CN101905030A

CN101905030A - 一种丝素修饰的聚氨酯医用生物材料的制备方法

Info

Publication number: CN101905030A
Application number: CN2010101889999A
Authority: CN
Inventors: 孙东豪; 吴徵宇; 李明忠
Original assignee: Suzhou Suhao Biomaterials Technology Co ltd; Suzhou University
Current assignee: Suzhou Suhao Biomaterials Technology Co ltd; Suzhou University
Priority date: 2010-06-02
Filing date: 2010-06-02
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2030-06-02
Also published as: CN101905030B

Abstract

本发明公开了一种丝素修饰的聚氨酯医用生物材料的制备方法。它是用聚氨酯材料作为基底层，在氧化剂的作用下，含双键的不饱和羧酸在聚氨酯材料表面共价接枝并形成聚羧酸，然后在碳二亚胺(EDC)的存在下，材料表层的羧基发生反应形成酰胺酯，随后与丝素大分子链上的氨基反应生成酰胺键，形成具有层状结构的丝素接枝聚氨酯膜。成型后的材料既能与生物组织有良好的相容性，又具有优良的力学性能，且复合界面稳定，是一种理想的生物材料。

Description

一种丝素修饰的聚氨酯医用生物材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种聚氨酯医用生物材料的制备方法，特别涉及一种丝素接枝聚氨酯的医用生物材料的制备方法，该材料可应用于生物医学、生物技术和组织工程等技术领域。

背景技术

具有良好生物相容性的高分子材料可以用作为输液导管、血液净化和透析等的医疗辅料，还可用于人工心脏阀门等各种人工器官，具有重要的临床应用价值。具有优异力学性能的聚氨酯材料在医学领域的应用研究也一直备受关注。在长期的医疗过程中，由于人工合成的普通聚氨酯材料在与人体血液接触时会形成不同程度的凝血或感染，因此，对生物相容性聚氨酯材料的设计与修饰成为当前应用研究的热点之一。

目前，对聚氨酯材料进行修饰的主要方法是本体共聚改性和界面接枝改性。在聚氨酯分子链段中引入亲水性合成高分子链片段[Urethane Technology，2000，17(3)：13；Biomaterials，1998，19：31]或有离子基团的化合物[U.S.Patent，20020010259]：如聚硅氧烷、磷酸胆碱及其衍生物、羧酸盐等，通过和异氰酸酯的嵌段共聚形成聚氨酯，产物的特点是修饰片段在聚氨酯材料的本体相和表面相中均存在，随着修饰片段的不同，得到的聚氨酯材料的物理性能也不一样；由于材料与人体组织的接触都发生在材料的界面处，所以在不改变材料力学性能的条件下，对材料进行表面改性是更为常用的方法，通过接枝共聚在聚氨酯界面引入聚丙烯酰胺、聚丙烯酸酯类[高分子通讯，1982，2：81，Clinical Materials，1991，8：105]、聚氧乙烯、小分子氨基酸[高等学校化学学报，1999，20(5)：974，Surface Science，2001，491：355]、磺酸等亲水性物质；中国发明专利(CN101011605和CN1919364)分别公开了一种抗凝血聚氨酯材料的制备方法，两者所述的主要技术路线相近，在甲苯溶剂中，先用二异氰酸酯(MDI)修饰聚氨酯，接着用端羟基聚乙二醇(PEG)与材料表面的异氰酸酯基(-NCO)共价结合，然后通过N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)(或PEG分子链上的端醛基)将小分子赖氨酸接枝到聚氨酯材料表面。为了进一步提高聚氨酯材料的细胞相容性，在上述主要技术路线的基础上，中国发明专利(CN101032692)公开了一种将小分子多肽(RGD)接枝到聚氨酯材料上的方法，上述公开的技术方法虽能在一定程度上改善普通聚氨酯材料的生物相容性，但存在着一些不足，如：使用的异氰酸酯试剂和甲苯溶剂对人体和环境的毒性危害都较大；反应过程较为复杂，产物不易分离提纯；在发生每一步接枝反应时，聚氨酯基材上的每个反应点仅提供一个活性基团参与反应，这使得小分子氨基酸在聚氨酯表面的接枝浓度相对较低；小分子极性氨基酸在空气中易吸湿变质，不易储存；引入的修饰基团与多孔丝素材料的亲和力也较小。

