CN105504251A - 一种可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体及其制备方法 - Google Patents

一种可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体及其制备方法，将柠檬酸、二醇或多元醇通过热聚合得到PCD预聚物；将柠檬酸、二醇或多元醇、POSS通过热聚合得到PCD-g-POSS预聚物；将上述两种预聚物溶解在有机溶剂中，再加入交联剂HDI和催化剂进行交联反应，即得到可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体(PCD-POSS)。本发明使用的热聚合方法环保、操作方便、原料成本低；制备的PCD-POSS具有仿生的粘弹性、高力学强度、良好的机械性能、高生物活性以及生物稳定性，可以显著地促进成骨细胞以及软组织细胞的粘附和增殖，在骨组织和软组织再生、药物运输领域有着良好的应用前景。

Description

一种可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体及其制备方法
技术领域
本发明属于可降解生物医用材料技术领域，具体涉及一种可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体及其制备方法。
背景技术
人体组织如骨组织、肌肉、皮肤以及心脏等，不仅具有一定的机械强度和自我修复功能，而且具有弹性行为，弹性行为是发挥其生理功能的重要保障(FongE.L,WatsonB.M,KasperF.K,MikosA.G.AdvMater.2012；24:4995-5013；PuppiD,ChielliniF,PirasA.Prog.Polym.Sci.2010；35:403-440.)，因而，生物医用材料要能够模拟组织的机械行为和生物活性，从而保证临床应用中的实际需要。
近些年，基于有机高分子，具有模拟组织弹性行为的弹性体，如聚1,3-三亚甲基碳酸酯(PTMC)、聚甘油-葵二酸(PGS)、聚柠檬酸-二醇(PCD)，在软组织工程和药物转运应用中得到了广泛的关注和深度的研究。其中聚柠檬酸-二醇(PCD)，由于其易降解、易制备、单体生物相容性好、可控的弹性行为、以及原料廉价在组织工程中展现出极大的应用潜能(BatE,KothmanB.H,HigueraG.A,vanBlitterswijkC.A,FeijenJ,GrijpmaD.W.Biomaterials.2010；31:8696-705；AllenR.A,WuW,YaoM,DuttaD,DuanX,BachmanT.N.Biomaterials.2014；35:165-73)。因此，很多基于PCD，且具有可控的机械强度和降解速率的弹性体被应用于心血管组织、血管支架、塑性、药物运输等领域。然而，近些年基于PCD的弹性体存在着以下不足：第一，机械强度低，尤其是与骨组织相比；第二，PCD是一种脂肪族聚酯弹性体，其过快的降解速率尤其在体内环境，阻碍了实际应用；第三，单纯的有机物弹性体由于缺乏生物活性，不利于组织的修复。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体及其制备方法，该方法工艺简单，制得的弹性体具有典型的仿生弹性行为、可控的机械强度和可调的降解能力。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体的制备方法，包括以下步骤：
1)PCD预聚物的制备：按摩尔比为1:(0.8～1.2)将柠檬酸和二醇或多元醇在140～160℃下热聚合，得到PCD预聚物；
2)PCD-g-POSS预聚物的制备：按摩尔比为1:(0.8～1.2):(0.4～0.8)将柠檬酸、二醇或多元醇和POSS在140～160℃下热聚合，得到PCD-g-POSS预聚物；
3)PCD-POSS杂化预聚物溶液的制备：将PCD-g-POSS预聚物和PCD预聚物溶解在有机溶剂中，得到PCD-POSS杂化预聚物溶液；其中加入的PCD-g-POSS预聚物为PCD预聚物和PCD-g-POSS预聚物总质量的5～50％；
4)可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体的制备：将交联剂HDI加入到PCD-POSS杂化预聚物溶液中，并加入催化剂锌酸亚锡进行交联反应，即得到可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体。
所述步骤1)和步骤2)中的热聚合在氮气气氛、惰性气体或真空环境下进行。
所述步骤1)和步骤2)中的二醇或多元醇为1,8-辛二醇、甘油、木糖醇、山梨糖醇或聚乙二醇(Mw:200-2000)。
所述步骤2)中的POSS为氨丙基异丁基POSS、氨乙基氨丙基异丁基POSS或环氧乙基异丁基POSS。
