生物可降解三嵌段共聚物PLATMC-PEG-PLATMC的合成、表征及性能研究

杜 旭，王 勤，劉 陽，馬麗霞，王傳棟

(山東省藥學(xué)科學(xué)院 山東省醫(yī)用高分子材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250101)

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生物可降解三嵌段共聚物PLATMC-PEG-PLATMC的合成、表征及性能研究

杜 旭，王 勤，劉 陽，馬麗霞，王傳棟*

(山東省藥學(xué)科學(xué)院 山東省醫(yī)用高分子材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250101)

合成了3種生物可降解三嵌段共聚物聚丙交酯/三亞甲基碳酸酯-聚乙二醇-聚丙交酯/三亞甲基碳酸酯(PLATMC-PEG-PLATMC)，其丙交酯/三亞甲基碳酸酯(LA/TMC，物質(zhì)的量比)分別為50/50、25/75和10/90，通過核磁共振氫譜和凝膠滲透色譜對(duì)其化學(xué)結(jié)構(gòu)、分子量及分布進(jìn)行了表征，并對(duì)3種共聚物水凝膠的溫敏性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，3種共聚物水凝膠的相轉(zhuǎn)變溫度范圍隨LA/TMC的減小而擴(kuò)大；3種共聚物水凝膠的降解速度隨LA/TMC的減小而減慢，在LA/TMC為50/50時(shí)降解速度最快，10/90時(shí)最慢。

生物可降解；三嵌段共聚物；丙交酯；三亞甲基碳酸酯；水凝膠

以聚丙交酯及其共聚物為代表的一系列脂肪族聚酯材料因良好的生物可降解性、生物相容性、物理化學(xué)及機(jī)械性能而被視為具有巨大應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景的醫(yī)用高分子材料。早在20世紀(jì)70年代，美國(guó)強(qiáng)生公司就使用丙交酯乙交酯共聚物開發(fā)出目前被廣泛應(yīng)用于外科手術(shù)的可吸收手術(shù)縫合線[1]。此類材料在藥物緩釋體系[2]、組織工程支架[3]等方面的研究一直是關(guān)注熱點(diǎn)。此類材料疏水性強(qiáng)、與人體組織相容性差，所以很多研究將其與多糖類[4-5]、聚乙二醇類[6-8]等親水性高分子共聚以提高其親水性；也有很多研究將其與含有功能性基團(tuán)的小分子[9]或聚甲基丙烯酸鈉[10]、聚乙烯亞胺[11]等高分子接枝，使其具有轉(zhuǎn)載基因、蛋白質(zhì)或特定藥物的性能。與聚乙二醇共聚可明顯提高聚丙交酯及其共聚物的親水性，當(dāng)聚乙二醇含量較高且分子量及組成比例恰當(dāng)時(shí)，共聚物可溶于水形成具有溫敏性能的水凝膠[12]，這一性能在醫(yī)藥領(lǐng)域的可注射水凝膠方面具有很好的應(yīng)用價(jià)值和前景，是可降解聚酯材料改性研究的熱點(diǎn)之一[13-14]。

作者在此設(shè)計(jì)合成了具有溫敏性能的生物可降解三嵌段共聚物聚丙交酯/三亞甲基碳酸酯-聚乙二醇-聚丙交酯/三亞甲基碳酸酯(PLATMC-PEG-PLATMC)，通過核磁共振氫譜(1HNMR)和凝膠滲透色譜(GPC)對(duì)其化學(xué)結(jié)構(gòu)、分子量及分布進(jìn)行了表征，并研究了LA/TMC(物質(zhì)的量比，下同)對(duì)共聚物水凝膠溫敏性能和降解性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑

丙交酯(外消旋，LA)、三亞甲基碳酸酯(TMC)，純度≥99%，自制；聚乙二醇(PEG)，分子量1 500 g·mol-1，阿法埃莎中國(guó)化學(xué)有限公司；辛酸亞錫，純度95%，美國(guó)Sigma-Aldrich有限公司；三氯甲烷，色譜純，美國(guó)JT.Baker試劑有限公司；乙醇、二氯甲烷，分析純，天津廣成化學(xué)試劑有限公司。

