（材料学专业论文）柔性聚氨酯生物材料的合成.pdf

中文摘要 随着现代医学的发展，新的医学材料的出现，对生物材料要求越来越高， 而聚碳酸酯型聚氨酯材料正是这样一种对生物稳定性、对人体安全很有应用前 景的植入材料。为了研究聚碳酸酯聚氨酯的结构与性能，本文合成了两种聚i i i ； 酸酯型聚氨酯，并用多种方法进行表征。 本论文采用溶液预聚法，以聚碳酸( 1 , 6 己二醇酯) 二醇( p h c d l ) 为软段， 脂肪族二异氰酸酯一，4 二环己基甲烷二异氰酸酯( h 1 2 m d i ) 或六亚甲基二 异氰酸酯( h d i ) 和l ，4 丁二醇( b d o ) 为硬段，用二月桂酸二丁基锡为催化i f l 成功地合成出一系列不同n c o o h 摩尔比和不同硬段含量的线型聚碳酸酯型 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机械性能的心膪 瓣膜材料的可能性。 利用全反射傅立叶红外光谱( a t r f t i r ) ，氢核磁共振光谱法( 1 h - n m r ) 分析了所合成聚合物的结构；利用凝胶渗透色谱法( g p c ) 测定了聚合物分子量， 并讨论了n c o o h 摩尔比和硬段含量对其的影响；利用示差热扫描量热法 ( d s c ) 对合成聚合物的热性能进行了测定，讨论了n c o o h 摩尔比和硬段含 量对微相分离的影响。并测试了合成聚合物的力学性能，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，所合成的聚碳酸酯聚氨酯结构中含有氨基甲酸酯的基团。对于 该线型聚合物，具有微相分离结构，其微相分离程度和熔融温度不仅与n c o o e 的摩尔比值和硬段含量有关，还和加料方式有关。通过力学性能的分析，所台 成的材料的机械性能不仅与n c o o h 的摩尔比值和硬段含量有关，还和加料力 式有关。材料的杨氏模量还与室温存放时间有关。通过g p c 分析得出，n c o o e = 1 0 5 时，分子量较大，合成的聚合物的分子量随着硬段含量的增加而减小。 关键词：聚碳酸酯型聚氨酯，脂肪族聚氨酯，4 , 4 二环己基甲烷二异氰酸酯， 六亚甲基二异氰酸酯，生物材料 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e mm e d i c a l ，a n dt h ea p p e a r a n c eo fn e wm e d i c a l m a t e r i a l s ，t h er e q u i r e m e n t o f b i o l o g i c a l m a t e r i a l si s g r o w i n g t h e p o l y c a r b o n a t e p o l y u r e t h a n e ( p c u ) m a t e r i a l s a r ec o n s i d e r e dt ob ep o t e n t i a l c a n d i d a t e sf o rt h en e x tg e n e r a t i o no fi m p l a n tm a t e r i a l sw i t hb i o s t a b i l i t ya n ds e c u r i t y f o rh u m a n i no r d e rt os t u d yt h es t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fp c u ，t w os e r i e so fp c u w e r es y n t h e s i z e da n dc h a r a c t e r i z e dw i t hv a r i o u sm e t h o d s as e r i e so fl i n e a rp 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 hv a r i a t i o no f n c o o hm o l a rr a t i oa n dh a r ds e g m e n tc o n t e n tw a ss y n t h e s i z e db ys o l u t i o nt w o s t e p p o l y m e r i z a t i o n , ，u s i n gd i b u t y l t i nd i l a u r a t e ( d b t d l ) a sc a t a l y s t p o l y h e x a m e t h y l e n e c a r b o n a t ed i o lw a su s e da ss o f ts e g m e n t ，4 , 4 - m e t h y l e n e b i s ( c