CN107129564A - 磺化羟丙基壳聚糖改性生物相容性聚氨酯及其制备方法 - Google Patents

磺化羟丙基壳聚糖改性生物相容性聚氨酯及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种磺化羟丙基壳聚糖改性生物相容性聚氨酯及其制备方法。本发明先将壳聚糖通过醚化反应和磺化处理合成磺化羟丙基壳聚糖，然后将二苯甲烷二异氰酸酯、聚乙二醇和催化剂加入反应器，在氮气保护下，70～80℃搅拌反应2～4h；再加入磺化羟丙基壳聚糖，降温反应6～12h后，得到磺化羟丙基壳聚糖改性的生物相容性聚氨酯。本发明的突出特点是把水溶性类肝素物质磺化羟丙基壳聚糖共价接枝在聚氨酯长链上，极大提高了聚氨酯的亲水性和抗凝血性能；而且工艺简单，反应条件温和、易控，原料易得、成本低廉。

Description

磺化羟丙基壳聚糖改性生物相容性聚氨酯及其制备方法
技术领域
本发明属于生物医用材料领域，特别涉及一种磺化羟丙基壳聚糖改性生物相容性聚氨酯及其制备方法。
背景技术
聚氨酯具有优异的物理机械性能和良好的生物相容性、低毒性，多应用于制造人工心脏、人造血管、人工皮肤和介入手术中的各种导管及医用材料。然而，传统的聚氨酯其自身的疏水性限制了其在某些方面的使用，例如聚氨酯与血液直接接触时，表面容易被血蛋白污染，并且长时间的接触容易导致血栓的形成，长期植入体内容易引起机体的炎症反应。本发明旨在解决聚氨酯材料在使用过程中出现的血栓等一系列问题，提供一种生物相容性良好的改性聚氨酯及其制备方法。
目前，制备新型生物医学材料的常规技术多集中于对现有具有良好物理力学性能和机械性能的聚氨酯进行表面改性、本体改性以及共混改性。表面改性主要包括三类方法：(1)表面接枝亲水性物质，如聚乙烯吡咯烷酮、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺等亲水性物质；(2)表面接枝肝素或者类肝素物质，即通过共价键合或者离子键合，将肝素或类肝素物质接枝到聚氨酯材料表面；(3)表面接枝磷酸酯基团。表面接枝亲水性物质主要是提高材料表面的亲水性，从而提高聚氨酯的生物相容性。Filiz Karaa等人(Carbohydrate Polymers,2014,112(112):39-47.)将有抗菌性能的壳聚糖接枝在聚氨酯表面,提高该生物材料的抗菌性能。Li Dan等人(Acta Biomaterialia,2009,5(6):1864-1871.)将赖氨酸-聚乙二醇(PEG)共轭物接枝到聚氨酯材料表面，改性后的材料的阻抗纤维蛋白原吸附能力得到提高，血小板吸附也有所减少。但是此制备工艺较为繁琐，赖氨酸-聚乙二醇的接枝率也不是很理想。当前多种材料改性制备聚氨酯复合材料成为研究热点。Tan Mingqi等人(MacromolecularResearch,2013,21(5):541-549.)将肝素和磷酰胆碱接枝到聚氨酯材料表面，改性后的材料的亲水性和血液相容性都得到了提高。但是该制备方法使用磷酰胆碱改性部分需在低温下反应，条件较为苛刻；而改性材料肝素价格昂贵，接枝率很低，同时表面涂层的肝素过度释放进入血液，进而引发一系列并发症。田倩(田倩.类肝素多糖在聚氨酯材料表面的原位合成[D].武汉理工大学,2010.)在聚氨酯材料表面原位合成具有肝素类似结构的抗凝血物质K5多糖，但是由于多糖的固定方法对影响了肝素类物质与抗凝血酶直接的结合，使得这类多糖物质的活性并没有很好的发挥出来。除此之外，将聚氨酯材料与其他性能优良的材料共混制备新的抗凝血材料也是常见的改性方法。