所述步骤3)中的有机溶剂为四氢呋喃(THF)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)或二甲基亚砜(DMSO)。
所述步骤3)中PCD-POSS杂化预聚物溶液中PCD-g-POSS预聚物和PCD预聚物的总质量浓度为5～15％。
所述步骤3)中PCD-g-POSS预聚物和PCD预聚物在有机溶剂中的溶解温度为40～50℃。
所述步骤4)中加入的交联剂HDI与PCD-POSS杂化预聚物溶液中PCD-g-POSS预聚物和PCD预聚物的总摩尔比为(0.2～0.6):1，加入的催化剂锌酸亚锡为交联剂HDI质量的0.08～0.12％。
所述步骤4)中的交联温度为50～100℃，交联时间为2～5天。
制得的可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体，该弹性体的结构式为：
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
本发明针对现有生物医用弹性体所存在的力学强度低、稳定性差(降解速度过快)、无生物活性等缺点，提供了一种可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体的制备方法，该方法以人体天然代谢产物柠檬酸(Citricacid)、二醇(Diol)或多元醇为单体，通过热聚合得到聚柠檬酸酯高分子预聚物(PCD预聚物)；将柠檬酸、二醇或多元醇、多面体低聚倍半硅氧烷(POSS)通过热聚合，得到POSS接枝的高分子预聚物(PCD-g-POSS预聚物)；将PCD-g-POSS预聚物和PCD预聚物溶解在有机溶剂中，得到PCD-POSS杂化预聚物溶液；将交联剂六亚甲基二异氰酸酯(HDI)加入到PCD-POSS杂化预聚物溶液中，并加入催化剂进行交联反应，即得到可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体(PCD-POSS)。本发明的制备方法简单，且无有机溶剂残留，所使用的热聚合合成方法环保、操作方便、原料成本低。实验结果证明：该方法制得的可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体(PCD-POSS)具有典型的仿生弹性行为、可控的机械强度、可调节的降解能力，能够显著促进成骨细胞(MC3T3)软组织细胞如成纤维细胞和成肌细胞的粘附、增殖，显示出较强的组织修复和再生应用潜力。
本发明中所使用的柠檬酸、二醇或多醇、POSS具有良好的生物相容性和降解性，且POSS具有疏水的无机内核，因此所制备的可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体(PCD-POSS)具有仿生的粘弹性和高力学强度，在磷酸盐缓冲液(PBS)环境下，仍然保持较好的机械性能；体外细胞培养进一步表明，本发明制得的可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体(PCD-POSS)具有良好的机械性能、高生物活性以及生物稳定性，可以显著地促进成骨细胞(MC3T3)以及软组织细胞(L929，C2C12)的粘附和增殖，在骨组织和软组织再生、药物运输领域有着良好的应用前景。
本发明还具有以下优点：
(1)本发明所使用的聚柠檬酸-二醇或多元醇(PCD预聚物)是一种典型的弹性体高分子，并且是一种可降解脂肪族聚酯高分子，其单体生物相容性良好，且廉价易得。
(2)本发明利用无机-有机杂化纳米POSS对聚柠檬酸-二醇或多元醇(PCD预聚物)进行改性，POSS的共价接入，增强了原本聚柠檬酸-二醇或多元醇(PCD预聚物)的机械性能和弹性行为，尤其是POSS疏水基团的引入，使得制得的可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体(PCD-POSS)在PBS环境中仍然保持很好的机械稳定性。
(3)本发明中硅基POSS的参杂，使得原本不具有生物活性的聚柠檬酸-二醇或多元醇(PCD预聚物)展现出了较高的生物活性，能够显著地促进成骨细胞(MC3T3)和成纤维细胞、成肌细胞的粘附、增殖。
(4)本发明中使用的有机溶剂在高温条件下全部挥发，所制备的可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体(PCD-POSS)不存在残留的有机溶剂。
附图说明
图1是本发明制备的可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体(PCD-POSS)的化学结构式，其中A是柠檬酸-1,8-辛二醇-氨丙基异丁基POSS；B是柠檬酸-1,8-辛二醇-氨乙基氨丙基异丁基POSS；C是柠檬酸-1,8-辛二醇-环氧乙基异丁基POSS；D是柠檬酸-山梨糖醇-氨丙基异丁基POSS；E是柠檬酸-木糖醇-氨丙基异丁基POSS；F是柠檬酸-甘油-氨丙基异丁基POSS；G是柠檬酸-聚乙二醇-氨丙基异丁基POSS。
