可預防骨不連的骨修復用新型形狀記憶聚氨酯-脲的研究.pdf

1、骨是自然界中一種復雜的生物材料，當骨組織因為創(chuàng)傷、感染等原因需要實施手術剔除病變骨組織后，會造成大塊骨缺損，僅僅依靠骨自身的修復能力已經無法愈合，需要進行骨移植手術，將合適的骨材料填充缺損部位，以便于新骨生成。在骨移植修復過程中，骨不連是熱點問題之一。從骨不連發(fā)生的原因來講，在移植物與機體之間存在的間隙，或不規(guī)則骨修復過程中存在的不規(guī)則界面，導致骨修復過程中成骨細胞遷移能壘的存在，是其中一個重要的因素。本研究將形狀記憶聚氨酯脲(SMPU

2、U)用于骨修復過程中，探索形狀記憶聚氨酯脲在骨不連預防方面的效果，目的是利用SMPUU的形狀記憶性能填充植入體與機體之間的空隙。
　　 形狀記憶聚氨酯/聚脲是能感知外界溫度變化并發(fā)生形狀改變的新型智能材料。因其良好的形狀記憶功能而成為功能材料研究的熱點之一，在生物醫(yī)學領域尤其是微創(chuàng)手術中具有重要的應用價值。本文基于SMPUU預聚體(HO-P(LA-co-PDO)-OH)合成了一系列的可生物降解SMPUU，并對SMPUU進行化學結

3、構的表征；力學性能、形狀記憶性能、體外生物降解、體外細胞相容性、體內安全性的評價，最終采用兔下頜骨建立骨不連模型，對SMPUU在骨修復中的骨不連預防效果進行評價。主要研究內容和結論如下：
　　 1.以D，L-丙交酯、對二氧環(huán)己酮為原料，Sn(Oct)2為引發(fā)劑，乙二醇為助引發(fā)劑，制備了SMPUU預聚體(HO-P(LA-co-PDO)-OH)，考察了D，L-丙交酯/對二氧環(huán)己酮的比例、助引發(fā)劑用量、制備方法對SMPUU預聚體的熱性

4、能及分子量的影響，并對助引發(fā)劑作用下兩種單體的反應機理進行深入闡述。
　　 ①紅外與核磁共振結果表明，本研究中一步法與兩步法可以制得SMPUU預聚體(HO-P(LA-co-PDO)-OH)；其分子量可以通過控制合成方法、兩種單體的比例、助引發(fā)劑的用量加以調節(jié)；
　　 ② DSC分析表明，SMPUU預聚體的玻璃化轉變溫度具有單體比例依賴性，與其分子量也具有重要關系；另外可知，一步法與兩步法分別制得無規(guī)與嵌段的SMPUU預聚

5、體。
　　 2.以SMPUU預聚體為軟段，1，6-六亞甲基二異氰酸酯(HDI)和丁二胺為硬段，制備一系列的SMPUU，并深入研究了SMPUU合成的影響因素。
　　 ① FTIR、1HNMR結果表明，SMPUU預聚體與異氰酸酯反應，丁二胺擴鏈后成功制得SMPUU；
　　 ②改變軟硬段比例、軟段結構可以制得不同理化性能的SMPUU；
　　 ③ DSC分析，SMPUU的玻璃化轉變溫度、熱塑性與其結構有重要關系，

6、通過調節(jié)軟/硬段比例、軟段結構、軟段的分子量，可以控制SMPUU的分子量、玻璃化轉變溫度，使其可以控制在合適的應用溫度，包括體溫附近；
　　 ④ SMPUU理化狀態(tài)測試，采用親水的溶劑和疏水的溶劑進行SMPUU的合成，所得的SMPUU化學結構基本相同，但力學性能、形狀記憶功能完全不同；相對于常用的DMF體系，使用本研究中新型的甲苯-異丙醇體系，制得了具有優(yōu)良性能的SMPUU。
　　 3.通過拉伸試驗、壓縮試驗，考察了分子

7、組成、軟段分子量、軟硬段的比例、變形量、變形溫度、回復溫度對于形狀記憶性能的影響。
　　 ① SMPUU具有良好的力學特性。硬段含量增加時，模量增加，斷裂伸長率下降；
　　 ② SMPUU呈現良好的形狀記憶性能。在合適的操作條件下，固定率、回復率可穩(wěn)定在95％以上；軟段分子量提高，固定率下降；硬段含量提高，固形率上升，回復率下降；
　　 ③形狀記憶性能受變形量、變形溫度、回復溫度的影響。形變量為50％-200％時

8、，回復率穩(wěn)定在95％以上，但形變量為400％，回復率明顯下降；變形溫度高于玻璃化轉變溫度15℃時，回復率較高，但是當變形溫度高于玻璃化轉變溫度25℃時，回復率顯著下降；形狀回復時間隨著回復溫度的增加而縮短；
　　 4.考察了SMPUU的親/疏水性和降解性能。另外本研究創(chuàng)新性的通過核磁共振氫譜法考察了SMPUU的降解位點。
　　 ① SMPUU的靜態(tài)水接觸角、吸水率測試結果表明其親水性優(yōu)于PDLLA，并且SMPUU的親水性

9、隨著硬段含量(酰胺基和脲基含量的增加)呈上升趨勢；
　　 ②體外降解實驗結果表明，與PDLLA相比，SMPUU在降解前期，失重率、分子量變化、pH變化大，但是隨后降解速率減緩，主要是由于SMPUU的降解過程受其親水性和降解過程中釋放堿性物質兩方面的影響，降解后期SMPUU釋放的堿性物質能夠中和酸性物質，從而降低酸致自催化作用造成的影響；
　　 ③ SMPUU降解材料表面形貌表明，降解8周后，SMPUU膜材表面出現孔洞，且

10、隨著硬段含量的增加，孔洞的尺寸及數量呈下降趨勢；
　　 ④核磁共振氫譜分析結果顯示，SMPUU的降解最先發(fā)生在硬段的酰胺基和脲基部位，然后發(fā)生在SMPUU的軟段部分，或同時發(fā)生在SMPUU的硬段和軟段部分，但軟段的降解速率明顯低于硬段。
　　 5.本研究從細胞生長行為和功能行為角度，對大鼠成骨細胞與PDLLA及SMPUU的細胞相容性進行了系統比較。并針對SMPUU的形狀記憶性能，研究了SMPUU形狀記憶變形過程對成骨細胞

11、生長行為的影響。
　　 ①與PDLLA相比，SMPUU不利于早期黏附與鋪展，成骨細胞對SMPUU表面的適應期較長，因此進入分裂增殖期的時間也較晚；
　　 ②SMPUU更能促進成骨細胞的分化、礦化能力，且并不縮短細胞的生長分化周期；
　　 ③通過拉伸變形、固形、復形的方法制作具有形狀記憶變形的SMPUU膜材，并通過細胞生長行為對形狀記憶變形的影響進行考察，結果表明具有規(guī)則微結構的基底材料促進了細胞的黏附與增殖，并使