CN107686546A

CN107686546A - 一种新型可降解聚氨酯生物材料及其制备方法和应用

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Publication number: CN107686546A
Application number: CN201710462495.3A
Authority: CN
Inventors: 许开天
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-06-19
Filing date: 2017-06-19
Publication date: 2018-02-13
Also published as: CN108409938A

Abstract

本发明涉及一种新型可降解聚氨酯生物材料极其制备方法以及在可降解植入和非植入医疗器械中的应用。该新材料是基于可生物降解的聚酯二元醇和亲水性聚醚二元醇得到的交替嵌段聚氨酯高分子材料，通过脂肪族聚酯二元醇和二异氰酸酯封端的亲水性聚醚之间或脂肪族聚酯二醇和二异氰酸酯封端的脂肪族聚酯嵌段之间的选择性耦合反应而得到。本发明产品具有可控和可预测的化学结构以及规则的聚合物链排列，并具有表面微相图型化结构，可广泛应用于许多医疗和非医学器械领域，其中在外周神经修复导管、半月板修复、防粘连薄膜、脑膜、眼睑重建支架、创伤敷料、骨复合多孔修复支架、其它软组织和硬组织的组织再生等应用中都显示出了优异的性能。

Description

一种新型可降解聚氨酯生物材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及生物医学高分子材料领域，特别是一种新型可降解聚氨酯生物材料及其制备方法和应用。

背景技术

生物可降解嵌段聚氨酯是一类应用广泛的生物材料，目前已经有好几款相应的植入医疗器械获得了欧洲CE及美国FDA的批准应用于人体。由于其优异的血液相容性、优异的机械和加工性能，其被广泛应用于组织工程、再生医学、控制药物递送、伤口愈合等应用领域。然而，几乎所有的传统嵌段聚氨酯都是以二异氰酸酯作为偶联剂，通过二元醇或/和多元醇的末端羟基与异氰酸酯的偶联反应合成，即使该方法提供了具有改进性质的材料，但实际上其缺乏嵌段选择性和规则的排列组合，且只能以随机方式组装连接成为嵌段共聚物(即传统无规嵌段聚氨酯高分子，缩写：RanPU，如图1所示)，而该种无规的结构将导致材料性质难以调控。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种新型可降解聚氨酯生物材料及其制备方法，该材料具有良好的血液相容性、组织相容性，具有优良的表面性质、机械力学性能、成型加工性能及生物降解性能，其降解产物导致的pH变化极小，有利于生物相容性的提高。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明首先提供一种新型可降解聚氨酯生物材料，包括若干由第一聚合物形成的第一嵌段、若干由第二聚合物形成的第二嵌段，第一嵌段和第二嵌段交替排列，相邻的第一嵌段和第二嵌段间通过氨基甲酸酯键连接形成交替嵌段聚氨酯(AltPU)，即为所述新型可降解聚氨酯生物材料；

其中，所述第一聚合物为二元醇封端的聚酯，所述第二聚合物为二异氰酸酯封端的脂肪族聚醚或脂肪族聚酯聚合物，所述第二聚合物也可以由脂肪族二元醇替代，例如乙二醇、1,4-丁二醇等。

优选的，所述二元醇封端的聚酯为脂肪族聚酯或不同脂肪族聚酯组合形成的共聚物。

优选的，所述二异氰酸酯为脂肪族二异氰酸酯，具体为六亚甲基二异氰酸酯、丁二异氰酸酯、赖氨酸二异氰酸酯、赖氨酸乙酯二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、4,4'-亚甲基双(环己基)二异氰酸酯中的一种，用于合成选择性偶联反应中的二异氰酸酯封端链段的合成。

