專利名稱：單模微波輻照下制備醫用聚氨酯及其塑型產品的方法
技術領域：
本發明涉及制備醫用聚氨酯及其塑型產品的方法，特別涉及一種單模微波輻照下制備醫用聚氨酯及其塑型產品的方法，屬于高分子生物醫用材料制備技術領域。
背景技術：
微波技術應用于有機合成領域始于1986年加拿大的Gedye等人對微波爐中進行的酯化反應的研究。微波輻射下的有機合成反應，由于能提高反應速率數倍甚至數千倍，具有操作簡便、副產物少、產率高、易純化及環境友好等優點，給有機合成帶來了一次飛躍，至今已發展為一個引人注目的新領域—MORE化學(Microwave-induced Organic ReactionsEnhancement Chemistry)即微波促進有機化學。現有的微波反應裝置多為多模微波爐，比如由家用微波爐改裝而來的反應器，多數具有能量分布不均勻、反應重現性差等缺點。單模微波輔助合成技術是近幾年興起的新技術，與多模技術相比具有能量密度高、能量分布均勻、反應重現性好等優點，在有機合成方面的優勢已經顯現。本發明中使用的美國CEM公司生產的Discover單模微波加速有機合成系統獲得了美國2003年R&D100大獎，標志著單模微波輔助合成技術正開始被廣泛承認與應用。微波輔助聚合已有文獻報道主要集中在酯化反應和自由基加聚等方面，而本發明涉及的單模微波輔助合成的聚氨酯產品尚未見報道。
聚氨酯是一類重要的合成樹脂，主要是由多異氰酸酯、大分子多元醇和擴鏈劑/交聯劑聚合而成的。其中多異氰酸酯和擴鏈劑/交聯劑共同構成了聚氨酯材料的硬段結構，大分子多元醇構成了聚氨酯材料的軟段結構。由于硬段結構和軟段結構不完全相容而形成微相分離結構，使聚氨酯材料具有優良的力學性能和生物相容性。因此聚氨酯材料在生物醫用領域得到了較廣泛的應用，如制作心臟起搏器絕緣層、人工血管、靜脈介入診療導管、動脈插管、導尿管、醫用血袋等。
目前有多種牌號的聚氨酯應用于生物醫用領域，除少數采用脂肪族的4，4’-二環已基甲烷二異氨酸酯等為聚氨酯分子鏈的硬段外，多數是采用芳香族的4，4’-二苯基甲烷二異氰酸酯等為聚氨酯分子鏈的硬段。有研究發現其在高溫或強堿作用下會產生致癌物質4，4’-二甲烷二苯基二胺(MDA)。而且由于結構中芳環的存在，以芳香族多異氰酸酯為原料合成的聚氨酯產品在使用過程中會產生氧化發黃現象，其氧化產物也有可能對人體造成危害。用脂肪族二異氰酸酯為原料合成的聚氨酯雖然沒有由芳環帶來的不利因素，但是其一，因脂肪族異氰酸酯的反應活性遠低于芳香族異氰酸酯，故現有工藝為提高反應速率和聚合度，一般都在合成時加入了催化劑；其二，由于脂肪族異氰酸酯不含苯環結構，其制得的聚氨酯的力學性能常比芳香族異氰酸酯為原料制得的聚氨酯低。
發明內容
本發明的目的是改進現有技術的不足，提供一種單模微波輻照下制備醫用聚氨酯及其塑型產品的方法，該方法采用無溶劑、無催化劑的清潔生產工藝，制備具有生物降解性的醫用聚氨酯材料及其孔隙率可調的多孔聚氨酯彈性體和管形彈性體，為組織工程的進一步應用打下基礎。
本發明的目的是通過如下技術方案實現的一種單模微波輻照下制備醫用聚氨酯的方法，其特征在于該方法包括如下步驟1)先將平均分子量為200～4000聚醚二元醇、平均分子量為500～4000聚己內酯二醇或兩者的混合物與過量的脂肪族二異氰酸酯在溫度50～60℃下攪拌混合均勻，使體系中異氰酸基與羥基的摩爾比大于1.0且小于2.0；2)將上述混合物倒入微波壓力試管，稱出混合物質量，充入氮氣保護，蓋上密封塞；3)將裝有反應混合物的試管放入單模微波加速有機合成系統，在溫度80～85℃下反應10～40分鐘，然后加入與過量部分的二異氰酸酯等當量的、分子量小于300的脂肪族二元醇擴鏈劑或三元醇交聯劑，使此時體系中異氰酸基與羥基摩爾比為1；繼續在90～95℃下反應10～40分鐘出料。
