原位成纖增強可降解醫用彈性複合材料及其製備方法
2023-05-12 05:18:36
專利名稱：原位成纖增強可降解醫用彈性複合材料及其製備方法
技術領域：
本發明屬於高分子生物醫用材料領域。具體地說，本發明涉及一種由
聚乙醇酸[poly(glycolicacid)， PGA]或聚(L-乳酸)[poly(L-lacticacid), PLLA]增強聚(L-丙交酯-s-己內酯)[poly(L-lactide-co-s-caprolactone)， PLLCA]原位成纖可降解醫用彈性體複合材料的製備方法。
背景技術：
隨著臨床醫學的不斷發展，生物醫用彈性體材料得到了越來越廣泛的 應用。目前，已報導的醫用彈性體主要分為可降解醫用彈性體及不可降解 彈性體兩大類。其中，不可降解彈性體主要有矽橡膠醫用彈性體、聚氨酯 醫用彈性體等，不可降解醫用彈性體在臨床應用中存在諸多不足，如彈性 體需二次手術取出，給病人帶來極大痛苦的同時增加了手術風險，另外由
於大部分不可降解材料的生物相容性較差，在植入體內後常常出現異物反 應，從而引起一系列的併發症。可降解彈性體主要分為聚醚酯生物彈性體、 聚肽生物彈性體、水凝膠及聚酯類生物彈性體等，目前可降解醫用彈性體 雖然具有較好的生物相容性，但生產成本高，加工條件複雜，機械性能差， 從而限制了在臨床上的應用。
鑑於現有技術中存在的缺陷，本發明提供了一種生產成本低，操作簡 便，生物相容性好的可降解醫用彈性複合材料
發明內容
本發明提供了由聚乙醇酸或聚(L-乳酸)原位成纖增強聚(L-丙交酯 -s-己內酯)可降解醫用彈性複合材料及其製備方法。
一種原位成纖增強可降解醫用彈性複合材料，採用聚乙醇酸或聚(L-乳酸)作為填料，聚(L-丙交酯-s-己內酯)作為基體，通過以下方法製備
將聚乙醇酸或聚(L-乳酸)與聚(L-丙交酯-s-己內酯)按質量比為 20/80-5/95預混，在惰性氣體氛圍內，利用擠塑機擠出，擠塑機的螺杆 轉速為10-80r/min;擠出後用牽引機以1 ~ 30 m/min的牽引速度牽引， 控制口模直徑/樣條直徑(拉伸比)的值為1~6,牽引過程中用水淬冷。
其中，聚(L-丙交酯-e-己內酯)的重均分子量(Mw)為10-60萬，聚 (L-丙交酯-e-己內酯)中s-己內酯單元摩爾百分比為15%~30%。聚乙醇 酸的特性粘數h]為1 ~ 5 g/dl;聚(L-乳酸)的重均分子量(Mw)為10 ~ 100萬。
滿足上述分子量或粘度條件的聚乙醇酸或聚(L-乳酸)和聚(L-丙交 酯-s-己內酯)配合時，聚乙醇酸或聚(L-乳酸)和聚(L-丙交酯-s-己內酯) 的熔體粘度比值範圍有利於更好的成纖。若該比值過小，則成不了纖維；
該比值過大，則纖維的長徑比會^艮小。因此，通過對聚(L-丙交酯-e-己內 酯)的分子量控制和對聚乙醇酸或聚(L-乳酸)進行粘度或分子量控制， 來控制二者熔體的粘度比，從而控制成纖條件。
本發明中通過調節聚乙醇酸或聚(L-乳酸)和聚(L-丙交酯-s-己內酯) 的用量比例來控制複合材料的強度。複合材料內纖維含量的增加，材料的 拉伸強度呈現先增大後減小的趨勢，適量的填充纖維可以對材料起到增強 作用；但如果纖維含量過大，會使纖維間形成團聚，在材料內形成缺陷， 造成材料機械性能下降。本發明中聚乙醇酸或聚(L-乳酸)與聚(L-丙交 酯-s-己內酯)的質量比控制為20/80-5/95,與單一聚(L-丙交酯-e-己內 酯)相比較，複合彈性體的強度有了明顯增強。
