聚合物功能材料及其制备方法、应用与流程

本发明涉及医用植入材料技术领域，特别是涉及聚合物功能材料及其制备方法、应用。

背景技术：

人体软组织的杨氏模量为1kpa～100kpa，而当前用于制作医疗器件的聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚氨酯、硅胶橡胶、天然橡胶等聚合物材料的杨氏模量为1mpa～1gpa，机械性能上的明显不匹配，而且缺乏生物功能，导致医疗器件在临床应用过程中引发了如组织损伤、生物膜形成、血栓形成和异物反应等问题和并发症。为了解决这些问题，有必要对聚合物材料的表面进行修饰，使其与人体软组织的特性更好地匹配。

水凝胶与人体软组织在机械和化学特性方面具有良好的相似性，所以，采用水凝胶修饰后的聚合物材料用于制作医疗器件，可以有效改善医疗器件与人体软组织的匹配度。但是，水凝胶的强度低，且与聚合物材料的粘结性差，采用水凝胶修饰的聚合物材料制作医疗器件，容易发生医疗器件破损失效的问题。

技术实现要素：

基于此，有必要针对上述问题，提供一种聚合物功能材料及其制备方法、应用；所述制备方法得到的聚合物功能材料中，水凝胶与聚合物基体的表面附着力达到80n/m以上，聚合物功能材料的杨氏模量为1kpa～100kpa，用于制作医疗器件时能够与人体软组织更好地匹配，且不会破损失效。

一种聚合物功能材料的制备方法，包括：

提供含有羟基的聚合物，将所述聚合物与第一含硼致凝剂混合，于第一温度下反应得到聚合物基体，其中，所述聚合物基体的分子链中含有第一硼酸酯键；

提供水凝胶前体，将所述水凝胶前体与第二含硼致凝剂、水混合，反应得到水凝胶，其中，所述水凝胶的分子链中含有第二硼酸酯键；

将所述水凝胶包覆于所述聚合物基体上，至少一次进行冷冻和解冻，以使所述水凝胶的分子链与所述聚合物基体的分子链通过第三硼酸酯键连接，得到聚合物功能材料。

进一步地，包覆于所述聚合物基体上的所述水凝胶的厚度为5μm～50μm。

进一步地，所述冷冻的温度为-10℃～-30℃，所述冷冻的时间为10h～15h，所述解冻的温度为20℃～25℃，所述解冻的时间为1h～5h。

进一步地，所述含有羟基的聚合物与所述第一含硼致凝剂的质量比为6:4～8:2。

进一步地，所述水凝胶前体与所述第二含硼致凝剂、所述水的质量比为(0.5～5):(0.1～1.0):(94～99.4)。

进一步地，所述含有羟基的聚合物包括羟基封端的聚二甲基硅氧烷、羟基改性的聚氨酯、羟基改性的硅胶橡胶、羟基改性的天然橡胶中的至少一种。

进一步地，所述水凝胶前体包括聚乙烯醇、聚丙烯酸中的至少一种。

进一步地，所述第一含硼致凝剂和所述第二含硼致凝剂均包括硼砂、硼酸、苯硼酸中的至少一种。

进一步地，所述第一温度为160℃～190℃。

一种聚合物功能材料，所述聚合物功能材料由上述制备方法制成，包括聚合物基体以及包覆所述聚合物基体的水凝胶，所述聚合物基体的分子链中含有第一硼酸酯键，所述水凝胶的分子链中含有第二硼酸酯键，所述聚合物基体的分子链与所述水凝胶的分子链通过第三硼酸酯键连接。

一种医疗器件，所述植入式医疗器件包括上述的聚合物功能材料。

本发明在聚合物基体的分子链和水凝胶的分子链中同时引入可逆的硼酸酯键，然后将水凝胶包覆在聚合物基体上，通过聚合物基体的分子链与水凝胶的分子链中的可逆的硼酸酯键重排，使得水凝胶的分子链与聚合物基体的分子链通过硼酸酯键连接。从而，本发明的聚合物功能材料中，水凝胶与聚合物基体的表面附着力达到80n/m以上，聚合物功能材料的杨氏模量为1kpa～100kpa。因此，本发明的聚合物功能材料不仅强度好，而且与人体软组织的杨氏模量匹配度更好，更加适用于制作医疗器件，降低了医疗器件在应用时发生器件破损的风险，且即使破损后医疗器件也可以通过可逆的硼酸酯键自愈合，保证了医疗器件的使用效果。