丝素是一种天然的昆虫蛋白，在空气中性能稳定，并且对人体无毒，无刺激作用，没有免疫原性，表现出良好的组织相容性。在本发明作出前，有文献报道了一种通过等离子体界面接枝反应，制备丝素蛋白修饰的聚氨酯生物复合材料的方法[Journal of Donghua University，2007，24(6)：695]，与普通的聚氨酯膜相比较，按该方法所得到的丝素-聚氨酯复合膜能够使成纤维细胞增殖，显示出良好的细胞相容性。中国发明专利(CN1431023A)公开了一种交联型聚氨酯与丝素接枝共聚的医用生物材料制备方法，它采用含有活性-NCO官能团的异氰酸酯为预聚体，与丝素大分子中的-OH和-NH₂基团发生接枝反应，再通过控制反应系统的湿度，形成交联型聚氨酯-丝素接枝共聚结构。但该方法不易调节聚氨酯的分子量，材料力学性能的变化范围较小；聚氨酯表面接枝的丝素浓度仍偏低，所以，将其用于综合性能要求较高的组织器官材料时，存在一定的不足。

因此，提供一种具有良好的血液相容性，尤其是具有良好的细胞相容性，又能够与多孔丝素材料具有较强亲和力的稳定的新型聚氨酯复合界面，对生物材料的研究和应用具有积极意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种既能与生物组织有良好的生物相容性，又具有足够的柔韧性和稳定性，并能与多孔丝素材料有良好亲合力的医用生物材料的制备方法。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：提供一种丝素修饰的聚氨酯医用生物材料的制备方法，聚氨酯为膜状材料，包括如下步骤的加工：

(1)在室温下，将聚氨酯膜放置于质量浓度为3～30％的丁烯二羧酸水溶液中浸泡6～24小时；所述聚氨酯膜的聚氨酯原料为水分散系聚氨酯或油溶性聚氨酯中的一种或一种以上的混合物；

(2)再加入引发剂和氧化剂，使溶液中引发剂的质量浓度为0.5～1.0％，氧化剂与丁烯二羧酸中的羧酸单体的摩尔比为0.5～2∶1；在温度为20～90℃的惰性气体气氛中，经3～6小时的接枝聚合反应后，得到聚羧酸接枝聚氨酯膜；

(3)将聚羧酸接枝聚氨酯膜置于含有缩合剂的丝素水溶液中，丝素的质量浓度为6～15％，缩合剂与步骤(2)得到的聚羧酸接枝聚氨酯膜表面所接枝的羧酸单体的摩尔比为1.2～2.5∶1；调节溶液的pH为2～6；在温度为0～5℃的条件下进行反应，反应时间为12～24小时，得到一种丝素修饰的聚氨酯医用生物材料。

本发明中所述的丁烯二羧酸中的羧酸单体为脂肪族不饱和一元羧酸、脂肪族不饱和二元羧酸、脂肪族不饱和三元羧酸、芳香族不饱和一元羧酸、芳香族不饱和二元羧酸或芳香族不饱和三元羧酸中的一种，及一种以上的混合物。所述的氧化剂为过硫酸盐、过氧化酸或双氧水中的一种。所述的引发剂为过氧化苯甲酰或偶氮二异丁晴。所述的缩合剂为碳二亚胺盐酸盐、碳二亚胺碘化盐、N-羟基琥珀酰亚胺或N-羟基硫代琥珀酰亚胺中的一种，及一种以上的混合物。

本发明的原理是：在氧化剂的作用下，不饱和羧酸产生的自由基能够与聚氨酯软段分子链上产生的自由基共价接枝，并进一步与溶液中的活性羧酸单体发生链增长的反应，在聚氨酯材料表面形成聚羧酸，在碳二亚胺(EDC)的存在下，材料表层的羧基发生反应形成酰胺酯，再与丝素大分子链上的氨基反应生成酰胺键，形成具有层状结构的丝素接枝聚氨酯膜。由于在聚氨酯表面上每个活性位置共价结合的聚羧酸大分子链中均带有大量的羧基，其数量远大于材料表面的活性位置数，因此，丝素大分子中的氨基与材料表面的羧基结合的几率增大，有利于较大幅度地提高材料表面接枝丝素的浓度。作为医用生物材料，若用于基底层时，其聚氨酯表面的丝素修饰物可根据临床实际要求进行合理选择。

