本發(fā)明屬于智能材料中的溫敏性聚合物領(lǐng)域，涉及到一種具有良好生物相容性和溫敏特性聚合物材料的分子設(shè)計(jì)及其制備方法，具體涉及一種溫度響應(yīng)性聚氨酯材料及其制備方法，本聚合物材料本身是一種單一聚合物，而不是改性方法中兩種或多種聚合物的混合物、接枝物、共混物。

背景技術(shù)：

聚氨酯材料是聚氨基甲酸酯的簡(jiǎn)稱，英文名稱是polyurethane，它是一種高分子材料。聚氨酯是一種新興的有機(jī)高分子材料，被譽(yù)為“第五大塑料”，因其卓越的性能而被廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)眾多領(lǐng)域。產(chǎn)品應(yīng)用已涉及輕工、化工、電子、紡織、醫(yī)療、建筑、建材、汽車、國(guó)防、航天、航空等眾多領(lǐng)域。一般來(lái)說(shuō)，聚氨酯是由異氰酸酯基團(tuán)與含活性氫的化合物(如醇、胺、羧酸等)通過(guò)氫轉(zhuǎn)移加成反應(yīng)制備。根據(jù)不同的分子鏈結(jié)構(gòu)，聚氨酯可以分為線性聚氨酯聚氨酯(熱塑性)、支化和交聯(lián)的聚氨酯(熱固性)。分支與交聯(lián)聚氨酯可以由多元醇和異氰酸酯單體組分通過(guò)投料比以及反應(yīng)程度的控制，來(lái)合成支化型或者交聯(lián)的聚氨酯材料。

目前，與溫敏性相關(guān)的聚氨酯材料也有報(bào)道，但這些材料往往是長(zhǎng)鏈二元醇如聚乙二醇(PEG)、聚丙二醇(PPG)等與相應(yīng)的異氰酸酯反應(yīng)制得。例如，研究人員將聚(乙二醇)(PEG)、聚(ε-己內(nèi)酯二醇二醇)(PCL)分別為聚合單體和六亞甲基二異氰酸酯(HDI)進(jìn)行聚合反應(yīng)，制備出一系列嵌段型聚氨酯材料，并發(fā)現(xiàn)在一定條件下該聚氨酯材料可表現(xiàn)出溫度敏感性。四川大學(xué)的科研人員利用聚己內(nèi)酯二醇(PCL4000)為軟段，成功合成了含有4,4’-二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI)和1,4-丁二醇(BDO)的溫度敏感型聚氨酯。在甲烷磺酸催化劑存在下，Haritz Sardon等人成功地利用聚(乙二醇)二醇(Mn＝1500)、二羥甲基丙酸和異佛爾酮二異氰酸酯合成了一種溫敏性聚氨酯材料。以上這些溫敏性聚氨酯材料屬于嵌段型聚合物材料，而非無(wú)規(guī)型聚合物；另外，這些材料溫敏特性主要是依靠聚醚結(jié)構(gòu)，聚乙二醇與聚丙二醇本身就具有一定的溫敏性。

作為一種最重要的智能材料，溫敏性聚合物是指對(duì)外界環(huán)境溫度具有可逆響應(yīng)特性的材料。溫敏性聚合物材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于藥物控制釋放、生物分離、酶固定化、免疫分析等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。溫敏性聚合物材料的一個(gè)最重要的物理參數(shù)就是最低臨界溶解溫度(LCST)或最高臨界溶解溫度(UCST)，即聚合物在水溶液中隨溫度改變而可逆地發(fā)生明顯相變時(shí)的溫度。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，溫敏性聚合物材料的實(shí)際應(yīng)用必然涉及到兩個(gè)最基本的問(wèn)題：第一，臨界溶解溫度(LCST或UCST)的調(diào)控，即控制材料的響應(yīng)溫度，如賦予材料在生理體溫范圍內(nèi)具有溫敏特性；第二，溫敏性聚合物材料的生物可降解性與生物相容性，即保證材料在實(shí)際應(yīng)用中具有優(yōu)異的生物可降解性與生物相容性，對(duì)組織無(wú)排異性或毒性。

