17
Elastomery biodegradowalne zawierające polilaktyd
Biodegradowalne elastomery termoplastyczne z udziałem polilaktydu
Ze względu na korzystne cechy, takie jak: wysoka wytrzymałość, podatność na rozkład hydrolityczny i biozgodność, polilaktyd (PLA) jest jednym z najbardziej popularnych poliestrów do zastosowań biome- dycznych. Jest jednak materiałem sztywnym, kruchym, o niskiej temperaturze ugięcia pod obciążeniem (HDT – temperatura, w której ugięcie przyjmuje założoną wartość) i małym wydłużeniu względnym przy zerwaniu. W celu poszerzenia zakresu zastosowań PLA jest konieczna poprawa tych właściwości. W ciągu ostatnich lat opracowano wiele nowych rozwiązań, które pozwalają na uzyskanie materiałów zawierają- cych PLA o polepszonych, dostosowanych do konkretnego zastosowania właściwościach. Na podsta- wie doniesień literaturowych omówiono wyniki dotychczasowych badań elastomerów termoplastycznych z udziałem biodegradowalnego polilaktydu. Zaprezentowano różne podejścia mające na celu otrzyma- nie materiałów o kontrolowanych właściwościach mechanicznych i biologicznych, uwzględniając metody kopolimeryzacji i reaktywnego mieszania. Celem niniejszej pracy jest przybliżenie wiedzy w dziedzinie syntezy, właściwości i potencjalnych zastosowań elastomerów termoplastycznych z udziałem PLA.
Słowa kluczowe: kopolimery, TPE-V, elastomery termoplastyczne, biodegradacja, polilaktyd.
Biodegradable PLA-based thermoplastic elastomers
Due to the number of advantages such as high tensile strength, sensitivity to hydrolytic degradation and biocompatibility PLA is one the most common polyester for biomedical applications. However, PLA is rigid, brittle polymer with low heat deflection temperature and small elongation at break. In order to broaden the range of PLA applications it is necessary to improve these properties. In recent years a number of new methods have been elaborated to obtain PLA-based materials with improved characteristics. On the basis of recent literature review, the numerous laboratory investigations of thermoplastic elastomers with the presence of biodegradable polylactide were presented. Different approaches to obtain materials with controlled mechanical and biological properties are discussed, taking into account the methods of copolymerization and reactive blending. The aim of this review is to deliver a discussion of design strategies for PLA based elastomers and to describe recent advances in the synthesis, properties and potential application of these materials, especially in soft tissue engineering.
Keywords: copolymers, thermoplastic vulcanizates, thermoplastic elastomers, biodegradation, polylactide.
Izabela Irska1*, Elżbieta Piesowicz*, Zbigniew Rosłaniec*
Mgr Izabela Irska w 2013 roku ukończyła stu- dia na Wydziale Chemii Uniwersytetu Jagielloń- skiego. Jest doktorantką w Zakładzie Tworzyw Polimerowych na Wydziale Inżynierii Mecha- nicznej i Mechatroniki Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie.
* Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecnie, Instytut Inżynierii Materiałowej, Zakład Tworzyw Polimerowych, al. Piastów 19, 70-310 Szczecin
1 e-mail: Izabela.Irska@zut.edu.pl
Elastomery biodegradowalne zawierające polilaktyd
18
1. Wprowadzenie
Polimery biodegradowalne są obecnie szeroko stosowane w produkcji specjalistycznych materiałów biomedycznych. Szczególnie obiecujące są polimery wytwarzane metodą syntezy chemicznej z wykorzysta-
niem surowców odnawialnych, będące jednocześnie materiałami biodegradowalnymi. Do tej grupy nale- ży polilaktyd (PLA). Podstawową jednostką PLA jest kwas mlekowy (kwas 2-hydroksypropionowy) (LAc), występujący w postaci optycznie czynnych l(+) i d(–) enancjomerów – cząsteczek chemicznych będących wzajemnym odbiciem lustrzanym (Rys. 1).
Rys. 1. Kwas l(+)-mlekowy (a), kwas d(-)-mlekowy (b) Fig. 1. l(+)-lactic acid (a), d(−)-lactic acid (b)
Polilaktyd jest otrzymywany w procesie syntezy chemicznej lub przez fermentację węglowodanów po- zyskiwanych z ziemniaków, kukurydzy, buraków cukro- wych, trzciny cukrowej, a także biomasy o charakterze odpadowym [1, 2]. Cykliczny dimer kwasu mleko- wego – laktyd (3,6-dimetylo-1,4-dioksan-2,5-dion)
(LA) otrzymuje się metodą depolimeryzacji oligo- merów kwasu mlekowego w wysokiej temperatu- rze i pod obniżonym ciśnieniem. Dzięki obecności dwóch asymetrycznych atomów węgla w cząsteczce, laktyd występuje w trzech postaciach: d,d-dilaktyd, l,l-dilaktyd i d,l-dilaktyd [3, 4] (Rys. 2).
