基于异氰酸酯低温固化聚乙二醇-聚癸二酸甘油酯的制备与生物学应用

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生物弹性体是一类重要的生物医用高分子材料,其具有与软组织类似的性能,在软组织修复领域中应用广泛。常用的生物弹性体如聚氨酯、硅橡胶等弹性优异、力学强度高,但不可降解、生物相容性差,因此急需开发一种可生物吸收的、生物相容性好的、性能优异且可控的生物弹性体材料。聚癸二酸甘油酯(PGS)是一种强韧的弹性体材料,具有良好的生物相容性、降解性及弹性等,已普遍用于心肌、血管及软骨等领域的组织工程中。然而,复杂的固化过程(高温和真空)和有限的亲水性(接触角约90°)一定程度上限制了其进一步的发展。鉴于此,本课题构建了可低温固化的异氰酸酯基聚乙二醇-聚癸二酸甘油酯生物弹性体(PEGS-U)。本论文首先优化了PEGS-U的合成方法和主要合成工艺,进一步研究了聚乙二醇(PEG)及六亚甲基二异氰酸酯(HDI)含量的变化对材料力学性能、亲水性及降解的影响,并结合其合成工艺和理化性能探索了PEGS-U的潜在应用。得到的主要结论如下:  (1)PEGS-U预聚体的合成及固化方法的选择。合成了一系列不同羧基、羟基配比的PEGS预聚物,通过对羟基含量及分子量的分析,筛选出最优比。并在此基础上,采用溶剂法和无溶剂法,以HDI交联PEGS预聚物得到PEGS-U弹性体,研究了两种工艺对材料组成及结构的影响。结果表明,羧基、羟基摩尔比为1∶1的PEGS预聚体(PEGS-CH11)的分子量大、羟基含量多,最有利于三维网络的构建;两种制备方法均可在温和的条件下得到PEGS-U弹性体材料,它们的结构与组成基本一致,其中溶剂法中更加可控,无溶剂法则更有利于活性因子的负载。  (2)PEGS-U弹性体的可控制备及表征。在最优选的预聚体PEGS-CH11的基础上,采用溶剂法,对PEG(X)及HDI(m)的含量进行调控,制备了系列弹性体材料X-P-mUs,并研究了两者含量的变化对材料性能的影响。结果表明:PEG的引入能有效增强材料的亲水性(接触角从71.5°降低到28.6°)、弹性(拉伸应变从139.6%提高到272.8%)及生物相容性;HDI的增加能提高材料的力学强度(从0.32Mpa提高到7.6MPa)并可以延缓材料的降解。两个因素对材料性能的影响呈现互补的关系,赋予了材料极大的可控范围,从而为精准模拟应用组织部位的理化性能提供了可能性。  (3)生物弹性体PEGS-U的潜在应用。结合材料的制各工艺及性能,研究其在生物医学领域的潜在应用。结果表明,这些生物弹性体可在温和条件下快速成型并能被塑造成各种形状,根据其理化特点,弹性体可模拟受损组织的性能;并且,该生物弹性体还可制备成涂层,渗透进磷酸钙骨水泥(CPC)支架中,成功地解决了无机材料脆性大、易掉渣的缺点,从而提高了支架的力学性能(从1.72MPa提高到3.9MPa),并增强了支架在成骨方面的活性;更为引人注目的是该弹性体能负载蛋白并维持其活性,通过调控PEG及HDI的含量,蛋白的释放速率可以得到良好的控制。
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