کاربردهای پزشکی پلی‌یورتان
برگردان: مهندس مهتاب قاسمی تودشکچوئی
کاربردهای پزشکی پلی‌یورتان‌ها (PU) مشابه کاربردهای معمولی‌تر اسفنج‌ها، لاستیک‌ها، پوشش‌ها و چسب‌ها است و به صورت خاصی بسیار متمایز است. چه هر ثبت اختراع یا نشریات دانشگاهی در یک پژوهش پزشکی بیان می‌کند که ویژگی‌های PU برای استفاده پزشکی، ایده‌آل است. از جمله ویژگی‌های مورد نیاز PU که برای این کاربردها ارزش‌گذاری شده‌اند عبارتند از مقاومت در برابر خستگی، مقاومت در برابر سایش، قابلیت طراحی برای زیست‌تخریب‌پذیری، مقاومت شیمیایی، زیست‌سازگاری، ترشوندگی (wettability) توسط مایعات بدن و قابلیت تبدیل شدن به اشکال مفید. با این حال، استفاده‌های پزشکی پلی‌یورتان نیز به دلیل روش‌های متعددی که بدن، اندامگان (organism) بیگانه را دفع می‌کند و پتانسیل سایش شدید در بسیاری از مصارف، بسیار پیچیده‌تر از کاربردهای دیگر است. به محض ورود پلی‌یورتان به بدن، به واسطه‌ی سامانه ایمنی بدن، به روش‌های متعددی مانند آبکافت، اکسایش و پارگی زنجیره‌ای که توسط آنزیم‌های بدن اتفاق می‌افتد، مورد حمله قرار می‌گیرد. علاوه بر این، سامانه ایمنی ممکن است یک جسم خارجی را محاصره کرده و بپوشاند و منجر به تشکیل لخته خون، ورم یا التهاب مزمن به دلیل جمع شدن کلسیم در یکی از بافت‌های بدن و به دلیل رشد و انسداد روده باریک، عفونت ایجاد کند. بحرانی بودن این نوع عملکرد، بازاری را برای طراحی و ساخت تک‌پارهای تخصصی ایجاد می‌کند که در غیر این صورت حجم بسیار کمی دارند و در نتیجه، بسیار گران هستند تا از نظر تجاری قابل دوام باشند.
1- بازارها و مشارکت‌کنندگان
بازار PU پزشکی با توجه به استانداردهای صنعت PU بسیار کوچک است. تقسیم‌بندی دقیق به دلیل استفاده‌های کوچک و تخصصی بسیار دشوار است. با این حال، تجزیه و تحلیل برآوردهای موجود نشان می‌دهد که در سال 2012، حجم جهانی PU فروخته شده برای کاربردهای پزشکی حدود 35 میلیون پوند بود. با این حال، بدون احتساب اقلامی مانند روکش تشک، دستکش‌های محافظ و کاندوم، بازار پزشکی با عملکرد بالا نزدیک به 10 میلیون پوند با نرخ رشد ترکیبی سالانه تقریبا 5 درصد است. حجم مصرف بین آمریکای شمالی، اروپا و آسیا تقسیم می‌شود.
1- بازارها و مشارکت‌کنندگان
بازار PU پزشکی با توجه به استانداردهای صنعت PU بسیار کوچک است. تقسیم‌بندی دقیق به دلیل استفاده‌های کوچک و تخصصی بسیار دشوار است. با این حال، تجزیه و تحلیل برآوردهای موجود نشان می‌دهد که در سال 2012، حجم جهانی PU فروخته شده برای کاربردهای پزشکی حدود 35 میلیون پوند بود. با این حال، بدون احتساب اقلامی مانند روکش تشک، دستکش‌های محافظ و کاندوم، بازار پزشکی با عملکرد بالا نزدیک به 10 میلیون پوند با نرخ رشد ترکیبی سالانه تقریبا 5 درصد است. حجم مصرف بین آمریکای شمالی، اروپا و آسیا تقسیم می‌شود.
