CN115197560A

CN115197560A - 一种结扎夹及聚乳酸和形状记忆聚氨酯材料的复合物在制备结扎夹中的用途

Info

Publication number: CN115197560A
Application number: CN202210832140.XA
Authority: CN
Inventors: 罗彦凤; 杨伟; 王远亮
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2022-07-15
Filing date: 2022-07-15
Publication date: 2022-10-18
Anticipated expiration: 2042-07-15
Also published as: CN115197560B

Abstract

本发明属于聚合物材料技术领域，具体涉及一种结扎夹及聚乳酸和形状记忆聚氨酯材料的复合物在制备结扎夹中的用途。本发明的结扎夹是采用聚乳酸和形状记忆聚氨酯材料的复合物制成，该复合物是由如下重量百分比的材料复合而成：聚乳酸材料10‑40％、形状记忆聚氨酯材料60‑90％；其中，所述聚乳酸材料是数均分子量为40000～200000的聚乳酸；所述形状记忆聚氨酯材料是玻璃化转变温度37～45℃的无定型聚合物或熔点为37～45℃的半结晶型聚合物，它由二异氰酸酯、软段聚合物和

聚合而成的线性聚合物，其数均分子量为30000‑150000。本发明提供的复合物特别适合作为结扎夹等生物工程学材料，具有很好的应用前景。

Description

一种结扎夹及聚乳酸和形状记忆聚氨酯材料的复合物在制备结扎夹中的用途

技术领域

本发明属于聚合物材料技术领域，具体涉及一种结扎夹及聚乳酸和形状记忆聚氨酯材料的复合物在制备结扎夹中的用途。

背景技术

形状记忆聚合物(Shape Memory Polymer，简称SMP)，又称为形状记忆高分子，是指具有初始形状的制品在一定的条件下改变其初始条件并固定后，通过外界条件(如热、电、光、化学感应等)的刺激又可恢复其初始形状的高分子材料。形状记忆聚合物由于其形状回复的特性，在生物医学、航空航天、光学和纺织物等领域有着广泛的应用。

形状记忆聚合物根据其回复原理包括热致型、电致型、光致型、化学感应型等。其中热致型形状记忆聚合物可通过控制其玻璃化温度，将其回复温度调整到与体温一致，从而实现在医学中的应用。例如：可以将热致型形状记忆聚合物材料制成的膜或特定形状的器件小型化和变形后，通过微导管植入体内，到达正确位置后，恢复其原始设定形状。

热致型形状记忆聚合物包括聚氨酯、乙烯/醋酸乙烯共聚物和交联聚乙烯等多种类别。而将这些材料用于制备植入人体的膜或器件时，需要根据其植入的部位和目的需要满足透过性、生物相容性和力学性能等一系列的性能要求。例如，中国发明专利申请“CN2022103352384一种形状记忆聚氨酯材料及其制成的自增强规则孔隙聚合物薄膜”公开了一类形状记忆聚氨酯材料ISO2-PU，其能够制成膜材料，作为防粘连膜、人工骨膜等具有很好的应用前景。然而，其力学性能不够理想，这使得其在骨修复材料和结扎夹等对力学性能有较高要求的生物工程材料中应用较为困难。因此，如何进一步提高ISO2-PU等形状记忆聚氨酯材料的力学性能是一个重要的课题。

现有技术中具有高强度、高模量的聚合物较多(例如聚乳酸等)，这些聚合物在性能上与ISO2-PU具有一定的互补性，因此，将它们和ISO2-PU进行结合有可能获得兼具良好力学性能、生物相容性和生物降解性的复合材料。然而，形状记忆聚氨酯材料的形状记忆性能由相分离程度和相分离结构共同决定。当其他材料(例如聚乳酸)与ISO2-PU复合时，必定会改变其相分离程度和相分离结构，这会导致形状记忆聚氨酯材料的形状记忆性能发生不可预知的变化。因此，如何提高ISO2-PU的力学性能，拓展其在生物工程材料中的应用仍然是亟需解决的问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种结扎夹及聚乳酸和形状记忆聚氨酯材料的复合物在制备结扎夹中的用途，目的在于提供一种兼具良好力学性能、生物相容性和生物降解性的形状记忆材料，将其应用于制备结扎夹。

