一种生物稳定性高的含氟含硅聚氨酯材料及其制备方法与流程

本发明属于聚氨酯材料制备技术领域，具体涉及一种生物稳定性高的含氟含硅聚氨酯材料及其制备方法，该材料可作为医用材料，尤其是长期植入材料使用。

背景技术：

由于聚氨酯优异的物理机械性能和良好的生物相容性，其在生物医学领域获得了广泛的关注。然而聚氨酯稳定性上的缺陷在一定程度上限制了其作为长期植入材料的应用，其在作为心脏起搏器绝缘导线、心脏瓣膜等方面应用时仍然面临着巨大的挑战，根本原因是聚氨酯在体内生物稳定性相对较差。目前聚醚型聚氨酯(peu)和聚碳酸酯型聚氨酯(pcu)常用作长期植入材料，然而这两种材料却会分别发生氧化降解和水解降解。

在聚氨酯的链段中引入稳定基团以在材料表面形成保护层是改善其长期稳定性的常用方法。如在引入聚二甲基硅氧烷(pdms)后，pdms因更低的表面自由能向表面迁移，形成的含硅富集层能够使材料抵御体内氧化自由基、酸、酶等的攻击，因而能够大大提高聚氨酯的稳定性，尤其是改善氧化降解稳定性。部分含硅聚氨酯为形成表面pdms保护层并减少对聚氨酯本体性能的影响，在使用pdms作为共聚二元醇的同时在体系内加入单羟基封端的pdms表面活性剂，但是过多使用表面活性剂会导致材料力学性能的下降。近期的研究还表明pdms会在一定程度上加速含硅聚氨酯的水解。以商业化含硅聚氨酯为例，无论是ptmo(聚四亚甲基醚二醇)型还是phmo(聚六亚甲基醚二醇)型在水解实验中均表现出了较快的速率。如何在聚氨酯中引入pdms来改善材料的稳定性，并解决其带来的材料力学性能明显下降的问题，成为现阶段该领域的主要研究热点。

另一方面，除了引入pdms外，已有研究表明在聚氨酯中通过共聚的方法引入氟碳化合物来赋予其良好的热稳定性、表面光滑性以及耐化学品性等优异的理化性能以及良好的生物相容性，也可以改善聚氨酯的憎水性，并在一定程度上改善其水解和氧化稳定性。但是将氟碳化合物引入到聚氨酯的软段或硬段都将导致聚氨酯力学性能的降低，而且含氟碳侧链的二元醇或者含氟聚二元醇的制备成本昂贵。

目前聚氨酯材料的生物稳定性以及力学性能难以同时得到保证，如何开发新的制备方法用于解决制备过程所带来的生物稳定性和力学性能无法同时提高的问题，成为亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种生物稳定性高的含氟含硅聚氨酯材料及其制备方法。本发明方法制备得到的聚氨酯材料具备优良的生物稳定性和较好的力学性能，在使用过程中能够阻止水以及氧化性介质渗透到材料内部，同时具有优异的表面性能和本体性能，能够很好应用于长期植入医用材料领域，具备广阔的前景。

本发明的目的之一是提供一种生物稳定性高的含氟含硅聚氨酯材料，所述聚氨酯材料具有硬段侧链含氟、软段主链含硅的结构，其是包括以下组分的原料进行扩链反应制得：二异氰酸酯、混合二元醇、混合扩链剂；所述混合二元醇和混合扩链剂的官能度总和与所述异氰酸酯的官能度总和的摩尔比为1:0.8～1:1.2；

其中，所述混合二元醇包括：组分a：聚醚二元醇和/或聚碳酸酯二元醇；组分b：聚二甲基硅氧烷二元醇；所述混合二元醇中组分b占混合物的摩尔百分比为5％-95％；

其中，所述混合扩链剂包括脂肪族二元醇扩链剂和侧链含氟烷基的二元醇的混合物，所述脂肪族二元醇扩链剂的碳原子个数为2-10，所述侧链含氟烷基的二元醇占混合扩链剂的摩尔百分比为1％-20％。

本发明的聚氨酯材料是由聚醚二醇或聚碳酸酯二醇构成第一柔性链段、聚二甲基硅氧烷二醇作为第二柔性链段，与二异氰酸酯和扩链剂构成的刚性链段共聚而成，其中扩链剂为小分子二醇或二胺与侧链含氟烷基的二元醇共混物，其中刚性链段含量占10-70％。

