一种可生物降解聚氨酯弹性体及其制备方法和应用

1.本发明涉及生物材料技术领域，具体为一种可生物降解聚氨酯弹性体及其制备方法和应用。


背景技术：

2.近些年，聚氨酯弹性体在生物医学领域得到了广泛的应用，例如它们可以作为组织工程材料。用于组织工程的材料需要具有可调控的生物降解速率、良好的生物相容性以及与组织相匹配的力学性能等。可生物降解的聚氨酯弹性体在模拟组织力学方面较为成功，它们的力学性能和降解速率可以通过软段的种类和含量以及交联密度进行调控。具有生物降解性和生物相容性的聚合物，如聚乳酸、聚乙醇酸、聚己内酯和聚-3-羟基丁酸酯(聚(3-羟基丁酸酯)二醇)等可以广泛用于生物医学领域，它们也可以作为可生物降解聚氨酯软段的共聚单体。
3.现有技术中以聚乳酸，聚乙醇酸，聚己内酯作为可生物降解聚氨酯软段的共聚单体，这些聚合物属于脂肪族聚酯，具有易水解降解而且降解产物无毒的优点；但是，这类聚合物应用于组织工程时，无法做到力学性能以及生物降解速率同时达到较好的效果。因此，需要制备一种力学性能以及生物降解速率同时达到较好的效果的可生物降解聚氨酯弹性体。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供了一种可生物降解聚氨酯弹性体及其制备方法和应用，用以解决现有技术中聚酯型可生物降解聚氨酯弹性体无法做到力学性能以及生物降解速率同时达到较好效果的问题。
5.本发明公开了一种可生物降解聚氨酯弹性体的制备方法，该方法包括如下步骤：
6.(1)乙烯基封端的聚氨酯预聚体的制备：
7.以聚己内酯二醇、聚-3-羟基丁酸酯
、
聚乙二醇、二异氰酸酯和2-甲基丙烯酸羟乙酯为原料，在氮气或惰性气体环境下，制备乙烯基封端的聚氨酯预聚体；
8.所述聚己内酯二醇、所述聚-3-羟基丁酸酯、所述聚乙二醇、所述二异氰酸酯和所述2-甲基丙烯酸羟乙酯的质量之比为108.64g-287.2g：18.36g-24.26g：13.58g-35.90g：60g：35.27g-46.52g；
9.(2)聚氨酯弹性体的制备：
10.将制备的乙烯基封端的聚氨酯预聚体加热到30～35℃，加入稀释剂，混合均匀，再加入引发剂，将体系温度升至75～80℃，反应3～4h，得到用于生物医学可生物降解聚氨酯弹性体。
11.优选地，(1)中，将聚己内酯二醇、聚-3-羟基丁酸酯和聚乙二醇加入带有氮气或惰性气体装置的反应器，以150～200rpm搅拌，加热至55～60℃，混合均匀后加入二异氰酸酯，添加完毕将温度升至80～85℃，搅拌速度升至250～300rpm，当反应至体系中剩余nco的摩
尔百分含量达到49.7％时，将反应体系温度降至40～45℃；再向反应器中添加2-甲基丙烯酸羟乙酯，添加完毕，再将反应温度升至80～85℃，当体系中剩余nco全部反应完时停止反应，得到乙烯基封端的聚氨酯预聚体。
12.优选地，所述聚己内酯二元醇的分子量为1000g/mol或2000g/mol，所述聚乙二醇的分子量为1000g/mol或2000g/mol，所述聚-3-羟基丁酸酯的分子量为1352g/mol。
13.优选地，(1)中所述二异氰酸酯为异氟尔酮二异氰酸酯和1,6-六亚甲基二异氰酸酯中的一种，所述二异氰酸酯占所述乙烯基封端聚氨酯预聚体与所述稀释剂总质量的9.25～17.81％。
14.优选地，所述稀释剂为2-甲基丙烯酸羟乙酯和乙二醇二甲基丙烯酸酯，其中所述2-甲基丙烯酸羟乙酯和所述乙二醇二甲基丙烯酸酯的质量比为3:1。
15.优选地，(1)中所述2-甲基丙烯酸羟乙酯占所述乙烯基封端聚氨酯预聚体与所述稀释剂总质量的22.2-22.7％。
16.优选地，(2)中所述乙烯基封端的聚氨酯预聚体和所述稀释剂的质量比为7:3。
