左旋乳酸和乙醇酸的共聚比例對PLLGA結晶性能的影響初探

趙 娜，馬志剛，尹文燕，杜艷蕓，王志剛，馬可望，胡家尾

(湖北理工學院化學與材料工程學院，湖北黃石435003)

左旋乳酸和乙醇酸的無規(guī)共聚物PLLGA由于無毒、可滅菌、具有較好的生物降解性能、良好的生物相容性、生物可吸收性、較好的機械強度、彈性模量和熱成型性，已被美國FDA批準為可用于人體的生物可降解材料，在生物醫(yī)用方面扮演了重要的角色［1］。與均聚物聚乳酸、聚乙醇酸相比，共聚物PLLGA 的降解速率和強度可以通過調(diào)節(jié)共聚單體的比例來改變［2］，因此，PLLGA 在生物醫(yī)學領域中的用途越來越廣泛。由PLLGA 制備的骨螺釘和骨夾板具有不銹鋼材料所不具備的優(yōu)點，如在使用過程中不易被腐蝕;隨著植入時間的延長，材料不斷降解，強度不斷降低，使應力逐漸轉(zhuǎn)移到骨骼上，進而大幅度減少由于應力屏蔽效應導致的骨質(zhì)疏松癥;內(nèi)固定物不需2 次手術取出［3］，可減輕病人的痛苦。

對于生物可降解醫(yī)用材料來說，降解速率和強度是影響其應用的2 項重要指標。很多因素會影響高分子材料的降解和機械性能，如結晶度、分子量、樣品尺寸等［4－5］，其中，結晶度是最重要的影響因素之一［6－8］。研究表明，結晶度提高會引起材料強度的改善和降解時間的延長［9］。

影響PLLGA 結晶性能的主要因素是共聚單體的比例［2］，均聚物PLLA 和PGA 是半結晶性高分子，在合適的條件下均可結晶，其中PGA 的結晶能力較好。而他們的共聚物PLLGA 是一種無規(guī)共聚物，從理論角度看，分子鏈段的規(guī)整程度較均聚物降低，結晶能力因此降低。但對不同共聚比例PLLGA 結晶性能的系統(tǒng)研究較少，大多針對某一共聚比例的PLLGA 進行詳細的研究，因此缺少系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

本研究擬合成一系列不同共聚比例的PLLGA，再對他們的結晶性能進行初步研究。

1 實驗部分

1.1 原料及儀器

左旋乳酸(醫(yī)用90%水溶液);乙醇酸(化學純，上海化學試劑有限公司);二水合氯化亞錫(分析純，天津科密歐化學試劑有限公司);對甲苯磺酸(分析純，成都市科龍化學試劑廠);3A 分子篩(天津科密歐化學試劑有限公司);分子篩按文獻［11］進行處理，氯仿為分析純。

偏光顯微鏡(XPN－203，上海長方光學儀器有限公司);程序溫度控制儀(XMT－3000A(4000A)，上海長方光學儀器有限公司);差示掃描量熱儀(DSCQ TA Instruments)。

1.2 PLLGA 的制備

PLLGA 的制備按文獻［10］進行。選擇氯仿作溶劑，用烏氏粘度計測試樣品的粘度。樣品PLLGA9010(η=2.73 mPa·s)中L－LA 和GA 的摩爾比為 90/10，PLLGA8812 (η=2.11 mPa·s)中L－LA 和GA 的摩爾比為88/12，PLLGA8218(η= 1.70 mPa·s)中LLA 和GA 的摩爾比為82/18。

1.3 PLLGA 的結晶性能表征

取少量樣品置于玻璃片上，并將玻璃片置于偏光顯微鏡的熱臺上，溫度由程序溫度控制儀控制。迅速升溫至200℃，在此溫度下保持3 min 使樣品完全熔融，此時將樣品壓成薄膜，迅速降溫至期望的結晶溫度(Tc)，在此結晶溫度下保持足夠時間，根據(jù)球晶生長的情況決定拍攝球晶照片的時間間隔。用這個方法分別觀察PLLGA9010、PLLGA8812、PLLGA8218在不同結晶溫度下的球晶生長情況。

