醫(yī)用聚氨酯泡沫敷料的研究及配方優(yōu)化

唐文力，黃　瑜，謝　曦

(海南大學 海洋學院，海南 海口 570228)

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醫(yī)用聚氨酯泡沫敷料的研究及配方優(yōu)化

唐文力，黃瑜，謝曦

(海南大學 海洋學院，海南 海口 570228)

摘要：利用聚乙二醇(PEG)與甲苯二異氰酸酯(TDI)在適當條件的交聯(lián)來制得聚氨酯泡沫材料，同時研究了PEG和TDI添加比例的改變以及催化劑添加量的改變對材料性能的影響，篩選出了優(yōu)化的原料配方，并對該材料進行了相關表征.結果表明，最終制備的聚氨酯海綿材料具有良好的吸液性、透氣性以及凝血性能，可作為滿足普通家庭日常生活需求的醫(yī)用敷料，值得進一步的研發(fā).

關鍵詞：醫(yī)用敷料； 聚氨酯泡沫； 一步聚合法； 配方優(yōu)化

醫(yī)用敷料作為受損皮膚暫時的替代物，它可覆蓋于皮膚創(chuàng)面上保護傷口，避免皮膚受到二次傷害，同時也可以為傷口的愈合提供有利的環(huán)境.隨著我國經濟以及醫(yī)藥行業(yè)的快速發(fā)展，人們對于體外止血醫(yī)用敷料材料提出了更高的要求.用于體外創(chuàng)面的敷料，不僅要求其功能和力學特性滿足使用目的，而且還要求使用者具有良好的順應性，即在使用過程中不會增加患者的痛苦以及造成患處的二次傷害.傳統(tǒng)創(chuàng)面敷料，如紗布、棉花等雖也能達到保護傷口和止血的目的，但具有許多缺點：比如易滋生細菌，創(chuàng)面滲出液易與干燥真皮組織一起形成痂皮，妨礙上皮化；同時創(chuàng)面易與敷料粘連，并在換藥揭起時引起疼痛，帶來二次創(chuàng)傷.

與之相比，聚氨酯泡沫材料由于其具有海綿狀多孔層狀結構，因此，它對液體有較大的吸收容量，氧氣和二氧化碳幾乎能完全通過，十分有利于創(chuàng)面分泌物的排出，促進創(chuàng)面組織的愈合.另外，這類材料質輕柔軟，使用起來感覺也比傳統(tǒng)材料舒適很多.作為創(chuàng)傷敷料，聚氨酯泡沫材料對創(chuàng)面有較好的保護作用，加入藥物還可促進創(chuàng)面愈合.此外，該類材料的主要原料為聚乙二醇，具有無毒，使用安全和生物相容性好的特點[1].正因為這些顯著的優(yōu)勢，從而使得這類親水性聚氨酯敷料大量應用于普通擦傷，刀傷等創(chuàng)面的保護及止血，特別值得一提的是該類材料在鼻腔術后填塞方面[2]的應用正在逐步取代傳統(tǒng)敷料.另外，這類材料還可以通過加工成水凝膠的形式來使用，比如Cardio Tech公司研制出的親水性聚氨酯水凝膠創(chuàng)傷敷料[3]就可以直接用于潰瘍、擦傷及燒傷的皮膚.黃忠兵等人[4]利用聚氨酯海綿和聚氨酯薄膜制備出了一種雙層結構的聚氨酯敷料，程莉萍等人[5]也利用聚氨酯軟泡作為藥物載體來制備抗菌創(chuàng)傷敷料.

聚氨酯泡沫海綿材料在敷料方面的應用越來越廣泛.在目前這類材料的合成中，因為預聚法具有對原料比例要求較低，反應易控制等優(yōu)點，所以現在多利用預聚法(又稱兩步法)來合成聚氨酯泡沫海綿.但是該方法因為流程復雜，而且副反應較多，所以不適合于工業(yè)化生產.與之相比，本研究采用改良的一步合成法(即在惰性氣體存在的環(huán)境下將反應原料及催化劑按照設定的比例一并加入，然后高速攪拌進行發(fā)泡)具有操作流程簡單，制品性能優(yōu)良的特點，與陳濤等[6]使用的一步法相比，該方法使用惰性氣體可以去除空氣中水分對實驗的影響，另外，實驗產生的CO2也不會以較快的速度冒出，從而造成材料孔徑的過大.另外最為重要的是，本研究還通過正交實驗篩選出了最適合于一步法的原料配方，解決了一步法生產中原料比例難控制的問題，很大程度地提高了制品的綜合性能.此外，為改善聚氨酯材料的親水性[7]，本實驗采用親水性聚乙二醇(PEG)代替聚醚來合成親水性聚氨酯預聚體，再進一步發(fā)泡，熟化制成海綿材料.本研究利用一步法合成了聚氨酯泡沫海綿材料，對材料做了相關表征，并對原料配方進行了優(yōu)化，確定了一步法制備優(yōu)良性能聚氨酯泡沫海綿的配方，為今后聚氨酯泡沫敷料的工業(yè)化生產提供了一條可行性的途徑.

