聚氨酯(PU)是通过二异氰酸与多元醇 (或等效物) 在催化剂的作用下反应形成的材料，具有广泛的工业用途。由于它们具有生物相容性、可生物降解性和可定制的化学和物理形式，它们的生物医学应用受到了广泛关注。这些应用领域的例子包括抗菌表面和导管、药物传递载体、支架、手术敷料/压敏胶粘剂、组织工程支架和静电纺丝、神经生成、心脏贴片以及植入物的PU涂层。本文介绍了PU材料和涂层所提供的这种多样化的生物医学应用。

  聚氨酯（PU）是由Otto Bayer教授在20世纪30年代发明的，基于1849年发现的一种反应，即醇可以与异氰酸酯反应产生聚氨酯（氨基甲酸酯）基团。到了20世纪50年代，PU已经在涂料、粘合剂、硬质泡沫和弹性体等领域得到了广泛的应用。如今，PU成为了最多功能的材料之一，在许多制造业领域中有着慢慢的变多的应用。2021年，PU的年产量已超越2300万吨。

  涂料在 PU 的应用中占很大比例（约占其应用的10%）。例如，聚氨酯涂料（用于钢铁、混凝土、木材和其他表面）和汽车内饰、汽车耐酸雨腐蚀面漆和清漆、航空器、工业机械、粘合剂、海洋应用等涂层。使用各种工艺应用PU作为涂层，如粉末涂覆、浸渍涂覆、喷涂、辊涂、帘形涂覆或静电应用。使用PU涂层的原因包括其高性能特征，如耐久性、柔韧性、韧性、强度、耐磨性、抵抗腐蚀能力、耐非物理性腐蚀和污渍、当使用脂肪族异氰酸酯时拥有非常良好的光稳定性、出色的UV保护特性和良好的低温性能。后者是在塑料基材上使用PU涂层的重要原因，包括对环氧树脂表面的顶层涂覆。

  PU由一种来自原油的异氰酸酯（通常是二异氰酸酯）和一种多元醇（聚醚、聚酯或类似物）加成聚合而成，通常在催化剂和扩链剂的作用下形成所需的聚合物（图1）。填充剂、脱气剂、吸湿剂和颜料等添加剂也经常被包括在内。

  图1. 一种常见的二异氰酸酯（MDI）与多元醇反应形成PU，理想化的结构、二聚体和氨基甲酸酯连接显示。

  二异氰酸酯是一种每个分子含有两个-N=C=O（NCO）基团的异氰酸酯。它们能是脂肪族的（如1,6-己二异氰酸酯，HDI），环状脂肪族的（如异佛尔酮二异氰酸酯，IPDI），二环脂肪族的（如4,4-二环己基甲烷双异氰酸酯，HMDI），多环芳香族的（如甲苯双异氰酸酯，TDI或更常用的4,4-二苯甲烷双异氰酸酯，MDI）。异氰酸酯的反应性由NCO碳原子的正电性决定，它容易受到亲核物质的攻击，而氧气和氮气则容易受到亲电物质的攻击。在芳香族二异氰酸酯中，负电荷会在环上脱域，因此这些分子比脂肪族的同类分子更有反应性。选择用于PU生产的异氰酸酯取决于所需的最终应用特性。制备刚性PU时，选择芳香族异氰酸酯，但是由这些异氰酸酯制成的PU显示出比脂肪族二异氰酸酯更低的氧化和紫外线稳定性，且更昂贵。异氰酸酯的一个关键性质是其NCO含量，通常为23-48%。

  多元醇组分通常包括聚酯、聚酯多元醇（PEP）、聚己内酯（PCL）、聚碳酸酯或聚醚。聚酯，在1937年和1956年之间推出，具有更加好的耐溶剂性、耐磨性和耐切割性，但易受到水解降解影响。聚醚，在1956年推出，更为常用，但容易遭受氧化降解。目前使用了三种常见类型的聚醚：聚丙烯醇（PPG）、聚乙烯醇（PEG）和聚四亚甲基环己烷醚聚醇（PTMEG），其中最后一种是由四氢呋喃聚合而成，用于高性能涂料、润湿剂和弹性体应用。使用PTMEG制备的PU具有最佳的物理、高回弹力、水解稳定性和动态性能。商业上有500多种可用的多元醇，而可用异氰酸酯的种类则少得多，因此多元醇在根本上决定了PU最终的性质。

