張寧欣，安子韓，趙義平，代鳳英，陳 莉

(分離膜與膜過程國家重點實驗室，天津工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387)

1 引 言

目前，生物醫(yī)用高分子材料的應(yīng)用已遍及人工器官、外科修復(fù)、理療康復(fù)、診斷治療和藥物釋放等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[1]。其中，輸尿管支架管作為生物醫(yī)用高分子材料的典型分支之一，其植入手術(shù)已成為治療各種與尿路阻塞和損傷相關(guān)疾病的主要手段。因此，支架管材料的選擇和制備成為研究熱點。支架管主要由高分子材料制成[2]，其中聚氨酯材料應(yīng)用最為普遍[3]，此類材料具有彈性好、生物相容性好等特點。但是，臨床用輸尿管支架管獨特的雙J型結(jié)構(gòu)卻增加了植入手術(shù)的操作難度。因此，致力于尋找一種生物相容性好且具有形狀記憶性能的聚氨酯材料，利用成型工藝及溫度響應(yīng)性，降低手術(shù)植入難度并在人體溫度驅(qū)動下恢復(fù)為原來的形狀，以替代傳統(tǒng)的聚氨酯輸尿管支架管。

形狀記憶聚氨酯(SMPU)是具有刺激響應(yīng)性的嵌段共聚物，由軟段和硬段組成，可通過調(diào)節(jié)不同軟硬段比例來調(diào)控結(jié)晶溫度，實現(xiàn)在特定溫度下的響應(yīng)及形狀記憶效應(yīng)。特殊的微相分離結(jié)構(gòu)，賦予聚氨酯彈性體良好的穩(wěn)定性、優(yōu)異的力學(xué)性能及較好的生物相容性[4]，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注[5-6]。Lendlein等[7]用聚己內(nèi)酯(PCL)、聚對二惡烷酮(PPDO)與三甲基-1，6-六亞甲基二異氰酸酯(TMDI)制備了一系列可生物降解的形狀記憶聚氨酯。Fan Xiaoshan等[8]用不同比例的左旋聚乳酸和消旋聚乳酸與4，4-二環(huán)己基甲烷二異氰酸酯(HMDI)反應(yīng)制備了具有形狀記憶性的聚氨酯，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度在3～46℃之間，與體溫相近。Yang Xifeng等[9]通過ε-己內(nèi)酯開環(huán)聚合制備了星型多臂聚乙內(nèi)酯二醇(PCL-diol)，星型聚己內(nèi)酯再與4，4-二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI)和BDO反應(yīng)分別制備了3S-PU、4S-PU、6S-PU，其中6S-PU具有較寬的熔融溫度范圍，表現(xiàn)出優(yōu)異的三重形狀記憶效應(yīng)，可在40和65℃下實現(xiàn)形狀記憶及恢復(fù)。張玉芬等[10]將接枝改性后的多壁碳納米管通過原位聚合法與形狀記憶聚氨酯合成SMPU/MWNT-PMMA復(fù)合材料。但是，這些SMPU材料在輸尿管支架管領(lǐng)域的應(yīng)用卻鮮有報道，并且在人體溫度附近的低形狀恢復(fù)率仍然限制其應(yīng)用。

本研究選用FDA認(rèn)證的具有良好生物相容性的PCL-diol)為軟段，IPDI為硬段，BDO為擴(kuò)鏈劑，二月桂酸二丁基錫(DBTDL)為催化劑，采用縮聚法，通過調(diào)控軟硬段的比例制備了在人體溫度附近(37±2℃)具有良好溫度響應(yīng)性的形狀記憶聚氨酯。采用熔融擠出法制備了雙J型支架管。SMPU兩種不相容的鏈段以化學(xué)鍵相連，導(dǎo)致聚氨酯形成微相分離結(jié)構(gòu)[11]。PCLUs的形狀記憶機(jī)理如圖1所示，大分子鏈的運動使材料具有形狀記憶效應(yīng)，其中軟段為結(jié)晶相等有序堆積結(jié)構(gòu)，在形狀記憶過程中會經(jīng)歷晶體的轉(zhuǎn)變、熔融與再堆積，形成新的晶體[12]。晶體的融化使SMPU獲得了形變能力，晶體的再次形成使SMPU具有固定當(dāng)前形狀的能力，而硬段區(qū)的分子抑制了材料在變形過程中發(fā)生塑性形變，從而制備出人體溫度附近高恢復(fù)率的具有良好力學(xué)性能和可降解性的聚己內(nèi)酯基形狀記憶聚氨酯輸尿管支架管，有望應(yīng)用于輸尿管支架管領(lǐng)域。