y c l o h e x y li s o e y a n a t e ) h1 2 m d i ) o rh e x a m e t h y l e n ed i i s o c y a n a t e ( h d 0a n d1 , 4 - b u t a n e d i o la sh a r ds e g m e n t s t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st oe x p l o r ep o s s i b i l i t yo fp c u su s e da ss e c u r ea n db e t t e r m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sh e a r tv a l v em a t e r i a l s t h es t r u c t u r eo fs y n t h e s i z e dp o l y m e r sw a sa n a l y z e db yt o t a lr e f l e c t i o nf o u r i e r t r a n s f o r mi n f r a r e ds p e c t r o s c o p y ( a t r , - f t i r ) a n dhn u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c e s p e c t r o s c o p y ( h - - n m r ) m o l e c u l a rw e i g h t so fp o l y m e r sw e r em e a s u r e db yg e l p e r m e a t i o nc h r o m a t o g r a p h y ( g p c ) a n dd i s c u s s e dt h ee f f e c to fn c o o hm o l a rr a t i o a n dh a r ds e g m e n tc o n t e n t d i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e t r y ( d s c ) w a su s e dt o c h a r a c t e r i z et h e i rt h e r m a ip r o p e r t i e sa n dt h ee f f e c to fn c o o , i - im o l a rr a t i oa n dh a r d s e g m e n tc o n t e n to nm i c r o - p h a s es e p a r a t i o n m e c h a n i c a lp r o p e r t i e se f f e c to fp c u w a s m e a s u r e db yt e n s i l et e s t e s t h ee f f e c to fn c o o hm o l a rr a t i o , ，h a j r ds e g m e n tc o n t e n t a n da g g r e g a t i o ns t r u c t u r eo nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fp cu sw a sa l s od i s c u s s e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h es t r u c t u r eo fp c uc o n t a i n st h eu r e t h a n eg r o u p s f o rt h e l i n e a rp o l y m e r s , t h e yh a v eam i c r o p h a s es e p a r a t i o ns t r u c t u r e ，w h i c ha f f i r m e dt h a tt h e d e g r e eo fm i c r o p h a s ea n dt h em e l t i n gt e m p e r a t u r ea r en o to n l yr e l e v a n tw i t ht h e m o l a rr a t i oo fn c o o ha n dt h eh a r ds e g m e n tc o n t e n t , b u ta l s ow i t hf e e d i n gw a y s t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h es y n t h e s i z e dm a t e r i a l sa r eo n l yr e l e v a n tw i t ht h e m o l a rr a t i oo fn c o o ha n dt h eh a r ds e g m e n tc o n t e n t , b u ta l s ow i t hf e e d i n gw a y s y o u n g sm o d u l u si sa l s or e l e v a n tw i t ht h ea g i n gt i m ea tr o o mt e m p e r a t u r e t h r o u g h t h eg p ca n a l y s i s ，w h e nn c o o h = 1 0 5 ，t h em o l e c u l a rw e i g h to fs y n t h e s i z e d p o l y m e ri sh i g h ，a n dm o l e c u l a rw e i g h td e c r e a s e dw i t ht h eh a r ds e g m e n tc o n t e n t i n c r e a s e d k e yw 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 ，a l i p h a t i cp o l y u r e t h a n e ，h 1 2 m d i ， h d i ，b i o l o g i c a lm a t e r i a l s 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外外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗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： 挝揖 l 签字日期：叫夕年占月；日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘茔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码后适用本授权说明) 学位论文作者签名：惫碑 导师签名： 签字日期：知了7 年占月弓日 裼削 签字日期：步月3 日 天津大学硕士学位论文第一章前言 第一章前言 半个世纪以来，随着高分子科学的不断发展，高分子科学开始向其它相关 学科进行渗透，并形成了许多新的边缘学科领域。高分子生物材料科学就是高 分子科学、生命科学与材料科学之间相互渗透形成的一个重要交叉领域。生物 医用高分子材料是以医用为目的，用于与活体组织接触，具有诊断、治疗或替 换机体中组织器官或增进其性能的无生命高分子材料。作为生物医用高分子材 料，它必须具有优异的生物相容性。生物相容性包括血液相容性和组织相容性， 其中血液相容性对材料的要求更为苛刻。血液相容性的内容很多，目前最突出 的乃是，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 【l 】 0 聚氨酯弹性体是人体器官及医疗装置领域应用最广、最为重要的高分子生 物材料之一，这种材料综合了高强度、优良的润滑性、耐磨性、耐疲劳、优良 的可加工性以及良好的生物相容性等优良特性，尽管在短期植入领域已经取得 巨大成功，但长期植入过程中的生物稳定性仍是一个问题。 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材料还有三个主 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1 3 ，引。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1 5 】。而 现己商品化的芳香族聚氨酯有研究人员发现，其在体内的降解产物对人体有致 癌的可能。脂肪族聚氨酯由于没有苯环，其降解产物不含有致癌物质。 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 心脏瓣膜材料。 天津大学硕士学位论文 2 1 概述 第二章文献综述 第二章文献综述 聚氨酯( p u ) 全称为聚氨基甲酸酯，是一类高分子主链上含有重复氨基甲 酸酯结构单元( - n h c o o 基团) 的大分子化合物的统称。通常是由有机二异氰 酸酯或多异氰酸酯和低聚物二元醇或多元醇以及小分子二羟基或多羟基化合物 加聚而成。聚氨酯大分子中除了氨基甲酸酯基团外，还可含有醚、酯、脲、缩 二脲、脲基甲酸酯等基团。聚氨酯的结构变化很多，可以在很宽的范围内调节 其性能，制品种类也很多，如泡沫型材料制品、弹性纤维制品、结构材料、涂 料、粘合剂等怿j 。 在聚氨酯发展初期，聚氨酯的合成是停留在理论研究阶段，根本没有赋予 其使用价值，直到1 9 3 7 年，德国的拜尔及其同事才第一次利用异氰酸酯与多 元醇化合物进行逐步加成反应制得了各种聚氨酯树脂和聚脲化合物才迎来了聚 氨酯工业的新时代。二次世界大战后，美、英、日相继建立工业化生产。2 0 世 纪6 0 年代，由于人们环保意识的增强和政府环保法规的出台，水系p u 涂层 织物已广泛应用；7 0 年代以后，水系p u 涂层迅速发展，p u 涂层织物已广泛 应用；8 0 年代，p u 的研究和应用技术有了突破性进展。目前，聚氨酯的合成 与加工，已普遍采用自动化浇注和由电子计算机控制的自动计量混合成型的一 体化工艺与设备，不仅提高了生产工效，还改善了制品的性能和其质量的稳定 性。聚氨酯之所以得到如此快速的发展和广泛的应用，主要与其独特的化学组 成，多变的配方体系和方便、简捷的加工工艺以及优良的力学性能有关 7 1 。 生物医用材料是用于生物系统疾病的诊断、治疗、修复、或替换生物体组 织或器官，增进或修复其功能的材料【1 】。心脏病、癌症、脑血管病已成为威胁 人类生命的三大疾病。其中，心脏病居首位，世界上每年有数百万人死于心脏 病。心脏瓣膜的病变是心脏病中最常见的一种，临床上，若患者心脏瓣膜的病 理损害达到一定的程度，则无法实施瓣膜修补手术，需要用人工心脏瓣膜来代 替其结构和功能。人工心脏瓣膜是指用生物材料加工而成的可以用来代替病损 心脏瓣膜功能的人工器件【7 j 。h a r k e n1 8 于2 0 世纪6 0 年代首次成功地用人工 笼球式机械瓣替换主动脉瓣。除热解碳、陶瓷、多孔材料及粉末冶金材料外， 医用高分子软质材料机械瓣膜( 也称为人工柔性瓣叶心脏瓣膜，s y n t h e t i cf l e x i b l e 2 天津大学硕士学位论文第二章文献综述 l e a f l e th e a r tv a l v e ) 近年来得到了长足发展。这种瓣膜采用柔性的高分子材料聚 氨酯【9 1 。聚氨酯具有良好的血液相容性，植入后只需少量抗凝或不需抗凝。近期 报道，p a t h i r a j aa 等 1 0 l 成功地研制出一种有机硅的新材料，称为e l a s t e o n 。 据称，该材料既耐久又无需血液抗凝剂，拉伸性能高，可压制成任何形状；化 学稳定，不与人体产生化学反应。 正如其它的生物医用级聚合物材料一样，聚氨酯在体内长期移植后也存在 几个比较明显的问题，诱导血栓、感染和钙化。因此，对于能完全满足长期植 入体内要求的高分子材料，提高其材料的生物稳定性与生物相容性成为重要的 研究方向。很多研究人员都在探求开发新的生物相容的聚合物材料，如合成新 的聚氨酯和对聚氨酯的表面进行化学改性等。 2 2 聚氨酯生物材料的发展 2 2 1 生物材料概述 生物材料能够以一种安全、可靠、经济且生理相容的方式在结构或功能上代 替身体部分组织或器官的功能1 1 1 。它既包括有化学或物理方法合成或改性的材 料本身，也包括有材料制作加工成的制品。随着生物材料的不断发展，其概念 的内涵也在不断地丰富和完善。目前生物材料通常指能直接与生理系统接触并 发生相互作用，能对细胞、组织和器官进行诊断治疗、替换修复或诱导再生的 一类天然或人工合成的特殊材料【l 。生物材料的特征之一是生物功能性，即能 够对生物体进行诊断、替代和修复：其二是生物相容性，即不引起生物体组织、 血液等的不良反应 1 2 1 。现代医学的进步与生物材料的发展密不可分，如各种介 入诊断和治疗导管、药物传递控释系统、创伤和烧伤敷料、血管内支架、人工 关节与功能性假体等已得到广泛应用。因此，生物材料与人类生命和健康密切 相关，其研究与开发既具有重要的科学和技术价值，又具有重大的社会需求和 巨大的经济效益。 生物材料的发展历史悠久。早在公元前3 5 0 0 年，人类就利用天然物质和 材料治疗疾病，如中国和古埃及利用棉花纤维、马鬃做缝合线，用柳树枝和象 牙修复失牙；墨匿哥印第安人用木片修补受伤的颅骨1 1 3 ，m 】。尽管生物医学材料 的发展可追溯到几千年以前，但取得实质性的进展则始于2 0 世纪2 0 年代。 新型金属、高分子与陶瓷材料的发展，微生物材料研究与应用提供了新的机会。 表1 1 总结了现代生物植入体材料的发展历程【l l 】。 天津大学硕士学位论文第二章文献综述 表2 1 体内植入材料的重要进展 t a b 2 - 1s i g n i f i c a n tp r o g r e s so fi m p l a n tm a t e r i a l si nv i v o 4 天津大学硕士学位论文第二章文献综述 2 2 2 生物医用高分子材料 进入2 0 世纪，高分子科学迅速发展起来，新的合成高分子材料不断涌现。 高分子科学的发展为其在医学领域的应用创造了条件1 1 4 1 。生物医用高分子材料 是一类可对生物体组织进行修复、代替、与再生的材料，可以通过聚合的方法 或从天然环境中提取获得，是生物医用材料的重要组成之一i 睁。7 1 。可通过组成 和结构来控制医用高分子材料的物理、化学和生物学性能。生物医用高分子材 料按用途可分为人体功能替代或修复用高分子材料、药用高分子材料、高分子 医疗器材和制品等 1 8 1 。按其生物性能可分为非生物降解和可生物降解两大类 0 2 1 。非生物降解高分子材料在生物环境中能长期保持稳定，不发生降解、交联 或物理磨损等，并保持良好的力学性能。该类材料的应用要求其本身无不对机 体产生明显的毒副作用，主要用于药物释放，人体软硬组织修复和人工血管、 器官制造 1 9 1 。可生物降解材料是指在植入人体并经过一段时间后能逐渐分解或 破坏的材料，植入物在完成使命后会分解或降解成无毒的小分子物质并被排出 体外。近来，随着组织工程、再生医学和药物控制释放的快速发展，可生物降 解高分子也引起了人们的密切关注。例如，在骨折内固定、骨缺损修复、肌腱 修补以及人体血管、肌肉、组织缝合等方面，迫切需要材料除具有一定的强度、 刚度、韧性、及生物相容性外，还需要具有生物降解性，能够被生物体吸收或 排泄，以免除二次手术的痛苦 2 0 , 2 1 1 。 2 2 3 聚氨酯弹性体在生物医学领域的应用和发展 聚氨酯是分子主链上含有氨基甲酸酯基团的高分子聚合物，具有优异的机 械强度和耐挠屈性，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) ，作为医用材料很早以前就受到人们的重视1 2 2 , 2 3 。 聚氨酯在医学领域中的应用始于2 0 世纪5 0 年代末，聚氨酯作为胸部修 复假体的膜材料【2 4 1 。1 9 5 8 年聚氨酯首次用于骨折修复材料，而后又成功地应 用于血管外科手术缝合用补充涂层。1 9 6 7 年聚氨酯嵌段共聚物第一次被 b o r e t o s 和p i e r c e 设想作为生物材料【2 5 1 。2 0 世纪7 0 年代开始，聚氨酯作为 一种医用材料也备受重视，到2 0 世纪8 0 年代初，用聚氨酯弹性体制作人工 心脏移植手术获得成功，使聚氨酯在生物医学上的应用得到了进一步发展。4 0 多年来，聚氨酯弹性体在医学上的用途日益广泛，其产品包括人工心脏瓣膜、 人工肺、骨黏合剂、人工皮肤、烧伤敷料、心脏起搏器绝缘线、缝线、各种夹 板、导液管、人工血管、气管、插管、齿科材料、计划生育用品等【_ 丌。表1 2 列 天津大学硕士学位论文第二章文献综述 出了一系列具有实用价值的商品化聚氨酯生物医用材料1 2 6 】。 表2 2 实用化医用聚氨酯 t a b 2 - 2 a v a i l a b l eb i o - m e d i c a lp o l y u r e t h a n e s 注：a p t m g 代表聚四氢呋喃醚二醇： b m d i 代表4 4 二苯基甲烷二异氰酸酯； c 1 ；2 - p n 代表l ，2 - 丙二胺； d e n 代表己二胺。 在国外，聚氨酯材料用于生产医疗设备已经非常普及，美国等国家的医用聚 氨酯材料早已商业化，新材料、新用途仍在开发中。美国c o r v i t a 公司和 t h o r a t e c 公司开发的c o r v i t a 和t h o r a t e c ，英国n e w t e c 血管产品公司开发的 p u l s e t e c 都是用聚氨酯材料作为基材【2 刀。日本n a g a s e 化学公司将聚氨酯内壁 涂覆一层明胶，然后将其交联，得到了具有很好强度和较好血液相容性的聚氨 酯人工血管e x 8 1 01 2 8 。g u a n1 2 9 1 等合成了一种聚氨酯的热塑性弹性体用于组织 工程化血管。而在国内，这一市场还未被真正开发。由于价格等原因，在国内 的医用合成材料中，聚氨酯只占小部分份额。 血液相容性优异，且力学性能与人体组织一致的可期使用的医用聚氨酯的 开发，仍是今后主要的研究课题。在提高其血液相容性的同时，在生物体和材 料之间，物理的、机械特性的相适合性也是极其重要的，应当予以足够重视。 6 天津大学硕士学位论文第二章文献综述 2 3 聚氨酯弹性体的结构特点 2 3 i 聚氨酯的结构特征 聚氨酯大分子主链是由玻璃化温度低于室温的柔性链段( 软段) 和玻璃化温 度高于室温的刚性链段嵌段而成的。软段通常为聚醚或聚酯，极性弱，它构成 材料的连续相，赋予聚氨酯以柔性和韧性，并控制着聚氨酯的耐低温性、耐溶 剂性和耐候性；硬段通常为二( 或多) 异氰酸酯与小分子的二元醇或二元胺( 作 扩链剂) 的缩聚物，其c o - n h 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，因此硬段控制着聚氨酯的强度和耐 热性。通过调节软段和硬段的结构、长度与分布，相对比例及改变相对分子质 量等方式，可以在很大范围内改变聚氨酯的性能。聚氨酯的化学结构可以表示 为【h s 】n ( 见图i - i ) 。 一讥= = = 卜1 亡= = 、= = = j | 亡= = _ e = = = 卜- l 软链段 硬链段 柔性软段以 m反应的二异氰酸酯r = - - - = = - - a 扩链部分一氨基甲酸酯键 图2 1 线型聚氨酯分子链结构示意图 f i g 2 1s c h e m a t i co fl i n e a rp o l y u r e t h a n ec h a i ns t r u c t u r e 从聚氨酯的分子结构来看，在聚氨酯大分子中，有的链段非常柔顺，呈无规 卷曲状态，在常温下有许许多多的构型、构象，这些链段构成所谓的软段；有 的链段在常温下伸展成棒状、链状，其构型构象不易改变，这种链段比较僵硬， 构成所谓的硬段。聚氨酯是由交替的硬段和软段单元组成的一类线性或低交联 度的多嵌段共聚物，由于组成这种多嵌段共聚物的两种链段往往是热力学不相 容或部分相容的，这样就会产生微观的相分离，在聚合物内部形成相区或微相 区i 刀。 2 3 2 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 7 天津大学硕士学位论文第二章文献综述 筑材料、涂饰剂等 3 0 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【3 1 1 。聚氨酯优异的性能首先来源于它软段相和硬 段相之间特殊的微相分离结构，不但单纯是由硬段和软段之间的氢键所致。 c o o p e rs l 1 3 2 】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。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曲的，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。 在聚氨酯弹性体中，由于硬段互相规整有序的紧密排列在一起，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。硬段不但溶于软段相中，而且 分布其中，常温下起物理交联点作用，这就是聚氨酯弹性体中即使没有化学交 联常温下也可以显示高弹性的原因1 3 3 。一般讲，硬段含量在4 0 以下，软段 为连续相，硬段分散在软段基料中；在4 0 6 0 时，软段和硬段都可能为连续 相，形成咬合或连通形态；在6 0 以上，出现相的逆转或颠倒，硬段为连续 相，软段分散在硬段基料中 3 4 1 。 聚氨酯弹性体的结晶相给弹性体提供了高强度、刚性、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。因此，对聚氨酯中多元醇和多异氰酸酯的选 材和配比作适当的调整就可以得到不同力学性能的聚氨酯弹性体。微相分离程 度并非越高越好，如果硬段、软段间分离程度过高造成宏观的两相分离，则此 时软硬段间无作用力可言，聚氨酯力学性能反而严重恶化。 聚氨酯具有微相分离结构，是其应用于生物医学领域的基础。原因在于，聚 氨酯结构中链段较为柔顺的软段具有一定的亲水性，硬段则由于刚性较大而倾 向于疏水，两者形成亲水疏水交替嵌段的聚氨酯表面结构。而人体血管中也存 在类似的结构，因此具有良好的应用基础【”】。聚氨酯是否能发生微相分离和微 相分离的程度显著与否，不仅影响到聚氨酯的机械性能1 3 6 j 还影响到其血液相容 性 3 7 1 。 作为组织工程的聚氨酯，一般要求其微区尺寸在3 1 0p m ，这样材料才具 有抗凝血性。k r a u s e1 3 8 提出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，总 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。聚氨酯的 8 天津大学硕士学位论文第二章文献综述 性能本质上是取决于软段和硬段的化学结构及软段和硬段的配比，但聚氨酯的 微相分离程度对聚氨酯的性能影响不可忽略，特别对血液相容性的影响。 2 3 3 聚氨酯的力学性能 聚氨酯的微相分离结构和氢键作用使其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 0m p a ，其断裂伸长率达2 5 0 6 0 0 【3 9 1 。热塑性聚氨酯有非 常优异的耐磨性，测试结果一般在0 0 3 0 2 0m m 3 m 范围内，约为天然橡胶的 3 5 倍【3 4 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。聚氨酯材料还 具有优异的耐疲劳性能，b i o m e r 可挠曲3 亿多次( 相当于心脏跳动8 年) ， 聚氨酯p e l l e t h a n e 2 3 6 38 0 a 可挠曲1 6 亿次1 4 0 1 。由于聚氨酯材料良好的耐疲 劳性能使其成为人工心脏瓣膜的首选材料。 2 3 4 聚氨酯的生物相容性 聚氨酯材料具有良好的生物相容性。b o r e t o s 等1 4 1 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。以后的研究结果表明，医 用聚氨酯材料的血液相容性与材料的“微相分离”结构有关。由于硬段在极性、 界面能等方面与软段的不相容性，容易与软段形成一种微观相分离结构，也正 是这种微观相分离结构，赋予了聚氨酯材料良好的抗凝血性【3 3 】。日本科学家今 井庸二曾指出，具有抗凝血性的材料应该在0 1 0 2 岬之间的范围内具有物理 和化学上的不均匀微观结构【4 2 | 。l y m a n 等【4 3 】研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 4 4 4 5 j 进一步研究了软段分子量和不同 亚甲基数目的二元胺做扩链剂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 m am 】提出了覆盖控制模型( c a p p i n g c 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。 9 天津大学硕士学位论文第二章文献综述 2 4 聚氨酯材料的合成 2 4 1 聚氨酯的合成机理 虽然聚氨酯的合成反应各不相同，产品也多种多样，但聚氨酯化学的基础 都是围绕异氰酸酯的独特的化学性质展开的。 异氰酸酯是分子中含有异氰酸酯基( - n c o ) 的化合物，其化学活性主要表 现在其特征基团- n c o 上，该基团具有重叠排列的高度不饱和键结构，它能和 各种含活泼氢的化合物进行反应，化学性质极其活泼，b a k e r 等人提出了异氰酸 酯基团的电子共振理论，认为由于异氰酸酯基的共振作用，使电荷分布不均， 产生了亲核和亲电中心的正碳原子，在该特征基团中，n ，c 和o 三原子的电 负性顺序为o n c 。因此，在氮原子和氧原子周围的电子云密度增加，表现出 较强的电负性，使其成为亲核中心，容易和亲电子试剂进行反应。而对于位于 氮、氧原子中间的碳原子来讲，由于两边强的电负性原子的存在，使其周围正 常的电子云分布偏向氮、氧原子，从而使碳原子表现出较强的正电荷，成为易 受亲核试剂进攻的亲电中心，即十分容易和含有活泼氢的化合物如醇、酸、二 胺、脲基、水、氨基甲酸酯等反应进行亲核反应【7 j 。 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。按预聚反应分类，又有一步法和两步法1 4 丌。 2 4 2 一步法 所谓一步法就是将全部的原料一次混合反应生成聚氨酯制品1 3 8 1 。 一步法操作比较简单，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阴。 2 4 3 两步法 两步法也称为预聚物法或预聚体法，是将低聚物多元醇和多异氰酸酯先反应 生成分子量比较低的预聚物，然后再加入扩链剂等与预聚物反应生成聚氨酯产 品m 。 ( 1 ) 预聚物的合成反应 预聚物通常是利用二异氰酸酯与端羟基的聚酯、聚醚、聚烯烃、或聚酰胺 等进行加成聚合而制备的。在制备中，又可根据异氰酸酯基与羟基的当量比( 即 1 0 天津大学硕士学位论文第二章文献综述 n c o o h ) 大于l 或小于l 的不同，制备成端基为异氰酸酯基，或者端基为羟 基的预聚物。其反应式可表示如下： 。刚，r n c 。+ h 。一r ，。h n c o 。洲一r n h 一0 苎一。一r 一。一0 苎一n h r n c 。 00 o c n ，r n c o + h o r 一o hq oh o ，r t ，o 一苎一n h - r - 卜j h 一苎一。一r 一o h ( 2 ) 预聚物的扩链反应 端异氰酸酯基的预聚物，能与活泼氢化合物，如水、二元醇、二元胺、氨基 醇等反应，进行扩链而生成可溶性的高分子聚合物。 a 预聚物用二元醇扩链用二元醇扩链，生成氨基甲酸酯基连接键： oo l l 1 1 2o c n - - r n h e o r 一o c n h - r - n c o + h o - - r ”一o h _ 0o o o c n - - r n h e o r - o - - c n h r n h e o i |n i ， i rnh岂oocn一。一r 一。一塞一n h r n h 一量一薹一r n h 岂一。一r 一。一苎一n h r n h 一拦一占 b 用二元胺扩链用二元胺扩链，生成双取代脲基连接键： oo i iu 2o c n - - r n h e o r 一。一c n h r n c o - fh 2 n r ”一n h ， o o o o c n - - r n h e o r 一o c n h r n h e n h | il ii ， l o 0 o r o c n r n h 一岂一。一r 一。一苎- 一n h r n h 一拦k c 用水扩链用水扩链，生成取代脲基连接键和放出二氧化碳： 天津大学硕士学位论文 第_ 二章文献综述 o o l iu 2o c n r n h e o r 一o e n h - r - n c o + h ，o oo o o c n r n h 一岜一。一r ，o 一芒一n h r n h g n h i o o o g = oq - c 0 2 o c n r n h 苎一。一r 一。一苎一n h r n h 一拦h 2 4 4 副反应 在聚氨酯合成过程中，除了异氰酸酯和羟基反应生成氨基甲酸酯以外，由 于反应物料含水，反应条件尤其是温度控制不严，在体系中往往还有其他的反 应同时存在，它们对材料的性能产生很大的影响【刀。 ( 1 ) 与水反应由于合成工艺的原因，聚酯、聚醚的多元醇及其他原材料 都难免有微量的水存在，当遇到异氰酸酯时，水会和异氰酸酯发生反应。 o it r n c o+ h 2 0 r n h c i f o h r n h 2 十c 0 2 o r n h 2 + r n c o 一r ，n h 一墨一n h r ( 2 ) 与氨基甲酸酯反应异氰酸酯与醇反应生成氨基甲酸酯。通常条件下， 氨基甲酸酯与- n c o 基的反应是难以进行的，而在高温或催化剂( 如碱) 存在 下才有明显的反应速度，反应生成脲基甲酸酯支链或交联。 o l om 攀一c o h ，v w n h c u ，o 十，v n c o - ，c i = o ，v w o 十，v _ ， = l h n 1 2 。 天津大学硕士学位论文第二章文献综述 2 5 聚氨酯生物材料的类型及合成进展 热塑性聚氨酯是由两种化学性质不相似的链段组成的嵌段共聚物，它是一 种热塑性弹性体。其特点是具有高拉伸强度和断裂伸长率，良好的耐磨损性、 抗挠曲性、耐溶剂性、耐水解性、耐微生物能力，而且容易成型加工，并具有 性能可控的优点，使其能在很多方面有着广泛的用途【4 引，最重要的是，具有良 好的组织相容性和血液相容性l l 。 现在主要开发的聚氨酯类型【3 9 】以其软段类型分类，包括聚醚型聚氨酯、聚 酯型聚氨酯、聚硅氧烷型聚氨酯等等。以其硬段采用的二异氰酸酯的类型，可 以分为芳香族聚氨酯和脂肪族聚氨酯。 2 5 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【5 叭，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 1 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【5 2 j 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 5 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 3 】。作为软段的聚醚常用的有聚四亚甲基乙二醇( p t m g ) 、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 【5 4 】开发 出一系列聚醚型聚氨酯材料，商品名为p e l l e t h a n e 2 3 6 3 t m ，其软段使用的是 p t 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【5 引，不适合作为长期植入产品。 s t o k e s 等【矧指出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 t 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。 1 3 天津大学硕士学位论文第二章文献综述 些研究已经显示聚醚聚氨酯在水解酶如木瓜蛋白酶和细胞衍生酶如胆固 醇酯酶、弹性蛋白酶、羧酸酯酶等的作用下容易降解【5 7 1 。相对于聚酯聚氨酯而 言，在胆固醇酯酶作用下，聚醚聚氨酯更具有水解稳定性。此外，聚醚聚氨酯 的耐氧化潜力也已经被研究，这些氧化过程包括金属离子氧化，自然氧化和环 境应力开裂等侧。 2 5 3 聚碳酸酯型聚氨酯 聚碳酸酯二醇( p c d l ) 是分子内有多个碳酸酯基、分子两端带有羟基的聚 合物，其结构通式如下所示： o h 。+ r o 一凸一。扣 与传统的聚醚型聚氨酯和聚酯型聚氨酯相比，聚碳酸酯型聚氨酯的最大特 点就是软段是由聚碳酸酯多元醇构成，在分子结构上就是具有大量的碳酸酯结 构( o c o o ) 。正是这一结构赋予了聚碳酸酯型聚氨酯区别于传统聚氨酯材料 的独特性能。除了具有优异的机械性能和耐疲劳性能以外，聚碳酸酯型聚氨酯 的最大优势在于其化学稳定性和生物稳定性。 朱玉嶙【5 9 j 将p c d l 作为低聚物多元醇组分和b d o 以预聚法制备 p c u ，制得的p c u 在7 0 和9 5 的相对湿度下2 周，物理机械性能变化 不大，在1 0 0 沸水中浸煮1 4 天后，其抗张强度保持率仍高达6 0 。同时 他还将l o 5 0 ( m 0 1 ) p c d l 和5 0 9 0 的常规聚酯二醇混合，作为低聚物 多元醇组分，以预聚法制成p c u ，所得到的p c u 的抗张强度大大提高，水解 稳定性也很好，但低温性能较差。通过在聚碳酸酯链上引入羧酸酯基团，形成 聚酯聚碳酸酯共聚物，由此制备的p c u 不仅有优良的低温性能，水解稳定性 好，同时还有较高的物理机械性能、耐热性能，并保持了聚酯和聚己内酯耐油 性、耐药品性、耐磨性和耐候性等。 m a r i a 等