一种磁致型可生物降解形状记忆聚合物纳米复合材料的制备方法

摘要

本发明涉及一种磁致型生物可降解形状记忆复合材料的制备方法。形状记忆复合材料以异氰酸酯链段为硬相。聚D,L-丙交酯、聚四亚甲基醚二醇为软相。形状记忆复合材料的制备方法是用小分子二醇引发D,L-丙交酯开环聚合，制备出一定分子量的两端带有羟基的聚D,L-丙交酯，接着与聚四亚甲基醚二醇通过二异氰酸酯偶联起来形成直链型的嵌段共聚物；然后混入表面改性过的Fe

说明书

技术领域

本发明属于医用生物材料领域，涉及一种磁致型可生物降解形状记忆聚合物纳米复合材料的制备方法。

背景技术

随着社会的发展，智能化的趋势越来越明显，智能化的发展带动了智能材料的发展。形状记忆材料是上世纪60年代以来发展起来的新型智能材料，它在生活中的应用非常广泛，上到太空中的航天飞机，下到我们生活中的生物医学，都可以找到形状记忆材料的身影。

形状记忆材料是指能够在感知外界环境变化(电流、磁场、热、光、溶剂等)的同时，能响应这种变化，并通过对自身力学参数(如形状、位置和应变等)的调整，回复到预先设定的形状。首先发现形状记忆特性的材料是形状记忆合金(Shape Memory Alloy，SMA)，也是目前使用最广泛的形状记忆材料。由于其弯曲量大、塑性高等许多优异的性能，已广泛应用于航空航天、机械电子、生物医疗、桥梁建筑、汽车工业及日常生活等多个领域。

  随着1980年代初期形状记忆聚合物( Shape Memory Polymer，SMP)的发现，形状记忆聚合物的研究一直非常热门，这得益于SMP优于SMA的很多优点，如可回复形变量大（可达400%）、密度低、生物可降解性、记忆效应显著、加工成型容易、可控制恢复行为、绝缘性好、价格便宜等特点。因此被广泛应用于铰链、构架、镜面和反光镜的自展开结构、航空器的可折叠和可变形机翼、智能缝合线、医疗器械、汽车制动器、纺织和自愈等领域。

但是与SMAs相比，SMPs在某些方面有较明显的缺点——机械强度低、形状恢复应力小等，因此，为了克服SMPs的这些缺点，拓展其应用领域，常用的方法是在SMPs中添加具有多功能的高模量填料进行改性。但是由于填料的尺寸效应和刚性，以及高填充量时填料对聚合物网络结构的破坏作用，添加填料在提高聚合物模量和强度的同时，往往会带来回复应变率的下降，该影响程度可以通过降低填料的尺寸减缓，即纳米复合。

目前，有关纳米复合形状记忆聚合物的研究很活跃，颗粒填充复合材料中填充的纳米颗粒主要有SiC、碳黑、陶瓷颗粒、Fe3O4、金属颗粒等纳米颗粒。由于某些填料本身的一些特殊性能，如导电性、磁性等，而且纳米填料本身就具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应以及介电限域效应等特性。纳米填料加入复合材料中，不仅能改善形状记忆聚合物性能，还能赋予形状记忆聚合物不同的激发方式。例如碳纳米管（CNTs）加入形状记忆聚合物中，不仅起到增强的作用，而且能赋予SMPs电激发和红外激发的功能。 Fe3O4与形状记忆聚合物复合，能使其具有磁激发功能。

聚乳酸及其共聚物由于具有独特的生物降解性、生物相容性、热塑性和环境友好性（Middleton JC, Tipton AJ. Synthetic Biodegradable Polymers as Orthopedic Devices[J]. Biomaterial, 2000,21(23): 2335-2346.）。聚四亚甲基醚二醇具有良好的生物相容性，在医疗上可用来制造导液管、血液袋、气套管及各类假肢（徐兆瑜.聚四氢呋喃醚二醇的合成和应用[J].化工科技市场,2004,03:1-4.）。

