CN111518377B

CN111518377B - 一种生物医用形状记忆高分子材料及其制备方法

Info

Publication number: CN111518377B
Application number: CN201910778437.0A
Authority: CN
Inventors: 郑宇�; 曾兵兵; 郭少云; 沈佳斌
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2019-08-22
Filing date: 2019-08-22
Publication date: 2021-11-26
Anticipated expiration: 2039-08-22
Also published as: CN111518377A

Abstract

本发明公开了一种生物医用形状记忆高分子材料及其制备方法，该材料是由生物相容的聚碳酸亚丙酯和热塑性弹性体混合均匀后经熔融塑化加工制得的具有体温驱动形状记忆性能的共混物。聚碳酸亚丙酯作为形状记忆可逆相，基于其玻璃化转变实现临时形状的固定和解冻；热塑性弹性体作为形状记忆固定相，在临时形状“赋形‑固定”过程中可以储存弹性应变能，受到体温刺激时，储能得到释放并驱动材料回复至初始形状。本发明提供的制备方法所制得的生物医用形状记忆高分子材料的形状记忆性能优异且可控，可用于制备自扩张血管支架等智能医疗器械；所需原料均为市售，生产成本低；制备方法工艺简单，生产效率高并可以连续批量生产。

Description

一种生物医用形状记忆高分子材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及高分子材料的加工制造领域，特别涉及一种生物医用形状记忆高分子材料及其制备方法。

背景技术

形状记忆高分子材料一般是指能够在外界环境温度变化的刺激下，自发从临时形状回复到初始形状的一类智能材料，目前已被广泛应用于生物医药、包装封接、驱动传感、航空航天等众多领域。其中，具有高附加值的生物医用形状记忆高分子材料更是成为了近年来的研究热点。

根据形状记忆机理，形状记忆材料一般具有两相网络结构：充当网络交联点的形状记忆固定相记忆初始形状，具有可逆热/相转变的形状记忆可逆相提供开关温度和固定临时形状。受限于人体环境，除了满足良好的生物相容性这个基本条件外，将开关温度控制在体温附近更是构筑生物医用形状记忆材料的关键。有机合成方法可以精确设计分子链结构，进而灵活调控材料的玻璃化转变或熔融温度，近年来已被广泛用于构筑生物医用形状记忆材料。如Xue L等（Xue L, Dai S Y, Li Z. Biomaterials, 2010, 31: 8132-8140.）设计合成了以超支化三臂聚己内酯为形状记忆可逆相和一种微生物聚酯为形状记忆固定相的生物相容性嵌段共聚物，以可逆相含量为75%的共聚物构筑的螺旋状生物支架可以在37℃水浴中实现自扩张，有望用于血管疾病治疗。

相较于有机合成方法，熔融复合加工方法更加简单高效且易于实现产业化，也逐步被发展用于构筑形状记忆高分子材料，并引起了众多学者的关注。将充当形状记忆固定相的弹性体和充当形状记忆可逆相的结晶或玻璃化高分子材料熔融复合，通过体系相形态结构设计即能实现可调的形状记忆性能。因此，选择热/相转变温度在体温附近的生物相容高分子材料作为形状记忆可逆相，通过与充当形状记忆固定相的生物相容弹性体熔融复合有望为高效构筑生物医用形状记忆高分子材料提供一种新的思路和途径。

发明内容

针对目前利用简单熔融复合加工方法制备生物医用形状记忆高分子材料的发展需求，本发明探索出了一种生物医用形状记忆高分子材料及其制备方法。通过该方法制备的形状记忆材料具有良好的生物相容性，可以实现优异的体温驱动形状记忆性能；所需原料均为市售，生产成本低；制备方法为简单的熔融复合加工，生产效率高且可以连续批量生产。

本专利通过如下技术原理来实现所制得的形状记忆高分子材料具备优异的体温驱动形状记忆性能：

（1）无定型的聚碳酸亚丙酯作为形状记忆可逆相，其玻璃化温度处于室温和体温之间，因此能够提供满足人体环境要求的开关温度；（2）升温至体温时，聚碳酸亚丙酯分子链进入橡胶态，拉伸变形后降温至室温时，分子链被冻结进入玻璃态，进而有效固定临时形状；（3）热塑性弹性体作为形状记忆固定相，在整个形状记忆循环中保持橡胶弹性，在临时形状“赋形-固定”过程中可以储存弹性应变能，受到体温刺激时，储能得到释放并驱动材料快速回复至初始形状。

