聚氨酯材料在骨缺损修复中的应用

韩威妺; 王亚惠; 李胤; 严建安; 李智琴; 黄棣

doi:10.7536/PC241103

化学进展 ›› 2025, Vol. 37 ›› Issue (8) :1188-1203 DOI: 10.7536/PC241103

综述与评论

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聚氨酯材料在骨缺损修复中的应用

韩威妺 ¹^,²^,^† ,
王亚惠 ¹^,^† ,
李胤 ¹ ,
严建安 ¹ ,
李智琴 ¹ ,
黄棣 ¹^,²^,^*

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Application of Polyurethane Materials in Bone Defect Repair

Weimo Han ¹^,² ,
Yahui Wang ¹ ,
Yin Li ¹ ,
Jianan Yan ¹ ,
Zhiqin Li ¹ ,
Di Huang ¹^,²^,^*

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摘要

意外事故或疾病导致的骨缺损是骨科手术中非常常见且棘手的问题，寻找理想的骨修复材料已成为目前骨组织工程的热点之一。聚氨酯（PU）材料是一类软硬段交替排列，具有微相分离结构的多嵌段共聚物，可通过软段结构、硬段比例、结晶度等实现应用性能的调控（机械性能、生物相容性及生物降解性等），在骨缺损修复领域展现出广阔的应用前景。本文综述了近年来PU在骨组织工程领域的设计、合成、改性和生物学性能等方面的研究，并重点介绍了PU在骨再生中的应用进展，包括植入支架、可注射材料和药物载体等，以期为未来PU材料的设计及临床应用提供更多思路。

Abstract

Bone defects caused by accidents or diseases are a common and serious problem in orthopedic surgery. Finding ideal bone repair materials has become a hotspot in current bone tissue engineering. Polyurethane （PU） is a multiblock copolymer with a microphase-separated structure formed by alternating soft and hard segments. Its application properties - such as mechanical performance，biocompatibility，and biodegradability-can be tailored by adjusting the soft segment structure，hard segment ratio，crystallinity，and other factors，demonstrating broad prospects in the field of bone defect repair. This paper reviews recent research on the design，synthesis，modification，and biological performance of PU in bone tissue engineering，with a focus on its application progress in bone regeneration，including implantable scaffolds，injectable materials，and drug carriers. The aim is to provide more insights for the future design and clinical application of PU materials.

Contents

1 Introduction

2 Development of polyurethane

3 Synthesis of polyurethane

3.1 Main raw material

3.2 Main reaction pathways

4 Structure of polyurethane

5 Properties of polyurethane

5.1 Mechanical properties

5.2 Biological activity

5.3 Biodegradation

5.4 Shape memory properties

6 Applications of polyurethane in bone defects repairing

6.1 Implanted scaffold

6.2 Injected polyurethane

6.3 Drug carrier

7 Conclusion and outlook

Graphical abstract

关键词

聚氨酯 / 骨修复 / 骨组织工程 / 功能化 / 骨再生

Key words

polyurethane / bone repair / bone tissue engineering / functionalization / osteogenesis

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韩威妺, 王亚惠, 李胤, 严建安, 李智琴, 黄棣. 聚氨酯材料在骨缺损修复中的应用[J]. 化学进展, 2025, 37(8): 1188-1203 DOI:10.7536/PC241103

Weimo Han, Yahui Wang, Yin Li, Jianan Yan, Zhiqin Li, Di Huang. Application of Polyurethane Materials in Bone Defect Repair[J]. Progress in Chemistry, 2025, 37(8): 1188-1203 DOI:10.7536/PC241103

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1 引言

近年来，全球因自然灾害、交通事故、运动损伤、疾病等造成骨缺损的人数逐年增多，使骨缺损的修复和治疗成为了临床面临的重大挑战^[1-2]。传统骨修复材料主要有自体骨、同种异体骨、异种骨、脱钙骨基质等，但均存在明显局限性：自体骨数量有限且存在供区损伤；同种异体骨、异种骨易引发免疫排斥反应；脱钙骨基质面临骨诱导性不足和力学性能欠佳等问题。这些因素严重制约了传统骨修复材料临床治疗效果^[3-4]。

