生物可降解高分子材料聚氨酯及其制备方法.pdf

本发明涉及一种生物可降解高分子材料聚氨酯及其制备方法，包括：形成可生物降解与生物相容的聚合物，它能在制备和使用过程中加入活的或其他的生物添加剂，并且可注射，具有良好的流动性。这种在体内或体外由可降解低聚物形成可生物降解与生物相容的聚合物，在组织工程中可作为支架。由本发明制备出的聚合物将能够良好地与细胞，生长素之类的生物成分和其它如羟磷灰石，磷酸钙等微粒结合，并且能够在体内或体外形成组织工程用的固态多孔支架。

1.  一种生物可降解高分子材料聚氨酯，其特征是它的组成包括：
(1).第1个聚合反应形成前聚体
异氰酸酯与核心分子反应，生成氨基甲酸酯类聚合物，形成具有流动性的前聚体；
上述的核心分子是中心具有两个以上或更多能与异氰酸酯反应的小分子化合物，包括二元醇，三元醇或多元醇；
上述异氰酸酯包括脂肪族和芳香族取代的异氰酸酯；
上述合成的氨基甲酸酯类聚合物为多角形，树状或多分枝且具有流动性；
(2).第2个聚合反应形成聚氨酯
可生物降解与生物相容的聚氨酯是由前聚体与线形，星形或多枝状的软连接片段或可降解支链组成；
上述可降解支链包括前聚体与之交联和部分分子与聚氨酯在体内降解的在体内有很好的生物相容性并容易被生物吸收的低聚体的一部分；
(3).前聚体和/或聚氨酯成分含有添加剂
上述前聚体和/或聚氨酯与生物或无机成分添加剂混和，添加剂的加入量至多20％w/w；
上述添加剂是具有辅助体内组织修复功能或能够使聚氨酯具有生物相容和可降解特性的生物或无机成分，包括：细胞、干细胞、生长因子、其它促进细胞生长的成分、磷酸钙、羟基磷灰石、胶粘物如纤维、胶原、转谷氨酰胺酶系统、表面活性剂、用于前聚体成分中种细胞的空心纤维；
(4).形成可生物降解与生物相容的支架
上述可生物降解与生物相容的聚氨酯与含有能帮助组织修复的生物成分进行反应，反应完成后，形成可生物降解与生物相容的支架，这种支架具有多孔结构，并且包含网状可渗透聚合物；
上述支架的压缩强度在0.05-80MPa之间；上述支架上孔的大小在150-300微米之间；
上述多孔支架中含有能帮助组织修复的生物成分，这些生物成分是细胞、干细胞、生长因子和其它能够帮助细胞生长的成分，合适的细胞可能包含成骨细胞、软骨细胞、成纤维细胞或其它干细胞。

2.  一种生物可降解高分子材料聚氨酯的制备方法，其特征包括下述步骤：
(1).制备前聚体
将异氰酸酯和一个至少有两个，最好有三个或更多官能团的核心分子反应，生成氨基甲酸酯类聚合物，从而得到可流动并有粘滞性的前聚体；反应温度不超过90℃；制备出的前聚体粘滞度是室温下15000-20000cSt；
(2).制备聚氨酯
将上述前聚体、形成具有可降解支链的功能低聚体的软区段、任意合适量的水以及催化剂一起反应，形成可降解与生物相容的聚氨酯；
(3).加入生物和无机添加剂
上述第1和/或第2步骤中最好包括加入生物和无机添加剂的步骤，添加剂包括：细胞、干细胞、生长素、其它促进细胞生长的成分、磷酸钙、羟基磷灰石以及胶粘物如纤维、胶原、转谷氨酰胺酶系统、表面活性剂、用于前聚体成分中种细胞的空心纤维；
(4).形成可生物降解与生物相容的支架
上述与生物相容可生物降解的聚氨酯用于治疗骨或软骨损伤时，可在体外形成支架，或者在注射入体内后再反应形成支架；这种混合物包括有助于修复损伤骨或软骨的生物添加剂，如：细胞、干细胞、生长素或其它合适的材料；使用的生物添加剂包含：成骨细胞、软骨细胞、成纤维细胞、纤维蛋白、胶原、转谷氨酰胺酶以及类似的物质。

3.  根据权利要求2所述的制备方法，其特征是把步骤(3)放在步骤(1)前聚体形成的过程中进行。

4.  生物可降解高分子材料聚氨酯应用于辅助修复损伤骨或软骨的组织工程中支架。

