本發(fā)明涉及生物醫(yī)用材料，更具體地說涉及一種改性的聚氨酯制備及其3d打印作為半月板替代材料的應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、由于獨(dú)特的血管化特征，半月板的自我修復(fù)能力有限。目前為止，半月板切除術(shù)仍然是臨床上治療嚴(yán)重半月板損傷最常用的方法。然而，去除半月板可能會(huì)導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)的應(yīng)力集中和負(fù)荷傳遞紊亂，從而加速骨關(guān)節(jié)炎(oa)的進(jìn)展，而同種異體半月板移植存在移植物來源不足、免疫排斥和疾病傳播風(fēng)險(xiǎn)等問題。因此，迫切需要開發(fā)一種人工半月板替代物，以重建半月板的功能，減少軟骨磨損，避免半月板切除后骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)展。

2、聚氨酯是一種公認(rèn)的生物醫(yī)學(xué)材料，由于其在分子設(shè)計(jì)方面的高度自由度，已被廣泛用作人體內(nèi)部組織和器官的替代物。在各種聚氨酯中，聚碳酸酯聚氨酯表現(xiàn)出優(yōu)異的抗氧化降解性和水解穩(wěn)定性，有望作為長期植入的半月板替代物。通常，聚氨酯的親水性較低，當(dāng)用作植入物時(shí)會(huì)導(dǎo)致軟骨磨損的問題。一些研究證實(shí)，在聚氨酯體系中引入兩性離子可以顯著提高聚氨酯的親水性和潤滑性。

3、新興的3d打印技術(shù)(例如，熔融沉積成型(fdm))有望實(shí)現(xiàn)具有高形狀保真度的精確打印，能夠很好地解決半月板微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和個(gè)性化定制，從而減小移植后可能發(fā)生的形狀不匹配及載荷傳遞等問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，解決目前半月板替代物很難模擬體內(nèi)的潤滑機(jī)制，在長期植入中面臨著軟骨磨損的問題，提出一種改性的聚氨酯及3d打印半月板的制備方法，配方簡單，制備方法容易。

2、本發(fā)明的技術(shù)目的通過下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。

3、一種改性聚氨酯及其制備方法，按照下述步驟進(jìn)行：

4、步驟1，將兩性離子二醇、聚六亞甲基碳酸酯二醇、二異氰酸酯均勻分散在有機(jī)溶劑中，加入催化劑進(jìn)行預(yù)聚合，其中，聚六亞甲基碳酸酯二醇、兩性離子二醇、二異氰酸酯的質(zhì)量比為1：(0.1—0.3)：(0.5—0.8)，預(yù)聚合溫度為70—90攝氏度，時(shí)間為1—3小時(shí)；

5、在步驟1中，聚六亞甲基碳酸酯二醇、兩性離子二醇、二異氰酸酯的質(zhì)量比為1：(0.1—0.2)：(0.5—0.6)。

6、在步驟1中，二異氰酸酯為六亞甲基二異氰酸酯硬段。

7、在步驟1中，聚六亞甲基碳酸酯二醇的數(shù)均分子量為1k—3k。

8、在步驟1中，兩性離子二醇的分子式如下所示

9、按照下述方法進(jìn)行制備：將n-甲基二乙醇胺(5.96g,50mmol)，1,3-丙烷磺內(nèi)酯(6.70g,55mmol)和二氯甲烷(200ml)加入500ml圓底燒瓶中。將混合物在氮?dú)夥障乱?00rpm在40℃的油浴中攪拌24小時(shí)。使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器將反應(yīng)物溶液旋轉(zhuǎn)至約25ml。剩余的溶液用丙酮以1:20的比例沉降，然后用丙酮洗滌三次，得到白色粉末。最后，將產(chǎn)物在真空干燥箱中干燥并稱重；參考文獻(xiàn)：liu?q,wang?x,chiu?a,et?al.azwitterionic?polyurethane?nanoporous?device?with?low?foreign-body?responsefor?islet?encapsulation[j].advanced?materials,2021,33(39):2102852。

10、在步驟1中，選擇將聚六亞甲基碳酸酯二醇(固態(tài))和兩性離子二醇(固態(tài))加入三頸燒瓶中，組裝機(jī)械攪拌裝置并用保鮮膜在接口處簡單密封后置于120℃油浴鍋中真空干燥1小時(shí)，以除去原料中的水分，避免在預(yù)聚合階段發(fā)生暴聚。

11、在步驟1中，催化劑為聚氨酯領(lǐng)域常用催化劑，如2-乙基己酸亞錫，其用量根據(jù)反應(yīng)物用量進(jìn)行調(diào)整，并均勻滴加。

12、在步驟1中，有機(jī)溶劑為聚氨酯領(lǐng)域常用反應(yīng)溶劑，根據(jù)反應(yīng)物用量進(jìn)行種類和/或用量的調(diào)整，如二甲基亞砜、二甲基甲酰胺或者二甲基乙酰胺。

