医用可降解形状记忆材料聚氨酯的研究进展

牡丹江医学院学报
ＪＯＵＲＮＡＬ
ＯＦ
２００８年
ＭＥＤＩＣＡＬ
第２９卷
ＣＯｌ。ＬＥＧＥ
第４期
Ｖ０１．２９ ＮＯ．４ ２００８
ＭＵＤＡＮＪＩＡＮＧ
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１７宋虹．氯雷他定加布地奈德对ｄ，ＪＬ咳嗽变异性哮喘的疗效研究 ［Ｊ］．中国现代应用约学，２００８．２（１１）：３３—３４． １８毕下田，洪新，曹围强，等．糖皮质激素吸入诱导咳嗽变异性哮 喘患者ＣＤ４＋Ｔ细胞Ｆｏｘｐ３摹阏表达的研究［Ｊ］．重庆医学，
医用可降解形状记忆材料聚氨酯的研究进展
李春彦１ 石秀梅１ 樊小丽２巩丽虹１
１５７０１ ｉ； １５７０１
（１．牡丹江医学院药学系 黑龙江牡丹江 ２．牡丹江林业中心医院黑龙江牡丹江
１）
【摘要】
概述了形状记忆聚氨酯（ＰＵｓ）的原理和生物材料降解机制，介绍了形状记忆可降解聚氨酯材料的研究现状，并指 形状记忆；可降解；聚氨酯；三嵌段共聚物
光引发剂得到的材料也可以得到与之相当的凝胶含量和溶 胀度，且保证ｒ材料的生物安全性，ＰＣＬ作为一种聚酯材料 具有理想的组织相容性，现在已安全地用于人体，该种形状 记忆聚合物以ＰＣＬ为可逆相，以其Ｔｍ作为材料的开关温 度，ＰＣＬ的分子母作为结构参数决定着的材料的宏观性能， 随着分子量的增加，聚合物的７Ｆｍ升高，材料的机械性能也 在可以在较宽的范围内进行调整，如断裂伸长率可以在 １８％～２１０％范嘲内进行调整。材料具有良好的形状记忆性 能，在热机循环实验中经５次循环后应变回复率为９２％一 ９７％，应变固定率为８６％～９７％。通过调节ＰＣＬ的分子量 材料的开火温度町以在３０一５０℃范嗣内进行调整。这种材 料在生物医学方面有潜在的应用空间，如导管、支架。
ｇｅｒｙ）领域也具有广泛的应用前景，众所周知，有些疾病采用 药物治疗往往见效慢、副作用大，为了找出可以取代药物治 疗的更好疗法，人们引入了微创手术技术，即以最小的侵袭 和最小的牛理干扰达到最佳外科疗效的一种新技术【２ｌ，其特 点是手术切ｕ小、病人恢复时间短，能有效地减轻病人的痛 苦。以可降解形状记忆材料制成的医用制品可以通过升高 温度使Ｊ￡发生形变、压缩，这样只需要一个很小的切几就可 以植入人体内，当放到所需的位置后再将其加热到体温序右 就可以使其恢复到所需的形状，而且经过一定时间后植入物 会被降解、吸收，这样就不再需要进行手术取｝ｌｊ植入物。众 所周知，这种材料要在临床应用，特别是植入人体的可生物 降解形状记忆高分子的要求也是非常苛刎的。这就要涉及
Ｉｎｖａｓｉｖｅ Ｓｕｒ－
