ES2265186T3 - Polimeros con memoria de forma. - Google Patents

Abstract

Una composición polimérica con memoria de forma que tiene al menos dos formas en la memoria, donde la composición incluye dos segmentos blandos y bien un segmento duro o bien entrecruzamientos covalentes, en la que el primer segmento blando tiene una Ttrans al menos 10ºC por debajo de la del segmento duro y al menos 10ºC por encima de la del segundo segmento blando.

Description

Polímeros con memoria de forma.

Antecedentes de la invención

Esta solicitud reside de manera general en el área de los polímeros con memoria de forma y, más particularmente, de los polímeros con memoria de forma que tienen características de funcionamiento mejoradas y más de una forma en la memoria.

La memoria de forma es la capacidad de un material para recordar su forma original, ya sea después de una deformación mecánica (Figura 1), que es un efecto unidireccional, o por enfriamiento y calentamiento (Figura 2), que es un efecto bidireccional. Este fenómeno está basado en una transformación de fase estructural.

Los primeros materiales que se supo que tenían estas propiedades eran aleaciones de metales con memoria de forma (SMAs), incluyendo las aleaciones TiNi (Nitinol), CuZnAl y FeNiAl. La transformación de fase estructural de estos materiales es conocida como transformación martensítica. Estos materiales han sido propuestos para varios usos, incluyendo prótesis vasculares, hilos piloto para medicina, hilos metálicos para ortodoncia, amortiguadores de vibración, acoplamientos de tuberías, conectores eléctricos, termostatos, accionadores, marcos de gafas y aros de sujetadores. Estos materiales no se han utilizado mucho todavía, en parte porque son relativamente caros.

Los científicos están desarrollando activamente polímeros con memoria de forma (SMPs) para sustituir o aumentar la utilización de SMAs, en parte porque los polímeros son ligeros, tienen una elevada capacidad para recuperar su forma, son fáciles de manipular y son económicos en comparación con las SMAs. En la literatura, los SMPs son caracterizados generalmente como copolímeros de bloque lineales de fases segregadas que tienen un segmento duro y un segmento blando. El segmento duro es típicamente cristalino, con un punto de fusión definido, y el segmento blando es típicamente amorfo, con una temperatura de transición vítrea definida. En algunas realizaciones, sin embargo, el segmento duro es amorfo y tiene una temperatura de transición vítrea en lugar de un punto de fusión. En otras realizaciones, el segmento blando es cristalino y tiene un punto de fusión en lugar de una temperatura de transición vítrea. El punto de fusión o la temperatura de transición vítrea del segmento blando es sustancialmente menor que el punto de fusión o a la temperatura de transición vítrea del segmento duro.

Cuando el SMP es calentado por encima del punto de fusión o de la temperatura de transición vítrea del segmento duro, el material puede ser modelado. Esta forma (original) puede ser memorizada mediante el enfriamiento del SMP por debajo del punto de fusión o de la temperatura de transición vítrea del segmento duro. Cuando el SMP modelado es enfriado por debajo del punto de fusión o de la temperatura de transición vítrea del segmento blando mientras se deforma la forma, esa forma (temporal) resulta fijada. La forma original es recuperada mediante calentamiento del material por encima del punto de fusión o de la temperatura de transición vítrea del segmento blando, pero por debajo del punto de fusión o de la temperatura de transición vítrea del segmento duro. En otro método para establecer una forma temporal, el material es deformado a una temperatura inferior al punto de fusión o a la temperatura de transición vítrea del segmento blando, teniendo como resultado la absorción de la tensión y de la elongación por el segmento blando. Cuando el material es calentado por encima del punto de fusión o de la temperatura de transición vítrea del segmento blando, pero por debajo del punto de fusión (o de la temperatura de transición vítrea) del segmento duro, se liberan las tensiones y las elongaciones y el material vuelve a su forma original. La recuperación de la forma original, que es inducida por un incremento de la temperatura, es denominada efecto de memoria de forma térmico. Las propiedades que describen las capacidades de memoria de forma de un material son la recuperación de la forma original y la fijación de la forma temporal.

Varias propiedades físicas de los SMPs, distintas de la capacidad para memorizar la forma, son alteradas significativamente en respuesta a cambios externos de la temperatura y la tensión, particularmente en el punto de fusión o en la temperatura de transición vítrea del segmento blando. Estas propiedades incluyen el coeficiente elástico, la dureza, la flexibilidad, la permeabilidad al vapor, la amortiguación, el índice de refracción y la constante dieléctrica. El coeficiente elástico (la proporción de la tensión en un cuerpo respecto a la elongación correspondiente) de un SMP puede cambiar en un factor de hasta 200 cuando es calentado por encima del punto de fusión o de la temperatura de transición vítrea del segmento blando. Además, la dureza del material cambia drásticamente cuando el segmento blando está a la temperatura de su punto de fusión o a su temperatura de transición vítrea o por encima de las mismas. Cuando el material es calentado a una temperatura por encima del punto de fusión o de la temperatura de transición vítrea del segmento blando, la capacidad de amortiguación puede ser hasta cinco veces mayor que la de un producto de caucho convencional. El material puede recuperar fácilmente su forma moldeada original después de numerosos ciclos térmicos, y puede ser calentado por encima del punto de fusión del segmento duro y remodelado y enfriado para fijar una nueva forma original.

El efecto de memoria de forma existe en los polímeros (por ejemplo las películas contraíbles por calor). Sin embargo, no es una propiedad principal específica, sino que resulta de la estructura y de la morfología del polímero. El efecto es persistente en muchos polímeros, que pueden diferir significativamente en su composición química. Sin embargo, solamente se han descrito en la literatura unos cuantos sistemas de polímeros con memoria de forma (Kim y col., "Polyurethanes having shape memory effect", Polymer 37(26):5781-93 (1996); Li y col., "Crystallinity and morphology of segmented polyurethanes with different soft-segment lenght", J. Applied Polymer 62:631-38 (1996); Takahashi y col., "Structure and properties of shape-memory polyurethane block copolymers", J. Applied Polymer Science 60:1061-69 (1996); Tobushi, H. y col., "Thermomechanical properties of shape memory polymers of polyurethane series and their applications", J. Physique IV (Colloque C1) 6:377-84 (1996)).

Ejemplos de polímeros utilizados para preparar segmentos duros y blandos de SMPs incluyen varios poliéteres, poliacrilatos, poliamidas, polisiloxanos, poliuretanos, amidas de poliéteres, poliuretano/ureas, ésteres de poliéteres y copolímeros de uretano/butadieno. Ver, por ejemplo, la Patente de EE.UU. Nº 5.506.300 para Ward y col.; la Patente de EE.UU. Nº 5.145.935 para Hayashi; la Patente de EE.UU. Nº 5.665.822 para Bitler y col.; y Gorden, "Applications of Shape Memory Polyurethanes", Proceedings of the First International Conference on Shape Memory and Superelastic Technologies, SMST International Committee, pp. 115-19 (1994). Los SMPs que han sido desarrollados hasta ahora parecen limitarse a poder mantener solamente una forma temporal en la memoria. Sería ventajoso proporcionar SMPs que fueran capaces de formar objetos que pudieran mantener más de una forma en la memoria.

EP 0 422 693 A2 describe un método para producir un artículo con propiedades de memoria de forma y algunos de los artículos así obtenidos.

Yong Li y col. describen en J. of Appl. Polym. Sc., Vol. 63, nº 9, 1173-1178, geles con memoria de forma producidos mediante la tecnología de geles modulados.

Zhibing Hu y col. describen en Science, Vol. 269, 525-527, la síntesis y las aplicaciones de geles poliméricos modulados.

JP-A-03-068611 describe un material polimérico con memoria de forma.

EP 0 385 443 A2 describe un material polimérico con características de memoria de forma.

EP 0 374 961 A2 describe una resina polimérica con memoria de forma.

Es por tanto un objeto de la presente invención proporcionar SMPs que sean capaces de formar objetos que puedan mantener más de una forma en la memoria.

Es otro objeto de la presente invención proporcionar SMPs con propiedades físicas y químicas y con estructuras químicas que sean diferentes de las de los SMPs convencionales.

Es otro objeto más de la presente invención proporcionar SMPs con formas en la memoria que sean producidas por un estímulo distinto de la temperatura. Este objeto ha sido resuelto proporcionando el material de la reivindicación 1. Las realizaciones preferidas están definidas en las reivindicaciones 2-43.

Resumen de la invención

Se describen composiciones poliméricas con memoria de forma, artículos fabricados a partir de las mismas y métodos de preparación y utilización de las mismas. Por ejemplo, la composición puede incluir un segmento duro y al menos dos segmentos blandos. La T_{trans} del segmento duro es al menos 10ºC, y preferiblemente 20ºC, mayor que la T_{trans} de uno de los segmentos blandos, y la T_{trans} de cada segmento blando subsiguiente es al menos 10ºC, y preferiblemente 20ºC, menor que la T_{trans} del segmento blando precedente. Un copolímero de múltiples bloques con un segmento duro que tenga una T_{trans} relativamente elevada y un segmento blando con una T_{trans} relativamente baja, puede ser mezclado o combinado con un segundo copolímero de múltiples bloques que tenga un segmento duro con una T_{trans} relativamente baja y el mismo segmento blando que el del primer copolímero de múltiples bloques. Como los segmentos blandos son idénticos en ambos copolímeros de múltiples bloques, los polímeros son miscibles entre sí cuando se funden los segmentos blandos. La mezcla resultante tiene tres temperaturas de transición: una para el primer segmento duro, una para el segundo segmento duro y una para el segmento blando. Por consiguiente, estos materiales son capaces de memorizar dos formas diferentes.

Cualquier polímero que sea cristalino o amorfo y que tenga una T_{trans} dentro del rango definido en la presente, puede ser utilizado para formar los segmentos duros y blandos. El punto de fusión o la temperatura de transición vítrea (de aquí en adelante T_{trans}) del segmento duro es al menos 10ºC, y preferiblemente 20ºC, mayor que la T_{trans} del segmento blando. La T_{trans} del segmento duro está preferiblemente entre -30 y 270ºC, y más preferiblemente entre 30 y 150ºC. La proporción en peso segmento duro:segmentos blandos está entre 5:95 y 95:5 aproximadamente, preferiblemente entre 20:80 y 80:20.

En algunas realizaciones, los polímeros con memoria de forma contienen al menos un entrecruzamiento físico (interacción física del segmento duro) o contienen entrecruzamientos covalentes en lugar de un segmento duro. Los polímeros con memoria de forma pueden ser también redes interpenetrantes o redes semi-interpenetrantes. Además de los cambios de estado de sólido a estado líquido (punto de fusión o temperatura de transición vítrea), los segmentos duros y blandos pueden experimentar transiciones de estado sólido a sólido, y pueden experimentar interacciones iónicas que implican segmentos polielectrolíticos o efectos supramoleculares basados en enlaces de hidrógeno altamente organizados.

Pueden prepararse artículos de manufactura a partir de las composiciones poliméricas con memoria de forma mediante, por ejemplo, moldeo por inyección, soplado, extrusión y ablación con láser. Para preparar un objeto que tenga una forma en la memoria, el objeto puede ser formado a una temperatura por encima de la T_{trans} del segmento duro, y enfriado a una temperatura por debajo de la T_{trans} del segmento blando. Si el objeto es posteriormente modelado con una segunda forma, el objeto puede hacerse retornar a su forma original mediante calentamiento del objeto por encima de la T_{trans} del segmento blando y por debajo de la T_{trans} del segmento duro.

