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

技術要約：ポリ（ε-カプロラクトン）系ポリウレタンにおける、ポリ（グリコール酸）による水素結合駆動型の構造および機械的制御

問題提起
ポリ（ε-カプロラクトン）（PCL）ベースのポリウレタン（PU）は有望な生分解性バイオマテリアルであるが、その臨床的有用性は、比較的低い機械的強度と靭性、および（融点 $T_m$ が通常約60°Cであり）ヒトの体温（約37°C）よりも著しく高い形状記憶転移温度という2つの主要な制約によって制限されている。既存の戦略は、機械的性能、生分解性、および形状記憶機能の間のトレードオフをしばしば強いるものである。さらに、ポリ（グリコール酸）（PGA）は水素結合能を持つことから強化剤として知られているが、マイクロ相分離、機械的特性、および転移温度を同時にチューニングするために、PCLとともに共マクロ分子ジオールとして体系的に組み込む手法については、十分に探索されていない。

手法
本研究では、一連のポリウレタン（xPUGAと命名）を合成するために、2段階の縮重合反応を用いた。合成には以下を用いた：

• ソフトセグメント： PCLジオール（$M_n$ = 2000 g/mol）と合成されたPGAジオール（$M_n$ = 2000 g/mol）の混合物を用い、PCLに対するPGAの重量比を変化させた（0%、5%、10%、20%）。
• ハードセグメント／鎖延長剤： ヘキサメチレンジイソシアネート（HDI）および1,4-ブタンジオール（BDO）。
• コントロール： ソフトセグメントとしてPCLのみを含む純粋なPU。

得られた材料は、以下の手法を用いて特性評価を行った：

• 構造解析： $^1$H-NMRおよびFTIR（インサイチュ歪み依存型FTIRを含む）を用い、化学構造の確認および水素結合相互作用のモニタリングを行った。
• 形態学： 走査電子顕微鏡（SEM）および小角X線散乱（SAXS）を用い、マイクロ相分離およびロングピリオドを調査した。
• 熱的／結晶特性： 示差走査熱量測定（DSC）および広角X線回折（WAXD）を用い、結晶化挙動、融解温度、および結晶性を評価した。
• 機械的試験： 引張試験により、強度、伸長、および靭性を評価した。
• 機能評価： 形状記憶サイクル試験（各温度における形状固定率および回復率）およびMG-63骨芽細胞様細胞を用いた細胞毒性試験。

主な貢献および結果
PCLベースのポリウレタンマトリックスへのPGAセグメントの組み込みは、機械的性能と熱応答性の相乗的な改善をもたらした：

1. 機械的強化： 最適な処方である10PUGA（PGAを10%含有）は、純粋なPUと比較して優れた機械的特性を示した。これは、引張強度54.1 MPa（205.6%増加）、靭性329.0 MJ·m⁻³（201.6%増加）、および破断伸長率1389.0%（66.9%増加）を達成した。
2. 熱的制御： PGAの導入により、PCLソフトセグメントの融解転移が、純粋なPUの約41°Cから、PUGAシリーズでは37–39°Cへと低下した。このシフトは、転移温度をヒトの体温に近づけており、体温駆動型の形状記憶用途における重要な前提条件を満たしている。
3. 形状記憶性能： すべてのPUGA試料は、0°Cにおいて優れた形状固定率（$R_f$ = 100%）を示した。特に、5PUGAおよび10PUGAは、35°Cにおいて98%を超える形状回復率（$R_r$）を示し、純粋なPU（35°Cで83.1%）を上回った。45°Cでは、すべてのPUGAが99%以上の回復率を達成した。
4. 生物学的適合性： 細胞毒性試験により、すべてのフィルムがMG-63細胞の生存率90%以上を支持していることが確認され、明らかな細胞毒性がないことが示された。

作用メカニズム
本研究は、歪み依存型分光法および熱分析によって明らかになった一連のメカニズムの組み合わせにより、強化と靭性向上を同時に達成しているとしている：

• 可逆的水素結合： PGAセグメントは、水素結合を形成可能な豊富なカルボニル基を導入する。変形中、これらのPGA由来の水素結合（およびウレタン結合）の可逆的な解離が、エネルギー散逸メカニズムとして作用する。
• 歪み誘起結晶化： PCLソフトセグメントは、延伸中に歪み誘起結晶化を起こし、これが材料の強度に寄与する。
• 応力伝達の向上： PGAの組み込みは、マイクロ相分離構造を変化させ、ロングピリオドを（PUの13.5 nmからPUGAの11–12 nmへと）減少させ、界面混合を促進する。これにより、ソフト相とハード相の間でより効果的な応力伝達が促進される。

意義
本論文は、PGAセグメントの共有結合による組み込みが、高い機械的性能と体温応答性の形状記憶機能を統合した、分解性ポリウレタンを設計するための単純な分子戦略を提供すると結論付けている。水素結合相互作用を活用することで、本研究はPCLベースのシステムにおける機械的堅牢性と低い転移温度という相反する要求事項の解決に成功した。得られた材料、特に10PUGAは、荷重支持インプラントや低侵襲手術デバイスなど、生理学的温度でトリガーされる高い機械的完全性と形状記憶機能を必要とする生物医学的用途の有望な候補として提示されている。また、著者らは、PGAの含有がポリウレタンの分解速度を調節および加速させることが期待され、生物医学的インプラントとしての有用性をさらに高めるとも述べている。