťovaným polymerem (termoplastový polymer) a alespoň jednu mřížku s kovalentně zesíťovaným polymerem (termosetový polymer), které nelze žádnou fyzikální cestou oddělit. Původní tvar je dán kovalentně zesítěnou mřížkou. Dočasný tvar odpovídá Ttrans přizpůsobivých segmentů a Ttrans stabilního segmentu složky termoplastového elastomeru.The IPN blend has at least one physically crosslinked polymer lattice (thermoplastic polymer) and at least one covalently crosslinked polymer lattice (thermosetting polymer) that cannot be separated by any physical means. The initial shape is given by the covalently crosslinked lattice. The temporary shape corresponds to the Tt ran s of the compliant segments and the T tra ns of the stable segment of the thermoplastic elastomer component.
Interpenetrované mřížka se nejlépe připravuje polymeraci reaktivního makromonomeru v přítomnosti termoplastového polymeru, například fotopolymerací dvojných vazeb uhlíku s uhlíkem. Při tomto řešení je hmotnostní poměr polymeru termosetu ku polymeru termoplastu přednostně mezi 5 : 95 a 95 : 5, lépe mezi 20 : 80 a 80 : 20.The interpenetrated network is preferably prepared by polymerization of a reactive macromonomer in the presence of a thermoplastic polymer, for example by photopolymerization of carbon-carbon double bonds. In this embodiment, the weight ratio of thermoset polymer to thermoplastic polymer is preferably between 5:95 and 95:5, more preferably between 20:80 and 80:20.
iv. Semiinterpenetrované mřížkyiv. Semi-interpenetrated lattices
Semiinterpenetrované mřížky („semi-IPN“) jsou definovány jako dvě nezávislé složky, kde jednou složkou je zesítěný polymer (mřížka polymeru) a další složkou je nezesítěný polymer (homopolymer nebo kopolymer), kde složky nelze oddělit fyzikálními způsoby. Semi-IPN má alespoň jeden teplotní přechod odpovídající přizpůsobivému segmentu(ům) a homo- nebo kopolymerním složkám. Zesítěný polymer má přednostně mezi přibližně 10 a 90 % hmotnosti složky se semiinterpenetrovanou mřížkou.Semi-interpenetrated networks ("semi-IPNs") are defined as two independent components, where one component is a crosslinked polymer (polymer network) and the other component is an uncrosslinked polymer (homopolymer or copolymer), where the components cannot be separated by physical means. A semi-IPN has at least one thermal transition corresponding to the compliant segment(s) and the homo- or copolymer components. The crosslinked polymer preferably has between about 10 and 90% by weight of the component with the semi-interpenetrated network.
v. Polymerní směsiv. Polymer blends
Polymery s tvarovou pamětí mohou existovat jako fyzikální směsi termoplastových polymerů. V jednom případě může být směs polymeru s tvarovou pamětí připravována interakcí nebo míšením dvou termoplastových polymerů. Polymery • · · · • ·· • ·Shape memory polymers can exist as physical mixtures of thermoplastic polymers. In one case, a shape memory polymer mixture can be prepared by the interaction or mixing of two thermoplastic polymers. Polymers • · · · • ·· • ·
- 17 mohou být semikrystalickými homopolymery, semikrystalickými kopolymery, termoplastickými elastomery s lineárními řetězci, termoplastickými elastomery s postranními řetězci nebo jakýmkoliv druhem dendritických strukturních prvků, a rozvětvených kopolymerů a tyto mohou být navzájem míšeny v jakékoliv kombinaci.- 17 may be semi-crystalline homopolymers, semi-crystalline copolymers, thermoplastic elastomers with linear chains, thermoplastic elastomers with side chains or any kind of dendritic structural elements, and branched copolymers, and these may be blended with each other in any combination.
Víceblokové kopolymery se stabilním segmentem s relativně vysokou Ttrans a přizpůsobivým segmentem s relativně nízkým Ttrans mohou být například míchány nebo míšeny s druhým víceblokovým kopolymerem se stabilním segmentem o relativně nízké T^ans a stejným přizpůsobivým segmentem jako u prvního víceblokového kopolymeru. Přizpůsobivé segmenty v obou víceblokových kopolymerech jsou identické, takže pokud se přizpůsobivé segmenty roztaví, jsou polymery navzájem mísitelné. Ve výsledné směsi jsou tři přechodové teploty jedna v prvním stabilním segmentu, další v druhém ve stabilním segmentu a další v přizpůsobivém segmentu. Také tyto materiály si mohou pamatovat dva různé tvary. Mechanické vlastnosti těchto polymerů mohou být nastaveny měněním hmotnostního poměru dvou polymerů.For example, multiblock copolymers with a stable segment with a relatively high Ttrans and a compliant segment with a relatively low Ttrans can be blended or mixed with a second multiblock copolymer with a stable segment with a relatively low T^ans and the same compliant segment as the first multiblock copolymer. The compliant segments in both multiblock copolymers are identical, so that when the compliant segments melt, the polymers are miscible with each other. In the resulting blend, there are three transition temperatures, one in the first stable segment, another in the second stable segment, and another in the compliant segment. These materials can also remember two different shapes. The mechanical properties of these polymers can be tuned by varying the weight ratio of the two polymers.
Lze připravovat i další typy směsí alespoň dvou víceblokových kopolymerů, ve kterých je alespoň jeden ze segmentů mísitelný s alespoň jedním ze segmentů jiných víceblokových kopolymerů. Pokud jsou dva různé segmenty mísitelné a společně vybudují doménu, pak tepelný přechod této domény závisí na hmotnostním obsahu těchto dvou segmentů. Maximální počet paměťových tvarů vychází z počtu tepelných přechodů směsi.Other types of blends of at least two multiblock copolymers can be prepared, in which at least one of the segments is miscible with at least one of the segments of other multiblock copolymers. If two different segments are miscible and together build a domain, then the thermal transition of this domain depends on the mass content of these two segments. The maximum number of memory shapes is based on the number of thermal transitions of the blend.
Směsi s tvarovou pamětí mohou mít lepší schopnost tvarové paměti než samotná složka směsi. Směsi s tvarovou pamětí se skládají z alespoň jednoho víceblokového kopolymeru a alespoň jednoho homo- nebo kopolymeru. Dvou- třínebo čtyřblokové kopolymery mohou být vhodnými náhradami za víceblokové kopolymery.Shape memory blends may have better shape memory capability than the blend component alone. Shape memory blends consist of at least one multiblock copolymer and at least one homo- or copolymer. Di-, tri- or tetrablock copolymers may be suitable substitutes for multiblock copolymers.
Směsi s tvarovou pamětí jsou velmi vhodné pro průmyslové aplikace, jelikož lze získat široký obor mechanických, tepelných a tvarově paměťových schopností pouze ze dvou nebo tří základních polymerů jejich smísením v různých hmotnostních poměrech. Dvojčitý šroubový extruder je příkladem standardního postupu, který lze použít pro míchání složek a postup míšení.Shape memory blends are very suitable for industrial applications as a wide range of mechanical, thermal and shape memory properties can be obtained from just two or three basic polymers by blending them in different weight ratios. A twin screw extruder is an example of a standard process that can be used for the mixing of the ingredients and the blending process.
• ·• ·
- 18 Polymery s funkčními skupinami, které odpovídají na jiné než teplotní podněty- 18 Polymers with functional groups that respond to stimuli other than temperature
Při řešení, jemuž se dává přednost obsahuje směs polymerů s tvarovou pamětí alespoň jeden stabilní segment a alespoň jeden přizpůsobivý segment, nebo více přizpůsobivých segmentů, které jsou kovalentně zesítěny, a kde alespoň dva ze segmentů jsou vázány přes funkční skupinu, která je odštěpitelná působením světla, změnou iontové koncentrace, změnou pH, elektrickým polem, magnetickým polem a/nebo ultrazvukem. Vedle změny tvaru jako odezvy na změny teploty může směs měnit svůj tvar i jako odezvu na působení světla, změnu koncentrace iontů, změnu pH, elektrického pole, magnetického pole a/nebo ultrazvuku. Dočasný tvar těchto polymerů je zafixován kovalentním zesítěním.In a preferred embodiment, the shape memory polymer blend comprises at least one stable segment and at least one flexible segment, or more flexible segments, which are covalently crosslinked, and wherein at least two of the segments are bonded via a functional group that is cleavable by light, ion concentration, pH, electric field, magnetic field and/or ultrasound. In addition to changing shape in response to temperature changes, the blend can also change shape in response to light, ion concentration, pH, electric field, magnetic field and/or ultrasound. The temporary shape of these polymers is fixed by covalent crosslinking.
i. Fotochemické podnětyi. Photochemical stimuli
Ke vzájemné vazbě přizpůsobivých segmentů a udržení polymeru v dočasném tvaru lze použít fotoreverzibilní reakce. Původní tvar materiálu je daný stabilním segmentem. Fotochemickým odštěpením těchto vazeb se materiál vrátí do svého původního tvaru. Jelikož jsou tyto reakce fotoreverzibilní, mohou se vazby vytvářet a rozkládat cykly. Pokaždé, kdy jsou vazby roztrženy, musejí být vždy opět vytvořeny, aby vznikl paměťový tvar. Příklady takových funkčních skupin schopných projít fotoreverzibilními reakcemi jsou deriváty kyseliny skořicové a kyseliny skořicoamylidenové (cinnamylidene). Vazba a štěpení mohou být indukovány různými vlnovými délkami UV záření. Odštěpení může navíc nastat tepelným působením.Photoreversible reactions can be used to bond the conformable segments together and hold the polymer in a temporary shape. The original shape of the material is given by the stable segment. By photochemically cleaving these bonds, the material returns to its original shape. Since these reactions are photoreversible, bonds can be formed and broken in cycles. Each time the bonds are broken, they must be re-formed to create a memory shape. Examples of such functional groups capable of undergoing photoreversible reactions are derivatives of cinnamic acid and cinnamylidene acid. Bonding and cleavage can be induced by different wavelengths of UV radiation. Cleavage can also occur by thermal treatment.
