（材料学专业论文）可释放一氧化氮型聚碳酸酯聚氨酯的性能研究.pdf

中文摘要 为了提高聚碳酸酯聚氨酯( p c u ) 的血液相容性，本文通过共混和接枝的方 法，使聚碳酸酯聚氨酯膜表面能释放内源性n o ，以此来提高材料的抗凝血性。 本文以苯偶酰、邻苯二胺和氯化铜为原料合成了一种亲脂性铜络合物 ( c u ( ) d t t c t ) ，1 h - n m r 和光电子能谱测试( x p s ) 证明结构正确。将 c u ( i i ) 。d t t c t 共混入p c u 膜中，对该膜进行拉伸实验和n o 体外释放测试，通过 g r i e s s 试剂法测试了体系的n o 释放情况，考察了各因素对n o 释放的影响，同时 测试了膜表面c u 的流失情况。拉伸实验结果表明，共混入小分子的p c u 膜的最大 拉伸强度和杨氏模量增大，断裂伸长率减少。对n o 释放进行动力学分析发现在 n a n 0 2 浓度为1 5 m m o l l 、v e 浓度为0 5 - 3 5 m m o l l 、c u 用量0 , - - 一2 0 9 m o l 时， n o 的释放速度与n a n 0 2 浓度成一次方，与v c 浓度成三次方，与c u ( h ) 量成一次方， 且影响n o 释放的主要因素为n a n 0 2 的浓度。考察各因素对n o 释放影响结果表 明，软段p c n 的分子量为1 0 0 0 时释放速度最大，2 0 0 0 其次，1 5 0 0 最小；p c u 厚 度的影响归结为c u p c u 值的影响，该值越大释放越快；当c u 以自由的离子存在 时释放最快。膜表面c u 流失的测试结果表明长时间使用时，流失较严重，且以 c u c l 2 形式流失。该膜能在释放环境中连续释放3 天，将有很好的应用前景。 选用不同结构的p c u 材料涂膜，通过a p t e s 将硝化的l 半胱氨酸( l - c y s n 0 1 接枝到膜表面，对该膜进行了a t r f t i r ，s e m ，x p s 分析和拉伸实验测试，并 且考察了不同温度、p c n 分子量和膜厚度对n o 体外释放的影响。表征结果表 明l - c y s n o 成功地接枝到膜表面；拉伸实验结果表明接枝后的膜力学性能有所 下降，但是p c n 分子量为1 5 0 0 ，2 0 0 0 的p c u 膜在接枝以后，机械性能仍然良 好，满足生物材料力学性能的要求。体外n o 释放实验结果表明n o 的释放速率 随着温度的升高而增大；随着p c u 中p c n 分子量的增大，n o 的释放速率逐渐 降低：而膜的厚度对n o 的释放速率没有影响。 利用与接枝l - c y s n o 类似的方法，将l 一精氨酸接枝到p c u 膜的表面， a t r - f t i r 和x p s 分析证明接枝成功。 关键词： 聚碳酸酯聚氨酯；亲脂性铜络合物；共混；接枝；一氧化氮释放 a bs t r a c t i no r d e rt oi m p r o v et h eb l o o d - c o m p a t i b i l i t yo fp o l y c a r b o n a t eu r e t h a n e ( v c u ) ， t h es u r f a c eo fp c uf i l mw a sf o r c e dt og e n e r a t ea n dr e l e a s ee n d o g e n o u sn ov i a b l e n d i n gw i t hc u ( i i ) 一c o m p l e xa n dg r a f t i n ge n d o g e n o u sn o d o n o r s b e n z i l ，o - p h e n y l e n e d i a m i n e a n dc u c l 2w e r eu s e dt o s y n t h e s i z eak i n do f l i p o p h i l i cc u ( t t ) - c o m p l e x ( c u ( n ) 一d t t c t ) t h es t r u c t u r e w a sc o n f i r m e db y 1 h - n m ra n dx - r a yp h o t o e l e c t r o ns p e c t r o s c o p y ( x p s ) p c uf i l m sb l e n d e dw i t h c u ( i i ) - d t t c tw e r ec h a r a c t e r i z e db yt e n s i l es t r e n g t hm e a s u r e m e n ta n ds t u d i e di n v i t r on or e l e a s i n g t h ef l u xo fn or e l e a s i n gf r o mt h ep c uf i l m sw a sm e a s u r e db y g r i