聚氨酯在骨组织工程中的应用
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聚氨酯在骨组织工程中的应用

组织工程(Tissue Engineering,简称 TE)最早由 Langer 和 Vacanti 于 1993 年提出。组织工程旨在帮助人体受损组织的再生与修复。受损组织的再生主要需要细胞增殖、分化和黏附三个基本过程。用于制造支架的材料在组织再生过程中发挥着重要作用。支架可作为人工细胞外基质[1],并可由天然聚合物或合成聚合物制成。由于合成聚合物具有成本效益高、加工方便以及更易应用于受损组织等特点,因此在支架材料领域得到了广泛应用。尽管根据所使用聚合物材料的不同,可能存在免疫系统刺激或细胞毒性的风险,但由于这些材料具有适宜的降解速率、孔隙率和机械性能,因此在医疗领域和药物递送方面具有广泛应用。它们还具有可预测的机械性能,例如强度、弹性和降解速率。用于制造支架的合成聚合物通常与蛋白质等天然聚合物结合使用。例如,PGA(聚乙醇酸)是一种具有线性结构的聚酯,其降解时间相对较长。由于其副产物乙醇酸可通过尿液排出体外,因此具有较好的安全性。然而,为了提高 PGA 在骨缺损修复过程中的降解速率,可以将其与胶原蛋白等天然聚合物制成复合材料,例如在兔颅骨缺损修复研究中已获得较好的结果。

聚氨酯在骨组织工程和组织再生中的应用

图 1,组织工程在人体中应用的总体示意图

[1] ECM: Extracellular Matrix(细胞外基质)

聚氨酯在骨组织工程和支架制备中的应用

聚氨酯是用于增强组织工程支架的一类合成聚合物,具有良好的生物相容性、生物可降解性、优异的氧化稳定性以及适宜的机械性能。根据 PU 的结构以及所使用材料分子量的不同,可以获得具有高度柔性的聚氨酯结构。

骨组织工程中的聚氨酯支架

图 2,人体内使用的支架总体结构

由于具有良好的性能,静电纺丝 PU 纤维被广泛应用于皮肤和骨移植领域。

聚合物和纳米颗粒在骨组织工程中的应用过程

图 3,聚合物和纳米颗粒在组织工程中应用过程的整体示意图

聚乳酸(PLA)、聚己内酯(PCL)和聚丁二酸丁二醇酯(PBS)等可生物降解脂肪族聚酯,被广泛用作 PU 中的多元醇基础材料。然而,由于其机械性能有限,通常需要进行物理和化学改性。在这些聚酯中,PBS 可来源于生物基资源,并能够在热性能和机械性能之间实现良好的平衡。PBS 具有高结晶度、较低的结晶速率、较低的熔体强度和较低的抗撕裂性能。为了改善其机械性能,可将聚丁二酸丁二醇酯与聚四亚甲基醚二醇(PTMG)进行共聚,其中 PTMG 的含量分别为 5%、10%、20%、30%、40%、50%、60% 和 70%。在该共聚过程中,PBS 作为硬段,而 PTMG 作为软段。所得共聚物简称为 PBSTMG。下面将对这些样品的不同性能进行分析。

机械性能

表 1 展示了 PBS、PBSTMG 共聚物以及不同配比 PBS 和 PBSTMG 体系的性能。当 PTMG 多元醇含量为 10% 或低于 10% 时,PBSTMG 共聚物的拉伸强度会降低。此外,随着 PTMG 含量的增加,共聚物的断裂伸长率和冲击强度得到明显改善。特别是在 PTMG 含量为 10% 时,共聚物的冲击强度约为 PBS 的 4.5 倍。

PBS和PBSTMG共聚物的机械性能

表 1,PBS、PBSTMG 以及 PBS-PTMG 体系的机械性能

熔融和结晶行为分析

通过 DSC 分析,在图 1 中得到两条曲线,其中图(a)表示冷却(Cooling)过程,图(b)表示加热(Heating)过程。随着 PTMG 含量的增加,熔融温度、结晶温度以及结晶度均有所下降。随着 PTMG 含量继续增加,结晶峰逐渐降低;当 PTMG 含量达到 20% 时,仅能观察到非常小的结晶峰。因此,共聚过程会直接影响材料的结晶性能。

