JP5072867B2 - ポリエステル及びポリエステル片を用いた形状記憶ポリマ及び、その準備及びプログラミングのための処理 - Google Patents
ポリエステル及びポリエステル片を用いた形状記憶ポリマ及び、その準備及びプログラミングのための処理 Download PDFInfo
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Description
【技術分野】
【０００１】
本発明は、形状記憶ポリマに係わり、永久的な形状に加えて、少なくとも二つの一時的な形状を記憶することの出来る、形状記憶ポリマ、その調整のための処理及び、使用及びその形状を作成するための処理に関する。
【背景技術】
【０００２】
所謂、形状記憶ポリマ又はＳＭＰは、適当な刺激に反応し、前もって行なわれたプログラムにより、一時的な形状より永久的な形状への形状変化を示すことが従来から知られている。しばしば、この形状記憶効果は、熱的に励起される。即ち、ポリマ材料がある特定の転移温度以上に加熱されると、エンロトピー弾性がトリガーとなってリセット作用が生じる。原則的には、形状記憶ポリマは、化学的（共有結合性）又は物理的（非共有結合性）な架橋サイトが永久形状を規定しているポリマネットワークである。プログラミングは、ポリマ材料を、スイッチ片の転移温度以上で変形させ、次いでこの温度以下に冷却すると、変形力が保持され、一時的な形状が固定される。再度、転移温度以上に加熱すると、相転移状態となり、オリジナルな永久形状が回復する。
【０００３】
更に、最近では、異なる転移温度を有するスイッチ片を持ったポリマネットワークが知られている。
【０００４】
例えば、ＥＰ１３６２８７９Ａ公報には、形状記憶ポリマ（この場合、ＩＰＮ（相互侵入ネットワーク）であるが）が共有結合性の架橋ポリマ成分からなり、特に、カプロラクトンユニット、ラクチドユニット、グリコールユニット又はｐ−ジオキサンユニットを基礎とし、及び非共有結合性架橋ポリエステルウレタン成分からなるものが述べられている。該ポリマは、二つの一時的な形状を格納することが出来、そこでは、転移温度は摂氏約５０度及び９０度と言われている。
【０００５】
また、ルイ、他（Ｍａｃｒｏｍｏｌ．Ｒａｐ．Ｃｏｍｍ．２６，２００５，６４９ ｆｆ）は、ポリメタクリル酸メチルユニット（ＰＭＭＡ）及びポリエチレングリコールユニット（ＰＥＧ）からなるＳＭＰ（準相互侵入ネットワーク−ＳＩＰＮ）も二つの転移温度（摂氏４０度及び８６度）を持っていることを開示している。しかし、プログラミング処理については、一つの一時的な形状の記憶についてのみが記載されている。
【０００６】
形状記憶ポリマが使用される重要な分野は、そうした材料を使用することの出来る医療技術の分野である。例えば、自己結節縫合材料やインプラント材料としてである。こうした使用においては、しばらくの時間の経過後に生体内で加水分解され吸収可能なポリマが望ましい。従来の形状記憶ポリマの不都合な点は、それらのスイッチ温度が生理学上許容できる範囲外であったり、及び／又はそれらが生体吸収可能ではなかったり、及び／又はそれら、又はそれらの分解物が生体親和性を有さないものであったりすることである。
【０００７】
本発明の目的は、少なくとも二つの一時的な形状を記憶することの出来る生体親和性を有する新しい形状記憶ポリマを提供することである。該ポリマの対応するスイッチ温度は、生理学上許容できる範囲である。即ち、周囲の細胞に損傷を与えること形状記憶性を刺激することができる。更に、形状記憶ポリマの少なくとも二つの一時形状をプログラミングする方法が提供される。
【０００８】
本発明による形状記憶ポリマは、異なる転移温度（Ｔｔｒａｎｓ、１、Ｔｔｒａｎｓ、２）を有する少なくとも二つのスイッチ片を有することによって、永久形状(PF)に加えて少なくとも二つの一時形状（ＴＦ１，ＴＦ２）を取ることができるという温度依存機能を有する形状記憶ポリマであって、前記スイッチ片の一方が、以下の一般式 Ｉ （ただし、式 Ｉ において、ｎは１〜６であり、式 Ｉ は単一のｎを有するポリエステル、構成成分ごとにｎが異なるコポリエステル、またはこれらの変性物を示す。）で表わされるポリエステル類に由来する。
【化１】
【０００９】
更に、本発明による形状記憶ポリマでは、前記スイッチ片の他方が、以下の一般式 ＩＩ （ただし、式 ＩＩ において、ｍは１〜４であり、式 ＩＩ は単一のｍを有するポリエーテル、構成成分ごとにｍが異なるコポリエーテル、またはこれらの変性物を表わす。）で表わされるポリエーテル類に由来する。
【化２】
【００１０】
これに関連して、スイッチ片という言葉は、前記式 Ｉ 又は式 ＩＩ に基づくオリゴマ又はポリマを意味するものとする。該オリゴマ又はポリマは、式中のｐ又はｑで表わされる鎖長を有し、記式 Ｉ 、式 ＩＩ 中の鎖長ｐ、ｑは、式 Ｉ 、式 ＩＩ で表わされるポリマーまたはオリゴマーに由来する単位が混合した前記形状記憶ポリマが所望の相転移を生じる長さであればいかなるものでもよい。以上の特徴によって、本ポリマシステムは全体として、それぞれのスイッチ片に関連させることの可能な材料特性を見せる。特に、熱的に引き起こされる効果の、互いには依存せずにガラス転移温度又は溶融温度が問題となりうる二つ以上の異なるスイッチ温度に関連させることが可能である。
本発明の形状記憶ポリマの構造についてみると、上記スイッチ片は、共有結合あるいは非共有結合によって架橋するかあるいは末端停止しており、片方の末端あるいは両末端が線状ポリマ部に結合している。前記式中のメチレン単位（−ＣＨ ２ −）の少なくとも１つは、形状記憶ポリマの相転移を妨げない限り、分岐又は直鎖の、飽和又は不飽和の炭素数１〜６の炭化水素基からなる置換基を有してよい。
【００１１】
本発明の配合の結果、適切なプログラミングの後、同時に少なくとも二つの変形を固定化することが出来、
これらの変形が適切な熱刺激により回復することが出来るような材料が提供される。特に本発明のポリマシステムの有利な特徴は、スイッチ温度が生理学的な許容範囲に収まっていることが判明したことである。特に、式Ｉ及びＩＩに基づくスイッチ片の二つの転移温度は、８５℃以下である。好ましくは、スイッチ片の鎖長及びモノマユニット、それらの置換基は、転移温度が８０℃より低く、好ましくは、７５℃より低くなるように選択される。更なる利点は、両スイッチ片に由来するポリマは、生体吸収性であり、その分解生成物も生体適合性である点である。
【００１２】
本発明の好適な実施例を参照すると、スイッチ片の一つは、前記ｎが５のポリ（ε−カプロラクトン）、あるいは、互いに独立した脂肪族炭素原子が一つ又は二つの、分岐又は直鎖の、飽和又は不飽和の炭素数1〜６の炭化水素基で置換されていてもよいポリ（ε−カプロラクトン）類に由来する。特に望ましいものは、誘導体化されていない、即ち置換基のない、式Ｉに基づく、ｎ＝５のポリ（ε−カプロラクトン）である。
【００１３】
本発明の別の好適な実施例を参照すると、スイッチ片の一つは、ｍ＝２のポリエチレングリコール、あるいは、互いに独立した脂肪族炭素原子が一つ又は二つの、分岐又は直鎖の、飽和又は不飽和の炭素数1〜６の炭化水素基で置換されていてもよいポリエチレングリコール類に由来する。特に望ましいものは、誘導体化されていない、式ＩＩに基づく、ｍ＝２のポリエチレングリコールである。
【００１４】
