聚合物共混物、其制备方法及其用途、两亲性弹性体和水凝胶

本发明涉及一种部分或完全可交联的聚合物共混物制剂。更具体地，本公开描述了热塑性聚合物共混物、由其制备的具有可调性能的弹性体和水凝胶。本发明在生物医学设备，特别是隐形眼镜中具有实际应用。

背景技术：

1、生物医学水凝胶在眼科和组织工程等领域有着广泛的应用，为药物输送、伤口愈合和组织再生提供了多种解决方案。这些水凝胶是医疗器械的重要组成部分，满足了各种生物医学应用中对疗效和安全性的关键要求。

2、用于医疗器械的水凝胶必须具备若干关键特性，以确保其功能性和与人体的相容性。这些特性包括：机械强度以承受生理应力；光学透明性以提供清晰的视觉效果；以及高含水量以模拟天然组织。此外，它们还必须具有良好的透气性和透水性，以确保充分的氧合和水合作用；以及生物相容性(最好获得fda批准)，以最大限度地减少不良反应。

3、商业化的软性隐形眼镜材料由柔性聚合物组成，例如聚甲基丙烯酸羟乙酯(phema)、聚乙烯吡咯烷酮(pvp)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、硅胶或其共聚物。

4、在另一个应用领域，软组织替代材料利用合成聚合物水凝胶，例如聚乙烯醇(pva)，以及天然聚合物，例如明胶、胶原蛋白或其他多糖。

5、生物医学水凝胶的先进制备方法包括共聚和3d打印技术。这些方法存在一些缺点，包括反应复杂/不受控制、交联不均匀导致性能下降、生产成本高以及加工时间长。合成和制造过程中可能产生有毒残留物，引发了可持续性方面的担忧。

6、同时，目前用于组织工程的生物医学水凝胶存在一些明显的缺点，阻碍了其广泛应用。最重要的是，水凝胶与天然组织的模量和含水量不匹配，阻碍了它们的整合和功能性能。此外，大多数传统的单组分水凝胶缺乏承重组织替代品(如肌腱和软骨)所需的断裂韧性和撕裂强度，以及长期使用后的耐久性和弹性。最后，由于当前生产工艺的复杂性和对一致性质量控制的需求，水凝胶的连续性和低成本生产仍然是一项重大挑战。

7、此外，目前的水凝胶增强策略通常会牺牲其其他特性，例如光学透明度、含水量或生物安全性，使其不适用于各种生物医学应用。

8、鉴于这些问题，迫切需要开发具有均衡、可调性能以及多功能、可扩展加工方法的生物医学水凝胶。这些水凝胶应具有增强的机械性能、与眼科镜片和/或软组织的物理特性的最佳匹配，以及降低成本的可持续生产工艺。

9、目前公开的用于眼科或植入物的生物医学水凝胶制备方法主要围绕不同亲水性单体/低聚物的共聚。这些单体大多具有亲水性，例如hema、乙烯基吡咯烷酮(vp)；同时，疏水性硬性镜片，例如mma-vp，由于模量高、含水量低，长时间佩戴可能引起不适。us20210315807a1公开了一种基于聚轮烷的水凝胶组合物及其水凝胶镜片。us 3,786,034公开了一种由特定多元醇和多官能异氰酸酯制成的硬质亲水性聚氨酯材料。us2021/0369911 a1公开了一种基于异氰酸酯和甘油低聚物的可交联水凝胶组合物。然而，此类凝胶的制备需要多步合成和纯化。

10、近年来，硅基弹性镜片因其高透氧性而得到了更广泛的应用。然而，硅胶的疏水性会导致角膜不适。

11、已经设计出几种赋予疏水性硅胶镜片亲水性能的策略。例如，us

12、9268064b2公开了一种两亲性含硅氧烷的丙烯酰胺，其含有peg链段作为亲水嵌段，当浸入水中时，其外层会通过自组装溶胀。us9521842b2公开了pbo-peo-pbo嵌段共聚物用于改性疏水性眼科镜片表面。us9000065b2公开了一种以peg为结构单元的聚氨酯干凝胶的制备方法，但该反应必须在严格无水条件下进行。另一示例中，us20230382066a1公开了一种含有亲水单体单元的硅胶水凝胶组合物和镜片。us11802182b2公开了一种含有多达五种不同重复单元的硅胶基水凝胶。