本发明还提供一种上述新型可降解聚氨酯生物材料的制备方法，以所述第一聚合物和第二聚合物为反应原料，在30～100℃下反应 8～72小时，获得所述交替嵌段聚氨酯。

优选的，上述反应在反应原料本体或有机溶剂中进行，反应体系中还可以添加有机锡催化剂。

优选的，所述反应原料中羟基和异氰酸酯基团的摩尔比相同。

上述新型可降解聚氨酯生物材料用于植入和非植入医疗器械的制备。

优选的，所述新型可降解聚氨酯生物材料用于神经修复套接管、半月板修复多孔板、防粘连膜、脑膜、眼睑修复重建支架、创伤修复薄膜及敷料或骨复合修复支架的制备。

本发明的积极效果：这是第一次发明这类具有链段交替排列新型结构的完全可生物降解嵌段聚氨酯材料。本发明所述新型可降解聚氨酯生物材料即交替嵌段聚氨酯(AltPU)被开发作为一类新的嵌段聚氨酯生物材料，其包括嵌段的交替排列(如图1所示)。这些嵌段聚氨酯具有可控的化学结构以及规则的物理微观结构。具有良好可控的化学结构以及规则的表面微观结构，与RanPU相比，AltPU具有更高的结晶度，更高的表面能，更规则和稳定的表面图案。其交替结构增加了微相分离，从而允许一些片段如比较亲水的片段移动到材料表面上，从而具备较高的表面能；较高的结晶度增强了机械强度，交替结构导致具有规则的表面。通过原子力显微镜(AFM)进一步研究表面的粗糙度，记录具有相同化学组成的AltPU和RanPU的高度图像，发现交替的AltPU材料表面呈现101.8nm的Ra(平均粗糙度)和762.9nm的Rmax(最大粗糙度)，其远远高于Ra为47.6nm和Rmax 为387.9nm的RanPU材料表面，这些表面的图型化结构有利于细胞的粘附和生长。本发明所述交替嵌段聚氨酯(AltPU)生物材料不仅在神经修复套接管、骨科修复、眼睑重建支架，创伤敷料和骨复合多孔修复支架上体现出很好的应用效果，在其它医疗器械的应用，包括皮肤重建和修复，防粘连膜，血管修补膜，脑膜、韧带和腱修复等也体现出优异的修复性能。

本发明所述交替嵌段聚氨酯的嵌段交替结构赋予了此材料许多特殊的性质和功能。比如传统的PLLA，PLGA和/或基于PCL的植入器械在降解期间，pH值会发生显著的变化(增加酸度)，从而引起局部组织中的炎症，影响组织的再生功能，并且会对医疗器械的性能产生不利影响。而由本发明的交替嵌段聚氨酯(AltPU)制成的植入器械在降解期间仅显示非常微小的pH值变化，其pH值变化大大小于原材料例如PCL和相对应的无规嵌段聚氨酯材料Ran-PU的pH值变化。由于聚氨酯具有氨基甲酸酯化学结构，其在降解过程中同时产生酸性羧基和碱性胺基，这不同于脂肪族聚酯如PGA和PLA在降解期间仅产生酸性羧基，导致脂族聚酯植入物局部区域的pH显著降低，与PLLA，PLGA，及基于PCL的材料制成的植入物相比，本发明 AltPU植入物在降解期间所引起的pH值微小变化的性质有助于减少植入物引起的炎症反应风险，提高组织器官的修复再生功能。

附图说明

图1：所述传统无规嵌段聚氨酯高分子的分子结构示意图；

图2：本发明所述交替嵌段聚氨酯的分子结构示意图；

图3a：神经修复显微手术示意图；

图3b：植入大鼠体内的神经修复套接管；

图3c：由交替嵌段聚氨酯(Alt-PU)制备的套接管的SEM图；

图4：不同材料组神经修复期间的坐骨神经功能指数(SFI)值；

图5a：Alt-PU组术后4周大鼠足迹图；

图5b：Alt-PU组术后8周大鼠足迹图；

图5c：Alt-PU组术后14周大鼠足迹图；

图6：不同阶段电生理受伤侧最大振幅与健康侧对比情况；

图7a：Alt-PU组大鼠术后1h观察图；

图7b：Alt-PU组大鼠术后24h观察图；

图7c：Alt-PU组大鼠术后两周观察图；

图7d：Alt-PU组大鼠术后四周观察图；

图8a：纱布组不同时段皮肤创伤修复对照图；

图8b：Ran-PU组不同时段皮肤创伤修复对照图；

图8c：Alt-PU组不同时段皮肤创伤修复对照图；

图9：各组在不同创伤修复时间的伤口收缩率；

图10a：正常皮肤创伤修复的组织病理学分析图；

图10b：Alt-PU组皮肤创伤修复的组织病理学分析图；

图10c：纱布组皮肤创伤修复的组织病理学分析图；

图11a：不含羟基磷灰石的Alt-PU多孔泡沫骨修复支架SEM照片；

图11b：含90％重量百分比羟基磷灰石的Alt-PU多孔泡沫骨修复支架SEM照片；

图11c：含70％重量百分比羟基磷灰石的Alt-PU多孔泡沫骨修复支架SEM照片；

图11d：含50％重量百分比羟基磷灰石的Alt-PU多孔泡沫骨修复支架SEM照片；

图11e：含30％重量百分比羟基磷灰石的Alt-PU多孔泡沫骨修复支架SEM照片；

图11f：不含羟基磷灰石的聚甲基丙烯酸甲酯PMMA支架表面 SEM照片；

图12a：大鼠颅骨右侧构建半层颅骨损伤图；

图12b：实验组支架植入18天后缺损部位图；

图12c：术后40天的对照组颅骨损伤区域图像；

图12d：实验组植入支架80天后颅骨损伤愈合图像。

具体实施方式

下面对本发明的优选实施例进行详细说明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。实施例中所用的试剂及装置，除非有特别说明，都是采用本领域常见的试剂及装置。

实施例1

合成基于脂肪族聚酯和亲水性聚醚的交替嵌段聚氨酯(Alt-PU) 和无规嵌段聚氨酯(Ran-PU)：

将脂肪族聚酯二元醇首先溶解在三颈烧瓶中的有机溶剂(氯仿) 中，然后将利用封端反应制备得到的亲水性聚醚-二异氰酸酯，按与二元醇1：1的摩尔当量缓慢滴入烧瓶中，在30-100℃下反应8-72h 后，获得交替嵌段聚氨酯Alt-PU。上述反应也可直接在反应原料本体中进行，也可以使用千分之一到十万分之一(重量比)的有机锡催化剂，如2-乙基己酸锡，二月桂酸丁基锡等，反映体系中羟基和异氰酸酯基团应当具有相等的摩尔比。