ポリマ中の質量含有率及び片の分子量とそれらの相対的な質量比（第１スイッチ片：第２スイッチ片）は、上記したスイッチ温度を超えることなく、明瞭な形状変化が少なくとも二つの相転移の間に行なわれるように、調整される。好都合なことに、第１のスイッチ片（ポリエステル）は、平均分子量が２０００から１０００００g/molの範囲であり、特に、５０００から４００００g/mol、好ましくは、約１００００g/molである。それとは別に、第２のスイッチ片（ポリエーテル）の平均分子量は、１００から１００００g/molの範囲であり、特に、５００から５０００g/mol、好ましくは、約１０００g/molであることが良いことが判明した。特に、形状記憶ポリマにおけるポリエステル片の質量含有率は、好ましくは、２５から６５％の範囲にあり、特に、３０から６０％の範囲にある。同様に、ポリエーテル片の質量含有率は、３５から７５％の範囲にあり、特に、４０から７０％の範囲にある。
【００１５】
本発明に基づくポリマシステムは、スイッチ片を包含するポリマ鎖が互いに架橋して存在しても、又は相互侵入ネットワーク（ＩＰＮ）（interpenetrating network）、又は準相互侵入ネットワーク（ＳＩＰＮ）（semi-interpenetrating network）であってもよい。
典型的には、ポリエステルに由来するスイッチ片が架橋して存在し、典型的にはポリエーテルに由来する他方のスイッチ片は、片方の末端が停止した側鎖として架橋構造をとるスイッチ片あるいは線状ポリマ部に結合しているポリマネットワークである。
【００１６】
本発明による形状記憶ポリマは以下のように製造することができる。
以下の式 Ｉａ （ただし、式 Ｉａ において、ｎは１〜６であり、式 Ｉａ は単一のｎを有するポリエステル、構成成分ごとにｎが異なるコポリエステル、またはこれらの変性物を示し、基Ｙは他の構成成分を互いに結合させる基を表わす。）で表わされるポリエステルマクロマー、及び、
【化３】
以下の式 ＩＩａ （ただし、式 ＩＩａ において、ｍは１〜４であり、式 ＩＩａ は単一のｍを有するポリエーテル、構成成分ごとにｍが異なるコポリエーテル、またはこれらの変性物を表わす。）で表わされるポリエーテルマクロマ
【化４】
が重合する。ポリエステルとポリエーテルの好ましい例は先の記述に基づいて選択される。その際、式Ｉａのｐ１及びｐ２、即ちポリエステル又はコポリエステルの鎖長は、同じでも異なっていても良い。基Ｙは、専ら両方のポリエステル単位を互いに逆向きにするように結合するよう作用するが、以下のように、その両側に重合可能な基を有してよい。
【００１７】
ポリエステル成分由来の一例は、以下の式Iｂで表わされ、ｒ＝２，ｐ３＝２及びＸ＝Ｏの、ジエチレングリコールＨＯ−ＣＨ ２ −ＣＨ ２ −Ｏ−ＣＨ ２ −ＣＨ ２ −ＯＨと所定のエステルモノマーとの重合によるマクロマーである。
【化５】
【００１８】
基Ｒ1及び／又は基Ｒ2 は、それぞれ独立の基であって、相互に反応して重合体を形成することができる。典型的には基Ｒ1及び基Ｒ2が相互に反応して重合体を形成できる。好ましくは基Ｒ１及び／又は基Ｒ２が、アクリル基又はメタクリル基であり、更に好ましくはいずれもがメタクリル基である。以上のような両成分を重合させて架橋させると、ポリエステル単位の両末端が結合して、ポリエステル単位とポリ（メタ）アクリレート鎖が重合し、ポリエステル鎖が架橋される。
【００１９】
同様に、基Ｒ3及び／又は基Ｒ４は、それぞれ独立の基であって、相互に反応して重合体を形成することができる。基Ｒ３及び基Ｒ４のうちの、いずれか一つが反応性基であり、もう一方は非反応性基である。こうすることにより、構成単位の片末端だけが他の構成単位あるいは線状ポリマ部の追加的な部分と結合する。好ましくは、基Ｒ３及び基Ｒ４うちの、いずれか一つがアクリル基又はメタクリル基であり、もう一方はアルコキシル基である。更に好ましくは、基Ｒ３ｈがメチルエーテル基であり、基Ｒ４がメタクリル基である。
【００２０】
更に、共重合は少なくとも一つの追加的なモノマーの存在の下、特に、アクリル又はメタクリルモノマーの存在の下で行なわれてもよい。その結果、ポリ（メタ）アクリレートが形成され、前述の線状ポリマ部の追加的な部分を形成する。
【００２１】
その結果、特に好適な例としては、一方のマクロマとしての式Iｃで表わされるポリ（ε−カプロラクトン）−ジメタクリレート（ＰＣＬＤＭＡ）と、もう一方のマクロマとしての式IIｃで表わされるポリ（エチレングリコール）メチル エーテル メタクリレート（ＰＥＧＭＭＡ）とを共重合する。ＰＣＬＤＭＡマクロマとＰＥＧＭＭＡマクロマのメタクリレートが線状に重合されて、線状ポリマ部が形成される。
【化６】
【化７】
【００２２】
本発明の他の重要な点は、本発明の形状記憶ポリマに少なくとも二つの一時的な形状をプログラミングする方法である。上記方法は以下の工程を有する。
（ａ）より高い転移温度（Ｔｔｒａｎｓ、１ ）よりも上の温度で、前記形状記憶ポリマが 第１の一時的形状（ＴＦ１）を形成する工程、
（ｂ）前記第１の一時形状（ＴＦ１）を維持した状態で、前記転移温度（Ｔｔｒａｎｓ、１ ）より低い温度に冷却する工程、
（ｃ）より低い転移温度（Ｔｔｒａｎｓ、２）より上で前記転移温度（Ｔｔｒａｎｓ、１ ）より下の温度で、前記形状記憶ポリマが第２の一時形状（ＴＦ２）を形成する工程、（ｄ）第２の一時形状（ＴＦ２）を維持した状態で、前記転移温度（Ｔｔｒａｎｓ、２）より下の温度に冷却する工程
【００２３】
工程（ｂ）の冷却は、前記転移温度（Ｔｔｒａｎｓ、１ ）より下で前記転移温度（Ｔｔｒａｎｓ、２）より上の温度への冷却、または、前記転移温度（Ｔｔｒａｎｓ、２）より下の温度までの冷却のいずれかより選択することができる。
第１の一時的形状を固定するためには、前記より高い転移温度より低い温度となる冷却が必須である。もし、形状記憶ポリマが二つの一時的な形状を記憶することが出来るポリマであるなら、即ち、形状記憶ポリマが少なくとも３つのスイッチ片から構成されるならば、さらに一時形状が同様の方法でプログラムされる。このプログラム方法では、それぞれの転移温度より高い温度において変形力が作用し、変形力を維持したままこれらの転移温度より低い温度へ冷却する過程でそれら一時形状が固定される。
【００２４】
本発明による形状記憶ポリマは、特に医療分野、中でもインプラント材料として好適である。例えば、形状記憶ポリマは、インテリジェントインプラント材料として使用することが出来るが、ここでは熱的刺激を経て形状が記憶され、これにより解剖学的な条件への適用が可能となる。この場合、生理的に無害な転移温度であり、同時に生体吸収性が優れることが、有利にはたらく。
【００２５】
本発明の追加的で好適な実施例は、副次的なクレームに開示された残りの特徴に起因するものである。
【００２６】
以下に、本発明を説明するために、関連する図面を参照しつつ典型的な実施例を示す。
【００２７】
図１ ＰＣＬＤＭＡ及びＰＥＧＭＭＡの共重合により得られた、発明のグラフトポリマネットワークの構造。
図２ 異なる組成を持ったＰＣＬ−ＰＥＧネットワークの相転移の、ＤＳＣ及びＤＭＴＡ検査。
図３ 図１によるグラフトポリマネットワークのプログラミング。
図４ 多様なプログラミングパラメータの、周期的、熱機械的実験における、時間上でのグラフ。
図５ 一つの典型的な実施例によって示された本発明による形状記憶ポリマ。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
