图1. Max Machinery公司(美国加州，Healdsburg)研制的液态聚氨酯配制器由计算机进行控制，可以xx重复制造相同的聚氨酯混合物。

聚氨酯是制造医疗器械的常用材料，其应用范围日益广泛。原因何在？与其它聚合物相比，聚氨酯通常要求极为复杂的生产流程，且价格更贵。例如，普通的软PVC每磅售价85美分，而聚氨酯的价格则要高出10至20倍。既然如此，为什么医疗器械开发商还要使用这种材料呢？

答案很简单：聚氨酯有其它材料无法比拟的特性。聚氨酯具有良好的韧性、生物相容性和血相容性，因而广泛用于医疗器械，可制作弹性体或硬塑料，加工方法包括挤出、注塑、薄膜吹塑、浸渍成型以及双组份液态模塑。

聚氨酯的特性源自其独特的化学结构。该材料属于链段高聚物，既有柔性的软链段，也有刚性的硬链段。它由3个基块构成：主链、二异氰酸酯和增链剂。主链一般为长链状分子，使聚合物具有柔性；二异氰酸酯和增链剂结合形成硬链段，起到交联的作用，使聚合物具有极高的可拉伸性和伸展力。

聚氨酯由芳香族或脂肪族二异氰酸酯构成。芳香族二异氰酸酯内含苯环，其构成的聚氨酯一般要比脂肪族化合物更坚韧、坚固，成本也更低。芳香族聚氨酯的硬链段一般韧性更强，因此也具有更良好的化学稳定性和更高的可拉伸性和伸展力。脂肪族二异氰酸酯由烃主链构成，内无苯环，虽然可以制成坚韧的聚氨酯，但缺乏芳香族聚氨酯的化学稳定性，而且价格更贵，主要用于需要光稳定性的应用。芳香族聚氨酯或脂肪族聚氨酯的基块有数千种组合方式，因此器械工程师有广泛的选择。

一些适用于医疗领域的聚氨酯包括：

? 用于中空纤维装置的液态聚氨酯

? 用于浸渍成型的聚氨酯

? 聚氨酯涂料

? 生物稳定型聚氨酯

? 热塑聚氨酯

由于拥有如此众多的方案选择和材料配方，聚氨酯在医疗器械行业的应用势必有增无减。为了充分利用聚氨酯的灵活特性，制造商必须详细了解该多功能聚合物的使用方式。

用于中空纤维装置的液态聚氨酯

图2. CHF Solutions公司(美国明尼苏达州，Brooklyn Park)制造的中空纤维过滤器使用聚氨酯分开薄膜，避免了血液与药液的相互作用。

选料：中空纤维膜从根本上改变了血液处理膜装置的构造，如血液透析器、供氧器、以及血液浓缩器等。采用中空纤维膜之前，上述装置大多采用平板膜，不仅难以制造，还存在严重的泄漏问题。与之相比，中空纤维不仅经济实惠，而且结构可靠。开发人员所面临的挑战是如何将中空纤维集成到膜装置内。制造商必须设计纤维的安装方式，以便将纤维膜的内侧与外侧分开，这样血液才能在薄膜的一侧流动，而xx液体在另一侧流动。解决之法是用双组份液态聚氨酯封装薄膜末端，以此分隔薄膜两侧。

首先将装置放入离心机，旋入双组份液态聚氨酯，然后封装各个纤维并分隔薄膜。聚氨酯的低粘性(500至3000cP)使其能够方便地封装各束纤维。一旦进入封装区，聚氨酯将固化成坚韧的材料，与外壳和纤维紧密粘结。聚氨酯固化后，纤维束末端被切离，露出供血液流动的薄膜一侧。目前有数家制造商可以供应标准型双组份聚氨酯成品，也可以根据具体要求特别定制。