Pueden prepararse artículos de manufactura con dos o más formas en la memoria mediante la formación de una composición polimérica con un segmento duro, un primer segmento blando y un segundo segmento blando, en la que el primer segmento blando tiene una T_{trans} al menos 10ºC por debajo de la del segmento duro y al menos 10ºC por encima de la del segundo segmento blando. Una vez que la composición ha sido modelada a una temperatura por encima de la T_{trans} del segmento duro, puede ser enfriada a una temperatura por debajo de la T_{trans} del primer segmento blando y por encima de la del segundo segmento blando y modelada con una segunda forma. La composición puede ser producida con una tercera forma después de que haya sido enfriada por debajo de la T_{trans} del segundo segmento blando. La composición puede ser calentada por encima de la T_{trans} del segundo segmento blando para retornar la composición a la segunda forma. La composición puede ser calentada por encima de la T_{trans} del primer segmento blando para retornar la composición a la primera forma. La composición puede ser también calentada por encima de la T_{trans} del segmento duro, punto en el cual la composición pierde la memoria de la primera y la segunda forma y puede ser remodelada utilizando el método anteriormente descrito.

Pueden prepararse polímeros termoestables mediante el premodelado de macromonómeros mediante, por ejemplo, extrusión, y la fijación de la forma original a una temperatura por encima de la T_{trans} del polímero termoestable mediante, por ejemplo, el fotoendurecimiento de grupos reactivos del macromonómero. La forma original, sin embargo, puede ser programada solamente una vez.

En una realización preferida, el cambio de forma tiene lugar en respuesta a un cambio de la temperatura. En otra realización, sin embargo, la composición puede cambiar su forma en respuesta a la aplicación de luz, a cambios en la concentración iónica y/o del pH, a un campo eléctrico, a un campo magnético o a ultrasonidos. Por ejemplo, un SMP puede incluir al menos un segmento duro y al menos un segmento blando, donde al menos dos de los segmentos, preferiblemente dos segmentos blandos, están unidos entre sí a través de un grupo funcional que es susceptible de ser cortado bajo la aplicación de luz, de un campo eléctrico, de un campo magnético o de ultrasonidos. La forma temporal es fijada mediante el entrecruzamiento de los polímeros lineales. La forma original puede ser recuperada cortando esos enlaces. Los estímulos para entrecruzar y cortar estos enlaces pueden ser iguales o diferentes.

Descripción de las figuras

La Figura 1 es una ilustración del efecto de memoria de forma unidireccional.

La Figura 2 es una ilustración del efecto de memoria de forma bidireccional (térmico).

La Figura 3 es una ilustración de combinaciones de clases adecuadas de materiales termoplásticos.

La Figura 4 es un diagrama de una secuencia de reacciones para la síntesis de un fotoentrecruzador preferido.

La Figura 5 es una ilustración de un efecto de memoria de forma fotoinducido.

La Figura 6 es una ilustración del mecanismo del efecto de memoria de forma térmico para un copolímero de múltiples bloques.

La Figura 7 es una gráfica que muestra la tensión frente a la elongación para un polímero con memoria de forma que es un copolímero de múltiples bloques.

La Figura 8 es una gráfica que muestra la temperatura de fusión de dioles, dimetacrilatos y termoestables de poli(\varepsilon-caprolactona) como función del peso de la masa molar M_{n} de los macromonómeros.

Descripción detallada de la invención

Se proporcionan composiciones poliméricas con memoria de forma, artículos de manufactura de las mismas y métodos de preparación y utilización de las mismas.

Definiciones

Un polímero es un polímero con memoria de forma si la forma original del polímero es recuperada mediante el calentamiento del mismo por encima de una temperatura de recuperación de forma (definida como la T_{trans} de un segmento blando) incluso si la forma moldeada original del polímero es destruida mecánicamente a una temperatura más baja que la temperatura de recuperación de forma, o si la forma memorizada es recuperable por la aplicación de otro estímulo.

Según se utiliza en la presente, el término "segmento" se refiere a un bloque o secuencia de un polímero que forma parte del polímero con memoria de forma.

Según se utilizan en la presente, los términos segmento duro y segmento blando son términos relativos que están relacionados con las T_{trans} de los segmentos. El(los) segmento(s) duro(s) tiene(n) una T_{trans} más elevada que el(los) segmento(s) blando(s). La proporción en peso segmento duro:segmentos blandos está entre 5:95 y 95:5 aproximadamente, preferiblemente entre 20:80 y 80:20.

Según se utiliza en la presente, el término "biodegradable" se refiere a materiales que son biorreabsorbibles y/o que se degradan y/o se descomponen por degradación mecánica tras la interacción con un entorno fisiológico en componentes que son metabolizables o excretables, a lo largo de un periodo de tiempo que va desde minutos hasta tres años, preferiblemente menos de un año, mientras mantienen la integridad estructural requerida. Según se utiliza en la presente con referencia a los polímeros, el término "degradar" se refiere al corte de la cadena polimérica, de tal manera que el peso molecular permanece aproximadamente constante a nivel oligomérico y las partículas del polímero permanecen después de la degradación. El término "degradar completamente" se refiere al corte del polímero a nivel molecular, de tal manera que hay esencialmente una pérdida completa de la masa. El término "degradar", según se utiliza en la presente, incluye "degradar completamente" a no ser que se indique de otro modo.

Composiciones Poliméricas con Memoria de Forma

Los polímeros con memoria de forma pueden ser termoplásticos, termoestables, redes interpenetrantes, redes semi-interpenetrantes o redes mixtas. Los polímeros pueden ser un único polímero o una mezcla de polímeros. Los polímeros pueden ser lineales, ramificados, elastómeros termoplásticos con cadenas laterales o cualquier tipo de elemento estructural dendrítico. Los estímulos que causan el cambio de forma pueden ser la temperatura, un cambio iónico, el pH, la luz, un campo eléctrico, un campo magnético o ultrasonidos.

Los materiales termoplásticos con memoria de forma pueden ser manipulados (por ejemplo moldeados) para darles una forma deseada por encima de la T_{trans} del(los) segmento(s) duro(s) y enfriados a una temperatura inferior a la temperatura de recuperación de la forma, que es cuando el polímero puede experimentar una deformación mecánica, y se generan elongaciones en el polímero. La forma original de los polímeros deformados puede ser recuperada mediante el calentamiento de los mismos a una temperatura más elevada que su temperatura de recuperación de la forma. Por encima de esta temperatura, se liberan las deformaciones del polímero, permitiendo que el polímero retorne a su forma original. En contraste, los materiales termoestables con memoria de forma son modelados para darles una forma deseada antes de que los macromonómeros utilizados para formar los polímeros termoestables se polimericen. Una vez que la forma ha sido fijada, los macromonómeros son posteriormente polimerizados.

Las composiciones poliméricas son preferiblemente comprimibles al menos un uno por ciento o expandibles al menos un cinco por ciento del espesor original a una temperatura inferior a la temperatura de recuperación de la forma, siendo fijada la deformación por la aplicación de un estímulo tal como calor, luz, ultrasonidos, campos magnéticos o campos eléctricos. En algunas realizaciones, los materiales muestran una tasa de recuperación del 98% (comparar con los ejemplos experimentales).

Cuando se aplica una tensión significativa, que tiene como resultado una deformación mecánica forzosa a una temperatura más baja que la temperatura de recuperación de la forma, las elongaciones son retenidas en los segmentos blandos, o regiones amorfas, y el cambio voluminoso de la forma es mantenido incluso después de la liberación parcial de la elongación por la elasticidad del polímero. Si la configuración de las cadenas moleculares es alterada influyendo sobre la disposición regulada de las cadenas moleculares a una temperatura por debajo de la temperatura de transición vítrea, se asume que tiene lugar la reordenación de las cadenas moleculares a través del incremento del tamaño del volumen y de la disminución del contenido de volumen libre. La forma original es recuperada por la contracción de los agregados del segmento duro mediante la elevación de la temperatura de acuerdo con un control rígido de las conformaciones de las cadenas y la forma del polímero es restaurada a la forma memorizada.

Además de los cambios de estado de estado sólido a estado líquido (punto de fusión o temperatura de transición vítrea), los segmentos duros o blandos pueden experimentar interacciones iónicas que implican segmentos polielectrolíticos o efectos supramoleculares basados en enlaces de hidrógeno altamente organizados. El SMP puede experimentar transiciones de estado sólido a estado sólido (por ejemplo, un cambio de la morfología). Las transiciones de estado sólido a estado sólido son bien conocidas por los expertos en la técnica, por ejemplo como en poli(estireno-bloque-butadieno).

Un objeto formado utilizando polímeros con memoria de forma puede ser preparado para controlar la dirección del cambio durante la recuperación. En otras palabras, puede tener lugar la contracción y/o la expansión a lo largo de uno o más ejes dimensionales, dependiendo de cómo sean modelados y sometidos a tensión los polímeros. Por ejemplo, en una fibra de SMP, el cambio de forma puede estar limitado a una dimensión, tal como a lo largo de la longi-
tud.

En otra realización, puede cambiarse la conductividad térmica y eléctrica de los materiales SMP en respuesta a cambios de la temperatura.

La permeabilidad de las composiciones a la humedad puede ser variada, especialmente cuando el polímero es formado como una película fina (esto es, menos de 10 \mum aproximadamente). Algunas composiciones poliméricas, en su forma original, tienen una permeabilidad suficiente de tal manera que moléculas de vapor de agua pueden ser transmitidas a través de la película polimérica, mientras que las moléculas de agua no son suficientemente grandes para penetrar en la película polimérica. Los materiales resultantes tienen una baja permeabilidad a la humedad a temperaturas inferiores a la temperatura ambiente y una elevada permeabilidad a la humedad a temperaturas por encima de la temperatura ambiente.

I. Segmentos Poliméricos

Los polímeros incorporan segmentos "duros" y "blandos". Los segmentos son preferiblemente oligómeros. Según se utiliza en la presente, el término "oligómero" se refiere a una molécula de cadena lineal que tiene un peso molecular de hasta 15.000 Daltons. Los polímeros que forman los segmentos son seleccionados sobre la base de la(s) temperatu-
ra(s) de transición vítrea deseada(s) (si al menos un segmento es amorfo) o del(los) punto(s) de fusión deseado(s) (si al menos un segmento es cristalino), que a su vez se basan en las aplicaciones deseadas, teniendo en cuenta el entorno de utilización. Preferiblemente, el número del peso molecular medio del segmento del polímero es mayor de 400 y, preferiblemente, está en el rango de 500 y 15.000.

La temperatura de transición a la cual el polímero se convierte abruptamente en blando y se deforma puede ser controlada cambiando la composición monomérica y el tipo de monómero, lo cual permite ajustar el efecto de memoria de forma a una temperatura deseada. Las propiedades térmicas de los polímeros pueden ser detectadas, por ejemplo, mediante termoanálisis mecánico dinámico o mediante estudios de calorimetría de exploración diferencial (DSC). Además, el punto de fusión puede ser determinado utilizando un aparato estándar de punto de fusión.

Los polímeros pueden ser polímeros termoestables o termoplásticos, aunque los polímeros termoplásticos pueden ser preferidos debido a su facilidad de moldeado. Los termoestables, sin embargo, pueden ser preferidos en algunas aplicaciones, ya que generalmente son más blandos que el polímero entrecruzado físicamente en su forma original a temperaturas mayores que la T_{trans}.

Preferiblemente, el grado de cristalinidad del polímero o del(los) bloque(s) polimérico(s) está entre un 3 y un 80%, más preferiblemente entre un 3 y un 60%. Cuando el grado de cristalinidad es mayor del 80% mientras todos los segmentos blandos son amorfos, la composición polimérica resultante tiene malas características de memoria de forma.

El coeficiente de tensión de los polímeros por debajo de la T_{trans} está típicamente entre 50 MPa y 2 GPa (gigapascales), mientras que el coeficiente de tensión de los polímeros por encima de la T_{trans} está típicamente entre 1 y 500 MPa. Preferiblemente, el valor del coeficiente elástico por encima y por debajo de la T_{trans} es 20 o mayor. Cuanto mayor sea este valor, mejor será la memoria de forma de la composición polimérica resultante.