  在PEP中的支化也会极大地改变PU的特性：高支化PEP可生产拥有非常良好化学和耐热性的刚性PU，而较少支化的PEP则生产出具有较差化学稳定性的柔性PU。使用分子量较高的多元醇会产生柔性PU，反之亦然。

  扩链剂通常是在PU聚合过程中添加的短链二元醇，可进一步改变所生产的聚氨酯的性能。一个典型的例子是1,4-丁二醇（BD），它已被证明可在所生产的聚氨酯中产生硬链段。其他双官能、低分子量二醇、环己烷二甲醇、二胺和羟胺（二乙醇胺和三乙醇胺）有时也被用作扩链剂。甘油是另一个常用的增塑剂，由于它在每个分子中有三个OH基团，因此具有产生交联结构的优点； 这增加了PU的热稳定性。

  PU可以在有或没有催化剂的情况下合成，但前者更为常见。催化剂在控制反应动力学、降低固化温度和时间等方面发挥着关键作用，并经常负责进行优先聚合反应。用于合成PU的催化剂包括铋、三氯化丁基锡、四氯化钛、氯化铁、三氯化锑、硝酸镉、苯甲酸钴、油酸铝、二苯基汞、萘酸锌、萘酸锆和钼等。显然，其中一些催化剂是有毒的，现在已根据工业法规（例如 RoHS 和 REACH 法规）予以撤销。现在通常使用锡催化剂制造预聚物和胺（强碱，例如二氨基双环辛烷）来反应多元醇和异氰酸酯。

  PU由软段和硬段交替组成（图2(a)）。软段依赖于长链二元醇，为聚合物提供弹性和耐低温性。硬段是由于扩链剂（通常是低分子量二元醇）与二异氰酸酯反应产生涉及聚氨酯链的氢键，从而提供额外强度。这些硬段负责PU的晶体区域、模量、使用温度上限、撕裂强度和硬度。

  图2. 理想化的聚氨酯结构描述了硬段和软段的形成（a）分别来自异氰酸酯的链排列和非排列的长链多元醇的存在（b）。

  化学成分（单体/原材料、官能团数）、硬/软段比例或分子量的改变会产生一系列不同的聚合物特性和硬度。例如，氨基甲酸乙酯基团具有高极性，因此，氨基甲酸乙酯基团的密度越大，在室温下产生的PU产品越硬。

  虽然大多数PU不是热固性的（不能被加工、熔化然后重新加工），但热塑性 PU (TPU) 很容易获得。在这些聚合物中，由于高极性，硬段之间有强烈的吸引力，导致该相高度聚集和有序，显示为结晶或明显的结晶区域，通常称为固定相（图2(b)）。硬段部分与软段分离：这经常被称为相分离。相分离的程度及其影响取决于两个段的分子量和极性差异。这是因为，偶极-偶极相互作用和氢键提供了线性PU链之间的伪交联网络结构，创建了具有共价交联网络的物理特性和机械行为的聚合物。氢键也可以在N-H和C=O基团之间形成，可以在硬段、软段内形成，也可以在两者之间架起桥梁。聚氨酯键之间的硬相氢键形成了一个物理交联点，防止聚合物因链滑移而变形。当使用三异氰酸或支化羟基多元醇等多功能组分时，能轻松实现三维交联。结晶度百分比可以在0-13％的范围内，完全结晶的PU在20°C时密度为1.322 g cm^(-3)。

