（材料学专业论文）基于聚碳酸酯和IPDI的生物稳定性聚氨酯材料的研究.pdf

中文摘要 本论文采用溶液预聚法，以聚碳酸一1 ，6 - - 已二醇酯二醇为软段，脂肪族二 异氰酸酯异佛尔酮二异氰酸酯( i p d i ) 和1 ，4 一丁二醇或三甲醇丙烷为硬段， 成功地合成出一系列不同n c o o h 摩尔比的线型或交联聚碳酸酯聚氨酯，以期 探索研究它们作为一种对人体安全且具有良好的生物稳定性的心血管材料的可 能性。 利用傅立叶变换红外光谱法( v r - m ) ，氢核磁共振光谱法( 1 h - n m r ) 5 + g i _ y 合成聚合物的结构；利用凝胶渗透色谱法( g p c 翘i 定了聚合物分子量，并讨论了 n c o o h 摩尔比对其的影响；利用差热扫描量热法( d s q 对合成聚合物的热性能 进行了测定，讨论了n c o o h 摩尔比和化学交联对微相分离的影响。并测试了 合成聚合物的力学性能及形状记忆性能，研究了n c o o h 摩尔比、硬段含量、 聚集态结构对合成的聚碳酸酯型聚氨酯弹性体力学性能的影响规律。结果表明， 对于线型的聚合物，其微相分离程度是随着n c o o h 摩尔比的增大而增大，分 子量是随着n c o o h 摩尔比的增大呈先增大后减小的趋势，其中p a 】2 0 0 不 仅有较好的相分离程度，且具有良好的力学性能( 断裂强度大于4 0m p a ，断裂伸 长率大于3 0 0 ) ；而交联聚合物的微相分离程度则是随着n c o o h 摩尔比的增 大而减小。 最后，对所合成聚合物材料进行体外生物降解实验，采用称重法对降解后的 材料进行评价。其中p c u l i 2 0 0 与p c u l 2 - 1 3 2 表现出较好的水解稳定性，降解 9 周质量损失均不足o 6 ，p c u l 2 - 1 3 2 表现出较优异的耐酶解稳定性，降解9 周质量损失不到1 。说明合成的聚合物材料有一定的生物稳定性。 关键词：聚碳酸酯型聚氨酯，聚氨酯，生物稳定性，i p d i ，降解 a b s t r a c t as e r i e so fl i n e a ra n dc r o s s l i n k e dp o l y c a r b o n a t ep o l y u r e t h a n e s ( p c u s ) w i t h v a r i a t i o no fn c o o hm o l a rr a t i ow a s s y n t h e s i z e db y s o l u t i o n t w o - s t e p p o l y m e r i z a t i o n p o l y h e x a m e t h y l e n ec a r b o n a t ed i o l sw e r eu s e du s s o f ts e g m e n t , i s o p h o r o n ed i i s o c y a n a t e ( i p d i ) a n d1 , 4 b u t a n e c l i o lo rt r i h y d r o x y l m e t h y l e n ep r o p a n e a sh a r ds e g m e n t s n 地p u r p o s eo f t h i sp a p e ri st oe x p l o r ep o s s i b i h t yo f p c u su s e da s s e c u r ea n db e t t e rb i o s t a b l ec a r d i o v a s c u l a rm a t e r i a l s t h es t n 】c a l r co fp o l y m e rs y n t h e s i z e dw a sa n a l y z e db yf t 一己a n d1 h - n m r m o l e c u l a rw e i g h t so f t h ep o l y m e rw e r em e a s u r e db yg p ca n dd i s c u s s e dt h ee f f e c to f n c o o hm o l a rr a t i o d s cw a su s e dt oc h a r a c t e r i z et h e i rt h e r m a lp r o p e r t i e sa n dt h e e f f e c to f n c o o hm o l a rr a t i oa n dc r o s s l i n k i n go nm i c r o p h a s e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a n ds h a p em e m o r ye f f e c to fm a t e r i a l sw a sm e a s u r e d t h ee f f e c