[发明专利]高模量聚氨酯和聚氨酯/脲组合物

说明书

发明领域

本发明涉及具有高模量、高强度和高伸长率的可加工聚氨酯和聚氨酯/脲的组合物。所述组合物特别适于用作需要保持力学强度直至组织再生/修复过程完成时的生物可相容的生物可降解植入物。所述组合物可用在组织工程用支架、矫形固定、血管支架以及骨替代物或支架中。

背景技术

合成的生物医学聚合物可大致分为不可生物降解的和生物可降解的聚合物。不可生物降解的那些广泛用在需要医用装置无限期地在该处固定或在该处固定直至决定不再需要该装置并可安全地移除时，即用在永久固定装置中。这些聚合物需要在所置的环境中是完全不可生物降解的或降解性极小，它们例如广泛用于如乳房植入物的领域中、矫形应用如骨固定装置中，并且新近用来替代重要组织如心瓣膜。

聚硅氧烷、聚氨酯和/或其共聚物广泛用于这样的应用中。其他实例包括聚酯如涤纶和聚醚醚酮(PEEK)。

另一方面，当生物可降解聚合物用在体内时提供力学支承并用作生物组织再生或修复的平台，它在一段时间后会降解，这取决于生物可降解聚合物的类型和组织环境。由此，生物可降解聚合物特别适用于矫形应用以及组织工程产品和疗法中。

所研究的大多数生物可降解聚合物属于聚酯家族。其中聚(α-羟基酸)如聚(乙醇酸)、聚(乳酸)和其一系列共聚物已在历史上构成已发表的生物可降解聚酯材料的主体，并且长期以来在许多临床应用中用作合成的生物可降解材料。在这些应用中，聚(乙醇酸)、聚(乳酸)及它们的共聚物、聚(对二氧环己酮)、以及三亚甲基碳酸酯与乙交酯的共聚物是使用最广泛的。其主要应用包括可吸收缝合线、药物传递系统和矫形固定装置(如销钉、棒(rod)和螺钉)。在合成聚合物家族中，聚酯在这些应用领域的使用具有吸引力，这是因为其易于通过其酯键的水解而降解以及其降解产物在某些情况下通过代谢途径被吸收且其具有“量身定制”其结构以改变降解速率的潜力。

合成聚合物具有根据预期用途通过选择适宜的单体和单体组合来“量身定制”所需力学性质和其他性质的优势。因此已开发出多种共聚方法来由聚酯家族制备具有宽范围力学性质的聚合物。乳酸、乙醇酸和ε-己内酯的共聚物为几个实例。

大多数高模量和高强度聚合物通常非常脆，断裂伸长率为约10％或更低。实例包括聚(乳酸)、聚(乙醇酸)和聚酸酐。同样，高模量生物稳定聚合物如PEEK和ElastEon 4(美国专利6,437,073B1)的断裂伸长率低于50％。

已采用多种策略来改进合成聚合物的韧性。所采用的主要策略之一是橡胶增韧，向脆的无定形聚合物中混入微米尺寸的橡胶颗粒[J Appl Polym Sci，76，1074(2000)]。这种方法的缺点在于必须引入由于不相容性以及力学性质不匹配所以对于许多医用植入物应用来说不希望的第二聚合物。此外，伸长率的改进伴随着模量和强度的损失。类似地，无机填料的引入可提高模量但损害伸长率和强度，故而这样的材料对于需要高伸长率的医用植入物应用来说是不合乎需要的。

高强度生物可降解聚合物是应用如血管支架、骨折固定植入物和其他矫形应用如椎间融合器(spinal cage)中所需要的。特别需要的是力学性质能保持到直至修复过程完成的高模量但脆性较低的材料。例如，在冠状动脉支架中，在血管患部经气囊扩张后，需要支架提供数月的力学支承，从而允许受损血管有足够的时间来修复。在此过程中，支架周围发生细胞生长以重建受损血管。对于这类应用，需要材料性质能在生理条件(37℃，体内)下保持。因此，为使植入物在生物环境中表现最佳性能，材料具有高模量、高强度和高伸长率以防止植入物脆断是关键性的。

聚氨酯作为合成聚合物中的一类在设计具有这类性质的材料方面比其他类的聚合物具有优势。通过选择不同比例的试剂的适宜组合可制备出具有从弹性体到刚性材料的不同性质的广泛聚合物。二异氰酸酯、多元醇和扩链剂是用来制备聚氨酯的三种主要试剂。二异氰酸酯和扩链剂的比例高通常生成具有高模量和高强度的刚性聚氨酯。通过仅使扩链剂与二异氰酸酯反应形成的聚氨酯通常是非常刚性的，具有高模量但非常脆并难以热加工。例如，由4，4’-亚甲基二苯基二异氰酸酯(MDI)和1，4-丁二醇(BDO)制备的聚氨酯由于其结晶度高故非常脆且高于210℃时熔融[PolyurethanesChemistry，Technology and Applications，Ellis Harwood 118页(1993)]。此外，这样的材料具有高模量但由于脆性故而应用非常有限。