一种结扎夹，它是采用聚乳酸和形状记忆聚氨酯材料的复合物制成的，所述复合物是由如下重量百分比的材料复合而成：

聚乳酸材料10-40％、

形状记忆聚氨酯材料60-90％；

其中，所述聚乳酸材料是数均分子量为40000～200000的聚乳酸；

所述形状记忆聚氨酯材料是玻璃化转变温度37～45℃的无定型聚合物或熔点为37～45℃的半结晶型聚合物，它由二异氰酸酯、软段聚合物和

按照摩尔比1.2-8：1：0.2-7聚合而成的线性聚合物，其数均分子量为30000-150000；

所述软段聚合物是聚乳酸、聚乙醇酸、聚己内酯、聚多元醇或其中两种及以上的共聚物。

优选的，所述复合物是由如下重量百分比的材料复合而成：

聚乳酸材料40％、

形状记忆聚氨酯材料60％。

优选的，所述形状记忆聚氨酯材料的结构式如式Ⅰ所示：

其中，x选自1-10，y选自1-10；

为所述软段聚合物的重复单元；

为二异氰酸酯的重复单元，或二异氰酸酯与

的共聚物的重复单元。

优选的，所述软段聚合物为乳酸和多元醇的聚合物。

优选的，所述软段聚合物的结构式如式Ⅱ所示：

其中，m、n分别独立选自4-50，r选自1-20。

优选的，所述二异氰酸酯选自脂肪族二异氰酸酯或芳香族二异氰酸酯，所述脂肪族二异氰酸酯选自六亚甲基二异氰酸酯、赖氨酸二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、二环己基甲烷二异氰酸酯或其中两种及以上的混合物，所述芳香族二异氰酸酯选自甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯或其中两种及以上的混合物。

优选的，所述聚乳酸材料的数均分子量为89000-91000；

所述形状记忆聚氨酯材料的数均分子量为38000-40000。

优选的，所述结扎夹包括外侧层和内侧层，所述内侧层采用所述形状记忆聚氨酯制成。

本发明还提供聚乳酸和形状记忆聚氨酯材料的复合物在制备结扎夹中的用途，所述复合物是由如下重量百分比的材料复合而成：

聚乳酸材料10-40％、

形状记忆聚氨酯材料60-90％；

优选的，所述复合物是由如下重量百分比的材料复合而成：

聚乳酸材料40％、

形状记忆聚氨酯材料60％。

优选的，所述形状记忆聚氨酯材料的结构式如式Ⅰ所示：

其中，x选自1-10，y选自1-10；

为所述软段聚合物的重复单元；

为二异氰酸酯的重复单元，或二异氰酸酯与

的共聚物的重复单元。

优选的，所述软段聚合物为乳酸和多元醇的聚合物。

优选的，所述软段聚合物的结构式如式Ⅱ所示：

其中，m、n分别独立选自4-50，r选自1-20。

优选的，所述聚乳酸材料的数均分子量为89000-91000；

所述形状记忆聚氨酯材料的数均分子量为38000-40000。

本发明还提供上述复合物的制备方法，包括如下步骤：将所述聚乳酸材料和形状记忆聚氨酯材料混合，共挤出，即得。

优选的，所述共挤出的温度为110℃-180℃。

本发明将聚乳酸和形状记忆聚氨酯材料ISO2-PU共混得到一种复合物，该复合物兼具有良好力学性能、生物相容性和生物降解性等，同时，在特定的混合比例下，聚乳酸的加入对ISO2-PU的形状记忆性能不仅没有不利影响，反而具有提升作用。因此，本发明提供的复合物特别适合作为结扎夹等生物工程学材料，具有很好的应用前景。

