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

Resumen Técnico: Regulación Estructural y Mecánica Mediante Enlaces de Hidrógeno en Poliuretano Basado en Poli(ε-caprolactona) con Poli(ácido glicólico)

Planteamiento del Problema
Los poliuretanos (PUs) basados en poli(ε-caprolactona) (PCL) son biomateriales degradables prometedores; sin embargo, su utilidad clínica en escenarios de carga y de activación por temperatura corporal está limitada por dos restricciones primarias: una resistencia mecánica y tenacidad relativamente bajas, y una temperatura de transición de memoria de forma (punto de fusión, $T_m$) que es típicamente de alrededor de 60 °C, significativamente superior a la temperatura del cuerpo humano (~37 °C). Las estrategias existentes a menudo fuerzan un compromiso entre el rendimiento mecánico, la biodegradabilidad y la funcionalidad de la memoria de forma. Además, aunque el poli(ácido glicólico) (PGA) es un agente de refuerzo conocido debido a su capacidad de formación de enlaces de hidrógeno, su incorporación sistemática como codiomacromolécula de diol junto al PCL para ajustar simultáneamente la separación de fases micro, las propiedades mecánicas y las temperaturas de transición no ha sido explorada plenamente.

Metodología
El estudio empleó una reacción de policondensación de dos etapas para sintetizar una serie de poliuretanos (designados como xPUGA). La síntesis utilizó:

• Segmentos Blandos: Una mezcla de diol de PCL ($M_n$ = 2000 g/mol) y diol de PGA sintetizado ($M_n$ = 2000 g/mol) en varias proporciones de peso (0%, 5%, 10% y 20% de PGA relativo al PCL).
• Segmentos Duros/Extensores de Cadena: Hexametileno diisocianato (HDI) y 1,4-butanodiol (BDO).
• Control: Un PU puro que contiene solo PCL como segmento blando.

Los materiales resultantes se caracterizaron mediante:

• Análisis Estructural: $^1$H-NMR y FTIR (incluyendo FTIR dependiente de la deformación in situ) para confirmar la estructura química y monitorear las interacciones de enlace de hidrógeno.
• Morfología: Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) y Dispersión de Rayos X de Ángulo Pequeño (SAXS) para examinar la separación de fases micro y los periodos largos.
• Propiedades Térmicas/Cristalinas: Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC) y Difracción de Rayos X de Ángulo Amplio (WAXD) para evaluar el comportamiento de cristalización, las temperaturas de fusión y la cristalinidad.
• Pruebas Mecánicas: Ensayos de tracción para evaluar la resistencia, elongación y tenacidad.
• Evaluación Funcional: Pruebas de ciclos de memoria de forma (razones de fijación y recuperación de forma a diversas temperaturas) y ensayos de citotoxicidad utilizando células tipo osteoblasto MG-63.

Contribuciones Clave y Resultados
La incorporación de segmentos de PGA en la matriz de poliuretano basada en PCL produjo mejoras sinérgicas en el rendimiento mecánico y la respuesta térmica:

1. Mejora Mecánica: La formulación óptima, 10PUGA (que contiene 10% de PGA), demostró propiedades mecánicas superiores en comparación con el PU puro. Alcanzó una resistencia a la tracción de 54.1 MPa (un aumento del 205.6%), una tenacidad de 329.0 MJ·m⁻³ (un aumento del 201.6%) y una elongación a la rotura de 1389.0% (un aumento del 66.9%).
2. Regulación Térmica: La introducción de PGA redujo la transición de fusión del segmento blando de PCL de ~41 °C (PU puro) a 37–39 °C en la serie PUGA. Este desplazamiento acerca la temperatura de transición a la temperatura del cuerpo humano, un requisito crítico para aplicaciones de memoria de forma activadas por la temperatura corporal.
3. Desempeño de la Memoria de Forma: Todas las muestras de PUGA exhibieron una excelente fijación de forma ($R_f$) a 0 °C (100%). Notablemente, 5PUGA y 10PUGA mostraron razones de recuperación de forma ($R_r$) superiores al 98% a 35 °C, superando al PU puro (83.1% a 35 °C). A 45 °C, todos los PUGAs alcanzaron razones de recuperación por encima del 99%.
4. Biocompatibilidad: Las pruebas de citotoxicidad confirmaron que todas las películas soportaron una viabilidad celular de MG-63 superior al 90%, indicando que no hay una citotoxicidad obvia.

Mecanismo de Acción
El estudio atribuye el fortalecimiento y endurecimiento simultáneos a una combinación de mecanismos revelados por la espectroscopia dependiente de la deformación y el análisis térmico:

• Enlace de Hidrógeno Reversible: Los segmentos de PGA introducen abundantes grupos carbonilo capaces de formar enlaces de hidrógeno. Durante la deformación, la disociación reversible de estos enlaces de hidrógeno derivados del PGA (junto con los enlaces de uretano) actúa como un mecanismo de disipación de energía.
• Cristalización Inducida por Deformación: Los segmentos blandos de PCL experimentan cristalización inducida por deformación durante el estiramiento, lo que contribuye a la resistencia del material.
• Transferencia de Esfuerzo Mejorada: La incorporación de PGA altera la estructura de separación de fases micro, reduciendo el periodo largo (de 13.5 nm en PU a 11–12 nm en los PUGAs) y aumentando la mezcla interfacial. Esto facilita una transferencia de esfuerzo más efectiva entre las fases blanda y dura.

Significancia
El artículo concluye que la incorporación covalente de segmentos de PGA proporciona una estrategia molecular simple para diseñar poliuretanos degradables que integran un alto rendimiento mecánico con memoria de forma sensible a la temperatura corporal. Al aprovechar las interacciones de enlace de hidrógeno del PGA, el estudio aborda con éxito los requisitos conflictivos de robustez mecánica y bajas temperaturas de transición en sistemas basados en PCL. Los materiales resultantes, particularmente el 10PUGA, se presentan como candidatos prometedores para aplicaciones biomédicas que requieren alta integridad mecánica y funcionalidad de memoria de forma activada a temperaturas fisiológicas, tales como implantes de carga o dispositivos quirúrgicos mínimamente invasivos. Los autores también señalan que se espera que la inclusión de PGA module y acelere la tasa de degradación del poliuretano, mejorando aún más su utilidad en implantes biomédicos.