Rys. 2. d,d-dilaktyd (a), l,l-dilaktyd (b), d,l-dilaktyd (mezo-laktyd) (c) Fig. 2. d,d-lactide (a), l,l-lactide (b), d,l-lactide (meso-lactide) (c)
PLA o dużej masie molowej jest otrzymywany z kwasu mlekowego różnymi metodami. Jedną z nich jest polimeryzacja z otwarciem pierścienia cyklicz- nego laktydu. Taka metoda pozwala na uzyskanie polimeru o dużej masie molowej i dobrych właści- wościach mechanicznych, który jednak, ze względu na złożoność procesu, wymaga dodatkowego oczysz- czania, generując tym samym znaczne koszty. Metoda polegająca na bezpośredniej polikondensacji kwasu mlekowego skutkuje często otrzymaniem PLA o małej masie molowej i gorszych właściwościach mechanicz- nych. Trzecim sposobem jest polikondensacja kwasu mlekowego z dodatkiem monomerów dwufunkcyj- nych (dioli, dwukwasów), prowadząca do uzyskania polimeru z reaktywnymi grupami końcowymi (ma- kromeru telechelicznego), jego usieciowanie pozwala na uzyskanie PLA o dużej masie molowej [1, 2, 4].
Właściwości mechaniczne, termiczne, a także po- datność PLA na biodegradację w dużym stopniu zależą od jego masy molowej oraz proporcji poszczególnych stereoizomerów laktydu. Skład PLA można stosunko- wo łatwo regulować przez odpowiedni dobór i polime- ryzację stereokopolimerów z d,d-laktydu, l,l-laktydu, d,l-laktydu lub mezo-laktydu [5].
Cechą geometryczną powodującą, że cząsteczka wyjściowa i jej lustrzane odbicie nie są identyczne, jest chiralność. Czysty, homochiralny (l-PLA lub d-PLA), izotaktyczny PLA charakteryzuje się temperaturą top- nienia w zakresie 170–180 °C i temperaturą zeszkle- nia (Tg) ok. 55 °C. Ataktyczny PLA (heterochiralne łań- cuchy l,d-PLA o bezładnym rozkładzie jednostek d i l) jest polimerem amorficznym (Tg ok. 60 °C). Mieszani- na izotaktycznych łańcuchów homopolimerów: l-PLA i d-PLA prowadzi do utworzenia stereokompleksu
19
Elastomery biodegradowalne zawierające polilaktyd
d-PLA/l-PLA, którego temperatura topnienia wyno- si około 240 °C. Wytrzymałość na rozciąganie PLA o małej masie molowej utrzymuje się w granicach od 30 MPa (w przypadku homopolimeru l-PLA) do 50 MPa (w przypadku stereokompleksu 1 : 1). Wy- trzymałość na rozciąganie polilaktydu o dużej masie molowej, w postaci zorientowanych włókien osiąga wartość nawet do 1 GPa [3, 5]. Ponadto PLA ma mały indeks refrakcji (stosunek prędkości światła w powie- trzu i w danym materiale), wykazuje wysoką odporność na działanie promieni UV i tłuszczów, co umożliwia wykorzystanie go w przemyśle opakowaniowym, rów- nież do produktów spożywczych [4].
Obecność zawady sterycznej w postaci bocznych grup –CH3 pozwala na zachowanie hybrofobowego cha- rakteru PLA w temperaturze pokojowej [6]. W warun- kach kompostowania polilaktyd wystawiony na dzia- łanie podwyższonej temperatury i wilgoci hydrolizuje, a powstałe półprodukty ulegają rozkładowi przez mikro- organizmy do metabolitów: CO2, H2O i CH4. Szybkość degradacji PLA silnie zależy od masy molowej, składu stereochemicznego, grup końcowych, a także kształtu i historii termicznej próbki. Hydrolityczna degradacja PLA do kwasu mlekowego może trwać od kilku tygodni (PLA amorficznego) do kilku lat (PLA krystalicznego), zależnie od zawartości fazy krystalicznej [3, 5, 7].
Biozgodność, doskonała przejrzystość, duża wytrzy- małość na rozciąganie i duży moduł sprężystości czy- nią PLA jednym z najbardziej obiecujących materiałów do produkcji ekologicznych termoplastycznych tworzyw polimerowych [8]. Zastosowania biomedyczne PLA obejmują produkcję: bioresorbowalnych nici chirur- gicznych, opatrunków, siatek chirurgicznych oraz im- plantów, zarówno stałych, jak i okresowych. Polilaktyd stosuje się również w farmacji w systemach do kontro- lowanego dostarczania i uwalniania leków. Prowadzone są intensywne badania nad możliwością jego wykorzy- stania w inżynierii tkankowej, jako materiału na ruszto- wania w hodowli komórek. W każdym przypadku jest konieczne dostosowanie właściwości mechanicznych i biologicznych materiału do jego przewidywanej funkcji.
