CN116057101A - 高分子量和强度的基于聚异丁烯的聚氨酯的合成及其用途 - Google Patents

高分子量和强度的基于聚异丁烯的聚氨酯的合成及其用途 Download PDF

Info

Publication number
CN116057101A
CN116057101A CN202180056870.9A CN202180056870A CN116057101A CN 116057101 A CN116057101 A CN 116057101A CN 202180056870 A CN202180056870 A CN 202180056870A CN 116057101 A CN116057101 A CN 116057101A
Authority
CN
China
Prior art keywords
polyisobutylene
pib
based polyurethane
polymer
diisocyanate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202180056870.9A
Other languages
English (en)
Inventor
约瑟夫·肯尼迪
图尔古特·努加伊
尼汉·努加伊
特贾·迪奥达尔
杰夫·莫格里奇
鲁希·帕特尔
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Cambridge Enterprise Ltd
University of Akron
Original Assignee
Cambridge Enterprise Ltd
University of Akron
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Cambridge Enterprise Ltd, University of Akron filed Critical Cambridge Enterprise Ltd
Publication of CN116057101A publication Critical patent/CN116057101A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08G—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G18/00—Polymeric products of isocyanates or isothiocyanates
    • C08G18/06—Polymeric products of isocyanates or isothiocyanates with compounds having active hydrogen
    • C08G18/28—Polymeric products of isocyanates or isothiocyanates with compounds having active hydrogen characterised by the compounds used containing active hydrogen
    • C08G18/40—High-molecular-weight compounds
    • C08G18/64—Macromolecular compounds not provided for by groups C08G18/42 - C08G18/63
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/50—Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/14—Macromolecular materials
    • A61L27/18—Macromolecular materials obtained otherwise than by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08G—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G18/00—Polymeric products of isocyanates or isothiocyanates
    • C08G18/06—Polymeric products of isocyanates or isothiocyanates with compounds having active hydrogen
    • C08G18/08—Processes
    • C08G18/10—Prepolymer processes involving reaction of isocyanates or isothiocyanates with compounds having active hydrogen in a first reaction step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08G—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G18/00—Polymeric products of isocyanates or isothiocyanates
    • C08G18/06—Polymeric products of isocyanates or isothiocyanates with compounds having active hydrogen
    • C08G18/28—Polymeric products of isocyanates or isothiocyanates with compounds having active hydrogen characterised by the compounds used containing active hydrogen
    • C08G18/40—High-molecular-weight compounds
    • C08G18/62—Polymers of compounds having carbon-to-carbon double bonds
    • C08G18/6204—Polymers of olefins
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08G—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G18/00—Polymeric products of isocyanates or isothiocyanates
    • C08G18/06—Polymeric products of isocyanates or isothiocyanates with compounds having active hydrogen
    • C08G18/70—Polymeric products of isocyanates or isothiocyanates with compounds having active hydrogen characterised by the isocyanates or isothiocyanates used
    • C08G18/72—Polyisocyanates or polyisothiocyanates
    • C08G18/74—Polyisocyanates or polyisothiocyanates cyclic
    • C08G18/76—Polyisocyanates or polyisothiocyanates cyclic aromatic
    • C08G18/7657—Polyisocyanates or polyisothiocyanates cyclic aromatic containing two or more aromatic rings
    • C08G18/7664—Polyisocyanates or polyisothiocyanates cyclic aromatic containing two or more aromatic rings containing alkylene polyphenyl groups
    • C08G18/7671—Polyisocyanates or polyisothiocyanates cyclic aromatic containing two or more aromatic rings containing alkylene polyphenyl groups containing only one alkylene bisphenyl group
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08G—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G18/00—Polymeric products of isocyanates or isothiocyanates
    • C08G18/06—Polymeric products of isocyanates or isothiocyanates with compounds having active hydrogen
    • C08G18/70—Polymeric products of isocyanates or isothiocyanates with compounds having active hydrogen characterised by the isocyanates or isothiocyanates used
    • C08G18/72—Polyisocyanates or polyisothiocyanates
    • C08G18/74—Polyisocyanates or polyisothiocyanates cyclic
    • C08G18/76—Polyisocyanates or polyisothiocyanates cyclic aromatic
    • C08G18/7657—Polyisocyanates or polyisothiocyanates cyclic aromatic containing two or more aromatic rings
    • C08G18/7692—Polyisocyanates or polyisothiocyanates cyclic aromatic containing two or more aromatic rings containing at least one isocyanate or isothiocyanate group linked to an aromatic ring by means of an aliphatic group
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2430/00—Materials or treatment for tissue regeneration
    • A61L2430/20—Materials or treatment for tissue regeneration for reconstruction of the heart, e.g. heart valves

