形状记忆聚己内酯基聚氨酯输尿管支架管的制备及性能

张宁欣，安子韩，赵义平，代凤英，陈 莉

(分离膜与膜过程国家重点实验室，天津工业大学材料科学与工程学院，天津 300387)

1 引 言

目前，生物医用高分子材料的应用已遍及人工器官、外科修复、理疗康复、诊断治疗和药物释放等医学领域[1]。其中，输尿管支架管作为生物医用高分子材料的典型分支之一，其植入手术已成为治疗各种与尿路阻塞和损伤相关疾病的主要手段。因此，支架管材料的选择和制备成为研究热点。支架管主要由高分子材料制成[2]，其中聚氨酯材料应用最为普遍[3]，此类材料具有弹性好、生物相容性好等特点。但是，临床用输尿管支架管独特的双J型结构却增加了植入手术的操作难度。因此，致力于寻找一种生物相容性好且具有形状记忆性能的聚氨酯材料，利用成型工艺及温度响应性，降低手术植入难度并在人体温度驱动下恢复为原来的形状，以替代传统的聚氨酯输尿管支架管。

形状记忆聚氨酯(SMPU)是具有刺激响应性的嵌段共聚物，由软段和硬段组成，可通过调节不同软硬段比例来调控结晶温度，实现在特定温度下的响应及形状记忆效应。特殊的微相分离结构，赋予聚氨酯弹性体良好的稳定性、优异的力学性能及较好的生物相容性[4]，在生物医学领域引起广泛关注[5-6]。Lendlein等[7]用聚己内酯(PCL)、聚对二恶烷酮(PPDO)与三甲基-1，6-六亚甲基二异氰酸酯(TMDI)制备了一系列可生物降解的形状记忆聚氨酯。Fan Xiaoshan等[8]用不同比例的左旋聚乳酸和消旋聚乳酸与4，4-二环己基甲烷二异氰酸酯(HMDI)反应制备了具有形状记忆性的聚氨酯，其玻璃化转变温度在3～46℃之间，与体温相近。Yang Xifeng等[9]通过ε-己内酯开环聚合制备了星型多臂聚乙内酯二醇(PCL-diol)，星型聚己内酯再与4，4-二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)和BDO反应分别制备了3S-PU、4S-PU、6S-PU，其中6S-PU具有较宽的熔融温度范围，表现出优异的三重形状记忆效应，可在40和65℃下实现形状记忆及恢复。张玉芬等[10]将接枝改性后的多壁碳纳米管通过原位聚合法与形状记忆聚氨酯合成SMPU/MWNT-PMMA复合材料。但是，这些SMPU材料在输尿管支架管领域的应用却鲜有报道，并且在人体温度附近的低形状恢复率仍然限制其应用。

本研究选用FDA认证的具有良好生物相容性的PCL-diol)为软段，IPDI为硬段，BDO为扩链剂，二月桂酸二丁基锡(DBTDL)为催化剂，采用缩聚法，通过调控软硬段的比例制备了在人体温度附近(37±2℃)具有良好温度响应性的形状记忆聚氨酯。采用熔融挤出法制备了双J型支架管。SMPU两种不相容的链段以化学键相连，导致聚氨酯形成微相分离结构[11]。PCLUs的形状记忆机理如图1所示，大分子链的运动使材料具有形状记忆效应，其中软段为结晶相等有序堆积结构，在形状记忆过程中会经历晶体的转变、熔融与再堆积，形成新的晶体[12]。晶体的融化使SMPU获得了形变能力，晶体的再次形成使SMPU具有固定当前形状的能力，而硬段区的分子抑制了材料在变形过程中发生塑性形变，从而制备出人体温度附近高恢复率的具有良好力学性能和可降解性的聚己内酯基形状记忆聚氨酯输尿管支架管，有望应用于输尿管支架管领域。

图1 PCLUs的形状记忆过程机理图Fig.1 Mechanism of shape memory effect of PCLUs

2 实 验

2.1 原料

数均分子量为2000的聚ε-己内酯(PCL-diol)；异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)；1，4-丁二醇(BDO)；二月桂酸二丁基锡(DBTDL)；N，N-二甲基甲酰胺(DMF)；三氯甲烷，商用聚氨酯输尿管支架PCLU-ST(ST-197628型)。其余未提及的试剂均为分析纯，可直接使用。

