基於α-氨基酸製備新型形狀記憶聚合物

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形狀記憶聚合物（SMPs）因其形狀能夠在外界刺激誘導下發生調整，成為生物醫學領域的理想應用材料，在自緊縫合線、醫療器械可伸展部件、可形變支架以及智能載葯體系等領域展現出巨大的應用潛力。與形狀記憶合金相比，SMPs具有生物相容性好、可生物降解、成本低、材料性質可調控度大以及器件應變度大等優勢。通常，人們研究和應用的SMPs多為具有交聯結構的雙重形狀記憶材料，首先賦予材料一個臨時的形狀，將其應用到指定場合後，再通過施加熱、光等外界刺激，使其恢復初始形狀。基於優異的生物相容性和可降解性，多元聚酯、聚氨酯、聚丙烯酸酯等熱響應性SMPs已被廣泛應用於生物醫學領域。

α-氨基酸基聚酯脲（PEUs）是近來開發的一種生物醫用材料，具有優異生物可降解性和抗菌性，降解產物無毒，並且在降解過程中不會引發生物體內炎症。該類材料具有較寬的機械性能調節範圍，可在血管、骨骼等各種軟硬器官組織中廣泛應用，是目前該領域的研究熱點。近日，美國阿克倫大學（The University of Akron）Matthew L. Becker教授研究團隊基於不同的α 氨基酸和線性二元醇開發了一系列具有熱響應性的三重-形狀記憶聚酯脲。

α-氨基酸基PEUs合成示意圖及其相應命名。圖片來源：Macromolecules

該類PEUs材料通過界面聚合反應製備，步驟簡便，適用於大規模生產。此外，研究團隊未採用傳統化學交聯的方式來增加體系的機械性能和穩定性，而是基於聚合物結構中的氫鍵形成物理交聯點來賦予材料優異的機械性能和形狀記憶性。

研究團隊採用動態熱機械分析儀（DMA）等測試手段對聚合物的熱性能進行了系統的表徵。研究表明該類PEUs具有較寬的玻璃態轉變溫度（Tg= 21-73 ℃）和模量（0.5-2.5 GPa）調節範圍，Tg和模量隨著二元醇鏈長的降低而呈增加趨勢。通過調節聚合物鏈結構，可以製備一系列具有生理溫度刺激響應性的SMPs。同時，動態力學分析（DMA）測試表明該類PEUs具有優異的熱可逆形狀記憶行為。

23 ℃和37 ℃下PEUs的存儲模量和Tg測試。圖片來源：Macromolecules

基於該類PEUs具有較寬的Tg範圍，聚合物鏈的運動能力能夠進行高效調節，DMA測試顯示該類聚合物具有優異的雙重形狀記憶行為。同時，該類PEUs的寬Tg範圍（> 20 ℃），使得該類聚合物具有多重形狀記憶功能。研究團隊進一步通過熱機械性能測試，深入探究了鏈結構對聚合物三重記憶行為的影響。研究表明二元醇鏈長和氨基酸種類對材料的雙重、三重形狀記憶行為的產生無明顯影響，具有優異的體系穩定性。研究團隊進一步採用不同方案對該類PEUs的形狀記憶行為進行了應用測試。PEUs材料在複雜形狀設計條件下，展現出優異的可恢復性和響應速度，形狀恢復所需時間少於3 s，具有較強的普適性。

PEUs材料的形狀記憶應用測試。圖片來源：Macromolecules

——總結——

Becker教授研究團隊通過基於不同氨基酸與二元醇反應製備了一系列具有優異形狀記憶行為的聚酯脲材料。該類材料具有較寬的玻璃化轉變溫度和存儲模量變化範圍，使其在雙重和多重記憶響應方面性能優異。此外，材料其機械和形狀記憶性能是基於聚合物鏈結構中的多重氫鍵作用，避免了化學交聯點的引入，增加了材料的可加工性，拓展了其應用範圍。

Tunable Shape Memory Polymers from α-Amino Acid-Based Poly(ester urea)s

Macromolecules,2017,50, 4300-4308, DOI: 10.1021/acs.macromol.7b00680

（本文由甲子湖供稿）

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