１．ポリ（ε−カプロラクトン）ジメタクリレートＰＣＬ１０ｋＤＭＡの合成
平均分子量１００００ｇ／ｍｏｌ（ＰＣＬ１０ｋジオール）を有する、５００ｇ（５０ｍｍｏｌ）のポリ（ε−カプロラクトン）ジオール（アルドリッチ社）を、窒素雰囲気中で乾いた３ネックフラスコ内の５Ｌのジクロロメタン内に配置する。氷で冷却しながら、２０．０ｍＬ（０．１４ｍｏｌ）のトリエチルアミンを滴下した。摂氏０で１０分間攪拌した後、１７．４ｍＬ（０．１８ｍｏｌ）のメタクリル酸クロライドを滴下した。溶液を室温まで加熱し、更に２４時間攪拌する。沈殿した塩を濾過により取り除いた。濾過水を濃縮し、酢酸エチルに溶解した。この溶液を、摂氏−２０度で１０倍を超えるヘキサン／ジエチルエーテル／メタノール（１８：１：１ 部／容積）混合物内で沈殿した。真空乾燥の後、式Ｉｃ（上を参照）を有する平均分子量が１０ｋＤ（ＰＣＬ１０ｋＤＭＡ）の、４７５ｇ（４７ｍｍｏｌ）のポリ（ε−カプロラクトン）ジメタクリレートＰＣＬＭＤＡが得られる（収率９５％）。メタクリレート基によるＰＣＬジオールの官能化の割合は、１Ｈ−ＮＭＲ分光学で、約８５％と決定された。このことは、マクロマのうち７２％が両端で官能化され（ジメタクリレート）、２６％が一端のみ官能化され（モノメタクリレート）、２％が官能化されずにジオールとして存在することを意味する。
【００２９】
２．ＰＣＬＭＤＡとＰＥＧＭＭＡの共重合
上記例１によって準備したＰＣＬ１０ｋＤＭＡと、式ＩＩｃ（上記参照）で表わされる１０００ｇ／ｍｏｌの平均分子量を有するポリエチレン・グリコール・メチルエーテル・メタクリレート（ＰＥＧ１ｋＭＭＡ）（ポリサイエンス社）を、表１に示されるそれぞれの混合割合となるように秤量した。（ＰＥＧ１ｋＭＭＡのメチルメタクリレート（ＭＭＡ）端末基の官能化の割合は、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ質量分析により、１００％であると決定された）ＰＣＬ１０ｋＤＭＡとＰＥＧ１ｋＭＭＡの混合物は、良好な混合を達成するために摂氏８０度で真空炉内で溶解された。このプレポリマ混合物は、ガラスプレート（１０×１０ｃｍ）上に注がれ、再度真空炉内に配置された。気泡のない均一な溶解が得られ、型は、その上に配置された別のガラスプレート及び横に配置されたＰＴＦＥスペーサ（厚さ０．５５ｃｍ）により閉鎖された。架橋の引き金となるように、掛け金で固定された構造体に８０分間紫外線照射（鉄ドープ処理水銀蒸気ランプ）を行なった。参考材料として、ＰＣＬ１０ｋＤＭＡの架橋ホモポリマ（表１のＰＣＬ（１００））、ＰＥＧ１ｋＭＭＡ線形ホモポリマ（表１のＰ[ＰＥＧＭＭＡ]）を得るために、ＰＣＬ１０ｋＤＭＡ単独、ＰＥＧ１ｋＭＭＡ単独を同様に処理した。
【表１】
【００３０】
図１は、こうして得られた参照番号１０が付されたＰＣＬ−ＰＥＧポリマネットワークの構造を示す模式図である。線状ポリマ部１２が示されている。ＰＣＬ１０ｋＤＭＡマクロマとＰＥＧ１ｋＭＭＡマクロマとが互いに重合した結果生成した線状ポリメタクリレート鎖から、線状ポリマ部１２は、本質的に構成されている。線状ポリマ部１２は、両端が結合したＰＣＬ１０ｋＤＭＡ鎖１４と架橋しており、同時に、ＰＥＧ１ｋＭＭＡ１６が末端が停止された側鎖として線状ポリマ部１２と結合している。番号１８で示される結合部は、線状ポリマ部１２とＰＣＬ１０ｋＤＭＡ鎖１４との結合を表わす。
【００３１】
３．ＰＣＬＤＭＡとＰＥＧＭＭＡのポリマネットワークの特性評価
上記例２により得られた様々な成分からなるＰＣＬ１０ｋＤＭＡマクロマとＰＥＧ１ｋＭＭＡマクロマに存在するポリマネットワークを、示差走査熱量測定（ＤＳＣ）と同的熱機械分析（ＤＭＴＡ）により分析した。ＤＳＣ測定は、Ｐｈｏｅｎｉｘ-Ｇｅｒｅａｔ社の製品Ｎｅｔｚｓｃｈ ＤＳＣ ２０４を用いて、アルミニウム容器に収納された５〜１０ｍｇの資料について、窒素雰囲気下、−１００℃から＋１００℃まで、冷却又は加熱速度１Ｋ／分で行った。結果を表２に示す。ＤＭＴＡ測定は、２５Ｎの緩衝装置を装備したＧａｂｏ社製Ｅｘｐｌｅｘｏｒ５Ｎを用い、静的負荷０．５％、動的負荷２０％、周波数１０Ｈｚ及び−１００℃から＋１００℃の温度範囲内で加熱速度２Ｋ／分で、行なった。結果を表２に示す。
図２に、ＰＣＬ（５０）ＰＥＧのポリマネットワークについて、ＤＳＣで測定した熱流量 ＤＱ／ｄｔ（単位Ｗ/ｇ）とＤＭＴＡで決定された０℃から８０℃の範囲のメモリモジュールＥ‘（単位ＭＰａ）を示す。
【表２】
【００３２】
ＰＥＧ及びＰＣＬの微結晶の溶解と再結晶によって、ＰＣＬセグメント及びＰＥＧセグメントを含む本発明のポリマネットワークは、０℃から８０℃の間で、二つの非常に異なる相転移を示す。低い方の溶融温度Ｔｍは明らかにＰＥＧセグメントの溶解又は結晶化と関連しており、ホモポリマＰ［ＰＥＧＭＭＡ］では３９℃に、ＰＣＬの質量分率が２０及び６０％のコポリマでは３８〜３２℃の範囲で観測された。高い方の溶融温度Ｔｍは明らかにＰＣＬ片の溶解又は結晶化と関連しており、ホモポリマＰＣＬ（１００）の場合に約５５℃に、全てのコポリマの場合で５３〜５４℃の範囲で観測された。これらの実験結果は、本発明のグラフトポリマーネットワークは、それぞれの相でＰＣＬセグメントとＰＥＧセグメントのそれぞれが固有の相転移温度を示す相分離モルフォロジーを示すため、２つの一時形状を固定するための温度制御に適していることを示す。
【００３３】
ＰＥＧ片の溶融温度が、ＰＣＬ含有量が７０％で顕著に下がることは、適当なＰＥＧの結晶サイズを得るためにはポリマネットワークにおいてＰＥＧの質量分率の限界は４０％であることを示す。これと反対に、ＰＣＬセグメントの溶融温度が一定していることから、ＰＣＬ質量分率２０％で、適当なＰＣＬセグメントの結晶サイズが得られることが分かる。
【００３４】
４．ＰＣＬＤＭＡとＰＥＧＭＭＡから得られるポリマネットワークのプログラミング
例２で得られた、４０wt％のＰＣＬ１０ｋＤＭＡ及び６０wt％のＰＥＧ１ｋＭＭＡに由来するグラフトポリマネットワークＰＣＬ（４０）ＰＥＧは、熱機械実験で以下のようにプログラムされた。即ち、製造時に設定された永久形状に加えて、二つの一時形状が、ポリマの“形状メモリ”に記録された。基本的にこれは、第１の一時形状を、ＰＣＬの溶解温度（Ｔｍ（ＰＣＬ））より低い温度又は、ＰＥＧの溶解温度（Ｔｍ（ＰＥＧ））より低い温度で固定し、次いで、第２の一時形状を、ＰＥＧの溶解温度（Ｔｍ（ＰＥＧ））より低い温度で固定することで行なわれる。
【００３５】
この原理は、図３を参照して説明される。ここで、図２と同じ参照符号を使用する。ここで、図３Ａには、高い方の転移温度より上、即ちＰＣＬセグメント１４の溶解温度（Ｔｍ（ＰＣＬ））より上の温度での、ポリマネットワーク１０の構造が示されている。この温度では、ＰＣＬセグメント１４及びＰＥＧセグメント１６は共に非晶質であって、図中で不安定セグメント１４，１６として示される。このプログラミングの開始時には、ポリマ１０は、製造工程、特に架橋反応によってに設定された永久形状ＰＦをとる。
【００３６】
図３Ａの形状から開始し、ポリマネットワーク１０は第１工程で、第１の一時形状ＴＦ１に対応した形状ＴＦ２を獲得する。これは、Ｔｍ（ＰＣＬ）より高い温度で適当な機械的負荷を与えることで達成され、その負荷は、例えば、ポリマ１０を引き伸ばすようなものである。このことは、図３Ｂでは、線状ポリマ部１２の距離が引き伸ばされることで示される。この引き伸ばしの後、ポリマシステム１０は溶解温度Ｔｍ（ＰＣＬ）より低い温度、典型的にはＴｍ（ＰＥＧ）とＴｍ（ＰＣＬ）の間の温度まで冷却される。冷却によって少なくともＰＣＬセグメント１４部分が結晶化する。図３Ｂに、結晶化したＰＣＬセグメントを２０で示す。この第１の一時形状ＴＦ１は、続いて、温度Ｔ＜Ｔｍ（ＰＣＬ）の任意の温度で所定時間置くことで安定化される。この間、機械的負荷は与え続ける。