用脂肪族聚酯二元醇和亲水性聚醚作为反应本体，加入含锡催化剂，同时以二异氰酸酯作为偶联剂，加入的二异氰酸酯的量等于反应溶液中的-OH基团的物质的量，将反应混合物在氮气保护下在 30-100℃搅拌8-72h，然后收集产物并在真空条件下干燥至恒重，获得所述无规嵌段聚氨酯Ran-PU。

下面的实施例将以神经修复套接管，眼睑重建支架，创伤敷料和骨复合多孔修复支架为代表，阐述制备的交替嵌段聚氨酯(AltPU) 在应用于植入医疗器械上与其它常用的可降解生物材料相比所具有的优越性。

实施例2

将实施例1中制备的交替嵌段聚氨酯(Alt-PU)和无规嵌段聚氨酯(Ran-PU)生物材料应用于神经修复套接管的制备：通过使用浸涂和盐浸法制备多孔神经修复套接管，使用外径为1.5mm的不锈钢丝作为模具，然后将所得的模具上的聚合物涂层风干2天，真空干燥2天，随后在去离子水中将盐浸出，冷冻干燥和脱模得到神经修复套接管。

神经修复套接管，也称神经修复导管或神经修复鞘管；也可以称作神经修复包覆片和神经保护开口管。所述交替嵌段聚氨酯(Alt-PU) 制备的神经修复套接管具有孔隙度为10-99％且孔径为100nm至500 μm(微米)的微孔管道结构、微孔片状结构和微孔开口管道结构。

所述神经修复套接管也可以包含生物活性物质，例如活性蛋白质 RGD，神经生长因子(NGF)，神经生长药物，许旺细胞和其他神经有益物质。

外周神经缺陷是非常常见的临床创伤，并且经常导致患者的感觉和运动功能的永久性残疾，在我国每年约有90万新增病例。自体神经移植是神经损伤的常用治疗手段，然而，这种方法有许多缺点，包括缺损神经和移植神经之间的尺寸不匹配；用于提取供体的神经要经历二次手术；供体移植物供应不足；供***点易产生神经瘤等。为了克服这些问题，可生物降解的神经修复套接管作为有效的修复替代手段，用于促进神经损伤再生并提供神经生长的路径。

目前已商业化的神经修复套接管通常由生物来源的I型胶原和合成可降解生物材料这两类材料制成，例如聚己内酯(PCL)，聚(丙交酯-共-己内酯)(PCLLA)，聚(L-乳酸)(PLLA)，聚(D，L- 乳酸-乙醇酸共聚物)(PLGA)和聚乙烯醇(PVA)。然而，由这些生物材料制造的神经修复套接管存在如下常见问题：

1)过快的降解，这导致早期崩溃(几周)，或太慢的降解(>8 个月，甚至>1年)，伴随不完全或片段降解；

2)材料的生物相容性有限，不能促进神经细胞的生长；

3)酸性降解产物引起的炎症；

4)神经套接管的柔软性不足，导致再生期间神经残端从神经套接管腔中撕裂；

5)引起管腔阻塞并阻止神经再生的抗扭结性差；

6)容易引起纤维化并呈现神经再生的严重炎症反应等；

7)生物来源材料引起的免疫排异反应等。

由于AltPU材料结构和功能的特殊性，制成的神经导管有效克服了以上的缺欠，使得神经修复效果不仅仅优于自体神经移植，更优于以上这些可降解聚合物制成的神经套接管的修复效果。

将本实施例中制备的神经修复套接管，在SD大鼠动物模型中进行神经修复试验，对Alt-PU和Ran-PU(实施例1)制成的神经套接管与自体神经移植，PCL，硅树脂管制成的套接管进行神经修复的***研究和比较，使用重量为300-350g的80只成年SD大鼠来评价神经修复效果。其中，图3a为神经修复显微手术示意图；图3b为植入大鼠体内的神经修复套接管；图3c为由交替嵌段聚氨酯(Alt-PU) 制备的套接管的SEM图。

将动物分成5组，每组15只。神经套接管制作的尺寸比例与自体神经相似(内径约1.3mm；壁厚约0.4mm)，通过神经组织的手术切除产生的坐骨神经12mm缺陷作为神经损伤模型，用于神经套接管的修复效果评价。动物用50mg/kg体重的戊巴比妥钠麻醉，右侧的坐骨神经暴露，从大腿中部水平去除12mm的神经段。将15mm导管或去除的神经本身***在近端和远端残端之间，在每个连接处用8-0 号可吸收的PLGA缝合线缝合。植入后，使用5-0号缝合线缝合肌肉切口，并用2-0号丝线缝合皮肤。每只大鼠接受一个植入物，并在相同的间隔时间移除。术后，将每只动物饲养在一个笼子里，自由进食和饮水。集中对动物进行自残和挛缩迹象的检查。在每个时间间隔，进行坐骨神经功能指数、电生理和组织形态计量分析，以评估神经修复的效率。所有动物实验根据ISO10993-2：1992动物福利要求进行。