图2是本发明制备的柠檬酸-1,8-辛二醇-氨丙基异丁基POSS的1HNMR图(CDCl3为溶剂)。
图3是本发明制备的可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体(PCD-POSS)的力学性能，其中A为典型的弹性体应力-应变拉伸曲线；B-D依次为PCD-POSS所具有的最大应力、断裂伸长率、杨氏模量。
图4是本发明制备的可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体(PCD-POSS)在37℃磷酸盐缓冲溶液(PBS)中降解后应力-应变拉伸曲线，其中A是浸泡1天后的应力-应变拉伸曲线，B是浸泡14天后的应力-应变拉伸曲线。
图5为成骨细胞、成纤维细胞、成肌细胞在可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体(PCD-POSS)上的粘附和增殖性质，其中A为成骨细胞(MC3T3)，C为成纤维细胞(L929)，D为成肌细胞(C2C12)的细胞粘附荧光照片；B为成骨细胞增殖结果。
具体实施方式
本发明致力于制备一种具有高力学强度和生物活性的可降解仿生医用弹性体材料，实现其降解性可调可控，促进其人体组织修复能力。硅基材料因为具有良好的生物相容性和生物活性，是一类重要的组织修复材料，尤其是在骨组织再生应用中。多面体低聚倍半硅氧烷(POSS)是一种典型的有机-无机杂化纳米材料，其刚性笼状无机核心部位是由Si-O-Si键形成的多面体，外部则是由有机取代物所覆盖。该笼状无机部分赋予POSS刚性和生物活性，而有机部分可提供疏水基团。因此，在本发明中，利用POSS与典型弹性体PCD聚合反应所形成的可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体(PCD-POSS)，不仅具有生物活性，而且其机械性能得到了显著增强，生物环境下的降解能力得到有效控制，与骨组织和软组织细胞相容性大大加强，是一种用于骨组织和软组织修复和再生、药物控制释放的可降解生物医用材料。
为了更好的理解本发明，下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
1)PCD预聚物的制备：按柠檬酸：1,8-辛二醇的摩尔比为1:1.1，总质量为5.0g，加入到50mL圆底烧瓶中，氮气环境下搅拌放入160℃油浴中熔解；待反应单体柠檬酸、1,8-辛二醇全部熔解后，温度立即降至140℃，氮气环境下反应1小时。反应产物用去离子水清洗3次，离心，冷冻干燥留做后用；
2)PCD-g-POSS预聚物的制备：按柠檬酸：1,8-辛二醇：氨丙基异丁基POSS的摩尔比为1:1.1:0.8，总质量为5.0g，加入到50mL圆底烧瓶中，氮气环境下搅拌放入160℃油浴中熔解；待柠檬酸、1,8-辛二醇全部熔解后，温度立即降至140℃，氮气环境下反应1小时。反应产物利用二甲基亚砜(DMSO)溶解离心3次，留上清液；然后再用去离子水清洗3次，离心，冷冻干燥留做后用；
3)PCD-POSS杂化预聚物溶液的制备：将PCD-g-POSS预聚物和PCD预聚物在40℃下溶解在二甲基亚砜(DMSO)中，得到PCD-POSS杂化预聚物溶液；其中PCD-g-POSS预聚物为PCD预聚物和PCD-g-POSS预聚物总质量的5％；PCD-POSS杂化预聚物溶液中PCD-g-POSS预聚物和PCD预聚物的总质量百分浓度为5％；
4)可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体的制备：向PCD-POSS杂化预聚物溶液中加入HDI和Sn(Oct)2(HDI与PCD-POSS杂化预聚物溶液中PCD-g-POSS预聚物和PCD预聚物的总摩尔比为0.5:1，Sn(Oct)2为HDI质量的0.1％)，搅拌20分钟后，倒入聚四氟乙烯模具中；随后将模具放入50℃烘箱中挥发溶剂，待溶剂挥发完后，调节温度至80℃，在此温度下交联2天，即得到可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体。
实施例2
1)PCD预聚物的制备：按柠檬酸：甘油的摩尔比为1:0.8，总质量为5.0g，加入到50mL圆底烧瓶中，氮气环境下搅拌放入160℃油浴中熔解；待反应单体柠檬酸、甘油全部熔解后，温度立即降至142℃，氩气环境下反应1小时。反应产物用去离子水清洗3次，离心，冷冻干燥留做后用；
2)PCD-g-POSS预聚物的制备：按柠檬酸：甘油：氨丙基异丁基POSS的摩尔比为1:0.8:0.4，总质量为5.0g，加入到50mL圆底烧瓶中，氮气环境下搅拌放入160℃油浴中熔解；待柠檬酸、甘油全部熔解后，温度立即降至142℃，氮气环境下反应1小时。反应产物利用二甲基亚砜(DMSO)溶解离心3次，留上清液；然后再用去离子水清洗3次，离心，冷冻干燥留做后用；