发明内容

 本发明的目的在于提供一种磁致型可生物降解形状记忆聚合物纳米复合材料的制备方法。

本发明提出的磁致型生物可降解形状记忆复合材料的制备方法，其特征在于该形状记忆复合材料为直链型多嵌段共聚物，以异氰酸酯链段为硬相。聚D,L-丙交酯、聚四亚甲基醚二醇为软相；通过小分子二醇引发D,L-丙交酯开环聚合，制备出两端带有羟基的直链型聚D,L-丙交酯,接着与聚四亚甲基醚二醇通过二异氰酸酯偶联起来形成直链型的嵌段共聚物。然后混入表面改性过的Fe₃O₄纳米粒子制得磁致型生物可降解形状记忆复合材料；具体步骤如下：

（1）开环聚合：小分子二醇引发DL-丙交酯开环聚合，聚合温度为125-135℃，时间为18-24小时，氮气保护，聚合结束后加入溶剂溶解，然后将其缓慢滴入沉淀剂将聚合物沉淀，提纯产物，真空干燥，得到白色絮状可降解高分子材料，该材料为直链型聚D,L-丙交酯，控制小分子二醇与D,L-丙交酯的摩尔比为1:300-1:400；

（2）扩链：将步骤（1）得到的直链型聚D,L-丙交酯溶解在无水甲苯中，65℃搅拌20min,加入二异氰酸酯和催化剂，65℃～70℃搅拌10min，加入聚四亚甲基醚二醇，70～75℃搅拌6h；

（3）成膜：将经过硅烷偶联剂表面改性过的Fe₃O₄纳米粒子分散在无水甲苯中；将其缓慢滴入搅拌着的步骤（2）所得溶液中，搅拌2h后倒入聚四氟乙烯模具；然后放入100～120℃烘箱中挥发溶剂；48小时后得片状的磁致型生物可降解形状记忆复合材料。

本发明中，步骤（1）中所述小分子二醇为乙二醇或丁二醇中的一种。

本发明中，步骤（2）中所述催化剂为辛酸亚锡或氯化亚锡中的一种，催化剂加入量为D,L-丙交酯总量的0.05-1.0 wt% 。

本发明中，步骤（1）中所述溶剂是四氢呋喃、氯仿、N,N-二甲基甲酰胺或二氯甲烷中任一种，所述沉淀剂是甲醇、乙醚或正己烷中任一种。

本发明中，步骤（1）中合成的直链型聚D,L-丙交酯的分子量为30000～60000，所述聚四亚甲基醚二醇的分子量为2000。

本发明中，步骤（2）中所述的二异氰酸酯为1,6-六亚甲基二异氰酸酯、1,4-苯二异氰酸酯、4,4’-亚甲基-二苯基异氰酸酯或2,4-甲苯二异氰酸酯中的一种。

本发明中，步骤（3）中所述的硅烷偶联剂为(3-(2,3-环氧丙烷)丙基三甲基硅烷、3-氨丙基三乙氧基硅烷或γ-（甲基丙烯酰氧）丙基三甲氧基硅烷中任一种，表面改性方法如下：

每1g Fe₃O₄ 纳米粒子分散在50ml乙醇与去离子水体积比1:1的溶液中，然后加入0.5ml硅烷偶联剂，40℃搅拌4h，氮气保护，反应结束后用无水乙醇洗涤三次，然后放入真空干燥箱干燥。

本发明中，步骤（3）中，Fe₃O₄ 纳米粒子与无水甲苯混合比例为：每0.1g Fe₃O₄ 纳米粒子分散于20～25ml无水甲苯中。

本发明的有益效果在于：

本发明中所述的生物可降解形状记忆纳米复合材料，具有温度与交变磁场双重感应型形状记忆功能。温度感应型：具有一定的转变温度T₀。当温度高于T₀时，聚合物可任意变形。温度降到T₀下形状固定。当温度再次升高到T₀以上时，恢复到原来的形状。交变磁场感应型：具有一定的转变温度T₀。当温度高于T₀时，聚合物可任意变形。温度降到T₀下形状固定，将其放入交变磁场中，恢复到原来的形状。该形状记忆纳米复合材料具有形变保持能力强、形状回复率高、形状记忆性能重复性好和可生物降解等诸多特点。而且实现了非接触式引发形状记忆的功能，Fe₃O₄纳米粒子的存在，使材料具有靶向性。

