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医用可降解形状记忆材料聚氨酯的研究进展

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牡丹江医学院学报 2008年 第29卷 第4期 JOURNAL OF MUDANJIANG MEDICAL COLLEGE Vo1.29 NO.4 2008 ・83・ l7宋虹.氯雷他定加布地奈德对4,JL咳嗽变异性哮喘的疗效研究 善作用[J].中医药临床杂志,2007,19(3):270—271. 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或和生物组织长期接触后的安全性还有待研究。尤其是由 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 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 料来取代以往的可降解材料。目前开发出的具有形状记忆 时,可能会产生有致癌作用的芳香胺,它不符合医用材料的 效应的可降解材料正是此类材料的代表,因此诞生了新的课 要求。通常可降解形状记忆聚氨酯材料可分为热塑性和热 题一可降解形状记忆聚氨酯材料。Yasuo Shikina…等合成 固性。 了具有形状记忆特性的脂肪族聚酯类生物医用材料,并将其 1 热塑性可降解形状记忆聚氨酯 用作手术的缝合线及骨折内固定材料,随着时间的推移,聚 压电聚己内酯具有优越的生物相容性、可生物降解性和 酯材料会慢慢地降解并被吸收,而不会对人体产生危害,这 形状记忆性,它是一种半结晶型聚合物,其熔点为59 ̄C~ 大大提高手术的方便性,同时也可以减轻患者的痛苦。此外 64℃,玻璃化温度为一60 ̄C,其结构重复单元上有5个非极 可降解的形状记忆材料在微创手术(Minimally Invasive Sur- 性亚甲基(一CH2一)和一个极性酯基(一COO一)具有很好 gery)领域也具有广泛的应用前景,众所周知,有些疾病采用 的柔韧性,但是它的强度不够,所以很多人尝试对其进行改 药物治疗往往见效慢、副作用大,为了找出可以取代药物治 性用来合成聚氨酯。Kim和他的同事 以MDI、1,4一丁 疗的更好疗法,人们引入了微创手术技术,即以最小的侵袭 二醇和聚s一己内酯二醇为原料通过预聚的方法合成出一 和最小的生理干扰达到最佳外科疗效的一种新技术 J,其特 种热塑型形状记忆聚氨酯,其中氨基甲酸酯硬段所形成的物 点是手术切口小、病人恢复时间短,能有效地减轻病人的痛 理交联结构构成了材料的固定相,聚e一己内酯构成材料的 苦。以可降解形状记忆材料制成的医用制品可以通过升高 可逆相,其数均相对分子质量为1600~8000,通过改变聚£ 温度使其发生形变、压缩,这样只需要一个很小的切口就可 。_己内酯的含量和相对分子质量可以调整材料的转变温度, 以植入人体内,当放到所需的位置后再将其加热到体温左右 其温度范围在44—55%之间。可逆相的结晶度会随其含量 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 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 会被降解、吸收,这样就不再需要进行手术取出植入物。众 于2000时则不会结晶。高相对分子质量聚£一己内酯和高 所周知,这种材料要在临床应用,特别是植人人体的可生物 硬段含量的聚氨酯有良好的形状记忆性能,在达到最大应变 降解形状记忆高分子的要求也是非常苛刻的。这就要涉及 的80%时,材料的应变恢复率达到98%。为了研究玻璃化 牡丹江医学院学报 ・2008年 第29卷 第4期 84・ JOURNAL OF MUDANJIANG MEDICAL COLLEGE Vo1.29 NO.4 2008 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 P等¨ 以辛酸亚锡为催化剂,乙二醇为引发剂,120% 条件下,合成出PC[ 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 Glycol,EG)为扩链剂,辛酸亚锡为催化剂,65%条件下合 成了一系列可降解形状记忆聚氨酯材料。研究发现,可以方 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(Lowest Recovery Temperature,LRT)控制在37~42%的 范围内,用以满足人体植入的要求。 Min等人 j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—dio1)和乙交酯、己内酯的 共聚物二醇(PGC—dio1),然后以1,6一正己烷二异氰酸酯 (1,6一hexane diisocyanate)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 的回复速度,并且通过改变材料的组成可以对这三种性能进 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。聚合物的形变固定率和形变回复率都超过了 90%,调整聚合物的组成可获得转变温度在45%的产品,依 据不同相对分子质量和组成的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 线型结构的热塑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 循环次数增加其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。而交联结构的热固性可降 解形状记忆聚氨酯能有效的避免这一缺点。Lendlein等 人选用分子量为2000~10000、甲基丙烯酸封端的聚8一己 内酯与适量的丙烯酸正丁酯在熔点以上1O℃进行混合,在 无光引发剂下进行光聚合反应,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s一己内酯二醇 的分子量、丙烯酸正丁酯的含量可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 分子量的增加可从400%增加到1000%。丙烯酸正丁酯的 含量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量为1 1%(wt%)时材料的 熔融温度为25 ̄C,当不含丙烯酸正丁酯时为32℃;而当交联 剂分子量为10000、丙烯酸正丁酯的含量为20%一71% (wt%)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值则呈上升趋势,形变固定 率为85%~95%,形变回复率为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医学领域。 随后在2005年Lendlein等0 人用一系列不同分子量 的聚s一己内酯经甲基丙烯酸封端后用光聚合的方法合成 了一类热固型形状记忆聚合物,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 phenyl acetophenone,DMPA)条件下的合成结果相比,不使用 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,且保证了材料的生物安全性,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的分子量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Tm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%范围内进行调整。