聚己内酯型聚氨酯的应用研究进展

冯园园，左怀纪，朱国伟

(河南煤业化工集团中原大化公司，河南濮阳 457000)

聚己内酯型聚氨酯材料具有良好的机械性能、生物相容性、血液相容性和易加工等特点，被认为是最具有价值的医用合成材料之一。目前，聚己内酯型聚氨酯已在组织工程的各个领域广泛应用，如药物缓释材料、外科手术用固定材料及皮下埋衬及组织工程材料等。当用这种材料作为载体的长效药物植入体内，在药物释放完之后不需要再经手术取出，可以直接在体内降解成为安全性物质从体内排除。因此，聚己内酯型聚氨酯材料的应用开发研究己经成为当前国际上的热门课题［1］。

1 在药物缓释材料的应用

药物缓释材料改进了药物的输送方法，可直接植入人体内，防止细菌感染;延长了药物释放时间，使药物达到了可控释放，提高了药效;药物释放完毕后，能在体内降解成安全性物质从体内排除，保证了机体的安全。

Mahkam等［2］对可生物降解聚氨酯材料作为药剂缓释材料进行了分析，研究表明该类材料对药物的缓释具有较好的效果。Woo等［3］设计了一种将无毒的1，6－己撑二异氰酸酯(HDI)和聚己内酯二醇(PCL)以及噻琳共聚而得到的新型抗生素释放系统，当感染症状出现时，由炎症释放出的尿素可触发含有抗生素的聚酯聚氨酯聚合物的降解，以引起抗生素的释放，加速药物的传输。这种抗生素释放系统被直接应用于植入人体的医疗装置的表面，以防止细菌感染。这种方法具有以下一些优点:①在细菌黏附生长以前就可将其杀死:②明显提高了感染区域的抗生素浓度;③抗生素在较长时间内保持高浓度，不会产生短时的快速流失。

Santerre等［4］用直链脂肪族二异氰酸酯、PCL和氟喹酮抗菌药物作为硬段单体发展了可生物降解PUs。实验观察到源于单核的巨噬细胞和相应酶对硬段化学性质的敏感进行了一组药物聚合物的设计。设计的可被酶降解的聚合物化学性质是可以被白细胞进攻的。因此抗菌药物的释放可以通过像移植这样的临床实验得到促进。因为实验必须使源于单核的巨噬细胞的具有活性，则与生物降解有关的必需的酶反应才能得到控制，而自由药物作为降解产物才能得到释放。当病人开始康复时，酶的产量开始减少，因此抗菌药物的释放也会减少。从聚合物内到形成的生物膜及后来受到影响的可生物降解材料上都会发生药物的释放。二异氰酸酯的改变和药物单体的分布都会调整药物的释放剂量。

2 在医用外科用材料的应用

鉴于可生物降解型聚氨酯材料具有良好的性能，由其制成的在医疗上使用的导管、薄膜、绷带等具有很好的发展前景。Mahammad等［5］利用相对分子质量为2000的PCL作为软段，赖氨酸二异氰酸酯(LDI)和1，4－丁二醇(BDO)作为硬段合成了生物可降解的脂肪族热塑性聚氨酯(PU)。合成的PU的硬段和软段相之间区别明显，具有韧性和热塑性，最终张力强度为33 MPa，断裂伸长率为1000%。该材料有－40～40℃这段可以用于应用的温度，对于低温弹性体和薄膜的应用具有极好的参考价值，也可作为暂时整形外科的材料。

Hamid Yeganeh等［6］通过环氧封端的PU预聚物与作为固化剂的1，6－己基二氨(HMDA)反应合成了可以应用于医用移植的生物可降解PU。通过使用不同相对分子质量的PCL与HDI反应。通过分光光度计的方法对所有材料进行表征。通过凝胶含量法对固化条件进行优化。利用DSC对固化动力学和动力学参数进行测定。并充分研究了PCL的相对分子质量改变导致弹性体交联度和结晶度的改变，进而对最后弹性体聚合物的物理性能、机械性能和降解的影响。