測量球晶的半徑，用半徑的數(shù)值對球晶生長時間作圖，線性回歸得到直線，直線的斜率就是球晶在這一結晶溫度下的球晶生長速度G［11］。

采用差示掃描量熱分析儀(DSC)對樣品進行熱力學性能測試。載氣為氮氣，流速為40 cm3/min，先迅速降溫至－40℃，再以5℃/min 的升溫速率掃描至230℃。

2 結果與討論

結晶的形成需要2 個步驟，第1 步是晶核的形成，第2 步是晶體的生長。晶核形成有均相成核和異相成核2 種方式，前者是熔體中分子經(jīng)熱運動成核，有時間依賴性，多在較低的溫度下形成;異相成核多是外來雜質(zhì)和未完全熔融的剩余結晶部分形成晶核，可瞬間成核，與時間無關，在較高溫度下即可形成［11］。在本研究中，合成的3 種共聚物在進行結晶行為研究時，未加入其他雜質(zhì)，所以是均相成核，是熔體中分子經(jīng)熱運動成核，有時間依賴性。

PLLGA9010 在不同溫度下的球晶生長情況如圖1所示。從圖1 中可以看出，PLLGA9010 在110℃、120℃和140℃的球晶規(guī)整程度較差，這主要是由于結晶溫度太低時，分子鏈段運動能力較低，因而不能規(guī)整排列;而結晶溫度太高時，分子鏈段運動速度較快，可短時間內(nèi)迅速排列至晶核而缺乏規(guī)整排列的時間，因而球晶形態(tài)不夠規(guī)整。在130℃，球晶的生長情況較好，形成的球晶規(guī)整性良好，說明在130℃時，PLLGA9010 可以合適的速度排列至晶核，且可規(guī)整排列，因而是PLLGA9010 結晶的較好的溫度。

圖1 PLLGA9010 在不同溫度下的球晶生長情況

用軟件測量球晶的半徑，以球晶半徑對球晶生長時間作圖，經(jīng)線性回歸可得一條直線，直線的斜率就是球晶半徑的生長速度。

PLLGA9010 在不同溫度下的球晶半徑隨時間的變化如圖2所示。從圖2 中可以看出，PLLGA9010 在120℃時球晶生長速率最快，可以達到1.37 μm/min，在130℃與120℃時的球晶生長速度接近，可以達到1.23 μm/min，說明PLLGA9010 在120℃和130℃都有較快的生長速度，在這2 個溫度下，分子鏈段向晶核排列的速度較快。

圖2 PLLGA9010 在不同溫度下的球晶半徑隨時間的變化

PLLGA8812 在不同溫度下的球晶生長情況如圖3所示。從圖3 中可以看出，PLLGA8812 在110℃只能形成很小的晶粒，但晶粒數(shù)量很多，生成速率很快，短時間內(nèi)相鄰的晶粒緊密堆積起來，不再生長成完整的球晶，因此不能測量球晶的半徑。在120℃和130℃時，球晶的生長情況較好，形成的球晶規(guī)整性良好，說明120℃和130℃是PLLGA8812 結晶的較好的溫度。在140℃，球晶規(guī)整程度較差，不能形成規(guī)整球形的球晶，這主要是由于結晶溫度太高，分子鏈段不能規(guī)整排列。

圖3 PLLGA8812 在不同溫度下的球晶生長情況

PLLGA8812 在不同溫度下的球晶半徑隨時間的變化如圖4所示。從圖4 中可以看出，PLLGA8812 在120℃時球晶生長速率最快，可以達到0.83 μm/min，在130℃時，球晶生長速率較慢，為0.53 μm/min，在140℃時球晶生長速率最慢，為0.27 μm/min，說明PLLGA8812 在120℃有較快的球晶生長速率，在此溫度下，分子鏈段向晶核排列的速度較快，因此結晶速度較快。結合球晶的形貌特征，120℃是PLLGA8812 形成球晶較好的溫度。

