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张晓彦硕士论文已排版

哌嗪扩链的新型形状记忆聚氨酯脲的研究

重庆大学硕士学位论文

学生姓名：

张晓彦

指导教师：

罗彦凤教授

专　　业：

生物学

学科门类：

理学

重庆大学生物工程学院

二O一二年四月

StudyofaNovelShapeMemoryPoly（urethane-urea）byUsingPiperazineasaChainExtender

AThesisSubmittedtoChongqingUniversity

inPartialFulfillmentoftheRequirementfor

theDegreeofMasterofEngineering

By

ZhangXiaoyan

SupervisedbyProf.LuoYanfeng

Major:

Biology

CollegeofBioengineering

ChongqingUniversity,ChongqingChina

April2012

摘要

骨不连是骨折和骨缺损修复中常见的并发症。

引起骨不连的主要原因包括固定不稳定、骨折骨隙过大、应力遮挡、血供不足等。

目前针对骨不连问题，大多数研究是集中在骨不连形成后的治疗方法和治疗方案研究上，少量关于防止骨不连形成的报道也主要是集中在固定器械和医生临床手术的经验交流上。

利用生物可降解形状记忆材料作为骨折间的填充物或人工骨，借助形状记忆材料的温致形状记忆性能，在材料形状回复的过程中消除骨折间隙，同时在骨折两端产生纵向的挤压力，可望预防骨不连的形成。

基于上述假设，本课题拟设计和制备一种新型的形状记忆聚氨酯高分子材料，使在具有良好的生物降解性、生物相容性的同时，更为重要的是具有优良的形状记忆性能和力学性能，以期用于制造预防骨不连形成的人工骨。

本研究首先选择低分子量聚乙二醇（PEG400）为助引发剂，引发D,L-丙交酯开环聚合制备大分子二醇（PDLLA-PEG-PDLLA），然后以六亚甲基二异氰酸酯（HDI）为偶联剂、哌嗪（PPZ）为扩链剂，采用两步法溶液聚合制备新型形状记忆聚氨酯脲（PUU-PPZ）。

以PEG400为助引发剂，旨在提高材料的韧性并保持其良好的生物相容性；采用PPZ为扩链剂，旨在避免溶液聚合过程中发生交联，同时，PPZ的环状结构也可望增强软硬段的相分离，提高形状记忆性能的同时赋予材料良好的力学性能。

采用傅立叶变换红外光谱仪（FTIR）、核磁共振波谱仪（NMR）、多角激光光散射仪（GPC-MALLS）、差示扫描量热计（DSC）、高精度原子力显微镜（AFM）、力学拉伸载荷试验以及常规化学分析方法等手段对材料的结构、记忆性能、力学性能和亲疏性等进行了定性/定量表征。

主要研究内容和结论如下：

（1）以聚乙二醇400（PEG400）为助引发剂，辛酸亚锡（Sn（Oct）2为引发剂，引发D,L-丙交酯熔融开环聚合制备两端带羟基的三嵌段共聚物的大分子醇PDLLA-PEG-PDLLA（PDLLA——D,L-丙交酯或D,L-聚乳酸；丙交酯是聚乳酸合成的中间体）。

重点考察了PEG400用量和反应温度对PDLLA-PEG-PDLLA分子量的影响，并表征了PDLLA-PEG-PDLLA的热性能。

①FTIR和1HNMR结果表明，本研究已成功制备了两端带羟基的三嵌段共聚物（PDLLA-PEG-PDLLA）。

②端羟值分析和1HNMR的检测结果表明，当D,L-丙交酯单体和PEG400（LA/PEG400）的摩尔比为1：

15、1：

30、1：

50时，PDLLA-PEG-PDLLA的数均分子量依次为2400、4200、7200左右，说明随LA/PEG400比例减小PDLLA-PEG-PDLLA的分子量逐渐增大。

③考查温度对PDLLA-PEG-PDLLA分子量和产率的影响，结果表明140℃为优化反应温度，24h为优化反应时间。

④DSC分析结果显示，PDLLA-PEG-PDLLA材料的玻璃化转变温度（Tg）具有分子量依赖性，随着材料分子量从2400增加到7200，其Tg由13.92℃增至36.11℃。

