生物可降解聚碳酸酯的制備及其應(yīng)用研究進(jìn)展

張 梅，賈學(xué)增，陳 曦

（重慶化工職業(yè)學(xué)院，重慶 400020）

生物可降解高分子材料與生物體的化學(xué)結(jié)構(gòu)極其相似，具有良好的力學(xué)性能與生物相容性，且制備工藝簡(jiǎn)單，容易加工成型，可在動(dòng)物或者人體內(nèi)經(jīng)過(guò)酶或非酶的作用進(jìn)行降解［1-3］，降解產(chǎn)物具有良好的生物相容性，可通過(guò)生理代謝的方式排出體外?？缮锝到饩厶妓狨ゾ哂辛己玫纳锵嗳菪院土W(xué)性能［4-6］，經(jīng)過(guò)生物降解后生成二氧化碳和中性的二元醇（酚），然后排出體外，不會(huì)產(chǎn)生殘留，對(duì)生物體的影響極低?？缮锝到饩厶妓狨サ募庸すに嚭?jiǎn)單，可以通過(guò)改變主鏈化學(xué)結(jié)構(gòu)或者引入各種類型的功能化側(cè)基，對(duì)材料進(jìn)行改性，使其具有不同的性能，來(lái)滿足不同使用條件下的需要?？缮锝到饩厶妓狨ビ捎谄涮厥獾男阅埽谏镝t(yī)用材料領(lǐng)域的應(yīng)用極廣。與傳統(tǒng)陶瓷材料相比，它更容易與骨剛性相匹配，在矯形外科手術(shù)和其他組織修復(fù)應(yīng)用中具有明顯優(yōu)勢(shì)［7］；與金屬材料相比，可生物降解聚碳酸酯不會(huì)產(chǎn)生金屬離子，不會(huì)發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，也不會(huì)引發(fā)局部炎癥反應(yīng)，在固定支架方面有較好的應(yīng)用前景［8］；可生物降解聚碳酸酯還可作為藥物的外殼，外殼緩慢降解，使藥物的釋放速率減慢，藥性持續(xù)時(shí)間加長(zhǎng)，從而獲得更好的治療效果［9］。本文對(duì)生物可降解聚碳酸酯的種類、合成技術(shù)進(jìn)行綜述，并對(duì)其在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行展望。

1 可降解聚碳酸酯的種類

1.1 含脂肪族主鏈的聚碳酸酯

含脂肪族主鏈的聚碳酸酯分子間作用力較小，具有熔融溫度低、溶解性能好、有一定親水性、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低等特性。黃霞等［10］以天然α-氨基酸為原料合成了含脂肪族主鏈的聚碳酸酯，并進(jìn)行了水解實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，含脂肪族主鏈的聚碳酸酯具有良好的水解性能，其水解率對(duì)堿性降解液的濃度有一定依賴性。梁飛等［11］采用溶液預(yù)聚體法合成了毒性小、生物降解性能優(yōu)異的聚碳酸酯，當(dāng)預(yù)聚溫度為80 ℃時(shí)，合成的聚碳酸酯拉伸強(qiáng)度為52.5 MPa，水解實(shí)驗(yàn)表明，材料完全降解時(shí)間為60 d，降解性能優(yōu)異。