Szczególnie wysokie wymagania pod względem doboru materiałów stawia medycyna regeneracyjna. Potencjalne materiały do zastosowań w regeneracji tkanek miękkich muszą być biokompatybilne i degradować z kontrolo- waną szybkością, dostosowaną do szybkości regeneracji tkanki. W celu zachowania integralności układu mate- riały na rusztowania muszą mieć właściwości zbliżone do właściwości komórek natywnych (naturalnych), ułat- wiać ich adhezję i proliferację (namnażanie komórek).
Jest konieczne, aby materiały na potrzeby inżynierii tkankowej można było łatwo przetwarzać do postaci stabilnych, porowatych struktur 3D [9, 10].
Mimo licznych zalet PLA jest materiałem sztywnym, kruchym (brak odporności na obciążenia dynamiczne), o małej odporności na przenikanie gazów (np. tlenu, dwutlenku węgla), niskiej wartości temperatury ugięcia
pod obciążeniem (HDT) i małym wydłużeniu względnym przy zerwaniu. W wielu przypadkach, szczególnie doty- czy to implantów, jest konieczna poprawa tych właści- wości [11–14]. W ciągu ostatnich lat opracowano wiele nowych metod syntezy [15] i modyfikacji, w tym: pla- styfikacji [11, 12, 16, 17], kopolimeryzacji [13, 18–21]
lub wprowadzania domieszek [22–24], które pozwalają na uzyskanie materiałów z udziałem PLA o polepszo- nych, dostosowanych do konkretnego zastosowania właściwościach.
2. Kopolimery
Jedną z metod prowadzących do poprawy właści- wości polilaktydu jest kopolimeryzacja laktydu z inny- mi monomerami. Otrzymany w ten sposób kopolimer będzie łączył właściwości obu komponentów [1]. Obec- ność segmentów sztywnych polilaktydu pozwoli na de- gradację hydrolityczną, a wprowadzenie fazy miękkiej w postaci amorficznego polimeru o niskiej wartości Tg
wpłynie na zwiększenie elastyczności materiału [13].
W elastomerach termoplastycznych (TPE) bloki mięk- kie i sztywne tworzą odrębne fazy; dzięki występowaniu takiej heterofazowej struktury TPE charakteryzują się właściwościami elastycznymi [18, 25, 26]. Dodatkową zaletą tego typu materiałów jest możliwość sterowa- nia przebiegiem syntezy, przez różnorodne zmiany ilo- ści i rodzaju substratów, w celu uzyskania szerokiego zakresu właściwości fizykochemicznych i mechanicz- nych. Liczne doniesienia i opracowania technologicz- ne dotyczą kopolimeryzacji laktydu lub kwasu mle- kowego, szczególnie syntezy kopolimerów blokowych i statystycznych z zastosowaniem poli(tlenku etylenu) (PEO) [13], poliizoprenu (PI) [18, 19], węglanu trime- tylenu (TMC)[21], poli(ε-kaprolaktonu) (PCL) [27–30], (–)-mentolu (PM) [20].
Poli(tlenek etylenu) jest dobrze rozpuszczalny w wo- dzie, polarnych rozpuszczalnikach organicznych, jest biozgodny, biodegradowalny, a produkty jego rozkładu są łatwe do usunięcia z organizmu. Dodatkową zaletą PEO jest zdolność do tworzenia hydrożeli, co ma ogrom- ne znaczenie w zastosowaniach biomedycznych, szcze- gólnie w stanie po implantacji, w celu zapobiegania nie- korzystnej adsorpcji białek na powierzchni implantu, mogącej prowadzić do tworzenia zakrzepów.
Cohn i Salomon [13] zaprezentowali w swojej pracy metodę dwuetapowej syntezy multiblokowych kopoli- merów z udziałem PLA. Pierwszym etapem była syn- teza kopolimerów PLA-PEO-PLA przez polimeryzację z otwarciem pierścienia l-laktydu, inicjowana przez grupy –OH glikolu polietylenowego. Następny etap obejmował przedłużanie łańcucha za pomocą HDI (diizocyjanianu 1,6-heksylenu), a tym samym wbudowanie do łańcucha grup uretanowych. Sposób otrzymywania opisanych kopo- limerów PLA-PEO-PLA (nazwanych przez autorów skró- towo PELA) przedstawiono na schemacie (Rys. 3) [13].
