可降解聚氨酯骨膠黏劑的研究

朱 祺， 雷 昆， 鄭 震， 王新靈， 肖海軍

（1. 上海交通大學化學化工學院，上海 200240；2. 上海市奉賢區(qū)中心醫(yī)院骨科，上海 201400）

粉碎性骨折是生活中常見的損傷之一，較小的碎骨片很難固定，給臨床治療帶來了困難。目前主要的治療方法多是利用螺釘、鋼針、鋼絲、絲線等進行固定, 或僅保持骨折的力線，但這樣往往造成肢體功能障礙等后遺癥[1]。使用骨膠黏劑對碎骨塊進行黏合、復位，將小骨塊迅速地黏接起來，則是一種更有前景的治療方法。此外，使用骨膠黏劑可以將應力均勻地負載在骨片上，從而降低應力集中效應，且不需要在愈合完成后移除金屬植入物。理想的骨膠黏劑應滿足以下要求：首先，骨膠黏劑必須具有足夠的黏合強度，尤其是在潮濕的環(huán)境下，因為骨折周圍常常有大量的血液和組織液；其次，骨膠黏劑應具有良好的生物相容性，降解產物不含有細胞毒性物質；此外，還需要足夠的“工作時間”（即使用膠黏劑將骨片黏接起來所需的操作時間），黏接完成后能快速固化，且反應放熱較低[2,3]。

最早作為骨膠黏劑研究的是氰基丙烯酸酯類物質，但其單體的細胞毒性較高，因而并沒有相關產品問世。聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)骨水泥廣泛用于膝關節(jié)和髖關節(jié)置換中的填充物，但其黏接強度較差，聚合物毒性高，聚合過程中的反應溫度較高[4,5]。磷酸鈣(CPC)骨水泥長期以來被用于骨移植替代品和填充劑，其最顯著的優(yōu)點在于成分與骨骼成分高度相似；但磷酸鈣類材料相對脆弱，且對骨的黏附力較差，因此不太適合作為骨膠黏劑使用[2]。將焦磷酸和磷酸絲氨酸摻入CPC 中，可以提高CPC 對骨的黏附力[6,7]。生物衍生類膠黏劑，如纖維蛋白膠黏劑[8]、貽貝黏附蛋白[9]和“沙堡膠”[10]等，通常表現(xiàn)出良好的生物相容性和生物可降解性，但由于其力學性能較低，對骨的附著力較差難以推廣應用。

聚氨酯膠黏劑在骨科領域的應用也受到了極大關注。氪石骨水泥(KBC)，是一種蓖麻油基聚氨酯膠黏劑，具有良好的力學性能和生物相容性，已被批準用于胸骨閉合的臨床試驗，但由于其穩(wěn)定性較好，因此在體內代謝緩慢[11,12]。本文利用ε-己內酯、乙交酯、D，L-丙交酯等進行開環(huán)聚合合成聚酯三元醇，并將其引入聚氨酯膠黏劑體系中，獲得一種室溫固化的聚氨酯膠黏劑，其黏接強度與KBC 相近[13]，且具有較快的降解速率。

1 實驗部分

1.1 原料與試劑

五甲基二乙烯三胺、辛酸亞錫：分析純，上海阿拉丁生化科技有限公司；催化劑F：分析純，東曹(上海)生物科技有限公司；蓖麻油改性二元醇(D290)：凡特魯斯(上海)貿易有限公司；ε-己內酯、丙三醇：分析純，阿達瑪斯試劑有限公司；乙交酯、D，L-丙交酯：分析純，深圳市博立生物材料有限公司；鄰苯二甲酸酐、酚酞、吡啶、氫化鈣、無水乙醇、溴甲酚綠、鄰苯二甲酸酐、吡啶：分析純，上海凌峰化學試劑有限公司；二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI-50)：化學純，煙臺萬華股份有限公司；多亞甲基多苯基多異氰酸酯(PMDI)：化學純，巴斯夫股份公司；氘代氯仿(CDCl3)：色譜純，Sigma-Aldrich 公司；β-磷酸三鈣(β-TCP)：化學純，南京埃普瑞納米材料有限公司；骨水泥（Mendec spine）Tecres 公司。丙三醇使用前在80 ℃抽真空除水3 h。ε-己內酯加入氫化鈣攪拌24 h 后，減壓蒸餾取110 ℃的餾分，密封保存于干燥器中。D290 使用前在110 ℃抽真空除水2 h。

