一种温度响应性聚氨酯材料及其制备方法与流程

本发明属于智能材料中的温敏性聚合物领域，涉及到一种具有良好生物相容性和温敏特性聚合物材料的分子设计及其制备方法，具体涉及一种温度响应性聚氨酯材料及其制备方法，本聚合物材料本身是一种单一聚合物，而不是改性方法中两种或多种聚合物的混合物、接枝物、共混物。

背景技术：

聚氨酯材料是聚氨基甲酸酯的简称，英文名称是polyurethane，它是一种高分子材料。聚氨酯是一种新兴的有机高分子材料，被誉为“第五大塑料”，因其卓越的性能而被广泛应用于国民经济众多领域。产品应用已涉及轻工、化工、电子、纺织、医疗、建筑、建材、汽车、国防、航天、航空等众多领域。一般来说，聚氨酯是由异氰酸酯基团与含活性氢的化合物(如醇、胺、羧酸等)通过氢转移加成反应制备。根据不同的分子链结构，聚氨酯可以分为线性聚氨酯聚氨酯(热塑性)、支化和交联的聚氨酯(热固性)。分支与交联聚氨酯可以由多元醇和异氰酸酯单体组分通过投料比以及反应程度的控制，来合成支化型或者交联的聚氨酯材料。

目前，与温敏性相关的聚氨酯材料也有报道，但这些材料往往是长链二元醇如聚乙二醇(PEG)、聚丙二醇(PPG)等与相应的异氰酸酯反应制得。例如，研究人员将聚(乙二醇)(PEG)、聚(ε-己内酯二醇二醇)(PCL)分别为聚合单体和六亚甲基二异氰酸酯(HDI)进行聚合反应，制备出一系列嵌段型聚氨酯材料，并发现在一定条件下该聚氨酯材料可表现出温度敏感性。四川大学的科研人员利用聚己内酯二醇(PCL4000)为软段，成功合成了含有4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)和1,4-丁二醇(BDO)的温度敏感型聚氨酯。在甲烷磺酸催化剂存在下，Haritz Sardon等人成功地利用聚(乙二醇)二醇(Mn＝1500)、二羟甲基丙酸和异佛尔酮二异氰酸酯合成了一种温敏性聚氨酯材料。以上这些温敏性聚氨酯材料属于嵌段型聚合物材料，而非无规型聚合物；另外，这些材料温敏特性主要是依靠聚醚结构，聚乙二醇与聚丙二醇本身就具有一定的温敏性。

作为一种最重要的智能材料，温敏性聚合物是指对外界环境温度具有可逆响应特性的材料。温敏性聚合物材料已经广泛应用于药物控制释放、生物分离、酶固定化、免疫分析等生物医学领域。温敏性聚合物材料的一个最重要的物理参数就是最低临界溶解温度(LCST)或最高临界溶解温度(UCST)，即聚合物在水溶液中随温度改变而可逆地发生明显相变时的温度。在生物医学领域中，温敏性聚合物材料的实际应用必然涉及到两个最基本的问题：第一，临界溶解温度(LCST或UCST)的调控，即控制材料的响应温度，如赋予材料在生理体温范围内具有温敏特性；第二，温敏性聚合物材料的生物可降解性与生物相容性，即保证材料在实际应用中具有优异的生物可降解性与生物相容性，对组织无排异性或毒性。

由于温敏聚合物材料的实际应用多与生物医学领域密切相关，其良好的生物相容性与生物降解性无疑是温敏聚合物材料的必然要求，也是对人体安全的重要保证。只有温敏性聚合物材料具备了良好的生物相容性与生物降解性，材料对人体本身才会更安全、更可靠，这样的温敏聚合物材料才具有真正的实际应用价值和开发前景。但遗憾的是，常用的温敏性聚合物多以碳链型为主，碳碳键的主链结构(-C-C-)往往使得材料不具备良好的生物相容性或生物降解性，限制了这类材料在生物医学领域更广泛的实际应用。例如，最常用的研究最广泛的碳链型温敏性聚合物材料之一则是聚(N-异丙基丙烯酰胺)，而这种聚合物材料已对身体已表现出了排异性。例如，由聚(N-异丙基丙烯酰胺)制备的药物胶囊对眼睛存在着刺激作用。另外，其他N-取代(甲基)丙烯酰胺等温敏性聚合物在降解/水解过程中还会产生对身体有害的小分子胺类化合物，导致其在医学领域中的应用受到极大制约。