Elastomery biodegradowalne zawierające polilaktyd
20
Rys. 3. Synteza i struktura kopolimerów blokowych PELA [13]
Fig. 3. Synthesis and structure of PELA block copolymers [13]
Biodegradowalane, multiblokowe elastomery opi- sane w [29] otrzymano na drodze przedłużania łań- cucha pomiędzy oligomerami PCL i PLA za pomocą HDI (diizocyjanianu 1,6-heksylenu). Po rozpuszcze- niu PCL i PLA w 1,4-dioksanie w podwyższonej tem- peraturze i po wprowadzeniu HDI (zachowując stosu- nek molowy OH : NCO = 1 : 3) reakcję prowadzono w atmosferze azotu, w temperaturze 82 °C przez 4 h. Otrzymano serię kopolimerów o zróżnicowanym stosunku bloków PCL do PLA. W celu porównania zsyntezowano i zbadano serię materiałów bez użycia przedłużacza łańcucha. Różnice między układami PCL/PLA a tymi samymi materiałami z przedłuża- czem łańcucha można zaobserwować już na mikrofo- tografiach SEM. Na zdjęciach kopolimeru bez HDI są widoczne dwie, zwykle rozseparowane fazy, wskazu- jące na słabe oddziaływania PCL-PLA. Takiego efektu nie zaobserwowano w przypadku kopolimerów synte- zowanych z przedłużaczem łańcucha. Może to świad- czyć o reakcji zachodzącej między grupami hydrok- sylowymi i karboksylowymi pochodzącymi od PCL i PLA a grupami izocyjanianowymi. Wprowadzenie HDI poprawia również właściwości mechaniczne i termiczne kopolimerów. Zaobserwowano, że wzrost zawartości segmentów PCL podwyższa temperaturę degradacji układów PCL/PLA. Układem korzystnym Poprzez zmianę ilościową składu uzyskano dwie
serie kopolimerów. W pierwszej serii otrzymano kopo- limery o wzrastającej długości/masie bloków polilakty- dowych w stosunku do bloków PEO lub wzrastającej długości/masie bloków PEO względem PLA. Druga seria obejmowała kopolimery o różnej długości bloków PEO i PLA, przy zachowaniu stałego stosunku jednostek EO/LA. Określono wpływ udziału segmentów PEO i PLA na przemiany fazowe zachodzące w poszczególnych fa- zach kopolimeru. Wykazano, że długości bloków PEO i PLA wpływają na przemiany fazowe, np. PEO hamuje krystalizację bloków PLA zbudowanych z mniej niż 36 jednostek laktydowych. Różnice w morfologii wpływają na właściwości mechaniczne kopolimerów, im dłuższy jest łańcuch PEO, tym większa jest podatność tego bloku na krystalizację i tym sztywniejszy otrzymany materiał.
Wartości modułu Younga kopolimerów ze wzrastającą długością łańcuchów PEO zmieniają się w szerokim zakresie od 18 MPa (PELA 3200/1300) do 220 MPa (PELA 10000/1300). Zależnie od długości bloków PEO/PLA można otrzymać materiały amorficzne, z jed- ną bądź dwiema fazami krystalicznymi, o kontrolowa- nych właściwościach mechanicznych.
Liczne prace dotyczą kopolimeryzacji polilaktydu z poli(ε-kaprolaktonem) (PCL), w celu otrzymania kopoli- merów o właściwościach elastomerów termoplastycznych.
21
Elastomery biodegradowalne zawierające polilaktyd
z punktu widzenia zastosowań w medycynie i tech- nice jest kopolimer PCL/PLA o udziale masowym 80/20, o module Younga 2,7±0,7 MPa i wydłużeniu względnym przy zerwaniu ok. 790 %.
Kopolimeryzacja PLA z PCL jest interesującym zagadnieniem, nad którym pracuje wiele zespołów badawczych. Zależnie od doboru substratów i para- metrów syntezy otrzymano już kopolimery z udzia- łem PLA i PCL o różnej budowie: statystyczne [31];
multiblokowe: PLA-PCL [27, 29], PLLA-PCL [30];
trójblokowe PLLA-PCL-PLLA [30], a nawet gwiaź- dziste (SCP) [32].
Syntezowano i badano także kopolimery z udzia- łem poliizoprenu [18, 19], w których substratem był funkcjonalizowany α,ω-dihydroksypoliizopren (HO-PI-OH). Syntezę kopolimerów trójblokowych PLA-PI-PLA prowadzono dwuetapowo. Na pierwszym etapie do roztworu OH-PI-OH w toluenie wprowadzo- no Al(iOPr)3 (triizopropanolan glinu), w celu utworze- nia makroinicjatora; reakcję prowadzono przez 20 h w 120 °C, pod chłodnicą zwrotną, w atmosferze azo- tu. Następnie do mieszaniny reakcyjnej wprowadzo- no laktyd i proces kontynuowano przez 4 h. Schemat przebiegu syntezy przedstawiono na Rys. 4.
Rys. 4. Synteza kopolimerów PLA-PI-PLA na podstawie α,ω-dihydroksypoliizoprenu [18]
Fig.4. Synthesis of PLA-PI-PLA copolymers from α,ω-dihydroxypolyisoprene [18]
Badania tych kopolimerów przeprowadzone me- todą DSC potwierdzają spodziewaną separację mi- krofazową, na termogramach pojawiają się dwie charakterystyczne wartości temperatury zeszklenia – w obszarze niskotemperaturowym charakterystycz- na dla segmentów PI (Tg około −60 °C), w zakre- sie 52–61 °C można zauważyć przegięcie związane z temperaturą zeszklenia bloków PLA. Otrzymane kopolimery mają zróżnicowaną morfologię: sferycz- ną, cylindryczną lub lamelarną, a tym samym cha- rakteryzują się odmiennymi właściwościami mecha- nicznymi. Duże wartości wydłużenia przy zerwaniu wykazują kopolimery o morfologii cylindrycznej
(650±70 %), natomiast największa wytrzymałość na rozciąganie (10,1±1,8 MPa) charakteryzuje ma- teriały o morfologii lamelarnej.