Pro jiné řešení mohou polymery obsahovat postranní řetězce s chromofory jako jsou azoskupiny, které absorbují světlo. Chromofory lze také zabudovat do hlavního řetězce. Stabilní a/nebo přizpůsobivé segmenty mohou také obsahovat dvojné vazby, které se při absorbci světla isomery chromoforů posunují z cis do trans polohy. Světlo lze též používat k isomeraci segmentů, což dramaticky ovlivní Ttrans segmentu. Původní tvar takových polymerů je určen stabilním segmentem. Potom se mohou polymery deformovat do přechodného tvaru. Přechodný tvar seFor another solution, polymers can contain side chains with chromophores such as azo groups that absorb light. Chromophores can also be incorporated into the main chain. Stable and/or flexible segments can also contain double bonds that shift from the cis to the trans position when the chromophore isomers absorb light. Light can also be used to isomerize the segments, which dramatically affects the Ttrans of the segment. The initial shape of such polymers is determined by the stable segment. The polymers can then deform into an intermediate shape. The intermediate shape is
- 19 zafixuje působením světla na polymer, čímž se způsobí fotoisomerace. Při tomto způsobu je polymeru bráněno v návratu do původního tvaru, protože se zvýšila teplota tepelného přechodu. Tímto způsobem lze také přivodit přechod z jedné pevné fáze do druhé.- 19 is fixed by the action of light on the polymer, causing photoisomerization. In this process, the polymer is prevented from returning to its original shape because the thermal transition temperature has been increased. In this way, a transition from one solid phase to another can also be induced.
ii. Změny iontové síly a/nebo pHii. Changes in ionic strength and/or pH
Jsou známy různé funkční skupiny síťující v přítomnosti jistých iontů nebo jako odezva na změnu pH. Je například známo, že vápenaté ionty síťují aminové a alkoholové skupiny, tj. aminové skupiny na alginátu mohou být zesíťovány vápenatými ionty. Také karboxylátové a aminové skupiny se nabíjejí při určitých hodnotách pH. Pokud jsou tyto skupiny nabité, mohou se síťovat s ionty opačného náboje. Přítomnost skupin reagujících na změny koncentrace určitých druhů iontů a/nebo změny pH, vyústí to u stabilních nebo přizpůsobivých segmentů v reverzibilní zesítění mezi těmito segmenty. Při zesítění segmentů se tvar předmětu může zafixovat. Po deformaci tvaru může změna iontové koncentrace nebo pH vyústit v odštěpení iontových interakcí, které vytvořily zesítění mezi segmenty a tudíž uvolnit řetězec vzniklý deformací a tím vrátit předmět do jeho původního tvaru. Jelikož se iontové vazby tímto postupem tvoří a štěpí, může k tomu dojít pouze jednou. Přesto se mohou vazby změnou koncentrace iontů nebo změnou pH vytvořit znovu, takže je možno proces opakovat podle přání.Various functional groups are known to crosslink in the presence of certain ions or in response to a change in pH. For example, calcium ions are known to crosslink amine and alcohol groups, i.e. the amine groups on alginate can be crosslinked by calcium ions. Carboxylate and amine groups are also charged at certain pH values. If these groups are charged, they can crosslink with ions of opposite charge. The presence of groups that respond to changes in the concentration of certain types of ions and/or changes in pH will result in reversible crosslinking between these segments in stable or adaptable segments. When segments are crosslinked, the shape of the object can be fixed. After deformation of the shape, a change in ionic concentration or pH can result in the cleavage of the ionic interactions that formed the crosslink between the segments and therefore release the chain formed by the deformation and thereby return the object to its original shape. Since ionic bonds are formed and broken in this process, this can only happen once. However, the bonds can be re-formed by changing the ion concentration or pH, so the process can be repeated as desired.
iii. Elektrické a magnetické poleiii. Electric and magnetic fields
Různé zbytky jako jsou chromofory s velkým počtem delokalizovaných elektronů zvyšují po vložení elektrických nebo magnetických polí teplotu jako důsledek zvýšeného toku elektronů způsobeného tímto polem. Po zvýšení teploty těchto materiálů může dojít k tvarové paměti způsobené teplem stejným způsobem jako tehdy, pokud by byl materiál zahříván přímo. Takovéto směsi jsou zvláště vhodné pro biomedicínské aplikace, kde by přímé použití tepla na implantovaný materiál mohlo způsobit potíže, avšak vložené magnetické nebo elektrické pole má pouze účinek na ty molekuly, které obsahují chromofor a neohřívá se okolní tkáň.Various moieties such as chromophores with a large number of delocalized electrons increase in temperature upon application of electric or magnetic fields as a result of the increased electron flow caused by the field. Upon increasing the temperature of these materials, heat-induced shape memory can occur in the same way as if the material were heated directly. Such mixtures are particularly suitable for biomedical applications where direct application of heat to the implanted material could cause problems, but the applied magnetic or electric field only has an effect on those molecules that contain the chromophore and does not heat the surrounding tissue.
• * • ·• * • ·
- 20 iV. Ultrazvuk- 20 iV. Ultrasound
Různé materiály obsahují reaktivní skupiny fragmentující jako odezva na působení ultrazvuku. Příklady takových skupin jsou takové skupiny, které vytvářejí stabilní radikály jako jsou nitroso a trifenylmethanová skupina. Tvar předmětu se nechá zafixovat při vytváření vazeb mezi dvěma nebo více přizpůsobivými segmenty, například použitím tepla nebo světla. Po deformaci tvaru může působení ultrazvuku rozrušit vazby mezi přizpůsobivými segmenty a uvolnit řetězec způsobující deformaci. Předmět se potom vrátí do svého původního tvaru. Jelikož se při tomto procesu vytvářejí a odbourávají kovalentní vazby, může proběhnout jenjednou.Various materials contain reactive groups that fragment in response to ultrasound. Examples of such groups are those that form stable radicals such as nitroso and triphenylmethane groups. The shape of the object is fixed by forming bonds between two or more conformable segments, for example by using heat or light. After the shape is deformed, ultrasound can break the bonds between the conformable segments and release the chain causing the deformation. The object then returns to its original shape. Since covalent bonds are formed and broken during this process, it can only occur once.
III. Způsoby výroby polymerůIII. Polymer production methods
Polymery používané k vytváření segmentů v SMP popsané výše jsou jak komerčně dostupné, tak mohou být syntetizovány rutinními chemickými postupy. Odborníci mohou polymery snadno připravit za použití známých chemických postupů.The polymers used to form the segments in the SMPs described above are both commercially available and can be synthesized by routine chemical procedures. Those skilled in the art can readily prepare the polymers using known chemical procedures.
IV. Způsoby tvarování směsí polymerůIV. Methods of shaping polymer blends
Směsi lze formovat do prvního tvaru za příslušných podmínek, například při teplotě nad Ttrans stabilních segmentů a nechat je ochladit pod Ttrans přizpůsobivého(ých) segmentu(ů). Standardními technologiemi jsou extruze a vstřikovací lití. Předmět může být volitelně přeformován do druhého tvaru. Použitím tepla nebo dalšího souboru podmínek se předmět vrátí do původního tvaru.The mixtures can be formed into a first shape under appropriate conditions, for example at a temperature above the Ttrans of the stable segments and allowed to cool below the Ttrans of the compliant segment(s). Standard technologies are extrusion and injection molding. The article can optionally be reshaped into a second shape. By applying heat or another set of conditions, the article returns to its original shape.
