聚乙醇酸熔融水解性能及動力學(xué)的研究

唐四葉,張　瑞,劉　豐,劉獻(xiàn)明

(洛陽師范學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院, 河南 洛陽　471022)

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聚乙醇酸熔融水解性能及動力學(xué)的研究

唐四葉,張瑞,劉豐,劉獻(xiàn)明

(洛陽師范學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院, 河南 洛陽471022)

用一步反應(yīng)合成了聚乙醇酸,并系統(tǒng)地研究了聚乙醇酸在蒸餾水中的熔融水解規(guī)律。利用紅外光譜對聚乙醇酸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析,測定了聚乙醇酸的質(zhì)量損失率、特性黏數(shù)、結(jié)晶度和介質(zhì)的pH值。結(jié)果表明,在熔融水解過程中,聚乙醇酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化、質(zhì)量損失逐漸增大、特性黏數(shù)和介質(zhì)的pH值逐漸降低。熔融降解過程中,聚乙醇酸的結(jié)晶度前期上升,后期下降。質(zhì)量損失率和介質(zhì)的pH值與時間均呈線性動力學(xué)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)分別為0.982 2，0.953 1,速率常數(shù)分別為4.395 h-1，0.06 h-1;特性黏數(shù)隨時間的變化規(guī)律符合動力學(xué)方程ln([η]0/[η])=kt,相關(guān)系數(shù)為0.939 7,降解速率常數(shù)為0.031 8h-1。聚乙醇酸熔融水解降解程度比在磷酸鹽緩沖溶液水解大得多。

聚乙醇酸;降解;特性黏數(shù);紅外光譜;結(jié)晶度

聚乙醇酸(PGA)最早被成功制成可吸收縫合材料,繼而開發(fā)了其他醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用,如藥物控制釋放系統(tǒng)、整形手術(shù)的固定支架[1-2]。除此之外,PGA還可用于包裝材料及農(nóng)用生物降解薄膜等領(lǐng)域[3-4]。在以往的文獻(xiàn)中,PGA都是用開環(huán)聚合法合成,該方法包含一個復(fù)雜的中間產(chǎn)品乙交酯制備和PGA合成過程[5]。到目前為止,PGA很少通過一步反應(yīng)合成[6]。

近年來,對PGA在動物體外和體內(nèi)水解降解的研究十分活躍,體外水解降解的研究于37 ℃在磷酸鹽緩沖溶液(pH=7.4)中進(jìn)行[7-9];體內(nèi)水解降解的研究,通常將PGA植入老鼠或兔子體內(nèi)[10]。而其他條件下的水解降解,如熔融狀態(tài)的水解降解研究未見報道。不管是用于包裝材料或農(nóng)用薄膜,都是在熔融條件下加工而成的,所以,研究熔融條件下的水解降解規(guī)律很有必要。

因此,本文的目的是研究一步反應(yīng)合成的PGA在熔融狀態(tài)下的水解降解。為了更好地了解降解過程,對PGA的化學(xué)結(jié)構(gòu)、質(zhì)量損失、特性黏數(shù)、結(jié)晶度和介質(zhì)pH值進(jìn)行了表征和討論,建立了質(zhì)量損失、特性黏數(shù)、介質(zhì)pH值隨降解時間變化的動力學(xué)方程,并與PGA在磷酸鹽緩沖溶液中降解情況進(jìn)行了對比。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1原料

氯乙酸(99.0%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))、三乙胺(99.5%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))、乙酸乙酯(99.5%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))、無水乙醇(99.7%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)),分析純,天津科密歐化學(xué)試劑公司生產(chǎn)。所有化學(xué)藥品使用時均沒有進(jìn)一步提純。

1.2PGA的合成

合成步驟參考以往的研究工作[6]。 將一定量的氯乙酸溶解至一定體積的乙酸乙酯中, 移入三口燒瓶, 注入一定體積的三乙胺, 于沸騰溫度下回流一段時間, 得到白色固體產(chǎn)物。 蒸出溶劑,用無水乙醇洗滌產(chǎn)物以除去殘留的溶劑和未反應(yīng)的物質(zhì), 洗滌后的產(chǎn)物于60℃恒溫干燥至恒重。

