多功能SMPs材料改性及復合技術的研究與開發(fā),高分子材料論文

多功能SMPs材料改性及復合技術的研究與開發(fā),高分子材料論文智能材料是指可通過本身的感悟而獲得有關外界環(huán)境條件及其改變的信息，之后再進行判定、處理并發(fā)出命令，繼而使本身構造和功能發(fā)生變化以與外界相適應的一類材料。華而不實，形狀記憶材料是指可感悟外界環(huán)境變化〔如：溫度、溶劑、壓力等〕并對其刺激進行響應，進而調(diào)整本身力學參數(shù)以使其恢復到預先設定狀態(tài)的一類智能材料。形狀記憶聚合物〔SMPs〕由于具有構造特殊、制作簡單、原料充足及對刺激具有積極的響應性等特點,已在航空航天、異徑管結合材料、生物醫(yī)學、微-納米電子機械等領域進行了應用。日常生活中與SMPs相關的產(chǎn)品深受消費者喜歡，當前人們不再知足于單一功能的SMPs，迫切需要在分子水平上將形狀記憶功能和其他功能結合在一起，進而知足實際應用。因而，多功能SMPs材料改性及復合技術的研究和開發(fā)方興未艾，成為國內(nèi)外材料研究和開發(fā)的熱門。1、多功能SMPs的合成進展在SMPs的模塊構筑上，人們通太多種不同的硬段與軟段結合得到了不同種類的SMPs；在SMPs的形態(tài)學上，結晶的、無定形的、或者液晶的各種巧妙組合使得SMPs具有可調(diào)節(jié)的形狀記憶改變溫度；在SMPs的三維空間圖像上，支狀的、體型的、星型的等各種分子形狀的SMPs也均有報道。在形狀記憶效應的各種指標上，通過分子整合技術及材料復合技術，人們已經(jīng)開發(fā)了各種具有優(yōu)良綜合形狀記憶效應的聚合物。這些SMPs有的具有可控的形變溫度，有的具有三形變甚至多形變記憶效應，有的具有很高的回復應力、回復速率及回復精度。而自雙程記憶效應的SMPs被發(fā)現(xiàn)以來，更是引發(fā)了研究者的極大熱情。在形狀記憶效應的驅(qū)動方式上，已經(jīng)從傳統(tǒng)的熱驅(qū)動，發(fā)展到如今的光〔包括可見光、紅外、紫外、微波〕、電、磁、溶液、濕氣、分子刺激、壓力、聲等驅(qū)動。為了進一步拓展SMPs在實際應用中的多重需求，在尋求SMPs本身形狀記憶功能的完善之外，人們開場在SMPs基礎上增加其他功能，已經(jīng)問世的多功能SMPs包括優(yōu)良力學性能的SMPs〔高強度、高剛度、高彈性〕，光學功能SMPs〔透明性、顏色改變性能、光傳導功能〕，電磁活性SMPs〔高電導性、磁導性〕，生物多功能SMPs〔生物可降解性、生物相容性、低毒性、低免疫性〕，以及自修復多功能SMPs。2、多功能SMPs在生物醫(yī)學領域的研究進展2.1醫(yī)療器件生物多功能SMPs在生物醫(yī)學上最大的應用莫過于各種醫(yī)療設備智能控制系統(tǒng)，如矯形材料〔牙科、骨科〕、血管內(nèi)異物套管器械〔心臟瓣膜、血管支架、血栓去除器〕、內(nèi)鏡檢查穩(wěn)定器、活體組織切片檢查鉗、人工腎臟系統(tǒng)器件、節(jié)育器及其配套裝置等。SMPs在頭與頸部的應用主要是神經(jīng)治療，SHARP等報道了利用SMPs做成的神經(jīng)電極元件。他們將附帶封閉導體的SMPs微驅(qū)動器插入腦組織中，軟化的SMPs能夠與腦組織微觀機制匹配，到達神經(jīng)傳遞的作用。SMPs在眼科的應用主要是為了改善眼內(nèi)壓力，SHADDUCK等發(fā)明了具有降低眼內(nèi)壓的形狀記憶植入管，主要是利用SMPs的一些特殊形狀減少眼內(nèi)壓，同時植入物可通過兩種方式方法改善眼內(nèi)壓力流散渠道，一是通過類似支架的外部渠道，二是通過改善軟骨組織的特性。在外科其他方面，BETTUCHI等發(fā)明了SMPs自緊打結線醫(yī)療器件。利用SMPs線程的能力，能夠輕松地構成自緊結。GORALTCHOUK等報道了SMPs自動定位線，利用SMPs線伸出呈穗狀，在沒有需要打結的情況下停靠在組織周圍，進而維持傷口穩(wěn)定。LENDLEIN等報道了SMPs手術扣件。生物可降解或者生物穩(wěn)定性的SMPs探針，刺入非SMPs設備并植入組織后，在溫度誘導下，SMPs探針回復成彎曲或螺旋的永久形狀，進而保證了設備對組織的安全性。