1．聚氨酯發(fā)展背景
近年來由于社會的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)水平的進(jìn)步，全世界對功能性材料的需求越來越大，尤其是生物高分子材料。聚氨酯作為一種重要的生物高分子材料一直是研究的熱點(diǎn)，在許多人工器官和醫(yī)療裝置中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。雖然，聚氯乙烯、聚乙烯和硅橡膠等，都早于聚氨酯應(yīng)用于生物材料領(lǐng)域，但是由于聚氨酯具有如下突出的優(yōu)點(diǎn)：材料的性能可以調(diào)節(jié)，物理機(jī)械性能范圍寬，加工性能好；生物相容性優(yōu)良；抗扭結(jié)性好；表面光滑等，這就使聚氨酯成為一種“理想生物材料”。
2．聚氨酯結(jié)構(gòu)介紹
聚氨酯是一類含有氨基甲酸酯（-NH-COO-）官能團(tuán)的高分子材料，主要的合成方法是由聚醚、聚酯或聚碳二元醇先與二異氰酸酯進(jìn)行加成反應(yīng)，再經(jīng)擴(kuò)鏈劑擴(kuò)鏈成高分子，主鏈分子是由軟鏈段和硬鏈段嵌段組成，其化學(xué)結(jié)構(gòu)可以表示為—(A—B)n—。由于硬段和軟段在極性上存在差異且硬段本身的結(jié)晶性導(dǎo)致它們在熱力學(xué)上的不相容性，而具有自發(fā)分離的傾向。而聚氨酯的性能本質(zhì)上是取決于軟段和硬段的化學(xué)結(jié)構(gòu)及軟段/硬段配比，軟硬段的微相分離程度對聚氨酯的性能，尤其對血液相容性的影響不可忽略。
3．聚氨酯分類
按材料種類分：醫(yī)用聚氨酯材料產(chǎn)品可分為醫(yī)用聚氨酯泡沫、醫(yī)用生物彈性體、醫(yī)用聚氨酯黏合劑、醫(yī)用聚氨酯水凝膠以及醫(yī)用聚氨酯涂料等。
按照可降解性可分為：非降解性醫(yī)用聚氨酯材料，力學(xué)性能優(yōu)異、耐磨損性好，因此在長期植入人體的人體器官和醫(yī)用裝置的應(yīng)用十分廣泛；降解性醫(yī)用聚氨酯材料可應(yīng)用于人體修復(fù)材料、組織工程材料和智能藥物緩釋材料等。
按用途分：聚氨酯用品包括人工皮膚、人工心臟瓣膜、人工肺、燒傷敷料、各種夾板、導(dǎo)液管、人工血管、骨黏合劑、齒科材料、手術(shù)縫合線、計劃生育用品等。
按合成物結(jié)構(gòu)分：聚醚型聚氨酯、聚酯型聚氨酯以及聚碳型聚氨酯等等。
4．醫(yī)用聚氨酯的性能研究
4.1聚醚型聚氨酯
1967年Boretos和Pierce首次將聚醚型聚氨酯用于左心輔助循環(huán)血泵，此后，聚醚型聚氨酯就成為了人工心臟和心室輔助循環(huán)系統(tǒng)中制造心室腔體的首選材料。
通常地，聚醚型聚氨酯的聚醚軟段的玻璃轉(zhuǎn)變溫度低于室溫，軟段的運(yùn)動性很高，非常容易遷移到聚氨酯的表面，因此聚醚型聚氨酯的最表面沒有硬段存在。然而，有研究認(rèn)為由于聚醚型聚氨酯的聚醚軟段的玻璃轉(zhuǎn)變溫度較低，在外界環(huán)境的影響下，其表面的鏈段能夠轉(zhuǎn)動，表面重排，硬段微區(qū)出現(xiàn)在最表面，使其表現(xiàn)出良好的血液相容性。
另外，聚醚中的醚鍵耐水解，水解表現(xiàn)為交聯(lián)慢慢斷裂，分子量慢慢降低，拉伸強(qiáng)度下降緩慢，與聚酯型聚氨酯相比耐水解性較好。聚醚型聚氨酯被廣泛地使用在與血液直接接觸的場合，但其本身的生物相容性不足以達(dá)到人類的需求，學(xué)者一直持續(xù)不斷地對它進(jìn)行研究和改性來進(jìn)一步提高它的生物相容性，改性使得聚醚型聚氨酯的抗凝血性能在不同程度上得以提高，以至于聚醚型聚氨酯材料在植入和非植入式血液接觸裝置的制造方面得到了較廣泛的應(yīng)用。
下面將三種醫(yī)療級聚醚型聚氨酯的原料、性能及商品牌號舉例如下：