PBS和PBSTMG共聚物的DSC分析

图 1,PBS 和 PBSTMG 共聚物的 DSC 分析,两条曲线的升降温速率均为 10°C/min

对于典型的 PBS 基共聚物,引入第三种单体会对熔点和结晶度产生显著影响。通过共聚,能够结晶的链段长度会降低,同时外来结构单元会从晶格中排除。随着共聚单体含量增加,PBS 晶片(lamella)的厚度降低。此外,引入第三种单体也会导致熔融温度和结晶温度下降。

热稳定性分析

热重分析(TGA)对于评估所制备材料的实际应用性能非常重要,该测试在氮气气氛下进行。根据图中结果,PBS 与含不同 PTMG 比例的其他共聚物表现出非常接近的热稳定性。因此,可以认为共聚过程对材料热稳定性的影响并不显著。

PBS和PBSTMG共聚物的热稳定性分析

图 2,PBS 和 PBSTMG 共聚物在氮气气氛下的 TGA 分析,升温速率为 10°C/min

动态力学分析

动态力学分析(DMA)用于研究 PBS 和 PBSTMG 共聚物的黏弹性能,包括模量和损耗性能。PTMG 含量对模量和玻璃化转变温度具有显著影响。在玻璃化转变温度范围内,由于分子运动受到限制,材料的模量会受到影响,并且所有共聚物的模量均有所增加。图 3a 表明,随着 PTMG 含量增加,模量及其峰值升高。图 3b 显示,随着 PTMG 含量增加,峰形逐渐变窄,并向更低温度移动,从 -42.9°C 移至 -67.4°C。当 PTMG 含量为 10%、15% 和 20% 时,可在损耗曲线中观察到两个峰,这表明共聚物内部存在相分离现象。

PBS和PBSTMG共聚物的动态力学分析

图 3,温度对 PBS 和 PBSTMG 共聚物(a)模量和(b)损耗性能的影响

晶体结构分析(WAX)

该测试用于研究共聚物的物理结构特征。根据图中结果,各峰的位置基本保持不变,这是因为 PTMG 并未改变材料的晶格结构。然而,随着 PTMG 含量增加,各衍射峰逐渐变得不明显,峰强度也随之下降。这一结果与 DSC 分析所得结果一致。

PBS和PBSTMG共聚物的晶体结构分析

图 4,不同 PTMG 含量下 PBS 和 PBSTMG 共聚物的 X 射线衍射分析

骨组织工程支架的制备方法

目前已有多种方法用于制造和设计合适的组织工程支架,包括相分离法、气体发泡法、冷冻干燥乳液法、溶剂浇铸法以及静电纺丝法。

聚氨酯支架制备及纳米颗粒添加过程

图 4,利用聚氨酯原料并添加纳米颗粒制备支架的过程

上图简要展示了聚合反应、异氰酸酯的加入以及纳米颗粒的添加过程。纳米颗粒的加入能够显著改善材料的机械性能。最终制备得到的材料还可应用于药物递送领域。

结论

由于聚氨酯具有可调节的机械性能、良好的生物相容性以及用于支架制造的潜力,聚氨酯在骨组织工程中的应用受到广泛关注。改善聚氨酯机械性能的一种方法是对聚酯和多元醇进行共聚。根据上述研究结果,聚氨酯泡沫能够为骨支架提供良好的性能,并可通过不同方法加工成适用于骨组织工程的支架材料。因此,聚氨酯在骨组织工程中的应用与研究具有重要意义。

参考文献:

  1. Javid‐Naderi, M.J., Behravan, J., Karimi‐Hajishohreh, N. and Toosi, S., 2023. Synthetic polymers as bone engineering scaffold. Polymers for Advanced Technologies.
  2. Wu, S., Zhang, Y., Han, J., Xie, Z., Xu, J. and Guo, B., 2017. Copolymerization with polyether segments improves the mechanical properties of biodegradable polyesters. ACS Omega, 2(6), pp.2639-2648.
  3. Joseph, J., Patel, R.M., Wenham, A. and Smith, J.R., 2018. Biomedical applications of polyurethane materials and coatings. Transactions of the IMF, 96(3), pp.121-129.

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