A. Pêgo i współpracownicy [9, 21] jako materiał do kopolimeryzacji z laktydem wybrali węglan trime- tylenu (TMC) – alifatyczny monomer o temperaturze zeszklenia −15 °C. Statystyczne kopolimery d,l-dilak- tydu (DLLA) i TMC otrzymano przez polimeryzację blokową z otwarciem pierścienia, w temperaturze 130 °C, wobec octanu cyny (Sn(CH3COO)2) jako kata- lizatora. Doświadczalnie ustalono optymalny czas re- akcji, który w powyższych warunkach wynosił 3 dni.
Schemat syntezy przedstawiono na Rys. 5.
Rys. 5. Schemat syntezy statystycznych kopolimerów TMC-DLLA [21]
Fig. 5. Scheme of statistical TMC-DLLA copolymers [21]
Elastomery biodegradowalne zawierające polilaktyd
22
Rys. 6. Właściwości termiczne kopolimerów TMC-DLLA w funkcji udziału TMC [21]
Fig. 6. Thermal properties of TMC-DLLA as a function of the TMC content [21]
W celu poszerzenia zakresu zastosowań PLA C. Wa- namaker i inni [20] zsyntezowali kopolimer trójblokowy typu ABA z udziałem bloków polimentolu (PM). PM jest polimerem amorficznym, niekrystalizującym o niskiej temperaturze zeszklenia (TgPM około −25 °C), co czyni go doskonałym materiałem do wykorzystania w TPE.
PM otrzymano przez syntezę z (–)-mentolu – naturalne- go olejku uzyskanego z mięty pieprzowej. Na pierwszym etapie (–)-mentol utleniono do laktonu (mentolaktonu) [20, 33]. Polimeryzację z otwarciem pierścienia pro- wadzono w kolbie, z dodatkiem glikolu dietylenowego (DEG) i katalizatora cynkowego (Zn(C2H5)2), otrzymu- jąc α,ω-funkcjonalizowany PM. Temperaturę reakcji utrzymywano na stałym poziomie 100 °C przez 4,5 h, aż do osiągnięcia 73 % konwersji monomeru. Kopolime- ryzację PM z d,l-laktydem prowadzono w obecności ka- talizatora AlEt3 (trietyloglin) w temperaturze 90 °C przez 50 min. Schemat syntezy przedstawiono na Rys. 7 [20].
Zsyntezowano kopolimery ze zróżnicowaną zawar- tością merów LA w zakresie 20–50 % mas. Na termo- gramach DSC zaobserwowano występowanie dwóch wartości temperatury zeszklenia: Tg charakterystyczną dla bloków PM około −22 °C i Tg pochodzącą od bloków PLA w zakresie 20–51 °C (zależnie od udziału bloków PLA). W kopolimerach PLA-PM-PLA występuje więc charakterystyczna dla TPE separacja mikrofazowa, po- twierdzona również metodą SAXS (niskokątowego roz- praszania rentgenowskiego). W porównaniu z klasycz- nymi elastomerami termoplastycznymi PLA-PM-PLA mają małą wytrzymałość na rozciąganie w granicach 1,7±0,1 MPa. Osiągają jednak imponujące wartości wydłużenia względnego przy zerwaniu 960±60 %, pod tym względem nie różnią się od handlowych TPE, uzy- skiwanych ze źródeł nieodnawialnych. Ponadto wyka- zują większe wartości wydłużenia niż opisywane TPE z udziałem polilaktydu na podstawie PI (650 %) [19]
i PHB (200 %) [34].
Przygotowano serię kopolimerów z udziałem TMC w zakresie 20–79 % mol. Na podstawie analizy właści- wości termicznych wykazano, że uzyskane kopolimery nie krystalizują, a wzrost zawartości bloków DLLA powoduje podwyższenie Tg w sposób liniowy w za- kresie od −17 °C (czystego PTMC) do 53 °C (czystego PDLLA) (Rys. 6).
