Nano-Pulver als Antennen für extern

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1 Abgeschlossene Forschungsvorhaben Technologie Projektleiter Dr.-Ing. Martin Moneke Ansprechpartner Dipl.-Ing. (FH) Shilpa Khare Tel.: 06151/ Fax: 06151/ Projekt-Nr. Nano-Pulver als Antennen für extern stimulierbare Formgedächtniscompounds AiF 166 ZBG (DKI 8054) Laufzeit bis Thema Nano-Pulver als Antennen für extern stimulierbare Formgedächtniscompounds als Nahtmaterial für die Medizin Dr.-Ing. Martin Moneke Die Medizintechnikbranche stellt einen ständig wachsenden Markt dar. So liegen die Zuwachsraten seit 2000 bei etwa 6,5 %. Eins der jüngeren Themenfelder der Medizintechnik ist die regenerative Medizin. Einen Forschungsschwerpunkt stellt hierbei die Entwicklung und Verarbeitung von sogenannten intelligenten Materialien dar. Dazu gehören unter anderem Formgedächtnismaterialien, deren Anwendungsmöglichkeiten besonderes im Bereich der Medizintechnik z. B. als Mikrogreifer, künstliche Muskeln oder auch als Stents denkbar sind. Das angestrebte Ziel des Projekts war die Herstellung und Verarbeitung von Formgedächtnispolymeren, um diese dann hinsichtlich der Anwendung in der Medizintechnik zu untersuchen. Im Besonderen war zu überprüfen, wie Formgedächtnispolymere als Nahtmaterialien im Medizinbereich eingesetzt werden können. Die Idee bestand darin, Nanopulver in Formgedächtnispolymere, die als Nahtmaterialien eingesetzt werden sollen, einzucompoundieren. Diese Nanopulver dienen als Antenne um Energie in das Material einzukoppeln, welche dann den Formgedächtniseffekt auslöst. Im Rahmen des Projekts sollte die Verarbeitung bioabbaubarer Formgedächtnispolymere mit standardisierten Verfahren wie Compoundieren untersucht und optimiert werden. Die Verarbeitung biologisch abbaubarer Polymere bringt einige Herausforderungen mit sich: Biologisch abbaubare Polymere sind meist temperatur-, scher- und feuchtigkeitsempfindlich. Die Prozessgestaltung und Parameterauswahl musste an diese Faktoren angepasst werden und der Schneckenaufbau musste so gestaltet werden, dass Temperatur- und Scherspitzen während der Verarbeitung vermieden werden. Für biologisch abbaubare Materialien, die in der Medizintechnik ihre Anwendung finden, ist es besonders wichtig, die Biokompatibilität des Polymers beizubehalten. Durch einen durch die Verarbeitung verursachten Abbau könnte die Biokompatibilität des Polymers beeinträchtigt werden. Stand der Technik Formgedächtnismaterialien können auf Veränderungen in ihrer Umgebung reagieren, indem sie ihre makroskopischen Eigenschaften ändern. Der Formgedächtniseffekt ist keine stoffspezifische Eigenschaft, sondern vielmehr ein Zusammenspiel von der Polymerstruktur, der Morphologie und einer Verarbeitungs- und Programmiertechnik. Beim thermisch induzierten Formgedächtniseffekt handelt es sich um 88 Deutsches Kunststoff-Institut Bericht 2007

2 einen Übergang von temporärer zu permanenter Form auf Grund einer Temperaturänderung. Polymersysteme, die einen solchen Effekt aufweisen, bestehen aus unterschiedlichen Komponenten, die miteinander chemisch verknüpft sein können und Blockcopolymere bilden (Abb. 1). Die unterschiedlichen Komponenten zeichnen sich durch verschiedene Phasenübergänge aus. Der Phasenübergang mit der niedrigsten Übergangstemperatur wird als Schaltübergang T trans bezeichnet, der mit der höchsten Übergangstemperatur T perm konserviert die Erinnerung an die permanente Form. Durch Anwendung von unterschiedlichen Copolymeren besteht die Möglichkeit, Materialien mit Formgedächtniseigenschaften zu erzeugen. Desweiteren können neben biostabilen