Biomaterialen college 4

Question 1

Wat is een polymeer?

Answer 1

een (lange) keten opgebouwd uit repeterende eenheden (monomeren) die tijdens polymerisatie veranderen (bijv. afgifte H2O).

polymeereigenschappen zijn zeer divers en complexer dan eigenschappen van andere materialen. Veel klinische toepassingen

Question 2

Waarom zijn polymeren zo breed toepasbaar? (5)

Answer 2

1. veel variaties in chemische structuur
2. eigenschappen goed te controleren
3. lichtgewicht
4. divers in mogelijke mechanische eigenschappen
5. eenvoudig te verwerken: met temperatuur, met oplosmiddelen of chemisch door polymerisatie in situ.

Question 3

Op welke manieren kunnen polymeren geclassificeerd worden?

Answer 3

1. applicatie: orthopedisch, cardiovasculair etc.
2. oorsprong: synthetisch of natuurlijk (biologisch)
3. chemische stabiliteit en degradeerbaarheid: biostabiel of biodegradeerbaar?
4. mechanische en fysische eigenschappen.

Question 4

Wat zijn de (fysische eigenschappen) klassen waarin polymeren te verdelen zijn? (3)

Answer 4

1. thermoplasten
2. elastomeren of rubbers
3. thermoharders

Question 5

Wat zijn thermoplasten?

Answer 5

Thermoplasten worden gekenmerkt door lange ketens welke weinig tot geen crosslinks bevatten. Kunnen nog vervormen o.i.v warmte en/of mechanische belasting. Ze vertonen plastisch en ductiel gedrag (boven de Tg, glas transitie temperatuur). Deze structuren smelten bij verhitting en zijn daardoor goed recyclebaar.

perfect voor spuitmallen en 3D printen.

Question 6

Wat zijn elastomeren/rubbers?

Answer 6

Grote mate van elastische vervorming en er is een lichte mate van crosslinks. Crosslinks zorgen ervoor dat materiaal terug gaat naar de oorspronkelijke vorm na elastische deformatie. Te ver trekken = kapot.

Question 7

Wat zijn thermoharders?

Answer 7

3D structuren met veel crosslinks. Niet mogelijk om te vervormen, kan alleen bij hoge temperatuur en decompositie vind bij verhitting plaats. Moeilijk te recyclen. De thermoharders zijn relatief bros.

Question 8

Welke eigenschappen zijn nog meer belangrijk voor klinische toepassingen m.b.t polymeren?

Answer 8

1. biocompatibiliteit
2. hemocompatibiliteit
3. Degradatie snelheid controleren
4. Sterilisatie mogelijkheden (veiligheid en prijs)
5. Verwerkingsmogelijkheden (productieprijs)

Question 9

Wat is een oligomeer?

Answer 9

Ee polymeer is een aaneenschakeling van monomeer units, wanneer de totale ketenlengte <10 monomeren betreft noemen we het polymeer een oligomeer.

De polymerisatie graad wordt aangegeven met P = aantal monomeren per keten.

Question 10

Wat wordt er bedoeld met de functionaliteit van een polymeer?

Answer 10

het aantal bindings posities per monomeer/ aantal bindings posities beschikbaar.

een monomeer moet minimaal twee bindingsplekken beschikbaar hebben, anders kan er nooit een keten opgebouwd worden.

Question 11

Polymeren kennen verschillende architecturen, welke vormen zijn er? (5)

Answer 11

1. homopolymeer, alle monomeren van dezelfde soort (A-A-A-A)
2. Copolymeer, combinatie verschillende monomeren, kan zijn:

• Random (A-B-A-A)
• Alternating (A-B-A-B)
• Block (A-A-B-B)
• Graft (A’s met B’s als zijvertakkingen)

3. lineair polymeer, geen vertakkingen
4. Vertakt (branched) polymeer, meerdere vertakkingen (niet verwarren met zijgroepen)
5. Gecrosslinked polymeer, links tussen vertakkingen en/of zijgroepen.

Question 12

Wat is er nodig om een polymeerketen op te bouwen?

Answer 12

1. Initiatie, open breken dubbele bindingen met initiator, hierdoor bindt monomeer.
2. propagatie, groei van de macromoleculaire keten.
3. terminatie, beëindiging kinetische keten.

Question 13

Welke types polymeerreacties zijn er?

Answer 13

1. ketenreacties (additiepolymerisatie), ); hiervoor zijn monomeren nodig en een katalysator in de vorm van een vrij radicaal. Het vrije radicaal zorgt voor het openbreken van dubbele bindingen.
2. stapgroei (condensatie reactie), monomeren hebben verschillende eindgroepen die met elkaar kunnen reageren. Er is sprake van condensatie als er een bijproduct ontstaat in de vorm van H2O of HCI. Als de bijproducten niet ontstaan wordt het polymeer een additiepolymeer genoemd.

Question 14

Polymerisatie (het maken van polymeren) kan niet helemaal exact verlopen, uiteindelijk ontstaan er polymeren met verschillende lengtes en dus een verschillende moleculaire massa. Hoe noemen we dit en hoe kan je dit meten?