专利CN 104829843 A公布了一种由柠檬酸和壳聚糖改性的生物相容性聚氨酯及其制备方法，该发明材料是以聚氨酯为基底的生物相容性材料，通过接枝枸橼酸来达到抗凝血的目的。专利CN102127204 B公开了一种将氧化钛、氧化硅共混合成聚氨酯，再表面接枝肝素制备的一种兼具抗菌和抗凝血功能的复合聚醚聚氨酯材料及其制备方法。马朗,孙树东等人(马朗,孙树东,赵长生.共混类肝素聚氨酯制备高血液相容性聚醚砜透析膜[C]//全国高分子学术论文报告会.2015.)将类肝素聚氨酯(HMPU)与聚醚砜(PES)共混以改善聚醚砜的血液相容性，改性PES中空纤维膜的通量回复率也较好。
综上所述，制备新型抗凝血聚氨酯的方法一般是将一些功能性基团或者物质通过表面接枝或者共混的方式，以提高基底聚氨酯的亲水性、抗凝血等性能。然而，上述方法存在工艺繁琐,接枝的改性材料价格昂贵且接枝率不高，血液相容性提高的不明显，使用肝素易造成并发症等问题。
本发明设计并合成了一种由磺化羟丙基壳聚糖改性生物相容性聚氨酯，该改性聚氨酯的特点为将合成的亲水性类肝素物质磺化羟丙基壳聚糖接枝在聚氨酯长链上，得到优异生物相容性、力学性能和机械性能优良的改性聚氨酯。首先以壳聚糖为原料合成磺化羟丙基壳聚糖，再利用聚乙二醇的阻抗非特异作用，以其为原料合成聚氨酯基材，以降低非特异蛋白的吸附从而抑制血液凝固；然后在聚氨酯长链两端接枝磺化羟丙基壳聚糖，有效的增大了材料的亲水性，且从与凝血因子相互作用影响内、外源性凝血途径的原理出发，进而达到抗凝血的目的。由于磺化羟丙基壳聚糖以共价键结合到聚氨酯长链上，此改性聚氨酯具有良好的化学稳定性。本发明的工艺较为简单，具有原料低廉、反应条件温和易控等优点。
发明内容
本发明设计了一种磺化羟丙基壳聚糖改性生物相容性聚氨酯，其特点是聚氨酯长链两链端共价接枝磺化羟丙基壳聚糖结构，改性聚氨酯结构表示为：
结构式链端中的-X-表示n＝4～150；R表示磺化羟丙基壳聚糖结构；m＝30～200。
本发明还提供了一种磺化羟丙基壳聚糖改性聚氨酯及其制备方法，其制备方法包括如下步骤：
(1)磺化羟丙基壳聚糖的制备
以壳聚糖(CS)为原料，先用质量分数为33％的NaOH溶液碱化处理后，与异丙醇(IPA)和环氧丙烷(PO)进行醚化反应，壳聚糖和异丙醇的质量比为1:5～15，环氧丙烷过量，在40～50℃下搅拌反应4～6h后，倒入去离子水溶解后加酸中和，再将其倒入大量丙酮中沉淀，最后进行抽滤、洗涤和干燥，得到羟丙基壳聚糖(HPCS)。
将体积比为1:5的氯磺酸(CSA)和甲酰胺在冰盐浴下配成磺化试剂，再按羟丙基壳聚糖和氯磺酸的质量比为1:2～3加入羟丙基壳聚糖，在65～70℃下搅拌反应2～5h，反应结束后，用截留分子为7000Da的透析袋透析一天，再用氢氧化钠溶液脱氨，然后用盐酸将pH调至3～5，继续透析两天，干燥，得到磺化羟丙基壳聚糖(SHPCS)；
(2)磺化羟丙基壳聚糖改性聚氨酯的制备
以N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)为溶剂,依次加入摩尔比为1.15～1.5：1的二苯甲烷二异氰酸酯(MDI)、聚乙二醇(PEG)，通氮气一段时间后加入辛酸亚锡在无水无氧、氮气保护下混合搅拌，在70～80℃下反应2～4h，得到改性聚氨酯预聚体；然后将一定量的磺化羟丙基壳聚糖加入到上述溶液中，在60～70℃下搅拌反应6～12h后，依次用无水乙醇和去离子水洗涤、过滤，常温真空干燥后得到磺化羟丙基壳聚糖改性生物相容性聚氨酯(PU-SHPCS)。其中催化剂辛酸亚锡加入量为反应体系总质量的0.01～1％，溶剂占反应体系总质量的60～80％，加入的磺
