一种侧链含磷酰胆碱基团聚酯型聚氨酯材料及其制备方法与流程

本发明属于可医用高分子材料领域，具体涉及一种侧链含磷酰胆碱基团聚酯型聚氨酯材料及其制备方法。
背景技术：
：自拜尔公司发明以来，从医用导管到人工心脏，聚氨酯(PU)在医疗器械领域中具有广泛的应用。聚氨酯具有独特的性能，例如相对优异的生物相容性、化学特性、卓越的力学性能以及加工特性等，成为众多医疗产品原料的理想选择，特别是当所选材料要同时解决复杂的力学性能和生物相容性问题时，例如制备介入导管、介入装置涂层、血液透析膜、人工心脏和心室辅助循环系统等血液接触装置，医用聚氨酯通常是原料的最佳选择。目前，血栓、钙化和细菌感染是包括医用聚氨酯在内用于血液接触材料所面临的主要并发症。当医用材料进入人体内，人体组织及血液主要和材料的表面接触，因此理解和控制材料的表面性质是消除并发症的关键。磷酰胆碱聚合物即具有-CH2NO5P+基团的化合物，包含多种类型，常见的有二月桂酰基卵磷脂(DLPC)(如式1所示)、二肉豆蔻酰磷脂酰胆碱(DMPC)(如式2所示)、二棕榈酸磷脂酰胆碱(DPPC)(如式3所示)、二硬脂酰磷脂酰胆碱(DSPC)(如式4所示)、聚2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酰胆碱(PMPC)(如式5所示)等。其与血液中各种生物成分的相互作用很小，即磷酰胆碱基团能够维持血液中生物成分的正常构象使血细胞细胞膜的外表面具有良好的血液相容性，因此在外层细胞膜中占重要地位，他直接影响生物体细胞如何与外界发生作用。基于仿细胞膜结构出发设计合成的磷酰胆碱聚合物因其具有良好的生物相容性而备受关注。通过模仿细胞外磷脂双层膜的构造，富含磷酰胆碱基团的材料在生物体内将其伪装成周围的天然成分，使其具有优良的生物相容性，表面不易吸附蛋白质、血小板等生物污垢，阻止血栓形成，从而可消除表面污垢引起的许多问题。磷酰胆碱类聚合物的开发为人们寻找生物相容性材料开辟了新的途径。磷酰胆碱可以广泛使用于对聚氨酯材料的改性领域。早期的磷酰胆碱修饰聚氨酯的方法是将2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱(MPC)与甲基丙烯酸-2-乙基己酯共聚后将共聚物与嵌段聚氨酯进行共混，并在此基础上发展出半互穿网络技术。后来又发展出以偶氮二异丁晴为引发剂，采用自由基聚合制备了MPC与甲基丙烯酸丁酯、甲丙烯酸异辛酯的共聚物。虽然制备的聚合物的磷酰胆碱基团位于侧链，在水环境下可以很好的聚集在材料的表面，起到增加生物相容性的作用，但是自由基共聚制备的磷酰胆碱聚合物降解性能很差，并且共混法导致材料的机械性能降低，应用受到很大的限制。另一种磷酰胆碱改性方法是将磷酰胆碱基团接枝到聚氨酯材料的表面，以2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱(MPC)及甘油磷酸胆碱(GPC)衍生物为PC基团提供化合物，并以表面耦合MPC法、表面耦合醛基磷酰胆碱法及表面接枝GPC衍生物法，将PC基团共价接枝到聚碳酸酯型聚氨酯表面。该方法所获的磷酰胆碱改性生物材料具有较高的生物相容性。虽然材料表面接枝磷酰胆碱基团可以有效提高材料的生物相容性，但这种方法具有工艺非常复杂，成本较高，并且只适用于表面比较规则的材料，使其商品化变得非常困难等问题。