13、在步驟1中，預(yù)聚合溫度為70—80攝氏度，時(shí)間為1—2小時(shí)。

14、步驟2，預(yù)聚合后，將反應(yīng)體系溫度降至40—50攝氏度，向反應(yīng)體系中滴加擴(kuò)鏈劑己二酸二酰肼(adh)并保溫進(jìn)行反應(yīng)，從預(yù)聚合開始的整個(gè)反應(yīng)過程中，反應(yīng)始終保持在惰性保護(hù)氣氛下進(jìn)行，其中，聚六亞甲基碳酸酯二醇和己二酸二酰肼的質(zhì)量比為1：(0.3—0.5)。

15、在步驟2中，選擇與步驟1中相同的溶劑均勻分散擴(kuò)鏈劑己二酸二酰肼，然后分批次滴加到反應(yīng)體系中，以進(jìn)行擴(kuò)鏈反應(yīng)(每批次加入量基本相等)，期間觀察是否出現(xiàn)“爬桿”現(xiàn)象。

16、在步驟2中，惰性保護(hù)氣氛為氮?dú)狻⒑饣蛘邭鍤狻?/p>

17、在步驟2中，反應(yīng)溫度為40—50攝氏度，反應(yīng)時(shí)間為6—12小時(shí)。

18、在步驟2中，聚六亞甲基碳酸酯二醇和己二酸二酰肼的質(zhì)量比為1：(0.3—0.4)。

19、在步驟2中，待反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)物按照1:20的體積比例加入乙醚中進(jìn)行沉降，對(duì)沉降得到的固體產(chǎn)物進(jìn)行抽濾，并依次使用乙醚和純水洗滌3次后放入真空干燥箱進(jìn)行干燥，最后得到干燥的白色產(chǎn)物，即為本發(fā)明改性聚氨酯，將其命名為pcu-mesb。

20、本發(fā)明的改性聚氨酯作為半月板替代材料的應(yīng)用。通過生物3d打印機(jī)對(duì)改性聚氨酯進(jìn)行3d打印，將制備好的改性聚氨酯(pcu-mesb)物料添加到打印機(jī)的高溫料筒中，升溫至180-220℃，并保溫一段時(shí)間，如10—20min，設(shè)定打印參數(shù)，進(jìn)行連續(xù)打印。擠出的微纖維沉積在35-45℃的打印平臺(tái)上；待其打印完成后，將打印產(chǎn)物浸泡在pbs緩沖溶液中至溶脹平衡，獲得具有特定形狀的3d打印pcu-mesb支架。

21、在本發(fā)明技術(shù)方案中，打印模式為線性填充模式，打印速度為6-10mm/s，出絲速度為0.05-0.15mm/s。

22、在本發(fā)明技術(shù)方案中，cad/cam軟件用于設(shè)計(jì)3d打印模型，兔子的半月板模型通過重建micro-ct數(shù)據(jù)獲得，采用逐層堆積的方法構(gòu)建設(shè)計(jì)體系結(jié)構(gòu)。

23、本發(fā)明從氫鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)開始，采用聚六亞甲基碳酸酯二醇軟段、六亞甲基二異氰酸酯硬段和己二酸二酰肼擴(kuò)鏈劑的組合獲得具有高度對(duì)稱性和高剛性的超分子聚氨酯(pcu)，以確保在之后的打印過程中有足夠的結(jié)構(gòu)支撐性。在此基礎(chǔ)上，合成了兩性離子二醇(mesb-diol)并將其引入聚氨酯體系中合成兩性離子聚氨酯(pcu-mesb)。一方面，引入的兩性離子側(cè)基將有助于調(diào)節(jié)硬段中的分子間氫鍵相互作用和聚合物鏈的運(yùn)動(dòng)，從而使其具有適當(dāng)?shù)募庸囟取⒖纱蛴⌒院晚g性；另一方面，兩性離子基團(tuán)的水合作用可以提高pcu的親水性，提供潤滑表面。通過fdm?3d打印技術(shù)，可以很容易地直接制備具有特定性能的pcu-mesb半月板替代物，而無需任何其他后處理(如涂覆和填充水凝膠)。本發(fā)明配方簡單，制備方法容易，選擇合適的軟硬段及擴(kuò)鏈劑構(gòu)建具有優(yōu)異力學(xué)性能的聚氨酯框架，在此基礎(chǔ)上合成并引入兩性離子擴(kuò)鏈劑改善其親水性和生物相容性以解決高剛度聚氨酯引發(fā)的軟骨磨損問題，將上述改性聚氨酯加入3d打印機(jī)的高溫料筒中，加熱至180-220℃進(jìn)行熔融沉積成型3d打印，得到3d打印半月板支架；將3d打印半月板支架置于磷酸緩沖鹽溶液中浸泡至溶脹平衡，得到用于體內(nèi)植入的3d打印半月板替代物。本方法可通過氫鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的力學(xué)性能，引入兩性離子擴(kuò)鏈劑緩解軟骨磨損問題，3d打印以獲得尺寸匹配的半月板支架，在作為半月板替代物方面具有巨大應(yīng)用前景。