显然，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更。

以下通过实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。

附图说明

图1为实施例2的结扎夹的结构示意图；

图2为实施例3的结扎夹的结构示意图；

图3为第5(A)、7(B)、9(C)和11(D)组复合材料的三维(3D)“赋形-固定-回复”循环曲线；

图4为各组复合材料的熔融挤出温度；

图5为各组复合材料在37℃时的拉伸(A)和压缩(B)应力应变曲线；

图6为各组复合材料在37℃的PBs进行体外降解过程中样品重量随时间变化曲线，B为A中矩形区域的放大；

图7为各组复合材料在37℃的PBs进行体外降解过程中样品压缩模量和强度随时间变化。

具体实施方式

以下实施例和实验例中未特别说明的试剂和材料均为市售品。

实施例1聚乳酸和形状记忆聚氨酯材料的复合物

1、聚乳酸材料

聚乳酸材料(PDLLA)：M_n＝89500，PDI＝1.35，实验室自制，制备方式如下：

将D,L-丙交酯(D,L-Lactide，熔点:118℃，纯度：99.9％)，Sn(Oct)₂(Sigma-Aldrich、CAS号：301-10-0、货号：S3252)按摩尔比5000:1的比例加入放有磁力搅拌子的圆底烧瓶，抽真空30min后密封；将单口瓶放入140℃油浴锅中，待混合物完全融化后开启磁力搅拌将反应体系搅拌均匀，持续反应14h；反应结束后采用二氯甲烷/常温无水乙醇共沉淀体系重复纯化产物三次，室温下真空干燥72h，即得到目标产物PDLLA，备用。

2、形状记忆聚氨酯材料

形状记忆聚氨酯材料(ISO2-PU)：M_n＝38900，PDI＝1.57，实验室自制，其制备方法如下：

(1)PDLLA-PEG400-PDLLA大分子二醇的合成与纯化

将D,L-丙交酯(D,L-Lactide，熔点:118℃，纯度：99.9％)、PEG400(阿拉丁、CAS号：25322-68-3、货号：P103723)、Sn(Oct)₂(Sigma-Aldrich、CAS号：301-10-0、货号：S3252)按摩尔比5000:100:1的比例加入放有磁力搅拌子的圆底烧瓶，抽真空30min后密封；将单口瓶放入140℃油浴锅中，待混合物完全融化后开启磁力搅拌将反应体系搅拌均匀，持续反应24h；反应结束后采用二氯甲烷/冰无水乙醇(-15℃)共沉淀体系重复纯化产物三次，再以二氯甲烷/冰正己烷(-15℃)共沉淀体系纯化一次；室温下真空干燥72h，即得到目标产物PDLLA-PEG400-PDLLA大分子二醇(结构式中m＝46、n＝46和r＝10)，备用。

(2)HDI封端ISO的新型二异氰酸酯的合成与纯化

将HDI(阿拉丁、CAS号：822-06-0、货号：H106723)和ISO(

Sigma-Aldrich、CAS号：652-67-5、货号：I157515)分别以摩尔比4:1的比例加入不同的圆底单口烧瓶，同时放入磁力搅拌子，以m(ISO，g)：V(DMF,mL)＝1:6的比例加在两个单口瓶中入无水级DMF，磁力搅拌使ISO完全溶解；再以ISO与Sn(Oct)₂摩尔比500:1的比例加入Sn(Oct)₂，氮气置换三次后在氮气保护下75℃反应1h；待反应结束后冷却至室温，用分子筛干燥过的正己烷置出未反应的HDI，得到白色粉末干燥至恒重即为HDI封端ISO的新型二异氰酸酯偶联剂(本实施例中结构式中z的值为z＝0)，备用。

(3)ISO2-PU的合成与纯化

其中，OCN-DI`-NCO为上述步骤2合成的新型二异氰酸酯。其中，y的取值为y＝5。

将OCN-DI`-NCO和PDLLA-PEG400-PDLLA(大分子二醇)以摩尔比1.5:1.0的比例加入配有机械搅拌和温度计的圆底四口烧瓶，同时以m(大分子二醇，g)：V(DMF,mL)＝1.0:0.8的比例加入无水级DMF，机械搅拌使大分子二醇完全溶解；接着以大分子二醇与Sn(Oct)₂摩尔比500:1的比例加入Sn(Oct)₂，在氮气保护下75℃反应6h(每2h向反应体系中加入初始体积20vol％的无水级DMF，以降低体系粘度)；再以ISO与大分子二醇摩尔比0.5:1.0的比例加入ISO，继续在氮气保护下75℃反应12h(每4h向反应体系中加入初始体积20vol％的无水级DMF，以降低体系粘度)。待反应结束后冷却至室温，将反应体系倒入常温无水乙醇中沉淀，析出白色固体即为ISO2-PU。最后，以二氯甲烷/无水乙醇共沉淀体系将ISO2-PU纯化两次，烘干备用。

