可生物降解聚酯弹性体的研究进展+

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1、中国化工学会（IESC）2006 年年会 中国化工学会（IESC）2006 年年会 703 可生物降解聚酯弹性体的研究进展 可生物降解聚酯弹性体的研究进展 刘全勇刘全勇 1 1，石锐 ，石锐 1 1，雷丽娟 ，雷丽娟 1 1，吴珺玥 ，吴珺玥 1 1，张子政 ，张子政 1 1，毕经亮 ，毕经亮 1 1，张立群 ，张立群 1 1, 陈大福 , 陈大福 2 2 (1 北京化工大学先进弹性体材料研究中心(CAEM)，北京化工大学， 100029 2 积水潭医院，北京创伤骨科研究所，北京 100035 ) 摘 要：摘 要：可降解生物弹性体是医用高分子材料的一种，由于具有高的柔韧性和弹性，以及与人体许多

2、软组织相匹配的力 学性能，因此在生物医学上展示出巨大的应用潜力。本文综述了几种可降解聚酯生物弹性体，并特别报道了作者所在课 题组正在开展的关于该领域的研究。 关键词：关键词：生物弹性体 降解 生物医用 聚酯 进展 可生物降解医用高分子材料1在生物医学上具有广泛的应用，如用作硬组织的固定、修复材料、外 科缝合线2、药物释放载体以及组织工程三维支架等3。由于人体中许多组织和器官具有弹性，并且随 着组织工程技术对支架材料要求的不断提高， 人们逐渐发现支架材料的力学刺激作用对组织再造具有重 要的意义4，同时，弹性体材料自身具有三维网络结构的稳定性、优良的柔韧性、模量与相应组织的匹 配性等区别于其它高分

3、子材料的特性，因此，生物弹性体作为生物医用高分子材料中的一大类，最近已 得到人们特别的关注5。 Table 1 Mechanical properties of selected human soft tissue Tensile strength(MPa) Elongation(%) Tissue Transverse Longitudinal Transverse Longitudinal Inferior vena cava 3.03 1.1 51 84 Ascending aorta 1.07 0.069 77 81 Ureter 0.47 1.03 98 36 Trachea 0.3

4、5 2.16 81 61 表 1 和 2 列出了人体一些软组织和物质的力学性能6，因此，当人们考虑到这些软组织取代和修复 的时候， 生物弹性体就会得到大家的亲睐； 可降解生物弹性体则由于能够较好满足组织工程和药物释放 系统等对基体材料的要求，植入体内后，不需二次手术取出就可自身降解代谢排出体外，大大促进了生 物弹性体的发展。本文综述了几种可降解聚酯生物弹性体的研究现状，此外，还专门介绍了本课题组目 前在该领域开展的一些工作。 Table 2 Mechanical properties of selected substances 中国化工学会（IESC）2006 年年会 中国化工学会（IESC

5、）2006 年年会 704 Substances Youngs modulus(MPa)Tensile strength(MPa)Max extension(%) elastin 0.3-0.6 0.36-4.4 100-220 collagen 10-2-2.9103 5-500 5-50 smooth muscle 6*10-3-1.27 - 300 1 网络型聚酯生物弹性体网络型聚酯生物弹性体 线型聚酯生物材料由于其优良的生物相容性和可生物降解性能， 一直是科技工作者在该领域研究的 热点之一，如聚 -己内酯、聚乙交酯，聚丙交酯及其共聚物等，在硬组织工程修复、药物释放、外科缝 合线等方面已

6、得到广泛的应用3。随着这些线型聚酯材料在生物医学上应用的不断开发和拓展，一类新 型的具有网络型结构的聚酯生物材料开始得到人们的关注， 它们具有弹性体材料的基本特征， 在此我们 称之为网络型聚酯生物弹性体。 Nagata M.等7利用多元芳香族羧酸与不同重均分子量的聚己内酯二元醇制得一种可生物降解的网 络型聚酯，该网络型聚酯属于弹性体，这应该是对网络型聚酯生物弹性体较早的报道。 Wang Y.D.等利用甘油和癸二酸单体通过熔融缩聚反应，合成了可降解的网络型聚癸二酸甘油酯 (PGS)生物弹性体8。PGS 弹性体是热固性的，以酯键共价交联；三维交联网络中存在大量的羟基，羟 基间的氢键作用和交联网络共

