Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4777
Main Title: Entwicklung eines thermisch stabilen und flexiblen Polymers auf Basis von PLA für medizinische Anwendungen
Translated Title: Development of a thermic stabil and flexible PLA based polymer for medical application
Author(s): Köhn, Jeanett
Advisor(s): Hahn, Mathias
Jobmann, Monika
Rihm, Rainer
Referee(s): Wagner, Manfred H.
Fink, Hans-Peter
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Die Nachfrage von Industrie und Gesellschaft nach Kunststoffen aus nachwachsenden Rohstoffen steigt aus einer Reihe von Gründen in der heutigen Zeit stetig. Damit einhergehende neuartige Verarbeitungsmethoden und Anwendungsschwerpunkte führen zu immer neuen Anforderungen an die Materialien. Daher ist es notwendig, die Entwicklung verarbeitungs- und anwendungsorientierter Polymermaterialien auf der Basis nachwachsender Rohstoffe von der Synthese bis zur Verarbeitung weiter voranzutreiben. In Hinblick auf die Verarbeitungstechnologie Selektives Laserschmelzen (SLM) und deren Anwendung im medizinischen Bereich besteht die Nachfrage nach einem sowohl thermisch stabilen, als auch im Körper abbaubaren Material. PLA bietet hier eine gute Grundlage. Nachteilig ist, dass dieses eine geringe thermische Stabilität besitzt. Daher ist vor einer erfolgreichen Verarbeitung mittels SLM eine Modifizierung des Polymers notwendig. Der Forschungsansatz dieser Arbeit bestand darin, die thermische Stabilität von PLA durch den Einsatz von Stereokomplexen zu verbessern. Die hohe Brüchigkeit dieser Stereokomplexe sollte durch den Einsatz von Blockcopolymeren als Ausgangsmaterial reduziert werden. Es konnte gezeigt werden, dass es möglich ist, bisher nicht in der Literatur beschriebene PLA-Stereokomplexe aus Ausgangsmaterialien herzustellen, die amorphe Kettensegmente enthalten. Dazu wurden zunächst Blockcopolymere bestehend aus einem kristallinen (PLLA) und einem amorphen (PDLLA) Teil sowie kristalline Homopolymere (PDLA) synthetisiert und diese dann in Extrudern zu Stereokomplexen umgesetzt. Für die Synthese der Blockcopolymere musste zunächst eine geeignete Synthesevariante gefunden werden, um Polymere mit gezielten Blockverhältnissen zu erhalten. Hierbei wurden einschränkende Verfahrens- und Stoffparameter ermittelt. Es zeigte sich, dass sowohl lange thermische Belastungen als auch hohe Molmassen des Prepolymers ungeeignet sind, um gute und reproduzierbare Syntheseergebnisse zu erhalten. Unter Beachtung dieser Randbedingungen und nach erfolgreicher Umsetzung im Labormaßstab wurde die Synthese auch auf den Technikum-Maßstab übertragen. Die hergestellten Polymere wurden zu Stereokomplexen umgesetzt. Dabei erfolgte eine Variation der Länge des amorphen Blocksegments des Copolymers sowie des Mischungsverhältnisses von Blockco- und Homopolymer. Der Einfluss dieser Größen auf die Stereokomplexbildung sowie die thermischen und mechanischen Eigenschaften der resultierenden Materialien wurde umfassend untersucht. Auch der Einfluss des Temperns war Bestandteil der Untersuchungen. Es konnte mittels DSC und Röntgenbeugung gezeigt werden, dass es prinzipiell unabhängig von der Länge des amorphen Blocksegments des Copolymers und des Mischungsverhältnisses von Blockco- und Homopolymer möglich ist Stereokomplexe zu bilden. Die Ergebnisse zeigen außerdem, dass mit der Erhöhung des amorphen Teils im Copolymer auch eine deutliche Steigerung der Schlagbiegefestigkeit des daraus hergestellten Materials erzielt werden kann. Mit den modifizierten Stereokomplexen konnten im Vergleich zum reinen Homopolymer bis zu 52% höhere Werte erreicht werden. Weiterhin wurde festgestellt, dass neben dem amorphen Teil auch die in den Komplexen vorliegenden Kristallformen (sc und/oder hc) sowie die mittels DSC für die Materialien ermittelten Enthalpiewerte von entscheidender Bedeutung für die finalen Materialeigenschaften sind. Sowohl mit steigender Schmelzenthalpie des Stereokomplexes als auch mit steigender Gesamtenthalpie der hergestellten Materialien wurde eine Reduzierung der Schlagbiegefestigkeitswerte gefunden. Nach dem Temperprozess konnte mittels DSC über die Auswertung der Gesamtenthalpie eine gesteigerte Kristallinität der betreffenden Proben ermittelt werden. Dadurch begründet zeigen die Materialien einen höheren Härtekennwert sowie eine geringere Schlagbiegefestigkeit im Vergleich zu den nicht getemperten Proben. Die gemessenen Schlagbiegefestigkeiten der im Labor- bzw. im Technikum-Maßstab hergestellten Materialien liegen in voneinander abweichenden Größenbereichen. Als mögliche Ursache hierfür wurde der nach der Synthese im Labor und im Technikum noch vorliegende unterschiedliche Gehalt an zur Polymersynthese verwendeten Katalysator identifiziert. Neben den Materialeigenschaften wurde auch das Abbauverhalten der verschiedenen Stereokomplexmaterialien