酯交換反應(yīng)條件對(duì)聚(L-丙交酯-co-ε-己內(nèi)酯)力學(xué)性能的影響*1

吳 航， 張麗芳， 熊左春， 馬 馳， 陳棟梁， 熊成東

(1. 中國科學(xué)院 成都有機(jī)化學(xué)研究所,四川 成都 610041; 2. 中國科學(xué)院 研究生院,北京 10039)

聚L-丙交酯(PLLA)和聚ε-己內(nèi)酯(PCL)具有良好的生物相容性、可降解吸收性，因而在生物醫(yī)用材料領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1,2]，尤其是用高分子量的PLLA材料制成的骨螺釘已經(jīng)在市場上有銷售，PCL則被廣泛用于藥物載體。PLLA和PCL的共聚物(PLLCA) 結(jié)合了PLLA材料的強(qiáng)度高、降解速率較快以及PCL材料柔韌性好的特點(diǎn)，近年來成為研究的熱點(diǎn)，其制品的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大，如軟骨修復(fù)支架[3]，手術(shù)縫合線[4]，血管支架[5]等。

通過調(diào)整單體投料比，可制備不同力學(xué)性能的PLLCA，從而滿足不同的臨床需求。然而，由于L-丙交酯(L-LA)和ε-己內(nèi)酯(ε-CL)的反應(yīng)活性不同，即使無規(guī)共聚制備的PLLCA也是微嵌段共聚物[6～8]，L-LA和ε-CL的平均嵌段長度對(duì)其熱性能和力學(xué)性能存在影響。在L-LA和ε-CL的共聚過程中，酯交換反應(yīng)對(duì)PLLCA的鏈段結(jié)構(gòu)存在至關(guān)重要的影響[9]，因此非常有必要對(duì)共聚過程中的酯交換反應(yīng)進(jìn)行考察。

本文以辛酸亞錫催化L-LA和ε-CL通過酯交換反應(yīng)完成本體開環(huán)聚合制得可降解的生物醫(yī)用材料聚(L-丙交酯-co-ε-己內(nèi)酯)[PLLCA(1a～1f), Scheme 1]，其結(jié)構(gòu)和熱性能經(jīng)1H NMR，高效凝膠色譜和差示掃描量熱分析表征。研究了酯交換反應(yīng)條件對(duì)PLLCA力學(xué)性能(拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

Bruker AV300 MHz型核磁共振儀(CDCl3為溶劑，TMS為內(nèi)標(biāo));Waters 1515型高效凝膠色譜儀(GPC, CHCl3為溶劑);Q20 TA Instruments型差示掃描量熱儀(DSC,高純氮?dú)夥?10 ℃·min-1);CMT 4503型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)。

L-LA, 99.9%,中國科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)有限公司；ε-CL, 99%, Aldrich；甲苯，分析純，廣東光華化學(xué)廠有限公司，金屬鈉蒸餾后立即使用；辛酸亞錫,95%,Sigma，配制成甲苯溶液;其余所用試劑均為分析純。

1.2 1的合成

L-LA和ε-CL總量100 mmol。在圓底燒瓶中按設(shè)定投料摩爾分?jǐn)?shù)[φ(CL)=n(ε-CL)/[n(L-LA)+n(ε-CL)]×100%]加入L-LA，ε-CL和辛酸亞錫(單體的2 mol)的甲苯溶液,干燥、用高純氮?dú)庵脫Q數(shù)次，抽真空、封口；將圓底燒瓶置鼓風(fēng)烘箱中恒溫反應(yīng)48 h。冷卻至室溫，用三氯甲烷溶解，傾入過量無水乙醇中沉淀，過濾，濾餅用無水乙醇洗滌2次～3次，于40 ℃真空干燥至恒重得白色固體1。

1.3 1的力學(xué)性能測試

1約1.7 g， 在5 MPa下于設(shè)定溫度利用不銹鋼模熱壓10 min制成厚度為0.5 mm的片狀樣品(1的成型溫度見表1);在激光刻線機(jī)上將其加工成條狀試樣(50 mm×5 mm×0.5 mm)。

用游標(biāo)卡尺準(zhǔn)確測量試樣的寬b，厚度d和原始標(biāo)距G，在萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸強(qiáng)度測試。測試溫度(23±2) ℃，載荷加載速率為10 mm·min-1，每組平行樣品數(shù)為3個(gè)。

表 1 1的成型溫度*Table 1 Molding temperature of 1

*m.p.由DSC測定, Tmolding為成型溫度

2 結(jié)果與討論

2.1 1的表征

1a～1f的1H NMR譜圖基本一致，圖1為1a的1H NMR譜圖。由圖1可見，各化學(xué)位移均已注明其歸屬[9]：5.0～5.3處b-H質(zhì)子峰(記為LL); 3.90～4.20處為c-H質(zhì)子峰(其中4.05處為鄰近己內(nèi)酰的CH質(zhì)子峰，記為LC; 4.14處多重峰為鄰近乳?；腃H質(zhì)子峰)(記為CC)[10]; 4.23處為殘余的ε-CL之OCH2質(zhì)子峰。未見殘余L-LA中的次甲基質(zhì)子峰,這是由于L-LA的反應(yīng)活性比ε-CL高。由LL和LC+CC的積分面積可以計(jì)算1a的組成[實(shí)測ε-CL的摩爾分?jǐn)?shù)φ′(CL)=n′(ε-CL)/[n′(L-LA)+n′(ε-CL)]×100%]。由4.00～4.20處和4.23處質(zhì)子峰的積分面積計(jì)算ε-CL的轉(zhuǎn)化率(Conv/%)。1的表征數(shù)據(jù)見表2。