1.3熔融水解降解實(shí)驗(yàn)

稱取適量(1g)的PGA,放入蒸餾燒瓶中,加熱蒸餾燒瓶至PGA完全熔融為液體,開啟蒸餾燒瓶上方冷凝器的冷卻水,加30 mL適量的水解劑——蒸餾水。調(diào)節(jié)冷凝器的冷凝水流量,控制蒸餾燒瓶內(nèi)的溫度穩(wěn)定不變。恒定溫度下回流一定時間后停止反應(yīng)。產(chǎn)物用無水乙醇洗滌,洗去降解過程生成的羥基乙酸,放入干燥箱,干燥至恒重。

(1)

式中: w0為原始樣品的質(zhì)量,g;wt為降解t時間后樣品的質(zhì)量,g。

1.4溶液pH值的測定

溶液的pH值用PHS-3C型酸度計測定,上海精科實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)。

1.5結(jié)晶度的測定

結(jié)晶度采用德國Bruker D8 advance-X射線粉末衍射儀測定。波長:0.154 nm,電壓:40 kV,電流:40 mA,2θ角掃描范圍:5°～70°,樣品粉末壓片。X射線圖中結(jié)晶區(qū)域面積與總面積之比定義為結(jié)晶度,用式(2)計算:

結(jié)晶度=Ac×100%/(Ac+Aa)。

(2)

其中:Ac為晶峰面積,Aa為非晶峰面積。

1.6紅外光譜表征

采用美國熱電尼高力Thermo Fisher Nicolet 有限公司生產(chǎn)的Nicolet6700型紅外光譜儀測定PGA的化學(xué)結(jié)構(gòu),掃描次數(shù)16次,分辨率4 cm-1。

1.7PGA特性黏數(shù)([η])的測定

分子量(M)與特性黏數(shù)之間的關(guān)系可用Mark-Houwink方程[η]=βMα表示。因而特性黏數(shù)的大小反映了分子量的大小。PGA樣品的特性黏數(shù)用0.53 mm管徑的烏氏黏度計于25 ℃下測定。將PGA溶解在六氟異丙醇中,配制成一定濃度的溶液,利用黏度計分別測試出純?nèi)軇┖蚉GA溶液的流出時間t0和t,特性黏數(shù)的計算通過“一點(diǎn)法”公式求得[11-12],

(3)

式中：ηr=t/t0為相對黏度;ηsp=ηr-1 為增比黏度;C為溶液濃度,g/mL。

每個樣品平行測定3次,各次測定的流出時間相差不能超過 0.2秒。最后將3次結(jié)果取平均值,即為待測液的流出時間。

2　結(jié)果和討論

2.1紅外光譜結(jié)果

圖1(a)為本文合成的PGA的紅外光譜圖。圖中2 960,1 414 cm-1為—CH2的特征吸收峰,1 739 cm-1對應(yīng)CO 的伸縮振動。1 739，1 414，1 162，1 088，973，903，806 cm-1為與PGA結(jié)晶度有關(guān)的吸收峰。紅外光譜圖與文獻(xiàn)一致[6, 13-17],說明本文通過一步反應(yīng)成功合成了PGA。

圖1(b)為PGA在水中熔融降解9 h的紅外光譜圖?？梢钥闯?降解9 h后,PGA的紅外光譜圖沒變化,也就是化學(xué)結(jié)構(gòu)沒有改變。這樣的結(jié)果與以前工作PGA在磷酸鹽緩沖溶液中進(jìn)行水解降解的結(jié)果是一致的[6],說明在本文條件下進(jìn)行熔融水解不足以引起PGA的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。

(a)降解前;(b)水解9h圖1　PGA在水中熔融降解前后紅外光譜圖Fig.1　FTIR spectra of PGA at different melting degradation times in distilled H2O