本发明将少量的氟碳侧链引入到含硅聚氨酯中，在保证聚氨酯一定力学性能的同时，通过氟硅协同作用来进一步改善其本体和表面性能，设计合成了软段含pdms(聚二甲基硅氧烷)、硬段含氟碳侧链的新型聚氨酯材料。本发明利用氟硅两种元素低表面能的特点，所得聚氨酯在熔融加工或者溶液加工过程中，氟硅两种元素能够协同向表面迁移，从而能够阻止水以及氧化性介质渗透到材料内部，在提高其生物稳定性的同时，赋予该新型聚氨酯材料优异的表面性能和本体性能，可以应用于长期植入医用材料领域，如人工血管、人工心脏瓣膜、心脏起搏器导线、各种介入导管等。

本发明所得聚氨酯材料表面氟含量比只引入氟碳化合物的聚氨酯表面氟含量高并且该聚氨酯材料表面硅含量比只引入聚二甲硅氧烷(pdms)的聚氨酯表面硅含量高。

所述聚二甲基硅氧烷二元醇具有如下结构：

其中，n＝10-150，m＝0-18；

或包括如下羟乙氧基丙基封端聚二甲基硅氧烷硅氧烷：

其中，n＝10-150。

作为优选的，所述聚二甲基硅氧烷二元醇的分子量为500-5000。

作为优选的，所述侧链含氟烷基的二元醇中的氟碳链的碳原子个数不超过6个，其包括但不限于如下结构的化合物：

该含氟二元醇(简记为fdo)合成方法如下：以八氟戊醇和环氧氯丙烷为原料，加入四丁基溴化铵作为相转移催化剂进行开环醚化反应，以氢氧化钠为催化剂进行闭环反应合成环氧产物，然后减压蒸馏提纯后将其溶解在thf中，在稀硫酸中进行室温(约30℃)水解24h，水解结束后加入碳酸氢钠粉末调节ph直至为中性，分液后取下层液体加入无水硫酸钠进行干燥，抽滤除去盐，旋蒸掉thf，最后减压蒸馏提纯，得到上述3-(2，2，3，3，4，4-八氟戊烷氧基)-丙烷-1，2-二醇(fdo)。其核磁图谱结构如附图1所示。

另外指出的是，本发明还包括其他氟醇如侧含酰胺基或氨基甲酸酯基或醚键的含氟烷基二元醇。

作为优选的，所述的聚醚二元醇和/或聚碳酸酯二元醇的分子量为500-8000，更优选为750-3000。

作为优选的，所述聚醚二元醇选自以下二元醇中的至少一种：聚四亚甲基醚二醇(ptmo)、聚六亚甲基醚二醇(phmo)。

作为优选的，所述二异氰酸酯选自以下二异氰酸酯中的至少一种：亚甲基二苯基二异氰酸酯(mdi)、六亚甲基1，6-二异氰酸酯(hdi)，4,4'-二环己基甲烷二异氰酸酯(hmdi)，更优选为亚甲基二苯基二异氰酸酯(mdi)。

本发明的目的之二是提供上述生物稳定性高的含氟含硅聚氨酯材料的制备方法，其是将所需原料采用一步法或两步法通过溶液聚合或本体聚合方法制备而得，优选采用两步法制备。

进一步的，上述制备过程中可选择使用或不使用催化剂；所述催化剂选自辛酸亚锡、二月桂酸二丁基锡和有机铋中的一种，优选有机铋；催化剂的使用量占原料组分总质量分数的0-0.5％。

本发明的有益效果在于：本发明利用氟硅两种元素低表面能的特点，通过将少量的氟碳侧链引入到含硅聚氨酯中，在保证聚氨酯一定力学性能的同时，通过氟硅协同作用来进一步改善其本体和表面性能。所得聚氨酯在熔融加工或者溶液加工过程中，氟硅两种元素能够协同向表面迁移，从而能够阻止水以及氧化性介质渗透到材料内部，在大大提高其生物稳定性的同时，还赋予该聚氨酯材料优异的表面性能和本体性能。

附图说明

图1为含氟二元醇3-(2，2，3，3，4，4-八氟戊烷氧基)-丙烷-1，2-二醇(fdo)的核磁图谱；

图2为氟硅聚醚型聚氨酯(fsipeu)的核磁图谱(实施例1)；

图3为所得聚氨酯材料加速水解6个月后的扫描电镜图，(a)聚醚型聚氨酯(peu)，(b)含氟聚醚型聚氨酯(fpeu)，(c)含硅型聚醚型聚氨酯(sipeu)，(d)含氟含硅聚醚型聚氨酯(fsipeu)，其中右边为左边相应部位的放大图；

