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Gebiet der Erfindung
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Formgedächtnis-Polymere weisen eine Anzahl von Vorteilen gegenüber Formgedächtnis-Metalllegierungen auf, und zwar aufgrund von höheren rückstellbaren Verformungen. Die Ausgangsform eines Formgedächtnis-Polymerprodukts kann durch Deformation bei einer spezifischen Temperatur unterhalb des Übergangspunkts (der Aktivierungstemperatur für den Formgedächtnis-Effekt) in eine temporäre Form überführt werden, der die Glasübergangstemperatur Tg oder die Schmelztemperatur Tm sein kann, bei der die Polymerkettenmobilität eingeschränkt ist.
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Um den Formgedächtnis-Effekt zu zeigen, muss ein Polymer eine „harte“ fixe Phase sowie eine „weiche“ deformierbare Phase aufweisen. Die Triebkraft für die Formwiederherstellung ist eine Veränderung der Mobilität der Polymerform und eine Umwandlung von einer stärker geordneten temporären frisch deformierten Konfiguration in eine thermodynamisch vorteilhaftere Konfiguration, die eine höhere Entropie und eine niedrigere innere Energie aufweist. Diese Umwandlung kann durch externe Stimulation, z.B. Wärme, elektrische oder magnetische Felder, Licht, Feuchtigkeit usw. aktiviert werden. Die am weitesten verwendete und geeignete Temperatur für die Aktivierung des Formgedächtnis-Effekts ist, unter dem Gesichtspunkt ihrer praktischen Anwendung, die Glasübergangstemperatur Tg , die sich als Zunahme der Mobilität der Polymerkettensegmente manifestiert, was zu einer Formwiederherstellung führt.
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Bei medizinischen Gegenständen kann der Formgedächtnis-Effekt potentielle Anwendungen bei selbst-anpassenden und selbst-verankernden Knochenimplantaten finden.
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Polylactid ist ein thermoplastisches Polymer, das für Knochenimplantat-Anwendungen von speziellem Interesse ist, und zwar aufgrund seines hohen Elastizitätsmoduls, einer relativ niedrigen Glasübergangstemperatur Tg und seiner Eignung für 3D-Druck-Anwendungen. Physikalische Verknäuelungen der langen Polylactidketten können als „harte“ Phase wirken, während die Polymerketten zwischen den Verknäuelungen während der Deformation in eine temporäre Form gestreckt werden können. Die Eigenschaften von Polylactid, z.B. die Rückstellungsspannung und die Rückstellungsausdehnung, können dadurch verbessert werden, dass man vernetzt oder feine anorganische Teilchen zusetzt, die einen hohen Elastizitätsmodul aufweisen und als eine zusätzliche „harte“ Phase wirken. Unter diesem Gesichtspunkt sind Calciumphosphatteilchen von speziellem Interesse für eine Wiederherstellung von Knochengewebe.
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Die Erfindung betrifft ein Verbundmaterial für medizinische Zwecke auf der Basis eines thermoplastischen Polymers mit einer bioaktiven keramischen Komponente als Formgedächtnis-Zusatz, das für die Herstellung von medizinischen Gegenständen durch Schmelzschichtung (fused filament fabrication; FFF) verwendet werden kann, die beim 3D-Druck erfolgt.
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Stand der Technik
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Es ist eine Erfindung bekannt (
US 2013/0030122 A1 , „Elastomers crosslinked by polylactic acid“), die ein Verfahren beschreibt, Polymerzusammensetzungen auf der Basis von vernetztem L-Polylactid oder D-Polylactid bereit zu stellen.
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Ein Nachteil dieser Erfindung besteht darin, dass für das Polymerverbundmaterial der Glasübergangspunkt Tg = -26°C und der Schmelzpunkt Tm = 224 °C, die die Temperaturen für die Aktivierung des Formgedächtnis-Effekts bilden können, weit entfernt von der menschlichen Körpertemperatur liegen.
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Es ist eine Erfindung (
WO 2015/110981 A1 „Use of polylactide and method of manufacturing a heat sealed paper or board container or package“) bekannt, die ein Verfahren der Bereitstellung von Polylactid- und Polybutylensuccinat-(PBS) Polymerverbundmaterialien beschreibt, unter Zugabe eines polyfunktionellen Vernetzungselements, z.B. Triallylisocyanurat (TAIC).
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Ein Nachteil dieser Erfindung ist, dass dieses Polymerverbundmaterial keinen Formgedächtnis-Effekt zeigt.
