可降解聚氨酯骨胶黏剂的研究

朱 祺， 雷 昆， 郑 震， 王新灵， 肖海军

（1. 上海交通大学化学化工学院，上海 200240；2. 上海市奉贤区中心医院骨科，上海 201400）

粉碎性骨折是生活中常见的损伤之一，较小的碎骨片很难固定，给临床治疗带来了困难。目前主要的治疗方法多是利用螺钉、钢针、钢丝、丝线等进行固定, 或仅保持骨折的力线，但这样往往造成肢体功能障碍等后遗症[1]。使用骨胶黏剂对碎骨块进行黏合、复位，将小骨块迅速地黏接起来，则是一种更有前景的治疗方法。此外，使用骨胶黏剂可以将应力均匀地负载在骨片上，从而降低应力集中效应，且不需要在愈合完成后移除金属植入物。理想的骨胶黏剂应满足以下要求：首先，骨胶黏剂必须具有足够的黏合强度，尤其是在潮湿的环境下，因为骨折周围常常有大量的血液和组织液；其次，骨胶黏剂应具有良好的生物相容性，降解产物不含有细胞毒性物质；此外，还需要足够的“工作时间”（即使用胶黏剂将骨片黏接起来所需的操作时间），黏接完成后能快速固化，且反应放热较低[2,3]。

最早作为骨胶黏剂研究的是氰基丙烯酸酯类物质，但其单体的细胞毒性较高，因而并没有相关产品问世。聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)骨水泥广泛用于膝关节和髋关节置换中的填充物，但其黏接强度较差，聚合物毒性高，聚合过程中的反应温度较高[4,5]。磷酸钙(CPC)骨水泥长期以来被用于骨移植替代品和填充剂，其最显著的优点在于成分与骨骼成分高度相似；但磷酸钙类材料相对脆弱，且对骨的黏附力较差，因此不太适合作为骨胶黏剂使用[2]。将焦磷酸和磷酸丝氨酸掺入CPC 中，可以提高CPC 对骨的黏附力[6,7]。生物衍生类胶黏剂，如纤维蛋白胶黏剂[8]、贻贝黏附蛋白[9]和“沙堡胶”[10]等，通常表现出良好的生物相容性和生物可降解性，但由于其力学性能较低，对骨的附着力较差难以推广应用。

聚氨酯胶黏剂在骨科领域的应用也受到了极大关注。氪石骨水泥(KBC)，是一种蓖麻油基聚氨酯胶黏剂，具有良好的力学性能和生物相容性，已被批准用于胸骨闭合的临床试验，但由于其稳定性较好，因此在体内代谢缓慢[11,12]。本文利用ε-己内酯、乙交酯、D，L-丙交酯等进行开环聚合合成聚酯三元醇，并将其引入聚氨酯胶黏剂体系中，获得一种室温固化的聚氨酯胶黏剂，其黏接强度与KBC 相近[13]，且具有较快的降解速率。

1 实验部分

1.1 原料与试剂

五甲基二乙烯三胺、辛酸亚锡：分析纯，上海阿拉丁生化科技有限公司；催化剂F：分析纯，东曹(上海)生物科技有限公司；蓖麻油改性二元醇(D290)：凡特鲁斯(上海)贸易有限公司；ε-己内酯、丙三醇：分析纯，阿达玛斯试剂有限公司；乙交酯、D，L-丙交酯：分析纯，深圳市博立生物材料有限公司；邻苯二甲酸酐、酚酞、吡啶、氢化钙、无水乙醇、溴甲酚绿、邻苯二甲酸酐、吡啶：分析纯，上海凌峰化学试剂有限公司；二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI-50)：化学纯，烟台万华股份有限公司；多亚甲基多苯基多异氰酸酯(PMDI)：化学纯，巴斯夫股份公司；氘代氯仿(CDCl3)：色谱纯，Sigma-Aldrich 公司；β-磷酸三钙(β-TCP)：化学纯，南京埃普瑞纳米材料有限公司；骨水泥（Mendec spine）Tecres 公司。丙三醇使用前在80 ℃抽真空除水3 h。ε-己内酯加入氢化钙搅拌24 h 后，减压蒸馏取110 ℃的馏分，密封保存于干燥器中。D290 使用前在110 ℃抽真空除水2 h。