Polymeren auch bioabbaubare Copolymere erhalten werden. Zwei Beispiele hierfür sind: Biostabiles Material: Poly (ε caprolacton) co Poly(pentadecadolacton), (PCL co PDL), bioabbaubares Material: Poly (ε caprolacton) und Poly(pdi ox anon), (PCL PPDO). Die Eigenschaft der Bioabbaubarkeit ist oftmals eine gewünschte Voraussetzung, um bestimmte Anwendungsfelder im biomedizinischen Bereich bedienen zu können. Dies ist z. B. beim Einsatz von Polymeren für Nahtmaterialien in der Chirurgie der Fall. Eine weltweit bisher nicht umgesetzte, diesem Projekt zugrunde liegende Verfahrensweise besteht darin, ein bioabbaubares Formgedächtnispolymer einzusetzen, das zusätzlich in der Lage ist, auf einen äußeren Stimulus zu reagieren. Vorraussetzung dafür ist, dass der äußere Stimulus keine direkt Wärmeeinwirkung ist, da der eigentliche Ort der Auslösung für den Formgedächtniseffekt Abb. 1: Formgedächtniseigenschaften durch Zweiphasensystem bei medizinischen Anwendungen oft innerhalb des Körpers liegt und bei direkter Anwendung einer Wärmezufuhr unerwünschte gewebeschädigende Effekte auftreten können. Um eine Erwärmung des Körpers auszuschließen wurde die Methode der induktiven Kopplung ausgewählt. Biokompatible Nanopartikel Nanopartikel werden bereits in diagnostischen und therapeutischen Anwendungen eingesetzt. Hier kommen vor allem Eisenoxid als Maghemit γ Fe 2 O 3 oder Magnetit Fe 3 O 4 von Aldrich im Größenbereich von 5 20 nm zum Einsatz, deren Biokompatibilität als erwiesen gilt. Partikel < etwa 20 nm zeigen sogenannte superparamagnetische Eigenschaften und besitzen ein hohes Potential für biomedizinische Anwendungen, wie z. B. Zelltherapie mit Zellmarkierungen und Zellbeladungen, Gewebereparatur, Wirkstoffabgabe, bildgebende Verfahren mit Magnetresonanz, Hyperthermie, Magnettransfektion (Einschleusen fremder Nucleinsäuren in Zellen). Partikel dieser Größe können problemlos aus Gefäßen austreten, sich im Gewebe verteilen und über die Nieren ausgeschieden werden. Die nicht oberflächenmodifizierten Magnetit Nanopartikel haben eine hydrophobe Oberfläche, was zu Agglomerierung und ferromagnetischen Eigenschaften durch Dipol Dipol Wechselwirkung führt. Im Rahmen der Untersuchungen hinsichtlich der Verarbeitbarkeit und des Formgedächtniseffekts im Material haben sich die AdNanoMagSilica Partikel (70 90 nm) von der Fa. Evonik als geeigneter erwiesen. Sie sind durch eine Umhüllung des Eisenoxidkerns mit amorphem Siliciumdioxid gekennzeichnet und besitzen magnetische Domänen in ihrem Kern. Generell gilt, dass die Partikel, die eine Größe unter etwa 300 nm aufweisen, in die Blutbahn gelangen können. Partikel, die kleiner als 100 nm sind, werden vom Gewebe und den Organen aufgenommen. Über die Blutbahn verbreiten sich die Nanopartikel in Herz, Knochenmark oder Muskeln. Nach bisherigem Kenntnisstand werden die Partikel mit der Zeit aus den meisten Organen ausgeschieden. Sie werden wie andere Fremdkörper auch mit einer Proteinschicht bedeckt und somit als Fremdstoff markiert [BC03]. Deutsches Kunststoff-Institut Bericht

3 Abgeschlossene Forschungsvorhaben Technologie Abb. 2: Formgedächtnispolymer PPDL-PCL Abb. 3: Formgedächtnispolymer PPDO-PCL Abb. 4: Schneckenaufbau FG3 für die Verarbeitung von bioabbaubaren Materialien Materialien Im Rahmen des Projekts wurden sowohl vom GKSS Forschungszentrum hergestellte als auch kommerziell erhältliche Materialien untersucht: Tecoflex EG72 D der Fa. Noveon Thermedics Polymer Products, ist ein biostabiles, cycloaliphatisches, thermoplastisches Polyetherurethan mit Formgedächtniseigenschaften. Das Polyurethan Elastollan von Elastogran (BASF