Amorphe polymere Netzwerke Amorphous polymeric networks
Die vorliegende Erfindung betrifft amorphe polymere Netzwerke, Zwischenprodukte nützlich für die Herstellung der amorphen polymeren Netzwerke sowie Herstellungsverfahren für die Zwischenprodukte und Netzwerke.The present invention relates to amorphous polymeric networks, intermediates useful for the preparation of the amorphous polymeric networks, and to methods of making the intermediates and networks.
Stand der TechnikState of the art
Polymere Netzwerke sind wichtige Bausteine in vielen Anwendungsbereichen, in denen die klassischen Netzwerke, wie Metalle, Keramik und Holz, aufgrund ihrer beschränkten physikalischen Eigenschaften nicht mehr ausreichend sind. Polymere Netzwerke haben sich daher ein breites Anwendungsgebiet erobert, nicht zuletzt auch dadurch, dass sich durch Variation der monomeren Bausteine der polymeren Netzwerke die Netzwerkeigenschaften variieren lassen.Polymeric networks are important building blocks in many applications where traditional networks such as metals, ceramics, and wood are no longer sufficient due to their limited physical properties. Polymer networks have therefore conquered a wide range of applications, not least because the network properties can be varied by varying the monomeric building blocks of the polymeric networks.
Eine insbesonders faszinierende Klasse an polymeren Netzwerken, die in- den vergangenen Jahren entwickelt wurden, sind die sogenannten Form-Gedächtnis- Polymere (im folgenden auch Shape Memory Polymere, SMP oder SMP-Materialien genannt), d.h. polymere Netzwerke, die neben ihrer aktuellen, sichtbaren Form eine oder sogar mehrere Formen im „Gedächtnis" behalten können, und diese erst durch äußere Reize, wie Temperaturveränderung gezielt einnehmen. Aufgrund der gezielten Formveränderung sind diese Materialien von hohem Interesse in einer Vielzahl von Bereichen, in denen z.B. eine Größenänderung erwünscht ist. Dies trifft z.B. auf medizinische Implantate zu, die möglichst erst am endgültigen Einsatzort ihre vollständige Größe erreichen sollen, so dass die Einführung dieser Implantate nur minimalinvasive chirurgische Eingriffe erfordert. Solche Materialien sind beispielsweise in den internationalen Patentanmeldungen WO-A-99-42528 und WO-A-99-42147 beschrieben. Ein Nachteil der dort beschriebenen Materialien ist aber, dass beim wiederholten Durchlaufen eines Zyklus von Formveränderungen häufig nicht die erwünschte genaue Wiederherstellung der Ausgangsform erreicht wird. Darüber hinaus neigen die Materialien des Stands der Technik aufgrund von irreversiblen Kriechprozessen bei wiederholtem Verformen häufig zum „Ausleiern", so dass erwünschte physikalische und geometrische Eigenschaften im Verlauf von einigen Zyklen verloren gehen. Einen weiteren Nachteil stellt die Semikristallinität vieler Materialien, insbesondere thermoplastischer Elastomere (TPE) dar. In solchen Materialien lassen sich beispielsweise pharmazeutische Wirkstoffe nicht homogen im Material verteilen, da die Permeabilität in kristallinen Bereichen viel kleiner ist als in den amorphen Bereichen. Die inhomogene Verteilung ist für pharmazeutischen Anwendungen, wie z.B. der kontrollierten Wirkstofffreisetzung, allerdings nachteilhaft, da dadurch z. B. konstante Wirkstofffreisetzungsraten nicht gesichert werden können. Die Semikristallinität ist auch Ursache dafür, dass die Materialien heterogene Abbaugeschwindigkeiten aufweisen, denn die kristallinen Bereiche bauen deutlich langsamer ab als die amorphen Bereiche. Am Ende bleibt ein sprödes, kristallines Material übrig, welches leicht bricht und als Implantat entzündliche Reaktionen hervorrufen kann. Ein Ansatz zur Überwindung dieser Problematik ist die Verwendung von Poly(rac-Iactid), welches im Gegensatz zu Poly(L-lactid) amorph ist. Dieses Material ist zwar mechanisch relativ stabil (E-Modul 1400 bis 2700 MPa), aber kaum elastisch. Das Material reißt bereits bei einer Dehnung von 3 bis 10 %. Ähnliches gilt für Copolymere aus Lactid und Glykolid, die bei Glykolid-Anteilen von 25 bis 70 gew% amorph sind, so dass dieser Ansatz nicht den gewünschten Erfolg zeigt.A particularly fascinating class of polymeric networks that have been developed in recent years are the so-called shape memory polymers (also referred to as shape memory polymers, SMP or SMP materials hereinafter), ie polymeric networks, in addition to their current, visible form one or even several forms in the "memory" can retain, and these only by external stimuli, such as temperature change deliberately occupy. Due to the targeted change in shape, these materials are of great interest in a variety of areas in which, for example, a resizing is desired. This applies, for example, to medical implants which should only reach their full size when possible at the final site of use, so that the introduction of these implants requires only minimally invasive surgical interventions Such materials are described, for example, in international patent applications WO-A-99-42528 and A-99-42147 A disadvantage of However, the materials described therein are often unable to achieve the desired, accurate restoration of the initial shape when repeatedly going through a cycle of shape changes. Moreover, the prior art materials often tend to "fog" due to irreversible creep processes with repeated deformation, so that desirable physical and geometric properties are lost over a few cycles Materials, in particular thermoplastic elastomers (TPE). In such materials, for example, pharmaceutical active ingredients can not be distributed homogeneously in the material, since the permeability in crystalline areas is much smaller than in the amorphous areas. The inhomogeneous distribution is, however, disadvantageous for pharmaceutical applications, such as the controlled release of active ingredient, since this z. B. constant drug release rates can not be secured. The semicrystallinity is also the reason that the materials have heterogeneous degradation rates, because the crystalline regions degrade much slower than the amorphous regions. In the end, a brittle, crystalline material remains, which breaks easily and can cause inflammatory reactions as an implant. One approach to overcome this problem is the use of poly (rac-lactide), which is amorphous unlike poly (L-lactide). Although this material is mechanically relatively stable (modulus of 1400 to 2700 MPa), but hardly elastic. The material already tears at an elongation of 3 to 10%. The same applies to copolymers of lactide and glycolide, which are amorphous at glycolide proportions of 25 to 70% by weight, so that this approach does not show the desired success.