4.1.1脂肪族聚醚氨酯
以HMDI或六亞甲基二異氰酸酯（HDI）、PTMEG及BD為原料的TPU具有良好的生物相容性、強(qiáng)度及可加工性。如美國Thermedics公司（原Thermo Electron公司）的醫(yī)用聚氨酯Tecoflex的組成是PT-MEG-HMDI-BD，80年代美國DuPont公司的醫(yī)用聚氨酯Adiprenelw 500的原料是PTMEG-HDI-BD。
4.1.2芳香族聚醚氨酯
這類TPU以MDI、PTMEG及BD為原料。與脂肪族聚醚氨酯相比，它們具有類似的生物相容性，而物理強(qiáng)度、耐溶劑性及高溫可加工性比脂肪族TPU好，是一類應(yīng)用較早、牌號較多的TPU。其缺點(diǎn)是暴露在光或γ射線下時間長了會變黃。如果操作溫度不當(dāng)可產(chǎn)生亞甲基-4,4’-二苯基二胺（MDA）。
商品牌號有：美國BFGoodrich公司的Estane，美國DOW化學(xué)公司（早先的Upjohn公司）的Pellethane，Thermedics公司的Tecothane，Bayer美國公司的Texin，美國JPS彈性體公司的Stevens系列熱塑性聚氨酯MP-1880、MP-1882及MP1890<3>，德國Elastogran公司的Elastollan SP806，等等。
4.1.3聚醚脲型聚氨酯
Bayer（美國）公司的Texin 5590是一種脂肪族聚醚脲型TPU，設(shè)計用于與血液接觸的場合，以及管形材料及導(dǎo)液管等短期植入裝置。美國Ethicon公司的醫(yī)用聚氨酯彈性體Biomer是由PTMEG和MDI反應(yīng)生成端異氰酸酯基預(yù)聚物。在二甲基甲酰胺（DMF）溶劑中以乙二胺為擴(kuò)鏈劑，澆注而成的線性聚氨酯-脲嵌段聚合物。
Corvita公司90年代研制的植入人體器官用TPU彈性體材料Corethane，未透露組成成分，據(jù)稱它具有與廣泛使用的芳香族聚醚聚氨酯相似的性能，但在人體內(nèi)不會受酶的影響而降解。該公司還在開發(fā)研制聚氨酯共聚物以及與其它聚合物的復(fù)合材料，用于體內(nèi)植入物。
4.2聚酯型聚氨酯
聚酯型聚氨酯在聚氨酯工業(yè)中，是出現(xiàn)最早的基礎(chǔ)聚氨酯材料，其力學(xué)機(jī)械性能、耐化學(xué)品特性優(yōu)異，至今仍是極其重要的一大類型聚氨酯材料。
一般地，聚酯型聚氨酯的硬度與聚酯的相對分子量有直接的關(guān)系，聚酯型聚氨酯的硬度隨著聚酯相對分子質(zhì)量的升高而下降，拉伸強(qiáng)度的變化趨勢則相反。這主要是因?yàn)榫埘サ姆肿娱g作用力較強(qiáng)，容易形成結(jié)晶。線性聚酯呈蠟狀，具有晶狀結(jié)構(gòu)，是決定聚氨酯具有良好的物理性能，尤其是彈性、抗張強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度等性能都與其結(jié)晶度有關(guān)系。
然而，結(jié)晶性也帶來了一定的問題，比如，低溫時變硬，或者影響伸長率。與聚醚型聚氨酯相比，聚酯耐水解性能較差，酯基較易水解。隨著酯基之間碳原子數(shù)目上升，水解穩(wěn)定性提高，聚酯的水解作用表現(xiàn)為主鏈斷裂，分子量降低，拉伸強(qiáng)度，伸長率急劇下降。然而聚酯型聚氨酯的氫鍵度高于聚醚型聚氨酯，耐熱空氣老化性能較好，因此聚酯型聚氨酯仍得到廣泛應(yīng)用。
下面將一種醫(yī)療級聚酯型聚氨酯的原料、性能及商品牌號舉例如下：
4.2.1芳香族聚酯氨酯
以聚己內(nèi)酯或聚己二酸酯MDI和BD為原料，這類TPU的強(qiáng)度比PTMEG型聚氨酯的高，但易于水解和受微生物的侵襲。商品有BF Goodrich公司的Estane、Dow化學(xué)公司的Pellethane等。
4.3聚碳酸酯型聚氨酯