化羟丙基壳聚糖的量占体系总质量的1.5％～4％。
制备过程发生的反应为：
CS+IPA+PO→HPCS
(1)
HPCS+CSA→SHPCS
(2)
MDI+PEG+SHPCS→PU-SHPCS
(3)
SHPCS的结构式为
以上结构式中n＝300～500。
改性聚氨酯结构为：
结构式链端中的-X-表示n＝4～150；R表示磺化羟丙基壳
聚糖结构；m＝30～200。
本发明采用两步法分别为合成磺化羟丙基壳聚糖，再将该水溶性类肝素物质接枝到聚氨酯上，提高了其亲水性、抗凝血性和生物相容性。与未改性的聚氨酯相比，改性聚氨酯的亲水性和抗蛋白污染性能得到了很大提高，接触角从84°降低到了45°，BSA的吸附量由33.3μg/cm2降低到了14.3μg/cm2，特别是磺化羟丙基壳聚糖的引入较大幅度的降低了BSA的吸附量。溶血率由2.9％下降到1.2％，较为明显。血小板的聚集程度大幅度减少，变形的量也相应减少，且完全没有形成血栓，从而表明磺化羟丙基壳聚糖的引入改善了材料的抗凝血性能。
本发明具有以下特点：
1.通过本体改性用磺化羟丙基壳聚糖改性聚氨酯，首先将亲水性良好的聚乙二醇引入聚氨酯中，并在其末端接枝具有抗凝血性的磺化羟丙基壳聚糖结构，从与凝血因子相互作用影响内、外源性凝血途径的原理出发，构建兼具良好抗凝血性能和生物相容性的磺化羟丙基壳聚糖改性聚氨酯。
2.本发明原料低廉、反应条件温和易控，工艺流程简单，操作方便实现了聚氨酯的合成及其与磺化羟丙基壳聚糖的接枝，得到磺化羟丙基壳聚糖改性聚氨酯。
3.本发明通过本体改性将磺化羟丙基壳聚糖结构共价接枝在材料上，提高了材料的化学稳定性。
附图说明
图1磺化羟丙基壳聚糖改性生物相容性聚氨酯制备流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实例对本发明做进一步描述：
实施例1
以5g CS为原料，先用质量分数为33％的NaOH溶液碱化处理后，与50ml IPA和50mlPO一起加入反应器中，在45℃下搅拌反应5h后，倒入去离子水溶解并加酸中和，再经丙酮沉淀、抽滤、洗涤和干燥，得到HPCS。将4ml CSA和20ml甲酰胺在冰盐浴下配成磺化试剂，再加入2g HPCS，在68℃下搅拌反应3h，经透析、脱氨、再透析和浓缩干燥处理，得到SHPCS；
以N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)为溶剂，依次加入摩尔比为1.15：1的二苯甲烷二异氰酸酯(MDI)、聚乙二醇(PEG)，通氮气一段时间后加入辛酸亚锡在无水无氧、氮气保护下混合搅拌，在75℃下反应2h，得到改性聚氨酯预聚体；然后将一定量的磺化羟丙基壳聚糖加入到上述溶液中，在65℃下搅拌反应9h后，依次用无水乙醇和去离子水洗涤、过滤，常温真空干燥后得到磺化羟丙基壳聚糖改性生物相容性聚氨酯(PU-SHPCS)。其中催化剂辛酸亚锡加入量为反应体系总质量的0.05％，溶剂占反应体系总质量的70％，加入的磺化羟丙基壳聚糖的量占体系总质量的1.5％。
实施例2
以5g CS为原料，先用质量分数为33％的NaOH溶液碱化处理后，与50ml IPA和50mlPO一起加入反应器中，在45℃下搅拌反应5h后，倒入去离子水溶解并加酸中和，再经丙酮沉淀、抽滤、洗涤和干燥，得到HPCS。将4ml CSA和20ml甲酰胺在冰盐浴下配成磺化试剂，再加入2g HPCS，在68℃下搅拌反应3h，经透析、脱氨、再透析和浓缩干燥处理，得到SHPCS；
