EA036376B1 - Shape memory polymer composite for 3d printing of medical items - Google Patents

Shape memory polymer composite for 3d printing of medical items Download PDF

Info

Publication number
EA036376B1
EA036376B1 EA201900311A EA201900311A EA036376B1 EA 036376 B1 EA036376 B1 EA 036376B1 EA 201900311 A EA201900311 A EA 201900311A EA 201900311 A EA201900311 A EA 201900311A EA 036376 B1 EA036376 B1 EA 036376B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
shape memory
polymer
composite material
phase
polymer composite
Prior art date
Application number
EA201900311A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
EA201900311A1 (en
Inventor
Федор Святославович Сенатов
Кирилл Вячеславович Няза
Виктор Викторович Чердынцев
Сергей Дмитриевич Калошкин
Юрий Захарович Эстрин
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Publication of EA201900311A1 publication Critical patent/EA201900311A1/en
Publication of EA036376B1 publication Critical patent/EA036376B1/en

Links

Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61LMETHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/40Composite materials, i.e. containing one material dispersed in a matrix of the same or different material
    • A61L27/44Composite materials, i.e. containing one material dispersed in a matrix of the same or different material having a macromolecular matrix
    • A61L27/46Composite materials, i.e. containing one material dispersed in a matrix of the same or different material having a macromolecular matrix with phosphorus-containing inorganic fillers
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33YADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y70/00Materials specially adapted for additive manufacturing
    • B33Y70/10Composites of different types of material, e.g. mixtures of ceramics and polymers or mixtures of metals and biomaterials
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08LCOMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L67/00Compositions of polyesters obtained by reactions forming a carboxylic ester link in the main chain; Compositions of derivatives of such polymers
    • C08L67/04Polyesters derived from hydroxycarboxylic acids, e.g. lactones
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61LMETHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2400/00Materials characterised by their function or physical properties
    • A61L2400/16Materials with shape-memory or superelastic properties
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61LMETHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2430/00Materials or treatment for tissue regeneration
    • A61L2430/02Materials or treatment for tissue regeneration for reconstruction of bones; weight-bearing implants
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08KUse of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/32Phosphorus-containing compounds
    • C08K2003/321Phosphates

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Transplantation (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Dermatology (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Civil Engineering (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials For Medical Uses (AREA)
  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)

Abstract

The invention relates to a medical purpose composite material based on a thermoplastic polymer with a bioactive shape memory ceramic, wherein a "hard" phase comprises a crystalline phase of a polymer matrix, chemical and physical crosslinking agents and a bioactive component, and a "soft" phase comprises an amorphous phase of a polymer matrix and a plasticizer. The provided composite material comprises the bioresorbable polyactide polymer matrix and hydroxyapatite bioactive filler with 100 to 1000 nm sized particles. The hydroxyapatite filling percentage is 15 to 35 wt.%. For reducing the shape memory effect activation temperature the composite material comprises a plasticizer, i.e., 4.6 to 15 wt.% polyethylene glycol. For stabilizing the mechanical properties the composite material has a crosslinked structure. The crosslinked structure of the polymer and the presence of the "hard" fixed phase, i.e. hydroxyapatite nanoparticles, provide for the development of recovery stresses of 3 MPa at a 98% shape recovery. Furthermore, the addition of the polyethylene glycol reduces the materials glass transition temperature which is the shape memory effect activation point. The shape memory effect is activated in the 35 to 45ºC range. Young's modulus and elastic modulus in compression of the polymer composite material are 4 and 11 GPa, respectively. The melt of the polymer composite material exhibits a higher viscosity at a temperature above the melting point (170ºC) providing for a higher layerwise application accuracy in the 3D printing of medical items. The technical result of this invention is providing a polymer composite material suitable for the layerwise 3D printing of shape memory medical items.

Description

Полимеры с памятью формы имеют ряд преимуществ перед металлическими сплавами с памятью формы благодаря гораздо большим восстанавливаемым деформациям. Начальная форма изделия из полимера с памятью формы может быть преобразована во временную форму путем деформации при фиксированной температуре ниже температуры перехода (активации эффекта памяти формы), которой может являться температура стеклования Tg или температура плавления Tm, когда подвижность сегментов полимерной цепи ограничена.Shape memory polymers have a number of advantages over shape memory metal alloys due to their much higher recoverable strains. The initial shape of the shape memory polymer article can be transformed into a temporary shape by deformation at a fixed temperature below the transition temperature (activation of the shape memory effect), which can be the glass transition temperature Tg or the melting temperature T m when the mobility of the polymer chain segments is limited.