上述步驟1)中所述反應混合物體系中異氰酸基與羥基的摩爾比為1.02～1.10。
本發明所述的脂肪族二異氰酸酯選用4，4’-二環己基甲烷二異氰酸酯、1，6-己二異氰酸酯或異佛爾酮二異氰酸酯中的至少一種；所述的聚醚二元醇選用聚乙二醇、聚氧化丙烯二元醇、聚四氫呋喃醚二元醇中至少一種；所述的擴鏈劑選用乙二醇、1，4-丁二醇、1，6-己二醇、1，2-丙二醇或1，3-丙二醇中的至少一種；所述的交聯劑選用丙三醇或三羥甲基丙烷中至少一種。
本發明技術特征還在于所述的聚醚二元醇選用聚乙二醇，所述的脂肪族二異氰酸酯選用1，6-己二異氰酸酯，所述的擴鏈劑選用1，4-丁二醇，所述的交聯劑選用丙三醇。
本發明還提供了一種單模微波輻照下制備醫用聚氨酯塑型產品的方法，特征在于該方法包括如下步驟1)先將平均分子量為200～4000聚醚二元醇、平均分子量為500～4000聚己內酯二醇或兩者的混合物與過量的脂肪族二異氰酸酯在溫度50～60℃下攪拌混合均勻，使體系中異氰酸基與羥基的摩爾比大于1.0且小于2.0；2)將上述混合物倒入微波壓力試管，充入氮氣保護，蓋上密封塞；3)將裝有反應混合物的試管放入單模微波加速有機合成系統，在80～95℃下反應10～40分鐘，然后加入與過量部分的二異氰酸酯等當量的分子量小于200的脂肪族二元醇擴鏈劑或三元醇交聯劑，使此時體系中異氰酸基與羥基摩爾比為1.0；4)在微波壓力試管中加入芯棒，或加入成孔劑，成孔劑采用粒徑分布為20微米至2毫米的NaCl、KCl或NaHCO3顆粒；
5)繼續在90～95℃下反應10～40分鐘出料，可制得聚氨酯管或制得含成孔劑的聚氨酯棒；6)用去離子水浸泡含成孔劑的聚氨酯棒，溶去成孔劑后真空干燥，得到多孔的聚氨酯棒。
本發明具有以下優點及突出性效果①本發明選用的脂肪族二異氰酸酯原料本身無潛在毒性，制成品使用過程也沒有氧化物產生，所選聚己內酯二醇與聚醚二元醇的生物相容性也很好，制備過程中又不加催化劑，因而本發明獲得的聚氨酯無毒，作為醫用材料使用更安全。②本發明制備的聚氨酯材料親水性好，其主要成分具備一定生物降解性能，可應用于需要材料逐漸降解的場合。③本發明制備的線型聚氨酯材料具有熱塑性，加工成型無需溶劑和助劑。④本發明制備的交聯型聚氨酯為具有優良力學性能的彈性體，且產品成型與合成反應可在同一過程中完成。⑤本發明制備的聚氨酯材料在使用及貯存過程中不易氧化發黃，能較好地保持產品的外觀色澤。
圖1為本發明中實施例二中的交聯型聚氨酯棒實物圖。
圖2為本發明中實施例三中的未除成孔劑時的交聯型聚氨酯棒實物圖。
具體實施例方式
本發明提供的醫用聚氨酯材料的制備方法是將一定配比的脂肪族二異氰酸酯、聚醚二元醇、聚己內酯二醇和小分子擴鏈劑/交聯劑，使用美國CEM公司生產的Discover單模微波加速有機合成系統(以下稱微波反應器)中進行微波輻照和同步風冷，采用半預聚法進行制備。
具體工藝步驟如下制備線型聚氨酯材料的工藝步驟為(1)先將一定配比的聚醚二元醇、聚己內酯二醇與過量的脂肪族二異氰酸酯在50～60℃下攪拌混合均勻，使體系中異氰酸基與羥基的摩爾比大于1.0且小于2.0，過程中使用氮氣保護；(2)將(1)中配得的混合液定量加入放有攪拌磁子的微波壓力試管，充入氮氣保護并用其膠塞密封好，并根據異氰酸酯的過量摩爾數計算出使反應體系中異氰酸基與羥基的摩爾比變為1.0所需加入的二元醇摩爾數，此即為擴鏈反應所需的二元醇的量；(3)將(2)中試管放入微波反應器，開啟電磁攪拌和同步風冷，在80～85℃下反應10～40分鐘后用注射器刺穿膠塞向管中按(2)中計算量加入擴鏈劑二元醇，將試管放回微波反應器，開啟同步風冷，繼續在90～95℃下反應10～40分鐘，取出產品即得線型聚氨酯產品。