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung polymere Netzwerke anzugeben, die die Nachteile des Stands der Technik überwinden. Die polymeren Netzwerke sollten darüber hinaus die Möglichkeit eröffnen, dass durch einfache Variation der Zusammensetzung eine Eigenschaftensteuerung möglich wird, wodurch gezielt Materialien mit einem erwünschten Werkstoffprofil erhalten werden können.It is therefore the object of the present invention to provide polymeric networks that overcome the disadvantages of the prior art. The polymeric networks should moreover open up the possibility that a property control is possible by simple variation of the composition, whereby specific materials with a desired material profile can be obtained.
Kurze Beschreibung der ErfindungBrief description of the invention
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch das amorphe polymere Netzwerk nach Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben. Darüber hinaus stellt die vorliegende Erfindung ein Zwischenprodukt zur Verfügung, das zur Herstellung des polymeren amorphen Netzwerkes geeignet ist. Schließlich stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen amorphen Netzwerks, wie in Anspruch 6 definiert, und zur Herstellung des Zwischenproduktes zur Verfügung. Bevorzugte Ausführungsformen sind wiederum in den Unteransprüchen angegeben.The present invention solves this problem by the amorphous polymeric network according to claim 1. Preferred embodiments are given in the subclaims. In addition, the present invention provides an intermediate suitable for the preparation of the polymeric amorphous network. Finally, the present invention provides a method for producing the amorphous network according to the invention as defined in claim 6, and to Preparation of the intermediate product available. Preferred embodiments are again specified in the subclaims.
Kurze Beschreibung der FigurenBrief description of the figures
Figur 1 zeigt ein Konzept zur Darstellung amorpher, phasenseparierter Netzwerke.FIG. 1 shows a concept for the representation of amorphous, phase-separated networks.
Figur 2 veranschaulicht schematisch die Architektur der Netzwerke.Figure 2 illustrates schematically the architecture of the networks.
Figur 3 zeigt das mechanische Verhalten der Netzwerke im thermozyklischenFIG. 3 shows the mechanical behavior of the networks in the thermocyclic
Experiment.Experiment.
Figur 4 demonstriert die Abbaubarkeit der amorphen Netzwerke.Figure 4 demonstrates the degradability of the amorphous networks.
Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention
Im folgenden wird die vorliegende Erfindung detailliert beschrieben.In the following, the present invention will be described in detail.
Das Netzwerk im Sinne der Erfindung umfasst ein kovalent vernetztes Polymer, das aus amorphen Phasen besteht. Das Netzwerk wird aus einer polymeren Komponente gebildet, bei der es sich um ABA-Triblockcooligomere oder -copolymere handelt (im Folgenden einfach als Copolymere bezeichnet). Die ABA-Triblockcopolymere sind mit polymerisierbaren Endgruppen ausgestattet und fungieren als Makromonomere (Figur 1). Die erfindungsgemäß zu verwendenden Makromonomere werden im folgenden detailliert beschrieben.The network according to the invention comprises a covalently crosslinked polymer consisting of amorphous phases. The network is formed from a polymeric component which is ABA triblock co-oligomers or copolymers (hereinafter simply referred to as copolymers). The ABA triblock copolymers are endowed with polymerizable end groups and act as macromonomers (Figure 1). The macromonomers to be used according to the invention are described in detail below.
ABA-Triblockcopolvmere als MakromonomereABA triblock copolymers as macromonomers
Das erfindungsgemäße Netzwerk umfasst eine Polymerkomponente, die nicht lediglich physikalische Interaktionen zeigt sondern kovalent vernetzt vorliegt.The network according to the invention comprises a polymer component which not only shows physical interactions but is covalently crosslinked.
Das Netzwerk wird bevorzugt erhalten durch Vernetzen von funktionalisierten Makromonomeren. Die Funktionalisierung erlaubt bevorzugt eine kovalente Verknüpfung der Makromonomere durch Reaktionen, die keine Nebenprodukte ergeben. Bevorzugt wird diese Funktionalisierung durch ethylenisch ungesättigte Einheiten zur Verfügung gestellt, insbesondere bevorzugt durch Acrylatgruppen und Methacrylatgruppen, wobei letztere insbesondere bevorzugt sind. Insbesondere bevorzugt sind die erfindungsgemäß einzusetzenden Makromonomere ABA-Triblockcopolymere, umfassend die vernetzbaren Endgruppen, bevorzugt aus Polyether- und Polyesterblöcken, wobei entweder der mittlere B-Block aus einem Polyether gebildet wird und die äußeren A-Blöcke aus einem Polyester, oder umgekehrt. Vorzugsweise sind die beiden äußeren A-Blöcke Polyesterblöcke.The network is preferably obtained by crosslinking functionalized macromonomers. The functionalization preferably allows covalent attachment of the macromonomers by reactions which do not give by-products. Preferably, this functionalization is provided by ethylenically unsaturated moieties, more preferably by acrylate groups and methacrylate groups, the latter being especially preferred. Particularly preferred are the macromonomers to be used according to the invention ABA triblock copolymers comprising the crosslinkable end groups, preferably of polyether and polyester blocks, wherein either the middle B block is formed of a polyether and the outer A blocks of a polyester, or vice versa. Preferably, the two outer A blocks are polyester blocks.
Die Polyetherblöcke basieren auf Poly(ethylenglycol) (PEG), Poly(ethylenoxid) PEO, Poly(propylenglycol) (PPG), Poly(propylenoxid) PPO, Poly(tetrahydrofuran). Ein insbesondere bevorzugter, erfmdungsgemäß für den B-Block einzusetzender Polyether ist ein Polyether auf der Basis von PPO oder PPG.The polyether blocks are based on poly (ethylene glycol) (PEG), poly (ethylene oxide) PEO, poly (propylene glycol) (PPG), poly (propylene oxide) PPO, poly (tetrahydrofuran). A particularly preferred, according to the invention to be used for the B block polyether is a polyether based on PPO or PPG.