PLLGA8218 在不同溫度下的球晶生長情況如圖5所示。從圖5 中可以看出，PLLGA8218 在100℃和110℃時難于形成較大的、完整的球晶，說明在此溫度下短時間內(nèi)形成大量晶核，但結晶溫度太低，分子鏈段運動能力太差，不能迅速排列至晶核，球晶生長速度低于晶核生成速率，因而只能形成大量晶粒。在120℃和130℃時，球晶規(guī)整程度均較好，但在130℃時，形成球晶的數(shù)量較少，說明在130℃時形成晶核數(shù)量較少，球晶生長速度高于晶核生成速率，因而可形成較大的、規(guī)整的球晶。

圖4 PLLGA8812 在不同溫度下的球晶半徑隨時間的變化

圖5 PLLGA8218 在不同溫度下的球晶生長情況

PLLGA8218 在不同溫度下的球晶半徑隨時間的變化如圖6所示。從圖6 中可以看出，PLLGA8218 在130℃時球晶生長速度最快，可以達到0.85 μm/min，在120℃與130℃時的球晶生長速率接近，可以達到0.76 μm/min，說明PLLGA8218 在120℃和130℃時都有較快的生長速率，在這2 個溫度下，分子鏈段向晶核排列的速度較快。

圖6 PLLGA8218 在不同溫度下的球晶半徑隨時間的變化

將PLLGA9010、PLLGA8812 和PLLGA8218在不同溫度下的球晶生長速度總結在表1 中。

表1 不同聚合物在不同溫度下的球晶生長速度μm/min

從表1 中可以看出，在所有溫度下，PLLGA9010 的球晶生長速率都是最快的，PLLGA8812 和PLLGA8218 球晶的生長速率較接近。

L－LA 的均聚物PLLA 和GA 的均聚物PGA 都是結晶性高分子，結晶速率較快。共聚物PLLGA9010、PLLGA8812 和PLLGA8218 中少量GA 鏈段的存在降低了共聚物中鏈段的規(guī)整性，使共聚物鏈段的運動能力和向晶核規(guī)整排列的能力下降，因而球晶生長速度下降。

不同共聚比例PLLGA 的DSC 曲線如圖7所示。從圖7 中可以看出，隨著L－LA 含量的增加，冷結晶峰面積和熔融峰面積均顯著增大，說明在相同升溫速率(5°C/min)下，結晶速度明顯提高，與球晶生長速度的結果一致。

圖7 不同共聚比例PLLGA 的DSC 曲線

利用DSC 分析軟件從圖7 中DSC 曲線得出聚合物熔融熱和熔點的數(shù)值，不同聚合物的熔融熱及熔點如表2所示。

表2 不同聚合物的熔融熱及熔點

從表2 中可以看出，隨著L－LA 含量的增加，聚合物熔融熱和熔點明顯提高，這主要是由于L－LA 含量增加，共聚物中分子鏈段規(guī)整性較好，在升溫過程中可以有更多的分子鏈段向晶核排列形成晶體，且排列規(guī)整致密程度更高，從而需要較高的溫度才能熔融，且完全熔融所需的熱量較高，因此導致較高的熔融熱和熔點。

總結球晶生長和DSC 的數(shù)據(jù)可以得出，共聚物中L－LA 含量越高，球晶生長速度越快，熔融熱越高，熔點越高，說明在研究的這3 個共聚比例中，L－LA 含量越高，共聚物的結晶速度越快，形成晶體的規(guī)整程度越好。

3 結論

合成了L－LA 和GA 摩爾比為90/10、88/12 和 82/18 的共聚物 PLLGA9010、PLLGA8812 和PLLGA8218，用偏光顯微鏡研究了不同溫度下不同比例共聚物的球晶生長情況，用DSC 研究了不同比例共聚物的熱力學性質(zhì)。得出的主要結論如下:3 種PLLGA 樣品在120℃和130℃時球晶規(guī)整程度均較好。PLLGA9010 的球晶生長速率最快，PLLGA8812 和PLLGA8218 球晶的生長速率較接近。隨著LLA 含量的增加，熔融熱和熔點明顯提高。從已有數(shù)據(jù)來看，隨著共聚物中L－LA 含量提高，PLLGA 的結晶速度上升。分子量及更多共聚比例對共聚物結晶性能的影響有待進一步進行研究。

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