本發明中通過控制口模直徑/樣條直徑(拉伸比)在1 ~ 6來控制製得
的複合彈性體的性能。具體來說，可通過調節擠塑機的螺杆轉速和牽引機
的牽引速度來調節口模直徑^=羊條直徑(拉伸比)。擠塑機的螺杆轉速對復
合材料內纖維直徑大小有直接的影響。隨著螺杆轉速增大，分散相液滴扭互碰撞的機率減小，這樣分散相液滴被拉伸後形成的纖維直徑會很小；但
另一方面，過大的轉速會給聚合物熔體更大的剪切力，易引起聚合物降解。
本發明中擠塑機的螺杆轉速為10-80 r/min。牽引機的牽引速度對複合材
料內纖維直徑大小也有影響。牽引速度越大，則擠出的棒材直徑越小，復
合材料內纖維被拉伸越明顯。但另一方面，如果複合材料內纖維長徑比過
大，在二次加工或材料使用過程中，纖維容易發生斷裂，在材料內部產生
缺陷。本發明中牽引機的牽引速度為1 30m/min。製得的複合材料的直徑
為100nm~500nm，纖維相與基體間有部分融合，相界面作用更強。
本發明的原位成纖複合材料中的纖維主要在從口模擠出及擠出後牽
引兩個過程中形成。因此，擠塑過程的溫度也有著重要的影響。本發明採
用通用的多溫度區域對材料加熱，從螺杆末端的進料口到口模之間，分為
I—IV四個溫度區，IV區溫度為口模溫度。四個區域的溫度設置方式按現
有技術中通常的方式進行。採取先增大後減小的方式，先在略低的溫度(I
區溫度)下使得物料預混，然後使得物料熔融擠出，通常在保證填料能夠
完全熔融的前提下取較低的溫度，即預混後熔融擠出過程的溫度不低於填
料的熔點，優選為填料的熔點或略高於填料的熔點。填料為聚乙醇酸時，
在230。C左右熔融完全；填料為聚(L-乳酸)時，在180。C左右熔融完全。
根據分子量不同，填料熔點會略有不同。
其中惰性氣體可為常用的各種惰性氣體，優選氮氣。
由於原位成纖複合材料的熔體粘度較低，複合材料的加工性能得到了 改善，加工溫度更低，加工過程中熔體對設備內壁的磨損更小。將製得原 位成纖複合材料剪切造粒後進行二次加工，加工溫度為14(TC左右，可以 加工成管材、棒材、片材及異型材等任意所需材料。
本發明的聚乙醇酸或聚(L-乳酸)原位成纖增強聚(L-丙交酯-s-己內 酯)複合材料可廣泛應用於醫用彈性體領域，用於製備可降解醫用導管、可降解彈性筋膜、可降解人工皮膚等醫療器械。特別是在生產可降解導管 的時候，因為微纖是在導管成型的同時就地形成的，因此，；隞纖會沿著導 管軸向方向高度取向，從而使導管的拉伸強度增加更明顯，而其他短纖維 增強材料是各向同性的，和本發明的原位成纖增強材料是無法相比的。
本發明避免採用通用的熱致型液晶作為成纖材料，從而突破了通用成 纖材料由於價格高昂和不可降解性難以在可降解醫用領域推廣應用的限 制。本發明將具有較好的結晶能力以及拉伸強度可降解生物醫用材料聚乙