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • Transplantation (AREA)
  • Dermatology (AREA)
  • Polyurethanes Or Polyureas (AREA)

Abstract

公开了一种制备用于制造心脏瓣膜的基于聚异丁烯的聚氨酯的方法，其中所述方法包括提供聚异丁烯(PIB)聚合物、将二异氰酸酯化合物新鲜蒸馏以产生新鲜蒸馏的二异氰酸酯以及提供扩链剂。当通过混合将聚异丁烯聚合物、新鲜蒸馏的二异氰酸酯和扩链剂组合在一起时，产生的基于聚异丁烯的聚氨酯展现出比不使用新鲜蒸馏的二异氰酸酯制得的基于聚异丁烯的聚氨酯更高的数均分子量、更高的极限强度、更高的伸长率和更大的韧性，这使得所述聚合物特别可用作人工生物心脏瓣膜。

Description

高分子量和强度的基于聚异丁烯的聚氨酯的合成及其用途
发明领域
本发明大体上涉及新型的基于聚异丁烯的聚氨酯及其制备方法。更特别地，已经发现在先前认为无法达到和无法实现的合成条件下，本发明的基于聚异丁烯的聚氨酯具有比已知存在的先前的基于聚异丁烯的聚氨酯更高的数均分子量、更高的极限强度、更高的伸长率和更大的韧性。具体地，已经发现，使用新鲜蒸馏的二异氰酸酯以及将合成溶液的固体含量增加到限度(超过该限度时增加的粘度防止搅拌)为本发明的基于聚异丁烯的聚氨酯提供了其增强的特性。这样的聚氨酯特别可用作心脏瓣膜。
背景技术
每年植入超过500,000个人工心脏瓣膜。临床上可用的人工瓣膜可以挽救生命，但是并不完美。机械瓣膜需要使用者终生服用抗凝药物，同时也承担相关的出血和血栓形成风险。人工生物瓣膜显示结构劣化，因此最终需要进行另一次手术。聚合物心脏瓣膜有潜力实现比其对手更长的耐用性，同时还无需使用者服用抗凝药物。出于这个原因，自二十世纪七十年代以来，人们一直对生产可行的聚合物瓣膜感兴趣；但是没有一个获得临床应用的监管批准。
随着材料、制作技术和建模的改进，对聚合物瓣膜的研究重新兴起，出现了若干有前途的原型。
Figure BDA0004113391810000011
TriaTM聚氨酯瓣膜曾经是这样的原型，其与2019年7月开始人体试验。这不是基于聚异丁烯的聚氨酯瓣膜。热塑性聚氨酯因其良好的物理化学性质和其易于加工性而备受关注。最近的配方诸如
Figure BDA0004113391810000012
TriaTM聚氨酯已经显示出改善的生物相容性和稳定性。尽管如此，迄今为止，聚氨酯在体内经受钙化和/或逐渐氧化/降解，导致机械失效和/或血栓形成。
已知含有70％聚异丁烯的基于聚异丁烯的聚氨酯(Polyisobutylene-basedpolyurethane，PIB-PU)具有生物惰性，这意味着它们既具有生物相容性又具有生物稳定性，并且是可用于长期植入式医疗设备的抗钙化热塑性弹性体。这些70％聚异丁烯PIB-PU还能够以适中的成本制造。这些热塑性弹性体还展现出耐水解、耐氧化和耐酶的出色组合，同时具有出色的柔软性、阻隔性、低蠕变性和低细胞粘附性。此外，由-CH2-C(CH3)2制得的惰性连续软链段遮挡由氨基甲酸酯(-NHCOO-)制得的易受环境攻击的硬链段，同时还产生期望的性质组合。
然而，它们确实存在缺点。即，现今的惰性PIB软链段缺乏氢键接受位点。因此，迄今为止，这些PIB-PU的强度固有地低于软链段含有亲核位点(即氧或氮位点)的常规聚氨酯的强度。因此，本领域需要提高70％聚异丁烯PIB-PU的强度，同时保持生物相容性和生物稳定性，以及抗钙化性和优异的耐水解性、耐氧化性和耐酶性，同时具有出色的柔软性、阻隔性、低蠕变性和低细胞粘附性。
发明内容
有利地，已经发现在与聚异丁烯二醇和任选地具有扩链剂的反应中使用新鲜蒸馏的二异氰酸酯提供了展现出比常规PIB-PU(即在不使用新鲜蒸馏的二异氰酸酯时制得的那些)更高的数均分子量、更高的极限强度、更高的伸长率和更大的韧性的PIB-PU。应当理解，术语“新鲜蒸馏的”意指二异氰酸酯(特别是MDI)被蒸馏并且然后在蒸馏后1或2小时内被使用或另外与聚异丁烯二醇反应以产生基于聚异丁烯的聚氨酯。换言之，与所有先前方法不同，二异氰酸酯在以本领域已知的任何方式被使用之前不被储存，而是在蒸馏后2小时内、更优选地1小时内并且甚至更优选地30分钟内使用。