骨组织工程技术旨在设计出贴合生理需求的骨修复材料，并以支架等形式组装，作为细胞附着和矿化基质沉积的支撑结构，暂时履行细胞外基质（ECM）在形成组织中的作用，以恢复（部分或全部）在损伤、重大缺陷或疾病（如骨质疏松症）情况下丢失的骨组织的自然再生能力^[5-6]。理想的骨组织工程支架应具有与骨相似或相近的多孔结构、孔径、孔隙率和力学性能。同时，该类材料还应具有良好的生物相容性、生物活性、可降解性、骨诱导性等^[7-8]。目前新型的骨修复材料主要包括金属材料、生物陶瓷、天然高分子聚合物等^[9-10]。金属材料的腐蚀会改变材料的理化性质，使移植物出现松动与损坏，离子水平的提高会对机体产生潜在的毒副作用^[11]；生物陶瓷具有良好的骨传导性、生物相容性，但其韧性和强度很难满足临床应用的要求；天然聚合物机械强度不足、降解速率过快、生物学性质不稳定、难以获取，不适合单独作为骨缺损修复的基质材料。随着材料科学的高速发展，人工合成聚合物登上了骨组织工程的舞台^[12-13]。聚氨酯（PU）作为一种结构可设计性强、性能可调控度高的多功能高分子材料，可满足不同骨缺损修复需求的组织工程支架的制备，现已成为骨再生材料领域最具临床应用前景的功能材料之一。

本文就PU骨修复材料的结构设计、合成方法、性能特征及其在骨组织工程中的应用及研究进展作一综述，旨在为PU基骨修复材料的设计研发与临床转化提供参考。

2 聚氨酯的发展

聚氨酯（Polyurethane，PU），全称聚氨基甲酸酯，是一类主链含重复氨基甲酸酯结构单元（—NHCOO—）的高分子聚合物，通常由多异氰酸酯、低聚物多元醇以及多元醇或芳香族二胺等经逐步聚合反应制备而成，属于典型的多嵌段共聚物体系。1937年，OttoBayer团队^[14-15]以二异氰酸酯与聚酯二醇成功合成PU材料，并于1944年，采用六亚甲基二异氰酸酯（HDI）与1，4-丁二醇（BDO）制备出线性分子链结构的PU材料，具有热塑性与可纺性。其纤维制品称为Perlon U，是PU在塑料注塑成型和合成纤维（如纺织、工业绳索）领域的首批工业化产品，标志着PU从实验室向规模化生产的跨越。随着PU合成技术的日益成熟，其产品种类与产能均显著提升，应用范围逐渐覆盖了汽车零部件、环保涂料、鞋类制造及绿色建材等众多工业领域^[14-15]。直至20世纪60年代，PU泡沫首次作为骨间隙填充物和固定剂，在生物医学领域应用。20世纪70~80年代，PU开始被应用于人工心脏瓣膜、人工血管、介入导管、伤口敷料、医用黏合剂以及骨修复材料等（图1）^[16]。近年来，为适应与解决临床需求，各类PU材料陆续被研究和开发，尤其是在骨修复领域。除了传统分类方式中的热固型与热塑型PU、PU泡沫、PU弹性体，生物可降解PU、生物基PU以及具有光响应等特性的功能化PU材料也正被研究并应用于骨组织工程支架制备^[15-18]。

3 聚氨酯合成

3.1 主要制备原料

PU合成的主要原料有多异氰酸酯（硬段）、多元醇及多元胺等末端含活泼氢低聚物（软段）、催化剂、扩链剂等其他助剂^[19]，其合成主要基于异氰酸酯与多元醇等逐步加成聚合，生成以氨基甲酸酯结构（—NHCOO—）为特征重复单元的高分子骨架。常用硬段材料有异氟尔酮二异氰酸酯（IPDI）、六亚甲基异氰酸酯（HDI）、二苯甲烷二异氰酸酯（MDI）、甲苯二异氰酸酯（TDI）、二环己基甲烷二异氰酸酯（HMDI）、l-赖氨酸二异氰酸酯（LDI）等；常用软段材料有聚乳酸（PLA）、聚己内酯（PCL）、聚乙二醇（PEG）、聚醚胺（PEA）等（图2）^[16,20]。调控软段化学结构、硬段比例以及扩链剂和添加剂的种类与用量，可实现PU材料性能的定向设计（表1）。近年来，为提高材料的生物相容性与可降解性，生物基多元醇在PU合成中的应用日益广泛，如菜籽油、棕榈油、单宁、葵花籽油等^[21-23]。此外，在骨组织工程领域，研究人员常将功能性纳米填料（如麦芽糊精、纤维素、滑石粉和碳酸钙等）复合于PU基体中，以优化材料力学性能、生物相容性、骨整合性等^[24-26]。如Sanati研究团队^[27]将还原氧化石墨烯（rGO）纳米材料与PU基体复合，成功开发出具有三维多孔结构的rGO/PU导电复合支架。该材料不仅力学性能优异，更能显著促进细胞黏附与骨组织再生。

3.2 主要反应途径

除原料体系外，PU的合成工艺路线对其最终产品性能也具有显著影响。根据反应物加入顺序的不同，PU的合成工艺主要可分为一步法（One-shot method）和两步法（Prepolymer method）两种方法。