Gruppe) besteht aus Polyolen (langkettige Diole), Diisocyanaten und kurzkettigen Diolen. Desmopan W und Desmopan 385 E (Bayer Material Science) sind ebenfalls thermoplastische Polyurethane mit Formgedächtniseffekt. Desmopan 385 E ist amorph, Elastollan LP9273 und Desmopan W sind teilkristallin. Die eingesetzten PPDO/PCL Multiblockcopolymere von GKSS sind biokompatible und bioabbaubare thermoplastisch/elastische Polyurethane mit Formgedächtniseigenschaften. Amorphe und kristalline Poly(p dioxanon) Segmente (T m = C) bilden die Hartsegmente, die vor allem für die mechanische Stabilität der Polymere insbesondere bei Anwendungstemperaturen oberhalb T trans der Schaltsegmente verantwortlich sind. Die eingesetzten PPDL/PCL Multiblockcopolymere sind abbaubare thermoplastisch/elastische Polyurethane mit Formgedächtniseigenschaften. Zwei unterschiedliche Eisenoxidtypen wurden für den Einsatz in Formgedächtnismaterialien untersucht. Beim Compoundieren des Magnetit Pulvers (20 30 nm) von Aldrich mit den Formgedächtnismaterialien zeigte sich eine starke Agglomeratbildung (Abb. 6). Die Magnetit Partikel haben keine Oberflächenbehandlung oder Umhüllung, was zu der starken Agglomeration führt. Im Gegensatz zu dem Magnetit von Aldrich ist das AdnanoMagSilica (70 90 nm) der Fa. Evonik an der Oberfläche chemisch modifiziert, so dass die Partikel nicht zum Agglomerieren neigen. Sie bestehen aus Eisenoxid (vornehmlich Magnetit), das mit einer Hülle aus amorphem SiO 2 umgeben ist. Die Untersuchungen im Mikro Computertomographen (µ CT) zeigen eine bessere Dispergierung im Vergleich zu dem Magnetit Pulver von Aldrich (Abb. 6a und b). 90 Deutsches Kunststoff-Institut Bericht 2007

4 Experimentelles Um die Untersuchungen hinsichtlich der Anwendbarkeit der Formgedächtnispolymere in der Medizintechnik durchzuführen, wurden zunächst biologisch abbaubare Formgedächtnispolymere im GKSS Forschungszentrum hergestellt und mittels DSC, TGA, und DMTA hinsichtlich ihrer thermischen, mechanischen und Formgedächtniseigenschaften charakterisiert. Diese Materialien wurden dann mit den ausgewählten Eisenoxidnanopartikeln compoundiert. Dabei wurden die Prozessparameter hinsichtlich der Dispergierung der Nanopartikel im Material und des Abbaus des Materials variiert und untersucht. Die Untersuchung der Dispergierung erfolgte mittels µ Computertomographie, REM und TEM. Der Abbau des Materials wurde durch Molekulargewichtsbestimmung mittels Größenausschluss Chromatographie untersucht. Der Einfluss der Prozessparameter und des Füllstoffes auf die Materialeigenschaften wurde durch Prüfung der mechanischen Eigenschaften bestimmt. Die Untersuchungen der Formgedächtniseigenschaften erfolgten mittels Erwärmung des Materials im Magnetfeld und Auslösen des Formgedächtniseffekts. Da Poly(p dioxanon) PPDO Diolen bzw. Poly(ω pentadecalacton) PPDL Diolen im Gegensatz zu Poly(ε caprolacton) PCL Diolen kommerziell nicht erhältlich sind, wurden sie durch Ringöffnungspolymerisation der kommerziell erhältlichen Monomere p Dioxanon PDO und Pentadecalacton PDL mit Oktandiol als Initiator hergestellt (Abb. 2), [GL07]. Die Formgedächtnismaterialien wurden durch Polyaddition von PCL als Schaltsegment und PPDO bzw. PPDL als Hartsegment mit einem aliphatischen Diisocyanat über Ur ethanbindungen zu phasenseggregierten langkettigen Abb. 5: Schematische Darstellung der Messapparatur thermoplastischen Elastomeren Multiblockcopoly meren (MBC) analog [LL02, HNS96] gekuppelt (Abb. 3). Zur Optimierung der Synthese und Aufarbeitung der Polymere wurden verschiedene Lösemittelsysteme zur Beschleunigung der Reaktion ausgetestet und die