基于巯基-Michael反应的光固化可生物降解形状记忆聚合物研究

With the aid of excellent manufacturability of lithography and UV curing technology, the copolymer, which has good biocompatible, biodegradable and shape memory effect, will be photopolymerized by thiol-methacrylate-isocyanate orthogonal reaction system based on thiol-Michael addition reaction, through chemical modification of PGS as base material. Precise controllable crosslinking network and density will be obtained by two-stage UV curing, and the mechanical properties and shape memory effect of copolymer will be also effectively controlled by this way. The project will focused on the curing kinetics of thiol-methacrylate-isocyanate reaction, the intrinsic relationships between copolymer composition, curing process parameters, crosslinking structure and density, also research crosslinking and PGS crystallization on the influence of the shape memory effect, biocompatibility and biodegradability. Finally, the inherent law between the “molecular composition, preparation conditions, crosslinking, materials properties” will be revealed. It is believed that the scientific research of this project will help expand the application of thiol group “click chemistry” reaction; at the same time, the study of the project will certainly provide new ideas and the necessary theoretical basis for design and development complex structure of soft tissue engineering materials with shape memory effect.

利用平板印刷技术和UV光固化技术优异的成型性，基于巯基-Michael加成反应，以具有良好生物相容性、可降解性和形状记忆效应的PGS作为基材，通过必要的化学改性使PGS携带可参与光固化反应的基团，构建巯基/甲基丙烯酸酯/异氰酸酯正交固化体系，通过分步成型的方式，精确控制交联网络的结构和密度，从而达到对最终产物力学性能和形状记忆效应的调控。系统研究巯基/甲基丙烯酸酯/异氰酸酯体系的光固化动力学，共聚物组成、固化工艺参数与交联结构、密度的内在关系，共聚物交联结构和PGS结晶结构与形状记忆效应之间的影响关系，以及最终产物的生物相容性和可降解性，从而揭示出“分子组成—制备条件—交联结构—材料性能”之间的内在规律。相信通过本项目的深入研究，有助于扩大巯基官能团“点击化学”反应的应用范围，为设计、开发新型具有复杂结构且兼具形状记忆效应的软组织工程材料提供新思路和必要的理论基础。

本研究组通过对比实验研究了无催化剂条件下在相对较低温度下通过本体熔融聚合采用癸二酸（SA）和丙三醇（Gl）制备癸二酸-丙三醇酯（PGS）低聚物的最佳工艺，为120oC反应24h后脱水48h，氯仿溶解甲醇沉淀12h后真空干燥。通过已知的化学反应，在预聚物中分别成功引入巯基、丙烯酸酯基团和异氰酸酯基团，用于后续的光固化反应，各种预聚物的化学结构符合预期的分子结构设计。通过对光固化过程及动力学特性的研究发现，与传统的碳碳双键自聚相比，巯基与碳碳双键的Michael加成反应具有更高的反应活性，是一种快速的成型方法。经过研究和计算发现该体系的活化能很小，即该光固化体系对温度的敏感性较弱，双键转化率分别与引发剂浓度及辐照强度的0.5次方成正比，说明该聚合反应为双基偶合终止为主。光固化物的拉伸强度在0.5MPa至1.2MPa之间，断裂伸长率在80%至500%之间，且随着共聚物中甘油含量的增加，晶体尺寸减小，结晶温度从53.6oC逐减降到22.9oC，结晶度从27%降到了0，结晶均为球晶。光固化产物的凝胶程度也较传统热固化有所提高，从约35%提高至约85%。光固化物分子结构中巯基与双键的化学交联起固定相作用，结晶相起可逆相作用，赋予了该材料形状记忆效应。形状固定率为100%，交联度较高的产物需要在较高温度下实现形状记忆效应，而交联密度较低的产物可在人体体温附近快速发生形状记忆效应，在37oC时，恢复时间仅需2.5s，恢复率近乎100%。当SA含量较低时，光固化产物的吸水率较低，随SA含量增加，吸水率增大，降解速率加大，固化物表面和内部本体均发生降解。固化物的水接触角适中，生物相容性较好，固化物前两周的失重率较小，随后失重速率增大，表面呈现凹凸不平和孔洞，逐减丧失力学性能，六至八周之后可降解完全。因此，通过控制化学组成和交联条件，可控制光固化物的力学性能和形状记忆效应，且该聚合物具有生物相容性和可生物降解性，为设计、开发新型具有复杂结构且兼具形状记忆效应的软组织工程材料提供新思路和必要的理论基础。