一步法主要应用于PU泡沫塑料的工业化生产。将计量多元醇、扩链剂、催化剂熔融混合均匀后，与二异氰酸酯共混反应，制备PU（图3）。该工艺的核心特征在于聚合反应（异氰酸酯与多元醇的加成）与扩链反应（异氰酸酯与扩链剂的缩合）同步进行。由于扩链剂相较于低聚物二元醇具有更高的反应活性，硬段生成反应剧烈且集中，易导致硬段微区在软段基质中分布不均匀，物理交联网络呈现局部过密状态，影响PU产品性能。该方法工艺简单、过程短、生产成本低，但反应较难控制，产品性能稍差^[34]。

两步法又称预聚物法，主要反应过程分为两步：第一步，预聚体制备，多元醇和过量二异氰酸酯反应，生成末端带有活性—NCO基团的预聚体系，此阶段决定了软段的链结构及硬段化学组成；第二步，扩链定型，引入低分子量扩链剂，既与预聚体中游离二异氰酸酯反应构建硬段，又通过化学键桥接软/硬段结构单元（图4）。预聚阶段为低活性多元醇提供充足反应时间，确保分子链有序增长；扩链阶段则促进硬段间强电负性基团（如氨基甲酸酯基）的氢键缔合，使硬段易于在软段相中的分布，使得材料结构更均匀。此工艺流程复杂、生产周期长、成本较高，但反应更温和、易于加工、分子结构可控，是高性能PU制品的首选合成路径^[34]。

4 聚氨酯结构

PU在骨修复材料中大放异彩，得益于其独特的分子结构和高度可设计的性能特征。PU分子主链主要由柔性软段与刚性硬段交替排列，通过氨基甲酸酯、醚、酯、脲基甲酸酯、脲、缩二脲等极性基团形成了多层次氢键网络。基于软硬段间的热力学不相容性，材料形成了微相分离结构：软段熔点与玻璃化温度较低，其分子链呈现无规卷曲的多重构象，赋予材料良好的弹性；硬段熔点和玻璃化温度则较高，通过分子间强氢键作用形成高内聚能的微晶区或亚晶区，可以显著提升PU材料的拉伸强度、撕裂强度和硬度等力学性能（图5）。通过软段化学组成、硬段比例、结晶度等参数的调控，便可实现对材料力学性能（强度、弹性模量）、表面特性（亲疏水性）以及生物降解性等的精准设计，有望满足骨修复材料对力学适配性、生物功能性等多重需求^[35-37]。

5 聚氨酯性能

5.1 力学性能

骨组织结构主要包括骨质、骨膜和骨髓三部分，其中骨质又分为骨松质和骨密质。骨松质（Spongy bone）主要分布于骨两端，具有多孔疏松的结构特点，密度较低，纵向抗压强度范围为为2~12 MPa，杨氏模量约20 GPa；而骨密质（Compact bone）位于骨中段，具有致密坚硬的特点，抗压强度与杨氏模量分别约为131~224 MPa与17~20 GPa。基于生物力学相容性要求，人工骨移植替代物的力学性能应尽可能与被替换骨相匹配。尤其是弹性模量需与天然骨相似，以避免应力屏蔽效应，同时还需具备足够的韧性^[19]。PU材料的力学性能受软硬段的类型、组成、结构及性质影响显著，不同软硬段之间的微相分离程度也会导致材料性能表现出明显差异。调整PU材料软硬段比例和微相结构，将实现其力学性能的初步调控，使其更符合骨替代材料的需求。如Fernández-d’Arlas等^[38]以SS_rubb（分子量2020 g/mol）与SS_cryst（分子量1980 g/mol）为软段，分别与HDI和IPDI两种二异氰酸酯硬段组合，制备了四种不同结构的PU材料，并系统研究了其力学性能。结果表明，尽管结晶性软段不利于氢键形成，但能更有效地调控大分子链排列，半结晶软段与硬段合成的PU材料则表现出更优异的机械强度（图6a~c）；Pourmohammadi‑Mahunaki等^[39]考察了不同扩链剂长度与分子结构对PU材料性能的影响，发现提高PU相分离程度或增加硬段中扩链剂与二异氰酸酯间的氢键作用，均可显著提升材料的力学性能。随着硬段含量的增加，氢键作用增强，将进一步提高PU的韧性（图6d，e）。