目前还有一种磷酰胆碱改性方法是合成含有磷酰胆碱基团的双端羟基化合物，然后使用二异氰酸酯进行扩链制备主链含有磷酰胆碱基团的聚氨酯。这种制备方法所得材料具有良好的生物相容性，但该材料中含有的磷酰胆碱基团完全位于主链上，在材料的使用过程中相当部分的胆碱基团被包埋在材料内部，很难富集于材料的表面，因此该材料有生物相容性有限、合成磷酰胆碱基团的双端羟基化合物使用了含有苯环的酚类物质导致该材料在长期的使用过程中会有有毒的物质降解出来等缺点。技术实现要素：根据以上现有技术的不足，本发明的一个目的是提供一种侧链含有磷酰胆碱基团的聚酯型聚氨酯材料，该聚氨酯材料磷酰胆碱基团位于侧链上，能有效阻碍血小板和蛋白质的沉积及避免了血栓的生成，具有较高的生物相容性，同时聚氨酯材料的软段为结晶的聚酯，硬段具有有序结构并含有氨基甲酸酯基团，使得材料具有较高的机械强度，并且主链完全憎水的特性满足作为组织工程修复支架材料所需较慢的降解速度，软段降解产物为小分子羧酸、硬段降解产物为脂肪胺和氨基酸，在材料发挥作用后可逐渐降解为无毒产物被生物体吸收，避免了二次手术的伤害，可以长期应用于生物体。本发明另一目的是提供一种侧链含有磷酰胆碱基团的聚酯型聚氨酯材料的制备方法，该制备工艺简单，选用的二异氰酸酯为含有多个胺基甲酸酯的脂肪族二异氰酸酯，降解产物可被生物体吸收，可作为生物材料等长期应用于生物体。通过此制备方法制备的聚酯型聚氨酯材料为全合成、无潜在动物源性，同时具有优异的生物相容性和机械性能，并且具有生物降解性，降解产物无毒，可被生物体吸收。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：本发明提供了一种侧链含有磷酰胆碱基团的聚酯型聚氨酯材料，分子量大于1.8×105，膜材料断裂强度大于42Mpa、断裂伸长率大于600％、蛋白质的吸附量小于2.5μg/cm2、降解时间在105-120d。本发明还提供了一种侧链含磷酰胆碱基团聚酯型聚氨酯材料的制备方法，包括以下步骤：(1)聚酯二醇与过量二异氰酸酯反应，得到双端异氰酸基预聚物；(2)用双氨基的磷酰胆碱化合物对双端异氰酸基预聚物进行扩链，得到侧链含磷酰胆碱基团的聚氨酯材料。优选的，步骤(1)中的聚酯二醇为聚乙交酯、聚L-丙交酯、聚D,L-丙交酯或聚ε-己内酯，分子量为400～5000，优选分子量为500～3000。优选的，步骤(1)中的二异氰酸酯为1,6-六亚甲基二异氰酸酯-1,4-丁二醇-1,6-六亚甲基二异氰酸酯(HDI-BDO-HDI)，1,4-四亚甲基二异氰酸酯-1,4-丁二醇-1,4-四亚甲基二异氰酸酯(BDI-BDO-BDI)。优选的，HDI-BDO-HDI/BDI-BDO-HDI的具体制备方法为以1,4-丁二醇(BDO)和二异氰酸酯为原料，投料摩尔比为：n-OH：n-NCO＝1:4-30，反应温度70-100℃，反应时间1-5h，合成HDI-BDO-HDI。优选的，BDO与1,6-六亚甲基二异氰酸酯(HDI)摩尔比为1:12，在干燥氮气气氛下反应，反应温度80℃，反应时间4小时，将反应体系冷却到室温，得白色固体，正己烷洗涤三次除去过量HDI，常温真空干燥得HDI-BDO-HDI。优选的，BDO和1,4-四亚甲基二异氰酸酯(BDI)摩尔比为1:14，在干燥氮气氛下反应，反应温度80℃，反应时间3h，降温到室温形成白色固体，正己烷洗涤三次除去过量的BDI，常温真空干燥得BDI-BDO-BDI。