Для наличия эффекта памяти формы в полимере должны существовать жесткая фиксированная фаза и мягкая деформируемая фаза. Движущей силой для восстановления формы является изменение подвижности полимерной цепи и трансформации из более упорядоченной временной конфигурации после деформации в более термодинамически выгодную конфигурацию с более высокой энтропией и более низкой внутренней энергией. Такое преобразование может быть активировано с помощью внешней стимуляции под воздействием тепла, электрического или магнитного поля, света, влажности и т.д. Наиболее распространенной и удобной температурой активации эффекта памяти формы с точки зрения практического применения является температура стеклования Tg, которая характеризуется увеличением подвижности сегментов цепи, в результате чего осуществляется восстановление формы.For the shape memory effect to exist in the polymer, a rigid fixed phase and a soft deformable phase must exist. The driving force for shape recovery is the change in the mobility of the polymer chain and transformation from a more ordered temporal configuration after deformation to a more thermodynamically favorable configuration with higher entropy and lower internal energy. This transformation can be activated by external stimulation under the influence of heat, electric or magnetic field, light, moisture, etc. The most common and convenient temperature for activating shape memory from the point of view of practical application is the glass transition temperature Tg, which is characterized by an increase in the mobility of the chain segments, as a result of which shape recovery occurs.

Эффект памяти формы в медицинских изделиях может иметь потенциальное применение в самоустанавливающихся и самофиксирующихся костных имплантатах.The shape memory effect in medical devices has potential applications in self-aligning and self-locking bone implants.

Полилактид (ПЛА) является термопластичным полимером, который представляет особый интерес с точки зрения применения в костных имплантатах из-за его высокого модуля упругости, относительно низкой температуры стеклования Tg и возможности использования его в 3D-печати. Физические зацепления длинных цепей ПЛА могут выступать в качестве жесткой фазы, в то время как полимерные цепи между зацеплениями могут быть растянуты в процессе деформации во временную форму. Свойства ПЛА, такие как возвращающее напряжение и восстанавливаемые деформации, могут быть улучшены за счет создания поперечных связей, добавления дисперсных высокомодульных неорганических частиц, которые могут выступать в качестве дополнительной жесткой фазы. С этой точки зрения кальцийфосфатные частицы представляют особый интерес для реконструкции костной ткани.Polylactide (PLA) is a thermoplastic polymer that is of particular interest for use in bone implants because of its high modulus of elasticity, relatively low glass transition temperature Tg, and its potential for use in 3D printing. The physical links of long PLA chains can act as a rigid phase, while the polymer chains between the links can be stretched during deformation into a temporary shape. PLA properties, such as restoring stress and recoverable strains, can be improved by creating cross-links, adding dispersed high-modulus inorganic particles that can act as an additional rigid phase. From this point of view, calcium phosphate particles are of particular interest for bone tissue reconstruction.

Изобретение относится к композиционному материалу медицинского назначения на основе термопластичного полимера с добавлением биоактивного керамического компонента, обладающего эффектом памяти формы, который можно использовать для формирования изделий медицинского назначения в ходе 3D-печати методом послойного наплавления нитей (Fused Filament Fabrication, FFF).The invention relates to a composite material for medical use based on a thermoplastic polymer with the addition of a bioactive ceramic component with a shape memory effect, which can be used to form medical products during 3D printing by layer-by-layer fusion of filaments (Fused Filament Fabrication, FFF).

Известно изобретение US 2013/0030122 A1 (Elastomers crosslinked by polylactic acid), представляющее собой метод создания полимерных композиций на основе сшитого L-полилактида или Dполилактида.Known invention US 2013/0030122 A1 (Elastomers crosslinked by polylactic acid), which is a method of creating polymer compositions based on crosslinked L-polylactide or Dpolylactide.

Недостатком упомянутого изобретения является то, что температура стеклования Tg=-26°C и температура плавления Tm=224°C полимерного композита, которые могли бы являться температурами активации эффекта памяти формы, не близки к температуре человеческого тела.The disadvantage of the aforementioned invention is that the glass transition temperature Tg = -26 ° C and the melting point T m = 224 ° C of the polymer composite, which could be the activation temperatures of the shape memory effect, are not close to the temperature of the human body.

Известно изобретение WO 2015110981 A1 (Use of polylactide and method of manufacturing a heat sealed paper or board container or package), представляющее собой метод создания полимерных композитов на основе полилактида и полибутиленсукцината (PBS) с добавлением полифункционального сшивающего агента, такого как триалкилсилил изоцианурат (TAIC).Known invention WO 2015110981 A1 (Use of polylactide and method of manufacturing a heat sealed paper or board container or package), which is a method of creating polymer composites based on polylactide and polybutylene succinate (PBS) with the addition of a polyfunctional cross-linking agent such as trialkylsilyl isocyanurate (TAIC ).