除对PU本体结构进行调控外，材料改性也是提高其力学性能的重要方法，主要包括表面接枝、表面活性处理、封端剂处理和纳米复合等。其中，纳米复合技术在增强PU力学性能方面应用最为广泛。Li等^[40]将纳米羟基磷灰石（HA）引入蓖麻油甘油酯基PU（GCO/PU）多孔支架，抗压强度从2.91 MPa提升至4.34 MPa，弹性模量由95 MPa提高至165.36 MPa（图7a，b）。此外，HA的引入不仅增强了PU支架力学性能，还有效促进了细胞的黏附、增殖及矿化过程。Zhang等^[41]通过调控氧化石墨烯（GO）在复合材料制备过程中的修饰顺序，成功构建了具有可调层间距的“蹦床”结构GO/PU纳米复合材料（图7c）。研究显示，原始PU支架的拉伸强度和杨氏模量分别为17和118.0 MPa；经GO改性后，材料力学性能明显增强，omG-SMC（大层间距）和imG-SMC（小层间距）拉伸强度分别提升至42.9和21.1 MPa，杨氏模量则分别达到456.7和338.8 MPa。长分子链层间修饰还形成了无应力集中的均匀结构，omG-SMC展现出显著优于原始PU和imG-SMC的力学性能（图7d）。

5.2 生物活性

骨修复材料的研发始于20世纪60年代，其核心设计理念是使材料的理化特性与替换组织相匹配，同时最大限度地降低对宿主的毒性反应。这类材料被称为生物惰性材料，代表性产品包括钛及钛合金等金属材料、聚四氟乙烯等高分子聚合物以及氧化铝等陶瓷材料。随着对骨再生机制认知的深入，当代研究重点已转向兼具生物活性和骨诱导特性的新一代材料^[42]。PU材料因其分子结构的可调控性和良好的加工性能，不仅能够实现理想的生物相容性，更可通过表面功能化修饰和生物活性分子负载等策略，提升其促成骨能力，展现出重要的临床应用前景。

HA具有与人体骨组织相近的化学组成及优异的骨诱导特性，是骨修复领域应用最广泛的生物材料^[43]。Chen等^[44]制以PCL和PEG为软段，HDI为硬段，结合HA填料，开发出兼具形状记忆和生物降解性的PEG/PCL/HA/PU支架。该支架不仅表现出良好的生物相容性，其促成骨性能也优于传统PU材料（图8）；Alhamoudi^[45]采用室温法和冷凝法制备PU/HA支架进一步证实，当HA含量处于40%~60%区间时，复合材料展现出最佳的促成骨性能。除HA外，磷酸钙（TCP）^[46]、硫酸软骨素（CA）^[47]等也常作为填充剂，提高PU复合材料的生物活性。Luo等^[30]以柠檬酸盐修饰无定形TCP作为生物活性组分，构建了具有形状记忆效应的可编程PCL基PU复合材料。该体系在大鼠颅骨缺损模型中表现出良好的骨整合能力，植入界面处观察到典型的骨样组织沉积。这类生物活性复合材料植入体内后，可在材料-组织界面处诱发特定的生物学反应，实现与宿主组织的牢固整合。

为进一步优化骨修复材料的生物学性能，目前还通过一定的方法和技术手段修饰材料，提高细胞的应答、改善细胞的存活以及诱导定向分化等，激活特定基因表达或应用材料以诱发期望的细胞反应^[42]。Li等^[48]在HA/PU材料中复合天麻素制备了一种新型可降解天麻素-HA/PCL/PU复合材料。该材料能促进巨噬细胞向M2型极化，上调促再生细胞因子（CD206、Arg-1）并下调促炎因子（iNOS），同时显著增强的成骨因子（BMP-2、ALP）和血管内皮细胞的血管生成因子（VEGF、BFGF）表达。大鼠皮下植入模型与股骨髁缺损模型实验均显示，这种天麻素-HA/PCL/PU材料具有促进骨再生和血管化的双重功效（图9a~e）；Tang等^[49]通过静电纺丝技术制备了具有良好电活性的纤维化AT/PCL/PU（FPAT，AT为苯胺三聚体）膜材料，该材料一方面清除过量ROS将巨噬细胞极化为M2型，优化骨免疫微环境，另一方面降低间充质干细胞（MSCs）内ROS水平并提高Ca²⁺浓度，促进其增殖和成骨分化（图9f~h）；Ghimire等^[50]将功能化多壁碳纳米管（fMWCNTs）、超顺磁性氧化铁（SPIONs）和氧化锶（SrO₂）纳米颗粒整合到纤维多孔PU生物膜上，再用壳聚糖（CS）修饰，构建了具有高导电性CS-PU/SPIONs/SrO₂-fMWCNTs纳米纤维支架。该支架能显著促进MC3T3-E1细胞的增殖和成骨分化，上调ALP、ARS、COL-I、RUNX2等关键成骨标志物的表达，促进细胞存活和成骨分化。

