制備聚(L-乳酸-co-乙醇酸)/聚D-乳酸共混物立構(gòu)復(fù)合物的新方法*

董　軍，白　威，黃冬玲，熊成東(.中國科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)研究所，四川成都　6004; 2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京　00049)

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制備聚(L-乳酸-co-乙醇酸)/
聚D-乳酸共混物立構(gòu)復(fù)合物的新方法*

董軍1，2，白威1，黃冬玲1，熊成東1
(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)院大學(xué)，北京100049)

摘要:首次以高分子量的聚(L-乳酸-co-乙醇酸)(PLLGA)和D-聚乳酸(PDLA)［m(PLLGA)∶m(PDLA)=3∶1，c 50 mL·g－1］為原料，氯仿為溶劑，等體積的甲醇為沉淀劑，于50℃蒸發(fā)4 h形成了PLLGA和PDLA的立構(gòu)復(fù)合物(sc-PLA)，其結(jié)構(gòu)和性能經(jīng)XRD，DSC和TGA表征。結(jié)果表明:sc-PLA的結(jié)晶度達(dá)96.2%，熱失重5%溫度為342℃(PLLGA為304℃)。

關(guān)鍵詞:聚乳酸-乙醇酸; D-聚乳酸;立構(gòu)復(fù)合物;制備;熱穩(wěn)定性

聚乳酸立構(gòu)復(fù)合物(sc-PLA)既具有與L-聚乳酸(PLLA)和D-聚乳酸(PDLA)不同的結(jié)構(gòu)和更好的物理性質(zhì)，同時(shí)還保持了聚乳酸無毒無害、生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)［1］，在醫(yī)用材料及環(huán)保領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用價(jià)值［2－3］。但sc-PLA的有效形成是限制其實(shí)際應(yīng)用最亟待解決的問題之一，尤其是以高分子量PLLA為基礎(chǔ)的共聚物與PDLA之間sc-PLA的有效形成［4－5］。為此，研究人員探討了影響sc-PLA形成的各種因素，提出了多種制備sc-PLA的方法［6－7］。

迄今為止，sc-PLA的制備方法大致分為三種:熔融法，CO2超臨界流體技術(shù)和溶液法。其中熔融法是最利于工業(yè)化的方法，但該法要求任一共混組分的粘均分子量(Mv)不超過6×103g·mol－1，沒有實(shí)際應(yīng)用意義;另外，熔融法的加工溫度較高(220℃～250℃)，往往造成分子量下降［8］。CO2超臨界流體技術(shù)是目前報(bào)道最有效的sc-PLA制備方法，但該方法目前工藝尚不成熟，僅限于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模［9］。溶液法操作簡單，但制備周期較長，產(chǎn)物多為膜狀固體不利于后期加工。

隨著對(duì)sc-PLA研究的深入，學(xué)者們嘗試了新的方法或?qū)ΜF(xiàn)有方法進(jìn)行了改進(jìn)［10－12］。在此基礎(chǔ)上，本文首次以高分子量的聚(L-乳酸-co-乙醇酸)(PLLGA)和PDLA為原料，采用改良的溶劑法，簡單、快捷、有效地使PLLGA與PDLA不對(duì)稱共混形成了立體復(fù)合物sc-PLA。即氯仿為溶劑，甲醇為沉淀劑，于50℃蒸發(fā)4 h制備了sc-PLA(簡稱1)，其結(jié)構(gòu)和性能經(jīng)XRD，DSC和TGA表征。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1儀器與試劑

烏氏粘度計(jì)(氯仿為溶劑，測定溫度25℃); Philips Pert Pro型X-射線衍射儀(XRD，掃速:0.03°·min－1，掃描范圍:10°～40°); TA Q20型差示掃描量熱儀(DSC，升溫速率:10℃· min－1); TA Q200型熱失重分析儀(TGA，升溫速率:10℃·min－1); Waters 1515型凝膠滲透色譜儀(GPC，窄分布聚苯乙烯標(biāo)準(zhǔn)參照物，氯仿為流動(dòng)相，流速:0.5 mL·min－1); Waters 1515 HPLC 泵; HT4＆5型聚苯乙烯柱; Waters 2414型視差折光檢測器。