由于溫敏聚合物材料的實(shí)際應(yīng)用多與生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域密切相關(guān)，其良好的生物相容性與生物降解性無(wú)疑是溫敏聚合物材料的必然要求，也是對(duì)人體安全的重要保證。只有溫敏性聚合物材料具備了良好的生物相容性與生物降解性，材料對(duì)人體本身才會(huì)更安全、更可靠，這樣的溫敏聚合物材料才具有真正的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和開(kāi)發(fā)前景。但遺憾的是，常用的溫敏性聚合物多以碳鏈型為主，碳碳鍵的主鏈結(jié)構(gòu)(-C-C-)往往使得材料不具備良好的生物相容性或生物降解性，限制了這類材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域更廣泛的實(shí)際應(yīng)用。例如，最常用的研究最廣泛的碳鏈型溫敏性聚合物材料之一則是聚(N-異丙基丙烯酰胺)，而這種聚合物材料已對(duì)身體已表現(xiàn)出了排異性。例如，由聚(N-異丙基丙烯酰胺)制備的藥物膠囊對(duì)眼睛存在著刺激作用。另外，其他N-取代(甲基)丙烯酰胺等溫敏性聚合物在降解/水解過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生對(duì)身體有害的小分子胺類化合物，導(dǎo)致其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用受到極大制約。

在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，同時(shí)賦予聚合物材料優(yōu)異的生物降解性、生物相容性以及溫敏特性是智能材料研究與開(kāi)發(fā)中重要的方向之一。為了將溫敏性聚合物材料賦予良好的生物相容性與生物降解性，人們通常將具有生物降解性和生物相容性的天然聚合物如殼聚糖、明膠、淀粉、纖維素等和具有溫敏特性的碳鏈型聚合物進(jìn)行必要的改性。改性的方法包括了共混、嵌段和接枝等技術(shù)手段，所獲得的材料實(shí)際上是多種聚合物的混合物、接枝物、共混物。國(guó)內(nèi)學(xué)者卓仁禧、陳莉等在此方面做了大量研究工作。卓仁禧選擇魔芋葡甘聚糖和聚(N-異丙基丙烯酰胺)為兩種組份，采用互穿網(wǎng)絡(luò)技術(shù)合成了具有生物酶可降解特性的溫敏性凝膠；陳莉則將葡聚糖與N-異丙基丙烯酰胺直接進(jìn)行接枝聚合，發(fā)現(xiàn)凝膠對(duì)蛋白質(zhì)溶液具有較好的濃縮分離能力。通過(guò)上述改性方法，在一定程度上可以改善或者提高溫敏聚合物材料的生物相容性，但卻帶來(lái)兩個(gè)難以解決的重要技術(shù)問(wèn)題：第一，由于碳鏈型溫敏聚合物的存在，改性后材料本身仍然不具備最佳的生物相容性，也不可能完全生物降解；第二，因?yàn)榉菧孛粜蕴烊痪酆衔锏囊?，改性后材料的溫敏特性亦?huì)隨天然聚合物含量的增加而降低，甚至徹底消失。因此，通過(guò)碳鏈型溫敏聚合物與天然聚合物的改性方法，無(wú)法同時(shí)兼顧良好的生物相容性，生物降解性以及溫敏特性。換句話說(shuō)，改性后的聚合物材料并不能同時(shí)具備優(yōu)異的生物相容性、生物降解性、溫敏特性，無(wú)法使得這三種性能均達(dá)到最佳。所以，設(shè)計(jì)、制備一種既具有良好的溫敏特性，又具備優(yōu)異的生物相容性、生物降解性的雜鏈型聚合物材料，無(wú)疑是溫敏聚合物材料開(kāi)發(fā)領(lǐng)域中亟待解決的重要技術(shù)難題，這也是本發(fā)明的出發(fā)點(diǎn)和目的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)中通過(guò)改性制備的聚合物材料不能同時(shí)具備生物相容性、生物降解性和溫敏特性的技術(shù)難題，提供了一種溫度響應(yīng)性聚氨酯材料及其制備方法，本發(fā)明的聚合物材料為單一的聚合物，而不是多種聚合物的混合物、共混物、接枝物，本聚合物材料同時(shí)具備優(yōu)異的生物相容性、生物降解性和溫敏特性。

本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)其目的采用的技術(shù)方案是：

一種溫度響應(yīng)性聚氨酯材料，該聚氨酯材料由式(I)所示的結(jié)構(gòu)單元組成，該聚氨酯材料為無(wú)規(guī)共聚物，該聚氨酯材料的分子量為0.85-2.45×10⁴；

其中，m＝2,3,4,5；n＝25-100。

該聚氨酯材料包括聚(二甘醇-賴氨酸乙酯二異氰酸酯)材料、聚(三甘醇-賴氨酸乙酯二異氰酸酯)材料、聚(四甘醇-賴氨酸乙酯二異氰酸酯)材料、聚(五甘醇-賴氨酸乙酯二異氰酸酯)材料。