اکثر کاربردهایی که یورتان‌ها برای آنها کاربرد پزشکی پیدا می‌کنند با نیازهای جمعیت سالخورده (مانند ضربان‌سازها (pacemaker)، کاتترها (catheter)، دریچه‌ها (valve) و غیره)، مرتبط است. علاوه بر این، نوآوری مورد نیاز برای برآورده‌کردن الزامات پزشکی و توسعه در پیش‌بینی نیازهای آینده شگفت‌انگیز است. تجزیه و تحلیل فعالیت‌های شرکتی نشان می‌دهد که به استثنای Bayer که تجارت بسیار قابل توجهی در زمینه علوم زیستی دارد، تولیدکنندگان بزرگ چند ملیتی قطعات PU در بازار پزشکی شرکت نمی‌کنند. در عوض، نوآوری در فعالیت سازندگان تجهیزات پزشکی، به صورت محدود در اختیار دانشگاه‌ها و آزمایشگاه‌های ملی است که تمام این فعالیت ها از سال 1990 رخ داده است (شکل 1).
انعطاف‌پذیری برای ساختن هر ماده کاربردی با شیمی PU با وسعت برنامه‌هایی که به ثبت رسیده‌اند نشان داده می‌شود. تقسیم بندی برنامه‌های PU بر اساس عملکرد در شکل 2 نشان داده شده است. این نمودار فعالیت ثبت اختراع را در هر برنامه کاربردی دستگاه پزشکی نشان می‌دهد. حجم بالای نوآوری در زمینه پوشش برای دستگاه‌های پزشکی در بسیاری از موارد منعکس‌کننده نوآوری برای پوشش پلی‌یورتان گرمانرم(TPU) به جای یک پوشش خاص PU است. فعالیت شرکت‌های منفرد نشان دهنده نیاز به مزیت رقابتی شرکت و دفاع در برابر سایر فعالان بازار است. شباهت‌ها و تمایزات بین این شرکت‌های نوآور، جالب و آموزنده است. به عنوان مثال،Medtronic تولید کننده بسیاری از فناوری‌های قابل کاشت مانند ضربان‌ساز قلب، ثابت‌ساز (Stent)، کاتتر و سایر محصولات مهم جراحی است. (شکل3، الف) فعالیت این شرکت را در ثبت اختراع مربوط به حوزه‌های مختلف فناوری PUبرای سال‌های 1990-2014 و (شکل 3، ب) فعالیت عددی بر حسب سال را نشان می‌دهد. تحلیل مشابهی برای فعالیت Bayer AG نیز در شکل 4 نشان داده شده است. همانطور که قبلا ذکر شد، بسیاری از نوآوری‌های حوزه پوشش مربوط به پوشش‌های غیر PU است که برای یک عملکرد خاص برای یک محصول جراحی، اعمال می‌شود. همین امر در مورد حوزه چسب نیز صادق است. بسیاری از ثبت اختراعات نشان‌دهنده‌ی نوآوری‌هایی هستند که چسبندگی PU را به بستر خاص دیگر یا یاخته‌هایی با زیست‌شناسی خاص بهبود می‌بخشد. یک پدیده جالب در تجزیه و تحلیل افزایش علاقه به دارایی‌های فکری (intellectual assets) PU پزشکی تا سال‌های 2009-2010 است که پس از آن کاهش قابل توجهی در این نوع فعالیت وجود داشت که ممکن است ناشی از نگرانی‌های اقتصادی یا سیاست عمومی باشد، اما در فعالیت‌های ثبت اختراع ثبت شده به زبان چینی در مورد PU پزشکی منعکس نمی‌شود (شکل 5).
