CN107602812A - 一种可降解聚氨酯生物材料及其制备方法 - Google Patents

一种可降解聚氨酯生物材料及其制备方法 Download PDF

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刘浩
刘文涛
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Abstract

本发明公开了一种可降解聚氨酯生物材料及其制备方法，它由聚ε‑己内酯二醇(PCL)，聚乙二醇(PEG)，异腈酸酯，扩链剂，催化剂以及绿色溶剂配制，其配方重量组分为，聚ε‑己内酯二醇7.8%~19%、聚乙二醇3%~15.6%、异腈酸酯12.8%~13.8%、扩链剂3.1%~4.1%、催化剂0.09%~0.11%、绿色溶剂57.6%~63%；所述的异腈酸酯采用异佛尔酮二异腈酸酯(IPDI)、六亚甲基二异腈酸酯(HDI)、二环己基甲烷二异腈酸酯(HMDI)或以上两种混合异腈酸酯；按照上述原料比配料，经真空干燥的聚ε‑己内酯二醇(PCL)和聚乙二醇(PEG)滴加入异氰酸酯中，在70℃‑85℃的条件下反应2‑3h，加入溶剂及催化剂，然后调节温度至55℃‑65℃，滴加扩链剂进行扩链反应4‑5h后，将所得聚氨酯溶液流延于聚四氟乙烯模具上，在通风厨中使溶剂自然挥发，制得聚氨酯薄膜。

Description

一种可降解聚氨酯生物材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种可降解生物材料，尤其涉及一种可在体内生物降解的应用于软组织工程的可降解聚氨酯生物材料及其制备方法。
背景技术
高分子材料用于制备可降解的生物材料的研究愈发完善。早期的可降解高分子材料大多是可水解降解的聚酯类聚合物，如聚乳酸、聚己内酯、聚羟基乙酸等。这一类材料由于受物理机械性能的限制，且降解产物对环境的pH值改变较大，降解速率不可控等，因此应用范围有限。作为典型的嵌段聚合物，聚氨酯可接枝可降解链段制备成可降解聚合物，同时由于聚氨酯中硬段与软段间的热力学不相容所产生的微相分离结构赋予其良好的生物相容性，因此，聚氨酯作为可降解生物高分子材料受到众多科研工作者的青睐。李林静(硕士学位论文)通过使用聚乳酸(PLA)与不同分子量的聚乙二醇(PEG)为软段，六亚甲基二异氰酸酯(HDI)制备出一种没有细胞毒性而且可以满足人胚肾细胞(HEK293cells)生长的新型可降解的聚氨酯生物材料。李洁华等(J Journal of Sichuan university 2007；(3):118)通过用低分子量的聚乙二醇引发丙交酯开环合成PLA-PEG-PLA三嵌段共聚物，并使用该嵌段共聚物做为软段，六亚甲基二异氰酸酯(HDI)和1,4-丁二醇(BDO)为硬段，溶液法制备聚氨酯薄膜，研究表明此类材料的降解速度与软硬段比例，共聚物中PEG/PLA的比例有关，当聚氨酯的软段相同时，硬段含量越大，亲水性越弱，降解速度越慢；而当聚氨酯的硬段相同时，共聚物中PEG的含量越高，亲水性越强，降解速度越快。Milena Spirkov等(J PolymerDegradation and Stability 137(2017)216-228)在以聚碳酸酯二醇为软段，六亚甲基二异氰酸酯(HDI)和1,4-丁二醇(BDO)为硬段制备成的脂肪族聚氨酯中，接枝入不同分子量的低聚物聚丙交酯二醇。