附图说明

图1为聚合物基体的分子链中的第一硼酸酯键示意图；

图2为水凝胶的分子链中的第二硼酸酯键示意图；

图3为水凝胶的分子链与聚合物基体的分子链通过第三硼酸酯键连接的示意图。

具体实施方式

以下将对本发明提供的聚合物功能材料及其制备方法、应用作进一步说明。

本发明提供的聚合物功能材料的制备方法，包括：

s1，提供含有羟基的聚合物，将所述聚合物与第一含硼致凝剂混合，于第一温度下反应得到聚合物基体，其中，所述聚合物基体的分子链中含有第一硼酸酯键；

s2，提供水凝胶前体，将所述水凝胶前体与第二含硼致凝剂、水混合，反应得到水凝胶，其中，所述水凝胶的分子链中含有第二硼酸酯键；

s3，将所述水凝胶包覆于所述聚合物基体上，至少一次进行冷冻和解冻，以使所述水凝胶的分子链与所述聚合物基体的分子链通过第三硼酸酯键连接，得到聚合物功能材料。

步骤s1中，所述含有羟基的聚合物包括羟基封端的聚二甲基硅氧烷(pdms)、羟基改性的聚氨酯(pu)、羟基改性的硅胶橡胶、羟基改性的天然橡胶中的至少一种，优选为杨氏模量较低、生物相容性较好的羟基封端的pdms。

考虑到聚合物基体的杨氏模量，在一些实施例中，优选市售的、分子量为2000～100000的羟基封端的pdms，进一步优选市售的、分子量为20000～50000的羟基封端的pdms；或者，优选市售的、分子量为5000～50000的羟基改性的聚氨酯pu，进一步优选市售的、分子量为20000～30000的羟基改性的聚氨酯pu；或者，优选市售的、分子量为6000～70000的羟基改性的硅胶橡胶，进一步优选市售的、分子量为20000～40000的羟基改性的硅胶橡胶；或者，优选市售的、分子量为4000～80000的羟基改性的天然橡胶，进一步优选市售的、分子量为30000～50000的羟基改性的天然橡胶。

在一些实施例中，所述第一含硼致凝剂包括硼砂、硼酸、苯硼酸中的至少一种，优选为硼酸。

在聚合物基体中，硼酸酯键太少，聚合物基体与水凝胶之间的表面附着力太低，而硼酸酯键太密集，又会使聚合物基体变脆，所以，在一些实施例中，所述含有羟基的聚合物与所述第一含硼致凝剂的质量比为6:4～8:2，优选为3:1。

在一些实施例中，所述第一温度为160℃～190℃，反应的时间为1h～3h。

从而，第一含硼致凝剂中的硼原子能够与含有羟基的聚合物中的羟基反应，获得的聚合物基体的分子链中具有如图1所示的可逆的第一硼酸酯键。

步骤s2中，所述水凝胶前体包括聚乙烯醇(pva)、聚丙烯酸(paa)中的至少一种，所述第二含硼致凝剂包括硼砂、硼酸、苯硼酸中的至少一种，优选为硼酸。

同样，在水凝胶中，硼酸酯键太少，聚合物基体与水凝胶之间的表面附着力太低，而硼酸酯键太密集，也会使水凝胶变脆。另外，聚合物功能材料的杨氏模量主要取决于水凝胶的杨氏模量，所以，为了更好地匹配人体软组织的杨氏模量，在一些实施例中，所述水凝胶前体与所述第二含硼致凝剂、所述水的质量比为(0.5～5):(0.1～1.0):(94～99.4)。