Variation diverser Fällbedingungen untersucht. Eine Compoundierung von Formgedächtnismaterialien wurde mit den von GKSS hergestellten Materialien sowie mit den kommerziell erhältlichen Materialien durchgeführt. Die Herstellung der Formgedächtniscompounds mit Nanofüllstoff wurde am Minidoppelschneckenextruder Rheomex PTW 16/25D durchgeführt und optimiert. Dabei wurden die Schneckenkonfiguration, die Temperatur, die Drehzahl und der Füllstoffgehalt als signifikante Parameter für die Prozessoptimierung identifiziert. Einen wesentlichen Einfluss auf die Compoundierung von scher und temperaturempfindlichen Materialien hat der Schneckenaufbau, der letztendlich den Strömungsverlauf der Polymerschmelze im Extruder bestimmt. Um den Verarbeitungsprozess beim Compoundieren zu optimieren bzw. eine gute Dispergierung des Nanofüllstoffes in der Polymermatrix zu erzielen, wurden im Rahmen dieser Arbeit unterschiedliche Schneckenkonfigurationen FG1, FG2, und FG3 untersucht. Abb. 4 zeigt beispielhaft den Schneckenaufbau für eine schonende Verarbeitung von bioabbaubaren Polymeren. Durch den in Abb. 4 gezeigten Schneckenaufbau wurde der Druckaufbau in der Aufschmelzzone vermindert und die Verweilzeit der Schmelze in dieser Zone verkürzt, um so die Bildung der Sekundäragglomerate des Füllstoffes zu reduzieren. Um die Restfeuchte und flüchtige Materialien dem Prozess zu entziehen wurde eine Entgasungszone zwischen der Dispergierung und der Homogenisierung der Schmelze realisiert. Danach wurde die Schmelze homogenisiert und aus der Düse ausgetragen. Charakterisierung Die zur Bestimmung der Probenerwärmung verwendete Apparatur ist schematisch in Abb. 5 dargestellt. Die Polymercompositprobe wurde mit Hilfe eines hölzernen Probenhalters innerhalb des Ringinduktors eines HF Generators positioniert. Ihre Temperatur wurde mit Hilfe eines IR Pyrometer berührungslos gemessen. Deutsches Kunststoff-Institut Bericht

5 Abgeschlossene Forschungsvorhaben Technologie a) Tecoflex 72 D + 5 Ma.% MagSilica 50 b) Tecoflex 72 D + 5 Ma.% Magnetit von Aldrich Die Dispergierung der Eisenoxidnanopartikel wurde mittels µ CT und TEM untersucht. Die Kristallinität des Materials wurde durch kalorimetrische Messungen analysiert. Die Kristallinität der Probe wurde über die Schmelzenthalpie berechnet. Für die Messungen der Wärmekapazität wurde ein Saphir als Kalibriersubstanz verwendet. Die mechanischen Eigenschaften der Materialien wurden nach DIN EN ISO 527 untersucht. Hierfür wurden Zugstäbe im Spritzgießverfahren angefertigt. Die Ermittlung der Formgedächtniseigenschaften erfolgte an einer Zugprüfmaschine, die mit einer Thermokammer und einem Temperaturfühler ausgestattet ist. Ergebnisse und Diskussion c) Desmopan W + 10 Ma.% MagSilica 50 d) Desmopan W + 10 Ma.% MagSilica e) PPDO-PCL + 10 Ma% MagSilica 50 85: Drehzahl 50 U/min Abb. 6: µ-ct-aufnahmen der Formgedächtniscompounds f) PPDO-PCL + 10 Ma% MagSilica 50 85: Drehzahl 150 U/min Das Compoundieren von Formgedächtnismaterialien mit den Nanofüllstoffen Magnetit von Aldrich (20 30 nm) und MagSilica von Evonik (80 90 nm) führte zu einer unterschiedlichen Dispergierung im Material. Die µ CT Aufnahmen zeigen, dass sich die MagSilica Partikel mit einer Oberflächenmodifizierung von SiO 2 besser in der Polymermatrix dispergieren lassen als die Magnetit Partikel ohne Oberflächenmodifizierung. Die Bilder a) und b) stellen den Unterschied zwischen der Verarbeitbarkeit der beiden Nanofüllstoffe dar. Es kann vermutet werden, dass die Oberflächenmodifizierung der MagSilica Nanopartikel die Anziehung zwischen den Partikeln verringert und so zu einer guten Dispergierung in der Polymermatrix führt. Einige Agglomerate sind auch in den MagSilica Compounds zu erkennen. Die Aufnahmen mit TEM (Abb. 7) bestätigen diese erste grobe Einschätzung über die Dispergierung der MagSilica Partikel in der Polymermatrix. 92 Deutsches Kunststoff-Institut Bericht 2007