采用本发明所提供的技术方案，成型后的生物材料既具有良好的组织相容性，又有着良好的力学性能，可用作为血管、喉管等组织器官，还能加工成人体不同部位的创面覆盖材料；同时，它与多孔丝素材料也有着较强的亲和力和相容性，能作为多孔丝素材料的“表皮层”替代物。本发明的技术方法操作较为简便、反应条件易控制，产物易提纯；尤其是用水作为反应溶剂得到产物，对环境无污染，为绿色生产。

附图说明

图1是普通聚氨酯膜表面的扫描电镜图；

图2是按本发明实施例技术方案制备的一种丝素修饰的聚氨酯医用生物膜表面的扫描电镜图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：

本实施例提供一种丝素修饰的聚氨酯医用生物材料的制备方法，其制备步骤如下：

制备丝素溶液：以家蚕丝为主要原料，将其在浓度为0.05％的碳酸钠水溶液中脱胶后，按CaCl₂∶H₂O∶C₂H₅OH＝1∶8∶2(mol)制备混合溶剂，将丝素溶解，经透析后得到丝素溶液，然后浓缩至含固量为6％。

制备聚氨酯膜：取普通商品聚醚聚氨酯(10cm×10cm)，在温度为100℃的烘箱中成膜，其厚度约为0.1mm。

聚氨酯膜的预处理：将上述聚氨酯膜置于100ml，质量浓度为20％的丁烯二酸水溶液中，在室温下，预浸泡12小时。

聚羧酸接枝聚氨酯膜：在过氧化苯甲酰质量浓度为0.1％和过二硫酸铵质量浓度为20％的条件下，将上述溶液置于温度为80℃的氩气气氛中进行接枝聚合反应，反应3小时后，制得聚羧酸接枝聚氨酯膜，表面接枝的聚羧酸质量约2.8g。

丝素接枝聚氨酯膜：将上述聚羧酸接枝聚氨酯膜置于100ml，丝素质量浓度为6％的丝素水溶液中，加入缩合剂N-乙基-N’-二甲胺丙基碳二亚胺盐酸盐，其在丝素水溶液中的质量浓度为10％(缩合剂的加入量应该与上述步骤得到的聚羧酸接枝聚氨酯膜表面所接枝的羧酸单体的摩尔比为1.2～2.5∶1，接枝的羧酸单体的质量可采用对聚氨酯膜接枝前后的重量之差来计算得到)；调节溶液酸度为pH＝5.2，温度为0～5℃的条件下反应24小时，制得丝素接枝聚氨酯膜，表面丝素含量约8.2mg/cm²。

在本实施例中制得的丝素接枝聚氨酯膜与纯丝素膜性能的比较参见表1。

表1

实施例二：

制备丝素水溶液：以家蚕丝为主要原料，将其在浓度为0.05％的碳酸钠水溶液中脱胶后，按CaCl₂∶H₂O∶C₂H₅OH＝1∶8∶2(mol)制备混合溶剂，将丝素溶解，经透析后得到丝素溶液，然后浓缩至含固量为10％。

制备普通聚氨酯膜：取普通商品阴离子型聚醚聚氨酯水乳液，在温度为100℃的烘箱中成膜，其厚度约为0.2mm。

聚氨酯膜的预处理：将上述聚氨酯膜(10cm×10cm)置于100ml，质量浓度为10％的甲基丙烯酸水溶液中，在室温下，预浸泡12小时。

聚羧酸接枝聚氨酯膜：在过氧化苯甲酰质量浓度为0.1％和过二硫酸铵质量浓度为5％的条件下，将上述溶液置于温度为25℃的氮气气氛中进行接枝聚合反应，反应时间为3小时，制得聚羧酸接枝聚氨酯膜，表面接枝的聚羧酸质量约1.8g。