2.2質(zhì)量損失率結(jié)果

降解過程中PGA的質(zhì)量損失率顯示在圖2中。不難看出,質(zhì)量損失率隨時間的增加而升高。質(zhì)量損失率隨時間的變化趨勢說明降解過程是連續(xù)進(jìn)行的。質(zhì)量損失率隨時間的變化呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系,質(zhì)量損失率=4.395t+48.985,速率常數(shù)為4.395 h-1,相關(guān)系數(shù)R=0.982 2。

圖2　降解過程中PGA的質(zhì)量損失率Fig.2　The percentage weight loss of PGA during melting degradation

與一步合成PGA在磷酸鹽緩沖溶液中水解相比[6],熔融條件下水解程度要大得多。例如,PGA在磷酸鹽中降解9周的質(zhì)量損失率為61%[6],而在本文條件下降解3 h就已經(jīng)達(dá)到63%。

2.3結(jié)晶度結(jié)果

圖3展示了PGA結(jié)晶度結(jié)果?？梢钥闯?在起始水解降解階段,結(jié)晶度上升,到了后期結(jié)晶度下降。這一趨勢與PGA在磷酸鹽緩沖溶液中降解結(jié)果一致[6, 14, 18]。這是因?yàn)榻到馐紫劝l(fā)生在非結(jié)晶區(qū),因?yàn)榉墙Y(jié)晶區(qū)中分子鏈密度較低而且無序,水分子可以更容易地擴(kuò)散到非晶鏈段區(qū),通過鏈斷裂引起快速水解降解。非晶區(qū)鏈的斷裂使得分子纏結(jié)程度較低,加速了分子鏈的運(yùn)動。隨著時間的增加,分子鏈重新有序排列,促進(jìn)結(jié)晶形成,引起PGA結(jié)晶度增加。盡管起始階段結(jié)晶度是升高的,但是,當(dāng)水分子擴(kuò)散到結(jié)晶區(qū)時,降解過程的進(jìn)行會破壞結(jié)晶度繼續(xù)升高,結(jié)晶度必定要下降。結(jié)晶度的變化趨勢也意味著降解過程是持續(xù)進(jìn)行的。

圖3　PGA結(jié)晶度隨時間變化情況Fig.3　Crystallinity of PGA as a function of melting degradation time

對比PGA在磷酸鹽中降解結(jié)果,在起始水解降解階段,一步合成的PGA在磷酸鹽中降解的結(jié)晶度達(dá)到最高值71.2%需要4周[6],而在本文條件下降解7 h就已經(jīng)達(dá)到最高值71.4%。可見,熔融水解的結(jié)晶度比在磷酸鹽中水解上升得快。在水解降解后期,一步合成的PGA在磷酸鹽中降解5周的結(jié)晶度降至最低值65.5%,而在本文條件下降解9 h就降至更低的最低值59.3%?？梢钥闯?結(jié)晶度比在磷酸鹽中下降得也快。顯然,熔融條件下水解程度要比磷酸鹽中大得多。

2.4溶液pH變化

圖4給出了水解降解過程中溶液pH值的變化情況?？梢钥闯?隨著降解時間的延長,pH值逐漸下降。pH值下降意味著水解產(chǎn)生的羥基乙酸進(jìn)入了溶液中。pH值變化趨勢證實(shí)PGA發(fā)生了連續(xù)降解。pH值隨時間的變化呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系,溶液pH值隨時間變化的動力學(xué)方程為:pH=-0.06t+2.256,,速率常數(shù)為0.06h-1,相關(guān)系數(shù)R=0.953 1。

比較PGA在磷酸鹽中降解結(jié)果,一步合成的PGA在磷酸鹽中降解時溶液的pH值降到2.12需要7周[6],而在本文條件下降解3h就低至2.00。盡管磷酸鹽緩沖溶液的起始pH值略高于蒸餾水的pH值,但也不難得出,熔融水解時介質(zhì)pH值很快下降。這也說明熔融條件下水解程度比磷酸鹽中大。