Los segmentos del polímero pueden ser naturales o sintéticos, aunque se prefieren los polímeros sintéticos. Los segmentos del polímero pueden ser biodegradables o no biodegradables, aunque las composiciones poliméricas biodegradables son generalmente preferidas para aplicaciones médicas in vivo. En general, estos materiales se degradan por hidrólisis, por exposición al agua o a enzimas bajo condiciones fisiológicas, por erosión superficial, por erosión en masa o por una combinación de las mismas. Los polímeros no biodegradables utilizados para aplicaciones médicas no incluyen preferiblemente grupos aromáticos distintos de los que están presentes en los aminoácidos existentes en la naturaleza.

Los polímeros son seleccionados sobre la base de la(s) temperatura(s) de transición vítrea deseada(s) (si al menos un segmento es amorfo) o del(los) punto(s) de fusión deseado(s) (si al menos un segmento es cristalino), lo cual a su vez se basa en las aplicaciones deseadas, teniendo en consideración el entorno de utilización. Preferiblemente, el número del peso molecular medio del bloque polimérico es mayor de 400 y está preferiblemente en el rango entre 500 y 15.000.

El polímero puede estar en forma de hidrogel (absorbiendo típicamente hasta un 90% en peso de agua aproximadamente), y puede ser opcionalmente entrecruzado iónicamente con iones multivalentes o polímeros. El entrecruzamiento iónico entre segmentos blandos puede ser utilizado para mantener una estructura, la cual, cuando se deforma, puede ser formada de nuevo rompiendo los entrecruzamientos iónicos entre los segmentos blandos. El polímero puede estar también en forma de gel en solventes distintos del agua o de soluciones acuosas. En estos polímeros, la forma temporal puede ser fijada por las interacciones hidrofílicas entre los segmentos blandos.

Bloques poliméricos o polímeros naturales representativos incluyen proteínas tales como zeína, zeína modificada, caseína, gelatina, gluten, seroalbúmina y colágeno, y polisacáridos tales como alginato, celulosas, dextranos, pululano y ácido polihialurónico, así como quitina, poli(3-hidroxialcanoato)s, especialmente poli(\beta-hidroxibutirato), poli(3-hidroxioctanoato) y poli(ácidos 3-hidroxi grasos). Bloques poliméricos o polímeros biodegradables naturales representativos incluyen polisacáridos tales como alginato, dextrano, celulosa, colágeno y derivados químicos de los mismos (sustituciones, adiciones de grupos químicos, por ejemplo alquilo, alquileno, hidroxilaciones, oxidaciones y otras modificaciones producidas de forma rutinaria por los expertos en la técnica) y proteínas tales como albúmina, zeína y copolímeros y mezclas de los mismos, solos o en combinación con polímeros sintéticos.

Bloques poliméricos o polímeros sintéticos representativos incluyen polifosfacenos, alcoholes polivinílicos, poliamidas, amidas de poliéster, poli(aminoácido)s, poli(aminoácidos) sintéticos, polianhídridos, policarbonatos, poliacrilatos, polialquilenos, poliacrilamidas, polialquilén glicoles, óxidos de polialquileno, tereftalatos de polialquileno, poliortoésteres, éteres de polivinilo, ésteres de polivinilo, haluros de polivinilo, polivinilpirrolidona, poliésteres, poliláctidos, poliglicólidos, polisiloxanos, poliuretanos y copolímeros de los mismos. Ejemplos de poliacrilatos adecuados incluyen poli(metil metacrilato), poli(etil metacrilato), poli(butil metacrilato), poli(isobutil metacrilato), poli(hexil metacrilato), poli(isodecil metacrilato), poli(lauril metacrilato), poli(fenil metacrilato), poli(metil acrilato), poli(isopropil acrilato), poli(isobutil acrilato) y poli(octadecil acrilato).

Los polímeros naturales modificados sintéticamente incluyen derivados de celulosa tales como alquil celulosas, hidroxialquil celulosas, éteres de celulosa, ésteres de celulosa, nitrocelulosas y quitosano. Ejemplos de derivados de celulosa adecuados incluyen metil celulosa, etil celulosa, hidroxipropil celulosa, hidroxipropil metil celulosa, hidroxibutil metil celulosa, acetato de celulosa, propionato de celulosa, butirato acetato de celulosa, ftalato acetato de celulosa, carboximetil celulosa, triacetato de celulosa y sal sódica de sulfato de celulosa. Éstos son referidos colectivamente en la presente como "celulosas".

Segmentos poliméricos degradables sintéticos representativos incluyen polihidroxiácidos tales como poliláctidos, poliglicólidos y copolímeros de los mismos; poli(tereftalato de etileno); polianhídridos; poli(ácido hidroxibutírico); poli(ácido hidroxivalérico); poli[láctido-co-(\varepsilon-caprolactona)]; poli[glicólido-co-(\varepsilon-caprolactona)]; policarbonatos; poli(pseudo aminoácidos); poli(aminoácidos); poli(hidroxialcanoato)s; polianhídridos; poliortoésteres y mezclas y copolímeros de los mismos. Los polímeros que contienen enlaces lábiles, tales como polianhídridos y poliésteres, son bien conocidos por su reactividad hidrolítica. Sus velocidades de degradación hidrolítica pueden ser generalmente alteradas mediante cambios sencillos en el esqueleto del polímero y en su estructura de secuencias.

Ejemplos de segmentos poliméricos sintéticos no biodegradables incluyen acetato de etilénvinilo, ácido poli(met)acrílico, poliamidas, polietileno, polipropileno, poliestireno, cloruro de polivinilo, polivinilfenol y copolímeros y mezclas de los mismos.

Los polímeros pueden ser obtenidos de fuentes comerciales tales como Sigma Chemical Co., St. Louis, MO; Polysciences, Warrenton, PA; Aldrich Chemical Co., Milwaukee, WI; Fluka, Ronkonkoma, NY y BioRad, Richmond, CA. Alternativamente, los polímeros pueden ser sintetizados a partir de monómeros obtenidos de fuentes comerciales, utilizando técnicas estándar.

Hidrogeles

Los hidrogeles pueden ser formados a partir de polietilén glicol, óxido de polietileno, alcohol polivinílico, polivinil pirrolidona, poliacrilatos, poli(tereftalato de etileno), poli(acetato de vinilo) y copolímeros y mezclas de los mismos. Varios bloques poliméricos, por ejemplo el ácido acrílico, son elastoméricos únicamente cuando el polímero es hidratado y se forman hidrogeles. Otros bloques poliméricos, por ejemplo el ácido metacrílico, son cristalinos y capaces de fundirse incluso cuando los polímeros no son hidratados. Puede utilizarse cualquier tipo de bloque polimérico, dependiendo de la aplicación deseada y de las condiciones de uso.

Por ejemplo, la memoria de forma se observa en los copolímeros de ácido acrílico únicamente en el estado de hidrogel, debido a que las unidades de ácido acrílico están sustancialmente hidratadas y se comportan como un elastómero blando con una temperatura de transición vítrea muy baja. Los polímeros secos no son polímeros con memoria de forma. Cuando están secas, las unidades de ácido acrílico se comportan como un plástico duro incluso por encima de la temperatura de transición vítrea, y no muestran un cambio abrupto de las propiedades mecánicas al ser calentadas. En contraste, los copolímeros que incluyen bloques poliméricos de acrilato de metilo como los segmentos blandos, muestran propiedades de memoria de forma incluso cuando están secos.

Ciertos polímeros, por ejemplo los copolímeros de bloque poli(óxido de etileno-co-óxido de propileno) (PLURONICS™, BASF) son solubles en agua a temperaturas inferiores a la temperatura corporal y se convierten en hidrogeles a temperaturas superiores a la temperatura corporal. La incorporación de estos polímeros como bloques en polímeros con memoria de forma proporciona a los polímeros con memoria de forma la capacidad de responder a cambios de la temperatura de una manera totalmente opuesta a la de los polímeros con memoria de forma típicos. Estos materiales recuperan su forma cuando son enfriados por debajo de su temperatura de recuperación de la forma, en vez de cuando son calentados por encima de su temperatura de recuperación de la forma. Este efecto es denominado efecto de memoria de forma térmico inverso. Las composiciones poliméricas con memoria de forma que incluyen estos bloques poliméricos son útiles en varias aplicaciones biomédicas en las que el polímero puede ser insertado como un líquido y enfriado para recuperar una forma deseada in situ. El efecto de memoria de forma térmico inverso puede ser obtenido mediante la incorporación de dos bloques diferentes a un polímero que sean miscibles a temperaturas por debajo de la T_{misc}, pero que sean inmiscibles a temperaturas superiores. La separación de fases a temperaturas más elevadas estabiliza la forma temporal.

Varios polímeros, tales como poliacetileno y polipirrol, son polímeros conductores. Estos materiales son particularmente preferidos para usos en los que es importante la conductancia eléctrica. Ejemplos de estos usos incluyen la producción de tejidos y cualquier aplicación biomédica en la que vaya a estimularse el crecimiento celular. Estos materiales pueden ser particularmente útiles en el campo de la ciencia de los ordenadores, ya que son capaces de absorber calor sin aumentar la temperatura mejor que las SMAs. Los polímeros con memoria de forma conductores son útiles en el campo de la producción de tejidos para estimular el crecimiento del tejido, por ejemplo de tejido
nervioso.

II. Ensamblaje de los Segmentos Poliméricos

En la invención, la composición polimérica con memoria de forma es capaz de mantener en la memoria más de una forma. Por ejemplo, la composición puede incluir un segmento duro y al menos dos segmentos blandos, donde la T_{trans} del segmento duro está entre -30 y 270ºC, y es al menos 10ºC, y preferiblemente 20ºC, más elevada que la T_{trans} de uno de los segmentos blandos, y la T_{trans} de cada segmento blando subsiguiente es al menos 10ºC, y preferiblemente 20ºC, más baja que la T_{trans} del segmento blando precedente. Opcionalmente, uno o más de los segmentos puede ser biodegradable o estar unido a otro segmento a través de un enlace biodegradable tal como un enlace éster, amida, anhídrido, carbonato u ortoéster.

El efecto de memoria de forma está basado en la morfología del polímero. Con respecto a los elastómeros termoplásticos, la forma original de un objeto es fijada mediante entrecruzamientos físicos causados por el segmento duro. Con respecto a los polímeros termoestables, los segmentos blandos están entrecruzados covalentemente en lugar de tener segmentos duros. La forma original es fijada por el proceso de entrecruzamiento.

En contraste con los SMPs de poliuretano segmentados de la técnica anterior, los segmentos de las composiciones descritas en la presente no necesitan ser lineales. Los segmentos pueden ser injertados o fijados parcialmente en grupos laterales dendriméricos.

Polímeros Termoplásticos y Termoestables

Los polímeros pueden estar en forma de copolímeros lineales de dos bloques, tres bloques, cuatro bloques o múltiples bloques, de polímeros ramificados o injertados, de elastómeros termoplásticos que contienen estructuras dendríticas y de mezclas de los mismos. La Figura 3 ilustra alguna de las combinaciones de clases adecuadas de materiales termoplásticos que constituyen los segmentos duros y blandos. La composición del polímero termoplástico con memoria de forma puede ser también una mezcla de uno o más homo o copolímeros con uno o más copolímeros de dos bloques, de tres bloques, de cuatro bloques o de múltiples bloques, de polímeros ramificados o injertados. Estos tipos de polímeros son bien conocidos por los expertos en la técnica.

Los polímeros pueden ser polímeros termoestables. Hay cuatro tipos diferentes de polímeros termoestables que tienen la capacidad de memoria de forma. Éstos incluyen redes poliméricas, redes semi-interpenetrantes, redes interpenetrantes y redes interpenetrantes mixtas.

i. Redes Poliméricas

Una red polimérica se prepara entrecruzando covalentemente macromonómeros, esto es, polímeros que contienen grupos polimerizables en los extremos tales como dobles enlaces carbono-carbono. El proceso de polimerización puede ser inducido mediante la utilización de iniciadores sensibles a la luz o al calor o mediante endurecimiento con luz ultravioleta ("luz UV") sin iniciador. Las redes de polímeros con memoria de forma se preparan entrecruzando uno o más segmentos blandos que correspondan a una o más transiciones térmicas.