to fn c 0 o hm o l a r r a t i o ，h a r ds e g m e n tc o n t e n ta n dc h e m i c a ls l r u c t u r eo i lm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fp c u s w a sa l s od i s c u s s e d 1 1 1 er e s u l t ss h o w e dd c g r c co f m i c r o p h a s ei n c r e a s e da n dm o l e c u l a r w e i g h td e c r e a s e dw i t hn c o o hi n c r e a s e d p c u l i 2 0 0h a dr e p r e s e n t a t i v e m i c r o p h a s ed e m i x i n gs t r u c t u r ea n dg o o dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ( u l t i m a t et e n s i l es t r e s s e x c e e d e d4 0m p aa n de l o n g a t i o ne x c e e d e d3 0 0 蚴a n dd e g r e eo fm i c r o p h a s e d e c r e a s e dw i t hn c o o hi n c r e a s e df o re r o s s l i n k e dp c u s b i o d e g r a d a t i o nb e h a v i o r so fp c u sw e r es t u d i e d n v i t r ob y m e i g h tl o s s p c u l l 2 0 0a n dp c u l 2 1 3 2s h o w e db e t t e rb i o s t a b i l i t y ，a n dt h e i rw e i g h tl o s s e sw e r e n o te x c e e d e d0 6 a f t e r9w e e k s nv i t r o p c u l 2 1 3 2s h o w e dg o o df f f l z y m e b i o s t a b i l i t ya n di t sw e i g h tl o s sw a sn o te x c e e d e d1 a f t e r9w e e k s t h er e s u l t s i n d i c a t e dt h em a t e r i a l sh a db e t t e rb i o s t a b i l i t y k e y w o r d s ：p o l y c a r b o n a t ep o l y u r e t h a n e s , p o l y u r e t h a n e s ，b i o s t a b i l i t y , i p d i ， d e g r a d a t i o n 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，也不包含为获得鑫生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：掀 签字日期：z u 形年2 月2 ；日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞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：杏蘸敷 导师签名： 扬奎凯j 签字日期：础i 年2 月2 3 日 签字日期：o f 年月衫日 天津大学硕士学位论文第一章前言 第一章前言 在人们探索生病科学的时期，对于各种威胁人体健康的疾病，都逐渐地提出 相应的对策，以有效的维持人体的生命安全。据德新社报道，欧洲心脏病学家联 合会主席让一皮埃尔巴桑在慕尼黑召开的联合会年度大会上说，心血管疾病已 成为威胁人们健康的第一杀手。而人工心血管成为提高心血管患者生活质量的一 种有效方法。目前膨体聚四氟乙烯制( e p t f e ) 已成功用于制造较粗的血管，但 是，对直径小于6m m 的血管，因为血液凝结或细胞组织堵塞的原因，这些材料 往往不适用【l 】。本研究工作就以此为出发点。 长期植入体内材料的性能要求是很严格的，包括良好的力学性能，良好的生 物相容性，良好的生物稳定性等，而且在与血液长期接触的装置还有三个主要问 题：血栓、钙化和感染，表面诱导血栓也是在外科与人工器官的应用中的存在的 一个严重问题【2 】，聚氨酯由于它具有两相分离结构表现出良好的血液相容性，同 时还具有良好的机械性能成为心血管材料的首选材料【3 4 】。