溫度響應(yīng)性聚氨酯材料的制備方法，以賴氨酸乙酯二異氰酸酯和二甘醇或三甘醇或四甘醇或五甘醇為原料，攪拌狀態(tài)下，于室溫反應(yīng)45-50h，得反應(yīng)產(chǎn)物，然后用有機(jī)溶劑(例如甲醇)將反應(yīng)產(chǎn)物溶解，經(jīng)透析、干燥后，得到聚(二甘醇-賴氨酸乙酯二異氰酸酯)材料或聚(三甘醇-賴氨酸乙酯二異氰酸酯)材料或聚(四甘醇-賴氨酸乙酯二異氰酸酯)材料或聚(五甘醇-賴氨酸乙酯二異氰酸酯)材料。干燥時(shí)優(yōu)選采用冷凍干燥機(jī)干燥45-50h。

賴氨酸乙酯二異氰酸酯與二甘醇或三甘醇或四甘醇或五甘醇的摩爾比為1：(0.95-1.1)。

所述透析包括，將用有機(jī)溶劑(例如甲醇)溶解后的反應(yīng)產(chǎn)物置于透析膜中，加蒸餾水密封好，然后置于盛有蒸餾水的容器中透析20-30h，透析袋最大透過(guò)聚合物分子量為2500；容器中加入有磁子，用于攪拌蒸餾水，可加快透析速度，節(jié)省時(shí)間。

透析時(shí)，每隔4-6h更換一次容器中的蒸餾水。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明是通過(guò)賴氨酸乙酯二異氰酸酯和四種甘醇單體的分別直接聚合，制備出四種具有溫敏特性的聚氨酯材料。本發(fā)明溫度響應(yīng)性聚氨酯材料本身是一種單一聚合物，而不是改性方法中兩種或多種聚合物的混合物、接枝物、共混物，更不是嵌段聚合物。同時(shí)，本發(fā)明中所制備的溫敏性材料屬于雜鏈型聚合物，在其大分子主鏈上含有氨基甲酸酯基團(tuán)，在側(cè)基上又含有酯鍵。因此，這種新型溫敏聚合物材料的成功制備可有效避免改性方法中材料本身仍然不可能完全降解或生物相容性差的問(wèn)題；也避免了改性方法中非溫敏性天然聚合物的引入所導(dǎo)致的溫敏特性降低或消失。換句話說(shuō)，本發(fā)明所制備的聚合物材料不僅具有良好的溫敏特性，而且還兼顧了優(yōu)異的生物相容性和生物降解性，為其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用提供了重要的安全保障。

本發(fā)明制備方法可以制備出具有溫敏特性的聚氨酯材料，該聚合物分子量在0.85～2.45萬(wàn)，在15-35度范圍內(nèi)可對(duì)外界溫度具有優(yōu)異的可逆響應(yīng)特性，即其最低臨界溫度(LCST)為15-35度，接近室溫和人體體溫。另外，通過(guò)本發(fā)明溫度響應(yīng)性聚氨酯材料的細(xì)胞毒性進(jìn)行評(píng)價(jià)后，可知24和48小時(shí)的培育后，HeLa細(xì)胞存活率(在0.01–100μ克/毫升聚氨酯溶液)可達(dá)到70％以上，顯示其良好的生物相容性?？傊@種具有溫敏特性、生物相容性的聚氨酯，是一種很有前途的“智能”材料，可在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域加以應(yīng)用。

本發(fā)明所制備的聚合物材料，不僅具有溫敏特性，同時(shí)兼?zhèn)淞藘?yōu)異的生物相容性和生物降解性。因此，這種新型的溫敏性聚合物材料可以在藥物控制釋放、生物分離、免疫分析等方面具有較高的應(yīng)用價(jià)值和開(kāi)發(fā)前景，尤其是對(duì)溫敏性材料的生物相容性/生物降解性要求較高的生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

附圖說(shuō)明

圖1是聚(二甘醇-賴氨酸乙酯二異氰酸酯)材料紅外光譜圖。

圖2是聚(三甘醇-賴氨酸乙酯二異氰酸酯)材料紅外光譜圖。

圖3是聚(四甘醇-賴氨酸乙酯二異氰酸酯)材料紅外光譜圖。

圖4是聚(五甘醇-賴氨酸乙酯二異氰酸酯)材料紅外光譜圖。

圖5是聚(二甘醇-賴氨酸乙酯二異氰酸酯)材料核磁共振氫譜圖。

圖6是聚(三甘醇-賴氨酸乙酯二異氰酸酯)材料核磁共振氫譜圖。

圖7是聚(四甘醇-賴氨酸乙酯二異氰酸酯)材料核磁共振氫譜圖。

圖8是聚(五甘醇-賴氨酸乙酯二異氰酸酯)材料核磁共振氫譜圖。

圖9是四種聚氨酯材料水溶液透光率隨溫度的變化曲線圖。其中，PDILD代表聚(二甘醇-賴氨酸乙酯二異氰酸酯)材料，PTRLD代表聚(三甘醇-賴氨酸乙酯二異氰酸酯)材料，PTELD代表聚(四甘醇-賴氨酸乙酯二異氰酸酯)材料，PPELD代表聚(五甘醇-賴氨酸乙酯二異氰酸酯)材料。

