CN101386684B - 在医用聚氨酯材料表面制备高亲水性薄膜的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在医用聚氨酯材料表面制备高亲水性薄膜的方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一：在聚氨酯材料表面，采用过氧化物或臭氧或等离子溅射或紫外光照，进行活化处理；步骤二：制备亲水薄膜原液，把上述聚氨酯材料加入到亲水薄膜原液中，加热反应2～6小时；步骤三：取出具有亲水薄膜的聚氨酯材料，依次采用乙醇、蒸馏水超声清洗2小时，在蒸馏水中浸泡12小时，后经真空干燥过夜后保存；该薄膜具有高亲水性，且持久稳定、无副作用，具有良好的血液相容性，可广泛使用在医用高分子材料和医疗器械表面。

Description

在医用聚氨酯材料表面制备高亲水性薄膜的方法

技术领域

本发明涉及一种在医用聚氨酯材料表面制备高亲水性薄膜的方法。

背景技术

聚氨酯是一种高分子生物材料，具有其它生物医学材料所没有的独特性能，比如生物相容性、化学特性以及加工特性等，聚氨酯已成为众多医疗应用的理想选择。特别是碰到复杂的力学和生物相容性问题时，聚氨酯是最常用的选择，例如聚氨酌被用于介入装置的薄膜，制备介入导管和介入气囊等。介入导管技术含量好、附加值高，每支价值从几十到几百或上千美元以上，例如在美国做一例心脏微创手术需要消耗4500美元的各种介入导管。在2005年我国与介入医疗器械与材料相关的市场销售额约为50亿，在2015年，市场需求量有可能达到300～400亿元。然而在国内市场，具有高亲水性、高润滑性的聚氨酯生物材料及产品几乎依赖进口。

聚氨酯作为血液接触生物材料和医用器械时，在临床应用的主要指标包括：抗血栓性为主的血液相容性，抗菌性和表面润滑性等。提高聚氨酯的血液相容性，减少血栓的形成和对组织的损失是研究和开发产品的关键。由于人体组织和血液只对物体的表面有反应，薄膜和表面改良在某种程度上帮助欺骗身体接受外来的材料；同时，表面薄膜不会改变聚氨酯优异的力学性能。因此，表面改性和薄膜技术，能够获得生物相容性、生物持久度以及生物活性，成为提高聚氨酯生物医用材料或器械性能的主要方法之一。

目前提高血液相容性的改性研究主要有两个基础：一是血栓是如何形成的，其次是在人体体内如何实现抗血栓功能的。在人体内，具有强抗血栓的肝素材料，具有丰富的氨基和羟基亲水性官能团。因此，根据水和蛋白的相互作用的研究成果表明：表面亲水性容易被人体血液和组织接受。

临床和实验研究表明，亲水性表面能具有更好的血液相容性和组织相容性。具有如下优点：实现表面高润滑性减少器官与导管之间界面的损伤，减轻病人的痛苦；能够减少血小板和血纤维蛋白黏附，提高材料的抗血栓能力；表面负电荷能够减少病毒吸附，在一定程度上减少相应的感染。

目前的表面薄膜可以分为高吸水性能聚合物改性、亲水单体改性和抗凝血活性物质(肝素及其类肝素物质)等。聚氧化乙烯有高表面亲水性、流动性、高吸水性、无毒性等特点，能够极大改性材料表面的血液相容性和抗蛋白折叠性能。使用聚乙烯基吡咯烷酮作为生物材料薄膜可提高材料与血液接触性能，大大提高表面润滑性行。肝素是一种天然硫酸多糖类化合物，具有很强的抗凝血性。肝素用于压制促凝血蛋白的吸附和活化，提高抗凝血蛋白的修复，提高血液活性。目前研究最广泛的是亲水性单体在聚氨酌表面的嫁接，单体种类繁多，主要包括含丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酰胺、甲基丙烯酸羟乙酯等。

采用液相非均相反应，制备亲水性表面薄膜，具有反应物组成容易调控，减少和消除反应中的有害物质，调控薄膜厚度等优点。采用加热作为反应条件，在工程上温度是最容易控制的反应条件，容易实现工业化生产。

发明内容

本发明目的是：提供一种在医用聚氨酯材料表面制备高亲水性薄膜的方法，该薄膜具有高亲水性，且持久稳定、无副作用，具有良好的血液相容性，可广泛使用在医用高分子材料和医疗器械表面。