双组份聚氨酯是上述应用的{wy}选择。试验证明，其它液态聚合物（如液态硅树脂、环氧树脂和聚酯）均不合要求。最初，双组份硅树脂被用来封装中空纤维装置，结果很快暴露缺陷——硅树脂既不粘纤维也不粘外壳，导致血液通路和xx液体通路之间发生渗漏。此外，硅树脂极不牢固，可轻易撕开。环氧树脂和聚酯的粘性较低，可以形成良好的粘结，但却过于坚硬，无法在{zh1}步骤切离纤维束末端。

加工注意事项：封装中空纤维装置的双组份聚氨酯在混合前必须符合一定标准，通过加工以去除分解气体，并将组份加热到统一的温度。

要使两个组份达到标准，必须在干燥的氮气环境中分开制造，独立包装，因为湿气可与活性异氰酸酯基发生反应，破坏固化材料的品质。

使用氮气也会带来另一个问题。如果大部分分解的氮气未被去除，固化过程中的放热反应将会迫使氮气自溶液中排出，产生泡沫。因此，可以用真空抽气法去除氮气，{zh0}是能使用薄膜脱气装置，此装置内含一组平板，可以让聚氨酯薄膜通过，与大体积材料相较之下，采用薄膜形状更容易排气，可以极大地减少所需脱气时间。

图3. 这一横断面展示了中空纤维放置方式，使用双组份液态聚氨酯封装纤维末端，从而产生一个分隔薄膜的结构单元。

对反应物进行一致的、xx的加热是提高加工品质的关键。在理想状态之下，双组份聚氨酯中的反应物被加热后，会通过热迹线流向一个加热的混合头，然后返回主罐，主罐内的搅拌器可以提高加热的一致性。反应物的{zj0}温度必须根据系统应用来确定，一般在50-60?C左右。

聚氨酯的两个组份必须按材料供应商规定的实际化学计量比进行混合。如果比例变动超过1%，固化材料的最终特性就会与规格有差异。错误的化学计量比会导致抗张强度降低，并产生有毒性的萃取物。为确保化学计量比正确，推荐使用正位移齿轮泵。活塞泵虽然可以使用，但测量流量的xx度低于齿轮泵，因此不建议使用。齿轮泵的实际流量可用流量计来确认，然后根据所测数据来调整齿轮泵的直流步进电机。

在医疗领域应用中，混合也是配制聚氨酯的关键步骤，重要性仅次于计量。当两股液流的粘性相似时，可以使用静态混合器，推荐使用规格为32的静态混合器。如果计量比大于2:1，{zh0}选用动态混合器。

标准动态混合器转速为10,000至15,000rpm，两股液流通过混合头时会转动数千次，使配制出的聚氨酯清澈均匀。xx控制每次聚氨酯配制量也非常重要，同时还要根据所需份量掌握配制时间。

齿轮泵聚氨酯配制器可实现上述各种条件，一般而言，这种计算机加工控制系统每次都能xx制造同样的混合液。首先，配制器加热反应物，温度控制在±1?C，随后真空系统对反应物进行脱气。接着，计量系统将反应物引至高速混合头，在那里制造出均匀的混合液。

用于浸渍成型的聚氨酯

聚氨酯还适用于制造各种浸渍成型产品，如气囊、探针盖、手套和避孕套等等。虽然xx乳胶(Natural Rubber Latex)比较便宜，但聚氨酯却具有独特的应用优势。

首先，聚氨酯不含化学萃取物。与xx乳胶不同，它是一种纯聚合物，所有成分均稳定地相互结合；而xx乳胶则有很多自然物质，如植物蛋白质和硫化物，可能会引发皮肤炎和过敏反应，甚至引发过敏性休克导致死亡。由于医疗人员在工作时经常使用手套，上述情况更有可能发生。

就机械特性而言，聚氨酯比xx乳胶具有更高的抗张强度(高达7000psi)、撕裂强度(500psi；ASTM D-624 Die C)，以及更良好的耐磨性(磨耗试验：每千转损失量25mg)，因此，聚氨酯手套的最小厚度可达到0.005英寸，而且耐磨性能良好。手套越薄，触感越好，手的疲劳度也就越小。