1.2 共聚物的合成

準(zhǔn)確稱取一定量的PEG(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%)置于真空反應(yīng)瓶中，油浴加熱到120 ℃，抽真空0.5 h進(jìn)行除水處理，待反應(yīng)瓶冷卻至室溫后加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.2%的辛酸亞錫，然后投入一定量的LA與TMC單體，抽真空至70 Pa后在140 ℃油浴中磁力攪拌反應(yīng)10 h。反應(yīng)結(jié)束后，用二氯甲烷溶解產(chǎn)物，加入正己烷沉淀純化，反復(fù)處理3次后將產(chǎn)物置于40 ℃真空干燥箱中干燥48 h，得到半透明固體，即生物可降解三嵌段共聚物PLATMC-PEG-PLATMC。調(diào)節(jié)LA/TMC分別為50/50、25/75和10/90得到3種共聚物，分別命名為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。反應(yīng)式如下：

1.3 共聚物水溶液的制備

分別稱取一定質(zhì)量的共聚物，置于具塞試管中，加入一定量的去離子水，在2 ℃下溶解12 h以上直至共聚物完全溶解，得到質(zhì)量濃度分別為15%、20%、25%和30%的共聚物水溶液。

1.4 表征

采用德國(guó)Bruker公司 Avance 400 MHz型核磁共振儀，以氘代三氯甲烷為溶劑，測(cè)定共聚物的核磁共振氫譜；采用美國(guó)Waters 2414型凝膠滲透色譜儀(GPC)測(cè)定共聚物的分子量(Mn)及分子量分布系數(shù)(Ip)，三氯甲烷作為流動(dòng)相，聚苯乙烯為標(biāo)準(zhǔn)品，測(cè)試溫度為30 ℃，流動(dòng)相流速為1.0 mL·min-1；采用上海雷磁PHS-3C型酸度計(jì)配備E-201-C復(fù)合電極測(cè)定溶液pH值；采用試管倒置法[15]測(cè)定共聚物水凝膠的溶膠-凝膠相轉(zhuǎn)變溫度。

1.5 性能研究

(1)溫敏性能：分別將質(zhì)量濃度為15%、20%、25%、30%的共聚物水溶液置于恒溫水浴中，平衡10 min以上，倒置觀察流動(dòng)情況，以判定是否形成凝膠，以研究共聚物水凝膠的溫敏性能。

高校的思想政治理論課教學(xué)有著一定的課時(shí)限制，這意味著思想政治理論課教學(xué)必須要在固定的時(shí)間、固定的地點(diǎn)實(shí)施教學(xué)活動(dòng)，短暫的教學(xué)時(shí)間以及空間的約束使學(xué)生不能過多地了解課程信息，教學(xué)效率還有很大的提升空間。而新媒體新技術(shù)的出現(xiàn)和普及使高校思想政治理論課的教學(xué)時(shí)空得到了極大的突破，學(xué)生們可以通過網(wǎng)上的慕課、微課選擇自己喜歡的教師、感興趣的內(nèi)容多方位進(jìn)行學(xué)習(xí)，這進(jìn)一步增強(qiáng)了高校思想政治理論課的輻射力與凝聚力。

(2)降解性能：將1.5 g質(zhì)量濃度為30%的共聚物水凝膠浸于10 mL磷酸鹽緩沖溶液(pH=7.4)中，于37 ℃恒溫箱中靜置一定時(shí)間后測(cè)定降解液的pH值及分子量，以研究共聚物水凝膠的降解性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)構(gòu)表征

圖1是三嵌段共聚物PLATMC-PEG-PLATMC(LA/TMC=50/50)的核磁共振氫譜。

從圖1可以看到，δ4.9～5.2處為丙交酯單元次甲基質(zhì)子峰，此部分質(zhì)子峰發(fā)生裂分，δ4.9處為與三亞甲基碳酸酯相鄰的次甲基質(zhì)子峰，δ5.2附近為丙交酯主鏈的質(zhì)子峰；δ4.2～4.3附近為三亞甲基碳酸酯單元靠近氧原子的2個(gè)亞甲基質(zhì)子峰；δ3.6～3.7處為聚乙二醇鏈段上的亞甲基質(zhì)子峰；δ2.0附近為三亞甲基碳酸酯單元最中間的亞甲基質(zhì)子峰；δ1.5～1.6處為丙交酯單元中的甲基質(zhì)子峰。

表1是三嵌段共聚物的核磁共振氫譜和凝膠滲透色譜數(shù)據(jù)。

從表1可以看到，3種共聚物的PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在30%左右，LA/TMC也與設(shè)計(jì)值基本一致，表明單體共聚反應(yīng)較完全，反應(yīng)條件適宜；3種共聚物的Ip值均在1.60左右，分布系數(shù)較低，表明共聚物分子量分布較均勻，單體都反應(yīng)充分。

圖1 PLATMC-PEG-PLATMC(LA/TMC=50/50) 的核磁共振氫譜Fig.1 1HNMR spectrum of PLATMC-PEG-PLATMC (LA/TMC=50/50)

