形状记忆聚氨酯与可降解生物材料的研究和应用
刘晓建1,薛 燕2,贺 江1,解蓓蓓1
(1 中国石油工程技术研究院,天津300451;2 天津大学化工学院,天津300072)
摘要 综述了形状记忆聚氨酯(PUs)的原理和生物材料降解机制,介绍了形状记忆PUs和可降解生物材料的研究现状,并指出可降解形状记忆PUs生物材料的应用前景及今后研究的重点。
关键词 形状记忆聚氨酯 生物材料 机理 生物降解
中图分类号:TQ33112 文献标识码:A
The R esearch and Application of Shape2memory Polyurethane
and Biodegradable Materials
L IU Xiaojian1,XU E Yan2,H E Jiang1,XIE Beibei1
(1 CNPC Research Institute of Engineering Technology,Tianjin300451;
2 School of Chemical Engineering and Technology,Tianjin University,Tianjin300072)
Abstract In this paper,the mechanisms of shape2memory polyurethanes and biodegradable polymers are in2 troduced.The research status and properties of shape2memory polyurethanes and biodegradable polymers are de2 scribed.The application prospect and research tendency of biodegradable shape2memory polyurethanes are also pointed out.
K ey w ords shape2memory polyurethane,biomaterial,mechanism,biodegradation
自1981年Ota S等[1]制得热致形状记忆高分子材料(Shape memory polymer,SMP)交联聚乙烯以来,SMP及其特殊性能受到广泛关注[2]。目前,得到应用的SMP已有聚降冰片烯、反式1,42聚异戊二烯、苯乙烯2丁二烯共聚物、PUs等。此外,含氟高聚物、聚内酯、聚酰胺等高聚物也具有形状记忆功能[3～5]。其中,形状记忆PUs具有原料来源广、配方可调性大及性能选择范围宽的优点,能够满足较多场合的需要。现已开发出形状记忆PUs弹性体、形状记忆泡沫材料、形状记忆涂料等几个系列。
PUs材料一直以非生物降解高分子材料应用于医学领域[6],随着人们对医学材料认识的提高,生物材料逐渐向可降解新材料设计的方向转化。近10年来,随着药物控释和组织工程技术的发展,可生物降解材料作为不可缺少和不可替代的关键材料得到迅速发展,其应用范围涉及了几乎所有非永久性的植入器械,包括药物控释载体、手术缝线、骨折固定装置、器官修复材料、人工皮肤、手术防粘膜及组织和细胞工程等[7,8]。由于PUs各方面的性能在生物医学上的优越性,开发可生物降解的PUs材料成为理想途径之一,如低聚糖衍生PUs,木质素、单宁及衬皮衍生PUs,维生素衍生PUs,淀粉衍生PUs和其他类型的可生物降解PUs[9],可生物降解的PUs在生物医学领域具有巨大的发展潜力。当前开发研究可降解形状记忆PUs生物材料及其降解机理已成为新的课题。
1 形状记忆PUs的记忆原理及过程
形状记忆性是指具有初始形状记忆的制品,经形变并固定后,通过光、热、电、酸碱度(p H值)、相转变反应等外部刺激手段的处理,又可恢复初始形状记忆的特性。
形状记忆PUs属热致型SMP。日本的石田正雄认为[10],这类SMP一般是由两相结构组成,即由记忆起始形状的固定相和随温度变化能可逆固化和软化的可逆相组成。
由芳香族二异氰酸酯与具有一定分子量的端羟基聚酯或聚醚反应生成氨基甲酸酯的预聚体,再以多元醇(如丁二醇BDO)或多元胺(如丁二胺)等为扩链剂,扩链后可生成具有嵌段结构的PUs。这种嵌段PUs分子的软段部分(聚酯或聚醚链段)和硬段部分(氨基甲酸酯链段)的聚集状态、热行为等是不一样的。其中,线性聚酯或聚醚构成的软段部分的玻璃化温度(T g)较低,并具有一定的结晶度,且熔点不高,而作为硬段的氨基甲酸酯链段聚集体,因其链段内和链段间存在着氢键,具有较高的T g。PUs分子结构的异同性,导致分子间的相分离,这种两相结构赋予PUs分子形状记忆功能,其形状记忆效应的基本原理如图1所示。
PUs分子中由聚酯或聚醚构成的软段部分为可逆相,在高温拉伸时,蜷曲的分子链在外力作用下可以伸展并发生取向,且在外力保持的条件下冷却,能使得软段结晶或玻璃化,从而起到冻结应力的作用,当再次加热到软段的结晶熔点或T g以上时,应力释放,PUs在弹性力的作用下恢复形变。而氨基甲酸酯链段聚集成的硬段微区起物理交联点的作用,赋予PUs高温时的模量和强度。由于此材料具有特殊的两相结构,使得在一温度区间内(即软段熔点或T g与硬段熔点之间的温度范围)对其实施变形,不会造成拉断或永久形变(塑性形变)[11～19]。
刘晓建:男,1975年生,工程师,研究方向:聚氨酯材料 Tel:022********* E2mail:liuxj@
图1 PUs形状记忆效应的基本原理
2 可降解生物材料的降解机制