圖1 PCLUs的形狀記憶過程機(jī)理圖Fig.1 Mechanism of shape memory effect of PCLUs

2 實 驗

2.1 原料

數(shù)均分子量為2000的聚ε-己內(nèi)酯(PCL-diol)；異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)；1，4-丁二醇(BDO)；二月桂酸二丁基錫(DBTDL)；N，N-二甲基甲酰胺(DMF)；三氯甲烷，商用聚氨酯輸尿管支架PCLU-ST(ST-197628型)。其余未提及的試劑均為分析純，可直接使用。

2.2 聚己內(nèi)酯基聚氨酯及其輸尿管支架管的制備

聚氨酯通過縮聚反應(yīng)制得。首先，將10g的PCL-diol預(yù)聚物加入到帶有冷凝管且通有N2的三口燒瓶反應(yīng)裝置中，待預(yù)聚物完全溶解后，加入6.1g的IPDI，10min后加入反應(yīng)物總質(zhì)量1.0wt%的DBTDL，繼續(xù)反應(yīng)20min后加入30ml的DMF，80℃下反應(yīng)2h。最后加入1.8g的BDO，將溫度升高到90℃，反應(yīng)10h，后降至40℃保溫12h。反應(yīng)結(jié)束后，待溫度降至25℃，將溶液滴加到冰乙醚中沉淀，純化后的產(chǎn)物冷凍干燥24h，得到干燥的PCLUs。聚氨酯的制備流程如圖2所示，投料比見表1。取合成的PCLUs加入到微型熔融擠出機(jī)內(nèi)，通過模具擠出管狀高聚物熔體，再通過定型、冷卻和牽引，最終制備得到輸尿管中空支架管。

2.3 測試方法

采用紅外光譜儀(FTIR，TENSOR37)的全反射模式進(jìn)行紅外測試，掃描范圍為400～4000cm-1。采用核磁共振儀(1H-HNR，AVANCE AV 300)進(jìn)行氫譜測試，分析化學(xué)結(jié)構(gòu)。采用差示掃描量熱儀(DSC 200-F3)測試熱性能參數(shù)，測溫區(qū)間為-20～100℃，升溫速率和降溫速率均為10℃/min，氣氛為N2。

通過結(jié)晶度公式計算出結(jié)晶度：

圖2 形狀記憶PCLUs的合成示意圖Fig.2 Synthetic route of PCLUs shape memory polyurethanes

表1 PCLUs制備及各組分配方表Table 1 Synthesis of PCLUs by Polymerization of PCL，IPDI and BDO with DBTDL as catalyst in DMF

其中：Xc是PCLUs的結(jié)晶度，ΔHm是PCLUs熔融焓變值，完全結(jié)晶時PCL晶體的熔融焓變值為140 J/g，wt.%為PCLUs中軟段含量。

采用INSTRON萬能強(qiáng)力機(jī)，進(jìn)行力學(xué)性能測試，樣條尺寸為50×5×0.1mm，有效加持距離為20mm，溫度為20℃，濕度為30%，拉伸速率為10mm/min。

形狀記憶性能采用“折疊-展開”的形狀記憶測試方法表征[13]，變形溫度Ts為40℃，形狀固定溫度Ta為10℃，彎曲角度為180°，通過下式計算形狀固定率和形狀回復(fù)率：

其中：θd為形狀固定變形角度，θh為形狀回復(fù)剩余角度。

將PCLUs管截成小段，使每小段重量在0.15～0.20g范圍內(nèi)，取每種軟-硬段比例的PCLUs制備的輸尿管支架管小段16個，真空干燥，準(zhǔn)確稱重(W0)，然后將樣品浸泡于p H=5.8的模擬尿液中，并置于恒溫震蕩器內(nèi)，調(diào)節(jié)溫度至37℃，模擬尿液每周更換一次，按浸泡時間分別于2、4、6、8、10、12、14及30周時取出兩個平行樣品，去離子水沖洗，觀察形態(tài)，冷凍干燥后進(jìn)行重量損失測定。重量損失通過式(3)計算：