除此之外，聚氨酯还具有更良好的生物相容性。xx乳胶大多未通过ISO10993-1生物相容性测试。1 但适当配制的聚氨酯却可以通过细胞毒性、血相容性、突变性和致热性等全部生物相容性测试。

热塑聚氨酯适用于制造大多数浸渍成型产品。作为一种线性聚合物，它在四氢呋喃、丙酮和甲基乙基酮等溶剂中极易溶解。在某些情况，聚氨酯聚合物甚至可以在溶剂中形成，比如制作合成弹力纤维(Lycra)。Lycra是一种高弹性聚氨酯，常用于医用手套制造，可透过在二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺等溶剂里增链或固化聚氨酯而制成。

虽然许多聚氨酯以二醇作为增链剂，但{zh0}代之以胺，它在硬链段中形成脲键，比二醇键更坚韧，所得出的聚合物具有更好的拉伸恢复性，拉伸模数更小(500%时为200至300psi)，而且在大多数溶剂中不会发生溶解。

聚氨酯涂料

生产人体植入物除了需要坚韧的聚合物材质，有时还需要选用特制的涂料。例如，肝素涂料常应用于聚氯乙烯、聚酰胺和聚氨酯制成的导管，以增强其抗血栓性能。同样的，特制聚氨酯涂料在医疗器械制造业的应用亦日益广泛，因为其具有许多独特性能，比如亲水性、疏水性、xx性、无血栓性、释药性或光滑性。制作时，需先在溶剂中溶解涂料，然后通过浸渍或喷雾技术涂到基体上。聚氨酯涂料与其他聚氨酯材料化学结构相同，具有良好的机械特性，非常坚韧、耐磨。

现在，聚氨酯涂料的类型不断增多。例如，制造商正在研制xx洗脱支架涂料。病患如果使用裸金属支架，血管出现再狭窄或堵塞的机率仍然很高，因此希望将防止血管狭窄的xx放入聚氨酯涂料，在支架安装后即可缓慢释放，速度由聚氨酯和化学物的软硬链段比来控制。另外，聚氨酯涂料还可以适应金属支架的延展，不会产生撕裂。不过，对于聚氨酯基质和涂料溶剂而言，目前在xx溶解性、扩散率以及xx化学等方面还存在诸多限制。

生物稳定型聚氨酯

图4. Edwards Lifesciences公司(美国加州，Irvine)中心静脉导管采用生物相容性聚氨酯制成，柱向支撑力良好，插入时不会发生纽结现象。

用于长期植入物的聚氨酯给医疗器械开发人员提出了特殊挑战。聚氨酯在植入物中的最早应用之一是起搏器导线，主要以聚醚为主链，效果虽然不错，但仍存在瑕疵。聚醚聚氨酯在人体内数年后会出现老化，钴等金属会加速这个过程，对于起搏器导线而言，这种现象尤其突出。2 起搏器金属线中的离子钴会加速氧化作用，而聚氨酯一旦氧化，将失去原有物理特性。3

因此，一些器械制造商希望研制出具生物稳定性的聚氨酯，并已开发出几种配制方法，包括用聚碳酸酯主链代替聚醚、用硅氧烷更改聚合链端基，以及给主链添加硅树脂。上述方法都能制出抗氧化性更强的聚氨酯。

研究人员最初尝试用聚碳酸酯代替传统的聚醚作为主链，因为前者的抗氧化能力更强。虽然性能有所提高，但还未xx具备生物稳定性。4 植入物研究表明，老化过程虽有所减缓，但没有停止。

研究人员又开发出了聚合链基端含有硅树脂的聚氨酯。由于硅树脂基端与主体排斥，因此会升至装置表面，形成抗氧化屏障，这样虽然装置主要由聚氨酯制成，但接触人体表面的却是硅树脂，它的生物稳定性更强。5