丝素接枝聚氨酯膜：将上述聚羧酸接枝聚氨酯膜置于100ml，浓度为10％的丝素水溶液中，在N-乙基-N’-二甲胺丙基碳二亚胺盐酸盐浓度为6％、调节酸度为pH＝4.5，温度为0～5℃的条件下反应24小时，制得丝素接枝聚氨酯膜，表面丝素含量约4.8mg/cm²。

在本实施例中制得的丝素接枝聚氨酯膜与纯丝素膜性能比较参见表2。

表2

实施例三：

制备普通聚氨酯膜：取普通商品聚酯型聚氨酯(10cm×10cm)，在温度为100℃的烘箱中成膜，其厚度约为0.15mm。

聚氨酯膜的预处理：将上述聚氨酯膜置于100ml，质量浓度为10％的丁烯酸水溶液中，在室温下，预浸泡12小时。

聚羧酸接枝聚氨酯膜：在过氧化苯甲酰质量浓度为0.1％和过二硫酸铵质量浓度为10％的条件下，将上述溶液置于温度为80℃的氩气气氛中进行接枝聚合反应，反应时间为3小时，制得聚羧酸接枝聚氨酯膜。表面接枝的聚羧酸质量约1.6g

丝素接枝聚氨酯膜：将上述聚羧酸接枝聚氨酯膜置于100ml，丝素质量浓度为6％的丝素水溶液中，在N-环己基-N’-三甲胺丙基碳二亚胺碘化盐质量浓度为8％、调节酸度为pH＝5.6，温度为0～5℃的条件下反应24小时，制得丝素接枝聚氨酯膜，表面丝素含量约4.5mg/cm²。

在本实施例中制得的丝素接枝聚氨酯膜与纯丝素膜性能的比较参见表3。

表3

从上述表1～3中的测试数据可以看到，本发明提供的丝素接枝聚氨酯膜与普通丝素膜相比，初始模量和断裂伸长率有了明显提高，这表明：丝素膜表现出刚而脆的物理性能，而经丝素修饰的聚氨酯膜具有良好的柔韧性。

参见附图1，它是普通聚氨酯膜表面的的扫描电镜图；参见附图2，它是本发明技术方案提供的经丝素修饰的聚氨酯膜表面的扫描电镜图。由图1与图2对比可以看到，经本发明技术方案处理的聚氨酯膜表面布满线条状丝素蛋白，其修饰效果明显，因此，与普通聚氨酯膜相比，它的生物相容性得到较大的提高，在临床上有着广阔的应用前景。

Claims

1.一种丝素修饰的聚氨酯医用生物材料的制备方法，聚氨酯为膜状材料，其特征在于包括如下步骤的加工：

(2)再加入引发剂和氧化剂，使溶液中引发剂的质量浓度为0.5～1.0％，氧化剂与丁烯二羧酸单体的摩尔比为0.5～2∶1；在温度为20～90℃的惰性气体气氛中，经3～6小时的接枝聚合反应后，得到聚羧酸接枝聚氨酯膜；

2.根据权利要求1所述的一种丝素修饰的聚氨酯医用生物材料的制备方法，其特征在于：所述的丁烯二羧酸中的羧酸单体为脂肪族不饱和一元羧酸、脂肪族不饱和二元羧酸、脂肪族不饱和三元羧酸、芳香族不饱和一元羧酸、芳香族不饱和二元羧酸或芳香族不饱和三元羧酸中的一种，或一种以上的混合物。

3.根据权利要求1所述的一种丝素修饰的聚氨酯医用生物材料的制备方法，其特征在于：所述的氧化剂为过硫酸盐、过氧化酸或双氧水中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种丝素修饰的聚氨酯医用生物材料的制备方法，其特征在于：所述的引发剂为过氧化苯甲酰或偶氮二异丁晴。

5.根据权利要求1所述的一种丝素修饰的聚氨酯医用生物材料的制备方法，其特征在于：所述的缩合剂为碳二亚胺盐酸盐、碳二亚胺碘化盐、N-羟基琥珀酰亚胺或N-羟基硫代琥珀酰亚胺中的一种，或一种以上的混合物。