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Es ist eine Erfindung bekannt, (
US 20150123314 A1 „Process for the manufacture of shape memory polymer material“), die ein Verfahren zur Bereitstellung eines Formgedächtnis-Polymermaterials beschreibt. Das genannte Material wird hergestellt aus einem bioresorbierbaren Polymer (Polylactid, Polyglykolid, Polycaprolacton, Polyurethan, Polyacrylat, Polymethylmethacrylat, Polybutylmethacrylat oder Polyetheretherketon), Biokeramiken (Calciumphosphat, Tricalciumphosphat, Hydroxylapatit, Calciumcarbonat, Calciumsulfat, Bioglas oder Glykolid) sowie Polyethylenglykol.
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Der Nachteil dieser Erfindung liegt in einer unvollständigen Formwiederherstellung (90 % unter Optimalbedingungen). Bekannt ist eine Erfindung (
WO 2013050775 A1 „Medical devices containing shape memory polymer compositions“), die eine medizinische Vorrichtung offenbart, die auf einem Formgedächtnis-Polymermaterial beruht. Das genannte Polymermaterial ist hergestellt aus einem bioresorbierbaren Polymer (Polylactid, Polyglykolid, Polycaprolacton, Polydioxanon, Polyurethan, Polyacrylat, Polymethylmethacrylat, Polybutylmethacrylat oder Polyetheretherketon) und einem Weichmacher (Polyethylenglykol).
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Der Nachteil dieser Erfindung liegt im Fehlen einer Vernetzungsstruktur und einer stabilen harten Phase zur Ausbildung einer höheren Rückstellspannung verglichen mit einem ungefüllten Polylactid.
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Es sind Erfindungen bekannt (
US 2011/0144751 A1 „Multimodal shape memory polymers“ und
US 9308293 B2 „Multimodal shape memory polymers“), die ein Polymerverbundmaterial offenbaren, das auf zwei Polymeren mit unterschiedlichen Molekulargewichten sowie einem Calciumphosphatkeramik-Anteil beruhen.
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Der Nachteil dieser Erfindungen ist der, dass die Glasübergangstemperatur Tg = -26°C für das Polymer-Verbundmaterial, die die Aktivierungstemperatur für den Formgedächtnis-Effekt darstellen könnte, weit von der menschlichen Körpertemperatur entfernt ist. Außerdem weist das Material keine vernetzte Struktur auf, die eine mechanische Steifigkeit gewährleistet.
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Es ist eine Erfindung bekannt (
US 2014/0236226 A1 „Tailored polymers“,
US 2015/0073476 A1 ), die ein Polymerverbundmaterial auf der Basis eines Polylactids und eines wasserlöslichen Weichmachers darstellt.
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Ein Nachteil dieser Erfindung ist eine unvollständige (90 % unter den Optimalbedingungen) und langsame (innerhalb von 24 Stunden) Formwiederherstellung sowie das Fehlen einer bioaktiven Komponente (Calciumphosphatkeramik).
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Es ist eine Erfindung bekannt (
US 2015/0073476 A1 „Shape memory polymer compositions“), die ein Polymerverbundmaterial auf Polylactidbasis beschreibt. Nachteil dieser Erfindung ist eine unvollständige (90 %) und langsame (innerhalb von 24 Stunden) Formwiederherstellung.
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Außerdem gestatten es die oben erwähnten Erfindungen nicht, 3D-Druck-Anwendungen für medizinische Geräte durchzuführen.
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Das nächstkommende Gegenstück für diese Erfindung ist das
RU-Patent 2215542 „Biodegradable shape memory polymers“, das biologisch abbaubare und biokompatible Formgedächtnis-Polymerzusammensetzungen beschreibt, die für medizinische Anwendungen und als Träger für therapeutische oder diagnostische Mittel verwendbar sind.
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Nachteil der genannten Erfindung ist das Fehlen eines biokompatiblen Mittels, d.h. Calciumphosphatkeramik, sowie die Unmöglichkeit einer schichtweisen Verschmelzung beim 3D-Druck von medizinischen Gegenständen. Ein weiterer Nachteil dieser Erfindung steht mit schlechten mechanischen Eigenschaften in Zusammenhang (Elastizitätsmodul unter 100 MPa und Bruchfestigkeit unter 20 MPa).
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Offenbarung der Erfindung
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Das technische Ergebnis der Erfindung liegt in der Bereitstellung eines Polymerverbundmaterials, das für den 3D-Druck von medizinischen Gegenständen mit Formgedächtnis geeignet, das sich durch Folgendes auszeichnet:
- - eine Eignung für den schichtweisen 3D-Druck von medizinischen Gegenständen;
- - eine vernetzte Struktur, die die mechanischen Eigenschaften beibehält;
- - eine Aktivierungstemperatur von 35 bis 45°C für den Formgedächtnis-Effekt;
- - eine bioaktive Komponente mit einer Teilchengröße von 100 bis 1000 nm;
- - eine Rückstellspannung von 3 MPa für eine 98%ige Formwiederherstellung bei der Aktivierung des Formgedächtnis-Effekts;
- - gute mechanische Zugeigenschaften: 4 GPa Young's Modul und 43 MPa Bruchfestigkeit;
- - gute mechanische Druckeigenschaften: 11 GPa Young's Modul und 96 MPa Bruchfestigkeit.