3、复合物制备

将ISO2-PU和PDLL粉末在40℃真空干燥24h，然后按比例加入高速搅拌机以1800r/min搅拌5min，进行预混；然后用微型双锥螺杆挤出机将经过预混的混合物粉末熔融共混并挤出，制备ISO2-PU/PDLL复合材料；最后利用微型注塑机将复合材料加工成测试的样品。ISO2-PU和PDLL各组分比例如表1所示。为了便于描述，在后文实验例中均以组别数代表各组复合物。

表1各组分复合材料中PDLLA和ISO2-PU的比例及其挤出温度

实施例2一种结扎夹

本实施例的结扎夹结构如图1所示，包括主体，所述主体两端设置有C型卡扣和互相匹配的榫卯结构。主体采用实施例1制备的组别7的复合物制备而成。尺寸规格分为长：13mm；宽：4mm；厚：4mm；C型半径：4mm。

实施例3一种结扎夹

本实施例的结扎夹结构如图2所示，包括主体，所述主体由内侧层和外侧层构成。其中，所述内侧层是结扎夹闭合后紧密夹紧结扎部位的一侧，其采用实施例1制备的复合物制备而成。外侧层采用现有的聚合物，可降低成本。本实施例的结扎夹尺寸规格同样分为长：13mm；宽：4mm；整体厚：4mm；ISO2层厚：1mm；C型半径：4mm。

为了进一步说明本发明的有益效果，下面对实施例1制备的十一个复合物样品和实施例2制备的结扎夹进行性能测试。

实验例1形状记忆性能

一、实验方法

样品的形状记忆性能同样在美国TA Instruments公司的DMA-Q800上采用拉伸模式进行，样品尺寸为0.1×8.0×50.0mm。首先，在加载应变为0.1％的条件下以5℃/min升温速率由25℃升高到60℃的形状记忆温度(T_tran)，等温5min后以5％/min的速率将应变增加到50％，并保持5min；接着，以5℃/min降温速率冷却到25℃的形状固定温度(T_fix)，同样保持5min；最后,撤去应力并以5℃/min升温速率再次升温到T_tran，等温40min完成恢复过程。样品的形状记忆性能以形状固定率(R_f)和形状回复率(R_r)评价，它们分别由式1和2定义的。

其中ε₁为施加在样品上的应变，ε₂为冷却到T_fix并撤去应力后的应变，ε₃为等温40min完成恢复后的应变。

二、实验结果

PDLLA不具有形状记忆性能，而ISO2-PU具有良好的形状记忆性能(R_f＝99.9％，R_r＝90.2％)。两种聚合物复合后5、7、9组复合材料和纯ISO2-PU的三维(3D)“赋形-固定-回复”循环图如图3所示，各组分样品的R_f和R_r如表2所示。从图3和表2可以看出，除1和2组分无法进行形状记忆性能测试外，其他各组分复合材料的R_f均高于99.6％，表明具有出色的形状固定能力。形状回复过程结束后，7、8、9和10组的R_r高于纯ISO2-PU，分别为95.6％、92.7％、91.5％和90.4％，其他组分复合材料的R_r则低于纯ISO2-PU。以上结果表明，7、8、9和10组复合物材料中相分离结构更有利于材料的形状记忆，因而展现出比ISO2-PU更优的形状记忆性能。

表2各组复合材料的形状记忆性能

实验例2熔融加工温度

由于ISO2-PU的熔融加工温度远低于PDLLA，两种材料共混后ISO2-PU可以起到对复合材料增塑的作用，从而导致熔融加工温度发生改变。各组复合材料的熔融挤出温度如图4所示。

