一种含有聚氨基酸嵌段的热塑性聚氨酯弹性体及其制备方法

本发明属于生物高分子材料领域，具体涉及一种含有聚氨基酸嵌段的热塑性聚氨酯弹性体及其制备方法。

背景技术：

1、热塑性聚氨酯弹性体是由软硬段交替组成的多嵌段共聚物，借助氨基甲酸酯基团间的强氢键形成微相分离结构，从而兼具高弹性、韧性、耐磨、耐湿气和可热塑加工等优异性能。因其抗凝血、生物相容且无过敏反应，已广泛用于人工心脏、人工血管等植入器械。但传统聚氨酯无法体内降解，限制了其在可吸收医疗器械中的应用。因此，亟需开发具有可控降解性能的热塑性聚氨酯弹性体。

2、通过α-氨基酸-n-羧基内酸酐（nca）开环聚合制备聚氨基酸材料因其优异的生物相容性和可控的降解性能，在生物医学领域引起了广泛关注。l-酪氨酸是一种非必需氨基酸，其分子侧链中带有酚羟基，具有独特的化学可修饰性。然而，目前已有研究中所述含酪氨酸结构的聚氨酯大多仅将酪氨酸衍生单体作为扩链剂引入硬段结构中，其结构设计方式相对单一。传统聚氨基酸（包括聚酪氨酸）的合成本身也面临诸多挑战，主要表现在高结晶度、在常见有机溶剂中溶解性差以及玻璃化转变温度和熔点过高等问题，这些加工性能的缺陷严重制约了聚氨基酸材料的实际应用。此外，直接采用常规方法合成高分子量、窄分布的聚l-酪氨酸及其嵌段共聚物仍然困难重重，尤其是β-折叠构象倾向极强的聚酪氨酸链段在聚合过程中容易发生聚集沉淀，导致链增长反应提前终止，难以获得结构明确的嵌段共聚产物。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种含有聚氨基酸嵌段的热塑性聚氨酯弹性体及其制备方法，本发明提供的含有聚氨基酸嵌段的热塑性聚氨酯弹性体具有良好的机械性能和生物相容性，尤其适用于生物医用等方向应用。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、一种含有聚氨基酸嵌段的热塑性聚氨酯弹性体，所述热塑性聚氨酯弹性体的结构如式（ⅰ）所示：

4、

5、其中，r1为、、、、、或；

6、r2为、、、、、、、、或；

7、r3为、、、、、、或；

8、x=3~15，y≥2；结构通式中“”部分为热塑性聚氨酯弹性体的软段；所述软段为聚酯二元醇或聚醚二元醇；所述热塑性聚氨酯弹性体，其数均分子量为28000~40000 g/mol。

9、在一些实施例中，所述聚酯二元醇或聚醚二元醇为聚己内酯二醇或聚四氢呋喃醚二醇中的任意一种，其数均分子量为1000~5000 g/mol。

10、在一些实施例中，所述热塑性聚氨酯弹性体，其gpc分散度小于1.6，拉伸强度为25~70 mpa，断裂伸长率为1100%~1750%，韧性为100~300 mj/m3，5%热失重温度为300~360℃。

11、本发明还保护所述的含有聚氨基酸嵌段的热塑性聚氨酯弹性体的制备方法，包括以下步骤：

12、（1）将氨基酸和环氧化合物溶于第一有机溶剂后，加入三光气进行反应，得到氨基酸-nca单体；

13、（2）在氮气气氛中，将步骤（1）得到的氨基酸-nca单体与引发剂溶于第二有机溶剂中，得到反应液后进行开环聚合反应，得到端氨基封端的聚氨酯扩链剂；

14、（3）在氮气气氛下，将聚酯或聚醚二元醇和二异氰酸酯溶于第三有机溶剂中，在催化剂存在下进行反应，得到预聚体；

15、（4）向步骤（3）得到的预聚体中缓慢加入步骤（2）得到的聚氨酯扩链剂，搅拌均匀后进行扩链反应，得到含有聚氨基酸嵌段的聚氨酯溶液，经沉淀、干燥和热压成型后，即得。

16、在一些实施例中，步骤（1）中，所述氨基酸为l-酪氨酸、dl-酪氨酸或l-苯丙氨酸中的任意一种；和/或，所述环氧化合物为环氧丙烷或环氧氯丙烷，优选为环氧丙烷；和/或，所述第一有机溶剂为四氢呋喃、二氧六环、乙酸乙酯或乙腈中的任意一种；和/或，所述氨基酸、所述环氧化合物与所述三光气的摩尔比为1：4~10：0.5~1，优选为1：10：0.5；和/或，所述氨基酸与所述第一有机溶剂的质量体积比为1~2 g：15 ml；和/或，所述反应，其温度为室温，时间为24~48 h，优选为48 h。

