肝素化高分子液晶/聚醚氨酯生物材料的研究

【摘要】：本文研究工作的目的在于研制用于人工血管的新型聚合物生物复合材料。在医学临床上,有相当多的医疗器件须与血液接触。血液一旦与外源固体材料接触,就有可能发生细胞的附着和激活、蛋白质的吸附和变性等,从而导致凝血、溶血、血相改变等不良反应。 近年来,国际医疗器械产业发展迅速,每年以10%的速度递增。在我国,随着人们生活水平的提高以及科学技术的进步,人们希望性能优良的高分子医疗器件能够改善人们的生活质量。 在过去的半个世纪中,有关抗凝血材料方面的研究大量开展起来,并提出诸如表面微相结构、维持正常构象、低表面自由能、低临界张力、以及富集负电荷等14种假说。然而迄今为止,很少有临床应用成功的材料及适合的理论对其进行解释。 本课题从材料设计、制备入手,设计并制备了一类高分子液晶(LCP)材料,将其与功能化改性的聚醚氨酯(PEU)进行共混制备了具有特殊表面微相分离结构的生物复合材料,剖析复合材料结构与其抗凝血性能的关系,探索该类复合材料改善血液相容性机理。 ①高分子液晶的制备 本部分试验以聚丙烯酰胺(PAM)为柔性主链、肝素分子(Heparin)为侧链,通过-COOH与-NH2活性基团之间的缩合反应,设计并合成了“T”型侧链高分子液晶,得到最佳制备的反应参数为:物料比100:1;搅拌速率800rpm;温度40oC;时间1h;pH值9.0。各参数的影响顺序为:物料比 温度×时间 温度 时间 pH值 搅拌速率,方差分析表明物料比影响显著。 偏光显微镜观察表明,该材料织构为油状微球结构和树枝结构,表现为胆甾型液晶特点;示差扫描量热检测分析表明,在20～125oC温度范围内材料表现为液晶态。 该类高分子液晶将对生物复合材料的制备及血液相容性能产生重要影响。 ②以聚醚氨酯为基材制备高分子液晶生物复合材料 本部分试验通过一系列化学反应如碱解反应、缩合反应,对聚醚氨酯基材进行了端基活化和接枝改性功能化处理。结果表明,最佳接枝改性条件为:反应温度60oC;PEU/丁二酸摩尔比为40;反应时间2h。实验选用丁二酸作为空间臂来进行接枝改性,丁二酸接枝材料的复钙化时间是引入己二胺空间臂的1.32倍。在此 WP=6 基础上,实验研究制得了一类具有特殊表面结构的生物复合材料,并优化了制备PEU/LCP材料的反应参数为:液晶加入量15%;pH值5;时间2h;温度0oC;搅拌速率1000rpm。 红外光谱分析表明,最初分子设计路线与实验结果一致; 扫描电镜观察发现,亲水相和疏水相紧密相间分布。说明PEU/LCP材料在一定的制备条件下形成了微相结构,有利于提高材料表面的抗凝血性能。 ③PEU/LCP生物复合材料结构与性能关系的研究 本试验部分立足于生物复合材料的微观结构研究并对材料的性能进行了检测分析。 通过原子力显微镜观察和临界表面张力法结合对PEU/LCP材料进行表面分析表明:该材料表面为亲疏水相微区相间分布,随反应条件的变化,相微区尺寸也随之变化(40 ~200nm),同时液晶畴吸水受薄膜本体力的作用而发生表面外膨胀,导致亲水性膨胀层出现,并在膨胀层表面内扩散而部分覆盖疏水微区,一定程度上提高了材料的亲水性能。用临界表面张力法研究得到PEU、LCP、PEU/LCP材料的表面张力分别为72.0×10-3 , 73.3×10-3 , 72.8×10-3 N/m,该三种材料与血液之间的界面张力分别为-0.8、0.5、0N/m,制备的PEU/LCP材料使界面张力更加合理。计算得到PEU和LCP间的界面张力很小为1.09×10-4N/m,说明含量较少的柔性LCP浸润在基材PEU大分子之间可以充分共混。表面分析还证明,PEU/LCP材料表面层中肝素分子的浓度大于其在材料本体中的浓度。 考虑到生物医用材料应具备一定的力学性能,本实验研究了生物复合材料的应力—应变关系和蠕变特性。结果表明,相对于纯聚醚氨酯薄膜材料,该生物复合材料的弹性模量E由原来的1.6721降低到0.9346,粘性系数η由原来的0.6707增加到0.9323。这说明液晶加入后改变了本体材料的粘弹性,与本体材料相比,PEU/LCP复合材料的抗拉伸强度降低,粘性增强。蠕变实验表明生物复合材料和聚醚氨酯本体材料都具有一定的蠕变特性,但其蠕变特性变化很小,不会影响材料的使用性能。说明此类具有较好力学性能的生物复合材料将在人工血管等临床应用方面表现更好的前景。 ④血液与生物材料的相互作用 选择PEU/LCP、PEU、PES和亲水接枝的聚乙烯改性材料GAMBRO和FRESENIUS进行了血液相容性实验评价。实验结果显示,增加材料表面的亲水性,有利于减少血浆蛋白的吸附量,增加吸附的总蛋白中白蛋白的比例,减少血小板的黏附;肝素化PEU/LCP材料有适宜的微相分离结构对血浆蛋白的影响最大,对减少血小板的黏附有更大的帮助。复钙时间和凝血因子的检测及对凝血过程的研究表明,PEU/LCP材料复钙时间超过7分钟,是本体材料的3倍多;而且引起的 WP=7 Ca2+的消耗也非常少,仅有0.1mmol/L。对血细胞的影响研究发现,除聚醚砜以外,其余四种材料的溶血率均在5%以下,符合医用材料的标准。但是,所有的材料对红细胞和白细胞的吸附都没有太大的帮助。 总之,该生物复合材料具有优良的抗凝血性能和力学性能,且制备工艺简单,反应条件温和,具备工业化和产业化前景。但是,本文实验工作尚未对“肝素分子扩散迁移表面富集”过程的定量控制进行深入研究,实验内容的