以N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)为溶剂,依次加入摩尔比为1.15：1的二苯甲烷二异氰酸酯(MDI)、聚乙二醇(PEG)，通氮气一段时间后加入辛酸亚锡在无水无氧、氮气保护下混合搅拌，在75℃下反应2h，得到改性聚氨酯预聚体；然后将一定量的磺化羟丙基壳聚糖加入到上述溶液中，在65℃下搅拌反应9h后，依次用无水乙醇和去离子水洗涤、过滤，常温真空干燥后得到磺化羟丙基壳聚糖改性生物相容性聚氨酯(PU-SHPCS)。其中催化剂辛酸亚锡加入量为反应体系总质量的0.05％，溶剂占反应体系总质量的70％，加入的磺化羟丙基壳聚糖的量占体系总质量的2％。
实施实例3
以5g CS为原料，先用质量分数为33％的NaOH溶液碱化处理后，与50ml IPA和50mlPO一起加入反应器中，在45℃下搅拌反应5h后，倒入去离子水溶解并加酸中和，再经丙酮沉淀、抽滤、洗涤和干燥，得到HPCS。将4ml CSA和20ml甲酰胺在冰盐浴下配成磺化试剂，再加入2g HPCS，在68℃下搅拌反应3h，经透析、脱氨、再透析和浓缩干燥处理，得到SHPCS；
以N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)为溶剂,依次加入摩尔比为1.15：1的二苯甲烷二异氰酸酯(MDI)、聚乙二醇(PEG)，通氮气一段时间后加入辛酸亚锡在无水无氧、氮气保护下混合搅拌，在75℃下反应2h，得到改性聚氨酯预聚体；然后将一定量的磺化羟丙基壳聚糖加入到上述溶液中，在65℃下搅拌反应9h后，依次用无水乙醇和去离子水洗涤、过滤，常温真空干燥后得到磺化羟丙基壳聚糖改性生物相容性聚氨酯(PU-SHPCS)。其中催化剂辛酸亚锡加入量为反应体系总质量的0.05％，溶剂占反应体系总质量的70％，加入的磺化羟丙基壳聚糖的量占体系总质量的2.5％。
实施实例4
以5g CS为原料，先用质量分数为33％的NaOH溶液碱化处理后，与50ml IPA和50mlPO一起加入反应器中，在45℃下搅拌反应5h后，倒入去离子水溶解并加酸中和，再经丙酮沉淀、抽滤、洗涤和干燥，得到HPCS。将4ml CSA和20ml甲酰胺在冰盐浴下配成磺化试剂，再加入2g HPCS，在68℃下搅拌反应3h，经透析、脱氨、再透析和浓缩干燥处理，得到SHPCS；
以N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)为溶剂,依次加入摩尔比为1.25：1的二苯甲烷二异氰酸酯(MDI)、聚乙二醇(PEG)，通氮气一段时间后加入辛酸亚锡在无水无氧、氮气保护下混合搅拌，在75℃下反应2h，得到改性聚氨酯预聚体；然后将一定量的磺化羟丙基壳聚糖加入到上述溶液中，在65℃下搅拌反应9h后，依次用无水乙醇和去离子水洗涤、过滤，常温真空干燥后得到磺化羟丙基壳聚糖改性生物相容性聚氨酯(PU-SHPCS)。其中催化剂辛酸亚锡加入量为反应体系总质量的0.05％，溶剂占反应体系总质量的70％，加入的磺化羟丙基壳聚糖的量占体系总质量的3％。
实施实例5
以5g CS为原料，先用质量分数为33％的NaOH溶液碱化处理后，与50ml IPA和50mlPO一起加入反应器中，在45℃下搅拌反应5h后，倒入去离子水溶解并加酸中和，再经丙酮沉淀、抽滤、洗涤和干燥，得到HPCS。将4ml CSA和20ml甲酰胺在冰盐浴下配成磺化试剂，再加入2g HPCS，在68℃下搅拌反应3h，经透析、脱氨、再透析和浓缩干燥处理，得到SHPCS；