Termosetové polymery mohou být připraveny extruzí předpolymerovaného materiálu (makromonomerů) a původní tvar zafixován při teplotě nad Ttrans termosetového polymeru, například ozářením reaktivních skupin na monomeru. Přechodný tvar se zafixuje ochlazením materiálu pod Ttrans po deformaci materiálu.Thermosetting polymers can be prepared by extrusion of prepolymerized material (macromonomers) and the initial shape fixed at a temperature above the T tra ns of the thermosetting polymer, for example by irradiation of reactive groups on the monomer. The transitional shape is fixed by cooling the material below T tra ns after deformation of the material.
Zesíťování může být také provedeno v roztoku makromonomerů. Rozpouštědlo seCrosslinking can also be carried out in a solution of macromonomers. The solvent is
- 21 z vytvořeného gelu následným krokem odstraní.- 21 of the formed gel is removed in a subsequent step.
Takové směsi vytvořené z termoplastických polymerů mohou být nadouvány, extrudovány na tabule nebo tvarovány vstřikovacím litím, například k vytváření vláken. Směsi mohou být také tvarovány jinými způsoby odborníkům v obrábění pevných předmětů známými, například laserovým obráběním, mikroobráběním, použitím horkého drátu a postupy CAD/CAM (počítačem prováděné konstruování/počítačem řízená výroba). Při tvarování termosetových polymerů se dává přednost těmto postupům.Such blends formed from thermoplastic polymers can be blown, extruded into sheets, or injection molded, for example to form fibers. The blends can also be molded by other methods known to those skilled in the art of solid-state machining, such as laser machining, micromachining, hot wire machining, and CAD/CAM (computer-aided design/computer-aided manufacturing) processes. These processes are preferred for molding thermosetting polymers.
1. Přechody mezi tvary1. Transitions between shapes
U některých aplikací je výhodné postupovat po malých krocích od dočasného tvaru k jinému dočasnému tvaru nebo původnímu tvaru. Za řízení obsluhou je možno mezi tvary podle potřeby postupovat zpět i vpřed.In some applications, it is advantageous to proceed in small steps from a temporary shape to another temporary shape or to the original shape. Under operator control, it is possible to proceed backward and forward between shapes as needed.
A. Široké tepelné přechodyA. Wide thermal transitions
Obvykle je Ttrans tvarové paměti ostrá, takže se polymer navrátí do svého původního tvaru jednoduše zahřátím materiálu pouze o několik stupňů Celsia. Jindy však mají polymery s tvarovou pamětí široký teplotní přechod, takže se původní tvar plně vrátí pouze pokud se polymer zahřeje výše než je horní hranice tepelného přechodu. Částečný návrat nastane při zahřátí na teplotu mezi dolní a horní hranicí tepelného přechodu. V tomto případě je startérem teplota a účinek je nutně nezávislý na časovém intervalu působení tepla.Typically, the Tt of a shape memory polymer is sharp, so that the polymer returns to its original shape simply by heating the material by only a few degrees Celsius. Other times, however, shape memory polymers have a broad thermal transition, so that the original shape is fully restored only when the polymer is heated above the upper limit of the thermal transition. Partial recovery occurs when heated to a temperature between the lower and upper limits of the thermal transition. In this case, the trigger is temperature, and the effect is necessarily independent of the time interval of heat application.
B. Postupný převod energieB. Gradual energy transfer
K navrácení paměťového tvaru je zapotřebí k převodu polymeru s tvarovou pamětí jistého množství energie. K dosažení tepelného ovlivnění tvarové paměti závisí množství energie nutné k úplné obnově paměťového tvaru na tepelné kapacitě materiálu. U velmi citlivých materiálů proto množství energie závisí na dávce ozáření. Při řešení kterému se dává přednost, má mít polymer pro ovlivnění tepelné tvarové paměti ostrý tepelný přechod a jeho spuštění se má zakládat na době působení teploty vyšší než Ttrans· Mezi další faktory ovlivňujícími přechod patří hmota nebo rozměry materiálu a teplota a součinitel přestupu tepla do média ···· • 4To restore the memory shape, a certain amount of energy is required to transfer the shape memory polymer. To achieve thermal shape memory, the amount of energy required to completely restore the memory shape depends on the heat capacity of the material. For very sensitive materials, the amount of energy therefore depends on the radiation dose. In the preferred solution, the polymer for thermal shape memory should have a sharp thermal transition and its initiation should be based on a time of exposure to a temperature higher than Tt ran s. Other factors affecting the transition include the mass or dimensions of the material and the temperature and heat transfer coefficient of the medium. ···· • 4
• · • ·• · • ·
- 22 nebo prostředí (a použitého k jeho ohřívání), které je ve styku s materiálem. Čím vyšší je například teplota prostředí, tím větší je rychlost, s jakou se obnoví paměťový tvar.- 22 or the environment (and used to heat it) that is in contact with the material. For example, the higher the temperature of the environment, the faster the shape memory is restored.
C. Selektivní přenos energie a alternativní mechanismyC. Selective energy transfer and alternative mechanisms
V případě klasického způsobu ovlivnění tepelné tvarové paměti musí být k obnovení původního tvaru zahříván celý polymer působením (a přenosem) tepelné energie z vnějšího zdroje. Při alternativním řešení se zahřívá polymer jiným energetickým zdrojem než je teplotní. Využitím této techniky je možné nejen zahřát celý předmět s tvarovou pamětí, ale i určité jeho části (jiný způsob spuštění a zdokonalení regulace k obnovení původního tvaru).In the case of the classical method of influencing thermal shape memory, the entire polymer must be heated to restore its original shape by the action (and transfer) of thermal energy from an external source. In an alternative solution, the polymer is heated by an energy source other than thermal. By using this technique, it is possible to heat not only the entire object with shape memory, but also certain parts of it (another way of starting and improving the control to restore the original shape).
i. Světelná energiei. Light energy
Polymery absorbují světlo různých vlnových délek v závislosti na své chemické struktuře. Polymery vykazují běžně silnou absorbci záření v infračervené (IR) a blízké infračervené (NIR) oblasti. Nejsilnější a nejvhodnější absorbční oblasti pro patřičnou aplikaci lze najít s využitím IR nebo NIR spektroskopie. Polymery s tvarovou pamětí mohou také vykazovat silnou absorbci v ultrafialové (UV) oblasti. Na polymery lze působit světlem majícím ve svém spektru alespoň jednu ze specifických frekvencí tak, aby absorbovaly světelnou energii a zahřály se. Absorbční charakteristiky polymerů s tvarovou pamětí lze modifikovat přidáváním chromoforů, což jsou fragmenty, funkční skupiny nebo molekuly vykazující silnou absorbci ve specifických oblastech UV/viditeiného/IR/NIR/mikrovlnného spektra. Chromofor může být kovalentně vázán na polymer, kombinován jako fyzikální směs s polymerem, nebo obojí.Polymers absorb light of different wavelengths depending on their chemical structure. Polymers commonly exhibit strong absorption in the infrared (IR) and near-infrared (NIR) regions. The strongest and most suitable absorption regions for a given application can be found using IR or NIR spectroscopy. Shape memory polymers may also exhibit strong absorption in the ultraviolet (UV) region. Polymers can be exposed to light having at least one specific frequency in their spectrum so that they absorb the light energy and heat up. The absorption characteristics of shape memory polymers can be modified by adding chromophores, which are fragments, functional groups, or molecules exhibiting strong absorption in specific regions of the UV/visible/IR/NIR/microwave spectrum. The chromophore may be covalently bound to the polymer, combined as a physical mixture with the polymer, or both.
U biomedicínských případů, kterým se dává přednost, se může používat neinvazivní regulace implantace SMC předmětů. Na implantovaný předmět se může například působit specifickým vnějším světelným zdrojem, který současně neohřívá tkáň, sérum nebo další části fyziologického prostředí obklopujícího SMP implantát. Takový světelný zdroj (např. žárovka) musí emitovat jednu nebo více frekvencí (např. blízkou infračervenou oblast, „NIR“), která není absorbována <*·>»·In preferred biomedical applications, non-invasive control of the implantation of SMC objects may be used. For example, the implanted object may be exposed to a specific external light source that does not simultaneously heat the tissue, serum, or other parts of the physiological environment surrounding the SMC implant. Such a light source (e.g., a light bulb) must emit one or more frequencies (e.g., near infrared, “NIR”) that are not absorbed <*·>»·
• · • · · • · · • · ♦ • · ·• · • · · • · · • · ♦ • · ·
- 23 fyziologickým prostředím, ale je absorbována materiálem s tvarovou pamětí. Použití světla NIR je v diagnostickém oboru známé.- 23 physiological environment, but is absorbed by the shape memory material. The use of NIR light is known in the diagnostic field.