另外，还已有利地发现，提供聚异丁烯聚合物为四氢呋喃(THF)的溶液，其中聚异丁烯聚合物在THF中的浓度在一个实施方案中为至少21.4重量％，并且在第二实施方案中大于21.4重量％，并且在第三实施方案中为至少28重量％，这进一步有助于提供展现出比常规PIB-PU(即不包括如上所述的在THF中的高PIB浓度的那些)更高的数均分子量、更高的极限强度、更高的伸长率和更大的韧性的PIB-PU。应当注意，在如此高浓度的PIB聚合物的情况下，在与二异氰酸酯和/或扩链剂反应后仅20分钟后几乎不可能搅拌PIB聚合物。与其他方法相比，该方法允许反应在不搅拌的情况下继续并且加入少量THF使得搅拌可以重新开始约另外3小时。
鉴于这些优点，本发明的一个实施方案提供了一种制备基于聚异丁烯的聚氨酯的方法。所述方法包括提供聚异丁烯(PIB)聚合物、将二异氰酸酯化合物新鲜蒸馏以产生新鲜蒸馏的二异氰酸酯以及提供扩链剂。当通过混合将聚异丁烯聚合物、新鲜蒸馏的二异氰酸酯和扩链剂组合在一起时，产生的基于聚异丁烯的聚氨酯展现出比不使用新鲜蒸馏的二异氰酸酯制得的基于聚异丁烯的聚氨酯更高的数均分子量、更高的极限强度、更高的伸长率和更大的韧性。
本发明的另一个实施方案提供了一种如上述任一实施方案所述的制备基于聚异丁烯的聚氨酯的方法，其中所述方法还包括以下步骤：提供催化剂，并且将所述催化剂与聚异丁烯聚合物、新鲜蒸馏的二异氰酸酯和扩链剂组合。
本发明的另一个实施方案提供了一种如上述任一实施方案所述的制备基于聚异丁烯的聚氨酯的方法，其中提供催化剂的步骤包括从由以下各项组成的组中选择催化剂：二月桂酸二丁基锡(DBTDL)，辛酸亚锡，包括新癸酸铋、新癸酸锌、羧酸锌和羧酸铋的铋/锌、锆和铋有机物，钒有机物，以及钴有机物。
本发明的另一个实施方案提供了一种如上述任一实施方案所述的制备基于聚异丁烯的聚氨酯的方法，其中提供PIB聚合物的步骤包括选择PIB-二醇作为PIB聚合物。
本发明的另一个实施方案提供了一种如上述任一实施方案所述的制备基于聚异丁烯的聚氨酯的方法，其中将二异氰酸酯的新鲜蒸馏步骤包括选择亚甲基二苯基二异氰酸酯作为新鲜蒸馏的二异氰酸酯。
本发明的另一个实施方案提供了一种如上述任一实施方案所述的制备基于聚异丁烯的聚氨酯的方法，其中提供扩链剂的步骤包括选择丁二醇作为扩链剂。
本发明的另一个实施方案提供了一种如上述任一实施方案所述的制备基于聚异丁烯的聚氨酯的方法，其中组合步骤生产数均分子量大于100,000Da的基于聚异丁烯的聚氨酯。
本发明的另一个实施方案提供了一种如上述任一实施方案所述的制备基于聚异丁烯的聚氨酯的方法，其中组合步骤生产极限强度大于30MPa的基于聚异丁烯的聚氨酯。
本发明的另一个实施方案提供了一种如上述任一实施方案所述的制备基于聚异丁烯的聚氨酯的方法，其中组合步骤生产伸长率大于600％的基于聚异丁烯的聚氨酯。
本发明的另一个实施方案提供了一种如上述任一实施方案所述的制备基于聚异丁烯的聚氨酯的方法，其中组合步骤生产韧性大于4.00J的基于聚异丁烯的聚氨酯。
本发明的另一个实施方案提供了一种如上述任一实施方案所述的制备基于聚异丁烯的聚氨酯的方法，其中提供PIB聚合物的步骤包括提供在THF溶液中的所述PIB聚合物，并且其中所述PIB聚合物在THF中的浓度为至少21.4重量％。
本发明的另一个实施方案提供了一种如上述实施方案所述的制备基于聚异丁烯的聚氨酯的方法，其中提供PIB聚合物的步骤包括以在THF中大于21.4重量％的浓度提供在THF溶液中的所述PIB聚合物，使得在组合步骤期间混合变成不可能。
本发明的一个实施方案提供了基于聚异丁烯的聚氨酯。基于聚异丁烯的聚氨酯包含以下各项的反应产物：聚异丁烯(PIB)聚合物、新鲜蒸馏的二异氰酸酯和扩链剂。基于聚异丁烯的聚氨酯生产展现出比不使用新鲜蒸馏的二异氰酸酯制得的基于聚异丁烯的聚氨酯更高的数均分子量、更高的极限强度、更高的伸长率和更大的韧性。
本发明的另一个实施方案提供了如上述任一实施方案所述的基于聚异丁烯的聚氨酯，其中反应产物还包含选自由以下各项组成的组的催化剂：二月桂酸二丁基锡(DBTDL)，辛酸亚锡，包括新癸酸铋、新癸酸锌、羧酸锌和羧酸铋的铋/锌、锆和铋有机物，钒有机物，以及钴有机物。
本发明的另一个实施方案提供了如上述任一实施方案所述的基于聚异丁烯的聚氨酯，其中聚异丁烯聚合物是PIB-二醇。