在生物医学领域中，同时赋予聚合物材料优异的生物降解性、生物相容性以及温敏特性是智能材料研究与开发中重要的方向之一。为了将温敏性聚合物材料赋予良好的生物相容性与生物降解性，人们通常将具有生物降解性和生物相容性的天然聚合物如壳聚糖、明胶、淀粉、纤维素等和具有温敏特性的碳链型聚合物进行必要的改性。改性的方法包括了共混、嵌段和接枝等技术手段，所获得的材料实际上是多种聚合物的混合物、接枝物、共混物。国内学者卓仁禧、陈莉等在此方面做了大量研究工作。卓仁禧选择魔芋葡甘聚糖和聚(N-异丙基丙烯酰胺)为两种组份，采用互穿网络技术合成了具有生物酶可降解特性的温敏性凝胶；陈莉则将葡聚糖与N-异丙基丙烯酰胺直接进行接枝聚合，发现凝胶对蛋白质溶液具有较好的浓缩分离能力。通过上述改性方法，在一定程度上可以改善或者提高温敏聚合物材料的生物相容性，但却带来两个难以解决的重要技术问题：第一，由于碳链型温敏聚合物的存在，改性后材料本身仍然不具备最佳的生物相容性，也不可能完全生物降解；第二，因为非温敏性天然聚合物的引入，改性后材料的温敏特性亦会随天然聚合物含量的增加而降低，甚至彻底消失。因此，通过碳链型温敏聚合物与天然聚合物的改性方法，无法同时兼顾良好的生物相容性，生物降解性以及温敏特性。换句话说，改性后的聚合物材料并不能同时具备优异的生物相容性、生物降解性、温敏特性，无法使得这三种性能均达到最佳。所以，设计、制备一种既具有良好的温敏特性，又具备优异的生物相容性、生物降解性的杂链型聚合物材料，无疑是温敏聚合物材料开发领域中亟待解决的重要技术难题，这也是本发明的出发点和目的。

技术实现要素：

本发明为解决现有技术中通过改性制备的聚合物材料不能同时具备生物相容性、生物降解性和温敏特性的技术难题，提供了一种温度响应性聚氨酯材料及其制备方法，本发明的聚合物材料为单一的聚合物，而不是多种聚合物的混合物、共混物、接枝物，本聚合物材料同时具备优异的生物相容性、生物降解性和温敏特性。

本发明为实现其目的采用的技术方案是：

一种温度响应性聚氨酯材料，该聚氨酯材料由式(I)所示的结构单元组成，该聚氨酯材料为无规共聚物，该聚氨酯材料的分子量为0.85-2.45×10⁴；

其中，m＝2,3,4,5；n＝25-100。

该聚氨酯材料包括聚(二甘醇-赖氨酸乙酯二异氰酸酯)材料、聚(三甘醇-赖氨酸乙酯二异氰酸酯)材料、聚(四甘醇-赖氨酸乙酯二异氰酸酯)材料、聚(五甘醇-赖氨酸乙酯二异氰酸酯)材料。

温度响应性聚氨酯材料的制备方法，以赖氨酸乙酯二异氰酸酯和二甘醇或三甘醇或四甘醇或五甘醇为原料，搅拌状态下，于室温反应45-50h，得反应产物，然后用有机溶剂(例如甲醇)将反应产物溶解，经透析、干燥后，得到聚(二甘醇-赖氨酸乙酯二异氰酸酯)材料或聚(三甘醇-赖氨酸乙酯二异氰酸酯)材料或聚(四甘醇-赖氨酸乙酯二异氰酸酯)材料或聚(五甘醇-赖氨酸乙酯二异氰酸酯)材料。干燥时优选采用冷冻干燥机干燥45-50h。

赖氨酸乙酯二异氰酸酯与二甘醇或三甘醇或四甘醇或五甘醇的摩尔比为1：(0.95-1.1)。

所述透析包括，将用有机溶剂(例如甲醇)溶解后的反应产物置于透析膜中，加蒸馏水密封好，然后置于盛有蒸馏水的容器中透析20-30h，透析袋最大透过聚合物分子量为2500；容器中加入有磁子，用于搅拌蒸馏水，可加快透析速度，节省时间。

透析时，每隔4-6h更换一次容器中的蒸馏水。

本发明的有益效果是：

本发明是通过赖氨酸乙酯二异氰酸酯和四种甘醇单体的分别直接聚合，制备出四种具有温敏特性的聚氨酯材料。本发明温度响应性聚氨酯材料本身是一种单一聚合物，而不是改性方法中两种或多种聚合物的混合物、接枝物、共混物，更不是嵌段聚合物。同时，本发明中所制备的温敏性材料属于杂链型聚合物，在其大分子主链上含有氨基甲酸酯基团，在侧基上又含有酯键。因此，这种新型温敏聚合物材料的成功制备可有效避免改性方法中材料本身仍然不可能完全降解或生物相容性差的问题；也避免了改性方法中非温敏性天然聚合物的引入所导致的温敏特性降低或消失。换句话说，本发明所制备的聚合物材料不仅具有良好的温敏特性，而且还兼顾了优异的生物相容性和生物降解性，为其在生物医学领域的实际应用提供了重要的安全保障。