PLLGA［m(丙交酯)∶n(乙交酯)=95∶05，重均分子量(Mw)=4.4×105g·mol－1］; PDLA(商品名PD38，粘度3.62 dL·g－1)，Purac公司;其余所用試劑均為分析純。

1.2 1的制備

在反應(yīng)瓶中加入PLLGA 7.5 g，PDLA 2.5 g ［m(PLLGA)∶m(PDLA)=3∶1］和氯仿500 mL，攪拌使其溶解使其濃度(c)為50 mL·g－1。將溶液分成3份(A，B，C)，分別按以下三種方法制備1。

(1)方法一:攪拌下，在溶液A中加入甲醇2 L(4倍氯仿體積)，于室溫沉淀0.5 h。過濾，濾餅于50℃真空干燥72 h得白色固體1A。

(2)將溶液B分成4份，分別在不同的溫度T(25℃，40℃，50℃，60℃)下蒸發(fā)溶劑4 h。滴加甲醇1.5 L(3倍氯仿)使共混物沉淀0.5 h。過濾，濾餅于50℃真空干燥72 h得白色固體1BT。

(3)在攪拌下，在溶液C中加入甲醇500 mL(與氯仿等體積)，分別在不同的溫度T(25℃，40℃，50℃，60℃)蒸發(fā)溶劑4 h。滴加甲醇1.5 L使共混物沉淀0.5 h。過濾，濾餅于50℃真空干燥72 h得白色固體1CT。

2　結(jié)果與討論

2.1蒸發(fā)過程和溫度對(duì)1形成的影響

(1)XRD

復(fù)合物的XRD譜圖見圖1。從圖1可見，對(duì)于1BT和1A，在16.8°處出現(xiàn)了很強(qiáng)的PLLGA或者PDLA特征衍射峰［13］，說明過量甲醇快速沉淀及沒有甲醇的情況下，不論升溫與否都不利于1的形成。從圖1還可見，對(duì)1CT，在12°，21°和24°處都有較強(qiáng)的1的特征衍射峰［14］。另外，衍射峰的強(qiáng)度并不是隨著蒸發(fā)溫度升高而增強(qiáng)。15C0的衍射峰強(qiáng)度最強(qiáng)，這說明50℃蒸發(fā)溶劑有利于1的形成。

圖1　復(fù)合物的XRD曲線Figure 1　XRD curves of complexes

(2)DSC

為了進(jìn)一步確認(rèn)XRD的結(jié)果，用DSC研究了蒸發(fā)過程和溫度對(duì)1形成的影響，結(jié)果見圖2，其相應(yīng)的熱力學(xué)參數(shù)見表1。

表1　復(fù)合物的第一次升溫的DSC熱力學(xué)參數(shù)*Table 1　Thermal parameters of first heating of complexes

圖2　復(fù)合物的DSC曲線Figure 2　XRD curves of complexes

從圖2可見，1CT在163℃和214℃左右出現(xiàn)兩個(gè)熔融峰，分別對(duì)應(yīng)PLLGA和1的熔融峰。從表1中可見，1CT的熔融焓值(ΔHm，3)均大于47 J· g－1，結(jié)晶度(Xc)超過66%，這些值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過1BT和1A中相應(yīng)的熱力學(xué)參數(shù)。另外，從表1還可以看出,1C50具有最大ΔHm值(68.35 J·g－1)，這與XRD結(jié)果完全一致。從圖2中還注意到在表1中不同方法制備的1的第一次升溫DSC參數(shù)。圖2中還有一個(gè)值得注意的現(xiàn)象是，在178℃附近完全觀察不到PDLA的熔融峰，表明PDLA與PLLGA能夠有效的形成1。但從圖2中觀察1BT和1A的DSC曲線，明顯看到PLLGA(163℃)，PDLA(178℃)和1(216℃)的熔融峰，尤其是對(duì)于1BT，無論在常溫下?lián)]發(fā)溶劑，還是升高溫度蒸發(fā)溶劑，都只有微量的1形成。該現(xiàn)象說明在快速沉淀和無沉淀劑的情況下，PDLA與PLLGA都不能夠有效的形成1。DSC的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與XRD的測試結(jié)果相印證。