3)PCD-POSS杂化预聚物溶液的制备：将PCD-g-POSS预聚物和PCD预聚物在41℃下溶解在二甲基亚砜(DMSO)中，得到PCD-POSS杂化预聚物溶液；其中PCD-g-POSS预聚物为PCD预聚物和PCD-g-POSS预聚物总质量的15％；PCD-POSS杂化预聚物溶液中PCD-g-POSS预聚物和PCD预聚物的总质量百分浓度为8％；
4)可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体的制备：向PCD-POSS杂化预聚物溶液中加入HDI和Sn(Oct)2(HDI与PCD-POSS杂化预聚物溶液中PCD-g-POSS预聚物和PCD预聚物的总摩尔比为0.2:1，Sn(Oct)2为HDI质量的0.08％)，搅拌20分钟后，倒入聚四氟乙烯模具中；随后将模具放入50℃烘箱中挥发溶剂，待溶剂挥发完后，调节温度至50℃，在此温度下交联5天，即得到可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体。
实施例3
1)PCD预聚物的制备：按柠檬酸：木糖醇的摩尔比为1:0.9，总质量为5.0g，加入到50mL圆底烧瓶中，氮气环境下搅拌放入160℃油浴中熔解；待反应单体柠檬酸、木糖醇全部熔解后，温度立即降至145℃，氦气环境下反应1小时。反应产物用去离子水清洗3次，离心，冷冻干燥留做后用；
2)PCD-g-POSS预聚物的制备：按柠檬酸：木糖醇：氨丙基异丁基POSS的摩尔比为1:0.9:0.5，总质量为5.0g，加入到50mL圆底烧瓶中，氮气环境下搅拌放入160℃油浴中熔解；待柠檬酸、木糖醇全部熔解后，温度立即降至145℃，氮气环境下反应1小时。反应产物利用二甲基亚砜(DMSO)溶解离心3次，留上清液；然后再用去离子水清洗3次，离心，冷冻干燥留做后用；
3)PCD-POSS杂化预聚物溶液的制备：将PCD-g-POSS预聚物和PCD预聚物在42℃下溶解在二甲基亚砜(DMSO)中，得到PCD-POSS杂化预聚物溶液；其中PCD-g-POSS预聚物为PCD预聚物和PCD-g-POSS预聚物总质量的30％；PCD-POSS杂化预聚物溶液中PCD-g-POSS预聚物和PCD预聚物的总质量百分浓度为10％；
4)可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体的制备：向PCD-POSS杂化预聚物溶液中加入HDI和Sn(Oct)2(HDI与PCD-POSS杂化预聚物溶液中PCD-g-POSS预聚物和PCD预聚物的总摩尔比为0.3:1，Sn(Oct)2为HDI质量的0.09％)，搅拌20分钟后，倒入聚四氟乙烯模具中；随后将模具放入50℃烘箱中挥发溶剂，待溶剂挥发完后，调节温度至60℃，在此温度下交联4.5天，即得到可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体。
实施例4
1)PCD预聚物的制备：按柠檬酸：山梨糖醇的摩尔比为1:1，总质量为5.0g，加入到50mL圆底烧瓶中，氮气环境下搅拌放入160℃油浴中熔解；待反应单体柠檬酸、山梨糖醇全部熔解后，温度立即降至148℃，氮气环境下反应1小时。反应产物用去离子水清洗3次，离心，冷冻干燥留做后用；
2)PCD-g-POSS预聚物的制备：按柠檬酸：山梨糖醇：氨丙基异丁基POSS的摩尔比为1:1:0.6，总质量为5.0g，加入到50mL圆底烧瓶中，氮气环境下搅拌放入160℃油浴中熔解；待柠檬酸、山梨糖醇全部熔解后，温度立即降至148℃，氮气环境下反应1小时。反应产物利用二甲基亚砜(DMSO)溶解离心3次，留上清液；然后再用去离子水清洗3次，离心，冷冻干燥留做后用；
3)PCD-POSS杂化预聚物溶液的制备：将PCD-g-POSS预聚物和PCD预聚物在43℃下溶解在二甲基亚砜(DMSO)中，得到PCD-POSS杂化预聚物溶液；其中PCD-g-POSS预聚物为PCD预聚物和PCD-g-POSS预聚物总质量的40％；PCD-POSS杂化预聚物溶液中PCD-g-POSS预聚物和PCD预聚物的总质量百分浓度为12％；
4)可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体的制备：向PCD-POSS杂化预聚物溶液中加入HDI和Sn(Oct)2(HDI与PCD-POSS杂化预聚物溶液中PCD-g-POSS预聚物和PCD预聚物的总摩尔比为0.4:1，Sn(Oct)2为HDI质量的0.11％)，搅拌20分钟后，倒入聚四氟乙烯模具中；随后将模具放入50℃烘箱中挥发溶剂，待溶剂挥发完后，调节温度至70℃，在此温度下交联4天，即得到可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体。