本发明的技术方案是：一种在医用聚氨酯材料表面制备高亲水性薄膜的方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：在聚氨酯材料表面，采用过氧化物或臭氧或等离子溅射或紫外光照，进行活化处理；

步骤二：制备亲水薄膜原液，把上述聚氨酯材料加入到亲水薄膜原液中，加热反应2～6小时；

步骤三：取出具有亲水薄膜的聚氨酯材料，依次采用乙醇、蒸馏水超声清洗2小时，在蒸馏水中浸泡12小时，后经真空干燥过夜后保存。

所述医用聚氨酯材料为医用级聚酯系聚氨酯、聚醚系聚氨酯、芳香族异氰酸酯系聚氨酯、脂肪族异氰酸酯系聚氨酯中的一种。

所述亲水薄膜原液组份的重量比例为：亲水性聚合物或单体0.5％-15％、无机酸0-2.0％、添加剂0-2.0％、催化剂0.02％-0.4％、余量为蒸馏水；亲水薄膜原液制备方法为：在搅拌条件下，各组分加入顺序依次为蒸馏水、亲水性聚合物或单体、无机酸、添加剂、催化剂。

所述亲水薄膜原液在反应前须除去溶液中的氧气，并在氮气保护下反应，反应的温度范围为20-90℃。

所述亲水性聚合物或单体为丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酰胺、N，N-二甲基丙烯酰胺、N-乙烯吡咯烷酮、聚乙烯吡咯烷酮、聚氧化乙烯、聚乙二醇、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟乙酯的一种或几种组合。

所述有机溶剂为四氢呋喃或N-N二甲基甲酰胺。

所述催化剂为正四价铈离子。

所述无机酸为硝酸或盐酸。

上述技术方案中，所述聚氨酯材料可以是聚氨酯薄膜，制备方法为(1)母粒的清洗：将聚氨酯母粒在乙醇溶液中浸泡，再进行蒸水、乙醇超声清洗、烘干待用；(2)在室温下，把聚氨酯和有机溶剂按照质量体积比1:10～1:70溶解完全；(3)上述溶液在具有亲水性特征的平整基体表面形成聚氨酯薄膜，分别用乙醇，蒸馏水超声清洗，真空干燥过夜待用。

所述聚氨酯薄膜的制备方法，采用亲水性洁净基底浇铸成膜，室温条件下待溶剂挥发完全，所得膜材用大量纯水清洗，再在40～70℃纯水和乙醇中超声1～4小时去除残留溶剂，40～70℃烘干，所得即为表面平整的聚氨酯材料膜材，水的静态接触角为78.0±3.0度。

本发明的优点是：

1.制备的薄膜具有高的亲水性，并且具有优异的稳定性，能够提高血液相容性，减少对组织的损伤。

2.聚氨酯本身为一种生物相容性好，力学性能优越的医用高分子材料。表面薄膜不会改变聚氨酯本身优异的力学性能。

3.薄膜反应采用液相非均相反应，可以方便控制反应物的组成，从而有效克制或者消除有毒副产物的形成。

4.薄膜反应采用一步反应法，制备过程简单。

5.制备的薄膜稳定性好，样品能够长久保持较低的水接触角和较高的亲水性。

6.此薄膜同样可以用于各种材质(如金属、高分子等)医疗器械的表面薄膜，提高材料的表面亲水性。

7.此制备方法适合较广的亲水性聚合物活性单体或者聚合物。

8.此制备方法简单易行，对设备要求不高，可实现工业化生产。

具体实施方式

实施例：一种在医用聚氨酯材料表面制备高亲水性薄膜的方法，采用如下步骤：

A.聚氨酯材料母粒的清洗：将聚氨酯母粒在乙醇溶液中浸泡，再进行双蒸水超声清洗、烘干待用，

B.室温下，把聚氨酯和有机溶剂按照质量体积比1:10～1:70溶解完全，

C.上述溶液在具有亲水性特征的平整基体表面形成聚氨酯薄膜，分别用乙醇，蒸馏水超声清洗，真空干燥过夜待用，

D.聚氨酯薄膜表面，可采用过氧化物、或者臭氧，或者等离子溅射，或者紫外光照等化处理，

E.在搅拌条件下，亲水薄膜的混合溶液各组分加入顺序依次为水，亲水性聚合物或者单体，无机酸，添加剂，催化剂。其中亲水性聚合物的质量和催化剂质量分别占总重的比例为0.5％～15％和0.02％～0.4％；并且亲水性聚合物单体可以是一种组成或者几种组成的混合物。上述聚氨酯薄膜加入薄膜容易中，加热反应2～5小时，反应的温度范围为20～90℃。

