CN104559096A - 利用体热激发的聚乳酸基生物可降解形状记忆材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种利用体热激发的聚乳酸基生物可降解形状记忆材料及其制备方法和应用，材料的主要成份是质量比为(70～90):(30～10)的聚乳酸和热塑性弹性体，以及质量含量为10～40phr的塑化剂；通过将主要成份进行机械混合成预混料，再投入挤出机中进行熔融共混得到形状记忆材料；用于制作医疗用的固定器件。本聚乳酸基生物可降解形状记忆材料的形状回复温度可调节至体温附近，实现了可利用体热激发的效果，可更好地应用于生物医用材料中，极大地提高其产品的市场竞争力。

Description

利用体热激发的聚乳酸基生物可降解形状记忆材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及生物医用高分子材料领域，特别涉及一种利用体热激发的聚乳酸基生物可降解形状记忆材料及其制备方法和应用。

背景技术

生物可降解形状记忆高分子材料是一种同时具有生物相容性、生物可降解性和形状记忆功能的新型材料。生物可降解形状记忆高分子材料能够从尺寸较大的初始形状变形为尺寸较小的临时形状，通过狭窄的通道植入人体内，然后激发其形状记忆效应，形状回复到原始状态，可方便地实施许多复杂、难度大的手术。而且与传统的医用形状记忆合金相比，生物可降解形状记忆高分子材料具有很大优越性：(1)生物可降解，不必手术后取出，可免除患者二次手术的痛苦：(2)应变可达100～400％，远大于传统医用形状记忆合金的8％，适用范围广；(3)易于制备；(4)可通过材料结构设计对转变温度、降解速率和力学性能进行调控。因此，作为一种新型的功能性生物医用材料，生物可降解形状记忆高分子材料在生物医学领域具有较大的应用前景，如骨或肌腱固定器件、血管接合/绑扎、药物控制释放、医用支架、手术缝合线、组织替代材料和生物医用器官等。

目前，被较多研究的生物可降解形状记忆高分子材料主要有聚乳酸、聚己内酯及其共聚物、聚氨酯类及其共混物。其中聚乳酸来源于可再生资源，具有良好的生物相容性和生物降解性，较多应用在生物医学工程上，用作手术缝合线、骨钉和骨板等。聚乳酸可用作形状记忆材料，有研究者采用共混法和共聚法制备聚乳酸基形状记忆材料，但存在以下不足：

(1)采用共混法制备的聚乳酸基形状记忆材料的形状回复温度是聚乳酸的玻璃化温度(65℃)，此温度高于人体温度(37℃)，使其不能直接用于通 过体热激发的形状记忆材料。

(2)采用共聚法制备的聚乳酸基形状记忆材料，虽然其形状回复温度可调节至体温附近，但其制备工艺复杂、成本较高，而且制备过程使用有毒试剂，对人体有害，污染环境。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种利用体热激发的聚乳酸基生物可降解形状记忆材料，该材料具有良好的形状记忆性能，并且其形状回复温度可降低至接近体温。

本发明的另一目的在于提供一种用于上述利用体热激发的聚乳酸基生物可降解形状记忆材料的制备方法，该制备方法操作简单、工序少、稳定可靠并适于工业化生产。

本发明的又一目的在于提供上述利用体热激发的聚乳酸基生物可降解形状记忆材料的应用。

本发明的技术方案为：一种利用体热激发的聚乳酸基生物可降解形状记忆材料，其主要成份为聚乳酸、热塑性弹性体和塑化剂。聚乳酸与热塑性弹性体的质量比为(70～90):(30～10)，塑化剂的质量含量为10～40phr；

其中，聚乳酸为聚L-乳酸(PLLA)，热塑性弹性体为苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物或热塑性聚氨酯中的一种，塑化剂为聚乙二醇、柠檬酸甘油脂或三醋酸甘油酯中的一种。

作为一种优选方案，所述聚乳酸、热塑性弹性体和塑化剂的质量比为80:20:40。

所述聚乳酸的数均分子质量为20000～100000。

所述塑化剂为聚乙二醇时，塑化剂的数均分子质量为4000。

上述利用体热激发的聚乳酸基生物可降解形状记忆材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将聚乳酸、热塑性弹性体和塑化剂按相应的质量比进行机械混合，形成预混料；