生物可降解高分子材料聚氨酯及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种与生物兼容并可生物降解的聚合物，尤其涉及生物可降解高分子材料聚氨酯及其制备方法以及如何用它来治疗组织损伤。这种用于医疗的聚合物能够于体内在产生较低热量的条件下形成适合于作为组织工程(例如：骨和软骨修复，鼻腔填充物)支架的材料。这种聚合物能够适用于活的生物组织，能够在愈合过程中起辅助作用。它可用于创伤性手术的体外治疗，也可选择性应用于相关的无创手术，如内窥镜。
背景技术
可生物降解聚合物在多种生物学应用(如：骨和软骨修复)中相比与其他材料有很多优势。例如：关于组织工程中支架生长的过程，这种聚合物最大的优势在于对机械性质以及动态降解作用的适应，这些优势使它可以有很多用途。这种聚合物能够被制成多种形状，并具有利于膜生长的良好的多孔形态学特征。更重要的是，它能和化学功能基团设计在一起，这些基团可以促进组织生长，或使这种聚合物适于更广泛的用途。
可生物降解聚合物的研究绝大多数是关于聚酯类的。已经发表的可生物降解聚酯很大一部分都是a-羟酸聚合物(如：甘氨酸聚合物，乳酸聚合物)以及它们的一系列共聚物。这些聚合物以及共聚物已经被长时间大量应用于临床用可生物降解材料。在这些共聚物之中，甘氨酸聚合物，乳酸聚合物和它们的共聚物用途最为广泛的。在相关文献报道中主要的应用包括可吸收的缝线，药物传递系统以及外科整形装置的固定。在这些人造聚合物之中，聚酯具有诱人的应用前景，因为它们的酯链易于水解，降解产物可在某些代谢过程中被吸收，而且具有改变结构以调节降解速率的潜力。
最近研究者们主要致力于寻找用于修复由创伤和疾病引起的组织损伤的新型材料这就需要发展出一种能满足多种需要的新型可降解聚合物。这些材料要具备如下性质，首先能在组织或生物膜生长过程中提供机械支持起到支架作用；能够逐渐降解成生物相容的产物，还要满足细胞生长所需要各种因素，以及提供细胞和外环境间的传导。许多现有的可降解聚合物不能满足以上所有的要求。因此，研究新型的可降解聚合物迫在眉睫。
应用天然或人造的聚合物以及陶瓷制成的支架正在被广泛应用于外科整形修复研究中。这种方法具有能够形成良好的多空结构，能够改变大小，形状，机械特性而适于多种用途等优点。但是，难以改变这些支架的形状以适应组织(如骨膜，鼻腔)中的复杂几何结构的孔洞，以及满足细胞生长因素，和难以达到开放性外科手术的要求是已知支架材料的几个主要缺点。  用于制造帮助细胞生长的支架的合成聚合物属于聚酯类。例如，应用最为广泛的羟基乙酸聚合物和乳酸聚合物，它们的相关代谢产物在体内易于被吸收。但是，这些聚合物也有很多缺点，如容易丧失机械特性，处理困难，代谢产生的酸会引起组织坏死。
发展具有流动性，可注射，可填满缺陷或孔洞的可降解聚合物有许多优势。一个主要优势是可能进行凝胶关节镜检查从而避免了很多手术。这种聚合物也具有能够填充复杂几何结构孔洞和可为骨膜提供良好连接的优点。另外适于细胞生长以及其它帮助细胞生长的成分也可与凝胶合并。这种聚合物系统还具有形成能在愈合时细胞生长繁殖过程中促进营养流入细胞的多孔结构的潜力。更重要的是，这种体系还可能在制造有生物成分掺入的形状复杂的孔结构支架的前过程中起作用。
以陶瓷为基础的可注射多聚混合物以及人造聚合物已经有文献报道。但这些材料有降解慢的缺点，这在组织工程中会导致移植部分的组织生长缓慢，机械强度差。
为了克服部分以上问题，已经开发出基于多聚酸酐和多聚丙烯酯的可注射混合物。普遍的方法包括以水解主链上的官能团和由光反应或化学反应引发自由基转变来制备聚合前体。例如，麦考斯及其合作者以合并矿物填充剂的方法制出了一种可提高机械强度的基于多聚丙烯酯的可注射系统。同样，有人制出了相似并具有很高的机械强度的多聚酸酐，用于外科整形。这种系统是基于二甲基丙烯酸酐的。两种系统都需要高浓度的引发剂和助催化剂来缩短反应时间。这些多聚体混合物大多缺乏压缩强度，因而经常需要加入填充剂来提高机械强度。相似的治疗系统也有不能完全治愈的局限性，特别是由于样本较厚，造成透光性差。更重要的是，上述多聚体系统缺乏适应多种应用需要的能力。
