Hydrogen Bonding-Driven Structural and Mechanical Regulation of Poly(ε-caprolactone)-Based Polyurethane with Poly(glycolic acid)

Technische Zusammenfassung: Wasserstoffbrückenbindungs-gesteuerte strukturelle und mechanische Regulierung von Poly(ε-caprolacton)-basierten Polyurethanen mit Poly(glykolsäure)

Problemstellung
Poly(ε-caprolacton) (PCL)-basierte Polyurethane (PU) sind vielversprechende degradierbare Biomaterialien; ihre klinische Nutzbarkeit wird jedoch durch zwei primäre Einschränkungen begrenzt: eine relativ geringe mechanische Festigkeit und Zähigkeit sowie eine Formgedächtnis-Übergangstemperatur (Schmelzpunkt, $T_m$), die typischerweise bei etwa 60 °C liegt, was signifikant über der menschlichen Körpertemperatur (~37 °C) liegt. Bestehende Strategien erzwingen oft einen Kompromiss zwischen mechanischer Leistung, Bioabbaubarkeit und Formgedächtnisfunktionalität. Darüber hinaus wurde die systematische Einbindung von Poly(glykolsäure) (PGA) als ko-makromolekulare Diol zur gleichzeitigen Abstimmung der Mikrophasentrennung, der mechanischen Eigenschaften und der Übergangstemperaturen neben PCL, obwohl PGA als verstärkendes Agens aufgrund seiner Wasserstoffbrückenbindungsfähigkeit bekannt ist, bisher nicht vollständig untersucht.

Methodik
Die Studie verwendete eine zweistufige Polykondensationsreaktion zur Synthese einer Serie von Polyurethanen (bezeichnet als xPUGA). Die Synthese nutzte:

• Weichsegmente: Eine Mischung aus PCL-Diol ($M_n$ = 2000 g/mol) und synthetisiertem PGA-Diol ($M_n$ = 2000 g/mol) in variierenden Gewichtsverhältnissen (0 %, 5 %, 10 % und 20 % PGA relativ zu PCL).
• Hartsegmente/Kettenverlängerer: Hexamethylendiisocyanat (HDI) und 1,4-Butandiol (BDO).
• Kontrolle: Ein reines PU, das nur PCL als Weichsegment enthält.

Die resultierenden Materialien wurden charakterisiert mittels:

• Strukturanalyse: $^1$H-NMR und FTIR (einschließlich in situ dehnungsabhängiger FTIR) zur Bestätigung der chemischen Struktur und zur Überwachung der Wasserstoffbrückenbindungs-Interaktionen.
• Morphologie: Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Kleinwinkel-Röntgenstreuung (SAXS) zur Untersuchung der Mikrophasentrennung und der Langperioden.
• Thermische/Kristalline Eigenschaften: Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) und Weitwinkel-Röntgenbeugung (WAXD) zur Bewertung des Kristallisationsverhaltens, der Schmelztemperaturen und der Kristallinität.
• Mechanische Prüfung: Zugversuche zur Bewertung von Festigkeit, Dehnung und Zähigkeit.
• Funktionale Evaluierung: Formgedächtnis-Zyklustests (Fixierungs- und Rückgewinnungsverhältnisse bei verschiedenen Temperaturen) sowie Zytotoxizitätsassays unter Verwendung von MG-63 osteoblastenähnlichen Zellen.

Wesentliche Beiträge und Ergebnisse
Die Einbindung von PGA-Segmenten in die PCL-basierte Polyurethanmatrix führte zu synergistischen Verbesserungen der mechanischen Leistung und der thermischen Reaktionsfähigkeit:

1. Mechanische Verbesserung: Die optimale Formulierung, 10PUGA (enthaltend 10 % PGA), zeigte überlegene mechanische Eigenschaften im Vergleich zum reinen PU. Sie erreichte eine Zugfestigkeit von 54,1 MPa (eine Steigerung um 205,6 %), eine Zähigkeit von 329,0 MJ·m⁻³ (eine Steigerung um 201,6 %) und eine Bruchdehnung von 1389,0 % (eine Steigerung um 66,9 %).
2. Thermische Regulierung: Die Einführung von PGA senkte die Schmelztemperatur des PCL-Weichsegments von ~41 °C (reines PU) auf 37–39 °C in der PUGA-Serie. Diese Verschiebung bringt die Übergangstemperatur nahe an die menschliche Körpertemperatur, eine kritische Voraussetzung für körpertemperatur-gesteuerte Formgedächtnisanwendungen.
3. Formgedächtnisleistung: Alle PUGA-Proben zeigten eine exzellente Formfixierung ($R_f$) bei 0 °C (100 %). Bemerkenswerterweise zeigten 5PUGA und 10PUGA Formrückgewinnungsverhältnisse ($R_r$) von über 98 % bei 35 °C, womit sie das reine PU (83,1 % bei 35 °C) übertrafen. Bei 45 °C erreichten alle PUGAs Rückgewinnungsverhältnisse von über 99 %.
4. Biokompatibilität: Zytotoxizitätstests bestätigten, dass alle Filme die Lebensfähigkeit von MG-63-Zellen über 90 % unterstützten, was auf keine offensichtliche Zytotoxizität hindeutet.

Wirkmechanismus
Die Studie schreibt die gleichzeitige Verstärkung und Zähigkeit einer Kombination von Mechanismen zu, die durch dehnungsabhängige Spektroskopie und thermische Analyse aufgedeckt wurden:

• Reversible Wasserstoffbrückenbindung: Die PGA-Segmente führen zahlreiche Carbonylgruppen ein, die in der Lage sind, Wasserstoffbrücken zu bilden. Während der Verformung wirkt die reversible Dissoziation dieser von PGA abgeleiteten Wasserstoffbrücken (zusammen mit den Urethanbindungen) als Mechanismus zur Energiedissipation.
• Dehnungsinduzierte Kristallisation: Die PCL-Weichsegmente unterliegen während der Streckung einer dehnungsinduzierten Kristallisation, was zur Festigkeit des Materials beiträgt.
• Verbesserte Spannungsübertragung: Die Einbindung von PGA verändert die mikrophasenseparierte Struktur, wodurch die Langperiode (von 13,5 nm in PU auf 11–12 nm in PUGAs) reduziert und die Grenzflächenmischung erhöht wird. Dies erleichtert eine effektivere Spannungsübertragung zwischen der Soft- und Hardphase.

Bedeutung
Die Arbeit kommt zu dem Schluss, dass die kovalente Einbindung von PGA-Segmenten eine einfache molekulare Strategie darstellt, um degradierbare Polyurethane zu entwerfen, die hohe mechanische Leistung mit körpertemperatur-responsiven Formgedächtniseigenschaften integrieren. Durch die Nutzung der Wasserstoffbrückenbindungs-Interaktionen von PGA ist es gelungen, die widersprüchlichen Anforderungen an mechanische Robustheit und niedrige Übergangstemperaturen in PCL-basierten Systemen zu adressieren. Die resultierenden Materialien, insbesondere 10PUGA, werden als vielversprechende Kandidaten für biomedizinische Anwendungen präsentiert, die eine hohe mechanische Integrität und Formgedächtnisfunktionen erfordern, die durch physiologische Temperaturen ausgelöst werden, wie etwa bei belastungsintensiven Implantaten oder minimalinvasiven chirurgischen Geräten. Die Autoren merken zudem an, dass die Einbindung von PGA erwartet wird, die Degradationsrate des Polyurethans zu modulieren und zu beschleunigen, was dessen Nutzen für biomedizinische Implantate weiter erhöht.