2. فناوری
1.2. کاتترها (Catheter)
به طور میانگین 3 میلیون پوند PU در سال در ساخت کاتترها مصرف می‌شود. کاتتر یک لوله توخالی است که جهت دفع راحت‌تر ادرار برای انواع فعالیت‌های پزشکی، وارد بدن می‌شود. این فعالیت‌ها شامل خارج کردن مایعاتی مانند ادرار یا تخلیه مایعات ناشی از عفونت مانند مایعاتی است که در اثر یک آبسه داخلی با آن مواجه می‌شوند. علاوه بر این، از کاتترها برای موقعیت‌یابی از راه دور ثابتسازهای قلبی یا رگ‌باز سازی (Angioplasty) با بالون استفاده می‌شود. علاوه بر این، کاتترها می‌توانند اجزای حیاتی سایر روش‌های قلبی از جمله روش‌های فرسایشی و آزمایش الکتروفیزیولوژی جهت ارزیابی ضربان قلب، باشند. مواد بسیاری برای ساخت کاتترها از جمله پلی‌وینیل‌کلرید (PVC)، پلی‌اتیلن (PE)، سیلیکون‌ها، پلی‌اتیلن پرفلورینه و نایلون‌ها استفاده شده است. PU به دلیل انعطاف‌پذیری در خواص و به عنوان یک بسپار مهندسی، نسبت به سایر مواد، بیشتر مورد توجه است. سفتی مناسب بدون پیچ خوردگی در استفاده، آسانی فراورش، ضریب اصطکاک کم در هنگام خیس شدن با آب، حساسیت به نسبت کم به رشد باکتری از جمله ویژگی‌های قابل توجه پلی-یورتان در کاربردهای پزشکی هستند. حساسیت کاهش یافته به عوارض باکتریایی اهمیت ویژه‌ای دارد زیرا عفونت یکی از شایع‌ترین عوارض مرتبط با روش‌های قلبی عروقی است. ذکر شده است که بین 30 و 40 درصد از عفونت‌های مربوط به عمل‌های جراحی و درمانی، عوارضی هستند که در اثر استفاده از کاتترها به عنوان عفونت‌های موضعی شروع شده و به طور خاص و اصولی، پیشرفت می‌کنند.
در این راستا، همچنین گزارش شده است که PU یکی از کمترین حساسیت‌ها را به عفونت ناشی از باکتری استافیلوکوکوس (S. Aureus) به دلیل انرژی‌های چسبندگی اندک، دارد. فعالیت با توجه به تقاضاهای قابل توجهی که برای یک ماده برای کاربرد کاتتر وجود دارد، شاید تعجب‌آور باشد که TPU های مورد استفاده برای کاتترها پیش پا افتاده هستند. به طور معمول در ثبت اختراع، نام تجاری و گونه بدون ذکر ترکیب مشخص می‌شود. در حقیقت، در ادبیات پزشکی و ثبت اختراعات، بین نویسندگان متداول است که صرفا از عنوان کاتتر “یورتان” یا “PU” از یک سازنده خاص استفاده نمایند. گونه‌های پزشکی معمولی TPU ساده هستند و نمونه‌هایی از فرمول‌بندی‌های آنها در جدول 1 آورده شده است. ترجیح پلی‌اتر پلی‌ال‌ها بر پلی‌استر پلی‌ال‌ها برای کاربردهای کاتتر، با انعطاف‌پذیری بالای آنها در دمای پایین و مقاومت برتر آنها در برابر آبکافت، مرتبط است. سادگی طراحی بسپاری، استحکام و قابلیت اطمینان و عملکرد را ایجاد می‌کند. همچنین یک بستر قابل پیش‌بینی و تکرارپذیر برای درمان‌های سطحی بعدی ایجاد می‌کند که عملکرد ویژه کاتتر و عملکرد پادزیست (antibiotic) را بهبود می‌بخشد.
2.2، زخم‌پوش (Wound Dressings)
حدود 5 میلیون پوند PU در سال برای ساخت زخم‌پوش مصرف می‌شود. نقش زخم‌پوش محافظت از پوست آسیب دیده پس از یک عمل جراحی، سوختگی یا بریدگی است. زخم‌پوش می‌تواند بندآور(occlusive) باشد به طوری که زخم به طور کامل سترون و عاری از هرگونه باکتری، شود یا می‌تواند غیربندآور باشد به طوری که یک غشای نیمه تراوا یا پماد وجود داشته باشد که قادر به جذب مایعات تولید شده توسط زخم یا ترشحات زخم و انتقال گازها باشد. همچنین زخم‌پوش‌ها می‌توانند با درمان‌های سطحی مختلف برای جلوگیری از عفونت، جلوگیری از چسبندگی یا رشد سریع‌تر بافت پوست، همراه شوند. PU در تمام زخم‌پوش کاربرد دارد، اما به هیچ وجه تنها ماده‌ای نیست که برای این منظور استفاده می‌شود. اغلب برای زیرلایه جامد انعطاف‌پذیر، یک ماده گرمانرم مانند ماده تعریف شده با سختی 80 Shore A در جدول 1 استفاده می‌شود. گونه‌های نرم‌تر را نیز می‌توان با کاهش مقدار ماده سخت‌کننده در ترکیب به کار برد. در برخی موارد، ایجاد بستری شفاف که از طریق آن بتوان وضعیت سطح زخم را بدون نیاز به برداشتن کامل زخم‌پوش بررسی کرد، مطلوب است. برای افزایش شفافیت فیلم، روش‌های زیادی از جمله کم کردن میزان بخش سخت شامل اتصالات یورتانی، استفاده از بخش سخت خطی، استفاده از بخش نرم پلی‌استر، وجود دارد. به علاوه روش مخلوط کردن با یازه‌های زنجیر (chain extender) جهت بالا بردن وزن مولکولی، یا فراورش به گونه‌ای که به حداقل رساندن رشد بخش سخت در قطعه کمک کند، نیز به کار می‌آید.
