聚氨酯材料在医用行业的研究进展1

聚氨酯材料在医用行业的研究进展天津市塑料研究所有限公司韩宇洋摘要：综述了聚氨酯材料在医用行业的研究进展，重点介绍了医用聚氨酯材料的性能研究、改善生物相容性的方法及医用聚氨酯目前的应用现状等。

关键词：医用聚氨酯材料；性能研究；改性；应用进展1聚氨酯发展背景近年来由于社会的不断发展，科学技术水平的进步，全世界对功能性材料的需求越来越大，尤其是生物高分子材料。

聚氨酯作为一种重要的生物高分子材料一直是研究的热点，在许多人工器官和医疗装置中发挥着至关重要的作用。

虽然，聚氯乙烯、聚乙烯和硅橡胶等，都早于聚氨酯应用于生物材料领域，但是由于聚氨酯具有如下突出的优点：材料的性能可以调节，物理机械性能范围宽，加工性能好；生物相容性优良；抗扭结性好；表面光滑等，这就使聚氨酯成为了一种“理想生物材料”。

2聚氨酯结构介绍聚氨酯是一类含有氨基甲酸酯（-NH-COO-）官能团的高分子材料，主要的合成方法是由聚醚、聚酯或聚碳二元醇先与二异氰酸酯进行加成反应，再经扩链剂扩链成高分子，主链分子是由软链段和硬链段嵌段组成，其化学结构可以表示为—(A—B)n—，由于硬段和软段在极性上存在差异且硬段本身的结晶性导致它们在热力学上的不相容性，而具有自发分离的倾向，而聚氨酯的性能本质上是取决于软段和硬段的化学结构及软段/硬段配比，软硬段的微相分离程度对聚氨酯的性能，尤其对血液相容性的影响不可忽略。

3聚氨酯分类按材料种类分：医用聚氨酯材料产品可分为医用聚氨酯泡沫、医用生物弹性体、医用聚氨酯黏合剂、医用聚氨酯水凝胶以及医用聚氨酯涂料等。

按照可降解性可分为：非降解性医用聚氨酯材料，力学性能优异、耐磨损性好，因此在长期植入人体的人体器官和医用装置的应用十分广泛；降解性医用聚氨酯材料可应用于人体修复材料、组织工程材料和智能药物缓释材料等。

按用途分：聚氨酯用品包括人工皮肤、人工心脏瓣膜、人工肺、烧伤敷料、各种夹板、导液管、人工血管、骨黏合剂、齿科材料、手术缝合线、计划生育用品等。

按合成物结构分：聚醚型聚氨酯、聚酯型聚氨酯以及聚碳型聚氨酯等等。

4医用聚氨酯的性能研究4.1聚醚型聚氨酯1967年Boretos和Pierce首次将聚醚型聚氨酯用于左心辅助循环血泵，此后，聚醚型聚氨酯就成为了人工心脏和心室辅助循环系统中制造心室腔体的首选材料。

通常地，聚醚型聚氨酯的聚醚软段的玻璃转变温度低于室温，软段的运动性很高，非常容易地迁移到聚氨酯的表面，因此聚醚型聚氨酯的最表面没有硬段存在；然而，有研究认为由于聚醚型聚氨酯的聚醚软段的玻璃转变温度较低，在外界环境的影响下，其表面的链段能够转动，表面重排，硬段微区出现在最表面，使其表现出良好的血液相容性[1]。

另外，聚醚中的醚键耐水解，水解表现为交联慢慢断裂，分子量慢慢降低，拉伸强度下降缓慢，与聚酯型聚氨酯相比耐水解性较好。

聚醚型聚氨酯被广泛的使用在与血液直接接触的场合，但其本身的生物相容性不足以达到人类的需求，学者一直持续不断地对它进行研究和改性来进一步提高它的生物相容性，改性使得聚醚型聚氨酯的抗凝血性能在不同程度上得以提高，以至于聚醚型聚氨酯材料在植入和非植入式血液接触装置的制造方面得到了较广泛的应用。

下面将三种医疗级聚醚型聚氨酯的原料、性能及商品牌号举例如下：4.1.1脂肪族聚醚氨酯以HMDI或六亚甲基二异氰酸酯（HDI）、PTMEG及BD为原料的TPU具有良好的生物相容性、强度及可加工性。

