前面的系列文章中，我们对主要的几种天然医用高分子材料进行了详细的介绍，随着合成技术的进步以及高分子材料在医疗领域越来越广泛的应用，合成高分子材料日益受到重视。其中，聚氨酯具有生物相容性良好、力学性能优异、易成型加工、性能可控等优点，广泛应用于生物医学领域。1.聚氨酯概况聚氨酯（Polyurethant，PU）全称为聚氨基甲酸酯，是主链上含有重复氨基甲酸酯基团（-NHCOO-）的大分子化合物的统称。PU是由多元醇(聚醚、聚酯等)构成的软段和由异氰酸酯与小分子扩链剂(二胺或二醇)构成的硬段聚合形成的共聚物。PU大分子中除了氨基甲酸酯外，还可含有醚、酯、脲、缩二脲、脲基甲酸酯等基团。聚氨酯由于其硬段和软段组成的两相微观结构而表现出一些优越的特性，两者比例决定了这两种聚合物的具体性能。硬段由二异氰酸酯与扩链剂（短链二元醇或二胺）反应而成，通常为1,4-丁烷二醇或乙二胺。软段是高分子量的多元醇，其分子量通常在～之间，如聚醚、聚酯或聚碳酸酯。这种非均相结构赋予了聚氨酯诸多的优良特性，比如：性能可调范围宽、适应性强；耐磨性能好；机械强度大；粘接性能好；弹性好，具有优良的复原性、可用于动态接缝；低温柔性好；耐候性好，使用寿命长达15-20年；耐生物老化等。图表1聚氨酯合成与结构来源：公开资料聚氨酯是世界六大合成材料之一，被誉为“第五大塑料”，其发展经历了近70年。聚氨酯包括从铸造和热塑性弹性体到柔性和刚性泡沫的不同种材料，由于其合成材料综合性能出众，几乎能用高分子材料的所有加工方法成型，所以应用广泛，发展十分迅速。图表2聚氨酯发展史来源：新材料在线图表3聚氨酯产业链来源：新材料在线2.聚氨酯的结构特征与性能聚氨酯化学结构的特征是其大分子主链中含有重复的氨基甲酸酯链段。聚氨酯的分子主链是由玻璃化温度低于室温的柔性链段和玻璃化温度高于室温的刚性链段嵌段而成的。低聚物多元醇构成软链段，二异氯酸酯和小分子扩链剂构成硬链段。在聚氨酯弹性体分子结构中。软链段占的比例比较大，约为50％～90％，硬链段约占10％～50％。由于硬链段的极性强，相互间引力大，硬链段和软链段在热力学上具有自发分离的倾向，即不相容性。所以硬链段容易聚集一起，形成许多微区(domain)，分布于软段相中，这种现象叫微相分离。由于软、硬段形成微相分离结构，使聚氨酯材料具有优异的力学性能，随着软、硬段比例在宽广的范围内进行调整，材料的力学性能也随之发生变化。此外，聚氨酯还有良好的血液相容性和抗凝血性，一方面归于其特殊表面的氨基甲酸酯基结构，其与血液中组成蛋白质的多肽链中含有的酰胺键极性相近，所以其适应性较为突出；另一方面是具有微相分离结构，微相分离结构和生物细胞壁的结构类似，所以具有较好的血液相容性。这些特性使得聚氨酯材料越来越广泛地应用于医学领域，根据近年对于聚氨酯材料性能的研究，其应用于医学领域的的优势如下：①优良的抗凝血性能；②毒性试验结果符合医用要求；③临床应用中生物相容性好，无致畸变作用，无过敏反应，可解决天然胶乳医用制品固有的“蛋白质过敏”和“致癌物亚硝胺析出”两大难题，从而成为许多天然胶乳医用制品的换代材料；④具有优良的韧性和弹性，加工性能好，加工方式多样，是制作各类医用弹性体制品的首选材料；⑤具有优异的耐磨性能、软触感、耐湿气性、耐多种化学药品性能；⑥能采用通常的方法灭菌，暴露在γ射线下性能不变。