【００３７】
次の工程で、第１の一時形状ＴＦ１と同様に、第２の一時形状ＴＦ２のプログラミングが行なわれる。典型的には、２回目の機械的な刺激、例えばＴｍ（ＰＥＧ）より高い温度での引き伸しを経て、ポリマ１０が第２の一時形状ＴＦ２をとる。（図３Ｃ）。次いで、第２の一時形状ＴＦ２を固定するために、低い方の転移温度、即ちＰＥＧセグメントの溶解温度Ｔｍ（ＰＥＧ）より低い温度まで冷却する。こうすることで、ＰＥＧ側鎖１６における結晶化したＰＥＧセグメント２２が形成される。機械的負荷を維持してポリマネットワーク１０を適当な時間アニールすることによりＰＣＴ結晶が成長する。
【００３８】
このような工程でプログラムされた第２の一時形状ＴＦ２を有するポリマネットワーク１０は、まず初めに中間温度Ｔｍ（ＰＥＧ）＜Ｔ＜Ｔｍ（ＰＣＬ）に、次いでＴｍ（ＰＣＬ）より高い温度に置かれれば、第１の一時形状ＴＦ１と永久形状ＰＦを逐次的にとることができる。以前に固定された形状の復元を形状記憶効果あるいはシェイプメモリー効果（ＳＭ効果）と称する。
【００３９】
図４に、ポリマＰＣＬ（４０）ＰＥＧのプログラミングサイクル及び復元サイクルにおける、温度変化と伸長変化を示す。
【００４０】
プログラミングサイクルは、Ｔｍ（ＰＣＬ）（約５３℃）より高い７０℃の温度Ｔｈ，１で開始される。次に、ポリマを５０％（εｍ、１）変形し、第１の一時形状ＴＦ１に一致させる。引き続き、機械的負荷をかけた状態で、４Ｋ／分の温度勾配で、Ｔｍ（ＰＣＬ）より低くＴｍ（ＰＥＧ）（約３７℃）より高い中間温度４０℃に冷却する。３時間保持した後に負荷を除くと、ポリマ鎖の僅かな収縮が観察された。次いで、試料を機械的負荷をかけることなく更に１０分間保持する。そして、一定の機械的な負荷の下、試料の伸長が１００％（εｍ、２）となるまで延伸すると共に０℃（Ｔ１）まで冷却し、さらに機械的負荷を維持したまま１０分間保持する。これにより、試料は僅かに収縮する。
【００４１】
プログラミングサイクルが完了すると、機械的負荷を掛けることなく、１Ｋ／分の温度上昇速度で試料を０℃から７０まで再加熱することで、記憶された形状が逐次的に復元される。その際、まずＰＥＧ結晶の溶解と、さらにＴｍ（ＰＥＧ）における第２の一時形状の復元が観測される。もし、温度が摂氏４０度で１時間保持されたなら、第２の一時的な形状は安定なものとなり、永久形状（図示せず）へ転換することはない。
【００４２】
Ｔｍ（ＰＣＬ）より上に加熱を継続すると、ＰＣＬ結晶は溶解し、永久形状への殆ど定量的な復元が達成される。このプログラミングサイクルと復元サイクルは４回以上行なわれ、同じ結果となった。
【００４３】
図５に、例２に基づくプログラムされた本発明のポリマネットワークの実際的な応用例を示す。この際、図の上部は、２０℃におけるポリマ１０の第２の一時的な形状ＴＦ２を示す。ポリマ１０は、平らな中央部２６に装着された二つの側部２４を有している。ポリマ１０は、開口３０を有する透明なプラスチックキャリア２８に搭載されている。ポリマシステム１０を４０℃まで加熱する間に、中央部２６は、上部で示された、曲がった形状から、第１の一時形状ＴＦ１に対応した平らな形状（図５中央部）へと変形する。このとき、側部２４は、殆ど変化がない。第１の一時形状ＴＦ１が復元する間に、左側部２４はプラスチックキャリア２８の開口３０を貫通伸延する。ポリマシステム１０を６０℃まで加熱し続けると、側部２４は上方に屈曲を開始し、フック状の形状を呈する（図５下部）。同時に、中央部２６は実質的には変化しない。図５の下部に示す形状は、ポリマネットワーク１０の永久形状ＰＦに対応する。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】図１は、ＰＣＬＤＭＡ及びＰＥＧＭＭＡの共重合により得られた、発明のグラフトポリマネットワークの構造。
【図２】図２は、異なる組成を持ったＰＣＬ−ＰＥＧネットワークの相転移の、ＤＳＣ及びＤＭＴＡ検査。
【図３】図３は、図１によるグラフトポリマネットワークのプログラミング。
【図４】図４は、多様なプログラミングパラメータの、周期的、熱機械的実験における、時間上でのグラフ。
【図５】図５は、一つの典型的な実施例によって示された本発明による形状記憶ポリマ。
【符号の説明】
【００４５】
ＰＦ 永久形状
ＴＦ１ 第１の一時的な形状
ＴＦ２ 第２の一時的な形状
Ｔｔｒａｎｓ，１ 第１の転移温度
Ｔｔｒａｎｓ，２ 第２の転移温度
Ｔｍ（ＰＣＬ） ＰＣＬ片の溶解温度
Ｔｍ（ＰＥＧ） ＰＥＧ片の溶解温度
１０ ポリマネットワーク
１２ 線状ポリマ部
１４ 架橋ポリマ（ＰＣＬ１０ｋＤＭＡ）
１６ 側鎖ポリマ（ＰＥＧ１ｋＭＭＡ）
１８ 結合部
２０ 結晶ＰＣＬ片
２２ 結晶ＰＧＥ片
２４ 側部
２６ 中央部
２８ プラスチックキャリア
３０ 開口
【０００１】
本発明は、形状記憶ポリマに係わり、永久的な形状に加えて、少なくとも二つの一時的な形状を記憶することの出来る、形状記憶ポリマ、その調整のための処理及び、使用及びその形状を作成するための処理に関する。
【背景技術】
【０００２】
所謂、形状記憶ポリマ又はＳＭＰは、適当な刺激に反応し、前もって行なわれたプログラムにより、一時的な形状より永久的な形状への形状変化を示すことが従来から知られている。しばしば、この形状記憶効果は、熱的に励起される。即ち、ポリマ材料がある特定の転移温度以上に加熱されると、エンロトピー弾性がトリガーとなってリセット作用が生じる。原則的には、形状記憶ポリマは、化学的（共有結合性）又は物理的（非共有結合性）な架橋サイトが永久形状を規定しているポリマネットワークである。プログラミングは、ポリマ材料を、スイッチ片の転移温度以上で変形させ、次いでこの温度以下に冷却すると、変形力が保持され、一時的な形状が固定される。再度、転移温度以上に加熱すると、相転移状態となり、オリジナルな永久形状が回復する。
【０００３】
更に、最近では、異なる転移温度を有するスイッチ片を持ったポリマネットワークが知られている。
【０００４】
例えば、ＥＰ１３６２８７９Ａ公報には、形状記憶ポリマ（この場合、ＩＰＮ（相互侵入ネットワーク）であるが）が共有結合性の架橋ポリマ成分からなり、特に、カプロラクトンユニット、ラクチドユニット、グリコールユニット又はｐ−ジオキサンユニットを基礎とし、及び非共有結合性架橋ポリエステルウレタン成分からなるものが述べられている。該ポリマは、二つの一時的な形状を格納することが出来、そこでは、転移温度は摂氏約５０度及び９０度と言われている。
【０００５】
また、ルイ、他（Ｍａｃｒｏｍｏｌ．Ｒａｐ．Ｃｏｍｍ．２６，２００５，６４９ ｆｆ）は、ポリメタクリル酸メチルユニット（ＰＭＭＡ）及びポリエチレングリコールユニット（ＰＥＧ）からなるＳＭＰ（準相互侵入ネットワーク−ＳＩＰＮ）も二つの転移温度（摂氏４０度及び８６度）を持っていることを開示している。しかし、プログラミング処理については、一つの一時的な形状の記憶についてのみが記載されている。
【０００６】
