Neue Anwendung von Poly-L-Milchsäure CAS#26811-96-1 als Formgedächtnismaterial

Hintergrundtechnik

Biopolymere sind wichtige medizinische Polymermaterialien mit hervorragender biologischer Abbaubarkeit und Bioabsorptionsfähigkeit und werden daher häufig in externen Fixierungsgeräten, Gerüsten für die Gewebezüchtung, chirurgischem Nahtmaterial, kontrollierten Medikamentenverabreichungssystemen und anderen medizinischen Bereichen eingesetzt. Polymilchsäure wird im Allgemeinen durch ringöffnende Polymerisation von Lactid synthetisiert. Basierend auf den optischen Konfigurationen während der Ringöffnungspolymerisation wird Lactid in D-Lactid, L-Lactid und DL-Lactid eingeteilt. Dementsprechend umfassen ihre Polymerisationsprodukte Poly-D-Milchsäure, Poly-L-Milchsäure und Poly-DL-Milchsäure. Die Literatur zeigt, dass Poly-D,L-Milchsäureemulsionen erhalten werden können, wenn D-Lactid und L-Lactid im Molverhältnis 1:1 ringöffnend polymerisiert werden. Es ist auch dokumentiert, dass aus DL-Lactid hergestellte Poly-DL-Milchsäure ein Formgedächtnisverhalten aufweist. Aktuelle Veröffentlichungen berichten jedoch nicht über Formgedächtniseigenschaften für Poly-L-Milchsäure (PLA).

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung identifiziert Formgedächtniseigenschaften in Poly-L-Milchsäure und schlägt damit deren neue Anwendung als Formgedächtnismaterial vor. Bei einer Verarbeitungstemperatur von ℃ und einem Polymerisationsdruck von -10 MPa kann Poly-L-Milchsäure in zwei Ausgangsformen mit Formgedächtniseigenschaften gebracht werden. Das resultierende Material wird in der experimentellen Medizin eingesetzt, um die Eigenschaften von Polymeren mit Formgedächtnis zu demonstrieren. Nach Verformung unterhalb von 100 °C – und anschließendem Wiedererwärmen auf etwa 100 °C – kann Poly-L-Milchsäure ihre ursprüngliche Form vollständig wiedererlangen. Somit zeigt PLA unterhalb von 100 °C ein Formgedächtnisverhalten.

Als biologisch abbaubares Formgedächtnismaterial bietet Poly-L-Milchsäure (PLA) bedeutende medizinische Vorteile. Da ihre gespeicherte Form durch Wärmeaktivierung vor Ort wiederhergestellt werden kann, ermöglicht sie ein schmerzfreies Zurücksetzen oder Repositionieren in klinischen Situationen. Darüber hinaus wird PLA im menschlichen Körper zu ungiftigen Metaboliten abgebaut, wodurch Risiken durch Langzeitrückstände reduziert und die Notwendigkeit sekundärer chirurgischer Eingriffe minimiert wird. Im Vergleich zu herkömmlichen Formgedächtnislegierungen bietet PLA anpassbare Biokompatibilität und Leistungsfähigkeit und ermöglicht so die individuelle Anpassung an unterschiedliche klinische Bedürfnisse.

Darüber hinaus weist Poly-L-Milchsäure eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit und einen langsameren Abbau als Poly-DL-Milchsäure auf, wodurch sie sich als bevorzugtes Material für Fixierungsanwendungen eignet. Dies erweitert ihren Einsatzbereich in der internen Fixierung und anderen medizinischen Gebieten.

Im praktischen Einsatz verläuft der Formgebungs- und Rückstellprozess wie folgt:
Beim Erhitzen auf die Verformungstemperatur (unterhalb der Glasübergangstemperatur) durchläuft das Polymer eine Phasenumwandlung, die es ihm ermöglicht, sich unter äußerer Belastung in eine temporäre Sekundärstruktur zu verformen. Bei anhaltend hoher Temperatur kühlt es ab und verglast, wodurch die temporäre Form fixiert wird. Beim erneuten Erhitzen auf die Rückstelltemperatur (unter 100 °C) nimmt die Struktur wieder ihre ursprüngliche, gespeicherte Form an. Verformungsarten umfassen Expansion, Dehnung, Stauchung, Biegung oder Kombinationen davon.

Poly-L-Milchsäure wird durch ringöffnende Polymerisation oder Copolymerisation mit anderen Lactonelektrolyten erzeugt. Die gebildeten Copolymere können aus L-Lactid mit anderen Lactiden, natürlichen Lactonen und niedermolekularen Verunreinigungen bestehen. Die Polymerisationsgeschwindigkeit von Poly-DL-Lactid ist im Allgemeinen schneller als die von Poly-L-Lactid, und das Polymerisationsverhalten ist einstellbar. Die Glasübergangstemperatur von Polyglykolsegmenten liegt bei etwa 45 °C und die von Lactonsegmenten kann bis zu −60 °C betragen. Die Copolymerisation in weiten Bereichen ermöglicht die gleichzeitige Abstimmung der Formwiederherstellungstemperatur, der mechanischen Eigenschaften und des dynamischen Verhaltens. Durch die Materialmischung wird die Leistung für fortschrittliche biomedizinische Anwendungen weiter optimiert.

Wird HA (Hydroxyapatit), der primäre mineralische Bestandteil des natürlichen Knochens, in das Poly-L-Milchsäure-Formgedächtnispolymer eingearbeitet, so weist der Verbundwerkstoff eine ausgezeichnete Bioaktivität und Osteokonduktivität auf, bildet eine direkte Bindung mit dem Knochengewebe und zeigt ein starkes Potenzial für knochenbezogene Anwendungen.

PLA wird aus erneuerbaren biologischen Quellen hergestellt, fermentiert und zu Lactidmonomeren raffiniert und anschließend bei hoher Temperatur polymerisiert. Als biologisch abbaubares aliphatisches Polymer kann PLA unter mikrobieller Einwirkung in etwa einem Jahr vollständig in CO₂ und Wasser zerfallen, ohne die Umwelt zu verunreinigen. Es behält mechanische Eigenschaften bei, die mit häufig verwendeten synthetischen Kunststoffen vergleichbar sind, und bietet eine gute Verarbeitungsleistung und eine geringe Schrumpfung. Daher wird PLA häufig in Verpackungen, tragbaren Accessoires, elektronischen Gehäusen, Fasern, 3D-Druckmaterialien und anderen Bereichen eingesetzt.