表1 三嵌段共聚物的結(jié)構(gòu)表征

Tab.1 The structural characterization of triblock copolymers

共聚物PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%設(shè)計(jì)值實(shí)測(cè)值LA/TMC設(shè)計(jì)值實(shí)測(cè)值Mng·mol-1Ip共聚物Ⅰ3029.450/5048.3/51.772521.63共聚物Ⅱ3030.325/7525.5/74.575421.57共聚物Ⅲ3029.310/909.7/90.374841.60

注：PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)及LA/TMC由1HNMR峰值積分計(jì)算得到，Mn及Ip由GPC測(cè)定得到。

2.2 共聚物水凝膠的溫敏性能

圖2是3種共聚物水凝膠的溶膠-凝膠相轉(zhuǎn)變圖。

從圖2可以看出，3種共聚物可以形成凝膠的溫度范圍均隨著共聚物水溶液質(zhì)量濃度的增大而擴(kuò)大，但不同LA/TMC的共聚物形成凝膠的溫度范圍明顯不同。對(duì)于LA/TMC為50/50的共聚物Ⅰ和LA/TMC為25/75的共聚物Ⅱ，在共聚物水溶液質(zhì)量濃度為15%時(shí)，均無法隨溫度變化形成凝膠，低溫時(shí)為溶膠狀態(tài)，溫度升高后則脫水沉淀；LA/TMC為10/90的共聚物Ⅲ在共聚物水溶液質(zhì)量濃度為15%時(shí)，在較窄溫度范圍內(nèi)(34～37.5 ℃)可形成凝膠；當(dāng)共聚物水溶液質(zhì)量濃度為20%和25%時(shí)，3種共聚物均可形成凝膠，相轉(zhuǎn)變溫度范圍隨LA/TMC的減小而擴(kuò)大；當(dāng)共聚物水溶液質(zhì)量濃度達(dá)到30%時(shí)，3種共聚物的凝膠相轉(zhuǎn)變溫度上限均為42.5 ℃，下限分別為6.5 ℃、7.5 ℃和8.0 ℃，差別非常小。這表明，3種共聚物形成凝膠的溫度范圍隨著LA/TMC的減小逐漸擴(kuò)大，但共聚物水溶液質(zhì)量濃度達(dá)到一定值后，其相轉(zhuǎn)變溫度范圍差異不大。

圖2 3種共聚物水凝膠的溶膠-凝膠相轉(zhuǎn)變圖Fig.2 Sol-gel phase transition diagrams of three kinds of copolymer hydrogels

PLATMC-PEG-PLATMC是一種兩親性三嵌段共聚物，PLATMC為疏水鏈段，PEG為親水鏈段，溶于水后自組裝形成外殼親水、內(nèi)核疏水的膠束。隨著溫度的升高，疏水性的PLATMC鏈段逐漸向外擴(kuò)散與周圍膠束發(fā)生橋連作用，構(gòu)成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成水凝膠；當(dāng)溫度升至一定值后，共聚物鏈段發(fā)生收縮，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被破壞，凝膠脫水沉淀[10]。共聚物水凝膠的相轉(zhuǎn)變溫度范圍隨LA/TMC減小而擴(kuò)大可能是因?yàn)?，?dāng)LA/TMC為10/90時(shí)，PLATMC鏈段中TMC鏈段較長(zhǎng)，共聚物橋連作用穩(wěn)定，易形成凝膠；當(dāng)LA/TMC為50/50時(shí)，LA與TMC物質(zhì)的量相同，PLATMC中LA和TMC鏈段都很短，相互發(fā)生的橋連作用較弱，因此形成凝膠的條件較苛刻，只能在較窄的溫度范圍內(nèi)和較高的質(zhì)量濃度下形成凝膠；當(dāng)LA/TMC為25/75時(shí)，TMC鏈段長(zhǎng)度介于共聚物Ⅲ和共聚物Ⅰ之間，因而形成凝膠的溫度范圍也介于兩者之間。但是當(dāng)共聚物水溶液質(zhì)量濃度增大到一定值(30%)時(shí)，共聚物在溶液中排布密集，非常容易發(fā)生聚集和橋連作用，因此形成凝膠的溫度范圍相差不大，尤其在溫度上限(42.5 ℃)時(shí)共聚物分子鏈會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的收縮作用，脫水沉淀，所以無論共聚物中LA/TMC為何值，在此溫度下均會(huì)發(fā)生相轉(zhuǎn)變。