优选的，步骤(1)中所述的过量二异氰酸酯的加入量为-NCO与-OH摩尔比为2.0,加入方式为二异氰酸酯溶于二甲亚砜中(10g/30mL),在常温下与聚酯二醇混合优选的，步骤(1)中反应温度为80～100℃，反应时间为2.5～6.0h。优选的，步骤(2)所述的双氨基的磷酰胆碱化合物为具体结构为Lys-PC(如式6所示)或Lys-EG-PC(如式7所示)。优选的，步骤(2)中双氨基磷酰胆碱化合物的加入量为：-NH2:-NCO＝1:2(摩尔比)，反应温度为10～20℃，反应时间为1.0～2.0h。优选的，制备方法包括对侧链含磷酰胆碱基团聚氨酯材料的纯化步骤：以二氯甲烷或二氧六环溶解，冰乙醚沉降，抽滤，常温真空干燥至恒重。优选的，将步骤(2)中得到的侧链含磷酰胆碱基团的聚氨酯材料溶于良性有机溶剂中，配成浓度为4～7％(g/mL)的溶液，经溶剂挥发成膜，制备得到聚氨酯膜材料。优选的，良性溶剂为三氯甲烷、二氯甲烷、氯仿、丙酮或二氧六环的一种或其中几种的混合溶剂。溶剂挥发温度为15～25℃，常压挥发60～90h，后经常温真空干燥，得膜材料。优选的，所得聚氨酯膜材料膜的厚度为0.18～0.22mm。优选的，该聚氨酯材料可以做成生物体所需要的各种剂型，特别是膜、海绵、软骨剂型。优选的，该聚氨酯材料作为组织工程修复支架材料在医学领域的应用。本发明的有益效果1.本发明制备的材料的软段为结晶的聚酯，硬段具有有序结构并含有氨基甲酸酯基和尿基，硬段之间及硬段和软段之间可形成大量的氢键，使得材料具有较高的机械强度，并且主链完全憎水，满足作为组织工程修复支架材料所需较慢的降解速度。该聚氨酯材料的软段降解产物为小分子羧酸、硬段降解产物为脂肪胺和氨基酸，在材料发挥作用后可逐渐降解为无毒产物被生物体吸收，避免了二次手术的伤害，可以长期应用于生物体。2.本发明制备的材料磷酰胆碱基团位于聚合物的侧链，具有较高的亲水性，在生物体内水环境下会聚集在材料的表面，不仅不会吸附和沉淀蛋白质，也不会引发血小板激活导致凝血等不良反应，避免的血栓的生成，具有极高的生物相容性。3.本发明制备工艺简单，常规方法即可满足制备要求，并可制备成多种剂型，具有较高商品化前景。附图说明图1、国标规定机械性能测试PU膜的形状要求。图2、样品A6的血小板粘度SEM照片。具体实施方式下面结合具体实施例来对本发明作进一步说明。实施例1将0.01mol聚L-丙交酯(PLLA，Mn＝2000)和0.02molHDI-BDO-HDI(溶于二甲亚砜中：10g/30mL)置于三口烧瓶中，干燥氮气保护，机械搅拌，升温至80℃，反应4.0h后，降温至18℃，加入0.01molLys-PC，搅拌，当体系粘度变大无法正常搅拌时，适量补加二氯甲烷，搅拌1h后，加入二氯甲烷至浓度约15wt％，冰乙醚沉降，抽滤，常温真空干燥至恒重，得侧链含磷酰胆碱基团的聚氨酯材料A1。膜材料的制备：将A1溶解于有机溶剂二氧六环中，配成浓度为6.5％(g/mL)的溶液，使用聚四氟乙烯模具在25℃常压挥发80h，将膜从模具上取下后经常温真空干燥得膜材料，所得的膜材料的厚度为0.20mm。