e s sa s s a y d i f f e r e n tf a c t o r sw e r ee v a l u a t e dt os t u d yt h ee f f e c t so nt h en o r e l e a s i n g t h ec o n t e n to fc ul e a c h i n gf r o mt h ef i l m sw a sa l s ot e s t e d t h et e n s i l em e a s u r e m e n t s h o w e dt h a tp e a ks t r e s sa n dy o u n g sm o d u l u si n c r e a s e db u tt h eb r e a ks t r a i nd e c r e a s e d a f t e rb l e n d i n gw i t hc u ( i i ) - d t t c t k i n e t i c sa n a l y s i so nt h ei nv i t r on or e l e a s i n g i n d i c a t e dt h a tt h ev e l o c i t yw a sp r o p o r t i o n a lt ot h ec o n c e n t r a t i o no fn i t r i t e ，t h ec u b eo f c o n c e n t r a t i o no fa s c o r b a t ea n dt h ec o n t e n to fc u ( i i ) w h e nt h ec o n c e n t r a t i o no fn i t r i t e w a sb e t w e e n1t o5 m m o l l ，t h ec o n c e n t r a t i o no fa s c o r b a t ew a sb e t w e e n0 5t o 3 5 m m o l l ，t h ec o n t e n to fc u ( n ) w a sb e t w e e n0t o2 0 p m 0 1 t h ec o n c e n t r a t i o no f n i t r i t ea f f e c t e dt h en or e l e a s i n gm o s t l y t h en o r e l e a s i n gr e s u l t sa l s oi n d i c a t e dt h a t t h er e l e a s i n gv e l o c i t yw a si n f l u e n d e db ym o l e c u l a rw e i g h to fs o f ts e g m e n t n o r e l e a s e df a s t e s tf r o mt h es u r f a c eo ft h ef i l m sw h e nt h em o l e c u l a rw e i g h to fp c nw a s 1 0 0 0 ，2 0 0 0w a st h es e c o n d ，1 5 0 0w a st h es l o w e s t t h ee f f e c to ft h i c k n e s sc o u l d a t t r i b u t et ot h ee f f e c to fc u p c u ( w v w t ) t h er e l e a s i n gv e l o c i t yi n c r e a s e da st h e c u l p c ui n c r e a s e d t h er e l e a s i n gv e l o c i t yw a st h el a r g e s tw h e nt h ec u ( i i ) w a si n p r e s e n c eo fc u 2 + n l et e s tr e s u l to fc ul e a c h i n gf r o mt h ef i l ms h o w e dt h a tc ul e a c h e d s e r i o u s l yf r o mf i l m si np r e s e n c eo fc u e l 2w h e ni tw a su s e di nl o n g t e r ma p p l i c a t i o n ，n l i sf i l mc o u l dr e l e a s en oc o n t i n u a l l yf o r3d a y s ，w h i c hw i l lp r o v i d eap r o m i s i n g a p p r o a c ht h a tc o u l de n a b l el o n g t e r ml o c a ln og e n e r a t i o