水響應形狀記憶聚氨酯及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種水響應形狀記憶高分子材料，尤其涉及一種應用于組織工程的基 于嵌段共聚物的水響應形狀記憶聚氨酯。
【背景技術】
[0002] 組織工程支架是具有一定穩定性的三維支架，例如長方形、立方體、圓柱體等，以 便于植入體內后形成一個較穩定的新生組織生長空間。臨床上很多骨缺損均為非規則性缺 損，形狀固定的材料難以完整修復缺損的空間。在現有技術中，公開號為CN102921038A的 發明專利申請公開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，通過微創手術植 入人體后可在體溫下回復固有的孔隙度及孔徑大小，填充不規則的缺損空間。但是由于PCL 的熱傳導系數很小，且孔結構中得空氣熱傳導系數亦很小，導致其溫度響應速度慢。
[0003]XinzhuGu,aandPatrickT.Mather于 2013 年發表在RSCAdvances上 的 'Water-triggeredshapememoryofmultiblockthermoplasticpolyurethanes (TPUs) '文章中提及：水響應形狀記憶材料優于體溫響應形狀記憶材料之處在于：水響應 形狀記憶材料可以通過浸在水中即可恢復到原始形狀，而無需額外加熱，從而避免了熱量 對周圍組織的破壞。
[0004]YangB，WangWM等人在 2004 年發表于SmartMaterialsandStructures的一 篇'Ontheeffectsofmoistureinapolyurethaneshapememorypolymer' 文章中提 至|J:聚氨酯材料可以對水響應，恢復其原始形狀。該文章還探究了其機理，水分子破壞了高 分子聚合物中的氫鍵作用，使原來玻璃化的高分子網絡的運動性增強，從而降低了其玻璃 化溫度，此時聚合物呈現膠粘態，可以容易的改變聚合物形狀，當脫離水環境時，網絡間氫 鍵重新形成，從而形狀得以固定。
[0005] 此外，大多數患者希望植入物在體內只是起到暫時的替代作用，隨著自身組織的 再生，植入材料逐漸降解吸收。
【發明內容】
[0006] 本發明要解決的技術問題是提供一種機械性能好的水響應形狀記憶聚氨酯及其 制備方法。
[0007] 本發明解決其技術問題所采用的技術方案是： 一種水響應形狀記憶聚氨酯，具有式I重復結構單元：
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] 該水響應形狀記憶聚氨酯的硬段含量為10-40%。
[0011] 本發明還提供一種制備上述水響應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、擴鏈劑和適當含量的催化劑混合，采用 本體法合成所述水響應形狀記憶聚氨酯。
[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 為引發劑，在無水無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，所述擴鏈劑選用BD0。
[0015] 所述水響應形狀記憶聚氨酯由3D打印機采用熔融層積成型技術打印成型。
[0016] 與現有技術相比較，本發明提供的水響應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，使得本發明的聚氨酯材料具有水響應 特性，其形狀記憶固定率達到90%以上和恢復率達到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，可以有效的引導成骨細胞的貼附與分化；聚氨酯材料中的PCL嵌段、PGA嵌 段、PLA嵌段或PTMC嵌段具有高結晶度，使得本發明的聚氨酯材料具有良好的韌性； 將本發明的水響應形狀記憶聚氨酯可以應用于微創手術過程中作為骨支架、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，達到微創手術的目的；其對體內水環境進行自響應，可 自行恢復到原始形狀，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，無需再進行第二次手術將支架取出。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發明的水響應形狀記憶聚氨酯的細胞相容性實驗電鏡圖； 圖2為實施例3-6的水響應形狀記憶聚氨酯的形狀固定率對比柱狀圖； 圖3為實施例3-6的水響應形狀記憶聚氨酯的形狀回復率對比柱狀圖； 圖4為實施例3-6的水響應形狀記憶聚氨酯的細胞毒性對比柱狀圖。
【具體實施方式】
[0018] 在本發明說明書中，對嵌段共聚物、嵌段共聚物的嵌段或其他聚合物分子的分子 量限定都是指數均分子量。
[0019] 本發明的水響應形狀記憶聚氨酯使用下列原料組分制備： A) 包含聚乙二醇(英文縮寫為：PEG)嵌段的嵌段共聚物，該嵌段共聚物是在無水無氧 條件下，由PEG與相應的體內可降解的疏水性高分子聚合物的單體(例如：聚己內酯單體、 丙交酯、乙交酯、三亞甲基碳酸酯等）聚合(單體的概念很大，如需寫入開環聚合，請提供 對于單體的限定）而成；具體的，所述聚酯類高分子單體可以是聚己內酯單體（英文縮寫 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(英文縮寫為：HDI)、甲苯二異氰酸酯等二 異氰酸酯(英文縮寫為：TDI)等； C) 擴鏈劑，例如，丁二醇、1，4- 丁二醇(英文簡稱BD0)、丁二胺等。
[0020] 采用本體法將上述原料合成為本發明的本發明的水響應形狀記憶聚氨酯。
[0021] 下面通過實施例對本發明做進一步說明。
[0022] 實施例1-2為嵌段共聚物的制備實施例： 實施例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)為例說明三嵌段共聚物的制備過程：將帶有雙羥基末端PEG1000在1KTC下真空干燥 2小時，加入相應體積的無水無氧甲苯（lgPEG對應lml甲苯）中，加入相應質量的ε-CL和 總質量的萬分之一的辛酸亞錫，在無水無氧條件下150°C反應12小時。冷卻到室溫，用無 水二氯甲烷溶解，然后用乙醚沉、過濾、真空干燥既得PCL-b-PEG-b-PCL(1500-1000-1500)。
[0023] 實施例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) 為例說明二嵌段共聚物的制備過程：將帶有單羥基末端PEG1000在11(TC下真空干燥2小 時，加入相應體積的無水無氧甲苯（lgPEG對應lml甲苯)，加入相應質量的ε-CL和總質量 的萬分之一的催化劑辛酸亞錫，在無水無氧條件下150°C反應12小時。冷卻到室溫，用無水 二氯甲烷溶解，然后用乙醚沉、過濾、真空干燥既得PCL-b-PEG(3000-1000)。
[0024] 實施例1和實施例2中的無水無氧甲苯優選采用Na干燥得到。可以理解的，上述 嵌段共聚物的制備過程是可控反應，因此在投入的PEG的分子量不變的情況下，可以通過 控制PEG與ε-CL的投料比例來控制嵌段共聚物中各嵌段的分子量。
[0025] 關于PEG與ε-CL反應合成嵌段共聚物的方法請參見ShaobingZhou等三人于 2003 年發表在第 24 期Biomaterials期刊第 3563 頁-3570 頁的"