專利名稱:基于聚(ε-己內(nèi)酯)的形狀記憶材料及其制備和使用方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明屬于一種基于聚(ε-己內(nèi)酯)的形狀記憶材料及其制備和使用方法,屬于醫(yī)用高分子材料領(lǐng)域。
背景技術(shù):
形狀記憶材料,在工業(yè)和醫(yī)療上具有廣泛的應(yīng)用,如傳感器、換能器、保護(hù)元件、執(zhí)行元件、人體內(nèi)植入元件等。其中由Ni-Ti合金制成的各種導(dǎo)管和支架,在外科手術(shù)和介入療法中已經(jīng)臨床使用。它們有很多優(yōu)點,如體積小、重量輕、變形大、支撐力大等,但也有明顯的不足,如與人體組織不相容,合金中的Ni元素有毒性,長期或終身植入在人體中,Ni元素滲出有損健康。迄今為止,人們發(fā)現(xiàn)了很多具有形狀記憶功能的高分子材料,有的已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化,如熱收縮套管等,它們材料易得、加工容易、成本低廉,但它們的變形恢復(fù)溫度一般比較高,又不能生物降解,因而不可能在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用。近年來,生物降解高分子材料有了長足的發(fā)展,在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用也越來越多,特別是乳酸類聚合物,如聚乳酸、聚羥基乙酸、聚(ε-己內(nèi)酯),以及乳酸、羥基乙酸和ε-己內(nèi)酯的共聚物。它們生物相容,沒有毒性,在人體內(nèi)能夠降解和吸收,但它們基本上沒有形狀記憶功能。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于聚(ε-己內(nèi)酯)的形狀記憶材料,這種材料兼俱生物降解高分子和形狀記憶合金的優(yōu)點,變形恢復(fù)溫度在人體溫度附近,便于在外科手術(shù)中獲得應(yīng)用;本發(fā)明的另一目的是提供一種基于聚(ε-己內(nèi)酯)的形狀記憶材料的制備方法;高分子材料的形狀記憶效應(yīng)決定于它的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu),決定于它的凝聚狀態(tài),因而只有在一定的條件下才表現(xiàn)出來。在揭示所合成形狀記憶材料結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上,界定產(chǎn)生形狀記憶效應(yīng)的條件,給出相應(yīng)的使用方法,是本發(fā)明的第三個目的。
基于聚(ε-己內(nèi)酯)(PCL)的形狀記憶聚合物,它由兩端帶羥基的PCL與二異氰酸酯、小分子二醇反應(yīng)而成,因而是以PCL為軟段,以二異氰酸酯-小分子二醇反應(yīng)產(chǎn)物為硬段的多嵌段聚氨酯。其中PCL軟段能夠生物降解,聚氨酯硬段在人體內(nèi)可能水解,最終排出體外。
這種多嵌段的聚氨酯,能夠發(fā)生微相分離。各硬段分子鏈之間由于存在大量氫鍵,形成硬段相區(qū),在整個體系中充當(dāng)物理交聯(lián)點的作用,PCL軟段的熔點在60℃左右,玻璃化溫度在-20℃以下,因而當(dāng)該聚合物在從熔體降溫的過程中,先后經(jīng)過熔體、熱塑彈性體、半結(jié)晶固體等階段。熱塑彈性體和半結(jié)晶固體之間的轉(zhuǎn)變,有可能產(chǎn)生形狀記憶效應(yīng)。
本發(fā)明使用的PCL的分子量在2000~20000范圍,熔點在50~65℃。生成聚氨酯以后,由于硬段相區(qū)的限制作用,它們的熔點有所下降,落在室溫~60℃的范圍,導(dǎo)致該體系形狀記憶的特征溫度正好在室溫和體溫范圍,這對該材料的醫(yī)學(xué)應(yīng)用有決定性意義。