Właściwości mechaniczne TMC-DLLA zależą od udziału TMC. Największy moduł Younga (1900 MPa) i najmniejsze wartości wydłużenia (7 %) zarejestrowa- no dla kopolimerów zawierających 20 % TMC. Opty- malne właściwości, biorąc pod uwagę stosunek wy- trzymałości do elastyczności, ma układ z zawartością 50 % TMC (moduł Younga E = 16 MPa, wytrzymałość na rozciąganie TS=10 MPa i wydłużenie przy zerwaniu Eb = 570 %). Wszystkie materiały zawierające powyżej 50 % mol. TMC mają małą wytrzymałość i łatwo ule- gają nieodwracalnym odkształceniom. Pomiary kąta zwilżania i pęcznienia w wodzie pozwoliły autorom na stwierdzenie, że wszystkie otrzymane materiały są hydrofobowe (pęcznienie <1,5%), co ostatecznie może mieć wpływ na wydłużenie czasu resorpcji [21]. Bada- nia degradacji TMC-DLLA o zawartości TMC równej 20 % i 50 % prowadzone w symulowanych warunkach fizjologicznych wykazały, że kopolimer jest całkowicie resorbowalny w ciągu 11 miesięcy, przy czym zachowuje swoje właściwości mechaniczne maksymalnie do 5 mie- sięcy [9]. Potencjalne zastosowanie kopolimerów TMP-DLLA obejmuje przygotowanie rusztowań do ho- dowli komórkowych tkanek miękkich, w tym komó- rek tkanki serca – kardiomiocytów. W prosty sposób, przez prasowanie w obecności kryształów soli NaCl, a następnie ich wymycie, można uzyskać struktury 3D o wybranym rozmiarze porów. Na tak przygotowanych rusztowaniach z TMC-DLLA (20/80 % mol.) skutecz- nie udało się już adsorbować i namnażać komórki mię- śnia sercowego szczura [9].
23
Elastomery biodegradowalne zawierające polilaktyd
Monomery PLA i PM oraz kopolimery PLA-PM- PLA o różnym udziale masowym PLA poddano ba- daniom hydrolitycznej degradacji w symulowanych warunkach fizjologicznych (w buforze fosforanowym o pH = 7,4 i temperaturze 37 °C) [7]. Potwierdzono biodegradowalność wszystkich badanych materia-
łów, przy czym blokiem silniej podatnym na degra- dację jest PLA. Warto zauważyć, że zaproponowane kopolimery, mimo degradacji trwającej 21 tygodni, zachowują większość właściwości mechanicznych charakterystycznych dla elastomerów termopla- stycznych [7].
3. Wulkanizaty termoplastyczne (TPE-V)
Jedną z technik otrzymania materiałów polimerowych o pożądanych właściwościach jest tworzenie mieszanin polimerów. Pozytywny wpływ na właściwości PLA może mieć już samo domieszkowanie polilaktydu za pomocą np. kauczuku naturalnego (NR) [22, 23]. Cząstki kauczu- ku rozproszone w osnowie termoplastycznej zwiększają absorpcję energii, tym samym prowadząc do poprawy udarności układu. Niezależne badania prowadzone przez zespoły N. Bitinsa [22] i K. Pongtanayuta [23] wykazały, że optymalna zawartość NR, która może zmniejszyć kru- chość PLA, wynosi 10 %. Taka ilość NR korzystnie wpły- wa na właściwości fizyczne PLA. Odnotowano wzrost wydłużenia przy zerwaniu z 5 % (samego PLA) do 200 % (polilaktydu domieszkowanego 10 % NR). Dodatek NR w takiej ilości nie wpływa też negatywnie na przejrzystość materiału [22]. Uzyskane wyniki badań mieszanek PLA/
NR wskazują jednak na brak zgodności faz, w celu dalszej poprawy ich właściwości konieczne jest znalezienie odpo- wiednich kompatybilizatorów. Alternatywą jest reaktywne mieszanie połączone z sieciowaniem elastomeru zdyspe- rowanego w osnowie polimerowej. Sieciowaniu kauczuku
Rys. 7. Schemat syntezy kopolimerów PLA-b-PM-b-PLA [20]
Fig.7. Scheme of PLA-b-PM-b-PLA copolymers synthesis [20]
towarzyszy zmiana morfologii z dwuciągłej na tzw. morfo- logię kropelkową [35, 36]. Mimo że wulkanizaty termo- plastyczne (TPE V) zawierają fazę już zwulkanizowanego kauczuku, to obecność ciągłej osnowy termoplastycznej pozwala na ich przetwarzanie z zastosowaniem technolo- gii dostępnych dla termoplastów, takich jak: wtryskiwanie, wytłaczanie czy formowanie z rozdmuchem [37].
W literaturze można znaleźć przykłady TPE-V z udzia- łem PLA i NR dynamicznie sieciowanych za pomocą nadtlenków. Po raz pierwszy takie rozwiązanie zastoso- wał Y. Chen i współpracownicy [38]. Wulkanizaty PLA/
NR z udziałem 35 lub 60 % mas. NR zostały przygoto- wane przez reaktywne mieszanie w komorze mieszalnika (Haake Rheocord 90) z prędkością 60 obr./min, w temp.
150 °C. Reakcję prowadzono w obecności stabilizatora te- micznego, Irganoxu 1010 (tetra-[3-(3,5-di-t-butylo-4-hy- droksyfenylo)]propionianu pentaerytrytu), przy czym jako środka sieciującego użyto nadtlenku dikumylu (NDK).
Tak uzyskane wulkanizaty PLA/NR mają zaskakujące właściwości pamięci kształtu (odwracalne odkształcenie
> 95 %), warto dodać, że w temperaturze zeszklenia PLA (60 °C) czas powrotu jest krótszy niż 15 s. Ze względu na specyficzne właściwości użytkowe TPV-PLA/NR mogą w przyszłości znaleźć zastosowanie jako materiał na części do inteligentnej aparatury medycznej.