Die Polyesterblöcke basieren auf Lactideinheiten, Glycolideinheiten, p- Dioxanoneinheiten, Caprolactoneinheiten, Pentadecalactoneinheiten und deren Mischungen. Ein insbesondere bevorzugter, erfindungsgemäß einzusetzender Polyester ist ein Polyester auf der Basis von Lactid, insbesondere rac-Lactid.The polyester blocks are based on lactide units, glycolide units, p-dioxanone units, caprolactone units, pentadecalactone units and mixtures thereof. A particularly preferred polyester to be used according to the invention is a polyester based on lactide, in particular rac-lactide.
Zur Herstellung der ABA-Triblockcopolymere wird ein oligomeres oder polymeres Diol als difunktioneller Initiator für die ringöffnende Polymersiarion (ROP) verwendet. Der Initiator stellt somit den B-Block dar. Als Initiator werden bevorzugt Polyetherdiole eingesetzt, welche in verschiedenen Molgewichten kommerziell erhältlich sind. Bevorzugt verwendet wird PPO oder PPG. Zur Einführung der A-Blöcke werden zyklische Ester oder Diester als Comonomere verwendet, wie beispielsweise Dilactid, Diglycolid, p-Dioxanon, ε-Caprolacton, ω-Pentadecalacton oder deren Mischungen. Bevorzugt verwendet wird Dilactid, L,L-Dilactid, D, -Dilactid insbesondere aber rac- Dilactid. Die Reaktion erfolgt bevorzugt in der Masse, optional unter Zusatz eines Katalysatoren, wie beispielsweise Dibutylzinn(IV)oxid. Der Katalysator wird in Mengen von 0,1 bis 0,3 mol% eingesetzt. Ohne Zusatz eines Katalysatoren werden überwiegend blockartige Sequenzen erreicht, wie beispielsweise L,L- oder D,D-Iactid-Sequenzen. Der Einsatz eines Katalysatoren führt zu einer stärker statistischen Verteilung der Monomereinheiten. Bei der ROP von rac-Dilactid ist kein Katalysator (bzw. keine Umesterung) erforderlich. Die hierdurch erzielbaren Vorteile sind kürzere Reaktionszeiten und engere Molgewichtsverteilungen. Da viele der möglichen Katalysatoren, insbesondere die Zinnverbindungen toxisch sind, muss bei einem Einsatz der ABA-Triblöckcopolymere in Materialien für den medizinischen Bereich der im Copolymer verbleibende Katalysatorrest entfernt werden. Die jeweiligen Verfahrensbedingungen sind dem Fachmann bekannt und durch die nachfolgenden Beispiele illustriert.To prepare the ABA triblock copolymers, an oligomeric or polymeric diol is used as the difunctional initiator for the ring-opening polymerisation (ROP). The initiator thus represents the B block. The initiator used is preferably polyether diols, which are commercially available in various molecular weights. Preference is given to using PPO or PPG. To introduce the A blocks cyclic esters or diesters are used as comonomers, such as dilactide, diglycolide, p-dioxanone, ε-caprolactone, ω-pentadecalactone or mixtures thereof. Preferably used is dilactide, L, L-dilactide, D, -Dilactid but especially rac-dilactide. The reaction is preferably carried out in the mass, optionally with the addition of a catalyst, such as dibutyltin (IV) oxide. The catalyst is used in amounts of 0.1 to 0.3 mol%. Without the addition of a catalyst, predominantly block-like sequences are achieved, such as, for example, L, L or D, D-lactide sequences. The use of a catalyst leads to a more statistical distribution of the monomer units. In the ROP of rac-dilactide no catalyst (or no transesterification) is required. The advantages that can be achieved thereby are shorter reaction times and narrower molecular weight distributions. Since many of the possible catalysts, in particular the tin compounds are toxic, must be in use of ABA triblock copolymers in medical grade materials, the residual catalyst in the copolymer is removed. The respective process conditions are known to those skilled in the art and illustrated by the following examples.
Als difunktioneller Initiator wird bevorzugt PPG mit einem Molgewicht von 400 bis 4000 g/mol, besonders bevorzugt mit einem Molgewicht von 4000 g/mol verwendet, was der B-Blocklänge entspricht.The difunctional initiator used is preferably PPG having a molecular weight of 400 to 4000 g / mol, more preferably having a molecular weight of 4000 g / mol, which corresponds to the B block length.
Die*A-Blocklänge kann über das molare Verhältnis von Monomer zu Initiator variabel eingestellt werden. Der Gewichtsanteil an A-Blöcken in den ABA-Triblockcopolymeren beträgt vorzugsweise 38 bis 61 %, was einem Molgewicht der A-Blöcke zwischen 1500 und 3200 g/mol entspricht.The* A block length can be variably adjusted via the molar ratio of monomer to initiator. The weight fraction of A blocks in the ABA triblock copolymers is preferably 38 to 61%, which corresponds to a molecular weight of the A blocks between 1500 and 3200 g / mol.
Das Molgewicht der ABA-Triblockcopolymere 2 (Makrodimethacrylate) ist nicht kritisch, beträgt im Allgemeinen von 3.000 bis 20.000, bevorzugt von 6400 bis 10300 g/mol, bestimmt durch1H-NMR. n und m sind bevorzugt von 10bis 50 bzw. 10 bis 100, insbesondere bevorzugt von 15 bis 45 bzw. von 50 bis 75.The molecular weight of the ABA triblock copolymers 2 (macrodimethacrylates) is not critical, is generally from 3,000 to 20,000, preferably from 6400 to 10,300 g / mol, determined by1 H-NMR. n and m are preferably from 10 to 50 and 10 to 100, more preferably from 15 to 45 and from 50 to 75, respectively.
Durch Variation des Molgewichtes der ABA Triblockcopolymere lassen sich Netzwerke mit unterschiedlichen Vernetzungsdichten (bzw. Netzbogenlängen) und mechanischen Eigenschaften erzielen. Auch die Molgewichtsverteilung beeinflusst die Eigenschaften der Netzwerke, wobei bei enger Molgewichtsverteilung einheitlichere polymere Netzwerke erhalten werden können, was für die Reproduzierbarkeit gewünschter Eigenschaften von Vorteil ist. Tendenziell gilt, je enger die Molgewichtsverteilung ist, desto schmaler ist auch die Breite der Übergangstemperaturen. Weiter gilt, dass kleinere Molgewichte höhere Vernetzungsdichten ergeben, sowie höhere Werte für mechanische Festigkeit, ggf. verbunden mit einer Abnahme der elastischen Eigenschaften.By varying the molecular weight of the ABA triblock copolymers, it is possible to achieve networks with different crosslinking densities (or net arc lengths) and mechanical properties. The molecular weight distribution also influences the properties of the networks, it being possible to obtain more uniform polymer networks given a narrow molecular weight distribution, which is advantageous for the reproducibility of desired properties. As a rule, the narrower the molecular weight distribution, the narrower is the width of the transition temperatures. Furthermore, smaller molecular weights result in higher crosslinking densities, as well as higher mechanical strength values, possibly accompanied by a decrease in the elastic properties.