实施例5
1)PCD预聚物的制备：按柠檬酸：聚乙二醇(Mw:200-2000)的摩尔比为1:1.2，总质量为5.0g，加入到50mL圆底烧瓶中，氮气环境下搅拌放入160℃油浴中熔解；待反应单体柠檬酸、聚乙二醇全部熔解后，温度立即降至150℃，氮气环境下反应1小时。反应产物用去离子水清洗3次，离心，冷冻干燥留做后用；
2)PCD-g-POSS预聚物的制备：按柠檬酸：聚乙二醇(Mw:200-2000)：氨丙基异丁基POSS的摩尔比为1:1.2:0.7，总质量为5.0g，加入到50mL圆底烧瓶中，氮气环境下搅拌放入160℃油浴中熔解；待柠檬酸、聚乙二醇全部熔解后，温度立即降至150℃，氮气环境下反应1小时。反应产物利用二甲基亚砜(DMSO)溶解离心3次，留上清液；然后再用去离子水清洗3次，离心，冷冻干燥留做后用；
3)PCD-POSS杂化预聚物溶液的制备：将PCD-g-POSS预聚物和PCD预聚物在44℃下溶解在二甲基亚砜(DMSO)中，得到PCD-POSS杂化预聚物溶液；其中PCD-g-POSS预聚物为PCD预聚物和PCD-g-POSS预聚物总质量的50％；PCD-POSS杂化预聚物溶液中PCD-g-POSS预聚物和PCD预聚物的总质量百分浓度为15％；
4)可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体的制备：向PCD-POSS杂化预聚物溶液中加入HDI和Sn(Oct)2(HDI与PCD-POSS杂化预聚物溶液中PCD-g-POSS预聚物和PCD预聚物的总摩尔比为0.6:1，Sn(Oct)2为HDI质量的0.12％)，搅拌20分钟后，倒入聚四氟乙烯模具中；随后将模具放入50℃烘箱中挥发溶剂，待溶剂挥发完后，调节温度至90℃，在此温度下交联2.5天，即得到可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体。
实施例6
1)PCD预聚物的制备：按柠檬酸：1,8-辛二醇的摩尔比为1:0.85，总质量为5.0g，加入到50mL圆底烧瓶中，氮气环境下搅拌放入160℃油浴中熔解；待反应单体柠檬酸、1,8-辛二醇全部熔解后，温度立即降至152℃，真空(2Pa)环境下反应1小时。反应产物用去离子水清洗3次，离心，冷冻干燥留做后用；
2)PCD-g-POSS预聚物的制备：按柠檬酸：1,8-辛二醇：氨乙基氨丙基异丁基POSS摩尔比为1:0.85:0.45，总质量为5.0g，加入到50mL圆底烧瓶中，氮气环境下搅拌放入160℃油浴中熔解；待柠檬酸、1,8-辛二醇全部熔解后，温度立即降至152℃，真空(2Pa)环境下反应1小时。反应产物利用二甲基亚砜(DMSO)溶解离心3次，留上清液；然后再用去离子水清洗3次，离心，冷冻干燥留做后用；
3)PCD-POSS杂化预聚物溶液的制备：将PCD-g-POSS预聚物和PCD预聚物在45℃下溶解在N,N二甲基甲酰胺(DMF)中，得到PCD-POSS杂化预聚物溶液；其中PCD-g-POSS预聚物为PCD预聚物和PCD-g-POSS预聚物总质量的10％；PCD-POSS杂化预聚物溶液中PCD-g-POSS预聚物和PCD预聚物的总质量百分浓度为7％；
4)可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体的制备：向PCD-POSS杂化预聚物溶液中加入HDI和Sn(Oct)2(HDI与PCD-POSS杂化预聚物溶液中PCD-g-POSS预聚物和PCD预聚物的总摩尔比为0.25:1，Sn(Oct)2为HDI质量的0.085％)，搅拌20分钟后，倒入聚四氟乙烯模具中；随后将模具放入50℃烘箱中挥发溶剂，待溶剂挥发完后，调节温度至95℃，在此温度下交联2天，即得到可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体。
实施例7
1)PCD预聚物的制备：按柠檬酸：1,8-辛二醇的摩尔比为1:0.95，总质量为5.0g，加入到50mL圆底烧瓶中，氮气环境下搅拌放入155℃油浴中熔解；待反应单体柠檬酸、1,8-辛二醇全部熔解后，温度立即降至140℃，真空(2Pa)环境下反应1小时。反应产物用去离子水清洗3次，离心，冷冻干燥留做后用；
2)PCD-g-POSS预聚物的制备：按柠檬酸：1,8-辛二醇：环氧乙基异丁基POSS摩尔比为1:0.95:0.55，总质量为5.0g，加入到50mL圆底烧瓶中，氮气环境下搅拌放入160℃油浴中熔解；待柠檬酸、1,8-辛二醇全部熔解后，温度立即降至155℃，真空(2Pa)环境下反应1小时。反应产物利用二甲基亚砜(DMSO)溶解离心3次，留上清液；然后再用去离子水清洗3次，离心，冷冻干燥留做后用；
