一种可降解无毒医用聚氨酯材料及其制备方法 【技术领域】
本发明的一种可降解无毒医用聚氨酯材料及其制备方法，属于生物医用材料技术领域。
背景技术
聚氨酯(PU)是由聚醚或聚酯二元醇先与二异氰酸酯进行预聚反应，再和扩链剂反应合成的一类含有氨基甲酸酯官能团(-NHCOO-)的高分子材料。聚醚或聚酯作为软段，构成材料的连续相，赋予聚氨酯弹性。二异氰酸酯与扩链剂反应生成的链段为硬段，硬段中氨基甲酸酯官能团的存在使分子链间产生大量的氢键，故相互作用力强，导致硬段常以微晶态存在；硬段构成的晶态微区在聚合物中起到了物理交联点的作用，像填料一样增强了软段。由于软硬段之间的组成与极性不同，使其在热力学上不相容而形成微相分离结构。该微相分离结构不仅赋予了聚氨酯良好的力学性能，而且还赋予了聚氨酯良好的生物相容性和血液相容性。
聚氨酯在医学领域中的应用始于20世纪50年代。此后，由于其良好的血液相容性、生物相容性、优异的物理及机械性能，使它在人工心脏及人工心脏辅助装置、人工血管、人工关节、人工软骨、人工韧带、人工肌腱、神经导管、手术缝合线、控制释放载体等许多医学治疗领域得到了广泛的应用。尤其在人工血管研制方面，除聚氨酯具有良好的力学性能外，还在于聚氨酯材料的顺应性是最为接近天然血管组织的。而且大量临床实践也证明，聚氨酯弹性体在血液相容性、生物相容性、耐久性和顺应性等方面均优于天然橡胶、硅橡胶、聚烯烃等材料，是研制人工血管的首选材料。
传统医用聚氨酯中的软段包括聚醚或聚酯二元醇，如聚四氢呋喃(PTMG)、聚环氧丙烷(PPO)、聚(ε-己内酯)(PCL)等。而用于硬段的二异氰酸酯，包括有芳香族二异氰酸酯，如4，4’-二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、2，4-甲苯二异氰酸酯(2，4-TDI)，以及脂肪族二异氰酸酯，如4，4’-二环己基甲烷二异氰酸酯(H12MDI)、六亚甲基二异氰酸酯(HDI)。长期的体内外研究发现，虽然这两类聚氨酯都具有良好的生物稳定性，即在使用过程中通常难于降解，但是由于其分子结构和人体生理环境所致，它们在体内自由基和酶的作用下，仍会发生部分水解或氧化降解，尤其是硬段中的芳香族二异氰酸酯的降解产物芳香二胺通常是对人体有害的致癌物质。
鉴于聚氨酯材料的软硬段微相分离结构所带来的可调的力学性能、优良的血液相容性和生物相容性，近年来，随着组织工程与再生医学的发展，人们对可降解聚氨酯弹性体在组织工程支架制备中的应用表现出极大的兴趣。作为组织工程支架材料的聚氨酯，不仅要求其可降解，且降解速率可控，而且要求降解产物无毒，且能被人体吸收并排出体外。因此，普通聚氨酯材料不能生物降解或降解产物有毒的缺点日益引起人们的关注，而开发可生物降解无毒聚氨酯材料已成为该领域发展的一项重要标志。
目前，人们研究的可生物降解聚氨酯材料的类型很多。例如，有一类是基于天然高分子材料的聚氨酯，它们是利用天然多羟基化合物或聚合物与异氰酸酯直接反应得到，如木质素、淀粉、壳聚糖和纤维素等，这类天然高分子不仅是可再生资源、价格便宜、产量丰富，而且基于此类天然高分子的聚氨酯材料还具有良好的生物相容性和可降解性。但是，基于天然高分子的聚氨酯材料往往由于不具备足够的力学强度和加工性能而限制了其应用。