生物多功能SMPs在泌尿科也有一些應用。TEAGUE報道了SMPs檢索設備醫(yī)療器件。利用不同永久形狀的光活化SMPs設備〔筐、開瓶器〕能夠捕捉到腎臟、胰臟或膽囊腔的結核，到達檢索功能。JORDAN等報道了形狀記憶腔內(nèi)假體支架器件。用作腔內(nèi)假體的中空徑向膨脹SMPs設備，該設備具有不同構造與材料的多重排尿途徑，包括根據(jù)應用而定的具有生物可降解和生物穩(wěn)定性的SMPs。ORTEGA等報道了利用SMPs制備的透析針器件。其原理為：用于血管內(nèi)沉積并且?guī)в蠸MPs管道的透析針；在透析中，SMPs的展開形狀〔較大的遠端直徑〕減少了動靜脈血管血液壓力以及可能導致的移植失敗。根據(jù)文獻，其原理為：利用SMPs的漏斗狀構造設備，能夠提高細胞的收集數(shù)量，并且通過打開血管壁的接觸來降低閉塞的風險。在其他內(nèi)科應用方面，YAKACKI等報道了韌帶或肌腱修復醫(yī)療器件。將SMPs制成薄片狀或小塊狀植入受損部位后，加熱到形變溫度，通過形變使其到達所需形狀大小，此時植入物相當于一個支架，使膠原纖維組織長入，逐步構成再生的結締組織。SMPs在畸形矯正學上也有應用，尤其是畸齒矯正方面。JUNG等報道了畸形牙矯正器件。其原理為：帶有多支架吊帶的SMPs不對齊牙齒矯正線在形狀回復時創(chuàng)造的應力，足以推動牙齒矯正到所需的位置。除此之外，SMPs在減肥方面也有一些應用。LENDLEIN等研制了肥胖癥胃填充物醫(yī)療器件。其原理為：SMPs設備在以折疊形狀放置到胃中，然后脹大為不折疊形狀，以此填充胃的空白體積。這樣就能夠減少超重患者的食量，進而到達減肥效果。2.2組織工程脂肪族聚酯類多功能SMPs不僅生物相容性好、降解速率慢而且具有優(yōu)異的可控熱機械性能，能夠知足組織工程手術經(jīng)過中對實際材料的多功能性要求。當前，SMPs在組織工程上的應用主要為骨、軟骨、韌帶、平滑肌等。NEUSS等報道了生物多功能的形狀記憶聚己內(nèi)酯二甲基丙烯酸酯網(wǎng)絡〔PCLDMA〕骨組織支架。實驗證明，PCLDMA生物功能優(yōu)良，對各種生物體細胞都有很好的生物相容性。并且，PCLDMA形變回復率極大〔高達93％〕，形變轉變溫度〔54℃〕比體溫高，這樣就能夠保證手術順利進行，避免手術中體溫溫度驅(qū)動回復，植入變形所造成的不必要費事。隨著SMPs在組織工程應用上的深切進入開展，高分子材料學家將原有方式方法結合當代納米技術、靜電絲紡等工藝制備出諸多的生物多功能SMPs支架材料。這些支架材料因具備諸多優(yōu)點如促進細胞生長和血管化、降解速率可調(diào)、可控制釋放生長因子速率等，因而能夠應用于組織工程化骨、韌帶、平滑肌及心血管等的構建，十分是促進合成正?；|(zhì)進而構建軟骨，因此在生物醫(yī)學領域具有廣闊的應用前景。RABANI等制備了生物可降解且降解速率可控的PCL/聚碳酸酯支架。實驗證明，這種多功能支架能夠促進軟骨基質(zhì)的構成。此后，GANTA等報道了以蔗糖為軟段、甲苯二異氰酸酯〔TDI〕為硬段的SMPs。這種SMPs支架孔徑在100～300m之間，通過改變熱機械性能，調(diào)節(jié)孔隙率，以及孔間距〔能夠在10～2000m范圍內(nèi)進行調(diào)整〕，可獲得適用于軟骨等多種組織構建的支架。除此之外還證實，多功能支架的降解產(chǎn)物是安全無毒的。2.3藥物控制釋放體系高分子材料科學與當代醫(yī)藥學的互相浸透，使得多功能SMPs作為藥物控制釋放載體在生物醫(yī)學領域成為最熱門的研究方向之一。NAGAHAMA等報道了以己二異氰酸酯與交聯(lián)星形支化的聚己內(nèi)酯為原料制備的生物多功能SMPs網(wǎng)絡。該聚合物材料具有良好的藥物釋放功能，在磷酸緩沖液〔pH值為7.4〕中能夠持續(xù)釋放茶堿，時間長達1個月左右。除此之外實驗證實，在低溫下該網(wǎng)絡就能夠快速響應，而且在一個狹小范圍內(nèi)〔37~39℃〕，形狀回復率到達90%。42℃下，10s內(nèi)形變回復率到達100%。這講明該網(wǎng)絡本身的形狀記憶性能及生物功能性良好。