Недостатком упомянутого изобретения является то, что данный полимерный композит не проявляет эффекта памяти формы.The disadvantage of the aforementioned invention is that this polymer composite does not exhibit the shape memory effect.

Известно изобретение US 20150123314 A1 (Process for the manufacture of shape memory polymer material), представляющее собой метод получения полимерного материала с эффектом памяти формы. Материал производится из биорезорбируемого полимера (полилактид, полигликолид, поликапролактон, полидиоксанон, полиуретан, полиакрилат, полиметилметакрилат, полибутилметакрилат или полиэфирэфиракетон), биокерамики (фосфат кальция, трикальцийфосфат, гидроксиапатит, карбонат кальция, сульфат кальция, биостекло или гликолид), а также полиэтиленгликоля.Known invention US 20150123314 A1 (Process for the manufacture of shape memory polymer material), which is a method of obtaining a polymer material with a shape memory effect. The material is made from a bioresorbable polymer (polylactide, polyglycolide, polycaprolactone, polydioxanone, polyurethane, polyacrylate, polymethyl methacrylate, polybutyl methacrylate or polyetheretherketone), bioceramics (calcium phosphate, tricalcium phosphate, hydroxycolyde, a calcium sulfate, calcium sulfate, calcium sulfate, calcium sulfate, calcium sulfate, calcium carbonate, calcium sulfate)

Недостатком упомянутого изобретения является неполное восстановление формы (90% в оптимальном режиме).The disadvantage of the aforementioned invention is incomplete restoration of the shape (90% in the optimal mode).

Известно изобретение WO 2013050775 A1 (Medical devices containing shape memory polymer compositions), представляющее собой медицинское устройство из полимерного материала с эффектом памяти формы. Полимерный материал производится из биорезорбируемого полимера (полилактид, полигликолид, поликапролактон, полидиоксанон, полиуретан, полиакрилат, полиметилметакрилат, полибутилметакрилат или полиэфирэфиракетон), а также пластификтора (полиэтиленгликоля).Known invention WO 2013050775 A1 (Medical devices containing shape memory polymer compositions), which is a medical device made of a polymer material with a shape memory effect. The polymeric material is made from a bioresorbable polymer (polylactide, polyglycolide, polycaprolactone, polydioxanone, polyurethane, polyacrylate, polymethyl methacrylate, polybutyl methacrylate or polyether ether ketone), as well as a plasticizer (polyethylene glycol).

Недостатком упомянутого изобретения является отсутствие сшитой структуры и фиксированной жесткой фазы, которая обеспечивала бы возвращающие напряжения, большие, чем в чистом ненаполненном полилактиде.The disadvantage of the aforementioned invention is the absence of a crosslinked structure and a fixed rigid phase, which would provide restoring voltages higher than in pure unfilled polylactide.

Известны изобретения US 2011/0144751 A1 (Multimodal shape memory polymers), US 9308293 B2 (Multimodal shape memory polymers), представляющие собой полимерный композит на основе двух полимеров с разной молекулярной массой и кальцийфосфатной керамикой.Known inventions US 2011/0144751 A1 (Multimodal shape memory polymers), US 9308293 B2 (Multimodal shape memory polymers), which are a polymer composite based on two polymers with different molecular weights and calcium phosphate ceramics.

- 1 036376- 1 036376

Недостатком упомянутых изобретений является то, что температура стеклования Tg полимерного композита, которая могла бы являться температурой активации эффекта памяти формы, не близка к температуре человеческого тела. Также в композите отсутствует сшитая структура, обеспечивающая механическую жесткость.The disadvantage of the above inventions is that the glass transition temperature Tg of the polymer composite, which could be the activation temperature of the shape memory effect, is not close to the temperature of the human body. Also, the composite lacks a crosslinked structure that provides mechanical rigidity.

Известно изобретение US 2014/0236226 A1 (Tailored polymers), US 2015/0073476 A1, представляющее собой полимерный композит на основе полилактида и водорастворимого пластификатора.Known invention US 2014/0236226 A1 (Tailored polymers), US 2015/0073476 A1, which is a polymer composite based on polylactide and a water-soluble plasticizer.

Недостатком упомянутого изобретения является неполное (90% в оптимальном режиме) и медленное (в течение 24 ч) восстановление формы, а также отсутствие биоактивного компонента (кальцийфосфатной керамики).The disadvantage of the aforementioned invention is incomplete (90% in the optimal mode) and slow (within 24 hours) restoration of the shape, as well as the absence of a bioactive component (calcium phosphate ceramics).