实施例2将0.01mol聚ε-己内酯(PCL，Mn＝2000)和0.02molHDI-BDO-HDI(溶于二甲亚砜中：10g/30mL)置于三口烧瓶中，干燥氮气保护，机械搅拌，升温至85℃，反应3.5h后，降温至18℃，加入0.01molLys-PC，搅拌，当体系粘度变大无法正常搅拌时，适量补加二氯甲烷，搅拌1h后，加入二氯甲烷至浓度约15wt％，冰乙醚沉降，抽滤，常温真空干燥至恒重，得侧链含磷酰胆碱基团的聚氨酯材料A2。膜材料的制备：将A2溶解于有机溶剂三氯甲烷中，配成浓度为5.5％(g/mL)的溶液，使用聚四氟乙烯模具在24℃常压挥发90h，将膜从模具上取下后经常温真空干燥得膜材料，所得的膜材料的厚度为0.19mm。实施例3将0.01mol聚ε-己内酯(PCL，Mn＝1500)和0.02molHDI-BDO-HDI(溶于二甲亚砜中：10g/30mL)置于三口烧瓶中，干燥氮气保护，机械搅拌，升温至85℃，反应3.5h后，降温至18℃，加入0.01molLys-PC，搅拌，当体系粘度变大无法正常搅拌时，适量补加二氯甲烷，搅拌1.5h后，加入二氯甲烷至浓度约15wt％，冰乙醚沉降，抽滤，常温真空干燥至恒重，得侧链含磷酰胆碱基团的聚氨酯材料A3。膜材料的制备：将A3溶解于有机溶剂三氯甲烷中，配成浓度为4％(g/mL)的溶液，使用聚四氟乙烯模具在15℃常压挥发60h，将膜从模具上取下后经常温真空干燥得膜材料，所得的膜材料的厚度为0.18mm。实施例4将0.01mol聚ε-己内酯(PCL，Mn＝1000)和0.02molBDI-BDO-BDI(溶于二甲亚砜中：10g/30mL)置于三口烧瓶中，干燥氮气保护，机械搅拌，升温至85℃，反应3.5h后，降温至18℃，加入0.01molLys-PC，搅拌，当体系粘度变大无法正常搅拌时，适量补加二氯甲烷，搅拌1.5h后，加入二氯甲烷至浓度约15wt％，冰乙醚沉降，抽滤，常温真空干燥至恒重，得侧链含磷酰胆碱基团的聚氨酯材料A4。膜材料的制备：将A4溶解于有机溶剂二氯甲烷中，配成浓度为5％(g/mL)的溶液，使用聚四氟乙烯模具在20℃常压挥发65h，将膜从模具上取下后经常温真空干燥得膜材料，所得的膜材料的厚度为0.20mm。实施例5将0.01mol聚L-乳酸(PLLA，Mn＝1000)和0.02molBDI-BDO-BDI(溶于二甲亚砜中：10g/30mL)置于三口烧瓶中，干燥氮气保护，机械搅拌，升温至80℃，反应4.0h后，降温至20℃，加入0.01molLys-PC，搅拌，当体系粘度变大无法正常搅拌时，适量补加二氯甲烷，搅拌1.5h后，加入二氯甲烷至浓度约15wt％，冰乙醚沉降，抽滤，常温真空干燥至恒重，得侧链含磷酰胆碱基团的可聚氨酯材料A5。膜材料的制备：将A5溶解于有机溶剂二氯甲烷中，配成浓度为5％(g/mL)的溶液，使用聚四氟乙烯模具在20℃常压挥发60h，将膜从模具上取下后经常温真空干燥得膜材料，所得的膜材料的厚度为0.21mm。实施例6将0.01mol聚L乳酸(PLLA，Mn＝1000)和0.02molBDI-BDO-BDI(溶于二甲亚砜中：10g/30mL)置于三口烧瓶中，干燥氮气保护，机械搅拌，升温至80℃，反应4.0h后，降温至18℃，加入0.01molLys-EG-PC，搅拌，当体系粘度变大无法正常搅拌时，适量补加二氯甲烷，搅拌1.5h后，加入二氯甲烷至浓度约15wt％，冰乙醚沉降，抽滤，常温真空干燥至恒重，得侧链含磷酰胆碱基团的聚氨酯材料A6。