Při alternativním řešení se k řízení frekvence světla působícího na SMP implantát používá interferenční techniky. Interference zajišťuje trojrozměrné (3D) nařízení na oblast, na kterou se má působit, protože specifická frekvence absorbovaná předmětem s tvarovou pamětí se vytvoří ve specifickém místě interferencí dvou nebo více svazků křížících se v tomto specifickém místě. Zdroje těchto svazků jsou vně těla a frekvence svazků se obecně modulují radiofrekvencí volenou tak, aby při interferenci vznikala požadovaná frekvence.In an alternative approach, interference techniques are used to control the frequency of the light incident on the SMP implant. Interference provides three-dimensional (3D) control over the area to be affected, as the specific frequency absorbed by the shape memory object is created at a specific location by the interference of two or more beams crossing at that specific location. The sources of these beams are external to the body and the frequencies of the beams are generally modulated by a radio frequency selected to produce the desired frequency upon interference.
ii. Ultrazvukii. Ultrasound
U alternativního řešení se do předmětu s tvarovou pamětí zabudují bublinky plynu nebo kapaliny obsahující bublinky, nejlépe fluorované uhlovodíky.In an alternative solution, bubbles of gas or a bubble-containing liquid, preferably fluorocarbons, are incorporated into the shape memory object.
Při využívání standardní ultrazvukové technologie se může ve směsi plyn/kapalina indukovat k ohřátí SMP kavitační účinek. Technologie řízené 3-D aplikace ultrazvuku je odborníkům v biomedicínské diagnostice známa.Using standard ultrasound technology, a cavitation effect can be induced in the gas/liquid mixture to heat the SMP. The technology of controlled 3-D ultrasound application is known to those skilled in biomedical diagnostics.
iii. Obecněiii. General
Také je možné převod energie ovlivnit na základě interakce polymeru s tvarovou pamětí s elektromagnetickými! poli. Použití magnetických polí k vybuzení ohřevu nebo lokalizovaných tepelných změn je dobře známo. U ještě dalšího řešení se vytváří přenos energie nezářivými účinky, jako je Foerster-Perrinův přenos energie.It is also possible to influence the energy transfer based on the interaction of the shape memory polymer with electromagnetic fields. The use of magnetic fields to induce heating or localized thermal changes is well known. In yet another approach, the energy transfer is generated by non-radiative effects, such as Foerster-Perrin energy transfer.
2. „Two-way ovlivnění tvarové paměti2. "Two-way influence on shape memory"
Předměty z polymerů s tvarovou pamětí lze připravit tak, aby měly dva původní (trvalé) tvary, tj. dvoucestné ovlivnění tvarové paměti. Tyto systémy vždy sestávají alespoň ze dvou složek. Složky se kombinují vrstvenou technologií (podobně jako bimetaly), nebo se nechají prolnout mřížky. Změnou teploty změní předmět s tvarovou pamětí svůj tvar směrem k trvalému tvaru 1 nebo trvalému tvaru 2. Každý z trvalých tvarů náleží jedné složce předmětu. Výsledné tvary jsou vždy vObjects made of shape memory polymers can be prepared to have two original (permanent) shapes, i.e. two-way shape memory effect. These systems always consist of at least two components. The components are combined using layered technology (similar to bimetals) or lattices are interwoven. By changing the temperature, the shape memory object changes its shape towards permanent shape 1 or permanent shape 2. Each of the permanent shapes belongs to one component of the object. The resulting shapes are always in
- 24 rovnováze mezi oběma tvary. Teplotní závislost tvaru je způsobena tou skutečností, že mechanické vlastnosti jedné složky („složka A“) jsou v požadované teplotní oblasti téměř nezávislé na teplotě. Mechanické vlastnosti druhé složky („složka B“) na teplotě závisejí. V jednom případě převáží složka B silnější při nižších teplotách v porovnání se složkou A, zatímco složka A převáží při vyšších teplotách a určuje aktuální tvar. Předmět s „two-way“ pamětí lze připravit (a) ustavením původního tvaru složky A; (b) deformací předmětu do původního tvaru složky B; a (c) zafixováním původního tvaru složky B při působení napětí na složku.- 24 equilibrium between the two shapes. The temperature dependence of the shape is due to the fact that the mechanical properties of one component (“component A”) are almost independent of temperature in the desired temperature range. The mechanical properties of the other component (“component B”) are temperature dependent. In one case, component B is stronger at lower temperatures compared to component A, while component A is stronger at higher temperatures and determines the current shape. An object with a “two-way” memory can be prepared by (a) establishing the original shape of component A; (b) deforming the object to the original shape of component B; and (c) fixing the original shape of component B when a stress is applied to the component.
3. Iniciace obnovení původního tvaru degradací polymeru3. Initiation of restoration of the original shape by polymer degradation
Obnovení původního tvaru polymeru s tvarovou pamětí lze iniciovat hydrolytickým degradačním postupem. Při řešení, kterému se dává přednost, se tato charakteristika inkorporuje do systému obsahujícího termoplastický polymer složený ze stabilního segmentu a alespoň jednoho přizpůsobivého segmentu nebo termosetu obsahujícího alespoň jeden přizpůsobivý segment (jednosložkové systémy). U těchto polymerů se mohou vázat dva přizpůsobivé segmenty ihned hydrolyzovatelnou vazbou. Termín „ihned hydrolyzovatelná vazba“ se zde používá k odkazu na skupiny mající hydrolytickou rychlost větší než u ostatních funkčních skupin polymeru. Původní tvar těchto polymerů je určen stabilními segmenty (termoplastický materiál) nebo kovalentním zesítěním (termoset). Dočasný tvar je fixován zesítěním mezi dvěma přizpůsobivými segmenty po deformaci předmětu. Když se zesítění mezi přizpůsobivými segmenty zhydrolyzuje, obnoví se původní tvar. Mezi rychle hydrolyzovatelné funkční skupiny patří aktivované esterové vazby jako je glykolylglykolátová a anhydridová vazba.The recovery of the original shape of a shape memory polymer can be initiated by a hydrolytic degradation process. In a preferred embodiment, this characteristic is incorporated into a system comprising a thermoplastic polymer composed of a stable segment and at least one compliant segment or a thermoset comprising at least one compliant segment (one-component systems). In these polymers, the two compliant segments can be linked by a readily hydrolyzable bond. The term “readily hydrolyzable bond” is used herein to refer to groups having a hydrolytic rate greater than that of other functional groups of the polymer. The original shape of these polymers is determined by the stable segments (thermoplastic material) or by covalent crosslinking (thermoset). The temporary shape is fixed by crosslinking between the two compliant segments after deformation of the object. When the crosslinking between the compliant segments is hydrolyzed, the original shape is recovered. Rapidly hydrolyzable functional groups include activated ester bonds such as the glycolyl glycolate and anhydride bond.
U jiného řešení, kterému se dává přednost je polymerem dvousložkový systém, u kterého je alespoň jednou složkou kovalentní mřížka, jako IPN, směsná IPN nebo semi-IPN. Kovalentní mřížka je amorfní mřížka mající velmi nízkou Ttrans· Kovalentní mřížka určuje původní tvar systému a druhá složka deformuje systém k zafixování přechodného tvaru. Druhou složkou je v případě IPN jiná mřížka, homo- nebo kopolymer v případě semi-IPN a termoplastický elastomer v případě směsného IPN. První složka (kovalentní mřížka) hydrolyzuje pomaleji než druháIn another preferred embodiment, the polymer is a two-component system in which at least one component is a covalent lattice, such as an IPN, a mixed IPN or a semi-IPN. The covalent lattice is an amorphous lattice having a very low Tt ran s. The covalent lattice determines the initial shape of the system and the second component deforms the system to fix the intermediate shape. The second component is another lattice in the case of an IPN, a homo- or copolymer in the case of a semi-IPN and a thermoplastic elastomer in the case of a mixed IPN. The first component (the covalent lattice) hydrolyzes more slowly than the second
- 25 složka, takže polymer obnoví původní tvar, když se druhá složka degraduje.- 25 component, so the polymer will restore its original shape when the second component degrades.
φ toto·· to · · • tototo • toto • · to toto ·· ·· ··♦· ·«·« • to · · · · • to « to to · to toto · · · · ><· ♦··· ··φ this·· this · · • thisthis • this • · this this ·· ·· ··♦· ·«·« • this · · · · • this « this this · this this · · · · ><· ♦··· ··
V. AplikaceV. Application
Tyto materiály mají ohromný počet aplikací.These materials have a huge number of applications.
1. Terapeutické, profylaktické a diagnostické aplikace1. Therapeutic, prophylactic and diagnostic applications
Tyto materiály jsou zvláště vhodné pro medicínské a biologické aplikace.These materials are particularly suitable for medical and biological applications.