形状記憶ポリマが使用される重要な分野は、そうした材料を使用することの出来る医療技術の分野である。例えば、自己結節縫合材料やインプラント材料としてである。こうした使用においては、しばらくの時間の経過後に生体内で加水分解され吸収可能なポリマが望ましい。従来の形状記憶ポリマの不都合な点は、それらのスイッチ温度が生理学上許容できる範囲外であったり、及び／又はそれらが生体吸収可能ではなかったり、及び／又はそれら、又はそれらの分解物が生体親和性を有さないものであったりすることである。
【０００７】
本発明の目的は、少なくとも二つの一時的な形状を記憶することの出来る生体親和性を有する新しい形状記憶ポリマを提供することである。該ポリマの対応するスイッチ温度は、生理学上許容できる範囲である。即ち、周囲の細胞に損傷を与えること形状記憶性を刺激することができる。更に、形状記憶ポリマの少なくとも二つの一時形状をプログラミングする方法が提供される。
【０００８】
本発明による形状記憶ポリマは、異なる転移温度（Ｔｔｒａｎｓ、１、Ｔｔｒａｎｓ、２）を有する少なくとも二つのスイッチ片を有することによって、永久形状(PF)に加えて少なくとも二つの一時形状（ＴＦ１，ＴＦ２）を取ることができるという温度依存機能を有する形状記憶ポリマであって、前記スイッチ片の一方が、以下の一般式 Ｉ （ただし、式 Ｉ において、ｎは１〜６であり、式 Ｉ は単一のｎを有するポリエステル、構成成分ごとにｎが異なるコポリエステル、またはこれらの変性物を示す。）で表わされるポリエステル類に由来する。
【化１】
更に、本発明による形状記憶ポリマでは、前記スイッチ片の他方が、以下の一般式 ＩＩ （ただし、式 ＩＩ において、ｍは１〜４であり、式 ＩＩ は単一のｍを有するポリエーテル、構成成分ごとにｍが異なるコポリエーテル、またはこれらの変性物を表わす。）で表わされるポリエーテル類に由来する。
【化２】
これに関連して、スイッチ片という言葉は、前記式 Ｉ 又は式 ＩＩ に基づくオリゴマ又はポリマを意味するものとする。該オリゴマ又はポリマは、式中のｐ又はｑで表わされる鎖長を有し、記式 Ｉ 、式 ＩＩ 中の鎖長ｐ、ｑは、式 Ｉ 、式 ＩＩ で表わされるポリマーまたはオリゴマーに由来する単位が混合した前記形状記憶ポリマが所望の相転移を生じる長さであればいかなるものでもよい。以上の特徴によって、本ポリマシステムは全体として、それぞれのスイッチ片に関連させることの可能な材料特性を見せる。特に、熱的に引き起こされる効果の、互いには依存せずにガラス転移温度又は溶融温度が問題となりうる二つ以上の異なるスイッチ温度に関連させることが可能である。
本発明の形状記憶ポリマの構造についてみると、上記スイッチ片は、共有結合あるいは非共有結合によって架橋するかあるいは末端停止しており、片方の末端あるいは両末端が線状ポリマ部に結合している。前記式中のメチレン単位（−ＣＨ ２ −）の少なくとも１つは、形状記憶ポリマの相転移を妨げない限り、分岐又は直鎖の、飽和又は不飽和の炭素数１〜６の炭化水素基からなる置換基を有してよい。
【００１１】
本発明の配合の結果、適切なプログラミングの後、同時に少なくとも二つの変形を固定化することが出来、
これらの変形が適切な熱刺激により回復することが出来るような材料が提供される。特に本発明のポリマシステムの有利な特徴は、スイッチ温度が生理学的な許容範囲に収まっていることが判明したことである。特に、式Ｉ及びＩＩに基づくスイッチ片の二つの転移温度は、８５℃以下である。好ましくは、スイッチ片の鎖長及びモノマユニット、それらの置換基は、転移温度が８０℃より低く、好ましくは、７５℃より低くなるように選択される。更なる利点は、両スイッチ片に由来するポリマは、生体吸収性であり、その分解生成物も生体適合性である点である。
【００１２】
本発明の好適な実施例を参照すると、スイッチ片の一つは、前記ｎが５のポリ（ε−カプロラクトン）、あるいは、互いに独立した脂肪族炭素原子が一つ又は二つの、分岐又は直鎖の、飽和又は不飽和の炭素数1〜６の炭化水素基で置換されていてもよいポリ（ε−カプロラクトン）類に由来する。特に望ましいものは、誘導体化されていない、即ち置換基のない、式Ｉに基づく、ｎ＝５のポリ（ε−カプロラクトン）である。
【００１３】
本発明の別の好適な実施例を参照すると、スイッチ片の一つは、ｍ＝２のポリエチレングリコール、あるいは、互いに独立した脂肪族炭素原子が一つ又は二つの、分岐又は直鎖の、飽和又は不飽和の炭素数1〜６の炭化水素基で置換されていてもよいポリエチレングリコール類に由来する。特に望ましいものは、誘導体化されていない、式ＩＩに基づく、ｍ＝２のポリエチレングリコールである。
【００１４】
ポリマ中の質量含有率及び片の分子量とそれらの相対的な質量比（第１スイッチ片：第２スイッチ片）は、上記したスイッチ温度を超えることなく、明瞭な形状変化が少なくとも二つの相転移の間に行なわれるように、調整される。好都合なことに、第１のスイッチ片（ポリエステル）は、平均分子量が２０００から１０００００g/molの範囲であり、特に、５０００から４００００g/mol、好ましくは、約１００００g/molである。それとは別に、第２のスイッチ片（ポリエーテル）の平均分子量は、１００から１００００g/molの範囲であり、特に、５００から５０００g/mol、好ましくは、約１０００g/molであることが良いことが判明した。特に、形状記憶ポリマにおけるポリエステル片の質量含有率は、好ましくは、２５から６５％の範囲にあり、特に、３０から６０％の範囲にある。同様に、ポリエーテル片の質量含有率は、３５から７５％の範囲にあり、特に、４０から７０％の範囲にある。
【００１５】
本発明に基づくポリマシステムは、スイッチ片を包含するポリマ鎖が互いに架橋して存在しても、又は相互侵入ネットワーク（ＩＰＮ）（interpenetrating network）、又は準相互侵入ネットワーク（ＳＩＰＮ）（semi-interpenetrating network）であってもよい。
典型的には、ポリエステルに由来するスイッチ片が架橋して存在し、典型的にはポリエーテルに由来する他方のスイッチ片は、片方の末端が停止した側鎖として架橋構造をとるスイッチ片あるいは線状ポリマ部に結合しているポリマネットワークである。
【００１６】
本発明による形状記憶ポリマは以下のように製造することができる。
以下の式 Ｉａ （ただし、式 Ｉａ において、ｎは１〜６であり、式 Ｉａ は単一のｎを有するポリエステル、構成成分ごとにｎが異なるコポリエステル、またはこれらの変性物を示し、基Ｙは他の構成成分を互いに結合させる基を表わす。）で表わされるポリエステルマクロマー、及び、
【化３】
【化４】
【００１７】
ポリエステル成分由来の一例は、以下の式Iｂで表わされ、ｒ＝２，ｐ３＝２及びＸ＝Ｏの、ジエチレングリコールＨＯ−ＣＨ ２ −ＣＨ ２ −Ｏ−ＣＨ ２ −ＣＨ ２ −ＯＨと所定のエステルモノマーとの重合によるマクロマーである。
【化５】
基Ｒ1及び／又は基Ｒ2 は、それぞれ独立の基であって、相互に反応して重合体を形成することができる。典型的には基Ｒ1及び基Ｒ2が相互に反応して重合体を形成できる。好ましくは基Ｒ１及び／又は基Ｒ２が、アクリル基又はメタクリル基であり、更に好ましくはいずれもがメタクリル基である。以上のような両成分を重合させて架橋させると、ポリエステル単位の両末端が結合して、ポリエステル単位とポリ（メタ）アクリレート鎖が重合し、ポリエステル鎖が架橋される。
【００１９】