2.3 共聚物水凝膠的降解性能

PLATMC-PEG-PLATMC的PLATMC鏈段降解后產(chǎn)生酸性基團(tuán)，會(huì)使降解液pH值發(fā)生變化，降解越快，產(chǎn)生的酸性物質(zhì)越多，其pH值變化越明顯。因此，本實(shí)驗(yàn)通過測(cè)定降解液pH值研究共聚物水凝膠的降解性能。3種共聚物水凝膠在pH值為7.4的PBS緩沖溶液中，37 ℃恒溫靜置2 d、4 d、7 d、14 d和21 d后，測(cè)定降解液pH值，結(jié)果見圖3。

圖3 3種共聚物水凝膠降解液pH值隨降解時(shí)間的變化情況Fig.3 The pH values of degradation solution vs degradation time for three kinds of copolymer hydrogels

從圖3可以看到，共聚物Ⅰ的降解液pH值隨降解時(shí)間的變化最大，共聚物Ⅱ次之，共聚物Ⅲ最小。

采用GPC測(cè)定降解21 d的共聚物水凝膠的分子量，并與初始分子量進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見圖4。

圖4 3種共聚物水凝膠降解前后分子量變化情況Fig.4 The variation of Mn of three kinds of copolymer hydrogels before and after degradation

從圖4可以看到，共聚物Ⅰ的分子量降低最多，與降解液pH值的變化趨勢(shì)一致。

因此，可以推斷3種共聚物水凝膠的降解速度隨LA/TMC的減小而減慢，LA/TMC為50/50的共聚物水凝膠的降解速度最快，10/90的降解速度最慢。這可能是由于，一方面，PTMC在體外的降解速度比消旋結(jié)構(gòu)的PLA要快，所以PLATMC鏈段中TMC含量越高，其降解速度越慢[12]；另一方面，PLATMC鏈段中LA與TMC的無規(guī)度越高，分子鏈越容易斷裂，降解速度越快，而LA/TMC為50/50時(shí)，LA與TMC等量共聚形成的鏈段無規(guī)度最高，25/75時(shí)次之，10/90時(shí)最低。

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)合成了3種PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，LA/TMC分別為50/50、25/75和10/90的生物可降解三嵌段共聚物PLATMC-PEG-PLATMC。1HNMR和GPC結(jié)果表明，合成的3種共聚物與設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相符，原料反應(yīng)充分，分子量分布比較均勻。共聚物水溶液在一定溫度和質(zhì)量濃度下可形成具有溫敏效應(yīng)的水凝膠，其相轉(zhuǎn)變溫度范圍隨著LA/TMC的減小而擴(kuò)大，共聚物水凝膠的降解速度隨LA/TMC的減小而減慢。

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Synthesis,Characterization and Property of Biodegradable Triblock Copolymer PLATMC-PEG-PLATMC

DU Xu,WANG Qin,LIU Yang,MA Li-xia,WANG Chuan-dong*

(ShandongAcademyofPharmaceuticalSciences,ShandongProvincialKeyLaboratoryofBiomedicalPolymers,Jinan250101,China)

ThreekindsofbiodegradabletriblockcopolymersPLATMC-PEG-PLATMCweresynthesized,andtheirLA/TMC(lactide/trimethylenecarbonate)molarratioswere50/50,25/75and10/90,respectively.Thechemicalstructure,molecularweightanddistributionofthecopolymerswerecharacterizedby1HNMRandgelpermeationchromatography(GPC).Thethermosensitivitiesofthreekindsofcopolymerhydrogelswerestudied.Resultsindicatedthat,thephasetransitiontemperaturerangeofthreekindsofcopolymerhydrogelsincreased,whilethedegradationspeeddecreasedwithdecreasingofLA/TMCmolarratio.ThedegradationrateofthecopolymerhydrogelwithLA/TMCmolarratioof50/50wasthefastest,andthatof10/90wastheslowest.

biodegradation;triblockcopolymer;lactide(LA);trimethylenecarbonate(TMC);hydrogel

2016-11-24

杜旭(1980-)，女，山東濟(jì)南人，博士，高級(jí)工程師，研究方向：功能高分子，E-mail:duxu19@126.com；通訊作者：王傳棟，研究員，E-mail:wcdmpc@sina.com。

10.3969/j.issn.1672-5425.2017.04.013

O631

A

1672-5425(2017)04-0054-04

杜旭，王勤，劉陽，等.生物可降解三嵌段共聚物PLATMC-PEG-PLATMC的合成、表征及性能研究[J].化學(xué)與生物工程，2017，34(4)：54-57，62.