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Das technische Ergebnis der vorliegenden Erfindung wird wie folgt erreicht. Es wird ein Verbundmaterial auf der Basis eines thermoplastischen Polymers mit einem Zusatz einer keramischen bioaktiven Formgedächtniskomponente gebildet, wobei die „harte“ Phase die kristalline Phase der Polymermatrix, chemische und physikalische Vernetzungsmittel und eine bioaktive Komponente aufweist, und die „weiche“ Phase die amorphe Phase der Polymermatrix und einen Weichmacher aufweist.
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Bei der hierin beschriebenen Erfindung umfasst das Verbundmaterial eine bioresorbierbare Polylactid-Polymermatrix und einen bioaktiven Hydroxylapatit-Füllstoff mit Teilchen einer Größe von 100 bis 1000 nm.
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Der prozentuale Teil der Hydroxylapatitfüllung beträgt 15 bis 35 Gew.-%. Zur Verminderung der Aktivierungstemperatur für den Formgedächtnis-Effekt weist das Material einen Weichmacher auf, d.h. 4,6 bis 15 Gew.-% Polyethylenglykol.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Zur Stabilisierung der mechanischen Eigenschaften des Verbundmaterials weist dieses eine vernetzte Struktur auf. Die vernetzte Struktur des Polymermaterials und die Anwesenheit einer harten Phase, d.h. von Hydroxylapatit-Nanoteilchen, gewährleisten die Ausbildung von Rückstellspannungen von 3 MPa bei einer 98%igen Formwiederherstellung. Außerdem vermindert die Zugabe des Polyethylenglykol-Weichmachers die Glasübergangstemperatur des Materials, die den Aktivierungspunkt für den Formgedächtnis-Effekt darstellt. Der Formgedächtnis-Effekt wird im Bereich von 35 bis 45°C aktiviert. Der Young's Modul bei Zug und der Elastizitätsmodul unter Kompression des Verbundmaterials betragen 4 bzw. 11 GPa. Die Schmelze des genannten Verbundmaterials weist oberhalb des Schmelzpunkts (170°C) eine erhöhte Viskosität auf, was eine höhere Genauigkeit bei einer schichtweisen Anwendung beim 3D-Druck von medizinischen Gegenständen gewährleistet.
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Der Polylactidgehalt von 80 bis 47 Gew.-% in dem Verbundmaterial wird für die Koexistenz der „harten“ und „weichen“ Phasen mit der Optimalkonzentration von zusätzlichen Komponenten benötigt. Wenn die Zugabe des Polyethylenglykol-Weichmachers oberhalb von 15 Gew.-% liegt, vermindern sich die Festigkeit und der Elastizitätsmodul des Verbundmaterials auf unterhalb 40 MPa bzw. 4GPa. Wenn jedoch der Weichmacherzusatz unterhalb 4,6 Gew.-% liegt, wird der Weichermachereffekt nicht erreicht und die Aktivierungstemperatur für den Formgedächtnis-Effekt liegt höher als 45 bis 50°C. Die Zugabe von HydroxylapatitTeilchen von weniger als 15 Gew.-% gewährleistet nicht die biologische Aktivität des Materials und vermindert den Gehalt der „harten“ Phase auf unterhalb eines Niveaus, das für die Ausbildung von Rückstellspannungen von über 1,5 MPa und für eine Formwiederherstellung von mehr 95 % ausreicht. Gleichzeitig erhöhen übermäßige Hydroxylapatitbestandteile (mehr als 35 Gew.-%) die Sprödigkeit des Verbundmaterials. Die Einführung eines Vernetzungsmittels von weniger als 0,4 Gew.-% führt zu einem unbedeutenden Strukturvernetzen und gewährleistet keine ausreichende „harte“ Phase für die Erzielung eines Formgedächtnis-Effekts oberhalb der Aktivierungstemperatur für den Formgedächtnis-Effekt. Andererseits erzeugt die Einführung eines Vernetzungsmittels von mehr als 3 Gew.-% eine übermäßig harte Struktur mit einer Glasübergangstemperatur von mehr als 45 °C. Dieses Verbundmaterial kann nicht für den schichtweisen 3D-Druck verwendet werden, weil es eine übermäßig vernetzte Struktur aufweist.
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Die industrielle und medizinische Verwendbarkeit des Polymerverbundmaterials, das hierin offenbart wird, wird durch das nachfolgende Ausführungsbeispiel bestätigt.