1.2 含芳香族主鏈的聚碳酸酯

在聚碳酸酯主鏈上引入含芳香基的單體鏈節(jié)，可以提高聚碳酸酯的力學(xué)性能。這類聚碳酸酯為無(wú)定型材料，可通過(guò)簡(jiǎn)單的工藝方法（如注射模壓、吹塑等）制備。含芳香族主鏈的聚碳酸酯具有良好的力學(xué)性能，如含酪氨酸二肽的聚碳酸酯，其最大的抗張強(qiáng)度和楊氏模量分別可達(dá)50 MPa，112 GPa。含芳香族主鏈的聚碳酸酯表現(xiàn)出良好的生物相容性，水解成酪氨酸和二氧化碳，具有良好的生物相容性。李智勇等［12］采用溶液法制備了含芳香族主鏈的聚碳酸酯，該聚合物在高溫固化后表現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，還具有良好疏水性，在沸水中浸泡24 h后的吸水率低至0.21%。Tangpasuthadol等［13］研究了含芳香族主鏈聚碳酸酯的降解機(jī)理，設(shè)計(jì)了一系列模擬聚合物重復(fù)單元的小型模型化合物，使用這些模型對(duì)水解速率進(jìn)行模擬，結(jié)果表明，主鏈碳酸根鍵的水解速率較酯鏈鍵快，增加烷基鏈的長(zhǎng)度可以降低兩個(gè)鍵的水解速率。

2 脂肪族聚碳酸酯的合成技術(shù)

2.1 光氣法

光氣法是以水和二氯甲烷為溶劑，通過(guò)光氣與脂肪族二元醇的縮聚，制備脂肪族聚碳酸酯。該方法工藝成熟，產(chǎn)品的物理性能穩(wěn)定，但是生產(chǎn)過(guò)程中需要鹽酸作為原料，產(chǎn)品中有殘留的氯離子，影響產(chǎn)品的使用，而且該方法對(duì)環(huán)境污染大，后續(xù)處理的成本高，該合成方法具有一定的局限性。目前的研究方向主要集中在減少產(chǎn)品中氯離子的殘留量，提高產(chǎn)品使用的適用性。黃振豪等［14］采用光氣法合成聚碳酸酯，主要以二甲烷、氯苯為原料，通過(guò)界面縮聚合成工藝和液-液離心萃取工藝制備，全流程可進(jìn)行連續(xù)化生產(chǎn)。采用液-液離心萃取法洗滌，可使產(chǎn)品的氯含量由（650～750）×10-6（y）降至20×10-6（y）以下，二甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至0.05%。

2.2 酯交換法

酯交換法是采用碳酸二烷基酯和脂肪二羥基化合物為原料，在堿性催化劑以及高溫條件下進(jìn)行酯交換反應(yīng)。與光氣法相比，這種方法不以鹽酸為原料，不會(huì)有殘留的氯離子，也不會(huì)污染環(huán)境，但是生成的聚碳酸酯力學(xué)性能較差，具體為黏度及硬度較低，目前的研究重點(diǎn)在選用合適的催化劑以及工藝提高其物理、化學(xué)性能。潘冬冬等［15］研究了以1,6-六亞甲基二氨基甲酸甲酯和聚碳酸酯二醇為原料，有機(jī)錫為催化劑，無(wú)溶劑熔融酯交換縮聚合成聚氨酯（PU）的新工藝，通過(guò)優(yōu)化縮聚反應(yīng)溫度以及反應(yīng)時(shí)間，可以得到相對(duì)分子質(zhì)量較高、硬度較大、白度較好的PU，其特性黏度為61.30cm3/g，硬度為35.0，白度為61.2%。

2.3 加成共聚法

加成共聚法是由環(huán)氧化合物（如環(huán)氧乙烷、環(huán)氧丙烷等）與CO2在有機(jī)金屬催化劑的作用下制備聚碳酸酯，目前的研究熱點(diǎn)是選用環(huán)氧化合物以及有機(jī)金屬催化劑得到相對(duì)分子質(zhì)量高的聚碳酸酯。燕豐［16］采用二氧化碳、環(huán)氧環(huán)己烷、α-環(huán)氧蒎烷為原料，四齒希夫堿金屬配合物SalenCr ⅢCl為主催化劑，雙（三苯基膦）氯化銨、3-丁基氯化銨、1-甲基咪唑、4-二甲氨基吡啶四者之一為助催化劑，在二氧化碳?jí)毫?.0～5.5 MPa的條件下將環(huán)氧環(huán)己烷、α-環(huán)氧蒎烷與二氧化碳進(jìn)行加成共聚制備聚碳酸酯。該工藝簡(jiǎn)單易操作，制備的脂肪族聚碳酸酯具有熱穩(wěn)定性好，相對(duì)分子質(zhì)量高以及相對(duì)分子質(zhì)量分布窄等優(yōu)點(diǎn)。

