聚氨酯材料在生物领域上的研究进展及应用

P U T e c h n o l o g y■ＰＵ技术◆　黎兵，张海龙，李智华，鲍俊杰，许戈文＊安徽大学化学化工学院，安徽省绿色高分子材料重点实验室，合肥２３００３９摘 要：有微相结构的嵌段型聚氨酯（ＳＰＵ）具有良好的力学性能、高弹性、耐磨性、润滑性、耐疲劳性、生物相容性，生物稳定性，机械强度好等特点，被广泛应用于医学生物材料上。

本论文着重介绍了聚氨酯材料在生物降解、生物相容、生物载体、抗菌以及其他方面的应用。

关键词：聚氨酯；生物降解；生物相容；生物载体；抗菌；其他；应用聚氨酯以其结构易于设计和加工而成为合成材料中发展较快的材料。

其化学结构特征是由玻璃化转变温度低于室温的柔性链段（软链段）和玻璃化转变温度高于室温的刚性链段（硬链段）嵌段而成，因此聚氨酯具有良好的力学性能、高弹性、耐磨性、润滑性、耐疲劳性、生物相容性、生物相容性，生物稳定性，机械强度好、可加工性等特点，被广泛应用于医学生物材料上。

从上世纪５０年代聚氨酯首次应用于生物医学起，五十多年来，聚氨酯弹性体在医学上的用途日益广泛。

１９５８年聚氨酯首次用于骨折修复材料，而后又成功地应用于血管外科手术缝合用补充涂层；７０年代开始，聚氨酯作为一种医用材料己倍受重视；到了８０年代，用聚氨酯弹性体制造人工心脏移植手术获得成功［１］，二十一世纪初，聚氨酯已经涉及到医用材料大大小小很多领域，可以说聚氨酯是最具有价值的医用合成材料之一，使聚氨酯材料在生物医学上的应用得到进一步的发展。

本论文就着重介绍了聚氨酯材料在生物降解、生物相容、生物稳定、生物载体，抗血凝以及抗菌方面的应用。

１、生物降解型聚氨酯材料聚氨酯（ＰＵ）是一类用途广泛、性能优异的高分子合成材料，广泛用于建筑各领域。

近年来ＰＵ的消费量一直在迅速增长。

中国ＰＵ工业发展尤为迅速，年消费量增长率高达１８％，市场潜力很大［２］。

尽管ＰＵ性能优异，在国际建筑材料市场上具有相当强的竞争能力，但其性质稳定，不能在自然环境中较快降解，从而造成环境污染，因此研究开发可降解ＰＵ势在必行。

又由于聚氨酯对普通存在的微生物有一定的敏感性，是生产可生物降解材料的理想原料，同时其结构可自由设计［３］，因此目前研究可生物降解聚氨酯材料涉及的方面较多有降解聚氨酯泡沫（研究较多）、阻燃型生物降解以及绿色环保可降解型水性聚氨酯等等，改性类型也不少有纤维素改性聚氨酯、低聚糖改性聚氨酯、木质素、单宁及树皮改性聚氨酯、淀粉改性聚氨酯等等。

李勇［４］等通过对淀粉的磷酸酯化改性，并以磷酸酯化淀粉为反应性阻燃剂，合成出既具生物降解特性，又具阻燃特性的聚氨酯弹性片材。

结果表明：Ｐ型样品Ｐ１０％的氧指数提高到２８，达到阻燃的要求；磷酸酯淀粉的量越大，阻燃性越好；添加Ｐ型淀粉比未磷酸酯化的淀粉生物降解效果更好。

秦蓓［５］通过使用异氰酸酯交联稻壳纤维素在ＤＭＡＣ／ＬｉＣｌ均相系统中反应，制备了一种新型具有一定强度和耐水性生物可降解的纤维素薄膜，在研究过程中发现材料的强度没达到理想的要求，对其提高还需要一个过程。

一旦这种材料的强度得到提高，可以用作一次性吸水材料、一次性过滤材料等，成为一种无污染、可降解聚氨酯材料在生物领域上的研究进展及应用POLYURETHANE ＰＵ技术·聚氨酯材料在生物领域上的研究进展及应用的“绿色材料”。

项尚林［６］以甲苯二异氰酸酯和脂肪族聚酯二元醇原料合成了可生物降解水性聚氨酯乳液。

并研究了二元醇结构中不同的乳酸／己二酸比例对聚氨酯乳液的粒径、亲水性及生物降解性的影响。

结果表明：随着乳酸含量的增加，乳液的平均粒径出现一极小值；当乳酸含量为２５％时，聚氨酯乳液得到的胶膜的亲水性最好；当乳酸含量增加时，随着土埋时间的延长，Ｔ剥离强度降低的幅度增大。