Hamid Yeganeh等［7］通过环氧封端的PU预聚物与作为固化剂的HMDA的反应合成了可应用于医用移植的降解速率和物理性质可调的生物可降解PU弹性体。使用PCL、聚乙二醇(PEG)和HDI来合成异氰酸酯封端的PU，然后PU用嵌段的二醇扩链。对所有材料进行传统方法表征，并进行全面研究。结果表明，与含有 PCL的弹性体相比，含有PEG的弹性体显示出优越的降解速率和较差的机械性能。通过PU中PCL和PEG的嵌段共聚，可获得降解速率和机械性能得到优化的弹性体。

采用聚氨酯微孔及亲水膜可以使伤口敷料有良好的透气和吸收功能，聚氨酯良好的生物相容性用作经皮肤给药敷料，既能有效阻隔药物中活性组分不必要的扩散，又可以保证活性成分按一定渗透速率作用于皮肤。

3 在组织工程材料的应用

由于聚氨酯具有良好的血液相容性和良好持久的机械强度，聚氨酯材料在人工器官方面早已得到了广泛的关注。在国外以其制造人工心脏瓣膜、人工肺的研究很多。可生物降解聚氨酯材料则利用其降解特性，可使表面不断更新，为组织提供不断变化的黏附和生长界面的特点被作为降解型组织工程材料进行研究。

Groot等［8］用等物质的量比的(L － 丙交酯/ε －己内酯)预聚物、l，4 － 丁基二异氰酸酯(BDI)、1，4－丁二醇(BDO)和1，4－丁二氨(BDA)合成了聚氨酯。这种聚氨酯可以达到45 MPa的张力强度和60 MPa的弹性模量，能得到希望的吸附性能和较低的降解速率。这些因素可以使聚合物应用于关节修复材料、神经传导和人造皮肤等体内组织工程方面。

Spans等［9］对基于ε－CL和BDI合成的具有较高弹性模数的生物医用PU进行了发展。用长的相同的异氰酸酯段给ε－CL预聚物扩链，得到相同硬段的PU嵌段。该PU展现了极好的机械性能，特别高的弹性模量(105 MPa)和张力强度(35 MPa)。聚合物溶于许多挥发性的溶剂，例如氯仿和1，4－二氧六环。通过盐的过滤和冻干，可以获得多孔材料，大孔变化范围为150～300 μm，与小孔紧密互相连接。该材料具有十分大的抗压系数200 kPa，适用于像半月板修复这样的生物医用的应用。

Spaans等［10］又使用 PCL、BDI、BDO 和 BDA 合成了可生物医用的PU和聚氨酯脲。在降解方面，降解产物无毒。含有PCL软段和BDI/1，4－丁基二氨硬段的聚氨酯展现了较高的张力强度、较高的弹性模数和较高的抗拉撕性能。通过较长的氨酯二醇链段进行扩链，可以获得可加工的聚合物，机械性能与聚氨酯脲不相上下。这种聚氨酯可以做成多孔材料，用作半月板修复。

Siska Coneilie等［11］合成了一些含有 PEG的PU。首先研究了材料在热、水解、γ照射下的稳定性并对其纯度进行了分析，然后又进行了一系列细胞相容性试验。研究表明该PU中扩链剂的使用决定了平滑、连续的膜及其图像的稳定性，并评价这些该PU材料可以期望用来作为生物材料，更专业的可以作为血液和尿液接触材料。

Guan等［12］用PCL和腐胺合成聚氨酯支架，经实验证实，该PU支架具有高弹性、高韧性、可控的生物降解性及细胞黏附性，可作为心血管工程和其他软组织工程的支架材料。

Ralf等［13］在无催化剂的条件下，用相对分子质量为750～2800的PCL和BDI来合成用于生物可降解的凹凸型支架的PU。首先用BDI封端聚酯二醇形成最低程度端反应、官能度为2的二异氰酸酯大分子。然后用BDO扩链来获得相应的聚氨酯。研究发现，当PCL的相对分子质量在1900时，聚酯二醇出现结晶。随着硬段含量的增加，硬段的熔点从78℃增加到122℃。可以确定硬段的结晶度在26% ～92%之间变化，杨氏模量为30～264 MPa，断裂伸长率为87% ～1200%，断裂强度为97～237 MPa。