同様に、基Ｒ3及び／又は基Ｒ４は、それぞれ独立の基であって、相互に反応して重合体を形成することができる。基Ｒ３及び基Ｒ４のうちの、いずれか一つが反応性基であり、もう一方は非反応性基である。こうすることにより、構成単位の片末端だけが他の構成単位あるいは線状ポリマ部の追加的な部分と結合する。好ましくは、基Ｒ３及び基Ｒ４うちの、いずれか一つがアクリル基又はメタクリル基であり、もう一方はアルコキシル基である。更に好ましくは、基Ｒ３ｈがメチルエーテル基であり、基Ｒ４がメタクリル基である。
【００２０】
更に、共重合は少なくとも一つの追加的なモノマーの存在の下、特に、アクリル又はメタクリルモノマーの存在の下で行なわれてもよい。その結果、ポリ（メタ）アクリレートが形成され、前述の線状ポリマ部の追加的な部分を形成する。
【００２１】
その結果、特に好適な例としては、一方のマクロマとしての式Iｃで表わされるポリ（ε−カプロラクトン）−ジメタクリレート（ＰＣＬＤＭＡ）と、もう一方のマクロマとしての式IIｃで表わされるポリ（エチレングリコール）メチル エーテル メタクリレート（ＰＥＧＭＭＡ）とを共重合する。ＰＣＬＤＭＡマクロマとＰＥＧＭＭＡマクロマのメタクリレートが線状に重合されて、線状ポリマ部が形成される。
【化６】
本発明の他の重要な点は、本発明の形状記憶ポリマに少なくとも二つの一時的な形状をプログラミングする方法である。上記方法は以下の工程を有する。
（ａ）より高い転移温度（Ｔｔｒａｎｓ、１ ）よりも上の温度で、前記形状記憶ポリマが 第１の一時的形状（ＴＦ１）を形成する工程、
（ｂ）前記第１の一時形状（ＴＦ１）を維持した状態で、前記転移温度（Ｔｔｒａｎｓ、１ ）より低い温度に冷却する工程、
（ｃ）より低い転移温度（Ｔｔｒａｎｓ、２）より上で前記転移温度（Ｔｔｒａｎｓ、１ ）より下の温度で、前記形状記憶ポリマが第２の一時形状（ＴＦ２）を形成する工程、（ｄ）第２の一時形状（ＴＦ２）を維持した状態で、前記転移温度（Ｔｔｒａｎｓ、２）より下の温度に冷却する工程
【００２３】
工程（ｂ）の冷却は、前記転移温度（Ｔｔｒａｎｓ、１ ）より下で前記転移温度（Ｔｔｒａｎｓ、２）より上の温度への冷却、または、前記転移温度（Ｔｔｒａｎｓ、２）より下の温度までの冷却のいずれかより選択することができる。
第１の一時的形状を固定するためには、前記より高い転移温度より低い温度となる冷却が必須である。もし、形状記憶ポリマが二つの一時的な形状を記憶することが出来るポリマであるなら、即ち、形状記憶ポリマが少なくとも３つのスイッチ片から構成されるならば、さらに一時形状が同様の方法でプログラムされる。このプログラム方法では、それぞれの転移温度より高い温度において変形力が作用し、変形力を維持したままこれらの転移温度より低い温度へ冷却する過程でそれら一時形状が固定される。
【００２４】
本発明による形状記憶ポリマは、特に医療分野、中でもインプラント材料として好適である。例えば、形状記憶ポリマは、インテリジェントインプラント材料として使用することが出来るが、ここでは熱的刺激を経て形状が記憶され、これにより解剖学的な条件への適用が可能となる。この場合、生理的に無害な転移温度であり、同時に生体吸収性が優れることが、有利にはたらく。
【００２５】
本発明の追加的で好適な実施例は、副次的なクレームに開示された残りの特徴に起因するものである。
【００２６】
以下に、本発明を説明するために、関連する図面を参照しつつ典型的な実施例を示す。
【００２７】
図１ ＰＣＬＤＭＡ及びＰＥＧＭＭＡの共重合により得られた、発明のグラフトポリマネットワークの構造。
図２ 異なる組成を持ったＰＣＬ−ＰＥＧネットワークの相転移の、ＤＳＣ及びＤＭＴＡ検査。
図３ 図１によるグラフトポリマネットワークのプログラミング。
図４ 多様なプログラミングパラメータの、周期的、熱機械的実験における、時間上でのグラフ。
図５ 一つの典型的な実施例によって示された本発明による形状記憶ポリマ。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
１．ポリ（ε−カプロラクトン）ジメタクリレートＰＣＬ１０ｋＤＭＡの合成
平均分子量１００００ｇ／ｍｏｌ（ＰＣＬ１０ｋジオール）を有する、５００ｇ（５０ｍｍｏｌ）のポリ（ε−カプロラクトン）ジオール（アルドリッチ社）を、窒素雰囲気中で乾いた３ネックフラスコ内の５Ｌのジクロロメタン内に配置する。氷で冷却しながら、２０．０ｍＬ（０．１４ｍｏｌ）のトリエチルアミンを滴下した。摂氏０で１０分間攪拌した後、１７．４ｍＬ（０．１８ｍｏｌ）のメタクリル酸クロライドを滴下した。溶液を室温まで加熱し、更に２４時間攪拌する。沈殿した塩を濾過により取り除いた。濾過水を濃縮し、酢酸エチルに溶解した。この溶液を、摂氏−２０度で１０倍を超えるヘキサン／ジエチルエーテル／メタノール（１８：１：１ 部／容積）混合物内で沈殿した。真空乾燥の後、式Ｉｃ（上を参照）を有する平均分子量が１０ｋＤ（ＰＣＬ１０ｋＤＭＡ）の、４７５ｇ（４７ｍｍｏｌ）のポリ（ε−カプロラクトン）ジメタクリレートＰＣＬＭＤＡが得られる（収率９５％）。メタクリレート基によるＰＣＬジオールの官能化の割合は、１Ｈ−ＮＭＲ分光学で、約８５％と決定された。このことは、マクロマのうち７２％が両端で官能化され（ジメタクリレート）、２６％が一端のみ官能化され（モノメタクリレート）、２％が官能化されずにジオールとして存在することを意味する。
【００２９】
２．ＰＣＬＭＤＡとＰＥＧＭＭＡの共重合
上記例１によって準備したＰＣＬ１０ｋＤＭＡと、式ＩＩｃ（上記参照）で表わされる１０００ｇ／ｍｏｌの平均分子量を有するポリエチレン・グリコール・メチルエーテル・メタクリレート（ＰＥＧ１ｋＭＭＡ）（ポリサイエンス社）を、表１に示されるそれぞれの混合割合となるように秤量した。（ＰＥＧ１ｋＭＭＡのメチルメタクリレート（ＭＭＡ）端末基の官能化の割合は、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ質量分析により、１００％であると決定された）ＰＣＬ１０ｋＤＭＡとＰＥＧ１ｋＭＭＡの混合物は、良好な混合を達成するために摂氏８０度で真空炉内で溶解された。このプレポリマ混合物は、ガラスプレート（１０×１０ｃｍ）上に注がれ、再度真空炉内に配置された。気泡のない均一な溶解が得られ、型は、その上に配置された別のガラスプレート及び横に配置されたＰＴＦＥスペーサ（厚さ０．５５ｃｍ）により閉鎖された。架橋の引き金となるように、掛け金で固定された構造体に８０分間紫外線照射（鉄ドープ処理水銀蒸気ランプ）を行なった。参考材料として、ＰＣＬ１０ｋＤＭＡの架橋ホモポリマ（表１のＰＣＬ（１００））、ＰＥＧ１ｋＭＭＡ線形ホモポリマ（表１のＰ[ＰＥＧＭＭＡ]）を得るために、ＰＣＬ１０ｋＤＭＡ単独、ＰＥＧ１ｋＭＭＡ単独を同様に処理した。
【表１】
図１は、こうして得られた参照番号１０が付されたＰＣＬ−ＰＥＧポリマネットワークの構造を示す模式図である。線状ポリマ部１２が示されている。ＰＣＬ１０ｋＤＭＡマクロマとＰＥＧ１ｋＭＭＡマクロマとが互いに重合した結果生成した線状ポリメタクリレート鎖から、線状ポリマ部１２は、本質的に構成されている。線状ポリマ部１２は、両端が結合したＰＣＬ１０ｋＤＭＡ鎖１４と架橋しており、同時に、ＰＥＧ１ｋＭＭＡ１６が末端が停止された側鎖として線状ポリマ部１２と結合している。番号１８で示される結合部は、線状ポリマ部１２とＰＣＬ１０ｋＤＭＡ鎖１４との結合を表わす。
【００３１】
３．ＰＣＬＤＭＡとＰＥＧＭＭＡのポリマネットワークの特性評価