本發(fā)明用來合成聚氨酯的原料,是兩端帶羥基的PCL、二異氰酸酯和小分子二醇。其中二異氰酸酯的摩爾數(shù)等于PCL和小分子二醇的和,以便獲得盡可能高的聚合物分子量。
兩端帶羥基的PCL是用乙二醇或丁二醇為起始劑,在辛酸亞錫或其它催化劑存在下,由ε-己內(nèi)酯開環(huán)聚合得到。調(diào)節(jié)ε-己內(nèi)酯和乙二醇的投料比,可將PCL的分子量控制在2000~20000的范圍,滿足本發(fā)明的需要。
以上使用的二異氰酸酯可以是2,4-甲苯二異氰酸酯、2,6-甲苯二異氰酸酯或它們的混合物、二苯甲烷二異氰酸酯、異佛爾酮二異氰酸酯等。它們的反應(yīng)活性略有差別,適當(dāng)調(diào)整反應(yīng)條件,都能合成出所需要的聚氨酯。
本發(fā)明使用的擴鏈劑是乙二醇和丁二醇,其中由乙二醇生成的聚氨酯硬段有較高的玻璃化溫度,更適合本發(fā)明的目的。
本發(fā)明制備的聚(ε-己內(nèi)酯)聚氨酯(以下簡作PCL-PU)的PCL相的熔點,在25~60℃范圍,決定于所用PCL預(yù)聚物的分子量大小,PCL分子量越大,熔點越高;熔點也依賴于PCL和硬段之間的摩爾比,對同一長度的PCL來說,硬段越長,熔點越低。
對于有熔點的PCL-PU材料,在熔點以上,PCL-PU表現(xiàn)為熱塑彈性體,在結(jié)晶溫度以下,PCL-PU表現(xiàn)為半結(jié)晶固體。所以,可以采用兩種方法實現(xiàn)變形并將變形固定下來(1)在PCL-PU的熔點或熔點以上溫度進(jìn)行拉伸、壓縮或其它形變,然后將樣品的溫度降到結(jié)晶溫度以下,由于發(fā)生結(jié)晶,樣品的形變得以保存;(2)將樣品直接在熔點以下變形,最好在結(jié)晶溫度附近實施變形,變形及其固定一步完成。后者對一些醫(yī)學(xué)應(yīng)用有實際意義,醫(yī)生可以在手術(shù)現(xiàn)場,在室溫下實施變形。
經(jīng)過上述變形后的PCL-PU,當(dāng)溫度升高到PCL相的熔點后,樣品恢復(fù)為熱塑彈性體,在低溫下固定下來的內(nèi)應(yīng)力的作用下,發(fā)生逆變形,樣品恢復(fù)本來的形狀。對一系列拉伸300%和壓縮3倍的樣品(見附圖1),測量了變形之前和形狀恢復(fù)以后的長度或厚度,發(fā)現(xiàn)變形恢復(fù)率(附圖1中(L3-L1)/L1或(H1-H3)/H1)在94~100%范圍。而且,恢復(fù)率小于100%的情況,往往是由于上述第一種變形方法中,降溫速度不夠快,發(fā)生應(yīng)力松弛造成的。所以,改進(jìn)操作條件可以使形狀完全恢復(fù)。
本發(fā)明制備的PCL-PU材料的形狀記憶效應(yīng)不僅表現(xiàn)在簡單的拉伸和壓縮變形上,還表現(xiàn)在更復(fù)雜的變形上,附圖2和3給出了兩個這樣的實例。附圖2中,PCL-PU園筒在50℃下壓制成梅花狀,使其橫截面積減小,在室溫定形,然后在40℃水中加熱,在幾秒鐘內(nèi)樣品變回到圓筒形,直徑也恢復(fù)到原來的大小。附圖3中,PCL-PU園筒首先在室溫下擴大直徑,變成薄壁園筒,然后壓扁,再卷成園柱形。當(dāng)樣品投入到40℃水中的時候,幾秒鐘內(nèi),樣品恢復(fù)到最初的園筒形。由圖1至圖3不難看出,在一定的條件下,PCL-PU制品可以表現(xiàn)為“熱收縮”,也可以表現(xiàn)為“熱膨脹”,而且變形的恢復(fù)溫度在40℃左右,完全能夠滿足很多臨床應(yīng)用的需要。
一般認(rèn)為結(jié)晶類形狀記憶高分子的熱恢復(fù)溫度應(yīng)在熔點以上,而本發(fā)明特別強調(diào),PCL-PU的熱恢復(fù)溫度比熔點要低得多,以附表1中的PCL2000-PU132為例,它的熔點是43℃,最低變形恢復(fù)溫度卻只有23℃,兩者相差20℃之多。對其它樣品,這兩個溫度相差至少也有10℃。最低變形恢復(fù)溫度低于熔點的原因,是變形樣品中存在較強的內(nèi)應(yīng)力。在該內(nèi)應(yīng)力的驅(qū)動下,分子鏈在較低的溫度下,即可運動,轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)。