6 a) Tecoflex 72 D + 10 Ma% MagSilica 50 85: Dispergierte Nanopartikel b) Tecoflex 72 D + 10 Ma% MagSilica 50 85: Agglomerate Abb. 8: Wärmekapazitäten von Formgedächtniscompounds in Abhängigkeit des Füllstoffgehalts Abb. 7: TEM-Aufnahmen von Formgedächtniscompounds mit MagSilica Die Aufnahmen c) und d) in Abb. 6 zeigen, dass die zwei unterschiedlichen Typen von MagSilica Partikeln keinen signifikanten Einfluss auf die Verarbeitbarkeit haben. Die magnetischen Eigenschaften dieser MagSilica Typen unterscheiden sich jedoch durch ihren unterschiedlichen Aufbau. MagSilica enthält mehr magnetische Domänen im Vergleich zu MagSilica 50. Dies hat wiederum einen Einfluss auf die Erwärmung bzw. den Wärmetransport und dadurch auf den Formgedächtniseffekt des Materials. Die Aufnahmen e) und f) zeigen den Einfluss der Verarbeitungsparameter auf die Dispergierung. Die Proben e) und f) wurden unter gleichen Temperaturbedingungen, mit gleichem Durchsatz bei gleicher Schneckenkonfiguration (FG3), aber mit unterschiedlichen Drehzahlen hergestellt. Die Dispergierung der Probe f) bei einer Schneckendrehzahl von 150 U/min zeigte eine bessere Dispergierung als bei einer Drehzahl von nur 50 U/min. Dies ist auf den höheren mechanischen Energieeintrag bei gleichzeitig kürzerer Verweilzeit durch die Erhöhung der Drehzahl im Extruder zurückzuführen. Die Proben c) und d) wurden mit der Schneckenkonfiguration FG2 und die Proben e) und f) mit Schneckenkonfiguration FG3 hergestellt. Mit FG2 wird das Material stärker geschert als mit FG3. Die µ CT Aufnahmen zeigen allerdings keine Verschlechterung in der Dispergiergüte bei veränderter Schneckenkonfiguration. Es konnte eine schonende Verarbeitung der Form gedächtnismaterialien mit FG3 bei gleich bleibender Dispergierqualität erreicht werden (Proben d) und f)). Die Aufnahmen der TEM zeigen beispielhaft, dass die MagSilica Nanopartikel in dem Formgedächtnispolymer Tecoflex 72 D nach der Verarbeitung dispergiert vorliegen. Die Aufnahme a) zeigt, dass die MagSilica Partikel, die eine Primärpartikelgröße zwischen nm haben, größtenteils in einer nicht agglomerierten Form in der Polymermatrix verteilt sind. Aufnahme b) zeigt ein Agglomerat, das in der Polymermatrix nicht zerteilt wurde. Alle eingesetzten Polymere haben Formgedächtniseigenschaften, wobei sich die aus zyklischen thermomechanischen Messungen ermittelten Schalttemperaturen T switch unterscheiden. Polymer Tecoflex EG 72 D 74 Elastollan LP Desmopan W 18 Desmopan 385E 23 PPDL-PCL 55 PPDO-PCL 39 Schalttemperatur T switch C Tab.1: Schalttemperaturen von Formgedächtnismaterialien Tab. 1 gibt eine Übersicht über die Schalttemperaturen der einzelnen Formgedächtnispolymere, die im Rahmen des Projekts untersucht wurden. Diese sind geeignet für den für die vorgesehenen mechanischen Anwendungen relevanten Bereich. Um den Einfluss des Füllstoffes auf die Formgedächtnismaterialien zu quantifizieren, wurden Untersuchungen zur Wärmekapazität der Formgedächtnismaterialien durchgeführt. Abb. 8 zeigt beispielhaft den Einfluss des Füllstoffes auf die Wärmekapazität anhand der Tecoflex Compounds. Mit steigendem Füllstoffgehalt sinkt die Wärmekapazität des Compounds, wobei eine Erhöhung des Füllstoffgehalts über 10 % keine Deutsches Kunststoff-Institut Bericht