Jakékoliv z mnoha terapeutických, profylaktických a/nebo diagnostických činidel může být například zavedeno do polymerní směsi, která může lokálně nebo systematicky přivádět zavedená činidla po jejich podání pacientovi. Mezi příklady patří syntetické anorganické nebo organické sloučeniny nebo molekuly, proteiny a peptidy, polysacharidy a další cukry, lipidy a molekuly nukleové kyseliny mající terapeutické, profylaktické nebo diagnostické působení. Mezi molekuly nukleových kyselin patří geny, plasmid DNK, samotná DNK, inhibitory transkripce molekuly, které váží komplementární DNK k inhibici transkripce, ribozymy a doprovodné rybozymové sekvence. Činidla jako jsou vazoaktivní činidla, neuroaktivní činidla, hormony, růstové faktory, cytokinetika, anestetika, steroidy, antikoagulanty, protizánětlivé látky, imunomodulační činidla, cytotoxická činidla, profylaktické činidla, antibiotika, protivirové činidla, inhibitory, antigeny a protilátky, která se zavádějí, mohou mít mnoho biologických účinků. V některých případech mohou být proteiny protilátkami nebo antigeny, které by jinak byly podávány injekčně, aby se docílila odpovídající odezva. Proteiny jsou definovány jako látky obsahující 100 aminokyselinových zbytků nebo více; peptidy mají méně než 100 aminokyselinových zbytků. Pokud není uváděno jinak, termínem protein se míní jak proteiny, tak peptidy. Polysacharidy, jako je heparin lze podávat také. Sloučeniny s velkým rozsahem molekulových hmotnosti, například mezi 10 a 500000 gramů na mol lze zapouzdřit.For example, any of a variety of therapeutic, prophylactic, and/or diagnostic agents may be incorporated into a polymer composition that can deliver the introduced agents locally or systemically upon administration to a patient. Examples include synthetic inorganic or organic compounds or molecules, proteins and peptides, polysaccharides and other sugars, lipids, and nucleic acid molecules having therapeutic, prophylactic, or diagnostic effects. Nucleic acid molecules include genes, plasmid DNA, DNA itself, transcription inhibitors, molecules that bind complementary DNA to inhibit transcription, ribozymes, and accompanying ribozyme sequences. Agents such as vasoactive agents, neuroactive agents, hormones, growth factors, cytokines, anesthetics, steroids, anticoagulants, anti-inflammatory agents, immunomodulatory agents, cytotoxic agents, prophylactic agents, antibiotics, antiviral agents, inhibitors, antigens, and antibodies that are introduced can have a variety of biological effects. In some cases, the proteins may be antibodies or antigens that would otherwise be administered by injection to elicit an appropriate response. Proteins are defined as substances containing 100 amino acid residues or more; peptides have fewer than 100 amino acid residues. Unless otherwise specified, the term protein refers to both proteins and peptides. Polysaccharides such as heparin may also be administered. Compounds with a wide range of molecular weights, for example between 10 and 500,000 grams per mole, may be encapsulated.
Mezi diagnostická nebo zobrazovací činidla, která lze používat, patří komerčně dostupná činidla užívaná v pozitronové emisní tomografii (PET), počítačem řízenéDiagnostic or imaging agents that may be used include commercially available agents used in positron emission tomography (PET), computer-controlled
- 26 tomografii (CAT), jednofotonové emisní počítačové tomografii, rentgenografii, fluoroskopii, zobrazování magnetickou rezonancí (MRI) a kontrastní látky pro ultrazvuk.- 26 tomography (CAT), single-photon emission computed tomography, radiography, fluoroscopy, magnetic resonance imaging (MRI) and contrast agents for ultrasound.
2. Předměty a zařízení pro biomedicínské aplikace2. Objects and devices for biomedical applications
Směsi polymerů lze využívat k přípravě předmětů s možností využití v biomedicínských aplikacích. Lze například připravit šicí prostředky, materiály pro ortodoncii, šrouby do kostí, nehty, desky, síta, protetika, čerpadla, katetry, rourky, fólie, stenty, ortopedické spony, dlahy, pásky pro přípravu odlitků a koster pro tkáňové inženýrství, kontaktní čočky, zařízení pro přivádění léků, implantáty a tepelné indikátory.Polymer blends can be used to prepare objects with potential use in biomedical applications. For example, sutures, orthodontic materials, bone screws, nails, plates, meshes, prosthetics, pumps, catheters, tubes, foils, stents, orthopedic clips, splints, tapes for preparing casts and skeletons for tissue engineering, contact lenses, drug delivery devices, implants, and thermal indicators can be prepared.
Směsi implantovatelných polymerů se přednostně připravují z biokompatibilních polymerů a u většiny aplikací z biologicky degradovateíných polymerů. Biologicky degradovatelné polymery degradují kontrolovanou rychlostí v závislosti na složení a zesítění polymeru. Degradovatelné polymerní implantáty eliminují nutnost oprav implantátů a lze je použít současně se zavedením terapeutických činidel. Materiály lze využívat u mnohých aplikací vyžadujících zátěž a řízenou degradaci. Směsi polymerů lze formovat do tvaru implantátu, který lze do těla implantovat tak, aby plnil mechanickou funkci. Mezi příklady takových implantátů patří tyčky, kolíčky, šrouby, desky a anatomické tvary. Přednost se dává zvláště směsím pro přípravu šicího materiálu, který je dostatečně tuhý, aby se s ním mohlo snadno pracovat, avšak při dosažení tělesné teploty změkne a vytvoří druhý tvar, který je pro pacienta mnohem snesitelnější a ještě umožňuje hojení.Implantable polymer blends are preferably prepared from biocompatible polymers and, for most applications, from biodegradable polymers. Biodegradable polymers degrade at a controlled rate depending on the composition and crosslinking of the polymer. Degradable polymer implants eliminate the need for implant repairs and can be used simultaneously with the introduction of therapeutic agents. The materials can be used in many applications requiring load and controlled degradation. Polymer blends can be formed into the shape of an implant that can be implanted into the body to perform a mechanical function. Examples of such implants include rods, pins, screws, plates, and anatomical shapes. Blends are particularly preferred for preparing suture material that is stiff enough to be easily handled, but softens when body temperature is reached to form a second shape that is more tolerable for the patient and still allows for healing.
Dalším využitím, jemuž se dává přednost je oblast katetrů. Katetry obecně vyžadují vysokou tuhost při zavádění, avšak pokud už jsou zavedeny, je lépe, pokud jsou měkké a ohebné. U řešení, kterému se dává přednost, je SMP katetr pod tělesnou teplotou tuhý pro snadné zavedení a po ohřátí na tělesnou teplotu změkne a sníží pacientovo obtěžování a komplikace.Another preferred application is in the catheter field. Catheters generally require high stiffness during insertion, but once inserted, it is better if they are soft and flexible. In the preferred solution, the SMP catheter is stiff below body temperature for easy insertion and softens upon warming to body temperature, reducing patient discomfort and complications.
Směs polymerů může být kombinována s plnidly, ztužujícími materiály, radiozobrazovacími materiály, excipienty nebo dalšími materiály, které jsou nutné pro patřičnou implantační aplikaci. Odborníci snadno určí množství těchto látek, které se mají do směsi dát.The polymer blend may be combined with fillers, reinforcing materials, radioimaging materials, excipients, or other materials necessary for the appropriate implant application. Those skilled in the art will readily determine the amounts of such substances to be included in the blend.
- 27 • · • · • · • ·- 27 • · • · • · • ·
Předměty mohou zavádět různá terapeutická a/nebo diagnostická činidla, jak to je výše uvedeno.The articles may introduce various therapeutic and/or diagnostic agents, as discussed above.
3. Nemedicínské aplikace3. Non-medical applications
Pro složení polymerů s tvarovou pamětí existuje mnoho jiných dalších aplikací, než jsou pouze biomedicínské. Mezi tyto aplikace patří: polymerní pěny s tvarovou pamětí, součástky vyžadující odstranění deformace po absorbci nárazu jako jsou nárazníky a další části karosérie automobilu, balení potravin, automatické sytiče pro spalovací motory, polymerní kompozity, textilie, látky propouštějící vlhkost jako je sportovní oblečení, materiál na pleny a podšívky bot, potrubní spoje, materiály na jádra forem, teplem smrštitelné hadice, přepisovatelné kompaktní disky (CD) a spojovací kolíky, teplotní čidla, tlumicí materiály, podložky a ochranné prostředky, hračky, spojovací materiály pro jednotlivé trubky k vnitřnímu opouzdření, spojovací kolíky, materiály na lékařské pomůcky, které jsou používány při sádrování, atd., kancelářské a výukové materiály, umělé květiny, panenky, vnitřní laminace válců jehličkových tiskáren pro počítače, zvukotěsné materiály, součástky vyžadující obnovu po deformaci tvaru po absorbci nárazu jako jsou automobilové nárazníky a další součásti, stavební výplňové materiály v dělených částech staveb, přenosné nádoby, které lze sbalit pokud nejsou používány a které se navrátí do původního stavu při použití, mechanická zařízení jako jsou spojky, atd., různé teplem smrštitelné hadice, materiály pro humánní kosmetické využití, polymerní pěny s tvarovou pamětí, vlákna, polymerní kompozity, ucpávky a těsnění, sytičové ventily, zvukové izolace a olejové filtry.There are many other applications for shape memory polymer compositions than just biomedical ones. These applications include: shape memory polymer foams, parts requiring recovery from impact such as bumpers and other car body parts, food packaging, automatic chokes for internal combustion engines, polymer composites, textiles, moisture permeable materials such as sportswear, diaper material and shoe linings, pipe joints, mold core materials, heat shrink tubing, rewritable compact discs (CDs) and connecting pins, temperature sensors, damping materials, pads and protectors, toys, connecting materials for individual tubes for internal encapsulation, connecting pins, materials for medical devices used in plaster casting, etc., office and educational materials, artificial flowers, dolls, internal lamination of dot matrix printer cylinders for computers, soundproofing materials, parts requiring recovery from impact such as car bumpers and other parts, building filler materials in divided parts of buildings, portable containers that can be folded when not in use and that return to their original state when used, mechanical devices such as couplings, etc., various heat-shrinkable hoses, materials for human cosmetic use, polymer foams with shape memory, fibers, polymer composites, seals and gaskets, choke valves, soundproofing and oil filters.