1實驗部分

1.1材料 聚乙二醇(mw=1 000)，甲苯二異氰酸酯(TDI)，辛酸亞錫，硅油，乙二胺，蒸餾水.

1.2聚氨酯海綿材料的制備

1.2.1聚乙二醇及TDI的干燥除水將聚乙二醇用過量甲苯溶解，再用旋轉蒸發(fā)儀在40 ℃下進行除水操作4次，最后將氯化鈣顆粒加入到聚乙二醇中，并將聚乙二醇放置于真空干燥抽濾箱內于120 ℃真空干燥.

其他原料的除水均于真空干燥箱中真空干燥.

1.2.2一步法全水發(fā)泡制備聚氨酯泡沫為了簡化實驗步驟，提高產物性能，本研究采用一步聚合的方法進行聚氨酯本體聚合.將一定量的聚乙二醇置于干燥三口瓶中，并向瓶內緩慢充入氬氣保護，加熱攪拌，溫度升至60 ℃時停止加熱，按照比例加入相應催化劑，快速攪拌，待攪拌充分均勻后加入定量的甲苯二異氰酸酯，繼續(xù)充分攪拌，此時三口瓶內溶液體積因產生二氧化碳的原因會急劇增加，迅速將瓶內混合液倒入聚四氟乙烯板中進行發(fā)泡處理，大約發(fā)泡五分鐘后將該聚四氟乙烯板放入烘箱內，并在100 ℃進行熟化處理，約15 min，然后取出，冷卻即可得聚氨酯泡沫彈性體.其反應原理如圖1.

圖1　聚氨酯泡沫合成的化學反應

如原理圖所示，(1)為聚乙二醇和異氰酸酯反應所形成的長鏈聚氨基甲酸酯大分子，該反應屬于擴鏈反應.此外，(2)中的異氰酸酯還會與水反應生成氨基甲酸，進而快速分解成伯胺和CO2，產生的CO2會促使材料具有多孔結構，發(fā)泡的同時還會進行鏈增長.

1.2.3泡沫海綿材料制備過程中各試劑用量的優(yōu)化為探討出制備性能較好的泡沫海綿配方比例，本研究采用正交實驗對實驗配方進行設計與優(yōu)化，利用實驗“1.2.1”和“1.2.2”對泡沫海綿塊制備過程中各試劑的用量進行了優(yōu)化[8].以TDI指數、乙二胺、水、硅油為實驗主要因素，以海綿塊的表觀形態(tài)、密度和吸液量作為評價指標進行L9(34)正交實驗，如表1.

表1　正交實驗因素與水平

*TDI指數：指體系中—NCO基團與活性氫總量的當量比.

*pphp: 相對于100份多元醇的質量份數,Parts per Hundred Parts.

1.3性能表征

1.3.1材料柔韌性判斷及表觀形態(tài)觀察利用實驗“1.2”制備出的聚氨酯泡沫海綿材料在常溫下進行適度彎曲，測試其柔韌性，觀察表面是否有裂紋或甚至有斷裂.

1.3.2敷料吸水率的測定[9]將所制備的聚氨酯海綿敷料剪裁成形狀規(guī)則的樣品，精密稱量海綿在干態(tài)時的質量為m1，然后將海綿置于蒸餾水中充分浸泡，使其充分吸水至飽和后(約4 h)，用鑷子夾取敷料一角(小心取出)，再用濾紙輕輕吸干其表面的水分，精密稱量其質量m2，按公式計算海綿吸水率(公式1).每個樣品重復測量3次，以其平均值來代表最終測定值.

吸水率=(m2-m1)/m1×100%. (公式1)

1.3.3海綿敷料保濕性的測定[10]將所制備的海綿敷料剪裁成形狀規(guī)則的樣品，精密稱量海綿在干態(tài)時的質量m1，然后將海綿浸泡于蒸餾水中，使其充分吸水至飽和，用濾紙輕輕吸干其表面的水分，精密稱量其質量m2，再將海綿置于10 mL離心管中以300 r/min的速度離心3 min，取出海綿稱量其質量m3.保濕率的計算見公式2.

保濕性=(m3-m1)/(m2-m1)× 100%. (公式2)

1.3.4凝血率(BCR)的測定[11-13]將所制備的海綿樣品切成1 cm×1 cm大小，放入100 mL的玻璃燒杯中，并將燒杯放入37 ℃下的恒溫培養(yǎng)箱中預熱，隨后取0.25 mL血液樣本滴入海綿，直至血液被完全吸收.將吸血后的海綿塊在恒溫培養(yǎng)箱中放置1 min，然后用20 mL純水溶液沿燒杯壁緩慢加入燒杯(在傾倒過程中盡量不要影響血液在海綿上的凝固).繼續(xù)在恒溫箱中放置10 min后，未被海綿吸收的血紅細胞會被溶解在水中，然后將溶液部分在800 r/min的條件下離心5 min.取上清液，利用紫外分光光度計在波長540 nm處檢測并記錄吸收值.用0.25 mL血液溶于20 mL純水中作為對照.凝血率的計算見公式3.