CH iCH i
CH,CH,
"CH CH,"CH CH,
Die durch die ROP hergestellten Zwischenprodukte 1 eignen sich, nach geeigneter Modifikation der Endgruppen, beispielsweise durch das Einbringen endständiger Acrylatgruppen, bevorzugt Methacrylatgruppen, zur Herstellung des erfindungsgemäßen amorphen polymeren Netzwerkes.The intermediates 1 produced by the ROP are suitable, after suitable modification of the end groups, for example by introducing terminal acrylate groups, preferably methacrylate groups, for the preparation of the amorphous polymeric network according to the invention.
Die Herstellung eines solchen Triblockcopolymers, an den Enden funktionalisiert, bevorzugt mit Methacrylatgruppen, kann durch einfache Synthesen, die dem Fachmann bekannt sind hergestellt werden. Eine derartige Funktionalisierung erlaubt die Vernetzung der Makromonomere durch einfache Photoinitiation (Bestrahlung).The preparation of such a triblock copolymer, functionalized at the ends, preferably with methacrylate groups, can be prepared by simple syntheses known to those skilled in the art. Such functionalization allows crosslinking of the macromonomers by simple photoinitiation (irradiation).
Die Reaktion (Einbringung der Endgruppen) erfolgt bevorzugt unter Einsatz von Methacryloylchlorid in Gegenwart von Triethylamin in Lösung, z.B. in THF als Lösungsmittel. Die dazu notwendigen Verfahrensparameter sind dem Fachmann bekannt. Der Funktionalisierungsgrad, z.B. beim Einbringen von Methacrylatendgruppen ist größer als 70 %. Typischerweise werden Methacrylierungsgrade von 85 - 99 % erreicht, wobei 100% der vollständigen Funktionalisierung entspricht. Die so funktionalisierten Zwischenprodukte sind zur Herstellung der erfindungsgemäßen amorphen polymeren Netzwerke geeignet. Dabei stört in gewisser Anteil an nicht vollständig funktionalisierten Zwischenprodukten nicht. Diese führen bei der Vernetzung zum Auftreten von losen Kettenenden bzw. liegen als Makrodiole nicht kovalent angebunden im Netzwerk vor. Sowohl lose Kettenenden als auch Makrodiole sind nicht störend, solange deren Anteil nicht übermäßig wird. Mit Funktionalisierungsgraden im Bereich von 70 bis 100% lassen sich polymere amorphe Netzwerke in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung herstellen. Der bevorzugte Bereich des Molgewichtes der erfindungsgemäß bevorzugten Poly(lactid)-/ poly(propylenoxid)-ό-poly(lactid)- dimethacrylate 2 beträgt 6400 bis 10300 g/mol.The reaction (introduction of the end groups) is preferably carried out using methacryloyl chloride in the presence of triethylamine in solution, for example in THF as solvent. The necessary process parameters are known to the person skilled in the art. The degree of functionalization, eg when introducing methacrylate end groups, is greater than 70%. Typically, methacrylation levels of 85-99% are achieved, with 100% corresponding to complete functionalization. The intermediates thus functionalized are suitable for the preparation of the amorphous polymeric networks according to the invention. This does not interfere with a certain proportion of not fully functionalized intermediates. These lead to the occurrence of loose chain ends in the cross-linking or are not covalently as macrodiols Tied in the network before. Both loose chain ends and macrodiols are not annoying unless their proportion becomes excessive. With functionalization levels in the range of 70 to 100%, polymeric amorphous networks can be made in accordance with the present invention. The preferred range of the molecular weight of the inventively preferred poly (lactide) - / poly (propylene oxide) -ό-poly (lactide) - dimethacrylate 2 is 6400 to 10300 g / mol.
Die Makromonomere (Dimethacrylate) können als tetrafunktional angesehen werden, haben also vernetzende Eigenschaften. Durch die Reaktion der Endgruppen miteinander entsteht ein kovalent vernetztes dreidimensionales Netzwerk mit punktförmigen Vernetzungsstellen (Figur 2).The macromonomers (dimethacrylates) can be regarded as tetrafunctional, ie they have crosslinking properties. The reaction of the end groups together produces a covalently crosslinked three-dimensional network with point-shaped crosslinking sites (FIG. 2).
Die oben beschriebenen Makromonomere (Dimethacrylate) werden bevorzugt durch UV-Strahlung zu einem Netzwerk vernetzt. Auf diese Weise entstehen Netzwerke mit einer einheitlichen Struktur, wenn lediglich eine Art an Makromonomer eingesetzt wird. Werden zwei Arten an Makromonomeren eingesetzt, so werden Netzwerke vom (ABA)C-Typ erhalten. Solche Netzwerke vom (ABA)C-Typ können auch erhalten werden, wenn die funktionalisierten Makromonomere mit geeigneten niedermolekularen oder oligomeren Verbindungen copolymerisiert werden. Sind die Makromonomere mit Acrylatgruppen oder Methacrylatgruppen funktionalisiert, so sind geeignete Verbindungen, die copolymersisiert werden können, niedermolekulare Acrylate, Metharylate, Diacrylate oder Dimethacrylate. Bevorzugte Verbindungen dieser Art sind Acrylate, wie Butylacrylat oder Hexylacrylat, und Methacrylate, wie Methylmethacrylat und Hydroxyethylmethacrylat. Der Vorteil der Einpolymerisierung weiterer Makromonomere ist, dass das Eigenschaftsprofil weiter gesteuert werden kann, z.B. die mechanischen und/oder die thermischen Eigenschaften.The macromonomers (dimethacrylates) described above are preferably crosslinked by UV radiation to form a network. In this way, networks with a uniform structure are created when only one type of macromonomer is used. When two types of macromonomers are used, networks of (ABA) C type are obtained. Such (ABA) C-type networks can also be obtained when the functionalized macromonomers are copolymerized with suitable low molecular weight or oligomeric compounds. If the macromonomers are functionalized with acrylate groups or methacrylate groups, suitable compounds which can be copolymerized are low molecular weight acrylates, metharylates, diacrylates or dimethacrylates. Preferred compounds of this type are acrylates, such as butyl acrylate or hexyl acrylate, and methacrylates, such as methyl methacrylate and hydroxyethyl methacrylate. The advantage of incorporating further macromonomers is that the property profile can be further controlled, e.g. the mechanical and / or thermal properties.