برای زخم‌پوشی‌های غیربندآور، جزء نیمه تراوا گاهی اسفنج یا ساختار منسوج نبافته است. اخیرا کارهایی در مورد ساخت زخم‌پوش منسوج نبافته با فرایند الکترو افشانه‌ای (Electrospray) انجام شده است. فرایند الکترو افشانه‌ای می‌تواند الیافی با قطر بسیار کم بسازد و اجازه دهد تا اجزای کاربردی طی فرایند ریسندگی اضافه شود. اسفنج‌های PU انعطاف‌پذیر معمولی که برای کاربردهای راحتی استفاده می‌شوند، جهت زخم‌پوشی استفاده نمی‌شوند، زیرا آب‌دوستی کافی برای جذب مایعات بدن را فراهم نمی‌کنند. این ضعف با به حداکثر رساندن محتوای پلی‌اتیلن گلیکول در بخش نرم اسفنج برطرف می-شود. افزایش آب‌دوستی همچنین فرصتی برای عمل به عنوان یک بستر با سطح بالا برای افزودنی‌های ترمیم زخم فراهم می‌کند.
ساختارهای اسفنجی PU را می‌توان برای انواع وسیعی از زخم‌ها استفاده کرد، اما به دلیل ظرفیت جذب آنها، در درجه اول در مواردی استفاده می‌شود که به نسبت مقدار زیادی مایع باید جذب شود. زخم‌هایی که در آنها زخم‌پوش‌های اسفنجی انتخاب می‌شود، به عنوان مثال در محل‌های سوختگی، محل‌های بخیه شده پس از اعمال جراحی، پیوندهای پوستی، محل‌های دهنده‌ی پوست، و محل‌های لوله پوشاننده که از طریق خارج بدن عبور می‌کنند (به عنوان مثال، تراکئوستومی (tracheostomy، تراکئوتومی یا تراکئوستومی یک جراحی باز است که از طریق گردن به داخل نای ایجاد می‌شود تا اجازه دسترسی مستقیم به مجرای تنفسی ایجاد شود و معمولا در اتاق عمل تحت بیهوشی عمومی انجام شود. لوله معمولا از طریق این سوراخ برای ایجاد یک راه هوایی و حذف ترشحات از ریه‌ها قرار می‌گیرد و تنفس از طریق لوله تراکئوستومی انجام می‌شود و نه از طریق بینی و دهان. اصطلاح “تراکئوتومی یا تراکئوستومی” به برش درون نای اشاره می‌کند که یک شکاف موقت یا دائمی ایجاد می‌کند، مترجم) هستند. به طور معمول اسفنج توسط یک ساختار فیلمی جامد یا قابل نفوذ هوا در خارج و یک غشای قابل نفوذ مایع رو به زخم پوشانده می‌شود تا از ورود یورتان ساییده شده به داخل زخم جلوگیری کند. گاهی اوقات فشار منفی با تخلیه ساختار اسفنج از طریق یک پوشش با سطح جامد/ضد هوا اعمال می‌شود. خلأ جزئی، ترشحات را به داخل باند می‌کشاند تا به طور موثرتری از عفونت و کثیفی، جلوگیری کند.