2.2 聚己内酯基聚氨酯及其输尿管支架管的制备

聚氨酯通过缩聚反应制得。首先，将10g的PCL-diol预聚物加入到带有冷凝管且通有N2的三口烧瓶反应装置中，待预聚物完全溶解后，加入6.1g的IPDI，10min后加入反应物总质量1.0wt%的DBTDL，继续反应20min后加入30ml的DMF，80℃下反应2h。最后加入1.8g的BDO，将温度升高到90℃，反应10h，后降至40℃保温12h。反应结束后，待温度降至25℃，将溶液滴加到冰乙醚中沉淀，纯化后的产物冷冻干燥24h，得到干燥的PCLUs。聚氨酯的制备流程如图2所示，投料比见表1。取合成的PCLUs加入到微型熔融挤出机内，通过模具挤出管状高聚物熔体，再通过定型、冷却和牵引，最终制备得到输尿管中空支架管。

2.3 测试方法

采用红外光谱仪(FTIR，TENSOR37)的全反射模式进行红外测试，扫描范围为400～4000cm-1。采用核磁共振仪(1H-HNR，AVANCE AV 300)进行氢谱测试，分析化学结构。采用差示扫描量热仪(DSC 200-F3)测试热性能参数，测温区间为-20～100℃，升温速率和降温速率均为10℃/min，气氛为N2。

通过结晶度公式计算出结晶度：

图2 形状记忆PCLUs的合成示意图Fig.2 Synthetic route of PCLUs shape memory polyurethanes

表1 PCLUs制备及各组分配方表Table 1 Synthesis of PCLUs by Polymerization of PCL，IPDI and BDO with DBTDL as catalyst in DMF

其中：Xc是PCLUs的结晶度，ΔHm是PCLUs熔融焓变值，完全结晶时PCL晶体的熔融焓变值为140 J/g，wt.%为PCLUs中软段含量。

采用INSTRON万能强力机，进行力学性能测试，样条尺寸为50×5×0.1mm，有效加持距离为20mm，温度为20℃，湿度为30%，拉伸速率为10mm/min。

形状记忆性能采用“折叠-展开”的形状记忆测试方法表征[13]，变形温度Ts为40℃，形状固定温度Ta为10℃，弯曲角度为180°，通过下式计算形状固定率和形状回复率：

其中：θd为形状固定变形角度，θh为形状回复剩余角度。

将PCLUs管截成小段，使每小段重量在0.15～0.20g范围内，取每种软-硬段比例的PCLUs制备的输尿管支架管小段16个，真空干燥，准确称重(W0)，然后将样品浸泡于p H=5.8的模拟尿液中，并置于恒温震荡器内，调节温度至37℃，模拟尿液每周更换一次，按浸泡时间分别于2、4、6、8、10、12、14及30周时取出两个平行样品，去离子水冲洗，观察形态，冷冻干燥后进行重量损失测定。重量损失通过式(3)计算：

其中，W0是降解前质量，Wt是降解不同时间后的质量。

3 结果与讨论

3.1 FT-IR检测结果与分析

不同摩尔比的PCL、IPDI及BDO制备的PCLUs的FTIR测定结果如图3所示。从图可见，通过两步法缩聚反应成功地制备了不同投料比的PCLUs。在2270cm-1处没有出现N=C=O的伸缩振动吸收峰，这说明所有的IPDI都参与了反应[14]。硬段上N-H基的游离态吸收峰在3460cm-1处左右，氢键化的NH基的吸收峰在3310cm-1处左右[15]，当有氢键时，NH伸缩振动频率向低波数处移动，故在3350cm-1处出现N-H基吸收峰，说明分子链中N-H基团部分氢键化；C=O基团存在于氨基甲酸酯和PCL-diol的酯基中，当硬段上的C=O基团处于游离态，其吸收峰在1695cm-1处，有序相氢键化吸收峰则在1635～1645cm-1处[16]，所以，1710cm-1附近出现的峰值表示分子链中的C=O基本处于未氢键化的状态。2784～3050cm-1处为PCLUs中C-H的伸缩振动吸收峰；1523cm-1处为N-H的变形振动吸收峰，1460cm-1处为C-H的变形振动吸收峰，1154cm-1附近则为C-OC的伸缩振动吸收峰。

图3 IPDI和BDO不同摩尔比的PCLUs的FIR图谱Fig.3 FTIR spectra of PCLUs with different molar raito of IPDI/BDO

3.2 1 H-NMR检测结果与分析

图4 为PCLU4的1H-NMR谱图。谱图上δ=7.99ppm的质子峰对应PCLUs中-NH a的氢质子峰；δ=4.26，4.04，2.87，2.30，1.62～1.66，1.58，1.32～1.42ppm处的质子峰分别对应PCLUs中-CH2-(6，9，5，c，1，2，4，7，8，b，3)的氢质子峰；δ=2.95ppm处的质子峰对应PCLUs中-CH-d的氢质子峰；δ=1.05～1.17ppm处的质子峰对应PCLUs中-CH3e的氢质子峰；δ=7.29ppm处为溶剂CDCl3的质子峰。根据1H-NMR谱图结果显示，PCLUs的化学结构与预期结果一致[17]。