13、虽然共聚反应可以有效调节疏水性硅胶的性能，但它需要对化学反应和成分进行精细控制。此外，有毒单体残留物需要进一步的后处理。同时，具有亲水涂层的硅胶共聚物代表了一种替代策略。us10920102b2公开了一种在硅胶镜片上具有带正电荷的氮杂环丁烷鎓基团的交联亲水涂层。us10920102b2提出了一种硅胶水凝胶镜片，其交联亲水涂层由端基官能化的线性或多臂聚乙二醇(peg)制成，例如peg-nh2、hooc-peg-cooh、hs-peg-sh等。这些方法通常需要对基质材料进行化学改性，并在基质/涂层材料之间进行额外的化学反应。此外，对涂层参数(厚度和均匀性)的精细控制需要额外的加工步骤。相比之下，直接混合聚合物可以最大限度地减少化学反应，并且性能稳定，这一点至关重要。

14、挤出是聚合物和塑料行业采用的一种高度可扩展的加工方法。挤出机剪切力产生的强大混合力可以在几秒到几分钟内高效地制备聚合物配方。挤出的样品随后可以进行热成型，例如注塑或热压，以快速获得所需的样品形状。传统的水凝胶制备通常局限于需要水溶性组分的水性成型技术。通过3d打印方法制成的水凝胶制品可以实现定制的复杂形状，但通常缺乏可扩展性和效率。

15、在塑料和弹性体领域，预先存在的聚合物的物理共混是一种简便且可持续的方法。亲水性和疏水性聚合物的共混是专利和非专利文献中一个新兴的研究领域。亲水性/疏性水聚合物共混物的优点包括明确的分子结构和链长、适度的溶胀和两亲性。然而，相分离、机械不稳定性和不透明性等问题对这些材料在植入物或眼科应用中提出了挑战。这些问题可以通过增强聚合物的可溶性或聚合物之间的相容性来解决。可溶性通常可带来高透明度、机械性能和其他协同性能。然而，大多数聚合物彼此之间不相溶。

16、聚合物之间的不溶性源于它们的高分子量(mw)和范德华斥力。传统上，需通过设计离子键或强偶极-偶极相互作用等特定吸引力来实现相容，这通常需要引入酰胺、羧酸盐和羟基等高极性官能团。但此类组分可能对组织生理环境敏感或不相容。最新研究表明，在中等分子量条件下，通过弱相互作用和链缠结介导的有利混合熵可增强聚合物相容性，且无需依赖特定相互作用。

17、疏水表面或表面区域会从眼表环境中吸收脂质或蛋白质，并可能粘附在眼部。因此，硅胶水凝胶隐形眼镜通常需要进行表面改性。

18、聚乙二醇(peg)因其优异的生物相容性、亲水性和防污性能，已成为生物医学领域的金标准材料。尽管peg已广泛应用于药物递送和伤口愈合领域，但基于peg的水凝胶鲜少用作持久性承重生物医疗器械，主要原因包括：1)无限制溶胀，通常可达原始重量的20-30倍；2)模量低于100kpa，强度小于50kpa，缺口韧性不足100j/m2；3)在缓冲溶液中数月后会发生降解，导致储存不稳定。

19、疏水性表面或区域可能吸收眼表环境中的脂质或蛋白质，从而引发感染或不适。因此，硅胶水凝胶隐形眼镜通常需进行表面改性。例如，美国专利us6,099,122、us6,521,352、us6,623,747、us6,730,366、us6,734,321、us6,835,410、us6,923,978和us9708087b2公开了在具有表面官能团的隐形眼镜上接枝亲水涂层的技术，这些技术适用于亲水聚合物的光接枝或化学接枝。这些官能团可能天然存在于镜片中(源自带官能团的单体)，也可能通过等离子体处理、等离子体诱导接枝聚合、功能性光引发剂的使用、光引发剂的共价连接、带官能团单体的光接枝或这些方法的组合引入。

20、在眼科领域，peg目前被用作硅胶镜片的涂层材料。美国专利us2006/0275342a1公开了通过多步合成法制备基于peg和泊洛沙姆的镜片。虽然含peg的隐形眼镜配方已有报道，但这些配方通常需要与硅胶等低亲水性聚合物共聚以降低其溶胀性。美国专利us9,000,065b2公开了含有peg链段作为亲水组分的聚氨酯共聚物配方及其水凝胶。

技术实现思路

1、鉴于上述问题等，本技术的目的之一是提供一种聚合物共混物、其制备方法和用途、模塑制品和3d打印制品的制备方法、两亲性弹性体和水凝胶的制备方法以及水凝胶的用途，旨在解决现有生物医学水凝胶在力学性能、光学透明度、含水量和生物相容性方面受限，制备方法复杂、成本高、难以规模化，同时还存在性能不匹配和可持续性问题的技术问题。