2.5PGA特性黏數(shù)變化

降解過程中PGA特性黏數(shù)的變化列在圖5中?？梢?隨著降解的進(jìn)行,PGA的分子量是逐漸下降的。為了作對比,最近我們測定了一步合成的PGA在磷酸鹽中降解的特性黏數(shù)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看,熔融水解9小時PGA的特性黏數(shù)降為8.093 mL/g,而在磷酸鹽中降解將近4周(26天)PGA的特性黏數(shù)才達(dá)到此值。由此也表明熔融條件下水解程度比磷酸鹽中要大。

圖4　水溶液pH值隨時間變化情況Fig. 4　pH variations with time

從圖5可以看出,熔融條件下水解時,PGA的特性黏數(shù)隨時間的變化規(guī)律符合動力學(xué)方程

(4)

式中:[η]0為聚乙醇酸起始特性黏數(shù),[η]為降解時間t時的特性黏數(shù)。從相關(guān)系數(shù)R=0.939 7看,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與降解速率方程符合得較好,降解速率常數(shù)為0.031 8 h-1。

圖5　PGA特性黏數(shù)隨降解時間變化情況Fig.5　The intrinsic viscosities of PGA at different melting degradation times

3　結(jié)　論

用氯乙酸為原料,通過一步反應(yīng)成功合成了PGA。系統(tǒng)地研究了聚乙醇酸在熔融狀態(tài)下的水解規(guī)律,可以得出以下結(jié)論:

1)在本文條件下進(jìn)行熔融水解降解時,PGA的化學(xué)結(jié)構(gòu)沒有變化。

2)降解過程中,PGA的質(zhì)量損失率與介質(zhì)的pH值逐漸下降,質(zhì)量損失率和介質(zhì)的pH值與時間均呈線性關(guān)系,質(zhì)量損失和介質(zhì)pH值隨時間變化的動力學(xué)方程分別為：質(zhì)量損失率=4.395t+48.985，pH=-0.06t+2.256。

4)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,PGA熔融水解降解程度比在磷酸鹽緩沖溶液水解大得多。

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(編輯陳鐿文)

Study on hydrolytic degradation and kinetics of polyglycolic acid under melting state

TANG Si-ye, ZHANG Rui, LIU Feng， LIU Xian-ming

(College of Chemistry and Chemical Engineering, Luoyang Normal College, Luoyang 471022， China)

In present investigation, a study on hydrolytic degradation of polyglycolic acid synthesized by one-step reaction was carried out under melting state. Under melting state, hydrolytic degradation of polyglycolic acid has been investigated in distilled water systematically. The chemical structure of polyglycolic acid was analyzed by FTIR. To better understand degradation process, weight loss, intrinsic viscosity, degree of crystallinity of the polyglycolic acid and pH value of solution were measured. The chemical structure of polyglycolic acid did not change during melting hydrolytic degradation. Melting hydrolytic degradation occurred with an increase in weight loss, a decrease in intrinsic viscosity and a decrease in pH. Melting hydrolytic degradation also occurred with an increase in crystallinity during the initial degradation period and then a decrease afterwards. During melting degradation, the relations of percentage weight loss and pH with time are linear, the correlation coefficients are 0.982 2 and 0.953 1 and the rate constants are 4.395h-1and 0.06h-1respectively. The time variation of intrinsic viscosity obeys the kinetic equation, ln([η]0/[η])=kt, the correlation coefficient is 0.939 7, the rate constant is 0.031 8h-1. Under melting hydrolytic degradation, the degradation degree of polyglycolic acid was much greater than that in the phosphate buffer solution.

polyglycolic acid; degradation; intrinsic viscosity; FTIR; degree of crystallization

2015-07-04

國家自然科學(xué)基金資助項目(21476102)

唐四葉，女，河南蘭考人，洛陽師范學(xué)院教授，博士，從事高分子化工研究。

TQ 317.03

ADOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2016-01-012