F.取出具有亲水薄膜的聚氨酯薄膜，依次采用乙醇，蒸馏水超声清洗2小时，在蒸馏水中浸泡12小时，后经真空干燥过夜后保存。

聚氨酯平整薄膜采用亲水性洁净基底浇铸成膜，真空下待溶剂挥发完全，所得膜材用大量纯水清洗，再在40～70℃纯水中超声1～4小时去除残留溶剂，40～70℃烘干，所得即为聚氨酯薄膜材料。

亲水薄膜的混合溶液反应前须除去溶液中的氧气，在氮气保护下反应。所述的有机溶剂可以为四氢呋喃或N-N二甲基甲酰胺。所述的催化剂为正四价铈离子化合物。所述的无机酸为硝酸或盐酸。反应的聚氨酯基材也可以为其他形状的固体。

其中，所述的亲水性聚合物单体可以为丙烯酸，甲基丙烯酸，丙烯酰胺，N-乙烯吡咯烷酮，聚乙烯吡咯烷酮，聚氧化乙烯，聚乙二醇，甲基丙烯酸羟乙酯，丙烯酸羟乙酯等，但不局限于此。不同的亲水性聚合物获得的表面亲水性强弱不同，并且表面润滑性也不同。不同的反应条件下，获得薄膜的厚度和牢固度也不同。

实施例一：

丙烯酸为亲水性聚合物单体的表面薄膜制备实例

取洁净的聚氨酯薄膜，在20mg/L的臭氧中活化30分钟。在200ml的锥形瓶中依次加入水、丙烯酸、硝酸、甲基吡咯烷酮和硝酸铈铵。亲水薄膜原液的组成如下：

通过氮气驱赶亲水薄膜原液中的氧气，将活化的聚氨酯薄膜材料加入亲水薄膜原液中，在氮气气氛下反应。在反应温度为60℃；反应时间为4小时。反应后薄膜分别通过盐水，蒸馏水和乙醇超声清洗60分钟，后用蒸馏水冲洗10分钟，在40℃蒸馏水中浸泡6小时，60℃真空干燥24小时后，取出即为具有亲水薄膜的聚氨酯材料。

制备得到的聚氨酯薄膜材料水的静态接触从原来的78±3度下降为22±4度。表面润滑性有明显提高。

实施例二：

丙烯酸为亲水性聚合物单体的表面薄膜制备实例

取洁净的聚氨酯薄膜，在8％的Na₂S₂O₃溶液中，活化处理3小时，洗净后60℃真空干燥4小时，取出使用。在200ml的锥形瓶中依次加入水、丙烯酸、硝酸、异丙醇和硝酸铈铵。亲水薄膜原液的组成如下：

通过氮气驱赶亲水薄膜原液中的氧气，将活化的聚氨酯薄膜材料加入亲水薄膜原液中，在氮气气氛下反应。反应时间为4小时，前1小时反应温度为30℃，中间两小时反应温度为50℃，最后一小时反应温度为70℃。反应后薄膜分别通过盐水，蒸馏水和乙醇超声清洗60分钟，后用蒸馏水冲洗10分钟，在40℃蒸馏水中浸泡6小时，60℃真空干燥24小时后，取出即为具有亲水薄膜的聚氨酯材料。

制备得到的聚氨酯薄膜材料水的静态接触从原来的78±3度下降为25±4度。表面润滑性有明显提高。

实施例三：

甲基丙烯酸为亲水性聚合物单体的表面薄膜制备实例

取洁净的聚氨酯薄膜，在20mg/L的臭氧中活化30分钟。在200ml的锥形瓶中依次加入水、丙烯酸、硝酸、甲基吡咯烷酮和硝酸铈铵。亲水薄膜原液的组成如下：

通过氮气驱赶亲水薄膜原液中的氧气，将活化的聚氨酯薄膜材料加入亲水薄膜原液中，在氮气气氛下反应。反应时间为4小时，反应温度为60℃。反应后薄膜分别通过盐水，蒸馏水和乙醇超声清洗60分钟，后用蒸馏水冲洗10分钟，在40℃蒸馏水中浸泡6小时，60℃真空干燥24小时后，取出即为具有亲水薄膜的聚氨酯材料。