上記例２により得られた様々な成分からなるＰＣＬ１０ｋＤＭＡマクロマとＰＥＧ１ｋＭＭＡマクロマに存在するポリマネットワークを、示差走査熱量測定（ＤＳＣ）と同的熱機械分析（ＤＭＴＡ）により分析した。ＤＳＣ測定は、Ｐｈｏｅｎｉｘ-Ｇｅｒｅａｔ社の製品Ｎｅｔｚｓｃｈ ＤＳＣ ２０４を用いて、アルミニウム容器に収納された５〜１０ｍｇの資料について、窒素雰囲気下、−１００℃から＋１００℃まで、冷却又は加熱速度１Ｋ／分で行った。結果を表２に示す。ＤＭＴＡ測定は、２５Ｎの緩衝装置を装備したＧａｂｏ社製Ｅｘｐｌｅｘｏｒ５Ｎを用い、静的負荷０．５％、動的負荷２０％、周波数１０Ｈｚ及び−１００℃から＋１００℃の温度範囲内で加熱速度２Ｋ／分で、行なった。結果を表２に示す。
図２に、ＰＣＬ（５０）ＰＥＧのポリマネットワークについて、ＤＳＣで測定した熱流量 ＤＱ／ｄｔ（単位Ｗ/ｇ）とＤＭＴＡで決定された０℃から８０℃の範囲のメモリモジュールＥ‘（単位ＭＰａ）を示す。
【表２】
ＰＥＧ及びＰＣＬの微結晶の溶解と再結晶によって、ＰＣＬセグメント及びＰＥＧセグメントを含む本発明のポリマネットワークは、０℃から８０℃の間で、二つの非常に異なる相転移を示す。低い方の溶融温度Ｔｍは明らかにＰＥＧセグメントの溶解又は結晶化と関連しており、ホモポリマＰ［ＰＥＧＭＭＡ］では３９℃に、ＰＣＬの質量分率が２０及び６０％のコポリマでは３８〜３２℃の範囲で観測された。高い方の溶融温度Ｔｍは明らかにＰＣＬ片の溶解又は結晶化と関連しており、ホモポリマＰＣＬ（１００）の場合に約５５℃に、全てのコポリマの場合で５３〜５４℃の範囲で観測された。これらの実験結果は、本発明のグラフトポリマーネットワークは、それぞれの相でＰＣＬセグメントとＰＥＧセグメントのそれぞれが固有の相転移温度を示す相分離モルフォロジーを示すため、２つの一時形状を固定するための温度制御に適していることを示す。
【００３３】
ＰＥＧ片の溶融温度が、ＰＣＬ含有量が７０％で顕著に下がることは、適当なＰＥＧの結晶サイズを得るためにはポリマネットワークにおいてＰＥＧの質量分率の限界は４０％であることを示す。これと反対に、ＰＣＬセグメントの溶融温度が一定していることから、ＰＣＬ質量分率２０％で、適当なＰＣＬセグメントの結晶サイズが得られることが分かる。
【００３４】
４．ＰＣＬＤＭＡとＰＥＧＭＭＡから得られるポリマネットワークのプログラミング
例２で得られた、４０wt％のＰＣＬ１０ｋＤＭＡ及び６０wt％のＰＥＧ１ｋＭＭＡに由来するグラフトポリマネットワークＰＣＬ（４０）ＰＥＧは、熱機械実験で以下のようにプログラムされた。即ち、製造時に設定された永久形状に加えて、二つの一時形状が、ポリマの“形状メモリ”に記録された。基本的にこれは、第１の一時形状を、ＰＣＬの溶解温度（Ｔｍ（ＰＣＬ））より低い温度又は、ＰＥＧの溶解温度（Ｔｍ（ＰＥＧ））より低い温度で固定し、次いで、第２の一時形状を、ＰＥＧの溶解温度（Ｔｍ（ＰＥＧ））より低い温度で固定することで行なわれる。
【００３５】
この原理は、図３を参照して説明される。ここで、図２と同じ参照符号を使用する。ここで、図３Ａには、高い方の転移温度より上、即ちＰＣＬセグメント１４の溶解温度（Ｔｍ（ＰＣＬ））より上の温度での、ポリマネットワーク１０の構造が示されている。この温度では、ＰＣＬセグメント１４及びＰＥＧセグメント１６は共に非晶質であって、図中で不安定セグメント１４，１６として示される。このプログラミングの開始時には、ポリマ１０は、製造工程、特に架橋反応によってに設定された永久形状ＰＦをとる。
【００３６】
図３Ａの形状から開始し、ポリマネットワーク１０は第１工程で、第１の一時形状ＴＦ１に対応した形状ＴＦ２を獲得する。これは、Ｔｍ（ＰＣＬ）より高い温度で適当な機械的負荷を与えることで達成され、その負荷は、例えば、ポリマ１０を引き伸ばすようなものである。このことは、図３Ｂでは、線状ポリマ部１２の距離が引き伸ばされることで示される。この引き伸ばしの後、ポリマシステム１０は溶解温度Ｔｍ（ＰＣＬ）より低い温度、典型的にはＴｍ（ＰＥＧ）とＴｍ（ＰＣＬ）の間の温度まで冷却される。冷却によって少なくともＰＣＬセグメント１４部分が結晶化する。図３Ｂに、結晶化したＰＣＬセグメントを２０で示す。この第１の一時形状ＴＦ１は、続いて、温度Ｔ＜Ｔｍ（ＰＣＬ）の任意の温度で所定時間置くことで安定化される。この間、機械的負荷は与え続ける。
【００３７】
次の工程で、第１の一時形状ＴＦ１と同様に、第２の一時形状ＴＦ２のプログラミングが行なわれる。典型的には、２回目の機械的な刺激、例えばＴｍ（ＰＥＧ）より高い温度での引き伸しを経て、ポリマ１０が第２の一時形状ＴＦ２をとる。（図３Ｃ）。次いで、第２の一時形状ＴＦ２を固定するために、低い方の転移温度、即ちＰＥＧセグメントの溶解温度Ｔｍ（ＰＥＧ）より低い温度まで冷却する。こうすることで、ＰＥＧ側鎖１６における結晶化したＰＥＧセグメント２２が形成される。機械的負荷を維持してポリマネットワーク１０を適当な時間アニールすることによりＰＣＴ結晶が成長する。
【００３８】
このような工程でプログラムされた第２の一時形状ＴＦ２を有するポリマネットワーク１０は、まず初めに中間温度Ｔｍ（ＰＥＧ）＜Ｔ＜Ｔｍ（ＰＣＬ）に、次いでＴｍ（ＰＣＬ）より高い温度に置かれれば、第１の一時形状ＴＦ１と永久形状ＰＦを逐次的にとることができる。以前に固定された形状の復元を形状記憶効果あるいはシェイプメモリー効果（ＳＭ効果）と称する。
【００３９】
図４に、ポリマＰＣＬ（４０）ＰＥＧのプログラミングサイクル及び復元サイクルにおける、温度変化と伸長変化を示す。
【００４０】
プログラミングサイクルは、Ｔｍ（ＰＣＬ）（約５３℃）より高い７０℃の温度Ｔｈ，１で開始される。次に、ポリマを５０％（εｍ、１）変形し、第１の一時形状ＴＦ１に一致させる。引き続き、機械的負荷をかけた状態で、４Ｋ／分の温度勾配で、Ｔｍ（ＰＣＬ）より低くＴｍ（ＰＥＧ）（約３７℃）より高い中間温度４０℃に冷却する。３時間保持した後に負荷を除くと、ポリマ鎖の僅かな収縮が観察された。次いで、試料を機械的負荷をかけることなく更に１０分間保持する。そして、一定の機械的な負荷の下、試料の伸長が１００％（εｍ、２）となるまで延伸すると共に０℃（Ｔ１）まで冷却し、さらに機械的負荷を維持したまま１０分間保持する。これにより、試料は僅かに収縮する。
【００４１】
プログラミングサイクルが完了すると、機械的負荷を掛けることなく、１Ｋ／分の温度上昇速度で試料を０℃から７０まで再加熱することで、記憶された形状が逐次的に復元される。その際、まずＰＥＧ結晶の溶解と、さらにＴｍ（ＰＥＧ）における第２の一時形状の復元が観測される。もし、温度が摂氏４０度で１時間保持されたなら、第２の一時的な形状は安定なものとなり、永久形状（図示せず）へ転換することはない。
【００４２】
Ｔｍ（ＰＣＬ）より上に加熱を継続すると、ＰＣＬ結晶は溶解し、永久形状への殆ど定量的な復元が達成される。このプログラミングサイクルと復元サイクルは４回以上行なわれ、同じ結果となった。
【００４３】