7、同赋予了材料优越的柔韧性；研究发现，PGS 弹性体具有优良的生物相 容性和生物降解性能，体内完全降解的周期不超过 2 个月；当 PGS 弹性体作为神经导管材料9使用时， 具有和聚羟基丙酸-乙交酯（PLGA）材料同等的功能性，甚至在某些方面还超过 PLGA 的效果。 Yang J.等 10则利用柠檬酸和辛二醇为原料，合成了网络型聚柠檬酸辛二醇酯(POC)生物弹性体。 和 PGS 弹性体相比，POC 弹性体的合成方法比较简单，合成条件也比较温和，在 80、60、37温 度下，常压和空气气氛中都可以得到（有利于在药物缓释方面的应用） 。通过反应条件的控制，可以获 得 POC 弹性体力学性能和生物降解

8、性能的调节，其力学强度能达到 6.11.4 MPa，模量在 0.920.02 16.43.4 MPa 范围变化，最大断裂伸长率为 26510。POC 弹性体也具有优良的生物相容性和可生物 降解性，其体外完全降解的周期可达到 6 个月。接着，Yang J.等11又报道了利用 C6C12 的二醇分别 与柠檬酸反应制备一系列的可降解的生物弹性体，并对他们进行了生物学评价。Kang Y.12等人研究了 在 POC 弹性体多孔支架上种植软骨细胞，发现经过 28 天的培养，成功生成了软骨组织。Yang J.等13 则用 POC 弹性体来改性膨胀聚四氟乙烯（ePTFE）血管支架，大大提高了支架材料早期的抗凝

9、血性能， 增强了材料与内皮细胞之间的相容性，并能有效阻止新内膜增生。 Amsden B.G.等人14先用甘油引发丙交酯和己内酯获得星形共聚物，然后在交联剂作用下模压成型 制得一种热固性的可降解生物弹性体， 通过调节星形预聚物的分子量和单体摩尔比可达到该弹性体力学 性能的调节。Younes H.M.等人15则发现，随着降解时间的延长，该弹性体的物理机械性能按对数方式 呈线性下降，材料的完全降解时间不低于12周。Amsden B.G.等人16又通过引入光交联剂，制得光交联 型可降解聚（丙交酯-己内酯）生物弹性体，并研究了其体外和体内降解性能；Gu F.等人17则报道了以 这种光交联型聚（丙交酯-己

10、内酯）生物弹性体为药物载体的-抗生素释放行为。 中国化工学会（IESC）2006 年年会 中国化工学会（IESC）2006 年年会 705 宋子锋、姚康德等人18则以聚乙二醇和癸二酸为原料单体、甘油为交联剂制备了聚癸二酸-乙二醇 甘油酯生物弹性体，弹性体的模量随着原料癸二酸/乙二醇配比的增加而增大，材料表现出良好的生物 降解性能，37下在含猪胰脂肪酶的磷酸盐缓冲溶液里 72h 失重率在 6.114.4之间。 网络型聚酯生物弹性体是一类新型的弹性体， 由于其具有与线型聚酯生物材料相似的酯键结构， 以 及优良的生物相容性、柔韧性、生物降解性、结构的可设计性和性能的可调节性等优点，它们在不久必 将展

11、现出广阔的医学应用前景。 2 聚羟基烷基酸酯生物弹性体聚羟基烷基酸酯生物弹性体 聚羟基烷基酸酯（PHA）是一类由微生物合成的、作为碳和能量供体的、可完全降解的聚酯生物材 料。由于它与网络型聚酯弹性体在合成方法有较大的差别，在这里把它单独列出来。聚-3-羟基丁酸酯 （PHB）是 PHA 家族中结构简单、研究较多的一员，为高结晶度的聚合物，脆性大、强憎水、体内降 解很慢19。为了改善 PHB 的性能，人们利用不同链长的羟基烷酸与 PHB 形成共聚物，在增加 PHB 柔 韧性的同时，也就获得了聚羟基烷基酸酯弹性体。3-羟基己酸、3-羟基辛酸、3-羟基癸酸和其它中长链 单体的引入，将大大降低 PHB

