聚乳酸-聚扁桃酸共聚物的合成與表征

于美玲，蔣 琳，肖 臻，周江峰，袁明龍

(云南民族大學(xué) 云南省生物高分子功能材料工程技術(shù)研究中心，云南 昆明 650500)

聚乳酸由于具有良好的生物降解性及生物相容性被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如骨內(nèi)固定器、藥物控制釋放載體、組織工程支架等.其合成路徑主要是用乳酸合成環(huán)狀中間體丙交酯，然后通過開環(huán)聚合制得[1-2]，該途徑需要較高的溫度和金屬催化劑，并且有酯交換副反應(yīng)發(fā)生，同時(shí)該方法不能用來直接合成帶功能基團(tuán)的聚乳酸及其共聚物.近年來，有文獻(xiàn)報(bào)道通過乳酸氧酸酐環(huán)的開環(huán)聚合來制備聚乳酸，特點(diǎn)是條件溫和，酯交換副反應(yīng)小，從有機(jī)催化劑到有機(jī)金屬配合物都可以催化聚合，還可以在聚合物中引入其他功能基團(tuán)，因此越來越多的人對(duì)氧酸酐環(huán)的聚合進(jìn)行研究[3-5].Pounder等[6]報(bào)道用芐基保護(hù)的蘋果酸氧酸酐的開環(huán)聚合，去除保護(hù)基后得到聚蘋果酸，相當(dāng)于是羧基功能化聚乳酸.Olivier等[7]將谷氨酸轉(zhuǎn)變?yōu)棣?羥基酸后合成氧酸酐環(huán)與乳酸氧酸酐共聚，脫保護(hù)后也得到側(cè)鏈含有羧基的聚乳酸共聚物.我們課題組在前期的工作中用乳酸氧酸酐與氨基酸氮酸酐共聚得到聚乳酸-聚氨基酸共聚物[8]，還研究了稀土催化劑催化乳酸氧酸酐的開環(huán)聚合[9]，得到分子量相對(duì)高的聚乳酸.

聚扁桃酸也是可再生的生物降解材料，其結(jié)構(gòu)與性能與聚苯乙烯有類似之處，有望用來作為聚苯乙烯的替代物，得到具有類似聚苯乙烯性能且可以生物降解的材料[10-12]，同時(shí)也是一種具有發(fā)展?jié)摿Φ乃幬镝尫泡d體.在聚扁桃酸的制備方面，通常采用乳酸與扁桃酸直接縮聚的方法，Kylma及Fukuzaki[13-14]以乳酸和扁桃酸為原料，在辛酸亞錫的催化下縮聚合成poly(LLA-co-DL-MA)共聚物，實(shí)現(xiàn)了在聚乳酸鏈中引入聚扁桃酸，研究表明，隨著扁桃酸含量的增加，材料的玻璃轉(zhuǎn)變溫度逐步增加，但由于聚扁桃酸鏈的苯環(huán)空間位阻較大，所得共聚物的分子量均小于 3 000 g/mol.本文在前期研究工作的基礎(chǔ)上，用乳酸氧酸酐和扁桃酸氧酸酐為原料進(jìn)行開環(huán)共聚，制備聚乳酸-聚扁桃酸共聚物.通過控制聚合過程中各結(jié)構(gòu)單元的含量來制備不同分子量的共聚物，以滿足不同的實(shí)際應(yīng)用需求，為合成聚乳酸類共聚物新材料提供一種新的方法.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器及試劑

共聚物的1H NMR用BRUKER400MHz型核磁共振波譜儀測定；分子量使用凝膠滲透色譜(GPC)測定(Waters 515型凝膠滲透色譜儀，美國Waters公司)，以聚苯乙烯為標(biāo)樣，四氫呋喃(THF)為流動(dòng)相；DSC，TGA表征使用德國NETZSCH公司的DSC-200PC，待測樣品在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，以30 ℃/min升溫至800 ℃.聚合物微球的外觀形態(tài)由SEM表征，美國Qnanta 200；聚合物的晶型使用X射線衍射儀表征，Rigaku D/max 2200 powder diffraction(Tokyo，日本)，測量范圍是廣角3°～60°，掃描速率為 2°/min；聚合物的膠束形態(tài)使用透射電鏡(TEM)觀察，JEM-2100(JEOL Tokyo，日本)，加速電壓200 kV.

二甲氨基吡啶(DMAP)經(jīng)甲苯共沸脫水后使用；四氫呋喃(THF)、二氯甲烷(DCM)、叔丁基甲醚、乙醇、聚乙烯醇(PVA)、異丙醇均為分析純?cè)噭琓HF、DCM和叔丁基甲醚用氫化鈣回流24 h，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下蒸出后使用；氫氧化鋰和三光氣不經(jīng)處理直接使用；乳酸OCA和扁桃酸OCA自制，重結(jié)晶純化后使用.