第二含硼致凝剂溶于水后能够自由运动，从而，第二含硼致凝剂中的硼原子能够与水凝胶前体中的羟基反应，获得的水凝胶的分子链中具有如图2所示的可逆的第二硼酸酯键。

因此，在步骤s3的冷冻和解冻的过程中，水凝胶的分子链中的第二硼酸酯键能够与聚合物基体的分子链中的第一硼酸酯键进行重排，形成第三硼酸酯键。可以理解，如果聚合物基体和水凝胶的分子链中都还含有羟基，水凝胶的分子链中的第二硼酸酯键也能够与聚合物基体的分子链中剩余羟基反应形成第三硼酸酯键，聚合物基体的分子链中的第一硼酸酯键也能够与水凝胶的分子链中剩余的羟基反应形成第三硼酸酯键。从而，使得水凝胶的分子链与聚合物基体的分子链通过如图3所示的第三硼酸酯键连接，进而提高水凝胶与聚合物基体之间的粘结性能。

在一些实施例中，所述冷冻的温度为-10℃～-30℃，优选为-20℃，所述冷冻的时间为10h～15h，优选为12h，所述解冻的温度为20℃～25℃，优选为25℃，所述解冻的时间为1h～5h，优选为3h。

进一步地，为使水凝胶的分子链中的第二硼酸酯键能够与聚合物基体的分子链中的第一硼酸酯键充分重排，得到水凝胶与聚合物基体结合紧密的聚合物功能材料，所述冷冻和解冻反复循环进行，优选循环进行三次。

在一些实施例中，包覆于所述聚合物基体上的所述水凝胶的厚度为5μm～50μm，其中，当水凝胶的厚度小于10μm时，聚合物功能材料的杨氏模量主要取决于水凝胶的厚度以及杨氏模量，当水凝胶的厚度大于等于10μm时，聚合物功能材料的杨氏模量主要取决于水凝胶杨氏模量。

如，当水凝胶的厚度小于10μm时，调整水凝胶的配方，提高水凝胶的杨氏模量，可使得聚合物功能材料的杨氏模量达到100kpa；当水凝胶的厚度大于等于10μm时，调整水凝胶的配方，降低水凝胶的杨氏模量，可使得聚合物功能材料的杨氏模量仅为1kpa左右，当然，也可直接提高水凝胶的杨氏模量，使得聚合物功能材料的杨氏模量达到100kpa。从而，本申请可以根据不同的人体软组织的杨氏模量，通过调整水凝胶的厚度和杨氏模量调整聚合物功能材料的杨氏模量进行匹配。

因此，本发明通过在聚合物基体的分子链和水凝胶的分子链中同时引入可逆的硼酸酯键，然后通过聚合物基体的分子链和水凝胶的分子链中的可逆的硼酸酯键重排，使得水凝胶的分子链与聚合物基体的分子链通过硼酸酯键连接，即可获得水凝胶与聚合物基体的表面附着力达到80n/m以上，进一步为80n/m～120n/m的聚合物功能材料，不需要在聚合物基体和水凝胶的界面处进行其它处理，操作简单。

同时，由于聚合物基体和水凝胶的分子链中都包括有可逆的硼酸酯键，所以，聚合物功能材料具有自愈合的功能，在受到磨损、剪切或其它机械载荷时，聚合物功能材料能够通过可逆的硼酸酯键完成自我修复。

本发明还提供一种聚合物功能材料，所述聚合物功能材料可以由上述制备方法制成，包括聚合物基体以及包覆所述聚合物基体的水凝胶，所述聚合物基体的分子链中含有第一硼酸酯键，所述水凝胶的分子链中含有第二硼酸酯键，所述聚合物基体的分子链与所述水凝胶的分子链通过第三硼酸酯键连接。

本发明的聚合物功能材料中，水凝胶与聚合物基体的表面附着力达到80n/m以上，进一步为80n/m～120n/m，聚合物功能材料的杨氏模量为1kpa～100kpa，进一步为5kpa～95kpa。因此，本发明的聚合物功能材料不仅强度好，而且与人体软组织的杨氏模量匹配度更好，更加适用于制作医疗器件，降低了医疗器件在应用时对人体造成伤害以及发生器件破损的风险。

另外，当本发明的聚合物功能材料受到磨损、剪切或其它机械载荷时，聚合物功能材料能够通过可逆的硼酸酯键完成自我修复，所以，即使医疗器件在使用过程中发生破损现象，也可以通过可逆的硼酸酯键自愈合，保证了植入式医疗器件的使用效果。