本发明的另一个实施方案提供了如上述任一实施方案所述的基于聚异丁烯的聚氨酯，其中新鲜蒸馏的二异氰酸酯化合物是亚甲基二苯基二异氰酸酯。
本发明的另一个实施方案提供了如上述任一实施方案所述的基于聚异丁烯的聚氨酯，其中扩链剂是丁二醇。
本发明的另一个实施方案提供了如上述任一实施方案所述的基于聚异丁烯的聚氨酯，其中基于聚异丁烯的聚氨酯具有大于100,000Da的数均分子量、大于30MPa的极限强度、大于600％的伸长率和大于4.00J的韧性。
附图说明
附图示出了从这项工作中获得的PIB-PU的应力对应变迹线，连同迄今为止报道的最高品质PIB-PU和商用的基于硅橡胶的聚氨酯(Elast-EonTM)。
示例性实施方案详述
本发明教导了一种基于聚异丁烯的聚氨酯(PIB-PU)，其具有至少70％的聚异丁烯软链段，其数均分子量(Mn)大于100,000Da，极限强度为32MPa并且伸长率为630％。通过其70％PIB软链段，本发明的PIB-PU还具有生物惰性和抗钙化性。围绕具有这样的重要特性的PIB-PU的生产的关键参数是聚氨酯形成反应的精确化学计量，特别是使用高度纯化的二异氰酸酯(亚甲基二苯基二异氰酸酯，称为MDI)，以及将合成溶液的固体含量增加到限度(超过该限度时增加的粘度防止搅拌)。
本发明的形成的PIB-PU的应力-应变迹线的形状表明两步失效，其从可逆弹性(胡克)区域开始直至约50％屈服，然后是较慢的线性增加的高模量变形区域。这种应力-应变迹线暗示PIB软链段通过缠结/链接得以加强并且硬链段通过氨基甲酸酯结构域的逐渐排序得以加强。
含有70重量％的PIB软链段的PIB-PU的曾报道的最大分子量为约70kDa，曾报道的最大拉伸强度为约26MPa，并且曾报道的最大伸长率为约500％。通过优化合成条件，特别是使用新鲜蒸馏的MDI，并且增加合成溶液中PIB二醇的浓度，本发明的PIB-PU具有大于100kDa的分子量、约32MPa的拉伸强度、约630％的伸长率和大于4.0J的韧性。
据信，本发明的这样的PIB-PU作为至少用作人工生物心脏瓣膜中的一个或多个瓣的聚合物是特别有用的。据信，本发明的心脏瓣膜具有比其对手更长的耐用性，同时还无需使用者服用抗凝药物。据信，本发明的材料和制作工艺的改进提供了一种具有优异机械性能和持续的易于加工性的基于聚异丁烯的聚氨酯瓣膜。据信，本发明的基于PIB的聚氨酯对于心脏瓣膜而言具有优异的生物相容性和稳定性，并且不会在体内发生钙化和/或逐渐氧化/降解，这可能导致机械失效和/或血栓形成。
现在将描述用于生产含有70重量％的PIB软链段的PIB-PU的代表性实验。在N2的覆盖下，在配有机械搅拌器的火焰干燥的玻璃瓶中充入良好干燥的PIB-二醇(0.5mmol，1.5g)、新鲜蒸馏的MDI(2.025mmol)和4mL的蒸馏的THF。将体系搅拌并且加热至65℃，然后加入催化剂溶液(0.24mL的25mg二月桂酸二丁基锡(DBTDL)/5mL THF)，并且搅拌一小时。然后加入丁二醇扩链剂(1.525mmol，137.4mg，溶于3mL THF中)，并且将体系在65℃下进一步搅拌另外3小时。然后将体系用另外的THF进一步稀释，然后在还温暖时倒入玻璃模具中。然后将产物在室温下缓慢干燥约24小时，然后将产物在75℃下进一步真空干燥2天。
上面讨论的代表性实验讨论了使用“新鲜蒸馏的”MDI。在本申请的上下文中，“新鲜蒸馏的”意指将MDI蒸馏并且然后在蒸馏后1至2小时内使用以产生本发明的PIB-PU。“新鲜蒸馏的”进一步限定了新鲜蒸馏的MDI在用于产生本发明的PIB-PU之前未被储存。
尽管以上实验讨论了使用DBTDL作为催化剂，但是在本发明的其他实施方案中，可以使用其他催化剂，诸如辛酸亚锡，包括新癸酸铋、新癸酸锌、羧酸锌和羧酸铋的铋/锌、锆和铋有机物，钒有机物，以及钴有机物。
如上所述，确定了用于产生本发明的PIB-PU的MDI的纯度对于所产生的先进机械性能是至关重要的。因此，研究了MDI预处理和MDI在使用前的存放期的影响。通过查看下表1可以了解这些研究的结果。
表1
Figure BDA0004113391810000061
Figure BDA0004113391810000071
*在2x10-2mmHg和在115℃蒸馏