所以,對PCL-PU形狀記憶材料來說,最低變形恢復(fù)溫度比熔點更具有實際意義。在該溫度下,樣品可恢復(fù)本來的形狀和大小。由于溫度較低,分子鏈熱運動造成的應(yīng)力松弛較小,所以變形恢復(fù)程度反而比較高。
本發(fā)明實現(xiàn)“形狀恢復(fù)”的方法有兩種(1)恒溫法變形后的樣品放入指定溫度(上述最低變形恢復(fù)溫度或稍高,例如40℃或37℃)的水中,這是很容易做到的;(2)升溫法將變形后的樣品加熱升溫,在到達(dá)最低變形恢復(fù)溫度時,樣品發(fā)生逆變形,恢復(fù)到原來的形狀和大小。使用后一種方法可以對樣品的形狀記憶效應(yīng)進(jìn)行動力學(xué)研究,并可測定樣品的最低形狀恢復(fù)溫度。本發(fā)明實施例中的“最低變形恢復(fù)溫度”(表2中的LRT)就是用這種方法測定的。
另一方面,最低變形恢復(fù)溫度與結(jié)晶溫度相比,要高得多。顯然,在此溫度以上,第一步的變形不能保持下來。所以,固定變形的溫度必須在此溫度以下。由表1所列數(shù)據(jù)可見,本發(fā)明所合成的PCL-PU材料,最低變形恢復(fù)溫度均在室溫附近或稍高于室溫,所以可選擇室溫為定形溫度(方式1)或變形/定形溫度(方式2),這在實際應(yīng)用中最為方便。
綜上所述,本發(fā)明實現(xiàn)和利用PCL-PU的形狀記憶效應(yīng)的方法是(1)在120~150℃下將聚合物進(jìn)行擠出、注射或其它成型,得到所需要的制品形狀和尺寸。(2)將制品進(jìn)行拉伸、壓縮或其它復(fù)雜變形,并將該變形保持下來;其方法有兩種在熔點附近(40~50℃)變形后在室溫定形或在室溫變形又定形。(3)將變形后的制品進(jìn)行加熱處理,消除所施加的變形,恢復(fù)制品的本來形狀和大??;加熱處理有恒溫和升溫兩種,只需要稍高于最低變形恢復(fù)溫度即可。對形狀記憶效應(yīng)來說,最低變形恢復(fù)溫度比熔點更有實際意義,它可用熱機械分析(TMA)方法測定,一般比熔點低10~20℃。適當(dāng)調(diào)整合成條件,可將最低變形恢復(fù)溫度調(diào)節(jié)到人體溫度附近,滿足醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用的需要。
圖1.拉伸和壓縮變形下的形狀記憶效應(yīng)。(a)拉伸;(b)壓縮。
圖2.復(fù)雜變形下的形狀記憶效應(yīng)實例之一圓筒形-梅花形-圓筒形。
圖3.復(fù)雜變形下的形狀記憶效應(yīng)實例之二圓筒形-卷筒形-圓筒形。(a)原始形狀;(b)擴大直徑后;(c)卷曲后;(d~i)放入40℃水中;(j)最后形狀。
圖4.樣品PCL3500-PU176的熱機械曲線。
圖5.典型樣品的熱機械曲線。從左到右分別是PCL2000-PU132、PCL2500-PU132、PCL3000-PU132、PCL3500-PU176、PCL5000-PU176、PCL8000-PU176和PCL10000-PU176。它們的最低變形恢復(fù)溫度數(shù)據(jù)列在表1中。
具體實施例方式
實施例1將114g ε-己內(nèi)酯、1.4g乙二醇和5ml濃度為0.1molL-1的Sn(Oct)2/甲苯溶液先后加入到一個經(jīng)過充分干燥并配有磁攪拌棒的玻璃瓶中,在用注射器加入等體積的甲苯,攪拌均勻,放入120℃的恒溫油浴中,加熱反應(yīng)24小時,冷卻倒室溫,得到帶雙端羥基的聚(ε-己內(nèi)酯)(PCL)的甲苯溶液。
