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心脏瓣膜材料研究概述及其发展方向

供稿人:陈晖  供稿时间:2005-8-30   关键字:人工心脏瓣膜  聚氨酯  改性  
自1960年人工笼球式机械瓣膜替换主动脉成功以来,有100多种人工心脏瓣膜相继问世,但经过临床检验及筛选,广泛应用的并不多,其主要原因在于人工心脏瓣膜对材料有特殊的要求,如材料必须具有较好的血液与组织相容性、能抗血小板沉淀和凝血、具有化学钝性和耐久性等[i]。近年来,聚氨酯(PU)因其良好的血液相容性、较低的血栓形成率,在人工心脏瓣膜的制备中具有较好的应用前景[ii],国内外对此研究的热情高涨。
 
1. 直接针对心脏瓣膜材料的研发
四川大学高分子材料科学与工程系杜民慧等[iii]采用一步法合成以4,4 '-甲烷二环已基二异氰酸酯(HMDI)、扩链剂1,4 -丁二醇(BDO)为硬段,聚四氢呋喃醚(PTMG)为软段的脂肪族聚氨酯。并对所合成材料进行了傅立叶变换红外光谱分析、力学性能测试、水接触角测试、溶血实验及体外静态血小板粘附实验。结果表明,该聚氨酯断裂强度可达30 MPa以上,可与芳香族聚氨酯材料相比拟,而其断裂伸长率、断裂永久形变、亲水性能较之更好,具有理想的机械力学性能。溶血实验和体外静态血小板粘附实验显示该材料具有优良的血液相容性。
 
四川大学高分子材料科学与工程系的钟银屏等申请公开的发明专利CN1569917A [iv]也涉及人工血管、人工心脏起博器导线、人工心脏瓣膜以及介入导管等材料的制备。这一发明提供的侧链含氟磷脂酰胆碱聚氨酯材料是由聚醚二元醇和/或聚碳酸酯二元醇构成的柔性链段,与二异氰酸酯和扩链剂构成的刚性链段交替共聚而成的,其特征在于该共聚物由下列重复结构单元构成,其部分刚性链段侧链中有含氟磷脂酰胆碱基团,平均分子量为30000~60000。该发明还提供了制备这种侧链含氟磷脂酰胆碱聚氨酯材料的方法。由于该发明在聚氨酯硬段的侧链上引入了带氟碳链的磷脂酰胆碱,因而获得了具有低吸水率、良好力学性能和优良的生物相容性的磷脂表面聚氨酯材料。同一发明人还在此专利申请与公开之前,就侧链含氟聚氨酯材料及其制备方法申请了相似的专利CN1445254A[v],其权利保护范围稍宽泛些。
 
美国与心脏瓣膜密切相关的专利US2002082689[vi]涉及生物相容性的假体,尤其是生物相容性心脏瓣膜,该心脏瓣膜是由包括聚氨酯(PU)和多聚氨基甲酸乙酯硅(polysiliconeurethane,PSU)的混合物构成。聚氨酯为聚醚氨基甲酸乙酯(polyetherurethane,PEU)时较为适宜。形成聚醚氨基甲酸乙酯脲(polyetherurethane urea,PEUU)则更适宜。此类假体在降低矿化或者血栓症,以及/或者降低生物降解方面具有显著效果。
 
2.针对聚氨酯(PU)改性的研究,从而间接推进心脏瓣膜材料的改善
浙江工业大学化工学院邬润德等[vii]将纳米二氧化硅经预分散后加入聚氨酯反应体系进行原位聚合,结果表明复合材料的力学性能有大的提高。TEM图像显示纳米二氧化硅在PU中有很好的分散,DTA分析证实了纳米二氧化硅的诱导结晶作用是聚氨酯复合材料增强的主要原因。
 
北京理工大学化工与材料学院陈福泰等[viii]则采用熔融预聚二步法合成了以环氧乙烷-四氢呋喃无规共聚醚为软段,异氟尔酮二异氰酸酯1,4 -丁二醇为硬段的热塑性聚氨酯弹性体(TPU)利用DSC、DMA、TEM、WAXD对聚合物的形态结构进行了表证,并测试了力学性能。结果表明,聚合物具有典型的微相分离特征,随着硬段含量的增加,微相分离程度增加,拉伸强度也随着增加,而延伸率却有降低的趋势。WAXD分析表明,所有 TPU均不存在明显的结晶形态。当硬段含量为45~50%时,聚合物的综合性能达到最优。
 