到可降解形状记忆聚合物的设计问题。首先，作为可降解医 用高分子材料要满足一下三个基本要求：（１）适当的降解速 度；（２）适当的物理机械性能及可成型性；（３）具有牛物相容 性，聚合物和降解物均无毒。因此设计可降解形状记忆聚合 物包括两部分，一是要选择合适的交联结构作为固定相，用 来｝己忆材料的初始形状，另一个是要选择合适的分子链作为 可逆相。目前对形状记忆高分子材料的研究犬部分仅仅限 于物理交联聚降冰片烯”Ｊ、交联聚乙烯Ｈ“１和由二苯甲烷二 异氰酸酯等合成的普通聚氨酯一‘９】，由于它们不是作为医用 生物材料而专门研制的，它们的生物相容性差，在生物体内 或和牛物组织长期接触后的安全性还有待研究。尤其是由 芳香族二异氰酸酯合成的形状记忆高分子材料在体内降解 时，町能会产生有致癌作用的芳香胺，它不符合医用材料的 要求。通常可降解形状记忆聚氨酯材料可分为热塑性和热 固性。
Ａ等‘１¨用季戊叫醇、１，１，１一三羟甲基乙烷为
引发剂，二丁基氧化锡（ＤＢＴＯ）为催化剂，于１３０。Ｃ条件下， 将丙交酯和乙交酯通过开环聚合，得到不同组成、相对分子 质量、官能度的端羟基星型预聚物，然后于８０℃和脂肪族二 异氰酸酯（Ｉ，６一ｄｉｉｓｏｃｙａｎａｔｏ一２，２，４一ｔｆｉｍｅｔｈｙｌｈｅｘａｎｅ
出可降解形状记忆聚氨酯材料的应用前景及今后研究的重点。 【关键词】
随着目前，随着医疗科技的飞速发展，对临床医学应用 材料的要求也在不断的提高。人们希毕植入体内的材料只 是起到暂时替代的作用，如骨折内固定、药物控制释放等材 料，这砦材料会随着组织或器官的再生而逐渐降解吸收，以 最大的限度减少材料对机体的长期影响。这种材料还应具 有良好的机械性能，易于加工成犁，可改变成易于植入人体 的各种形状，植入人体后，在人体温度下，恢复成原来的形 状。正足由于以上原因诞牛了新型的高智能的材料，即可牛 物降解形状记忆聚合物材料。随着町降解材料在临床应用 方面取得了飞速的发展，又涌现出更多人性化的治疗理念， 使得目前普遍使用的町降解材料再无法满足临床上的要求， 因此迫切需要集降解性和多功能性等多种特性于一体的材 料来取代以往的可降解材料。目前开发出的具有形状记忆 效应的町降解材料ＪＥ是此类材料的代表，因此诞牛－ｒ新的课 题一可降解形状记忆聚氨酯材料。Ｙａｓｕｏ Ｓｈｉｋｉｎａ…等合成 了具有形状记忆特性的脂肪族聚酯类生物陕用材料，并将其 用作手术的缝合线及骨折内固定材料，随着时间的推移，聚 酯材料会慢慢地降解并被吸收，而不会对人体产牛危害，这 大大提高手术的方便性，同时也可以减轻患者的痛苦。此外 可降解的形状记忆材料在微创手术（Ｍｉｎｉｍａｌｌｙ
ｐｈｅｎｙｌ
Ｐ等¨川以辛酸亚锡为催化剂，乙＿－２醇为引发剂，１２０℃
条件下，合成出ＰＣＬ大分子二元醇．以其为软段，以甲苯二 异氰氨酯（Ｔｏｌｕｅｎｅ Ｄｉｉｓｏｃｙａｎａｔｅ，ＴＤＩ）为硬段，乙二醇（Ｅｔｈｙｌ．
ｅｎｅ
ａｃｅｔｏｐｈｅｎｏｎｅ，ＤＭＰＡ）条件下的合成结果相比，不使用
Ｇｌｙｃｏｌ，ＥＧ）为扩链剂，辛酸亚锡为催化剂，６５℃条件下合
１
热塑性可降解形状记忆聚氨酯 压电聚已内酯具有优越的牛物相容性、可生物降解性和