na tt h es u r f a c eo ft h e m e d i c a ld e v i c e s s - n i t r o s o c y s t e i n e ( l c y s n o ) w a sc o v a l e n t l yi m m o b i l i z e dt ot h es u r f a c e so f f i l m sc a s t e db yt h ed i f f e r e n tp c u sb y3 - a m i n o p r o p y l t r i e t h o x y s i l a n e ( a p t e s ) t h e m o d i f i e dp c uf i l m sw e r ec h a r a c t e r i z e db ya t r f t i r ，s e m ，x p sa n dt e n s i l e s t r e n g t hm e a s u r e m e n t d i f f e r e n te n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r e ，m o l e c u l a rw e i g h to fp c n s a n dt h i c k n e s so ff i l m sw e r ee v a l u a t e dt os t u d yt h ee f f e c t so nt h ei nv i t r on 0r e l e a s i n g r e s u l t si n d i c a t e dt h a tl c y s n ow a sg r a f t e dt ot h es u r f a c e ss u c c e s s f u l l y ；t h ep e a k s t r e s sa n db r e a ks t r a i nw e r ed e c r e a s e da f t e rm o d i f i c a t i o n , b u tt h ep c uf i l m sw i t h 也e p c nm o l e c u l a rw e i g h t15 0 0a n d2 0 0 0s t i l lm e tt h er e q u e s tw h e ni tw a su s e di n b i o m e d i c a ld e v i c e s i nv i t r on o r e l e a s i n gr e s u l t ss h o w e dt h a tw i t ht h ei n c r e a s eo f t h e e n v i r o n m e n t t e m p e r a t u r e ，t h er e l e a s i n gv e l o c i t yi n c r e a s e d ；r e l e a s i n gv e l o c i t y d e c r e a s e da st h em o l e c u l a rw e i g h to fp c ni n c r e a s e d ；h o w e v e r , t h et h i c k n e s so fp c u f i l m sh a dn oe f f e c to nt h en or e l e a s i n g l a r g i n i n ew a sg r a f t e do n t ot h es u r f a c eo fp c u f i l m sb yt h es i m i l a rm e t h o du s e d t og r a f tl c y s n o t h ep r o d u c tw a sc h a r a c t e r i z e db ya t r - f t i ra n dx p s n l er e s u l t s c o n f o r m e dt ot h ed e s i g n e ds t r u c t u r e k e yw o r d s ：p o l y c a r b o n a t eu r e t h a n e ；l i p o p h i l i cc u ( i i ) - c o m p l e x ；b l e n d i n g ， g r a f t i n g ；n i t r i co x i d er e l e a s i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤注盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：撕签字吼泖7 年矸日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 越坪 签字日期：加1 年f 月叶同 新繇亭p 替 签字日期：2 。