(2)将预混料投入挤出机中进行熔融共混，得到聚乳酸基生物可降解形状记忆材料。

所述步骤(2)得到的聚乳酸基生物可降解形状记忆材料的玻璃化温度为30～50℃，形变固定率为96～98％，形变回复率为96～98％。

所述步骤(2)中，挤出机对预混料进行熔融共混时，螺杆转速为20r/min，机筒温度为160～180℃。

该制备方法中，其作用原理为：形状记忆高分子材料的形状记忆功能主要来源于材料内部的固定相和可逆相，其中前者起保持材料形状的作用，后者使材料随温度变化发生可逆的软化-硬化变化。聚乳酸的无定形区相当于可逆相，而结晶区相当于固定相；但聚乳酸较脆，受拉力作用时会断裂，并且聚乳酸的玻璃化温度远高于人体温度；热塑性弹性体的加入可提高聚乳酸基形状记忆材料的韧性，塑化剂的加入可调节聚乳酸基形状记忆材料的形状回复温度。这样，高温下聚乳酸处于橡胶态，在拉力作用下可以发生较大的宏观形变，使聚乳酸分子链的空间排布有方向性，即沿拉力的方向取向。此时保留拉力，并冷却聚乳酸基形状记忆材料至较低温度，聚乳酸处于玻璃态，其可逆相分子链的活动能力很低，所以去除拉力后，聚乳酸基形状记忆材料形变后的形状得以维持。在上述形变过程中，聚乳酸中的大分子链缠结阻止了分子链间的滑移，当形变后的聚乳酸基形状记忆材料被加热至橡胶态时，聚乳酸中的分子链活动能力增强，热运动使分子链无序化，恢复到卷曲状态，促使形变后的聚乳酸基形状记忆材料恢复至被拉伸前的形状。

上述利用体热激发的聚乳酸基生物可降解形状记忆材料，用于制作医疗使用的固定器件，具体为：

(1)将聚乳酸基生物可降解形状记忆材料进行造粒，然后通过注塑机进行成型，得到初始形状的固定器件；

(2)使用时，将初始形状的固定器件加热到玻璃化温度至高于玻璃化温度20℃的温度范围内，初始形状的固定器件得到软化，施加变形后形成临时形状，冷却到0℃以冻结材料应力，固定所形成的临时形状；

(3)当需要将处于临时形状的固定器件恢复至初始形状时，将临时形状 的固定器件加热到玻璃化温度至高于玻璃化温度20℃的温度范围内，此时固定器件便恢复并保持初始形状。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

(1)本聚乳酸基生物可降解形状记忆材料中，通过添加可降解的弹性体到可降解的高分子材料(PLLA)中，极大地提高了PLLA的韧性，并明显增加其形状回复率。更重要的是，通过添加可降解的塑化剂到可降解的高分子材料(PLLA)中，可调节PLLA的形状回复温度至体温附近，实现了可利用体热激发的效果，可更好地应用于生物医用材料中，极大地提高其产品的市场竞争力。

(2)本聚乳酸基生物可降解形状记忆材料的制备过程不使用有毒溶剂，对操作人员健康无害，而且制备过程可采用工业生产中普遍使用的连续型加工设备(挤出机和注塑机)，制备工艺简单，因此可实现连续、批量生产，易于推广，应用前景广阔，制备过程中没有添加不可降解的物质，生物安全性好。

(3)本聚乳酸基生物可降解形状记忆材料需要加热时，由于其玻璃化温度可被调节至人体温度附近，因此可利用体热激发其形状回复，免除了额外的加热，能减轻病人痛苦。同时，该材料完全可生物降解，可广泛用作医疗领域的多种固定器件，如骨内收缩记忆骨钉、骨外形状固定板、石膏替代品等。

附图说明

图1～3为实施例2中聚乳酸基生物可降解形状记忆材料的形状记忆演变过程的照片。

其中，图1为聚乳酸基生物可降解形状记忆材料初始形状的照片；图2为聚乳酸基生物可降解形状记忆材料形变后处于临时形状的照片；图3为聚乳酸基生物可降解形状记忆材料加热至37℃恢复初始形状后的照片。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

对比例

本对比例中，将聚乳酸和热塑性聚氨酯按80:20的质量比进行机械混合，然后将预混料投入挤出机中进行熔融共混，得到聚乳酸基生物可降解形状记忆材料。挤出机螺杆转速为20r/min，机筒温度为160～180℃。

测试得到：聚乳酸基生物可降解形状记忆材料的玻璃化温度为64℃，形状固定率为98.4％，形状回复率为94.5％。

实施例1

本实施例中，将聚乳酸、热塑性聚氨酯和聚乙二醇按80:20:20的质量比进行机械混合，然后将预混料投入挤出机中进行熔融共混，得到聚乳酸基生物可降解形状记忆材料。挤出机的螺杆转速为20r/min，机筒温度为160～180℃。