5.3 生物降解性

生物降解性是骨修复材料设计的关键参数，其核心在于实现材料降解与组织再生的动态平衡，避免二次手术创伤^[51]。PU降解机制主要有水解、酶促或氧化三种途径，其降解速率易受所处化学环境的影响^[15,52]。Yuvarani等^[53]研究了纯CS、纯海藻酸钠（SA）及其复合PU支架在含酶PBS溶液中的降解行为，发现其降解速率与处理时间和孔隙率的呈正相关，这是由于较高的孔隙率会促进材料吸水膨胀，加速水解反应和酶促降解，最终导致结构的快速破坏。

除外部化学环境外，PU材料的降解性能与其分子结构特性密切相关，尤其是软硬段的化学组成、比例及交联密度等关键参数。研究表明，生理环境下，氨基甲酸酯基团降解缓慢，软段降解则是调控PU材料降解行为的主要途径^[54]。Song等^[55]研究了PEG含量对水性PU降解行为的影响发现，相较于水解过程，酶促降解表现出更显著优势。且随着PEG含量增加，材料亲水性明显提升，有效促进了水分子向聚合物基体的渗透扩散，从而提高了材料的整体降解速率。该研究表明，通过软段结构和软硬段比例可实现PU支架降解性能的调控。基于这一原理，研究者开发了多种有效的改性策略：Khattab等^[56]设计了PCL-PEG-PCL基三嵌段PU共聚物，亲水性PEG片段和低分子量PCL片段共同作用，显著提升了材料的水解与酶解活性；Nilawar等^[57]在橄榄油基PU中调控PEG含量，获得了可调降解性能的支架材料。同样的原理，Shaabani等^[58]采用PCL和AT作为软段构建PU材料体系。AT分子结构中富含的极性基团可以显著提高PU的亲水性。随着AT组分含量的增加，材料降解性能提升。

PU材料中硬段的降解行为具有缓慢性和复杂性特征，且降解产物可能存在潜在的生物安全风险，因此，异氰酸酯单体的选取也是PU材料设计的一项重要课题。传统芳香族异氰酸酯（如MDI和TDI）制备的PU材料在降解过程中会释放具有致癌和致突变风险的芳香胺类物质，如2，4-二氨基甲苯和4，4-亚甲基二苯胺等有害化合物。相较之下，脂肪族二异氰酸酯（如HDI、BDI、HMDI、IPDI等）的降解产物具有更好的生物相容性^[19]。近年来，研究人员开发了新型赖氨酸衍生异氰酸酯（LDI），其降解产物为赖氨酸、甘油、乙醇、CO₂等安全无毒的成分。且基于赖氨酸中的可降解酯键及良好的生物相容性，以其为原料制备的PU材料在体内外均表现出更理想的降解性能^[59-60]。此外，扩链剂也是影响PU降解性能得重要因素。Wang等^[60]采用三种不同扩链剂哌嗪（PP）、1，4-丁二醇（BDO）以及1，4-丁二胺（BDA）制备了PDLLA/PU（PDLLA为外消旋聚乳酸），分别命名为SPU-P、SPU-O和 SPU-A。研究发现，3种材料的热降解机制相同，但热稳定性存在差异，SPU-O最佳，SPU-P次之，SPU-A最弱，但在水解降解性能方面，SPU-A和SPU-P稳定性均优于SPU-O。基于上述结论，该研究团队以PP结构为基础，进一步开发了一系列具有可控降解特性的PP基PU材料，应用于骨修复支架领域^[61-64]。

填料复合也是调控PU材料降解性能的常用手段。Cetina-Diaz等^[65]的研究中，与谷氨酰胺相比，以抗坏血酸作为扩链剂制备的PU支架展现出更优异的降解性能，且HA的引入可进一步促进材料降解；Mendonça等^[66]的研究也证实，HA作为填料能够显著改善PU材料的亲水性，从而增强其降解性能。类似地，Amiryaghoubi等^[67]在PCL基PU中复合CS，也通过增强亲水性提高了其生物降解性。此外，Bagheri等^[68]指出，在PU基体中引入GO，不仅能提高材料的亲水性，其独特的片状结构还可形成了微通道，有利于水分子进入支架内部，加速PU降解过程。这些研究表明，合理选择扩链剂类型、添加功能性填料或实施化学改性等手段，均可作为调控PU材料降解行为的有效途径。