نمونه‌هایی از بخش سخت اسفنج PU از TDI-آب، MDI-آب و ساختارهای مختلف خطی، تشکیل شده است. بخش نرم به گونه‌ای طراحی می‌شود که رابط مرطوب کننده را برای سیالات یا برای پوشش‌های کاربردی تخصصی فراهم کند. ترکیبات معمولی بخش نرم بر پایه اکسید پروپیلن (PO) و اکسید اتیلن (EO) هستند که EO تا 75 درصد گزارش شده است. اسفنج‌های کف‌‌آبی (froth foam) نیز برای زخم‌پوش با استفاده از تمام بخش نرم پلی‌اتیلن گلیکول، 1 و 4-بوتان‌دی‌ال (BDO)، گلیسیرین و آب به عنوان یازه زنجیر / عامل پف‌زا و دی ایزوسیانات هگزان برای پلی ایزوسیانات تهیه شده است. اسفنجش با فشردن حجم زیادی از هوا به داخل توده واکنش دهنده در دمای بالا و سپس اجازه دادن به واکنش دمش برای انبساط اسفنج تا حد نهایی آن کمک می‌کند. همچنین این زخم‌پوش‌ها می‌توانند کمی نرم باشند، در تراکم‌های به نسبت بالاتر ساخته شوند و البته بسیار آب‌دوست هستند. اندازه زخم‌پوش اسفنج نیز برای عملکردهای مختلف بهینه شده است. ضخامت بالشتک اسفنجی معمولا در محدوده 1 تا 10 میلی‌متر است تا ظرفیت و اتصال آسان به زخم و پوست اطراف آن بهینه گردد. برخلاف اسفنجی که برای راحتی تهیه شده است، که در آن تراکم اسفنج ممکن است کمتر از 2 پوند بر فوت مکعب (lbs/ft3) باشد، چگالی زخم‌پوش می‌تواند بیش از 6 پوند بر فوت مکعب (lbs/ft3) باشد. برای تسهیل تماس و ترشوندگی چگالی زیاد مورد نظر به گونه‌ای کنترل می‌شود که محتوای سلول باز بسیار زیاد باشد و اسفنج، سخت تلقی نشود.
در یک مطالعه‌ی اخیر، لایه‌های جاذب نبافته الکترو افشانده با تجهیزات تجاری ساخته شده است که برای گرم کردن بسپار مذاب تا دمای بالای مورد نیاز برای کاهش گرانروی، طراحی شده‌اند. گرانروی پایین مورد نیاز است تا TPU بتواند از یک رشته‌ساز (spinneret) دهانه کوچک خارج شود. همچنین لاستیک PU را می‌توان در یک حلال با غلظتی حل کرد که گرانروی برای رانشگری و حذف حلال، بهینه باشد. گزارش شده است که TPUهای جاذب نبافته از مذاب‌های بسپاری الکتروریسیده (electrospun) با استفاده از تجهیزات تخصصی و با استفاده از فرمول‌بندی استاندارد TPU قابل دستیابی است. یک TPU با Shore A 85 و دارای ترکیبی از مواد PTMEG 1000، 4 و4- MDI و BDO به ترتیب با نسبت وزنی 60 درصد، 34 درصد و 6 درصد نشان داده شده است که الیاف با قطر کمتر از 10 میکررومتر را رانش می‌کند. در مقابل، یک TPU بر پایه یک قطعه نرم پلی استر با سختی Shore A 97 در 10 درصد وزنی در مخلوط 50/50 دی متیل فرمامید و متیل اتیل کتون به الیاف الکتروریسیده با قطر کمتر از 1 میکرومتر حل شد. نتیجه مشابهی با مخلوط حلال 50/50 دی متیل فرمامید و تتراهیدروفوران به دست آمد.
2.3. پلی‌یورتان‌های قابل جذب زیستی (Bioabsorbable Polyurethane)
حجم مصرف PU مورد استفاده برای کاشتینه‌های پزشکی که نیاز به PU برای جذب یا تخریب توسط بدن دارند بسیار کم است. با این حال، حدود 10 درصد از تمام اختراعات ثبت شده در زمینه PU زیست پزشکی مربوط به داربست‌های بافتی (tissue scaffold)، بخیه‌ها،PU قابل جذب زیستی یا تجزیه زیستی PU است. علاوه بر این، فعالیت ثبت اختراع ثابتی در زمینه آب‌ژل‌های (hydrogel) PU برای کاربردهای پزشکی وجود داشته است. تمرکز این کار در 5 سال گذشته ممکن است نشان دهد که سازندگان دستگاه‌های پزشکی و پزشکان درک می‌کنند که شکاف‌های عملکرد در مواد فعلی را می‌توان با PU طراحی شده پر کرد.