另一类可生物降解聚氨酯是以合成聚醚和聚酯二元醇为软段的聚氨酯材料。这种可降解聚氨酯材料具有优异的力学性能和可加工性，因此成为人们研究的重点。其中聚醚二元醇主要包括聚环氧乙烷(PEO)或聚乙二醇(PEG)、PTMG)、PPO等。聚醚型聚氨酯由于醚键的内聚能较低，并且醚键削弱了相邻亚甲基氢原子之间的排斥力，因此聚醚型聚氨酯具有较低的玻璃化温度、较高的耐候性、水解稳定性和耐霉菌等性能。但当此类聚氨酯在体内湿环境中使用时，由于聚醚软段易吸水，常导致其力学性能急剧下降。与聚醚二元醇相比，聚酯二元醇因含有较多的极性酯基，内聚能较大，可形成较强的分子内氢键，吸水率低，因而聚酯型聚氨酯具有更好的力学性能。此外由于这些聚酯软段中含有大量酯基，容易在生物体内发生水解和酶解。相对于聚醚型而言，聚酯型聚氨酯更容易降解，因此聚酯型聚氨酯是可降解医用聚氨酯的主要原料。常用的聚酯二元醇有PCL、聚乳酸(PLA)、聚乙交酯(PGA)等。但在使用中发现由PLA和PGA二元醇制备的聚氨酯降解过快，可通过PCL与PLA和PGA共聚的方法了延长其降解时间。Hamid等[Polym Int 2007；56：41]制备了一种以PEG和PCL为软段、HDI为硬段的聚氨酯材料，观察到随着软段中PCL含量地增加，材料的热稳定性和力学性能增加。
如前所述，聚氨酯用于生物医用材料的主要问题是所使用的硬段(主要是芳香族异氰酸酯)的降解产物具有生物毒性。如已商品化的聚氨酯材料BiomerTM、PellethaneTM等多采用MDI作为硬段结构，但是MDI在体内的降解物质为4，4’-甲撑二苯胺(MDA)，经大量毒理实验证实MDA是一种强烈致癌、可诱导基因突变的物质。因此，为了满足组织工程对支架材料降解产物无毒且易被机体代谢的要求，基于氨基酸类二异氰酸酯的可降解聚氨酯便受到了人们的高度重视，这其中以赖氨酸甲酯或乙酯二异氰酸酯(LDI-M或-E)为硬段的聚氨酯成为研究的热点。主要原因是硬段的部分降解产物不仅是人体所必需的天然赖氨酸，非生物特异作用小，而且还能够中和由软段降解所产生的6-羟基己酸，不会降低附近组织的pH值，不会导致炎症发生。Rechichi等[J Biomed Master Res2007；17：847]制备了以PCL-PEG-PCL共聚物为软段，LDI-E为硬段的聚氨酯材料，体外生物学评价表明此聚合物无毒，并且可以促进成纤维细胞的贴附和生长。Zhang等[Biomaterials 2000；21：1247]制备了一种丙三醇-LDI-E基聚氨酯材料，骨髓基质细胞贴附实验表明，细胞在基质表面生长良好，长时间培养后可形成一层细胞汇合层，具有成骨细胞的典型特征。
聚氨酯的扩链剂主要是小分子二元醇类，如乙二醇、1，4-丁二醇、1，3-丙二醇等和小分子二元胺类，如1，3-丙二胺、1，4-丁二胺等。二元胺类扩链剂由于可以形成脲基，与二元醇类扩链剂相比，其氢键密度更大，分子间作用力更强，因此具有更高的力学性能。最近人们开始关注功能性扩链剂的使用问题，使合成的聚氨酯不仅具有优异的力学性能，而且具有生物活性功能，以提高聚氨酯的组织和血液相容性以及降解性能。Guelcher等[Acta Biomaterialia 2005；1：471]制备了一种以PEG为软段，以1，4-丁烷二异氰酸酯和扩链剂酪氨酸为硬段的聚氨酯材料，人源MG-63造骨细胞体外贴附实验表明，细胞在聚氨酯表面有良好的增殖能力，此种聚氨酯材料可以作为人体植入材料使用。Skarja等[J BiomaterSci Polymer Edn 2001；12(8)：851]分别以L-苯丙氨酸二酯和1，4-环己烷二甲醇为扩链剂制备的聚氨酯材料，降解实验表明，由于在扩链剂L-苯丙氨酸二酯中引入了酯键，其降解性能要明显优于单纯以1，4-环己烷二甲醇为扩链的聚氨酯材料。Caracciolo等[Acta Biomaterialia 2008；4：976]以HDI和2-氨基乙醇的反应产物做为扩链剂合成了一类聚氨酯材料，蛋白质吸收实验表明，聚氨酯表面具有较高的白蛋白吸收能力，而纤维蛋白原的吸收能力较低，并且能抑制血小板活化，这种聚氨酯材料在生物医用材料中有着良好的应用前景。虽然功能性扩链剂对改善聚氨酯的组织和血液相容性具有促进作用，但其合成步骤复杂、纯化困难。因此寻找一种原料来源广泛、同样具有生物活性功能的扩链剂对于生物医用可降解聚氨酯的制备是非常重要的。
