醫用HMDI基聚碳酸酯型聚氨酯彈性體的合成與表征

姜秀娟，石 銳，余成科，陳大福，張立群，2＊

（1．北京化工大學有機無機復合材料國家重點實驗室，北京100029；2．北京化工大學北京市新型高分子材料制備與成型加工重點實驗室，北京100029；3．北京市創傷骨科研究所，北京100035）

0 前言

聚氨酯彈性體具有良好的生物相容性、力學性能及耐久性、耐磨性等，現已廣泛應用于心臟起搏器絕緣線、人工血管、介入導管、人工關節、人工軟骨、神經導管、控制釋放載體等生物醫學領域中1－2。

醫用聚氨酯彈性體按多元醇種類可分為聚酯型、聚醚型和聚碳酸酯型等。聚酯型酯軟段易水解，且在體內酶作用下加速水解［3－4］，因此不適合做長期植入材料。目前應用最為廣泛的是聚醚型，但其易在血液中巨噬細胞作用下氧化降解或金屬離子誘導降解，導致生理條件下的應力開裂，造成性能穩定性下降［5－6］。目前生 物 穩 定 性 最 好 的 是 聚 碳 酸 酯 型［7－8］。Szycher等［9－10］研究表明，聚醚型聚氨酯可在體內較長時間穩定存在，但植入體會產生環境應力微裂紋，且微裂紋與醚鍵多少有關；這些微裂紋不僅降低聚合物性能，而且會成為血栓成核點，最終導致失效破壞；聚碳酸酯型聚氨酯可以克服微裂紋問題。但研究表明其抗水解、抗酶解能力還有待提高［11－12］。

在異氰酸酯中，二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI）是用途最為廣泛的一種原料。但已有研究表明MDI在體內降解會產生可強烈致癌、可誘導基因突變物質4，4′-二苯甲烷二胺（MDA）［13－14］。

基于上述兩方面綜合考慮，要制備一種可長期植入體內的生物穩定性彈性體，非MDI基聚碳酸酯型聚氨酯彈性體為優選配方。Tang等［15］用聚六亞甲基碳酸酯二醇、六亞甲基二異氰酸酯（HDI）及BDO合成了不同硬段含量的聚氨酯，并研究了其酶催化水解穩定性，表明硬段含量、軟段結晶性及氫鍵化程度對水解穩定性都有一定的影響。薛燕等［16］用溶液預聚法合成了以聚1，6-己二醇碳酸酯二醇（PHMCD）、異佛爾酮二異氰酸酯（IPDI）和三羥甲基丙烷（TMP）為原料的聚氨酯，研究了原料配比對其力學和形狀記憶性能的影響。而目前基于HMDI的聚碳酸酯型聚氨酯少見報道。

HMDI在化學結構上與MDI相似，用環己基六元環取代苯環，屬脂環族二異氰酸酯，可制得有優異光穩定性、耐候性和力學性能的不黃變聚氨酯制品［17］。The rmomedics公司開發了以HMDI為硬段結構的聚醚型聚氨酯材料 Tec oflex（tm）。Szycher等［13］研究證明由于Tec oflex（tm）不含苯環結構，因而不會產生致癌物質MDA。

本文采用脂環族異氰酸酯HMDI，合成了一種醫用聚碳酸酯基透明聚氨酯彈性體，表征了其微相分離結構、力學性能、水解性能及細胞毒性等，為制備一種可長期植入體內的生物穩定型醫用材料奠定基礎。

1 實驗部分

1．1 主要原料

PCD，相對分子質量2000，工業級，日本聚氨酯工業株式會社；

HMDI，化學純，德國Bayer公司；

BDO，分析純，天津市博迪化工有限公司；

BiCAT?8118，分析純，美國Shepchem公司；

磷酸鹽緩沖液（PBS，p H＝7．2～7．4），分析純，北京中衫金橋生物技術有限公司。

1．2 主要設備及儀器

傅里葉變換紅外光譜儀（FT－IR），Tensor 27，德國Bruker Optik公司；

差示掃描量熱儀（DSC），STARe system，瑞士Mettler－Toled公司；

動態力學熱分析儀（DMTA），VA3000，法國01dBMetravib公司；

凝膠滲透色譜儀（GPC），Waters150－C，美國 Waters公司；

萬能材料試驗機，CMT5000，深圳新三思公司。

1．3 樣品制備

預聚物的合成：將計量好的PCD在三口燒瓶中120～160℃真空脫水2～4 h，降溫至50～70℃，加入HMDI，于70～80℃恒溫反應2～3 h，脫泡得到預聚物A組分；將計量好的BDO與BiCAT混合30 min，脫泡得到B組分；

彈性體的制備：將計量好的A組分與B組分在三口燒瓶中80～90℃脫泡、攪拌至黏度較大但尚未凝膠時，迅速將物料倒入模具中澆注成型，100℃固化24 h，脫模、室溫存放7 d后進行性能測試。合成的1?！?＃聚氨酯樣品的硬段含量分別為28．8%、29．2%、32．5%、35．7%、38．9%。