12、的结晶度，从而获得不同性能的 PHA 弹性体20，PHA 弹性体的性能主 要取决于单体单元的组成。获得商业化的羟基烷酸酯弹性体主要有聚 3-羟基丁酸/3-羟基戊酸弹性体等， 当前 PHA 弹性体的研究主要集中在其合成生产工艺的改进上21。 3 本课题组在该领域开展的工作本课题组在该领域开展的工作 聚癸二酸甘油酯（PGS）生物弹性体在全面已经提到，它是一种热固性、可生物降解、具有良好生 物相容性的弹性体材料。本课题组刘全勇等人22-24在此基础上，报道了热塑性 PGS 生物弹性体的制备 工作。热塑性 PGS 弹性体可以通过一步法和两步法制备得到，两步法相对于一步法来说，对控制弹性 体的结构、提高

13、弹性体的综合性能具有优势。总的来讲，热塑性 PGS 弹性体具有以下特点：1）组成上 是溶胶/凝胶共存、溶胶为主，溶胶的含量可达到 70；2）凝聚态上具有结晶区域和非晶区域共存的微 相分离结构；3）性能可以通过单体配比、预聚物分子量的控制来调节；4）材料具有良好的亲水性和可 生物降解性能，经历 7 天的降解失重就可达到 35以上，两步法制备的 PGS 降解失重达到 35以上时 也只需要 27 天；5）材料具有低的水溶胀性，弹性体表面存在的大量羟基官能团赋予了其功能化可修饰 性。表 3 列出了两步法制备的 PGS 生物弹性体的基本组成和性能，图 1、图 2 则分别展示了两步法制 Table 3 B

14、asic composition and properties of PGS elastomers prepared by two-step method 中国化工学会（IESC）2006 年年会 中国化工学会（IESC）2006 年年会 706 备的 PGS 弹性体的差热扫描（DSC）结晶曲线和降解失重曲线。 本课题组刘全勇等人又在制备 PGS 预聚物的基础上，通过加入柠檬酸进行交联，制备了可生物降 解的聚癸二酸甘油柠檬酸酯（PGSC）弹性体，经过前期研究发现，PGSC 弹性体主要有以下特点：1） 组成上是溶胶/凝胶共存，凝胶为主，凝胶的含量在 70以上；2）凝聚态上不存在结晶，为无定型态；

15、 3）性能可通过交联剂的用量和后期成型时间来调节；4）材料具有良好的亲水性和可生物降解性能，28 天的降解失重在 20左右；5）材料具有较高的水溶胀性，弹性体表面存在的大量羟基官能团赋予了其 功能化可修饰性。表 3 列出了不同成型时间 PGSC 弹性体的基本组成和性能，图 3、图 4 则分别展示了 PGSC 弹性体的 X-射线衍射（XRD）曲线和吸水溶胀率随时间的变化曲线，关于 PGSC 弹性体更详细 的报道正在准备中。本课题组雷丽娟等人则在研究聚（癸二酸/丙二醇/柠檬酸）酯弹性体。 Figure 1 Crystallization curves of PGS elastomers: a, e

16、1; b, e2; c, e3. Figure 2 Weight loss-time curves of PGS elastomers: a, e1; b, e2; c, e3. Table 3 Basic composition and properties of PGSC elastomers with the different processing time 中国化工学会（IESC）2006 年年会 中国化工学会（IESC）2006 年年会 707 结束语结束语 可降解聚酯生物弹性体由于具有良好的柔韧性和弹性，这是其它医用高分子材料所缺乏的，因此， 在生物医用材料领域有着自己独特的优势和