【发明内容】
本发明的目的是为了解决现有医用聚氨酯材料难于降解或降解产物有毒的问题，提供一种可降解无毒医用聚氨酯材料及其制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明的一种可降解无毒医用聚氨酯材料，其原料是以聚(ε-己内酯)二元醇(PCL)为软段，以L-赖氨酸乙酯二异氰酸酯(LDI-E)或L-赖氨酸甲酯二异氰酸酯(LDI-M)以及扩链剂L-赖氨酸乙酯(Lysine-E)或L-赖氨酸甲酯(Lysine-M)为硬段，其中聚(ε-己内酯)二元醇的数均分子量为500～5000；聚(ε-己内酯)二元醇与L-赖氨酸乙酯二异氰酸酯或L-赖氨酸甲酯二异氰酸酯的摩尔比为0.40～0.85∶1；L-赖氨酸乙酯或L-赖氨酸甲酯中氨基和聚(ε-己内酯)二元醇中羟基的摩尔数之和与L-赖氨酸乙酯二异氰酸酯或L-赖氨酸甲酯二异氰酸酯中异氰酸酯基的摩尔数之比为1∶0.85～1.35。
本发明的一种可降解无毒医用聚氨酯材料的制备方法，其具体实施步骤为：
1)将聚(ε-己内酯)二元醇与L-赖氨酸乙酯二异氰酸酯或L-赖氨酸甲酯二异氰酸酯加入到三口烧瓶中，并加入N，N-二甲基甲酰胺溶剂和辛酸亚锡催化剂，在氮气保护下于50～80℃反应3～8小时得到异氰酸酯基封端的预聚物；
2)在1)制备的预聚物中加入L-赖氨酸乙酯二盐酸盐或L-赖氨酸甲酯二盐酸盐，10～20分钟后加入三乙胺脱除L-赖氨酸乙酯二盐酸盐或L-赖氨酸甲酯二盐酸盐中的氯化氢，得到L-赖氨酸乙酯或L-赖氨酸甲酯，并于50～80℃下继续扩链反应3～8小时；其中，L-赖氨酸乙酯二盐酸盐或L-赖氨酸甲酯二盐酸盐与三乙胺的摩尔比为1∶3；
3)将温度降至30～60℃，然后继续反应48～72小时，得到聚氨酯的N，N-二甲基甲酰胺溶液；
4)将聚氨酯的N，N-二甲基甲酰胺溶液倒入蒸馏水或石油醚中，有沉淀产生，然后过滤，过滤后滤饼用去离子水洗涤除去三乙胺盐酸盐，再过滤然后将滤饼于60～80℃下真空干燥24～48小时，得到聚氨酯；
5)将聚氨酯溶于三氯甲烷中，然后浇入模具中，在空气气氛中溶剂挥发48小时，然后于25～45℃真空干燥24小时除去残留溶剂，得聚氨酯薄膜。
聚氨酯的性能测试如下所示：
为了考察本发明制备的聚氨酯的力学性能，使用WD4005型电子万能试验机测试了聚氨酯的拉伸强度和断裂伸长率，样条测试范围为：长20毫米，宽4毫米，厚0.1～0.3毫米，拉伸速度100毫米/分钟。
为了考察本发明制备的聚氨酯的降解性能，进行了体外水解降解试验。聚氨酯的水解降解是在PBS溶液中进行的。将聚氨酯制成10毫米×10毫米的薄片，放入到三角烧瓶中，加入10毫升PBS溶液，然后在37℃恒温水浴中振荡。水解降解一定时间后取出样品，用蒸馏水洗涤，然后在35℃下真空干燥至恒重。水解降解的评价用质量损失(weight loss)表示：
Weight loss(％)＝(W0-W1)/W0×100％ (1)
其中W0和W1分别为聚氨酯样品降解前和降解后的质量。
为了考察本发明制备的聚氨酯的生物相容性，进行了细胞毒性试验，细胞毒性试验采用L929小鼠成纤维细胞，方法采用MTT(3-(4，5-二甲基甲噻唑)-2，5-二苯基四氮唑溴盐)比色法(GB/T 16886.5-2003)。将聚氨酯加工成直径5毫米×25毫米的膜片，真空干燥，医用酒精消毒后置于培养液(含10％胎牛血清的DMEM培养基)中，37℃下保持24小时。然后将L929细胞以1×103个/毫升的浓度接种于96孔培养板内，每孔加0.1毫升，放入体积分数为5％CO2和37℃孵箱内培养24小时后取出，加入浸提液0.1毫升/孔；空白对照组加培养液0.1毫升，每组平行三份，再重新放入孵箱内，分别于1、3、5、7天时取出一块培养板，加MTT 20微升/孔，6小时后加DMSO 150微升/孔，震荡10分钟，用免疫酶联检测仪测定其吸光值(MTT检测值)。数据经统计学处理，按6级毒性分级法计算相对增殖度(RGR)及毒级。