1.2 聚(ε-己內酯-乙交酯-D，L-丙交酯)三元醇的制備

典型的聚酯三元醇合成反應如下[14]：使用注射器，準確移取11.5 mL 預干燥丙三醇、32.7 mL 預干燥ε-己內酯于150 mL 單口燒瓶中，再用分析天平準確稱量乙交酯10.00 g，D，L-丙交酯5.00 g，加入燒瓶中，用移液槍向瓶中加入辛酸亞錫52 μL (辛酸亞錫在溶液中的質量分數(shù)為0.1%)，升溫至140 ℃，在氮氣保護下反應36 h，得到淡黃色液體，并利用羥值滴定法測定所制備的聚酯三元醇分子量。分別制備理論數(shù)均分子量為400 和800 的聚酯三元醇，并將其依次標記為6C400 和6C800。反應中涉及的方程式如圖1 所示。

圖 1 合成聚酯三元醇的反應示意圖(R1, R2, R3 是ε-己內酯、乙交酯和D，L-丙交酯這3 種小分子的一種或幾種共聚物)Fig. 1 Synthetic scheme of polyester triol (R1, R2, R3 are one or several copolymers of ε-caprolactone, glycolide and D，L-lactide)

1.3 羥值滴定

采用苯酐-吡啶滴定法，準確稱量42.00 g 鄰苯二甲酸酐溶于300.0 mL 吡啶中，再加入6.00 g 咪唑，混合均勻，將?；瘎┓胖眠^夜后使用。

準確稱取20.00 g 氫氧化鈉，加入1 000 mL 容量瓶中，配制濃度為0.5 mol/L 的NaOH 滴定液。用天平稱取約0.4 g 6C400 或0.8 g 6C800，置于錐形瓶中，用10 mL 移液管移取預先配制的?；瘎?，在115 ℃油浴條件下，冷凝回流0.5 h，使用吡啶多次沖洗冷凝管內壁及塞口上附著的液體至錐形瓶，加10 mL 蒸餾水搖晃數(shù)分鐘，再加5 滴提前配制的質量分數(shù)為1%的酚酞指示劑，滴定至桃紅色，15 s 不褪色，測試3 次取平均值。另做空白實驗（條件相同，不加樣品），按公式（1）計算樣品的羥值（Qv）：

式中：c 為NaOH 滴定液濃度，V0為空白樣滴定體積，VS為樣品滴定體積，m 為所取樣品質量。通過羥值滴定計算得到所制備聚酯三元醇6C400 和6C800 的實際數(shù)均分子量分別為520 和886。

1.4 蓖麻油基聚氨酯預聚體的合成

將預先干燥的D290 (20.0 g)加入到配備有磁力攪拌器、氮氣入口的三頸瓶中，將MDI-50 (26.9 g)、PMDI(26.9 g)加入到燒瓶中，在氮氣氣氛下攪拌，并加熱至80 ℃反應2.5 h，得到預聚體。用甲苯-二正丁胺法測定聚氨酯預聚物中NCO 的含量。

1.5 聚氨酯膠黏劑的合成

將5.00 g 聚酯三元醇6C400，0.036 g 五甲基二乙烯三胺（催化劑）、0.004 g 催化劑F 與0.05 g 水（發(fā)泡劑）加入燒杯中，在室溫下1 500 r/min 攪拌2 min，混合均勻后，以異氰酸酯基團與羥基物質的量之比1∶1 的計量加入10.05 g 預聚體，在1 500 r/min 下攪拌30 s，轉移至模具中，37 ℃下固化24 h，得到聚氨酯PU-6C400。改變聚酯三元醇類型，用同樣方法得到PU-6C800。對于含有填料的組別，將β-TCP 先與聚酯三元醇混合后再和預聚體反應，分別得到PU-6C400-F 和PU-6C800-F。