可降解分为物理降解、化学降解和生物降解,可降解材料又分为天然可降解材料和合成可降解材料。本文着重讨论合成可降解材料。对于人体使用的可降解生物材料,人们首先关心材料本身及其降解产物是否有毒,以及如何控制降解速度。由于材料的多样性和降解过程的复杂性,材料在体内的降解机制至今仍不完全清楚,本文主要讨论几种可能的机制。
材料在体内的降解是受生物环境作用的一个复杂过程,包括物理的、化学的和生化的。体内降解的物理因素主要是外应力;化学因素主要有水解、氧化以及酸、碱作用;生化因素主要有酶和微生物。由于植入体内的材料主要接触组织和体液,因此水解(包括酸碱作用和自催化作用)和酶解是最主要的降解机制[20]。
材料在体内的水解分两个阶段进行:第一阶段是溶蚀阶段,即一个高分子量固态聚合物装置从植入体内到消失,首先由不溶于水的固体变成水溶性物质,此过程称为溶蚀。植入装置的溶蚀实际上是材料本身降解的表现形式,这两者是同时进行的,宏观上装置整体发生结构的破坏,体积变小,逐渐变为碎片,最后完全溶解并在植入部位消失;微观上大分子链发生化学分解,如分子量变小、交联度降低、分子链断开、侧链断开等,变为水溶性的小分子,进入体液。第二阶段是吸收阶段,即进入体液的降解产物被细胞吞噬并转化和代谢。酶解机制又分酶促水解机制和酶促氧化机制[21],普遍认为酶解和酶促氧化反应是材料在体内降解吸收的重要因素,可以肯定酶在一定程度上影响降解机制。临床发现,一些被认为是非降解性的植入物,如PUs导管和心室辅助泵,在体内有明显的降解现象,这对PUs既有形状记忆功能又有生物降解功能的医用材料有举足轻重的作用。此外,聚酯类、聚氨基酸类以及某些聚酯类PUs等易被水解、酶催化降解,但关于其作用机制,目前尚缺乏报道。
3 形状记忆PUs及可降解生物材料的国内外研究开发现状
311 形状记忆PUs的研究现状
第一例形状记忆PUs是日本三菱重工业公司[22]于1988年首先公布于世的,该公司现已制得形状记忆温度分别为25℃、35℃、45℃和55℃的形状记忆PUs品种[13]。Hayashi S等[23]对各种不同成本的原材料进行配方设计,研究了形状记忆PUs的有关性能。韩国的K im B K等[24]以聚己内酯(PCL)、4,4′2二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)和BDO为原料合成了一系列的形状记忆PUs,通过改变软段的分子量和质量百分含量,在形状记忆温度上下对反复拉伸性能、动态力学性能以及机械性能的影响作了研究测试。Akahashi T[25]用不同分子量的聚己二酸乙二醇酯(PEA)为软段,以MDI和BDO为硬段,合成了T g在10～50℃范围内的线型形状记忆PUs。此外,Han M J等[26]以PCL、六亚甲基二异氰酸酯(HDI)、BDO及4,4′2二羟基联苯合成形状记忆PUs。Hisaaki T等[27]主要研究了形状记忆PUs的形状记忆回复率及恢复应力等性能。J ae H Y等[28]将1,42苯基二异氰酸酯(PDI)和MDI为二异氰酸酯原料合成的形状记忆PUs进行了分析比较。
在国内,中科院化学研究所李凤奎等[29]于1996年开发了形状记忆PUs,以PCL、2,42甲苯二异氰酸酯(TDI)和BDO为原料,采用溶液聚合法合成了具有形状记忆功能的线型多嵌段PUs。南京大学的喻春红等[30]以PCL、MDI和丙三醇(GA)为原料合成了化学交联型形状记忆PUs,其记忆温度为37℃,这种形状记忆PUs在医学领域具有广阔的应用前景。
312 可降解生物材料的开发现状
近年来,科学家们一直致力于开发出更多有实际应用价值的可生物降解材料,也相应地取得了很大的成就。其中,聚羟基乙酸(P GA)和聚乳酸(PL A)是最典型的合成可降解聚合物,也是结构最简单的线型聚羟基脂肪酸酯类聚合物,它们具有以下的分子结构通式:_OCH(R)COη,其中,当R=H时为聚羟基乙酸,当R=CH3时为聚乳酸。P GA由乙交酯单体开环聚合制得,降解后生成羟基乙酸;PL A由丙交酯单体开环聚合制得,降解后生成乳酸。P GA和PL A作为第一批可降解生物材料得到FDA批准用于临床,是迄今研究最广泛、应用最多的可降解生物材料。
PCL是线型的脂肪族聚酯类聚合物,分子中有较长的亚甲基链段,其结构式为:_O CH2CH2CH2CH2CH2COη,高分子量的PCL几乎都是由ε2己内酯单体开环聚合制得。PCL商品首先是由Union Carbide推出作为工业PUs原料及能被微生物降解的一次性容器[31]。近30年的研究证明,PCL及己内酯单体都无毒并具有良好的生物相容性,但由于PCL分子中有较长的亚甲基链段,其降解速度比P GA和PL A慢得多,因此能作为需要长时间植入的植入装置。此外,在表1中列出了已获得美国FDA批准可用于临床的5种聚酯材料及其在体内的降解时间[32]。
另外,聚β2羟基丁酸酯、羟基戊酸酯及聚氨基酸类聚合物也是典型的可降解生物材料。Feng Y K等[33]用羟基螯合的聚环氧乙烷(PEO)钙醇盐引发羟基乙酸及缬氨酸,通过开环聚合生成可生物降解的三嵌段共聚物,并得出结论,其共聚物的结晶度随着PEO组分含量的减少和乙交酯缬氨酸共聚物链段的增长而降低。该组科研人员对氨基酸类可降解生物材料作了深入的研究,报道了一系列的改进方法和科研成果[34～39],如用酶催化含有不同基团(甲基、异丙基、丁基)、不同类型(S,R型)的2,52二酮吗啉,通过开环聚合得到缩氨酸类可降解聚合物。另据报