与现有医用聚氨酯相比，本发明具有以下优点：
1)聚(ε-己内酯)二元醇具有生物相容性和可降解性，其降解产物6-羟基己酸可以被线粒体转化为人体代谢产物天然脂肪酸，因此是对人体无害的，从而赋予聚氨酯可降解性质；
2)异氰酸酯为脂肪族异氰酸酯L-赖氨酸乙酯或甲酯二异氰酸酯，形成硬段后的降解产物为赖氨酸，是人体必需的天然氨基酸之一，因此对人体无害，优于芳香族和脂肪族二异氰酸酯。
3)扩链剂同样为赖氨酸酯，形成硬段后的降解产物仍为赖氨酸，同样对人体无害，优于其它二元胺类和二元醇类等小分子扩链剂，并且赖氨酸酯制备简单、来源广泛、价格低廉。
4)本发明制备的聚氨酯由于选用二胺类扩链剂为赖氨酸酯，产生的聚氨酯中含有大量脲基，因此提高了聚氨酯的力学性能和降解性能。
5)本发明制备的聚氨酯由于降解产物完全无毒，并且降解产物赖氨酸可以中和由软段降解所产生的6-羟基己酸，不会改变附近组织的pH值，因此具有良好的生物相容性。
【附图说明】
图1是本发明制备基于L-赖氨酸乙酯二异氰酸酯的聚氨酯合成路线图。
【具体实施方式】
实施例1
聚氨酯(PU-Lys1)的制备，按摩尔比PCL∶Lysine-E∶LDI-E＝0.9∶0.1∶1.1投料。
先将20.00克数均分子量为2000的聚(ε-己内酯)二元醇和2.76克LDI-E加入到三口烧瓶中，加入10毫升DMF和0.1％的催化剂辛酸亚锡，氮气保护下80℃反应3小时。然后加入0.28克L-赖氨酸乙酯二盐酸盐，混合15分钟后加入0.34克三乙胺，80℃下反应3小时，然后温度降至60℃继续反应66小时。反应完毕后将聚氨酯的N，N-二甲基甲酰胺溶液倒入蒸馏水中，有沉淀产生，然后过滤，过滤后滤饼用去离子水洗涤除去三乙胺盐酸盐，再过滤然后将滤饼于80℃下真空干燥24小时，得聚氨酯。将聚氨酯溶于三氯甲烷中，然后浇入聚四氟乙烯模具中流延成膜，溶剂在空气气氛中挥发48小时，随后在35℃下真空干燥24小时，得聚氨酯薄膜。
力学性能测试聚氨酯断裂强度为24MPa，断裂伸长率为1630％；降解试验显示，降解8周后质量损失为5％。
比较例1
聚氨酯(PU-BDO1)的制备，按摩尔比PCL∶1，4-丁二醇(BDO)∶LDI-E＝0.9∶0.1∶1.1投料。
先将20克数均分子量为2000的聚(ε-己内酯)二元醇和LDI-E 2.76克加入到三口烧瓶中，加入10毫升DMF和0.1％的催化剂辛酸亚锡，氮气保护下80℃反应3小时。然后加入0.10克1，4-丁二醇，80℃下反应3小时，然后温度降至60℃继续反应66小时。反应完毕后将聚氨酯的N，N-二甲基甲酰胺溶液倒入蒸馏水中，有沉淀产生，过滤然后将滤饼于80℃下真空干燥24小时，得聚氨酯。将聚氨酯溶于三氯甲烷中，然后浇入聚四氟乙烯模具中流延成膜，溶剂在空气气氛中挥发48小时，随后在35℃下真空干燥24小时，得聚氨酯薄膜。
力学性能测试聚氨酯断裂强度为14MPa，断裂伸长率为1120％；降解试验显示，降解8周后质量损失为4％。
实施例2
聚氨酯(PU-Lys2)的制备，按摩尔比PCL∶Lysine-E∶LDI-E＝0.7∶0.3∶1.1投料。