図５に、例２に基づくプログラムされた本発明のポリマネットワークの実際的な応用例を示す。この際、図の上部は、２０℃におけるポリマ１０の第２の一時的な形状ＴＦ２を示す。ポリマ１０は、平らな中央部２６に装着された二つの側部２４を有している。ポリマ１０は、開口３０を有する透明なプラスチックキャリア２８に搭載されている。ポリマシステム１０を４０℃まで加熱する間に、中央部２６は、上部で示された、曲がった形状から、第１の一時形状ＴＦ１に対応した平らな形状（図５中央部）へと変形する。このとき、側部２４は、殆ど変化がない。第１の一時形状ＴＦ１が復元する間に、左側部２４はプラスチックキャリア２８の開口３０を貫通伸延する。ポリマシステム１０を６０℃まで加熱し続けると、側部２４は上方に屈曲を開始し、フック状の形状を呈する（図５下部）。同時に、中央部２６は実質的には変化しない。図５の下部に示す形状は、ポリマネットワーク１０の永久形状ＰＦに対応する。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】図１は、ＰＣＬＤＭＡ及びＰＥＧＭＭＡの共重合により得られた、発明のグラフトポリマネットワークの構造。
【図２】図２は、異なる組成を持ったＰＣＬ−ＰＥＧネットワークの相転移の、ＤＳＣ及びＤＭＴＡ検査。
【図３】図３は、図１によるグラフトポリマネットワークのプログラミング。
【図４】図４は、多様なプログラミングパラメータの、周期的、熱機械的実験における、時間上でのグラフ。
【図５】図５は、一つの典型的な実施例によって示された本発明による形状記憶ポリマ。
【符号の説明】
【００４５】
ＰＦ 永久形状
ＴＦ１ 第１の一時的な形状
ＴＦ２ 第２の一時的な形状
Ｔｔｒａｎｓ，１ 第１の転移温度
Ｔｔｒａｎｓ，２ 第２の転移温度
Ｔｍ（ＰＣＬ） ＰＣＬ片の溶解温度
Ｔｍ（ＰＥＧ） ＰＥＧ片の溶解温度
１０ ポリマネットワーク
１２ 線状ポリマ部
１４ 架橋ポリマ（ＰＣＬ１０ｋＤＭＡ）
１６ 側鎖ポリマ（ＰＥＧ１ｋＭＭＡ）
１８ 結合部
２０ 結晶ＰＣＬ片
２２ 結晶ＰＧＥ片
２４ 側部
２６ 中央部
２８ プラスチックキャリア
３０ 開口
Claims (14)
- 異なる転移温度（Ｔｔｒａｎｓ、１、Ｔｔｒａｎｓ、２）を有する少なくとも二つのスイッチ片を有することによって、永久形状(PF)に加えて少なくとも二つの一時形状（ＴＦ１，ＴＦ２）を取ることができるという温度依存機能を有する形状記憶ポリマであって、
前記スイッチ片の一方が、以下の一般式 Ｉ （ただし、式 Ｉ において、ｎは１〜６であり、式 Ｉ は単一のｎを有するポリエステル、構成成分ごとにｎが異なるコポリエステル、またはこれらの変性物を示す。）で表わされるポリエステル類に由来し、
前記スイッチ片の他方が、以下の一般式 ＩＩ （ただし、式 ＩＩ において、ｍは１〜４であり、式 ＩＩ は単一のｍを有するポリエーテル、構成成分ごとにｍが異なるコポリエーテル、またはこれらの変性物を表わす。）で表わされるポリエーテル類に由来し、
ただし、上記式 Ｉ 、式 ＩＩ 中の鎖長ｐ、ｑは、式 Ｉ 、式 ＩＩ で表わされるポリマーまたはオリゴマーに由来する単位が混合した前記形状記憶ポリマが所望の相転移を生じる長さであればいかなるものでもよく、また前記式 Ｉ 及び／または式 ＩＩ 中のメチレン単位（−ＣＨ ２ −）の少なくとも１つの水素原子が、分岐又は直鎖の、飽和又は不飽和の炭素数１〜６の炭化水素基で置換されていてもよく、
また、前記形状記憶ポリマにおける式 ＩＩ に由来する成分の割合が４０〜７０質量％の範囲にあり、
さらに、前記二つのスイッチ片の一方は架橋した状態で存在し、他方のスイッチ片は末端停止した側鎖として架橋されたスイッチ片または線状ポリマ部に結合している、
形状記憶ポリマ。
- 前記スイッチ片の一つが、前記ｎが５のポリ（ε−カプロラクトン）、あるいは、互いに独立した脂肪族炭素原子が一つ又は二つの、分岐又は直鎖の、飽和又は不飽和の炭素数1〜６の炭化水素基で置換されていてもよいポリ（ε−カプロラクトン）類に由来することを特徴とする、請求項１記載の形状記憶ポリマ。
- 前記スイッチ片の一つが、ｍ＝２のポリエチレングリコール、あるいは、互いに独立した脂肪族炭素原子が一つ又は二つの、分岐又は直鎖の、飽和又は不飽和の炭素数1〜６の炭化水素基で置換されていてもよいポリエチレングリコール類に由来することを特徴とする、請求項１又は２に記載の形状記憶ポリマ。
- 前記ポリエステル系樹脂に由来する成分の割合が３０から６０質量％の範囲にあることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の形状記憶ポリマ。
- ポリエステルが架橋された状態で存在し、ポリエーテルが末端停止した側鎖として該ポリエステルに結合していることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の形状記憶ポリマ。
- 前記架橋は、（メタ）アクリレート類によって形成されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の形状記憶ポリマ。
- 以下の式 Ｉａ （ただし、式 Ｉａ において、ｎは１〜６であり、式 Ｉａは単一のｎを有するポリエステル、構成成分ごとにｎが異なるコポリエステル、またはこれらの変性物を示し、基Ｙは他の構成成分を互いに結合させる基を表わす。）で表わされるもののいずれかと、以下の式 ＩＩａ （ただし、式 ＩＩａ において、ｍは１〜４であり、式 ＩＩａ は単一のｍを有するポリエーテル、構成成分ごとにｍが異なるコポリエーテル、またはこれらの変性物を表わす。）で表わされるもののいずれかを共重合させることを特徴としており、
ただし、前記式 Ｉａ 及び／または式 ＩＩａ 中のメチレン単位（−ＣＨ ２ −）の少なくとも１つが、分岐又は直鎖の、飽和又は不飽和の炭素数１〜６の炭化水素基からなる置換基を有するもであってよい、
請求項１〜６のいずれか１項に記載の形状記憶ポリマの製造方法。
- 基Ｒ1及び基Ｒ2が相互に反応して重合体を形成できることを特徴とする、請求項７記載の形状記憶ポリマの製造方法。
- 基Ｒ１及び／又は基Ｒ２が、アクリル基又はメタクリル基であることを特徴とする、請求項８に記載の製造方法。
- 基Ｒ３及び基Ｒ４のうちの、いずれか一つが反応性基であり、もう一方は非反応性基であることを特徴とする、請求項７〜９のいずれかに記載の製造方法。
- 基Ｒ３及び基Ｒ４うちの、いずれか一つがアクリル基又はメタクリル基であり、もう一方はアルコキシル基であることを特徴とする、請求項１０に記載の製造方法。
- 請求項１〜６のいずれかに記載の形状記憶ポリマを用いた、該形状記憶ポリマの少なくとも２つの一時形状（ＴＦ１、ＴＦ２）をプログラミングする方法であって、以下の工程：（ａ）より高い転移温度（Ｔｔｒａｎｓ、１ ）よりも上の温度で、前記形状記憶ポリマが 第１の一時的形状（ＴＦ１）を形成する工程、
（ｂ）前記第１の一時形状（ＴＦ１）を維持した状態で、前記転移温度（Ｔｔｒａｎｓ、１ ）より低い温度に冷却する工程、
（ｃ）より低い転移温度（Ｔｔｒａｎｓ、２）より上で前記転移温度（Ｔｔｒａｎｓ、１ ）より下の温度で、前記形状記憶ポリマが第２の一時形状（ＴＦ２）を形成する工程、（ｄ）第２の一時形状（ＴＦ２）を維持した状態で、前記転移温度（Ｔｔｒａｎｓ、２）より下の温度に冷却する工程、
を有することを特徴とする、プログラミング方法。 - 工程（ｂ）において、前記転移温度（Ｔｔｒａｎｓ、１ ）より下で前記転移温度（Ｔｔｒａｎｓ、２）より上の温度、または、前記転移温度（Ｔｔｒａｎｓ、２）より下の温度まで冷却することを特徴とする、請求項１２に記載のプログラミング方法。
- 請求項１〜６のいずれかに記載の形状記憶ポリマの医療材料としての使用。
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