1.6 測試與分析

采用德國AVANCE500 超導傅里葉變換核磁共振波譜儀對聚酯三元醇進行核磁共振氫譜(1H-NMR)表征；傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)和全反射紅外光譜(ATR-IR)均采用美國Perkin-Elmer 公司Paragon 1000 傅里葉變換光譜儀器，將預聚體樣品溶于二氯甲烷中，用KBr 壓片，烘干后測試，聚氨酯樣品直接用ATR-IR 進行測試；參照GB/T 8813—2008，利用MTS 公司Criterion 43 型通用測試儀對聚氨酯樣品進行壓縮測試；將新鮮豬肋骨拋光為約8 mm×12 mm×40 mm 的長方體，在中心切成兩半，將斷裂面黏接，并用磷酸鹽緩沖溶液(PBS)浸濕的紗布包裹，模擬體內環(huán)境，在37 ℃烘箱中固化24 h，利用MTS 公司Criterion 43 型通用測試儀測試膠黏劑的黏接強度；采用Nova NanoSEM 450 型場發(fā)射掃描電子顯微鏡表征聚氨酯的微觀結構；利用美國TA 公司Q2000 型差示掃描量熱儀測試樣品的玻璃化轉變溫度；將聚氨酯樣品放置于盛有0.1 mol/L、pH=7.4 PBS 溶液的小瓶中，然后將其置于37 ℃的恒溫振蕩箱中，測試其降解速率。

2 結果與討論

2.1 1H-NMR 分析

聚酯三元醇6C400 的1H-NMR 譜圖如圖2 所示。化學位移5.1～5.3 處的吸收峰為丙交酯中次甲基的特征峰；7.2 附近為CDCl3峰；4.6～4.9 處的吸收峰為乙交酯中亞甲基的特征吸收峰；4.0～4.2 和2.3～2.5 處的特征吸收峰分別為己內酯結構中―OCH2及―CH2COO 中亞甲基的特征吸收峰。核磁分析結果表明成功合成了聚合產物。

圖 2 聚酯三元醇6C400 的1H-NMR 譜圖Fig. 2 1H-NMR spectrum of polyol 6C400

2.2 紅外分析

聚酯三元醇6C400、預聚體及PU-6C400 的紅外光譜如圖3 所示。在聚酯三元醇6C400 的紅外光譜中，3 427 cm-1處為聚酯三元醇中―OH 的伸縮振動峰，1 734 cm-1處為C=O 的伸縮振動峰，1 155 cm-1和1 107 cm-1處分別為C―O 基團的不對稱和對稱伸縮振動峰。在預聚體的紅外光譜中，2 270 cm-1處為―NCO 基團的伸縮振動峰。在PU-6C400 的紅外光譜中，3 340 cm-1處為―NH 的伸縮振動峰，1 530 cm-1處為―NH 的彎曲振動峰，1 712 cm-1處為C=O 的伸縮振動峰，2 930、2 854 cm-1處分別為―CH2基團的不對稱和對稱伸縮振動峰。―NCO 峰的消失以及―NH 峰的出現(xiàn)證明了聚氨酯的成功合成。

圖 3 聚酯三元醇6C400、預聚體及PU-6C400 的紅外光譜圖Fig. 3 FT-IR spectra of polyol 6C400, prepolymer and PU-6C400

2.3 聚氨酯膠黏劑的微觀結構分析

圖4 是聚氨酯膠黏劑的SEM 圖。PU-6C400 和PU-6C800 的孔徑大小差不多，為50～150 μm，且孔壁上有很多破裂的小孔。孔結構對骨組織的形成非常關鍵，因為它們允許成骨細胞的遷移、浸潤和增殖。已有研究表明，骨再生礦化要求最小的孔徑約為100 μm[15,16]。聚氨酯膠黏劑中孔結構的存在，使其更有利于再生骨的生成。

2.4 聚氨酯膠黏劑的熱力學性能

圖5 為聚氨酯膠黏劑的DSC 曲線。DSC 曲線中沒有熔融峰或者結晶峰出現(xiàn)，說明所合成的聚氨酯為無定形態(tài)。從DSC 圖中可以看出，不同分子量聚酯三元醇合成的聚氨酯膠黏劑的Tg有顯著差別。PU-6C400 的Tg為 55 ℃，高于PU-6C800 的Tg(41 ℃)。這說明利用相對于分子量較大的聚酯三元醇6C800 制備的PU-6C800 來說，PU-6C400 分子運動能力較弱，所以在人體內使用時，受到人體溫度的影響較小，更適合作為骨膠黏劑使用。

