水響應(yīng)形狀記憶聚氨酯及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種水響應(yīng)形狀記憶高分子材料，尤其涉及一種應(yīng)用于組織工程的基 于嵌段共聚物的水響應(yīng)形狀記憶聚氨酯。
【背景技術(shù)】
[0002] 組織工程支架是具有一定穩(wěn)定性的三維支架，例如長(zhǎng)方形、立方體、圓柱體等，以 便于植入體內(nèi)后形成一個(gè)較穩(wěn)定的新生組織生長(zhǎng)空間。臨床上很多骨缺損均為非規(guī)則性缺 損，形狀固定的材料難以完整修復(fù)缺損的空間。在現(xiàn)有技術(shù)中，公開(kāi)號(hào)為CN102921038A的 發(fā)明專利申請(qǐng)公開(kāi)了一種制備具有形狀記憶功能的多孔支架的方法，使用該方法可以制造 出溫度響應(yīng)形狀記憶高分子支架材料，該材料45°C下變形，0°C冷凍塑性，通過(guò)微創(chuàng)手術(shù)植 入人體后可在體溫下回復(fù)固有的孔隙度及孔徑大小，填充不規(guī)則的缺損空間。但是由于PCL 的熱傳導(dǎo)系數(shù)很小，且孔結(jié)構(gòu)中得空氣熱傳導(dǎo)系數(shù)亦很小，導(dǎo)致其溫度響應(yīng)速度慢。
[0003]XinzhuGu,aandPatrickT.Mather于 2013 年發(fā)表在RSCAdvances上 的 'Water-triggeredshapememoryofmultiblockthermoplasticpolyurethanes (TPUs) '文章中提及：水響應(yīng)形狀記憶材料優(yōu)于體溫響應(yīng)形狀記憶材料之處在于：水響應(yīng) 形狀記憶材料可以通過(guò)浸在水中即可恢復(fù)到原始形狀，而無(wú)需額外加熱，從而避免了熱量 對(duì)周圍組織的破壞。
[0004]YangB，WangWM等人在 2004 年發(fā)表于SmartMaterialsandStructures的一 篇'Ontheeffectsofmoistureinapolyurethaneshapememorypolymer' 文章中提 至|J:聚氨酯材料可以對(duì)水響應(yīng)，恢復(fù)其原始形狀。該文章還探究了其機(jī)理，水分子破壞了高 分子聚合物中的氫鍵作用，使原來(lái)玻璃化的高分子網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)動(dòng)性增強(qiáng)，從而降低了其玻璃 化溫度，此時(shí)聚合物呈現(xiàn)膠粘態(tài)，可以容易的改變聚合物形狀，當(dāng)脫離水環(huán)境時(shí)，網(wǎng)絡(luò)間氫 鍵重新形成，從而形狀得以固定。
[0005] 此外，大多數(shù)患者希望植入物在體內(nèi)只是起到暫時(shí)的替代作用，隨著自身組織的 再生，植入材料逐漸降解吸收。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種機(jī)械性能好的水響應(yīng)形狀記憶聚氨酯及其 制備方法。
[0007] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是： 一種水響應(yīng)形狀記憶聚氨酯，具有式I重復(fù)結(jié)構(gòu)單元：
其中（R)為二異氰酸酯連接劑的殘基， (X)為具有式II或式III的嵌段：
式II和式III中（B)為PEG嵌段，（A)為人體可降解的疏水性高分子聚合物嵌段，包括 但不限于：PCL嵌段、PGA嵌段、PLA嵌段、PTMC嵌段或PGLA嵌段。