2.4 開(kāi)環(huán)聚合法

環(huán)狀碳酸酯單體在引發(fā)劑作用下通過(guò)開(kāi)環(huán)聚合可得到聚碳酸酯，開(kāi)環(huán)聚合法具有反應(yīng)條件溫和、熱效應(yīng)低、聚合反應(yīng)速率快、能在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到較高相對(duì)分子質(zhì)量、聚合物結(jié)構(gòu)易控制、產(chǎn)物純凈等優(yōu)點(diǎn)。采用的引發(fā)劑可以是醇、酸、胺、鹵代烴等非金屬，金屬和酶等，目前的研究熱點(diǎn)主要在選用合適的引發(fā)劑以及工藝參數(shù)，得到物理生物性能好的脂肪族聚碳酸酯。馮俊等［17］采用豬胰脂肪酶為催化劑，通過(guò)開(kāi)環(huán)聚合的方法合成了聚碳酸酯，相對(duì)分子質(zhì)量為3000～18000，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，聚碳酸酯的相對(duì)分子質(zhì)量沒(méi)有明顯的變化，但產(chǎn)率逐漸提高，這種方法有利于提高脂肪族聚碳酸酯的產(chǎn)率。

3 可降解聚碳酸酯在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

脂肪族聚碳酸酯具有生物降解性、生物相容性、表面溶蝕性能以及多功能性等特點(diǎn)，是一種優(yōu)良的藥物載體材料。王士海等［18］通過(guò)十六醇引發(fā)2,2-二甲基三亞甲基環(huán)碳酸酯開(kāi)環(huán)聚合合成了聚碳酸酯，再與葉酸通過(guò)酯化反應(yīng)合成了葉酸修飾的聚碳酸酯，以吲哚美辛為模型藥物，F(xiàn)e3O4粒子為磁源，通過(guò)乳化法制備了葉酸修飾的聚碳酸酯磁性載藥微球，結(jié)果表明，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.5%的Fe3O4粒子被包裹在聚合物微球中，微球粒徑約320 nm，具有超順磁性，且對(duì)吲哚美辛的包載率為4.6%，載藥微球在模擬人體環(huán)境（pH=7.4，37 ℃）下36 h后的累積釋藥劑量為20.0%，具有緩釋效果。

脂肪族聚碳酸酯在降解過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生酸性物質(zhì)，可避免局部由于pH值較低而引起的炎癥反應(yīng)，可應(yīng)用于人體生物組織工程方面。張玲等［19］利用聚碳酸亞丙酯和聚羥基丁酸己酸酯制備了不同比例的共混膜，發(fā)現(xiàn)共混膜上血管平滑肌細(xì)胞的黏附良好，將其制成的管形支架力學(xué)性能符合體內(nèi)移植要求，支架的破裂強(qiáng)度與羊頸動(dòng)脈相似，縫合強(qiáng)度均強(qiáng)于羊頸動(dòng)脈，可望用于血管組織工程支架材料。

4 結(jié)語(yǔ)

綜述了可生物降解聚碳酸酯的種類及合成技術(shù)，并展望了可降解聚碳酸酯在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用。合成毒性小、生物降解性能優(yōu)異的聚碳酸酯是目前研究的重點(diǎn)，同時(shí)降低氯含量，提高硬度，提高產(chǎn)率是脂肪族聚碳酸酯合成技術(shù)的研究方向。由于聚碳酸酯具有緩慢的生物降解功能，可使藥物逐步緩慢釋放，提高治療效果，并降低藥物對(duì)人體的傷害。