从图4中可以看出ISO2-PU的熔融挤出温度为120±10℃，PDLLA的的熔融挤出温度为170±10℃。向PDLLA中加入ISO2-PU后，复合材料的熔融挤出温度随着ISO2-PU含量的增加逐渐降低，ISO2-PU在复合材料中起到了增塑的作用，有效降低了加工温度。

实验例3力学性能

一、实验方法

采用深圳三思纵横科技股份有限公司的UTM5305SYXL型电子万能材料试验机(附钢研纳克检测技术股份有限公司的YYU-10/20型电子引伸计)对ISO-PUs的力学性能进行了测试。拉伸测试的样品是直接注塑成型，试样为标准狗骨形状，有效尺寸为20.0×4.0×2.0mm(ISO 527-2-5A)，而压缩测试的样品是先注塑成80.0×10.0×5.0mm条状样条后再机械切削成尺寸3.0×5.0×6.0mm(ISO 604:2002)的矩形试样。拉伸和压缩测试的加载速率均为5.0mm/min，最后的结果是5次重复测量的平均值。

二、实验结果

因共混的两者材料都是生物医用材料，共混后复合材料的应用目标也是应用于组织工程领域。所以材料的力学性能在人体生理温度(37℃)下进行测试。图5为各组复合材料在37℃时的拉伸(A)和压缩(B)应力-应变曲线，根据应力-应变曲线获得的力学性能数据如表3所示。从图5A和表3可以看出，PDLLA的断裂伸长率仅为6.1±2.2％，而ISO2-PU的断裂伸长率高达216.2±19.4％，ISO2-PU与PDLLA共混后随着ISO2-PU含量的提高复合材料的断裂伸长率逐渐提高，即韧性逐渐增强。但是，由于ISO2-PU的增塑作用，复合材料的力学性能，包括压缩强度(图5B)，与PDLLA相比也会有所下降。在实际应用时可以根据应用目标选择不同杨氏模量、拉伸强度、压缩强度和断裂伸长率的复合材料。

表3各组复合材料在37℃时的力学性能

实验例4体外降解性

一、实验方法

复合材料体外降解实验用样品为尺寸3.0×5.0×6.0mm的压缩测试矩形试样，每5个一组放入含20mL的灭菌磷酸盐缓冲剂(PBS,pH＝7.4±0.2)的玻璃瓶中，然后将玻璃片放置在37±0.5℃的CO₂细胞培养箱(美国，Thermo Fisher Scientific公司)中，PBS每15天更换一次。每隔15天定时取出一组评价降解程度，取样时首先用蒸馏水平衡3次，每次12h，再小心收集残留样品，在室温下真空干燥直至重量变化不大于0.01％。通过测定残留样品干重和压缩力学性能来表征样品的降解程度。

二、实验结果

图6为各组复合材料在37℃的PBs进行体外降解过程中样品重量随时间变化曲线。同时，降解过程中样品的压缩模量和压缩强度随时间变化曲线如图7所示。从图6和7中可以看出ISO2-PU具有比PDLLA更快的降解速率，两者共混后复合材料中ISO2-PU含量越高降解速度越快。因此，通过添加不同ISO2-PU可有效调节复合材料的降解速率。

实验例5结扎夹性能测试

本实验例所用的样品为实施例2的结扎夹。

一、实验方法

根据《一次性使用无菌闭合夹注册技术审查指导原则(2021年第30号)》和《一次性结扎夹(闭合夹)的主要技术要求和参考技术标准或规范》，对ISO2-PU制备的结扎夹进行了夹持稳定性、夹持耐久性和耐压实验。

1、轴向位移力学实验

使用100mm长Φ4-Φ5硅胶透明软管，将夹子夹闭在距软管一端10mm位置(末端)，将软管首段固定在拉力仪上夹具上，将末端换套在拉力仪下夹具上，使末端软管可以在夹具内滑动。以300mm/min的速度拉伸，位移10mm时的应力作为轴向滑移力。

2、锁扣拉断(闭合力)实验

使用6mm宽150mm长特卫强两片，在重叠的两片特卫强中间夹闭止血夹，然后将特卫强分别对折后夹持到拉力仪上下夹具上，以300mm/min的速度拉伸，直到结扎夹锁扣拉断为止。