向該溶液中加入計算量的2,4-甲苯二異氰酸酯(TDI),在65℃加熱攪拌15分鐘,然后加入計算量的乙二醇(EG),使TDI的摩爾數(shù)恰好等于PCL和EO的摩爾數(shù)之和。繼續(xù)在65℃下攪拌反應(yīng)3小時,然后將反應(yīng)產(chǎn)物溶解在氯仿中,并用己烷沉淀處理,在40℃真空干燥24小時。
改變上述ε-己內(nèi)酯和乙二醇的比例,其它反應(yīng)條件不變,則得到分子量不同的PCL預(yù)聚物。相應(yīng)地調(diào)整TDI和EO的用量,獲得不同軟段和硬段比例的聚合產(chǎn)物。
測定以上中間和最終產(chǎn)物的分子量和熔點、結(jié)晶溫度,得到表1。其中PCL后面的數(shù)字表示用核磁共振方法測得的帶雙端羥基的PCL預(yù)聚物的分子量,PU后面的數(shù)字表示PCL、TDI、EO的摩爾比,如PU132表示PCL∶TDI∶EO=1∶3∶2。相應(yīng)的重量組成在第二列中給出,“硬段”指TDI和EO的用量之和,這里假定兩步聚合的轉(zhuǎn)化率均為100%。熔點和結(jié)晶溫度用DSC方法測定,形變的最低恢復(fù)溫度用熱機械分析儀(TMA)用等速升溫法(5℃/min)得到。
表1.PCL-PU的組成和特征溫度
由表1可知,PCL預(yù)聚物的分子量只有大于2000,聚合物PCL-PU才有熔點,材料才能表現(xiàn)出形狀記憶功能。否則,它們在室溫下僅表現(xiàn)為熱塑彈性體。
其中,用TMA方法測得的典型的熱恢復(fù)曲線見附圖4和5。圖4使用表1中的PCL3500-PU176樣品,可見其最低變形恢復(fù)溫度為37℃,正好是人體的溫度。圖5給出了一系列樣品的TMA曲線,從左到右的樣品分別是PCL2000-PU132、PCL2500-PU132、PCL3000-PU132、PCL3500-PU176、PCL5000-PU176、PCL8000-PU176和PCL10000-PU176??梢姡琍CL-PU的最低變形恢復(fù)溫度決定于PCL預(yù)聚物的分子量和軟、硬段的相對比例,通過調(diào)節(jié)PCL的分子量和兩相比例,可以將變形恢復(fù)溫度控制在人體溫度附近,即37~42℃,以便實現(xiàn)醫(yī)學(xué)應(yīng)用。顯然,試驗測得的最低變形恢復(fù)溫度(見表1)比相應(yīng)的熔點要低得多。正如在說明書中指出得那樣,該溫度比熔點和結(jié)晶溫度更具有實際意義,它決定了PCL-PU材料的使用特性和使用條件。
實施例2采用實施例1中的反應(yīng)條件,但在第一步PCL合成,得到帶雙端羥基的PCL甲苯溶液后,不是直接進(jìn)行下一步反應(yīng),而是用正己烷將PCL沉淀出來,洗滌、真空干燥,獲得純凈的PCL預(yù)聚物。然后將PCL預(yù)聚物在溶解到甲苯中,加入0.1molL-1濃度的Sn(Oct)2/甲苯,進(jìn)行下一步反應(yīng)。該反應(yīng)程序相對于實施例1的優(yōu)點是可以精確測定PCL預(yù)聚物的分子量和官能度,以便對第二步反應(yīng)進(jìn)行精確的當(dāng)量控制,獲得較高的分子量。但產(chǎn)物的熔點、結(jié)晶溫度和最低變形恢復(fù)溫度基本沒有變化。
實施例3采用實施例1的反應(yīng)程序,但將2,4-甲苯二異氰酸酯換成2,6-甲苯二異氰酸酯。所得產(chǎn)物的熔點、結(jié)晶溫度和最低變形恢復(fù)溫度與實施例1處在相同的溫度范圍內(nèi)。
實施例4采用實施例1的反應(yīng)程序,但將2,4-甲苯二異氰酸酯換成二苯甲烷二異氰酸酯。所得產(chǎn)物的熔點、結(jié)晶溫度和最低變形恢復(fù)溫度與實施例1處在相同的溫度范圍內(nèi)。
