摘 要:为制备强度和韧性都适中且可体内降解的骨固定材料,首先借助聚D,L丙交酯与聚己内酯的扩链反应获得一系列扩链反应聚合物;然后通过测定聚合物拉伸强度和降解性能随扩链剂和扩链反应条件的变化规律,来选择扩链剂和制定最佳制备工艺.利用按上述方法选定的扩链剂和制备工艺,最终制备出了拉伸强度为24.47MPa,延伸率为1091%,降解时间为6个月,且对人体无害的骨固定材料.
随着现代医学的发展,在骨损伤手术中,用可体内降解材料代替传统的无机或金属材料越来越受到重视.聚丙交酯(PLA)是一种可生物降解并具有优良的生物相容性的聚合物,目前,已临床用于手术缝合线和注射用微胶囊及埋植剂等材料.PLA在体内降低最终产物是CO2和H2O,所以不会在重要器官聚集[1].以PLA为主体研制开发具有高强度的骨科固定材料始于70年代[2,3],要达到材料所需的高强度,PLA就必须具有足够高的分子量,由乳酸直接缩合则难于得到高分子量产物.Ajioka等利用一步法制备了平均分子量达30万的PLA[4].但难于进一步提高分子量,且分子量分布较宽.目前应用最多的路线是由乳酸合成丙交酯,丙交酯再开环聚合制备PLA及共聚物,因乳酸具有旋光性,研究最多的是PLLA,其分子量可高达百万,并有较高强度,但文献[5]报道PLLA植入人体3年后,在缓慢降解的后期出现炎症和肿胀并发症,这可能是PLLA降解速度较慢,长期存在的未降解部分产生副作用.PDLLA具有更好的生物相容性和较快的降解速度,但难于制备高分子量的产物,即使制备了高分子材料,也是一个刚性极强,缺乏韧性的材料,不适用于骨固定材料.为避免上述问题,本文采用低聚D,L丙交酯及已内酯的低聚物通过扩链反应,形成具有一定强度和韧性的弹性体.该材料的力学性能可以满足临床骨固定的要求,其降解速度适中,不致影响骨固定的功能.
1 实 验
1.1 实验仪器
拉力机(Instrong公司)GB528-91型,模具,GC9A气相色谱仪,玻璃仪器,真空仪器(自制),WSPK-201型自动控温仪,FA1004电子天平.
1.2 试 剂
乳酸(AR),武汉化学试剂厂;乙二醇(AR),郑州化学试剂二厂;丙三醇(AR),沈阳化学试剂厂;聚己内酯(AR),M=2000,美国;扩链剂A;扩链剂B;扩链剂C;丙交酯,熔点126~127℃(合成);聚丙交酯,M=600(合成).
1.3 实 验
1)丙交酯的合成[6].将500 ml乳酸投入1000ml三颈瓶中,油浴温度120℃,减压至13.3kPa下脱游离水;加入催化剂在140℃,3.33kPa下反应4h,脱出反应生成的水,使乳酸素聚合为低分子量聚乳酸.改换成盐浴加热至240~250℃,真空降低至0.67kPa,使聚乳酸降解形成丙交酯,减压下收集丙交酯.2)端羟基聚丙交酯的合成.称取8mol丙交酯与1mol乙二酯加入到三颈瓶中,待样品熔化后加入催化剂,反应温度控制在130~140℃之间,反应6h后,改换成减压装置,在0.4~0.53 kPa下130~140℃蒸出残余乙二醇,并促进丙交酯进一步缩合,反应产物为淡黄色粘稠液体.3)扩链反应.将一定量的PLA、己内酯低聚物和少许丙二醇加入烧杯中,在一定温度下熔融搅拌混合,20 min后,将一定量的二异氰酸甲苯(TDI)加入烧杯中快速混合数分钟后,将其倒入模具中,送入烘箱进行变定反应.