3)PCD-POSS杂化预聚物溶液的制备：将PCD-g-POSS预聚物和PCD预聚物在46℃下溶解在N,N二甲基甲酰胺(DMF)中，得到PCD-POSS杂化预聚物溶液；其中PCD-g-POSS预聚物为PCD预聚物和PCD-g-POSS预聚物总质量的25％；PCD-POSS杂化预聚物溶液中PCD-g-POSS预聚物和PCD预聚物的总质量百分浓度为11％；
4)可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体的制备：向PCD-POSS杂化预聚物溶液中加入HDI和Sn(Oct)2(HDI与PCD-POSS杂化预聚物溶液中PCD-g-POSS预聚物和PCD预聚物的总摩尔比为0.35:1，Sn(Oct)2为HDI质量的0.095％)，搅拌20分钟后，倒入聚四氟乙烯模具中；随后将模具放入50℃烘箱中挥发溶剂，待溶剂挥发完后，调节温度至85℃，在此温度下交联3天，即得到可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体。
实施例8
1)PCD预聚物的制备：按柠檬酸：木糖醇的摩尔比为1:1.05，总质量为5.0g，加入到50mL圆底烧瓶中，氮气环境下搅拌放入160℃油浴中熔解；待反应单体柠檬酸、木糖醇全部熔解后，温度立即降至158℃，真空(2Pa)环境下反应1小时。反应产物用去离子水清洗3次，离心，冷冻干燥留做后用；
2)PCD-g-POSS预聚物的制备：按柠檬酸：木糖醇：氨乙基氨丙基异丁基POSS摩尔比为1:1.05:0.65，总质量为5.0g，加入到50mL圆底烧瓶中，氮气环境下搅拌放入160℃油浴中熔解；待柠檬酸、木糖醇全部熔解后，温度立即降至158℃，真空(2Pa)环境下反应1小时。反应产物利用二甲基亚砜(DMSO)溶解离心3次，留上清液；然后再用去离子水清洗3次，离心，冷冻干燥留做后用；
3)PCD-POSS杂化预聚物溶液的制备：将PCD-g-POSS预聚物和PCD预聚物在47℃下溶解在N,N二甲基甲酰胺(DMF)中，得到PCD-POSS杂化预聚物溶液；其中PCD-g-POSS预聚物为PCD预聚物和PCD-g-POSS预聚物总质量的45％；PCD-POSS杂化预聚物溶液中PCD-g-POSS预聚物和PCD预聚物的总质量百分浓度为13％；
4)可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体的制备：向PCD-POSS杂化预聚物溶液中加入HDI和Sn(Oct)2(HDI与PCD-POSS杂化预聚物溶液中PCD-g-POSS预聚物和PCD预聚物的总摩尔比为0.45:1，Sn(Oct)2为HDI质量的0.105％)，搅拌20分钟后，倒入聚四氟乙烯模具中；随后将模具放入50℃烘箱中挥发溶剂，待溶剂挥发完后，调节温度至75℃，在此温度下交联3.5天，即得到可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体。
实施例9
1)PCD预聚物的制备：按柠檬酸：山梨糖醇的摩尔比为1:1.15，总质量为5.0g，加入到50mL圆底烧瓶中，氮气环境下搅拌放入165℃油浴中熔解；待反应单体柠檬酸、山梨糖醇全部熔解后，温度立即降至160℃，真空(2Pa)环境下反应1小时。反应产物用去离子水清洗3次，离心，冷冻干燥留做后用；
2)PCD-g-POSS预聚物的制备：按柠檬酸：山梨糖醇：氨乙基氨丙基异丁基POSS摩尔比为1:1.15:0.75，总质量为5.0g，加入到50mL圆底烧瓶中，氮气环境下搅拌放入165℃油浴中熔解；待柠檬酸、山梨糖醇全部熔解后，温度立即降至160℃，真空(2Pa)环境下反应1小时。反应产物利用二甲基亚砜(DMSO)溶解离心3次，留上清液；然后再用去离子水清洗3次，离心，冷冻干燥留做后用；
3)PCD-POSS杂化预聚物溶液的制备：将PCD-g-POSS预聚物和PCD预聚物在48℃下溶解在四氢呋喃(THF)中，得到PCD-POSS杂化预聚物溶液；其中PCD-g-POSS预聚物为PCD预聚物和PCD-g-POSS预聚物总质量的20％；PCD-POSS杂化预聚物溶液中PCD-g-POSS预聚物和PCD预聚物的总质量百分浓度为14％；
4)可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体的制备：向PCD-POSS杂化预聚物溶液中加入HDI和Sn(Oct)2(HDI与PCD-POSS杂化预聚物溶液中PCD-g-POSS预聚物和PCD预聚物的总摩尔比为0.55:1，Sn(Oct)2为HDI质量的0.115％)，搅拌20分钟后，倒入聚四氟乙烯模具中；随后将模具放入40℃烘箱中挥发溶剂，待溶剂挥发完后，调节温度至100℃，在此温度下交联5天，即得到可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体。
实施例10
1)PCD预聚物的制备：按柠檬酸：聚乙二醇(Mw:200-2000)的摩尔比为1:1.1，总质量为5.0g，加入到50mL圆底烧瓶中，氮气环境下搅拌放入160℃油浴中熔解；待反应单体柠檬酸、聚乙二醇全部熔解后，温度立即降至140℃，真空(2Pa)环境下反应1小时。反应产物用去离子水清洗3次，离心，冷冻干燥留做后用；