untersucht. Die Abbauuntersuchungen erfolgten über einem Zeitraum von 43 (bzw. 40) Wochen. Die Proben wurden dazu zur Nachahmung der Bedingungen im menschlichen Körper in einem Phosphatpuffer bei 37 °C gelagert. An Hand der Untersuchungen von pH-Wert-, Molmasse- und Masseänderung konnte ein Abbauverhalten des Materials mittels Bulkerosion nachgewiesen werden. Diese äußerte sich in gleichbleibenden pH- und Masse-Werten, sowie einem linearen Abbau der Molmasse. Durch zusätzliche DSC-Messungen wurde auch die Veränderung der thermischen Eigenschaften während des Abbaus verfolgt. Auf Grund des Molmassenabbaus konnte hier für die Schmelztemperaturen Tm Homo1 (Copolymer) und Tm Homo2 (Homopolymer) insgesamt eine Reduzierung der Werte beobachtet werden. Hervorzuheben ist, dass sich die Schmelzpunkte der Stereokomplexe (Tm sc) um bis zu 4 °C erhöhten. Begründet werden kann dies mit dem Kristallwachstum der Stereokomplexe während des Abbaus. Mit Hilfe der DSC-Messungen konnte außerdem eine zum Teil ausgeprägte Nach¬kristallisation des Materials nachgewiesen werden. Auch optisch wurde eine Veränderung der Proben registriert, die eine Nachkristallisation sowie Chromophorenbildung der Materialien vermuten ließ. Bei allen Proben wurde eine teilweise bis vollständige weiße bis gelbliche Verfärbung beobachtet, wobei der Zeitpunkt dieser Verfärbung in Abhängigkeit von den Materialproben variierte. Parallel zu den Abbauuntersuchungen wurde mittels eines lösungsmittelfreien Verfahrens Mikropartikel aus dem im Technikum synthetisierten Material hergestellt. Da Partikelbildungsmethoden, die auf (halogenierten) Lösungsmitteln basieren, für Materialien zur körpernahen Anwendung unerwünscht sind und zudem zur Lösung von Stereokomplexen nur Hexafluorisopropanol (HFIP) als mögliches Lösungsmittel zur Verfügung steht, wurde ein Schmelze-Verfahren angewendet. Hierbei wird das Material mit einer wasserlöslichen Hilfskomponente in der Schmelze emulgiert und nach dem Abkühlen durch Lösen in Wasser wieder von dieser abgetrennt. Für die Partikelbildung musste dem Material entsprechend zunächst ein geeignetes wasserlösliches Hilfssystem und anschließend Verfahrensparameter gefunden werden, mit denen sich Partikel im gewünschten Größenbereich herstellen ließen. Als Hilfssystem erwies sich eine 7,8 : 1,3-Mischung aus myo-Inositol und PVP (Mw = 10000 g/mol) als praktikabel. Die Verarbeitungstemperatur lag bei 250 °C. Mit Hilfe der verfahrensoptimierten Methode war es möglich rieselfähige Mikropartikel aus dem Probenmaterial herzustellen. Die anschließende Charakterisierung zeigte, dass etwa 60% der generierten Partikel im Größenbereich von 75 µm bis 150 µm lagen. Mittels DSC-Messungen konnte gezeigt werden, dass die Verarbeitung des Materials zu Partikeln keinen Einfluss auf die thermischen Eigenschaften hat. An Hand von GPC-Untersuchungen kann auf Grund der hohen Arbeitstemperatur aber eine deutliche Reduzierung der Molmasse (> 50%) verfolgt werden. Aus den hergestellten Mikropartikeln wurden mit Hilfe der Rapid-Manufacturing-Methode SLM Prototypen aufgebaut. Es konnte gezeigt werden, dass eine Verarbeitung des Materials mit dieser Methode grundsätzlich möglich ist und nach Anpassung der Verarbeitungsbedingungen vielversprechende Ergebnisse erhalten werden können. So ist es final gelungen, das neu entwickelte Material ohne einen durch die thermische Belastung zu erwartenden Abbau zu Prototypen zu verarbeiten. Auch die Generierung von Poren¬strukturen in den mittels SLM aufgebauten Probenkörpern war möglich. Schlussfolgernd aus den Ergebnissen zeigt sich, dass mit den modifizierten Stereokomplexen ein vielversprechendes Polymermaterial zur Verfügung steht, das mittels SLM zu geometrieunabhängigen Objekten verarbeitet werden kann. Ein zusätzlicher und weiterführender Ansatz wäre die Manipulation der Materialeigenschaften am fertigen Bauobjekt. So ist es denkbar eine Beschichtung auf die mittels SLM hergestellten Objekte aufzubringen, um so zum Beispiel Einfluss auf das Abbauverhalten nehmen zu können. Auch wäre es vorstellbar Antibiotika, Schmerzmittel oder Entzündungshemmer direkt während des Schmelzprozesses in das Polymermaterial mit einzubauen. Im Verlauf des Abbaus würden diese Stoffe dann gezielt freigesetzt und könnten die Heilung unterstützen. Vorstellbare Anwendungsgebiete für das neu entwickelte Material wären auf Grund seiner Biokompatibilität beispielsweise die Zahnmedizin, die Herstellung von Stents oder die Nachbildung komplexer Knochenstrukturen (z.B. Becken) zur OP-Vorbereitung. Naturgetreue Nachbildungen von Skelettteilen werden zum Beispiel dazu verwendet, um Prothesen besser an die vorhandene Knochenstruktur anpassen zu können. In der heutigen Zeit werden dazu Vollkörper unterschiedlicher Materialien genutzt, aus denen man das gewünschte Objekt CNC-gesteuert herausfräst. Dieser Herstellungsprozess unterliegt jedoch geometrischen Einschränkungen. Mit dem SLM steht hier ein alternatives Verfahren zur Verfügung, mit dem es möglich ist einen passgenaueren und materialeffizienteren Herstellungsprozess zu realisieren. Neben der Medizin wäre aber auch die technische Anwendung denkbar. Allerdings muss hierbei einschränkend beachtet werden, dass die Glasübergangstemperatur der modifizierten Stereokomplexe auf Grund des hohen enthaltenen amorphen Anteils im Größenbereich der Homopolymere liegt.
