水包油乳液模板法制备异氰酸酯封端聚酯：封端反应、发泡行为、多孔结构与细胞生长研究及其在软组织工程中的应用

这篇综述创新性地采用水包油（w/o）乳液模板法，通过异氰酸酯-水尿素反应（isocyanate-water urea reaction）成功构建了具有毫米级气泡和微米级孔结构的可生物降解聚氨酯脲（PUU）多孔整体材料（polyHIPE）。研究通过顺序反应策略（sequential reaction）实现了聚己内酯（PCL）和聚乳酸（PLA）多元醇的异氰酸酯封端（end-capping），系统考察了二异氰酸酯刚度对材料结晶度（50-80°C熔程）和模量（0.20-0.87 MPa）的影响。细胞实验证实该弹性材料能支持小鼠骨骼肌细胞（c2）的粘附、增殖和空间填充，为软组织工程支架提供了新思路。

　　

材料创新与合成策略

研究团队开发了一种突破性的顺序反应路线，首先将聚己内酯（PCL）和聚乳酸（PLA）多元醇用二异氰酸酯进行封端反应生成氨基甲酸酯基团（urethane groups），随后在水包油高内相乳液（w/o HIPE）中通过异氰酸酯-水反应构建多孔整体材料。这种创新方法与传统同步进行的氨基甲酸酯-尿素反应形成鲜明对比，实现了对材料结构的精确控制。研究选用了从柔性到刚性的多种二异氰酸酯，包括六亚甲基二异氰酸酯（HDI）、4,4'-亚甲基双（环己基异氰酸酯）（HMDI）和甲苯二异氰酸酯（TDI），并创新性地引入赖氨酸衍生物二异氰酸酯（LDI）作为单一单体。

多级孔结构特征

通过CO₂发泡和乳液模板双重作用，材料形成了独特的多级孔结构：毫米级气泡（100-1000μm）与微米级孔穴（5-50μm）相互贯通。扫描电镜（SEM）显示，基于HDI封端PCL的材料（P-CL23-H）具有典型的polyHIPE结构，孔径5-20μm，连通孔1-5μm；而芳香族TDI基材料（P-CL23-T）则表现出更广泛的孔径分布（10-50μm）。值得注意的是，采用四氢呋喃（THF）作溶剂的PLA基材料（P-LA3-H）因乳液稳定性较差出现了部分结构塌陷。

结晶行为与力学性能

差示扫描量热（DSC）分析揭示了材料的独特结晶特性：PCL基材料在50-80°C呈现宽熔融峰，其中HDI封端样品（P-CL23-H）显示双峰结构（主峰49.6°C，次峰70°C），而TDI基材料（P-CL23-T）熔融焓高达84.1 J/g。动态机械分析（DMTA）证实tanδ峰温与二异氰酸酯刚度正相关，从HDI的40°C升至TDI的140°C。压缩测试表明所有材料均呈现弹性行为，模量0.20-0.87 MPa恰与软组织匹配，其中HMDI基材料因环状结构获得最高模量（0.87 MPa）。

生物学性能验证

为期14天的细胞培养实验取得了突破性成果：活/死染色显示小鼠骨骼肌细胞在所有材料表面均呈现良好粘附和增殖（绿色荧光）。特别值得注意的是，细胞能够沿孔结构定向生长并完全填充三维空间，在P-CL23-H中更形成了连续的组织样结构。这种优异的细胞相容性可能源于材料表面的氨基甲酸酯/尿素基团与细胞膜蛋白的相互作用，以及多孔结构促进的营养物质传输。

应用前景与创新价值

该研究建立了基于异氰酸酯-水反应的polyHIPE制备新平台，其三大创新点在于：1）通过顺序反应实现精确的2:1氨基甲酸酯/尿素比例控制；2）利用CO₂原位发泡构建多级孔结构；3）获得兼具可调结晶度和适宜力学性能的弹性支架。这些生物可降解材料不仅为肌肉、软骨等软组织再生提供了理想支架，其独特的成孔机制也为药物控释系统开发提供了新思路。未来研究可进一步优化PLA基材料的乳液稳定性，并探索材料降解速率与组织再生速率的匹配关系。