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Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf Figuren erläutert, wobei 1 ein Beispiel für eine Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC)-Kurve für das erfindungsgemäße Polymermaterial mit 8 Gew.-% Polyethylenglykol zeigt. Der erste Phasenübergang erfolgt beim Glasübergangspunkt des Materials, d.h. 40,9°C, was belegt, dass die Aktivierungstemperatur für den Formgedächtnis-Effekt bis auf einen Punkt abgesenkt ist, der nahe an der menschlichen Körpertemperatur liegt. 2 belegt die Erhöhung der Rückstellspannung oberhalb der Aktivierungstemperatur für den Formgedächtnis-Effekt. Wir verformten und stabilisierten die temporäre Form einer Probe, die durch 3D-Druck des Polymerverbundmaterials bei Raumtemperatur erhalten wurde, gefolgt von einem Erhitzen auf oberhalb der Aktivierungstemperatur für den Formgedächtnis-Effekt und die Wiederherstellung der Ausgangsform. Die maximale Rückstellspannung beträgt 3 MPa. 3 zeigt ein Beispiel eines Druckdiagramms für das Polymerverbundmaterial, das 30 Gew.-% Hydroxylapatit enthält. Die Bruchfestigkeit liegt oberhalb 80 MPa, und der Young's Modul liegt über 10,8 GPa. 4 illustriert ein Zugspannungsdiagramm für einen Polymerverbund, der 30 Gew.-% Hydroxylapatit enthält. Die Bruchfestigkeit liegt oberhalb von 60 MPa, und der Young's Modul überschreitet 4,0 GPa.
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Beispiel 1
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Die Ausgangsmaterialien waren Ingeo 4032 D-Polylactid (Natureworks LLC, USA), GAP 85-D Hydroxylapatitpulver (NPO Polystom) mit einer mittleren Teilchengröße von 1000 nm sowie Polyethylenglykol (OOO Polymer) mit einem Molekulargewicht von 4000 g/Mol. Das finale Polymerprodukt enthielt 47 Gew.-% Polylactid, 35 Gew.-% Hydroxylapatit und 15 Gew.-% Polyethylenglykol. Die Polylactidstruktur ist mit Evonik TAIC Triallylisocyanurat (3 Gew.-%) vernetzt. Die Glasübergangstemperatur des Materials beträgt 35°C, die Rückstellspannung 2,5 MPa, die Formwiederherstellung beträgt 98 %, die Druckfestigkeit der durch 3D-Druck hergestellten Polymerverbundstoffproben unter Kompression beträgt 70 MPa, und der Elastizitätsmodul unter Druck beträgt 9 GPa.
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Beispiel 2
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Die Ausgangsmaterialien waren Ingeo 4032 D-Polylactid (Natureworks LLC, USA), GAP 85-D Hydroxylapatitpulver (NPO Polystom) mit einer mittleren Teilchengröße von 100 nm sowie Polyethylenglykol (OOO Polymer) mit einem Molekulargewicht von 4000 g/Mol. Das finale Polymerprodukt enthielt 80 Gew.-% Polylactid, 15 Gew.-% Hydroxylapatit und 4,6 Gew.-% Polyethylenglykol. Die Polylactidstruktur ist mit PERKADOX BC-FF Dicumylperoxid (0,5 Gew.-%) vernetzt. Die Glasübergangstemperatur des Materials beträgt 45°C, die Rückstellspannung 1,7 MPa, die Formwiederherstellung beträgt 96 %, die Druckfestigkeit der durch 3D-Druck hergestellten Polymerverbundstoffproben beträgt 80 MPa, und der Elastizitätsmodul unter Druck beträgt 9 GPa.
Tabelle 1. Ergebnisse von mechanischen Tests unter Druck
| Zusammensetzung, Gew.-% | D, nm | Tg, °C | RS, MPa | εrs, % | σ, MPa | E, GPa |
| PLA | PEG | HA | Vernetzungsmittel |
| 47 | 15 | 35 | 3 | 1000 | 35 | 2.0 | 98 | 70 | 9 |
| 80 | 4.6 | 15 | 0.4 | 100 | 45 | 2.5 | 96 | 80 | 7 |
| D ist die Teilchengröße des Hydroxylapatits (HA), nm |
| Tg ist die Glasübergangstemperatur, die die Aktivierungstemperatur des Formgedächtnis-Effekts darstellt, °C |
| RS ist die Rückstellspannung, MPa |
| εrs ist die Rückstellverformung, % |
| σ ist die Bruchfestigkeit unter Druck, MPa |
| E ist der Elastizitätsmodul unter Druck, GPa |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2013/0030122 A1 [0006]
- WO 2015/110981 A1 [0008]
- US 20150123314 A1 [0010]
- WO 2013050775 A1 [0011]
- US 2011/0144751 A1 [0013]
- US 9308293 B2 [0013]
- US 2014/0236226 A1 [0015]
- US 2015/0073476 A1 [0015, 0017]
- RU 2215542 [0019]