通过表1的内容还可以确定，PIB二醇浓度影响PIB-PU的分子量和机械性能，程度大到如实验5，其生产了具有任何实验中最好的分子量和机械性能的PIB-PU。同样重要的是要注意实验5在与实验4完全相同的条件下完成(即其也使用新鲜蒸馏的MDI)，并且其产生比实验4更好的性能。还应该注意的是，在实验5期间，由于PIB聚合物在THF中的浓度大于21.4重量％，在向混合物中加入扩链剂后约20分钟后，体系变成极粘稠并且搅拌变成不可能。过了这一点，在加入另外的2至3mL的THF后，能够重新开始搅拌，从约另外3小时起。
此外，通过将实验4的结果与实验1-3的结果进行比较，可以看出使用新鲜蒸馏的MDI对所生产的PUB-PU的性能有何影响。
表1中记录的PIB-PU的分子量和分子量分布是通过凝胶渗透色谱法测定的，并且结构是通过1H NMR光谱法分析的。表1中记录的PIB-PU的应力-应变迹线是通过由BlueHill软件控制的Instron型号5543万能试验机获得的。具体地，使用哑铃形样品(颈部处长25mm，宽3.1mm)，扩展速率为100mm/min，并且示出的结果为3次测定的平均值。为了研究表1中记录的PIB-PU的疲劳性能，使用由溶剂流延膜的30x 70nm片材制备的ISO 37-2狗骨形样品进行裂纹形核实验。使用Instron ElectroPuls E10000在位移控制下以1Hz频率在50％和100％应变下循环样品。
聚氨酯的机械性能受二异氰酸酯的纯度和其他试剂的强烈影响。异氰酸酯由于其极高的反应性而特别易于与杂质(诸如水分)反应，并且尤其是在长时间储存后，它们开始含有缓慢形成的杂质，诸如二聚物、低聚物和聚脲。因此，MDI在使用前的存放期会影响终产物的纯度。杂质降低异氰酸酯官能团的浓度，并且妨碍生产最高品质终产物所需的精确化学计量。缓慢形成的异氰酸酯低聚物和聚脲是特别麻烦的，因为它们可以进入硬链段并且破坏其形态，因此不仅会损害机械性能，而且还会损害光学性能。
如上面简要讨论的，检查表1中实验1-4的结果表明，使用新鲜蒸馏的MDI代替按来样的MDI使得分子量增加不止一倍(从21到56kDa)，显著增加应力和伸长率(分别从9MPa到22MPa，以及从110％到480％)，并且将韧性接近三倍化(从0.07到1.9J)。MDI的存放期也是一个重要的纯度问题，因为观察到在对按来样的MDI进行真空蒸馏后，白色不溶性残留物残留在蒸馏瓶中。类似地，MDI在-12℃下储存几天后出现白色沉淀，并且白色沉淀的量仅随着时间而增加。
上面讨论的在MDI中发现的杂质通过1H NMR光谱法鉴别，并且显示了新鲜蒸馏的MDI的光谱，并且显示了在3.90ppm处形成的亚甲基质子和在6.99-7.14ppm处形成的芳族质子。脲基邻位和间位的芳族质子的共振也出现在7.42-7.52ppm处。还获取了NMR光谱，其清楚地示出了在延长的储存期间出现的MDI中的聚脲杂质可以通过常规蒸馏几乎完全消除。
如上面简要讨论的，表1中记录的实验结果也用于探索PIB-二醇浓度对PIB-PU的关键机械性能的影响。因此，与实验1-4相比，在实验5中PIB-二醇在THF中的浓度从21.4重量％增加到28.5重量％。在实验1-4中，聚合体系变成越来越粘稠，但是搅拌仍然令人满意。相比之下，在实验5中，加入丁二醇扩链剂后约20分钟，体系变成极粘稠并且搅拌变成不可能。然而，发现通过用2-3mL的THF将体系稀释，可以重新开始搅拌高达约另外3小时。
如表1中的数据(即实验4和5的数据)所示，通过将PIB-二醇在THF中的浓度从21.4重量％增加到28.5重量％，关键机械性能显著提高。断裂应力从约22MPA增加到约32MPA，伸长率从480％增加到630％，并且韧性翻倍。还发现在较高PIB-二醇浓度下制得的膜是无色和光学透明的。认为较高的合成溶液浓度增加反应的速率和程度，导致更高的PIB-PU分子量和优异的机械性能。
针对根据实验5的PIB-二醇和制得的PIB-PU，准备GPC迹线并且进行比较。根据实验5制得的PIB-PU的极高分子量暗示基本上完全的化学计量的链延伸。高分子量产生显著增强的缠结和链接水平，并且导致观察到高弹性模量。