5.4 形状记忆性能

随着组织工程技术的发展，具有智能响应特性的新型生物材料日益成为研究热点。形状记忆聚合物（SMP）是一类能存储固定形状（永久形状），并在外部环境刺激（热、光、磁、电等）的触发下，由临时形状恢复为永久形状的智能材料^[69-70]。作为骨修复材料，SMP材料既能实现骨支架的微创植入，又能使植入体与骨缺损部位达到更精准的形态匹配^[6,71-72]。PU材料是一类重要的SMP，其独特的形状记忆效应源于多嵌段分子结构中软硬段间的物理相互作用（链缠结、范德华力、微晶体和玻璃态、氢键以及交联网络等）。精确调控软硬段组分与含量是决定形状记忆PU（SMPU）材料的形状记忆行为的重要因素。

PU硬段作为固定相，通过氢键、偶极-偶极相互作用、玻璃态或物理交联限制分子链在形变过程中的相互滑动，维持材料的固定形状。引入适量硬段可显著提升PU材料的形状恢复能力与力学性能^[73]。当硬段含量低于25%时，弱相互作用导致物理交联密度不足，材料难以表现出有效的形状记忆效应；当硬段含量提升至30%~45%时，材料可获得80%~95%的形状恢复率；当硬段含量超过50%时，过高的物理交联密度会形成过度刚性的分子结构，反而完全丧失形状恢复能力^[74]。此外，作为硬段重要组成的扩链剂，其种类和用量也会对材料的形状记忆性能产生重要影响。Kalajahi等^[75]系统考察了不同碳链长度扩链剂对PCL基PU性能的影响。他们以乙二胺、1，4-二氨基丁烷、1，6-二氨基己烷以及哌嗪作为扩链剂比较研究，发现随着扩链剂长度从乙二胺增加至1，6-二氨基己烷，硬段和软段之间的热力学相容性增强。这种相容性的增强虽然改善了分子间相互作用，同时也导致了材料力学性能的下降，形状固定能力和形状恢复能力均出现一定程度的降低。与脂肪族扩链剂相比，采用刚性环脂肪族哌嗪作为扩链剂时，其特殊的分子构型显著降低了PU硬段与软段之间的相容性，这种不相容性的增加反而有利于硬段微区的相分离，从而提升材料的力学强度，同时使形状记忆性能得到明显改善。PU软段则作为活动相，通过分子量的扩展来响应外部应力。温度降低时，软段结晶并固定临时形状；温度升高时，熵弹性驱动分子链回缩，实现形状回复^[76-77]。研究表明，软段的分子结构及排列对PU材料的形状记忆行为具有重要影响：增加软段长度可促进结晶行为，同时提升玻璃态和橡胶态模量；提高软段浓度则会增大玻璃态模量，降低橡胶态模量。这种模量调控机制直接影响形状记忆性能：较高的玻璃态模量有利于形状固定性，提高软段浓度则能增强形状恢复能力，并减小滞后效应^[76]。

此外，采用改性和复合也可有效调控PU的形状记忆性能。Zhang等^[78]将HA/rGO纳米填料复合至形状记忆PU基体中，并采用精氨酰-甘氨酰-天冬氨酸（RGD）进行表面修饰，所制备的SMPU支架表现出优异的形状记忆性能，其形状固定率和形状恢复率分别达97.3%和98.2%；Yu等^[79]在多孔形状记忆PU支架中引入HA颗粒后，抗压强度提高37%，压缩恢复时间缩短41%，同时拉伸阻力降低78%，形状恢复率可达99%。

PU材料的形状记忆行为可通过软段分子量、硬段的比例、改性复合等手段进行调控，这一特点使其在各类可变形医疗植入物的研发与应用中展现出显著优势。Zhang等^[78]采用PCL/MDI构建基体，通过HA填充和RGD表面修饰，开发出具有可编程特性PU骨螺钉材料，有效解决了传统骨缺损固定产品在力学性能、生物活性、内固定能力等方面的技术瓶颈（图10a）；Yuan等^[80]基于PPDO-PLC/HDI体系（PPDO为聚对二氧环己酮，PLC由ε-己内酯与L-丙交酯聚合而成），开发了具有形状记忆效应的可生物降解PU，该材料通过分子层次结构调整，实现了形状记忆性能、机械性能、降解速率以及生物活性的最优平衡，经3D打印制备多孔支架或骨钉具有优异的个性化适配能力（图10b）；Xu等^[81]将星形POSS-PLA与PEG基PU预聚物复合（POSS-PLA为多面体低聚硅氧烷POSS与PLA共价结合物），并引入60% HA填料，成功开发出兼具高强度、可降解性、优良生物活性、卓越形状记忆性能的PU支架材料，为下一代合成骨移植物的设计提供了新的思路（图10c）。