En una realización preferida para aplicaciones biomédicas, el entrecruzamiento se realiza utilizando un fotoentrecruzador y no requiere un iniciador químico. El fotoentrecruzador elimina de manera ventajosa la necesidad de moléculas iniciadoras, que pueden ser tóxicas. La Figura 4 es un diagrama de una secuencia de reacciones para la síntesis de un fotoentrecruzador preferido, que produjo un rendimiento global del 65%.

ii. Redes Interpenetrantes

Las redes interpenetrantes ("IPN") se definen como redes en las que dos componentes están entrecruzados, pero no entre sí. La forma original está determinada por la red con la densidad más elevada de entrecruzamiento y la mayor fuerza mecánica. El material tiene al menos dos T_{trans} correspondientes a los diferentes segmentos blandos de ambas redes.

iii. Red Interpenetrante Mixta

Una IPN mixta incluye al menos una red polimérica entrecruzada físicamente (un polímero termoplástico) y al menos una red polimérica entrecruzada covalentemente (un polímero termoestable) que no pueden ser separadas por ningún método físico. La forma original es fijada por la red entrecruzada covalentemente. Las formas temporales corresponden a la T_{trans} de los segmentos blandos y a la T_{trans} del segmento duro del componente elastómero termoplástico.

Una red interpenetrante mixta particularmente preferida es preparada polimerizando un macromonómero reactivo en presencia de un polímero termoplástico mediante, por ejemplo, la fotopolimerización de dobles enlaces carbono-carbono. En esta realización, la proporción en peso del polímero termoestable respecto al polímero termoplástico está preferiblemente entre 5:95 y 95:5, más preferiblemente entre 20:80 y 80:20.

iv. Redes Semi-Interpenetrantes

Las redes semi-interpenetrantes ("semi-IPN") se definen como dos componentes independientes, donde un componente es un polímero entrecruzado (una red polimérica) y el otro componente es un polímero no entrecruzado (un homopolímero o copolímero), en las cuales los componentes no pueden ser separados por métodos físicos. La semi-IPN tiene al menos una transición térmica correspondiente al(los) segmento(s) blando(s) y a los componentes homo o copoliméricos. El polímero entrecruzado constituye preferiblemente entre el 10 y el 90% en peso aproximadamente de la composición de redes semi-interpenetrantes.

v. Mezclas de Polímeros

Los polímeros con memoria de forma pueden existir como mezclas físicas de polímeros termoplásticos. En una realización, puede prepararse una composición polimérica con memoria de forma mediante la interacción o mezcla de dos polímeros termoplásticos. Los polímeros pueden ser homopolímeros semicristalinos, copolímeros semicristalinos, elastómeros termoplásticos con cadenas lineales, elastómeros termoplásticos con cadenas laterales o cualquier tipo de elemento estructural dendrítico, y copolímeros ramificados, y éstos pueden ser mezclados en cualquier combinación de los mismos.

Por ejemplo, un copolímero de múltiples bloques con un segmento duro con una T_{trans} relativamente elevada y un segmento blando con una T_{trans} relativamente baja puede ser mezclado o combinado con un segundo copolímero de múltiples bloques que tenga un segmento duro con una T_{trans} relativamente baja y el mismo segmento blando que el del primer copolímero de múltiples bloques. Los segmentos blandos en ambos copolímeros de múltiples bloques son idénticos, por lo que los polímeros son miscibles unos con otros cuando se funden los segmentos blandos. Hay tres temperaturas de transición en la mezcla resultante - la del primer segmento duro, la del segundo segmento duro y la del segmento blando. Por consiguiente, estos materiales son capaces de memorizar dos formas diferentes. Las propiedades mecánicas de estos polímeros pueden ser ajustadas cambiando la proporción en peso de los dos polímeros.

Pueden prepararse otros tipos de mezclas de al menos dos copolímeros de múltiples bloques, en las que al menos uno de los segmentos sea miscible con al menos uno de los segmentos de los demás copolímeros de múltiples bloques. Si dos segmentos diferentes son miscibles y construyen un dominio juntos, la transición térmica de este dominio depende por tanto del contenido en peso de los dos segmentos. El máximo número de formas memorizadas es el resultado del número de transiciones térmicas de la mezcla.

Las mezclas con memoria de forma pueden tener una mejor capacidad de memoria de forma que los componentes de la mezcla solos. Las mezclas con memoria de forma están compuestas por al menos un copolímero de múltiples bloques y al menos un homopolímero o copolímero. Copolímeros de dos, tres o cuatro bloques serían sustitutos adecuados de un copolímero de múltiples bloques.

Las mezclas con memoria de forma son muy útiles en aplicaciones industriales, ya que puede obtenerse un amplio rango de capacidades mecánicas, térmicas y de memoria de forma a partir de solamente dos o tres polímeros básicos, mezclando los mismos en diferentes proporciones de peso. Un extrusor de doble tornillo es un ejemplo de un equipamiento estándar de procesamiento que podría ser utilizado para mezclar los componentes y procesar la mezcla.

Polímeros con Grupos Funcionales que Responden a Estímulos Distintos de la Temperatura

En una realización preferida, la composición polimérica con memoria de forma incluye al menos un segmento duro y al menos un segmento blando o múltiples segmentos blandos que están entrecruzados covalentemente, donde al menos dos de los segmentos están unidos a través de un grupo funcional que es susceptible de ser cortado bajo la aplicación de luz, de cambios de la concentración iónica, de cambios del pH, de un campo eléctrico, de un campo magnético y/o de ultrasonidos. Además de cambiar la forma en respuesta a cambios de la temperatura, la composición puede cambiar su forma en respuesta a la aplicación de luz, a cambios de la concentración iónica, a cambios del pH, a la aplicación de un campo eléctrico, de un campo magnético y/o de ultrasonidos. La memoria temporal en estos polímeros está fijada por los entrecruzamientos covalentes.

i. Estímulos Fotoquímicos

Pueden utilizarse reacciones foto-reversibles para unir segmentos blandos entre sí y mantener el polímero en una forma temporal. La forma original de un material es fijada por el segmento duro. Después del corte fotoquímico de estos enlaces, el material retorna a su forma original. Como estas reacciones son foto-reversibles, los enlaces pueden formarse y romperse a través de varios ciclos. Sin embargo, cada vez que se rompen los enlaces, necesitan ser producidos de nuevo para memorizar la forma. Ejemplos de tales grupos funcionales capaces de experimentar reacciones foto-reversibles son derivados del ácido cinámico y derivados del ácido cinamilideno. La unión y el corte pueden ser inducidos por diferentes longitudes de onda de luz UV. Además, el corte puede tener lugar durante un tratamiento térmico.

En otra realización, los polímeros puede incluir cadenas laterales con cromóforos, tales como grupos azo, que absorban luz. Los cromóforos pueden ser también incorporados a la cadena principal. Los segmentos duros y/o blandos pueden incluir también dobles enlaces que se desplacen desde isómeros cis a trans cuando los cromóforos absorban luz. La luz puede ser utilizada por tanto para isomerizar el segmento, lo cual puede afectar drásticamente a la T_{trans} del segmento. La forma original de tales polímeros está fijada por el segmento duro. El polímero puede ser por tanto deformado para dar una forma temporal. La forma temporal puede ser fijada endureciendo el polímero con luz para producir fotoisomerización. De esta forma, se impide que el polímero retorne a su forma original debido a que la temperatura de transición térmica ha sido incrementada. Pueden inducirse también de esta manera transiciones de fase sólida a fase sólida.

ii. Cambios de la Fuerza Iónica y/o del pH

Se sabe que varios grupos funcionales se entrecruzan en presencia de ciertos iones o en respuesta a cambios del pH. Por ejemplo, se sabe que los iones de calcio entrecruzan grupos amina y alcohol, esto es, los grupos amina del alginato pueden ser entrecruzados con iones de calcio. Además, los grupos carboxilato y amina se convierten en especies cargadas a ciertos pHs. Cuando estas especies están cargadas, pueden entrecruzarse con iones de carga opuesta. La presencia de grupos que respondan a cambios de la concentración de una especie iónica y/o a cambios del pH en los segmentos duros y/o blandos, tiene como resultado enlaces reversibles entre estos segmentos. Se puede fijar la forma de un objeto mientras se entrecruzan los segmentos. Una vez que la forma ha sido deformada, alteraciones de la concentración iónica o del pH pueden tener como resultado el corte de las interacciones iónicas que formaban los entrecruzamientos entre los segmentos, liberando de este modo la elongación causada por la deformación y retornando por tanto el objeto a su forma original. Como en este proceso se producen y se rompen enlaces iónicos, puede ser solamente realizado una vez. Los enlaces, sin embargo, pueden volverse a formar alterando la concentración iónica y/o el pH, por lo que el proceso puede ser repetido según se desee.

iii. Campos Eléctricos y Magnéticos

Varios restos, tales como cromóforos con un número grande de electrones deslocalizados, aumentan su temperatura en respuesta a pulsos de campos eléctricos o magnéticos aplicados como resultado del flujo incrementado de electrones causado por los campos. Una vez que los materiales aumentan su temperatura, pueden experimentar una memoria de forma inducida por la temperatura de la misma manera que si los materiales fueran calentados directamente. Estas composiciones son particularmente útiles en aplicaciones biomédicas en las que puede ser difícil la aplicación directa de calor a un material implantado, pero la aplicación de un campo magnético o eléctrico aplicado afectaría únicamente a aquellas moléculas con el cromóforo y no calentaría el tejido circundante.

iv. Ultrasonidos

Varios materiales contienen grupos funcionales reactivos que se fragmentan en respuesta a ultrasonidos aplicados. Ejemplos de estos grupos son aquéllos que forman radicales estables, tales como los grupos nitroso y trifenilmetano. Puede fijarse la forma de un objeto mientras se forman enlaces entre dos o más segmentos blandos, mediante la utilización, por ejemplo, de calor o luz. Una vez que la forma ha sido deformada, la aplicación de ultrasonidos puede romper los enlaces entre los segmentos blandos y liberar la elongación causada por la deformación. El objeto retornará por tanto a su forma original. Como en este proceso se producen y se rompen enlaces covalentes, puede ser realizado solamente una vez.

III. Métodos para Producir los Polímeros

Los polímeros utilizados para formar los segmentos en los SMPs descritos anteriormente están disponibles comercialmente o pueden ser sintetizados utilizando una química rutinaria. Los expertos en la técnica pueden preparar fácilmente los polímeros utilizando una química conocida.

IV. Métodos para Modelar las Composiciones Poliméricas

Las composiciones pueden ser producidas con una primera forma bajo condiciones apropiadas, por ejemplo a una temperatura por encima de la T_{trans} de los segmentos duros, y dejarse enfriar por debajo de la T_{trans} del(los) segmento(s) blando(s). Las técnicas estándar son el moldeado por extrusión y por inyección. Opcionalmente, puede volverse a formar el objeto con una segunda forma. Después de la aplicación de calor o de otro conjunto apropiado de condiciones, el objeto retorna a su forma original.

Pueden prepararse polímeros termoestables mediante la extrusión del material prepolimerizado (macromonómeros), y la fijación de la forma original a una temperatura por encima de la T_{trans} del polímero termoestable, por ejemplo, fotoendureciendo los grupos reactivos del monómero. La forma temporal es fijada enfriando el material por debajo de la T_{trans} después de deformar el material.

El entrecruzamiento puede ser realizado también en una solución de los macromonómeros. El solvente es retirado del gel formado en una etapa posterior.

\newpage

Aquellas composiciones formadas por polímeros termoplásticos pueden ser sopladas, extruidas en láminas o modeladas mediante moldeado por inyección, por ejemplo, para formar fibras. Las composiciones pueden ser también modeladas mediante otros métodos conocidos por los expertos en la técnica para modelar objetos sólidos, por ejemplo, ablación con láser, micromaquinización, utilización de un alambre caliente y mediante procesos de CAD/CAM (diseño asistido por ordenador/producción asistida por ordenador). Estos procesos son preferidos para modelar polímeros termoestables.