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%~ 97%,应变固定率为86%~97%。通过调节PCL的分子量 材料的开关温度可以在30~5O℃范围内进行调整。这种材 料在生物医学方面有潜在的应用空问,如导管、支架。 Alteheld A等 用季戊四醇、l,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 异氰酸酉目(1,6一diisocyanato一2,2,4~trimethylhexane and,6 diisocyanato一2,4,4一trimethylhexane)反应,制备出新型的 交联结构热固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问的链段较为短小,与 其他可降解形状记忆聚氨酯中软段的链段相比更容易降解, 而且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四元醇引发 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。由于交联点的存在,使材料具备形状记忆性,而 且其转变温度可以通过作为开关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可保持机械性能稳定,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,克服了非交联可降解高分子材料机械性能损失过 快的缺点。 Lin等 ’ 则以聚氧化四甲基二醇(FFMO)为软段,以 MDI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MDL/ BDO配比的PU将显示不同的形态,硬段含量越高,其软段 区和硬段区的相容性越好,_rg越高,形状恢复越完全。软段 PTMO也将影响PU的微观形态,进而影响其形状记忆效果。 他们还用聚己二酸丁二醇酯(PBAG)和MDI反应,进而用三 羟甲基丙烷(TMP)交联制备了化学交联型形状记忆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,.rg越高,形状恢复速度越慢;PBAG分子量越 大,_rg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 牡丹江医学院学报 2008年 第29卷 第4期 JOURNAL OF MUDANJIANG MEDICAL COLLEGE Vo1.29 NO.4 2008 ・85・ 一步深人,可生物降解材料在医学领域获得了快速的发展, sitions in toluene diisocyanate—based polyurethanes with poly(pro- pylene glyco1)as the soft segment by thermally stimulated current de— polarization with relaxation mapping analysis.Journal of Applied Pol— 如可用作手术缝合线、骨折固定装置、药物缓释材料和器官 修复材料等,与非降解材料相比利用这种材料制成的医用装 置可以被人体降解和代谢吸收,免除了患者需二次手术的痛 苦。但是随着新的医疗技术和治疗理念的层层不穷,例如微 创手术,需要材料植入前尽量小巧,进入人体后在体温下才 ymer Science,1999,73(4):527—545. 10 Byung KK,Sang YL,Mao X.Polyurethanes having shape memory effects.Polymer,1996,37(26):5781—5793. 11 Li F,Hou JA,ZhuW,et a1.,Crystallinity andmorphology of segmen— ted polyurethanes with different soft—segment length.Journal of Ap— 变为所需形状,目前的可降解材料无法满足临床上更高的要 求,因此迫切需要将可降解性和其他更优异的材料性能结合 plied Polymer Science,1996,62(4):631—638. 12 IJi F,Zhang X,Hou JA,et a1.,Studies on thermally stimulated shape memory effect of segmented polyurethanes.Journal of Applied Poly— 起来,如将材料的形状记忆性能和可降解性能相结合,开发 出新一代的具有形状记忆性能的可降解植人材料,将具有良 好的应用前景。 参考文献 1 Shikinami Y.Shape—memory,biodegradable and absorbable materi— a1.US Patent.628l262,2001. mer Science,1997,64(8):1511~1516. 13 Ping P,Wang WS,Chen XS,et a1.Poly(epsilon—caprolactone)pol— yurethane and its shape—memory property.Biomacromolecules, 2005,6(2):587—592. 14 Min CC,Cui WJ,Bei JZ,et a1.Biodegradable shape—memory poly— 2王正国.微创外科刍议.解放军医学杂志,2002,27(2):104— 105. mer—polylactide—co—poly(glycolide—eo—caprolactone) muhiblock copolymer.Polymers for Advanced Technologies,2005, 3 Jeon HG,Mather PT,Haddad TS.Shape memory and nanostrueture in 16(8):608—615. 15 Lendlein A,S AM,LangerR.AB—polymer networks based off oligo poly(norbornyl—POSS)copolymers.Polymer International,2000,49 (5):453—457. 4 Li FK,Zhu W,Zhang X,et a1.Shape memory effect of slightly— (一caprolaetone)segments showing shape—memory properties.Pro- ceedings of the National Academy of Sciences of the United States of crosslinked polyethylene.Chinese Journal of 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