q 年1 月砰r 第一章前言 第一章前言 生物医用材料( b i o m e d i c a lm a t e r i a l s ) 也称生物材料0 3 i o m a t e r i a l s ) ，是一种能 对机体的细胞、组织和器官进行诊断、治疗、替代、修复、诱导再生或增进其功 能的特殊的材料，它主要包括具有良好生物相容性或生物惰性的金属材料( 如钛 及其和金) 、陶瓷材料( 如碳素、氧化铝等) 、生物活性玻璃( 如b i o g l a s s 4 5 s 5 、 c e r a b o n e 等) 和高分子材料( 如聚乳酸、聚氨酯等) 1 1 。生物医用高分子材料是 目前制造心室辅助循环系统、全植入式人工心脏、介入性气囊导管等与血液直接 接触式器械的关键医用材料，它在心血管系统疾病的诊疗中有重要的应用价值和 广泛的应用前景。 聚氨酯( p u ) 具有良好的耐磨性、弹性和生物相容性，是目前被研究最广 泛的生物医用高分子之一。生物膜为亲水区、疏水区嵌段的微观非均相结构，其 血液相容性是最理想的，因此具有微相分离结构的高分子材料最有可能用作血液 相容性材料，而聚氨酯就是一种由硬段和软段构成的具有微相分离结构的嵌段共 聚物。与传统的聚氨酯相比，聚碳酸酯聚氨酯( p c u ) 具有更好的耐氧化降解性 和耐水解性，同时它的纯水透过率和生理介质的透过率都远远低于聚醚型聚氨 酯，而且它具有比聚醚好的相混合程度 2 】，因此p c u 作为良好的心血管人工替代 材料被广泛研究。 作为生物医用高分子材料，它必须具有优异的血液相容性，血液在与高分子 材料接触后，两者的界面发生一系列复杂的相互作用，导致凝血反应和血栓的形 成，从而限制了合成高分子在血液接触材料上的应用。因此，对血液相容性聚合 物材料的表面改性成为生物材料研究的焦点之一。目前表面改性的方法主要有： 表面肝素化、表面磷脂化、表面引入两性结构以及表面生成或释放n o 等方法f 】。 其中表面生成或释放n o 的方法最为有效，而成为目前研究的热点。 n o 是以l 精氨酸为底物在血管内皮细胞一氧化氮合酶( s o s ) 作用下合成的 血管活性物质。生理状态下，血流剪应力能够刺激血管内皮细胞促进n o 分泌增 加。n o 通过刺激平滑肌细胞产生鸟苷酸环化酶，后者催化生成c g m p ，引起血管 扩张【7 】，从而达到阻止血栓形成的作用。 本文在前人实验研究基础上，采用熔融一步法合成聚碳酸酯型聚氨酯，并对 其成膜性能进行了研究。选择了成膜性能最佳的p c u 涂膜，采用共混和表面接枝 的方法对膜表面进行改性，使膜的表面能释放n o ，以此提高材料的抗凝血性能。 第二章文献综述 2 1 概述 第二章文献综述 本世纪五六十年代以来，医用科学特别是医用生物材料科学已取得很大的进 展，为人类健康做出巨大的贡献。生物材料是指应用于医用领域，同活体组织接 触以形成特定功能的材料【8 】。生物材料可以用于替换或增强某些特定的组织，或 进一步用于器官的替换【9 】。1 9 9 6 年世界卫生组织统计年鉴指出，心血管疾病、恶 性肿瘤、呼吸器官疾病、车祸和自杀是当今世界上的五大死因，而其中心血管疾 病的死亡比例位居榜首【l 们。心血管疾病患者可以通过人工替代物的植入以避免死 亡。采用天然的他人器官置换人体有缺损或伤残部分早已获得成功，但是由于存 在供体来源困难，天然器官不宜保存和严重排异反应等问题，其发展受到一定的 限制，运用具有生物相容性的材料制作人工器官成为最为理想的出路。目前，人 工心脏的泵体主要是使用c o r d i o t h a n e 等多嵌段聚氨酯，人工血管主要是使用疏水 性聚四氟乙烯，人工肺主要是使用聚丙烯，导液管主要采用聚氨酯和亲水性材料。 世界各国，尤其美国和日本对血管用生物材料的研究非常重视，关于血管用生物 材料的相关报道也日渐增多，标志着血管用生物材料已成为国际性的研究热点。 对于作为植入人体的高分子生物材料来说，必须满足体内复杂而又严格的要 求，这就要求高分子材料满足以下几个要求：1 、无毒性、不致畸；2 、优良的生 物相容性；3 、高化学稳定性；4 、合适的物理机械性能；5 、易加工成型。其中 材料优良的生物相容性是最难满足的，但却是最重要的，是贯穿与生物高分子材 料应用的关键，是高分子进入人体必不可少的条件。材料良好的生物相容性要求 1 、不导致血液凝固：2 、没有溶血作用；3 、不产生不良免疫反应；4 、不引起过 敏反应：5 、不致癌；6 、不损伤组织。如果组织相容性不好，会引起血栓、炎症、 毒性反应、变态反应、致癌等生物拒绝反应，它是生物材料研究的首要任务。 生物相容性( b i o c o m p a t i b i l i t y ) 是指合成材料与机体组织和血液之间的适应 性，包括组织相容性和血液相容性】。作为与血液直接相接触的高分子材料，不 但要求有好的组织相容性，血液相容性的要求更为重要【i2 1 。因此如何提高材料的 血液相容性是研究抗凝血生物材料的首要任务。 抗凝血材料的研发不仅意义重大而且形势紧迫，之所以紧迫是因为目前世界 上所用的心血管d e v i c e s 虽然种类多，数量庞大，但由于材料的抗凝血性还不能 第二章文献综述 满足医学上的要求，因此在使用时都需注射抗血凝剂肝素以防止d e v i e e s 弓l 起的 血栓。