制備孔徑和孔隙率可控制的多孔交聯型聚氨酯棒的工藝步驟為(1)先將一定配比的聚醚二元醇、聚己內酯二醇與脂肪族二異氰酸酯在溫度50～60℃下攪拌混合均勻，使體系中異氰酸基與羥基的摩爾比大于1.0且小于2.0，過程中使用氮氣保護；(2)將(1)中配得的混合液定量加入放有攪拌磁子的微波壓力試管，充入氮氣保護并用其膠塞密封好，并根據異氰酸酯的過量摩爾數計算出使反應體系中異氰酸基與羥基的摩爾比變為1.0所需加入的三元醇摩爾數，此即為交聯反應所需的三元醇的量；(3)將(2)中試管放入微波反應器，開啟電磁攪拌和同步風冷，在80～85℃下反應10～40分鐘后用注射器刺穿膠塞向管中按(2)中計算量加入三元醇，機械攪拌均勻后加入預定比例的粒徑分布為20微米至2毫米的NaCl、KCl或NaHCO3顆粒作為成孔劑，攪拌使體系混合均勻后，將試管放回微波反應器，開啟同步風冷，繼續在90～95℃下反應10～40分鐘，取出產品即得多孔聚氨酯棒。
如果是制備交聯型聚氨酯管，其工藝步驟為(1)先將一定配比的聚醚二元醇、聚己內酯二醇與脂肪族二異氰酸酯在溫度50～60℃下攪拌混合均勻，使體系中異氰酸基與羥基的摩爾比大于1.0且小于2.0，過程中使用氮氣保護；(2)將(1)中配得的混合液定量加入放有攪拌磁子的微波壓力試管，充入氮氣保護并用其膠塞密封好，并根據異氰酸酯的過量摩爾數計算出交聯反應所需的三元醇摩爾數；(3)將(2)中試管放入微波反應器，開啟攪拌和同步風冷，在80～85℃下反應10～40分鐘后用注射器刺穿膠塞向管中按(2)中計算量加入三元醇，機械攪拌均勻后向試管內塞入預制的聚四氟乙烯芯棒，將反應物粘液擠入由試管和芯棒形成的管形空腔中，將試管放回微波反應器，開啟同步風冷，繼續在90～95℃下反應10～40分鐘，取出產品即得聚氨酯管。
下面給出實施例以對本發明的具體步驟進行說明，需要指出以下實施例是對本發明的進一步闡述，不能理解為對本發明保護范圍的限制。
實施例1將平均分子量為4000的聚己內酯二醇20克與平均分子量為4000的聚氧化丙烯二元醇20克加入帶攪拌器、氮氣保護和溫度控制的三口瓶，于60℃熔融攪拌混合5分鐘后，加入4，4’-二環己基甲烷二異氰酸酯2.864克，使體系中異氰酸基與羥基的摩爾比為1.10，繼續攪拌混合10分鐘。然后將混合液加入裝有攪拌磁子的微波壓力試管中，稱出加入的混合物為4.286克。將試管放入微波反應器，在磁力攪拌和同步風冷下微波輻照10分鐘，期間試管溫度保持在80℃，然后取出試管用注射器穿刺加入90毫克1，4-丁二醇，放入微波反應器中繼續在攪拌和風冷下微波輻照40分鐘，期間試管溫度保持在90℃。取出產物，即得熱塑性聚氨酯產品。如需純化，可在索氏提取器中用沸騰的去離子水抽提24小時后進行真空干燥。
實施例2將平均分子量為2000的聚己內酯二醇20克與平均分子量為1000的聚乙二醇10克加入帶攪拌器、氮氣保護和溫度控制的三口瓶，于50℃熔融攪拌混合5分鐘后，加入1，6-己二異氰酸酯6.728克，使體系中異氰酸基與羥基的摩爾比為2.0，繼續攪拌混合10分鐘。然后將混合液加入裝有攪拌磁子的微波壓力試管中，稱出加入的混合物為4.111克，將試管放入微波反應器，在同步風冷下微波輻照30分鐘，期間試管溫度保持在85℃。然后取出試管用注射器穿刺加入137毫克丙三醇，放入微波反應器中繼續在風冷下微波輻照30分鐘，期間試管溫度保持在95℃。取出聚氨酯彈性棒，見說明書附圖1。