醇酸與聚(L-乳酸)作為增強材料(成纖材料)，與聚(L-丙交酯-s-己內 酯)基體共混加工，增強材料和基體相容性適當，既避免了相容性太差的 體系無法實現增強效果，又避免了相容性太好的體系中二者完全混熔導致 不能形成纖維的缺陷，增強材料在基體中充分分散；增強材料聚(L-乳酸) 加工溫度為180。C左右，聚乙醇酸的加工溫度為230。C左右，基體的加工溫 度為14(TC左右，由於複合材料二次加工時溫度要等於或高於基體的加工 溫度使得基體熔融，但同時要低於成纖材料的加工溫度保持成纖材料的纖 維形態，所以複合材料二次加工溫度介於基體與成纖材料的加工溫度之 間，而本發明中增強材料和基材的加工溫度差足夠大，從而保證了較寬的 複合材料二次加工溫度範圍；加工過程中，增強相就地取向形成微纖，原
位成纖獲得纖維增強聚合物，這樣得到的聚乙醇酸或聚(L-乳酸)原位成 纖增強聚(L-丙交酯-s-己內酯)複合材料中的纖維增強相直徑更小，與基 體的界面結合情況更好，在基體材料中更容易分散；同時增強材料結晶性 能好，避免纖維形成後收縮，使纖維長徑比損失；材料共擠出後拉伸有助 於增強纖維的形成；最終得到的原位成纖複合材料中微纖直徑小至亞微米 級，本發明中為100nm 500nm，熔體粘度明顯下降，可加工性能更好。 與傳統纖維增強高分子複合材料相比較，本發明的聚乙醇酸或聚(L-乳酸)原位成纖增強聚(L-丙交酯-s-己內酯)複合材料是一種可以 完全生物降解的醫用材料；與傳統直接添加纖維增強高分子複合材 料相比較，本發明的聚乙醇酸或聚(L-乳酸)原位成纖增強聚(L-丙交 酯-s-己內酯)複合材料的纖維相直徑更細，直徑為100 nm~500 nm;纖 維相與基體間有部分融合，相界面作用更強；本發明的聚乙醇酸或聚(L-乳酸)原位成纖增強聚(L-丙交酯-e-己內酯)複合材料在機械性能上比單 純聚(L-丙交酯-e-己內酯)有明顯改善，複合材料的拉伸強度可增加20~ 50%;此外，本發明的聚乙醇酸或聚(L-乳酸)原位成纖增強聚(L-丙交 酯-s-己內酯)複合材料的熔體粘度更低，可以有效地減輕在加工過程中熔 體對設備腔體內壁的磨損。
具體實施方式
實施例1
將聚乙醇酸與聚(L-丙交酯-e-己內酯)4要質量比為5/95預混，在氮 氣氛圍內，利用單螺杆擠塑機擠出，擠塑機溫度設置為(I)區22(TC, (II )區240°C ， (III )區23(TC, (IV )區230°C;擠塑機螺杆轉速為10 r/min; 擠出後用牽引機以1.8m/min的牽引速度牽引，控制拉伸比(口模直徑/樣 條直徑)為3，牽引過程中用水淬冷，得到聚乙醇酸原位成纖增強聚(L-丙交酯-s-己內酯)複合材料。 聚(L-丙交酯-s-己內酯)重均分子量(Mw)為 15.5萬，其中e-己內酯單元摩爾百分數為15%;聚乙醇酸的特性粘數[ti〗 為1.5g/di。測試結果表明聚(L-丙交酯-s-己內酯)拉伸強度為28.2MPa; 所得的聚乙醇^/聚(L-丙交酯-s-己內酯)的拉伸強度為33.2MPa,斷裂伸 長率為5卯°/0。