17、在一些实施例中，步骤（2）中，所述引发剂为二元或多元端基伯胺，优选为2,2-二甲基-1,3-丙二胺；和/或，所述第二有机溶剂为n,n-二甲基乙酰胺、n,n-二甲基甲酰胺或四氢呋喃中的任意一种；和/或，所述氨基酸-nca单体与所述引发剂的摩尔比为6~15：1；和/或，所述反应液中氨基酸-nca单体的浓度为0.2~1 mol/l，优选为0.5 mol/l；和/或，所述开环聚合反应在无水条件下进行，其温度为25~30℃（优选为25℃），时间为12~24 h，优选为24h；和/或，所述聚氨酯扩链剂的聚合度为6~15。

18、在一些实施例中，步骤（3）中，所述聚酯或聚醚二元醇为聚己内酯二醇或聚四氢呋喃醚二醇；和/或，所述二异氰酸酯为l-赖氨酸二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯或二苯基甲烷二异氰酸酯中的任意一种；和/或，所述第三有机溶剂为n,n-二甲基乙酰胺、n,n-二甲基甲酰胺或四氢呋喃中的任意一种；和/或，所述催化剂为有机锡类催化剂，优选为二月桂酸二丁基锡、辛酸亚锡或二醋酸二丁基锡中的任意一种，优选为二月桂酸二丁基锡。

19、在一些实施例中，步骤（3）中，所述聚酯或聚醚二元醇和二异氰酸酯的摩尔比为1：1~2；和/或，所述催化剂占所述聚酯或聚醚二元醇和所述二异氰酸酯总质量的0.005~0.2%，优选为0.1%；和/或，所述聚酯或聚醚二元醇与所述第三有机溶剂的质量体积比为1 g：2~10ml；和/或，所述反应，其温度为60~80℃（优选为80℃），时间为3~5 h，优选为4 h。

20、在一些实施例中，步骤（3）中，所述聚酯或聚醚二元醇在使用前于100~120℃进行真空脱水处理。

21、在一些实施例中，步骤（4）中，所述搅拌，其时间为1~6 h，优选为1 h；和/或，所述扩链反应，其温度为30~60℃（优选为60℃），时间为2~10 h，优选为4 h；和/或，所述沉淀，其具体操作为在搅拌条件下将所述聚氨酯溶液加至水中；和/或，所述干燥，其温度为60~85℃（优选为80℃），时间为24~72 h，优选为48 h；和/或，所述热压成型的温度为60~150℃，优选为85℃。

22、上述含有聚氨基酸嵌段的热塑性聚氨酯弹性体在制备生物医学材料中的应用也在本发明的保护范围内。

23、本发明制备的含聚氨基酸嵌段热塑性聚氨酯弹性体，保留了传统聚氨酯高弹性、高韧性等优势，同时材料可经水解、酶解逐步分解，降解产物无毒无蓄积，规避了普通聚氨酯植入后引发异物反应、需二次手术取出的问题。该材料适用于可吸收手术缝合线、骨组织工程支架、软骨修复支架、药物载体、防粘连膜、伤口敷料等生物医用材料。

24、有益效果：

25、（1）本发明通过调控硬段聚氨基酸与软段聚己内酯二元醇的配比，可优化材料拉伸强度、断裂伸长率与韧性；采用手性规整氨基酸单体，能进一步大幅提升材料力学强度，满足不同使用场景的力学要求。

26、（2）本发明所得弹性体热分解温度均高于300℃，热学性能稳定，具备良好的加工成型性能。

27、（3）本发明制备的材料分子链含有聚酯链段与聚氨基酸链段，理论上可通过水解、酶解方式实现降解，契合环保材料的发展方向。

28、（4）本发明制备的含有聚氨基酸嵌段的热塑性聚氨酯弹性体，主链包含聚氨基酸链段与脂肪族聚酯链段。聚氨基酸为生物内源类结构，赋予材料优异的生物相容性；聚酯与聚氨基酸链段可逐步水解、酶解，材料具备生物可降解潜力。同时该弹性体力学性能优异、热稳定性良好、易加工成型，符合生物医学材料对基材的基本要求，因此可广泛应用于各类生物医学材料的制备。

29、（5）本发明制备的聚氨酯弹性体gpc分散度小于1.6，具有良好的可控聚合特征。且在四氢呋喃溶液中具有β-折叠二级结构特征。