过去三十年间聚氨酯由于其优秀的机械性质和化学多功能性在生物医学应用方面被深入研究。多年研究证明在生物体内能保持稳定的聚氨酯适用于多种医学移植手术。  几个研究组织已经发表了基于一些多元醇聚酯的可生物降解聚氨酯的制备方法和性质。Bruin et al报道了以交连丙交酯和干油醇酯，己内酯聚合物共聚物与乙基-2，6-二异氰酸酯(LDI)的方法制备可生物降解的聚氨基甲酸乙酯。Saad及其合作者报道了基于聚3-羟丁酸和聚己内酯，乙烯，乙二醇和脂肪族二异氰酸酯的可生物降解，弹性良好，并具有多孔结构的支架。Bennett et al发现了可与异氰酸酯交连的基于星状聚合物的软片段单体。
Zhang et al描述了赖氨酸二异氰酸酯，甘油和水基的可生物降解的海绵状聚氨酯，它可能与在体外实验中证实的一样，在生物医学方面具有应用前景。Story et al报道了由赖氨酸二异氰酸酯和丙交酯/己内酯以及丙三醇聚合物，环丙烷碳酸酯聚合物和丙三醇聚合物制备可水解的网状酯聚合物的方法。在这些研究中，羟基功能的三醇聚合物与二异氰酸酯(如：赖氨酸二异氰酸酯和甲苯二异氰酸酯)反应，形成网状聚氨酯。类似地，Bruin et al已经发表了一种基于LDI和乙交酯己内酯共聚物的可生物降解网状聚氨酯，它可用于双层人造皮肤的制造。
Spaans et al  发表了由末端为异氰酸盐的网状聚酯与二羟酸和羟基羧酸在晶体氯化钠条件下制备生物医学用聚氨酯酰胺的方法，加入晶体氯化钠是为了制造出修复半月板损伤用的大孔结构。van Tienen et al也发表了基于网状聚氨酯的己内酯/L-丙交酯，用于制造修复膝关节损伤的多孔支架。
Woodhouse et al已经发现了一种主链上含有至少一个氨基酸基团的可生物降解的聚氨酯，用于伤口包扎。
尽管关于可降解聚氨酯的文献大量发表，却很少有研究是关于结构上适应组织工程所需的生物可降解性的可降解聚氨酯。作为一个系列的合成聚合物，聚氨酯材料在物理性质和化学成分上更能适应软组织工程和硬组织工程的需要。几个研究报告描述了可降解聚合物的软片段和制造促进细胞生长的多孔支架的方法。但是，对于具备与细胞生长相融合，含有生长因子以及其它成分从而促进细胞生长或者能够降低反应时产生的热量从而减少细胞坏死的可降解聚氨酯基和可注射聚合物系统却没有报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种生物可降解高分子材料聚氨酯及其制备方法，这种可生物降解与生物相容的聚合物，能在制备和使用过程中加入活的或其他的生物添加剂，并且可注射，具有良好的流动性，由发明制备出的聚合物将能够与细胞，生长素之类的生物成分和其它如羟磷灰石，磷酸钙等微粒结合，并且能够在体内或体外形成组织工程用的固态多孔支架。
本发明生物可降解高分子材料聚氨酯的组成包括：
1.第1个聚合反应形成前聚体
异氰酸酯与核心分子反应，生成氨基甲酸酯类聚合物，形成具有流动性的前聚体；
异氰酸酯与核心分子的按重量比为：异氰酸酯∶核心分子＝100-60∶20-10
上述的核心分子是中心具有两个以上或更多能与异氰酸酯反应的小分子化合物，包括二元醇，三元醇或多元醇，核心分子的分子量最好小于等于400；
上述异氰酸酯包括任意脂肪族和芳香族取代的异氰酸酯，最好是分子构型不对称的脂肪族异氰酸酯；
上述合成的氨基甲酸酯类聚合物为多角形，树状或多分枝且具有流动性；
2.第2个聚合反应形成聚氨酯
可生物降解与生物相容的聚氨酯是由前聚体与线形，星形或多枝状的软连接片段或可降解支链组成；
上述可降解支链包括前聚体与之交联和部分分子与聚氨酯在体内降解的在体内有很好的生物相容性并容易被生物吸收的低聚体的一部分；
3.前聚体和/或聚氨酯成分含有添加剂