Die niedermolekularen Verbindungen, die mit den Makromonomeren copolymerisiert werden können, können in einer Menge von 5 bis 70 Gew.-%, bezogen auf das Netzwerk aus Makromonomer und der niedermolekularen Verbindung vorliegen, bevorzugt in einer Menge von 15 bis 60 Gew.-%. Über die Variation des Mengenverhältnisses der Comonomere in der zu vernetzenden Mischung lassen sich Netzwerke unterschiedlicher Zusammensetzungen herstellen. Für hohe Umsätze gilt, dass der Einbau der Comonomere in das Netzwerk in demselben Verhältnis erfolgt, wie sie in der Vernetzungsmischung vorliegen.The low molecular weight compounds which can be copolymerized with the macromonomers may be present in an amount of from 5 to 70% by weight, based on the network of macromonomer and the low molecular weight compound, preferably in an amount of from 15 to 60% by weight. By varying the quantitative ratio of the comonomers in the mixture to be crosslinked, it is possible to prepare networks of different compositions. For high sales, that incorporation of the comonomers into the network occurs in the same ratio as present in the crosslinking mixture.
Die erfindungsgemäßen, amorphen Netzwerke werden erhalten durch das Vernetzen der endgruppenfunktionalisierten Makromonomere. Diese Vernetzung kann erreicht werden durch das Bestrahlen einer Schmelze, umfassend das endgruppenfunktionalisierte Makromonomer. Geeignete Verfahrensbedingungen dafür sind das Bestrahlen der Schmelze mit Licht einer Wellenlänge von vorzugsweise 308 nm.The amorphous networks according to the invention are obtained by crosslinking the end group-functionalized macromonomers. This crosslinking can be accomplished by irradiating a melt comprising the end group functionalized macromonomer. Suitable process conditions for this are the irradiation of the melt with light having a wavelength of preferably 308 nm.
Werden zur Herstellung der Netzwerke Makromonomere verwendet, deren Makrodiole unter Zusatz von 0,3 mol% eines Katalysatoren, wie beispielsweise Dibutylzinn(IV)oxid, hergestellt wurden, so läßt sich im resultierenden Netzwerk ein Zinngehalt zwischen 300 und 400 ppm feststellen (mittels ICP-AES). Wurden die Makrodiole mit einer Konzentration des Katalysators von 0,1 mol% hergestellt, liegt der Zinngehalt im resultierenden Netzwerk unterhalb der Nachweisgrenze von 125 ppm. Gegebenenfalls lassen sich Katalysatorreste durch Extraktion mit Chloroform, danach mit Diethylether aus den Netzwerken entfernen.If macromonomers whose macrodiols have been prepared with the addition of 0.3 mol% of a catalyst, such as, for example, dibutyltin (IV) oxide, can be found in the resulting network, a tin content of between 300 and 400 ppm (by means of ICP). AES). When the macrodiols were prepared with a catalyst concentration of 0.1 mol%, the tin content in the resulting network is below the detection limit of 125 ppm. Optionally, catalyst residues can be removed by extraction with chloroform, then with diethyl ether from the networks.
Die amorphen Netzwerke der vorliegenden Erfindung zeichnen sich durch die folgenden Eigenschaften aus.The amorphous networks of the present invention are characterized by the following properties.
Netzwerke, ohne zusätzliche Comonomere, sind amorph und phasensepariert. Elektronenmikroskopische Aufnahmen der mit RuOs angefärbten Schnitte von bevorzugten Netzwerken (A: Polyester; B:PPO) belegen eine zweiphasige Morphologie, in der die PPO Phase die kontinuierliche Phase darstellt.Networks, without additional comonomers, are amorphous and phase separated. Electron micrographs of the RuOs stained sections of preferred networks (A: polyester, B: PPO) demonstrate a two-phase morphology in which the PPO phase is the continuous phase.
Solche amorphe Netzwerke weisen sowohl einen Glaspunkt der Polyetherphase (bevorzugt PPO) (Tg1) als auch einen Glaspunkt der Polyesterphase auf (Tg2) (bestimmbar durch DSC-Messungen). Die Glaspunkte sind abhängig von der Art und Blocklänge der eingesetzten Komponente und sind darüber somit auch steuerbar. Für die Netzwerke basierend auf Poly(lactid)-ό-poly(propylenoxid)-ό-poly(lactid) Segmenten läßt sich Tg2 über die Variation der A-Blocklänge einstellen, z. B. zwischen 7 und 43 (DMTA) bzw. 4 und 29 (DSC) °C, während Tg1 zwischen -62 und -46 °C liegt. Die maximal einstellbare Tg2 für den A-Block entspricht der Glastemperatur des Poly(rac-Lactid) von etwa 55 bis 60 °C. Die niedrigste Tg1 entspricht der Glastemperatur des PPG von < -60° C. Somit lassen sich durch geeignete Auswahl der Blöcke variable Abstände von Tg1 und Tg2 einstellen. Allgemein gilt dabei, dass bei kleineren Molgewichten der A-Blöcke Tg1 steigt, was bei geringen Abständen von Tg1 und Tg2 dazu führen kann, dass die beiden Glastemperaturen nicht mehr klar unterscheidbar sind.Such amorphous networks have both a glass transition point of the polyether phase (preferably PPO) (Tg1) and a glass transition point of the polyester phase (Tg2) (determinable by DSC measurements). The glass dots are dependent on the type and block length of the component used and are thus also controllable. For the networks based on poly (lactide) -ό-poly (propylene oxide) -ό-poly (lactide) segments, Tg2 can be adjusted via the variation of the A block length, e.g. Between 7 and 43 (DMTA) and 4 and 29 (DSC) ° C, while Tg1 is between -62 and -46 ° C. The maximum adjustable Tg2 for the A block corresponds to the glass transition temperature of the poly (rac-lactide) of about 55 to 60 ° C. The lowest Tg1 corresponds to the glass transition temperature of the PPG of <-60 ° C. Thus, by suitable selection of the blocks, variable distances of Tg1 and Tg2 can be set. The general rule is that with smaller molecular weights of the A blocks Tg1 increases, which may lead to small distances of Tg1 and Tg2 that the two glass transition temperatures are no longer clearly distinguishable.