图4 PCLU4的1 H-NMR谱图Fig.4 1 H-NMR spectra of PCLU4

3.3 DSC检测结果与分析

PCLUs的DSC曲线如图5所示。从图可见，PCLU1～PCLU4的Tm分别在37～50.5℃之间，PCLUs由软段相和硬段相两部分组成，吸收峰为软段相PCL的结晶熔融峰，且随着硬段含量的增加，熔融温度向低温移动，焓值降低。这主要是因为软段相PCL结晶度降低以及硬段相抑制软段相结晶造成的。其中PCLU4的熔融温度最低为37.1℃，与人体温度最为接近。完全结晶时PCL晶体的ΔHm为140J/g，通过式(1)计算出PCLU1～PCLU4的结晶度分别为49.64%，42.10%，39.73%和26.34%，与理论规律相符。

图5 不同硬段含量的PCLUs的DSC曲线图Fig.5 DSC heating scans of PCLUs containing different hard segment

3.4 力学性能测试结果与分析

图6 为不同硬段含量的PCLUs的拉伸强度和断裂伸长率柱状图。从图可见，随着硬段含量的增加，PCLUs的断裂强度增加而断裂伸长率则降低。这是因为在拉伸状态下，材料的形变主要是由软段相链段的滑移产生的，软链段在高分子中占主体并贯穿于整个体系中，硬段含量的增加使得硬段相更容易形成稳定的硬段区，从而形成物理交联结构，对软段相链段运动的束缚增强，对软段区链段滑移的阻碍作用也增强，使得试样不易伸长，从而导致聚氨酯拉伸断裂强度增加，断裂伸长率减小[18]。其中PLCU4的拉伸强度达到了18.8MPa，与PCLU-ST拉伸强度比较接近，可以满足输尿管支架的使用力学强度。

图6 不同硬段含量的PCLUs的拉伸强度和断裂伸长率Fig.6 Tensile strength and enlongation at break of PCLUs containing different hard segment

3.5 形状记忆性能的测定

聚氨酯的形状记忆恢复过程见图7。从图可见，在前36s其形状回复速率较快，随着时间的增加回复速率逐渐降低，180s后形状不再变化，形状回复率较高(～87%)。所制备的PCLUs及PCLU-ST的形状固定率Rf和形状回复率Rr结果如表2所示。从表中可知，随着硬段含量逐渐增加，PCLU1到PCLU4的形状回复率先增加后降低。这是由于硬段本身作为固定相分布在软段中，起到物理交联点的作用，形成稳定的物理交联网络[10]，且具备较大的刚性，其含量的增加将导致可逆相的回复性增加，即有利于形状记忆行为的实现[19]。但过高的硬段含量(PCLU3、PCLU4)会使得形状记忆聚氨酯的相分离程度过大，不利于形状的回复。

图7 PCLU4的形状记忆恢复过程Fig.7 Shape recovery process of the PCLU4

表2 PCLUs及PCLU-ST的形状固定率和形状回复率Table 2 Shape fixity and shape recovery for PCLUs and PCLU-ST

3.6 降解性能检测结果与分析

输尿管支架管的降解过程是先表面的侵蚀，然后是整体结构的破坏，在整个降解过程中，大分子先分解成小分子，随后随代谢物排出体外。由表3可知，支架管在6周内基本无降解，而在14周时降解率可达34%。随着时间的延长，与PCLU-ST相比，PCLU4可以基本完全降解，而PCLU-ST未发生降解行为。同时，聚氨酯材料中硬段含量的增加对其亲水性有一定的影响，随着硬段含量的增加，接触角变大，略高于临床用输尿管支架管。

表3 PCLU4的降解率Table 3 Weight loss of PCLU4

4 结 论

以PCL-diol、IPDI和BDO为主要成分，通过两步法缩聚反应制备了PCLUs。其中PCL-diol作为软段，IPDI和BDO作为硬段，随着硬段含量的增加，共聚物的结晶度降低。采用熔融挤出法制备了直径为2mm的输尿管支架管。所制备的输尿管支架管6周内基本无降解，在14周时降解率可达34%。其中，软段含量为71.7%时，得到的PCLU4的相转变温度为37.1℃，与人体温度相近，因此，制备的聚氨酯输尿管支架管具有良好的形状记忆效应，形状固定率达到90%以上，形状回复率高于87%，并且具备实际使用所需的力学强度，有望应用于生物医学领域。