在聚氨酯这个庞大的 家族中，聚碳酸酯聚氨酯又较聚醚型聚氨酯和聚酯型聚氨酯表现出较优异的性 能，很可能代替传统的聚醚型聚氨酯用于长期植入体内的材料 5 1 。而现已商品化 的聚氨酯材料如b i o m e r t m 、p e l l e t h a n e t m 、c a r d i o t h a n e t m 等，多采用芳香族4 ，4 一二苯甲烷二异氰酸酯( m d i ) 做为其硬段结构。有研究人员发现，m d i 在体内降 解可能含有4 ，4 一甲烷二苯基二胺( m d a ) ，该物质对人体有致癌的可能【6 】。 在本课题的研究中，就从聚碳酸酯型聚氨酯入手，选用不含苯环结构的脂肪 族二异氰酸酯为原料，以期合成一种对人体安全且具有良好的生物稳定性的心血 管材料。采用聚碳酸一1 ，6 一己二醇酯二醇为软段，脂肪族二异氰酸酯异佛 尔酮二异氰酸酯和1 ，4 一丁二醇或三甲醇丙烷为硬段合成一系列线型和交联的 聚碳酸酯型聚氨酯材料，并利用凝胶渗透色谱法( g p c ) 、傅立叶变换红外光谱法 f i t - m ) 、氢核磁共振光谱法( 1 h - n m r ) 、差热扫描量热法( d s c ) 、力学性能测试等 方法研究其结构与性能的关系。对所合成聚合物材料进行体外生物降解实验，采 用称重法对降解后的材料进行评价。本研究主要分以下三部分： 1 聚碳酸酯型聚氨酯的制备( 包括线型的和交联的) ； 2 对所制备的聚碳酸酯型聚氨酯进行表征； 3 选择几种聚碳酸酯型聚氨酯材料做生物降解实验评价其生物稳定性。 天津大学硕士学位论文第二章文献与综述 第二章文献与综述 聚氨酯弹性体是指在分子主链上含有较多氨基甲酸酯基团的一类弹性聚合 物。自从1 9 3 7 年b a y e r 等人合成了世界上第一个聚氨酯材料n l 舳柚eo m ， 直到今天，关于聚氨酯的研究仍在继续。聚氨酯的种类繁多，化学结构虽然复杂， 但它都是由聚酯或聚醚等聚多元醇的柔性链段，与二异氰酸酯和低分子扩链剂等 构成的刚性链段交替组成的具有优良的物理机械性能的嵌段聚合物。其优良的宏 观性能是受其特殊的微观结构控制的，大部分非极性低熔点软段与极性的高熔点 硬段是不相容的，结果发生了相分离，同时生成了共价键键合的微相区，研究表 明，这种微相分离结构赋予了材料良好的血液相容性嘲，为聚氨酯成为生物材料 提供了可能。 聚氨酯材料最早做为生物材料是在2 0 世纪5 0 年代后期，聚酯型聚氨酯被用 于做人工乳房 9 1 ，由于在体内水解，这种材料已经退出医用领域 5 1 。聚醚型聚氮 酯具有水解稳定性，良好的生物相容性【l o 】，因而在过去2 0 多年中聚醚型聚氨酯 替代了聚酯型聚氨酯，在植入材料领域发挥了巨大的作用，至今仍广泛应用于心 脏起搏器绝缘导线、人工血管、人工心脏瓣膜等【l “。但一些研究证明，在长期使 用过程中，聚醚型聚氨酯易发生氧化降解f 9 ，1 2 - 阚。目前还没有能完全满足长期植 入体内要求的高分子材料，因而提高生物材料体内生物稳定性与生物相容性成为 重要的研究方向。本章对于聚氨酯的特点、医用聚氨酯的历史、使用现状、生物 降解的机理以及新型生物稳定聚氨酯的研究现状进行综述。 2 1 聚氨酯弹性体的特点 2 1 1 聚氨酯的微相分离结构 聚氨酯的用途非常广泛，无论是在工业上用于制备粘合剂、高档涂料、建筑 材料、涂饰剂等【1 7 1 ，还是在生物材料领域，聚氨酯以其优良的力学性能、良好的 生物相容性和稳定性被用于制造人造血管、导液管、血液泵、人工心脏瓣膜，以 及药物载体，稳定剂等【l 。聚氨酯优异的性能源于它特殊的微相分离结构。 c o o p e rs l 1 8 1 在研究多嵌段聚氨酯时，于1 9 6 6 年首先提出聚氨酯具有微相 分离的本体结构。从聚氨酯分子的构型和构象来看，在聚氨酯分子中，有的链段 在常温下有许许多多的构型构象：作为柔性链段的聚醚、聚酯或聚烯烃链段等非 天津大学硕士学位论文 第二章文献与综述 常柔顺，呈无规卷曲状态，通常又称为软段；而由小的烃基、芳香基、氨基甲酸 酯或取代脲基组成的刚性链段，在常温下伸展成棒状，链不易改变其构型构象， 这种链段比较僵硬，所以又称为硬段，一般由二异氰酸酯和小分子二醇或二胺等 扩链剂反应而生成。 在聚氨酯弹性体中由于硬段互相规整有序的紧密地排列在一起，形成了结晶 区。而软段却仍是无规卷曲排列，形成了无定形区。因而，在聚氨酯弹性体中， 就由于有各种大小不等的硬段微小结晶区( 称为微区) 悬浮分散在无定形相中， 这就构成了聚氨酯弹性体的“微相分离”结构( 如图2 1 所示) 。聚氨酯弹性体 的结晶相给弹性体提供了高强度、剐性、高熔点等性能。无定形相又给弹性体提 供了柔性、弹性等性能。只要把这两者调配好，便能获得具有优异性能的聚氨酯 弹性材料。 聚氨酯弹性体链段的结晶，是指聚合物相邻的链段规整有序排列。聚氨酯弹 性体的长链分子本来是无规卷瞳的，但是，由于分子内和分子之间的作用力，或 者冷却，或者在外力的作用下，使聚氨酯弹性体的链段趋向于排列规整，或者折 迭靠紧，链段不能自由地旋转和运动，因而形成了结晶。聚氨酯链段结晶趋势的 大小，从它本身来说，取决于分子之间的作用力和分子结构的规整有序性。