實施例3將平均分子量為2000的聚己內酯二醇12克與平均分子量為1000的聚乙二醇6克加入到帶攪拌器、氮氣保護和溫度控制的三口瓶，于60℃熔融攪拌混合5分鐘后，加入1，6-己二異氰酸酯4.037克，使體系中異氰酸基與羥基的摩爾比為2.0，繼續攪拌混合10分鐘。然后將混合液加入裝有攪拌磁子的微波壓力試管中，稱出加入的混合物為3.159克，將試管放入微波反應器，在同步風冷下微波輻照30分鐘，期間溫度保持在85℃，然后取出試管用注射器穿刺加入106毫克丙三醇，加入8克經過篩分、粒徑150微米左右的NaCl粒，機械攪拌混勻，放入微波反應器中繼續在風冷下微波輻照30分鐘，期間試管溫度保持在95℃。取出帶成孔劑的聚氨酯彈性棒，見說明書附圖2。
實施例4將平均分子量為500的聚己內酯二醇25克與平均分子量為200的聚乙二醇10克加入到帶攪拌器、氮氣保護和溫度控制的三口瓶，于60℃熔融攪拌混合5分鐘后，加入1，6-己二異氰酸酯18.501克，使體系中異氰酸基與羥基的摩爾比為1.10，繼續攪拌混合10分鐘。然后將混合液加入裝有攪拌磁子的微波壓力試管中，稱出加入的混合物為5.350克，將試管放入微波反應器，在同步風冷下微波輻照40分鐘，期間溫度保持在85℃，然后取出試管用注射器穿刺加入106.1毫克三羥甲基丙烷，將預制的可中心定位的聚四氟乙烯芯棒插入試管中，將反應物粘液擠入由試管和芯棒形成的管形空腔中，用膠塞密封試管，放入微波反應器中繼續在風冷下微波輻照10分鐘，期間試管溫度保持在95℃。可取出聚氨酯管。
實施例5將平均分子量為2000的聚己內酯二醇20克與平均分子量為1000的聚四氫呋喃醚二元醇10克加入帶攪拌器、氮氣保護和溫度控制的三口瓶，于60℃熔融攪拌混合5分鐘后，加入1，6-己二異氰酸酯3.431克，使體系中異氰酸基與羥基的摩爾比為1.02，繼續攪拌混合10分鐘。然后將混合液加入裝有攪拌磁子的微波壓力試管中，稱出加入的混合物為3.343克。將試管放入微波反應器，在磁力攪拌和同步風冷下微波輻照10分鐘，期間試管溫度保持在80℃，然后取出試管用注射器穿刺加入4.7毫克1，6-己二醇，放入微波反應器中繼續在攪拌和風冷下微波輻照40分鐘，期間試管溫度保持在90℃。取出產物，即得熱塑性聚氨酯產品。如需純化，可在索氏提取器中用沸騰的去離子水抽提24小時后進行真空干燥。
實施例6將平均分子量為2000的聚己內酯二醇20克與平均分子量為1000的聚乙二醇10克加入帶攪拌器、氮氣保護和溫度控制的三口瓶，于50℃熔融攪拌混合5分鐘后，加入1，6-己二異氰酸酯5.046克，使體系中異氰酸基與羥基的摩爾比為1.5，繼續攪拌混合10分鐘。然后將混合液加入裝有攪拌磁子的微波壓力試管中，稱出加入的混合物為3.505克，將試管放入微波反應器，在同步風冷下微波輻照30分鐘，期間試管溫度保持在85℃。然后取出試管用注射器穿刺加入76.1毫克1，2-丙二醇，放入微波反應器中繼續在風冷下微波輻照30分鐘，期間試管溫度保持在95℃，可制得熱塑性聚氨酯產品。如需純化，可在索氏提取器中用沸騰的去離子水抽提24小時后進行真空干燥。
權利要求