[0008] 所述PEG嵌段的分子量為1000-2000。
[0009] 所述（A)為PCL嵌段. 所述PCL嵌段的分子量為500-50000。
[0010] 該水響應(yīng)形狀記憶聚氨酯的硬段含量為10-40%。
[0011] 本發(fā)明還提供一種制備上述水響應(yīng)形狀記憶聚氨酯的制備方法，包括以下步驟： 將包含PEG嵌段的嵌段共聚物、二異氰酸酯連接劑、擴(kuò)鏈劑和適當(dāng)含量的催化劑混合，采用 本體法合成所述水響應(yīng)形狀記憶聚氨酯。
[0012] 所述包含PEG嵌段的嵌段共聚物采用包括以下步驟的制備方法制備：以PEG作 為引發(fā)劑，在無(wú)水無(wú)氧條件下與聚酯類高分子單體聚合合成所述包含PEG嵌段的嵌段共聚 物； 所述聚酯類高分子單體為人體可降解的疏水性高分子聚合物單體，包括但不限于：聚 己內(nèi)酯單體、丙交酯單體、乙交酯單體、三亞甲基碳酸酯單體或聚乙丙交酯單體。
[0013] 所述PEG為雙羥基末端PEG或單羥基末端PEG。
[0014] 所述二異氰酸酯連接劑選用HDI，所述擴(kuò)鏈劑選用BD0。
[0015] 所述水響應(yīng)形狀記憶聚氨酯由3D打印機(jī)采用熔融層積成型技術(shù)打印成型。
[0016] 與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明提供的水響應(yīng)形狀記憶聚氨酯及其制備方法，具有如 下有益效果：聚氨酯材料中具有親水性的PEG嵌段，使得本發(fā)明的聚氨酯材料具有水響應(yīng) 特性，其形狀記憶固定率達(dá)到90%以上和恢復(fù)率達(dá)到80%以上；聚氨酯材料中的PCL嵌段、 PGA嵌段、PLA嵌段或PTMC嵌段，使得本發(fā)明的聚氨酯材料可被人體代謝降解，并具備良好 的生物相容性，可以有效的引導(dǎo)成骨細(xì)胞的貼附與分化；聚氨酯材料中的PCL嵌段、PGA嵌 段、PLA嵌段或PTMC嵌段具有高結(jié)晶度，使得本發(fā)明的聚氨酯材料具有良好的韌性； 將本發(fā)明的水響應(yīng)形狀記憶聚氨酯可以應(yīng)用于微創(chuàng)手術(shù)過(guò)程中作為骨支架、心臟支架 等支架材料：在水浴中壓縮至較小體積，然后將其從水浴中拿出以固定其形狀，將此材料以 較小體積的形式植入人體缺損部位，達(dá)到微創(chuàng)手術(shù)的目的；其對(duì)體內(nèi)水環(huán)境進(jìn)行自響應(yīng)，可 自行恢復(fù)到原始形狀，因其具備良好的韌性，可以完美的與缺損組織貼附并與之相匹配；因 其具有生物可降解性能，無(wú)需再進(jìn)行第二次手術(shù)將支架取出。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為本發(fā)明的水響應(yīng)形狀記憶聚氨酯的細(xì)胞相容性實(shí)驗(yàn)電鏡圖； 圖2為實(shí)施例3-6的水響應(yīng)形狀記憶聚氨酯的形狀固定率對(duì)比柱狀圖； 圖3為實(shí)施例3-6的水響應(yīng)形狀記憶聚氨酯的形狀回復(fù)率對(duì)比柱狀圖； 圖4為實(shí)施例3-6的水響應(yīng)形狀記憶聚氨酯的細(xì)胞毒性對(duì)比柱狀圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 在本發(fā)明說(shuō)明書(shū)中，對(duì)嵌段共聚物、嵌段共聚物的嵌段或其他聚合物分子的分子 量限定都是指數(shù)均分子量。