سازوکارهای تخریب در داخل بدن اغلب شامل فرایندهای آبکافت، آنزیمی و اکسایشی می‌شوند. در این کاربردها، TPU استاندارد متشکل از 4و4- MDI و BDO و یک قطعه نرم پلی اتر یا پلی استر غیرقابل قبول خواهد بود. بخشی از مقاومت نتیجه مسیرهای تجزیه زیستی است که منجر به تشکیل آمین‌های آروماتیک از پیوند یورتان در هنگام استفاده از پلی ایزوسیانات حلقوی می‌شود.
ماهیت بسیار تخصصی کاربردهایی که به PU قابل جذب زیستی نیاز دارند بسیاری از محدودیت‌های اقتصادی مرتبط با همه کاربردهای دیگر را حذف می‌کند. در این کاربردها، هم‌بسپارش یا ترااستری کردن دو پلی‌ال بخش نرم برای ایجاد تعادل بهینه مواد، زیست‌سازگاری و عملکرد تخریب برای دستیابی به همه الزامات امری رایج است. استفاده ساده از پلی‌ال‌های پلی‌اتیلن‌اکسید یا دسته PO/EO یا پلی‌ال‌های هم‌بسپار تصادفی در اصل از منظر زیست تخریب‌پذیری قابل انجام است، اما در واقع معمولا استفاده نمی‌شود.
پلی‌ال‌های PO/EO در آزمون استاندارد 301B سازمان همکاری‌های اقتصادی و توسعه (OECD) می‌توانند در مدت 10 روز از 60 درصد تجزیه زیستی و تا 99 درصد تجزیه زیستی در 28 روز فراتر رود. این آزمایش برآمد CO2 را بر اساس میزان کربن پیش بینی شده در ماده آزمایش شده اندازه‌گیری می‌کند. تجمع میکروبی می‌تواند از منابع متعددی ایجاد شود، اما یکی از رایج‌ترین آنها از کارخانه‌های تصفیه زباله است. سطح تخریب به دست آمده توسط برخی از پلی‌آلکیلن گلیکول‌ها به طور معمول می‌تواند منجر به محصولات نهایی غیر سمی شود. آبکافت زنجیره پلی‌آلکیلن اکسید معمولا با آن مواجه نمی‌شود (برای تولید دو الکل)، اما مطالعات متعدد مسیرهای اکسایشی و تجزیه آنزیمی آماده را برای این مواد تعیین کرده‌اند.
پلی‌استر پلی‌ال‌های خطی نیز بسترهای رایج برای طراحی PU زیست تخریب‌پذیر هستند. تمام پلی‌استر پلی‌ال‌ها مستعد سازوکارهای تجزیه آبکافت و همچنین سازوکارهای اکسایشی و آنزیمی هستند. این حساسیت شیمیایی برای کاربردهایی که یورتان باید کاشته و بادوام باشد، رد صلاحیت است و نشان داده شده است که در صورت استفاده برای آن کاربردها منجر به تخریب گسترده مواد می‌شود. از سوی دیگر، این حساسیت پلی‌استرها را به انتخاب معمولی برای به حداکثر رساندن سرعت تجزیه زیستیPU که جذب زیستی برای آن مطلوب است تبدیل می‌کند. از آنجایی که جنبه‌های ارزش افزوده طراحی بهینه بیشتر از ملاحظات اقتصادی است، طراحی بخش نرم منعکس کننده تعادل عملکرد کششی، آب دوستی، زیست تخریب پذیری و فرایندپذیری است (در مواردی که تخلخل یا بافت سطح مورد نظر است).