1.2 聚(ε-己内酯-乙交酯-D，L-丙交酯)三元醇的制备

典型的聚酯三元醇合成反应如下[14]：使用注射器，准确移取11.5 mL 预干燥丙三醇、32.7 mL 预干燥ε-己内酯于150 mL 单口烧瓶中，再用分析天平准确称量乙交酯10.00 g，D，L-丙交酯5.00 g，加入烧瓶中，用移液枪向瓶中加入辛酸亚锡52 μL (辛酸亚锡在溶液中的质量分数为0.1%)，升温至140 ℃，在氮气保护下反应36 h，得到淡黄色液体，并利用羟值滴定法测定所制备的聚酯三元醇分子量。分别制备理论数均分子量为400 和800 的聚酯三元醇，并将其依次标记为6C400 和6C800。反应中涉及的方程式如图1 所示。

图 1 合成聚酯三元醇的反应示意图(R1, R2, R3 是ε-己内酯、乙交酯和D，L-丙交酯这3 种小分子的一种或几种共聚物)Fig. 1 Synthetic scheme of polyester triol (R1, R2, R3 are one or several copolymers of ε-caprolactone, glycolide and D，L-lactide)

1.3 羟值滴定

采用苯酐-吡啶滴定法，准确称量42.00 g 邻苯二甲酸酐溶于300.0 mL 吡啶中，再加入6.00 g 咪唑，混合均匀，将酰化剂放置过夜后使用。

准确称取20.00 g 氢氧化钠，加入1 000 mL 容量瓶中，配制浓度为0.5 mol/L 的NaOH 滴定液。用天平称取约0.4 g 6C400 或0.8 g 6C800，置于锥形瓶中，用10 mL 移液管移取预先配制的酰化剂，在115 ℃油浴条件下，冷凝回流0.5 h，使用吡啶多次冲洗冷凝管内壁及塞口上附着的液体至锥形瓶，加10 mL 蒸馏水摇晃数分钟，再加5 滴提前配制的质量分数为1%的酚酞指示剂，滴定至桃红色，15 s 不褪色，测试3 次取平均值。另做空白实验（条件相同，不加样品），按公式（1）计算样品的羟值（Qv）：

式中：c 为NaOH 滴定液浓度，V0为空白样滴定体积，VS为样品滴定体积，m 为所取样品质量。通过羟值滴定计算得到所制备聚酯三元醇6C400 和6C800 的实际数均分子量分别为520 和886。

1.4 蓖麻油基聚氨酯预聚体的合成

将预先干燥的D290 (20.0 g)加入到配备有磁力搅拌器、氮气入口的三颈瓶中，将MDI-50 (26.9 g)、PMDI(26.9 g)加入到烧瓶中，在氮气气氛下搅拌，并加热至80 ℃反应2.5 h，得到预聚体。用甲苯-二正丁胺法测定聚氨酯预聚物中NCO 的含量。

1.5 聚氨酯胶黏剂的合成

将5.00 g 聚酯三元醇6C400，0.036 g 五甲基二乙烯三胺（催化剂）、0.004 g 催化剂F 与0.05 g 水（发泡剂）加入烧杯中，在室温下1 500 r/min 搅拌2 min，混合均匀后，以异氰酸酯基团与羟基物质的量之比1∶1 的计量加入10.05 g 预聚体，在1 500 r/min 下搅拌30 s，转移至模具中，37 ℃下固化24 h，得到聚氨酯PU-6C400。改变聚酯三元醇类型，用同样方法得到PU-6C800。对于含有填料的组别，将β-TCP 先与聚酯三元醇混合后再和预聚体反应，分别得到PU-6C400-F 和PU-6C800-F。