1. Transiciones Entre las Formas

Para varias aplicaciones es ventajoso avanzar en pequeñas etapas desde una forma temporal a otra forma temporal o a la forma original. Es posible ir hacia atrás y hacia adelante entre las formas, según se necesite, bajo el control de un operador.

A. Transiciones Térmicas Amplias

Normalmente la T_{trans} de un polímero con memoria de forma es muy precisa, por lo que el polímero recuperará su forma original calentando simplemente el material solamente unos cuantos grados Celsius. En una realización alternativa, sin embargo, el polímero con memoria de forma tiene una transición térmica amplia, de tal manera que la forma original se recupera totalmente sólo cuando el polímero es calentado por encima del límite superior de la transición térmica. Tendrá lugar una recuperación parcial cuando se caliente a una temperatura entre los límites inferior y superior de la transición térmica. En esta realización, el activador es la temperatura y el efecto es esencialmente independiente del intervalo de tiempo de aplicación del calor.

B. Transferencia de Energía Gradual

Una cierta cantidad de energía necesita ser transferida al polímero con memoria de forma con el fin de recuperar una forma memorizada. Para el efecto de memoria de forma térmico, la cantidad de energía requerida para recuperar totalmente una forma memorizada depende de la capacidad de calentamiento del material. Sin embargo, para los materiales sensibles a la luz, la cantidad de energía depende de la dosis de irradiación. En una realización preferida de un efecto de memoria de forma térmico, el polímero tiene una transición térmica muy precisa, que se activa sobre la base de la duración del tiempo en el que el material está expuesto a una temperatura superior a la T_{trans}. Otros factores que afectan a la transición incluyen la masa o el tamaño del material y el coeficiente de transferencia de temperatura y calor del medio o del entorno en contacto con (y utilizado para calentar) el material. Por ejemplo, cuanto más elevada sea la temperatura del entorno, más rápidamente se recuperará la forma memorizada.

C. Transferencia de Energía Selectiva y Mecanismos Alternativos

En el caso del efecto de memoria de forma térmico clásico, el polímero entero debe ser calentado mediante la aplicación (y transferencia) de energía calórica procedente de una fuente externa con el fin de recuperar la forma original. En una realización alternativa, el polímero es calentado mediante fuentes de energía distintas de la temperatura. Utilizando estas técnicas es posible no sólo calentar el dispositivo con memoria de forma completo, sino también partes selectivas del dispositivo con memoria de forma (otra manera de activar e incrementar el control para recuperar la forma original).

i. Energía Lumínica

Los polímeros absorben luz a diferentes longitudes de onda, dependiendo de su estructura química. Los polímeros muestran típicamente una potente absorción de radiación en la región del infrarrojo (IR) y del infrarrojo cercano (NIR). Los rangos de absorción más potentes y más adecuados para ser aplicados a un polímero particular pueden ser identificados utilizando espectroscopía IR o NIR. Los polímeros con memoria de forma pueden mostrar también una potente absorción en la región del ultravioleta (UV). El polímero puede ser endurecido con luz que incluya al menos una de las frecuencias especificadas en su espectro, de tal manera que el polímero absorberá la energía lumínica y se calentará.

Las características de absorción del polímero con memoria de forma pueden ser modificadas por la adición de un cromóforo, que es un resto, un grupo funcional o una molécula que presenta una absorción potente en regiones específicas del espectro UV/visible/IR/NIR/microondas. El cromóforo puede ser unido covalente al polímero, combinado con el polímero como una mezcla física o ambas cosas.

En una realización biomédica preferida, puede utilizarse luz para controlar de manera no invasiva un dispositivo SMP implantado. Por ejemplo, el polímero implantado puede ser endurecido utilizando fuentes de luz externas específicas que no calienten simultáneamente el tejido, el suero u otras partes del entorno fisiológico que rodea al implante de SMP. Tal fuente de luz (por ejemplo, una lámpara) emitirá una o más frecuencias de luz (por ejemplo, infrarrojo cercano, "NIR") que no son absorbidas por el entorno fisiológico, pero que son absorbidas por el material con memoria de forma. La utilización de luz NIR es conocida en la técnica del diagnóstico.

En una realización alternativa, la técnica de interferencia es aplicada para controlar la frecuencia de la luz aplicada a un SMP implantado. La interferencia proporciona el control tridimensional (3-D) de la región que está siendo endurecida, ya que la frecuencia específica de la luz que está siendo absorbida por el dispositivo con memoria de forma es producida en una localización especificada por la interferencia de dos o más haces cruzados en la localización especificada. Las fuentes de los haces son externas al organismo y las frecuencias de los haces son generalmente frecuencias de radio moduladas seleccionadas para producir la frecuencia de aplicación deseada a partir de la interferencia resultante.

ii. Ultrasonidos

En una realización alternativa, se incorporan al dispositivo con memoria de forma burbujas de gas o líquidos que contienen burbujas, preferiblemente fluorocarburos. Utilizando la tecnología estándar de ultrasonidos, puede inducirse un efecto de cavitación en el gas/líquido para calentar el SMP. Las técnicas para la aplicación controlada 3-D de ultrasonidos son conocidas en el campo del diagnóstico biomédico.

iii. General

Es posible también efectuar transferencias de energía basadas en la interacción del polímero con memoria de forma y campos electromagnéticos. La utilización de campos electromagnéticos para inducir calentamiento o cambios localizados de la temperatura, es bien conocida. En otra realización más, la transferencia de energía es producida sobre la base de efectos distintos de radiaciones, tal como la transferencia de energía de Foerster-Perrin.

2. Efecto de Memoria de Forma Bidireccional

Pueden prepararse composiciones poliméricas con memoria de forma para que tengan dos formas originales (permanentes), esto es, con un efecto de memoria bidireccional. Estos sistemas constan siempre de al menos dos componentes. Los componentes son combinados mediante técnicas de capas (de manera similar a los bimetales) o son redes interpenetrantes. Cambiando la temperatura, el dispositivo con memoria de forma cambia su forma en la dirección de la forma permanente 1 o de la forma permanente 2. Cada una de las formas permanentes pertenece a un componente del dispositivo. Las formas del dispositivo están siempre en equilibrio entre ambas formas. La dependencia de la temperatura de la forma está causada por el hecho de que las propiedades mecánicas de un componente ("componente A") son casi independientes de la temperatura en el intervalo de temperatura de interés. Las propiedades mecánicas del otro componente ("componente B") dependen de la temperatura. En una realización, el componente B resulta más potente a temperaturas bajas en comparación con el componente A, mientras que el componente A es más potente a temperaturas elevadas y determina la forma real. Puede prepararse un dispositivo con memoria bidireccional mediante (a) la fijación de la forma original del componente A; (b) la deformación del dispositivo para dar la forma original del componente B; y (c) la fijación de una forma original del componente B mientras se aplica una tensión al componente.

3. Inicio de la Recuperación de la Forma Original por la Degradación del Polímero

La recuperación de la forma original de un polímero con memoria de forma puede ser iniciada por un proceso de degradación hidrolítica. En una realización preferida, esta característica es incorporada a un sistema que incluye un polímero termoplástico compuesto por un segmento duro y al menos un segmento blando o un polímero termoestable que contiene al menos un segmento blando (sistemas de un solo componente). En estos polímeros, pueden ligarse dos segmentos blandos mediante un enlace fácilmente hidrolizable. El término "enlace fácilmente hidrolizable" es utilizado en la presente para referirse a grupos que tienen una tasa de hidrólisis que es mayor que la de otros grupos funcionales del polímero. La forma original de estos polímeros está determinada por los segmentos duros (material termoplástico) o por los entrecruzamientos covalentes (termoestable). La forma temporal está fijada por los entrecruzamientos entre dos segmentos blandos después de deformar el dispositivo. Cuando los entrecruzamientos entre los segmentos blandos son hidrolizados, se recupera la forma original. Grupos funcionales fácilmente hidrolizables incluyen enlaces éster activados, tales como glicolato de glicolilo, y enlaces anhídrido.

En otra realización preferida, el polímero es un sistema de dos componentes, en el que al menos un componente es una red covalente, tal como una IPN, una IPN mixta o una semi-IPN. La red covalente es una red amorfa que tiene una T_{trans} muy baja. La red covalente determina la forma original del sistema, y el segundo componente deforma el sistema para fijar la forma temporal. El segundo componente es otra red en el caso de una IPN, un homopolímero o un copolímero en el caso de una semi-IPN y un elastómero termoplástico en el caso de una IPN mixta. El primer componente (red covalente) se hidroliza más lentamente que el segundo componente, de tal manera que el polímero recupera su forma original cuando se degrada el segundo componente.

V. Aplicaciones

Estos materiales tienen un enorme número de aplicaciones.

1. Aplicaciones Terapéuticas, Profilácticas y Diagnósticas

Estos materiales son particularmente útiles en aplicaciones médicas y biológicas.

Por ejemplo, cualquiera de una variedad de agentes terapéuticos, profilácticos y/o de diagnóstico puede ser incorporado a las composiciones poliméricas, las cuales pueden proporcionar localmente o sistémicamente los agentes incorporados después de su administración a un paciente. Ejemplos representativos incluyen compuestos o moléculas inorgánicas y orgánicas sintéticas, proteínas y péptidos, polisacáridos y otros azúcares, lípidos y moléculas de ácido nucleico que tienen actividades terapéuticas, profilácticas o diagnósticas. Las moléculas de ácido nucleico incluyen genes, ADN plasmídico, ADN desnudo, moléculas antisentido que se unen a ADN complementario para inhibir la transcripción, ribozimas y secuencias guía de ribozimas. Los agentes a incorporar pueden tener una variedad de actividades biológicas tales como agentes vasoactivos, agentes neuroactivos, hormonas, factores de crecimiento, citoquinas, anestésicos, esteroides, anticoagulantes, antiinflamatorios, agentes inmunomoduladores, agentes citotóxicos, agentes profilácticos, antibióticos, antivirales, antisentido, antígenos y anticuerpos. En algunos casos, las proteínas pueden ser anticuerpos o antígenos que de otro modo tendrían que ser administrados mediante inyección para producir una respuesta apropiada. Las proteínas se definen como que constan de 100 residuos de aminoácidos o más; los péptidos tienen menos de 100 residuos de aminoácidos. A no ser que se manifieste de otro modo, el término proteína se refiere a proteínas y a péptidos. Pueden administrarse también polisacáridos tales como heparina. Los compuestos con un amplio rango de peso molecular, por ejemplo, entre 10 y 500.000 gramos por mol, pueden ser encapsulados.

Agentes de diagnóstico o para imagen que pueden ser utilizados incluyen los agentes comercialmente disponibles utilizados en tomografía por emisión de positrones (PET), tomografía asistida por ordenador (TAC), tomografía computerizada por emisión de un único fotón, rayos X, fluoroscopia, generación de imágenes por resonancia magnética (MRI) y agentes de contraste para ultrasonidos.

2. Artículos y Dispositivos para Aplicaciones Biomédicas

Las composiciones poliméricas pueden ser utilizadas para preparar artículos de manufactura para ser utilizados en aplicaciones biomédicas. Por ejemplo, pueden prepararse suturas, materiales para ortodoncia, tornillos para huesos, clavos, placas, mallas, materiales para prótesis, bombas, catéteres, tubos, películas, prótesis vasculares, anclajes ortopédicos, tablillas, cinta para preparar moldes y andamios para la producción de tejidos, lentes de contacto, dispositivos para la administración de fármacos, implantes e indicadores térmicos.