圖10是不同濃度的聚(三甘醇-賴氨酸乙酯二異氰酸酯)材料水溶液透光率隨溫度的變化曲線圖。

圖11是聚(三甘醇-賴氨酸乙酯二異氰酸酯)材料的細(xì)胞毒性評(píng)價(jià)圖.

具體實(shí)施方式

溫敏性聚合物應(yīng)用在藥物緩釋、蛋白分離和組織修復(fù)等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。由于溫敏聚合物的應(yīng)用與生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域密切相關(guān)，優(yōu)異的生物相容性是溫敏聚合物材料在實(shí)際應(yīng)用中的客觀要求，也是對(duì)人體安全的重要保證。在本發(fā)明中，我們選用賴氨酸乙酯二異氰酸酯和四種甘醇小分子，即二甘醇、三甘醇、四甘醇、五甘醇為聚合單體，經(jīng)聚合反應(yīng)直接制備出四種具有優(yōu)異的溫敏特性，又兼?zhèn)淞己蒙锵嗳菪跃郯滨ゲ牧?。這種溫敏性材料是一種雜鏈型聚合物，其分子量在0.85-2.45萬(wàn)，分子量分布為1.3-2.6。下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。

實(shí)施例1、聚(二甘醇-賴氨酸乙酯二異氰酸酯)材料的制備

在50mL單口燒瓶中放入攪拌磁子，先加入0.835g二甘醇液體，再用5mL注射器稱取1.78g L-賴氨酸二異氰酸酯，打開(kāi)磁子攪拌器，攪拌狀態(tài)下緩慢滴加進(jìn)單口燒瓶中，使兩種液體在燒瓶中充分混合。在室溫下反應(yīng)48h。停止反應(yīng)后，得到較堅(jiān)硬的膠狀體。將反應(yīng)產(chǎn)物用適量甲醇全部溶解，轉(zhuǎn)移至透析膜中，加蒸餾水密封好，放入盛有適量蒸餾水的大燒杯中進(jìn)行透析。在大燒杯中加入磁子，并每隔5h更換一次大燒杯中的蒸餾水，保證透析充分。透析36h后將透析膜取出，將透析膜中透析好的產(chǎn)物轉(zhuǎn)移至干凈的小燒杯中，用冷凍干燥機(jī)干燥兩天，干燥完全后得到最終產(chǎn)物。產(chǎn)物為淡黃色透明膠狀固體，產(chǎn)物質(zhì)量0.693g，產(chǎn)率為26.5％。

本實(shí)施例反應(yīng)方程式如下所示，其中R＝CH₂CH₃，

實(shí)施例2、聚(三甘醇-賴氨酸乙酯二異氰酸酯)材料的制備

在50mL單口燒瓶中放入攪拌磁子，先加入1.37g三甘醇液體，再用5mL注射器稱取2.04g L-賴氨酸二異氰酸酯，打開(kāi)磁子攪拌器，攪拌狀態(tài)下緩慢滴加進(jìn)單口燒瓶中，使兩種液體在燒瓶中充分混合。在室溫下反應(yīng)48h。停止反應(yīng)后，得到堅(jiān)硬的膠狀體。將反應(yīng)產(chǎn)物用適量甲醇全部溶解，轉(zhuǎn)移至透析膜中，加蒸餾水密封好，放入盛有適量蒸餾水的大燒杯中進(jìn)行透析。在大燒杯中加入磁子，并每隔5h更換一次大燒杯中的蒸餾水，保證透析充分。透析48h后將透析膜取出，將透析膜中透析好的產(chǎn)物轉(zhuǎn)移至干凈的小燒杯中，用冷凍干燥機(jī)干燥兩天，干燥完全后得到最終產(chǎn)物。產(chǎn)物為無(wú)色透明膠狀固體，產(chǎn)物質(zhì)量1.23g，產(chǎn)率為36.0％。