在预定的时间段(术后2，4，8，10和14周)，通过步行轨道分析评价神经再生。在图4中比较不同组的坐骨神经功能指数(SFI) 值，在植入14周后在Alt-PU组中观察到SFI值为-24％，高于自身移植组恢复SFI值-28％，远优于Ran-PU组的-35％SFI值，以及PCL 组，硅胶管组的SFI值。在图5a、图5b及图5c中分别显示了在术后 4、8、14周植入Alt-PU神经套接管的动物的足迹。可以看出，在2 和8周，足迹图像相当狭窄和异常，此时运动功能完全没有恢复。在第14周标记，足迹图像恢复正常，表明神经运动功能显著恢复。

不同阶段电生理受伤侧最大振幅与对侧(健康侧)对比情况如图 6所示，可以看出AltPU组第4周就已经超过自体移植组。

在植入4、8和14周后，Alt-PU、Ran-PU、自体移植物、PCL 支架、硅胶管CMAP的电位信号做对比(结果如图4所示)。Alt-PU、 Ran-PU、自体移植组和PCL支架组中的动作电位在4周后能清楚地显示，表明受损神经的功能恢复快速。9和14周后电位变得更强，表明神经修复明显。然而令人惊讶的是Alt-PU组显示比自体移植组更强的信号。这表明新型交替嵌段聚氨酯(Alt-PU)的神经修复套接管在神经修复效果上与被认为“金标准”的自体移植相当，甚至更好。

实施例3

将实施例1中制备的交替嵌段聚氨酯(Alt-PU)生物材料应用于眼睑支架的制备，制造方法为液固相分离和冷冻干燥法：以一定量的 Alt-PU材料放入烧杯中，加入有机溶剂，直至Alt-PU完全溶解成透明溶液。将溶液倒入不锈钢模具中，控制倒入液面厚度，将含有溶液的模具置于-20-0℃的冰水混合恒温箱中1-10h，取出后置于-10-4℃中 1-24h，之后移至冷冻干燥机中冻干，之后冷冻干燥1-24h，取出不锈钢模具放入常温真空干燥机中干燥1-48h，脱模取出成型支架，然后将支架剪成1cm²支架，得到0.7mm×1cm²眼睑植入支架。此眼睑植入支架具有孔隙度为10-99％且孔径为100nm至500μm(微米)的多孔薄膜结构。

商品化ADM眼睑支架的处理方法：将ADM放入冷冻干燥机上冷冻干燥过夜，从冷冻干燥机上取出，然后将支架剪成1cm²。

眼睑作为眼的重要附属器，只有具备完整的形态和功能才能发挥其保护眼球的功能。随着社会工业化程度的不断提高，眼部的各种外伤、尤其是酸碱化学伤、热烧伤和机械伤所引起的眼睑创伤日渐增多。眼睑缺损后常造成眼睑皮肤、肌肉、睑板、睑结膜的缺损，不仅影响美观，而且常常由于眼球的暴露，造成暴露性角膜溃疡，进而引起角膜混浊，甚至穿孔失明。眼睑的损伤通常需要不同的材料作为组织替代物来填补或加固损伤的部分。因此，已经有多种组织被开发进行眼部创伤的修复，包括自体组织、异体组织和人工组织等。其中，自体材料如耳软骨、硬腭粘膜等来源有限，弹性及韧性难以符合要求，而且局部解剖关系复杂，手术时程长，需要第二次手术切口；同种异体组织如异体巩膜、异体硬脑膜等移植物与机体组织的抗原性不同，植入后几乎都会面临严重的免疫排异反应，同时局部炎症反应强，材料易被降解吸收。目前为止，没有一种睑板替代物可以很好的广泛应用于临床。

理想的眼睑替代物应该符合以下条件：

1)方便获取和保存。

2)术中操作容易，只需简单修剪既可达到手术要求。

3)价格相对便宜，大部分患者可以负担得起。

4)具有与生理组织相似的硬度、厚度和弹性。

5)可以方便宿主组织长入，并随着时间的推移与宿主融合，难以分辨。

6)引起的免疫排斥反应轻微、炎症反应小。

7)植入后并发症少。

8)上述效果可以持续相当长的时间，甚至终身。

同时，结合眼部的特殊功能需要，睑板替代物还应该具有相对光滑的表面，在瞬目过程中不会磨损其下的角膜，植入后基本能满足面部对称及保护眼球的作用。

运用同种异体脱细胞真皮(ADM)代替睑板，国内外都见相关研究报道，其效果较为理想，是目前临床应用较为广泛的眼睑替代移植物。近几年来，随着组织工程的出现和现代眼科医学的快速发展、医学理念的不断完善，我们以本发明的交替嵌段聚氨酯(AltPU)为基材，通过液固相分离法制备出具有超微结构的多孔支架替代睑板进行眼睑原位重建术的动物试验，并以临床应用优势性强的ADM为对照，从组织学和细胞学评价获得可行性的依据，证明交替嵌段聚氨酯睑板支架材料可以作为理想的眼睑替代物应用于临床。

将本实施例中制备的眼睑植入支架在SD大鼠动物模型中进行眼睑修复试验。动物手术前，将Alt-PU眼睑植入支架经无菌生理盐水冲洗，紫外通风照射24h后密封保存于无菌离心管中保存备用。