2 结果与讨论
物料混合反应温度和时间及变定反应温度和时间对产物的力学性能均有较大影响,讨论如下.2.1 聚合物拉伸强度F与混合反应温度T在一定配比下,将混合反应时间t定为4min,变定反应温度T′定为130℃,变定反应时间t′定为5h,其T分别为85℃,90℃,95℃,100℃,各样品制成试样,测定其F,结果见图1.图1 T与F的关系从图1中可看出T过低,扩链剂没有被激活,活性较差,使得扩链反应不完全.即使升高T′,由于体系粘稠,扩链剂使局部反应形成痞点,产生应力集中,F较低.若T过高,扩链反应充分,难以成型.虽然扩链剂A,B,C的活化温度不同,但是它们反应机理相同,生成聚合物的性能趋势也相同,均有一个最佳T.2.2 t对聚合物F性能的影响在一定配比下,选定T为100℃,T′为130℃,t′为5h,改变t为2min,4min,6min,作一组试样,测其F,结果如图2所示.图2 t与F的关系由图2可以看出,t短时,产物的F低,这是由于混合时间太短,扩链剂不能与低聚物混合均匀,反应不充分.当混合时间增长到一定值时,反应物可能会受到空气中水分及杂质的干扰而发生降低,使产物的F有所下降.2.3 T′与聚合物F性能的关系在一定配比下,将T定为100℃,t定为4min,t′为5 h,改变T′为120℃,125℃,130℃,135℃,140℃,各样品制成试样,测定其F,结果见图3.图3 T′与F的关系变定反应是在一定温度下使上步反应进一步完善的过程,虽然扩链剂A,B,C的反应活性不同,但在相同的混合时间下反应,均有一个最佳的T′.由图3中可以看出,T′低时,扩链后聚合物的分子链没有得到充分的伸展,官能团没有充分反应,因此F偏低.但T′过高,会使部分酯键断裂,长链降解成短链,F也会下降.2.4 t′与聚合物F性能的关系在一定配比下,选定T为100℃,t为4min,T′为130℃,改变t′为3 h,5 h,7 h,9 h,作一组样品,将样品制成试样,测定其F,结果如图4所示.图4 t′与F的关系见图4,t′过短或过长,所得聚合物的F均较低.因为t′太短,体系中的官能团之间没有充分反应,得到的聚合物分子量较低,所以F较低,当t′太长时,又会有部分酯键断裂,所以F也下降.2.5 聚合物降解情况的分析将由3种扩链剂制备的产物分别置于人工体液中浸泡,质量m的变化规律如下:由图5可知,在人工体液中m不断减小,表明经扩链的PLA的聚合物在不断降解.这主要是聚合物中的酯键断裂而引起的.将3种产物分别置于纯蒸馏水中浸泡,电导值的变化规律如图6所示.这是由于经扩链的PLA聚合物降解出的乳酸不断电离出离子,而且离子不断增多,使电导值不断变大.图6 经扩链PLA聚合物电导值的变化情况从质量及电导值的变化规律可以看出,经扩链的PLA聚合物具有较好的降解性.为了评价降解产物中是否会有对人有害的胺类化合物,采用气相色谱法对降解液进行了分析.先对二胺的乙醇溶液进行分析,在保留时间为0•322min时,产生了乙醇峰,在保留时间为3•175min时,产生二胺峰(155℃).而在降解液的气象色谱图中,保留时间为3.175min左右,并没有峰出现,说明无二胺存在.
3 结 论
通过本实验可知,最佳扩链剂为A,其最佳反应条件为:反应温度为100℃,混合时间为4min,变定温度为130℃,变定时间为5h.在最佳的反应条件下制得的聚合物的拉伸强度为24.47MPa,断裂伸长率为1091%,降解时间为6个月内满足要求.降解产物中未测出对人有害的胺类化合物.该材料的动物实验已证明其无毒性.
参考文献(References)
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