實施例2將聚乙醇酸與聚(L-丙交酯-s-己內酯)4姿質量比為10/90預混，在氮 氣氛圍內，利用單螺杆擠塑機擠出，擠塑機溫度設置為(I)區220°C， (H)區24(TC, (in)區230。C, (IV )區230。C;擠塑機螺杆轉速為20 r/min; 擠出後用牽引機以3,7m/min的牽引速度牽引，控制拉伸比(口模直徑/樣 條直徑)為3，牽引過程中用水淬冷，得到聚乙醇酸原位成纖增強聚(L-丙交酯-s-己內酯) 複合材料。 其中，聚(L-丙交酯-s-己內酯)重均分子量 (Mw)為28.4萬，e-己內酯單元摩爾百分數為18%;聚乙醇酸的特性粘數[ 1] 為2.1 g/di。測試結果表明聚(L-丙交酯-s-己內酯)拉伸強度為25.1 MPa; 所得的聚(L-丙交酯-s-己內酯)/聚乙醇酸的拉伸強度為33.4MPa,斷裂伸 長率為568%。
實施例3
將聚乙醇酸與聚(L-丙交酯-s-己內酯)4姿質量比為10/卯預混，在氮 氣氛圍內，利用單螺杆擠塑機擠出，擠塑機溫度設置為(I)區220°C, (n)區240。C, (ni)區23(TC, (IV)區230。C;擠塑機螺杆轉速為25r/min; 擠出後用牽引機以8.3m/min的牽引速度牽引，控制拉伸比(口模直徑/樣 條直徑)為4，牽引過程中用水淬冷，得到聚乙醇酸原位成纖增強聚(L-丙交酯-s-己內酯) 複合材料。 其中，聚(L-丙交酯-s-己內酯)重均分子量 (mw)為40.3萬，s-己內酯單元摩爾百分數為22。/o;聚乙醇酸的特性粘數〖ti〗 為2.6g/dl。測試結果表明聚(L-丙交酯-e-己內酯)拉伸強度為26.1 MPa; 所得的聚(L-丙交酯-s-己內酯)/聚乙醇酸的拉伸強度為36.4MPa,斷裂伸 長率為572%。
實施例4將聚乙醇酸與聚(L-丙交酯-e-己內酯)4安質量比為15/85預混，在氮 氣氛圍內，利用單螺杆擠塑機擠出，擠塑機溫度設置為(I)區220°C, (II )區240°C, (III )區230。C, (IV )區230'C;擠塑機螺杆轉速為30 r/min; 擠出後用牽引機以14.8 m/min的牽引速度牽引，控制拉伸比(口模直徑/ 樣條直徑)為5,牽引過程中用水淬冷，得到聚乙醇酸原位成纖增強聚(L-丙交酯-s-己內酯)複合材料。其中，聚(L-丙交酯-s-己內酯)重均分子量 (Mw)為48.1萬，e-己內酯單元摩爾百分數為25%,聚乙醇酸的特性粘數[11] 為3.5 g/dl。測試結果表明聚(L-丙交酯-s-己內酯)拉伸強度為22.4 MPa; 所得的聚(L-丙交酯-s-己內酯)/聚乙醇酸的拉伸強度為38.4MPa,斷裂伸 長率為536%。
實施例5
將聚乙醇酸與聚(L-丙交酯-e-己內酯)按質量比為20/80預混，在氮 氣氛圍內，利用單螺杆擠塑機擠出，擠塑機溫度設置為(I)區220。C, (n)區240。C, (m)區230。C, (IV)區230。C;擠塑機螺杆轉速為35r/min; 擠出後用牽引機以12.2 m/min的牽引速度牽引，控制拉伸比(口才莫直徑/ 樣條直徑)為4，牽引過程中用水淬冷，得到聚乙醇酸原位成纖增強聚(L-丙交酯-e-己內酯)複合材料。其中，聚(L-丙交酯-s-己內酯)重均分子量 (mw)為30.3萬，e-己內酯單元摩爾百分數為20%;聚乙醇酸的特性粘數[ti] 為4.1 g/dl。測試結果表明聚(L-丙交酯-s-己內酯)拉伸強度為25.4MPa; 所得的聚(L-丙交酯-s-己內酯)/聚乙醇酸的拉伸強度為31.1MPa,斷裂伸 長率為472%。
實施例6將聚(L-乳酸)與聚(L-丙交酯-s-己內酯)按質量比為5/95預混，在 氮氣氛圍內，利用單螺杆擠塑機擠出，擠塑機溫度設置為(I)區170'C，
