基于點(diǎn)擊化學(xué)的聚己內(nèi)酯接枝共聚研究

李明明，潘鵬舉，單國榮，包永忠

化學(xué)工程聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院，浙江 杭州 310027

聚己內(nèi)酯（PCL）是一種典型的生物可降解高分子，降解后的產(chǎn)物為CO2和H2O，對(duì)環(huán)境和人體無危害。PCL 具有優(yōu)良的生物相容性和力學(xué)性能，已被廣泛用于藥物緩釋和組織修復(fù)等領(lǐng)域[1]。但PCL結(jié)晶性較強(qiáng)，親水性較差，在體內(nèi)降解速度較慢，從而限制了其應(yīng)用領(lǐng)域。文獻(xiàn)上對(duì)PCL 末端改性和嵌段共聚的研究報(bào)道較多，但嵌段共聚物結(jié)構(gòu)與性能的均一性較差。近來，研究人員嘗試在PCL側(cè)鏈引入活性官能團(tuán)以制備性能更加優(yōu)異的接枝共聚物[2-4]。

本工作利用鹵素官能化己內(nèi)酯單體（CL）與未改性CL 的開環(huán)聚合（ROP），制備了側(cè)鏈鹵素官能化的PCL，然后將鹵素轉(zhuǎn)化為疊氮基團(tuán)，再利用點(diǎn)擊化學(xué)方法，將聚乙二醇（PEG）接枝至PCL主鏈，得到了PCL-g-PEG，該方法可有效調(diào)控共聚物的接枝密度和接枝鏈長(zhǎng)度，同時(shí)研究了接枝共聚物在水溶液中的膠束化自組裝，所制備膠束材料在藥物緩釋等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用空間。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

CL（>99%，TCI）、月桂醇（>99%，百靈威）、辛酸亞錫（95%，Aldrich-Sigma）、聚乙二醇單甲醚（mPEG，分子量1 000 和1 900，Alfa Aesar）、4-戊炔酸（95%，百靈威）、二環(huán)己基碳化二亞胺（DCC，99%，阿拉?。?-二甲基氨基吡啶（DMAP，99%，百靈威）、抗壞血酸鈉（99%，阿拉?。┑染鶠榉治黾?。α-氯代CL（αClεCL）由Jerome 等所報(bào)道的方法制得[3]。CL 經(jīng)氫化鈣干燥48 h，減壓蒸餾提純。甲苯利用氫化鈣為干燥劑，加熱回流48 h 除水。

1.2 聚合反應(yīng)

1.2.1 氯官能化PCL 的合成

利用CL 和αClεCL 開環(huán)共聚制備了氯官能化的PCL，即P(CL-co-αClεCL)。開環(huán)聚合中以月桂醇為引發(fā)劑，辛酸亞錫為催化劑，無水甲苯為溶劑。將一定量的αClεCL、CL、月桂醇和辛酸亞錫加入至經(jīng)充分干燥的燒瓶中，其中催化劑與引發(fā)劑的物質(zhì)的量比為3:1，將反應(yīng)瓶連接至雙排管，抽充氬氣三次后注射加入甲苯。升溫至70 ℃開始聚合，反應(yīng)48 h，然后將產(chǎn)物溶于氯仿，緩慢滴至無水乙醇中沉淀以除去未反應(yīng)的單體，沉淀三次，最后將粗產(chǎn)物在40 ℃真空干燥箱中干燥至恒重。氯官能化的PCL 用P(CL-co-xαClεCL)表示，x為制備中αClεCL 單體的投料質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.2.2 疊氮官能化PCL 的制備

采用親核取代法[4]制備了疊氮官能化PCL，即P(CL-co-αN3εCL)。將一定量的P(CL-co-αClεCL)、NaN3和N,N二甲基甲酰胺（DMF）加入到100 mL 燒瓶中，室溫?cái)嚢?4 h，然后加入氯仿，用去離子水洗滌多次，有機(jī)相經(jīng)無水硫酸鎂干燥，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去溶劑，然后產(chǎn)物在45 ℃下真空干燥至恒重。

