中科院陈景团队 ACS Appl. Bio Mater. | 可降解、生物相容医用生物基聚氨酯材料

体娱 2024-12-23 08:30 北京

【生物基科技】近日发现一种新型性能优异、可降解且生物相容的IBP-PU医用聚氨酯材料。

生物医用材料需要与生命系统直接接触，要具备良好的生物相容性、化学结构和机械性能。它可分为可降解和长期耐用两类，可降解材料可以降低二次手术风险。

人体的八大系统协同运作，小口径管状器官（如胆管和心血管）受损易引发高致死率疾病，但满足其性能要求的材料有限，因此开发新型植入式医疗材料成为研究热点。

聚氨酯材料可通过设计软硬段结构调节力学、降解和生物相容性，其分子链中软硬段因共价键形成微相分离，不影响物理性能且可优化整体性能。

利用生物基原料替代石油基原料是绿色化学趋势，衣康酸（IA）作为高附加值生物质化学品，具有化学活性，可通过多种反应制备生物医学材料，应用潜力巨大。

近日中国科学院宁波材料研究所陈景教授团队介绍了一种新型可植入小口径聚氨酯材料IBP-PU。该材料通过微波合成技术制备，具有优异的机械性能和生物相容性，并展现出可控的降解特性，可避免传统植入物二次手术带来的二次伤害。

相关论文以“Itaconic Acid Oligomers for Electrostatically Spun Degradable Implantable Biobased Polyurethane”为题发表在《ACS Applied Bio Materials》

1.材料设计与二元软段结构

本研究采用了一种创新的二元软段结构设计，将生物基衣康酸衍生的IABDO低聚物与聚己内酯二醇（PCL）相结合。

IABDO低聚物通过衣康酸与1,4-丁二醇的缩聚反应制备而成，而PCL则因其良好的生物相容性被选为另一种软段。

这种二元软段结构不仅保留了PCL的优异性能，还通过IABDO的侧双键结构提高了材料的接触角，有助于减少材料与周围组织的粘附等不良反应。

2.绿色合成技术：微波合成

本研究采用微波合成技术制备IBP-PU材料。与传统的油浴加热方法相比，微波合成技术具有显著的优势。

首先，微波加热速度快，每分钟可升温20°C，而油浴加热只能达到其十分之一。

其次，微波合成在预聚和扩链阶段总共只需80分钟，而油浴加热至少需要3.5小时。

此外，微波合成避免了油浴加热过程中油温波动和开放反应环境带来的不利影响，是一种高效、环保的制备方法。

3.优异的机械性能

IBP-PU材料表现出优异的机械性能，其机械强度为33.00±4.02MPa，断裂应变为519.93±53.44%。

这种优异的机械性能与仅以PCL为软段的材料相当，主要归因于IABDO-diol与PCL-diol均为聚酯类软段。

主链中的酯基（-COO-）为软硬段结构提供了更多的氢键相互作用位点。

此外，硬段中MDI的苯环结构和对称结构，以及1,3-丙二醇（1,3-PDO）连接两个MDI小分子，扩大了硬段的结构域，进一步增强了聚氨酯材料的机械性能。

图 1.综合表征。（a） IABDO 低聚物（IABDO-diol）的合成;（b） IABDO-diol 的红外光谱;（c） IABDO-diol 的氢光谱;（d） IBP-PU 的合成;（e） IBP-PU 分子软段和硬段的示意图结构;（f） IBP-PU 的红外（IR）光谱;（g）. IBP-PU 的机械性能;（h） IBP1255-PU 红外光谱的羰基曲线拟合结果;（i） IBP1264-PU 红外光谱的羰基曲线拟合结果;（j） IBP1273-PU 红外光谱的羰基曲线拟合结果。