這種聚氨酯材料中的軟段由聚碳酸酯鏈段構(gòu)成，在生理環(huán)境下，碳酸酯鍵比醚鍵更加穩(wěn)定。聚碳酸酯型聚氨酯軟段的玻璃轉(zhuǎn)變溫度較高，相混合大，硬段存在于表面，而且在10 nm范圍內(nèi)，有明顯的硬段微區(qū)。導(dǎo)致不同種類的聚氨酯的表面結(jié)構(gòu)差異的原因是由于本體結(jié)構(gòu)與表面結(jié)構(gòu)密切。相對于聚醚聚氨酯，在醫(yī)用材料的長期移植中，脂肪族聚碳酸酯型聚氨酯有更好的生物穩(wěn)定性和生物相容性。此外，由于軟段的聚碳酸酯結(jié)構(gòu)與聚醚結(jié)構(gòu)相比在更大程度上限制了鏈段的運(yùn)動，因此聚碳酸酯聚氨酯的純水透過率和生理介質(zhì)的透過率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于聚醚型聚氨酯，在相同膜厚度的條件下，聚碳酸酯聚氨酯的水蒸氣透過率比聚醚型聚氨酯低2-4倍。實(shí)驗(yàn)表明，聚碳酸酯聚氨酯表面的血小板粘附數(shù)量與聚醚型聚氨酯相比大大減少，同時，對補(bǔ)體的激活程度也明顯降低。同時，與聚醚聚氨酯相比，PCU在小直徑血管和內(nèi)部血管治療中，顯示出了更好的向內(nèi)生長能力。此外，PCU最大的優(yōu)點(diǎn)是比聚醚聚氨酯優(yōu)秀的耐氧化穩(wěn)定性。聚碳酸酯聚氨酯也具有長期移植后材料柔順性的損失小和表面性能突出的特點(diǎn)。
下面將兩種醫(yī)療級聚碳型聚氨酯的原料、性能及商品牌號舉例如下：
4.3.1脂肪族聚碳酸酯氨酯
這類TPU以HMDI、聚碳酸酯二醇為原料。它具有與聚醚氨酯類似的生物相容性，耐氧化降解性及生物穩(wěn)定性更好，有良好的強(qiáng)度和操作性。商品有Thermedics公司的Carbothane、PolyMedica工業(yè)公司的Chronoflex等。這種TPU能抵抗酶誘發(fā)的降解，用于人造心臟及血管。
4.3.2芳香族聚碳酸酯氨酯
其原料是MDI、聚碳酸酯二醇和BD。它具有與脂肪族聚碳酸酯氨酯類似的生物穩(wěn)定性及生物相容性，芳香族聚氨酯的強(qiáng)度和耐溶劑性，缺點(diǎn)是可能產(chǎn)生MDA及黃變。商品有美國聚合物技術(shù)集團(tuán)公司的Bionate等。
5．聚氨酯的改性
國內(nèi)外的研究報道有許多聚氨酯改性方法，主要有聚氨酯本體改性、表面化學(xué)接枝修飾、等離子體技術(shù)表面修飾、光固定法、超分子化學(xué)改性等。
5.1聚氨酯本體的改性
本體改性是指通過調(diào)節(jié)聚氨酯結(jié)構(gòu)的軟段或硬段的結(jié)構(gòu)、長度及分布，來改變相對比例和相對分子質(zhì)量，或把將軟段或硬段上接枝其它分子鏈，通過共混、互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)等方法，用來調(diào)節(jié)聚氨酯的性能。
5.2表面化學(xué)接枝修飾
人們嘗試在聚氨酯表面附加各種細(xì)胞黏附因子如膠原、纖維粘連蛋白、白蛋白等，使材料表面更生物化、更接近細(xì)胞生長的生理?xiàng)l件，進(jìn)而改善內(nèi)皮細(xì)胞在聚氨酯材料表面的粘附和生長的問題，近年，在聚氨酯材料表面固定 RGD三肽序列成為一種提高內(nèi)皮細(xì)胞黏附和生長的重要途徑，這已在多種生物材料的有關(guān)研究中得到證實(shí)。
5.3等離子體技術(shù)表面修飾
聚氨酯材料表面性能受到聚合物的化學(xué)性質(zhì)、表面結(jié)構(gòu)及表面處理方式的影響。等離子體技術(shù)處理聚合物材料的表面可以使其表面富含活性基團(tuán)，使聚氨酯表面活化，再表面接枝可生物降解的分子，提高原聚氨酯表面的性能，改善聚氨酯材料的生物相容性。
5.4光固定法修飾