通过进行聚氨酯薄膜水解降解后，表征薄膜的力学性能，热性能等。研究认为对于聚氨酯性能来讲，接枝的聚丙交酯二醇的分子量比PU膜中聚丙交酯二醇的质量含量要更重要。Woodhouse等(J Biomater Sci Polym Ed 2002；3(4):391-406)把聚乙二醇和聚ε-己内酯与聚氨酯通过物理共混、溶剂浇铸，微粒去除法制备三维多孔支架，共混支架降解情况是聚乙二醇和聚ε-己内酯降解的简单叠加，即初始是聚乙二醇的快速质量损失，然后是聚ε-己内酯的缓慢降解。共混物呈半晶态，机械性能由聚ε-己内酯决定，容易加工成型，性能在很宽的范围内可调，是潜在的软组织工程支架材料。
聚氨酯(PU)是指在分子链中含氨基甲酸酯(-NHCOO-)基团的一类嵌段聚合物。由于聚氨酯中硬段与软段在极性、界面能以及热力学等方面的不相容性，因而硬段相与软段相之间容易形成一种微相分离结构，软段构成材料的连续相，硬段作为物理交联点分散其中，也正是这种微观相分离结构，赋予了聚氨酯材料良好的生物相容性。聚ε-己内酯作为一种良好的生物可降解材料在医学领域得到应用，然而由于结晶度高，强度差，熔点低，疏水性强以及降解速率缓慢等缺点，使得聚ε-己内酯在生物材料方面受到极大的限制。
根据查阅文献可知，目前制备可降解的高分子生物材料多采用聚酯类聚合物，如聚乳酸，聚己内酯等。然而，聚酯聚合物虽然满足可降解这一要求，但是在生物体内的降解周期难以控制，生物相容性差，力学性能难以满足要求等缺点。因此对聚酯聚合物进行改性，以期获得符合要求的生物医用材料。在前期的研究工作中，多采用将聚乳酸嵌段入聚氨酯中，用以获得可降解聚氨酯生物材料。然而，聚氨酯中的聚乳酸链段降解后，局部出现酸性积累现象而出现非感染性炎症，组织相容性相对较差。有文献报道聚己内酯与聚乙二醇协同应用于可降解生物材料的研究，但是，只是聚乙二醇和聚己内酯的物理共混，其降解也只是两种聚合物的简单叠加，即初始是聚乙二醇的快速质量损失，然后是聚己内酯的缓慢降解，达不到可控降解的目的。
发明内容
为了解决聚己内酯作为生物可降解材料在医学领域得到应用中容易产生结晶度高，强度差，熔点低，疏水性强以及降解速率缓慢等缺点，本发明的目的是提供一种生物相容性良好，力学性能优异，易于加工且降解速率可控的应用于软组织工程的可降解聚氨酯生物材料及其制备方法。
本发明的技术方案是以下述方式实现的：
一种可降解聚氨酯生物材料，它由聚ε-己内酯二醇(PCL)，聚乙二醇(PEG)，异腈酸酯，扩链剂，催化剂以及绿色溶剂配制，其配方重量组分为，聚ε-己内酯二醇7.8％～19％、聚乙二醇3％～15.6％、异腈酸酯12.8％～13.8％、扩链剂3.1％～4.1％、催化剂0.09％～0.11％、绿色溶剂57.6％～63％；
所述的异腈酸酯采用异佛尔酮二异腈酸酯(IPDI)、六亚甲基二异腈酸酯(HDI)、二环己基甲烷二异腈酸酯(HMDI)或以上两种混合异腈酸酯；
所述的聚ε-己内酯二醇(PCL)的分子量为500-3000；聚乙二醇(PEG)的分子量为1000-3000；
所述的绿色溶剂采用碳酸二甲酯。
所述的扩链剂采用1,4-丁二醇(BDO)。
所述的催化剂采用二月桂酸二丁基锡(DBTDL)。
可降解聚氨酯生物材料制备方法：