δ圖 1 1a的1H NMR譜圖Figure 1 1H NMR spectrum of 1a

CompConv/%φ(CL)/%φ′(CL)/% Mn/×1051a′89.125231.81a″10025251.81a93.525242.21b10010101.11c10020211.01d10030301.11e10040421.01f10050531.1

2.2 酯交換反應(yīng)條件對(duì)1力學(xué)性能的影響

(1) 反應(yīng)溫度

研究表明，PLLCA共聚物并不是完全無規(guī)的，而是微嵌段共聚物，其平均嵌段長度[Le]按下式計(jì)算[6～9]。

Temperature/℃圖 2 酯交換反應(yīng)溫度對(duì)Le的影響Figure 2 Effect of transesterification temperature on Le

酯交換反應(yīng)溫度不僅使Le減小，同時(shí)也改變1的熱性能和力學(xué)性能，結(jié)果見圖3。由圖3可見，不同酯交換反應(yīng)溫度下制備的1均為非晶態(tài)聚合物，其玻璃轉(zhuǎn)變溫度(Tg)均低于室溫，且隨著反應(yīng)溫度的升高而降低。這是由于隨著Le的減小，1分子鏈的無規(guī)度增大，一方面不利于結(jié)晶，另一方面主鏈也更加柔順。這進(jìn)一步證明酯交換速度隨著反應(yīng)溫度的升高而加快。

Temperature/℃圖 3 酯交換反應(yīng)溫度對(duì)1的熱性能的影響*Figure 3 Effect of transesterification temperature on thermal properties of 1*第二次升溫掃描的DSC曲線

Elongation/%

Temperature/℃圖 4 酯交換反應(yīng)溫度對(duì)1的力學(xué)性能的影響Figure 4 Effect of transesterification temperature on mechanical performances of 1

由于1為非晶態(tài)聚合物且Tg低于室溫，因此其拉伸行為將具有彈性體的特性，測試結(jié)果見圖4。由圖4可以看出，1均表現(xiàn)出彈性體特有的應(yīng)力-應(yīng)變行為，且其拉伸強(qiáng)度隨著聚合溫度的升高而單調(diào)減小，不過斷裂伸長率則單調(diào)增大，可見通過調(diào)節(jié)其鏈段結(jié)構(gòu)可制備不同力學(xué)性能的PLLCA共聚物，從而滿足不同臨床需求。

φ(CL)/%圖 5 φ(CL)對(duì)1的力學(xué)性能的影響Figure 5 Effect of φ(CL) on thermodynamic performances of 1

Temperature/℃圖 6 酯交換反應(yīng)溫度對(duì)1的熱性能的影響*Figure 6 Effect of transesterification temperature on thermal properties of 1*第二次升溫掃描的DSC曲線

(2)φ(CL)

Le差別必然導(dǎo)致其熱性能的顯著差別，結(jié)果見圖6。從圖6可以看出，1b～1f多數(shù)為非晶態(tài)聚合物，只有1d在118.8 ℃附近出現(xiàn)較弱的熔融峰，表明其為半結(jié)晶聚合物；隨著φ(CL)的增大，其Tg顯著減小且趨于PCL均聚物的Tg，不過1b有兩個(gè)Tg，表現(xiàn)出嵌段聚合物的特性。由此可見，隨著φ(CL)的增大，1b～1f由嵌段聚合物逐漸變?yōu)闊o規(guī)聚合物，也表明酯交換反應(yīng)隨著φ(CL)的增大而加快。

1b～1f的Tg存在顯著差別，其拉伸行為也同樣表現(xiàn)出明顯的不同，結(jié)果見圖7。由圖7可以看出，1的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變行為存在顯著的差別，1b為硬而韌的材料，1c和1d為軟而韌的材料，1e和1f則為軟而弱的材料，其拉伸強(qiáng)度隨著φ(CL)的增大而迅速減小?？梢姼淖?chǔ)?CL)可在更大范圍內(nèi)調(diào)整PLLCA的力學(xué)性能。

Elongation/%

φ(CL)/%圖 7 φ(CL)對(duì)1的力學(xué)性能的影響Figure 7 Effect of φ(CL) on mechanical performances of 1

3 結(jié)論

本文考察了酯交換反應(yīng)條件對(duì)PLLCA共聚物性能的影響。結(jié)果表明，提高反應(yīng)溫度有利于酯交換反應(yīng)的進(jìn)行，L-LA和ε-CL的平均嵌段長度減小，Tg和拉伸強(qiáng)度也隨之減小，斷裂伸長率則單調(diào)增大；增大φ(ε-CL)同樣有利于酯交換反應(yīng)的進(jìn)行，L-LA的平均嵌段長度隨之減小而ε-CL的平均嵌段長度則增大，Tg和拉伸強(qiáng)度均隨之減小。

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