برای آبکافت و آب دوستی بهینه، یک پلی استر دی‌ال نیمه بلوری بر پایه اسید لاکتیک شیمیایی مشتق شده طبیعی برای تشکیل پلی‌لاکتیک اسید(PLA) مورد بررسی قرار می‌گیرد (شکل 6). با درصد زیادی از پیوندهای استری، PLA بسیار به آبکافت حساس است، اما همچنین دارای شکل‌هایی با دمای انتقال شیشه‌ای 65 درجه سلسیوس و دمای ذوب بلوری 175 درجه سلسیوس است که آن را کاملا شکننده می‌کند. PLA را می‌توان با دیگر پلی‌ال‌های پلی‌استر پلی‌ال‌ها مانند پلی‌کاپرولاکتون با خواص مواد مطلوب‌تر (به غیر از تجزیه پذیری زیستی) هم‌بسپارش یا ترااستری کرد تا بخش‌های نرم هم‌بسپار دسته‌ای با خواص متعادل ساخته شود (شکل 7). ترکیبات TPU دارای بخش نرم پلی‌استر با PLA نیز دارای خواص فیزیکی خوبی هستند و می‌توانند رانش شده و برای رشد بافت زنده در داربست (scaffold) قالب‌گیری شوند.
طراحی بخش سخت نیز بخشی از توسعه PU قابل جذب زیستی است. اگر چه که بحث برانگیز است، ایزوسیانات‌های آروماتیک به دلیل ترس از تجزیه زیستی که منجر به آمین‌های حلقوی سرطان‌زا مانند تولوئن دی آمین یا متیلن دی‌انیلین می‌شود، هرگز در این کاربردها استفاده نمی‌شوند. دی ایزوسیانات‌های خطی به دلیل افزایش انرژی جنبشی تخریب زیستی (biodegradation)، کاربردهایی در این حوزه پیدا کرده‌اند. این امر تا حد زیادی نتیجه دمای انتقال شیشه‌ای (Tg) پایین-تر بخش‌های سخت خطی است که منجر به آهنگ قابل توجه انتشار آب در بستر بسپار می‌شود. سرعت تخریب سریع‌تر به‌دست‌آمده با ایزوسیانات‌های خطی، مطلوبیت آنها را برای کاربردهای بادوام کاهش می‌دهد، اما آهنگ تخریب زیستی اندازه‌گیری‌شده قطعات سخت خطی سریع‌تر می‌شود.
ماهیت تخصصی مواد قابل جذب زیستی همچنین باعث اکتشاف ساختارهای ایزوسیانات جدید برای بهبود عملکرد از دیدگاه سازگاری با رشد سلولی یا جذب زیستی شده است. یک دسته از ایزوسیانات‌های حلقوی بر پایه پلیایزوسیانات موجود است که از فسژنی‌شدن (phosgenation) پلی‌آنیلیدها حاصل می‌شود. این مواد را می‌توان از پلی‌ال‌های موجود تجاری (اتر یا استر) و بنزوکائین (اتیل 4-آمینوبنزوات) و به دنبال آن فسژنی‌شدن (شکل 8) تهیه کرد. اعتقاد بر این بود که این ساختارها می‌توانند به محصولات جانبی غیر مضر تجزیه شوند و در عین حال خواص بسپاری با ساختارهای پلی‌آنیلید مرتبط مورد استفاده برای لاستیک‌های با کارایی بالا را فراهم کنند.
از آنجایی که شیمی تبدیل آمین‌ها به ایزوسیانات‌ها را می‌توان به طور کلی اعمال کرد، به تعداد پلی‌آمین‌ها ساختارهای
پلیایزوسیانات ممکن وجود دارد. یکی از این ساختارها بر پایه لیزین – یک اسید آمینه ضروری در رژیم غذایی- است. در حالی که لیزین از غذاها قابل استخراج است، از طریق تخمیر با حجم کل حدود یک میلیارد پوند در سال در دسترس است. اگرچه این در دسترس بودن آن را به‌طور بالقوه به عنوان یک ماده اولیه شیمیایی خاص جذاب می‌کند، مشکلات اجازه دادن به گیاهان جدید برای تولید و استفاده از فسژن می‌تواند هر ایزوسیانات جدید را به مانعی دلهره‌آور برای تجاری‌‌سازی تبدیل کند. شکل 9، ساختار دی ایزوسیانات لیزین و اسید آمینه اصلی آن را نشان می‌دهد.