7 Abgeschlossene Forschungsvorhaben Technologie a b Abb. 9: Spezifische Absorptionsrate (SAR) der AdNanoMagSilica Nanopulver in Abhängigkeit der MagSilica-Typen: a) in Abhängigkeit von der magnetischen Feldstärke, b) in Abhängigkeit von der magnetischen Feldstärke und bezogen auf Eisenoxid Abb. 10: Temperaturen im Magnetfeld für Tecoflex EG 72D (TFX) Nanocomposite weitere signifikante Abminderung der Wärmekapazität zur Folge hat. Um die verwendeten Nanopulver hinsichtlich der Wärmeleistung einzustufen, ist die spezifische Absorptionsrate (SAR) in Abhängigkeit der magnetischen Parameter Feldstärke und Frequenz experimentell bestimmt worden. Die Bestimmung erfolgte an Tecoflex Nanocompositproben mit unterschiedlichen Nanopartikelanteilen im Bereich von 5 bis 15 Ma % und für verschiedene MagSilica Typen. Verwendet wurden dabei die bereits beschriebenen Spritzgussprüfkörper. Nach Gleichung (1) wurde der pyrometrisch gemessene Temperaturanstieg dt/dt innerhalb der ersten 10 s nach Einschalten des Magnetfeldes bei Kenntnis der spezifischen Wärmekapazität c p,comp und des Nanopartikelanteils y MagSilica ausgewertet. Wie aus Abb. 9 hervorgeht, hängt die SAR von der magnetischen Feldstärke H ab. Bei einer Frequenz von 254 khz zeigt das MagSilica die höchste SAR (Abb. 9 a). Die frequenzabhängigen Untersuchungen der Probenerwärmung zeigen eine höhere 1 Wärmeleistung der MagSilica Partikel. Die maximal erreichbare Temperatur lässt sich durch den Partikelanteil und die magnetische Feldstärke steuern. Höhere Anteile an Nanopartikeln und höhere Feldstärken bewirken höhere Temperaturen (Abb. 10). Nach Erreichen des Temperaturplateaus in der Aufheizkurve (Abb. 11) spielt die Einwirkzeit des magnetischen Feldes keine Rolle mehr. Am Beispiel von Nanocompositen aus Tecoflex ist dieser Zusammenhang in Abb. 11 exemplarisch gezeigt. Die Natur des umgebenden Mediums hat einen entscheidenden Einfluss auf die Erwärmung der Probe. Um die Wirkung des Magnetfeldes auf die Probekörpererwärmung zu untersuchen, wurden die Versuche in drei unterschiedlichen Medien durchgeführt. Abb. 11 zeigt, dass der gleiche Probekörper aus Nanocomposit unter identischen Magnetfeldbedingungen in Luft eine um ca. 55 C höhere Temperatur erreicht als in 15 ml Wasser. Der Wert für eine Gelatine Lösung liegt nur unwesentlich über der in Wasser erreichbaren Temperatur. Im Fall der wässrigen Umgebung wird kein Temperaturplateau erreicht, da es zu einer fortschreitenden Erwärmung der begrenzten Wassermasse durch den Wärmeübergang vom Nanocomposit kommt. Anwendungsnahe Verhältnisse wer den erreicht, indem für die Untersuchung Fleisch statt Wasser verwendet wird. In Abb. 12 sind die Erwärmungskurven des Probekörpers (O/V Verhältnis) in Schweinefleisch darge stellt. Es zeigt sich, dass im Vergleich zu Wasser höhere Temperaturen erreicht werden und dass diese auch durch die Einwirkzeit des Magnetfeldes gesteuert werden können. Das Erreichen der Temperatur, die für die Auslösung des Formgedächtniseffekts erforderlich ist, scheint für das Nahtmaterial möglich zu sein. Der Nachweis der Stimulierung des Formgedächtniseffekts durch das magnetische Feld konnte sowohl für das Modellpolymer Tecoflex als auch für das Multiblockcopolymer PPDO PCL von GKSS erbracht werden. Die Untersuchungen sind an Luft bei Raumtemperatur ohne Konvektion durchgeführt worden. Abb. 13 zeigt, wie sich im Magnetfeld innerhalb von 28 s die permanente Form einer Spirale zurückbildet. Die temporäre Stabform wurde durch Programmierung bei 80 C und anschließendes Abkühlen auf Raumtemperatur erzeugt. Das Nanocomposit enthielt 10 Ma % MagSilica 50, 94 Deutsches Kunststoff-Institut Bericht 2007