Las composiciones poliméricas implantables son preparadas preferiblemente a partir de polímeros biocompatibles y, para la mayoría de las aplicaciones, a partir de polímeros biodegradables. Los polímeros biodegradables se degradan a una velocidad controlada dependiendo de la composición y del entrecruzamiento del polímero. Los implantes poliméricos degradables eliminan la necesidad de retirar el implante y pueden ser utilizados simultáneamente para administrar agentes terapéuticos. Los materiales pueden ser utilizados en muchas aplicaciones que requieran la capacidad de soportar cargas y una degradación controlada.

Las composiciones poliméricas pueden ser producidas con la forma de un implante que puede ser implantado en el organismo para desempeñar una función mecánica. Ejemplos de tales implantes incluyen varillas, agujas, tornillos, placas y formas anatómicas. Una utilización particularmente preferida de las composiciones es la preparación de suturas que tengan una composición suficientemente rígida para proporcionar la facilidad de inserción, pero que después de alcanzar la temperatura corporal se ablanden y adquieran una segunda forma que sea más cómoda para el paciente mientras que se permita todavía la cicatrización.

Otra utilización preferida está en el área de los catéteres. Los catéteres requieren generalmente una rigidez elevada para su inserción, pero una vez insertados, se prefiere un catéter blando, flexible. En una realización preferida, el catéter de SMP es rígido por debajo de la temperatura corporal para facilitar su inserción, y después de calentarse a la temperatura corporal se hace blando para reducir la incomodidad del paciente y las complicaciones.

Las composiciones poliméricas pueden ser combinadas con agentes de carga, materiales de refuerzo, materiales para radioimagen, excipientes u otros materiales, según sea necesario para la aplicación de un implante particular. Los expertos en la técnica pueden determinar fácilmente una cantidad adecuada de estos materiales para ser incluida en las composiciones.

Los artículos pueden incorporar varios agentes terapéuticos y/o de diagnóstico, según se describió anteriormente.

3. Aplicaciones No Médicas

Existen numerosas aplicaciones de las composiciones poliméricas con memoria de forma distintas de las aplicaciones biomédicas. Estas aplicaciones incluyen: espumas de polímeros con memoria de forma, miembros que requieren una restauración de la deformación después de la absorción de un impacto, tales como los parachoques y otras partes del automóvil, embalajes para alimentos, obturadores automáticos para motores de combustión interna, composites poliméricos, textiles, ropas permeables a la humedad tales como ropa de deporte, pañales y materiales para revestimiento interno del calzado, juntas de tuberías, materiales básicos de máscaras, tubos contraíbles con calor, discos compactos (CDs) regrabables y alfileres de sujección, sensores de temperatura, materiales amortiguadores, plantillas para los pies y equipamiento protector, juguetes, materiales ligadores para tuberías singulares, materiales laminados internos de tuberías, materiales de revestimiento, alfileres de sujección, materiales para instrumentos médicos tales como yesos, etc., materiales de papelería y educacionales, flores artificiales, muñecas, laminados internos de los rodillos de las impresoras de puntos para ordenadores, materiales resistentes al sonido, miembros que requieran una restauración de la deformación después de la absorción de un impacto tales como los parachoques y otras partes de los automóviles, materiales para prevenir grietas en los miembros de separación de las casas, recipientes portátiles que se pliegan cuando no son utilizados y se restaura su forma durante el uso, dispositivos mecánicos tales como enganches, etc., diferentes tubos contraíbles por calor, material de maquillaje para uso humano, espumas poliméricas con memoria de forma, fibras, composites poliméricos, sellos y juntas, válvulas de auto-obturadores, aislamiento acústico y recuperación de derrames de aceite.

Las espumas con memoria de forma tienen una forma deformada y una forma como modelada. Tienen su forma deformada cuando la espuma polimérica es comprimida a una temperatura superior a la T_{trans} y se mantiene comprimida a una temperatura inferior a la T_{trans} hasta que se fija la forma, y la forma como modelada se produce cuando la espuma polimérica comprimida es calentada de nuevo a una temperatura superior a la temperatura de recuperación de la forma hasta que recupera su forma original. Las espumas pueden ser preparadas polimerizando los materiales en presencia de un agente espumante (esto es, un gas o un disolvente de bajo punto de ebullición).

VII. Métodos de Utilización

Ciertos artículos de manufactura están destinados a mantener su forma deseada a no ser que se actúe sobre de ellos de una manera inconsistente con su utilización normal. Por ejemplo, un parachoques de automóvil mantendrá su forma deseada hasta que reciba un impacto. Un artículo de manufactura que incluya SMPs puede ser utilizado con su forma deseada, pero si se daña (por ejemplo si se deforma) puede ser reparado mediante, por ejemplo, la aplicación de calor.

Otros artículos de manufactura están destinados a ser utilizados de tal manera que la primera forma esté destinada para una utilización inicial, y una segunda forma esté destinada para un segundo uso posterior. Ejemplos de estos artículos incluyen dispositivos biomédicos, que pueden tener una segunda forma después de alcanzar la temperatura corporal o después de la aplicación de un estímulo externo que caliente el dispositivo por encima de la temperatura corporal.

Otros artículos de manufactura están destinados a ser utilizados de tal manera que el cambio de forma que tiene lugar en respuesta a un cambio de temperatura desencadene una acción particular, tal como la activación de un conmutador mecánico o eléctrico. Por ejemplo, el conmutador podría ayudar a regular la temperatura del entorno del SMP, tal como tiene lugar en los sensores de temperatura y en los obturadores automáticos para automóviles.

La presente invención se comprenderá adicionalmente con referencia a los ejemplos no limitantes siguientes.

Ejemplo 1

Polímeros de Copoliesteruretano con Memoria de Forma

Se sintetizó un grupo de copolímeros de múltiples bloques biocompatibles y biodegradables que mostraban un efecto de memoria de forma térmico. Estos polímeros estaban compuestos por un segmento duro cristalizable (T_{m}) y un segmento blando que tenía una temperatura de transición térmica T_{trans} entre la temperatura ambiente y la temperatura corporal. En contraste con los poliuretanos segmentados de la técnica anterior, el segmento duro era un oligoéster o un oligoeteréster y no contenía ningún componente aromático.

El mecanismo para programar la forma temporal y la recuperación de la forma permanente de un copolímero de múltiples bloques está mostrado en la Figura 6. La forma permanente de los materiales fue fijada fundiendo el polímero y enfriándolo por encima de la T_{trans} (Fig. 6 - posición superior). Posteriormente, se produjo el polímero con su forma temporal (Fig. 6 - posición derecha), que fue fijada enfriando por debajo de la T_{trans} (Fig. 6 - posición inferior). Después de descargar, se recuperó la forma permanente mediante recalentamiento por encima de la T_{trans}.

Síntesis de Telechelics, oligómeros con grupos funcionales en ambos extremos.

El macrodiol Telechelic fue sintetizado mediante la polimerización con apertura de anillos de monómeros cíclicos con óxido de di(n-butil)estaño como catalizador de la transesterificación bajo atmósfera de N_{2}.

Segmento Duro

Se preparó \alpha,\omega-dihidroxi[oligo(glicolato de etilén glicol)etilén oligo(glicolato de etilén glicol)] - (PDS1200 y PDS1300) según sigue. El monómero p-dioxano-2-ona fue obtenido por destilación (despolimerización térmica) del oligómero antes de su utilización. Se calentaron 57 g (0,63 moles) del monómero, 0,673 g (10,9 mmoles) de etilén glicol y 0,192 (0,773 mmoles) de óxido de di(n-butil)estaño a 80ºC durante 24 horas. El final de la reacción (equilibrio) fue determinado mediante GPC. El producto fue disuelto en 1,2-dicloroetano caliente y filtrado en caliente a través de un embudo de Buechner relleno de gel de sílice. El producto fue obtenido por precipitación en hexanos y secado in vacuo durante 6 horas.

Segmento Blando i. Cristalino

Los poli(\varepsilon-caprolactona)-dioles con diferentes M_{n} están disponibles comercialmente en, por ejemplo, Aldrich y Polysciences. En la presente se utilizó PCL-2000.

ii. Amorfo

El \alpha,\omega-dihidroxi[oligo(L-lactato-co-glicolato)etilén oligo(L-lactato-co-glicolato)] - (abreviado: PLGA2000-15) fue preparado según sigue. En un matraz de 1000 ml de fondo redondo de dos bocas se calentaron 300 g (2,08 moles) de L,L-diláctido, 45 g (0,34 moles) de diglicólido y 4,94 g (0,80 moles) de etilén glicol para fundirlos a 40ºC y se agitaron. Se añadieron 0,614 g (2,5 mmoles) de óxido de di(n-butil)estaño. Después de 7 horas, la reacción alcanzó el equilibrio según se determinó mediante GPC. La mezcla de reacción fue disuelta en 1,2-dicloroetano y purificada en una
columna de gel de sílice. El producto fue obtenido por precipitación en hexanos y secado in vacuo durante 6 horas.

Propiedades de los Telechelis

El peso molecular M_{n} y las propiedades térmicas de los macrodioles se determinaron según está mostrado en la Tabla 1 siguiente.

TABLA 1 Peso Molecular y Propiedades Térmicas de los Macrodioles

Marca	M_{n} GPC	M_{n} VPO	T_{m}	\DeltaH	T_{g}	\DeltaC_{p}
	[g\cdotmol^{-1}]	[g\cdotmol^{-1}]	[ºC]	[J\cdotg^{-1}]	[ºC]	[J\cdotg^{-1}]
PCL2000	1980	1690	43	73,5	<-40	-
PDS1300	1540	1340	97	74,5	<-20	-
PDS1200	2880	1230	95	75,0	<-20	-
PLGA2000	2020	1960	-	-	29,0	0,62

Síntesis de Elastómeros Termoplásticos (Copolímero de Múltiples Bloques)

En un matraz de fondo redondo de doble boca de 100 ml conectado a un extractor Soxleth relleno de un tamiz molecular de 0,4 nm, se disolvieron dos macrodioles diferentes (un segmento duro y un segmento blando), según se describe en la Tabla 2 siguiente, en 80 ml de 1,2-dicloroetano. La mezcla fue sometida a reflujo para ser secada mediante la extracción azeotrópica del solvente. Se añadió con una jeringa trimetilhexano-1,6-diisocianato recién destilado y la mezcla de reacción se calentó a 80ºC durante al menos 10 días. A intervalos regulares, se tomaron muestras de la mezcla para determinar el peso molecular del polímero mediante GPC. Al final de la reacción, el producto fue obtenido mediante precipitación del polímero en hexanos y se purificó mediante disolución repetida en 1,2-dicloroetano y precipitación en hexanos.

Se prepararon copolímeros de múltiples bloques a partir de los dos tipos siguientes de polímeros.

(i) Polímeros PDC que contienen poli(\varepsilon-caprolactona). La T_{trans} para el segmento blando es el punto de fusión.

(ii) Polímeros PDL que contienen un \alpha,\omega-dihidroxi[oligo(L-lactato-co-glicolato)etilén oligo(L-lactato-co-glicola-
to)]. La T_{trans} para el segmento blando es el punto de transición vítrea.

TABLA 2 Síntesis de Copolímeros de Múltiples Bloques

Polímero	1.	m	n	2.	m	n	TMDI	Tiempo
	Diol	[g]	[mmoles]	Diol	[g]	[mmoles]	[mmoles]	[d]
PDC22	PDS1200	3,0245	2,653	PCL2k	6,0485	3,024	5,738	10
PDL23	PDS1200	2,2787	2,000	PLGA2k	6,1443	3,070	5,163	10
PDC27	PDS1300	2,5859	1,724	PCL2k	5,3611	2,681	4,368	14
PDC40	PDS1300	3,6502	2,433	PCL2k	3,9147	1,957	4,510	13
PDC31	PDS1300	3,2906	2,194	PCL2k	4,8619	2,431	4,500	16
PDL30	PDS1300	3,7115	2,474	PLGA2k	4,0205	2,011	4,480	16

Propiedades de los Elastómeros Termoplásticos

Las propiedades físicas, mecánicas y de degradación determinadas para las composiciones se proporcionan en las Tablas 3-9 siguientes.