凝血率=1-(實驗組的紫外吸收值/對照組的紫外吸收值)×100%.(公式3)

2結果與討論

2.1形態(tài)觀察

圖2　合成聚氨酯材料的柔韌性及表觀形態(tài)

從外觀形態(tài)可看出，該海綿體孔徑較均勻，柔韌性也較好.

2.2正交試驗結果根據L9(34)正交實驗表及“表1”中的各因素及相應水平制得不同的實驗組配方，如表2所示：

表2　正交實驗配方組

根據“表2”中不同的配方組展開實驗，得到如下結果，如表3所示：

表3　正交實驗表觀結果

注：實驗1—9均是在相同條件下利用實驗“1.2”方法完成，并用“1.3”方法完成表征；NA：不適用，無法測定.

從上表可以看出，實驗3、7、8、9因為原料配方不合適而不能發(fā)泡或者發(fā)泡后發(fā)生大面積塌泡，其主要原因是由于在泡沫合成過程中，氣體生成反應和凝膠反應之間的配合失衡造成的，凝膠反應過快或氣體生成反應過快都會造成塌泡，從而不能形成泡沫體或者泡沫體發(fā)生大幅度坍塌，所以這4組實驗比例不適合制備聚氨酯泡沫海綿.在分析正交表下的各實驗組材料性能后得到最佳的實驗配方為：TDI指數為105%(即聚乙二醇為100份，TDI約為49份)，乙二胺為0.15份，去離子水3.5份，硅油約1.5份，辛酸亞錫0.15份.

2.3凝血率(BCR)的測定實驗測得對照組的平均紫外吸收值為0.012 6，實驗組的平均紫外吸收值為0.005 1，計算得到的凝血率為60%.即該海綿材料具有較好的凝血作用，能夠滿足一般日常生活中小型傷口的止血要求.

2.4凝血前后形態(tài)的觀察

圖3　聚氨酯泡沫材料吸血前后形態(tài)a為吸血前海綿塊形態(tài)，圖b為吸血后海綿塊的形態(tài)

從圖3可看出，該材料具有良好的機械強度，材料吸血后其形態(tài)變化小，雖然材料結構有部分坍塌，但還是保留了其主體結構，沒有大面積坍塌的現象發(fā)生.

3結論

利用聚乙二醇替代聚醚并用一步聚合全水發(fā)泡法可制備得到性能良好的全水發(fā)泡聚氨酯泡沫海綿材料，而且該方法具有對實驗儀器要求低、工藝較簡單、制備周期短、人工耗費少等優(yōu)點.通過配方優(yōu)化后得到的最佳實驗配方為：TDI指數為105%(既聚乙二醇為100份，TDI約為49份)，乙二胺為0.15 份，去離子水3.5份，硅油約1.5份，辛酸亞錫0.15 份.

此外，該法制得的發(fā)泡海綿材料具有良好的吸液、透氣以及凝血性能，而且吸液后其主要結構變化小，能夠滿足普通家庭日常生活中的包扎止血需要.

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Preparation of Polyurethane Foam for Medical Dressings and its Formulation Optimization

Tang Wenli , Huang Yu，Xie Xi

(The College of Ocean, Hainan University, Haikou 570228, China)

Abstract：In the report, under the optimized conditions, polyethylene glycol (PEG) and toluene diisocyanate (TDI) were mixed to prepare the polyurethane foam for medical dressings, the effects of the ratio of PEG and TDI and the amounts of the catalyst on the foam material properties were analyzed, the optimized formula of raw materials was obtained, and the material was characterized. The results indicated that the water absorption and blood coagulation property of the prepared polyurethane foam for medical dressings were very well, which is worthy of further research and development.

Keywords：medical dressings; polyurethane foam dressing; one-spot reaction; formulation optimization.

收稿日期：2015-06-10

基金項目：海南大學研究生創(chuàng)新中心建設項目.

作者簡介：唐文力(1992-)，男，湖南常德人，海南大學海洋學院2014級碩士研究生，E-mail： tangwenli1992@163.com 通信作者： 謝曦(1986-)，女，四川綿陽人，博士、講師，研究方向：醫(yī)藥用生物大分子，E-mail: stcici123@126.com.

文章編號：1004-1729(2016)01-0019-06

中圖分類號：R 318.08

文獻標志碼：ADOl：10.15886/j.cnki.hdxbzkb.2016.0004