張 亮，段雪影,劉 超,李 穎

(1.西安交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院 招標(biāo)采供辦公室，陜西 西安 710061；2.西安科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

隨著現(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)的不斷發(fā)展以及有關(guān)生物醫(yī)用材料對(duì)降低不良生物反應(yīng)要求的提高[1-3]，制備高生物相容性的聚氨酯材料越來(lái)越受到研究者的廣泛關(guān)注[4]。聚氨酯是由多元醇(軟段)、多元異氰酸酯與小分子擴(kuò)鏈劑(硬段)通過(guò)逐步加成聚合生成的多嵌段共聚物[5-8]，其分子結(jié)構(gòu)的功能化設(shè)計(jì)自由度大，可以通過(guò)選擇不同嵌段和調(diào)節(jié)軟硬段間的比例，形成類似于“ 海島”型的結(jié)構(gòu)[9-12]，從而賦予材料多重功能，合成出既具有良好物理機(jī)械性能又具有血液相容性和生物相容性的醫(yī)用高分子材料[13-15]。聚氨酯彈性體[16]由于其優(yōu)異的機(jī)械性能和彈性，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療行業(yè)，在人體內(nèi)使用時(shí)會(huì)變軟，這種插入人體前具有足夠硬度，而進(jìn)入人體后變得柔韌的特性可確?；颊吒杏X(jué)舒適[17]?？梢酝ㄟ^(guò)澆注、混煉等方法加工成型醫(yī)用聚氨酯彈性體[18-19]，操作工藝簡(jiǎn)單且成本低廉，有利于推廣應(yīng)用。王連心[20]制備了一種獨(dú)特的低游離4,4′-二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI)基澆注型聚氨酯，是一種適合注射成型的材料，該創(chuàng)新技術(shù)將注射成型的加工優(yōu)勢(shì)與澆注型聚氨酯的優(yōu)異性能相結(jié)合，為澆注型聚氨酯帶來(lái)了新的應(yīng)用前景。筆者通過(guò)兩步法合成醫(yī)用聚氨酯彈性體，以MDI與聚四氫呋喃醚二醇(PTMG)合成預(yù)聚體，采用3,3′-二氯-4,4′-二氨基二苯基甲烷(MOCA)作為擴(kuò)鏈劑，以氣相法白炭黑作為補(bǔ)強(qiáng)填料，制備醫(yī)用聚氨酯彈性體。通過(guò)PTMG的引入改善材料硬度，賦予材料彈性，以匹配組織器官[21]。利用MOCA進(jìn)行擴(kuò)鏈，適當(dāng)提升硬段比例，同時(shí)添加氣相法白炭黑補(bǔ)強(qiáng)基體，使材料在柔韌基礎(chǔ)上，還具有足夠的力學(xué)強(qiáng)度，同時(shí)可通過(guò)澆注、混煉等方法加工成型。本研究提供了一種合成醫(yī)用聚氨酯的新方法，并豐富了高分子材料在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

MDI、PTMG：上海晶純生化科技股份有限公司； MOCA：濱?？h星光化工試劑有限公司；聚二甲基硅氧烷、端羥基線形聚二甲基硅氧烷：濟(jì)南瀛?；び邢薰荆粴庀喾ò滋亢冢褐嘘怀抗饣ぱ芯克?；二正丁胺：上海紫一試劑廠。

1.2 儀器及設(shè)備

傅里葉變換紅外光譜儀：WQF-310，北京第二光學(xué)儀器廠；傅里葉變換衰減全反射紅外光譜儀：FENSOR-27，德國(guó)布魯克公司；綜合熱分析儀：ZRY-2P，上海精密科學(xué)儀器有限公司；電子控制萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)：KD-50，深圳凱利強(qiáng)電子有限公司；邵氏橡膠硬度計(jì)：LX-A型，深圳市三測(cè)精密量?jī)x有限公司。