光固定法是指將具有特定作用、功能的分子或組分通過紫外或可見光偶聯(lián)到材料表面的方法。它在改善材料表面性能的同時，不影響材料的基體性能。
5.5超分子化學(xué)改性
超分子化學(xué)是基于分子間的非共價鍵相互作用而形成的分子聚集體的化學(xué)超分子組裝過程，是生物體系中形成復(fù)合、功能結(jié)構(gòu)的重要手段，它提供了一種通過設(shè)計分子和超分子實(shí)體，利用形體互補(bǔ)原則獲得預(yù)期結(jié)構(gòu)的納米設(shè)計和制備手段。和傳統(tǒng)的表面修飾不同，超分子表面修飾技術(shù)不單單地通過化學(xué)組分的共價鍵進(jìn)行修飾，而是在組成修飾的基礎(chǔ)上，通過對基于非共價鍵的作用控制，實(shí)現(xiàn)對表面二維、甚至三維微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計，實(shí)現(xiàn)對材料表面更精確的修飾。
6．醫(yī)用聚氨酯的應(yīng)用現(xiàn)狀
聚氨酯材料因?yàn)槠涮厥獾幕瘜W(xué)結(jié)構(gòu)、具有良好的生物相容性和血液相容性、優(yōu)異的物理機(jī)械性能、加之穩(wěn)定性好，廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。20世紀(jì)50年代以來，聚氨酯彈性體開始應(yīng)用于醫(yī)用材料，70年代開始聚氨酯作為一種醫(yī)用材料已受到重視。到了80年代初，用聚氨酯彈性體制作人工心臟移植手術(shù)獲得成功，使聚氨酯材料在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用得到進(jìn)一步的發(fā)展。至今已經(jīng)歷了50多年的歷史，其產(chǎn)品包括人工心臟輔助裝置、醫(yī)療導(dǎo)管和人造血管、聚氨酯敷料、聚氨酯醫(yī)用薄膜制品、人造皮、假肢、聚氨酯繃帶、人工腎、人工肺、人工肝臟等。
6.1人工心臟輔助裝置
醫(yī)用聚氨酯在血液相容性和生物相容性方面，比硅橡膠和天然橡膠更好，是人工心臟及其輔助裝置的最佳材料。人工心臟上用的聚氨酯彈性體隔膜材料，為聚醚型熱塑性聚氨酯，其組成成分一般是聚四呋喃醚二（PTMEG）—MDI（或HDI）—BD或乙二胺，溶液澆注或注射成型。為利用硅橡膠的優(yōu)異生物相容性，也有采用聚氨酯-硅烷嵌段共聚物。用于人工心臟隔膜及包囊的彈性體，80年代初研制成功的聚氨酯彈性囊，經(jīng)試驗(yàn)，其耐曲撓超過5億次，開始用硅橡膠和天然橡膠制作人工心臟氣囊，應(yīng)用于人工心臟獲得成功。故世界各國研制人工心臟及其輔助裝置的材料，都傾向于使用聚氨酯材料。
6.2醫(yī)療導(dǎo)管和人造血管
聚氨酯彈性體具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度、柔韌性、耐磨性以及生物相容性，可用于各種醫(yī)用膠管管材，如胃鏡軟管、導(dǎo)液管、輸液管、導(dǎo)尿管等，產(chǎn)品滿足韌性、彈性和無毒等醫(yī)用要求，且在制作工藝上無變形，管徑均勻，表面光潔。
聚氨酯是一種彈性優(yōu)良的功能高分子材料，由聚氨酯制作的血管表現(xiàn)出良好的血液相容性，無致血栓性，可減少血管內(nèi)膜增生。
6.3聚氨酯敷料
新型敷料，特別是新型聚氨酯敷料不斷出現(xiàn)，醫(yī)用聚氨酯敷料大多為兩層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為聚氨酯基泡沫(海綿)，外層是聚氨酯基彈性體薄膜。內(nèi)層結(jié)構(gòu)親水、吸收傷口表面的滲出液，減少感染，加之優(yōu)良的柔軟性，可以和創(chuàng)面較好的貼合，減少傷口區(qū)域的不適和疼痛。外層薄膜結(jié)構(gòu)，具有隔菌、透濕、透氣、防水的功能，保持一定的溫度和濕度，從而營造一個有利于傷口愈合的創(chuàng)面環(huán)境。聚氨酯敷料具有良好的柔軟性、彈性、耐磨性和抗撕裂性，可以使敷料隨皮膚一起運(yùn)動而不易破壞。