但绝 大部分的高聚物实际只存在部分结晶，没有完全结晶的。也正是由于这样，在聚 氨酯弹性体中，形成了结晶相与无定形相两者共存的“微相结构”。 段 图2 - i 聚氨酯的微相分离结构示意图 f i g 2 - is c h e m a t i ch a r d a n ds o rs e g m e mo f d o m a i ns a u c t u r e 田 一般地，构成聚氮酯的硬段的刚性越大，硬段含量越高，而软段越柔顺，或 者软段的玻璃化温度越低，就越容易发生微相分离。但微相分离程度并非越高越 天津大学硕士学位论文 第二章文献与综述 好，如果硬段软段问分离程度过高造成宏观的两相分离，则此时软硬段问无作用 力可言，聚氨酯力学性能反而严重恶化。 2 1 2 聚氨酯具有优异的力学性能 热塑性聚氨酯具有优异的物理机械性能，如拉伸强度、伸长率都较高。热塑 性聚氨酯的化学结构和邵氏硬度不同，其拉伸强度也不同，大约从2 5 7 0i v i ：p a 。 热塑性聚氨酯有非常优异的耐磨性，测试结果般在0 0 3 - - 0 2 0m m 3 m 范围 内，约为天然橡胶的3 - 5 倍【1 8 1 。确保聚氨酯弹性体具有高度耐磨性的主要原因 是它的弹性。热塑性聚氨酯的抗撕裂性也很好，在很宽的温度范围内均具有柔顺 性。 2 1 3 聚氨酯具有良好的生物相容性 b o r e t o s 等【 在1 9 6 7 年首次将一种嵌段聚醚型聚氨酯植入犬体内4 周未发生 凝血现象。以后的研究表明，医用聚氨酯材料的血液相窑性与材科的“微相分离” 结构有关。l y m a n 等”嘞究了嵌段聚氨酯的化学组成和结构对细胞生长的影响， 发现软段聚丙二醇( p p g ) 在1 0 0 0 - 1 4 0 0 之间具有合适的表面形态，生物相容性 好。t a k a h a r a 进一步研究了软段分子量【2 0o 和不同皿甲基数目的二元胺扩链剂1 2 i 】 对嵌段聚氨酯血液相容性的影响，证实血液相容性与材料的微相分离结构密切相 关。n a k a j i i n a 【丑1 提出了覆盖控制模型( c a p p i n gc o n t r 0 1 ) 理论来解释聚氨酯微相 分离结构对血液相容性的贡献。聚氨酯的化学结构是氨基甲酸酯它与人体蛋白 质是同系物，所以相容性好。 2 2 聚氨酯弹性体的合成方法 聚氨酯的合成方法按有无溶剂分类有两种：无溶剂的本体聚合法和有溶剂的 溶液聚合法。按是否进行预反应分类，又有一步法和预聚法吲。 2 2 1 一步法 在一定的设备中，聚合物多元醇，二异氰酸酯和扩链剂三种原料同时按照一 定比例配比进行混合成胶的方法。其工艺流程如下图2 - 2 所示。 天津大学硕士学位论文第二章文献与综述 二异氰酸酯l 聚合物多元醇 ，充分混合反应卜脱泡入模具 扩链剂( 小分子多元醇或胺) l 图2 - 2 一步法制备聚氨酯弹性体的工艺流程图 f i g 2 - 2t e c h n i c sf l o wc h a r to f p r e p a r i n gp o l y u r e t h a n e sb yo n e - s t e p 一步法制胶方法操作比较简单，耗能比预聚体法低，但所得的聚氨酯弹性体 性质不如预聚体法所制得的聚氨酯。其原因是由于刚性链段和柔性链段分布不均 匀，在形态学上微相分离不理想所致，而使其物性不够理想。 2 2 2 预聚法 预聚法也称为两步法，是由二或多羟基化合物和另一摩尔比过量的二或多异 氰酸酯反应形成的一种在终端位置上含有异氰酸酯基团的加聚反应中间体，此中 间体可与扩链剂如二元醇，二元胺反应，其工艺流程如图2 3 所示。 身融酯| 一上= 一一 预聚体三+ 脱泡 入模具 聚合物多元醇l 图2 - 3 预聚法制备聚氨酯弹性体的工艺流程图 f i g 2 - 3t e c h n i c sf l o wc h a r to f p r e p a r i n gp o l y u r v t h a n e sb yt w o - s t e p 这种方法可保证低反应性聚合物多元醇的完全反应。其最主要的优点是能通 过加聚反应制出所希望的任何中间体，它们都是末端具有一n c 0 基团的产物。 预聚体法合成的聚氨酯刚性链段与柔性链段分布均匀，因而全面性能优良。 天津大学硕士学位论文第二章文献与综述 2 3 生物稳定型聚氨酯的研究进展 2 3 1 生物稳定性的提出 1 9 7 8 年聚醚型聚氨酯( 商品名为：p e l l e t h a n e ) 被用于心脏起搏器绝缘线。1 9 8 1 年，p a r i n s 2 4 首先报道了p e l l e t h a n e 2 3 6 38 0 a 心脏起搏器的绝缘线植入体内1 2 周出现了降解现象。s z y c h e rm 2 5 1 首先于1 9 8 3 年提出聚醚型聚氨酯在体内的降 解可能是一种氧化过程。主要包括两种过程：环境应力开裂( e s c ) ，它是表面裂 纹在应力作用下向材料基体内部的扩展：金属粒子氧化降解( m i o ) ，它是由于金 属离子的催化作用导致的材料氧化破坏闭。e s c 和m i o 均为一种氧化过程。