Pěny s tvarovou pamětí mají deformovaný tvar a zdánlivě odlitý tvar. Svůj deformovaný tvar mají při stlačení při teplotě vyšší než Ttrans a udrží si tento stlačený tvar při teplotě nižší než Ttrans tak, jak je stlačen a do původního odlitého tvaru se stlačený polymer opět vrátí po zahřátí nad teplotu pro obnovení původního tvaru. Pěny lze připravovat polymerací materiálů v přítomnosti nadouvacího činidla (např. plynu nebo nízkovroucího rozpouštědla).Shape memory foams have a deformed shape and an apparent cast shape. They have their deformed shape when compressed at a temperature above T tra ns and retain this compressed shape at a temperature below T tra ns as it is compressed and the compressed polymer returns to its original cast shape when heated above the temperature to restore the original shape. Foams can be prepared by polymerizing materials in the presence of a blowing agent (e.g., a gas or a low-boiling solvent).
VII. Způsoby použitíVII. Methods of use
Některé určité předměty jsou zamýšleny k udržení požadovaného tvaru, pokud se ·Some specific objects are intended to maintain a desired shape if ·
- 28 s nimi nezachází způsobem, který se neshoduje s jejich normálním používáním. Automobilové nárazníky si například udržují svůj požadovaný tvar až do nárazu. Výrobek, který v sobě má SMP lze používat v jeho požadovaném tvaru, avšak lze ho po poškození (např. deformaci) opravit, například teplem.- 28 does not treat them in a manner inconsistent with their normal use. For example, car bumpers maintain their desired shape until impact. A product containing SMP can be used in its desired shape, but can be repaired, for example by heat, after damage (e.g. deformation).
Jiné předměty jsou zamýšleny tak, že jsou používány ve svém prvním zamýšleném tvaru a druhý tvar je pro druhé zamýšlené využití. Mezi takovéto příklady patří biomedicinální předměty, které mohou vytvořit druhý tvar při dosažení tělesné teploty nebo po aplikaci vnějších podnětů, které ohřejí předmět nad tělesnou teplotu.Other objects are intended to be used in their first intended form and a second form for a second intended use. Examples of such objects include biomedical objects that can form a second form upon reaching body temperature or upon application of external stimuli that heat the object above body temperature.
Další předměty jsou pro zamýšlené použití, takže se změní tvar jako odezva na změny teploty spuštěním nějaké činnosti, jako je zapnutí mechanického nebo elektrického vypínače. Vypínač může například sloužit k regulaci teploty prostředí SMP jako u teplotních čidel a automatických sytičů automobilů.Other objects are for intended use, so they change shape in response to changes in temperature by triggering some action, such as turning on a mechanical or electrical switch. For example, a switch can be used to regulate the temperature of the SMP environment, as in temperature sensors and automatic car chokes.
Předloženému vynálezu bude lépe rozuměno při odkazech na následující příklady, které jej však nijak neomezují.The present invention will be better understood by reference to the following examples, which, however, are not intended to limit it in any way.
Příklady provedeníDesign examples
Příklad 1: Polymery s tvarovou pamětí z esterurethanového kopolymeruExample 1: Shape memory polymers from ester urethane copolymer
Byla syntetizována skupina biokompatibilních a biologicky degradovatelných víceblokových kopolymerů vykazujících tvarovou paměť s tepelným účinkem. Tyto polymery byly složeny z krystalizovatelného stabilního segmentu (Tm) a přizpůsobivého segmentu majícího teplotu tepelného přechodu Ttrans mezi laboratorní teplotou a tělesnou teplotou. Oproti předchozím segmentovým polyurethanům byl stabilním segmentem oligoester nebo oligoetherester a neobsahoval aromatickou složku.A group of biocompatible and biodegradable multiblock copolymers exhibiting shape memory with a thermal effect was synthesized. These polymers were composed of a crystallizable stable segment (T m ) and a conformable segment having a thermal transition temperature T tran s between laboratory temperature and body temperature. In contrast to previous segmented polyurethanes, the stable segment was an oligoester or oligoetherester and did not contain an aromatic component.
Mechanismus pro programování dočasného tvaru a obnovení trvalého tvaru víceblokového kopolymeru je znázorněn na obrázku 6. Trvalý tvar materiálů byl vytvořen roztavením polymeru a ochlazením nad Ttrans (obr. 6 - horní poloha). Potom se polymer zformoval do dočasného tvaru (obr. 6 - poloha vpravo), který byl zafixován ochlazením pod Ttrans (obr. 6 - poloha dole). Po odstranění tlaku se • ·The mechanism for programming the temporary shape and restoring the permanent shape of a multiblock copolymer is shown in Figure 6. The permanent shape of the materials was created by melting the polymer and cooling it above Ttrans (Fig. 6 - top position). The polymer was then formed into a temporary shape (Fig. 6 - right position), which was fixed by cooling below Ttrans (Fig. 6 - bottom position). After the pressure was removed, the • ·
- 29 původní tvar obnovil opětovným zahřátím nad Ttrans· • · • · · • · · • · · 0 1 • 0 0- 29 restored its original shape by reheating above T tr ans· • · • · · · · · · · · 0 1 • 0 0
Syntéza telechelátů, oligomerů s funkčními skupinami na obou koncíchSynthesis of telechelates, oligomers with functional groups at both ends
Telechelátový makrodiol byl syntetizován polymerací otevřením kruhu cyklických monomerů s di(n-butyl)cínoxidem jako transesterifikačním katalyzátorem v atmosféře dusíku.Telechelate macrodiol was synthesized by ring-opening polymerization of cyclic monomers with di(n-butyl)tin oxide as a transesterification catalyst under a nitrogen atmosphere.
Stabilní segment a,co-dihydroxy[oligo(ethylenglykolglykolát)ethylenoligo(ethylenglykolglykolát)] (PDS1200 a PDS1300) byl připraven takto: Monomerní p-dioxan-2 on byl získán před jeho dalším použitím destilací (tepelnou depolymerací) oligomerů. 57 g (0,63 mol) monomeru, 0,673 g (10,9 mmol) ethylenglykolu a 0,192 g (0,773 mmol) di(nbutyl)cínoxidu bylo zahříváno po dobu 24 hodin při 80 °C. Konec reakce (rovnováha) byl stavoven GPC. Produkt byl rozpuštěn v horkém 1,2-dichlorethanu a zfiltrován horkou Buchnerovou nálevkou naplněnou silikagelem. Produkt se získal srážením v hexanu a sušením ve vakuu po dobu 6 hodin.The stable segment α,ω-dihydroxy[oligo(ethylene glycol glycolate)ethylene oligo(ethylene glycol glycolate)] (PDS1200 and PDS1300) was prepared as follows: The monomeric p-dioxan-2-one was obtained before its further use by distillation (thermal depolymerization) of the oligomers. 57 g (0.63 mol) of monomer, 0.673 g (10.9 mmol) of ethylene glycol and 0.192 g (0.773 mmol) of di(n-butyl)tin oxide were heated for 24 hours at 80 °C. The end of the reaction (equilibrium) was determined by GPC. The product was dissolved in hot 1,2-dichloroethane and filtered through a hot Buchner funnel filled with silica gel. The product was obtained by precipitation in hexane and drying in vacuo for 6 hours.