[0019] 本發(fā)明的水響應(yīng)形狀記憶聚氨酯使用下列原料組分制備： A) 包含聚乙二醇(英文縮寫(xiě)為：PEG)嵌段的嵌段共聚物，該嵌段共聚物是在無(wú)水無(wú)氧 條件下，由PEG與相應(yīng)的體內(nèi)可降解的疏水性高分子聚合物的單體(例如：聚己內(nèi)酯單體、 丙交酯、乙交酯、三亞甲基碳酸酯等）聚合(單體的概念很大，如需寫(xiě)入開(kāi)環(huán)聚合，請(qǐng)?zhí)峁?對(duì)于單體的限定）而成；具體的，所述聚酯類高分子單體可以是聚己內(nèi)酯單體（英文縮寫(xiě) 為：ε-CL)、丙交酯、乙交酯、三亞甲基碳酸酯等，該嵌段共聚物可以是PCL-b-PEG-b-PCL、 PGA-b-PEG-b-PGA、PLA-b-PEG-b-PLA、PTMC-b-PEG-b-PTMC、PCL-b-PEG、PGA-b-PEG、 PLA-b-PEG或PTMC-b-PEG等三嵌段或二嵌段共聚物； B) 二異氰酸酯，例如：六亞甲基二異氰酸酯(英文縮寫(xiě)為：HDI)、甲苯二異氰酸酯等二 異氰酸酯(英文縮寫(xiě)為：TDI)等； C) 擴(kuò)鏈劑，例如，丁二醇、1，4- 丁二醇(英文簡(jiǎn)稱BD0)、丁二胺等。
[0020] 采用本體法將上述原料合成為本發(fā)明的本發(fā)明的水響應(yīng)形狀記憶聚氨酯。
[0021] 下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0022] 實(shí)施例1-2為嵌段共聚物的制備實(shí)施例： 實(shí)施例1以PCL-b-PEG-b-PCL(其中PCL嵌段的分子量為1500,PEG嵌段的分子量為 1000)為例說(shuō)明三嵌段共聚物的制備過(guò)程：將帶有雙羥基末端PEG1000在1KTC下真空干燥 2小時(shí)，加入相應(yīng)體積的無(wú)水無(wú)氧甲苯（lgPEG對(duì)應(yīng)lml甲苯）中，加入相應(yīng)質(zhì)量的ε-CL和 總質(zhì)量的萬(wàn)分之一的辛酸亞錫，在無(wú)水無(wú)氧條件下150°C反應(yīng)12小時(shí)。冷卻到室溫，用無(wú) 水二氯甲烷溶解，然后用乙醚沉、過(guò)濾、真空干燥既得PCL-b-PEG-b-PCL(1500-1000-1500)。
[0023] 實(shí)施例2以PCL-b-PEG(其中PCL嵌段的分子量為3000，PEG嵌段的分子量為 1000) 為例說(shuō)明二嵌段共聚物的制備過(guò)程：將帶有單羥基末端PEG1000在11(TC下真空干燥2小 時(shí)，加入相應(yīng)體積的無(wú)水無(wú)氧甲苯（lgPEG對(duì)應(yīng)lml甲苯)，加入相應(yīng)質(zhì)量的ε-CL和總質(zhì)量 的萬(wàn)分之一的催化劑辛酸亞錫，在無(wú)水無(wú)氧條件下150°C反應(yīng)12小時(shí)。冷卻到室溫，用無(wú)水 二氯甲烷溶解，然后用乙醚沉、過(guò)濾、真空干燥既得PCL-b-PEG(3000-1000)。
[0024] 實(shí)施例1和實(shí)施例2中的無(wú)水無(wú)氧甲苯優(yōu)選采用Na干燥得到?？梢岳斫獾?，上述 嵌段共聚物的制備過(guò)程是可控反應(yīng)，因此在投入的PEG的分子量不變的情況下，可以通過(guò) 控制PEG與ε-CL的投料比例來(lái)控制嵌段共聚物中各嵌段的分子量。
[0025] 關(guān)于PEG與ε-CL反應(yīng)合成嵌段共聚物的方法請(qǐng)參見(jiàn)ShaobingZhou等三人于 2003 年發(fā)表在第 24 期Biomaterials期刊第 3563 頁(yè)-3570 頁(yè)的"