图1示出了从上面报告的实验4中获得的PIB-PU、迄今为止报道的最高品质的PIB-PU(如在Toth等人的“Polyisobutylene-Based Polyurethanes：VII.Structure/PropertyInvestigations for Medical Applications(基于聚异丁烯的聚氨酯：VII.医学应用的结构/特性研究)”Journal of Polymer Science，Part A：Polymer Chemistry 2016，54，532-543)和商用的基于硅橡胶的聚氨酯(Elast-EonTM)的应力对应变迹线。应注意，先前报道的最高品质的PIB-PU与本发明的PIB-PU之间的区别在于，先前报道的最高品质的PIB-PU在其产生中并未使用新鲜蒸馏的MDI，并且并未聚焦于PIB聚合物的浓度。
PIB-PU的应力/应变迹线从高达约50％屈服的可逆弹性(胡克)区域开始，然后是高模量变形区域，这暗示通过排列和排序强化硬链段，直至失效。高模量和不断增加的杨氏模量是高弹性贯穿材料的特性。就机械行为而言，本发明的PIB-PU虽然仅含有30重量％的硬链段，但是优于具有52重量％硬链段的Elast-EonTM聚硅氧烷基PU。与迄今为止报道的最高品质的PIB-PU(同样具有30重量％硬链段)相比，由于其更高的分子量和因此更高程度的缠结和/或链接，本发明的PIB-PU展现出优异的强度、伸长率和韧性。
在假体(诸如人工心脏瓣膜)应用中的聚合物性能的一个关键方面是疲劳寿命。甚至更关键的是在低应变下经许多循环的疲劳寿命。心脏瓣膜小叶中聚合物经历的典型最大应变为大约10％(最大应变能密度为0.05MPa以下)，并且寿命必须为25年以上(相当于约10亿次循环)。期望以与实践中经历的频率(约1Hz)类似的频率测试聚合物。由于在实际应变下测试疲劳至失效是不切实际的，因此需要在用于测试的应变和完成实验所需的时间之间做出折衷。典型地，使用50-100％的应变。
在循环疲劳下加载PIB-PU样品会导致应力软化并且因此导致在卸载时后部分恢复的伸长。对样品进行测试直至过度伸长阻止在接近期望应变的情况下进一步循环，然后重设位移以使样品恢复到所需的标称应变(50％或100％)，并继续测试。结果，随着样品蠕变然后将其重设，在实验过程中实现了一个应变范围。令人感兴趣地观察到，在实验测试完成后，该蠕变至少在很大程度上是可逆的。该实验的结果在下表2中详细示出。
表2-基于来自实验5的组合物
应变(％) 循环 伸长率(％) 力(N) SED范围(MPa)
50 910,633 11 6.5-8.5 1.15-1.18
100 590,185 91 12-14 2.02-3.51
出于上述原因，由应力-应变曲线下的积分面积确定的应变能密度(SED)作为范围给出。值得注意的是，100％应变下的蠕变比50％应变下的蠕变明显得多，这使得有理由相信在聚合物心脏瓣膜小叶所需的低应变下，蠕变不太可能成为问题。
疲劳寿命典型地表示为在给定应变下失效的循环次数。然而，在这项研究中，即使在相对高水平的应变下，也无法实现失效。在50％应变下(这远远超过聚合物心脏小叶所经历的应变(最大约10％应变))，未失效的大约循环次数为约1,000,000次循环。然而，由于在合理的时间范围内在50％应变下未达到失效，因此标称应变增加到100％，但是即使在接近600,000次循环后，也未达到失效。
并未尝试更高的应变，因为随着更高的应变增加的蠕变使得实验不合实际。基于上述数据，可以推断出在更小的应变(约10％)下，疲劳失效前会发生更多的循环。与例如SIBS或SEBS(在大约1MPa的SED下实现报道的少于100,000次循环(根据Eugenia Biral，博士论文，剑桥大学，2021年))相比，本发明的PIB-PU中这种在未失效情况下的极高的循环次数表明可以预期本发明的PIB-PU具有优异的疲劳寿命。
总之，使用纯化的MDI连同增加的PIB-二醇浓度导致制成具有前所未有水平的极限强度、伸长率和韧性的PIB-PU。这些关键性能导致新型抗疲劳PIB-PU，适用于合成心脏小叶，其是由早先制成的PIB-PU不能制得的。
鉴于前述内容，应当理解，本发明通过提供在结构和功能上以多种方式改善的心脏瓣膜显著推进了技术。尽管本文详细公开了本发明的特定实施方案，但是应当理解本发明不限于此或由此本领域普通技术人员将容易理解本文中的本发明的变化。本发明的范围应从所附权利要求中理解。

