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

Technische Samenvatting: Waterstofbrug-gestuurde Structurele en Mechanische Regulatie van Poly(ε-caprolacton)-gebaseerde Polyurethaan met Poly(glycolzuur)

Probleemstelling
Poly(ε-caprolacton) (PCL)-gebaseerde polyurethanen (PU's) zijn veelbelovende degradeerbare biomaterialen; echter wordt hun klinische bruikbaarheid in belastende en door lichaamstemperatuur getriggerde scenario's beperkt door twee primaire beperkingen: relatief lage mechanische sterkte en taaiheid, en een vormgeheugen-overgangstemperatuur (smeltpunt, $T_m$) die doorgaans rond de 60°C ligt, wat aanzienlijk hoger is dan de menselijke lichaamstemperatuur (~37°C). Bestaande strategieën dwingen vaak een afruil af tussen mechanische prestaties, biologische afbreekbaarheid en vormgeheugenfunctionaliteit. Bovendien is de systematische incorporatie van Poly(glycolzuur) (PGA) als co-macromoleculaire diol naast PCL om simultaan microfase-scheiding, mechanische eigenschappen en overgangstemperaturen te reguleren, hoewel het een bekende versterkende factor is vanwege zijn waterstofbruggen-capaciteit, nog niet volledig onderzocht.

Methodologie
De studie maakte gebruik van een twee-staps polycondensatiereactie om een reeks polyurethanen (aangeduid als xPUGA) te synthetiseren. De synthese maakte gebruik van:

• Zachte Segmenten: Een mengsel van PCL-diol ($M_n$ = 2000 g/mol) en gesynthetiseerde PGA-diol ($M_n$ = 2000 g/mol) bij variërende gewichtsverhoudingen (0%, 5%, 10% en 20% PGA ten opzichte van PCL).
• Hard Segments/Chain Extenders: Hexamethyleendiisocyanaat (HDI) en 1,4-butaandiol (BDO).
• Controle: Een zuivere PU die alleen PCL als zacht segment bevat.

De resulterende materialen werden gekarakteriseerd met behulp van:

• Structurele Analyse: $^1$H-NMR en FTIR (inclusief in situ rek-afhankelijke FTIR) om de chemische structuur te bevestigen en waterstofbrug-interacties te monitoren.
• Morfologie: Scanning Elektronenmicroscopie (SEM) en Small Angle X-ray Scattering (SAXS) om microfase-scheiding en lange perioden te onderzoeken.
• Thermische/Kristallijne Eigenschappen: Differential Scanning Calorimetry (DSC) en Wide Angle X-ray Diffraction (WAXD) om kristallisatiegedrag, smelttemperaturen en kristalliniteit te beoordelen.
• Mechanische Testen: Trekproeven om sterkte, rek en taaiheid te evalueren.
• Functionele Evaluatie: Vormgeheugen-cyclustests (fixatie- en herstelratio's bij verschillende temperaturen) en cytotoxiciteitstests met MG-63 osteoblast-achtige cellen.

Belangrijkste Bijdragen en Resultaten
De incorporatie van PGA-segmenten in de PCL-gebaseerde polyurethaanmatrix leverde synergetische verbeteringen op in mechanische prestaties en thermische responsiviteit:

1. Mechanische Verbetering: De optimale formulering, 10PUGA (bevat 10% PGA), vertoonde superieure mechanische eigenschappen vergeleken met de zuivere PU. Het bereikte een treksterkte van 54,1 MPa (een toename van 205,6%), een taaiheid van 329,0 MJ·m⁻³ (een toename van 201,6%) en een breukrek van 1389,0% (een toename van 66,9%).
2. Thermische Regulatie: De introductie van PGA verlaagde de smeltovergang van het PCL-zachte segment van ~41°C (zuivere PU) naar 37–39°C in de PUGA-serie. Deze verschuiving brengt de overgangstemperatuur dicht bij de menselijke lichaamstemperatuur, een kritiek vereiste voor door lichaamstemperatuur getriggerde vormgeheugen-toepassingen.
3. Vormgeheugen Prestaties: Alle PUGA-monsters vertoonden een uitstekende vormfixatie ($R_f$) bij 0°C (100%). Met name 5PUGA en 10PUGA vertoonden vormherstelratio's ($R_r$) van meer dan 98% bij 35°C, wat beter presteert dan de zuivere PU (83,1% bij 35°C). Bij 45°C bereikten alle PUGAs herstelratio's boven de 99%.
4. Biocompatibiliteit: Cytotoxiciteitstests bevestigden dat alle films een MG-63 celviabiliteit van boven de 90% ondersteunden, wat wijst op geen duidelijke cytotoxiciteit.

Werkingsmechanisme
De studie schrijft de gelijktijdige versterking en vertering toe aan een combinatie van mechanismen die aan het licht kwamen door rek-afhankelijke spectroscopie en thermische analyse:

• Reversibele Waterstofbruggen: De PGA-segmenten introduceren talrijke carbonylgroepen die in staat zijn waterstofbruggen te vormen. Tijdens vervorming fungeert de reversibele dissociatie van deze door PGA afgeleide waterstofbruggen (samen met urethaanverbindingen) als een energie-dissipatiemechanisme.
• Rek-geïnduceerde Kristallisatie: De PCL-zachte segmenten ondergaan rek-geïnduceerde kristallisatie tijdens het strekken, wat bijdraagt aan de sterkte van het materiaal.
• Verbeterde Spanningsoverdracht: De incorporatie van PGA verandert de microfase-gescheiden structuur, waardoor de lange periode (van 13,5 nm in PU naar 11–12 nm in de PUGAs) afneemt en de interface-menging toeneemt. Dit faciliteert een effectievere spanningsoverdracht tussen de zachte en harde fasen.

Significantie
Het artikel concludeert dat de covalente incorporatie van PGA-segmenten een eenvoudige moleculaire strategie biedt voor het ontwerpen van degradeerbare polyurethanen die hoge mechanische prestaties integreren met lichaamstemperatuur-responsief vormgeheugen. Door gebruik te maken van de waterstofbrug-interacties van PGA, heeft de studie succesvol voldaan aan de tegenstrijdige eisen van mechanische robuustheid en lage overgangstemperaturen in PCL-gebaseerde systemen. De resulterende materialen, met name 10PUGA, worden gepresenteerd als veelbelovende kandidaten voor biomedische toepassingen die hoge mechanische integriteit en vormgeheugenfunctionaliteit vereisen die getriggerd wordt bij fysiologische temperaturen, zoals bij belastende implantaten of minimaal invasieve chirurgische hulpmiddelen. De auteurs merken ook op dat de inclusie van PGA naar verwachting de degradatiesnelheid van de polyurethaan zal moduleren en versnellen, wat de bruikbaarheid ervan voor biomedische implantaten verder verbetert.