上述前聚体和/或聚氨酯与生物或无机成分添加剂混和，添加剂的加入量至多20％w/w；
上述添加剂是具有辅助体内组织修复功能或能够使聚氨酯具有生物相容和可降解特性的生物或无机成分，包括：细胞、干细胞、生长因子、其它促进细胞生长的成分、磷酸钙、羟基磷灰石、胶粘物如纤维、胶原、转谷氨酰胺酶系统、表面活性剂、可能用于前聚体成分中种细胞的空心纤维等；
4.形成可生物降解与生物相容的支架
上述可生物降解与生物相容的聚氨酯与含有能帮助组织修复的生物成分进行反应，反应完成后，形成可生物降解与生物相容的支架，这种支架具有多孔结构，并且包含网状可渗透聚合物；
上述支架的压缩强度在0.05-80MPa之间，这取决于支架上孔的数量的多少；
上述支架上孔的大小最好在150-300微米之间；
上述多孔支架中含有能帮助组织修复的生物成分，这些生物成分是细胞、干细胞、生长因子和其它能够帮助细胞生长的成分，合适的细胞可能包含成骨细胞、软骨细胞、成纤维细胞或其它干细胞。
本发明可生物降解与生物相容的聚氨酯的制备方法包括：
1.制备前聚体
使异氰酸酯和一个至少有两个，最好有三个或更多官能团的核心分子反应，生成氨基甲酸酯类聚合物，从而得到可流动并有粘滞性的前聚体；
反应温度不超过90℃，60℃好一些，最好是40℃；
制备出的前聚体较合适的的粘滞度是室温下15000-20000cSt；
2.制备聚氨酯
将上述前聚体、形成具有可降解支链的功能低聚体的软区段、任意合适量的水以及催化剂一起反应，形成可降解与生物相容的聚氨酯；
3.加入生物和无机添加剂
上述第1和/或第2步骤中最好包括加入生物和无机添加剂的步骤，添加剂包括：细胞、干细胞、生长素、其它促进细胞生长的成分、磷酸钙、羟基磷灰石以及胶粘物如纤维、胶原、转谷氨酰胺酶系统、表面活性剂、可能用于前聚体成分中种细胞的空心纤维；更好的方案是把这步放在前聚体形成的过程中进行；
4.形成可生物降解与生物相容的支架
上述与生物相容可生物降解的聚氨酯用于治疗骨或软骨损伤时，可在体外形成支架，或者在注射入体内后再反应形成支架；这种混合物包括有助于修复损伤骨或软骨的生物添加剂，如：细胞、干细胞、生长素或其它合适的材料；使用的生物添加剂包含：成骨细胞、软骨细胞、成纤维细胞、纤维蛋白、胶原、转谷氨酰胺酶以及类似的物质。
本发明还包括与生物相容可生物降解的聚氨酯作为组织工程中支架，辅助修复损伤骨或软骨生物学应用的用途。
本发明的优点是：提供一种可生物降解与生物相容的聚合物，能在制备和使用过程中加入活的或其他的生物添加剂，并且可注射，具有良好的流动性。这种在体内或体外由可降解低聚物形成可生物降解与生物相容的聚合物，在组织工程中可作为支架。由本发明制备出的聚合物将能够良好地与细胞，生长素之类的生物成分和其它如羟磷灰石，磷酸钙等微粒结合，并且能够在体内或体外形成组织工程用的固态多孔支架。
具体实施方式
下面结合实施例详细描述本发明：
实施例1：本发明可生物降解与生物相容的聚氨酯的组成如下：
通过使用异氰酸酯与中心具有两个以上或更多能与异氰酸酯反应的多功能中心的小分子化合物(本发明称为核心分子)，合成了多角形，树状，多分枝具有流动性氨基甲酸酯类聚合物。
核心分子不限于二元醇，三元醇，还包括多元醇(如：糖)，核心分子的分子量最好小于等于400。
适于本发明中可流动的前体聚合物制备的异氰酸酯包括任意脂肪族和芳香族取代的异氰酸酯，最好是分子构型不对称的脂肪族异氰酸酯，因为这样的话，反应的速率，以及由它决定的前聚体成分变硬的过程可以被调节。
本发明中的前聚体成分具有粘滞性，这使它们可以在流动的状态下被使用，并与交联剂结合而停滞或减慢反应，从而使它们特别适用于包括组织工程和组织修复在内的生物学应用。这些前聚体在灭菌时不会改变其理化特性，适于用γ射线来彻底灭菌。