3.聚氨酯的改性聚氨酯作为一种应用广泛的高分子生物医用材料，虽本身具有良好的血液相容性，但长期植入体内容易引起机体的炎症反应，仍不能满足临床操作的需要。在各种医疗制品中尤其是介入导管或与血液直接接触时，不可避免地产生不同程度的凝血、细菌感染或者因插入或植入器械带来的机体损伤等，这些问题都关系到治疗的效果。因此，医用PU的改性研究成为其在生物医学中进一步发展的关键。通常，对聚氨酯的改性主要有以下几种方法：表面活性端基(SME)改性、在聚氨酯表面接枝聚合、在聚氨酯表面形成半互穿网络、使用表面活性添加剂(SMA)以及纳米无机材料共混。（1）表面活性端基(SME)改性SME改性作用的机理是SME与聚氨酯的端异氰酸酯基反应，形成以SME封端的共聚物。由于SME在聚氨酯表面具有较大的活性，能够在聚氨酯表面形成完整的覆盖层。封端基团改变了PU表面的化学和物理特性，提高了其生物稳定性和生物相容性。对于SME改性，选择合适的SME是一个重要因素,通过封端基团改变聚氨酯材料表面的化学以及物理特性，从而提高功能聚氨酯的生物稳定性以及生物相容性，但由于可供选择的SME为数不多，而且有些封端基团在聚氨酯材料表面不能自发组合成有序的结构，因此这种方法有一定的局限性。（2）聚氨酯表面接枝聚合这种改性方法是通过物理或化学方法活化聚氨酯表面，使其表面产生活性基团，从而使聚氨酯表面的化学性质得以改善，然后在表面发生接枝聚合反应，引入所需的官能团。表面接枝聚合是一种很好的聚氨酯材料表面改性的方法，但聚氨酯材料表面化学性质的改变和传递细胞的表面化学过程之间的相互关系还需要进一步探讨，并且其操作过程的复杂性也有待解决。（3）表面形成互穿网络改性互穿网络聚合物(IPN)是指2种或2种以上聚合物相互贯穿而形成的聚合物网络体系，这种网络间的缠绕可明显地改善体系的分散性、界面亲和性，从而提高生物稳定性，实现聚合物性能互补，达到改性的目的。在聚氨酯材料表面形成互穿网络改性的方法相对简单，并且将互穿网络锚定在本体材料上，克服了表面涂覆易脱落的缺点，在一定程度上提高了聚氨酯植入生物体内的长期生物相容性。但由于形成互穿网络后分子运动活性受限制，难以达到在聚氨酯表面自组装成生物膜样表面的目的。（4）表面活性添加剂法改性表面活性添加剂法改性（SAM）是相对分子质量较大的二元共聚物或三元共聚物，而且和PU相容性好，在共混以及后期贮存的过程中，SMA迁移到PU表面，牢固地附着在PU表面上，引起PU表面特性的改变。采用SMA改性聚氨酯的方法简单易行，在聚氨酯中加入适宜类型和适量的两亲性的高分子添加剂，可以提高内皮细胞在基质上的黏附和生长，但内皮细胞在血液动力学条件下的稳定性还有待研究。（5）与纳米无机材料共混改性纳米材料因为平均粒径微小、表面原子多、比表面积大、表面能高，所以其性质既不同于单个原子、分子，又不同于普通的颗粒材料，显示出独特的小尺寸效应、量子效应、光电效应等特性，从而使纳米粒子出现了许多不同于常规固体的新奇特性。使用纳米材料共混改性，不仅能提高PU的力学性能，而且还能改善其生物特性，因此越来越多的被应用于PU的改性中。与纳米无机材料共混改性聚氨酯的方法具有较大的发展前景，然而若在生物医学领域中进行拓展还需要进一步研究和测定其生物相容性和抗疲劳强度。4.