2、为实现上述目的，根据本技术第一方面的实施例，提供了一种聚合物共混物，其包含以下前体：

3、10wt.％至95.0wt.％的亲水性聚合物；

4、5.0wt.％至95.0wt.％的疏水性聚合物；以及

5、0.1wt.％至5wt.％的引发剂。

6、根据本技术第二方面的实施例，提供了一种制备根据第一方面的聚合物共混物的方法。该方法包括：

7、将亲水性聚合物、疏水性聚合物和引发剂通过溶液加工法、熔融加工法或其组合进行混合，形成所述聚合物共混物。

8、在所述溶液加工法中，将所述亲水性聚合物、所述疏水性聚合物和所述引发剂溶解于溶剂中，所述溶剂选自丙酮、乙腈(acn)、二甲基亚砜(dmso)、二甲基甲酰胺(dmf)、甘油、四氢呋喃(thf)、二氯甲烷(dcm)、二甲基乙酰胺(dmac)、甲基乙基酮(mek)、水、醇类、二噁烷或其任意组合；以及

9、在所述熔融加工法中，将所述亲水性聚合物、所述疏水性聚合物和所述引发剂直接在挤出机或混合机中熔融共混，温度为80℃至180℃，转速为10rpm至200rpm，时间为1min至20min。

10、根据本技术第三方面的实施例，提供了根据第一方面的聚合物共混合物在制备模塑制品、3d打印制品、两亲弹性体和水凝胶中的用途。

11、根据本技术第四方面的实施例，提供了一种模塑制品的制备方法，包括：

12、将根据第二方面提供的制备方法获得的聚合物共混合物进行干燥，，并在60℃至180℃的温度、5bar至150bar的压力、0.1min至10min的总压缩时间和0.2min至5min的排气时间内对干燥后的聚合物共混物进行压制；

13、或者，将根据第二方面所述制备方法获得的聚合物共混物在60℃至250℃的温度下注塑成型，注塑压力为10bar至1000bar，注塑时间为0.2min至1min，保压压力为5bar至500bar，保压时间为0.2min至1min。

14、根据本技术第五方面的实施例，提供了一种由根据第二方面所述制备方法获得的聚合物共混合物制备3d打印制品的方法，其中：

15、从挤出机或混合机挤出的线材在基于挤出的3d打印机(例如熔融沉积成型(fdm))上进一步加工；或者，

16、将通过溶液处理获得的聚合物共混物，采用基于液态树脂的方法，例如立体光刻(sla)和数字光处理(dlp)，进行处理。

17、根据本技术第六方面的实施例，提供了一种两亲弹性体的制备方法，包括：

18、将根据第一方面所述的聚合物共混物，或通过根据第二方面所述的聚合物共混物的制备方法制备的聚合物共混物，或通过根据第五方面所述的3d打印制品的制备方法制备的3d打印制品，在紫外光照射或热处理下固化，得到所述两亲弹性体。

19、根据本技术第七方面的实施例，提供了一种水凝胶的制备方法，包括：

20、提供由根据第六方面的两亲弹性体的制备方法制备的两亲弹性体；以及

21、使所述两亲弹性体溶胀以得到水凝胶。

22、根据本技术第八方面的实施例，提供了一种由根据第七方面的制备方法制备的水凝胶在植入物中的应用。

23、根据本技术第九方面的实施例，提供了一种由根据第七方面的制备方法制备的水凝胶在眼科应用中的应用。

24、根据本技术第十方面的实施例，提供了一种由根据第七方面的制备方法制备的水凝胶在制备药物递送设备中的应用。

25、本技术实施例的有益效果概括如下：

26、本技术实施例提供的聚合物共混物中，前驱体包括：10wt.％至95.0wt.％的亲水性聚合物；5.0wt.％至95.0wt.％的疏水性聚合物；以及0.1wt.％至5wt.％的引发剂。所述共混物可以通过将亲水性聚合物、疏水性聚合物和引发剂通过溶液加工法、熔融加工法或其组合进行混合来制备。本发明允许直接挤出现有聚合物，无需化学合成。这种方法降低了成本，确保了环境安全，并有利于规模化生产。

27、传统的多组分韧性水凝胶通常是不透明的。相比之下，通过本技术实施例的制备方法制备的水凝胶在纳米尺度实现相容，并表现出超过96％的光学透明度。这种这一优异的光学透明度使其特别适用于镜片应用。

28、该水凝胶具有广泛可调节的刚度和强度。它们的机械韧性和撕裂强度超越了先前报道的同类材料，并具有相当或更优异的渗透性和防污性能。这些改进提高了水凝胶的使用寿命和耐用性，使其能够满足各种刚度和强度要求，例如软骨应用所需的刚度和强度要求。