Durch die Einstellung eines tiefem Tg1, werden elastische Eigenschaften erzeugt, die z. B. reines Poly(rac-Iactid) nicht hat.By setting a low Tg1, elastic properties are generated which are e.g. B. pure poly (rac-lactide) does not have.
Insgesamt sind die amorphen Netzwerke der vorliegenden Erfindung gute SMP- Materialien, mit hohen Rückstellwerten, d.h. die ursprüngliche Form wird auch beim Durchlaufen mehrerer Zyklen an Formänderungen zu einem hohen Prozentsatz, üblicherweise oberhalb von 90%, erneut erhalten. Dabei tritt auch kein nachteiliger Verlust an mechanischen Eigenschaftswerten auf. Die erfindungsgemäßen amorphen Netzwerke auf Basis von Poly(lactid)-£>-poly(propylenoxid)-ό-poly(lactid) zeigen einen Glaspunkt Tg2 (Umwandlungspunkt), assoziiert mit einem Formveränderungspunkt. Die Form-Gedächtnis-Eigenschaften der Materialien der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend kurz definiert.Overall, the amorphous networks of the present invention are good SMP materials, with high reset values, i. the original shape is also recaptured by going through multiple cycles of high percentage changes in shape, usually above 90%. There is also no disadvantageous loss of mechanical property values. The amorphous poly (lactide) -poly (propylene oxide) -ό-poly (lactide) based amorphous networks of the invention exhibit a glass transition point Tg2 (transition point) associated with a shape change point. The shape-memory properties of the materials of the present invention are briefly defined below.
Form-Gedächtnis-Polymere im Sinne der vorliegenden Erfindung sind Materialien, die durch ihre chemisch-physikalische Struktur in der Lage sind, gezielte Formänderungen durchzuführen. Die Materialien besitzen neben ihrer eigentlichen permanenten Form eine weitere Form, die dem Material temporär aufgeprägt werden kann. Solche Materialien sind durch zwei Merkmale charakterisiert. Sie umfassen sogenannte Schaltsegmente, die einen extern stimulierten Übergang auslösen können, üblicherweise durch eine Temperaturänderung. Darüber hinaus umfassen diese Materialien kovalente Vernetzungspunkte, die für die sogenannte permanente Form verantwortlich sind. Diese permanente Form wird durch die dreidimensionale Struktur eines Netzwerks gekennzeichnet. Die im erfindungsgemäßen Netzwerk vorliegenden Vernetzungspunkte sind kovalenter Natur und werden in den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erhalten durch die Polymerisation der Methacrylatendgruppen. Die Schaltsegmente, die den thermisch induzierten Übergang (Formveränderung) auslösen, sind in der vorliegenden Erfindung, bezogen auf die bevorzugten Ausführungsformen, die A-Blöcke bzw. Poly(rac-Iactid) Segmente. Der thermische Übergangspunkt wird definiert durch die Glastemperatur der amorphen Bereiche (Tg2). Oberhalb von Tg2 ist das Material besonders elastisch. Wird also eine Probe über die Übergangstemperatur Tg2 erwärmt, im flexiblen Zustand dann deformiert und wieder unter die Übergangstemperatur abgekühlt, so werden die Kettensegmente durch Einfrieren von Freiheitsgraden im deformierten Zustand fixiert (Programmierung). Es werden temporäre Vernetzungsstellen (nichtkovalent) geformt, so dass die Probe auch ohne äußere Last nicht mehr in ihre ursprüngliche Form zurück kehren kann. Beim erneuten Erwärmen auf eine Temperatur oberhalb der Übergangstemperatur werden diese temporären Vernetzungsstellen wieder aufgelöst und die Probe kehrt zu ihrer ursprünglichen Form zurück. Durch erneutes Programmieren kann die temporäre Form wieder hergestellt werden. Die Genauigkeit, mit der die ursprüngliche Form wieder erhalten wird, wird als Rückstellverhältnis bezeichnet.For the purposes of the present invention, shape memory polymers are materials which, owing to their chemical-physical structure, are capable of carrying out targeted shape changes. In addition to their actual permanent shape, the materials have another form that can be temporarily applied to the material. Such materials are characterized by two features. They include so-called switching segments, which can trigger an externally stimulated transition, usually by a temperature change. In addition, these materials include covalent crosslinking points that are responsible for the so-called permanent shape. This permanent shape is characterized by the three-dimensional structure of a network. The crosslinking points present in the network according to the invention are of covalent nature and are obtained in the preferred embodiments of the present invention by the polymerization of the methacrylate end groups. The switching segments that trigger the thermally induced transition (shape change) are in the present invention, based on the preferred embodiments, the A blocks or poly (rac-lactide) segments. The thermal transition point is defined by the glass transition temperature of the amorphous regions (Tg2). Above Tg2, the material is particularly elastic. So if a sample is heated above the transition temperature Tg2, then deformed in the flexible state and cooled again below the transition temperature, the chain segments are fixed by freezing degrees of freedom in the deformed state (programming). Temporary cross-linking sites (noncovalent) are formed so that the sample can not return to its original shape even without external load. Upon reheating to a temperature above the transition temperature, these temporary crosslinks are redissolved and the sample returns to its original shape. By reprogramming the temporary shape can be restored. The accuracy with which the original shape is restored is called the reset ratio.
In polymeren Netzwerken, die eine Glastemperatur als Schalttemperatur aufweisen, ist der Übergang kinetisch bestimmt. Somit kann der Übergang von temporärer zur permanenter Form im Prinzip als unendlich langsamer Vorgang ausgestaltet werden.In polymeric networks, which have a glass transition temperature as the switching temperature, the transition is kinetically determined. Thus, the transition from temporary to permanent form can in principle be designed as an infinitely slow process.