2)PCD-g-POSS预聚物的制备：按柠檬酸：聚乙二醇(Mw:200-2000)：环氧乙基异丁基POSS摩尔比为1:1.1:0.8，总质量为5.0g，加入到50mL圆底烧瓶中，氮气环境下搅拌放入160℃油浴中熔解；待柠檬酸、聚乙二醇全部熔解后，温度立即降至140℃，真空(2Pa)环境下反应1小时。反应产物利用二甲基亚砜(DMSO)溶解离心3次，留上清液；然后再用去离子水清洗3次，离心，冷冻干燥留做后用；
3)PCD-POSS杂化预聚物溶液的制备：将PCD-g-POSS预聚物和PCD预聚物在50℃下溶解在四氢呋喃(THF)中，得到PCD-POSS杂化预聚物溶液；其中PCD-g-POSS预聚物为PCD预聚物和PCD-g-POSS预聚物总质量的35％；PCD-POSS杂化预聚物溶液中PCD-g-POSS预聚物和PCD预聚物的总质量百分浓度为9％；
4)可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体的制备：向PCD-POSS杂化预聚物溶液中加入HDI和Sn(Oct)2(HDI与PCD-POSS杂化预聚物溶液中PCD-g-POSS预聚物和PCD预聚物的总摩尔比为0.5:1，Sn(Oct)2为HDI质量的0.1％)，搅拌20分钟后，倒入聚四氟乙烯模具中；随后将模具放入40℃烘箱中挥发溶剂，待溶剂挥发完后，调节温度至65℃，在此温度下交联4天，即得到可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体。
本发明所制备的可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体(PCD-POSS)质地均匀，厚度约0.11±0.08mm，透光性随着PCD-g-POSS的质量浓度增加而减小。PCD-POSS的力学性能、弹性性能，促进细胞的粘附、增殖、和成骨基因分化的能力都依赖于PCD-g-POSS的质量分数，下面结合实验数据详细分析。
图1是本发明合成的几种可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体(PCD-POSS)的结构式，其中A为实施例1制得的PCD-POSS的结构式，B为实施例6制得的PCD-POSS的结构式，C为实施例7制得的PCD-POSS的结构式，D为实施例4制得的PCD-POSS的结构式，E为实施例3制得的PCD-POSS的结构式，F为实施例2制得的PCD-POSS的结构式，G为实施例5制得的PCD-POSS的结构式。
图2是实施例1制得的柠檬酸-1,8-辛二醇-氨丙基异丁基POSS的1H-NMR图谱，从图中可以看出，1,8-辛二醇上的亚甲基(-CH2)质子峰分别位于1.27，1.54，3.97ppm，而位于2.64-2.89ppm的多重峰归属于柠檬酸的亚甲基质子；此外，氨丙基异丁基POSS的氨基功能团与羧酸形成的酰胺键质子峰位于7.59ppm，异丁基上的亚甲基，甲基，次甲基质子峰分别位于0.57，0.92，1.81ppm处。以上的1H-NMR结果证明主链PCD的形成，以及POSS成功的接枝到PCD主链上，形成硅基(POSS)杂化的高分子。
图3为本发明制得的PCD-POSS可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体的力学性能。从图3A应力-应变曲线可以看出，PCD-POSS具有典型弹性体应力-应变行为，证明其实典型的弹性体。如图3B-D所示：和PCD相比，POSS的共价接入，不仅没有改变PCD原本的弹性行为，反而显著地增强了机械性能。PCD-POSS(15)最大应力、断裂伸长率分别为5.98±0.31MPa和326±8％，是PCD的2倍和1.3倍，而PCD-POSS(50)的杨氏模量是PCD的33倍。这些都说明，具有刚性笼状结构的POSS，共价接入有机高分子链后，可以显著地增强原有高分子网络的机械性能。
图4是本发明制得的PCD-POSS可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体在生理溶液磷酸盐缓冲液(PBS)中降解不同时间后的应力-应变曲线，其中A为降解1天，B为降解14天。可以看出即使降解14天后PCD-POSS也呈现出典型的弹性体应力-应变行为，且机械强度没有减小，而PCD的机械性能却有减小，这说明PCD-POSS硅基杂化可降解仿生生物医用弹性体在PBS中具有机械稳定性，短时间内能够维持其机械性能。PCD-POSS体系中的含有疏水残基的POSS能够有效的减小水分子进入PCD-POSS杂化体系，减小水分子对该体系的降解，从而维持原有的机械性能。