1．4 性能測試與結構表征

化學結構表征：采用傅里葉變換紅外光譜儀表征聚氨酯的化學結構，ATR法進行測試；

熱性能測試：采用差示掃描量熱儀測試聚氨酯的玻璃化轉變溫度（Tg）及結晶行為，N2氣氛，以20℃／min的速率從25℃升溫至200℃保溫5 min后，以10℃／min的速率降溫至－100℃，然后以10℃／min的速率升溫至200℃；

微相分離結構表征：采用ATR法傅里葉變換紅外光譜儀及動態力學熱分析儀表征聚氨酯的微相分離結構，測試頻率1 Hz，應變0．1%，升溫速率3℃／min，升溫范圍為－100～150℃；

相對分子質量及分散系數測試：采用凝膠滲透色譜儀測試聚氨酯的相對分子質量及分散系數，溶劑為四氫呋喃，聚苯乙烯為標樣，進樣體積為50μL；

按照GB／T 528—1998采用萬能材料試驗機進行拉伸性能測試，拉伸速率為50 mm／min；

按照GB／T 7757—2009采用萬能材料試驗機進行壓縮性能測試，A法；

水解性能測試：樣品放置在37℃的磷酸鹽緩沖液中，每3 d換一次液，維持p H不變，分別浸泡1、3、5、7、10、20、30、40、70、100 d，用精度為0．0001 g的機械天平稱量，計算質量損失率及吸水率，取3個樣品的平均值；

細胞毒性測試：按照GB／T 16886．5—2003將材料浸提液與小鼠成纖維細胞（L929）接觸培養，進行了細胞形態學觀察，并用3-4，5二甲基-2-噻唑-2，5-二苯基溴化四唑（MTT）比色法對細胞毒性進行評價。

2 結果與討論

2．1 紅外分析

PCD與3＃的紅外譜圖如圖1所示，因1?！?＃的紅外譜圖相一致，為清晰起見，本文中省略。從圖1可以看出，PCD在3546 cm－1附近有明顯的—OH特征吸收峰，而在合成的聚氨酯中此吸收峰消失，說明PCD的羥基全部參與了反應；聚氨酯在2273～2242 cm－1處無—NCO吸收峰，說明制品無—NCO殘留。與PCD相比，聚氨酯中1740 cm－1附近自由峰形變寬，分裂出1710 cm－1附近鍵合特征峰；出現了3360 cm－1附近鍵合—NH伸縮振動峰以及1525 cm－1處C—N—H面內對稱彎曲振動峰。由此證明合成的材料具有聚碳酸酯型聚氨酯的結構。

圖1 原料PCD及合成的聚氨酯彈性體的紅外譜圖Fig．1 FT－IR spectra for PCD and synthetic PU elastomer

式中A峰1——位于分峰范圍內峰1曲線，峰位一般在1740 cm－1左右，為自由峰

圖2 紅外譜圖峰擬合曲線Fig．2 The fitting curves for FT－IR spectra of the peak

A峰2——分峰范圍內峰2曲線底部包圍面積，峰位一般在1720 cm－1左右，為氫鍵化峰

A峰3——分峰范圍內峰3曲線底部包圍面積，峰位一般在1700 cm－1左右，為氫鍵化峰

A峰4——分峰范圍內峰4曲線底部包圍面積，峰位一般在1660 cm－1左右，為氫鍵化峰

擬合單峰面積及氫鍵化程度數據列于表1。從表1可看出，隨著硬段含量增加，氫鍵化程度增大。在聚碳酸酯型聚氨酯中，硬段及軟段均存在硬段氫鍵化加強有利于微相分離，而軟段氫鍵化加強則不利于微相分離。

表1 合成的聚氨酯彈性體的C O氫鍵化程度計算結果Tab．1 Calculation results for C O hydrogen bonds degree of synthetic PU

2．2 DSC分析

DSC測試的第二次升溫曲線如圖3所示。從圖3可以看出，所有樣品的Tg均在－37～－20℃之間，均比PCD高，說明合成的聚氨酯彈性體并不是完全相分離，存在一定程度的相混合；其次，合成的聚氨酯彈性體無明顯的結晶峰出現，說明所合成的聚氨酯彈性體在室溫及體溫下均為透明無定形彈性體；第三，隨著硬段含量增加，軟段的Tg呈逐漸升高的趨勢。

圖3 原料PCD及合成的聚氨酯彈性體的DSC曲線Fig．3 DSC curves for PCD and synthetic PU elastomers

2．3 DMTA分析

從圖4可以看出，隨著硬段含量的增加，損耗因子tanδ峰值處溫度依次升高，表明軟段Tg依次升高，這與DSC測試結果一致；隨著硬段含量的增加，tanδ峰值依次降低，而溫域逐漸變寬，進一步證實了材料的微相分離程度依次降低。結合紅外譜圖C O擬合分峰結果，氫鍵化程度隨硬段含量增加而增大，這表明合成的聚氨酯彈性體中軟段C O氫鍵占主導，隨硬段含量增加，相容性增加，微相分離程度降低。從圖5可以看出，隨硬段含量升高，彈性模量依次增大。