使用肝素虽然可以防止血栓的生成，但也只是权宜之计。因为全身注射肝 素至少存在三个重要问题【l 引，即：1 、可能引起难以控制的出血；2 、多器官功能 障碍；3 、不能防止材料对血液的其它反应，如免疫系统的反应等。 目前提高医用高分子抗凝血性能的基本途径有两条。第一，合成新型的抗凝 血医用高分子。聚氨酯( p u ) 是由橡胶状的软链段( 由多元醇组成) 和半结晶状的硬 链段( 由二异氰酸酯等组成) 组成的结构，属热力学不相容体系，可引起微相分离， 其微相表面结构与生物膜极为相似，可抑制血小板的粘附，减少了血栓的形成， 所以聚氨酯具有很好的生物相容性。加上p u 的优异机械强度，耐挠屈性，且分 子设计自由度大( 可根据需要设计不同组成构造的聚氨酯) ，即使不使用增塑剂也 容易使之具有多种不同性能，因此聚氨酯作为医用材料很早以前就受到人们的重 视【2 】。近年来，一种不含醚键的新型聚氨酯材料聚碳酸酯聚氨酯开发成功， 为人工心脏及心室辅助循环系统的研究提供了一种可选择新材料【1 4 】。聚碳酸酯聚 氨酯具有更好的耐氧化降解性、耐水解性和抗凝血性，同时它的纯水透过率和生 理介质的透过率都远远低于聚醚型聚氨酯。 第二条途径是对具有良好的物理机械性能的医用高分子进行表面改性。高分 子材料和血液接触主要是在材料的表面上，所以除了传统的机械性能外，医用聚 氨酯材料的主要工作是在材料表面的合成设计上，通过对材料表面的改性，来提 高材料的生物相容性。高分子生物材料的表面改性方法主要有：表面接枝改性、 表面涂层、高分子材料与抗凝血添加剂物理共混、高分子材料的直接改性。有文 献报道【6 】n o 具有有效的阻止血小板在正常的血管壁上粘附和活化，并且能促使 周围环境中的血管舒张的功效，之后不少研究人员尝试将n o 供体通过共混或接 枝的方法引入到生物材料膜表面，显著提高了材料表面的抗凝血性，将有良好的 应用前景。 2 2 凝血机理概述 2 2 1 血栓产生的基本过程 血液与生物材料的相互作用是一个十分复杂的过程，涉及到材料的表面结 构、化学组成、血浆蛋白和血细胞与材料表面的相互作用以及血流动力学等等多 种因素。迄今为止，虽然人们对这一作用过程的了解和认识在逐步深入，但仍有 许多问题没有搞清，已经得到比较统一共识的几个过程包括( 如图2 1 所示) 1 5 】： ( 1 ) 蛋白质的吸附【1 5 。6 】异物表面暴露在血液环境中时，血浆中的蛋白 第二章文献综述 质在几秒钟内就会吸附沉积在材料表面，形成厚度大约2 0 h m 的蛋白质吸附层。 血液中血细胞和血浆的含量大约为4 5 和5 5 ，其中血细胞包括红细胞、白细 胞和血小板等；而血浆中9 7 为水，3 为蛋白质、氨基酸、酶等，其中蛋白质 按其组分来分，由纤维蛋白原( 5 5 - - - 6 5 ) 、白蛋白( 3 0 - - 3 5 ) 和丫墨r 蛋白 ( 5 0 o - 1 0 ) 所组成。各类血浆蛋白质，根据材料表面结构和性能特征，将发生 有选择性的竞争吸附。不同蛋白质吸附层对血小板的粘附及进一步活化的影响是 不同的。一般认为吸附白蛋白的表面对血小板粘附的比较少，而吸附1 ，球蛋白和 纤维蛋白原的表面易于粘附血小板。 这种吸附过程并不是一种静态过程，吸附的蛋白质可以随时间发生形态的改 变，或被其他蛋白质所替换。普遍接受的说法是血浆蛋白在数秒内，就可以在材 料的表面黏附，随后血小板和其他的血小板再先后或同时与蛋白质发生相互作 用。由于其他的血液元素必须同蛋白质层反应，黏附的蛋白质层对以后的凝血过 程有着重要的影响。这些蛋白质可以看作是细胞同材料作用的桥梁。所以对蛋白 质吸附的研究，不仅可以了解血液同材料作用的原理，而且也是设计应用于医用 领域的抗凝血材料的必不可少的一步。 ( 2 ) 血小板的黏附和激活【l 川7 1 血小板为直径在2 - 4 9 m 的单核细胞，每l l l 血液中含有1 5 0 0 0 0 到3 5 0 0 0 的血小板，在凝血过程中有着特别重要的作用。血 小板与材料的反应通常在同材料接触几十秒后发生。血小板通过特殊的位点粘附 在蛋白质吸附层中的纤维蛋白原分子上，因受到v 0 nw i l i e r - r a n d 因子的刺激而被 激活，变粘并发生变形，从圆形变为长有伪足的多孔状圆形，随后发生进一步的 聚集，并从内部释放出大量的5 羟色胺，三磷酸腺苷，二磷酸腺苷，肾上腺素等， 三磷酸腺苷又使更多的血小板变形，黏附，聚集并再次释放上述物质，进而导致 凝血。 p r o t e i n a d s o r p t i o n i m p l a n t e dm a t e r i a l e x p o s e dt ob l o o d p l a t e l e t a d h e s i o n 图2 1 植入材料表面的凝血过程 f i g 2 1i l l u s t r a t i o ns h o w i n gt h eb i o l o g i c a lr e s p o n s et oi m p l a n t e dm a t e r i a l se x p o s e d b r i n 第二章文献综述 2 2 2 设计抗凝血材料所依据的主要假说 在抗凝血材料的研究和发展过程中，提出了许多关于设计抗凝血材料应依据 的假说，这些在凝血材料研究过程中形成的假说在不同阶段不同程度地指导和影 响抗凝血材料的分子设计，主要有以下几种： ( 1 ) 负电荷和静电排斥假说【1 8 】 血管内壁，血细胞表面，血液中的多种组分都带有负电荷，抗凝血物质肝素 也带有负电荷。