17.优选地，(2)中所述引发剂为2,2-偶氮二异丁腈，占乙烯基封端聚氨酯预聚体与混合稀释剂总质量的0.9-1.1％。
18.本发明第二个目的是提供一种可生物降解聚氨酯弹性体的制备方法制得的可生物降解聚氨酯弹性体。
19.本发明第三个目的是将制得的可生物降解聚氨酯弹性体用于制备人工组织工程硬骨组织材料。
20.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
21.本发明使用聚己内酯二醇、聚-3-羟基丁酸酯和聚乙二醇为原料，作为制备可生物降解聚氨酯弹性体的混合软段，发挥三种二元醇的协同作用，并通过控制它们三者的质量比和分子量，可以使可生物降解聚氨酯弹性体的力学性能、结晶性能、亲-疏水性能以及生物降解速率同时达到较好的效果。
22.使用聚己内酯二醇为原料是因为它具有良好的生物相容性、良好的有机高聚物相容性，以及良好的生物降解性，可用作细胞生长支持材料，但是自然环境下，聚己内酯降解缓慢，降解时间为2～3年；与聚己内酯相比，聚-3-羟基丁酸酯具有更好的生物降解性和生物相容性，它与聚己内酯协同使用，可以调控生物材料的生物降解性；以聚乙二醇为原料是因为它具有良好的水溶性，并与许多有机物组份有良好的相容性，细胞粘附性和增殖性好，虽然聚乙二醇不易降解，但是可以从体内排出。
23.本发明在制备聚氨酯弹性体的整个过程不添加任何有机溶剂和催化剂，克服了传统聚氨酯弹性体产品中残留有机溶剂或者催化剂可能产生副作用的缺点。不加有机溶剂，制备的乙烯基封端聚氨酯预聚体粘度较高，而且交联程度不够会影响最终弹性体的力学性能。因此，本发明使用两种不同官能度的丙烯酸单体作为交联反应稀释剂，可以降低反应体系粘度的同时，通过控制单官能度稀释剂与双官能度稀释剂的质量比和聚氨酯弹性体的交联程度，从而使最终产品的力学性能、亲-疏水性能以及生物降解速率同时达到较好的效果。
附图说明
24.图1为本发明实施例中用于生物医学可生物降解聚氨酯弹性体在胰酶中降解2、4、6和8个月的质量损失数据图。
具体实施方式
25.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.本发明各实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
27.实施例1：一种可生物降解聚氨酯弹性体的制备方法，原料物质用量条件如下：
28.异氟尔酮二异氰酸酯，质量60g；聚己内酯二醇分子量为1000g/mol，质量为108.64g；聚-3-羟基丁酸酯，分子量为1352g/mol，质量为18.36g；聚乙二醇，分子量为1000g/mol，质量为13.58g；2-甲基丙烯酸羟乙酯，质量为111.07g；乙二醇二甲基丙烯酸酯，25.27g；2,2-偶氮二异丁腈，3.36g。
29.其中，制备乙烯基封端聚氨酯预聚体用的2-甲基丙烯酸羟乙酯，质量为35.27g；稀释剂中的2-甲基丙烯酸羟乙酯，75.80g。
30.制备的步骤和条件如下：
31.乙烯基封端的聚氨酯预聚体的制备
32.(1)乙烯基封端的聚氨酯预聚体的制备：将聚己内酯二醇、聚-3-羟基丁酸酯和聚乙二醇加入含有氮气或惰性气体装置的反应器，以150rpm搅拌，加热至55℃，混合均匀后滴加二异氰酸酯，滴加完毕将温度升至80℃，搅拌速度升至250rpm，当反应至体系中剩余nco的摩尔百分含量达到49.7％时，将反应体系温度降至40℃；再向反应器中滴加2-甲基丙烯酸羟乙酯，30min滴加完毕，再将反应温度升至80℃，当体系中剩余nco全部反应完时停止反应，得到乙烯基封端的聚氨酯预聚体；