Durch geeignete Zug-Dehnungsexperimente kann der Form-Gedächtnis-Effekt gezeigt werden. Ein Beispiel solcher Zug-Dehnungs-Messungen ist in Figur 3 gezeigt. Das dort untersuchte Material ist ein amorphes Netzwerk mit kovalent vernetzten Poly(lactid)-/ poly(propylenoxid)-ö-poly(lactid) Segmenten. Der Übergang von der temporären in die permanente Form findet innerhalb eines relativ breiten Temperaturintervalls statt.By suitable tensile-stretching experiments, the shape-memory effect can be shown. An example of such tensile-strain measurements is shown in FIG. The material studied there is an amorphous network with covalently cross-linked poly (lactide) - / poly (propylene oxide) -ö-poly (lactide) segments. The transition from the temporary to the permanent form occurs within a relatively wide temperature interval.
Die amorphen Netzwerke der vorliegenden Erfindung können, neben den oben diskutierten wesentlichen Komponenten weitere Stoffe enthalten, solange die Funktion der Netzwerke nicht beeinträchtigt wird. Solche zusätzlichen Materialien können beispielsweise Färbmittel, Füllstoffe oder zusätzliche polymere Materialien sein, die für verschiedene Zwecke eingesetzt werden können. Insbesondere für medizinische Zwecke einzusetzende amorphe Netzwerke der vorliegenden Erfindung können medizinische Wirkstoffe und Diagnostika, wie Kontrastmittel umfassen.The amorphous networks of the present invention may contain other substances besides the essential components discussed above as long as the function of the networks is not impaired. Such additional materials may be, for example, colorants, fillers or additional polymeric materials which may be used for various purposes. In particular, for medical purposes, amorphous networks of the present invention may include medical agents and diagnostics, such as contrast agents.
Die Schalttemperaturen liegen vorteilhafter Weise in einem Bereich, der ihren Einsatz für medizinische Applikationen ermöglicht, wo Schalttemperaturen im Bereich Körper- temperatur wünschenswert sind. Die Materialien der vorliegenden Erfindung eignen sich insbesondere als Materialien auf dem medizinischen Gebiet, als Implantate, zur zielgesteuerten, stimuli-sensitiven Wirkstofffreisetzung, zur Bandaugmentation, als Bandscheibenersatz. Darüber hinaus sind einige der amorphen Netzwerke sowohl oberhalb als auch unterhalb der Schalttemperatur transparent, was für bestimmte Anwendungen von Vorteil ist. Derartige, transparente Netzwerke können z.B. erhalten werden, wenn die einzelnen Phasen des phasenseparierten Netzwerks zu klein sind, um licht in einem wesentlichen Ausmaß zu streuen, oder wenn die Phasen sehr ähnliche Brechungsindizes aufweisen. Das Netzwerk des Beispiels 6 ist transparent.The switching temperatures are advantageously in a range that allows their use for medical applications, where switching temperatures in the body temperature are desirable. The materials of the present invention are particularly useful as materials in the medical field, as implants, for targeted, stimuli-sensitive drug release, Bandaugmentation, as intervertebral disc replacement. In addition, some of the amorphous networks are transparent both above and below the switching temperature, which is advantageous for certain applications. Such transparent networks can be obtained, for example, if the individual phases of the phase-separated network are too small to diffuse light to any significant extent, or if the phases have very similar refractive indices. The network of Example 6 is transparent.
Die erfindungsgemäßen Netzwerke sind in wässrigen Medien hydrolytisch abbaubar. Der hydrolytische Abbau beginnt unmittelbar nach dem Einbringen der Netzwerke in das Medium (Figur 4). Die Abbaugeschwindigkeit lässt sich über das Gewichtsverhältnis der A-Blöcke zum B-Block einstellen. Nach einer Abbauzeit von etwa 90 Tagen beginnen kleinere Partikel sich vom Material abzulösen. Überraschenderweise bleibt aber das Material während des Abbaus amorph und elastisch; es entstehen keine kristallinen Anteile. Das Material versprödet nicht.The networks according to the invention are hydrolytically degradable in aqueous media. The hydrolytic degradation begins immediately after the introduction of the networks into the medium (FIG. 4). The rate of degradation can be adjusted by the weight ratio of the A blocks to the B block. After a degradation time of about 90 days, smaller particles begin to separate from the material. Surprisingly, however, the material remains amorphous and elastic during degradation; There are no crystalline parts. The material does not become brittle.
Wie vorstehend ausgeführt, hat es sich erwiesen, dass die oben beschriebenen Netzwerke Materialien sind, die einen Form-Gedächtnis-Effekt, nach entsprechender Programmierung, zeigen. Weitere überraschende Eigenschaften sind, dass diese Materialien quellbar sind, ohne dass die Gefahr des Reissens auftritt, da die Materialien eine sehr hohe Elastizität zeigen. Weiterhin sind die Materialien, wie vorstehend bereits ausgeführt, vollständig amorph und der Form-Gedächtnis-Effekt bleibt über mehrere Zyklen an Formveränderungen erhalten. Weiterhin hat es sich gezeigt, dass die Materialien der voriiegenden Erfindung, bei ihrem Einsatz als Form-Gedächtnis- Materialien überlegene Eigenschaften auch bei der Programmierung aufweisen. Die Programmierung der Materialien der vorliegenden Erfindung umfasst die folgenden Stufen:As stated above, it has been found that the networks described above are materials that exhibit a shape-memory effect, after appropriate programming. Other surprising features are that these materials are swellable, without the risk of tearing occurs, because the materials show a very high elasticity. Furthermore, as stated above, the materials are completely amorphous and the shape-memory effect is maintained over several cycles of shape changes. Furthermore, it has been found that the materials of the present invention, when used as shape-memory materials, have superior properties even in programming. The programming of the materials of the present invention comprises the following steps:
Das Material liegt im Normalzustand vor, d.h. in der permanenten Form.The material is in the normal state, i. in permanent form.
Das Material wird über die Glastemperatur der amorphen Bereiche (Tg2) erwärmt.The material is heated above the glass transition temperature of the amorphous regions (Tg2).