s a w e r 等人认为带负电荷的血管内壁与负电性的血液成份之间的 静电排斥有利于抗凝血，提出了抗凝血材料表面应该带有一定数量负电荷的假 说。但是很多人发现，许多高分子材料表面虽然带有负电荷，可其抗凝血效果并 不好，相反有些表面带有正电荷的材料却有很好的抗凝血性。应该指出，负电荷 的存在，定程度上会降低细胞的粘附，但是由于生物反应的复杂性以及高分子 物质本身具有一定的可变形性，其形态的改变很大程度上决定性质的变化，所以 负电荷的存在会从这两方面影响凝血性能，静电排斥作用并不是决定材料抗凝血 性能的主要因素。 ( 2 ) 低表面自由能及低临界表面张力假说【1 9 】 有研究表明血液凝固时间与材料表面自由能和临界表面张力之间大致存在 线性关系，并且表面自由能低的材料血小板吸附少，于是有人指出材料表面自由 能或临界表面张力越低，抗凝血性越好。但是这个观点与很多实验结果不符，表 面张力过高过低抗凝血效果都不好。 ( 3 ) 最小界面自由能与含水结构假说 血液与生物高分子材料接触产生凝固，其作用发生在材料与血液的界面上， 因幽m d r a d e 2 0 】认为对材料起抗凝血作用的是它们与血液接触后产生的界面自由 能，界面自由能越低，界面吸附血液成份的倾向越小，材料的抗凝血性能越好。 类似的，b r u c k l 2 l 】提出要使高分子材料具有优异的抗凝血性，很重要一点是材料 应具有很高的含水量，并且水分子必须具有一定的结构化。但是有很多实验证明 这种假说不成立，最小界面自由能与抗凝血之间仍然不具有良好相关性。 ( 4 ) 微相分离结构抗凝血材料假说 1 9 7 2 年，今井庸三1 2 2 j 发现具有微相分离结构的聚甲基丙烯酸甲酯的共混物 表层在插入狗静脉中三个月无血栓形成。鉴于微相分离结构的抗凝血性， n a k a j i m a 2 3 提出了覆盖控制理论模型。当微相分离材料与血液接触时，会立即吸 附血浆蛋白质。而血浆蛋白质的吸附由表面微相结构控制，亲疏水性不同的蛋白 质被选择性的吸附在不同微区。白蛋白选择吸附于亲水性微区，而纤粘连蛋白吸 附于疏水性微区，血小板的吸附决定于血浆蛋白的表面。因此，血小板的活性取 第二章文献综述 决于材料表面的微区大小和形态，而与聚合物的化学组分关系较小。通过聚合物 表面亲水区疏水区微区调节，可使聚合物表面达到最佳平衡，从而具有较好的抗 凝血性。 ( 5 ) “维持正常构象假说”【z 4 j 微相分离假说有较高的合理性，但在实际运用中难以由此对材料的抗凝血性 进行预测，所以不具有较强的实际应用价值，因此南京大学的林思聪教授提出维 持正常构象假说。主要内容有以下三点： a 、血液与材料接触而引发的一系列生化反应，包括血液的凝固在内，在分 子水平上都是起因于血蛋白以及血细胞正常构象的改变，因此，作为抗凝血生物 材料，其表面的分子结构应能维持与其相接触的血蛋白及血细胞的正常构象： b 、材料表面致使血蛋白细胞正常构象变化的力主要有三类：i 、由于材料 血液界面存在而产生的材料表面对它们的吸附力；i i 、无界面存在时，材料表面 分子与它们之间的分子间作用力，包括氢键，疏水键，色散键和静电力；i 、心 脏收缩时，血液对材料表面冲击而产生的反冲力。所以，抗凝血材料表面分子结 构应能消除或减轻这三种力对血蛋白血细胞正常构象的影响。 c 、抗凝血生物材料表面的分子结构必须是海藻状的链结构，其结构特点为 水溶性的，分子间作用力小，以及足够的链长而能在血液中飘动。其中，链的水 溶性使材料与血液间的界面消失而消除界面张力，小的分子间作用力既可减弱它 与血蛋白血细胞间的作用力又可在相互作用中通过它本身构象的变化来维持血 蛋白血细胞的正常构象，而当由于心脏收缩而迫使血蛋白血细胞的材料表面冲击 时，足够的链长可通过其链的柔顺性来延长碰撞时间而减少反冲力。 总之，当材料与血液接触时，首先必然是蛋白质的粘附，蛋白质的种类数量 及形态变化都将影响血细胞的粘附以及变形。在一定范围内，只要血细胞在粘附 过程中不发生形变，凝血一般也不会发生，因此蛋白质的黏附和细胞的形态在凝 血过程中有着关键作用。 2 3 生物医用聚氨酯的结构特点及研究进展 2 3 1 聚氨酯的结构特点 聚氨酯( p u ) 是由聚醚或聚酯二元醇先与二异氰酸酯进行加成反应，再和 扩链剂反应合成的一类含有氨基甲酸酯( - n h c o o ) 官能团的高分子材料。聚 醚或聚酯为软段，极性弱，它构成材料的连续相，赋予p u 弹性并控制着p u 的耐 低温性、耐溶剂性和耐候性；二异氰酸酯与扩链剂反应生成的链段为硬段，极性 第二章文献综述 强。硬段中- n h c o o 官能团的存在使分子链间形成大量的氢键，相互作用力强， 故硬段常以晶态存在。硬段构成的晶态微区在聚合物中起到了物理交联点的作 用，像填料一样增强了软段，因此硬段控制着p u 的强度和耐热性【2 5 】。