（玻璃化转变温度时，材料具有高弹性）

（2）以Sn（Oct）2为催化剂，PDLLA-PEG-PDLLA为软段，HDI为偶联剂、PPZ为扩链剂，在无水甲苯溶剂中采用二步法扩链，制备了一系列嵌段PUU-PPZs材料。

考查了软硬段组分和比例对PUU-PPZs合成的影响，并表征了PUU-PPZs材料的结构与热性能。

①FTIR、HNMR分析结果表明，采用本研究方法已成功制备出了新型聚氨酯脲PUU-PPZs。

以数均分子量为4000的PDLLA-PEG-PDLLA为软段时，随HDI/PDLLA-PEG-PDLLA比例从1.1、1.3、1.5依次增加，PUU-PPZ的分子量分别为5.4万、8.3万和9.1万。

②二元仲胺扩链剂哌嗪替代二元伯胺扩链剂可有效降低交联反应发生机率，使反应体系更易于控制，有利于制备线性PUU-PPZs材料，提高材料的理化性能。

③DSC热分析结果表明，随着HDI/PDLLA-PEG-PDLLA比例逐渐增大（1.1→1.3→1.5），PUU-PPZs的Tg也依次增大（37.50→38.90→44.20℃），能够满足骨不连要求其Tg略高于体温的要求。

（3）采用拉伸试验考察了PUU-PPZs材料力学性能和形状记忆性能，重点考察了HDI/PDLLA-PEG-PDLLA比例、变形率、变形温度、回复温度对于形状固定率和回复率的影响，并采用AFM观察了材料软硬段的相分离情况，理解材料形状记忆性能的内在机理。

。

①机械拉伸试验结果表明，以分子量为4000的PDLLA-PEG-PDLLA为软段制备的PUU-PPZ4K，其拉伸模量随HDI/PDLLA-PEG-PDLLA比例增大（1.1→1.3→1.5），其拉伸模量依次增大（406→584→856MPa），而其断裂伸长率则逐渐减小（866%→698%→475%），表现出明显的强韧材料的特征。

②PUU-PPZs系列材料具有良好的形状记忆性能，Rf达到95%以上，Rr均大于93%；形状固定率随着硬段含量的增加而上升，而固定率则相反。

③AFM观察显示，PUU-PPZs膜材具有很明显的相分离结构，亮区作为分散相团聚态分布在暗区连续相中。

计算PUU-PPZs中软段与硬段的质量比或链长比，并与AFM图中暗区与亮区的面积比，发现两者相近，说明亮区为材料中的硬段，而暗区为材料的软段。

软段与硬段的相分离是材料具有良好形状记忆性能的结构基础。

（4）采用吸水率和静态水接触角考察了PUU-PPZs材料的亲/疏水性能。

PUU-PPZs的静态水接触角小于对照组PDLLA，而吸水率则高于PDLLA，表明PUU-PPZs的亲水性高于PDLLA。

同时，随着硬段含量的增加，即HDI/PPZ比例增大，静态水接触角呈下降趋势。

关键词：

聚氨酯脲，哌嗪，形状记忆性能，力学性能，骨修复材料，骨不连

ABSTRACT

Bonenon-unionisacommonproblemencounteredbyrepairofbonefractureandbonedefects.Themainfactorsleadingtonon-unionprimarilyincludeunstablefixation,largegapbetweenthefracturedordefectedbones,stressshieldingandinsufficientbloodsupply.Mostofthecurrentmethodsfornon-unionarefocusedonclinicaltreatmentafternon-unionisformedratherthanadvanceprevention.Shapememorypolymersmaybeusedasakindofbonerepairmaterialsforpreventionofnon-unionbyusingtheshapememoyeffectandtheshaperecoverystresstoeliminatethegapandexertstresstothenativebones.Inthisstudy,anovelshapememorypoly（urethane-urea）wasdesignedandpreparedwhichpotentiallyintegratesexcellentshapememoryandmechanicalpropertiesinadditiontogooddegradabilityandbiocompatibility.Firstly,D,L-lactidewasring-openedtoproduceamacrodiolPDLLA-PEG-PDLLAbyusingPEG400asaco-initiator;subsequently,aseriesofpoly（urethane-urea）（PUU-PPZs）polymerswaspreparedbyusingPDLLA-PEG-PDLLAasasoftsegment,hexamethylenediisocyanate（HDI）asacouplingagentandpiperazine（PPZ）asachain-extender.ThepurposetoemployPEG400istoimprovetheflexibilityofPUU-PPZs.PPZwasusedtoavoidcrosslinkingduringchainextendingandendowimprovedshapememorypropertiesandelasticmodulusofPUU-PPZ,sincePPZisacyclicsix-memberedsecondaryamine.FTIR,NMR,GPC-MALLS,DSC,AFMandInstron1011wereemployedtoqualitativelyandquantitativelycharacterizethechemicalstructure,molecularweight,shapememoryproperties,mechanicalpropertiesandhydrophilicityofthepolymers.Themainworkandconclusionsarelistedasfollows:

（1）PDLLA-PEG-PDLLAwassynthesizedbymeltring-openingpolymerizationofD,L-lactideusingSn（Oct）2astheinitiatorandPEG400astheco-initiator.

①TheresultsfromFTIRand1HNMRshowedthatPDLLA-PEG-PDLLAhasbeensuccessfullyprepared.

②Theeffectsofreactiontempretureandinitiatordosageonthemolecularweightwereinvestigated.Theoptimizedreationtemperatureandtimeare140℃and24h,respectively.Theresultsfromtheterminalhydroxylvaluedetectionand1HNMRbothdemonstratethatthenumber-averagemolecularweight（Mn）ofPDLLA-PEG-PDLLAincreased（2400→4200→7200）withdecreasingLA/PEG400ratios（1：

15→1：

30→1：

50）.

③ThethermalpropertieswerecharacterizedbymeansofDSC.Theresultsindicatethattheglasstransitiontemperature（Tg）ofPDLLA-PEG-PDLLAincreasedfrom13.92℃to36.11℃whenincreasedfrom2400to7200,exhibitingobvioustemperature-dependence.

（2）AseriesofPUU-PPZspolymersweresynthesizedinanhydroustoluenebyusingPDLLA-PEG-PDLLAasthesoftsegment,HDIasthecouplingagentandPPZasthechainextender.

①FTIRand1HNMRanalysisrevealedthatPUU-PZZshavebeensuccessfullysynthesized.AndtheofPUU-PPZsincreased（54→83→91kDa）withincreasingHDI/PDLLA-PEG-PDLLAratios（1.1→1.3→1.5）whenPDLLA-PEG-PDLLAwiththeMnof4000wasemployed.

②SelectionofPPZasthechainextendereffectivelyreducedcross-linkingandmadethechain-extendingeasiertobecontrolled.ThisisbeneficialtoobtainlinearPUU-PPZssoastoimprovetheshapememoryandmechanicalproperties.

③DSCanalysisexhibitedthattheTgofPUU-PPZincreased（37.50→38.90→44.20℃）withincreasingHDI/PDLLA-PEG-PDLLAratios（1.1→1.3→1.5）.

（3）ThemechanicalpropertiesandshapememoryperformanceofPUU-PPZswereinvestigated.AndtheinfluencesofHDI/PDLLA-PEG-PDLLAratios,shapedeformation,deformationtemperatureandrecoverytemperaturewereinvestigated.Furthermore,AFMwasusedtoobersvethephaseseparationinPUU-PZZmemberaneinordertounderstandtheshapememorymechanismofPUU-PPZ.

①TheresultsfromInstron1011indicatedthatthetensilemodulusofPUU-PPZ4Kincreased（406→584→856MPa）whiletheelongationatbreakdecreased（866%→698%→475%）withincreasingHDI/PDLLA-PEG-PDLLAratios（1.1→1.3→1.5）.Thestress-straincurvesshowedthatPUU-PPZ4K1.5isstrongandflexible,whichmaybepartiallyduetoPPZcontainingarigidsix-memberedring.

②PUU-PPZshadgoodshapememoryproperties（largeshapefixationratio≥95%,shaperecoveryratio>93%）.Theshapefixedrateincreasedwithincreasinghardsegmentcontentwhilethefixedratedecreased.