从 此，聚氨酯材料的生物稳定性问题受到了人们的关注。 2 3 2 生物材料的定义及基本条件 生物材料是一类植入躯体活系统内或与活系统相结合的非药物物质，它用于 诊断、治疗疾病或修复、替代组织器官。它是一类与人类生命和健康密切相关的 功能材料。生物材料包括合成高分子、天然高分子，陶瓷材料以及金属材料等。 很难找以到完全满足上述要求的材料。作为生物高分子材料，要求是很严格的， 首先必须满足以下一些基本条件 2 7 1 ： ( 1 ) 化学稳定性，要求高分子材料不会与体液发生反应而变性老化，丧失其功能， 体液也不能因与材料接触而受到影响，发生变化。 ( 2 ) 组织相容性，要求材料对人体组织不会引起炎症或是异物反应。 ( 3 ) 不会致癌，现代医学理论认为，人体致癌的原因是由于正常的细胞发生了变 异，当这些变异细胞以极其迅速的增长并扩散时，就形成了癌。当高分子 植入体内后，高分子材料的性质，如分子量及其分布、构型、构象、交联 度或结晶度，材料中所含的杂质、单体、添加剂等都可能与致癌有关。但 研究表明高分子材料与其它材料相比并没有更多的致癌可能性。 ( 4 ) 血液相容性，人体的血液在表皮受到损伤时，会自动凝固形成血栓，这是一 种生物体的自然保护性反应。凝血主要是由于血小板的聚集并与凝血酶结 合所致。实验发现，吸附血蛋白的表面上血小板粘附得较少，而吸附y 球 蛋白或纤维蛋白原的表面易于粘附血小板。因此，应使材料表面具有优先 吸附血蛋白的特性，以减少血小板的粘附。高分子材料在与血液接触时， 也会产生血栓，因为当异物与血液接触时，血液流动状态发生了变化，情 况与表面损伤相似，也将在材料表面凝血产生血栓。 ( 5 ) 力学稳定性，许多医用材料一旦植入人体，将长期存留，有些甚至要伴随人 天津大学硕士学位论文第二章文献与综述 的一生，因此，要求材料在及其复杂的人体环境中不会很快失去原有的机械 强度。一般来说，化学稳定性好的，不含降解基因的高分子材料，其机械稳 定性也比较好。 在所有可植入人体的人工合成高分子材料中，聚氨酯以其优异的物理机械性 能和生物相容性成为研究最多、应用最广的医用高分子材料。目前这种材料广泛 用于心脏起搏器绝缘导线、人工血管、人工心脏瓣膜等。 2 3 3 聚氨酯在体内的降解机理 一。一c 啦c h 广c h 广c 玛r o c h 广c h 广。一 h o m l 舯o 1 一o c 广c h z c h r e h o c h 广c h ：一 o o h - - h 2 0 一o - c 广c h 广c h 广c _ o c 广c h 广 如。jr 堋一s o c h 广c h 广c 广c _ o + h o - c h 广c h r o 图示2 - 1 聚醚型聚氨酯的体内降解机理【1 3 j s c h 2 - 1ap r o p o s e dm e c h a n i s mf o rt h ei nv i v od e g r a d a t i o no f p o l y e t h e rp o l y u r e t h a n e s 【l 习 了解聚氨酯在体内的降解机理对于设计和研究体内稳定的聚氨酯具有重要 的意义。聚氨酯的体内降解机理的研究对象主要是聚醚型聚氨酯，因为这种材料 天律大学硕士学位论文 第二章文献与综述 是目前作为植入材料应用最广的聚氨酯材料。从2 0 世纪8 0 年代至今，对聚醚型 聚氨酯降解的研究已有2 0 多年，目前比较公认的观点有两种降解机理：氧化机 理和酶解机理。a n d e r s o n 等【1 4 】在结合其他研究者结论的基础上，于1 9 9 2 年提出 聚醚型聚氨酯在体内的降鳃机理即细胞介导的氧化降解机理假说见图示2 - 1 。在 a n d e r s o n 的假设中，材料植入体内后诱发炎性反应，白细胞和巨噬细胞等粘附 在材料表面，释放出氧化自由基，夺取醚键- - o - - 的a c h 2 的h 原予，从而引 发高分子链的降解。同时在酯酶的作用下，聚醚软段降解成酸和醇。 2 3 4 聚氨酯作为生物材料的合成进展 2 3 4 1 聚酯型聚氨酯 聚氨酯材料在医用领域的使用是在2 0 世纪5 0 年代后期，聚酯型聚氨酯是第 一代用于生物材料的聚氨酯，将它作为乳房假体植入体内【9 】，但是由于聚酯软段 的水解，不适合作为长期植入医用材料，这种材料已经退出了医用领域【5 】。在后 来的研究中发现，聚酯型聚氨酯在体内因酶的作用加速了水解，1 9 9 6 年l a b r o w 等【2 s 】将聚酯型聚氨酯与聚醚型聚氨酯用人的嗜中性蛋白酶处理，发现聚酯型聚氨 酯的降解速度比聚醚型聚氨酯降解速度快1 0 倍。 2 34 2 聚醚型聚氨酯 聚醚型聚氨酯相对于聚酯型聚氨酯具有杰出的水解稳定性，这是由于聚醚型 聚氨酯链中的醚键比酯键更稳定，在过去的2 0 多年中已经广泛应用于医用材料 领域 5 , 1 2 - 1 7 。作为软段的聚醚常用的有聚四亚甲基s , - - 醇( p t m c ) 、聚氧化丙烯二 醇( p p g ) 、聚环氧丙烷( p p o ) 等。