本发明制备方法可以制备出具有温敏特性的聚氨酯材料，该聚合物分子量在0.85～2.45万，在15-35度范围内可对外界温度具有优异的可逆响应特性，即其最低临界温度(LCST)为15-35度，接近室温和人体体温。另外，通过本发明温度响应性聚氨酯材料的细胞毒性进行评价后，可知24和48小时的培育后，HeLa细胞存活率(在0.01–100μ克/毫升聚氨酯溶液)可达到70％以上，显示其良好的生物相容性。总之，这种具有温敏特性、生物相容性的聚氨酯，是一种很有前途的“智能”材料，可在生物医学领域加以应用。

本发明所制备的聚合物材料，不仅具有温敏特性，同时兼备了优异的生物相容性和生物降解性。因此，这种新型的温敏性聚合物材料可以在药物控制释放、生物分离、免疫分析等方面具有较高的应用价值和开发前景，尤其是对温敏性材料的生物相容性/生物降解性要求较高的生物医学领域。

附图说明

图1是聚(二甘醇-赖氨酸乙酯二异氰酸酯)材料红外光谱图。

图2是聚(三甘醇-赖氨酸乙酯二异氰酸酯)材料红外光谱图。

图3是聚(四甘醇-赖氨酸乙酯二异氰酸酯)材料红外光谱图。

图4是聚(五甘醇-赖氨酸乙酯二异氰酸酯)材料红外光谱图。

图5是聚(二甘醇-赖氨酸乙酯二异氰酸酯)材料核磁共振氢谱图。

图6是聚(三甘醇-赖氨酸乙酯二异氰酸酯)材料核磁共振氢谱图。

图7是聚(四甘醇-赖氨酸乙酯二异氰酸酯)材料核磁共振氢谱图。

图8是聚(五甘醇-赖氨酸乙酯二异氰酸酯)材料核磁共振氢谱图。

图9是四种聚氨酯材料水溶液透光率随温度的变化曲线图。其中，PDILD代表聚(二甘醇-赖氨酸乙酯二异氰酸酯)材料，PTRLD代表聚(三甘醇-赖氨酸乙酯二异氰酸酯)材料，PTELD代表聚(四甘醇-赖氨酸乙酯二异氰酸酯)材料，PPELD代表聚(五甘醇-赖氨酸乙酯二异氰酸酯)材料。

图10是不同浓度的聚(三甘醇-赖氨酸乙酯二异氰酸酯)材料水溶液透光率随温度的变化曲线图。

图11是聚(三甘醇-赖氨酸乙酯二异氰酸酯)材料的细胞毒性评价图.

具体实施方式

温敏性聚合物应用在药物缓释、蛋白分离和组织修复等生物医学领域。由于温敏聚合物的应用与生物医学领域密切相关，优异的生物相容性是温敏聚合物材料在实际应用中的客观要求，也是对人体安全的重要保证。在本发明中，我们选用赖氨酸乙酯二异氰酸酯和四种甘醇小分子，即二甘醇、三甘醇、四甘醇、五甘醇为聚合单体，经聚合反应直接制备出四种具有优异的温敏特性，又兼备良好生物相容性聚氨酯材料。这种温敏性材料是一种杂链型聚合物，其分子量在0.85-2.45万，分子量分布为1.3-2.6。下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1、聚(二甘醇-赖氨酸乙酯二异氰酸酯)材料的制备

在50mL单口烧瓶中放入搅拌磁子，先加入0.835g二甘醇液体，再用5mL注射器称取1.78g L-赖氨酸二异氰酸酯，打开磁子搅拌器，搅拌状态下缓慢滴加进单口烧瓶中，使两种液体在烧瓶中充分混合。在室温下反应48h。停止反应后，得到较坚硬的胶状体。将反应产物用适量甲醇全部溶解，转移至透析膜中，加蒸馏水密封好，放入盛有适量蒸馏水的大烧杯中进行透析。在大烧杯中加入磁子，并每隔5h更换一次大烧杯中的蒸馏水，保证透析充分。透析36h后将透析膜取出，将透析膜中透析好的产物转移至干净的小烧杯中，用冷冻干燥机干燥两天，干燥完全后得到最终产物。产物为淡黄色透明胶状固体，产物质量0.693g，产率为26.5％。