4.良好的热稳定性

IBP-PU材料的热稳定性通过热重分析（TGA）进行评估，结果显示其Td5%>250°C，表明材料具有较高的热分解温度。

TGA曲线显示IBP-PU的热降解分为两个阶段：

第一阶段发生在250至370°C之间，质量减少55-65%，主要归因于聚氨酯结构中氨基甲酸酯键的断裂；

第二阶段发生在370至470°C之间，质量减少15-30%，主要归因于软段部分酯段的断裂。

5.可控降解性

IBP-PU材料的降解性能通过将其置于含有CALB酶的PBS缓冲液中进行评估。

结果表明，IBP-PU具有一定的降解能力，且降解速率随IABDO-diol含量和软段含量的增加而提高。

扫描电子显微镜（SEM）图像显示，降解后的材料表面出现裂纹和碎片，表明材料逐渐降解。

此外，ATR光谱显示，降解后材料表面的羟基氨基吸收峰变宽，酯羰基吸收峰下降，表明聚酯分子链发生了生物降解和水解反应。

6.良好的血液相容性

IBP-PU材料的血液相容性通过溶血试验进行评估，结果显示其溶血率低于5%，符合生物医学材料的标准。表明材料与血液接触时不会破坏红细胞。

此外，抗凝指数（ACI）测试表明，IBP-PU的抗凝指数在不同时间间隔保持在1左右，与商业聚氨酯相当，表明材料不会引起显著的凝血反应。

7.良好的细胞相容性

IBP-PU材料的细胞相容性通过MTT测定评估，使用NIH3T3细胞系。

结果显示，细胞在材料提取物中的活力在第一天约为80%，并且随着时间的推移表现出良好的增殖能力。

根据ENISO10993-5标准，材料被判定为无细胞毒性，表明其具有良好的细胞相容性。

8.良好的组织相容性

IBP-PU材料的组织相容性通过在大鼠背部皮下进行评估。

组织学分析表明，材料在体内表现出良好的组织相容性，无明显的炎症反应，胶原组织排列紧密，无组织学改变或异常。

图 2.体外和体内生物相容性。（a） IBP1255-PU、IB55-PU、P55-PU 溶血率;（b） IBP1255-PU、IB55-PU、P55-PU 的凝血指数;（c） IBP1255-PU、IB55-PU、P55-PU 的细胞活力;（d） IBP1255-PU、IB55-PU、P55-PU 浸渍液孵育 1、3 和 5 天后的细胞荧光染色图;（e）将 IBP-PU 材料植入大鼠背部皮下组织的示意图;（f）植入 P55-PU、IBP1255-PU、IB55-PU 部位大鼠组织的苏木精和伊红（H&E）和 Masson 染色 7 天和 30 天。

9.小口径血管模型的应用前景

本研究利用静电纺丝技术成功制备了口径为5mm的IBP-PU小口径血管模型。

材料线性结构使其具有可重塑性，通过添加溶剂和配制静电纺丝溶液，可以制备出表面光滑、纤维交织致密的纤维网络层。

为开发可降解植入血管材料提供了新的可能性。

图 3.小直径管状模型。（a）静电纺丝制备管模型示意图;（b，c）通过静电纺丝制备的小直径（5 mm）管状模型的物理图像;（d， e）不同尺寸的纺丝管的 SEM 图像

10、总结

IBP-PU采用生物基衣康酸衍生的IABDO低聚物和聚己内酯二醇（PCL）作为二元软段结构，通过增加氢键位点和调节接触角，提升了材料的整体性能。该材料可利用静电纺丝技术制备成小口径血管模型，为开发可降解植入血管材料提供了新的可能性。

作者简介

陈景，博士，研究员，博士生导师，于2008年获东南大学化学化工学院博士学位，随后在中科院化学所从事两年博士后研究，并于2010年加入中国科学院宁波材料技术与工程研究所，2020年曾赴加拿大多伦多大学担任访问学者。主要研究方向为生物基及生物医用聚氨酯弹性体和发泡材料的设计合成、加工改性及其在油水分离、传感器、抗菌敷料等领域的应用研究。迄今已在Chemical Engineering Journal、Small、Science of The Total Environment、ACS Sustainable Chemistry & Engineering等期刊发表学术论文100余篇，其中1篇入选ESI高被引论文，总引用量超过3200次，H指数为29。此外，研究者申请国家发明专利26项，已授权17项，并拥有2项PCT专利授权。入选宁波市领军和拔尖人才培养工程，并主持包括国家重点研发计划、国家自然科学基金等10多个项目。参与多项国家自然科学基金、宁波市创新团队及科技部国际合作项目等。

来源：

doi/10.1021/acsabm.4c01526

参考信息：本文素材和图片来自《ACS Applied Bio Materials》以及网络公开信息，本平台发布仅为了传达一种不同观点，不代表对该观点赞同或支持。如果有任何问题，请联系18094548026 。

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