具体讲，本专利解决上述技术问题所采用的方案是发明一种生物医用形状记忆高分子材料及其制备方法，该材料是由生物相容的聚碳酸亚丙酯和热塑性弹性体混合均匀后经熔融塑化加工制得的能够实现体温驱动形状记忆性能的共混物：

（1）所述体温驱动形状记忆性能是指在体温下经热机械变形加工后降温至室温时可以有效固定临时形状，升温至体温时又可以实现初始形状回复的形状记忆性能；（室温：指常温或一般温度，即25℃；体温：此处为医学定义中的人体口腔温度，即36.3~37.2℃）；

（2）所述聚碳酸亚丙酯作为形状记忆可逆相,其玻璃化温度处于室温和体温之间，在室温时处于玻璃态，表现出一定刚性，从而保证临时形状的固定；升温至体温时进入橡胶态，其模量会大幅度降低，从而实现形状记忆的启动；

（3）所述热塑性弹性体作为形状记忆固定相，整个形状记忆循环中保持橡胶弹性，在临时形状“赋形-固定”过程中可以储存弹性应变能，受到体温刺激时，储能得到释放并驱动材料快速回复至初始形状。

在上述制备方法中，所述热塑性弹性体粘流温度高于体温50℃以上，且具有良好的生物相容性，如热塑性聚氨酯弹性体(TPU)，热塑性聚酯弹性体(TPEE)，聚酰胺热塑性弹性体(PATE)，聚烯烃弹性体(POE)的一种或多种。

在上述制备方法中，所得生物医用形状记忆高分子材料的形状记忆性能是通过改变所述聚碳酸亚丙酯与所述热塑性弹性体的组分比进行调控，组分比范围为10:90~90:10。

在上述制备方法中，所得生物医用形状记忆高分子材料的形状记忆性能是通过改变所述聚碳酸亚丙酯的数均分子量来提供不同的形状记忆可逆相进行调控，聚碳酸亚丙酯数均分子量范围为50000~400000。

在上述制备方法中，所得生物医用形状记忆高分子材料的形状记忆性能是通过改变所述热塑性弹性体的软硬段分子结构、软硬段嵌段比、聚合度等进行调控。

在上述制备方法中，所得生物医用形状记忆高分子材料的形状记忆性能是通过选择性分布生物相容的有机或无机填料在所述热塑性弹性体中改性其储能效率进行调控，如纤维素纳米晶、羟基磷灰石、有机蒙脱土、纳米二氧化硅或碳纳米管，添加量为所述材料质量的1~20%。

在上述制备方法中，所得生物医用形状记忆高分子材料的形状记忆性能是通过控制形状记忆循环过程中的变形条件进行调控，如变形温度、变形速率、冷却速率、升温速率或恒温时间。

在上述制备方法中，所得生物医用形状记忆高分子材料是通过不同的熔融塑化加工方法进行制备，如挤出、注塑、吹塑、模压成型、开放式炼胶或流延成型。

在上述制备方法中，所得生物医用形状记忆高分子材料是通过使用不同的加工模具和冷却收卷装置制备成为薄膜、片材、板材、纤维或异型材。

本发明利用动态热机械分析仪（DMA）对制得的生物医用形状记忆高分子材料的形状记忆性能进行测试。测试步骤如下：（1）升温至体温（37 ℃），恒温5min使聚碳酸亚丙酯分子链进入橡胶态；（2）37 ℃下拉伸材料变形得到临时形状，此时应变定义为ε_m；（3）保持外力作用，同时迅速降温至室温，使聚碳酸亚丙酯分子链冻结进入玻璃态以限制弹性体的弹性回复，实现临时形状的固定；（4）撤掉外力作用，材料部分回复后得到固定的临时形状，此时应变定义为ε_f；（5）再次升温至37 ℃，聚碳酸亚丙酯进入橡胶态失去形状固定作用，材料在弹性体弹性储能驱动下完成形状回复，最后应变定义为ε_r。根据公式R_f =(ε_f/ε_m)·100%和R_r=((ε_m-ε_r)/ε_m)·100%对实验数据进行计算得到形状固定率和形状回复率。