  许多因素会影响相分离的程度，例如官能团的极性、分子量、分子量分布、交联密度、PU链的化学结构、硬段和软段的大小，甚至是用于成型最终产品的技术。

  PU是最多样化的材料之一。它们的用途包括家具中的柔性泡沫、墙壁和屋顶隔热板中的硬质泡沫、医疗器械中使用的TPU、地板和汽车内饰上使用的涂层、弹性体、胶粘剂和密封剂。PU独一无二的，具有橡胶的弹性和金属的韧性和耐用性。这些聚合物的硬度范围极广（从橡皮擦的软度到保龄球的硬度）。PU 取代了传统使用的材料，大大改善了停机时间、维护时间和成本。本文其余部分重点介绍了PU涂层和材料的生物医学应用。

  与许多其他合成和天然可生物降解聚合物不同，PU具有与原生组织相当的机械和物理属性。这一点与低血小板粘附和离体蛋白质吸附相匹配，使得PU在生物医学行业中具有许多用途。但必须要格外注意的是，与其他生物材料一样，需要仔细考虑PU的生物降解性。就PU而言，通过改变化学成分、软硬部分的比例和分子量，可以很容易地实现这些特性的定制。通常情况下，PU的生物降解速率主要根据软段结构，这是由聚醚类或聚酯类多元醇的特性所控制的。与无定形的结构相比，具有半晶体段的PU被发现降解速度更慢，因为它们允许水通过无定形区域渗透。常见用于生物可降解PU中的多元醇有PPG、PEG、PCL和乙醇酸。PEG的主要吸引力之一是其无毒性降解产物，以及亲水性、溶于水和有机溶剂、无抗原性和免疫原性。虽然PCL也产生无毒降解产物，但通常更疏水，因此会降低降解速率。能够最终靠引入可水解的扩链剂到硬段中来影响该属性。BD、1,2-乙二胺和1,2-乙二醇通常用作扩链剂。芳香族和脂肪族二异氰酸酯都被用来制造可生物降解的PU系统，前者（例如TDI和MDI）已被发现会降解为有毒的副产物，正在被脂肪族二异氰酸酯（例如IPDI和HDI）所取代。

  使用新型的含亲水亲油性聚二甲基硅氧烷基聚氨酯，通过连接羧基甜菜碱实现了97.7％的抗菌效率，并具有防附着性质，展示了在生物医学设备和海洋应用方面的巨大潜力。将多元醇替换为甲壳素，一种从甲壳动物和真菌中分离出来的生物相容性多糖，产生了一种聚氨酯，吸附在灭菌的圆盘上，与单独的壳聚糖相比，显示出更好的抑制大肠杆菌的能力。甲壳素和肝素（后者带有高负电荷，可以排斥带负电的细菌）通过一个逐步的过程被固定在PU的表面上，以产生对金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、大肠杆菌和铜绿假单胞菌具有抗菌耐受性的抗菌层。Cu和Ag纳米颗粒被纳入多元醇组分（PTMEG 1000）中，然后与异氰酸酯（MDI）及BD扩展剂反应；所得的PU没有显示出任何毒理学问题，并展示出适用于医疗应用的所需抗菌活性。在一个多步骤过程中，利用蒸汽相等离子体诱导接枝聚合丙烯酸的方法将3-（三甲氧基硅烷基）丙基二甲基十八胺盐涂在PU导管上，涂层导管对大肠杆菌具有抗菌活性（图3）。关于尿道导管抗菌涂层，PU其优点包括韧性，生物相容性，血液相容性和易加工性。各种具有抗菌特性的PU涂层材料，如水杨酸释放型PU涂层,对铜绿假单胞菌和大肠杆菌有抵抗力，以及接枝在PU上的N-海拉明生成的涂层，可以长期再生使用。

  图3. FTIR（衰减总反射率）和丙烯酸改性（左图）和未经处理的PU导管在硅烷化和溴酚蓝处理后的照片，以确认丙烯酸涂层的存在。这种涂层对大肠杆菌表现出体外抗菌活性。