按照上述原料比配料，经真空干燥的聚ε-己内酯二醇(PCL)和聚乙二醇(PEG)滴加入异氰酸酯中，在70℃-85℃的条件下反应2-3h，加入溶剂及催化剂，然后调节温度至55℃-65℃，滴加扩链剂进行扩链反应4-5h后，将所得聚氨酯溶液流延于聚四氟乙烯模具上，在通风厨中使溶剂自然挥发，制得聚氨酯薄膜。
本发明通过使用二异氰酸酯将低聚物聚乙二醇和聚ε-己内酯二醇接入聚氨酯中，制备的聚氨酯材料在保持嵌段聚合物所具备的微相分离结构的同时，还保持有聚ε-己内酯的可降解性及聚乙二醇良好的亲水性和生物相容性。另外，根据亲水性对聚ε-己内酯水解降解的影响，调整配方，制备出在一定范围内，可控制降解速率的可降解聚氨酯材料。使用本发明配方制备的聚氨酯易加工成型，热稳定性好，所制薄膜样品力学性能优异，是一种潜在的可应用于组织工程的可控降解的生物材料。在本发明中涉及的聚氨酯生物材料，合适的亲疏水性段不仅是决定材料生物相容性的一个关键因素，而且由于聚乙二醇链段对水的吸附性，有助于聚ε-己内酯二醇链段的降解，进而可促进整个聚氨酯分子链的降解。
本发明采用以上技术及配方所能达到的有益效果是：
一、本发明中，通过将可降解疏水性的低聚物聚ε-己内酯二醇与亲水性低聚物聚乙二醇同时接枝进嵌段聚合物聚氨酯中，使制得的聚氨酯具备可调节的亲疏水性
二、本发明中，制备的聚氨酯随着亲疏水性的不同，相应的降解速率也不同，可通过对配方的设计，制备符合所需降解速率要求的聚氨酯生物材料。
三、本发明制备过程中，采用的溶剂是绿色环保的碳酸二甲酯，减少聚氨酯在制备过程中对环境的污染。
四、本发明制备的聚氨酯生物材料力学性能优异，热稳定性好，生物相容性好，具有潜在的应用价值。
附图说明
图1为本发明的红外光谱图。
图2为本发明的TG和DTG曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
在带有搅拌装置及被氮气气氛保护的三口瓶中，将32g经真空脱水的聚ε-己内酯二醇1000和16g聚乙二醇2000分别滴加进30.4g异佛尔酮二异氰酸酯中，在75℃的条件下，反应3h；加入10g碳酸二甲酯及0.2g二月桂酸二丁基锡后，加入7.9g 1,4-丁二醇，在65℃的条件下，反应4h，得到聚氨酯溶液；加入60g碳酸二甲酯调节溶液浓度后，将聚氨酯溶液在聚四氟乙烯模具上流延，于通风橱中室温下挥发溶剂至恒重，即可得所需聚氨酯薄膜。
实施例2：
在带有搅拌装置及被氮气气氛保护的三口瓶中，将32g经真空脱水的聚ε-己内酯二醇1000和8g聚乙二醇1000分别滴加进30.4g异佛尔酮二异氰酸酯中，在80℃的条件下，反应2h；加入10g碳酸二甲酯及0.2g二月桂酸二丁基锡后，加入7.9g 1,4-丁二醇，在70℃的条件下，反应4h，得到聚氨酯溶液；加入50g碳酸二甲酯调节溶液浓度后，将聚氨酯溶液在聚四氟乙烯模具上流延，于通风橱中室温下挥发溶剂至恒重，即可得所需聚氨酯薄膜。
实施例3：
在带有搅拌装置及被氮气气氛保护的三口瓶中，将64g经真空脱水的聚ε-己内酯二醇2000和16g聚乙二醇2000分别滴加进30.4g异佛尔酮二异氰酸酯中，在80℃的条件下，反应3h；加入15g碳酸二甲酯及0.3g二月桂酸二丁基锡后，加入7.9g 1,4-丁二醇，在70℃的条件下，反应5h，得到聚氨酯溶液；加入60g碳酸二甲酯调节溶液浓度后，将聚氨酯溶液在聚四氟乙烯模具上流延，于通风橱中室温下挥发溶剂至恒重，即可得所需聚氨酯薄膜。
实施例4：