Известно изобретение US 2015/0073476 Al (Shape memory polymer compositions), представляющее собой полимерный композит на основе полилактида.Known invention US 2015/0073476 Al (Shape memory polymer compositions), which is a polymer composite based on polylactide.

Недостатком упомянутого изобретения является неполное (до 90%) и медленное (в течение >24 ч) восстановление формы.The disadvantage of the aforementioned invention is incomplete (up to 90%) and slow (within> 24 h) shape recovery.

У всех вышеперечисленных изобретений также отсутствует возможность использования их для послойной 3D-печати медицинских изделий.All of the above inventions also lack the ability to use them for layer-by-layer 3D printing of medical devices.

Прототипом является изобретение патент RU №2215542 (Биоразлагающиеся полимеры, способные к восстановлению формы), представляющее собой биоразлагаемые и биосовместимые полимерные композиции с памятью формы для применения в изделиях медицинского назначения и в качестве носителей терапевтических или диагностических агентов.The prototype is the invention patent RU No. 2215542 (Biodegradable polymers capable of recovering the shape), which is a biodegradable and biocompatible polymer composition with shape memory for use in medical products and as carriers of therapeutic or diagnostic agents.

Недостатком упомянутого изобретения является отсутствие биоактивного компонента - кальцийфосфатной керамики, отсутствие возможности обеспечения послойного наплавления при формировании медицинских изделий методом 3D-печати. Еще одним недостатком являются невысокие механические свойства (модуль упругости менее 100 МПа, предел прочности менее 20 МПа).The disadvantage of the aforementioned invention is the absence of a bioactive component - calcium phosphate ceramics, the lack of the possibility of providing layer-by-layer fusion when forming medical products by 3D printing. Another disadvantage is low mechanical properties (modulus of elasticity less than 100 MPa, ultimate strength less than 20 MPa).

Технический результат заявляемого изобретения заключается в создании полимерного композита, который можно использовать для формирования методом послойной 3D-печати изделий медицинского назначения с эффектом памяти формы, отличающегося возможностью использования для послойной 3D-печати медицинских изделий;The technical result of the claimed invention is to create a polymer composite that can be used to form medical products with a shape memory effect by layer-by-layer 3D-printing, which can be used for layer-by-layer 3D printing of medical products;

сшитой структурой для сохранения механических свойств;cross-linked structure to maintain mechanical properties;

температурой активации эффекта памяти формы от 35 до 45°С;the temperature of activation of the shape memory effect from 35 to 45 ° C;

наличием биоактивного компонента с размером частиц от 100 до 1000 нм;the presence of a bioactive component with a particle size of 100 to 1000 nm;

наличием возвращающих напряжений 3МПа при восстановлении формы на уровне 98% при активации эффекта памяти формы;the presence of restoring voltages of 3 MPa during shape recovery at the level of 98% upon activation of the shape memory effect;

высокими механическими свойствами на растяжение: модуль Юнга 4 ГПа, предел прочности 43 МПа;high mechanical tensile properties: Young's modulus 4 GPa, tensile strength 43 MPa;

высокими механическими свойствами на сжатие: модуль Юнга 11 ГПа, предел прочности 96 МПа.high mechanical properties in compression: Young's modulus 11 GPa, ultimate strength 96 MPa.

Технический результат достигается следующим образом: формируется композиционной материал на основе термопластичного полимера с добавлением биоактивного керамического компонента, обладающего эффектом памяти формы, в котором жесткая фаза представлена кристаллической фазой полимерной матрицы, химическими и физическими сшивками и биоактивным компонентом, а мягкая фаза представлена аморфной фазой полимерной матрицы и пластификатором.The technical result is achieved as follows: a composite material is formed based on a thermoplastic polymer with the addition of a bioactive ceramic component with a shape memory effect, in which the hard phase is represented by the crystalline phase of the polymer matrix, chemical and physical crosslinks and a bioactive component, and the soft phase is represented by the amorphous phase of the polymer matrix and a plasticizer.

В предлагаемом в данной заявке изобретении композиционный материал имеет в качестве полимерной матрицы биорезорбируемый полилактид, а в качестве биоактивного наполнителя - гидроксиапатит со средним размером частиц от 100 до 1000 нм. Степень наполнения гидроксиапатитом - от 15 до 35 мас.%. Для снижения температуры активации эффекта памяти формы композиционный материал содержит пластификатор полиэтиленгликоль, от 5 до 15 мас.%.In the proposed in this application, the composite material has as a polymer matrix bioresorbable polylactide, and as a bioactive filler - hydroxyapatite with an average particle size of 100 to 1000 nm. The degree of filling with hydroxyapatite is from 15 to 35 wt%. To reduce the activation temperature of the shape memory effect, the composite material contains polyethylene glycol plasticizer, from 5 to 15 wt%.