3、夹持耐久性

使用100mm长Φ4-Φ5硅胶透明软管，将夹子夹闭在软管中间位置，观察72小时内结扎夹是否发生松动或断裂。

4、耐压试验

使用100mm长Φ4-Φ5硅胶透明软管，将夹子夹闭在距软管一端10mm位置(末端)，将软管首段联结智能密封仪，将末端换侵入装满水的量杯，不断加压观察120S，直至出现漏气或极限状态，观察是否漏气。

二、实验结果

1、轴向位移力学实验

结扎夹的轴向滑移力为31.8±1.9N，大于30N，具有很好的稳定性。

2、锁扣拉断(闭合力)实验

结扎夹的锁扣拉断力(闭合力)为51.8±4.5N，大于“CN 107812231B一种增强型可吸收结扎夹及其制备方法”中结扎夹的锁扣拉断力(闭合力)，完全满足医疗应用需求。

3、夹持耐久性

结扎夹72小时内未发生松动或断裂，满足注册指导原则要求。

4、耐压试验

结扎夹的极限耐压为271.5±24.5KPa，高于注册指导原则要求耐压≥50KPa。

通过上述实验可以证明，本发明的结扎夹性能良好，能够满足医疗应用的需求。

通过上述实施例和实验例可以看到，本发明提供了一种新的复合物材料，其具有优异的加工性能、力学性能、生物相容性和体外可降解性，此外，两种组分的复合对ISO2-PU的形状记忆性能不仅没有不利影响，反而具有提升作用。因此，本发明提供的复合物特别适合作为结扎夹等生物工程学材料，具有很好的应用前景。

Claims

1.一种结扎夹，其特征在于，它是采用聚乳酸和形状记忆聚氨酯材料的复合物制成的，所述复合物是由如下重量百分比的材料复合而成：

聚乳酸材料10-40％、

形状记忆聚氨酯材料60-90％；

2.按照权利要求1所述的结扎夹，其特征在于，所述复合物是由如下重量百分比的材料复合而成：

聚乳酸材料40％、

形状记忆聚氨酯材料60％。

3.按照权利要求1或2所述的结扎夹，其特征在于：所述形状记忆聚氨酯材料的结构式如式Ⅰ所示：

其中，x选自1-10，y选自1-10；

为所述软段聚合物的重复单元；

为二异氰酸酯的重复单元，或二异氰酸酯与

的共聚物的重复单元。

4.按照权利要求1-3任一项所述的结扎夹，其特征在于：所述软段聚合物为乳酸和多元醇的聚合物。

5.按照权利要求4所述的结扎夹，其特征在于：所述软段聚合物的结构式如式Ⅱ所示：

其中，m、n分别独立选自4-50，r选自1-20。

6.按照权利要求1-3任一项所述的结扎夹，其特征在于：所述二异氰酸酯选自脂肪族二异氰酸酯或芳香族二异氰酸酯，所述脂肪族二异氰酸酯选自六亚甲基二异氰酸酯、赖氨酸二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、二环己基甲烷二异氰酸酯或其中两种及以上的混合物，所述芳香族二异氰酸酯选自甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯或其中两种及以上的混合物。

7.按照权利要求1-3任一项所述的结扎夹，其特征在于：所述聚乳酸材料的数均分子量为89000-91000；

所述形状记忆聚氨酯材料的数均分子量为38000-40000。

8.按照权利要求1所述的结扎夹，其特征在于：所述结扎夹包括外侧层和内侧层，所述内侧层采用所述形状记忆聚氨酯制成。

9.聚乳酸和形状记忆聚氨酯材料的复合物在制备结扎夹中的用途，其特征在于，所述复合物是由如下重量百分比的材料复合而成：

聚乳酸材料10-40％、

形状记忆聚氨酯材料60-90％；

10.按照权利要求9所述的用途，其特征在于，所述复合物是由如下重量百分比的材料复合而成：

聚乳酸材料40％、

形状记忆聚氨酯材料60％。