附图说明

图1：实施例1制备的PDLLA的核磁谱图。

图2：实施例1制备的磁致型可生物降解形状记忆聚合物纳米复合材料形状记忆性能测试中温度、应力、应变之间的关系。

具体实施方式

下面通过实施例进一步说明本发明。

实施例1

在1L的圆底烧瓶中放入500ml乙醇与去离子水的溶液（体积比1:1），10g Fe₃O₄纳米粒子分散于其中，加入5ml (3-(2,3-环氧丙烷)丙基三甲基硅烷，在氮气保护下40℃搅拌4h，反应完成后，用磁铁分离后用去离子水和无水乙醇分别洗涤三次后放入真空干燥箱干燥。

在样品瓶中放入7.5ml 无水甲苯，将0.03g 表面改性过的Fe₃O₄纳米粒子分散在其中。超声分散30～45min。备用。

将经过醋酸乙烯酯重结晶三次，干燥后的D,L-丙交酯8.064g（0.056 mol）加入50ml干燥的圆底烧瓶中，加入0.0126g（1.4×10^-4mol）丁二醇,15μl辛酸亚锡（0.001mol/L）。在130 ℃和氮气保护下，聚合24小时。反应结束后，加入二氯甲烷溶解、然后滴入冰的正己烷中沉淀提纯产物，真空干燥得到白色絮状状聚合物。分子量为5万。将得到的白色絮状聚合物1.28g溶解于2ml 无水甲苯中，65℃搅拌30min。加入0.024g 1,6-六亚甲基二异氰酸酯和20μl扩链催化剂辛酸亚锡。65℃ 搅拌10min。加入0.191g 聚四亚甲基醚二醇，75℃下搅拌6h。改用机械搅拌，边搅拌边滴入分散好的Fe₃O₄纳米粒子甲苯溶液。搅拌2h后倒入聚四氟乙烯模具。然后放入100～120℃烘箱中挥发溶剂。48小时后得片状的形状记忆聚合物纳米复合材料。

如图1所示，该图为制备的PDLLA的核磁谱图，图上的特征峰与聚乳酸的特征峰相吻合。

如图2所示，该图为制备的磁致型可生物降解形状记忆聚合物纳米复合材料形状记忆性能测试中温度、应力、应变之间的关系。从图中曲线可以算出，两次循环的形状记忆回复率分别为85.50%和87.4%。形状固定率都高于99%。

实施例2

Fe₃O₄纳米粒子表面改性方法如实施例1。

在样品瓶中放入15ml 无水甲苯，将0.06g 表面改性过的Fe₃O₄纳米粒子分散在其中。超声分散30～45min。备用。

将经过醋酸乙烯酯重结晶三次，干燥后的D,L-丙交酯8.064g（0.056 mol）加入50ml干燥的圆底烧瓶中，加入0.0126g（1.4×10^-4mol）丁二醇,15μl辛酸亚锡（0.001mol/L）。在130℃和氮气保护下，聚合24小时。反应结束后，加入二氯甲烷溶解、然后滴入冰的正己烷中沉淀提纯产物，真空干燥得到白色絮状状聚合物。分子量为5万。将得到的白色絮状聚合物1.28g溶解于2ml 无水甲苯中，65℃搅拌30min。加入0.024g 1,6-六亚甲基二异氰酸酯和20μl扩链催化剂辛酸亚锡。65℃ 搅拌10min。加入0.191g 聚四亚甲基醚二醇，75℃下搅拌6h。改用机械搅拌，边搅拌边滴入分散好的Fe₃O₄纳米粒子甲苯溶液。搅拌2h后倒入聚四氟乙烯模具。然后放入100～120℃烘箱中挥发溶剂。48小时后得片状的形状记忆聚合物纳米复合材料。

实施例3

Fe₃O₄纳米粒子表面改性方法如实施例1。

在样品瓶中放入22.5ml 无水甲苯，将0.09g 表面改性过的Fe₃O₄纳米粒子分散在其中。超声分散30～45min。备用。

将经过醋酸乙烯酯重结晶三次，干燥后的D,L-丙交酯8.064g（0.056 mol）加入50ml干燥的圆底烧瓶中，加入0.0126g（1.4×10^-4mol）丁二醇,15μl辛酸亚锡（0.001mol/L）。在130℃和氮气保护下，聚合24小时。反应结束后，加入二氯甲烷溶解、然后滴入冰的正己烷中沉淀提纯产物，真空干燥得到白色絮状状聚合物。分子量为5万。将得到的白色絮状聚合物1.28g溶解于2ml 无水甲苯中，65℃搅拌30min。加入0.024g 1,6-六亚甲基二异氰酸酯和20μl扩链催化剂辛酸亚锡。65℃ 搅拌10min。加入0.191g 聚四亚甲基醚二醇，75℃下搅拌6h。改用机械搅拌，边搅拌边滴入分散好的Fe₃O₄纳米粒子甲苯溶液。搅拌2h后倒入聚四氟乙烯模具。然后放入100～120℃烘箱中挥发溶剂。48小时后得片状的形状记忆聚合物纳米复合材料。

实施例4

Fe₃O₄纳米粒子表面改性方法如实施例1。

在样品瓶中放入30ml 无水甲苯，将0.12g 表面改性过的Fe₃O₄纳米粒子分散在其中。超声分散30～45min。备用。

将经过醋酸乙烯酯重结晶三次，干燥后的D,L-丙交酯8.064g（0.056 mol）加入50ml干燥的圆底烧瓶中，加入0.0126g（1.4×10^-4mol）丁二醇,15μl辛酸亚锡（0.001mol/L）。在130℃和氮气保护下，聚合24小时。反应结束后，加入二氯甲烷溶解、然后滴入冰的正己烷中沉淀提纯产物，真空干燥得到白色絮状状聚合物。分子量为5万。将得到的白色絮状聚合物1.28g溶解于2ml 无水甲苯中，65℃搅拌30min。加入0.024g 1,6-六亚甲基二异氰酸酯和20μl扩链催化剂辛酸亚锡。65℃ 搅拌10min。加入0.191g 聚四亚甲基醚二醇，75℃下搅拌6h。改用机械搅拌，边搅拌边滴入分散好的Fe₃O₄纳米粒子甲苯溶液。搅拌2h后倒入聚四氟乙烯模具。然后放入100～120℃烘箱中挥发溶剂。48小时后得片状的形状记忆聚合物纳米复合材料。

实施例5

Fe₃O₄纳米粒子表面改性方法如实施例1。

在样品瓶中放入37.5ml 无水甲苯，将0.15g 表面改性过的Fe₃O₄纳米粒子分散在其中。超声分散30～45min。备用。

将经过醋酸乙烯酯重结晶三次，干燥后的D,L-丙交酯8.064g（0.056 mol）加入50ml干燥的圆底烧瓶中，加入0.0126g（1.4×10^-4mol）丁二醇,15μl辛酸亚锡（0.001mol/L）。在130 ℃和氮气保护下，聚合24小时。反应结束后，加入二氯甲烷溶解、然后滴入冰的正己烷中沉淀提纯产物，真空干燥得到白色絮状状聚合物。分子量为5万。将得到的白色絮状聚合物1.28g溶解于2ml 无水甲苯中，65℃搅拌30min。加入0.024g 1,6-六亚甲基二异氰酸酯和20μl扩链催化剂辛酸亚锡。65℃ 搅拌10min。加入0.191g 聚四亚甲基醚二醇，75℃下搅拌6h。改用机械搅拌，边搅拌边滴入分散好的Fe₃O₄纳米粒子甲苯溶液。搅拌2h后倒入聚四氟乙烯模具。然后放入100～120℃烘箱中挥发溶剂。48小时后得片状的形状记忆聚合物纳米复合材料。