El comportamiento de degradación hidrolítica de los nuevos materiales fue analizado en una solución tampón pH 7 a 37ºC. Se mostró que los polímeros eran completamente degradables y que su velocidad de degradación podía ser ajustada por la concentración de enlaces éster fácilmente hidrolizables. Los valores de la pérdida de masa relativa m_{r} = m(t_{0})/m(t) en % a 37ºC, y de la pérdida de peso molecular relativo M_{r} = M_{w}(t)/M_{w}(t_{0}) en % a 37ºC:

La toxicidad de dos copolímeros de múltiples bloques diferentes fue investigada utilizando un ensayo en huevos de gallina. Se mostró que los vasos sanguíneos se desarrollaban regularmente y que su condición no fue influenciada por las muestras de polímeros.

TABLA 3 Composición de los Copoliésteruretanos Determinada Mediante Espectroscopía de ^{1}H-RMN a 400 MHz

Marca	Segmento Duro	Contenido en Peso	Segmento Blando	Contenido en Peso
		[%]*		[%]*
PDL23	PDS	23,0	PLGA	54,2
PDL30	PDS	30,0	PLGA	52,1
PDC22	PDS	22,0	PCL	64,5
PDC27	PDS	27,0	PCL	61,1
PDC31	PDS	31,1	PCL	55,4
PDC40	PDS	40,4	PCL	46,2
* La diferencia hasta el 100% es el contenido en uretano.

\vskip1.000000\baselineskip

TABLA 4 Peso Molecular M_{w} de las Películas de Copoliésteruretanos Determinado Mediante GPC con Multidetector

Marca	Película Polimérica
	M_{w}(LS)	M_{w}(Visc)	dn/dc
	[g\cdotmol^{-1}]	[g\cdotmol^{-1}]	[ml\cdotg^{-1}]
PDL23	161.500	149.000	0,065
PDL30	79.100	83.600	0,057
PDC22	119.900	78.500	0,078
PDC27	72.700	61.100	0,080
PDC31	110.600	108.600	0,065
PDC40	93.200	83.300	0,084

TABLA 5 Temperaturas de Transición T_{m} y T_{g}, Entalpías de Fusión \DeltaH_{m} y Cambio de la Capacidad Térmica \DeltaC_{p} de las Películas Poliméricas a Partir de las Medidas de DSC (Valores Dados Procedentes del Segundo Proceso de Calentamiento)

Marca	T_{m1}	\DeltaH_{m1}	T_{g}	\DeltaC_{p}	T_{m2}	\DeltaH_{m2}
	[ºC]	[J\cdotg^{-1}]	[ºC]	[J\cdotg^{-1}]	[ºC]	[J\cdotg^{-1}]
PDL23	-	-	34,5	0,38	-	-
PDL30	-	-	33,5	0,25	85,0	8,5
PDC22	35,0	26,0	-	-	-	-
PDC27	37,0	25,0	-	-	75,5	3,5
PDC31	36,5	28,5	-	-	76,5	5,5
PDC40	35,0	7,0	-	-	77,5	7,0

\vskip1.000000\baselineskip

TABLA 6 Propiedades Mecánicas de las Películas Poliméricas a 50ºC Procedentes de los Ensayos de Tracción

Código	Coeficiente de E	\varepsilon_{r}	\sigma_{r}	\varepsilon_{máx}	\sigma_{máx}
	[MPa]	[%]	[MPa]	[%]	[MPa]
PDC27	1,5	1.350	2,1	1.300	2,3
PDC31	1,5	1.400	4,9	1.300	5,4
PDC40	4,0	1.250	5,8	1.300	5,9
PDL30	2,0	1.400	2,1	1.250	2,3

\vskip1.000000\baselineskip

TABLA 7 Degradabilidad de PDL22

Tiempo de Degradación	M_{r} (viscosimetría)	M_{r} (dispersión lumínica)
[d]	[%]	[%]
14	81,3	85,7
21	67,1	74,6
29	62,9	65,6
42	43,6	47,7
56	54,4	41,9

TABLA 8 Degradabilidad de PDL23

Tiempo de Degradación	M_{r} (viscosimetría)	M_{r} (dispersión lumínica)
[d]	[%]	[%]
14	61,1	87,3
21	40,7	76,7
29	32,8	62,2
42	17,4	46,7
56	16,9	18,5

\vskip1.000000\baselineskip

TABLA 9 Pérdida de Masa Relativa

	PDC22	PDL23
Tiempo de Degradación	m_{r}	m_{r}
[d]	[%]	[%]
14	99,2	98,1
21	99,3	97,5
29	98,6	97,2
42	98,3	96,9
56	97,3	93,3

Propiedades de Memoria de Forma

La Figura 7 ilustra los resultados de ensayos de tracción realizados en los copolímeros de múltiples bloques como una función del número de ciclos termolíticos. La tasa media de fijación de la forma de los polímeros tratados termocíclicamente y la dependencia de las tasas de recuperación de la deformación como función del número de ciclos están mostradas a continuación en las Tablas 10 y 11, respectivamente. Los polímeros tienen una elevada fijación de forma y se alcanzó un estado de equilibrio después de solamente dos ciclos.

\vskip1.000000\baselineskip

TABLA 10 Tasa Media de Fijación de Forma R_{f}

Marca		R_{f}
		[%]
PDC27	\hskip5cm	97,9
PDC40		96,2
PDL30		97,7

TABLA 11 Dependencia de las Tasas de Recuperación de la Deformación R_{r} del Número de Ciclos

	PDC27	PDC40	PDL23
Número de Ciclos	R_{r}	R_{r}	R_{r}
	[%]	[%]	[%]
2	77,3	73,7	93,8
3	93,2	96,3	98,8
4	98,5	98,7	98,9
5	98,5	98,7	98,8

Ejemplo 2

Polímero Termoestable con Memoria de Forma Degradable con un Segmento Blando Cristalizable

Se evaluó un rango de poli(\varepsilon-caprolactona) dimetacrilatos y polímeros termoestables para determinar sus propiedades mecánicas y de memoria de forma.

Síntesis de Macromonómeros

Se prepararon poli(\varepsilon-caprolactona) dimetacrilatos (PCLDMAs) según sigue. A una solución de poli(\varepsilon-caprolactona) diol con un M_{n} = 2.000 gmol^{-1} (20,0 g, 10 mmoles) y trietilamina (5,3 ml, 38 mmoles) en 200 ml de THF seco, se añadió gota a gota a 0ºC cloruro de metacriloilo (3,7 ml, 38 mmoles). La solución fue agitada a 0ºC durante 3 días y la sal precipitada extraída por filtración. Después de concentrar la mezcla a temperatura ambiente bajo presión reducida, se añadieron 200 ml de acetato de etilo y la solución fue filtrada de nuevo y precipitada en un exceso de diez veces de una mezcla de hexanos, éter etílico y metanol (18:1:1). El precipitado incoloro fue recogido, disuelto en 200 ml de dicloroetano, precipitado de nuevo y secado cuidadosamente a temperatura ambiente a presión reducida.

Síntesis de Polímeros Termoestables

El macromonómero (o la mezcla de monómeros) fue calentado a 10ºC por encima de su temperatura de fusión (T_{m}) y añadido a un molde formado por dos placas de vidrio (25 mm x 75 mm) y un separador de teflón de 0,60 mm de espesor. Para conseguir una buena homogeneidad, el molde fue almacenado a la T_{m} durante otra hora. El fotoendurecimiento se llevó a cabo en una placa calentada a la T_{m} durante 15 minutos. La distancia entre la cabeza de la lámpara de calor y la muestra era de 5,0 cm. Después de enfriar a temperatura ambiente, la muestra fue extraída e hinchada con un exceso de 100 veces de diclorometano durante una noche y lavada cuidadosamente. Finalmente, la muestra fue secada a temperatura ambiente bajo presión reducida.

Propiedades de los Macromonómeros y Polímeros Termoestables

La Tabla 12 siguiente enumera los poli(\varepsilon-caprolactona) dimetacrilatos que fueron preparados, junto con el grado respectivo de acrilación (D_{a}) (%). El número que sigue a PCLDMA es el peso molecular M_{n} del poli(\varepsilon-caprolactona) diol utilizado en la síntesis según se determinó utilizando ^{1}H-RMN y GPC, redondeado a 500.

TABLA 12 Poli(\varepsilon-caprolactona) Diol y Grado de Acrilación

Nombre	D_{a} [%]
PCLDMA1500	87
PCLDMA2000	92
PCLDMA3500	96
PCLDMA4500	87

TABLA 12 (continuación)

Nombre	D_{a} [%]
PCLDMA6500	93
PCLDMA7000	85
PCLDMA10000	86

La Figura 8 muestra la temperatura de fusión (T_{m}) de dioles, dimetacrilatos y termoestables de poli(\varepsilon-caprolactona) como función del peso de la masa molar M_{n} de los macromonómeros. En la gráfica, los macrodioles están representados por - -\blacksquare- -; los macromonómeros por ···\bullet···; y los termoestables por —\ding{115}—.

Las propiedades de tracción de los termoestables de poli(\varepsilon-caprolactona) C1 a C7 a temperatura ambiente están mostradas a continuación en la Tabla 13, en la que E es el coeficiente elástico (coeficiente de Young), \varepsilon_{S} es la elongación y \sigma_{S} es la tensión en el límite de resistencia, \sigma_{máx} es la tensión máxima, \varepsilon_{máx} es la elongación a la \sigma_{máx}, \varepsilon_{R} es la elongación a la ruptura y \sigma_{R} es la tensión a la ruptura. La Tabla 14 proporcionada a continuación muestra las propiedades de tracción de los mismos termoestables de poli(\varepsilon-caprolactona) a 70ºC.

TABLA 13 Propiedades de Tracción de los Polímeros Termoestables a Temperatura Ambiente

Nombre	E	\varepsilon_{S}	\sigma_{S}	\varepsilon_{máx}	\sigma_{máx}	\varepsilon_{R}	\sigma_{R}
	[MPa]	[%]	[MPa]	[%]	[MPa]	[%]	[MPa]
C1	2,4\pm0,6	-	-	16,1\pm2,0	0,4\pm0,1	16,1\pm2,3	0,38\pm0,02
C2	35\pm3	-	-	20,6\pm0,3	4,7\pm0,1	20,6\pm0,3	4,7\pm0,1
C3	38\pm1	48\pm1	11,2\pm0,1	180\pm20	12,1\pm1,2	190\pm20	11,7\pm1,6
C4	58\pm4	54\pm1	12,2\pm0,1	247\pm4	13,6\pm1,9	248\pm13	15,5\pm2,7
C5	72\pm1	56\pm2	15,5\pm0,2	175\pm10	15,6\pm1,7	276\pm6	15,0\pm1,0
C6	71\pm3	43\pm2	14,2\pm0,1	296\pm14	15,5\pm0,2	305\pm8	13,8\pm2,7
C7	71\pm2	42\pm5	13,6\pm0,2	290\pm30	16,2\pm0,5	290\pm30	15,7\pm0,9

TABLA 14 Propiedades de Tracción de los Polímeros Termoestables a 70ºC

nombre	E	\sigma_{máx}	\varepsilon_{R}
	[MPa]	[MPa]	[%]
C1	1,84\pm0,03	0,40\pm0,08	24\pm6
C2	2,20\pm0,12	0,38\pm0,05	18\pm2
C3	6,01\pm0,12	2,05\pm0,21	43\pm9
C4	2,30\pm0,16	0,96\pm0,01	61\pm3
C5	1,25\pm0,08	0,97\pm0,15	114\pm13
C6	1,91\pm0,11	1,18\pm0,06	105\pm11
C7	0,70\pm0,09	0,79\pm0,10	210\pm7

Propiedades de Memoria de Forma

Se determinó que los polímeros termoestables tenían las propiedades termomecánicas indicadas en la Tabla 15. El número de los pesos moleculares medios (M_{n}) es del macromonómero. La temperatura límite inferior, T_{l}, es 0ºC y la temperatura límite superior, T_{h}, es 70ºC. La extensión en la forma temporal es del 50%. R_{r}(2) es la tasa de recuperación de la deformación del segundo ciclo, R_{r,tot} es la tasa de recuperación total de la deformación después de 5 ciclos, R_{f} es la tasa media de fijación de la deformación.