其中，W0是降解前質(zhì)量，Wt是降解不同時間后的質(zhì)量。

3 結(jié)果與討論

3.1 FT-IR檢測結(jié)果與分析

不同摩爾比的PCL、IPDI及BDO制備的PCLUs的FTIR測定結(jié)果如圖3所示。從圖可見，通過兩步法縮聚反應(yīng)成功地制備了不同投料比的PCLUs。在2270cm-1處沒有出現(xiàn)N=C=O的伸縮振動吸收峰，這說明所有的IPDI都參與了反應(yīng)[14]。硬段上N-H基的游離態(tài)吸收峰在3460cm-1處左右，氫鍵化的NH基的吸收峰在3310cm-1處左右[15]，當(dāng)有氫鍵時，NH伸縮振動頻率向低波數(shù)處移動，故在3350cm-1處出現(xiàn)N-H基吸收峰，說明分子鏈中N-H基團(tuán)部分氫鍵化；C=O基團(tuán)存在于氨基甲酸酯和PCL-diol的酯基中，當(dāng)硬段上的C=O基團(tuán)處于游離態(tài)，其吸收峰在1695cm-1處，有序相氫鍵化吸收峰則在1635～1645cm-1處[16]，所以，1710cm-1附近出現(xiàn)的峰值表示分子鏈中的C=O基本處于未氫鍵化的狀態(tài)。2784～3050cm-1處為PCLUs中C-H的伸縮振動吸收峰；1523cm-1處為N-H的變形振動吸收峰，1460cm-1處為C-H的變形振動吸收峰，1154cm-1附近則為C-OC的伸縮振動吸收峰。

圖3 IPDI和BDO不同摩爾比的PCLUs的FIR圖譜Fig.3 FTIR spectra of PCLUs with different molar raito of IPDI/BDO

3.2 1 H-NMR檢測結(jié)果與分析

圖4 為PCLU4的1H-NMR譜圖。譜圖上δ=7.99ppm的質(zhì)子峰對應(yīng)PCLUs中-NH a的氫質(zhì)子峰；δ=4.26，4.04，2.87，2.30，1.62～1.66，1.58，1.32～1.42ppm處的質(zhì)子峰分別對應(yīng)PCLUs中-CH2-(6，9，5，c，1，2，4，7，8，b，3)的氫質(zhì)子峰；δ=2.95ppm處的質(zhì)子峰對應(yīng)PCLUs中-CH-d的氫質(zhì)子峰；δ=1.05～1.17ppm處的質(zhì)子峰對應(yīng)PCLUs中-CH3e的氫質(zhì)子峰；δ=7.29ppm處為溶劑CDCl3的質(zhì)子峰。根據(jù)1H-NMR譜圖結(jié)果顯示，PCLUs的化學(xué)結(jié)構(gòu)與預(yù)期結(jié)果一致[17]。

圖4 PCLU4的1 H-NMR譜圖Fig.4 1 H-NMR spectra of PCLU4

3.3 DSC檢測結(jié)果與分析

PCLUs的DSC曲線如圖5所示。從圖可見，PCLU1～PCLU4的Tm分別在37～50.5℃之間，PCLUs由軟段相和硬段相兩部分組成，吸收峰為軟段相PCL的結(jié)晶熔融峰，且隨著硬段含量的增加，熔融溫度向低溫移動，焓值降低。這主要是因為軟段相PCL結(jié)晶度降低以及硬段相抑制軟段相結(jié)晶造成的。其中PCLU4的熔融溫度最低為37.1℃，與人體溫度最為接近。完全結(jié)晶時PCL晶體的ΔHm為140J/g，通過式(1)計算出PCLU1～PCLU4的結(jié)晶度分別為49.64%，42.10%，39.73%和26.34%，與理論規(guī)律相符。

圖5 不同硬段含量的PCLUs的DSC曲線圖Fig.5 DSC heating scans of PCLUs containing different hard segment