對(duì)于甲醇和溫度對(duì)1形成的影響，有兩個(gè)因素必須考慮:一是PLLGA和PDLA分子鏈在良溶劑和非良溶劑中的存在狀態(tài);二是溫度對(duì)溶解度和分子鏈運(yùn)動(dòng)的影響。在良溶劑中，聚合物分子鏈趨向于伸展、相互分離;而在非良溶劑中分子鏈則趨向于團(tuán)聚并相互靠近。1的形成需要不同分子鏈的平行排列，這要求分子鏈間要相互靠近形成1的晶核，然后分子鏈再移動(dòng)到結(jié)晶位繼續(xù)生長［16］。因此，非良溶劑的加入有利于1的形成。另外，溫度升高聚合物的溶解度增大，有利于分子鏈的舒展，但由于甲醇的存在，分子鏈間的距離仍然比較小，從而易于1的形成;同時(shí)，溫度的升高使得分子鏈的運(yùn)動(dòng)能力增強(qiáng)，這時(shí)分子鏈會(huì)向更穩(wěn)定的狀態(tài)移動(dòng)，也就是向形成1的方向移動(dòng)。然而溫度過高有可能會(huì)脫離分子鏈間形成的氫鍵，重新回到自由狀態(tài)，這反而不利于1的形成，F(xiàn)uruhashi也得到過類似的實(shí)驗(yàn)結(jié)果［17］。

2.2蒸發(fā)時(shí)間對(duì)15C0的分子量和結(jié)晶度的影響

在較高溫度下蒸發(fā)混合溶劑會(huì)造成聚合物分子量的損失，所以蒸發(fā)時(shí)間是實(shí)驗(yàn)必須考察的條件。圖3和圖4分別為蒸發(fā)時(shí)間對(duì)15C0的分子量和晶體結(jié)晶度(Xc)的影響變化圖。

圖3　1C50的粘度和Mw與蒸發(fā)時(shí)間的關(guān)系曲線Figure 3　Relationship curves of viscosity，Mw and evaporation time of 1C

圖4　1C50的結(jié)晶度與蒸發(fā)時(shí)間的關(guān)系曲線Figure 4　Relationship curves of crystallinity and evaporation of 1C

從圖3可見，在蒸發(fā)時(shí)間小于4 h時(shí)，15C0的分子量會(huì)有小幅增加。因?yàn)樾纬傻?5C0會(huì)起到交聯(lián)點(diǎn)的作用，使其表觀分子量增大［18］。當(dāng)蒸發(fā)時(shí)間超過4 h后，分子量開始下降，表明PLLGA或者PDLA開始降解;隨著蒸發(fā)時(shí)間的延長，分子量下降更為明顯。從圖4可以看出，蒸發(fā)時(shí)間達(dá)到24 h時(shí)，分子量下降約12%，但15C0的結(jié)晶度也會(huì)有小幅提高。這是因?yàn)榉肿恿康南陆狄子?5C0的形成?？偟膩碚f蒸發(fā)時(shí)間超過4 h后1C50的結(jié)晶度變化不大。本實(shí)驗(yàn)中，蒸發(fā)時(shí)間以4 h為宜。