Elastomery biodegradowalne zawierające polilaktyd
24
Ma P. i inni [39] zsyntezowali bazujące na PLA, bio- degradowalne termoplastyczne wulkanizaty, w których fazę elastomerową stanowi EVA (poli(etyleno-co-octan winylu)) w stosunku masowym PLA/EVA odpowied- nio 40/60. Układ był sieciowany za pomocą nadtlenku o nazwie handlowej Luperox 101 (2,5-dimetylo-2,5-di- -(tert-butyloperoksy)heksan). Wysuszone uprzednio sub- straty PLA i EVA w stosunku 40/60 wstępnie mieszano w mieszalniku z dwoma rotorami (typ RM-200, HABO, Chiny) z prędkością 30 obr./min, w temperaturze 170 °C, do momentu osiągnięcia homogenicznej (makroskopo- wo) mieszaniny PLA/EVA (8 min). Po wprowadzeniu środka sieciującego (w ilości 0,5 %, 1 %, 2 % lub 3 % w stosunku do EVA) mieszanie kontynuowano z pręd- kością 50 obr./min przez kolejne 20 min. Dowiedziono, że PLA/EVA-TPV są wrażliwe na degradację niezależnie od ilości środka sieciującego, a w czasie do 14 tygodni degraduje około 5 % materiału (degradację prowadzono w termostatowanej łaźni, w 0,01 M roztworze NaOH, w temperaturze 25 °C). Autorzy przeprowadzili referen- cyjny eksperyment degradacji czystego polilaktydu, któ- ry potwierdził przypuszczenia, że EVA ogranicza w pew- nym stopniu degradację PLA.
4. Podsumowanie
Pomimo wdrożenia na stałe do produkcji tworzyw biodegradowalnych, na rynku wciąż dostępnych jest niewiele biomateriałów o właściwościach elastomero- wych. Analiza oryginalnych prac badawczych i prze- glądowych, wskazuje, że duże perspektywy w zakresie zastosowania do produkcji biodegradowalnych, bio- zgodnych elastomerów termoplastycznych ma polilak- tyd. Reaktywne mieszanie polimerów wykazujących cechy biodegradowalne (PLA) z polimerami o dużej zdolności do separacji fazowej pozwala na otrzymanie materiałów o cechach elastomerów termoplastycznych (TPE). Możliwość modelowania struktury i właściwości kopolimerów oraz odpowiedni dobór fragmentów struk- turalnych gwarantujących nietoksyczność i biokompa- tybilność produktów rozkładu sprawiają, że mogą być one wykorzystane do celów biomedycznych. Oprócz tego duże zainteresowanie budzą też wulkanizaty ter- moplastyczne (TPE-V) wytwarzane z sieciowanych dynamicznie mieszanin kauczuków z PLA. Łączą one zalety biodegradowalnego i biokompatybilnego poli- laktydu z właściwościami mechanicznymi charaktery- stycznymi dla usieciowanych kauczuków.
Większość zaprezentowanych układów jest w fazie szczegółowych badań laboratoryjnych. Mimo że krysta- liczne segmenty PLA zapewniają wytrzymałość mecha- niczną, trudno jest przewidzieć i kontrolować profile ich degradacji, zwłaszcza w dynamicznym środowisku in vivo. Nieliniowe pogorszenie wytrzymałości mecha- nicznej podczas degradacji może prowadzić do uszko- dzeń rusztowania przed całkowitym zregenerowaniem
się tkanek. Jest zatem konieczne wyjaśnienie zależno- ści między budową a właściwościami oraz poznanie dokładnych mechanizmów degradacji elastomerów z udziałem PLA. Aby móc przejść do eksperymentów w warunkach in vivo, należy dokładnie zapoznać się z przebiegiem procesów biologicznych na styku implant -tkanka. Rzetelne badania podstawowe prowadzone w tym zakresie mogą doprowadzić do opracowania in- nowacyjnych układów polimerowych o właściwościach elastotermoplastycznych mających przełożenie na prak- tykę medyczną i przemysłową.
Literatura
Ren J.,
1. Biodegradable Poly(Lactid Acid): Synthesis, Mo- dification, Processing and Applications, 45–54, Sprin- ger-Verlag Berlin Heidelberg, Berlin, 2010, 302.
Auras R., Lim L.-R., Selke S.E.M., Tsuji H.,
2. Poly(Lactic Acid):
Synthesis, Structures, Properties, Processing and Applica- tions, 43–58, John Wiley & Sons, Hoboken, 2010, 528.
Duda A.,
3. Przem. Chem., 2003, 82, 8–9, 905–907.
Nowak B., Pająk J.,
4. Arch. Gosp. Odpad. Ochr. Środ., 2010, 12, 2, 1–10.
Garlotta D.,
5. J. Polym. Environ., 2001, 9, 2, 63–84.
Vroman I., Tighzert L.,
6. Materials, 2009, 2, 2, 307–344.
Wanamaker C.L., Tolman W.B., Hillmyer M.A.,
7. Biomacro-
molecules, 2009, 10, 2, 443–448.