本发明还提供一种医疗器件，所述医疗器件包括所述的聚合物功能材料。

本发明的医疗器件与人体软组织的匹配度好，且具有自愈合功能，所以，可在生物工程、医疗和临床设备、微流体、软机器人等领域广泛使用。

以下，将通过以下具体实施例对所述聚合物功能材料及其制备方法、应用做进一步的说明。

实施例1：

将市售羟基封端的pdms(分子量10000)与硼酸按质量比6:4混合，室温下搅拌均匀。放入模具中逐渐加热到180℃，保持1.5小时后，降温到室温得到所需形状的聚合物基体。

将市售pva(分子量8000)溶于去离子水中，然后加入硼酸，pva、去离子水与硼酸三者的质量比为0.5:98.9:0.6，搅拌使其溶解并混合均匀，得到水凝胶，保存备用。

将水凝胶包覆在聚合物基体表面，厚度为5μm，然后在-20℃放置12小时后25℃解冻3小时，重复三次，得到聚合物功能材料。

实施例2：

将市售羟基封端的pdms(分子量20000)与硼砂按质量比7.5:2.5混合，室温下搅拌均匀。放入模具中逐渐加热到190℃，保持1小时后，降温到室温得到所需形状的聚合物基体。

将市售paa(分子量10000)溶于去离子水中，然后加入硼酸，paa、硼酸与去离子水三者的质量比为5:1:94，搅拌使其溶解并混合均匀，得到水凝胶，保存备用。

将水凝胶包覆在聚合物基体表面，厚度为50μm，然后在-20℃放置12小时后25℃解冻3小时，重复三次，得到聚合物功能材料。

实施例3：

将市售羟基封端的pdms(分子量50000)与苯硼酸按质量比7:3混合，室温下搅拌均匀。放入模具中逐渐加热到170℃，保持2小时后，降温到室温得到所需形状的聚合物基体。

将市售pva(分子量10000)溶于去离子水中，然后加入硼砂，pva、去离子水与硼砂三者的质量比为0.5:99.4:0.1，搅拌使其溶解并混合均匀，得到水凝胶，保存备用。

将水凝胶包覆在聚合物基体表面，厚度为6μm，然后在-20℃放置12小时后25℃解冻3小时，重复三次，得到聚合物功能材料。

实施例4：

将市售羟基封端的pdms(分子量30000)与硼酸按质量比8:2混合，室温下搅拌均匀。放入模具中逐渐加热到170℃，保持3小时后，降温到室温得到所需形状的聚合物基体。

将市售paa(分子量20000)溶于去离子水中，然后加入硼砂，paa、去离子水与硼砂三者的质量比为0.5:99.4:0.1，搅拌使其溶解并混合均匀，得到水凝胶，保存备用。

将水凝胶包覆在聚合物基体表面，厚度为6.2μm，然后在-20℃放置12小时后25℃解冻3小时，重复三次，得到聚合物功能材料。

实施例5：

将市售羟基改性的聚氨酯(分子量25000)与硼酸按质量比7.5:2.5混合，室温下搅拌均匀。放入模具中逐渐加热到160℃，保持3小时后，降温到室温得到所需形状的聚合物基体。

将市售paa(分子量25000)溶于去离子水中，然后加入硼酸，paa、去离子水与硼酸三者的质量比为2:97.2:0.8，搅拌使其溶解并混合均匀，得到水凝胶，保存备用。

将水凝胶包覆在聚合物基体表面，厚度为30μm，然后在-20℃放置12小时后25℃解冻3小时，重复三次，得到聚合物功能材料。

实施例6：

将市售羟基改性的硅胶橡胶(分子量20000)与硼酸按质量比7.8:2.2混合，室温下搅拌均匀。放入模具中逐渐加热到170℃，保持2.5小时后，降温到室温得到所需形状的聚合物基体。

将市售paa(分子量28000)溶于去离子水中，然后加入苯硼酸，paa、去离子水与苯硼酸三者的质量比为2:97.3:0.7，搅拌使其溶解并混合均匀，得到水凝胶，保存备用。