Answer 14

verschillende lengtes = distributie van verschillende moleculaire massa’s.

Kun je meten door Gel Permeation Chromatography (GPA).

Question 15

Hoe werkt GPA?

Answer 15

Oplosmiddel waarin het polymeer sterk is verdund (ketens mooi/ver uit elkaar) wordt over een poreuze separatie kolom gedrukt, hierdoor worden de grote van de kleine moleculen gescheiden want kleine moleculen blijven in de poriën zitten. De grotere moleculen gaan dus veel sneller door de kolom waardoor, er ontstaat een verschil in tijd van aankomst. –> kalibratie curve.

Question 16

Wat kun je aflezen uit de massa-distributie curve (GPA)? (2)

Answer 16

1. de gem. moleculaire massa van de ketens
2. het gewogen gem. (langere ketens hebben zwaarder aandeel in gemiddelde want dominante invloed op mechanische en fysische eigenschappen).

De gemiddelde massa wordt weergegeven als de totale massa gedeeld door het aantal polymeren. Bij het gewogen gemiddelde tellen de zwaardere massa’s meer mee. Daarom staat daar de massa in het kwadraat.

Question 17

Wat is het verschil tussen GPA en gel electroforese?

Answer 17

Bij gel elektroforese wordt er een ladingsverschil aangebracht met een externe spanningsbron waarna de kleine moleculen makkelijker over de gel diffunderen en daarom juist eerder gedetecteerd worden dan de grote.

Question 18

Wat houdt verband met het moleculaire gewicht van polymeer?

Answer 18

Naarmate een polymeer een groter gewicht heeft zul je zien dat de mechanische sterkte van het polymeer toeneemt.

Question 19

Binnen een polymeer kan er sprake zijn van dezelfde chemie maar andere structuur, hoe noemen we dit en welke vormen zijn er? (3)

Answer 19

Structuur isomeren (backbone met zijgroepen):

1. Isotactisch, methylgroep steeds hetzelfde georiënteerd.
2. Syndiotactisch, methylgroep om en om georiënteerd.
3. Atactisch, oriëntatie at random, kan nooit/niet kristalliseren (kristallijne domeinen).

Question 20

Wat is de rol van de compositie in polymeren?

Answer 20

niet alleen tactisiteit (organisatie zijgroepen) maar ook de chemische opbouw bepaalt de mogelijkheid tot kristallijne structuren. Sommige polymeren blijven dus ook amorf hierdoor (sprake van chaos).

Question 21

Waar zijn samengevat de mechanische eigenschappen van een polymeer nu van afhankelijk?

Answer 21

1. architectuur
2. compositie
3. moleculaire massa
4. massadistributie (PDI)
5. crosslinkingdichtheid
6. chemische samenstelling

PDI = polydisperse index –> Mw (gewogen gem.) / Mn (gem.)

Question 22

Wat kun je zeggen over de polydisperse index PDI?

Answer 22

deze index zegt iets over de distributie van ketenlengtes, gaat richting 1.

getal >1 betekent heel veel/grootte distributie van ketens.

Question 23

Wat is een weekmaker?

Answer 23

polymeren kunnen zowel zijgroepen als weekmakers kennen, deze zijn allebei van invloed op de mechanische eigenschappen van het polymeer. Zijgroepen kunnen de beweeglijkheid bevorderen/remmen afhankelijk van de grote. Weekmakers zijn additieven die zorgen voor ruimte tussen de polymeerketens (soort vullermateriaal). Dit bevordert de beweeglijkheid van hey polymeer.

Question 24

Wat is strain induced crytallization?

Answer 24

mechanische belasting kan leiden tot vorming van kristallijne domeinen en zo ontstaat er kristalliniteit.

Question 25

Waar zijn de fysische eigenschappen van polymeren in grote mate van afhankelijk? (4)

Answer 25

intermoleculaire interacties:

1. keten stijfheid (kunnen bindingen wel/niet) roteren.
2. keten compositie en polariteit
3. keten architectuur en regelmaat (tacticiteit)
4. moleculaire massa

Question 26

Wat is een voorbeeld van een fysische eigenschap van een polymeer?

Answer 26

de glastransitie temperatuur, glasachtig of rubberachtig bij bepaalde temperatuur komt voort uit ketenstijfheid/compositie.

deze fysische eigenschap heeft weer invloed op mechanische eigenschappen (weerstand vervorming etc.)

Question 27

Hoe bepaalde je de glas-transitie temperatuur van een polymeer?

Answer 27

doormiddel van differential scanning calorimetry (DSC), hoeveel energie is er nodig om het materiaal 1 graad per seconde op te warmen. Dit vergelijk je met lucht.

Question 28

Wat zijn mogelijke bronnen van polymeren?

Answer 28

kunnen zowel biologisch als synthetisch zijn.

Biologisch: DNA. cellulose, zetmeel, eiwitten etc. Zowel uit dieren als uit planten

Synthetisch: verkregen uit petroleum (olie), kan ook gemodificeerd biologisch zijn zoals rubber (gevulkaniseerd). Eigenschappen worden verkregen door controle op polymerisatieproces en door het inmengen van bepaalde elementen.