Claims (20)

1.一种制备基于聚异丁烯的聚氨酯的方法，所述方法包括以下步骤：
a.提供聚异丁烯(PIB)聚合物；
b.将二异氰酸酯化合物新鲜蒸馏以产生新鲜蒸馏的二异氰酸酯；
c.提供扩链剂；以及
d.通过混合将所述聚异丁烯聚合物、所述新鲜蒸馏的二异氰酸酯和所述扩链剂组合以产生基于聚异丁烯的聚氨酯化合物，并且其中所述基于聚异丁烯的化合物展现出比不使用新鲜蒸馏的二异氰酸酯制得的基于聚异丁烯的聚氨酯更高的数均分子量、更高的极限强度、更高的伸长率和更大的韧性。
2.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括以下步骤：提供催化剂，并且将所述催化剂与所述聚异丁烯聚合物、所述新鲜蒸馏的二异氰酸酯和所述扩链剂组合。
3.根据权利要求2所述的方法，其中提供催化剂的步骤包括从由以下各项组成的组选择所述催化剂：二月桂酸二丁基锡(DBTDL)，辛酸亚锡，包括新癸酸铋、新癸酸锌、羧酸锌和羧酸铋的铋/锌、锆和铋有机物，钒有机物，以及钴有机物。
4.根据权利要求1所述的方法，其中提供PIB聚合物的步骤包括选择PIB-二醇作为所述PIB聚合物。
5.根据权利要求1所述的方法，其中将二异氰酸酯新鲜蒸馏的步骤包括选择亚甲基二苯基二异氰酸酯为所述新鲜蒸馏的二异氰酸酯。
6.根据权利要求1所述的方法，其中提供扩链剂的步骤包括选择丁二醇作为所述扩链剂。
7.根据权利要求1所述的方法，其中组合步骤生产数均分子量大于100，000Da的基于聚异丁烯的聚氨酯。
8.根据权利要求1所述的方法，其中组合步骤生产极限强度大于30MPa的基于聚异丁烯的聚氨酯。
9.根据权利要求1所述的方法，其中组合步骤生产伸长率大于600％的基于聚异丁烯的聚氨酯。
10.根据权利要求1所述的方法，其中组合步骤生产韧性大于4.00J的基于聚异丁烯的聚氨酯。
11.根据权利要求1所述的方法，其中提供PIB聚合物的步骤包括提供在THF溶液中的所述PIB聚合物，并且其中所述PIB聚合物在THF中的浓度为至少21.4重量％。
12.根据权利要求11所述的方法，其中提供PIB聚合物的步骤包括以在THF中大于21.4重量％的浓度提供在THF溶液中的所述PIB聚合物，使得在组合步骤期间混合变成不可能。
13.一种基于聚异丁烯的聚氨酯，所述基于聚异丁烯的聚氨酯包含以下各项的反应产物：
a.聚异丁烯(PIB)聚合物，
b.新鲜蒸馏的二异氰酸酯化合物，和
c.扩链剂，
其中所述基于聚异丁烯的聚氨酯展现出比不使用新鲜蒸馏的二异氰酸酯制得的基于聚异丁烯的聚氨酯更高的数均分子量、更高的极限强度、更高的伸长率和更大的韧性。
14.根据权利要求13所述的基于聚异丁烯的聚氨酯，其中所述反应产物还包含选自由以下各项组成的组的催化剂：二月桂酸二丁基锡(DBTDL)，辛酸亚锡，包括新癸酸铋、新癸酸锌、羧酸锌和羧酸铋的铋/锌、锆和铋有机物，钒有机物，以及钴有机物。
15.根据权利要求13所述的基于聚异丁烯的聚氨酯，其中所述聚异丁烯聚合物是PIB-二醇。
16.根据权利要求13所述的基于聚异丁烯的聚氨酯，其中所述新鲜蒸馏的二异氰酸酯化合物是亚甲基二苯基二异氰酸酯。
17.根据权利要求13所述的基于聚异丁烯的聚氨酯，其中所述基于聚异丁烯的聚氨酯具有大于100,000Da的数均分子量、大于30MPa的极限强度、大于600％的伸长率和大于4.00J的韧性。
18.一种心脏瓣膜，所述心脏瓣膜包含根据权利要求13所述的基于聚异丁烯的聚氨酯。
19.一种用于生产心脏瓣膜的方法，所述方法包括制备基于聚异丁烯的聚氨酯的步骤，其包括以下步骤：
提供聚异丁烯(PIB)聚合物；
将二异氰酸酯化合物新鲜蒸馏以产生新鲜蒸馏的二异氰酸酯；
提供扩链剂；以及
通过混合将所述聚异丁烯聚合物、所述新鲜蒸馏的二异氰酸酯和所述扩链剂组合以产生基于聚异丁烯的聚氨酯化合物，并且其中所述基于聚异丁烯的化合物展现出比不使用新鲜蒸馏的二异氰酸酯制得的基于聚异丁烯的聚氨酯更高的数均分子量、更高的极限强度、更高的伸长率和更大的韧性。
20.根据权利要求19所述的用于生产心脏瓣膜的方法，其中提供PIB聚合物的步骤包括以在THF中大于21.4重量％的浓度提供在THF溶液中的所述PIB聚合物，使得在组合步骤期间混合变成不可能。
CN202180056870.9A 2020-08-06 2021-08-05 高分子量和强度的基于聚异丁烯的聚氨酯的合成及其用途 Pending CN116057101A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US202063061852P 2020-08-06 2020-08-06
US63/061,852 2020-08-06
PCT/US2021/044616 WO2022031895A1 (en) 2020-08-06 2021-08-05 Synthesis of high molecular weight and strength polyisobutylene-based polyurethanes and use thereof