7 0 年代后期，u p j o h nc o 【2 9 】开发出一系列聚醚型 聚氨酯材料，商品名为p e h e t h a n e - 2 3 6 3 t m ，其软段使用的是p 1 m g ，该材料包含 一系列不同硬度的材料，以适应植入装置的需要。该材料广泛应用于心血管导管、 人工器官等。1 9 7 8 年聚醚型聚氨酯( 商品名为：p e l l e t h a n e 2 3 6 38 0 a ) 被用于心脏 起搏器绝缘线。但大量研究已经表明，聚醚聚氨酯长期在生物体内也不稳定，容 易在血液中由巨嗜细胞所产生氧自由基的作用下氧化降解，导致生理条件下的应 力开裂1 3 0 】，不适合做为长期植入产品。s t o k e s 等i 硼指出p e l l e t h a n e 作为心脏起搏 器绝缘线失败的原因是p r i m g 软段、生理环境和该心脏起搏器装置的金属成分 相互作用而导致的降解，并将这种降解过程认为是伴随e s c 的自氧化过程。 因此，改善生理条件下聚氨酯的生物稳定性是聚氨酯生物材料的一个重要研 究方向。对于聚氨酯形态学好的理解，是改进聚氨酯材料的关键。很多因素都能 影响聚氨酯的形态学，如硬软段相分离程度、结晶和微区尺寸。相关研究表明， 天津大学硕士学位论文第二章文献与综述 热塑性聚氨酯的形态学和属性极大地受初始化合物的相容性、硬软嵌段组分比 例、平均链段长度( 包括分子量分布) 、材料的热历史以及所经受力学历史的影响 m 捌。对于聚醚聚氨酯形态学的研究，m a r t i n 等考察了c h 2 o 的不同比例对聚 氨酯弹性体形态学的影响，他们分别用聚环氧乙烷( p e o ) 、p t m g 、聚氧六亚甲 基二醇( p h m o ) 、聚氧八亚甲基二醇( p o m o ) 、聚氧十亚甲基二醇( p d m o ) 和聚( 碳 酸一l ，6 一己二醇一1 ，2 一z , - - 醇) 酯( p c d o ) 作为聚氨酯的软段反应物，c h 2 ，o 比最高的聚氨酯呈现了较大的硬段微区结晶，高的相分离程度、硬度和不透明性。 p o m o 基的和p d m o 基的聚氨酯在软段微区也出现了不完全晶体【3 3 1 。接着， m a r t i n 又发表了他新的研究结果，当聚醚型聚氨酯中软段含量顺序下降时，硬段 微区可以由分散的填充状态变成连续的相互连接状态，这种现象的临界硬段含量 为5 2 州。m a r t i n 也考虑了平均链段长度对聚氨酯形态学的影响，发现随着软 嵌段长度增加，材料两相分离程度也增加，微区平均距离、硬段微区有序程度、 硬度和不透明性也增加阱j 。 2 3 4 3 聚碳酸酯型聚氨酯 9 0 年代初期开发出一种新型的生物稳定性聚氨酯材料聚碳酸酯型聚氨 酯，相对于聚醚型聚氨酯，一些文献报道，这种材料有可能将会用在医用材料的 长期移植中。第一个商品化的生物稳定聚氨酯是c o r v i t a 公司p i n c h u k 3 6 j 7 】等开发 的聚碳酸酯型聚氨酯，商品名为c o r e t h a n e t m 卯。这种聚氨酯由p c d o 软段和m d i 生成预聚物，然后由丁二醇扩链而成。这种聚氨酯材料植入动物或人体内达3 年 时间，完全通过了作为人工血管的性能测试。采用s t o k e s 的4 0 0 预拉伸植入实 验，兔皮下植入6 个月后，p e l l e t h a n e 严重降解，而通过扫描电子显微镜( s e m ) 没有发现c o r e t h a n e t m ，其软段结构与c o r e t h a n e t m 相同，只是硬段是由m d i 与乙 二胺和l ，4 一环己基二胺组成，这种材料用于要求耐疲劳性好的制品，如人工 心脏隔膜。 聚碳酸酯聚氨酯在体外实验中表现出良好的生物稳定性，包括良好的细胞粘 附和生长，较低的血小板活性和较少的炎性反应。它的这种生物稳定性主要是由 于聚碳酸酯聚氨酯的较大程度的相分离结构网。其实，聚碳酸酯型聚氨酯最大的 优点是比聚醚型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聚碳酸酯型聚氨酯是易于水解的，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，结晶废越大，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【3 9 蚰】用胆固醇酯酶( c e ) 评价了脂肪族 天津大学硕士学位论文第二章文献与综述 聚碳酸酯聚氨酯( p c n 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。在单核衍生巨嗜细胞( m d m ) 与材料的相间，当细胞被激活， 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 n u 降解的主要机理。 l a b o w 等j 用m d m 研究了p c n u 的水解稳定性，得出的结论与其它研究基本 一致。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 趾g 【4 2 】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。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 4 3 1 。a l e x a n d e r 等水】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。 2 3 4 4 聚硅氧烷型聚氨酯 有机硅一聚氨酯共聚物是一类新型高分子材料，从分子链段结构来看，它既 含有优异介电性、柔韧性、耐水性、透气性及生物相容性的有机硅链段，同时又 具有良好的热稳定性及耐磨性的聚氨酯链段，已广泛应用于电子工业及人造器官 等领域【l ”。在合成的聚硅氧烷聚氨酯中，有机硅多采用聚二甲基硅氧烷( p d m s ) ， 其本身具有低毒、韧性好、耐氧化、热稳定性及生物相容性好的特点，尤其极低 的玻璃化温度使它应用范围很广。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【4 5 1 。l i r a 4 6 将不同比例的聚 醚二醇和聚硅氧烷二醇作为聚氨酯软段，实验结果证明硅链的加入对血小板和纤 维蛋白的沉积都有一定改善。s i m m o n s 3 s 等合成了一种由p d m s 和p i 越i o 共混 的大分子二醇作为软段的聚硅氧烷聚氨酯，商品名为e l a s t e o i l 删28 0a ，为了 考察这种材料的生物稳定性，与三种生物稳定性较好的己商品化的材料 p e l l e t h a n e t m2 3 0 3 8 0a ，p e l l e t h a n e t m2 3 6 3 5 5 d 和b i o n a t e t m5 5 d 比较，将这几种 材料制成哑铃型植入绵羊体内2 4 个月，采用s e m 、f t - i r 、d s c 分析及应力测 试，结果显示含有柔韧性好的p d m s 的聚氨酯e l a s t - e o n r m28 0a 的生物稳定性 比以p h m o 为软段的p e l l e t h a n e t m2 3 0 3 8 0a 要好的多，接近甚至优于 p e i l e t h a n e t m2 3 6 3 5 5 d 和b i o n a t e t m5 5 d 两种材料。尤其是以2 0 p h m o 和8 0 天津大学硕士学位论文第二章文献与综述 p d m s 的大分子二醇为软段合成的聚硅氧烷聚氨酯与几种以往的商品化聚氨酯 相比有着杰出的长期生物稳定性。 为了进一步改善有机硅一聚氨酯的性能，许多研究人员对含氨基的有机硅共 聚聚氨酯进行了改性。目前含氨基的有机硅共聚改性聚氨酯的方式主要有两种， 一种是利用双氨基封端的聚二甲基硅氧烷于聚氨酯形成嵌段共聚物 4 7 - 5 1 】，另一种 是利用侧链含有多氨基基团的聚二甲基硅氧烷与聚氨酯接枝反应形成有机硅一 聚氨酯共聚物【5 2 捌。前者硅氧链段被嵌在聚氨酯主链中，它向表面迁移的能力受 到主链的牵制，所以为了获得较好的表面改性效果，常需要加入大量的氨基硅油， 但这同时也会导致聚氨酯的力学强度明显下降。后者硅氧烷链悬挂在聚氨酯的主 链上，有利于硅原子向表面迁移，只需加入少量的氨基硅油，就能改善聚氨醣的 表面性质，但由于有机硅和聚氨酯两类聚合物的溶解度参数相差大i s 4 及氨基硅油 与二异氰酸酯反应迅速，所以聚合反应都需要在特殊溶剂中进行，这样虽能提高 聚氨酯的性能，但有机溶剂易燃易爆、易挥发、气味大且具有一定的毒性，生产 和使用时都会造成环境污染，不利于环保。最近陈精华等【5 5 】采用特殊的工艺条件， 利用p p g 、氨乙基氨丙基聚二甲基硅氧烷一俗称氨基硅油( a e a p s ) 、甲苯二异氰 酸酯( t d i ) 在无溶剂条件下合成了一系列有机硅一聚氨酯预聚体，并采用新型固 化剂2 ，4 一二甲基硫甲苯二胺( d a d m t ) 固化，制得有机硅一聚氨酯材料，该合 成方法操作简单，且无环境污染，有望实现环保型工业化生产，使有机硅改性聚 氨酯材料在医用材料方面得到更广泛得应用。 2 4 聚氨酯的改性处理 因聚氨酯本身具有良好的强度和弹性，因此改性的目的是在保持聚氨酯本身 优异力学性能的同时，使聚氨酯具有更好的生物稳定性和生物相容性。通常，对 聚氨酯的改性主要有以下几种方法：表面活性端基( s m e ) 改性、在聚氨酯表厩接 枝聚合、在聚氨酯表面形成半互穿网络、使用表面活性添加剂( s m a ) 以及纳米无 机材料共混。 2 4 1s m e 改性 s m e 改性作用的机理是s m e 与聚氨酯的端异氰酸酯基反应，形成以s m e 封端的共聚物。由于s m e 在聚氨酯表面具有较大的活性，能够在聚氨酯表面形 成完整的覆盖层，使聚氨酯的表面性质发生变化5 6 】。2 0 世纪9 0 年代中期，w a r d 等5 刀采用溶液聚合、乳液聚合和本体聚合等多种方法合成了一系列由p d m s 作 为封端剂的含硅嵌段共聚物。由于p d m s 用量较少( 小于1 0 ) ，因此对聚氨酯 天津大学硕士学位论文 第二章文献与综述 本体性能无大的影响。