本发明专利具有以下优点：

（1）本发明提供的制备方法所制得的生物医用形状记忆高分子材料的基体是具有良好生物相容性的聚碳酸亚丙酯和热塑性弹性体，可以响应体温刺激实现形状记忆。

（2）本发明提供的制备方法所制得的生物医用形状记忆高分子材料的形状记忆性能可调，且控制方式多样。

（3）本发明提供的制备方法能选用多种熔融复合加工工艺，流程简单，操作方便，并能通过使用不同的加工模具和冷却收卷装置制备薄膜、片材、板材、纤维或异形材。

可见，本发明提供的制备方法所制得的生物医用形状记忆高分子材料的生物相容性良好，体温驱动形状记忆性能优异；所需原料均为市售且配方可调，生产成本低；制备方法工艺简单，生产效率高且可以连续批量生产，具有广阔的工业化和市场应用前景。

附图说明

下面结合附图进一步说明本发明。

图1为本发明所涉及的能变换出口模和冷却收卷装置的双螺杆挤出系统的结构示意图。在图中，（A）双螺杆挤出机，（B）：出口模，（C）：挤出物，（D）：冷却收卷装置。

图2为本发明制备的不同组分比的聚碳酸亚丙酯/热塑性聚氨酯弹性体形状记忆共混物刻蚀聚碳酸亚丙酯后的电子显微镜照片。

图3为本发明制备的聚碳酸亚丙酯和热塑性聚氨酯弹性体质量比为50:50的共混物在开关温度为37℃条件下的形状记忆循环演示图。

图4为本发明制备的以聚碳酸亚丙酯和热塑性聚氨酯弹性体质量比为50:50的共混物为基体的螺旋状生物支架在37℃条件下的自扩张演示图。

图5为本发明制备的聚碳酸亚丙酯和热塑性聚氨酯弹性体质量比为50:50的生物医用形状记忆高分子材料(PT50)的血液相容性测试结果：（a）溶血率，（b）补体激活，（c）凝血激活。

具体实施方法

有必要在此指出，下面实施例只是对本发明的进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述本发明内容对本发明进行一些非本质的改进和调整。

实施例1

(1) 选用聚碳酸亚丙酯（PPC）（Mw=2.48 x 10⁵ g/mol，中国长春应化所）作为形状记忆可逆相，热塑性聚氨酯弹性体（TPU）（邵氏硬度58A，SP9324，BASF）作为形状记忆固定相。使用前将原料置于真空烘箱中并分别在40℃和80℃条件下干燥24h以除去水分。

(2) 将PPC和TPU按质量比为50:50混合均匀后投入双螺杆挤出机中（见图1A），调节挤出机各段温度分别控制在170-180-180-180˚C。挤出机内的物料熔融塑化后经矩形流道的出口模（见图1B）流出，出口模温度为180℃，再经过三辊压延机的压制和牵引机的牵引，即可得到片状形状记忆材料。经计算和检测，该材料中形状记忆可逆相PPC的玻璃化温度为34℃，开关温度为37℃、热拉伸变形速率为30%/min测试条件下的形状固定率为94.4%，形状回复率为95.0%。

对比例1

第二步中，将PPC和TPU的质量比分别改为30:70和70:30，其他同实施例1。经计算和检测，该材料中形状记忆可逆相PPC的玻璃化温度分别为33℃和35℃，开关温度为37℃、热拉伸变形速率为30%/min测试条件下的形状固定率分别为45.4%和97.0%，形状回复率分别为96.1%和93.1%。

由上述实施例1和对比例1的性能对比可见，体系组分比变化对PPC/TPU共混物的体温驱动形状记忆性能有着重要影响：随着TPU含量的增加，该材料的形状固定率减小而形状回复率增大。这主要是由于PPC/TPU体系组分比的变化会引起“海岛结构-双连续结构-反相海岛结构”的相形态演变（见图2）。TPU含量增加使TPU相连续度提高，优化了材料的弹性储能效率，可以提供更强的回复驱动力，促进初始形状回复；PPC含量的减少使其从基体相变为分散相，对弹性回复抑制作用大幅减弱，导致临时形状固定能力劣化。由此可见，本发明可以根据实际需要，通过改变聚碳酸亚丙酯与热塑性弹性体的组分比来实现对形状记忆性能的调控。