6 聚氨酯在骨修复中的应用

6.1 植入支架

组织工程骨的构建主要涉及三个关键要素：支架材料、种子细胞以及生长因子。作为组织工程骨的核心组成部分，支架材料为细胞黏附、生长以及代谢提供必要的微环境与微结构。骨组织支架材料应具备以下特性：相互连通的孔隙结构、适宜的孔径尺寸、优异的生物相容性以及符合要求的力学性能。PU材料因其优异的综合性能，已成为组织工程骨支架研究中最具应用前景的材料之一。研究者常以蓖麻油（GCO）、甘油或PCL等为软段制备PU骨支架，为进一步增强PU材料成骨活性，采用表面修饰、功能化改性等技术手段优化材料性能，以促进细胞黏附、增殖与定向分化，提升支架的骨传导性和骨诱导性，最终实现骨组织工程支架的功能化设计^[67,82-84]。Ghorai等^[85]采用原位法将纳米羟基磷灰石（nHA）与羧基功能化多壁碳纳米管（CCNT）引入PU-尿素（SP）基体中，并采用静电纺丝成功制备了具有微孔结构的纳米复合支架SP/CCNTH。研究结果表明，nHA与CCNT的引入使材料的力学性能得到显著提升，其中抗拉强度和硬度分别较纯SP支架提高了94.5%和173.6%。更重要的是，体外实验证实该复合支架展现出优异的骨再生能力，其成骨性能明显优于未改性的SP支架材料；Shrestha等^[86]将玉米蛋白、CS与功能化多壁碳纳米管（fMWCNTs）复合引入PU中，开发出一种高性能骨修复材料。该复合材料体系展现出显著的组分协同效应，有效提升了PU支架的力学性能、亲水性和抗菌特性。此外，通过模拟天然骨细胞微环境，该材料不仅促进了细胞间快速信号传导，还显著增强了骨细胞的黏附、增殖与分化能力，表现出优异的成骨活性；Zhao等^[87]通过甘油磷酸钙螯合作用，将肠碱性磷酸酶（IALP）负载于PU纤维基质中，成功构建了一种自激活富磷系统，可以调节矿化，促进早期成骨分化与血管生成，实现骨缺损的高效修复。值得注意的是，该系统不仅能够加速骨组织再生，还表现出持续稳定的长期治疗效果；Shaabani等^[58]以AT为功能单元，开发出具有温度响应特性的多功能PU-AT支架材料。该材料在人体生理温度条件下可同时实现形状记忆和自修复功能，其固有的导电特性不仅有效促进成骨细胞的黏附、增殖与定向分化，还能显著增强骨基质矿化作用。这种将智能响应特性与生物活性完美结合的设计理念，既保证了材料在微创植入过程中的操作适应性，又确保了植入后的长期修复效果。

近年来，3D打印技术在医学领域的应用日益广泛，其独特的个性化定制能力、精准的可设计性以及高效成型等特点，为生物医学工程带来了革命性突破^[88]。在骨组织工程领域，3D生物打印技术相较于传统制备方法展现出显著优势：通过计算机辅助设计（CAD）系统可实现复杂仿生结构的精准构建，同时结合有限元分析（FEA）技术对支架力学性能进行模拟优化，使制备的支架在微观结构和宏观力学性能上都更接近天然骨组织特性^[89]。Li等^[26]则以GCO、PCL、HDI为原料，通过熔融沉积3D打印，构建了具有优异形状记忆性能的PU支架，并采用聚偏氟乙烯（PVDF）对其表面功能化修饰，成功开发出一种兼具形状记忆特性和压电效应的智能复合支架（图11a）。该支架不仅能够通过形状记忆功能实现微创植入，还能利用其形状记忆行为，对PVDF层产生机械力刺激并诱导压电电荷生成，在术后早期患者活动受限阶段实现自供电式电刺激，促进骨组织再生与修复（图11b，c）。Zhang等^[90]采用低温快速成型（LT-RP）3D打印技术，以热响应SMPU为基质，光热-生物活性Mg作为功能组分制备了高孔隙率、近红外（NIR）响应型SMPU/Mg复合支架。该支架通过低温打印精准匹配骨缺损形态，在保持优异力学性能的同时，兼具低温形状记忆效应和Mg诱导的成骨分化能力（图11d~f），有效解决了传统形状记忆植入物孔隙率低，响应温度高、机械性能及生物活性不足等关键问题，为骨修复提供了智能化解决方案。