这说明在此体系中，乳酸的存在加大了脂肪族聚酯基水性聚氨酯的可生物降解性。

刘晓建［７－８］等综述了形状记忆聚氨酯（Ｐｕｓ）的原理和生物材料降解机制，认为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。

也对国内的研究进展做了概括。

Ｘｉａ　Ｊｉａｎｇ［９］以ＩＰＤＩ和ＰＣＬ合成了无毒生物可降解的水性聚氨酯可用于药物的释放。

Ｍｅｌｔｅｍ　Ｕｒｇｕｎ－Ｄｅｍｉｒｔａｓ［１０］等研究表明在无氧条件下ＰＵ泡沫生物降解基本不能进行。

Ｈｅｒｎａｎｄｅｚ等［１１］报道了利用乙酰化作用保护蔗糖部分羟基得到的二元、三元醇与二异氰酸酯反应制得可生物降解聚氨酯。

Ｈａｔａｋｅｙａｍａ等［１２］用碱木质素和木质素磺酸钠按不同的比例与蜜糖多元醇组成混合多元醇合成聚氨酯泡沫塑料。

研究表明随着木质素含量的增加，泡沫密度、压缩强度、弹性模量线性增加。

２、生物相容性型聚氨酯材料聚氨酯作为一类生物医用材料，其应用日益广泛，特别是在植入人体的各种医疗用品如人工心脏瓣膜、人工肺、人工皮肤、人工血管等方面的应用尤其受到全世界范围内的关注。

尽管聚氨酯弹性体是公认的血液相容性相对较好的高分子生物医用材料，但是其血液相容性还不够理想，当其作为异体植入生物体内时，仍可能产生凝血及血栓现象［１３］。

由此，对聚氨酯进行改性以提高其生物相容性成为国内外学者研究的重要课题之一。

李洁华［１４］等综述了以表面内皮细胞化和仿生物膜结构两种主要途径达到提高医用聚氨酯材料的相容性。

杜民慧［１５］采用一步法合成以４，４’－甲烷二环已基二异氰酸酯（ＨＭＤＩ）、扩链剂１，４－丁二醇（ＢＤＯ）　为硬段，　聚四氢呋喃醚（ＰＴＭＧ）为软段的脂肪族聚氨酯。

并对所合成材料进行了溶血实验及体外静态血小板粘附实验（如图１）。

结果表明，本论文合成的聚氨酯断裂强度可达３０ＭＰａ以上，可与芳香族聚氨酯材料相比拟，　而其断裂伸长率、断裂永久形变、亲水性能较之更好，　具有理想的机械力学性能。

溶血实验和体外静态血小板粘附实验显示该材料具有优良的血液相容性。

ａ ｂ图１ ａ，ｂ为（芳香族）ＰＵ－４０的血小板黏附实验的扫描电镜照片（×２０００） ｃ ｄ图１ ｃ，　ｄ　为（脂肪族）ＰＵ－４０的血小板黏附实验的扫描电镜照片（×２０００）王雪力［１６］等通过ＳＥＭ表征了支架材料的结构，观察了细胞在聚氨酯支架材料上的生长情况利用在显微镜下观察和拍照（图２）　，观察了鼠的成纤维细胞株Ｍ２－１０Ｂ４　分泌的细胞外基质（图中箭头所指处）　来确定其生长情况，表征支架材料的细胞相容性。

研究发现，细胞能进入支架材料的孔隙中生长，　ＰＵ支架泡孔较圆滑的地方细胞生长得比较好，且分泌出大量的细胞外基质，说明材料的生物相容性较好，能为细胞提供一个模拟生物体内的生长环境以供其贴附、生长、增殖和分化。

图２　细胞分泌物和细胞生长照片齐民［１７］等利用湿法相转化原理在３１６Ｌ不锈钢表面制备聚氛醋涂层时，通过亲水性、血小板粘附试验和动态凝血试验考察了涂层的血液相容性，　结果可知：ＰＵ多孔涂层表面为超疏水性，　明显降低了血小板在材抖表面的拈附，　延长了动态凝血时间，　表现出良好的血液相容性。

平鹏［１８］等制备了以聚丙交酯（ＰＬＡ）为软段，　２，　４－甲苯二异氰酸酯（ＴＤＩ）与乙二醇（　ＥＧ）反应产物为硬段的多嵌段聚氨酯（ＰＬＡ－ＰＵ），并对其形状记忆效应和生物相容性进行了研究。

