DEVELOPMENT OF SHAPE-MEMORY COMPOSITES BASED ON A BIODEGRADABLE POLYESTER ELASTOMER

Abstract

[EN] The current PhD thesis deals with the development and characterization of novel nanocomposites based on biodegradable poly(mannitol sebacate) (PMS) matrices with tailored properties and shape-memory capabilities for biomedical applications. Two types of fillers -cellulose nanocrystals (CNC) and electrospun poly(lactic acid) nanofibers (NF-PLA)- were used as reinforcement in order to induce and/or enhance the shape-memory properties of PMS matrices. Also, different crosslinking profiles and stoichiometric ratios between mannitol and sebacic acid (1:1 and 1:2) were studied and evaluated to obtain samples with low and high degrees of crosslinking. An appropriate combination of the crosslinking profile and the monomer ratio for PMS matrix, as well as the addition of low content of CNC, allowed the development of PMS/CNC nanocomposites with a wide range of mechanical properties and degradation profiles. On the other hand, highly oriented poly(lactic acid) (PLA) nanofiber mats obtained by electrospinning were embedded in the PMS matrices. An enhancement of up to 53-fold in the Young's modulus was observed for PMS/NF-PLA nanocomposites filled with 15 wt% of PLA nanofibers. The incorporation of fillers (CNC and NF-PLA) allowed the development of thermally active shape-memory nanocomposites with an enhancement of parameters such as recovery stress and shape fixity. The electrospun PLA-reinforced nanocomposites, offered the best balance of mechanical and thermal properties, as well as a greater control of the transition temperature for switching the change of shape, within a useful range of temperatures. Owing to that, these materials may be of interest as smart responsive systems in long-term biomedical applications.

[ES] La presente tesis doctoral, se centra en el desarrollo y caracterización de nuevos nanocompuestos biodegradables, a partir de matrices de poli(mannitol sebacato) (PMS) con propiedades a medida y capacidades de memoria de forma para aplicaciones biomédicas. Dos tipos de cargas -nanocristales de celulosa (CNC) y nanofibras de ácido poliláctico (NF-PLA) obtenidas mediante electrospinning- se han utilizado como refuerzo, con la finalidad de inducir y/o mejorar las propiedades de memoria de forma en matrices de PMS. Se han estudiado y evaluado diferentes tratamientos de curado y ratios de reacción entre el mannitol y ácido sebácico (1:1 y 1:2), con la finalidad de obtener muestras con bajo y alto grado de reticulación. Una combinación adecuada del tratamiento de curado y el ratio entre monómeros del PMS, así como la adición de bajos contenidos de CNC, permitió desarrollar nanocompuestos de PMS/CNC con un amplio rango de propiedades mecánicas y perfiles de degradación. Por otro lado, se han producido mats de nanofibras de ácido poliláctico (PLA) con alta orientación mediante la técnica de electrospinning, para embeberse en matrices de PMS, observándose una mejora de hasta 53 veces en el módulo de Young para nanocompuestos de PMS/NF-PLA con un 15% en peso de nanofibras. La incorporación de cargas (CNC y NF-PLA) permitió el desarrollo de nanocompuestos con memoria de forma activada térmicamente, con una mejora de parámetros tales como la fuerza de recuperación y la capacidad de fijación. Los nanocompuestos reforzados con NF-PLA obtenidas por electrospinning, ofrecieron el mejor balance de propiedades mecánicas y térmicas, así como un mayor control de la temperatura de transición para la activación del cambio de forma en un intervalo útil de temperaturas. Por todo ello, estos materiales pueden resultar de interés como sistemas activos en aplicaciones biomédicas de larga duración.

[CA] La present tesi doctoral se centra en el desenvolupament i caracterització de nous nanocompostos biodegradables a partir de matrius de poli(mannitol sebacato) (PMS) amb propietats a mesura i capacitats de memòria de forma per a aplicacions biomèdiques. Dos tipus de càrregues -nanocristals de cel·lulosa (CNC) i nanofibres d'àcid polilàctic (NF-PLA) obtingudes mitjançant electrospinning- s'han utilitzat com a reforç amb la finalitat d'induir i/o millorar les propietats de memòria de forma en matrius de PMS. S'han estudiat i avaluat diferents tractaments de curat i ràtios de reacció entre el mannitol i àcid sebàcic (1:1 i 1:2) amb la finalitat d'obtenir mostres amb baix i alt grau de reticulació. Una combinació adequada del tractament de curat i el ràtio entre monòmers del PMS, així com l'addició de baixos continguts de CNC, va permetre desenvolupar nanocompostos de PMS/CNC amb un ampli rang de propietats mecàniques i perfils de degradació. D'altra banda, s'han produït mats de nanofibres d'àcid polilàctic (PLA) amb alta orientació mitjançant la tècnica de electrospinning, per embeure's en matrius de PMS, observant-se una millora de fins a 53 vegades en el mòdul de Young per nanocompostos de PMS/NF-PLA amb un 15% en pes de nanofibres. La incorporació de càrregues (CNC i NF-PLA) va permetre el desenvolupament de nanocompostos amb memòria de forma activada tèrmicament, amb una millora de paràmetres tals com la força de recuperació i la capacitat de fixació. Els nanocompostos reforçats amb NF-PLA obtingudes per electrospinning, van oferir el millor balanç de propietats mecàniques i tèrmiques, així com un major control de la temperatura de transició per a l'activació del canvi de forma en un interval útil de temperatures. Per tot això, aquests materials poden resultar d'interés com a sistemes actius en aplicacions biomèdiques de llarga durada.