6.2 注射型PU

传统骨组织移植手术通常适用于修复大段骨缺损，但在应对术后骨质流失、创伤修复慢及大范围骨损伤方面仍存在明显不足。注射型骨修复材料凭借其优异的流动性和原位快速固化能力，可通过微创方式精准填充骨缺损部位，并在固化后持续释放生长因子等活性成分，促进细胞增殖与骨组织再生。作为骨间隙填充物或骨黏合剂，此类材料在复杂骨折、骨缺损修复及植入物固定等临床应用中展现出创伤小、操作简便、并发症少、患者痛苦轻等优势，在骨修复领域的研究与临床应用中备受关注^[35]。Liu等^[91]采用多巴胺（DA）接枝改性后GCO，成功开发了一种具有多孔结构的双组分PU骨黏合剂，并通过材料配方调控，实现了对黏合剂外观形貌以及开放孔隙率的可控设计。该材料引入了HA和DA两种功能组分：HA显著提升了材料的力学性能和成骨活性，DA修饰则使材料在潮湿环境下仍保持优异的黏结强度。此外，该黏合剂在黏结界面可形成Ca²⁺富集区，这一特性进一步增强了其促骨组织再生的能力。Li等^[92]在DA改性GCO基PU的研究基础上，引入二硫键，成功研制出兼具湿黏附性和可生物降解的PU-DACCO-HA骨胶黏剂。该材料通过金属-多酚螯合作用以及儿茶酚-醌基团与胺基团之间的多重化学相互作用，在体外和体内实验中均展现出优异的湿态黏附性能。同时，二硫键的引入有效调控了材料的降解行为，使其在体内能够实现可控降解（图12a~c）。Tao等^[93]受拔河启发，通过低聚柠檬酸酯基多元醇、PCL与过量IPDI制备—NCO端基化PU，再与原花青素（PC）修饰的HA进一步复合，开发出可注射PU-尿素材料（ICSP-Scr）。将该材料注入骨-肌腱间隙后，残余-NCO与水、氨基、巯基反应，通过机械互锁、物理膨胀和化学键结合实现骨-肌腱实密固定，其中PC既发挥抗氧化抗炎作用，又通过羟基与—NCO反应桥接HA与聚合物网络，促进骨再生（图12d，e）。

6.3 药物递送

PU材料因其优异的可修饰性与可加工性，在药物递送系统领域也展现出广阔的应用前景。通过PU材料的孔隙结构（孔隙率与孔径）、化学组成（软硬段比例与类型）、交联密度、结晶特性以及亲疏水平衡等参数调控，可实现对药物释放动力学（速率与剂量）的控制。当前研究重点主要聚焦于开发新型局部给药系统，旨在解决植入术后感染和炎症问题，同时促进植入部位血管化及骨再生过程^[19]。Hou等^[94]制备了带相反电荷的PU微球体系—负载HA的PU微球和负载地塞米松的PU微球，利用静电自组装构建了三维可注射水凝胶。该材料通过微创注射方式，实现了对不规则骨缺损的精准填充与修复，同时显著促进了成骨分化与新骨形成。Zhang等^[95]设计了一种纳米HA/PU复合骨水泥，通过负载抗生素依诺沙星（EN）赋予材料抗菌性能。研究显示，该材料不仅能有效促进MSCs的增殖与成骨分化，还可实现快速（2 h内达到最低抑菌浓度）且持久（持续释放近8天）的抗生素释放，展现出优异的抗感染和骨修复协同效应。Rezaei等^[96]将rGO负载辛伐他汀（SV）后，嵌入PCL基PU支架。rGO与SV产生了协同成骨效应，显著增强了PU支架的生物活性，同时rGO的引入有效改善了支架的力学性能与结构稳定性，获得了更理想的骨修复效果。

7 结论与展望

PU作为一种由软硬段材料加聚而成的多嵌段聚合物，其性能可通过分子结构设计实现定向调控，在骨组织工程领域展现出独特优势。研究表明，通过调节软硬段比例、结晶度和交联度等关键参数，可有效优化力学性能、生物降解性、孔隙结构等特征，从而满足不同骨缺损修复的个性化需求。深化PU在骨修复领域的应用，开发功能化PU材料已成为该领域的研究重点，如改善降解性能，提升成骨能力，利用形状记忆性能实现微创化治疗等。未来研究将持续聚焦于PU材料的生物可降解性调控、多功能性整合、生物相容性提升及界面改性等问题。此外，3D打印技术的应用显著推动了PU骨修复材料的发展，其个性化定制、数字化设计、快速成型和仿真化构建等优势，使材料理化性能能够更精准匹配骨缺损部位的生物学特性^[97]。随着智能材料技术的发展，将形状记忆PU与3D打印技术相结合，衍生出4D打印PU材料，能够实现植入物在体内环境下的智能形变响应，不仅拓展了传统骨修复材料的应用维度，更为实现精准微创治疗提供了新的解决方案^[98-100]。

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基金资助

国家自然科学基金项目(12272253)

山西省基础研究计划项目(202203021212270)

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Received	Published	Revised
2024-11-04	2025-08-24	2025-04-27
Online Date
2025-07-28

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