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116057101A true CN116057101A (zh) 2023-05-02

Family

ID=80118689

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202180056870.9A Pending CN116057101A (zh) 2020-08-06 2021-08-05 高分子量和强度的基于聚异丁烯的聚氨酯的合成及其用途

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20230287167A1 (zh)
EP (1) EP4192896A1 (zh)
CN (1) CN116057101A (zh)
WO (1) WO2022031895A1 (zh)

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2474563B1 (en) * 2006-11-30 2020-01-08 The University of Akron Polyisobutylene-based polyurethane and polyurea
CN102131530A (zh) * 2008-06-27 2011-07-20 心脏起搏器公司 聚异丁烯-氨基甲酸酯共聚物、聚异丁烯-脲共聚物和聚异丁烯-氨基甲酸酯/脲共聚物及含有这类共聚物的医疗器械
EP2385960B1 (en) * 2009-01-12 2020-03-11 University Of Massachusetts Lowell Polyisobutylene-based polyurethanes
US8674034B2 (en) * 2009-11-11 2014-03-18 The University Of Akron Polyisobutylene-based polyurethanes, polyureas and/or polyurethane-polyureas and method for making same
WO2017132106A1 (en) * 2016-01-26 2017-08-03 The Univeristy Of Akron Polyisobutylene-based poly(urethane-urea)s

Also Published As

Publication number Publication date
WO2022031895A1 (en) 2022-02-10
EP4192896A1 (en) 2023-06-14
US20230287167A1 (en) 2023-09-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5254662A (en) Biostable polyurethane products
US10676560B2 (en) Biostable polyurethanes
EP3233954B1 (en) Polyurethanes
JP3080960B2 (ja) 生体安定性のあるセグメント化脂肪族ポリウレタン及びその製造方法
US10562998B2 (en) High strength polyisobutylene polyurethanes
EP0461375B1 (en) Crack-resistant polycarbonate urethane polymer prostheses
JP5638003B2 (ja) ポリイソブチレン系ポリウレタン
US11851522B2 (en) End-capped polyisobutylene polyurethane
CN114456346B (zh) 具有生物稳定性和力学稳定性的聚氨酯及制备方法与应用
AU664158B2 (en) Biostable polyurethane products
CN116057101A (zh) 高分子量和强度的基于聚异丁烯的聚氨酯的合成及其用途
WO2024015200A1 (en) Polyisobutylene‐based polyurethanes for medical implant devices
Al-Saedi Bulk Polymerization and Structure-Property Relationship of Medical Grade Polyurethane

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination