一种具有体温形状记忆效应聚氨酯骨支架的制备方法

摘要

本发明属于生物材料领域，主要用于骨组织损伤的修复，具体涉及了一种具有体温形状记忆效应聚氨酯骨支架的制备方法。本发明通过聚己内酯、聚四氢呋喃、无定型磷酸钙/柠檬酸钙复合粉为原料制备了一种骨支架材料。制备得到的聚氨酯具有良好的弹性和成型加工性。同时，还有很好的抗凝血性，有助于血液的流动和细胞的生长。复合粉能改善材料的力学性能和生物降解性，无定型磷酸钙能转化为羟基磷灰石，有利于骨缺损的修复和重建。此外复合粉的加入可以抑制聚己内酯降解导致的pH值下降。骨支架材料还具有优异的形状记忆效应，其形状回复率都可达95％以上。本发明为生物材料领域提供一种可行有效的新型具有体温形状记忆效应聚氨酯骨支架的制备方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有体温形状记忆效应聚氨酯骨支架的制备方法，属于骨损伤修复生物医用材料领域。

背景技术

近年来，随着医疗技术的不断发展，人们对用于生物医学材料的兴趣也不断上升。在我们的生活中，由于创伤、肿瘤、先天性畸形、退化、衰老或骨病引起的骨缺损影响正常工作学习的现象也屡见不鲜。骨移植是治疗骨缺损的主要方法，传统的移植材料是自体骨，具有骨生成能力强、容易愈合的特点，但因其来源有限、二次伤害、感染增加机会等原因限制了其应用。虽然也可通过异体骨的移植进行骨修复，但由于异体骨的移植可能会引起排斥反应，另故寻找新的骨修复材料引起了广泛关注。理想的骨修复材料要求具有良好的生物相容性，降解产物无毒性，不引起炎症反应，具有良好的空隙率，一定的机械强度，为新生组织起到支撑的作用，并具有骨传导性或骨诱导性，能促进骨生长。形状记忆聚合物是一类智能材料，在外界刺激下能够改变它的形状，在此时又可以固定下来编辑成临时形状，再对其进行外部刺激，它们又可以从临时形状变为最初的形状。普遍的刺激方式是通过热、光、磁效应等，如何寻找一种简单方式来实现形状的改变一直深受其扰。在过去的几十年里，形状记忆聚合物在生物医学领域引起了人们的极大关注，可利用微创手术将很小的形状恢复至所需的治疗形状并发挥作用，从而达到治疗的目的。

聚己内酯具有良好的生物相容性，降解产物无毒，优异的加工性能，力学性能，以及与部分有机钙盐的良好亲和性，可用作骨损伤的基体材料，已被广泛应用与将聚己内酯与无机钙盐复合制备骨修复材料用于治疗骨损伤。聚四氢呋喃具有高柔韧性、水解稳定性以及良好的弹性。在Jiang,T.M.；Kai,D.；Liu,

S.J.；Huang,X.Y.；Heng,S.J.；Zhao,J.M.；Chan,B.Q.Y.；Loh,X.J.；Zhu,Y.；Mao,C.B.；Zheng,L.,Mechanically cartilage-mimicking poly(PCL-PTHFurethane)/collagen nanofibers induce chondrogenesis by blocking NF-kappa Bsignalingpathway.Biomaterials 2018,178,281-292.文章中介绍到他们利用聚己内酯/聚四氢呋喃和I型胶原合成了一种电纺纳米纤维支架。研究发现在软骨形成分化过程中，磷和聚碳酸酯纳米纤维可能在触发细胞间相互作用的信号级联中起到类似于生长因子的作用。较软的聚碳酸酯纳米纤维比较硬的聚碳酸酯纳米纤维显示出更好的软骨形成潜力，因其抑制了抑制炎症信号通路。虽然该支架材料与组织表现出良好的相容性，并能促进诱导体外软骨形成分化和体内软骨再生，但其支架降解速率是否与新骨形成速率匹配，制备复杂，故其能否广泛的应用也未可知。在中国专利申请2019112224218中公开了一种人工支架材料，该支架具有刚度强度高、材料界面结合好以及内部孔结构可控的优势，制备方法简单，成本较低，所制备的复合人工骨支架中的羟基磷灰石与聚己内酯的界面结合较强，拉伸性能高。但羟基磷灰石生物降解性差，且脆性大，局部提供钙离子浓度不够，不能很好的引导新骨生成等问题限制了其在生物医用材料领域的应用。诸如此类的问题和不足就需要研究新的方向，为进一步实现临床治疗应用提供新的思路和方法。

磷酸钙是骨骼的主要成分之一，人体中60％无机部分都含有磷酸钙，以游离态参与血液循环，而其大部分则与钙离子、钠离子和钾离子等结合参与骨骼代谢。磷酸钙对生物活性，骨细胞的粘附、增殖和新骨形成都具有很大影响，同时磷酸钙的骨诱导和骨传导特性，有助于骨髓间的充质干细胞成骨分化，对于新骨的形成起着重要作用。柠檬酸钙为一种有机钙盐，柠檬酸钙的两种离子：Ca

因此本发明采用具有优良的生物相容性、可生物降解和一定的力学性能和成型加工性能优异的聚己内酯，高柔韧性、水解稳定性和良好的弹性的聚四氢呋喃，无定型磷酸钙/柠檬酸钙复合粉一起进行气体发泡，制备了具有体温形状记忆效应聚氨酯骨支架。通过聚四氢呋喃合成的骨修复材料不仅具有良好的弹性、力学性能等，还具有十分优良的抗凝血性，以至于更有利于血液循环和细胞生长，从而促进新骨的形成。因复合材料降解速率与新骨形成速率不能完全匹配，通过无定型磷酸钙/柠檬酸钙复合粉的加入，可以有效调节其生物降解性，以适应新骨合成的速率。无定型磷酸钙/柠檬酸钙复合粉中的无定型磷酸钙在人体中并不稳定，在修复骨缺损过程中能逐渐的转化为羟基磷灰石而有利于骨缺损的修复和重建。不仅如此，无定型磷酸钙/柠檬酸钙复合粉的加入可以有效抑制聚己内酯自身在降解过程中产物偏酸性而引起的炎症。

本发明提供制备的聚氨酯骨支架具有优异的形状记忆效应，形状回复率都可达95％以上，其具有优良抗凝血性能、弹性、力学性能，无生物毒性，可生物降解，在降解过程中能够维持pH值稳定，并且无定型磷酸钙/柠檬酸钙复合粉中的无定型磷酸钙在修复骨缺损过程中能逐渐的转化为羟基磷灰石而有利于骨缺损的修复和重建，柠檬酸钙在骨缺损中能起到良好的骨诱导性能从而促进新骨的形成。本发明制备的具有体温形状记忆效应聚氨酯骨支架，可用于由于创伤、肿瘤、先天性畸形等而导致的骨缺损支架，因其具有优异的形状记忆效应而更有利于其在支撑过程中填满不规则边界，为骨修复材料领域提供一种可行有效的骨支架材料。

发明内容

本发明针对现有骨缺损修复领域复合材料的不足，提供一种具有体温形状记忆效应聚氨酯骨支架的制备方法。该复合材料由聚己内酯、聚四氢呋喃和无定型磷酸钙/柠檬酸钙复合粉组成，无定型磷酸钙为磷灰石中间相，柠檬酸钙为四水合柠檬酸钙，聚己内酯分子量为4000，聚四氢呋喃分子量为3000。以质量百分比计，无定型磷酸钙/柠檬酸钙含量为0～40％，其余为聚己内酯和聚四氢呋喃的总含量，其中聚己内酯和聚四氢呋喃质量比为1:1。本发明提供的具有体温形状记忆效应聚氨酯骨支架的形状回复率为98-100％，凝胶含量为92.06～98.89％，熔融温度为18.16～26.36℃。

本发明所述的一种具有体温形状记忆效应聚氨酯骨支架的制备方法，具体步骤如下：

(1)用电子天平称取相应比例的聚己内酯、聚四氢呋喃和无定型磷酸钙/柠檬酸钙复合粉，将聚己内酯和聚四氢呋喃熔融在250ml三颈烧瓶中；

(2)在三颈烧瓶中加入30ml二氯甲烷，再加入无定型磷酸钙/柠檬酸钙复合粉在80℃下混合均匀；通过搅拌得到分散均匀的混合物；搅拌转速为100～200r/min；

(3)混合均匀后加入六亚甲基二异氰酸酯和辛酸亚锡，继续搅拌；

(4)待体系完全反应后，加入去离子水进行发泡，气体发泡包括将去离子水与熔融复合材料持续均匀搅拌然后放进烘箱中反应发泡，或将去离子水提前加入模具中再把熔融混合物注入模具然后放进烘箱中反应发泡；

(5)将熔融混合物注入模具中，在100℃烘箱中持续反应2～5小时，反应结束后自然冷却至室温得到具有体温形状记忆效应聚氨酯骨支架。

本发明的有益效果为：

本发明提供一种具有体温形状记忆效应聚氨酯骨支架的制备方法。该复合体系通过聚己内酯和四氢呋喃共同参与反应而合成了一种嵌段共聚物，改善了材料的弹性、力学性能、抗凝血性、生物降解性等。通过加入的无定型磷酸钙/柠檬酸钙复合粉进一步改善了材料的力学性能，降解速率等。其中的纳米钙盐粒子与聚己内酯的高亲和性有利于匹配材料降解速率与新骨形成速率，并且柠檬酸钙降解过程中的弱碱环境能与聚己内酯降解的弱酸环境中和，从而提供更适宜骨组织修复的离子微环境，从而可以有效抑制炎症反应的产生。任一的钙盐其力学强度无法完成骨骼承载负荷的需求，利用无定型磷酸钙/柠檬酸钙复合粉体与复合材料良好的亲和性可以有效改善力学性能，同时磷酸钙的骨诱导和骨传导特性，有助于骨髓间的充质干细胞成骨分化，对于新骨的形成起着重要作用。无定型磷酸钙在修复骨缺损过程中能逐渐的转化为羟基磷灰石而有利于骨缺损的修复和重建。同时二者复合能体现出良好的生物相容性，共同作用更加促进了新生骨组织的生长。

本发明提供制备的具有体温形状记忆效应聚氨酯骨支架材料具有良好的弹性和力学性能，形状回复率都可达95％以上且在降解过程中能够维持pH值稳定，快速的转化出新骨形成所需的羟基磷灰石。同时具有良好的生物相容性、无生物毒性、良好的骨传导性和骨诱导性，为骨修复材料领域提供一种可行有效的新的骨修复材料。

附图说明：

图1为本发明实施例2制备的具有体温形状记忆效应聚氨酯骨支架的XRD图；

图2为本发明实施例2制备的具有体温形状记忆效应聚氨酯骨支架的SEM图；

图3为本发明实施例2制备的具有体温形状记忆效应聚氨酯骨支架的DSC图；

图4为本发明实施例3制备的具有体温形状记忆效应聚氨酯骨支架经过SBF改良模拟体液矿化试验7天后的SEM图；

图5为本发明实施例4制备的具有体温形状记忆效应聚氨酯骨支架的TGA图。

具体实施方式：

下面将结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

实施例1：

本实施例提供制备的具有体温形状记忆效应聚氨酯骨支架由聚己内酯、聚四氢呋喃和无定型磷酸钙/柠檬酸钙复合粉组成，以质量百分比计，无定型磷酸钙/柠檬酸钙复合粉的含量为0％，其余为聚己内酯和聚四氢呋喃的总含量，其中聚己内酯和聚四氢呋喃质量比为1:1；无定型磷酸钙为磷灰石中间相，柠檬酸钙为四水合柠檬酸钙，聚己内酯的分子量为4000，聚四氢呋喃的分子量为3000。

具体实施步骤如下：

(1)将20克的聚己内酯和20克的聚四氢呋喃用电子天平称量好，然后同时熔融在氮气保护下的250ml三颈烧瓶中；

(2)在三颈烧瓶中加入30ml二氯甲烷，在80℃下持续搅拌得到分散均匀的混合物；转速为150r/min；

(3)混合均匀后加入4ml六亚甲基二异氰酸酯和5滴辛酸亚锡，继续搅拌；

(4)待反应完全后，加入体系质量分数为2％的去离子水进行发泡，气体发泡包括在反应结束前将去离子水与熔融复合材料持续搅拌均匀后在烘箱中发泡，或将去离子水加入提前准备好的模具中，再放进烘箱中反应发泡；

(5)将熔融混合物注入模具中，在100℃烘箱中持续反应3小时，取出自然冷却至室温得到具有体温形状记忆效应聚氨酯骨支架。

本实例以聚己内酯/聚四氢呋喃进行气体发泡，可作为对照试验，作为其他实例的数据参考。

采用形状记忆回复测试和凝胶含量测试方法测得制备的具有体温形状记忆效应聚氨酯骨支架的形状回复率为100％，凝胶含量为98.89％。

通过DSC仪器测得本实例中制备的具有体温形状记忆效应聚氨酯骨支架的熔融温度为18.16℃。

实施例2：

本实施例提供制备的具有体温形状记忆效应聚氨酯骨支架由聚己内酯、聚四氢呋喃和无定型磷酸钙/柠檬酸钙复合粉组成，以质量百分比计，无定型磷酸钙/柠檬酸钙复合粉的含量为10％，其余为聚己内酯和聚四氢呋喃的总含量，其中聚己内酯和聚四氢呋喃质量比为1:1；无定型磷酸钙为磷灰石中间相，柠檬酸钙为四水合柠檬酸钙，聚己内酯的分子量为4000，聚四氢呋喃的分子量为3000。具体实施步骤如下：

(1)将20克的聚己内酯和20克的聚四氢呋喃以及4.444克的无定型磷酸钙/柠檬酸钙复合粉用电子天平称量好，再将聚己内酯和聚四氢呋喃同时熔融在氮气保护下的250ml三颈烧瓶中；

(2)在三颈烧瓶中加入30ml二氯甲烷，再加入无定型磷酸钙/柠檬酸钙复合粉在80℃下均匀混合，持续搅拌得到分散均匀的混合物；转速为150r/min；

(3)混合均匀后加入4ml六亚甲基二异氰酸酯和5滴辛酸亚锡，继续搅拌；

(4)待体系完全反应后，加入体系质量分数为2％的去离子水进行发泡，气体发泡包括在反应结束前将去离子水与熔融复合材料持续搅拌均匀后在烘箱中发泡，或将去离子水加入提前准备好的模具中，再放进烘箱中反应发泡；

(5)将熔融混合物注入模具中，在100℃烘箱中持续反应3小时，反应结束后自然冷却至室温得到具有形状记忆效应的具有体温形状记忆效应聚氨酯骨支架。

采用状记忆回复测试和凝胶含量测试方法测得制备的具有体温形状记忆效应聚氨酯骨支架的形状回复率为99.2％，凝胶含量为94.85％。

通过DSC仪器测得本实例中制备的具有体温形状记忆效应聚氨酯骨支架的熔融温度为20.02℃。

图1为本实例中制备的具有体温形状记忆效应聚氨酯骨支架的XRD图。

图2为本实例中制备的具有体温形状记忆效应聚氨酯骨支架的SEM图。

图3为本实例中制备的具有体温形状记忆效应聚氨酯骨支架的DSC图；

实施例3：

本实施例提供制备的具有体温形状记忆效应聚氨酯骨支架由聚己内酯、聚四氢呋喃和无定型磷酸钙/柠檬酸钙复合粉组成，以质量百分比计，无定型磷酸钙/柠檬酸钙复合粉的含量为20％，其余为聚己内酯和聚四氢呋喃的总含量，其中聚己内酯和聚四氢呋喃质量比为1:1；无定型磷酸钙为磷灰石中间相，柠檬酸钙为四水合柠檬酸钙，聚己内酯的分子量为4000，聚四氢呋喃的分子量为3000。具体实施步骤如下：

(1)将各自20克的聚己内酯和20克的聚四氢呋喃以及10克的无定型磷酸钙/柠檬酸钙复合粉用电子天平称量好，再将聚己内酯和聚四氢呋喃同时熔融在氮气保护下的250ml三颈烧瓶中；

(2)在三颈烧瓶中加入30ml二氯甲烷，再加入无定型磷酸钙/柠檬酸钙复合粉在80℃下均匀混合，持续搅拌得到分散均匀的混合物；转速为200r/min；

(3)混合均匀后加入5ml六亚甲基二异氰酸酯和5滴辛酸亚锡，继续搅拌；

(4)待体系完全反应后，加入体系质量分数为2％的去离子水进行发泡，气体发泡包括在反应结束前将去离子水与熔融复合材料持续搅拌均匀后在烘箱中发泡，或将去离子水加入提前准备好的模具中，再放进烘箱中反应发泡；

(5)将熔融混合物注入模具中，在100℃烘箱中持续反应3小时，反应结束后自然冷却至室温得到具有体温形状记忆效应聚氨酯骨支架。

采用状记忆回复测试和凝胶含量测试方法测得制备的具有体温形状记忆效应聚氨酯骨支架的形状回复率为97.5％，凝胶含量为92.8％。

通过DSC仪器测得本实例中制备的具有体温形状记忆效应聚氨酯骨支架的熔融温度为22.28℃。

图4为本实例制备的具有体温形状记忆效应聚氨酯骨支架经过SBF改良模拟体液矿化试验7天后的SEM图；

实施例4：

本实施例提供制备的具有体温形状记忆效应聚氨酯骨支架由聚己内酯、聚四氢呋喃和无定型磷酸钙/柠檬酸钙复合粉组成，以质量百分比计，无定型磷酸钙/柠檬酸钙复合粉的含量为30％，其余为聚己内酯和聚四氢呋喃的总含量，其中聚己内酯和聚四氢呋喃质量比为1:1；无定型磷酸钙为磷灰石中间相，柠檬酸钙为四水合柠檬酸钙，聚己内酯的分子量为4000，聚四氢呋喃的分子量为3000。具体实施步骤如下：

(1)将各自20克的聚己内酯和20克的聚四氢呋喃以及17.142克的无定型磷酸钙/柠檬酸钙复合粉用电子天平称量好，再将聚己内酯和聚四氢呋喃同时熔融在氮气保护下的250ml三颈烧瓶中；

(2)在三颈烧瓶中加入30ml二氯甲烷，再加入无定型磷酸钙/柠檬酸钙复合粉在80℃下均匀混合，持续搅拌得到分散均匀的混合物；转速为200r/min；

(3)混合均匀后加入6ml六亚甲基二异氰酸酯和5滴辛酸亚锡，继续搅拌；

(4)待体系完全反应后，加入体系质量分数为2％的去离子水进行发泡，气体发泡包括在反应结束前将去离子水与熔融复合材料持续搅拌均匀后在烘箱中发泡，或将去离子水加入提前准备好的模具中，再放进烘箱中反应发泡；

(5)将熔融混合物注入模具中，在100℃烘箱中持续反应3小时，反应结束后自然冷却至室温得到具有体温形状记忆效应聚氨酯骨支架。

采用状记忆回复测试和凝胶含量测试方法测得制备的具有体温形状记忆效应聚氨酯骨支架的形状回复率为96.6％，凝胶含量为92.06％。

通过DSC仪器测得本实例中制备的具有体温形状记忆效应聚氨酯骨支架的熔融温度为26.36℃。

图5为本实例中制备的具有体温形状记忆效应聚氨酯骨支架的TGA图。

实施例5：

本实施例提供制备的具有体温形状记忆效应聚氨酯骨支架由聚己内酯、聚四氢呋喃和无定型磷酸钙/柠檬酸钙复合粉组成，以质量百分比计，无定型磷酸钙/柠檬酸钙复合粉的含量为40％，其余为聚己内酯和聚四氢呋喃的总含量，其中聚己内酯和聚四氢呋喃质量比为1:1；无定型磷酸钙为磷灰石中间相，柠檬酸钙为四水合柠檬酸钙，聚己内酯的分子量为4000，聚四氢呋喃的分子量为3000。。具体实施步骤如下：

(1)将各自20克的聚己内酯和20克的聚四氢呋喃以及26.666克的无定型磷酸钙/柠檬酸钙复合粉用电子天平称量好，再将聚己内酯和聚四氢呋喃同时熔融在氮气保护下的250ml三颈烧瓶中；

(2)在三颈烧瓶中加入30ml二氯甲烷，再加入无定型磷酸钙/柠檬酸钙在80℃下均匀混合，持续搅拌得到分散均匀的混合物；转速为200r/min；

(3)混合均匀后加入7ml六亚甲基二异氰酸酯和5滴辛酸亚锡，继续搅拌；

(4)待体系完全反应后，加入体系质量分数为2％的去离子水进行发泡，气体发泡包括在反应结束前将去离子水与熔融复合材料持续搅拌均匀后在烘箱中发泡，或将去离子水加入提前准备好的模具中，再放进烘箱中反应发泡；

(5)将熔融混合物注入模具中，在100℃烘箱中持续反应2小时，反应结束后自然冷却至室温得到具有体温形状记忆效应聚氨酯骨支架。

采用状记忆回复测试和凝胶含量测试方法测得制备的具有体温形状记忆效应聚氨酯骨支架的形状回复率为95.7％，凝胶含量为97.99％。

通过DSC仪器测得本实例中制备的具有体温形状记忆效应聚氨酯骨支架的熔融温度为23.54℃。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。