聚氨酯扩 链剂的选择主要集中在两类：二元醇和二元胺。一般说二元胺的活性要相对高一 些，但是二元胺的生理毒性则强于二元醇。 硬段和软段在极性上的差异以及硬段本身的结晶导致它们在热力学上的不 相容性，而具有自发分离的倾向，所以硬段容易聚集在一起形成微区，分散在软 段形成的连续相中，这种现象称为微相分离。日本科学家今井庸二提出，具有抗 凝血性能的材料应当在0 1 o 2 p m 范围内具有物理或化学上的不均匀微观结构 2 1 。k r a u s e 提出了用热力学方法预测微相分离，他认为当分子链长一定时，软段 和硬段数目越多，微相分离程度就越小；当聚合物组成一定时，相对分子量增加 以及每个分子中嵌段增多，微相分离的程度就越大。p u 的性能本质上是取决于 软段和硬段的化学结构及软段硬段配比，但是p u 的微相分离程度对p u 的性能影 响不可忽略，特别是对血液相容性的影响【2 5 】。 2 3 2 医用聚氨酯的研究进展 聚氨酯弹性体可用于制造心血管系统修复体和装置的良好材料，用于制作人 工心脏血泵、人造血管、血液净化器的密封剂、体外循环装置的导管等。此外， 它还用于制作人工皮肤、人工软骨、缝合线、组织黏合剂及固定化酶等【2 6 1 。 目前常用的医用聚氨酯的组成及应用见表2 1 【2 6 】。 2 3 2 1 聚醚型聚氨酯 聚醚型聚氨酯具有优异的力学性能和相对良好的血液相容性，是一种重要 的医用高分子材料，主要用于与血液直接接触的场合。自聚醚型聚氨酯问世已来 人们一直持续不断地对它进行修饰和改性来进一步提高它的血液相容性和在体 内生理环境下的稳定性。这些改性方法从不同方面在不同程度上提高了聚醚型聚 氨酯的抗凝血性能，使聚醚型聚氨酯材料在植入和非植入式血液接触装置的制 造、表面抗凝涂覆方面得到了比较广泛的应用。 自从19 6 7 年b o r e t o s 和p i e r c e 首次将聚醚型聚氨酯用于左心辅助循环血泵 以来，聚醚型聚氨酯己成为各类人工心脏和心室辅助循环系统中制造心室腔体 的首选材料。但是，近1 0 年来，人们逐渐发现聚醚型聚氨酯中的聚醚链会受到 血液中巨噬细胞所产生的氧自由基的作用而发生降解，导致生理环境下的应力 开裂口7 | 。除此之外，聚醚型聚氨酯材料对水和水蒸气的透过率也偏高，在长期使 用中，水或水蒸气会透过聚醚型聚氨酯的心室壁而污染电机。因此，尽管聚醚型 第二章文献综述 聚氨酯材料的血液相容性在得到不断的改良和提高，但是从长期植入的角度来看， 聚醚型聚氨酯很难满足新一代全植入式人工心脏和心室辅助循环系统的苛刻要 求，需要开发生物稳定性更高、水阻隔性更好的聚氨酯材料。 表2 1 医用聚氨酯的组成及应用 ! 垒! ：呈二! ! 垒呈! 皇翌曼皇! 堡垒望垒! ! p 卫! i 堕i q 望q ! 璺垒i ! 垒垒! 曼! i q 里曼垒i 曼垒! 巳q ! 坚! 垒璺望曼 名称生产者软段部分 硬段部分主要用途 2 3 2 2 聚酯型聚氨酯 在聚氨酯合成工业生产中，最早使用的有机多元醇是聚酯多元醇，以聚酯多 元醇为基础的聚氨酯材料，以其优异的力学机械性能，突出的耐油，耐化学品等 特性，目前仍是极其重要的聚醇中的一大类型，它被广泛应用于聚氨酯橡胶，微 孔弹性体，涂料，黏合剂等相关产品的生产中。聚酯型聚氨酯的硬度随聚酯相对 第二章文献综述 分子质量的升高而下降，拉伸强度的变化趋势则相反。这是因为聚酯的分子主价 力较大，分子间力较强，容易结晶。线性聚酯呈蜡状，具有晶状结构，结晶度是 决定聚氨酯具有良好的物理性能尤其是弹性，抗张强度，冲击强度等性能的重要 因素之一，另一方面，结晶性也带来缺点，低温时变硬，或者影响伸长率。 与聚醚型聚氨酯相比，聚酯耐水解性能较差，酯基较易水解，随着酯基之间 c 原子数目上升，水解稳定性提高，聚酯的水解作用表现为主链断裂，分子量降 低，拉伸强度，伸长率急剧下降，而聚醚中的醚键耐水解，水解表现为交联慢慢 断裂，分子量慢慢降低，拉伸强度下降缓慢，同时聚醚的氢键度低于聚酯型，耐 热空气老化性能不如聚酯型好。因此聚酯型聚氨酯仍得到广泛应用。 2 3 2 3 聚二甲基硅氧烷型聚氨酯 聚二甲基硅氧烷( p d m s ) 也是广泛应用于生物医用的材料之一，它具有低 毒、韧性好、耐氧化、热稳定及生物相容性好等特点，尤其是它的玻璃化温度极 低使其应用范围很广。p d m s 基聚合物相对于其他聚合物有低的血小板粘附和纤 维蛋白沉积性能【2 引。b e n r a s h i d 为评估聚硅氧烷型聚氨酯的热学性能、表面性能 和力学性能，采用三种不同路径，分别利用端羟基硅油、端胺丙基硅油和二异氰 酸酯及两端为二异氰酸酯的低聚物合成了聚硅氧烷型聚氨酯。相对于聚醚型聚氨 酯而言，聚硅氧烷型聚氨酯的热稳定性有了很大的提高，拉伸强度随着有机硅含 量增加而降低，断裂伸长率则相反。这主要是因为含硅软段与硬段之间存在严重 的相分离，d s c 研究也表明存在分别相对于硬段和软段的两个玻璃化转变温度 瞄9 1 。y u e 等合成了二羟丁基的低分子量硅氧烷，由其合成聚氨酯，在扩链剂中引 入叔胺，进一步离子化引入磺酸根离子，研究结果也表明聚硅氧烷型聚氨酯是高 度相分离的，同时离子化的结果对软段的玻璃化转变温度影响较小，但加强了硬 段之间的相互作用，导致材料拉伸强度的增加【3 0 】。 