图4为所得聚氨酯材料在大鼠体内植入6个月后扫描电镜图，(a)聚醚型聚氨酯(peu)，(b)含氟聚醚型聚氨酯(fpeu)，(c)含硅型聚醚型聚氨酯(sipeu)，(d)含氟含硅聚醚型聚氨酯(fsipeu)，其中右边为左边相应部位的放大图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体描述，有必要指出的是，以下实施例仅仅用于对本发明进行解释和说明，并不用于限定本发明。本领域技术人员根据上述发明内容所做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

实施例1

第一步，氟硅聚醚聚氨酯预聚体的制备，将90g聚四氢呋喃醚二元醇和22g羟烃基封端聚二甲基硅氧烷加入带有机械搅拌的三颈瓶于100-105℃下真空脱水2h，至原料中水含量小于0.01％；然后鼓入n2并降温至60-65℃，加入3.06gfdo(含氟二元醇)，搅拌均匀并继续降温至40-42℃，加入51g熔融完全透明的液体mdi(亚甲基二苯基二异氰酸酯)和0.1％的有机铋催化剂，迅速搅拌待温度升至68-70℃，并维持该温度下反应50min，直至nco(异氰酸酯基)含量达到设计理论值，即得到氟硅聚醚聚氨酯预聚体。

第二步，后扩链反应，将第一步制备得到的预聚体降温至58-60℃，加入8.1gbdo(1,4-丁二醇)，高速搅拌均匀后，待体系粘度和温度增大时，迅速浇注于聚四氟乙烯盘里，最后放入100℃鼓风烘箱熟化6h，得到氟硅聚醚聚氨酯弹性体。

第三步，后处理，将第二步中熟化产物在干燥室温下存放一周后溶于适量dmf(n,n-二甲基甲酰胺)中，待完全溶解后加入足量的甲醇沉淀，分离出沉淀物于80℃鼓风烘箱中48h，后于60℃真空烘箱48h，待溶剂完全除尽后，配制成10％(w/v)浓度的dmf溶液，浇注到聚四氟乙烯培养皿中，50℃鼓风烘箱48h，60℃鼓风烘箱24h，60℃真空烘箱24h，制备出厚度约为0.3mm的氟硅聚氨酯膜。或将熟化后的材料破碎，采用熔融加工的方法经挤出或热压等方式制备待测试样品。

实施例2

第一步，氟硅聚醚聚氨酯预聚体的制备，将0.095mol聚六亚甲基醚二元醇和0.005mol羟基乙氧基烃基封端聚二甲基硅氧烷加入带有机械搅拌的三颈瓶于100-105℃下真空脱水2h，至原料中水含量小于0.01％；然后鼓入n2并降温至60-65℃，加入0.01molhepfoa(n-(1,1-二羟甲基乙基)全氟辛酰胺，见专利：含氟二元醇cn1435410a)，搅拌均匀并继续降温至40-42℃，加入0.25molhdi(六亚甲基1,6-二异氰酸酯)和0.05％的辛酸亚锡，迅速搅拌待温度升至75-80℃，并维持该温度下反应50min，直至nco含量达到设计理论值，即得到氟硅聚醚聚氨酯预聚体。

第二步，后扩链反应，将第一步制备得到的预聚体降温至58-60℃，加入0.09molbdo，高速搅拌均匀后，待体系粘度和温度增大时，迅速浇注于聚四氟乙烯盘里，最后放入100℃鼓风烘箱熟化6h,得到氟硅聚醚聚氨酯弹性体。

第三步，后处理，将第二步中熟化产物在干燥室温下存放一周后溶于适量dmf中，待完全溶解后加入足量的甲醇沉淀，分离出沉淀物于80℃鼓风烘箱中48h，后于60℃真空烘箱48h，待溶剂完全除尽后，配制成10％(w/v)浓度的dmf溶液，浇注到聚四氟乙烯培养皿中，50℃鼓风烘箱48h，60℃鼓风烘箱24h，60℃真空烘箱24h，制备出厚度约为0.3mm的氟硅聚氨酯膜。

实施例3

第一步，氟硅聚碳酸酯聚氨酯预聚体的制备，将0.005mol聚1,6-己基碳酸酯二元醇和0.095mol羟烃基封端聚二甲基硅氧烷加入带有机械搅拌的三颈瓶于100-105℃下真空脱水2h，至原料中水含量小于0.01％；然后鼓入n2并降温至60-65℃，加入0.001molfdo，搅拌均匀并继续降温至40-42℃，加入0.204mol熔融完全透明的液体mdi和0.1％的有机铋，迅速搅拌待温度升至50-55℃，并维持该温度下反应50min，直至nco含量达到设计理论值，即得到氟硅聚碳酸酯聚氨酯预聚体。