③TounderstandtheshapememorymechanismofPUU-PPZ,AFMwasemployedtoobservethephaseseparationinPUU-PPZ4K1.5film.Obviousphaseseparationwasobservedwiththebrightregionsscatteredinthecontinuousdarkregion.Andthearearatioofthedarkregiontothebrightregionsisabout12:

1,whichissimilartothetheoreticalorcalculatedmassratioorchainlenghthratioofthesoftsegmentstothehardsegments（13：

1）.Thissimilaritysuggeststhatthedarkregionsrepresentthehardsegmentsandthedarkonerepresentsthesoftsegments.Therefore,phaseseparationisthestructuralbasisforshapememorymechanism.

（4）Thehydrophilicity/hydrophobicitypropertiesofthePUU-PPZspolymerswerecharacterizedbyusingstaticwatercontactanglesandwateruptake.ThestaticwatercontactanglesofPUU-PPZsweresmallerwhilethewateruptakeswerelargerthanthePDLLAcontrols.WiththeincreaseofHDI/PDLLA-PEG-PDLLA,thestaticwatercontactangledecreased,suggestingincreasedhydrophilicity.

Keywords:

poly（urethane-urea）,piperazine,mechanicalproperty,shapememoryproperty,bonerepairmaterials,non-union

目录

摘要I

ABSTRACTIV

目录VII

主要缩略词X

1绪论1

1.1问题的提出及研究意义1

1.2国内外生物可降解形状记忆聚氨酯材料的研究进展2

1.2.1生物可降解形状记忆聚氨酯的概念3

1.2.2生物可降解形状记忆聚氨酯材料的形状记忆性能4

1.2.3生物可降解形状记忆聚氨酯材料的力学性能6

1.2.4可降解聚氨酯材料的生物相容性研究6

1.3研究思路和主要研究内容7

1.3.1研究思路7

1.3.2主要研究内容8

1.4本论文的创新点9

2PDLLA-PEG-PDLLA三嵌段共聚物的合成与表征10

2.1引言10

2.2实验10

2.2.1主要材料与试剂10

2.2.2主要仪器与设备10

2.2.3PDLLA-PEG-PDLLA三嵌段共聚物的制备与纯化11

2.3PDLLA-PEG-PDLLA的结构表征11

2.3.1FTIR分析11

2.3.2PDLLA-PEG-PDLLA的1HNMR图谱分析11

2.3.3PDLLA-PEG-PDLLA的分子量测定12

2.3.4PDLLA-PEG-PDLLA的DSC分析12

2.4结果分析13

2.4.1PEG用量对端羟基低聚物PDLLA-PEG-PDLLA分子量的影响13

2.4.2反应温度对PDLLA-PEG-PDLLA分子量的影响13

2.4.3PDLLA-PEG-PDLLA结构分析14

2.4.4PDLLA-PEG-PDLLA的DSC分析16

2.5讨论16

2.6小结18

3形状记忆聚氨酯脲的合成与表征19

3.1前言19

3.2实验与方法19

3.2.1主要材料及设备19

3.2.2PUU-PPZs的制备与纯化20

3.2.3制备PUU-PPZs的反应体系中异氰酸酯含量的测定21

3.3PUU-PPZs的表征21

3.4实验结果21

3.4.1NCO/OH/PPZ摩尔比对聚氨酯脲物理状态的影响21

3.4.2PUU-PPZs的制备22

3.4.3PUU-PPZs的结构分析23

3.4.4PUU-PPZ的DSC分析25

3.5讨论25

3.5.1不同扩链剂对聚氨酯脲物理状态的影响25

3.5.2PUU-PPZs的结构26

3.6小结27

4PUU-PPZs的形状记忆性能和力学性能研究28

4.1前言28

4.2实验材料、仪器和实验方法28

4.2.1主要耗材与设备28

4.2.2PUU-PPZs膜的制备29

4.2.3PUU-PPZs的力学性能29

4.2.4PUU-PPZs的形状记忆性能测试方法29

4.2.5PUU-PPZs的AFM分析30

4.3实验结果30

4.3.1PUU-PPZs的力学特性30

4.3.2PUU-PPZs的形状记忆性能31

4.3.3组分含量对形状记忆性能的影响33

4.3.4变形率对形状记忆性能的影响33

4.3.5变形温度对形状记忆性能的影响34

4.3.6PUU-PPZs的原子力显微镜分析34

4.4讨论35

4.4.1力学性能35

4.4.2PUU-PPZs的形状记忆效应36

4.5小结37

5PUU-PPZs的亲/疏水性研究38

5.1引言38

5.2