图5为成骨细胞，成纤维细胞，成肌细胞在PCD-POSS表面上的细胞粘附和增殖。从图5A，C，D可以看出，上述三种细胞均能很好的在PCD-POSS膜上粘附，细胞铺展较宽，形态正常。图5B成骨细胞的增殖结果显示PCD-POSS硅基杂化弹性体细胞数量和细胞活性显著大于纯的PCD弹性体(PCD-POSS(0))，也同时显著性的高于PLGA，与TCP相比，没有显著性差异。随着培养时间的延长，细胞数量不断增加。以上细胞粘附和增殖结果都说明PCD-POSS硅基杂化高分子生物医用弹性体具有良好的细胞相容性，能很好的促进成骨细胞，成纤维细胞，成肌细胞的粘附与增殖。
本发明中所制备的可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体(PCD-POSS)，制备过程简单，无有机溶剂残留，具有典型的弹性行为和可控的机械强度，且生物稳定性良好；具有生物活性，能够显著地促进成骨细胞，成纤维细胞，成肌细胞的粘附、增殖。该弹性体在骨组织工程、软组织工程、药物转运有着很好的应用前景。

Claims (10)

1.一种可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)PCD预聚物的制备：按摩尔比为1:(0.8～1.2)将柠檬酸和二醇或多元醇在140～160℃下热聚合，得到PCD预聚物；
2)PCD-g-POSS预聚物的制备：按摩尔比为1:(0.8～1.2):(0.4～0.8)将柠檬酸、二醇或多元醇和POSS在140～160℃下热聚合，得到PCD-g-POSS预聚物；
3)PCD-POSS杂化预聚物溶液的制备：将PCD-g-POSS预聚物和PCD预聚物溶解在有机溶剂中，得到PCD-POSS杂化预聚物溶液；其中加入的PCD-g-POSS预聚物为PCD预聚物和PCD-g-POSS预聚物总质量的5～50％；
4)可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体的制备：将交联剂HDI加入到PCD-POSS杂化预聚物溶液中，并加入催化剂锌酸亚锡进行交联反应，即得到可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体。
2.根据权利要求1所述的可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体的制备方法，其特征在于，所述步骤1)和步骤2)中的热聚合在氮气气氛、惰性气体或真空环境下进行。
3.根据权利要求1所述的可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体的制备方法，其特征在于，所述步骤1)和步骤2)中的二醇或多元醇为1,8-辛二醇、甘油、木糖醇、山梨糖醇或聚乙二醇。
4.根据权利要求1所述的可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中的POSS为氨丙基异丁基POSS、氨乙基氨丙基异丁基POSS或环氧乙基异丁基POSS。
5.根据权利要求1所述的可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中的有机溶剂为四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺或二甲基亚砜。
6.根据权利要求1所述的可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中PCD-POSS杂化预聚物溶液中PCD-g-POSS预聚物和PCD预聚物的总质量浓度为5～15％。
7.根据权利要求1所述的可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中PCD-g-POSS预聚物和PCD预聚物在有机溶剂中的溶解温度为40～50℃。
8.根据权利要求1所述的可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体的制备方法，其特征在于，所述步骤4)中加入的交联剂HDI与PCD-POSS杂化预聚物溶液中PCD-g-POSS预聚物和PCD预聚物的总摩尔比为(0.2～0.6):1，加入的催化剂锌酸亚锡为交联剂HDI质量的0.08～0.12％。
9.根据权利要求1所述的可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体的制备方法，其特征在于，所述步骤4)中的交联温度为50～100℃，交联时间为2～5天。
10.权利要求1-9中任意一项所述的可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体的制备方法制得的可降解硅基杂化高分子生物医用弹性体，其特征在于，该弹性体的结构式为：
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