  将化疗药物吉非替尼通过喷雾涂层嵌入PU支架和顶层之间，以形成一个治疗支气管癌的药物释放支架；当以晶体形式嵌入药物时，释放时间为7-21天，但当嵌入聚乳酸-羟基乙酸共聚物微球中时，持续释放6个月（图4）。用酸链扩展剂对PU进行了改性，以赋予膨胀控制的药物释放特性和PU的pH响应特性；费洛地平（一种模型药物）在pH值为7.4时的释放速度比胃pH1.2时更快，为结肠提供了靶向输送。基于PU的（聚酯-聚氨酯）纳米颗粒，含有消炎药吲哚美辛，被嵌入一个复合壳支架（活性玻璃/羟基磷灰石）上的表面聚合物（明胶）层中；观察到了持续的药物释放并不影响生物相容性。

  图4.（a）从装载有吉非替尼-PLGA微球的PU构造中释放肿瘤抑制药物吉非替尼；（b）提供这种药物长期释放的支气管支架的示意图。

  有机硅聚氨酯共聚物可作为通过食道药物洗脱支架输送多西他赛的载体；多西他赛的固态行为和聚合物的微结构会影响药物释放。将琉璃苣油（含有促进伤口愈合的必需脂肪酸）可成功纳入PU泡沫伤口敷料并将其释放开来；还有许多其他被纳入此类敷料的药物，例如，镇痛剂、角化剂、抗生素和抗癌药物。

  电纺PU-右旋糖醇纤维基质被荷载雌二醇（最具生物活性的内源性雌激素）以改善绝经后妇女的皮肤创伤修复；电纺工艺直接混合PU和右旋糖醇聚合物以获得纤维的最佳物理和生物学性能。电纺也被用来制造PU-Eudragit丙烯酸聚合物纳米纤维复合材料，丙烯酸聚合物允许药物在十二指肠（平均pH 5.4）中释放。智能敏感聚合物，旨在依据环境条件（在这样的一种情况下对pH敏感）改变特性，从PU-N,N-二乙氨基乙基甲基丙烯酸酯混合体中制备，并加入罗丹明6G作为模型药物。石墨烯纳米颗粒被分散到PTMEG中，并与HMDI和BD扩展剂反应，产生的PU具有比未加入的有更大的韧性和存储模量；与单独的PU相比，加入的药物（盐酸四环素，一种抗生素）的控制释放也更持久，后者具有爆发式释放。

  制造具有Auxetic（旋转四边形）几何形状的PU支架（以减少迁移/错位），用于贲门癌姑息治疗，采用多种技术进行制造；其中，真空铸造无钢丝支架的激光切割技术获得了优先采用。一种在PU中加入纳米纤维的热敏基质，用于非血管性油支架，使用交变磁场进行热疗；同时释放5-氟尿嘧啶和/或紫杉醇。聚乙烯亚胺刷被嫁接到PU输尿管支架上，以帮助防止宿主组织炎症和堵塞；进一步烷基化处理可增强抗菌活性。PU支架正在用于患有川崎病的婴儿和儿童，川崎病是一种多系统的炎症性疾病，是儿童获得性心脏病的最常见原因；围绕Orsiro支架电纺的厚（90微米）PU膜具有最理想的拉伸性能。

  在用作压敏胶（PSA）方面，PU的性能优于许多其他聚合物；这些材料对皮肤等基材拥有非常良好的粘附性，只需用手指轻轻按压，因此常用于手术敷料。可利用不同的交联剂改善这些材料的透气性和粘附强度。PU敷料泡沫拥有非常良好的吸水性、光学机械性能和成本效益，但生物活性低，愈合能力差；在溶胶-凝胶过程中加入生物活性二氧化硅纳米颗粒能大大的提升伤口闭合速度并加快胶原和弹性纤维再生。还有一种改联PU水凝胶，它能吸收大量的水而不溶解。这种特性对于创面愈合敷料很有用，其中由PEG聚醇制成的不对称膜可防止伤口表面迅速脱水和细菌侵入。由于其亲水性特性，血小板被吸引到该层，从而生成凝血级联反应。