本实施例反应方程式如下所示，其中R＝CH₂CH₃，

实施例2、聚(三甘醇-赖氨酸乙酯二异氰酸酯)材料的制备

在50mL单口烧瓶中放入搅拌磁子，先加入1.37g三甘醇液体，再用5mL注射器称取2.04g L-赖氨酸二异氰酸酯，打开磁子搅拌器，搅拌状态下缓慢滴加进单口烧瓶中，使两种液体在烧瓶中充分混合。在室温下反应48h。停止反应后，得到坚硬的胶状体。将反应产物用适量甲醇全部溶解，转移至透析膜中，加蒸馏水密封好，放入盛有适量蒸馏水的大烧杯中进行透析。在大烧杯中加入磁子，并每隔5h更换一次大烧杯中的蒸馏水，保证透析充分。透析48h后将透析膜取出，将透析膜中透析好的产物转移至干净的小烧杯中，用冷冻干燥机干燥两天，干燥完全后得到最终产物。产物为无色透明胶状固体，产物质量1.23g，产率为36.0％。

本实施例反应方程式如下所示，其中R＝-CH₂CH₃，R₁＝CH₂CH₂，

实施例3、聚(四甘醇-赖氨酸乙酯二异氰酸酯)材料的制备

在50mL单口烧瓶中放入搅拌磁子，先加入1.80g四甘醇单体，再用5mL注射器称取2.04g L-赖氨酸二异氰酸酯，打开磁子搅拌器，搅拌状态下缓慢滴加进单口烧瓶中，使两种液体在烧瓶中充分混合。在室温下反应48h。停止反应后，得到坚硬的胶状体。将反应产物用适量甲醇全部溶解，转移至透析膜中，加蒸馏水密封好，放入盛有适量蒸馏水的大烧杯中进行透析。在大烧杯中加入磁子，并每隔5h更换一次大烧杯中的蒸馏水，保证透析充分。透析24h后将透析膜取出，将透析膜中透析好的产物转移至干净的小烧杯中，用冷冻干燥机干燥两天，干燥完全后得到最终产物。产物为黄色透明胶状固体，产物质量1.58g，产率为41.2％。

本实施例反应方程式如下所示，其中R＝-CH₂CH₃，R₁＝CH₂CH₂，

实施例4、聚(五甘醇-赖氨酸乙酯二异氰酸酯)材料的制备

在50mL单口烧瓶中放入搅拌磁子，先加入2.66g五甘醇单体，再用5mL注射器称取2.52g L-赖氨酸二异氰酸酯，打开磁子搅拌器，搅拌状态下缓慢滴加进单口烧瓶中，使两种液体在烧瓶中充分混合。在室温下反应48h。停止反应后，得到坚硬的胶状体。将反应产物用适量甲醇全部溶解，转移至透析膜中，加蒸馏水密封好，放入盛有适量蒸馏水的大烧杯中进行透析。在大烧杯中加入磁子，并每隔5h更换一次大烧杯中的蒸馏水，保证透析充分。透析24h后将透析膜取出，将透析膜中透析好的产物转移至干净的小烧杯中，用冷冻干燥机干燥两天，干燥完全后得到最终产物。产物为黄色透明胶状固体，产物质量1.54g，产率为29.8％。

本实施例反应方程式如下所示，其中R＝-CH₂CH₃，R₁＝CH₂CH₂，

在本发明中，我们利用小分子单体：天然赖氨酸衍生物、一系列甘醇来制备具有温敏特性的聚氨酯材料。我们已经成功地合成了一系列聚(二甘醇-赖氨酸乙酯二异氰酸酯)、聚(三甘醇-赖氨酸乙酯二异氰酸酯)、聚(四甘醇-赖氨酸乙酯二异氰酸酯)、聚(五甘醇-赖氨酸乙酯二异氰酸酯)材料。这四种聚氨酯材料均显示了一个可逆的LCST相变在15-35℃，即具有温敏特性，且接近室温和人体温度。聚氨酯的分子量为温敏性的一个特别重要的因素：几种聚氨酯在没有锡催化下所得分子量(Mn)约1-2×10⁴，均显示温度响应。但是，使用锡催化下聚合，则所得聚氨酯分子量超过四万，材料没有温敏特性。其原因可能是，过高分子量的聚合物链之间存在着较强的分子间作用(氢键)，导致水不能溶解聚合物材料。

在本发明中，通过MTT法对温度响应性聚氨酯材料的细胞毒性进行了评价。如图11所示，经过24、和48小时的Hela细胞培养后，在四种不同浓度聚合物溶液中Hela细胞的增殖率保持均在70％以上，这说明本发明中温度响应性聚氨酯材料对细胞繁殖不存在抑制作用，无细胞毒性。可见，本发明中所制备的温度响应性聚氨酯对Hela细胞抑制作用极低，其生物相容性优异。