1.3 醫(yī)用聚氨酯彈性體的制備

稱取PTMG(8 g)加入燒杯中，在0.09 MPa、85 ℃條件下真空脫水3 h，將脫水后的PTMG冷卻至60 ℃，向其中加入熔融后的MDI(3 g)并充分?jǐn)嚢瑁?5 ℃條件下反應(yīng)2.5 h，得到預(yù)聚體。將熔融后的MOCA(0.36 g)加入至預(yù)聚體中，再加入氣相法白炭黑(0.1 g)和消泡劑(0.01 g)，充分?jǐn)嚢杈鶆?。將混合物倒入預(yù)熱好的模具中，硫化反應(yīng)10 h后得到醫(yī)用聚氨酯彈性體。制備工藝流程如圖1所示，反應(yīng)原理如圖2所示。

圖1 醫(yī)用聚氨酯彈性體制備工藝流程圖

圖2 醫(yī)用聚氨酯彈性體合成反應(yīng)式

1.4 分析與測(cè)試

硬度按照GB/T 531.1—2008進(jìn)行測(cè)試；拉伸強(qiáng)度按照GB/T 528—92進(jìn)行測(cè)試；斷裂伸長(zhǎng)率按照GB/T 528—1998進(jìn)行測(cè)試；化學(xué)結(jié)構(gòu)采用紅外光譜進(jìn)行分析；熱穩(wěn)定性采用熱失重分析；耐介質(zhì)性采用磷酸鹽緩沖溶液和環(huán)氧乙烷進(jìn)行測(cè)試；對(duì)人皮膚成纖維細(xì)胞的增殖影響采用MTT法進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與討論

2.1 化學(xué)結(jié)構(gòu)分析

圖3為聚氨酯、PTMG和MDI的紅外光譜圖。

波數(shù)/cm-1圖3 聚氨酯、PTMG和MDI的紅外光譜圖

2.2 力學(xué)性能分析

聚氨酯彈性體的力學(xué)性能主要與組成聚氨酯的硬段和軟段的化學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān)[22]，既取決于二異氰酸酯和醇的種類及用量，同時(shí)也受填料氣相法白炭黑影響而有所提升。圖4為MDI與PTMG物質(zhì)的量比對(duì)拉伸強(qiáng)度和邵爾A硬度的影響。

n(MDI)∶n(PTMG)(a)

n(MDI)∶n(PTMG)(b) 圖4 MDI/PTMG物質(zhì)的量比對(duì)彈性體力學(xué)性能的影響

由圖4(a)可知，當(dāng)MDI與PTMG物質(zhì)的量比為1時(shí)，拉伸強(qiáng)度最低，當(dāng)MDI與PTMG物質(zhì)的量比為3時(shí)，拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率最高為10.72 MPa和550.8%，整體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。這與MDI和PTMG的化學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān)，MDI作為硬段能夠賦予材料一定的強(qiáng)度，PTMG作為軟段能夠賦予材料一定的韌性，反應(yīng)初期隨著異氰酸酯鏈節(jié)比例的增加，材料的拉伸強(qiáng)度上升，二者協(xié)同作用導(dǎo)致斷裂伸長(zhǎng)率也同步增加，但當(dāng)MDI與PTMG物質(zhì)的量比超過(guò)3∶1后，因異氰酸酯鏈節(jié)比例過(guò)大，導(dǎo)致樣品脆性增加，此時(shí)拉伸強(qiáng)度反而下降，同時(shí)因PTMG用量不斷降低導(dǎo)致斷裂伸長(zhǎng)率也在下降。從圖4(b)可以看出，隨著組成硬段的MDI用量的增加，樣品的硬度也隨之增大。由于彈性體硬度在60以下才符合使用要求，因此MDI和PTMG物質(zhì)的量比為3∶1時(shí),所制備的樣品既符合彈性體特征又有足夠的強(qiáng)度，適于用作具有一定力學(xué)性能的醫(yī)用材料。

2.3 熱性能分析

圖5為醫(yī)用聚氨酯彈性體熱失重和失重速率曲線。從圖5可知，熱分解初始溫度大于300 ℃，且失重速率適中，表明材料熱穩(wěn)定性良好，能達(dá)到植入及植入前熱處理的耐熱需求。原因是材料較高的結(jié)構(gòu)規(guī)整度、MDI中的剛性基元以及二者協(xié)同作用賦予了材料優(yōu)異的耐熱性。