  静电纺丝已被用于将聚氨酯与蜂胶（一种由蜜蜂产生的具有各种医疗特性的树脂状物质）结合起来制作组织支架，即模仿细胞外基质（ECM）的材料，为细胞生长、迁移和组织再生提供临时支持（图5）。得到的材料表现出抗菌活性和增强的细胞相容性/细胞存活率，显示出在创面敷料和皮肤组织工程中使用的潜力。基于PEG、聚（L-乳酸）和聚（三亚甲基碳酸酯）块以及使用脂肪族二异氰酸酯的分段PU被静电纺丝成纤维支架；产生了新型的可降解弹性高孔隙基质，显示出用于软组织工程的潜力。通过吹纺技术制备的PU纳米纤维垫上的心脏细胞增殖优于聚苯乙烯，因此能形成一个比目前使用聚苯乙烯更好的体外模型来研究心脏药物。

  图5. 从（a）0、（b）5、（c）10和（d）30wt-%含蜂胶的PU溶液中得到的PU纤维的SEM（场发射）图像。插图显示对应的水接触角。

  将氧化铁纳米颗粒加入PU中，用于组织工程应用（图6）；采用多种技术对所制备的薄膜进行表征，包括用原子力显微镜来测量表面粗糙度。

  图6. 热塑性聚氨酯纳米复合材料的制作的完整过程示意图，用于潜在的细胞治疗和组织工程应用。

  经过抗坏血酸（维生素C）改性的PU已被研究作为软组织再生医学材料，因为已知的包含物对组织再生有广泛的影响；血液相容性测试成功，并且薄膜对金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌和大肠杆菌敏感。

  PU在骨组织工程应用中特别着迷，因为它们具有钙化、支持细胞粘附和人类成骨细胞增殖的能力，此外，它们还具有无毒性和可定制的机械性能。

  一种由PU和聚乳酸（PLA）混合制成的聚合物垫，用于使用嗅球神经胶质细胞和间充质干细胞连接断裂的神经轨道；纯PU上的神经胶质细胞表现出改变的形态，但混合的聚合物显示出最佳特性（图7）。使用3D打印技术，可成功地将神经干细胞嵌入可生物降解的PU凝胶中；然后将这些细胞注入斑马鱼中，以恢复受损的神经系统。

  图7. 嗅球胶质细胞（7天后）在PU（A行）、PU/PLA混合物（B）、纯PLA（C）和聚苯乙烯对照（D）；染料：红色+白色（p75+nuclear，分别为第1列），绿色+白色（肌动蛋白+核，分别为第2列）和SEM（第3列）；比例尺=200微米。

  当心肌梗塞后疤痕组织取代心肌细胞时，往往会导致心室收缩功能下降。这些细胞被培养到由金纳米管/纳米丝组成的纳米复合支架上，该支架被纳入可生物降解的纳米多孔PU中；电刺激成功产生了细胞间相互作用，同时出现了重要的心肌基因表达。使用一个双层修补片，这中间还包括一个含有稀疏的微孔可生物降解的聚（酯碳酸酯脲）（PECUU）的心脏细胞外基质富集层和一个上层为微孔PECUU层；观察到疤痕形成减少，心室变薄以及促进血管生成的现象。

  用于硅胶植入物的PU泡沫涂层于 1970 年代首次开发，是一种减少囊性挛缩的方法。PU涂层旨在分解并成为囊的一部分，并防止肌成纤维细胞的排列，从而中断了囊性挛缩所需的强度。然而，1991年发现PU与致癌物2,4-甲苯二胺之间有联系，这导致美国和英国禁止用这种涂层植入物。但在2016年进行的系统评估得出结论，PU植入物应被认为是纹理硅胶植入物的安全替代品。

  聚氨酯是一类令人兴奋的聚合物材料，它所表现出的各种特性使其成为生物医学领域中多种应用的涂层和散体材料的理想选择。例如：抗菌表面和导管、药物传递载体、支架、手术敷料/压敏胶粘剂、组织工程支架和静电纺丝、神经生成、心脏贴片和植入物的PU涂层。

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