第二步，后扩链反应，向第一步制备得到的预聚体中加入0.099molbdo，高速搅拌均匀并升温至100℃左右，待体系粘度增大时，迅速浇注于聚四氟乙烯盘里，最后放入100℃鼓风烘箱熟化6h，得到氟硅聚碳酸酯聚氨酯弹性体。

第三步，后处理，将第二步中熟化产物在干燥室温下存放一周后溶于适量dmf中，待完全溶解后加入足量的甲醇沉淀，分离出沉淀物于80℃鼓风烘箱中48h，后于60℃真空烘箱48h，待溶剂完全除尽后，配制成10％(w/v)浓度的dmf溶液，浇注到聚四氟乙烯培养皿中，50℃鼓风烘箱48h，60℃鼓风烘箱24h，60℃真空烘箱24h，制备出厚度约为0.3mm的氟硅聚氨酯膜。

实施例4

第一步，氟硅聚醚聚氨酯预聚体的制备，将0.09mol聚四氢呋喃醚二元醇和0.01mol羟烃基封端聚二甲基硅氧烷加入带有机械搅拌的三颈瓶于100-105℃下真空脱水2h，至原料中水含量小于0.01％；然后鼓入n2并降温至60-65℃，加入0.05molfdo和0.05molbdo，搅拌均匀并继续降温至40-42℃，加入0.167molhmdi和0.05％的二月桂酸二丁基锡，高速搅拌均匀后，待体系粘度和温度增大时，迅速浇注于聚四氟乙烯盘里，最后放入100℃鼓风烘箱熟化6h，得到氟硅聚醚聚氨酯弹性体，将其粉碎后直接经熔融挤出制备薄膜。

实施例5

第一步，氟硅聚碳酸酯聚氨酯预聚体的制备，将0.08mol聚1,6-己基碳酸酯二元醇(pcdl，数均分子量为1000)和0.02mol羟烃基封端聚二甲基硅氧烷加入带有机械搅拌的三颈瓶于100-105℃下真空脱水2h，至原料中水含量小于0.01％；然后鼓入n2并降温至60-65℃，加入0.01molfdo，搅拌均匀并继续降温至40-42℃，加入0.204mol熔融完全透明的液体mdi，迅速搅拌加热升温至68-70℃，并维持该温度下反应50min，直至nco含量达到设计理论值，即得到氟硅聚碳酸酯聚氨酯预聚体。

第二步，后扩链反应，向制备得到的预聚体中加入0.09molbdo，高速搅拌均匀并升温至100℃，待体系粘度增大时，迅速浇注于聚四氟乙烯盘里，最后放入100℃鼓风烘箱熟化6h，得到氟硅聚醚聚氨酯弹性体。

第三步，后处理，将第二步中熟化产物在干燥室温下存放一周后溶于适量dmf中，待完全溶解后加入足量的甲醇沉淀，分离出沉淀物于80℃鼓风烘箱中48h，后于60℃真空烘箱48h，待溶剂完全除尽后，配制成10％(w/v)浓度的dmf溶液，浇注到聚四氟乙烯培养皿中，50℃鼓风烘箱48h，60℃鼓风烘箱24h，60℃真空烘箱24h，制备出厚度约为0.3mm的氟硅聚氨酯膜。

对比例1

第一步，聚氨酯预聚体的制备：将100g聚四氢呋喃醚二元醇于100-105℃下真空脱水2h，至原料中水含量小于0.01％，然后鼓入氮气并降温至40-42℃，加入51g熔融完全透明的液体mdi与0.02％有机铋催化剂，迅速搅拌待温度升至60-62℃，并维持该温度下反应50min，直至nco含量得到设计理论值，即得到聚氨酯预聚体。

第二步，后扩链反应：将第一步制备得到的预聚体降温至58-60℃，加入9gbdo，高速搅拌均匀后，待体系粘度和温度增加时，迅速倒入聚四氟乙烯盘里，最后放入100℃鼓风烘箱熟化6h，得到聚醚聚氨酯弹性体。

第三步，后处理：将第二步中熟化产物在干燥的室温环境下存放一周后溶于适量dmf中，待完全溶解后加入足量的甲醇沉淀，分离出沉淀物于80℃鼓风烘箱中48h，后于60℃真空烘箱48h，待溶剂完全除尽后，配制成10％(w/v)浓度的dmf溶液，浇注到四氟培养皿中，50℃鼓风烘箱48h，60℃鼓风烘箱24h，60℃真空烘箱24h，制备出厚度约为0.3mm的聚氨酯膜。