形状记忆性，它是一种半结晶型聚合物，其熔点为５９。Ｃ～ “℃，玻璃化温度为一６０℃，其结构重复单元上有５个非极 性亚甲基（一ＣＨ２一）和一个极性酯基（一Ｃ００一）具有很好 的柔韧性，但是它的强度不够，所以很多人尝试对其进行改 性用来合成聚氨酯。Ｋｉｍ和他的同事¨”１２ ｏ以ＭＤＩ、ｌ，４一丁 二醇和聚８一己内酯二醇为原料通过预聚的方法合成出一 种热甥型形状记忆聚氩酯，其中氨基甲酸酯硬段所形成的物 理交联结构构成了材料的固定相，聚８一己内酯构成材料的 可逆相，其数均相对分子质董为１６００—８０００，通过改变聚￡ 一已内酯的含量和相对分子质虽可以调整材料的转变温度， 其温度范围在４４～５５。ｅ之间。可逆相的结晶度会随其含量 和相对分子质量的增加而增加，但当其数均相对分子质量小 于２０００时则小会结晶。高相对分子质苗聚８一己内酯和高 硬段含最的聚氨酯有良好的形状记忆性能，在达到最大应变 的８０％时，材料的应变恢复率达到９８％。为了研究玻璃化
２００７，３６（３）：５ｌｌ一５１３．
善作用［Ｊ］．中医药临床杂志，２００７，１９（３）：２７０—２７１． ２０黄钢花，张丽，黎世明，等．黎氏哮喘方加减治疗小儿咳嗽变异 性哮喘３５例临床观察［Ｊ］．江苏ｌ｝ｌ医药，２００８，４０（１）：４８—４９．
收稿日期：２００８—０６—１９
１９韩瑞锋．金匮肾气丸合乇屏风散对咳嗽变异性哮喘肺功能的改
万方数据
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转变温度在室温和人体温度之间的可降解形状记忆聚氨酯，
Ｐｉｎｇ
的聚８一己内酯经甲基丙烯酸封端后用光聚合的方法合成 了一类热Ｉ司型形状记忆聚合物，研究人员发现与加入光引发 剂，如２，２一二甲氧基一２苯基苯乙酮（２，２一ｄｉｍｅｔｈｏｘｙ一２一
ａｎｄ，６
一ｄｉｉｓｏｃｙａｎａｔｏ一２，４，４一ｔｒｉｍｅｔｈｙｌｈｅｘａｎｅ）反应，制备出新型的 交联结构热同性可降解形状记忆聚氨酯。这种新型材料的 优势在于端羟基星形结构的预聚物中间的链段较为短小，与 其他町降解形状记忆聚氨酯中软段的链段相比更容易降解， 而ｆ￡这样特殊的星形结构让材料同时具备一定的机械强度。 其交联点是通过端羟基星型预聚物的三元醇和Ｉ，【ｌ元醇引发 剂构成，二异氰酸酯的偶合反应起到将星型预聚物连接到一 起的作用。由下交联点的存在，使材料具备形状记忆性，而 且其转变温度可以通过作为开父链段的预聚物的玻璃化转 变温度来调节。这种材料在降解时存在滞后期和快速降解 期。在其滞后期阶段材料仍町保持机械性能稳定，这种降解 特性更符合作为医用材料的要求。在植入体内一定时间内， 交联结构的形状记忆支架仍然具有稳定的机械性能，有利于 治疗目的，克服了非交联町降解高分子材料机械性能损失过 快的缺点。 Ｌｉｎ等¨８ｔ”ｊ则以聚氧化四甲基ｊ醇（ＦＦＭＯ）为软段，以 ＭＩ）Ｉ和ＢＤＯ为硬段合成了线性形状记忆Ｐｕ，研究了硬段含 量和软段分子量对其形状记忆行为的影响。发现不同ＭＤＩ／ ＢＤＯ配比的ＰＵ将显示不问的形态，硬段含量越高，其软段 Ⅸ和硬段区的相容性越好，Ｔｇ越高，形状恢复越完全。软段 ｆｒｌｌＭＯ也将影响Ｐｕ的微观形态，进而影响其形状记忆效果。 他们还用聚己：酸Ｊ‘二醇酯（ＰＢＡＧ）和ＭＤＩ反应，进而用三 羟甲基丙烷（ＴＭＰ）交联制备ｒ化学交联犁形状记忆ＰＵ，这 种ＰＵ以无定形态的ＰＢＡＧ软段为可逆相，以交联点为固定 相，ＴＭＰ越多，Ｔｇ越高，形状恢复速度越慢；ＰＢＡＧ分子量越 大，Ｔｇ越低，形状恢复速度越快。 ３结论 随着生命科学的飞速发展，以及人们对生物体认识的进