(H)區19(TC， (m)區180。C, (IV)區180。C;擠塑機螺杆轉速為10r/min; 擠出後用牽引機以2.1m/min的牽引速度牽引，控制拉伸比(口模直徑/樣 條直徑)為3,牽引過程中用水淬冷，得到聚(L-乳酸)原位成纖增強聚
(L-丙交酯+己內酯)複合材料。其中，聚(L-丙交酯-s-己內酯)重均分 子量(Mw)為1S.5萬，s-己內酯單元摩爾百分^t為15%;聚(L-乳酸)的 重均分子量(Mw)為20.4萬。測試結果表明聚(L-丙交酯-e-己內酯)拉 伸強度為28.2 MPa;所得的聚(L-丙交酯-s-己內酯)/聚(L-乳酸)的拉 伸強度為21.4MPa，斷裂伸長率為694%。
實施例7
將聚(L-乳酸)與聚(L-丙交酯-s-己內酯)4姿質量比為10/90預混， 在氮氣氛圍內，利用單螺杆擠塑機擠出，擠塑機溫度設置為(I)區170 匸，(II)區190°C, (III)區180°C, (IV)區180°C;擠塑機螺杆轉速為 20r/min;擠出後用牽引機以4.1 m/min的牽引速度牽引，控制拉伸比(口 模直徑/樣條直徑)為3,牽引過程中用水淬冷，得到聚(L-乳酸)原位成 纖增強聚(L-丙交酯-e-己內酯)複合材料。其中，聚(L-丙交酯-s-己內酯) 重均分子量(Mw)為28.4萬，s-己內酯單元摩爾百分數為18%;聚(L-乳 酸)的重均分子量(M、v)為45.3萬。測試結果表明聚(L-丙交酯-e-己內 酯)拉伸強度為25.1 MPa;所得的聚(L-丙交酯-s-己內酯)/聚(L-乳酸) 的拉伸強度為32.3MPa,斷裂伸長率為582%。
實施例8將聚(L-乳酸)與聚(L-丙交酯-s-己內酯)4姿質量比為10/90預混， 在氮氣氛圍內，利用單螺杆擠塑機擠出，擠塑機溫度設置為(I)區170 。C, (II)區19(TC， (III)區18(TC， (IV)區18CTC;擠塑機螺杆轉速為 25r/min;擠出後用牽引機以8.5 m/min的牽引速度牽引，控制拉伸比(口 模直徑/樣條直徑)為4，牽引過程中用水淬冷，得到聚(L-乳酸)原位成 纖增強聚(L-丙交酯-s-己內酯)複合材料。其中，聚(L-丙交酯-s-己內酯) 重均分子量(Mw)為40.3萬，s-己內酯單元摩爾百分數為22%;聚(L-乳 酸)的重均分子量(Mw)為58.6萬。測試結果表明聚(L-丙交酯-s-己內 酯)拉伸強度為26.1 MPa;所得的聚(L-丙交酯-s-己內酯)/聚(L-乳酸) 的拉伸強度為35.1 MPa，斷裂伸長率為583%。
實施例9
將聚(L-乳酸)與聚(L-丙交酯-s-己內酯)按質量比為15/85預混， 在氮氣氛圍內，利用單螺杆擠塑機擠出，擠塑機溫度設置為(I)區170 t:, (II)區1卯。C, (III)區180。C, (IV)區180°C;擠塑機螺杆轉速為 30r/min;擠出後用牽引機以15.5 m/min的牽引速度牽引，控制拉伸比(口 模直徑/樣條直徑)為5,牽引過程中用水淬冷，得到聚(L-乳酸)原位成 纖增強聚(L-丙交酯-s-己內酯)複合材料。其中，聚(L-丙交酯-s-己內酯) 重均分子量(Mw)為48.1萬，s-己內酯單元摩爾百分數為25%;聚(L-乳 酸)的重均分子量(Mw)為77.5萬。測試結果表明聚(L-丙交酯化-己內 酯)拉伸強度為22.4MPa;所得的聚(L-丙交酯-e-已內酯)/聚(L-乳酸) 的拉伸強度為46.3 MPa,斷裂伸長率為557%。