4.2 آب‌ژل‌ها (Hydrogels)
TPU های بادوام معمولی بین 1 الی 3 درصد وزنی تحت شرایط استاندارد ASTM و بسته به ترکیب، آب جذب می‌کنند. در مقابل، برخی از کاربردهای زیست پزشکی PU ممکن است نیاز داشته باشند که یک ماتریس بسپاری بین 20 تا 40 درصد وزنی آب داشته باشد. چنین کاربردهایی ممکن است شامل لنزهای تماسی نرم، اجزای چسب زخم‌پوش، پوشش‌های کاشتنی و سامانه‌ای برای دارو رسانی باشد. سامانه‌های بسپاری که می‌توانند با آب تا این حد متورم شوند، اغلب «آب‌ژل» نامیده می‌شوند. یک چالش برای PU و همه بسپارها این است که این ماده باید خواص فیزیکی قابل توجهی را حفظ کند، حتی زمانی که به شدت متورم شود. علاوه بر این، آنها نباید محیطی مناسب برای رشد میکروبی ایجاد کنند. بخش‌های نرم پلی‌اتیلن‌گلیکول در طراحی آب‌ژل برای ارائه ویژگی‌های پایه در میزان جذب مولکول آب و یک رابط مقاوم در برابر میکروب استفاده می‌شود. شیمی PU نیز گزینه‌های طراحی متعددی را برای شبکه‌ای شدن به خواص فیزیکی بسپار متورم فراهم می‌کند.
عوامل شبکه‌ای کننده ممکن است مانند تری متیل پروپان یا دی اتانول آمین کوچک باشد. از طرف دیگر، آنها می‌توانند موادی با وزن مولکولی بالاتر مانند گلیسیرین اتوکسیله یعنی افزودن اتیلن اکسید به اسید چرب، باشند. بخش سخت آب-ژل‌ها (دی ایزوسیانات هگزان یا دی ایزوسیانات ایزوفورون) همیشه خطی است. محتوای آب معادل و خواص فیزیکی هم به شیمی و هم درجه شبکه‌ای شدن بستگی دارد. چگالی اتصالات عرضی ماتریس بسپار متورم از بلوک‌های ساختاری طراحی شده است، اما وزن مولکولی واقعی بین اتصالات عرضی باید به صورت تجربی تعیین شود.
یک روش مناسب برای محاسبه چگالی اتصالات عرضی، معادله فلوری – رنر (1) بر اساس اندازه‌گیری تورم معادل ماتریس توسط یک حلال است:
در این معادله، M_c وزن مولکولی بین اتصالات عرضی است، ν_s حجم مولی حلال، ⅆp چگالی بسپار، V_P نسبت حجمی بسپار متورم شده در حلال و X_12 ضریب برهم‌کنش بسپار-حلال، می‌یاشد. ضریب برهم‌کنش می‌تواند براساس معادله‌ی زیر محاسبه شود:
در معادله 2، δp و δs به عنوان فراسنج‌های حلالیت بسپار و حلال، معرفی شده‌اند. فراسنج‌های حلالیت برای حلال‌های استاندارد مرتبط با محاسبه‌ی اتصالات عرضی در PU در جدول 2، آورده شده است. چگالی اتصالات عرضی از طریق معادله 3، به شرح زیر و با توجه به نتیجه M_c از معادله‌ی 1، محاسبه می‌گردد:
در معادله 2، δp و δs به عنوان فراسنج‌های حلالیت بسپار و حلال، معرفی شده‌اند. فراسنج‌های حلالیت برای حلال‌های استاندارد مرتبط با محاسبه‌ی اتصالات عرضی در PU در جدول 2، آورده شده است. چگالی اتصالات عرضی از طریق معادله 3، به شرح زیر و با توجه به نتیجه M_c از معادله‌ی 1، محاسبه می‌گردد:
* فرمول‌بندی کامل اغلب شامل مواد سطح فعال و زیواکش (biocide) برای کمک به فرایند و تشکیل فیلم است. (زیواکش یک ماده شیمیایی یا ریزاندامگانی (microorganism) است که برای از بین بردن، بازدارندگی، بی‌ضرر کردن یا اعمال یک اثر کنترلی بر هر موجودات مضری طراحی شده است، مترجم)
منبع:
Mark F. Sonnenschein, “Medical Uses of Polyurethane,” John Wiley & Sons, Inc., page 375-391, 2015.