1.2 合成乳酸OCA和扁桃酸OCA單體

乳酸OCA和扁桃酸OCA單體參考文獻(xiàn)[8,15-17]合成，用三光氣替代劇毒的光氣.乳酸OCA結(jié)構(gòu)表征：1H NMR (CDCl3，400 MHz)δ：5.05～5.00 (m，1H，—CH—O—)，1.68～1.66 (m，3H，—CH3).扁桃酸OCA結(jié)構(gòu)表征：1H NMR (CDCl3，400 MHz)δ：7.51～7.26 (m，5H，—ph)，6.01 (m，1H，─CH─ph).

1.3 合成聚(乳酸-扁桃酸)共聚物

稱取扁桃酸OCA(1.78 g，10 mmol)和乳酸OCA(1.16 g，10 mmol)于50 mL單口瓶中，氮?dú)庵脫Q3次，用注射器通過乳膠管加入15 mL干燥的DCM，磁力攪拌至溶解完全后，用注射器分別加入 0.005 8 g 特戊醇和 0.008 14 g DMAP的DCM溶液，聚合反應(yīng)在25 ℃攪拌反應(yīng)8 h，真空濃縮除去一部分溶劑，加入大量乙醇沉淀得到白色絮狀物，將固體抽濾出，真空干燥得到聚乳酸-聚扁桃酸共聚物.合成路線如圖1所示.

1.4 制備聚(乳酸-扁桃酸)聚物共聚物微球

聚乳酸-聚扁桃酸共聚物微球采用溶劑揮發(fā)法雙乳液體系(W1/O/W2)制備，以滅活的輪狀病毒(RV)水溶液做為內(nèi)水相W1，聚乳酸-聚扁桃酸共聚物的DCM溶液作油相O，穩(wěn)定劑1% PVA水溶液為外水相W2.在高速攪拌下(20 000 r/min)將內(nèi)水相W1加入到油相O中，乳化成W1/O初乳，同樣在高速攪拌下將W1/O初乳加入到外水相W2，第2次乳化形成W1/O/W2雙乳液，將雙乳液體系加入到5%異丙醇水溶液中攪拌4～5 h以除去溶劑，進(jìn)行離心分離(100 000 r/min，8 min)，用重蒸水洗滌3次，冷凍干燥得到微球粉末.

2 結(jié)果與討論

2.1 聚乳酸-聚扁桃酸共聚物的合成

2種OCA單體的摩爾比為1∶1，聚合反應(yīng)8 h，考察不同的催化劑用量對(duì)開環(huán)共聚的催化活性影響，從表1中可以看出當(dāng)單體與催化劑的比例為300∶1時(shí)，獲得的聚合物分子量較大，催化劑濃度大于或小于300∶1都對(duì)聚合不利，這是因?yàn)榇呋瘎舛冗^高，催化活性中心就會(huì)增多，從而導(dǎo)致齊聚物的產(chǎn)生使分子量降低.如果催化劑濃度小，催化活性中心就相應(yīng)較少，難以引發(fā)單體的聚合.因此，兩者共聚的最佳催化劑用量是單體與催化劑的摩爾比為300∶1.

表1 扁桃酸OCA與乳酸OCA共聚物Mn、Mw、 PDI分布

注：反應(yīng)在25 ℃下聚合8 h；反應(yīng)溶劑是DCM，濃度為2 mol/L；a.扁桃酸OCA與乳酸OCA單體比例為摩爾比1∶1；b.用凝膠滲透色譜測定，以THF為流動(dòng)相；c.通過質(zhì)量計(jì)算.

根據(jù)表1所得結(jié)果，選取催化劑比例為 300∶1，通過調(diào)節(jié)不同的單體比例，對(duì)聚合進(jìn)行了研究，表2為不同單體比例的共聚物的GPC分析結(jié)果，其中，乳酸OCA與扁桃酸OCA的質(zhì)量比分別為9∶1、8∶2、7∶3、6∶4和5∶5.從表2中可以看出，隨著共聚物中扁桃酸OCA含量的逐漸增大，共聚物的分子量呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，乳酸OCA與扁桃酸OCA的質(zhì)量比為9∶1時(shí)，獲得共聚物分子量較其它比例的大.圖2是不同分子量共聚物的GPC曲線，A～E分別是質(zhì)量比為9∶1～5∶5共聚物的GPC曲線.從圖中可以看出共聚物的GPC曲線為單峰，這說明乳酸OCA與扁桃酸OCA成功的共聚，而沒有均聚物的產(chǎn)生.不論是表1還是表2中，聚合物的分子量分布都比較窄，PDI介于1.06～1.27之間.圖3為共聚物的核磁氫譜，δ=7.44～7.29是聚扁桃酸鏈中苯環(huán)上氫質(zhì)子的特征峰，δ=6.06～5.96和δ=5.20～5.16分別是聚扁桃酸和聚乳酸鏈次甲基上氫質(zhì)子的特征峰，聚乳酸的重復(fù)單元—CH(CH3)O—中甲基氫質(zhì)子的特征峰位于δ=1.58～1.57.圖4通過ESI-MS對(duì)共聚物的末端基進(jìn)行了分析，較突出的質(zhì)核比m/z=88.3歸屬為共聚物端羥基的離子峰，由于分子量較大，等間距的共聚物重復(fù)單元結(jié)構(gòu)未能同時(shí)顯現(xiàn)在質(zhì)譜中.

