新型骨修复用反应性聚氨酯的分析-analysis of new reactive polyurethane for bone repair.docxVIP

摘要生物医用聚氨酯以良好的生物相容性、良好的生物降解性、良好的力学性能 和可塑性，自上世纪 50 年代末便用于骨缺损的修复治疗。但聚氨酯材料并无生物 活性，无法在体外或植入部位诱导组织再生或重建，只能作为载体或支撑材料使 用。物理复合活性物质，如羟基磷灰石、胶原、力生长因子（MGF）、骨形态发生 蛋白（BMP）等，可以使材料产生一定的生物活性，但由于活性物质释放过快， 缺乏持续性，对后期细胞发挥功能并无显著影响。化学接枝虽能克服物理复合的 缺点，实现对活性物质的牢固结合并起到一定的缓释作用，但传统的聚氨酯材料 缺乏反应活性基团。基于此，本文拟在不改变聚氨酯优良性能的前提下，合成一种整体富含反应 活性基团的聚氨酯材料（PU-COOHn）。本实验以聚乙二醇（PEG400）为助引发剂 制得的聚乳酸大分子二醇（PDLLA-PEG400-PDLLA）为软段，以六亚甲基二异氰 酸酯（HDI）为偶联剂、以 2,2-二羟甲基丙酸（DMPA）和哌嗪（PPZ）为混合扩 链剂，制得 PU-COOHn。选用 PDLLA-PEG400-PDLLA 为软段既保证了材料的生 物相容性又使材料有较高的力学强度；HDI 为脂肪族二异氰酸酯，可以避免芳香 族二异氰酸酯带来的潜在的致癌性；DMPA 可以为该材料提供侧链羧基；哌嗪的 引入使材料富含脲基，而脲基可以使材料内部形成更丰富的氢键，进一步提高材 料的力学强度。利用傅里叶红外光谱（FTIR）、核磁共振（NMR）、X 射线能谱（XPS）、 凝胶渗透色谱（GPC）、差示扫描量热法（DSC）等对所得材料的化学结构、物理 性质进行了系统表征；然后采用力学拉伸试验、动态力学分析（DMA）、静态水接 触角和吸水率检测、热重分析对材料的力学性能、形状记忆性能、亲/疏水性和热 稳定性进行了考察；最后检测了 PU-COOHn 系列材料的细胞相容性。主要研究内 容及结论如下：1． 以 PDLLA-PEG400-PDLLA 为软段，HDI 为偶联剂，DMPA 和 PPZ 为扩 链剂，在无水甲苯体系下，经辛酸亚锡催化制得一系列不同羧基含量的嵌段聚合 物。确定了所得材料的化学结构，研究了不同反应物配比对材料性质的影响：① FTIR、NMR、XPS 结果表明，PDLLA-PEG400-PDLLA、HDI、DMPA 和PPZ 已成功聚合，制得了 PU-COOHn 材料；② GPC 结果显示，随着 DMPA 用量从 0.1 增加至 0.3，PU-COOHn 材料的数 均分子量（Mn）从 3.39 万降至 2.15 万；③ 通过 ―罗 丹 明 染色 法 ‖确定了 PU-COOHn 材 料 中 的羧 基 含量 ， 分别 为0.75wt%、0.78 wt%、0.86 wt%；羧基转化率分别为 31.25%、30.42%、31.93%④ DSC 分析结果显示，PU-COOHn 材料的玻璃化转变温度（Tg）随 DMPA 用量的增加略有降低，分别为 28.5℃、27.7℃、26.7℃。2. 利用静态水接触角和吸水率检测、力学拉伸试验、动态力学分析、形状固 定率和回复率检测、热重分析，考察了 PU-COOHn 材料的亲/疏水性、力学性能、 形状记忆性能、热稳定性：①静态水接触角和吸水率检测结果显示，随羧基含量的增加，PU-COOHn 材 料的亲水性增强。②力学拉伸试验和动态力学分析显示，PU-COOHn 有较好的力学性能：三种 材料的杨氏模量、拉伸强度和断裂伸长率分别为：668.75 MPa /36.38 MPa /287.18%、 570.68 MPa /38.75 MPa/ 366.68%、523.40 MPa /28.63 MPa/ 301.58%，属于典型的硬而韧材料；③PU-COOHn 的形状固定率和回复率均大于 90%，说明 PU-COOHn 具有良好 的形状记忆性能；形状固定率随材料硬段含量的增加而增加，回复率则相反；④热重分析显示，随硬段含量的增加，PU-COOHn 的初始分解温度从 254.7℃ 增加至 265.7℃；最大失重率分从 99.8%降至 95.9%；在分解温度之前，基本没有 重量损失，说明材料有良好的热稳定性；3. 通过评价材料对成骨细胞的毒性、粘附和增殖的影响以及对巨噬细胞形态 和分泌 TNF-α、IL-1β 和 NO 的影响，考察了 PU-COOHn 的细胞相容性：①成骨细胞毒性评价显示，PU-COOHn 对成骨细胞的毒性在 0 级到 1 级范围内，符合 ISO 规定的合格医用生物材料的要求；②对成骨细胞和巨噬细胞作用显示，随羧基含量增加，PU-COOHn 促成骨细 胞粘附和增殖能力降低，致炎性增强。关键词：骨组织工程材料，反应性聚氨酯，力学性能，形状记忆性能，细胞相容 性ABSTRACTBiomedical poly