聚氨酯材料在医用领域应用的研究进展虽然聚氨酯在20世纪30年代就第一次商业化用于工业应用，但生物医学级的应用直到20世纪50年代才被引进。年聚氨酯首次用于骨折修复材料，而后又成功地应用于血管外科手术缝合用补充涂层。60年代，美国DuPont公司生产出热塑性聚氨酯，它具有比硅橡胶更好的耐挠屈疲劳性。美国Ethicon公司将此技术开发出商标名为Biomer的聚氨酯，并且成功地应用于生物医学领域中。70年代开始，聚氨酯作为一种医用材料已倍受重视。到了80年代，用聚氨酯弹性体用于人工心脏移植手术获得成功，使聚氨酯材料在生物医学上的应用得到进一步的发展。80年代中期，美国PTG公司生产出性能更加优异的商标名为Biospan的聚氨酯，开始大量应用于临床中。此后，如人工器官、医用防护、医用导管、水凝胶、弹性绷带等医用聚氨酯材料不断涌现。聚氨酯在医用领域的应用主要以硬质聚氨酯、泡沫体、热塑性聚氨酯弹性体和水凝胶等为主。聚氨酯的耐磨、廉价制造、化学稳定性、耐久性、弹性和血液相容性等能使它能够广泛地应用于人造心脏辅器、人造血管及支架、人造皮肤、敷料和记忆矫形等。（1）体外医用PU材料①医用敷料人体烧伤、烫伤后，需要用医用敷料来进行修复，对于所用的敷料要求能够快速地帮助细胞生长，具有抗菌性、生物相容性等。近年来，聚氨酯水凝胶作为创伤修复材料，被广泛地应用于创伤修复的治疗上，它具有的三维网状结构不仅可以载药而且能够输送氧气到创面，而且还可以锁住皮肤上的水分，加快伤口的愈合。医用聚氨酯创伤敷料为双层结构。内层为聚氨酯基泡沫(海绵)，具有优良的生物相容性、亲水性和柔软性，吸收伤口表面的渗出液，避免积液的形成，减少感染；优良的柔软性，可以和创面较好地贴合，减少伤口区域的不适和疼痛;特有的孔状结构，还可以根据伤口情况加载和释放药物；与创面不粘连、不脱屑，易于更换。外层是聚氨酯弹性体薄膜，具有透湿、透气、防水隔菌的功能，不易感染；还能避免水分的过度蒸发，保持一定的温度和湿度，从而得到一个有利于伤口愈合的“创面小气候”；薄膜具有良好的柔软性、弹性、耐磨性和抗撕裂性，可以使敷料随皮肤一起运动而不易破坏。采用医用胶将泡沫(海绵)和薄膜粘连在一起，根据应用情况，也可将泡沫和聚氨酯弹性体分别单独使用。图表4聚氨酯敷料图表5国内上市的部分聚氨酯敷料产品来源：NMPA②弹性绷带用PU材料制作的绷带，操作简便、使用卫生、固化速度快、质轻层薄、坚韧，具有透气性好、刚度强、耐水浸、透X光的特点，在创伤骨科治疗和矫形治疗中，可用作固定材料，不易使皮肤发炎，其综合性能明显优于石膏绷带，是一种较为理想的新型矫形材料。年，聚氨酯矫形绷带引入中国，经过多年临床应用，已成为一种使用方便、性能优良的外固定产品。图表6聚氨酯矫形绷带（2）体内用PU材料①人工心脏辅助装置聚氨酯在人工心脏领域有着悠久的历史。就聚合物心脏瓣膜而言，聚氨酯装置在抗血栓栓塞、生物相容性和结构恶化方面表现出较好的性能。有关聚氨酯心脏瓣膜在人体中的使用可追溯到年3月，当时Dunill在一名44岁的妇女身上成功植入了一枚聚氨酯二尖瓣，此前她曾在狗身上做过动物试验。聚氨酯心脏瓣膜的潜在优点是它们可以结合耐久性和生物相容性两种优点。心脏瓣膜叶用聚氨酯的种类多种多样，以聚醚脲类和聚碳酸酯类为主。斯特拉斯克莱德大学的研究小组研究出具有体内生物稳定性、体内生物相容性的全脂肪族、无醚物理交联和低弹性模量聚氨酯尿素。