如美国Thermedics公司（原Thermo Electron公司）的医用聚氨酯Tecoflex的组成是PT-MEG-HMDI-BD，80年代美国DuPont公司的医用聚氨酯Adiprenelw 500的原料是PTMEG-HDI-BD。

4.1.2芳香族聚醚氨酯这类TPU以MDI、PTMEG及BD为原料。

与脂肪族聚醚氨酯相比，它们具有类似的生物相容性，而物理强度、耐溶剂性及高温可加工性比脂肪族TPU好，是一类应用较早、牌号较多的TPU。

其缺点是暴露在光或γ射线下时间长了会变黄。

如果操作温度不当可产生亚甲基-4,4’-二苯基二胺（MDA）。

商品牌号有：美国BF Goodrich公司的Estane，美国DOW化学公司（早先的Upjohn公司）的Pellethane，Thermedics公司的Tecothane，Bayer美国公司的Texin，美国JPS弹性体公司的Stevens系列热塑性聚氨酯MP-1880、MP-1882及MP1890<3>，德国Elastogran公司的Elastollan SP806，等等。

4.1.3聚醚脲型聚氨酯Bayer（美国）公司的Texin 5590是一种脂肪族聚醚脲型TPU，设计用于与血液接触的场合，以及管形材料及导液管等短期植入装置。

美国Ethicon公司的医用聚氨酯弹性体Biomer 是由PTMEG和MDI反应生成端异氰酸酯基预聚物。

在二甲基甲酰胺（DMF）溶剂中以乙二胺为扩链剂，浇注而成的线性聚氨酯-脲嵌段聚合物。

Corvita公司90年代研制的植入人体器官用TPU弹性体材料Corethane，未透露组成成分，据称它具有与广泛使用的芳香族聚醚聚氨酯相似的性能，但在人体内不会受酶的影响而降解。

该公司还在开发研制聚氨酯共聚物以及与其它聚合物的复合材料，用于体内植入物。

4.2聚酯型聚氨酯聚酯型聚氨酯在聚氨酯工业中，是出现最早的基础聚氨酯材料，其力学机械性能、耐化学品特性优异，至今仍是极其重要的一大类型聚氨酯材料。

一般的，聚酯型聚氨酯的硬度与聚酯的相对分子量有直接的关系，聚酯型聚氨酯的硬度随着聚酯相对分子质量的升高而下降，拉伸强度的变化趋势则相反。

这主要是因为聚酯的分子间作用力较强，容易形成结晶。

线性聚酯呈蜡状，具有晶状结构，是决定聚氨酯具有良好的物理性能尤其是弹性，抗张强度，冲击强度等性能都与其结晶度有关系，然而，结晶性也带来了一定的问题，比如，低温时变硬，或者影响伸长率[2]。

与聚醚型聚氨酯相比，聚酯耐水解性能较差，酯基较易水解，随着酯基之间碳原子数目上升，水解稳定性提高，聚酯的水解作用表现为主链断裂，分子量降低，拉伸强度，伸长率急剧下降，然而聚酯型聚氨酯的氢键度高于聚醚型聚氨酯，耐热空气老化性能较好，因此聚酯型聚氨酯仍得到广泛应用[3]。

下面将一种医疗级聚酯型聚氨酯的原料、性能及商品牌号举例如下：4.2.1芳香族聚酯氨酯以聚己内酯或聚己二酸酯MDI和BD为原料，这类TPU的强度比PTMEG型聚氨酯的高，但易于水解和受微生物的侵袭。

商品有BF Goodrich公司的Estane、Dow化学公司的Pellethane 等。

4.3聚碳酸酯型聚氨酯这种聚氨酯材料中的软段由聚碳酸酯链段构成，在生理环境下，碳酸酯键比醚键更加稳定。

聚碳酸酯型聚氨酯软段的玻璃转变温度较高，相混合大，硬段存在于表面，而且在10 nm范围内，有明显的硬段微区。

导致不同种类的聚氨酯的表面结构差异的原因是由于本体结构与表面结构密切。

相对于聚醚聚氨酯，在医用材料的长期移植中，脂肪族聚碳酸酯型聚氨酯有更好的生物稳定性和生物相容性。

此外，由于软段的聚碳酸酯结构与聚醚结构相比在更大程度上限制了链段的运动，因此聚碳酸酯聚氨酯的纯水透过率和生理介质的透过率都远远低于聚醚型聚氨酯，在相同膜厚度的条件下，聚碳酸酯聚氨酯的水蒸气透过率比聚醚型聚氨酯低2-4倍。