对比例2

第一步，含氟聚氨酯预聚体的制备：将100g聚四氢呋喃醚二元醇于100-105℃下真空脱水2h，至原料中水含量小于0.01％，然后鼓入氮气并降温至60-65℃加入3.06gfdo，搅拌均匀并降温至40-42℃，加入51g熔融完全透明的液体mdi与0.05％有机铋，迅速搅拌待温度升至70-72℃，并维持该温度下反应50min，直至nco含量得到设计理论值，即得到聚氨酯预聚体。

第二步，后扩链反应：将第一步制备得到的预聚体降温至58-60℃，加入8.1gbdo，高速搅拌均匀后，待体系粘度和温度增加时，迅速倒入聚四氟乙烯盘里，最后放入100℃鼓风烘箱熟化6h，得到含氟聚醚聚氨酯弹性体。

第三步，后处理：将第二步中熟化产物在干燥的室温环境下存放一周后溶于适量dmf中，待完全溶解后加入足量的甲醇沉淀，分离出沉淀物于80℃鼓风烘箱中48h，后于60℃真空烘箱48h，待溶剂完全除尽后，配制成10％(w/v)浓度的dmf溶液，浇注到四氟培养皿中，50℃鼓风烘箱48h，60℃鼓风烘箱24h，60℃真空烘箱24h，制备出厚度约为0.3mm的含氟聚氨酯膜。

对比例3

第一步，含硅聚氨酯预聚体的制备：将90g聚四氢呋喃醚二元醇和22g羟烃基封端聚二甲基硅氧烷于100-105℃下真空脱水2h，至原料中水含量小于0.01％；然后鼓入氮气并降温至40-42℃，加入51g熔融完全透明的液体mdi与0.02％有机铋，迅速搅拌待温度升至70-72℃，并维持该温度下反应50min，直至nco含量得到设计理论值，即得到聚氨酯预聚体；

第二步，后扩链反应：将第一步制备得到的预聚体降温至58-60℃，加入9gbdo，高速搅拌均匀后，待体系粘度增大时，迅速倒入聚四氟乙烯盘里，最后放入100℃鼓风烘箱熟化6h，得到含硅聚醚聚氨酯弹性体；

第三步，后处理：将第二步中熟化产物在干燥的室温环境下存放一周后溶于适量dmf中，待完全溶解后加入足量的甲醇沉淀，分离出沉淀物于80℃鼓风烘箱中48h，后于60℃真空烘箱48h，待溶剂完全除尽后，配制成10％(w/v)浓度的dmf溶液，浇注到四氟培养皿中，50℃鼓风烘箱48h，60℃鼓风烘箱24h，60℃真空烘箱24h，制备出厚度约为0.3mm的含硅聚氨酯膜。

实验例1

将实施例与对比例所得聚氨酯材料的性能进行对比，测试内容如表1，测试方法按照相关最新标准(同一标准)进行，所得结果如表1。

表1

从表1可以看出，本发明实施例制备得到的聚氨酯材料的力学性能并未下降，而通过引入氟硅，其生物稳定性和表面性能得到大大提高，能够很好用于长期植入医用材料领域。

实验例2

分别使用加速水解和大鼠体内植入的方法验证材料的稳定性：

1.高温加速水解。

将熔融挤出制备的样品表面充分洗净，加入pbs缓冲溶液(ph＝7.3)并用高纯氮气持续鼓出气泡排除氧气，放入70℃的老化箱中进行长期的降解实验。每两周更换一次pbs缓冲溶液并重新鼓入高纯氮气。样品水解6个月后的扫描电镜(sem)图见附图3，可以看出，含氟含硅聚氨酯水解后表面的缺陷明显少于纯聚氨酯，证明水解稳定性获得大幅提高。

2.体内植入稳定性验证。

先将溶液成膜的样品裁成直径为1㎝的圆片。充分洗净后经伽马射线灭菌。选取大鼠作为实验对象，按质量与麻药成一定比例对小鼠进行麻醉。按每只小鼠四个半圆材料的量进行脊柱肌肉包埋实验。并定期杀死小鼠，取出材料，后用清水浸泡，用细胞刷刮去材料表面残留的细胞或组织。清洗干燥后使用sem观察材料表面形貌。样品植入6个月后的形貌如附图4所示，含氟含硅聚氨酯表面微裂隙明显少于其他组分，说明其在体内有更好的生物稳定性。