可满足三叶心瓣制作要求的可塑性和高弹性寿命（万次循环）。聚氨酯基类阀门不仅应用在人工心脏瓣膜，在人工心脏和心室辅助装置中也有十分重要的应用。年，美国医生Dababey首次将人工心脏血泵应用于心室辅助，2名患者均脱机出院且长期生存，这些血泵和血液管性材料多为聚氨酯材料及其相关衍生材料。20世纪70年代，由于材料加工、血泵结构、驱动设计、监测控制、手术操作和术后监护等一系列技术的改进和发展，部分取代心脏的辅助性人工心脏的临床运用得到进一步开展。美国医疗设备公司圣犹达医疗发明的新型快速可植入式心室再同步心脏转复除颤器(CRT-D)特有的Optim绝缘导联装置由专为心脏导联生产的PU和硅胶混合制作而成。Optim绝缘导联装置结合了硅胶的生物稳定性和柔韧性及PU坚固和耐磨的优异性能。英国医疗装置生产商Aortech国际公司利用Elast-Eon材料(TPU)制造新型人工心脏阀门。该材料把PU与高用量的硅氧烷结合起来，具有耐久性、柔韧性、生物稳定性、血液相容性及在人体内的惰性。③人工血管及支架20世纪60年代聚氨酯的血管移植物材料的开发研究陆续开展，并且已经开发了各种类型的血管移植物，包括泡沫和膜材料。年，美国科学家Lyman等开发了低孔隙度的聚氨酯血管，其力学适应性接近天然血管，聚氨酯是制造人工小血管的适合材料。后来有人用静电纺丝法制作聚氨酯网状血管，显著改善了血液相容性。年，Anderheiden等利用羟基功能化聚碳酸酯氨基甲酸酯，开发了一种新的表面可抗血栓形成的人造血管。Ube工业公司制得一种PU人工血液导管，该导管内部表面有无数球形孔，适用作狭窄导管，便于长期使用。近年来，组织工程已成为一种很有前途的解决血管移植治疗不足的方法，并且还可用于制造支架。理想孔隙率、形貌和各向异性的支架是极具前景的解决方法。通常，制成的支架都是网状的、纤维的泡沫海绵，这是由于这种微孔支架能够促进细胞均匀分布、营养物质的扩散和组织细胞群落的生长。研究表明电纺聚合物网格是一种潜在的接枝/支架材料，由于它具有相互连接的三维多孔结构，可以模仿随机取向纳米纤维的结构，从而被广泛应用于血管支架材料。电纺弹性体聚氨酯具有孔隙率高、强度高和扩展性高等优点，是一种贴近理想化要求的血管替代材料。图表7部分医用PU材料产品③人工皮肤严重的皮肤缺损，尤其是广泛性全层皮肤缺损，不能自发地修复，通常需要植皮或外科手术。由于真皮很薄，表皮移植修复的伤口通常表现出长期的脆弱性。近几十年来，大量的真皮替代物被应用在各种皮肤缺损的治疗，并广泛应用在临床实践上。良好的生物相容性、机械强度与弹性以及适当的微结构，以保证促进细胞生长是人造皮肤材料最重要的标准。弹性较好的聚氨酯微孔泡沫体可制作人造皮。其优点是透气性好，能促使表皮加速生长，可防止伤口水分和无机盐的流失，以及阻止外界细菌介入，防止感染。有一种聚氨酯人造皮是用两种泡孔不同的厚度为0.15～0.16mm软质聚氨酯薄片，通过特殊技术层压而成。孔径小的一片与外界空气接触，孔径大的一片与伤口创面接触，可适用于三度烧伤病人。也有研究表明，聚乳酸和聚段聚氨酯非常适合于生物降解血管移植物的构建以及人造皮肤的制备，用于真皮组织细胞的生长后发现，具有优良的生物相容性。（3）用于药物载体的研究作为药物缓释载体可以通过选择合适的异氰酸酯单体和聚合物多元醇，采用适宜的物理和化学方法制备聚氨酯水凝胶、聚氨酯微球和聚氨酯胶束等。