6.4聚氨酯醫(yī)用薄膜制品
醫(yī)用聚氨酯能夠通過溶液澆注成型或擠塑、吹塑成型制成薄而韌的薄膜。這種薄膜具有較高的強(qiáng)度和彈性，聚氨酯薄膜拉伸強(qiáng)度高，伸長率大，拉伸后回到原來的尺寸而無明顯的形變。它們不含增塑劑，能長期、并在較寬溫度范圍保持其柔韌性，還具有良好的透氣性、耐藥品性、耐微生物、耐輻射性能，可用于多種醫(yī)療衛(wèi)生用途，如灼傷覆蓋層、傷口包扎材料和取代縫線的外科手術(shù)用拉伸薄膜、用于病人退燒的冷敷冰袋、一次性給藥軟袋、填充液體的義乳、避孕套、醫(yī)院床墊及床套等。以聚氨酯薄膜為囊避材料、采用液體填充而成的義乳，手感柔軟，與皮膚接觸無異物感，放入高檔胸罩中，適合于乳房手術(shù)者及女性乳房偏小者佩戴，效果逼真，國內(nèi)已有生產(chǎn)。
6.5聚氨酯人造皮
采用聚氨酯彈性體軟泡沫可制作人造皮，聚氨酯人造皮與皮膚手感柔軟，且透氣性好，能促使表皮加速生長，可防止傷口水份和無機(jī)鹽的流失，以及阻止外界細(xì)菌進(jìn)入，可防止感染。一種聚氨酯人造皮是用兩種泡孔不同的軟質(zhì)聚氨酯薄片，通過特殊技術(shù)層壓而成?？讖叫〉囊黄c外界空氣接觸，孔徑大的一片與傷口創(chuàng)面接觸。聚氨酯人造皮可適用于三度燒傷病人，這種聚氨酯人造皮在制造后用鈷-60照射殺菌或蒸汽消毒，密封在紙塑復(fù)合袋中可長期保存。
6.6假肢
共聚醚脲型聚氨酯彈性體或聚醚型聚氨酯與人體組織有很好的相容性，可以用來制作人體假肢。聚酯聚氨酯泡沫彈性體可制作假腳。水發(fā)泡聚氨酯彈性體可制作假肢護(hù)套，其表面模仿人的真正皮膚，很容易洗滌，這種護(hù)套有很好的物理和機(jī)械性能，特別是在耐磨性能方面超過乳膠護(hù)套。
6.7聚氨酯繃帶
用聚氨酯材料制作的繃帶，操作簡便、使用衛(wèi)生、固化速度快、質(zhì)輕層薄、堅而韌，不易使皮膚發(fā)炎，是一種較為理想的新型矯形材料，代替了骨折病人一般使用的石膏繃帶，避免了石膏存在的很多缺點(diǎn)和不足，比如，質(zhì)重、強(qiáng)度低、透氣性差，特別在夏天，病人感到不舒服，而且石膏的透X射線能力差，固定后也不便檢查復(fù)位情況。
6.8其它應(yīng)用
聚氨酯彈性體還可用于制假牙和修補(bǔ)假牙上，這種假牙的生物相容性很好，具有良好吸水性及透氧性的透明聚氨酯水凝膠可作為隱形眼鏡材料。在人工腎、人工肺、人工肝臟等方面，高分子分離膜已逐漸代替纖維素膜。采用雙組分聚氨酯膠料，采用離心澆注的方法澆注在高分子中空纖維腎的末端周圍，而形成聚氨酯彈性體密封的腎分離膜，可把血液和滲析物分離開來。聚氨酯彈性材料可制作的人造軟骨，具有很好的減震性能，優(yōu)異的生物相容性及彈性和低的摩擦系數(shù)，類似于人類的軟骨，所以可用來制作肘部和腿部的人工骨或軟骨。
7．結(jié)語
醫(yī)用聚氨酯由于其特殊的結(jié)構(gòu)，使其具有結(jié)構(gòu)性能設(shè)計自由度大、優(yōu)異的物理機(jī)械性能以及較好的生物相容性等優(yōu)勢，因此被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)用材料。但聚氨酯的生物相容性還不能完全滿足臨床醫(yī)用要求，解決此類問題是今后研究的重點(diǎn)。
除了將其生物相容性改良外，現(xiàn)在國內(nèi)也已開始對可生物降解聚氨酯制造藥物緩釋材料、組織工程材料和人體修復(fù)材料等進(jìn)行研究，國內(nèi)應(yīng)該加強(qiáng)醫(yī)用聚氨酯材料的研究和臨床試驗(yàn)，形成系列化和規(guī)模化，滿足廣大患者的需求。