另一种方法是用硅树脂替换部分聚醚主链。研究人员对硅树脂替换率达80%的样品进行过测试，结果发现其抗氧化能力{jj0}。这种方法的抗氧化性能取决于主链的硅树脂替换率，比率越高，老化率就越低。6, 7

目前是否有可能制出可存在体内数年的生物稳定型聚氨酯，仍是一个未知数，但许多企业正朝这个方向不断努力，而且已经掌握多种配制方法，极有可能在不远的未来实现这一目标。

热塑聚氨酯

可热熔加工的热塑聚氨酯在医疗器械领域中的应用非常广泛，它是长链线性聚合物，没有交联键，因而能够熔成各种部件然后重新凝固。

热塑聚氨酯由液态前体采用分批流程或连续流程制成。在分批流程中，三个组份（主链、二异氰酸酯和增链剂）混合后在托盘中进行固化，固化后的聚氨酯被制成颗粒状，然后制成较大的丸状。只有线性前体被采用来制造热塑聚氨酯。而在连续流程中，前体被定量放入挤压机进行混合，然后挤出到传送带上，这些挤出束通过一个加热管道固化，固化聚氨酯为颗粒状和丸状，{zh1}可用于生产薄膜、模件和型材挤塑件。

可热熔加工的聚氨酯常用于制造各种导管，如带保护套的IV输液导管、中心静脉导管和多腔导管。在多腔导管的应用中，聚氨酯内腔之间可以形成极薄的薄壁，既可确保内腔数众多，又可确保外径最小。不过用于导管制造的聚氨酯必须具有良好的生物相容性和坚韧度，同时还要有{jj0}的柱向支撑力，以便导管伸入人体时不会发生纽结。

热塑聚氨酯还常用于制造注塑部件。虽然制作过程要求比较高，但所得材料却具有{zy1}的特性。尤其值得一提的是，某些聚氨酯的物理特性与橡胶相似，xx不同于硬性材料。这种热塑聚氨酯，即使硬度高达70 Shore D，所形成的部件也有极高的伸展度(160%)和抗张强度(4200psi)，甚至具有类似橡胶的弹性(挠曲模量：64,000psi)。一个典型的应用示例是连结延伸管与多腔导管的后向支撑模件。图4是一个输液导管，由一个后向支撑模件、特制导管、针毂、氧气罩、医用管件和柔软的手术后用具组成。

热塑聚氨酯的另一应用是创伤敷料。大多数创伤敷料属于复合结构，聚氨酯创伤敷膜可用作敷盖伤口的材料，防止液体和xx通过，但非常透气。纤薄的外层热塑聚氨酯敷膜具有良好的xx和透气性能，吸水内层由开孔式亲水性聚氨酯泡沫制成，可吸收伤口分泌物。硬度低的(70-80 Shore A)聚氨酯很适合这种应用，因为它不仅抗张强度高达7000psi，且较薄的部分伸展度为500%。此外，它们还可以制成泡沫，根据不同应用设置不同渗透性能。随着人口老龄化的加快，人们对可处理褥疮、未愈合性溃疡和皮肤溃烂等疾病的创伤敷料需求将越来越大。

非对称膜是聚氨酯适用伤口处理的优秀示例。这种薄膜采用聚合过程中的相反转工艺流程(phase-inversion process)，顶层为多微孔结构——孔径小于0.7nm，而泡沫状伤口接触层的孔径为10至100nm。

结论

聚氨酯在医疗器械制造中的应用非常广泛，而且日益深入。由于它具有其它生物医学材料所没有的独特性能，比如生物相容性、化学特性以及加工特性，聚氨酯已成为众多医疗应用的理想选择。

典型应用包括中空纤维装置密封材料，浸渍成型手套和气囊材料、非对称膜、功能涂料和导管成型挤出材料等等。随着生物稳定性的不断提升以及新应用的不断涌现，聚氨酯在医疗器械领域的应用势必更为普遍