聚氨酯水凝胶具有网络结构和可吸收大量溶液的功能，通过调整其交联网络结构及组成可控制药物释放速率，且该水凝胶可以在人体内降解，因而被大量用于药物控释及传递系统中，令药物均匀缓慢地释放，达到长时间给药的目的。Sun等开发了一系列多嵌段聚（ε-己内酯氨基甲酸酯），并将其自组装成大小低于nm的胶束结构。此外，紫杉醇结合的聚氨酯胶束对Lewis肺癌细胞显示出显著的细胞毒性，而空白胶束即使浓度高达0.1mg/mL也具有良好的生物相容性。这些聚氨酯胶束作为药物和基因递送的可生物降解载体，具有巨大的应用前景。5.聚氨酯在医学上的发展方向（1）高性能PU材料的开发聚氨酯优异的力学性能、稳定的热性能和生物相容性使它具有十分高的医用价值。尽管这些优良的生化特性使得聚氨酯成为最成功、最受欢迎的生物医学应用材料之一，但是在长期使用过程中依旧存在生物稳定性低、容易钙化的缺点，对聚氨酯弹性体微观相结构的控制及对其进行改性来获得具有合适弹性模量、生物相容性、抗钙化和生物耐久性的聚氨酯材料仍是未来发展的主要方向。（2）可降解聚氨酯的开发聚氨酯的降解性是新型生物医学研究的核心问题。生物降解型聚氨酯具有设计自由度大、生物相容性好、机械强度好、易加工成型等优点，在国外已经生产并应用于医疗行业，如Lendell有限公司生产的具有抗菌作用的聚氨酯泡沫伤口敷料，美国Abiomed公司经FDA批准后目前已经进入临床试验的人工心脏产品AbiCor等。国内对可生物降解聚氨酯制造药物缓释材料、组织工程材料、人体修复材料及其生物相容性改良等都在进行积极的研究探讨，但在实际的生产应用及研究用途方面还存在明显的差距。同时，聚氨酯泡沫中的降解产物中可能包含剧毒、致癌和致突变性芳香二胺等。这些有毒降解产物的浓度在体内是否能达到生理上的安全水平尚不确定，需要更多的研究来验证。准确把握聚氨酯降解产物的毒性和代谢水平是未来医用聚氨酯发展需要攻克的难题，将来对生物降解型聚氨酯的研究主要集中在无毒、生物相容性改良、合成工艺及临床试验应用等方面。随着现代医学的发展和对医用可生物降解高分子材料研究的深入，可生物降解型聚氨酯材料在医用领域势必有更为广阔的应用前景。参考资料：1.《聚氨酯医用材料》，杨建军著，化学工业出版社，年2.《聚氨酯材料市场和应用调研报告》，新材料在线，年3.《聚氨酯在生物医学领域的研究进展》，林晓琪、陈维胜、张芹芹，化工进展，年第39卷第S1期4.《聚氨酯在生物医学上的应用》，郑直、李平、宋文生，化学推进剂与高分子材料，年第7卷第4期5.《聚氨酯材料在生物医学中的研究进展》，徐静、陈红等，世界科技研究与发展，年10月第32卷6.《医用聚氨酯的改性及其在生物医学中的应用进展》，王强、李瑞欣等，塑料科技，（）09--.《医用聚氨酯材料在生物支架工程上的应用》，《中国组织工程研究与临床康复》学术部，年12月第13卷8.《热塑性聚氨酯弹性体在医疗器械上的应用》，赵超，精细与专用化学品，年5月第21卷5期9.《可生物降解聚氨酯在医学中的应用》，冯亚凯、吴珍珍，材料导报，年6月第20卷6期预览时标签不可点收录于话题#个上一篇下一篇
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