本實(shí)施例反應(yīng)方程式如下所示，其中R＝-CH₂CH₃，R₁＝CH₂CH₂，

實(shí)施例3、聚(四甘醇-賴氨酸乙酯二異氰酸酯)材料的制備

在50mL單口燒瓶中放入攪拌磁子，先加入1.80g四甘醇單體，再用5mL注射器稱取2.04g L-賴氨酸二異氰酸酯，打開(kāi)磁子攪拌器，攪拌狀態(tài)下緩慢滴加進(jìn)單口燒瓶中，使兩種液體在燒瓶中充分混合。在室溫下反應(yīng)48h。停止反應(yīng)后，得到堅(jiān)硬的膠狀體。將反應(yīng)產(chǎn)物用適量甲醇全部溶解，轉(zhuǎn)移至透析膜中，加蒸餾水密封好，放入盛有適量蒸餾水的大燒杯中進(jìn)行透析。在大燒杯中加入磁子，并每隔5h更換一次大燒杯中的蒸餾水，保證透析充分。透析24h后將透析膜取出，將透析膜中透析好的產(chǎn)物轉(zhuǎn)移至干凈的小燒杯中，用冷凍干燥機(jī)干燥兩天，干燥完全后得到最終產(chǎn)物。產(chǎn)物為黃色透明膠狀固體，產(chǎn)物質(zhì)量1.58g，產(chǎn)率為41.2％。

本實(shí)施例反應(yīng)方程式如下所示，其中R＝-CH₂CH₃，R₁＝CH₂CH₂，

實(shí)施例4、聚(五甘醇-賴氨酸乙酯二異氰酸酯)材料的制備

在50mL單口燒瓶中放入攪拌磁子，先加入2.66g五甘醇單體，再用5mL注射器稱取2.52g L-賴氨酸二異氰酸酯，打開(kāi)磁子攪拌器，攪拌狀態(tài)下緩慢滴加進(jìn)單口燒瓶中，使兩種液體在燒瓶中充分混合。在室溫下反應(yīng)48h。停止反應(yīng)后，得到堅(jiān)硬的膠狀體。將反應(yīng)產(chǎn)物用適量甲醇全部溶解，轉(zhuǎn)移至透析膜中，加蒸餾水密封好，放入盛有適量蒸餾水的大燒杯中進(jìn)行透析。在大燒杯中加入磁子，并每隔5h更換一次大燒杯中的蒸餾水，保證透析充分。透析24h后將透析膜取出，將透析膜中透析好的產(chǎn)物轉(zhuǎn)移至干凈的小燒杯中，用冷凍干燥機(jī)干燥兩天，干燥完全后得到最終產(chǎn)物。產(chǎn)物為黃色透明膠狀固體，產(chǎn)物質(zhì)量1.54g，產(chǎn)率為29.8％。

本實(shí)施例反應(yīng)方程式如下所示，其中R＝-CH₂CH₃，R₁＝CH₂CH₂，

在本發(fā)明中，我們利用小分子單體：天然賴氨酸衍生物、一系列甘醇來(lái)制備具有溫敏特性的聚氨酯材料。我們已經(jīng)成功地合成了一系列聚(二甘醇-賴氨酸乙酯二異氰酸酯)、聚(三甘醇-賴氨酸乙酯二異氰酸酯)、聚(四甘醇-賴氨酸乙酯二異氰酸酯)、聚(五甘醇-賴氨酸乙酯二異氰酸酯)材料。這四種聚氨酯材料均顯示了一個(gè)可逆的LCST相變?cè)?5-35℃，即具有溫敏特性，且接近室溫和人體溫度。聚氨酯的分子量為溫敏性的一個(gè)特別重要的因素：幾種聚氨酯在沒(méi)有錫催化下所得分子量(Mn)約1-2×10⁴，均顯示溫度響應(yīng)。但是，使用錫催化下聚合，則所得聚氨酯分子量超過(guò)四萬(wàn)，材料沒(méi)有溫敏特性。其原因可能是，過(guò)高分子量的聚合物鏈之間存在著較強(qiáng)的分子間作用(氫鍵)，導(dǎo)致水不能溶解聚合物材料。

在本發(fā)明中，通過(guò)MTT法對(duì)溫度響應(yīng)性聚氨酯材料的細(xì)胞毒性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。如圖11所示，經(jīng)過(guò)24、和48小時(shí)的Hela細(xì)胞培養(yǎng)后，在四種不同濃度聚合物溶液中Hela細(xì)胞的增殖率保持均在70％以上，這說(shuō)明本發(fā)明中溫度響應(yīng)性聚氨酯材料對(duì)細(xì)胞繁殖不存在抑制作用，無(wú)細(xì)胞毒性?？梢?jiàn)，本發(fā)明中所制備的溫度響應(yīng)性聚氨酯對(duì)Hela細(xì)胞抑制作用極低，其生物相容性優(yōu)異。