實施例10將聚(L-乳酸)與聚(L-丙交酯-s-己內酯)4姿質量比為20/80預混， 在氮氣氛圍內，利用單螺杆擠塑機擠出，擠塑機溫度設置為(I)區170 °C, (II)區1卯。C, (III)區18CTC， (IV)區18(TC;擠塑機螺杆轉速為 35r/min;擠出後用牽引機以15.1 m/min的牽引速度牽引，控制拉伸比(口 模直徑/樣條直徑)為4,牽引過程中用水淬冷，得到聚(L-乳酸)原位成 纖增強聚(L-丙交酯-s-己內酯)複合材料。其中，聚(L-丙交酯-e-己內酯) 重均分子量(Mw)為30.3萬，e-己內酯單元摩爾百分數為20%;聚(L-乳 酸)的重均分子量(Mw)為94.5萬。測試結果表明聚(L-丙交酯-s-己內 酯)拉伸強度為25.4MPa;所得的聚(L-丙交酯-s-己內酯)/聚(L-乳酸) 的拉伸強度為31.3 MPa,斷裂伸長率為496%。
權利要求
1、一種原位成纖增強可降解醫用彈性複合材料的製備方法，包括將聚乙醇酸或聚(L-乳酸)與聚(L-丙交酯-ε-己內酯)按質量比為20/80～5/95在常溫下預混，在惰性氣體氛圍內，利用擠塑機熔融擠出，擠塑機的螺杆轉速為10～80r/min；擠出後用牽引機以1～30m/min的牽引速度牽引，控制口模直徑/樣條直徑的值為1～6，牽引過程中用水淬冷；其中，聚(L-丙交酯-ε-己內酯)的重均分子量為10-60萬，聚(L-丙交酯-ε-己內酯)中ε-己內酯單元摩爾百分比為15％～30％；聚乙醇酸的特性粘數為1～5g/dl；聚(L-乳酸)的重均分子量為10～100萬。
2、 如權利要求1所述的製備方法，其特徵在於所述的惰性氣體為 氮氣。
3、 如權利要求1或2所述的製備方法得到的聚乙醇酸或聚(L-乳酸) 原位成纖增強聚(L-丙交酯-s-己內酯)可降解醫用彈性體複合材料。
4、 如權利要求3所述的聚乙醇酸或聚(L-乳酸)原位成纖增強聚(L-丙交酯-s-己內酯)可降解醫用彈性體複合材料在可降解導管、可降解彈性 筋膜和可降解人工皮膚醫用領域的應用。
全文摘要
本發明公開一種原位成纖增強可降解醫用彈性複合材料，通過將聚乙醇酸或聚(L-乳酸)與聚(L-丙交酯-ε-己內酯)按質量比為20/80～5/95預混，在惰性氣體氛圍內，利用擠塑機擠出得到。擠塑機的螺杆轉速為10～80r/min；擠出後用牽引機以1～30m/min的牽引速度牽引，控制口模直徑/樣條直徑為1～6，牽引過程中用水淬冷。本發明複合材料可以完全生物降解，拉伸強度有明顯提高，同時加工過程中熔體對設備腔體內壁的磨損小，可用於可降解導管、彈性筋膜、人工皮膚等醫用領域。
文檔編號A61L29/00GK101623516SQ20091010096
公開日2010年1月13日 申請日期2009年8月10日 優先權日2009年8月10日
發明者侃 吳, 吳龍華, 龐秀炳, 慶 李, 熊成東, 王連嵩, 慶 陳, 陳和春 申請人:浙江普洛醫藥科技有限公司;中國科學院成都有機化學有限公司