测试得到：聚乳酸基生物可降解形状记忆材料的玻璃化温度为46℃，形状固定率为97.8％，形状回复率为96.3％。

将上述聚乳酸基生物可降解形状记忆材料用于制作医疗用固定器件，具体为：

(1)将上述制得的聚乳酸基生物可降解形状记忆材料造粒，利用注塑机将其成型为医疗用固定器件。

(2)将(1)中制得的固定器件加热至51～66℃(比其玻璃化温度高5～20℃)，使其软化，并施加变形，使其形成临形状态；然后立即将其冷却到0℃，以冻结材料应力，固定所形成的临时形状；

(3)只需将(2)中处于临时形状的固定器件加热至51～66℃，其便恢复到初始形状，并保持初始形状。

实施例2

本实施例中，将聚乳酸、热塑性聚氨酯和聚乙二醇按80:20:40的质量比进行机械混合，然后将预混料投入挤出机中进行熔融共混，得到聚乳酸基生物可降解形状记忆材料。挤出机的螺杆转速为20r/min，机筒温度为160～180℃。

测试得到：聚乳酸基生物可降解形状记忆材料的玻璃化温度为32℃，形 状固定率为96.2％，形状回复率为97.7％，其形状记忆演变过程如图1～3所示。

将上述聚乳酸基生物可降解形状记忆材料用于制作医疗用固定器件，具体为：

(1)将上述制得的聚乳酸基生物可降解形状记忆材料造粒，利用注塑机将其成型为医疗用固定器件，此时固定器件处于初始状态，如图1所示；

(2)将(1)中制得的固定器件加热至37℃(比其玻璃化温度高5～20℃均可以)，使其软化，并施加变形，使其形成临时形状，如图2所示；然后立即将其冷却到0℃，以冻结材料应力，固定所形成的临时形状。

(3)只需将(2)中处于临时形状的固定器件加热至37℃(比其玻璃化温度高5～20℃均可以)，其便恢复到初始形状，并保持初始形状，如图3所示。

本实施例中，由于聚乳酸基生物可降解形状记忆材料的玻璃化温度低至32℃，所以可利用体热激发其形状回复。

将实施例1、2与对比例进行比较可知，实施例1和实施例2所得到聚乳酸基生物可降解形状记忆材料玻璃化温度和形变固定率明显降低，形变回复率明显提高。

如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。

Claims (8)

1.利用体热激发的聚乳酸基生物可降解形状记忆材料，其特征在于，主要成份为聚乳酸、热塑性弹性体和塑化剂，聚乳酸与热塑性弹性体的质量比为(70～90):(30～10)，塑化剂的质量含量为10～40phr；

其中，聚乳酸为聚L-乳酸，热塑性弹性体为苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物或热塑性聚氨酯中的一种，塑化剂为聚乙二醇、柠檬酸甘油脂或三醋酸甘油酯中的一种。

2.根据权利要求1所述利用体热激发的聚乳酸基生物可降解形状记忆材料，其特征在于，所述聚乳酸、热塑性弹性体和塑化剂的质量比为80:20:40。

3.根据权利要求1所述利用体热激发的聚乳酸基生物可降解形状记忆材料，其特征在于，所述聚乳酸的数均分子质量为20000～100000。

4.根据权利要求1所述利用体热激发的聚乳酸基生物可降解形状记忆材料，其特征在于，所述塑化剂为聚乙二醇时，塑化剂的数均分子质量为4000。

5.权利要求1～4任一项所述利用体热激发的聚乳酸基生物可降解形状记忆材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将聚乳酸、热塑性弹性体和塑化剂按相应的质量比进行机械混合，形成预混料；

(2)将预混料投入挤出机中进行熔融共混，得到聚乳酸基生物可降解形状记忆材料。

6.根据权利要求5所述利用体热激发的聚乳酸基生物可降解形状记忆材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)得到的聚乳酸基生物可降解形状记忆材料的玻璃化温度为30～50℃，形变固定率为96～98％，形变回复率为96～98％。

7.根据权利要求5所述利用体热激发的聚乳酸基生物可降解形状记忆材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，挤出机对预混料进行熔融共混时，螺杆转速为20r/min，机筒温度为160～180℃。

8.权利要求1～4任一项所述利用体热激发的聚乳酸基生物可降解形状记忆材料，其特征在于，用于制作医疗用固定器件，具体为：

(1)将聚乳酸基生物可降解形状记忆材料进行造粒，然后通过注塑机进行成型，得到初始形状的固定器件；

(2)使用时，将初始形状的固定器件加热到玻璃化温度至高于玻璃化温度20℃的温度范围内，初始形状的固定器件得到软化，施加变形后形成临时形状，冷却到0℃以冻结材料应力，固定所形成的临时形状；

(3)当需要将处于临时形状的固定器件恢复至初始形状时，将临时形状的固定器件加热到玻璃化温度至高于玻璃化温度20℃的温度范围内，此时固定器件便恢复并保持初始形状。