在带有搅拌装置及被氮气气氛保护的三口瓶中，将64g经真空脱水的聚ε-己内酯二醇2000和8g聚乙二醇1000分别滴加进30.4g异佛尔酮二异氰酸酯中，在70℃的条件下，反应3h；加入20g碳酸二甲酯及0.2g二月桂酸二丁基锡后，加入7.9g 1,4-丁二醇，在60℃的条件下，反应5h，得到聚氨酯溶液；加入40g碳酸二甲酯调节溶液浓度后，将聚氨酯溶液在聚四氟乙烯模具上流延，于通风橱中室温下挥发溶剂至恒重，即可得所需聚氨酯薄膜。
实施例5：
在带有搅拌装置及被氮气气氛保护的三口瓶中，将26.6g经真空脱水的聚ε-己内酯二醇1000和26.6g聚乙二醇2000分别滴加进33.4g异佛尔酮二异氰酸酯中，在75℃的条件下，反应3h；加入15g碳酸二甲酯及0.25g二月桂酸二丁基锡后，加入8.9g 1,4-丁二醇，在65℃的条件下，反应4h，得到聚氨酯溶液；加入55g碳酸二甲酯调节溶液浓度后，将聚氨酯溶液在聚四氟乙烯模具上流延，于通风橱中室温下挥发溶剂至恒重，即可得所需聚氨酯薄膜。
实施例6：
在带有搅拌装置及被氮气气氛保护的三口瓶中，将26.6g经真空脱水的聚ε-己内酯二醇1000和13.3g聚乙二醇1000分别滴加进33.4g异佛尔酮二异氰酸酯中，在75℃的条件下，反应3h；加入20g碳酸二甲酯及0.25g二月桂酸二丁基锡后，加入8.9g 1,4-丁二醇，在65℃的条件下，反应4h，得到聚氨酯溶液；加入40g碳酸二甲酯调节溶液浓度后，将聚氨酯溶液在聚四氟乙烯模具上流延，于通风橱中室温下挥发溶剂至恒重，即可得所需聚氨酯薄膜。
实施例7：
在带有搅拌装置及被氮气气氛保护的三口瓶中，将53.2g经真空脱水的聚ε-己内酯二醇2000和13.3g聚乙二醇1000分别滴加进33.4g异佛尔酮二异氰酸酯中，在75℃的条件下，反应3h；加入20g碳酸二甲酯及0.25g二月桂酸二丁基锡后，加入8.9g 1,4-丁二醇，在65℃的条件下，反应4h，得到聚氨酯溶液；加入50g碳酸二甲酯调节溶液浓度后，将聚氨酯溶液在聚四氟乙烯模具上流延，于通风橱中室温下挥发溶剂至恒重，即可得所需聚氨酯薄膜。
实施例8：
在带有搅拌装置及被氮气气氛保护的三口瓶中，将16g经真空脱水的聚ε-己内酯二醇1000和32g聚乙二醇2000分别滴加进29.8g异佛尔酮二异氰酸酯中，在75℃的条件下，反应3h。加入15g碳酸二甲酯及0.25g二月桂酸二丁基锡后，加入8.5g 1,4-丁二醇，在65℃的条件下，反应4h，得到聚氨酯溶液。加入65g碳酸二甲酯调节溶液浓度后，将聚氨酯溶液在聚四氟乙烯模具上流延，于通风橱中室温下挥发溶剂至恒重，即可得所需聚氨酯薄膜。
实施例9：
在带有搅拌装置及被氮气气氛保护的三口瓶中，将32g经真空脱水的聚ε-己内酯二醇2000和32g聚乙二醇2000分别滴加进29.8g异佛尔酮二异氰酸酯中，在80℃的条件下，反应2h。加入20g碳酸二甲酯及0.3g二月桂酸二丁基锡后，加入8.5g 1,4-丁二醇，在70℃的条件下，反应4h，得到聚氨酯溶液。加入55g碳酸二甲酯调节溶液浓度后，将聚氨酯溶液在聚四氟乙烯模具上流延，于通风橱中室温下挥发溶剂至恒重，即可得所需聚氨酯薄膜。
实施例10：
在带有搅拌装置及被氮气气氛保护的三口瓶中，将50g经真空脱水的聚ε-己内酯二醇1000滴加进32.2g异佛尔酮二异氰酸酯中，在85℃的条件下，反应2h。加入10g碳酸二甲酯及0.25g二月桂酸二丁基锡后，加入7.6g 1,4-丁二醇，在65℃的条件下，反应4h，得到聚氨酯溶液。加入55g碳酸二甲酯调节溶液浓度后，将聚氨酯溶液在聚四氟乙烯模具上流延，于通风橱中室温下挥发溶剂至恒重，即可得所需聚氨酯薄膜。