先将20.00克数均分子量为2000的聚(ε-己内酯)二元醇和3.55克LDI-E加入到三口烧瓶中，加入10毫升DMF和0.1％的催化剂辛酸亚锡，氮气保护下80℃反应3小时。然后加入1.06克L-赖氨酸乙酯二盐酸盐，混合15分钟后加入1.30克三乙胺，80℃下反应3小时，然后温度降至60℃继续反应66小时。反应完毕后将聚氨酯的N，N-二甲基甲酰胺溶液倒入蒸馏水中，有沉淀产生，然后过滤，过滤后滤饼用去离子水洗涤除去三乙胺盐酸盐，再过滤然后将滤饼于80℃下真空干燥24小时，得聚氨酯。将聚氨酯溶于三氯甲烷中，然后浇入聚四氟乙烯模具中流延成膜，溶剂在空气气氛中挥发48小时，随后在35℃下真空干燥24小时，得聚氨酯薄膜。
力学性能测试聚氨酯断裂强度为28MPa，断裂伸长率为1450％；降解试验显示，降解8周后质量损失为8％；细胞毒性试验显示，1、3、5、7天后细胞相对增殖度分别为103％、109％、103％和116％，毒性评级均为0级。
比较例2
聚氨酯(PU-BDO2)的制备，按摩尔比PCL∶BDO∶LDI-E＝0.7∶0.3∶1.1投料。
先将20.00克数均分子量为2000的聚(ε-己内酯)二元醇和LDI-E 3.55克加入到三口烧瓶中，加入10毫升DMF和0.1％的催化剂辛酸亚锡，氮气保护下80℃反应3小时。然后加入0.39克1，4-丁二醇，80℃下反应3小时，然后温度降至60℃继续反应66小时。反应完毕后将聚氨酯的N，N-二甲基甲酰胺溶液倒入蒸馏水中，有沉淀产生，过滤然后将滤饼于80℃下真空干燥24小时，得聚氨酯。将聚氨酯溶于三氯甲烷中，然后浇入聚四氟乙烯模具中流延成膜，溶剂在空气气氛中挥发48小时，随后在35℃下真空干燥24小时，得聚氨酯薄膜。
力学性能测试聚氨酯断裂强度为19MPa，断裂伸长率为1680％；降解试验显示，降解8周后质量损失为5％；细胞毒性试验显示，1、3、5、7天后细胞相对增殖度分别为99％、100％、93％和107％，毒性评级为0～1级。
实施例3
聚氨酯(PU-Lys3)的制备，按摩尔比PCL∶Lysine-E∶LDI-E＝0.5∶0.5∶1.1投料。
先将20克数均分子量为2000的聚(ε-己内酯)二元醇和4.97克LDI-E加入到三口烧瓶中，加入10毫升DMF和0.1％的催化剂辛酸亚锡，氮气保护下80℃反应3小时。然后加入2.47克L-赖氨酸乙酯二盐酸盐，混合15分钟后加入3.03克三乙胺，80℃下反应3小时，然后温度降至60℃继续反应66小时。反应完毕后将聚氨酯的N，N-二甲基甲酰胺溶液倒入石油醚中，有沉淀产生，然后过滤，过滤后滤饼用去离子水洗涤除去三乙胺盐酸盐，再过滤然后将滤饼于80℃下真空干燥24小时，得聚氨酯。将聚氨酯溶于三氯甲烷中，然后浇入聚四氟乙烯模具中流延成膜，溶剂在空气气氛中挥发48小时，随后在35℃下真空干燥24小时，得聚氨酯薄膜。
力学性能测试聚氨酯断裂强度为34MPa，断裂伸长率为1380％；降解试验显示，降解8周后质量损失为13％。
比较例3
聚氨酯(PU-BDO3)的制备，按摩尔比PCL∶BDO∶LDI-E＝0.5∶0.5∶1.1投料。
先将20克分子量为2000的聚(ε-己内酯)二元醇和LDI-E 4.97克加入到三口烧瓶中，加入10毫升DMF和0.1％的催化剂辛酸亚锡，氮气保护下80℃反应3小时。然后加入0.90克1，4-丁二醇，80℃下反应3小时，然后温度降至60℃继续反应66小时。反应完毕后将聚氨酯的N，N-二甲基甲酰胺溶液倒入石油醚中，有沉淀产生，过滤然后将滤饼于80℃下真空干燥24小时，得聚氨酯。将聚氨酯溶于三氯甲烷中，然后浇入聚四氟乙烯模具中流延成膜，溶剂在空气气氛中挥发48小时，随后在35℃下真空干燥24小时，得聚氨酯薄膜。
力学性能测试聚氨酯断裂强度为23MPa，断裂伸长率为1700％；降解试验显示，降解8周后质量损失为11％。