1.6 测试与分析

采用德国AVANCE500 超导傅里叶变换核磁共振波谱仪对聚酯三元醇进行核磁共振氢谱(1H-NMR)表征；傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和全反射红外光谱(ATR-IR)均采用美国Perkin-Elmer 公司Paragon 1000 傅里叶变换光谱仪器，将预聚体样品溶于二氯甲烷中，用KBr 压片，烘干后测试，聚氨酯样品直接用ATR-IR 进行测试；参照GB/T 8813—2008，利用MTS 公司Criterion 43 型通用测试仪对聚氨酯样品进行压缩测试；将新鲜猪肋骨抛光为约8 mm×12 mm×40 mm 的长方体，在中心切成两半，将断裂面黏接，并用磷酸盐缓冲溶液(PBS)浸湿的纱布包裹，模拟体内环境，在37 ℃烘箱中固化24 h，利用MTS 公司Criterion 43 型通用测试仪测试胶黏剂的黏接强度；采用Nova NanoSEM 450 型场发射扫描电子显微镜表征聚氨酯的微观结构；利用美国TA 公司Q2000 型差示扫描量热仪测试样品的玻璃化转变温度；将聚氨酯样品放置于盛有0.1 mol/L、pH=7.4 PBS 溶液的小瓶中，然后将其置于37 ℃的恒温振荡箱中，测试其降解速率。

2 结果与讨论

2.1 1H-NMR 分析

聚酯三元醇6C400 的1H-NMR 谱图如图2 所示。化学位移5.1～5.3 处的吸收峰为丙交酯中次甲基的特征峰；7.2 附近为CDCl3峰；4.6～4.9 处的吸收峰为乙交酯中亚甲基的特征吸收峰；4.0～4.2 和2.3～2.5 处的特征吸收峰分别为己内酯结构中―OCH2及―CH2COO 中亚甲基的特征吸收峰。核磁分析结果表明成功合成了聚合产物。

图 2 聚酯三元醇6C400 的1H-NMR 谱图Fig. 2 1H-NMR spectrum of polyol 6C400

2.2 红外分析

聚酯三元醇6C400、预聚体及PU-6C400 的红外光谱如图3 所示。在聚酯三元醇6C400 的红外光谱中，3 427 cm-1处为聚酯三元醇中―OH 的伸缩振动峰，1 734 cm-1处为C=O 的伸缩振动峰，1 155 cm-1和1 107 cm-1处分别为C―O 基团的不对称和对称伸缩振动峰。在预聚体的红外光谱中，2 270 cm-1处为―NCO 基团的伸缩振动峰。在PU-6C400 的红外光谱中，3 340 cm-1处为―NH 的伸缩振动峰，1 530 cm-1处为―NH 的弯曲振动峰，1 712 cm-1处为C=O 的伸缩振动峰，2 930、2 854 cm-1处分别为―CH2基团的不对称和对称伸缩振动峰。―NCO 峰的消失以及―NH 峰的出现证明了聚氨酯的成功合成。

图 3 聚酯三元醇6C400、预聚体及PU-6C400 的红外光谱图Fig. 3 FT-IR spectra of polyol 6C400, prepolymer and PU-6C400

2.3 聚氨酯胶黏剂的微观结构分析

图4 是聚氨酯胶黏剂的SEM 图。PU-6C400 和PU-6C800 的孔径大小差不多，为50～150 μm，且孔壁上有很多破裂的小孔。孔结构对骨组织的形成非常关键，因为它们允许成骨细胞的迁移、浸润和增殖。已有研究表明，骨再生矿化要求最小的孔径约为100 μm[15,16]。聚氨酯胶黏剂中孔结构的存在，使其更有利于再生骨的生成。

2.4 聚氨酯胶黏剂的热力学性能

图5 为聚氨酯胶黏剂的DSC 曲线。DSC 曲线中没有熔融峰或者结晶峰出现，说明所合成的聚氨酯为无定形态。从DSC 图中可以看出，不同分子量聚酯三元醇合成的聚氨酯胶黏剂的Tg有显著差别。PU-6C400 的Tg为 55 ℃，高于PU-6C800 的Tg(41 ℃)。这说明利用相对于分子量较大的聚酯三元醇6C800 制备的PU-6C800 来说，PU-6C400 分子运动能力较弱，所以在人体内使用时，受到人体温度的影响较小，更适合作为骨胶黏剂使用。