应用实例1：
将实施例1制备的很薄、透明度良好的聚氨酯薄膜，进行红外分析测试。所制得的聚氨酯薄膜的红外光谱如图1所示。
由图1可知：3336cm-1是氨酯基中N-H的伸缩振动峰，1728cm-1是氨基甲酸酯中的羰基C＝O伸缩峰，1531cm-1是氨基甲酸酯中N-H的弯曲振动吸收峰，为氨基甲酸酯的特征吸收峰。此外，2952cm-1和2867cm-1处为-CH3、-CH2的伸缩振动峰。1105cm-1是醚键C-O-C的特征吸收峰。由此可知：本发明的制备方法可成功合成出所需结构的聚氨酯材料。
应用实例2：
将实施例5制备的聚氨酯薄膜，进行热分析。所制得的聚氨酯薄膜的TG和DTG曲线如图2所示。
由图2可知：该聚氨酯薄膜的起始分解温度是284℃，由DTG曲线可以看出，薄膜的分解主要分为两部分，第一部分是335℃左右，氨基甲酸酯键与酯键的分解，第二部分是402℃左右醚键的分解。由此可知：本发明的聚氨酯生物材料热稳定性好，满足使用要求。
应用实例3：
将实施例1、5、8制备的聚氨酯薄膜，裁剪成10mm×10mm并称重，记为W0，将样品完全浸入去离子水中，放置24h，取出后用滤纸吸掉表面的水，立即称重，记为W1。则样品的吸水率(A)为：
在实施例1、5和8中制备的样品，聚ε-己内酯二醇和聚乙二醇的质量比分别为2:1、1:1和1:2。由表1可知，随着亲水性好的聚乙二醇在聚氨酯生物材料中的质量比的增大，聚氨酯的吸水率也逐渐增大。由此可知：通过调节聚乙二醇在聚氨酯生物材料的质量比，可制备不同亲疏水性的聚氨酯生物材料。
表1不同实施例制备样品的吸水率

Claims (4)

1.一种可降解聚氨酯生物材料，它由聚ε-己内酯二醇(PCL)，聚乙二醇(PEG)，异腈酸酯，扩链剂，催化剂以及绿色溶剂配制，其特征在于配方重量组分为：聚ε-己内酯二醇7.8%~19%、聚乙二醇3%~15.6%、异腈酸酯12.8%~13.8%、扩链剂3.1%~4.1%、催化剂0 .09%~0 .11%、绿色溶剂57.6%~63%；
所述的异腈酸酯采用异佛尔酮二异腈酸酯(IPDI)、六亚甲基二异腈酸酯(HDI)、二环己基甲烷二异腈酸酯(HMDI)或以上两种混合异腈酸酯；所述的聚ε-己内酯二醇(PCL)的分子量为500-3000；聚乙二醇(PEG)的分子量为1000-3000；所述的绿色溶剂采用碳酸二甲酯。
2.根据权利要求1所述的可降解聚氨酯生物材料，其特征在于：扩链剂采用1 , 4-丁二醇(BDO)。
3.根据权利要求2所述的可降解聚氨酯生物材料，其特征在于：所述的催化剂采用二月桂酸二丁基锡(DBTDL)。
4.一种根据权利要求1、2、或3所述的可降解聚氨酯生物材料的制备工艺：
按照上述原料比配料，经真空干燥的聚ε-己内酯二醇(PCL)和聚乙二醇(PEG)滴加入异氰酸酯中，在70℃-85℃的条件下反应2-3h，加入溶剂及催化剂，然后调节温度至55℃-65℃，滴加扩链剂进行扩链反应4-5h后，将所得聚氨酯溶液流延于聚四氟乙烯模具上，使溶剂自然挥发，制得可降解聚氨酯生物材料薄膜。
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