33.用红外光谱法测定反应体系中剩余nco含量，具体的测试方法为：取0.2g聚氨酯预聚反应过程中的样品，用玻棒涂在3mm的kbr片上，红外线烘烤干燥后，进行扫描测试，得到红外谱图，根据红外谱图，得到相应峰的吸光度。根据选取反应过程中浓度不发生变化的-ch
2-的吸收峰为内标峰，用r0＝(a
2275cm-1
/a
2980cm-1
)0和用r
t
＝(a
2275cm-1
/a
2980cm-1
)
t
分别表示反应初始阶段和反应时间为t时的吸光度比值，可以得出反应过程中nco的转化率。nco的转化率α的计算公式如下：
[0034][0035]
其中，a为吸光度，a
2275cm-1
为-nco基团在2275cm-1
处的吸光度，a
2980cm-1
为-ch
2-基团在2980cm-1
处的吸光度。
[0036]
(2)聚氨酯弹性体的制备：取235.85g制备的乙烯基封端的聚氨酯预聚体加热到30℃，加入101.07g稀释剂，混合均匀，再加入3.36g引发剂2,2-偶氮二异丁腈，将体系温度升至75℃，反应3h，得到用于生物医学可生物降解聚氨酯弹性体。
[0037]
稀释剂为2-甲基丙烯酸羟乙酯和乙二醇二甲基丙烯酸酯的混合物，其中2-甲基丙烯酸羟乙酯和所述乙二醇二甲基丙烯酸酯的质量比为3:1。
[0038]
实施例2：一种可生物降解聚氨酯弹性体的制备方法，步骤和条件如下：
[0039]
具体的加入量如下：1,6-六亚甲基二异氰酸酯，质量60g；聚己内酯二醇分子量为1000g/mol，质量143.60g；聚-3-羟基丁酸酯，分子量为1352g/mol，质量24.26g；聚乙二醇，分子量为1000g/mol，质量为17.95g；2-甲基丙烯酸羟乙酯，质量为140.48g；乙二醇二甲基丙烯酸酯，31.32g；2,2-偶氮二异丁腈，4.17g。
[0040]
其中，制备乙烯基封端聚氨酯预聚体用的2-甲基丙烯酸羟乙酯，质量46.52g；混合稀释剂中的2-甲基丙烯酸羟乙酯，93.96g。
[0041]
制备的步骤和条件如下：
[0042]
乙烯基封端的聚氨酯预聚体的制备
[0043]
(1)乙烯基封端的聚氨酯预聚体的制备：将聚己内酯二醇、聚-3-羟基丁酸酯和聚乙二醇加入含有氮气或惰性气体装置的反应器，以200rpm搅拌，加热至60℃,混合均匀后滴加二异氰酸酯，滴加完毕将温度升至85℃，搅拌速度升至300rpm,当反应至体系中剩余nco的摩尔百分含量达到49.7％时，将反应体系温度降至45℃；再向反应器中滴加2-甲基丙烯酸羟乙酯，40min滴加完毕，再将反应温度升至85℃，当体系中剩余nco全部反应完时停止反应，得到乙烯基封端的聚氨酯预聚体；
[0044]
用红外光谱法测定反应体系中剩余nco含量，具体的测试方法为：取0.2g聚氨酯预聚反应过程中的样品，用玻棒涂在3mm的kbr片上，红外线烘烤干燥后，进行扫描测试，得到红外谱图，根据红外谱图，得到相应峰的吸光度。根据选取反应过程中浓度不发生变化的-ch
2-的吸收峰为内标峰，用r0＝(a
2275cm-1
/a
2980cm-1
)0和用r
t
＝(a
2275cm-1
/a
2980cm-1
)
t
分别表示反应初始阶段和反应时间为t时的吸光度比值，可以得出反应过程中nco的转化率。nco的转化率α的计算公式如下：
[0045][0046]
其中，a为吸光度，a
2275cm-1
为-nco基团在2275cm-1
处的吸光度，a
2980cm-1
为-ch
2-基团在2980cm-1
处的吸光度。
[0047]
(2)聚氨酯弹性体的制备：取292.32g制备的乙烯基封端的聚氨酯预聚体加热到35℃，加入125.28g稀释剂，混合均匀，再加入4.17g引发剂，将体系温度升至80℃，反应4h，得到用于生物医学可生物降解聚氨酯弹性体。