3.4 力學(xué)性能測試結(jié)果與分析

圖6 為不同硬段含量的PCLUs的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率柱狀圖。從圖可見，隨著硬段含量的增加，PCLUs的斷裂強(qiáng)度增加而斷裂伸長率則降低。這是因為在拉伸狀態(tài)下，材料的形變主要是由軟段相鏈段的滑移產(chǎn)生的，軟鏈段在高分子中占主體并貫穿于整個體系中，硬段含量的增加使得硬段相更容易形成穩(wěn)定的硬段區(qū)，從而形成物理交聯(lián)結(jié)構(gòu)，對軟段相鏈段運動的束縛增強(qiáng)，對軟段區(qū)鏈段滑移的阻礙作用也增強(qiáng)，使得試樣不易伸長，從而導(dǎo)致聚氨酯拉伸斷裂強(qiáng)度增加，斷裂伸長率減小[18]。其中PLCU4的拉伸強(qiáng)度達(dá)到了18.8MPa，與PCLU-ST拉伸強(qiáng)度比較接近，可以滿足輸尿管支架的使用力學(xué)強(qiáng)度。

圖6 不同硬段含量的PCLUs的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率Fig.6 Tensile strength and enlongation at break of PCLUs containing different hard segment

3.5 形狀記憶性能的測定

聚氨酯的形狀記憶恢復(fù)過程見圖7。從圖可見，在前36s其形狀回復(fù)速率較快，隨著時間的增加回復(fù)速率逐漸降低，180s后形狀不再變化，形狀回復(fù)率較高(～87%)。所制備的PCLUs及PCLU-ST的形狀固定率Rf和形狀回復(fù)率Rr結(jié)果如表2所示。從表中可知，隨著硬段含量逐漸增加，PCLU1到PCLU4的形狀回復(fù)率先增加后降低。這是由于硬段本身作為固定相分布在軟段中，起到物理交聯(lián)點的作用，形成穩(wěn)定的物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)[10]，且具備較大的剛性，其含量的增加將導(dǎo)致可逆相的回復(fù)性增加，即有利于形狀記憶行為的實現(xiàn)[19]。但過高的硬段含量(PCLU3、PCLU4)會使得形狀記憶聚氨酯的相分離程度過大，不利于形狀的回復(fù)。

圖7 PCLU4的形狀記憶恢復(fù)過程Fig.7 Shape recovery process of the PCLU4

表2 PCLUs及PCLU-ST的形狀固定率和形狀回復(fù)率Table 2 Shape fixity and shape recovery for PCLUs and PCLU-ST

3.6 降解性能檢測結(jié)果與分析

輸尿管支架管的降解過程是先表面的侵蝕，然后是整體結(jié)構(gòu)的破壞，在整個降解過程中，大分子先分解成小分子，隨后隨代謝物排出體外。由表3可知，支架管在6周內(nèi)基本無降解，而在14周時降解率可達(dá)34%。隨著時間的延長，與PCLU-ST相比，PCLU4可以基本完全降解，而PCLU-ST未發(fā)生降解行為。同時，聚氨酯材料中硬段含量的增加對其親水性有一定的影響，隨著硬段含量的增加，接觸角變大，略高于臨床用輸尿管支架管。

表3 PCLU4的降解率Table 3 Weight loss of PCLU4

4 結(jié) 論

以PCL-diol、IPDI和BDO為主要成分，通過兩步法縮聚反應(yīng)制備了PCLUs。其中PCL-diol作為軟段，IPDI和BDO作為硬段，隨著硬段含量的增加，共聚物的結(jié)晶度降低。采用熔融擠出法制備了直徑為2mm的輸尿管支架管。所制備的輸尿管支架管6周內(nèi)基本無降解，在14周時降解率可達(dá)34%。其中，軟段含量為71.7%時，得到的PCLU4的相轉(zhuǎn)變溫度為37.1℃，與人體溫度相近，因此，制備的聚氨酯輸尿管支架管具有良好的形狀記憶效應(yīng)，形狀固定率達(dá)到90%以上，形狀回復(fù)率高于87%，并且具備實際使用所需的力學(xué)強(qiáng)度，有望應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。