Saad等［14］结合一段三嵌段的PCL－PEG－PCL软段和一段结晶的软段。这系列材料用LDI或三甲基环己烷二异氰酸酯与上面的软段或脂肪酸的共聚酯、EG、二缩乙二醇和BDO合成。这些材料的机械性质主要由结晶相决定。这些材料通过作为骨骼的替代物使用而被广泛的表征。这种材料具有弹性，能形成100～400 μm的多孔泡沫。造骨材料可以在这些材料上生长，增生扩散，并吞噬降解产物，保持它们的表型，促使骨骼生长。

4 结语

聚己内酯型聚氨酯作为医用高分子生物活性材料，不仅具有良好的生物相容性，而且还可生物降解和降解产物容易吸收或代谢，并且有利于细胞的黏附、生长、增殖以及基因表达和调控等。随着其研究的不断发展、生产工艺的日益成熟和生产成本的不断降低，将会被广泛应用到日常的医疗工业中。

［1］Szycher M，Poirier V L，Dempsey D J.Detection of a toxic product released by a polyurethane containing film using a composting test［J］.Journal of Elastomers and Plastics，1983，15:81 －95.

［2］Mahkam M，Sharifi－Sanjani N.Preparation of new biodegradable polyurethanes as a therapeutic agent［J］.Polymer Degradation and Stability，2003，80:199 －202.

［3］Woo G L，Mittelman M W，Santerre J P，et al.Synthesis and characterization of a novel biodegradable antimicrobial polymer［J］.Biomaterials，2000，21(12):1235 －1240.

［4］Sanierre J P，Woodhouse K，Laroche G，et al.Understanding the biodegradation of polyurethanes:from classical implants to tissue engineering material［J］.Biomaterials，2005，26:7457－7470.

［5］Mohammad K Hassan，Kenneth A Mauritz，Robson F Storey，et al.Biodegradable aliphatic thermoplastic polyurethane based on poly(ε－caprolactone)and L－Lysine diisocyanate［J］.J Polym Sci:Part A:Polymer Chemistry，2006，44:2990 －3000.

［6］Hamid Yeganeh，Moslem Mansour Lakouraj，Sadegh Jamshidi.Synthesis and characterization of novel biodegradable epoxy － modified polyurethane elastomers［J］.J Polym Sci:Part A:Polymer Chemistry，2005，43:2985－2996.

［7］Hamid Yeganeh，Moslem Mansour Lakouraj，Sadegh Jamshidi.Synthesis properties of biodegradable elastomeric epoxy modified polyurethanes based on poly(ε－caprolactone)and poly(ethylene glycol)［J］.European Polymer Journal，2005，41:2370 －2379.

［8］Groot J H de，Spaans C J，Dekens F G，et al.On the role of aminolysis and transesterification in the synthesis ofεcaprolactone and L － lactide based polyurethanes［J］.Polymer Bulletin，1998，41:299 －306.

［9］Spaans C J，Groot J H de，Belgraver V W，et al.A new biomedical polyurethane with a high modulus based on 1，4－ butanediisocyanate and ε － caprolactone［J］.Journal of Materials Science:Materials in Medicine，1998(9):675 －678.

［10］Spaans C J，Groot J H de，Dekens F G，et al.High molecular weight polyurethanes and a polyurethane erea based on 1，4 － butanediisocyanate［J］.Polymer Bulletin，1998，41:131 －138.

［11］Siska Corneillie，Pham Ngoc Lan，Etienne Schacht，et al.Polyethylene glycol－containing polyurethanes for biomedical applications［J］.Polymer International，1998，46:251－259.

［12］Guan J，Sack M S，Beckman E J，et al.Synthesis，characterization，and cyto compatibility of elastomeric，biodegradable poly(ester－urethane)s based on poly(caprolactone)and putreseine［J］.J Biomed Matter Res，2002，61(3):493 －503.

［13］Ralf G J C Heijkants，Ralph V van Calck，Tony G van Tienen，et al.Uncatalyzed synthesis，thermal and mechanical properties of polyurethanes based on poly(εcaprolactone)and 1，4 － butane diisocyanate with uniform hard segment［J］.Biomaterials，2005，26:4219 －4229.

［14］Saad B，Hirt T D，Welti M，et al.Development of degradable polyesterurethanes for meidical application，in vitro and in viro evaluations［J］.J Biomed Mater Res，1997(36):65－74.