河南科技大学化工与制药学院宋晓艳等[ix]采用聚氨酯本体预聚法,利用原位插层聚合合成了聚氨酯/蒙脱土纳米复合材料。通过X 射线衍射(XRD)和Molau实验研究了蒙脱土在复合材料中的分散情况。红外分析(IR)表明随着蒙脱土含量的增加,复合材料羰基氢键减少。动态力学分析(DMA)以及差热分析(DSC)结果说明随着蒙脱土含量的增加,材料的玻璃化温度降低。聚氨酯纳米复合材料的拉伸强度和断裂伸长率同时提高,表现出较好的力学性能。
 
我国台湾学者T. K. Chen等[x]提出了一种合成新聚氨酯/黏土(PU/clay)纳米复合物的方法,该纳米复合物基于聚caprolactone、二苯基甲烷二异氰酸盐,以及聚caprolactone/黏土预聚物。X衍射研究表明,由于PCL/黏土的存在,PU/黏土包含了水晶体结构。在机械性能方面,在PU/黏土中含有1.4%的PCL/黏土时能够PU/黏土的延展性能显著增加。然而,当PCL/黏土含量增加到4.2%时,PU/黏土的延展性显著降低。这一现象表明随着PU/黏土中PCL/黏土含量的增加,PU/黏土能够由弹性体转化为热塑性材料。此外,由于PCL/黏土的存在,PU/黏土的剪力至少是纯PU材料的三倍。
 
韩国Chonbuk国立大学纳米材料研究中心Sung-Il Lee等[xi]通过将聚四亚甲基乙二醇及气体纳米硅与4,4’-二苯基甲烷二异氰酸盐反应制备预聚体,然后再由1,4-丁二醇作为延伸链最终形成聚氨酯-硅纳米复合物。纳米硅粒子以的3 wt%比例分布在聚氨酯的矩阵结构中。在界面上聚氨酯链与纳米硅表面通过氨基甲酸酯链共价链接。将纳米硅颗粒引入到聚氨酯增加纳米复合膜的抗张强度和撕裂强度。尤其是,纳米硅含量比例1 wt%的复合膜较之于纯聚氨酯膜,其撕裂强度高3.5倍。
 
尽管在人工心脏瓣膜材料,特别是聚氨酯材料的研究方面,取得了前述直接或者间接的进展,但目前用于人工心脏瓣膜的聚氨酯材仍然多采用由4,4'-甲烷二苯基二异氰酸酯(MDI)等含苯环的异氰酸酯合成的聚氨酯材料,MDI在一定条件下会产生致癌物质;另外,由于苯环的耐氧化能力较差,在聚氨酯中必须加入的抗氧化剂易逸出危及人体且增加了材料摩擦力[xii]。因此通过对脂肪族聚氨酯实施纳米改性,使其具有良好的血液相容性、较低的血栓形成率,消除致癌隐患,同时又确保产品性能达到芳香族聚氨酯弹性体的指标,由此以纳米改性的脂肪族聚氨酯替代芳香族聚氨酯,这是未来心脏瓣膜材料研究的方向之一。
 
 


[i] 卢永要等,“各种材料在人工心脏瓣膜中的应用”,金属热处理.2004,29(9).-23-26
[ii] D.J. Wheatleya, et al. “Polyurethane: material for the next generation of heart valve prostheses?”. Eur J Cardiothorac Surg 2000;17:440-448
[iii] 杜民慧等,“生物医用脂肪族聚氨酯的合成、表征及血液相容性研究”,生物医学工程学杂志.2003,20(2).-273-276
[iv] “侧链含氟磷脂酰胆碱聚氨酯材料及其制备方法” (申请日:2004.05.11;公开日:2005.01.26)
[v] “侧链含氟聚氨酯材料及其制备方法” (申请日:2003.04.10;公开日:2003.10.01)
[vi] “Polymeric heart valve fabricated from polyurethane/ polysiliconeurethane blends”(申请日:2000.12.21;授权公告日:2002.06.27)
[vii] 邬润德等,“聚氨酯/无机纳米粒子复合材料的改性研究”,中国胶粘剂.2004,13(1).-4-6
[viii] 陈福泰等,“IPDI基热塑性聚醚聚氨酯弹性体的形态结构与性能”,北京理工大学学报. 2001,21(2).-260-265
[ix] 宋晓艳等,“聚氨酯弹性体/蒙脱土纳米复合材料的合成与性能”,高分子学报.2004,(5). -640-644
[x] T. K. Chen et al. “Synthesis and characterization of novel segmented polyurethane/clay nanocomposite via poly(-caprolactone)/clay”. J Polym Sci A: Polym Chem 1999; 37: 2225-2233
[xi] Sung-Il Lee et al. “Synthesis of polyether-based polyurethane-silica nanocomposites with high elongation property”. Polymers for Advanced Technologies. 2005,Vol.16,( 4), 328- 331
[xii] 同前引ⅲ

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