动物模型的建立：SD大鼠30只，雄性，体重300-350g，随机分为2组，每组15只：①Alt-PU组；②ADM组。应用1.0％(w/v) 戊巴比妥钠，腹腔注射麻醉(40mg/kg)，显效后备皮用剃毛机剃去眼周毛发，然后常规消毒整个备皮区域，之后在鼠的眉毛处注射1％利多卡因及0.75％布比卡因混合(含1:100000肾上腺素)皮下浸润麻醉。在距睑缘2mm处平行眼缘用平镊夹起，用黑色中性笔画出皮肤两条弧形切口线，在眼角两侧5mm处标记手术开口处，然后按标记线做上睑的皮肤切口，分离两切口的皮下组织及眼轮匝肌至睑板，找出睑板后，用显微外科剪剪除1mm²大小睑板组织，获得眼睑睑板缺损模型。将准备好的Alt-PU眼睑支架和ADM眼睑支架植入相应的睑板缺损部位，然后用8-0可降解吸收缝合线将植入物与睑板断端对应间断缝合2针，用6-0可吸收缝合线间断对位缝合上睑皮肤及皮下组织，约2针，术毕，伤口局部加压包扎。将手术后的SD大鼠放入鼠笼中，等待其麻醉醒来后，给予分笼饲养，术后每天观察大鼠的伤口部位有无红肿、感染、溃烂；伤口对合情况，有无裂开及植片脱落、暴露；结膜面有无破损及角膜受损；睑缘有无变形；有无穹窿变窄、眼球粘连、眼睑运动异常或闭合不全等情况。

Alt-PU组的术后观察结果如图7a-7d所示：a)术后一小时，皮肤切口用7-0可降解吸收缝线缝合(图7a所示)；b)术后24小时有一个小血痂形成，上眼睑有一点轻微的红肿，没有观察到明显的排异和坏疽现象发生(图7b所示)；c)术后两周眼睑手术处的毛发开始生长，没有充血、渗出和炎症反应现象可以观察到(图7c所示)；d) 术后4周术侧眼部恢复到与术前一样，箭头指向手术部位(图7d所示)。术后1h，大鼠的意识都恢复正常；术后第24h见鼠上睑轻肿，睑缘缝线在位，伤口对合良好，局部干燥无渗出，少量血痂。各组植入后未见睑结膜穿破及角膜上皮损伤，睑缘无切迹，无眼睑闭合不全，切口无渗出及感染，植入后组织无暴露。其痂完全脱落是在术后1W，术后2W其术侧伤口处的毛发开始完全修复。术后第2W与第8W的术侧眼部没有明显的差别，眼睑修复期间，它们的生活作息正常，术侧眼部也表现正常的睁眼闭眼活动，与正常侧眼部活动一样。没有明显的排异、坏疽或者炎症反应出现，证明其术后眼睑伤口恢复迅速，由此可见，本发明的生物材料具有很好机械柔韧性、可生物降解性和眼睑软组织相容性，可以很好修复眼睑软骨损伤。

实施例4

将实施例1中制备的交替嵌段聚氨酯(Alt-PU)生物材料应用于创伤敷料泡沫的制备，制备方法为：称取2g实施例1中制备的交替嵌段聚氨酯(Alt-PU)生物材料并将其溶解于40mL水中，配成浓度为50mg/mL的溶液，充分搅拌待其完全溶解后倒入90mm的培养皿中。再将其转移至-20℃的冰箱中预冷冻1-24h，然后迅速将其转移至-80℃的低温冰箱中冷冻1-24h。取出后快速转入冷冻干燥机中，进行冷冻干燥，24h后取出，即成海绵状Alt-PU创伤修复泡沫敷料。此创伤修复敷料具有孔隙度为10-99％且孔径为100nm至500μm(微米)的多孔泡沫结构。

利用实施例1中制备的无规嵌段聚氨酯(Ran-PU)及上述方法制备Ran-PU创伤修复泡沫敷料。

创伤修复一直是当今医学领域研究的热点，目前，作为创伤敷料的聚氨酯材料的研究很少见报道，由于聚氨酯高分子具有防水透气，保湿和防止细菌透进的功能，以可降解PLA和生物相容性良好的PEG 合成的聚氨酯作为创伤敷料的研究具有很好的潜力。本发明首次将 PLA、PEG基可生物降解聚氨酯材料应用于创伤修复，通过构建SD 大鼠的全层皮肤模型，以医用纱布作为对照。动物试验结果表明:本发明生物材料组的修复效果明显优于医用纱布，将其作为一种新型的创伤敷料材料有很好的应用和商业价值。