2.3非良溶劑對(duì)1形成的影響

為了進(jìn)一步研究其它非良溶劑對(duì)于1形成的影響，選擇丙酮(a)、正己烷(b)、乙酸乙酯(c)、四氫呋喃(d)和乙腈(e)代替甲醇，采用C過程研究溶劑對(duì)1形成的影響，結(jié)果見圖5。從圖5可見，在蒸發(fā)混合溶液過程中，不同的非良溶劑對(duì)1CT的形成有不同的影響。對(duì)于1CT-a，1CT-b和1CT-d，他們有相同的規(guī)律。隨著蒸發(fā)溫度的升高，ΔHm(sc)會(huì)先增大，50℃時(shí)達(dá)到最大，60℃時(shí)又減小。1CT-c則在蒸發(fā)溫度為40℃時(shí)ΔHm(sc)達(dá)到最大值; 1CT-d表現(xiàn)出明顯對(duì)溫度的非依賴性，這可能是因?yàn)橐译娴妮^強(qiáng)極性所致?？偟膩碚f，加入等量甲醇，在50℃下蒸發(fā)4 h后再加入3倍于氯仿體積的甲醇沉淀所得到的1C50立構(gòu)復(fù)合程度最高［由于數(shù)據(jù)量較大，在此沒有將所有相關(guān)熱力學(xué)數(shù)據(jù)列出，只做了ΔHm(sc)與不同蒸發(fā)溫度的關(guān)系圖］。

圖5　1CT的ΔHm隨溶劑蒸發(fā)時(shí)間的變化曲線*Figure 5　Relationship curves ofΔHm and evaporation time of 1C

圖6　PLLGA和1C50的TGA曲線*Figure 6　TGA curves of PLLGA and 1C

2.415C0的熱穩(wěn)定性PLLGA和15C0的熱失重曲線見圖6。從圖6可見，PLLGA和15C0有不同的熱分解起始溫度(Tonset)，分別為287℃和321℃。另外，質(zhì)量損失5%時(shí)的溫度(T5%)也是衡量聚合物熱穩(wěn)定性的重要參數(shù)，PLLGA和15C0的T5%分別為304℃和342℃。15C0的Tonset 和T5%比PLLGA相應(yīng)溫度有顯著提高，這是因?yàn)?的形成增強(qiáng)了分子鏈間的作用力，所以需要更多的能量來破壞分子鏈的緊密堆積［19］。

3　結(jié)論

首次以高分子量的PLLGA和PDLA為原料，采用改良的溶劑法使兩者之間有效的形成了立構(gòu)復(fù)合物(sc-PLA)。在最佳條件［m(PLLGA)∶m(PDLA)=3∶1，c為50 mL·g－1］下，加入與氯仿等體積的甲醇，于50℃蒸發(fā)4 h，最后加入過量沉淀劑的方法所形成的sc-PLA的結(jié)晶度達(dá)到96.2%，且使PLLGA熱失重5%的溫度達(dá)到了342℃，較大幅度的提高了PLLGA的熱穩(wěn)定性。sc-PLA為粉狀固體，有利于后期的進(jìn)一步加工。

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·研究論文·

通信聯(lián)系人:熊成東，研究員，Tel.028-85229122，E-mail:xcd1633@ aliyun.com

A Novel Method for Preparing Poly(L-lactic acid
co-glycolic acid)and Poly(D-lactic acid)Stereocomplexes

DONG Jun1，2，BAI Wei1，HUANG Dong-ling1，XIONG Cheng-dong1
(1.Chengdu Institute of Organic Chemistry，Chinese Academy of Sciences，Chengdu 610041，China; 2.University of Chinese Academy of Science，Beijing 100049，China)

Abstract:Stereocomplexes(sc-PLA)was prepared by improved solvent method，using high molecular weight poly(L-lactic acid-co-glycolic acid)(PLLGA)and poly(D-lactic acid)(PDLA)［m(PLLGA)∶m(PDLA)=3∶1，c 50 mL·g－1］as materials，chloroform as solvent and equal volume methanol as precipitator，at 50℃for 4 h.The structure and performances were characterized by XRD，DSC and TGA.The crystallinity and initial decomposition temperature of sc-PLA were 96.2% and 342℃，respectively.

Keywords:poly(L-lactic acid-co-glycolic acid); poly(D-lactic acid); stereocomplex; preparation; thermal stability

作者簡介:董軍(1977－)，男，漢族，四川南充人，博士，主要從事生物醫(yī)用材料的研究。E-mail:dongj46@163.com

收稿日期:2015-02-05;

修訂日期:2015-10-10

DOI:10.15952/j.cnki.cjsc.1005－1511.2015.12.1111 *

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

中圖分類號(hào):O633.14