实施例2

(1) 选用聚碳酸亚丙酯（PPC）（Mw=5 x 10⁴ g/mol, 中国长春应化所）作为形状记忆可逆相，热塑性聚酯弹性体（TPEE）（Hytrel 3078，DuPont）作为形状记忆固定相。使用前将原料置于真空烘箱中并分别在40℃和100℃条件下干燥24h以除去水分。

(2) 将PPC和TPEE按质量比为50:50混合均匀后投入双螺杆挤出机中（见图1A），调节挤出机各段温度分别控制在180-190-190-190˚C。挤出机内的物料熔融塑化后经矩形流道的出口模（图1B）流出，出口模温度为190℃，再经过三辊压延机的压制和牵引机的牵引，即可得到片状形状记忆材料。经计算和检测，该材料中形状记忆可逆相PPC的玻璃化温度为32℃，开关温度为37℃、热拉伸变形速率为30%/min测试条件下的形状固定率为86.7%，形状回复率为89.6%。

对比例2

第一步中，将形状记忆可逆相改为分子量为M_w=2.48 x 10⁵ g/mol的PPC（中国长春应化所），其他同实施例2。经计算和检测，该材料中形状记忆可逆相PPC的玻璃化温度为34℃，开关温度为37℃、热拉伸变形速率为30%/min测试条件下的形状固定率为92.2%，形状回复率为93.8%。

由上述实施例2和对比例2的性能对比可见，PPC的分子量对PPC/TPEE共混物的体温驱动形状记忆性能有着重要影响：PPC分子量的增加使该材料的形状固定率和形状回复率都有所增加。这主要是由于高分子量的PPC分子链缠结程度大，热机械拉伸变形过程中分子链不易滑移，不可逆形变较少。另一方面，室温下进入玻璃态固定临时形状时，高分子量的PPC刚性更强，可以更好地抑制材料回复。因此，高分子量的PPC可以同时提高材料的形状固定率和形状回复率。由此可见，本发明可以根据实际需要，通过改变PPC的数均分子量大小来提供不同的形状记忆可逆相，实现对形状记忆性能的调控。

实施例3

(1) 选用聚碳酸亚丙酯（PPC）（Mw=2.48 x 10⁵ g/mol, 中国长春应化所）作为形状记忆可逆相，邵氏硬度为70A的热塑性聚氨酯弹性体（TPU）（SP9339，BASF）作为形状记忆固定相。使用前将原料置于真空烘箱中并分别在40℃和80℃条件下干燥24h以除去水分。

(2) 将PPC和TPU按质量比为50:50混合均匀后投入双螺杆挤出机中（见图1A），调节挤出机各段温度分别控制在170-180-180-180˚C。挤出机内的物料熔融塑化后经矩形流道的出口模（见图1B）流出，出口模温度为180℃，再经过三辊压延机的压制和牵引机的牵引，即可得到片状形状记忆材料。经计算和检测，该材料中形状记忆可逆相PPC的玻璃化温度为34℃，开关温度为37℃、热拉伸变形速率为30%/min测试条件下的形状固定率为94.1%，形状回复率为91.3%。

对比例3

第一步中，将形状记忆固定相更换为邵氏硬度85A的TPU（S85A11，BASF），其他同实施例3。经计算和检测，该材料中形状记忆可逆相PPC的玻璃化温度为34℃，开关温度为37℃、热拉伸变形速率为30%/min测试条件下的形状固定率90.3%，形状回复率为88.9%。

由上述实施例3和对比例3的性能对比可见，由软硬嵌段比所决定的TPU硬度对PPC/TPU共混物的体温驱动形状记忆性能有着重要影响：TPU硬度增加会使材料的形状固定率和形状回复率同时降低。这主要是由于在拉伸过程中TPU硬段存在滞后现象，会产生氢键断裂、硬段破碎等不可逆形变，因此增大TPU硬度即硬段含量会造成更多不可逆形变，进而劣化材料的形状回复率。同时，高硬度TPU具有更大的拉伸模量，材料在拉伸过程中能产生更多的弹性储能，使临时形状的固定变得愈加困难，造成形状固定率降低。由此可见，本发明可以根据实际需要，通过改变热塑性弹性体的软硬嵌段比来实现对形状记忆性能的调控。