Lee I., Panthani T.R., Bates F.S.,
8. Macromolecules, 2013,
46, 18, 7387–7398.
Pêgo A.P., Poot A.A., Grijpma D.W., Feijen J.,
9. J. Control.
Release, 2003, 87, 1–3, 69–79.
Gao Y., Mori T., Manning S., Zhao Y., Nielsen A.D., Ne- 10.
shat A., Sharma A., Mahnen C.J., Everson H.R., Crotty S., Clements R.J., Malcuit C., Hegmann E., ACS Macro. Lett., 2016, 5, 1, 4–9.
Jacobsen S., Fritz H.G.,
11. Polym. Eng. Sci., 1999, 39, 7, 1303–1310.
Zubrowska A., Piorkowska E., Kowalewska A., Cichorek 12.
M., Colloid Polym. Sci., 2015, 293, 23–33.
Cohn D., Hotovely-Salomon A.,
13. Polymer, 2005, 46, 7,
2068–2075.
Vuković-Kwiatkowska I., Kaczmarek H., Dzwonkowski J., 14.
Chemik, 2014, 68, 2, 135–140.
Bigg D.M.,
15. Adv. Polym. Tech., 2005, 24, 2, 69–82.
Baiardo M., Frisoni G., Scandola M., Rimelen M., Lips D., 16.
Ruffieux K., Wintermantel E., J. Appl. Polym. Sci., 2003, 90, 7, 1731–1738.
Kulinski Z., Piorkowska E.,
17. Polymer, 2005, 46, 23,
10290–10300.
Frick E.M., Zalusky A.S., Hillmyer M.A.,
18. Biomacromole-
cules, 2003, 4, 2, 216–223.
Frick E.M., Hillmyer M.A.,
19. Macromol. Rapid Comm.,
2000, 21, 18, 1317–1322.
Wanamaker C.L., O’Leary L.E., Lynd N.A., Hillmyer M.A., 20.
Tolman W.B., Biomacromolecules, 2007, 8, 11, 3634–3640.
25
Elastomery biodegradowalne zawierające polilaktyd
Pêgo A.P., Poot A.A., Grijpma D.W., Feijen J.,
21. J. Mater.
Sci.-Mater M., 14, 9, 767–773.
Bitinis N., Verdejo R., Cassagnau P., Lopez-Manchado 22.
M.A., Mater. Chem. Phys., 2011, 129, 3, 823–831.
Pongtanayut K., Thongpin C., Santawitee O.,
23. Eng. Proc.,
2013, 34, 888–897.
Li T., Zhang J., Schneiderman D.K., Francis L.F., Bates 24.
F.S., ACS Macro. Lett., 2016, 5, 3, 359–364.
Lodge T.P., Muthukumar M.,
25. J. Phys. Chem.-US, 1996,
100, 31, 13275–13292.
Hillmyer M.A., Tolman W.B.,
26. Accounts Chem. Res., 2014,
47, 8, 2390–2396.
Lipik V.T., Kong J.F., Chattopadhyay S., Widjaja L.K., 27.
Liow S.S., Venkatraman S.S., Abadie M.J.M., Acta Bio- mater., 2010, 6, 11, 4261–4270.
Younes H.M., Bravo-Grimaldo E., Amsden B.G.,
28. Biomate-
rials, 2004, 25, 22, 5261–5269.
Zhang J., Xu J., Wang H., Jin W., Li J.,
29. Mater. Sci. Eng. C,
2009, 29, 3, 889–893.
Jeon O., Lee S.-H., Kim S.H., Lee Y.M., Kim Y.H.,
30. Macro-
molecules, 2003, 36, 15, 5585–5592.
Chung S., Im Y., Kim H., Jeong H., Dornfeld D.A.,
31. Int. J
Mach. Tool Manu, 2003, 43, 13, 1337–1345.
Du L., Xu G., Zhang Y., Qian J., Chen J.,
32. Polym-Plast Tech-
nol., 2011, 50, 4, 372–378.
Zhang D., Hillmyer M.A., Tolman W.B.,
33. Biomacromolecu-
les, 2005, 6, 4, 2091–2095.
Hiki S., Miyamoto M., Kimura Y.,
34. Polymer, 2000, 41, 20,
7369–7379.
Sommer J.,
35. Troubleshooting Rubber Problems, 1–14, Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG, 2014, 311.
Rzymski W.M., Radusch H.J.,
36. Polimery, 2002, 47, 229–302.
Heinrich G.,
37. Advanced Rubber Composites, 123–186, Springer Berlin, Berlin, 2013, 316.
Chen Y., Yuan D., Xu C.,
38. ACS Appl. Mat. Int., 2014, 6, 6,
3811–3816.
Ma P., Xu P., Zhai Y., Dong W., Zhang Y., Chen M.,
39. ACS
Sust. Chem. Eng., 2015, 3, 9, 2211–2219.