但由于p d m s 与聚氨酯之间的协同作用，因此这类含硅 共聚物具有良好的抗金属离子氧化性和抗环境应力开裂性，大大提高了水解稳定 性w a r d 等i ”j 还做了聚碳酸酯型聚氨酯的氧化降解试验，将低硬度( 邵尔a 型硬 度6 5 ) 聚碳酸酯型聚氨酯植入兔子肌肉内，1 2 个月后取出，用s e m 分析，发现 在聚碳酸酯型聚氨酯的s e m 图片中显示网状长裂纹，而在p d m s 封端的聚碳酸 酯型聚氨酯s e m 图片中只有一些圆形的孔。w a r d 等【5 8 】解释说在未植入的对照试 样中也有类似的圆孔，说明这些孔是溶液成膜产生的，不是降解的结果。由此说 明纯聚碳酸酯型聚氨酯有一定降解，而p d m s 是很好的稳定剂，通过p d m s 的 加入，提高了共聚物的生物稳定性。s h e n 等1 5 9 使用不同的s m e 来改性聚氨酯， 分别采用亲油性的p d m s 和p e o 以及亲水性的烷基磺酸盐作为s m e 对聚氨酯 进行封端。通过合频振动频谱仪研究这3 种s m e 改性的聚氨酯对血纤维蛋白原 的吸收情况，发现以p d m s 和p e o 为封端剂改性的聚氨酯表面对血纤维蛋白原 的吸收很弱，而以s 0 3 一一封端的聚氨酯对血纤维蛋白能很好的吸收。 对于s m e 改性，选择合适的s m e 是这种方法的一个重要因素，通过封端基 团改变聚氨酯材料表面的化学以及物理特性，从而提高功能聚氨酯的生物稳定性 以及生物相容性，但由于可供选择的s m e 为数不多，而且有些封端基团在聚氨 酯材料表面不能自发组合成有序的结构，因此这种方法有一定的局限性。 2 4 2 表面接枝聚合改性 这种改性方法是通过物理或化学方法活化聚氨酯表面，使其表面产生活性基 团，从而使聚氨酯表面的化学性质得以改善，然后在表面发生接枝聚合反应，引 入所需的官能团。如h s u 等i 删将聚氨酯溶于四氢呋喃后成膜，用氩等离子体处 理，在空气中放置一定时间，浸入溶有左旋丙交酯的甲苯中，脱气封管在7 0 反应5h ，得到表面接枝左旋丙交酯的聚氨酯膜。通过表面电子能谱( e s c a ) 分析 显示，处理后表面基团发生变化，有新的基团形成。经过如此表面接枝处理的聚 氨酯膜对成纤维细胞的黏附性，较未处理聚氨酯膜有了成倍增长，减少了血小板 的黏附。又如y u a n 等l “荆用臭氧化作用在聚醚型聚氨酯表面引入活性过氧化物， 然后与二甲基丙烯酸酯乙基季铵丙磺酸内盐( d m a p s ) 进行接枝反应。通过血小板 凝聚试验以及扫描电镜分析发现，经过d m a p s 接枝改性的聚氨酯具有良好的血 相容性，聚氨酯表面与富含人体血小板的血浆接触3h 后有明显的血小板凝结现 象，而用d m a p s 改性的聚氨酯表面几乎没有血小板凝结现象。y u a n 掣刚认为 这种现象产生的原因可能是经过d m a p s 的改性处理，聚氨酯的表面由亲油性转 变为亲水性，从而提高了聚氨酯表面的血相容性。 表面接枝聚合是一种很好的聚氨酯材料表面改性的方法，但聚氨酯材料表面 天津大学硕士学位论文第二章文献与综述 化学性质的改变和传递细胞的表面化学过程之间的相互关系还需要进一步探讨， 并且其操作过程的复杂性也有待解决。 2 4 3 表面形成互穿网络改性 互穿网络聚合物( i p n ) 是指2 种或2 种以上聚合物相互贯穿而形成的聚合物网 络体系，这种网络间的缠绕可明显地改善体系的分散性、界面亲和性，从而提高 生物稳定性，实现聚合物性能互补，达到改性的目的。m o r i m o t o 等i 位l 在嵌段型 聚氨酯表面用亲水性的甲基丙烯酸羟乙酯磷酰胆碱( m p c ) 在可见光辐射下形成 半互穿网络，用x 射线光电子能谱仪( x p s ) 及接触角仪对改性后的聚氨酯薄膜进 行了表征，结果表明，m p c 基团富集于膜表面；少量m p c 的引入能显著改善聚 氨酯膜的表面亲水性，而且可以明显减少蛋白质和类脂的吸附，大大降低炎症反 应和排异反应，通过血小板凝结试验及s e m 图谱观测到纯聚氨酯膜在施加应力 的前后都有血小板凝结现象，而改性后的聚氨酯膜表面抗凝血性有明显提高，在 施加应力前后都没有血小板凝结现象发生。 在聚氨酯材料表面形成互穿网络改性的方法相对简单，并且将互穿网络锚定 在本体材料上，克服了表面涂覆易脱落的缺点，在一定程度上提高了聚氨酯植入 生物体内的长期生物相容性。但由于形成互穿网络后分子运动活性受限制，难以 达到在聚氨酯表面自组装成生物膜样表面的目的。 2 4 4s m a s m a 是相对分子质量较大的二元共聚物或三元共聚物，而且和聚氨酯相容， 在共混以及后期贮存的过程中，s m a 迁移到聚氨酯表面，牢固地附着在聚氨酯 表面上，引起聚氨酯表面特性的改变。由于s m a 在结构上是两亲性的，即s m a 具有极性或非极性的链段，并且这些极性和非极性的链段通过硬链段有机连接起 来，因此当环境改变时，可以重新定向排列，亲水基团会暴露，使得聚氨酯材料 表面更亲水，从而减少血液和聚氨酯之间的界面能，提高聚氨酯的抗血凝性。 w a n g 等【6 3 悃过量的m d i 和p e o 反应，得到端基改性预聚物( m p e o ) 作为表面添