Ａｈｅｈｅｌｄ
成了一系列可降解形状记忆聚氨酯材料。研究发现。町以方 便的通过调整ＰＣＬ相对分子质量和硬段含量，将最低回复 温度ｅ，ＬＲＴ）控制在３７—４２℃的
范围内，用以满足人体植入的要求。 Ｍｉｎ等人¨４ ｏ用开环聚合的方法以乙二醇为引发剂先分 别合成了聚Ｌ一乳酸二醇（ＰＬＬＡ—ｄｉ０１）和乙交酯、己内酯的 共聚物二醇（ＰＧＣ—ｄｉ０１），然后以ｌ，６一正己烷二异氰酸酯 （１，６一ｈｅｘａｎｅｄｉｉｓｏｃｙａｎａｔｅ）为耦联剂制得一种降解性的多嵌 段的共聚物，该种材料有良好的机械和形状记忆性能、快速 的同复速度，并且通过改变材料的组成可以对这ｉ种性能进 行调整以满足不应用要求。研究表明这种共聚物的机械性 能是可调的，主要由两种大分子二元醇的链段长度和含量来 决定的。聚合物的形变同定率和形变回复牢都超过了 ９０％，调整聚合物的组成可获得转变温度在４５。Ｃ的产品，依 据不同相对分子质最和组成的ＰＬＬＡ和ＰＧＣ，材料在１—２ 个月内完全失去机械强度。虽然ＰＣＬ形状记忆材料具有材 质较轻、形变量大、形状恢复温度便于调整等优点，但是其强 度不够大，而且降解需要较长时问。 ２热固性可降解形状记忆聚氨酯 线型结构的热甥性形状记忆聚氨酯便于成形，可循环利 用，但是其形状记忆性能相对较差，不能重复多次，且随记忆 循环次数增加ｊ￡应变保持率和应变恢复率程递减趋势，有的 材料在第二次循环会急剧降低。而交联结构的热Ｉ古Ｉ性可降 解形状记忆聚氨酯能有效的避免这一缺点。Ｌｅｎｄｌｅｉｎ等¨纠 人选用分子量为２０００—１００３０、甲基丙烯酸封端的聚８一己 内酯与适量的内．烯酸正丁酯在熔点以上１０。Ｃ进行混合，在 无光引发剂Ｆ进行光聚合反应，制备出一类具有形状记忆功 能的ＡＢ型聚合物网络结构，通过调节聚的８一己内酯一：醇 的分子量、丙烯酸正丁酯的含量町以改变材料的参数以获得 所需的结晶度、开关温度和机械性能，材料的凝胶含量在 ９０％～９７％之间，在二氯甲烷中的溶胀率随着交联剂含量和 分子鼍的增加可从４００％增加到１０００％。丙烯酸ＩＦ ｊ‘酯的 含鼍对于材料的热性质影响显著，特别是在交联剂分子量为 ２０００时，此时当丙烯酸正丁酯含昔为１１％（ｗｔ％）时材料的 熔融温度为２５。Ｃ，当不含丙烯酸正丁酯时为３２。Ｃ；而当交联 剂分子量为１００００、丙烯酸正丁酯的含量为２０％～７ｌ％ （ｗ１％）时熔融温度大约在４６。～４９。之间。材料的机械性能 如弹性模量、拉伸强度和断裂应力随着丙烯酸正丁酯含量的 增加均呈下降趋势，而Ｒｒ和Ｒｆ值则旱上升趋势，形变固定 率为８５％一９５％，形变同复率为９３％～９８％。这类聚合物 显示出良好的形状记忆效应，与相形状记忆合金相比这种材 料的机械性能、开关温度很容易进行调整，且由于其成分具 有较好的生物相容性可用于生物Ｉ矢学领域。 随后在２００５年Ｌｅｎｄｌｅｉｎ等”。人用一系列不同分子鼍