實施例5采用實施例1的反應(yīng)程序,但將2,4-甲苯二異氰酸酯換成異佛爾酮二異氰酸酯。所得產(chǎn)物的熔點、結(jié)晶溫度和最低變形恢復(fù)溫度與實施例1處在相同的溫度范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于聚(ε-己內(nèi)酯)的形狀記憶材料,它是以聚(ε-己內(nèi)酯)為軟段,以二異氰酸酯-小分子二醇反應(yīng)產(chǎn)物為硬段的多嵌段聚氨酯;其中PCL軟段的分子量為2000~20000,熔點在室溫至60℃,結(jié)晶溫度在室溫至0℃;它具有生物降解和形狀記憶雙重功能,可恢復(fù)變形的定形溫度在0~30℃,恢復(fù)溫度在20~60℃,可恢復(fù)程度為90~100%。
2.權(quán)利要求1所述基于聚(ε-己內(nèi)酯)的形狀記憶材料的合成方法,它由兩端帶羥基的聚(ε-己內(nèi)酯)與二異氰酸酯、小分子二醇反應(yīng)而成,二異氰酸酯的摩爾數(shù)等于PCL和小分子二醇的摩爾數(shù)之和,使用辛酸亞錫為反應(yīng)催化劑;其中兩端帶羥基的PCL是用乙二醇或丁二醇為起始劑,在辛酸亞錫或其它催化劑存在下,由ε-己內(nèi)酯開環(huán)聚合得到;二異氰酸酯是2,4-甲苯二異氰酸酯、2,6-甲苯二異氰酸酯或它們的混合物、二苯甲烷二異氰酸酯、異佛爾酮二異氰酸酯;小分子二醇擴鏈劑是乙二醇和丁二醇。
3.權(quán)利要求1所述基于聚(ε-己內(nèi)酯)的形狀記憶材料的使用方法(1)在120~150℃下將聚合物進(jìn)行擠出、注射或其它成型,得到所需要的制品形狀和尺寸;(2)將制品進(jìn)行拉伸、壓縮或其它復(fù)雜變形,并將該變形保持下來;(3)將變形后的制品進(jìn)行加熱處理,消除所施加的變形,恢復(fù)制品的本來形狀和大小。
4.權(quán)利要求3所述基于聚(ε-己內(nèi)酯)的形狀記憶材料的使用方法,其特征在于,采用以下兩種方法實現(xiàn)變形并將變形固定下來(1)在材料的熔點或比熔點稍高溫度實施變形,然后將樣品的溫度降到結(jié)晶溫度附近保持變形;(2)將制品直接在最低變形恢復(fù)溫度和結(jié)晶溫度之間的一個溫度下實施變形,變形及其固定一步完成。
5.權(quán)利要求3所述基于聚(ε-己內(nèi)酯)的形狀記憶材料的使用方法,其特征在于,在材料的熔點附近溫度實施變形,然后將樣品的溫度降到室溫保持變形。
6.權(quán)利要求3所述基于聚(ε-己內(nèi)酯)的形狀記憶材料的使用方法,其特征在于,將制品直接在室溫下實施變形,變形及其固定一步完成。
7.權(quán)利要求3所述基于聚(ε-己內(nèi)酯)的形狀記憶材料的使用方法,其特征在于,采用以下兩種方法消除變形,恢復(fù)制品形狀(1)恒溫法將變形后的樣品放入比該樣品的最低變形恢復(fù)溫度稍高的的水中,樣品發(fā)生逆變形,恢復(fù)到原來的形狀和大??;(2)升溫法將變形后的樣品加熱升溫,在到達(dá)最低變形恢復(fù)溫度時,樣品發(fā)生逆變形,恢復(fù)到原來的形狀和大小。
全文摘要
一種具有形狀記憶功能的以聚(ε-己內(nèi)酯)為軟段的聚氨酯,它用雙羥基的聚(ε-己內(nèi)酯)(PCL)與二異氰酸酯、小分子二醇(EO)反應(yīng)而成。它的熔點在40~60℃范圍,決定于PCL的分子量和PCL與EO的摩爾比。它的可恢復(fù)變形溫度在室溫到60℃,變形恢復(fù)溫度在室溫到50℃,也決定于PCL的分子量和PCL與EO的摩爾比。在拉伸300%和壓縮3倍的條件下,變形恢復(fù)率接近100%。通過調(diào)節(jié)聚合物的組成,可將變形恢復(fù)溫度控制在人體溫度附近,具有生物降解功能,所以可能在醫(yī)學(xué)上獲得重要應(yīng)用。
文檔編號C08G18/40GK1563132SQ20041001073
公開日2005年1月12日 申請日期2004年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月19日
發(fā)明者景遐斌, 平鵬, 陳學(xué)思, 徐效義, 邊新超, 楊立新, 梁奇志 申請人:中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所