TABLA 15 Propiedades Termomecánicas de los Polímeros Termoestables

Nombre	M_{n}	R_{r}(2)	R_{r,tot}	R_{f}
	[g\cdotmol^{-1}]	[%]	[%]	[%]
C4	4.500	93,3	93,0	93,9\pm0,2
C5	6.500	96,3	94,5	93,9\pm0,2
C6	7.000	93,8	92,1	92,5\pm0,1
C7	10.000	98,6	96,8	86,3\pm0,5

Claims (43)

1. Una composición polimérica con memoria de forma que tiene al menos dos formas en la memoria, donde la composición incluye dos segmentos blandos y bien un segmento duro o bien entrecruzamientos covalentes, en la que el primer segmento blando tiene una T_{trans} al menos 10ºC por debajo de la del segmento duro y al menos 10ºC por encima de la del segundo segmento blando.

2. La composición de la reivindicación 1 que comprende:

(a) al menos un segmento duro que tiene una T_{trans} entre -40 y 270ºC,

(b) un primer segmento blando que tiene una T_{trans} al menos 10ºC menor que la del(los) segmento(s) duro(s), que está unido a al menos un segmento duro,

(c) un segundo segmento blando, unido a al menos uno de los segmentos duros o al primer segmento blando, que tiene una T_{trans} al menos 10ºC menor que la T_{trans} del primer segmento blando.

3. La composición de la reivindicación 2, en la que la T_{trans} del segmento duro está en el rango de entre 30 y 150ºC.

4. La composición de la reivindicación 3, en la que la T_{trans} del segmento duro está en el rango de entre 30 y 100ºC.

5. La composición de cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, en la que la T_{trans} del(los) primer(os) segmento(s) blando(s) es al menos 20ºC menor que la del(los) segmento(s) duro(s).

6. La composición de cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, en la que la T_{trans} del(los) segundo(s) segmento(s) blando(s) es al menos 20ºC menor que la del(los) primer(os) segmento(s) blando(s).

7. La composición de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en la que el polímero con memoria de forma comprende un polímero termoplástico.

8. La composición de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en la que el polímero comprende múltiples segmentos y el peso molecular M_{n} de al menos uno de los segmentos está entre 500 y 10.000.

9. La composición de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en la que el polímero con memoria de forma es seleccionado del grupo que consta de polímeros injertados, polímeros lineales y polímeros dendriméricos.

10. La composición de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en la que el polímero comprende segmentos duros y blandos y el segmento duro contiene restos cíclicos.

11. La composición de la reivindicación 10, en la que los restos son seleccionados del grupo que consta de éteres corona y oligopéptidos cíclicos.

12. La composición de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en la que el polímero con memoria de forma es biodegradable.

13. La composición de la reivindicación 12, en la que el polímero comprende segmentos duros y blandos y al menos uno de los segmentos duros y blandos es seleccionado del grupo que consta de polihidroxiácidos, poliortoésteres, poliéter ésteres, poliésteres, poliamidas, poliesteramidas, polidepsipéptidos, poliuretanos alifáticos, polisacáridos, polihidroxialcanoatos y copolímeros de los mismos.

14. La composición de la reivindicación 13, en la que el poliéter éster es seleccionado del grupo que consta de oligo (p-dioxanona) y sus copolímeros.

15. La composición de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, en la que el polímero comprende al menos dos segmentos blandos y los segmentos están conectados a través de un enlace que es susceptible de ser cortado por la aplicación de un estímulo seleccionado del grupo que consta de ultrasonidos, un campo eléctrico, un campo magnético y luz.

16. La composición de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, en la que el polímero comprende al menos un segmento duro y dos segmentos blandos, donde la proporción en peso del segmento duro:primer segmento blando y segundo segmento blando está entre 5:95 y 95:5 aproximadamente.

17. La composición de la reivindicación 1 que comprende:

un polímero termoestable que comprende al menos dos segmentos blandos cristalizables entrecruzados covalentemente, donde

un primer segmento blando tiene una T_{trans} entre 250ºC y -40ºC; y

un segundo segmento blando ligado al primer segmento blando tiene una T_{trans} al menos 10ºC menor que la T_{trans} del primer segmento blando.

18.- La composición de la reivindicación 17, en la que el primer segmento blando tiene una T_{trans} entre 200ºC y 0ºC.

19. La composición de la reivindicación 17 o de la reivindicación 18, en la que al menos uno de los segmentos duros y blandos contiene un grupo entrecruzable, y en la que al menos uno de los segmentos duros y blandos está unido por la formación de una red interpenetrante o de una red semi-interpenetrante.

20. La composición de cualquiera de las reivindicaciones 17 a 19, en la que los segmentos duros y blandos forman una red interpenetrante mixta.

21. La composición de cualquiera de las reivindicaciones 17 a 20, en la que los segmentos duros y blandos forman una semi-IPN con memoria de forma que consta de un polímero termoestable que tiene al menos un segmento blando y un homopolímero o copolímero.

22. La composición de la reivindicación 21, en la que la semi-IPN resultante tiene una T_{trans} máxima en el rango de 200 y -40ºC.

23. La composición de la reivindicación 21, en la que el polímero termoestable es degradable.

24. La composición de la reivindicación 21, en la que el homopolímero o el copolímero es degradable.

25. La composición de cualquiera de las reivindicaciones 21 a 24 que tiene una memoria de múltiples formas, en la que el número de formas en la memoria es el mismo que el número de transiciones térmicas del polímero.

26. La composición de la reivindicación 1, que comprende una IPN con memoria de forma que contiene una red interpenetrante de polímeros termoestables.

27. La composición de la reivindicación 1, que comprende una IPN mixta con memoria de forma que contiene un elastómero termoplástico conteniendo al menos un segmento duro y al menos un segmento blando y un polímero termoestable que contiene al menos un segmento blando.

28. Una composición polimérica con memoria de forma que comprende:

(a) al menos un segmento duro que tiene una T_{trans} entre -30 y 270ºC,

(b) al menos un segmento blando que tiene una T_{trans} al menos 10ºC menor que la del(los) segmento(s) duro(s), que está unido a al menos un segmento duro,

en la que al menos uno de los segmentos duros o blandos incluye un grupo funcional que es capaz de formar un entrecruzamiento que puede ser cortado bajo la aplicación de un estímulo seleccionado del grupo que consta de luz, un campo eléctrico, un campo magnético y ultrasonidos.

29. Una composición polimérica con memoria de forma de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que al menos uno de los segmentos duros y blandos experimenta transiciones de estado sólido a sólido, y/o interacciones iónicas que implican segmentos polielectrolíticos o efectos supramoleculares basados en enlaces de hidrógeno altamente organizados.

30. La composición de la reivindicación 29, en la que una sal de un metal policatiónico une al menos dos segmentos, donde el enlace formado puede ser cortado utilizando un solvente acuoso.

31. Un método para producir un artículo con memoria de forma con dos o más formas en la memoria que comprende:

a) la preparación de una composición polimérica con memoria de forma que comprende:

i)

al menos un segmento duro que tiene una T_{trans} entre -30 y 270ºC,

ii)

un primer segmento blando que tiene una T_{trans} al menos 10ºC menor que la del(los) segmento(s) duro(s), que está unido a al menos un segmento duro,

iii)

un segundo segmento blando, unido a al menos uno de los segmentos duros y al primer segmento blando, que tiene una T_{trans} al menos 10ºC menor que la T_{trans} del primer segmento blando;

b) el calentamiento de la composición por encima de la T_{trans} del segmento duro;

c) el modelado de la composición para producir una primera forma deseada;

d) el enfriamiento de la composición a una temperatura por debajo de la T_{trans} del segmento duro y por encima de la T_{trans} del primer segmento blando, con el fin de endurecer el segmento duro mientras se mantienen el primer segmento blando y el segundo segmento blando en un estado fundido o amorfo;

e) el modelado de la composición para producir una segunda forma deseada;

f) el modelado de la composición para producir una tercera forma deseada; y

g) el enfriamiento de la composición por debajo de la T_{trans} del segundo segmento blando con el fin de fijar la segunda forma.

32. El método de la reivindicación 31, en el que la composición es modelada mediante extrusión o moldeado por inyección.

33. El método de la reivindicación 32, que comprende además el calentamiento de la composición por encima de la T_{trans} del segundo segmento blando para retornar la composición a la segunda forma.

34. El método de la reivindicación 33, que comprende además el calentamiento de la composición por encima de la T_{trans} del primer segmento blando para retornar la composición a la primera forma.

35. El método de la reivindicación 34, que comprende además el calentamiento de la composición por encima de la T_{trans} del segmento duro, haciendo de este modo que la composición pierda la memoria de la primera y la segunda forma.

36. Un método para producir una composición con una forma en la memoria que comprende:

a) la preparación de una composición polimérica que comprende:

i)

al menos un segmento duro que tiene una T_{trans} entre -30 y 270ºC,

ii)

al menos un segmento blando que tiene una T_{trans} al menos 10ºC menor que la del(los) segmento(s) duro(s), que está unido a al menos un segmento duro,

en la que al menos uno de los segmentos duros o blandos incluye un grupo funcional que es capaz de formar un entrecruzamiento que puede ser cortado bajo la aplicación de un estímulo seleccionado del grupo que consta de luz, un campo eléctrico, un campo magnético y ultrasonidos;

b) el calentamiento de la composición por encima de la T_{trans} del segmento duro;

c) el modelado de la composición para producir una primera forma deseada;

d) el enfriamiento de la composición a una temperatura por debajo de la T_{trans} del segmento duro y por encima de la T_{trans} del segmento blando;

e) el modelado de la composición para producir una segunda forma deseada; y

f) la fijación de la segunda forma mediante la unión de los segmentos blandos.

37. El método de la reivindicación 36, que comprende además

g) la producción de la composición en una tercera forma y el enfriamiento por debajo de la T_{trans} del segmento blando.

38. El método de la reivindicación 37, que comprende además el retorno de la composición a la segunda forma mediante calentamiento por encima de la T_{trans} del segmento blando pero por debajo de la T_{trans} del segmento
duro.

39. El método de la reivindicación 38, que comprende además el retorno de la composición a la primera forma mediante la aplicación de un estímulo seleccionado del grupo que consta de luz, un campo eléctrico, un campo magnético y ultrasonidos.

40. La composición de cualquiera de las reivindicaciones 1, 28 ó 29, que comprende mezclas de polímeros.

41. La composición de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 30 para ser utilizada en medicina.

\newpage

42. Utilización de la composición de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 30, en la fabricación de un medicamento para la administración local o sistémica de un agente seleccionado de entre agentes terapéuticos, profilácticos y de diagnóstico.

43. Un artículo de manufactura que comprende una composición polimérica con memoria de forma de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 30, donde el artículo de manufactura es seleccionado entre suturas, materiales para ortodoncia, tornillos para huesos, clavos, placas, mallas, materiales para prótesis, bombas, catéteres, tubos, películas, prótesis vasculares, anclajes ortopédicos, tablillas, cinta para preparar moldes, andamios para la producción de tejidos, lentes de contacto, dispositivos para la administración de fármacos, implantes, indicadores térmicos, espumas, embalajes para alimentos, obturadores automáticos, composites poliméricos, textiles, ropas permeables a la humedad, pañales, material para el revestimiento interno del calzado, juntas de tuberías, materiales básicos de máscaras, tubos contraíbles por calor, discos compactos regrabables, alfileres de sujección, sensores de temperatura, materiales amortiguadores, plantillas para el pie y equipamiento protector, juguetes, materiales ligadores, materiales para insonorización.