P U T e c h n o l o g y■ＰＵ技术细胞培养实验结果初步证明ＰＬＡ－ＰＵ的细胞相容性与ＰＬＡ相当，　因而有可能用作植入形状记忆医疗器械材料。

　Ｋｈａｎ［１９－２０］等通过大量研究证实了含聚碳酸酯软段的ＰＵ具有优异的生物稳定性，并指出它非常适合作骨关节的膜及其他关节。

３、生物载体型聚氨酯材料如能形成一个固定化生物反应器，使固定化菌丝体细胞连续转化发酵并与食品加工相结合，对于简化食品加工工艺，提高食品相关风味物质的产生，无疑是一个绝佳的途径。

聚氨酯泡沫由于其具有颗粒比重、大小等容易控制，应用方便简易等方面的优点而成为目前应用最为广泛的一种载体。

刘建国［２１］等因此本文以聚氨酯泡沫为载体，采用固态发酵的方法生产纤维素酶，考察其中各种因素的影响情况。

结果表明，以绿色木霉为发酵菌体，载体尺寸为１．０ｃｍ×２．０ｃｍ×０．５ｃｍ，培养液质量分数为２０％麸皮汁，初始含水率为９４％是最优发酵条件。

朱俊晨［２２］以多孔聚氨酯材料为固定化载体，就固定化培养条件中的孢子浓度、ＰＨ值、温度、固液比等进行考察，经正交试验优化后的最佳固定化条件为固液比为１／９０、孢子浓度为１０５ｍＬ－１、温度为２８℃，ＰＨ值４．５，固定化条件中影响黑曲霉产β－葡萄糖苷酶的因素显著性顺序为固液比＞孢子浓度＞ＰＨ值＞温度。

与游离态菌丝体相比较，固定化细胞发酵产酶的持续稳定性和活力都有所提高，固定化细胞酶产量达１３０．００ｕ／ｍＬ。

殷争艳［２３］等合成了具有物理交联型生物医学用聚氨酯水凝胶，且该水凝胶随着冷却－加热－冷却过程的重复而出现“凝胶－溶液－凝胶”的循环转变，证明了相容性程度较高的聚氨酯易形成水凝胶。

随后刘都宝［２４－２５］等综述了聚氨酯水凝胶的设计及在生物医学中的应用，ＰＵ水凝胶作为药物控释载体和其他水凝胶载药的机理基本一样，　一般方法是将ＰＵ弹性体在含药物分子的水溶液中形成水凝胶，有效药物分子便均匀分布在所得到的水凝胶三维网络结构中，之后便可通过控制其溶胀－　解溶胀促使药物分子以一定速率从水凝胶基质中扩散作用于目的组织，也可以通过水凝胶分子链降解的方法释放出药物分子，　从而发挥疗效。

赵宏生［２６］等用聚醚型聚氨酯多孔材料作生物载体（图３），　在细胞培养前，聚氨酯泡沫具有良好的开孔结构（除残余少许不完全开孔结构），材料的表面光滑。

细胞培养后，由于细胞在载体中繁殖，孔之间结成膜状结构，增加放大倍数，可以发现材料的表面附着一层丝状物，这是细胞在材料的表面铺展所至，可见细胞可以较好粘附在材料的表面，材料具有良好的细胞亲和性。

ａ ｂ ｃ ｄ图３ ａ，ｂ为细胞培养前聚氨酯材料的开孔结构　ｃ，ｄ为细胞培养后聚氨酯材料孔之间结成膜状结构４、抗菌型聚氨酯材料高分子材料制品在使用和存放过程中，在适宜的温度和湿度条件下极易生长和繁殖细菌，严重威胁人们健康，因此多年来科学家一直致力于抗菌剂选择和抗菌加工方法研究。

细菌在生物材料表面黏附，生长并与其分泌的细胞外基质一起形成细菌生物膜。

防止细菌生物膜形成的方法主要是抗细菌黏附和表面引入具有杀菌功能的物质或官能团，如银、季铵盐和抗菌药物［２７］。

钟达飞［２８］等论述了以六氢－１，３，５－三羟乙基均三嗪（ＴＮＯ）（俗名三丹油）为原料的聚氨（ＴＮＯ－ＰＵ）的制备方法，ＴＮＯ既是聚氨酯的抗菌剂又是聚氨酯交联剂，并通过ＴＮＯ－ＰＵ的抗菌试验，表明ＴＮＯ－ＰＵ具有明显抗茵效果，并且ＴＮＯ－ＰＵ的抑茵作用具有长效稳定的特点，可望在玩具、家具、汽车和医疗卫生等行业得到应用。