Для стабилизации механических свойств композиционный материал имеет сшитую структуру. Сшитая структура полимера и наличие жесткой фиксированной фазы - наночастиц гидроксиапатита приводят к развитию возвращающих напряжений величиной в 3 МПа при 98%-ном восстановлении формы. При этом за счет введения пластификатора (полиэтиленгликоля) снижается температура стеклования материала, играющая роль температуры активации эффекта памяти формы. Активация эффекта памяти формы происходит в диапазоне температур от 35 до 45°С. Модуль Юнга на растяжение и на сжатие полимерного композита составляет 4 и 11 ГПа соответственно. Расплав полимерного композита имеет повышенную вязкость при температуре выше температуры плавления (170°С) для обеспечения повышения точности послойного наплавления при изготовлении медицинских изделий методом 3D-печати.To stabilize the mechanical properties, the composite material has a crosslinked structure. The crosslinked structure of the polymer and the presence of a rigid fixed phase — hydroxyapatite nanoparticles — lead to the development of restoring stresses of 3 MPa at 98% shape recovery. At the same time, due to the introduction of a plasticizer (polyethylene glycol), the glass transition temperature of the material, which plays the role of the activation temperature of the shape memory effect, decreases. The shape memory effect is activated in the temperature range from 35 to 45 ° C. Young's modulus for tension and compression of the polymer composite is 4 and 11 GPa, respectively. The polymer composite melt has an increased viscosity at a temperature above the melting point (170 ° C) to ensure an increase in the accuracy of layer-by-layer fusion in the manufacture of medical devices using 3D printing.

Содержание полилактида в композите полилактида от 80 до 47 мас.% нужно для наличия одновременно мягкой и жесткой фазы с оптимальным содержанием дополнительных вводимых компонентов. При добавлении пластификатора (полиэтиленгликоль, ПЭГ) более 15 мас.% прочность и модуль упругости композиционного материала снижаются ниже 40 МПа и 4 ГПа соответственно. При добавлении же менее 4,6 мас.% не достигается эффект пластификации, температура активации эффекта памяти формы становится выше 45-50°С. При добавлении частиц гидроксиапатита (ГАП) менее 15 мас.% не обеспечивается биоактивность материала, а также содержание жесткой фазы становится слишком малым, чтобы обеспечить развитие возвращающих напряжений более 1,5 МПа и восстановлении формы более 95%. СлишThe polylactide content in the polylactide composite from 80 to 47 wt% is required for the presence of both soft and hard phases with an optimal content of additional added components. When a plasticizer (polyethylene glycol, PEG) is added over 15 wt%, the strength and elastic modulus of the composite material decrease below 40 MPa and 4 GPa, respectively. When adding less than 4.6 wt.%, The effect of plasticization is not achieved, the activation temperature of the shape memory effect becomes higher than 45-50 ° C. When adding particles of hydroxyapatite (HAP) less than 15 wt.%, The bioactivity of the material is not ensured, and the content of the hard phase becomes too low to ensure the development of restoring stresses of more than 1.5 MPa and recovery of the shape of more than 95%. Slish

- 2 036376 ком же высокое содержание ГАП (более 35 мас.%) приводит к повышенной хрупкости композиционного материала. Введение химического агента для сшивки в количестве менее 0,4 мас.% приводит к незначительной сшивке структуры и не создает жесткую фазу для реализации эффекта памяти формы при нагреве выше температуры активации. Введение же более 3 мас.% химического агента для сшивки приводит к формированию излишне жесткой структуры с температурой стеклования выше 45°С. Такой композит с излишне сшитой структурой не может быть использован для послойной 3D-печати.- 2 036376 lump same high content of HAP (more than 35 wt.%) Leads to increased fragility of the composite material. The introduction of a chemical agent for crosslinking in an amount of less than 0.4 wt% leads to insignificant crosslinking of the structure and does not create a rigid phase for the realization of the shape memory effect when heated above the activation temperature. The introduction of more than 3 wt% of a chemical agent for crosslinking leads to the formation of an excessively rigid structure with a glass transition temperature above 45 ° C. Such a composite with an overly crosslinked structure cannot be used for layer-by-layer 3D printing.