The demand of industry and society of polymers consisting of renewable feedstock continuous rises up today. Also always new requirements were made on the materials because of novel processing technics and key aspects of application. Therefore it is necessary to further the development of novel polymer materials based of renewable feedstock. With regard to the processing technology selective laser melting (SLM) and whose application in the medical field, there exist the need of a thermic stabile and in the human body degradable material. Therefore Polylactide offers a good feedstock. A drawback is the bad thermic stability of PLA. Because of that there is the necessity to modify the polymer before it can be successful processed by SLM. The research approach of this work was to improve the thermic stability of PLA by using stereocomplex. The high brittleness of these material should be reduced by the application of blockcopolymers as basic material. It could be shown, that it is possible to synthesis PLA-stereocomplexes, which wasn´t described in literature until now, consisting of basic materials containing amorphous chain segments. For that propose at first blockcopolymers existing of a crystalline (PLLA) and an amorphous (PDLLA) fragment was synthesised and then transferred to stereocomplex using an extruder. For the syntheses of the blockcopolymers initially there have to be found an adequate syntheses route to obtain polymers with selective block settings. Here restricted process and material parameters were identified. So are long thermic load as well as high molecular weight of the prepolymers are inapplicable to reach good and reproducible synthesis results. Under attention of this conditions and after successful implementation in lab scale the synthesis was transferred to pilot plant scale. The synthesised polymers were turned over to stereocomplexes. Thereby a variation of the length of the amorphous block segment of the copolymer and the mixture rate of blockco- and homopolymer was performed. The influence of these parameter on the stereocomplex formation was researched extensive. Also the influence of annealing the samples was a part of the investigation. It could be shown by using DSC and X-Ray diffraction, that it is possible to generate stereocomplexes independent of the length of the amorphous block segment and the mixing rate of blockco- und homopolymer. The results show also, that with increase the amorphous part in copolymer, advanced results of impact resistance for materials outcome of this copolymers could be achieve. With the modified stereocomplex there could be reached an up to 52% higher result in comparison with the pure homopolymer. Furthermore it could be determine that in addition to the amorphous part also the existent crystal form (sc and/or hc) in the complex as well as the by DSC obtained enthalpy measurements are of radical relevance for the final material properties. There could be found a reduction of impact resistance of the produced materials with rising melting enthalpy of the stereocomplex as well as with rising total enthalpy of the system. After the annealing there could be found an increased crystallinity of the samples by DSC analysis. Science-based these materials show a higher hardness value as well as a lower impact resistance in comparison with not annealed samples. The measured impact resistance of the materials synthesised in lab and pilot plant scale are located in different value range. As a possible reason for this, the different amount of still included catalyst after synthesis in lab und pilot plant was identified. In addition to the material characteristics of the different stereocomplexes also the behaviour of degradation was investigated. The research of degradation was conducted over a time of 43 weeks. The samples was stored in phosphate buffer by 37° C to imitate the conditions in the human body. Using the results of pH, molecular weight and mass change it can be demonstrate that the material dissipate via bulk erosion. That is represented by stable data of pH and mass as well as a linear degradation of the molecular weight. By additional DSC-Measurements the change of the thermal properties was traced. Because of the degradation of molecular weight a decrease in melting temperature Tm Homo1 (Copolymer) and