将本实施例中制备的Alt-PU创伤修复泡沫敷料在SD大鼠动物模型中进行创伤修复试验。

通过构建大鼠的全层皮肤创伤模型，来评价本发明的新型可降解聚氨酯生物材料作为创伤敷料对伤口的治愈效果。18只大鼠(约300 g)被随机的分成三组，每组六只作为平行实验。腹腔注射麻醉剂(10％水合氯醛)，用量为3ml/kg。将大鼠背部所需实验面积的毛发数用 70％酒精消毒后轻轻刮除，用清水擦净。然后用消毒后的手术剪刀在背部剪出10mm×10mm的伤口大小，并对创面进行彻底的扩创，用无菌生理盐水及碘伏液反复清洗创面，创面彻底止血。用灭菌后的尺子记录下原始伤口的面积，并拍照记录数据。实验组为Alt-PU创伤修复泡沫敷料组，以Ran-PU创伤修复泡沫敷料组及医用纱布作为对照组。每两天更换一次敷料，用尺子记录伤口大小，并拍照记录伤口情况。十天后，剩余的四天不再更换敷料，记录14天修复期的数据。伤口收缩率采用下述公式计算：伤口收缩率(％)＝[(Ao-At)/Ao]×100。其中Ao为原始伤口的面积，At为在不同修复时期的伤口面积。

大鼠皮肤损伤后，通过拍照的方式对伤口恢复情况进行观察记录，结果如图8a-8c所示。可以发现三组大鼠的皮肤伤口都有不同程度的收缩，即伤口边缘的皮肤向伤口中心移动，创面缩小，这就意味着伤口在不断愈合。创伤后第4天，纱布组和Ran-PU组的创面都出现了炎性渗出物和血块，而Alt-PU组的伤口表面没有炎症、红肿和积脓的现象。创伤后第8天，纱布组伤口处结痂，伤口收缩缓慢， Ran-PU组仍有少量积液和血液，但伤口收缩优于纱布组，Alt-PU组的创面有新生的肉芽组织，这一结果说明Alt-PU组的皮肤恢复最快，已经进入了皮肤最后的修复阶段，从而比前两组的修复效果都要好。创伤后第14天，纱布组仍有比较明显的疤痕，此时的收缩率仅为 40％，Ran-PU组的伤口收缩率能达到80％，而Alt-PU组的皮肤基本上已经完全愈合，并且表面伴有毛发长出，难以观察到伤口的疤痕。其中图9为伤口在修复过程中，用直尺记录伤口尺寸，并通过公式计算所得的伤口收缩率，伤口收缩率越大，说明创面越小，恢复也就越好。图9中可以看出Alt-PU组的收缩率一直高于其它两个对照组，这一结果也和以上结果相一致。

从大体观察可知，本发明的聚氨酯生物材料可以为伤口提供保护的作用，并具有一定的隔菌作用，能通过吸收渗出液形成一个湿润的创面，提供给新生组织一个良好的生长环境。另外由于聚氨酯大分子中的氨酯键与人体内蛋白质中的酰胺键非常接近，可以通过对细胞表面的特异性作用而促进细胞的粘附和生长，加快伤口的愈合。再加上合适的亲疏水性，力学性能以及柔韧性等对伤口修复都有影响，本发明的交替嵌段聚氨酯可以成为创伤修复和皮肤修复的理想材料。

创伤修复的组织学病理分析：为了进一步确定皮肤修复的情况，我们在14天时取下新生皮肤组织，通过HE染色来对组织进行病理学分析，结果如图10a-10c所示。如前面创伤修复机理所述，一旦皮肤伤口形成后，首先是炎症反应，它是创伤愈合的基础。此阶段主要有大量的炎症细胞，它通过吞噬作用、氧化抗菌效应和激活补体等作用清除坏死组织和异物，保护正常组织，防止感染发生。然后是成纤维细胞的大量增殖，它是主要的修复细胞，是创伤修复的工程师、建筑者和管理员，它与细胞外基质、伤口收缩、胶原的更新和瘫痕的形成有着密切的关系。最后再进入到血管和淋巴等器官的再生，即组织再生和血管再生。从图中对比发现，纱布组的伤口出现大量的成纤维细胞(图10c所示)，主要还处于修复的第二阶段。而Alt-PU组的伤口在显微镜下可以看到有许多的新生血管、淋巴等器官生成(图10b所示)，成纤维化区域明显比纱布组的要小，更接近正常皮肤的组织结构(图10a所示)，这一现象也与组分中PEG能够促进上皮细胞迁移有关。从病理结果，再一次证明Alt-PU组(交替聚氨酯材料组) 的修复效果明显好于纱布组。

实施例5

将实施例5中制备的交替嵌段聚氨酯(Alt-PU)生物材料应用于颅骨复合修复多孔支架的制备，制备方法为：称取适量实施例1中制备的Alt-PU交替嵌段聚氨酯生物材料，放入20ml玻璃瓶中，加入 N,N-二甲基甲酰胺至聚氨酯完全溶解。称取一定粒径的氯化钠颗粒、羟基磷灰石(HA)和磷酸三钙(TCP)按比例震荡混匀后加入聚氨酯溶液中，振动混匀，将混合物涂布在载玻片上，室温干燥48h至N,N-二甲基甲酰胺挥发完全。将载玻片置于超纯水中24h充分溶解氯化钠颗粒，每8h换液一次，将载玻片置于真空干燥箱中室温干燥48h，即得Alt-PU颅骨复合修复多孔支架，此支架具有孔隙度为10-99％且孔径为100nm至500μm(微米)的多孔泡沫结构。同时便于支架的参照对比，我们也使用了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)在没有HA和 TCP的情况下，制作出多孔支架如图11f所示。