Возможность промышленной применимости предлагаемого полимерного композита и его использования в медицине подтверждается следующим примером реализации.The possibility of industrial applicability of the proposed polymer composite and its use in medicine is confirmed by the following implementation example.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан пример кривой дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) для полимерного композита с содержанием полиэтиленгликоля (ПЭГ) 8 мас.%. Первое фазовое превращение происходит при температуре стеклования материала 40,9°С, т.е. температура активации эффекта памяти формы снижена до температуры, близкой к температуре человеческого тела. На фиг. 2 показан пример роста возвращающих напряжений выше температуры активации эффекта памяти формы. Производилась деформация с фиксацией временной формы образца, полученного методом 3D-печати из полимерного композита, при комнатной температуре с последующим нагревом выше температуры активации эффекта памяти формы и восстановления исходной формы. Максимальные возвращающие напряжения составляют 3 МПа. На фиг. 3 показан пример диаграммы деформации полимерного композита при сжатии с содержанием гидроксиапатита 30 мас.%. Предел прочности составил более 80 МПа, а модуль Юнга более 10,8 ГПа. На фиг. 4 показан пример диаграммы деформации полимерного композита при растяжении с содержанием гидроксиапатита 30 мас.%. Предел прочности составил более 60 МПа, а модуль Юнга более 4,0 ГПа.The invention is illustrated by drawings, where Fig. 1 shows an example of a differential scanning calorimetry (DSC) curve for a polymer composite containing 8 wt% polyethylene glycol (PEG). The first phase transformation occurs at the glass transition temperature of the material 40.9 ° C, i.e. the activation temperature of the shape memory effect is reduced to a temperature close to that of the human body. FIG. 2 shows an example of the growth of the returning voltages above the activation temperature of the shape memory effect. Deformation was carried out with fixation of the temporary shape of the sample obtained by 3D printing from a polymer composite at room temperature, followed by heating above the temperature of activation of the shape memory effect and restoration of the original shape. The maximum restoring stress is 3 MPa. FIG. 3 shows an example of a compression deformation diagram of a polymer composite with a hydroxyapatite content of 30 wt%. The ultimate strength was more than 80 MPa, and the Young's modulus was more than 10.8 GPa. FIG. 4 shows an example of a tensile strain diagram of a polymer composite with a hydroxyapatite content of 30 wt%. The ultimate strength was more than 60 MPa, and Young's modulus was more than 4.0 GPa.

Пример 1.Example 1.

В качестве исходных материалов использовался полилактид (ПЛА) марки Ingeo 4032D (производства Natureworks LLC, USA), порошок гидроксиапатита (ГАП) ГАП 85-Д (производства НПО Полистом) со средним размером частиц 1000 нм, полиэтиленгликоль (ПЭГ) ООО Изомер с молекулярной массой 4000 г/моль. Сформирован полимерный композит с содержанием ПЛА 47 мас.%, ГАП - 35 мас.%, ПЭГ 15 мас.%. Структура ПЛА химически сшита с помощью триаллилизоцианурата ТАИК Evonik (3 мас.%). Температура стеклования - 35°С, возвращающие напряжения - 2,5 МПа, восстановление формы 98%, предел прочности напечатанных на 3D-прингере образцов из полимерного композита на сжатие - 70 МПа, модуль Юнга при сжатии - 9 ГПа.The starting materials were polylactide (PLA) brand Ingeo 4032D (manufactured by Natureworks LLC, USA), hydroxyapatite powder (HAP) HAP 85-D (manufactured by NPO Polistom) with an average particle size of 1000 nm, polyethylene glycol (PEG) by Isomer LLC with molecular weight 4000 g / mol. Formed a polymer composite containing PLA 47 wt.%, HAP - 35 wt.%, PEG 15 wt.%. The PLA structure was chemically crosslinked using the TAIK Evonik triallyl isocyanurate (3 wt%). The glass transition temperature is 35 ° C, the restoring stresses are 2.5 MPa, the shape recovery is 98%, the compressive strength of the 3D-printed polymer composite samples is 70 MPa, the Young's modulus in compression is 9 GPa.

Пример 2.Example 2.