实施例4

(1) 选用聚碳酸亚丙酯（PPC）（Mw=2.48 x 10⁵ g/mol，中国长春应化所）作为形状记忆可逆相，聚酰胺热塑性弹性体（PATE）（8211-70，DuPont）作为形状记忆固定相。使用前将原料置于真空烘箱中并分别在40℃和80℃条件下干燥24h以除去水分。

(2) 将PPC和PATE按质量比为50:50混合均匀后投入双螺杆挤出机中（见图1A），调节挤出机各段温度分别控制在170-180-180-180˚C。挤出机内的物料熔融塑化后经矩形流道的出口模中（见图1B）流出，其中出口模的温度为180℃，经过三辊压延机的压制和牵引机的牵引，即可得到片状形状记忆材料。经计算和检测，该材料中形状记忆可逆相PPC的玻璃化温度为33℃，开关温度为37℃、热拉伸变形速率为30%/min测试条件下的形状固定率为95.3%，形状回复率为94.7%。

对比例4

第二步中，首先将PATE与10 wt％羟基磷灰石（HA）熔融共混造粒制得PATE-HA复合物，然后再与PPC混合挤出，其他同实施例4。经计算和检测，该材料中形状记忆可逆相PPC的玻璃化温度为33℃，开关温度为37℃、热拉伸变形速率为30%/min测试条件下的形状固定率为93.8%；形状回复率为96.3%。

由上述实施例4和对比例4的性能对比可见，填料的引入对PPC/PATE共混物的体温驱动形状记忆性能有着重要影响：随着羟基磷灰石的加入，该材料的形状固定率减小而形状回复率增大。这主要是由于HA的羟基可与PATE中N-H键与C=O键产生氢键作用，加之先和PATE共混再与PPC复合的加料顺序，HA将选择性分散于PATE中，使其弹性模量大幅提高，拉伸变形过程中将产生并储存更多弹性能，导致临时形状的固定变得困难，但同时提升的回复驱动力又将利于初始形状回复，因此HA的加入会造成形状固定率减小而形状回复率增大。由此可见，本发明可以根据实际需要，通过选择性分布生物相容的有机或无机填料实现对形状记忆性能的调控。

实施例5

(1) 选用聚碳酸亚丙酯（PPC）（Mw=2.48 x 10⁵ g/mol，中国长春应化所）作为形状记忆可逆相，聚烯烃弹性体（POE）（8840，Dow）作为形状记忆固定相。使用前将原料置于真空烘箱中并分别在40℃和60℃条件下干燥24h以除去水分。

(2) 将PPC和POE按质量比为50:50混合均匀后投入双螺杆挤出机中（见图1A），调节挤出机各段温度分别控制在100-140-160-160˚C。挤出机内的物料熔融塑化后经矩形流道的出口模（见图1B）流出，出口模温度为160℃，再经过三辊压延机的压制和牵引机的牵引，即可得到片状形状记忆材料。经计算和检测，该材料中形状记忆可逆相PPC的玻璃化温度为33℃，开关温度为37℃、热拉伸变形速率为30%/min测试条件下的形状固定率为96.2%，形状回复率为93.7%。

对比例5

第二步中，将测试条件中的热拉伸变形速率改为50%/min，其他同实施例5。经计算和检测，该材料中形状记忆可逆相PPC的玻璃化温度为33℃，开关温度为37℃、热拉伸变形速率为50%/min测试条件下的形状固定率为92.4%，形状回复率为92.9%。

由上述实施例5和对比例5的性能对比可见，热拉伸变形速率对PPC/POE形状记忆材料的体温驱动形状记忆性能有着重要的影响：提高热拉伸变形速率会劣化材料的形状固定率和形状回复率。这主要是由于在高热拉伸变形速率下变形时，分子链运动滞后现象严重，这会造成PPC的分子链间滑移，导致形状回复率下降。同时，高速率变形下材料对应储能增加，临时形状回复趋势加强，导致形状固定率下降。由此可见，本发明可以根据实际需要，通过改变热拉伸变形速率来实现对形状记忆性能的调控。