图 4 聚氨酯胶黏剂的SEM 图Fig. 4 SEM images of polyurethane adhesives

图 5 聚氨酯胶黏剂的DSC 曲线Fig. 5 DSC curves of polyurethane adhesives

2.5 聚氨酯胶黏剂的压缩性能

聚氨酯胶黏剂的压缩性能如表1 所示。PU-6C400 和 PU-6C800 的压缩强度分别为 11.8 MPa 和8.8 MPa，压缩模量分别为113.0 MPa 和63.0 MPa。当聚酯三元醇的分子量较大时，其压缩强度和压缩模量较小，这是因为其分子链越长，链段柔顺性越强，强度随之下降。填料对胶黏剂有一定的增强作用，相比于未添加填料的组别，添加β-TCP 的PU-6C400-F 和PU-6C800-F 的模量分别提高了13%和27%。

表 1 聚氨酯胶黏剂的压缩性能Table 1 Compressive properties of polyurethane adhesives

图 6 聚氨酯胶黏剂的黏接强度图Fig. 6 Bonding strength of polyurethane adhesives

2.6 聚氨酯胶黏剂的黏接强度

利用对接拉伸模式，测试聚氨酯胶黏剂对骨的黏接强度。从图6 可以看出，PU-6C400 和PU-6C400-F 的黏接强度较高，分别为0.95 MPa 与0.93 MPa。PU-6C800 和PU-6C800-F 的黏接强度分别为0.73 MPa 和0.80 MPa。PU-6C400 和PU-6C400-F 中聚酯三元醇分子量较小，氨基甲酸酯基团密度较高，故黏接强度较高。对于PU-6C800 来说，其Tg较低，在这个温度下其分子链运动能力较强，可以在较小的作用力下被破坏，黏接强度较低。β-TCP 对黏接强度影响较小，这可能是因为聚酯三元醇和预聚体这两种组分相容性较差，混合时黏度较大，填料很难分散。本文还测试了一种基于PMMA 的商用骨水泥Mendec spine，其黏接强度为0.53 MPa，远低于本实验中所制备的聚氨酯胶黏剂的黏接强度。

2.7 聚氨酯胶黏剂的降解速率

聚氨酯胶黏剂在PBS 中的体外降解曲线如图7（a）所示，聚氨酯胶黏剂显示出了较为明显的降解现象。在140 d 时，PU-6C400 和PU-6C800 分别降解了5.0%和5.9%。PU-6C800 的降解速率略快于PU-6C400，这可能是因为相同质量下，其含有的聚酯三元醇组分比PU-6C400 更多。聚氨酯胶黏剂在PBS 中降解140 d 的形貌如图7（b）和7（c）所示。孔壁出现了明显的破损现象，这说明含有可降解聚酯三元醇成分的聚氨酯胶黏剂，随着材料的降解逐渐出现更多的开孔结构，该结构更有利于细胞的浸润与迁移，从何促进骨生长。

虽然PU-6C800 的降解速率略快于PU-6C400 的相应值，但是PU-6C400 及PU-6C400-F 的黏接强度、压缩强度、压缩模量等都高于PU-6C800 和PU-6C800-F 的相应值，综合考虑，PU-6C400 及PU-6C400-F 更适合作为骨胶黏剂使用。

图 7 （a）聚氨酯胶黏剂的体外降解曲线；（b）PU-6C400 和（c）PU-6C800 在PBS 中浸泡140 d 后的SEM 图Fig. 7 （a）In vitro degradation curves of polyurethane adhesives; SEM images of （b）PU-6C400 and （c） PU-6C800 after incubation in PBS for 140 d

3 结 论

通过开环聚合成功合成两种数均分子量的聚酯三元醇，并将其引入聚氨酯体系中。含有理论数均分子量为400 的聚酯三元醇并添加β-TCP 的PU-6C400-F 显示出了较好的综合性能，其黏接强度达0.93 MPa，压缩强度与模量分别为12.5 MPa 与128.0 MPa。对于不添加填料的PU-6C400，其降解速率较快，140 d 降解了5.0%。