XIAO等用溶液鑄膜法合成了一種生物多功能形狀記憶交聯(lián)聚己內(nèi)酯藥物載體。實驗表示清楚，負載聚癸二酸酐后的PCL的形狀記憶性能基本不變，而且材料本身具有生物可降解性且降解速率是可調(diào)的。WISCHKE等比擬了SMPs不同功能對藥物負載及釋放效應的影響。實驗發(fā)現(xiàn)，一系列來自聚己內(nèi)酯乙交酯二甲基丙烯酸酯〔PCLGCDMA〕的前驅(qū)體，通過一定的技術負載藥物后基本對材料的降解行為、形狀記憶效應無不良影響。其明顯不同在于：藥物釋放性能取決于藥物負載的技術。由于SMPs構造以及組成的不同，沒有必要得到一個關于藥物負載技術的普遍適用結論。藥物釋放具有兩大傾向：溶脹能夠?qū)е碌退幬镓摵闪?。而大的突釋或隨后高的釋放速率，則取決于藥物的理化性能。這種初始突釋能夠給藥物提供廣泛的治療途徑，例如當藥物植入人體后能夠到達高初始劑量的理想釋放。在材料交聯(lián)經(jīng)過之前，允許藥物有效載荷的一個簡單變動，但是這樣可能導致低的突釋以及隨后高的藥物負載速率。當治療所需要的模板藥物改變時，在交聯(lián)經(jīng)過中是不允許藥物改變的，這是由每一個化合物在藥物負載時的狀態(tài)所決定的。然而，生物多功能SMPs在藥物釋放中也面臨著眾多問題，如：藥物負載中，怎樣實現(xiàn)最大的藥物負載量；怎樣實現(xiàn)生物降解形狀回復藥物釋放這3種經(jīng)過中的功能及時間協(xié)調(diào)，即在形狀回復的經(jīng)過中，材料降解的速率對藥物釋放的速率、數(shù)量的影響；控釋、緩釋的經(jīng)過中，怎樣在保證生物可降解SMPs恒定釋放的同時，確保材料的有效釋藥面積，以免SMPs降解過快而產(chǎn)生爆釋效應。體內(nèi)釋放經(jīng)過中，人體生理環(huán)境對藥物釋放速率的影響。生物多功能SMPs作為藥物控釋載體除了能夠用于病痛治療外，還能夠用在避孕方面。將避孕藥物與生物可降解高分子材料結合起來，制成相應的劑型，使藥物能夠充分地被人體吸收，減少藥物對腸胃的毒副作用。2.4其他專業(yè)方面通過分子構造設計合成的生物多功能SMPs可用于其他眾多生物醫(yī)學工程領域，如手術縫合線、神經(jīng)元探測器、基因治療、內(nèi)窺鏡手術、生物微米-納米電子機械、光治療等。2.4.1光治療基于腔內(nèi)和間質(zhì)的光治療對患者具有重要意義。多功能SMPs能夠制成發(fā)光器件，能夠通過針、導管或內(nèi)窺鏡傳遞光，用在諸如熱激光療法和光動力治療等方面。SMALL等報道了以這種技術構建的高擴散性能的SMPs設備，設備的電源指示燈通過圓柱型的擴壓器連接到光纖，能夠用于光治療。該設備的光熱驅(qū)動還用到SMPs栓塞泡沫和支架設備，調(diào)整設備的某個特定應用程序，SMPs剛度能力就能快速改變，屬于一種新型功能。2.4.2冷休眠彈性記憶技術該技術采用兩種構造作為載體：一是聚合物泡沫構造；二是以SMPs泡沫芯與高分子復合殼做成的三明治構造。新開發(fā)的SMPs泡沫，運用冷蟄伏彈性記憶〔CHEM〕技術，能夠進一步擴大其生物醫(yī)學應用。CHEM泡沫與形狀記憶功能相結合，能夠研制出包括寬范圍孔隙度、重量輕、高體積比和高精到準確形狀恢復的SMPs，這些優(yōu)點都有望使SMPs用作臨床的功能設備及展開元素材料。CHEM泡沫的潛在血管用處還包括去除血凝塊〔血栓〕的動脈網(wǎng)。METCALFE等對其可行性進行研究，并初步在體外進行證實，結果表示清楚其研究前景是樂觀的。血管內(nèi)顱內(nèi)動脈瘤的異常脊可導致中風，但是當前治療的方式方法有重要的缺點，如治療不徹底，在動脈瘤頸部留有復發(fā)的隱患。因而，必須尋找新的更有效的方式方法去除動脈瘤囊生長。CHEM發(fā)泡材料能夠作為栓塞劑和填充材料，以閉塞動脈瘤，到達治療目的。3、結論與瞻望正是多功能SMPs的眾多優(yōu)異性能：如可收回、重量輕、成本低、易加工性和非常高的恢復應力，使得多功能SMPs成為很多潛在應用的候選材料。近年來SMPs基礎研究進展迅速，將來更多的關注將集中在生物多功能SMPs的臨床應用上，十分是支架技術，有可能成為SMPs最深切進入研究的領域之一。就美國2018年在這個