表2 不同比例共聚物的Mn、Mw、及PDI分布

注：25 ℃下聚合8 h；反應(yīng)溶劑是DCM，濃度為2 mol/L；a.扁桃酸OCA與乳酸OCA聚合比例為質(zhì)量比；b.用凝膠滲透色譜測定，以THF為流動(dòng)相；c.通過質(zhì)量計(jì)算.

2.2 熱力學(xué)分析

圖5、6中A～E分別是質(zhì)量比為9∶1～5∶5共聚物的DSC、TGA曲線，從DSC曲線上可以看出，該共聚物有2個(gè)玻璃化轉(zhuǎn)變階段，在較低溫度開始熔融的是聚乳酸鏈段，而較高溫度開始熔融的是聚扁桃酸鏈段，聚扁桃酸鏈段的引入使共聚物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度得到提高，從82.7 ℃線性增加到94.1 ℃，而純聚乳酸的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為68～72 ℃.綜合TGA和DTG曲線(圖7)分析，當(dāng)加熱到800 ℃時(shí)，共聚物的質(zhì)量殘余隨著扁桃酸OCA含量的增加而增加，從質(zhì)量比為9∶1時(shí)的4.61%線型增加到質(zhì)量比為5∶5時(shí)的8.31%，共聚物的分解隨著扁桃酸OCA含量的增加而越來越不完全，但是共聚物的分解溫度從313.5 ℃、314.8 ℃降低到272.6 ℃，均低于純聚乳酸的分解溫度，這說明扁桃酸OCA的引入降低了聚合物的分解溫度.

2.3 TEM和XRD表征

共聚物的膠束形態(tài)由JEM-2100(JEOL Tokyo，日本)測試，將樣品溶解在DCM中，滴在孔徑為0.077 mm的銅載網(wǎng)格上，待溶劑揮發(fā)后進(jìn)行測試，加速電壓200 kV.圖8為共聚物膠束的透射成像，共聚物在TEM下成像是網(wǎng)狀或圓點(diǎn)狀結(jié)構(gòu).經(jīng)過對(duì)圖9共聚物的XRD分析可知，聚乳酸與聚扁桃酸共聚后，聚乳酸16.4°到22.3°處的衍射與扁桃酸在10.39°的衍射峰部分重疊，并呈現(xiàn)出饅頭峰，說明2種OCA共聚形成聚合物后變成非晶態(tài)物質(zhì).

圖8 聚乳酸-聚扁桃酸共聚物的TEM圖

圖10 聚乳酸-聚扁桃酸共聚物微球的SEM圖

2.4 共聚物微球的SEM表征及體外降解和釋放

圖10是以質(zhì)量比9∶1的共聚物為載體材料，對(duì)輪狀病毒進(jìn)行包裹的微球外觀形態(tài)圖，從圖中可以看到層疊的微球，微球粒徑較小在1～5 μm，但是有團(tuán)聚現(xiàn)象出現(xiàn)，這可能與材料的親疏水性或藥物的水溶性有關(guān).聚合物微球的降解采用pH值法測定，準(zhǔn)確稱量30 mg凍干的聚合物微球于降解管中，加入3 mL PBS緩沖液(pH 7.4)，將降解管置于37 ℃水浴恒溫振蕩器中振蕩，定期測量pH值.圖11是載藥微球在降解介質(zhì)中降解過程的pH值的變化曲線，從圖中可以看出，隨著降解的進(jìn)行，降解介質(zhì)的pH值逐漸降低，經(jīng)過近30天的降解，pH值由7.4降低到6.7，并有持續(xù)降低的趨勢.降解介質(zhì)的pH值在前兩周降低得比較快，然后趨于平穩(wěn)，這主要是由于大量介質(zhì)進(jìn)入微球基體，致使聚合物微球降解產(chǎn)生低聚物及乳酸小分子擴(kuò)散到降解介質(zhì)中.

3 結(jié)語

通過DMAP引發(fā)乳酸OCA和扁桃酸OCA開環(huán)共聚得到聚乳酸-聚扁桃酸共聚物，在聚乳酸主鏈引入聚扁桃酸后，共聚物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度聚乳酸的高，同時(shí)分解溫度相應(yīng)降低，改善了材料的降解性能和熱力學(xué)性能.通過調(diào)整單體的不同比例，最終可控制聚合物的分子量，且所得的共聚物的分子量分布較窄，介于1.06～1.27之間.同時(shí)將聚乳酸-聚扁桃酸共聚物作為載體對(duì)輪狀病毒進(jìn)行包埋，并對(duì)共聚物微球進(jìn)行降解研究，降解過程中聚合物微球降解產(chǎn)生低聚物及乳酸小分子擴(kuò)散到降解介質(zhì)中，使降解介質(zhì)的pH值在前兩周降低得比較快，然后趨于平穩(wěn)，具有較好的規(guī)律性.研究表明聚乳酸-聚扁桃酸共聚物可用作藥物控制釋放載體.

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