Tm Homo2 (Homopolymer) could be found. It is to bring out that the melting points of the stereocomplexes (Tm sc) increase up to 4 °C. That could be justified by the crystallgrow of the stereocomplxes during the degradation. With help of DSC-measurements also a partial distinctly post-crystallization could be shown. An optical change of the samples could be find too. This let to suppose post-crystallization as well as chromophore-creation. All samples show a partly till full white till yellowish discoloration. The time of discoloration varied in dependence of the material samples. Parallel to the investigation of degradation micro-particle of the pilot plant material was manufactured via solvent free process. Because particle manufacturing methods based of (halogenated) solvents are unwanted for materials used in body near applications and because only hexaflourisopronaol (HFIP) can be used for solving stereocomplexes, a melt process was applied. In the melt process the material as well as a water-soluble auxiliary component was emulsified in melt and after cooling the auxiliary component was separated by dissolving in water. For the particle manufacturing first of all a suitable water-soluble auxiliary system as well as manufacturing parameters for the material have to be found which are ready to produce particle in the desired size range. As auxiliary system an 7,8 : 1,3-mixture of myo-Inosit and PVP crystallized as practicable. The working temperature was 250 °C. With help of the process optimized method it was be possible to build free flowing micro particles of the sample material. The following characterization shows that 60% of the generated particles are in size range of 75 µm to 150 µm. By DSC-measurements it could also be shown that the particle manufacturing process of the material have no influence onto the thermal properties. Using GPC-research it can be shown that a huge reduction of the molecular weight (> 50%) occurred because of the high working-temperature. From the manufactured micro-particles prototype was built up using SLM. It could be shown that it is generally possible to process the material using this method. After adaptation of the manufacturing conditions there was obtained promising results. Final it succeeded to process the new material to prototypes without the expected thermal degradation. Also the generation of a microporous structure was possible. Deductive from the results it can be shown that with the modified stereocomplexes it can be provided a promise polymer material which can be proceed to geometry independent items by SLM. An additional and continuative approach would be the manipulation of the material properties of the ready-made objects. So it is thinkable to put about a coating on the objects to influence the degradation behaviour for example. Also it was be imaginable to incorporate antibiotics, analgetics or inflammation blocker direct into the polymer material during the SLM process. While degradation the agents would be selective delivered and could support the healing. Thinkable fields of application for the newly developed material would be for example the dentistry or the replica of complex bone structures in preparation for an operation. Facsimile pieces of skeleton was used among other things to match prostheses with the existing bone structure better. Today for this there were used solid body of different materials. From this ones the desired objects was milled out by CNC. Though this manufacturing process was subject to geometric restriction. With SLM process there exists an alternative method make it possible to generate an accurately fitting and material efficient process. In addition to medical science also the technical application was thinkable. But here it have to be limiting consider that the glass transition temperature of the modified stereocomplexes are in the size range of the homopolymers because of the heavy amorphous fraction included.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-73176
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5074
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4777
Exam Date: 3-Jun-2015
Issue Date: 13-Nov-2015
Date Available: 13-Nov-2015
DDC Class: 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Subject(s): Abbau
Extrusion
Stereokomplex
Thermisch stabil
Degradation
Extrusion
Stereocomplex
Thermic stabil
Usage rights: Terms of German Copyright Law
Appears in Collections:Technische Universität Berlin » Fakultäten & Zentralinstitute » Fakultät 3 Prozesswissenschaften » Institut für Werkstoffwissenschaften und -technologien » Publications

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
koehn_jeanett.pdf4,79 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


Items in DepositOnce are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.