将水凝胶包覆在聚合物基体表面，厚度为40μm，然后在-20℃放置12小时后25℃解冻3小时，重复三次，得到聚合物功能材料。

实施例7：

将市售羟基改性的天然橡胶(分子量28000)与硼酸按质量比6.5:3.5混合，室温下搅拌均匀。放入模具中逐渐加热到180℃，保持2小时后，降温到室温得到所需形状的聚合物基体。

将市售pva(分子量25000)溶于去离子水中，然后加入硼酸，pva、去离子水与硼酸三者的质量比为2:97.2:0.8，搅拌使其溶解并混合均匀，得到水凝胶，保存备用。

将水凝胶包覆在聚合物基体表面，厚度为30μm，然后在-20℃放置12小时后25℃解冻3小时，重复三次，得到聚合物功能材料。

对比例1：

将市售pdms(分子量20000)与固化剂按质量比10：1混合，室温下搅拌均匀。放入模具中逐渐加热到190℃，保持1小时后，降温到室温得到所需形状的聚合物基体。

将市售paa(分子量10000)溶于去离子水中，然后加入硼酸，三者的质量比为5:1:94，搅拌使其溶解并混合均匀，得到水凝胶，保存备用。

将水凝胶包覆在聚合物基体表面，厚度为50μm，然后在-20℃放置12小时后25℃解冻3小时，重复三次，得到聚合物功能材料。

对比例2：

将市售羟基封端的pdms(分子量10000)与硼酸按质量比6:4混合，室温下搅拌均匀。放入模具中逐渐加热到180℃，保持1.5小时后，降温到室温得到所需形状的聚合物基体。

配制水凝胶预聚体，预聚体包覆在聚合物基体表面后，紫外光照固化凝胶得到聚合物功能材料，水凝胶层厚度为10μm。其中，光照凝胶条件为：紫外光波段365nm，光强度30mw/cm²，光照时间100s。

其中，水凝胶预聚体配方为：1.5wt％的聚丙烯酸(分子量5000)，10wt％的丙烯酰胺，0.3wt％的n,n’-亚甲基双丙烯酰胺，0.04wt％的四甲基乙二胺，0.2wt％的光引发剂1,3-丙酮二羧酸，87.96wt％的去离子水。制备方法为：将聚丙烯酸溶于去离子水后，按顺序加入丙烯酰胺、n,n’-亚甲基双丙烯酰胺、四甲基乙二胺和1,3-丙酮二羧酸，搅拌使其溶解并混合均匀。

对比例3：

将市售pdms(分子量20000)与固化剂按质量比10：1混合，室温下搅拌均匀。放入模具中逐渐加热到190℃，保持1小时后，降温到室温得到所需形状的聚合物基体。

配制水凝胶预聚体，预聚体包覆在聚合物基体表面后，紫外光照固化凝胶得到聚合物功能材料，水凝胶层厚度为12μm。其中，光照凝胶条件为：紫外光波段365nm，光强度30mw/cm²，光照时间100s。

其中，水凝胶预聚体配方为：1.5wt％的聚丙烯酸(分子量5000)，10wt％的丙烯酰胺，0.3wt％的n,n’-亚甲基双丙烯酰胺，0.04wt％的四甲基乙二胺，0.2wt％的光引发剂1,3-丙酮二羧酸，87.96wt％的去离子水。制备方法为：将聚丙烯酸溶于去离子水后，按顺序加入丙烯酰胺、n,n’-亚甲基双丙烯酰胺、四甲基乙二胺和1,3-丙酮二羧酸，搅拌使其溶解并混合均匀。

将上述实施例进行性能测试，包括90°剥离实验测试水凝胶在聚合物基体表面的附着力，纳米压痕仪测试聚合物基体及水凝胶改性后得到的聚合物功能材料表面的杨氏模量，测试结果如表1所示。

表1

从表1可知，本发明实施例得到的聚合物功能材料，水凝胶与聚合物基体之间的表面附着力达到80n/m～120n/m，界面粘结强度高。而且，聚合物功能材料的杨氏模量在1kpa～100kpa范围内根据水凝胶的杨氏模量和厚度可以调节，与人体软组织的匹配度好，适用于制作医疗器件，降低医疗器件在应用时对人体造成伤害以及发生器件破损的风险。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。