1.2.3 末端炔化PEG 的制備

向250 mL 燒瓶中加入適量的mPEG、4-戊炔酸和二氯甲烷，將燒瓶置于冰水浴中，滴加DCC 的二氯甲烷溶液，同時(shí)緩慢滴加DMAP 的二氯甲烷溶液，其中mPEG、戊炔酸、DCC、DMAP 的投料物質(zhì)的量比為1:1.2:1:0.05。反應(yīng)物在0 ℃反應(yīng)1 h，室溫反應(yīng)24 h，過濾，濾液依次用0.5 mol/L 的NaOH 水溶液、去離子水洗滌至中性，有機(jī)相經(jīng)無水硫酸鎂干燥，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去溶劑，最后在45 ℃條件下真空干燥至恒重。

1.2.4 PCL-g-PEG 的制備

將適量的P(CL-co-αN3εCL)、mPEG、抗壞血酸鈉、CuSO4加入至經(jīng)充分干燥、充滿氬氣的燒瓶中，然后注射加入經(jīng)氮?dú)夤呐莩醯腄MF，室溫下反應(yīng)24 h，其中PCL 中疊氮基、PEG 中炔基、CuSO4催化劑、抗壞血酸鈉還原劑的物質(zhì)的量比為1:1.2:0.4:0.8。反應(yīng)后將反應(yīng)液注入透析袋（截留分子量為3 500）中，在去離子水中充分透析，最后將透析液冷凍干燥得到產(chǎn)物。接枝共聚物用PCLy-g-PEGz表示，其中y和z分別代表P(CL-co-αClεCL)制備中αClεCL 的投料質(zhì)量分?jǐn)?shù)和PEG 接枝鏈的分子量。

1.3 測(cè)試與表征

利用400 M NMR（Bruker AVANCE II）分析了樣品的氫譜核磁（1H-NMR），以氘代氯仿或氘代水為溶劑，化學(xué)位移用溶劑峰標(biāo)定。

利用Nicolet 5700 紅外光譜儀測(cè)試了聚合物的紅外光譜（IR）譜圖。

利用Waters 凝膠滲透色譜儀（GPC，PL-gel mix C 色譜柱）測(cè)試了聚合物的分子量，流動(dòng)相為DMF，流動(dòng)相流速1.0 mL/min，測(cè)試柱溫60 ℃，采用聚甲基丙烯酸甲酯作為標(biāo)樣。

采用表面張力法測(cè)定共聚物的臨界膠束濃度（CMC）。將樣品配制成不同濃度（4×10-4～1.0 g/L）的水溶液，然后在20 ℃條件下用表面張力儀測(cè)試了溶液的表面張力。CMC 由表面張力與樣品濃度關(guān)系圖求得。

膠束的流體力學(xué)直徑（Dh）采用動(dòng)態(tài)光散射（DLS，Zetasizer 3000 HAS）測(cè)試，測(cè)試前膠束溶液（1.0 g/L）用0.45 μm 有機(jī)過濾膜過濾。

透射電子顯微鏡（TEM，JEM-1230）觀察膠束的結(jié)構(gòu)形貌。將樣品溶液滴至銅網(wǎng)上，置于真空干燥箱中室溫干燥48 h，測(cè)試電壓為80 kV。

2 結(jié)果與討論

2.1 疊氮官能化PCL 的制備

圖1為PCL-g-PEG 的合成路線。

圖1 點(diǎn)擊化學(xué)法PCL-g-PEG 的制備Fig.1 Synthesis of PCL-g-PEG via click chemistry

首先利用開環(huán)聚合制備了P(CL-co-αClεCL)，圖2為P(CL-co-αClεCL)和P(CL-co-αN3εCL)的1H-NMR 與IR 譜圖。

圖2 P(CL-co-20%αClεCL)和P(CL-co-20%αN3εCL)的1H-NMR (a)和FT-IR (b)圖譜Fig.2 1H-NMR (a) and FT-IR (b) spectra of P(CL-co-20%αClεCL) and P(CL-co-20%αN3εCL)

基于1H-NMR 的結(jié)果，計(jì)算了P(CL-co-αClεCL)的理論數(shù)均分子量（Mn,th）、αClεCL 單元的摩爾分?jǐn)?shù)（nαClεCL）、質(zhì)量分?jǐn)?shù)（wαClεCL）和數(shù)均分子量（Mn,NMR），計(jì)算公式如下。