Das Material wird nun deformiert, um eine gewünschte temporäre Form aufzuprägen. Das Material wird im deformierten Zustand wieder unter die Glastemperatur abgekühlt, um die temporäre Form zu fixieren.The material is then deformed to impart a desired temporary shape. The material is again cooled below the glass transition temperature in the deformed state in order to fix the temporary shape.
Nunmehr kann das Material eingesetzt werden und der (wiederholbare, durch erneute Programmierung) Form-Gedächtnis-Effekt kann durch Erwärmen auf eine Temperatur oberhalb von Tg2 ausgelöst werde, wodurch das Material wieder in die temporäre Form zurück kehrt. Die Materialien der vorliegenden Erfindung zeichnen sich in diesem Zusammenhang dadurch aus, dass die Materialien beim Abkühlen im deformierten Zustand nicht brechen. Dies ist ein Nachteil, der bei anderen Form-Gedächtnis- Materialien durchaus auftreten kann.Now, the material can be used and the (repeatable, reprogramming) shape memory effect can be triggered by heating to a temperature above Tg2, thereby returning the material to its temporary shape. The materials of the present invention are characterized in that context that the materials do not break when cooled in the deformed state. This is a disadvantage that can easily occur with other shape memory materials.
Die folgenden Anwendungsbeispiele erläutern die Erfindung.The following application examples illustrate the invention.
Herstellung amorpher NetzwerkeProduction of amorphous networks
Das Makrodimethacrylat wird auf einer silanisierten Glasplatte gleichmäßig verteilt und für 5 bis 10 Minuten im Vakuum auf 140 bis 160 °C erhitzt, um Gasblasen aus der Schmelze zu entfernen. Eine zweite silanisierte Glasplatte wird auf die Schmelze gelegt und durch Klemmen befestigt. Zwischen den beiden Glasplatten befindet sich ein Abstandhalter einer Dicke von 0,5 mm.The macrodimethacrylate is evenly distributed on a silanized glass plate and heated for 5 to 10 minutes in vacuo at 140 to 160 ° C to remove gas bubbles from the melt. A second silanized glass plate is placed on the melt and fixed by clamping. Between the two glass plates there is a spacer with a thickness of 0.5 mm.
Netzwerke wurden erhalten durch Bestrahlung der Schmelze mit UV-Licht einer Wellenlänge von 308 nm bei 70 °C. Die Bestrahlungsdauer betrug 20 Minuten. Es wurden verschiedene ABA-Triblockdimethacrylate in Schmelze vernetzt, wie in der nachfolgenden Tabelle angegeben.Networks were obtained by irradiating the melt with UV light of 308 nm wavelength at 70 ° C. The irradiation time was 20 minutes. Various ABA triblock dimethacrylates were melt-cured as indicated in the table below.
Die Form in der die Vernetzung erfolgt entspricht der permanenten Form. Die Schmelze lässt sich auch auf anderen Substraten beliebiger Materialien vernetzen: Drähte, Fasern, Fäden, Folien etc., wodurch die Substrate eine Beschichtung erhalten.The form in which the crosslinking takes place corresponds to the permanent form. The melt can also be crosslinked on other substrates of any materials: wires, fibers, threads, films, etc., whereby the substrates receive a coating.
**Werte über 100 sind auf Verunreinigung zurückzuführen** Values over 100 are due to contamination
Die polymeren amorphen Netzwerke wurden im Hinblick auf ihre weiteren thermischen und mechanischen Eigenschaften untersucht. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst.The polymeric amorphous networks were investigated for their further thermal and mechanical properties. The results of these studies are summarized in the following table.
*bestimmt durch DMTA; n. d. - nicht detektierbar* determined by DMTA; n. d. - not detectable
Die Formgedächtniseigenschaften wurden in zyklothermischen Experimenten bestimmt. Hierzu wurden ausgestanzte, hanteiförmige 0,5 mm dicke Folienstücke mit einer Länge von 10 mm und einer Breite (gauge length) von 3 mm verwendet. Zur Fixierung der temporären Form wurden die Proben oberhalb ihrer Tg2 um 30 % gestreckt und bei konstanter Spannung unterhalb Tg2 abgekühlt. Zum Auslösen des Formgedächtnis Effektes wurden die Proben spannungsfrei über Tg2 erwärmt. Die Kühl- und Heizraten betrugen dabei 10 °C/min. Figur 3 zeigt entsprechende Messungen für ein erfindungsgemäßes amorphes Netzwerk, wobei die Untersuchung im Hinblick auf den Form-Gedächtnis-Effekt bei Tg2 durchgeführt wurde.Shape memory properties were determined in cyclothermic experiments. For this punched, dumbbell-shaped 0.5 mm thick pieces of film with a length of 10 mm and a width (gauge length) of 3 mm were used. To fix the temporary shape, the samples were stretched above their Tg2 by 30% and cooled at a constant stress below Tg2. To trigger the shape memory effect, the samples were heated stress-free over Tg2. The cooling and heating rates were 10 ° C / min. FIG. 3 shows corresponding measurements for an amorphous network according to the invention, wherein the study was carried out with regard to the shape-memory effect in Tg2.
Diese Experimente demonstrieren die überlegenen Eigenschaften der amorphen Netzwerke der vorliegenden Erfindung. Die Netzwerke zeichnen sich durch gute Werte für das die SMP-Eigenschaften kennzeichnende Gesamtrückstellverhältnis nach 5 Zyklen aus, wie die folgende Tabelle zeigt. Materialien des Stands der Technik zeigen hier häufig Werte von weniger als 80%.These experiments demonstrate the superior properties of the amorphous networks of the present invention. The networks are characterized by good values for the total recovery ratio after 5 cycles, which characterizes the SMP properties, as shown in the following table. Prior art materials often show values of less than 80%.
*thermischer Übergang bei Tg2* thermal transition at Tg2
Durch die einfachen Grundbausteine der erfindungsgemäßen Netzwerke ist darüber hinaus eine gewisse Einfachheit der Synthese sichergestellt. Durch Variieren der Zusammensetzung, wie oben demonstriert, können gezielt polymere Materialien erhalten werden, die sich durch erwünschte Eigenschaftskombinationen auszeichnen.In addition, a certain simplicity of synthesis is ensured by the simple basic building blocks of the networks according to the invention. By varying the composition as demonstrated above, targeted polymeric materials can be obtained which are characterized by desirable property combinations.