Přizpůsobivý segmentAdaptive segment
i. Krystalickýi. Crystalline
Poly-s-kaprolaktondioly s různou Mn jsou komerčně dostupné například od Aldrich a Polysciences. Zde byl použit PCL-2000.Poly-ε-caprolactonediols with various M n are commercially available, for example from Aldrich and Polysciences. PCL-2000 was used here.
ii. Amorfní a,c)-dihydroxy[oligo(L-laktát-co-glykolát)ethylenoligo(L-laktát-co-glykolát)] - (zkr.: PLGA2000-15) byl připraven takto: V 1000 ml dvouhrdlé baňce s kulatým dnem bylo zahříváno k roztavení při 40 °C a při míchání 300 g (2,08 mol) L,L-dilaktidu, 45 g (0,34 mol) diglykolidu a 4,94 g (0,80 mol) ethylenglykolu. Dále bylo přidáno 0,614 g (2,5 mmol) di(n-butyl)cínoxidu. Po 7 hodinách dosáhla reakce rovnováhy, jak bylo stanoveno GPC. Reakční směs byla rozpuštěna v 1,2-dichlorethanu aii. Amorphous a,c)-dihydroxy[oligo(L-lactate-co-glycolate)ethyleneoligo(L-lactate-co-glycolate)] - (abbr.: PLGA2000-15) was prepared as follows: In a 1000 ml two-necked round-bottomed flask, 300 g (2.08 mol) of L,L-dilactide, 45 g (0.34 mol) of diglycolide and 4.94 g (0.80 mol) of ethylene glycol were heated to melting at 40 °C with stirring. Next, 0.614 g (2.5 mmol) of di(n-butyl)tin oxide was added. After 7 hours, the reaction reached equilibrium as determined by GPC. The reaction mixture was dissolved in 1,2-dichloroethane and
9 • 99 • 9
- 30 přečištěna na koloně se silikagelem. Produkt se získal srážením v hexanu a sušil se po dobu 6 hodin ve vakuu.- 30 purified on a silica gel column. The product was obtained by precipitation in hexane and dried for 6 hours under vacuum.
Vlastnosti telechelátůProperties of telechelates
Jak je v následující tabulce 1 znázorněno, byly stanoveny molekulová hmotnost Mn a tepelné vlastnosti makrodíolů.As shown in Table 1 below, the molecular weight M n and thermal properties of the macrodiols were determined.
Tabulka 1: Molekulová hmotnost a tepelné vlastnosti makrodíolůTable 1: Molecular weight and thermal properties of macrodiols
Syntéza termoplastických elastomerů (víceblokové kopolymery)Synthesis of thermoplastic elastomers (multiblock copolymers)
Ve 100 ml dvouhrdlé baňce s kulatým dnem připojené k Soxhletovu extraktoru naplněného molekulovým sítem 0,4 nm byly rozpuštěny v 80 ml 1,2-dichlorethanu dva různé makrodioly (jeden stabilní segment a jeden přizpůsobivý segment) popsané v dále uvedené tabulce 2. Směs byla refluxována k vysušení azeotropickou extrakcí rozpouštědla. Stříkačkou byl přidán čerstvě nadestilovaný trimethylhexan-1,6-diisokyanát a reakční směs byla zahřívána na 80 °C po dobu alespoň 10 dnů. V pravidelných intervalech byly odebírány vzorky směsi ke stanovení molekulové hmotnosti polymeru GPC. Na konci reakce byl získán produkt vysrážením polymeru v hexanech a přečištěn opakovaným rozpouštěním v 1,2-dichlorethanu a srážením v hexanech.In a 100 mL two-necked round-bottom flask connected to a Soxhlet extractor filled with 0.4 nm molecular sieves, two different macrodiols (one stable segment and one flexible segment) as described in Table 2 below were dissolved in 80 mL of 1,2-dichloroethane. The mixture was refluxed to dryness by azeotropic solvent extraction. Freshly distilled trimethylhexane-1,6-diisocyanate was added via syringe and the reaction mixture was heated to 80 °C for at least 10 days. Samples of the mixture were taken at regular intervals to determine the molecular weight of the polymer by GPC. At the end of the reaction, the product was obtained by precipitation of the polymer in hexanes and purified by repeated dissolution in 1,2-dichloroethane and precipitation in hexanes.
Víceblokové kopolymery byly připraveny z následujících dvou typů polymerů.Multiblock copolymers were prepared from the following two types of polymers.
(i) PDC polymery obsahovaly poly-s-kaprolakton. Ttrans přizpůsobivého segmentu je bod táni.(i) PDC polymers contained poly-s-caprolactone. The T tr ans of the adaptive segment is the melting point.
(ii) PDL polymery obsahují a,ro-dihydroxy[oligo(L-laktát-co-glykolát)ethylenoligo(Llaktát-co-glykolát)]. Ttrans přizpůsobivého segmentu je bod skelného přechodu.(ii) PDL polymers contain a,ro-dihydroxy[oligo(L-lactate-co-glycolate)ethyleneoligo(L-lactate-co-glycolate)]. The Tt ra ns of the compliant segment is the glass transition point.
- 31 » ·· · »- 31 » ·· · »
»··»··
I · ·«I · ·«
Tabulka 2: Syntéza víceblokových kopolymerůTable 2: Synthesis of multiblock copolymers
Vlastnosti termoplastických elastomerůProperties of thermoplastic elastomers
Stanovené fyzikální, mechanické a degradační vlastnosti směsí jsou uvedeny v následujících tabulkách 3 - 9.The determined physical, mechanical and degradation properties of the mixtures are given in the following tables 3 - 9.
Hydrolytické degradační chování nových materiálů bylo zkoušeno v roztoku pufrovaném na pH 7 při 37 °C. Bylo ukázáno, že polymery jsou zcela degradovatelné a jejich rychlost degradace lze nastavit koncentrací snadno hydrolyzovatelných esterových vazeb. Hodnoty ztráty relativní hmotnosti mr = m(t0)/m(t) jsou v % při 37 °C a ztráta relativní molekulové hmotnosti Mr = Mw(t)/Mw(t0) je v % při 37 °C.The hydrolytic degradation behavior of the new materials was tested in a solution buffered to pH 7 at 37 °C. It was shown that the polymers are completely degradable and their degradation rate can be adjusted by the concentration of easily hydrolyzable ester bonds. The values of the relative mass loss m r = m(t 0 )/m(t) are in % at 37 °C and the relative molecular mass loss M r = M w (t)/M w (t 0 ) is in % at 37 °C.
Toxicita dvou rozdílných víceblokových kopolymerů byla zkoumána zkouškou na kuřecích embryích. Bylo prokázáno, že zárodky se vyvíjely normálně a jejich stav nebyl ovlivněn vzorky polymerů.The toxicity of two different multiblock copolymers was investigated in a test on chick embryos. It was shown that the embryos developed normally and their condition was not affected by the polymer samples.
Tabulka 3: Složení kopolyesterurethanů stanovené 400 MHz 1H-NMR spektroskopiiTable 3: Composition of copolyesterurethanes determined by 400 MHz 1 H-NMR spectroscopy
*Zbytek do 100 % je obsah urethanu.*The remainder to 100% is the urethane content.
Tabulka 4: Molekulová hmotnost Mw folií urethanových kopolymerů stanovená multidetektorovou GPCTable 4: Molecular weight M w of urethane copolymer films determined by multidetector GPC
Tabulka 5: Přechodové teploty Tm a Tg, teplo tání AHm a změny tepelné kapacityTable 5: Transition temperatures T m and T g , heat of fusion AH m and changes in heat capacity
Acp polymerních folií z měření DSC (hodnoty jsou z druhého ohřevu)Ac p of polymer films from DSC measurements (values are from the second heating)
Tabulka 6: Mechanické vlastnosti polymerních folií při 50 °C ze zkoušky pevnostiTable 6: Mechanical properties of polymer films at 50 °C from strength test
• ·• ·
- 33 Tabulka 7: Degradovatelnost PDL22- 33 Table 7: Degradability of PDL22
Tabulka 7: Degradovatelnost PDL23Table 7: Degradability of PDL23
Tabulka 9: Ztráta relativní hmotnostiTable 9: Relative weight loss
Vlastnosti tvarové pamětiShape memory properties
Obrázek 7 znázorňuje výsledky zkoušek pevnosti v tahu provedených s víceblokovými kopolymery jako funkci počtu termolytických cyklů. Průměrná tvarová stálost polymerů na něž působily tepelné cykly a závislost rychlosti obnovy napětí jako funkce počtu cyklů je znázorněna v následujících tabulkách 10 a 11. Polymery mají vysokou tvarovou stálost a rovnovážného stavu se dosahuje již po dvou cyklech.Figure 7 shows the results of tensile strength tests performed on multiblock copolymers as a function of the number of thermolysis cycles. The average dimensional stability of the polymers subjected to thermal cycling and the dependence of the stress recovery rate as a function of the number of cycles are shown in the following tables 10 and 11. The polymers have high dimensional stability and an equilibrium state is reached after only two cycles.