骨组织工程研究经历了从无免疫功能动物到小型哺乳动物，再到大型哺乳动物，最终到临床的阶段，其有效性、安全性越来越多地被证实，其基本技术相对成熟。在种子细胞方面，除了目前常用的 BMSCs以外，还陆续出现了脂肪来源的和脐带血来源的干细胞，它们来源广泛，成骨能力均类似于甚至优于BMSCs。在支架材料方面，除了既往广泛应用的异体骨支架材料以外，目前出现了大量人工和天然提取的支架材料，这些材料均具有来源广泛和可降解的特性，其力学强度均接近于组织工程骨的需要。在构建技术方面，大量组织工程骨生物反应器的出现，为特殊需求的组织工程骨的构建提供了可能。伴随着骨组织工程技术和产品的不断成熟，广泛临床应用成为可能。

目前骨的组织工程研究主要集中在两个方面：

一是骨组织诱导：使用一种多孔性、可降解支架来充填缺损。这种支架具有骨诱导和骨传导能力，能引发成骨细胞及该区域其它细胞长入并吸附于支架上。随着基质堆积，骨组织逐渐形成，并重新塑形。由于其具有愈合和重塑的潜力，使非有机组合的孔状物质随组织长入形成有机结构的骨组织。这类物质主要有生物陶瓷及聚延胡索酰丙烯 (PPF)。

二是细胞传输：骨传导支架上的自体成骨细胞或成骨母细胞对于骨缺损的愈合具有重要的功能，成骨细胞移植有助于骨组织长入和细胞外基质形成。移植细胞能释放广谱生长因子促进骨诱导和骨再生；多聚α-羟化酯是一种很有前途的细胞传输物质。其它具有传输细胞功能的物质有聚乳酸(PLA)、聚羟基乙酸(PGA)及聚乳酸和聚羟基乙酸的双聚合物。

应用本发明的交替嵌段聚氨酯(AltPU)生物材料为颅骨再生修复支架的主要材料，与不同含量的羟基磷灰石和磷酸三钙共混，利用盐析沥滤法，制备出多孔结构的三维复合支架材料，支架内部具有高孔隙率，微孔之间相互贯通，能够满足细胞增殖迁移和组织液渗透交流，有利于营养物质和代谢产物的运输。本支架具有良好的血液相容性和细胞相容性。支架修复大鼠颅骨损伤效果很好：从形态学评价本支架修复大鼠颅骨损伤结果显示，支架在修复早期和中期能够保持较完整的三维多孔支架外形，内部微孔结构能够为细胞增殖和迁移提供空间，后期较高HA/TCP含量的支架能够很快修复颅骨损伤，支架材料也被完全降解，被新生骨替代，外表与正常骨无异，证明了本发明的生物材料和由此材料制得的骨修复支架能够有效支持颅骨再生修复的效果。

大鼠颅骨损伤模型的建立：成年SD大鼠(300-350g)10％水合氯醛按0.35ml/100g体重腹腔注射麻醉，头部去毛，碘酊消毒，颅顶皮肤1cm切口，钝性分离骨膜及其周围组织，用颅骨钻在颅骨右侧制造半层5x5mm颅骨缺损，分别植入本实施例制备的Alt-PU颅骨复合修复多孔支架(实验组)与HA/TCP复合颅骨多孔支架(对照组)，并固定支架，缝合并消毒伤口，注射青霉素(400000IU/ml， 0.2ml/kg)持续7天，植入后于18天、40天和80天取颅骨进行形态学观察和病理染色观察，扫描电镜(SEM)观察显示本发明的不同 HA含量的Alt-PU颅骨复合修复多孔支架内部结构如图11a-11e所示。

病理观察和染色结果表明：术后18天，对照组的颅骨缺损区域无明显变化；在支架植入的实验组中，细胞已经游离入颅骨多孔支架内部并开始增殖，细胞松散的分布在支架内部，骨细胞和破骨细胞明显显现，并且有较多新骨生成。术后40天，对照组颅骨缺损区域无明显变化；实验组支架内部细胞明显增多，新骨大量生成，颅骨缺损区域呈闭合趋势；部分实验组颅骨缺损区域几乎已经完全闭合。术后 80天，对照组的缺损区域生长出一薄层新骨，颅骨多孔支架组中，缺损部位已完全愈合，支架全部降解。本发明的颅骨多孔支架(实验组)修复大鼠颅骨损伤效果很好。从形态学评价实验组支架修复大鼠颅骨损伤结果显示：支架在修复早期和中期能够保持较完整的三维多孔支架外形，内部微孔结构能够为细胞增殖和迁移提供空间，颅骨多孔支架能够很快修复颅骨损伤，支架材料后期也很快被完全降解，被新生骨替代，外表与正常骨无异，证明本支架材料能够有效支持颅骨再生修复的效果。