1.一種單模微波輻照下制備醫用聚氨酯的方法，其特征在于該方法包括如下步驟1)先將平均分子量為200～4000聚醚二元醇、平均分子量為500～4000聚己內酯二醇或兩者的混合物與過量的脂肪族二異氰酸酯在溫度50～60℃下攪拌混合均勻，使體系中異氰酸基與羥基的摩爾比大于1.0且小于2.0；2)將上述混合物倒入微波壓力試管，稱出混合物質量，充入氮氣保護，蓋上密封塞；3)將裝有反應混合物的試管放入單模微波加速有機合成系統，在溫度80～85℃下反應10～40分鐘，然后加入與過量部分的二異氰酸酯等當量的、分子量小于300的脂肪族二元醇擴鏈劑或三元醇交聯劑，使此時體系中異氰酸基與羥基摩爾比為1；繼續在90～95℃下反應10～40分鐘出料。
2.根據權利要求1所述的醫用聚氨酯的制備方法，其特征在于步驟1)中所述反應混合物體系中異氰酸基與羥基的摩爾比為1.02～1.10。
3.根據權利要求1所述的醫用聚氨酯材料的制備方法，其特征在于所述的脂肪族二異氰酸酯選用4，4’-二環己基甲烷二異氰酸酯或1，6-己二異氰酸酯中的至少一種。
4.根據權利要求1所述的醫用聚氨酯的制備方法，其特征在于所述的聚醚二元醇選用聚乙二醇、聚氧化丙烯二元醇、聚四氫呋喃醚二元醇中至少一種。
5.根據權利要求1所述的醫用聚氨酯的制備方法，其特征在于所述的擴鏈劑選用乙二醇、1，4-丁二醇、1，6-己二醇、1，2-丙二醇或1，3-丙二醇中的至少一種。
6.根據權利要求1所述的醫用聚氨酯材料的制備方法，其特征在于所述的交聯劑選用丙三醇或三羥甲基丙烷中至少一種。
7.按照權利要求1～6任一權利要求所述的醫用聚氨酯的制備方法，其特征在于所述的聚醚二元醇選用聚乙二醇，所述的脂肪族二異氰酸酯選用1，6-己二異氰酸酯，所述的擴鏈劑選用1，4-丁二醇，所述的交聯劑選用丙三醇。
8.一種單模微波輻照下制備醫用聚氨酯塑型產品的方法，特征在于該方法包括如下步驟1)先將平均分子量為200～4000聚醚二元醇、平均分子量為500～4000聚己內酯二醇或兩者的混合物與過量的脂肪族二異氰酸酯在溫度50～60℃下攪拌混合均勻，使體系中異氰酸基與羥基的摩爾比大于1.0且小于2.0；2)將上述混合物倒入微波壓力試管，充入氮氣保護，蓋上密封塞；3)將裝有反應混合物的試管放入單模微波加速有機合成系統，在80～95℃下反應10～40分鐘，然后加入與過量部分的二異氰酸酯等當量的分子量小于200的脂肪族二元醇擴鏈劑或三元醇交聯劑，使此時體系中異氰酸基與羥基摩爾比為1.0；4)在微波壓力試管中加入芯棒，或加入成孔劑，成孔劑采用粒徑分布為20微米至2毫米的NaCl、KCl或NaHCO3顆粒；5)繼續在90～95℃下反應10～40分鐘出料，可制得聚氨酯管或制得含成孔劑的聚氨酯棒；6)用去離子水浸泡含成孔劑的聚氨酯棒，溶去成孔劑后真空干燥，得到多孔的聚氨酯棒。
全文摘要
單模微波輻照下制備醫用聚氨酯及其塑型產品的方法，涉及生物醫用材料領域。該方法采用無溶劑、無催化劑的清潔生產工藝，以聚己內酯二醇、聚醚二元醇、脂肪族二異氰酸酯、小分子多元醇擴鏈劑或交聯劑以及成孔劑為原料，在單模微波輻照下制備聚氨酯及其多孔產品和管狀產品。先將原料加熱熔融攪拌混勻后倒入微波壓力試管中，再將試管放入單模微波加速有機合成系統中接受微波輻照，同時進行空氣風冷，即可合成所需的聚氨酯材料。本發明使用微波來促進異氰酸酯基與醇羥基的反應，取代傳統合成方法中使用的催化劑(如有機錫、胺類)，從而避免由產品中殘留的催化劑引起的細胞毒性。采用本體聚合，避免了溶劑對產品生物相容性的潛在危害。
文檔編號C08J9/00GK1587294SQ20041006891
公開日2005年3月2日 申請日期2004年7月13日 優先權日2004年7月13日
發明者胡平, 陳江睿, 殷德政 申請人:清華大學