8 Abb. 11: Erwärmung von Nanocompositen in verschiedenen Medien Abb. 12: Aufheizkurven in Schweinefleisch bei verschiedenen Feldstärken (Erwärmung im Magnetfeld, 254 khz, 37,2 C Umgebungstemperatur, Nanocomposit Tecoflex + 14,4 % MagSilica 50 85) Abb. 13: Formrückstellung von Tecoflex mit 10 Ma% AdNanoMagSilica 50 im Magnetfeld die Spiralform wurde durch Spritzguss hergestellt. Um Vergleiche zwischen Rückstellungsgraden im Magnetfeld und bei thermischer Stimulierung ziehen zu können, wurden Nanocompositproben verstreckt und die jeweiligen Längenänderungen bei der Rückstellung im Magnetfeld gemessen. Sowohl für das amorphe Tecoflex als auch für das teilkristalline PPDO PCL liegen die Rückstellungsgrade bei magnetisch und thermisch stimuliertem Formgedächtniseffekt in der gleichen Größenordnung, sofern die Schalttemperatur im Magnetfeld erreicht wird. Zusammenfassung Formgedächtnismaterialien finden zunehmend Anwendung im Bereich der regenerativen Medizin. Denkbare Einsatzfelder sind hier Mikrogreifer, künstliche Muskeln oder auch Stents. Die zentrale Idee dieses Projekts war es, Eisenoxidnanopartikel in ein bioabbaubares Formgedächtnispolymer einzubringen, die als Antennen für einen äußeren Stimulus dienen, um so den Formgedächtniseffekt auszulösen. Dieser äußere Stimulus kann durch Anlegen von elektromagnetischen Feldern erreicht werden. Die eingesetzten Formgedächtnismaterialien waren biokompatible und bioabbaubare PPDO/PCL Multiblockcopolymere von GKSS und thermoplastisch/elastische Polyurethane mit Formgedächtniseigenschaften. Die Verarbeitung der Polymere mit Eisenoxid Nanopartikeln erfolgte mit Hilfe von einem Doppelschneckenextruder. Die Herausforderung lag hier in der Verarbeitung von biokompatiblen, bioabbaubaren und damit temperatur und scherempfindlichen Formgedächtnispolymeren mit möglichst wenig Abbau des Materials sowie in der Einarbeitung von Nanopartikeln in diese Formgedächtnispolymere unter Vermeidung von Agglomeratbildung. Die Prozessparameter wurden hinsichtlich der Dispergierung der Nanopartikel im Material und des Abbaus des Materials variiert und untersucht. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass, sofern die Schalttemperatur im Magnetfeld erreicht wird, sowohl mit dem amorphen Tecoflex als auch mit dem teilkristallinen PPDO PCL ein magnetisch stimulierter Formgedächtniseffekt erreicht werden kann, der hinsichtlich der Rückstellgrade vergleichbar mit einem thermisch stimulierten Formgedächtniseffekt ist. Das Forschungsvorhaben Nr. 166 ZBG der Forschungsvereinigung Kunststoffe zum Thema Nano-Pulver als Antennen für extern stimulierbare Formgedächtniscompounds als Nahtmaterial für die Medizin wurde im Programm zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie über die AiF finanziert. Für diese Förderung sei gedankt. Ferner danken wir der Forschungsgesellschaft Kunststoffe e.v. für die zusätzliche Unterstützung dieser Arbeit. Literatur [BC03] [GL07] [LL02] Berry, C.C. and Curtis A.S.G.; Functionali sation of magnetic nanoparticles for applications in biomedicine. Journal of Physics D Applied Physics, (13): p. R198 R206. Grablowitz, H. and. Lendlein, A; Synthesis and characterization of alpha,omega dihydroxytelechelic oligo(p dioxanone). Journal of Materials Chemistry, (38): p Lendlein, A. and Langer, R.; Biodegradable, elastic shape memory polymers for potential biomedical applications. Science, (5573): p [HNS96] Hirt, T. D.; Neuenschwander, P. and. Suter, U.W; Synthesis of degradable, biocompatible, and tough block copolyesterurethanes. Macromolecular Chemistry and Physics, (12): p Deutsches Kunststoff-Institut Bericht