溫度/℃(a) 熱失重曲線

溫度/℃(b) 失重速率曲線圖5 醫(yī)用聚氨酯彈性體的熱性能曲線

2.4 醫(yī)學(xué)性能分析

2.4.1 耐介質(zhì)性測(cè)試

耐介質(zhì)性測(cè)試結(jié)果如表1所示，配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%的乙醇、蒸餾水、pH值為0.8的鹽酸、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的雙氧水以及pH值為9的NaOH介質(zhì)，其中鹽酸和NaOH濃度均高于體液，模擬外界和人體內(nèi)各個(gè)器官的化學(xué)環(huán)境，將醫(yī)用聚氨酯彈性體浸泡其中14 d后取出，對(duì)比質(zhì)量變化情況。

表1 耐介質(zhì)性測(cè)試結(jié)果

從表1可知，除在乙醇介質(zhì)中浸泡后質(zhì)量變化略大外，其他變化甚微，說(shuō)明可以適用于人體內(nèi)環(huán)境，能作為介入材料長(zhǎng)期使用。應(yīng)該看到，雖然在乙醇中質(zhì)量變化大，但乙醇只作為消毒介質(zhì)使用，并不會(huì)長(zhǎng)期和材料接觸，故對(duì)材料性質(zhì)影響不大，可以通過(guò)常規(guī)消毒來(lái)使用。

2.4.2 環(huán)氧乙烷滅菌測(cè)試

醫(yī)用聚氨酯彈性體使用前，必須經(jīng)過(guò)環(huán)氧乙烷滅菌后才能植入人體內(nèi)，因此滅菌前后材料力學(xué)性能的變化是一項(xiàng)重要指標(biāo)。從表2可知，經(jīng)過(guò)環(huán)氧乙烷滅菌后，醫(yī)用聚氨酯彈性體的力學(xué)性能變化很小，說(shuō)明常規(guī)的消毒操作對(duì)材料性能幾乎無(wú)影響，能滿足醫(yī)用要求。

表2 環(huán)氧乙烷滅菌測(cè)試結(jié)果

2.4.3 醫(yī)用聚氨酯彈性體細(xì)胞毒性分析

細(xì)胞毒性是由細(xì)胞或者化學(xué)物質(zhì)引起的單純細(xì)胞殺傷事件，不依賴于凋亡或壞死的細(xì)胞死亡機(jī)理。本實(shí)驗(yàn)采用MTT法評(píng)價(jià)合成的聚氨酯材料對(duì)人皮膚成纖維細(xì)胞的增殖影響,各組測(cè)定結(jié)果如表3所示。其中OD值是吸光度，用來(lái)衡量菌體密度。而毒性分級(jí)用以評(píng)定細(xì)胞毒性，0級(jí)與1級(jí)判定為合格，2級(jí)及以上即認(rèn)為該材料存在細(xì)胞毒性，不適于人體應(yīng)用。由表3可知，細(xì)胞培養(yǎng)至第6天時(shí)實(shí)驗(yàn)組毒性分級(jí)仍為1級(jí)，符合醫(yī)用材料的要求。

表3 MTT比色法各組測(cè)定結(jié)果1)

1) 分組1為陰性對(duì)照組；分組2為陽(yáng)性對(duì)照組；分組3為醫(yī)用聚氨酯彈性體浸提液原液。

3 結(jié) 論

(1)合成了醫(yī)用聚氨酯彈性體，通過(guò)PTMG的引入改善了材料硬度，賦予材料彈性，以匹配組織器官。

(2)利用MOCA進(jìn)行擴(kuò)鏈，適當(dāng)提升硬段比例，同時(shí)添加氣相法白炭黑補(bǔ)強(qiáng)基體，使材料在柔韌基礎(chǔ)上，還具有足夠的力學(xué)強(qiáng)度。

(3)醫(yī)用聚氨酯彈性體邵爾A硬度為51，拉伸強(qiáng)度為10.72 MPa，熱分解初始溫度大于300 ℃，符合介入材料力學(xué)性能和熱性能要求。

(4)在類人體液及環(huán)氧乙烷環(huán)境下，力學(xué)性能穩(wěn)定，細(xì)胞毒性測(cè)試為0 ～1級(jí)，滿足醫(yī)用材料要求。

(5)可通過(guò)澆注、混煉等方法加工成型，工藝簡(jiǎn)單且成本低廉，為醫(yī)用聚氨酯的制備提供了新思路。