膜材料的制备：将A6溶解于有机溶剂二氧六环中，配成浓度为5.5％(g/mL)的溶液，使用聚四氟乙烯模具在22℃常压挥发80h，将膜从模具上取下后经常温真空干燥得膜材料，所得的膜材料的厚度为0.22mm。实施例7将0.01mol聚D,L-乳酸(PDLLA，Mn＝1000)和0.02molBDI-BDO-BDI(溶于二甲亚砜中：10g/30mL)置于三口烧瓶中，干燥氮气保护，机械搅拌，升温至90℃，反应4.0h后，降温至18℃，加入0.01molLys-EG-PC，搅拌，当体系粘度变大无法正常搅拌时，适量补加二氯甲烷，搅拌1.5h后，加入二氯甲烷至浓度约15wt％，冰乙醚沉降，抽滤，常温真空干燥至恒重，得侧链含磷酰胆碱基团的聚氨酯材料A7。膜材料的制备：将A7溶解于有机溶剂丙酮中，配成浓度为5.5％(g/mL)的溶液，使用聚四氟乙烯模具在25℃常压挥发75h，将膜从模具上取下后经常温真空干燥得膜材料，所得的膜材料的厚度为0.20mm。实施例8将0.01mol聚丙交酯(PGA，Mn＝1000)和0.02molHDI-BDO-HDI(溶于二甲亚砜中：10g/30mL)置于三口烧瓶中，干燥氮气保护，机械搅拌，升温至80℃，反应4.0h后，降温至18℃，加入0.01molLys-PC，搅拌，当体系粘度变大无法正常搅拌时，适量补加二氯甲烷，搅拌2h后，加入二氯甲烷至浓度约15wt％，冰乙醚沉降，抽滤，常温真空干燥至恒重，得侧链含磷酰胆碱基团的聚氨酯材料A8。膜材料的制备：将A8溶解于有机溶剂氯仿中，配成浓度为6％(g/mL)的溶液，使用聚四氟乙烯模具在23℃常压挥发80h，后经常温真空干燥得膜材料，将膜从模具上取下所得的膜材料的厚度为0.22mm。分析方法以下分析方法用于所有的实施例，除非另外说明。分子量及分子量分布：使用美国Water公司的Alpha型凝胶色谱仪(GPC)测定聚氨酯的分子量和分子量分布，4mg样品溶于2mL四氢呋喃，用0.4μm过滤头过滤到专用色谱瓶中，流动相速率为0.5mL/min,色谱柱箱温度设为35℃，标样为单分散聚苯乙烯。降解性能：将剪成直径为10mm圆形的膜材料浸泡生理盐水中，维持37℃恒温，以一天为周期观察膜材料的状态，当膜材料产生碎片，失去机械性能，认为降解完成，定为降解时间。机械性能：为测试合成的聚氨酯膜的拉伸性能，使用广东东莞恒宇仪器有限公司的HY939C型电脑式单柱拉力试验机测定膜的拉伸强度和断裂伸长率。试验开始前,先将样品在生理盐水中浸泡3min，然后制成哑铃型模型，按照国标GB/T1040.2-2006规定的方法进行测定，如图1所示。水接触角测定：水接触角测试在薄膜与空气接触一面进行，蒸馏水(液滴体积:2μL)，温度:25℃，测定水滴接触表面在大约1min时的接触角数值，取5个点作平均值。蛋白质吸附量:将1cm×1cm的聚合物膜浸泡于pH＝7.4的磷酸盐缓冲液(PBS)中充分溶胀平衡，取出后将其置于浓度为0.6g/L的牛血清蛋白溶液(BSA)中,在37℃的恒温水浴中浸泡2h。结束后取出聚合物膜，用PBS缓冲溶液充分淋洗3次。然后用1％(w/w)的SDS溶液(PBS溶液)超声清洗20min，精确移取相同体积清洗液于具塞试管中，再加入Micro-BcATM蛋白质检测试剂盒工作液(PierceInc.，Rockford，23235)，充分混合,密封，60℃水浴恒温1h。