大鼠颅骨损伤修复：从图12a明显观察到老鼠的半层颅骨缺损区域。Alt-PU支架植入缺损部位18天后，可明显观察到支架形态，其贴附于缺损部位，外面包裹着一层纤维组织(图12b所示)。在术后 40天，对照组的颅骨缺损区域无明显愈合现象(图12c所示)。植入Alt-PU支架80天后，Alt-PU支架已被完全降解，颅骨缺损区域已经被完全修复(图12d所示)。

以下是其它示范性实施例，不对本发明做任何形式的限制。

实施例6：提供一种交替嵌段聚氨酯(AltPU)，其是一种共聚物，包括一种或两种脂肪族聚酯链段，如PLA、PHA、PHB、PCL、PCLLA、 PLGA；同时可以包含一个亲水链段，例如聚乙二醇(PEG)、聚丙二醇(PPG)、聚丁二醇(PBG)、聚四氢呋喃(PTHF)或乙二醇、丙二醇、丁二醇小分子二元醇、三羟甲基丙烷(TMP)多元醇，从而得到两亲性，即同时具备亲水性和疏水性的共聚物。

实施例7：提供一种交替嵌段聚氨酯(AltPU)，其通过脂肪族聚酯二元醇和二异氰酸酯封端的亲水性聚醚链段例如PEG，PPG，PBG 或脂肪族聚醚二醇和二异氰酸酯封端的脂肪族聚酯二元醇链段之间的选择性偶联反应制备。脂肪族聚酯二元醇链段可以为PLA，PHA，PHB，PCL，PGA，PCLLA，PLGA。所用脂肪族二异氰酸酯为六亚甲基二异氰酸酯、赖氨酸二异氰酸酯、丁二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、4,4'-亚甲基双(环己基)二异氰酸酯等，用于合成选择性偶联反应中的二异氰酸酯封端的链段；选择性偶联反应由锡催化剂如 2-乙基己酸锡(II)，丁基二月桂酸二丁基锡催化或不使用催化剂；在惰性气氛下在本体或在有机溶剂中进行选择性偶联反应。

实施例8：提供一种交替嵌段聚氨酯，其是基于脂肪族聚酯和聚醚的交替嵌段聚氨酯(Alt-PU)。

实施例9：所述交替嵌段聚氨酯材料在其它生物医学领域的应用，包括骨修复支架、皮肤重建和修复、防粘连膜、血管修补膜、脑膜、韧带和腱修复等应用。

与无规嵌段聚氨酯设计的聚合物相比，交替嵌段聚氨酯设计能够产生更规则的表面结构；与随机嵌段聚氨酯设计的聚合物相比，交替嵌段聚氨酯设计能够产生增强的聚合物相分离。

所述交替嵌段聚氨酯(AltPU)具有改进的医学、机械和加工性能，同时具有最小的降解pH变化和能够良好控制的降解性能。

实施例7所述交替嵌段聚氨酯材料应用于神经修复套接管，以及其他软组织和硬组织再生、可植入医疗器械和非植入医疗器械。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所应理解的是，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的思想和原则之内所做的任何修改、等同替换等等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种新型可降解聚氨酯生物材料，其特征在于：包括若干由第一聚合物形成的第一嵌段、若干由第二聚合物形成的第二嵌段，第一嵌段和第二嵌段交替排列，相邻的第一嵌段和第二嵌段间通过氨基甲酸酯键连接形成交替嵌段聚氨酯(AltPU)，即为所述新型可降解聚氨酯生物材料；

其中，所述第一聚合物为二元醇封端的聚酯，所述第二聚合物为二异氰酸酯封端的脂肪族聚醚或脂肪族聚酯聚合物，所述第二聚合物也可以由脂肪族二元醇替代，例如乙二醇、1,4-丁二醇等等。

2.根据权利要求1所述的一种新型可降解聚氨酯生物材料，其特征在于：所述二元醇封端的聚酯为脂肪族聚酯或不同脂肪族聚酯组合形成的共聚物。

3.根据权利要求1或2所述的一种新型可降解聚氨酯生物材料，其特征在于：所述二异氰酸酯为脂肪族二异氰酸酯，具体为六亚甲基二异氰酸酯、丁二异氰酸酯、赖氨酸二异氰酸酯、赖氨酸酯二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、4,4'-亚甲基双(环己基)二异氰酸酯中的一种，用于合成选择性偶联反应中的二异氰酸酯封端链段的合成。

4.一种权利要求1所述新型可降解聚氨酯生物材料的制备方法，以所述第一聚合物和第二聚合物为反应原料，在30～100℃下反应8～72小时，获得所述交替嵌段聚氨酯。

5.根据权利要求4所述的一种新型可降解聚氨酯生物材料的制备方法，其特征在于：所述反应在反应原料本体或有机溶剂中进行，反应体系中还可以添加有机锡催化剂。

6.根据权利要求4或5所述的一种新型可降解聚氨酯生物材料的制备方法，其特征在于：所述反应原料中羟基和异氰酸酯基团的摩尔比相同。

7.权利要求1所述新型可降解聚氨酯生物材料应用于植入和非植入医疗装置的制备。

8.权利要求1所述新型可降解聚氨酯生物材料应用于神经修复套接管、半月板修复、抗粘连薄膜、脑膜、眼睑修复重建支架、创伤修复薄膜或敷料、或骨复合修复支架的制备。