圖 4 聚氨酯膠黏劑的SEM 圖Fig. 4 SEM images of polyurethane adhesives

圖 5 聚氨酯膠黏劑的DSC 曲線Fig. 5 DSC curves of polyurethane adhesives

2.5 聚氨酯膠黏劑的壓縮性能

聚氨酯膠黏劑的壓縮性能如表1 所示。PU-6C400 和 PU-6C800 的壓縮強度分別為 11.8 MPa 和8.8 MPa，壓縮模量分別為113.0 MPa 和63.0 MPa。當聚酯三元醇的分子量較大時，其壓縮強度和壓縮模量較小，這是因為其分子鏈越長，鏈段柔順性越強，強度隨之下降。填料對膠黏劑有一定的增強作用，相比于未添加填料的組別，添加β-TCP 的PU-6C400-F 和PU-6C800-F 的模量分別提高了13%和27%。

表 1 聚氨酯膠黏劑的壓縮性能Table 1 Compressive properties of polyurethane adhesives

圖 6 聚氨酯膠黏劑的黏接強度圖Fig. 6 Bonding strength of polyurethane adhesives

2.6 聚氨酯膠黏劑的黏接強度

利用對接拉伸模式，測試聚氨酯膠黏劑對骨的黏接強度。從圖6 可以看出，PU-6C400 和PU-6C400-F 的黏接強度較高，分別為0.95 MPa 與0.93 MPa。PU-6C800 和PU-6C800-F 的黏接強度分別為0.73 MPa 和0.80 MPa。PU-6C400 和PU-6C400-F 中聚酯三元醇分子量較小，氨基甲酸酯基團密度較高，故黏接強度較高。對于PU-6C800 來說，其Tg較低，在這個溫度下其分子鏈運動能力較強，可以在較小的作用力下被破壞，黏接強度較低。β-TCP 對黏接強度影響較小，這可能是因為聚酯三元醇和預聚體這兩種組分相容性較差，混合時黏度較大，填料很難分散。本文還測試了一種基于PMMA 的商用骨水泥Mendec spine，其黏接強度為0.53 MPa，遠低于本實驗中所制備的聚氨酯膠黏劑的黏接強度。

2.7 聚氨酯膠黏劑的降解速率

聚氨酯膠黏劑在PBS 中的體外降解曲線如圖7（a）所示，聚氨酯膠黏劑顯示出了較為明顯的降解現(xiàn)象。在140 d 時，PU-6C400 和PU-6C800 分別降解了5.0%和5.9%。PU-6C800 的降解速率略快于PU-6C400，這可能是因為相同質量下，其含有的聚酯三元醇組分比PU-6C400 更多。聚氨酯膠黏劑在PBS 中降解140 d 的形貌如圖7（b）和7（c）所示?？妆诔霈F(xiàn)了明顯的破損現(xiàn)象，這說明含有可降解聚酯三元醇成分的聚氨酯膠黏劑，隨著材料的降解逐漸出現(xiàn)更多的開孔結構，該結構更有利于細胞的浸潤與遷移，從何促進骨生長。

雖然PU-6C800 的降解速率略快于PU-6C400 的相應值，但是PU-6C400 及PU-6C400-F 的黏接強度、壓縮強度、壓縮模量等都高于PU-6C800 和PU-6C800-F 的相應值，綜合考慮，PU-6C400 及PU-6C400-F 更適合作為骨膠黏劑使用。

圖 7 （a）聚氨酯膠黏劑的體外降解曲線；（b）PU-6C400 和（c）PU-6C800 在PBS 中浸泡140 d 后的SEM 圖Fig. 7 （a）In vitro degradation curves of polyurethane adhesives; SEM images of （b）PU-6C400 and （c） PU-6C800 after incubation in PBS for 140 d

3 結 論

通過開環(huán)聚合成功合成兩種數(shù)均分子量的聚酯三元醇，并將其引入聚氨酯體系中。含有理論數(shù)均分子量為400 的聚酯三元醇并添加β-TCP 的PU-6C400-F 顯示出了較好的綜合性能，其黏接強度達0.93 MPa，壓縮強度與模量分別為12.5 MPa 與128.0 MPa。對于不添加填料的PU-6C400，其降解速率較快，140 d 降解了5.0%。