实施例6

(1) 选用聚碳酸亚丙酯（PPC）（Mw=2.48 x 10⁵ g/mol，中国长春应化所）作为形状记忆可逆相，热塑性聚氨酯弹性体（TPU）（SP9324，BASF）作为形状记忆固定相。使用前将原料置于真空烘箱中并分别在40℃和80℃条件下干燥24h以除去水分。

(2) 将PPC和TPU按质量比为50:50混合均匀后投入双螺杆挤出机中（见图1A），调节挤出机各段温度分别控制在170-180-180-180˚C。挤出机内的物料熔融塑化后经圆柱形流道的出口模（见图1B）流出，出口模温度为180℃，再经过聚四氟乙烯棒的旋转收卷，即可得到螺旋状形状记忆材料。

(3) 将螺旋状形状记忆材料在37℃条件下压缩卷曲成直径为2.8mm的临时螺旋状，然后放入直径为7mm的硅胶管内。经检测，材料经37℃水浴20秒即能完成自扩张，并贴紧硅胶管内壁(见图4)。同时，溶血、补体激活、凝血激活测试结果表明PPC/TPU螺旋状形状记忆材料具备优异的血液相容性(见图5)，可作为自扩张血管支架植入人体使用。由此可见，本发明可以根据实际需要，通过使用不同的加工模具和冷却收卷装置制备得到实际所需材料形状，进而扩大应用领域。

Claims

1.一种生物医用形状记忆高分子材料，其特征在于该材料是由生物相容的聚碳酸亚丙酯和热塑性弹性体混合均匀后经熔融塑化加工制得的能够实现体温驱动形状记忆性能的共混物：

(1)所述体温驱动形状记忆性能是指在体温下经热机械变形加工后降温至室温时可以有效固定临时形状，升温至体温时又可以实现初始形状回复的形状记忆性能；

(2)所述聚碳酸亚丙酯作为形状记忆可逆相,其玻璃化温度处于室温和体温之间，在室温时处于玻璃态，表现出一定刚性，从而保证临时形状的固定；升温至体温时进入橡胶态，其模量会大幅度降低，从而实现形状记忆的启动；

(3)所述热塑性弹性体作为形状记忆固定相，整个形状记忆循环中保持橡胶弹性，在临时形状“赋形-固定”过程中可以储存弹性应变能，受到体温刺激时，储能得到释放并驱动材料快速回复至初始形状；

所述材料的形状记忆性能是通过改变所述热塑性弹性体的软硬段分子结构、软硬段嵌段比和聚合度进行调控。

2.根据权利要求1所述的材料，其特征在于所述热塑性弹性体粘流温度高于体温50℃以上，且具有良好的生物相容性，所述热塑性弹性体为热塑性聚氨酯弹性体，热塑性聚酯弹性体，聚酰胺热塑性弹性体，聚烯烃弹性体中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的材料，其特征在于该材料的形状记忆性能是通过改变所述聚碳酸亚丙酯与所述热塑性弹性体的组分比进行调控，组分比范围为10:90～90:10。

4.根据权利要求1所述的材料，其特征在于该材料的形状记忆性能是通过改变所述聚碳酸亚丙酯的数均分子量来提供不同的形状记忆可逆相进行调控，聚碳酸亚丙酯数均分子量范围为50000～400000。

5.根据权利要求1所述的材料，其特征在于该材料的形状记忆性能是通过选择性分布生物相容的有机或无机填料在所述热塑性弹性体中改性其储能效率进行调控，所述生物相容的有机或无机填料为纤维素纳米晶、羟基磷灰石、有机蒙脱土、纳米二氧化硅、碳纳米管中的任意一种，添加量为所述材料质量的1～20％。

6.根据权利要求1所述的材料，其特征在于该材料的形状记忆性能是通过控制形状记忆循环过程中的变形条件进行调控，所述变形条件包括变形温度、变形速率、冷却速率、升温速率和恒温时间。

7.根据权利要求1所述的材料，其特征在于该材料是通过不同的熔融塑化加工方法进行制备，所述熔融塑化加工方法包括挤出、注塑、吹塑、模压成型、开放式炼胶和流延成型。