以N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)为溶剂,依次加入摩尔比为1.25：1的二苯甲烷二异氰酸酯(MDI)、聚乙二醇(PEG)，通氮气一段时间后加入辛酸亚锡在无水无氧、氮气保护下混合搅拌，在75℃下反应2h，得到改性聚氨酯预聚体；然后将一定量的磺化羟丙基壳聚糖加入到上述溶液中，在65℃下搅拌反应9h后，依次用无水乙醇和去离子水洗涤、过滤，常温真空干燥后得到磺化羟丙基壳聚糖改性生物相容性聚氨酯(PU-SHPCS)。其中催化剂辛酸亚锡加入量为反应体系总质量的0.05％，溶剂占反应体系总质量的70％，加入的磺化羟丙基壳聚糖的量占体系总质量的3.5％。
实施实例6
以5g CS为原料，先用质量分数为33％的NaOH溶液碱化处理后，与50ml IPA和50mlPO一起加入反应器中，在45℃下搅拌反应5h后，倒入去离子水溶解并加酸中和，再经丙酮沉淀、抽滤、洗涤和干燥，得到HPCS。将4ml CSA和20ml甲酰胺在冰盐浴下配成磺化试剂，再加入2g HPCS，在68℃下搅拌反应3h，经透析、脱氨、再透析和浓缩干燥处理，得到SHPCS；
以N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)为溶剂，依次加入摩尔比为1.25：1的二苯甲烷二异氰酸酯(MDI)、聚乙二醇(PEG)，通氮气一段时间后加入辛酸亚锡在无水无氧、氮气保护下混合搅拌，在75℃下反应2h，得到改性聚氨酯预聚体；然后将一定量的磺化羟丙基壳聚糖加入到上述溶液中，在65℃下搅拌反应9h后，依次用无水乙醇和去离子水洗涤、过滤，常温真空干燥后得到磺化羟丙基壳聚糖改性生物相容性聚氨酯(PU-SHPCS)。其中催化剂辛酸亚锡加入量为反应体系总质量的0.05％，溶剂占反应体系总质量的70％，加入的磺化羟丙基壳聚糖的量占体系总质量的4％。
本发明磺化羟丙基壳聚糖改性生物相容性聚氨酯的性能如表1所示。
表1磺化羟丙基壳聚糖改性聚氨酯的性能

Claims (2)

1.一种磺化羟丙基壳聚糖改性生物相容性聚氨酯，其特征是：改性聚氨酯的主链是聚氨酯长链，长链两端共价接枝磺化羟丙基壳聚糖结构，结构表示为：
结构式链端中的-X-表示n＝4～150；R表示磺化羟丙基壳聚糖结构；m＝30～200。
2.一种如权利要求1所述的一种磺化羟丙基壳聚糖改性生物相容性聚氨酯的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)磺化羟丙基壳聚糖的制备
以壳聚糖、异丙醇和环氧丙烷为反应物，在40～50℃下搅拌反应4～6h，得到羟丙基壳聚糖，其中壳聚糖先由质量分数为33％的NaOH溶液进行碱化处理，壳聚糖和异丙醇的质量比为1:5～15，环氧丙烷过量；
将体积比为1:5的氯磺酸和甲酰胺在冰盐浴下配成磺化试剂，再加入羟丙基壳聚糖，羟丙基壳聚糖与氯磺酸的质量比为1:2～3，在65～70℃下搅拌反应2～5h，制备磺化羟丙基壳聚糖；
(2)磺化羟丙基壳聚糖改性聚氨酯的制备
以N,N-二甲基乙酰胺为溶剂，依次加入二苯甲烷二异氰酸酯、聚乙二醇和辛酸亚锡，在无水无氧、氮气保护下混合搅拌，在70～80℃下反应2～4h，得到改性聚氨酯预聚体；然后将磺化羟丙基壳聚糖加入到改性聚氨酯预聚体中，在60～70℃下搅拌反应6～12h后，依次用无水乙醇和去离子水洗涤、过滤，常温真空干燥后得到磺化羟丙基壳聚糖改性生物相容性聚氨酯；其中异氰酸酯基和醇羟基的摩尔比为1.15～1.5：1，催化剂辛酸亚锡加入量为反应体系总质量的0.01～1％，溶剂占反应体系总质量的60～80％，加入的磺化羟丙基壳聚糖的量占体系总质量的1.5％～4％。
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