实验表明，聚碳酸酯聚氨酯表面的血小板粘附数量与聚醚型聚氨酯相比大大减少，同时，对补体的激活程度也明显降低[4]。

同时，与聚醚聚氨酯相比，PCU在小直径血管和内部血管治疗中，显示出了更好的向内生长能力。

此外，PCU最大的优点是比聚醚聚氨酯优秀的耐氧化稳定性。

聚碳酸酯聚氨酯也具有长期移植后材料柔顺性的损失小和表面性能突出的特点[5]。

下面将两种医疗级聚碳型聚氨酯的原料、性能及商品牌号举例如下：4.3.1脂肪族聚碳酸酯氨酯这类TPU以HMDI、聚碳酸酯二醇为原料。

它具有与聚醚氨酯类似的生物相容性，耐氧化降解性及生物稳定性更好，有良好的强度和操作性。

商品有Thermedics公司的Carbothane、PolyMedica工业公司的Chronoflex等。

这种TPU能抵抗酶诱发的降解，用于人造心脏及血管。

4.3.2芳香族聚碳酸酯氨酯其原料是MDI、聚碳酸酯二醇和BD。

它具有与脂肪族聚碳酸酯氨酯类似的生物稳定性及生物相容性，芳香族聚氨酯的强度和耐溶剂性，缺点是可能产生MDA及黄变。

商品有美国聚合物技术集团公司的Bionate等。

5聚氨酯的改性国内外的研究报道有许多聚氨酯改性方法，主要有聚氨酯本体改性、表面化学接枝修饰、等离子体技术表面修饰、光固定法、超分子化学改性等[6]。

5.1聚氨酯本体的改性本体改性是指通过调节聚氨酯结构的软段或硬段的结构、长度及分布，来改变相对比例和相对分子质量，或把将软段或硬段上接枝其它分子链，通过共混、互穿聚合物网络等方法，用来调节聚氨酯的性能。

5.2表面化学接枝修饰人们尝试在聚氨酯表面附加各种细胞黏附因子如胶原、纤维粘连蛋白、白蛋白等，使材料表面更生物化、更接近细胞生长的生理条件，进而改善内皮细胞在聚氨酯材料表面的粘附和生长的问题，近年，在聚氨酯材料表面固定 RGD三肽序列成为一种提高内皮细胞黏附和生长的重要途径，这已在多种生物材料的有关研究中得到证实。

5.3等离子体技术表面修饰聚氨酯材料表面性能受到聚合物的化学性质、表面结构及表面处理方式的影响。

等离子体技术处理聚合物材料的表面可以使其表面富含活性基团，使聚氨酯表面活化，再表面接枝可生物降解的分子，提高原聚氨酯表面的性能，改善聚氨酯材料的生物相容性。

5.4光固定法修饰光固定法是指将具有特定作用、功能的分子或组分通过紫外或可见光偶联到材料表面的方法。

它在改善材料表面性能的同时，不影响材料的基体性能。

5.5超分子化学改性超分子化学是基于分子间的非共价键相互作用而形成的分子聚集体的化学超分子组装过程，是生物体系中形成复合、功能结构的重要手段，它提供了一种通过设计分子和超分子实体，利用形体互补原则获得预期结构的纳米设计和制备手段。

和传统的表面修饰不同，超分子表面修饰技术不单单地通过化学组分的共价键进行修饰，而是在组成修饰的基础上，通过对基于非共价键的作用控制，实现对表面二维、甚至三维微观结构的设计，实现对材料表面更精确的修饰[7]。

6医用聚氨酯的应用现状聚氨酯材料因为其特殊的化学结构、具有良好的生物相容性和血液相容性、优异的物理机械性能、加之稳定性好，广泛应用于医学领域。

50年代以来，聚氨酯弹性体开始应用于医用材料，70年代开始聚氨酯作为一种医用材料已受到重视。

到了80年代初，用聚氨酯弹性体制作人工心脏移植手术获得成功，使聚氨酯材料在生物医学上的应用得到进一步的发展。

至今已经历了50多年的历史，其产品包括人工心脏辅助装置、医疗导管和人造血管、聚氨酯敷料、聚氨酯医用薄膜制品、人造皮、假肢、聚氨酯绷带、人工肾、人工肺、人工肝脏等[8-10]。