前聚体成分最好和具有辅助体内组织修复功能或能够使由前聚体制备出的多聚体具有生物相容和可降解特性的生物或无机成分混和。这些生物或无机成分最好从以下物质中选择，包括：细胞、干细胞、生长因子、其它促进细胞生长的成分、磷酸钙、羟基磷灰石、胶粘物如纤维、胶原、转谷氨酰胺酶系统、表面活性剂包括硅氧烷表面活性剂、二氧化硅微粒、粉状的二氧化硅、可能用于前聚体成分中种细胞的空心纤维等。生物和无机成分添加量因需要而定，特别是要根据活的添加物如细胞和干细胞而定。至多20％w/w的量可能是合适的。
需要指出的是，并不需要溶剂来使前聚体成分保持适合于应用的粘滞度(在这个粘滞度上流动性和可注射性良好)。这在生物应用上尤为重要，因为许多溶剂不是生物兼容的，事实上，对细胞有毒害作用。
本发明可生物降解与生物相容的聚氨酯的成分是由上述合成的前聚体与线形，星形，多枝状的软连接片段或可降解支链组成。
上述可降解支链是任何这样的分子部分：它可能是前聚体成分与之交连和部分分子与生物相容和可生物降解的聚氨酯/脲在体内降解的在体内有很好的生物相容性并容易被生物吸收的功能低聚物的一部分。
这种可生物降解与生物相容的聚氨酯/脲具有良好的流动性，极佳的可注射性并且反应时放热较少，这使它们适用于活的生物体。它们可以在体外反应完后由侵入性手术移植到体内，也可以由内窥镜之类的非侵入性医疗方法注入体内后再完成反应。反应完成后，本发明中的这种可生物降解与生物相容的聚氨酯/脲会形成可生物降解与生物相容的支架，这种支架可能具有多孔结构，并且包含网状可渗透聚合物。网状可渗透聚合物可使其内含的生物成分，如：细胞、干细胞、生长因子等能够帮助细胞生长。
本发明合成后的支架的压缩强度在0.05-80MPa之间，这取决于由添加生物成分量决定的支架上孔的数量的多少。
支架上孔的大小最好在150-300微米之间。这些孔最好是中空纤维与前聚物成分在它们的反应过程中形成的。
这种多孔支架中最好选择性地加入能在病人治疗期间帮助组织修复的生物成分。这些生物成分可以是细胞、干细胞、生长因子和其它能够帮助细胞生长的成分。合适的细胞可能包含成骨细胞、软骨细胞、成纤维细胞或其它干细胞。
实施例2：本发明可生物降解与生物相容的聚氨酯的制备方法如下：
在合适的条件下，使异氰酸酯和一个至少有两个，最好有三个或更多官能团的核心分子反应，生成氨基甲酸乙酯基或脲基，从而得到可流动并有粘滞性的前聚物。
将上述前聚物、形成具有可降解支链的功能低聚体的软区段、任意合适量的水以及催化剂一起反应，反应温度不超过90℃，60℃好一些，最好是40℃。
制备出的前聚体较合适的的粘滞度是室温下15000-20000cSt。
这个过程最好包括加入生物和无机添加剂的步骤，添加剂包括：细胞、干细胞、生长素、其它促进细胞生长的成分、磷酸钙、羟基磷灰石以及胶粘物如纤维、胶原、转谷氨酰胺酶系统、表面活性剂包括硅氧烷表面活性剂、二氧化硅微粒、粉状的二氧化硅、可能用于前聚体成分中种细胞的空心纤维。更好的方案是把这步放在前聚物形成的过程中进行。
在本发明的具体研究中，在前面的方法中第二个聚合反应中在聚合物硬片段被引入的那个点上，在第二个聚合反应中使用软片段或者交连步骤会导致第二步的低收缩，因为形成交连网状聚合物需要很少的化学键。这在生物学中很有用，例如，一个骨洞，一个暂时的靠聚合物进行的修复术就很重要了。
一个“硬片段”聚合物在本发明中是指以其物理强度影响共聚物的，物理强度经常由排列或普通类型的单体的规则领域的形成引起。
本发明中的“软片段”是指由高分子量的聚醇形成的，而非“硬片段”形成的化合物，并且不容易形成规则的领域。
本发明还包含了一种为治疗骨或软骨损伤的病人而提供的与生物相容，可生物降解的聚氨酯/脲，这种聚氨酯/脲可在体外形成支架，或者在注射入体内后再反应形成支架。这种混合物可以包括有助于修复损伤骨或软骨的生物添加剂，如：细胞、干细胞、生长素或其它合适的材料。使用的生物添加剂可包含：成骨细胞、软骨细胞、成纤维细胞、纤维蛋白、胶原、转谷氨酰胺酶以及类似的物质。