制备得到的聚氨酯薄膜材料水的静态接触从原来的80±3度下降为25±4度。

实施例四：

甲基丙烯酸和聚氧化乙烯为亲水性聚合物单体的表面薄膜制备实例

取洁净的聚氨酯薄膜，在10mg/L的臭氧中活化60分钟。在200ml的锥形瓶中依次加入水、丙烯酸、聚氧化乙烯(100000M.W.)、硝酸和硝酸铈铵。亲水薄膜原液的组成如下：

通过氮气驱赶亲水薄膜原液中的氧气，将活化的聚氨酯薄膜材料加入亲水薄膜原液中，在氮气气氛下反应。反应时间为4小时，反应温度为50℃。反应后薄膜分别通过盐水，蒸馏水和乙醇超声清洗60分钟，后用蒸馏水冲洗30分钟，在40℃蒸馏水中浸泡6小时，60℃真空干燥12小时后，取出即为具有亲水薄膜的聚氨酯材料。

制备得到的干燥的聚氨酯薄膜材料表面，水的静态接触角从改性前的80±3度下降为20±4度。接触角有明显的滞后。

实施例五：

聚乙二醇和丙烯酸为高亲水性聚氨酯材料表面薄膜制备实例

取洁净的聚氨酯薄膜，在20mg/L的臭氧中活化30分钟。在200ml的锥形瓶中依次加入水、丙烯酸、硝酸、甲基吡咯烷酮和硝酸铈铵。亲水薄膜原液的组成如下：

通过氮气驱赶亲水薄膜原液中的氧气，将活化的聚氨酯薄膜材料加入亲水薄膜原液中，在氮气气氛下反应。室温下反应5小时。反应后薄膜分别通过盐水，蒸馏水和乙醇超声清洗60分钟，后用蒸馏水冲洗30分钟，在40℃蒸馏水中浸泡6小时，60℃真空干燥12小时后，取出即为具有亲水薄膜的聚氨酯材料。

制备得到的干燥的聚氨酯薄膜材料表面，水的静态接触角从改性前的78±3度下降为18±4度。接触角有明显的滞后现象。

实施例六：

聚乙烯吡咯烷酮为亲水性聚合物单体的表面薄膜制备实例

取洁净的聚氨酯薄膜，依次在20mg/L的臭氧中活化和紫外中活化15分钟。在200ml的锥形瓶中依次加入水、丙烯酸、聚乙烯吡咯烷酮(K90)、乙二醇、盐酸、硝酸铈铵。亲水薄膜原液的组成如下：

通过氮气驱赶亲水薄膜原液中的氧气，将活化的聚氨酯薄膜材料加入亲水薄膜原液中，在氮气气氛下反应。反应温度为50℃，反应时间为3.5小时。

反应后薄膜分别通过盐水，蒸馏水和乙醇超声清洗45分钟，后用蒸馏水冲洗30分钟，在40℃蒸馏水中浸泡6小时，60℃真空干燥12小时后，取出即为具有亲水薄膜的聚氨酯材料。

制备得到的干燥的聚氨酯薄膜材料表面，水的静态接触角从改性前的78±3度下降为20±6度。薄膜有明显的吸水性能。在水化的条件下，表面呈现完全润湿。

实施例七：

丙烯酰胺为主的亲水性聚合物单体的表面薄膜制备实例

取洁净的聚氨酯薄膜，依次在20mg/L的臭氧中活化和紫外中活化15分钟。在200ml的锥形瓶中依次加入水、丙烯酸、丙烯酰胺、异丙醇、硝酸、硝酸铈铵。亲水薄膜原液的组成如下：

通过氮气驱赶亲水薄膜溶液中的氧气，将活化的聚氨酯薄膜材料加入亲水薄膜原液中，在氮气气氛下反应。反应温度为50℃，反应时间为3.5小时。

反应后薄膜分别通过盐水，蒸馏水和乙醇超声清洗15分钟，后用蒸馏水冲洗30分钟，在40℃蒸馏水中浸泡6小时，60℃真空干燥12小时后，取出即为具有亲水薄膜的聚氨酯材料。

制备得到的干燥的聚氨酯薄膜材料表面，水的静态接触角从改性前的78±3度下降为28±5度。表面润滑性明显增强。

实施例八：

甲基丙烯酸羟乙酯与丙烯酸为亲水性聚合物单体的表面薄膜制备实例

取洁净的聚氨酯薄膜，依次在20mg/L的臭氧中活化和紫外中各活化15分钟。在200ml的锥形瓶中依次加入水、丙烯酸、甲基丙烯酸羟乙酯、硝酸、硝酸铈铵。亲水薄膜原液的组成如下：

通过氮气驱赶亲水薄膜原液中的氧气，将活化的聚氨酯薄膜材料加入亲水薄膜原液中，在氮气气氛下反应。反应温度为60℃，反应时间为5小时。

反应后薄膜分别通过盐水，蒸馏水和乙醇超声清洗60分钟，后用蒸馏水冲洗30分钟，在40℃蒸馏水中浸泡6小时，60℃真空干燥12小时后，取出即为具有亲水薄膜的聚氨酯材料。

制备得到的干燥的聚氨酯薄膜材料表面，水的静态接触角从改性前的78±3度下降为26±5度。表面具有一定的吸水性能。

Claims (8)

1.一种在医用聚氨酯材料表面制备高亲水性薄膜的方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：在聚氨酯材料表面，采用过氧化物或臭氧或等离子溅射或紫外光照，进行活化处理；

步骤二：制备亲水薄膜原液，把上述聚氨酯材料加入到亲水薄膜原液中，加热反应2～6小时；

步骤三：取出具有亲水薄膜的聚氨酯材料，依次采用乙醇、蒸馏水超声清洗2小时，在蒸馏水中浸泡12小时，后经真空干燥过夜后保存；

其中使用的亲水薄膜原液以其重量百分比计为：亲水性聚合物或单体0.5％-15％、无机酸0-2.0％、添加剂0-2.0％、催化剂0.02％-0.4％、余量为蒸馏水；所述催化剂为具有正四价铈离子的化合物；所述无机酸选自硝酸或盐酸，且亲水薄膜原液中无机酸的重量百分比不为零。

2.根据权利要求1所述的在医用聚氨酯材料表面制备高亲水性薄膜的方法，其特征在于：所述亲水薄膜原液的制备方法为：在搅拌条件下，各组分加入顺序依次为蒸馏水、亲水性聚合物或单体、无机酸、添加剂、催化剂。

3.根据权利要求1所述的在医用聚氨酯材料表面制备高亲水性薄膜的方法，其特征在于：所述亲水薄膜原液在反应前须除去溶液中的氧气，并在氮气保护下反应，反应的温度范围为20-90℃。

4.根据权利要求1所述的在医用聚氨酯材料表面制备高亲水性薄膜的方法，其特征在于：所述亲水性聚合物或单体为丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酰胺、N，N-二甲基丙烯酰胺、N-乙烯吡咯烷酮、聚乙烯吡咯烷酮、聚氧化乙烯、聚乙二醇、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟乙酯的一种或几种组合。

5.根据权利要求1所述的在医用聚氨酯材料表面制备高亲水性薄膜的方法，其特征在于：所述聚氨酯材料为聚氨酯薄膜，制备方法为(1)母粒的清洗：将聚氨酯母粒在乙醇溶液中浸泡，再进行蒸馏水、乙醇超声清洗、烘干待用；(2)在室温下，把聚氨酯和有机溶剂按照质量体积比1∶10～1∶70溶解完全；(3)上述溶液在具有亲水性特征的平整基体表面形成聚氨酯薄膜，分别用乙醇，蒸馏水超声清洗，真空干燥过夜待用。

6.根据权利要求5所述的在医用聚氨酯材料表面制备高亲水性薄膜的方法，其特征在于：所述聚氨酯薄膜的制备方法，采用亲水性洁净基底浇铸成膜，室温条件下待溶剂挥发完全，所得膜材用大量纯水清洗，再在40～70℃纯水和乙醇中超声1～4小时去除残留溶剂，40～70℃烘干，所得即为表面平整的聚氨酯材料膜材，水的静态接触角为78.0±3.0度。

7.根据权利要求5所述的在医用聚氨酯材料表面制备高亲水性薄膜的方法，其特征在于：所述有机溶剂为四氢呋喃或N-N二甲基甲酰胺。

8.根据权利要求1所述的在医用聚氨酯材料表面制备高亲水性薄膜的方法，其特征在于：所述医用聚氨酯材料为医用级聚酯系聚氨酯、聚醚系聚氨酯、芳香族异氰酸酯系聚氨酯、脂肪族异氰酸酯系聚氨酯中的一种。