2 3 2 4 聚丁二烯型聚氨酯 聚丁二烯聚氨酯是由短羟基聚丁二烯和二异氰酸酯反应，并用小分子醇类或 胺类扩链剂合成的具有弹性体性质的聚合物。由于聚丁二烯聚氨酯软段几乎是非 极性链，软段不能形成氢键，氢键只能在硬段间形成，有助于硬段聚集形成硬段 微相区，溶于软相中的硬段( 一般是硬段尺寸较短的硬段) 由于无形成氢键的条 件而处于“自由态”，因此软硬段相分离较完全。与其他聚氨酯相似，聚丁二烯的 分子量、分子量分布、官能团数、支化程度等都会影响材料的性能。聚丁二烯官 能团数和支化程度增加，将导致聚合物的交联密度、抗张强度和硬度增加，断裂 伸长率下降。抗张强度、1 0 0 模量、硬度及抗撕裂强度随聚丁二烯分子量的减 第二章文献综述 小而增大，而断裂伸长率随分子量的增大而增大【”】。聚丁二烯聚氨酯既具有聚氨 酯弹性体良好的性能，又具有天然橡胶好的低温柔顺性和耐水性，在很多方面都 有较大的应用，但目前作为生物医学材料仍有待进一步研究。 2 3 2 5 聚碳酸酯型聚氨酯 相对于聚醚聚氨酯，一些文献报道，在医用材料的长期移植中，脂肪族聚碳 酸酯型聚氨酯( p c u ) 有更好的生物稳定性和生物相容性。这种聚氨酯材料中的 软段由聚碳酸酯链段构成，在生理环境下，碳酸酯键比醚键更加稳定。实验结果 表明【l4 | ，与传统l 拘p e l l e t h a n e 2 3 8 6 8 0 a e 相比，聚碳酸酯聚氨酯c o r e t h a n e 8 0 a 和 p c u ( 1 5 6 0 ) 的耐氧化降解性显著提高。此外，由于软段的聚碳酸酯结构与聚醚结 构相比在更大程度上限制了链段的运动，因此聚碳酸酯聚氨酯的纯水透过率和生 理介质的透过率都远远低于聚醚型聚氨酯，在相同膜厚度的条件下，聚碳酸酯聚 氨酯的水蒸气透过率比聚醚型聚氨酯低2 4 倍。但是，迄今为止，还没有一种聚碳 酸酯聚氨酯产品能够做到完全阻隔水蒸气的透过。因此还需要对这种膜材料做迸 一步的技术处理，以达到完全隔水，应用于全植入式人工心脏或心室辅助循环系 统。采用荧光标记可视显微技术对聚碳酸酯聚氨酯和聚醚型氨酯材料的血液相容 性进行评价分析的结果表明【3 2 1 ，聚碳酸酯聚氨酯表面的血小板粘附数量与聚醚 型聚氨酯相比大大减少，同时，对补体的激活程度也明显降低( c 3 a 测定) 。同时， 与聚醚聚氨酯相比，p c u 在小直径血管和内部血管治疗中，显示出了更好的向内 生长能力，p c u 也有比聚醚聚氨酯好的相混合程度，这改进了聚醚聚氨酯的力学 性能【3 引。因此一些研究人员建议，采用不含醚键的聚碳酸酯聚氨酯来替代聚醚型 聚氨酯，制造全植入式血液接触器械，包括全人工心脏、心室辅助循环系统、心 脏起搏器等。 其实，p c u 最大的优点是比聚醚聚氨酯优秀的耐氧化稳定性，但其水解稳定 性则并没有表现出众。大量研究工作证明了p c u 是易于水解的，降解的程度主要 依赖于硬段相互作用的本质，如硬段之间、硬段与碳酸酯之间的氢键、结晶程度。 硬段区氢键作用越强，结晶度越大，水解稳定性越好。同时，软段结晶度和相分 离也扮演着相对重要的角色。一般认为，二异氰酸酯、低聚物二醇和扩链剂在聚 氨酯的生物稳定性上都有着重要作用。t a n g 等用胆固醇酯酶( c e ) 评价了脂肪 族聚碳酸酯聚氨酯的生物降解性，他们在相同条件下选用了不同的二异氰酸酯， 结果发现，所有合成的聚合物都易于水解降解，依据所选二异氰酸酯的不同，降 解程度也有差异。整个聚碳酸酯聚氨酯链的水解稳定程度顺序为：无氢键作用的 碳酸酯键 无氢键作用的氨基甲酸酯键 氢键作用的碳酸酯键 氢键作用的氨基 甲酸酯键p 4 t 3 5 1 。在单核衍生巨嗜细胞( m d m ) 与材料的相间，当细胞被激活， 第二章文献综述 微环境高度酸化，m d m 诱导的碳酸酯键的水解被认为是p c u 降解的主要机理。 l a b o w 等用m d m 研究了p c u 的水解稳定性，得出的结论与其它研究基本一致【3 3 1 。 也有一些文献分析了聚氨酯在体内的降解产物，这些产物主要为具有致癌作用的 二异氰酸酯二胺衍生物。因此，有必要对聚碳酸酯型聚氨酯的体内降解产物做进 一步研究，t a n g 用高性能液相色谱、质谱和原子示踪的办法分离和分析了降解产 物，发现只有m d i 基的聚合物产生了二胺衍生物，同时也证明了m d i 基聚合物具 有最好的水解稳定性【3 6 】。在聚氨酯软段内碳酸酯键的酸解，在以前聚氨酯的老化 研究中已有阐述。a l e x a n d e r 等的狗体内移植实验表明，聚碳酸酯聚氨酯也具有 长期移植后材料柔顺性的损失小和表面性能突出的特点网。 2 4 聚氨酯的表面改性 基于对生物相容性的认识，高分子材料和血液接触主要是在材料的表面上， 所以除了传统的机械性能外，医用聚氨酯材料的主要工作是在材料表面的合成设t 计上，通过对材料表面的改性，来提高材料的生物相容性。主要是从以下几个方 面来开展工作的。 2 4 1 表面肝素化 这实际上是对材料表明采用生理活性物质处理的一种表面修饰。肝素是一种 酸性粘多糖，含有d 葡萄糖醛酸1 ，2 硫酸和d 一葡萄糖胺- 2 ，6 二