圖4 合成的聚氨酯彈性體的損耗因子曲線Fig．4 Loss factor curves for synthetic PU elastomers

2．4 GPC法測相對分子質量

從表2可以看出，合成的聚氨酯彈性體的重均相對分子質量均在35000以上，分散系數在1．82～2．96之間；隨硬段含量升高，重均相對分子質量呈先增大后減小趨勢，分散系數逐漸增大。這是因為硬段含量較低時，預聚時異氰酸酯過量較少，單體過量分率低，預聚物聚合度高，分散系數小，但預聚物黏度大，擴鏈時鏈移動阻力大導致相對分子質量不高；硬段含量較高時，單體過量分率高，預聚物聚合度小，分散系數大，當硬段含量過高時可能存在少量異氰酸酯單體，擴鏈時擴鏈劑可與單體異氰酸酯反應，進一步導致相對分子質量降低和分散系數增大。

圖5 合成的聚氨酯彈性體的彈性模量曲線Fig．5 Elastic modulus curves for synthetic PU elastomers

表2 合成的聚氨酯彈性體的GPC測試結果Tab．2 GPC results for synthetic PU elastomers

2．5 力學性能測試

從圖6和表3可以看出，隨硬段含量的增加，拉伸強度先增大后減小，斷裂伸長率則呈逐漸降低趨勢，剛性增強，硬度逐漸升高。拉伸強度變化趨勢與相對分子質量變化趨勢一致，相對分子質量越大，分子鏈越長，拉伸時使團狀分子整鏈拉伸并產生相對滑動需要的力越大，因此拉伸強度也越大。

圖6 合成的聚氨酯彈性體的拉伸應力應變曲線Fig．6 Tensile stress－strain curves for synthetic PU elastomers

表3 合成的聚氨酯彈性體的拉伸性能Tab．3 Tensile properties of synthetic PU elastomers

從圖7可以看出，壓縮模量隨著硬段含量增高而增大，這與拉伸應力應變曲線中模量及硬度變化一致。

圖7 合成的聚氨酯彈性體的壓縮應力應變曲線Fig．7 Compression stress－strain curves for synthesis PU elastomers

2．6 水解質量損失率、吸水率

從圖8和圖9可以看出，不同樣品浸泡20 d內的質量損失率隨時間推移呈逐漸增大趨勢，20 d后質量損失率趨于穩定，在0．6%～0．7%左右；浸泡10 d內吸水率隨時間推移呈逐漸增大趨勢，10 d后吸水率趨于飽和，保持在0．9%～1．1%左右。表明所合成的聚氨酯彈性體存在一定的微降解，但仍具有較好的耐水解性。

圖8 水解不同時間后合成的聚氨酯彈性體的質量損失率Fig．8 Mass loss rate of synthesis PU elastomers with different hydrolysis time

圖9 水解不同時間后合成的聚氨酯彈性體的吸水率Fig．9 Water absorption of synthesis PU elastomers with different hydrolysis time

2．7 體外細胞毒性

根據體外細胞毒性試驗評級［19］，RGR≥100%為0級，75%～99%為1級，50%～74%為2級，25%～49%為3級，0～24%為4級，0為5級。其中0～1級為合格，2級需結合細胞形態綜合評定，3～5級為不合格。RGR的計算方式如式（2）所示。

式中RGR——細胞相對增值率，%

OD——光密度，是吸光度的檢測單位，取1

從圖10可以看出，除3＃浸泡144 h毒性為2級外，其他均為0～1級毒性，合格。

圖10 L929細胞相對增值率Fig．10 The relative growth rate of L929 cells

L929細胞在3＃樣品及陰性對照組材料浸提液中培養144 h后的形態如圖11所示。從圖11可以看出，相對于對照組來說，3＃樣品僅細胞密度略減少，細胞形態多成菱形或梭形，形態變化不大，因此為3＃樣品為低毒材料。

圖11 L929細胞培養144 h的細胞形態圖（10×）Fig．11 L929 cell morphology after 144 h

3 結論

（1）采用預聚物法合成出了一系列的HMDI基聚碳酸酯型透明的無定形聚氨酯彈性體，系統表征了其微相分離結構及力學性能、水解性能及生物相容性；

（2）隨硬段含量增加，合成的聚氨酯彈性體微相分離程度降低；相對分子質量及拉伸強度均呈先增大后減小趨勢，分散系數逐漸增大；斷裂伸長率呈逐漸降低趨勢，剛性、硬度及壓縮模量均逐漸增大；

（3）合成的聚氨酯彈性體水解吸水率及質量損失率隨時間先增大后趨于飽和，100 d內質量損失率和吸水率均低于1．1%，表明合成的聚氨酯彈性體具有較好的耐水解性；

（4）體外細胞毒性基本為0～1級，表明合成的聚氨酯彈性體具有較好的生物相容性，作為可長期植入體內的生物穩定型醫用材料具有良好的應用前景。

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