其中148.64 和114.14 分別為αClεCL 和CL 的摩爾質(zhì)量，yield 為聚合物產(chǎn)率，I代表1H-NMR 譜圖中對(duì)應(yīng)峰的強(qiáng)度。式（2）中，在4.3 ppm (a′峰)和4.2 ppm (e′峰)處核磁共振峰分別代表αClεCL 中—CHCl—和—CH2COO—單元中氫的共振峰，與εCL 中—CH2COO—單元的氫的共振峰（a 峰）強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，可得到共聚物中αClεCL 單元所占的比例。

利用P(CL-co-αClεCL)與NaN3的親核取代反應(yīng)制備了P(CL-co-αN3εCL)。如圖2(a)所示，在化學(xué)位移3.8 ppm 附近出現(xiàn)—CHN3—單元中氫的共振峰，同時(shí)P(CL-co-αClεCL)中化學(xué)位移4.3 ppm 附近處的—CHCl—單元中氫的核磁共振峰消失，說明氯完全被疊氮基團(tuán)所取代。在圖2(b)中，2 106 cm-1處出現(xiàn)了疊氮基團(tuán)的伸縮振動(dòng)峰，說明成功制備了P(CL-co-20%αN3εCL)。表1列出了共聚物的投料比、化學(xué)組成和分子量，由該表可知，wαClεCL與αClεCL 的投料比基本相同，GPC 所測(cè)數(shù)均分子量（Mn,GPC）與Mn,th、Mn,NMR非常接近，分子量分布指數(shù)較小，說明P(CL-co-αClεCL)的共聚組成和分子量可由開環(huán)聚合很好控制。

表1 P(CL-co-αClεCL)的合成投料比、共聚組成和分子量Table 1 Feed ratio, composition, and molecular weight of P(CL-co-αClεCL)

2.2 PCL-g-PEG 的制備

利用端炔基PEG 和P(CL-co-αN3εCL)的點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)制備了PCL-g-PEG。如圖3(a)所示，在化學(xué)位移7.6 ppm 附近可觀察到唑環(huán)上次甲基的特征峰，在化學(xué)位移5.3 ppm 附近出現(xiàn)緊鄰唑環(huán)的PCL 骨架上的次甲基的特征峰。如圖3(b)所示，IR 圖譜中2 106 cm-1附近處疊氮基團(tuán)的伸縮振動(dòng)峰消失，1 100 cm-1附近出現(xiàn)PEG 中C-O 鍵的伸縮振動(dòng)峰。

圖3 PCL20-g-PEG1.0k 的1H-NMR (a)和FT-IR (b)圖譜Fig.3 1H-NMR (a) and FT-IR (b) spectra of PCL20-g-PEG1.0k

如圖4所示，隨著接枝鏈長(zhǎng)度增加，GPC 流出時(shí)間變短，共聚物分子量增大，NMR、IR 和GPC的結(jié)果均表明PEG 鏈已成功接枝至PCL 骨架。但是，如圖3(a)所示，在化學(xué)位移3.8 ppm 處可觀察到—CHN3—單元中氫的較弱的核磁共振峰，說明少量疊氮基未參加點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)。

圖4 含不同接枝鏈長(zhǎng)度的PCL20-g-PEG 的GPC 結(jié)果Fig.4 GPC traces of PCL20-g-PEG graft copolymers with different graft lengths

表2列出了所制備PCL-g-PEG 的共聚組成、分子量和物理性質(zhì)，其中DS表示點(diǎn)擊化學(xué)中疊氮基團(tuán)的反應(yīng)百分率，Wgraft為共聚物中接枝鏈的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，Mn,th表示接枝共聚物的理論數(shù)均分子量，其計(jì)算方法如公式（5）～（7）。式（5）中，Ie為點(diǎn)擊反應(yīng)后PCL 主鏈與唑環(huán)相連處CH2中氫的核磁共振峰強(qiáng)度（圖3a），Ia′為未發(fā)生點(diǎn)擊反應(yīng)的PCL 主鏈與疊氮基團(tuán)相連處CH2中氫的核磁共振峰強(qiáng)度（圖2a）。式（6）中，Idd′代表PCL 骨架的—CH2OOC—單元中氫核磁共振峰的強(qiáng)度，Ij代表PEG 接枝鏈—OCH2CH2—單元中氫的核磁共振峰的強(qiáng)度，兩者對(duì)比可得接枝共聚物的共聚組成。由表2可知，Mn,th和Mn,GPC較接近。由于共聚物中PEG 含量較大，其在室溫下均可直接溶于水。

