Entropy Induced Rapid Dissolution of Hypo-Crystalline Poly(methyl methacrylate) and Application Towards High-Performance Acrylic Bone Cement

Abstract

Polymer dissolution is an essential topic in polymer science and engineering due to its wide range of industrial applications, including membrane science, microlithography, plastics recycling, and drug delivery. Unlike non-polymeric materials, polymers do not dissolve immediately; the dissolution is governed by either the disentanglement or the diffusion of polymer chains through an interface layer adjacent to the polymer-solvent interface. Our previous study introduced a novel hypo-crystalline poly(methyl methacrylate) (hc-PMMA). Unlike conventional amorphous PMMA, the unique chain conformation and intrinsic structure of hc-PMMA caused rapid dissolution in solvents. Unique hc-PMMA's properties make it an ideal additive for acrylic bone cements (ABCs). ABCs, consisting of PMMA beads and methyl methacrylate monomer, are widely utilized in orthopedic surgeries. However, two drawbacks limit its permanent use and threaten the patient's morality: uncontrollable reaction rates and lack of bioactivity. Therefore, rate-controllable ABC utilizing the properties of hc-PMMA will be introduced in this thesis. In addition, due to the rate-controlling and high mechanical properties of hc-PMMA, the incorporation of a substantial amount of bioactive filler into conventional ABC will be investigated. The thesis consists of four chapters. As an introduction, the fundamentals of polymer dissolution and the concept of hypo-crystallization will be explained in Chapter 1. The first section will explain the correlation between surface layer formation and mechanisms of dissolution. Also, the effect of polymer structure, composition, and conformation will be explained. Hypo-crystallization and hc-PMMA will be explained in the following section. Due to its stretched, aligned conformation, the hc-PMMA, which we introduced in 2020, possesses distinctive properties. I will explain the concept and process of hc-PMMA fabrication in detail. The scale-controllable solution-spray preparation method for 1D hc-PMMA is described in Chapter 2. Fundamental characterizations of the 1D hc-PMMA will be provided in this chapter. The previous thermal quenching method we presented could only produce laboratory-scale quantities of hc-PMMA, but we expect this solution spray method to pave the way for industrial applications. The dissolution kinetics of hc-PMMA and its application to acrylic bone cement will be discussed in Chapter 3. The high-strength, rate-controllable ABCs will be presented. In addition, bioactive fillers used in conjunction with hc-PMMA will be demonstrated for the novel bioactive ABCs strategy. Conclusion and outlook will be given in Chapter 4, highlighting current limitations and future research directions. |고분자 용해는 계면화학, 미세 리소그래피 공정, 플라스틱 재활용, 약물 전달 등 광범위한 산업 분야에서 활용되며 고분자화학과 공학에서 중요하게 다루는 주제이다. 일반적인 비고분자 물질과 달리, 고분자는 즉시 용해되지 않으며, 꼬인 고분자 사슬의 풀림 또는 고분자-용매 계면에 인접한 경계층을 통한 확산에 의해 용해가 제한된다. 하지만 기존 연구에서 새로운 1 차원 결정 폴리(메틸 메타크릴레이트) (hc-PMMA)를 소개한 바 있다. 종래의 비정질 PMMA 와 달리 hcPMMA 의 고유한 사슬 형태와 구조는 용매에 급격한 용해를 유발한다. 이러한 독특한 hc-PMMA 의 특성은 아크릴 골시멘트 (ABC)에 이상적인 첨가제로 활용할 수 있다. PMMA 입자와 메틸메타크릴레이트 (MMA) 단량체로 구성된 ABC 는 현재 정형외과 수술에 널리 활용되고 있다. 그러나, 두 가지 단점, 즉 통제 불가능한 반응 속도와 생체 반응성의 부재는 골시멘트의 영구적인 사용을 제한하고 환자의 생존률을 낮춘다. 따라서, 본 연구에서는 hc-PMMA 의 특성을 활용하여 반응 속도가 제어 가능한 ABC 를 제시하려 한다. 또한, hc-PMMA 의 반응 속도 제어 및 높은 기계적 물성으로 인해, 기존의 ABC 에 상당한 양의 생체 활성 필러를 첨가하는 연구를 진행할 것이다. 이 논문은 총 4 장으로 구성되어 있다. 도입으로서, 제 1 장은 고분자 용해의 개론과 1 차원 결정화 (hypo-crystallization)의 개념에 대해 설명할 것이다. 1 장의 첫 번째 주제로는 고분자 표면의 층 형성과 용해 메커니즘 사이의 상관관계에 대해 설명할 것이다. 또한, 고분자의 3 차원 구조, 조성 등의 영향에 대해 설명한다. 이어지는 주제로는 1 차원 결정화와 hc-PMMA 에 대해 설명한다. 2020 년 처음 발표된 hc-PMMA 는 늘어난, 정렬되어 있는 구조로 인해 독특한 특성을 가지고 있다. 이러한 hc-PMMA 제작 공정과 그 특성에 대해 자세히 설명할 예정이다. 제 2 장에서는 hcPMMA 의 새로운 제작 방법인 용액-분무 공정을 설명하고 있으며, hc-PMMA 의 기본적인 물성 분석 방법에 대해서도 언급할 예정이다. 이전 연구에서 언급된 열적 결정화 공정은 랩 스케일의 매우 적은 hc-PMMA만을 생산할 수 있었지만, 우리는 이 용액-분무 공정이 hc-PMMA 의 산업에의 적용에 크게 이바지할 것으로 기대한다. hcPMMA 용해의 열역학적인 분석과 아크릴 골시멘트에 대한 적용은 3 장에서 논의될 것이다. 결과적으로 hc-PMMA 를 활용한 고강도, 반응속도의 조절 가능한 ABC 가 제시될 것이다. 또한, 새로운 생체 반응성 ABC 제조를 위해 hc-PMMA 와 생체 반응성 필러를 함께 도입하는 연구를 제시한다. 제 4 장에서 본문에 대한 결론과 앞으로의 전망으로 마무리할 것이며, 현재의 한계와 향후 연구 방향을 제시할 것이다.