4 4 44 4 4
- 34 4 444 • 44- 34 4 444 • 44
Tabulka 10: Průměrná rychlost stálosti tvaru RfTable 10: Average speed of shape constancy Rf
Tabulka 11: Závislost počtu cyklů na rychlosti obnovy napětí Rr Table 11: Dependence of the number of cycles on the voltage recovery rate R r
Příklad 2: Degradovatelný termoset s tvarovou pamětí s krystalizovatelným přizpůsobivým segmentemExample 2: Degradable shape memory thermoset with crystallizable conformal segment
Na mechanické vlastnosti a tvarovou paměť byl vyhodnocen velký počet poly-ε(kaprolakton)dimetakrylátů a termosetů.A large number of poly-ε(caprolactone)dimethacrylates and thermosets have been evaluated for mechanical properties and shape memory.
Syntéza makromonomeruMacromonomer synthesis
Poly-s-kaprolaktondimetakryláty (PCLDMA) byly připraveny takto: K roztoku polys-(kaprolakton)diolu o Mn = 2000 g.mol'1 (20,0 g, 10 mmol) a triethylaminu (5,3 g, 38 mmol) ve 200 ml suchého THF byl po kapkách při 0 °C přidáván metakryloylchlorid (3,7 ml, 38 mmol). Roztok byl míchán po dobu 3 dní při 0 °C a vysrážená sůl byla odfiltrována. Po zkoncentrování směsi při laboratorní teplotě za sníženého tlaku bylo přidáno 200 ml ethylacetátu a roztok opět zfiltrován a vysrážen desetinásobným nadbytkem směsi hexanů, ethyletheru a methanolu (18Poly-s-caprolactone dimethacrylates (PCLDMA) were prepared as follows: To a solution of polys-(caprolactone)diol with M n = 2000 g.mol' 1 (20.0 g, 10 mmol) and triethylamine (5.3 g, 38 mmol) in 200 ml of dry THF, methacryloyl chloride (3.7 ml, 38 mmol) was added dropwise at 0 °C. The solution was stirred for 3 days at 0 °C and the precipitated salt was filtered off. After concentrating the mixture at room temperature under reduced pressure, 200 ml of ethyl acetate was added and the solution was filtered again and precipitated with a tenfold excess of a mixture of hexanes, ethyl ether and methanol (18
• · • · <··· • ··• · • · <··· • ··
- 35 :1:1). Bezbarvá sraženina byla oddělena, rozpuštěna ve 200 ml dichlorethanu, opět vysráženo a pečlivě vysušeno při laboratorní teplotě za sníženého tlaku.- 35:1:1). The colorless precipitate was separated, dissolved in 200 ml of dichloroethane, re-precipitated and carefully dried at room temperature under reduced pressure.
Syntéza termosetůSynthesis of thermosets
Makromonomer (nebo směs monomerů) byl zahříván o 10 °C nad jeho bod tání (Tm) a naplněn do licí formy tvořené dvěma skleněnými deskami (25 mm x 75 mm) a teflonovou vložkou o tloušťce 0,60 mm. K dosažení dobré homogenity byla tavenina uchovávána při Tm po další hodinu. Působení světlem bylo provedeno na zahřáté desce při Tm po dobu 15 min. Vzdálenost mezi čelem ohřívací lampy a vzorkem byla 5,0 cm. Po ochlazeni na laboratorní teplotu byl vzorek přes noc extrahován a opatrně promyt 100 násobným množstvím dichlormethanu. Nakonec byl vzorek usušen při laboratorní teplotě za sníženého tlaku.The macromonomer (or monomer mixture) was heated to 10 °C above its melting point (T m ) and filled into a casting mold consisting of two glass plates (25 mm x 75 mm) and a Teflon insert with a thickness of 0.60 mm. To achieve good homogeneity, the melt was kept at T m for another hour. Light exposure was performed on a heated plate at T m for 15 min. The distance between the front of the heating lamp and the sample was 5.0 cm. After cooling to room temperature, the sample was extracted overnight and carefully washed with 100 times the amount of dichloromethane. Finally, the sample was dried at room temperature under reduced pressure.
Vlastnosti makromonomerů a termosetůProperties of macromonomers and thermosets
Následující tabulka 12 podává seznam poly-s-(kaprolakton)dimetakrylátů, které byly připraveny, současně s odpovídajícím stupněm akrylace (Da) (%). Číslo za PCLDMA je molekulová hmotnost Mn použitého poly-£-(kaprolakton)diolu použitého k syntéze podle stanovení 1H-NMR a GPC, zaokrouhlená na 500.The following Table 12 lists the poly-ε-(caprolactone)dimethacrylates that were prepared, together with the corresponding degree of acrylate (D a ) (%). The number after PCLDMA is the molecular weight M n of the poly-ε-(caprolactone)diol used for the synthesis as determined by 1 H-NMR and GPC, rounded to 500.
Tabulka 12: Poly-s-(kaprolakton)diol a stupeň akrylaceTable 12: Poly-s-(caprolactone)diol and degree of acrylate
Obrázek 8 znázorňuje teplotu tání (Tm) diolů, dimetakrylátů a termosetů poiy-ε-Figure 8 shows the melting point (T m ) of diols, dimethacrylates and thermosets of polyy-ε-
- 36 kaprolaktonu jako funkci molekulární hmotnosti Mn makromonomerů. V diagramu jsou makrodioly představovány makromonomery ...· a termosety _ Δ- 36 caprolactone as a function of the molecular weight M n of the macromonomers. In the diagram, macrodiols are represented by macromonomers ...· and thermosets _ Δ
Pevnostní vlastnosti poly-s-kaprolaktonových termosetů C1 až C7 při laboratorní teplotě jsou uvedeny v tabulce 13, kde E je modul pružnosti (Youngův modul), ss je prodloužení a as je namáhání na mezi trvalé deformace, amax je maximální napětí, emaxje prodloužení při amax, sr je prodloužení při přetržení a aR je napětí při přetržení. Tabulka 14 uvedená dále podává hodnoty pevnosti v tahu těchže polyε-kaprolaktonových termosetů při 70 °C.The strength properties of poly-ε-caprolactone thermosets C1 to C7 at laboratory temperature are given in Table 13, where E is the modulus of elasticity (Young's modulus), s s is the elongation and as is the stress at the permanent deformation limit, and max is the maximum stress, emax is the elongation at a max , sr is the elongation at break and R is the stress at break. Table 14 below gives the tensile strength values of the same polyε-caprolactone thermosets at 70 °C.
Tabulka 13: Pevnostní vlastnosti termosetů při laboratorní teplotěTable 13: Strength properties of thermosets at laboratory temperature
Tabulka 14: Pevnostní vlastnosti termosetů při 70 °CTable 14: Strength properties of thermosets at 70 °C
- 37 Tvarová paměť- 37 Shape memory
U termosetů byly stanoveny termomechanické vlastnosti uvedené v tabulce 15, Hodnoty průměrných molekulových hmotností (Mn) platí pro makromonomer. Dolní mezní teplota T( je 0 °C a horní mezní teplota Th je 70 °C. Protažení dočasného tvaru je 50 %. Rf(2) je rychlost obnovení napětí při druhém cyklu, Rf>tot je celková rychlost obnovení napětí po 5 cyklech, Rf je průměrná rychlost zafixování.The thermomechanical properties of the thermosets were determined as shown in Table 15. The values of the average molecular weights (M n ) are for the macromonomer. The lower limit temperature T ( is 0 °C and the upper limit temperature Th is 70 °C. The elongation of the temporary shape is 50%. Rf(2) is the stress recovery rate at the second cycle, R f>to t is the total stress recovery rate after 5 cycles, Rf is the average set rate.
Tabulka 15: Termomechanické vlastnosti termosetůTable 15: Thermomechanical properties of thermosets
?\/£ooo~ 3opf?\/£ooo~ 3opf
Claims (40)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ20003071A CZ20003071A3 (en) | 1999-02-23 | 1999-02-23 | Shape memory polymers |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ20003071A CZ20003071A3 (en) | 1999-02-23 | 1999-02-23 | Shape memory polymers |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ20003071A3 true CZ20003071A3 (en) | 2001-04-11 |
Family
ID=5471698
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ20003071A CZ20003071A3 (en) | 1999-02-23 | 1999-02-23 | Shape memory polymers |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ20003071A3 (en) |
-
1999
- 1999-02-23 CZ CZ20003071A patent/CZ20003071A3/en unknown
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3732404B2 (en) | Shape memory polymer composition, method of forming a shape memory product, and method of forming a composition that stores a shape | |
| EP1056487B1 (en) | Biodegradable shape memory polymers | |
| CA2410637C (en) | Shape memory polymers seeded with dissociated cells for tissue engineering | |
| Kirillova et al. | Shape-changing polymers for biomedical applications | |
| US20120323274A1 (en) | Biodegradable Shape Memory Polymeric Sutures | |
| AU2003204827B2 (en) | Shape memory polymers | |
| PL193700B1 (en) | Biodegradable shape memory polymers, and their use | |
| Junior et al. | SIPNs polymeric scaffold for use in cartilaginous tissue engineering: physical-chemical evaluation and biological behavior |