最后自然冷却到室温,使用紫外-可见光分光光度计于562nm波长处测定吸光度，根据标准曲线计算得吸附量，取3个样的平均值。血小板黏附实验：从健康兔子心脏抽取新鲜血液，加入质量分数为3.8％的柠檬酸钠溶液作为抗凝剂，全血与抗凝剂的比例为9:1，将加入抗凝血剂的全血放入离心机中，初次离心设置转速为1400r/min，离心10min；然后吸取上层清液再次离心，设置转速仍为1400r/min，离心15min，上层清液为贫血小板血浆(PRP)，吸取大约3/4上清液弃掉，剩余即为PRP；将改性后的聚氨酯膜(1.0×1.0cm2)放置于24孔板中，先浸没在PH＝7.4的PBS缓冲溶液中4h，然后在37℃恒温下，在PRP溶液中孵育1h。将膜取出，用PBS缓冲溶液反复冲洗3次以除去未吸附的血小板，然后再将膜浸泡在2.5％的戊二醛PBS溶液中30min固定表面的血小板。紧接着将膜依次放入不同浓度梯度的乙醇水溶液中(50、60、70、80、90、100％)进行逐级脱水，在每种浓度的溶液中浸泡30min，最后于室温下干燥，喷金，采用S-4800型SEM(日本日立公司)观察膜表面的血小板黏附情况。实施例1-8中侧链含磷酰胆碱基团的聚氨酯膜材料的性能如表1所示。实施例6中侧链含磷酰胆碱基团的聚氨酯膜材料(A6)的血小板粘附扫描电镜照片如图1所示。实施例1-8中侧链含磷酰胆碱基团的聚氨酯膜材料的生物学评价测试如表2所示。表1侧链含磷酰胆碱基团的聚氨酯膜的机械性能、表面亲水性和蛋白质吸附量由表1可知，本专利所提供的方法制备的侧链含磷酰胆碱基团的聚氨材料具有较高的分子量，其相应的膜材料具有很高的断裂强度，满足生物体组织工程修复支架材料的需求。随着硬段(含氨基甲酸酯基和尿基的链段)含量的增加，断裂强度增加。膜材料的降解时间均大于十五周，最长为十七周，考到的所制备的膜较薄，比表面积较大，如果剂型制备成组织工程修复支架材料所需要的形状，其降解时间会大大增加。膜的降解时间磷酰胆碱的含量以及聚氨酯原料种类有关，改性聚氨酯材料结晶度越高，降解越慢。其水接触角和蛋白质吸附量的规律相一致，即接触角越小，表面亲水性越高，蛋白质吸附量越小。随着磷酰胆碱基团含量的增加，在水中侧链的磷酰胆碱基团由于亲水性相互聚体，形成亲水的界面，同时由于磷酰胆碱基团高的生物相容性，其对蛋白质的吸附量也降低，极大的提高了医用聚氨酯材料的生物相容性。本专利实施例中的样品的蛋白质的吸附量小于2.2μg/cm2,甚至小于1.5μg/cm2，表明该材料展现出极佳的生物相容性，可长期使用于生物体。从图1中可以看到，磷酰胆碱改性聚氨酯膜表面黏附的血小板数量很少，而且大部分血小板没有发生聚集，仍然保持原来的形貌。表明该材料具有优异的低血小板黏附性能。表2.侧链含磷酰胆碱基团的聚氨酯膜材料(样品A1-A8)的生物学测试细菌测试无菌GB/T14233.2-2005第二章细胞毒性<I级GB/T14233.2-2005皮内刺激性无皮内刺激GB/T14233.10-2005致敏性无致敏性GB/T14233.10-2005急性全身毒性无明显差异GB/T14233.11-2011由表2可知，本发明实施例1-8所制备的膜材料的生物学性能检测结果表明各个实施例均能获得无毒、无刺激、生物相容性好且满足临床使用要求的材料。尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。当前第1页1 2 3