[0048]
实施例3：一种可生物降解聚氨酯弹性体的制备方法，步骤和条件如下：
[0049]
1,6-六亚甲基二异氰酸酯，质量60g，聚己内酯二醇分子量为2000g/mol，质量287.2g；聚-3-羟基丁酸酯，分子量为1352g/mol，质量24.26g；聚乙二醇，分子量为2000g/mol，质量为35.90g；2-甲基丙烯酸羟乙酯，质量为192.41g，乙二醇二甲基丙烯酸酯,48.63g；2,2-偶氮二异丁腈，6.48g。
[0050]
其中，制备乙烯基封端聚氨酯预聚体用的2-甲基丙烯酸羟乙酯，质量46.52g；稀释剂中的2-甲基丙烯酸羟乙酯，145.89g。
[0051]
制备的步骤和条件如下：
[0052]
乙烯基封端的聚氨酯预聚体的制备
[0053]
(1)乙烯基封端的聚氨酯预聚体的制备：将聚己内酯二醇、聚-3-羟基丁酸酯和聚乙二醇加入含有氮气或惰性气体装置的反应器，以180rpm搅拌，加热至58℃，混合均匀后滴加二异氰酸酯，滴加完毕将温度升至85℃，搅拌速度升至275rpm，当反应至体系中剩余nco的摩尔百分含量达到49.7％时，将反应体系温度降至43℃；再向反应器中滴加2-甲基丙烯酸羟乙酯，35min滴加完毕，再将反应温度升至82℃，当体系中剩余nco全部反应完时停止反应，得到乙烯基封端的聚氨酯预聚体；
[0054]
用红外光谱法测定反应体系中剩余nco含量，具体的测试方法为：取0.2g聚氨酯预聚反应过程中的样品，用玻棒涂在3mm的kbr片上，红外线烘烤干燥后，进行扫描测试，得到红外谱图，根据红外谱图，得到相应峰的吸光度。根据选取反应过程中浓度不发生变化的-ch
2-的吸收峰为内标峰，用r0＝(a
2275cm-1
/a
2980cm-1
)0和用r
t
＝(a
2275cm-1
/a
2980cm-1
)
t
分别表示反应初始阶段和反应时间为t时的吸光度比值，可以得出反应过程中nco的转化率。nco的转化率α的计算公式如下：
[0055][0056]
其中，a为吸光度，a
2275cm-1
为-nco基团在2275cm-1
处的吸光度，a
2980cm-1
为-ch
2-基团在2980cm-1
处的吸光度。
[0057]
(2)聚氨酯弹性体的制备：取453.88g制备的乙烯基封端的聚氨酯预聚体加热到33℃，加入194.52g稀释剂，混合均匀，再加入6.48g引发剂，将体系温度升至77℃，反应3.5h，得到用于生物医学可生物降解聚氨酯弹性体。
[0058]
测定实施例1至3的可生物降解聚氨酯弹性体的性能。
[0059]
表1可生物降解聚氨酯弹性体的拉伸性能数据
[0060][0061]
表2可生物降解聚氨酯弹性体的吸水率和水接触角
[0062][0063]
从表1、表2和图1中可以得出，实施例1～3产品均具有较高的力学性能，其弹性模量为86.2～107.8mpa，拉伸强度为18.5～22.6mpa，断裂伸长率为39.6～57.4％。实施例1～3产品胶膜均具有较好的润湿性能，有利于细胞的粘附，它们的水接触角为60.7～66.9
°
，吸水率在72h后达到5.92～7.96％。实施例1～3产品具有较好的生物降解性，随着时间的增
加，三个实施例产品的质量损失均增加，8个月后三个产品的质量损失为11.2～12.2％。因此，可生物降解聚氨酯弹性体可用于生物医学的硬组织工程领域。
[0064]
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
[0065]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。