2.3 PCL-g-PEG 的膠束化自組裝

PCL-g-PEG 具有兩親性，在水中可自組裝形成膠束。通過比較PCL-g-PEG 在CDCl3和D2O 中的1H-NMR 譜圖，確認(rèn)了其膠束化[5]。如圖5所示，在CDCl3中，PCL 和PEG 鏈段呈現(xiàn)清晰的共振特征峰，說明共聚物中所有鏈段均能很好地溶解。而在D2O 中，只能觀察到親水鏈段PEG 的特征峰，而疏水鏈段PCL 的特征峰較寬，并且非常弱，這表明在水溶液中PCL-g-PEG 形成以PCL 為核層、PEG為殼層的核-殼膠束。

采用表面張力法測(cè)定了PCL-g-PEG 的臨界膠束濃度。當(dāng)兩親性共聚物溶液濃度達(dá)到CMC 時(shí)，其表面張力與濃度的斜率發(fā)生突變，在CMC 之上隨濃度的增大表面張力變化不明顯[6]。如圖6所示，CMC 由共聚物濃度與表面張力的關(guān)系曲線可以求得。共聚組成對(duì)PCL-g-PEG 的CMC 影響較大，當(dāng)PEG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)由47%增加至72%時(shí)，CMC由30.8 升高至65.6 mg/mL，這是因?yàn)楣簿畚镏杏H水性鏈段的含量升高所致。

圖5 PCL20-g-PEG1.9k 在CDCl3 和D2O 中的1H-NMR 圖譜Fig.5 1H-NMR spectra of PCL20-g-PEG1.9k in CDCl3 and D2O

圖6 PCL20-g-PEG 水溶液濃度與表面張力的關(guān)系Fig.6 Plots of PCL20-g-PEG surface tension as a function of copolymer concentration

利用DLS 和TEM 研究了PCL-g-PEG 膠束的結(jié)構(gòu)形貌。由表2可知，共聚物的Dh與其共聚組成有關(guān)。隨著接枝鏈長(zhǎng)度即PEG 分子量的增大，膠束粒徑增大，這是由膠束的殼層較厚所致。以P(CL-co-20%αClεCL)為骨架的接枝共聚物為例，當(dāng)PEG 分子量從1.0k 增加至1.9k 時(shí)，Dh從116.1 nm增大至136.1 nm。當(dāng)PEG 鏈段的分子量一定時(shí)，接枝密度越小，膠束Dh越大，這是因?yàn)閷?duì)于含有較多成核鏈段的共聚物，需形成較大核層的膠束才能包括所有疏水鏈段[7]。如圖7所示，膠束粒徑在100 nm 附近，但粒徑分布較寬。如圖8所示，膠束呈球形，粒徑在100 nm 左右，但粒徑分布較大，這與DLS 所測(cè)結(jié)果一致。

圖7 PCL20-g-PEG1.9k 膠束粒徑分布Fig.7 Particle size distribution of PCL20-g-PEG1.9k micelle

圖8 PCL20-g-PEG1.9k 膠束的TEMFig.8 TEM micrograph of PCL20-g-PEG1.9k micelle

3 結(jié) 論

利用開環(huán)聚合制備了氯官能化的PCL，然后將氯轉(zhuǎn)化為疊氮，進(jìn)而采用點(diǎn)擊化學(xué)法制備了PCL-g-PEG 接枝共聚物，并研究了其膠束化行為。開環(huán)聚合可良好控制氯官能化PCL 的分子量和氯官能基含量，1H-NMR 結(jié)果證明PCL-g-PEG 在水溶液中可自組裝成球形膠束，隨著PEG 接枝鏈質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，PCL-g-PEG 的CMC值增大。PCL-g-PEG 共聚組成顯著影響其粒徑，在相同接枝密度時(shí)，Dh隨著接枝鏈長(zhǎng)的增大而增大。當(dāng)接枝鏈長(zhǎng)度一定時(shí)，接枝密度越大，Dh越小。

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