В качестве исходных материалов использовался полилактид (ПЛА) марки Ingeo 4032D (производства Natureworks LLC, USA), порошок гидроксиапатита (ГАП) ГАП 85-УД (производства НПО Полистом) со средним размером частиц 100 нм, полиэтиленгликоль (ПЭГ) ООО Изомер с молекулярной массой 4000 г/моль. Сформирован полимерный композит с содержанием ПЛА - 80 мас.%, ГАП - 15 мас.%, ПЭГ - 4,6 мас.%. Структура ПЛА химически сшита с помощью декумилпероксида PERKADOX BC-FF (0,4 мас.%). Температура стеклования - 45°С, возвращающие напряжения - 1.7 МПа, восстановление формы 96%, предел прочности напечатанных на 3D-πрингере образцов из полимерного композита на сжатие - 80 МПа, модуль Юнга при сжатии - 7 ГПа.The starting materials were polylactide (PLA) brand Ingeo 4032D (manufactured by Natureworks LLC, USA), hydroxyapatite powder (HAP) GAP 85-UD (produced by NPO Polistom) with an average particle size of 100 nm, polyethylene glycol (PEG) LLC Isomer with molecular weight 4000 g / mol. Formed polymer composite containing PLA - 80 wt.%, HAP - 15 wt.%, PEG - 4.6 wt.%. The PLA structure was chemically cross-linked using PERKADOX BC-FF decumyl peroxide (0.4 wt%). The glass transition temperature is 45 ° C, the restoring stresses are 1.7 MPa, the shape recovery is 96%, the compressive strength of the samples from the polymer composite printed on the 3D-πringer is 80 MPa, and the Young's modulus in compression is 7 GPa.

Составы композита и достигаемые результатыComposite compositions and achieved results

Состав, % масс. Composition, wt% D, НМ D, NM Tg,°CT g , ° C RS, МПа RS, MPa ε„, % ε „,% σ, МПа σ, MPa Е, ГПа E, GPa ПЛА PLA ПЭГ PEG ГАП GAP Хим.агент для сшивки Stitching agent 47 47 15 15 35 35 3 3 1000 1000 35 35 2,0 2.0 98 98 70 70 9 nine 80 80 4,6 4.6 15 15 0,4 0,4 100 one hundred 45 45 2,5 2.5 96 96 80 80 7 7 D - размер частиц ГАП, нм Tg — температура стеклования, являющаяся температурой активации эффекта памяти формы (ЭПФ), °C RS - возвращающие напряжения при активации ЭПФ, МПа £rs - восстановление формы при активации ЭПФ, % а - предел прочности при сжатии, МПа Е- модуль упругости при сжатии, ГПаD - HAP particle size, nm T g - glass transition temperature, which is the activation temperature of the shape memory effect (SME), ° C RS - restoring stresses upon SME activation, MPa £ rs - shape recovery upon SME activation,% а - compressive strength , MPa E- modulus of elasticity in compression, GPa

Claims (2)

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯCLAIM 1. Полимерный композит с памятью формы, состоящий из жесткой и мягкой фаз на основе биоразлагаемых и биосовместимых полимерных композиций, отличающийся тем, что в полимерном композите жесткая фаза представлена кристаллической фазой полимерной матрицы, химическими и физическими сшивками и биоактивным компонентом в виде гидроксиапатита с размером частиц от 100 до 1000 нм, а мягкая фаза представлена аморфной фазой полимерной матрицы и пластификатором в виде полиэтиленгликоля, при следующем соотношении компонентов (мас.%):1. Polymer composite with shape memory, consisting of hard and soft phases based on biodegradable and biocompatible polymer compositions, characterized in that the hard phase in the polymer composite is represented by the crystalline phase of the polymer matrix, chemical and physical crosslinks and a bioactive component in the form of hydroxyapatite with a particle size from 100 to 1000 nm, and the soft phase is represented by the amorphous phase of the polymer matrix and the plasticizer in the form of polyethylene glycol, with the following ratio of components (wt%): полилактид - от 80 до 47;polylactide - from 80 to 47; гидроксиапатит - от 15 до 35;hydroxyapatite - 15 to 35; полиэтиленгликоль - от 4,6 до 15;polyethylene glycol - from 4.6 to 15; химический агент для сшивки - от 0,4 до 3,0.chemical agent for crosslinking - from 0.4 to 3.0. 2. Полимерный композит по п.1, отличающийся тем, что химическим агентом для сшивки является триаллилизоцианурат или дикумилпероксид.2. The polymer composite of claim 1, wherein the chemical crosslinking agent is triallyl isocyanurate or dicumyl peroxide.
EA201900311A 2016-12-19 2017-12-11 Shape memory polymer composite for 3d printing of medical items EA036376B1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016149740A RU2631890C1 (en) 2016-12-19 2016-12-19 Polymer composite with shape memory effect for 3d-printing of medical equipment
PCT/RU2017/000929 WO2018117907A1 (en) 2016-12-19 2017-12-11 Shape memory polymer composite for 3d printing of medical items

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EA201900311A1 EA201900311A1 (en) 2019-11-29
EA036376B1 true EA036376B1 (en) 2020-11-02

Family

ID=60040580

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EA201900311A EA036376B1 (en) 2016-12-19 2017-12-11 Shape memory polymer composite for 3d printing of medical items

Country Status (5)

Country Link
CN (1) CN110087702A (en)
DE (1) DE112017006358T5 (en)
EA (1) EA036376B1 (en)
RU (1) RU2631890C1 (en)
WO (1) WO2018117907A1 (en)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2679632C1 (en) * 2018-06-14 2019-02-12 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" Composite for 3d-printing of medical products
RU2679127C1 (en) * 2018-06-14 2019-02-06 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" Composite for 3d-printing of medical products
EP3822006A1 (en) 2019-11-14 2021-05-19 Rolls-Royce Corporation Fused filament fabrication of shape memory alloys
KR102258272B1 (en) 2020-05-11 2021-05-31 주식회사 엠오피(M.O.P Co., Ltd.) Light polymerised 3d printing method using self healing photopolymer
CN113368311A (en) * 2021-04-14 2021-09-10 成都理工大学 Hydroxyapatite/polyurethane porous bone repair material with shape memory
CN113502038A (en) * 2021-07-21 2021-10-15 珠海市三绿实业有限公司 Memory 3D printing supplies lines with wooden feel
CN115558248B (en) * 2022-11-01 2023-07-21 桂林电子科技大学 Light/heat driven shape memory and self-repairing functional material and preparation method and application thereof

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2215542C2 (en) * 1998-02-23 2003-11-10 Массачусетс Инститьют Оф Текнолоджи Biodecomposing polymers able recovery of form
US20150123314A1 (en) * 2011-10-05 2015-05-07 Smith & Nephew Plc Process for the manufacture of shape memory polymer material

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2215542C2 (en) * 1998-02-23 2003-11-10 Массачусетс Инститьют Оф Текнолоджи Biodecomposing polymers able recovery of form
US20150123314A1 (en) * 2011-10-05 2015-05-07 Smith & Nephew Plc Process for the manufacture of shape memory polymer material

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ZHANG X. et al. Reinforcement effect of poly(butylene succinate) (PBS)-grafted cellulose nanocrystal on toughened PBS/polylactic acid blends. Carbohydr Polym, 2016, 20, 140: pp. 374-382 (abstract) [online] [retrieved 28.05.2018] Retrieved from PubMed, PMID: 26876864 *

Also Published As

Publication number Publication date
RU2631890C1 (en) 2017-09-28
CN110087702A (en) 2019-08-02
EA201900311A1 (en) 2019-11-29
WO2018117907A1 (en) 2018-06-28
DE112017006358T5 (en) 2019-08-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2631890C1 (en) Polymer composite with shape memory effect for 3d-printing of medical equipment
Senatov et al. Mechanical properties and shape memory effect of 3D-printed PLA-based porous scaffolds
CN101594831B (en) Fiber reinforced composite material
Balk et al. Recent advances in degradable lactide-based shape-memory polymers
Cui et al. Adjusting shape-memory properties of amorphous polyether urethanes and radio-opaque composites thereof by variation of physical parameters during programming
Lendlein et al. Shape‐memory polymers as stimuli‐sensitive implant materials
Wong et al. Biomedical applications of shape-memory polymers: how practically useful are they?
CN88100127A (en) Novel Surgical Materials and Devices
Xu et al. Thermal responsive shape memory polymers for biomedical applications
JPH0763504B2 (en) Material for bone grafting device and method for manufacturing the same
JP7387655B2 (en) Biodegradable polymer blends for manufacturing medical devices
Khan et al. A brief overview of shape memory effect in thermoplastic polymers
He et al. Polyurethanes based on polylactic acid for 3D printing and shape-memory applications
Imran Khan et al. A brief overview of shape memory effect in thermoplastic polymers
AU2012360738B2 (en) Composite containing polymer and additive as well as its use
WO2007110611A1 (en) Composite material
Rizzarelli et al. Analytical methods in resorbable polymer development and degradation tracking
JP5218951B2 (en) High strength and high modulus biodegradable bone anchoring material
Adamus et al. In vitro degradation of β-Tricalcium phosphate reinforced poly (L-Lactic Acid)
El Fray et al. Preparation and bioactivity of novel multiblock thermoplastic elastomer/tricalcium phosphate composites
Ahuja et al. Biodegradable shape memory polyurethane and its nanocomposites for biomedical applications
Das et al. Shape memory polymers as sutures
du Toit et al. Customized shape memory biopolymers
Dubinenko et al. Influence of hydroxyapatite filling degree on mechanical properties of 3D-printed poly (l-lactic acid)-based implantable material1
Atagür Manufacturing and Characterization of Peptide Coated Polylactic Acid Based Composites for Various Medical Applications

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s)

Designated state(s): AM AZ KG TJ TM RU