超臨界二氧化碳中硼酸催化合成聚己內(nèi)酯

邵思承，王景昌，柯錦平，黃重貴，詹世平(大連大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 大連 116622)

0 引言

聚己內(nèi)酯(PCL)是一種很好的生物醫(yī)用可降解材料，一直以來都是研究的熱點(diǎn)。PCL具有較低的玻璃化溫度和熔點(diǎn)，使其比其他聚酯具有更好的藥物通透性，可用作緩釋膠囊[1-2]。PCL的分子鏈比較規(guī)整、易結(jié)晶，具有良好的生物相容性及機(jī)械性能，是理想的植入材料之一。同時PCL與許多高聚物具有較好的相容性，可與高聚物共聚以提高其自身性能與研究價值[3-4]。1993年FW Weathers就對聚己內(nèi)酯的各項(xiàng)性質(zhì)進(jìn)行了分析[5]；Loeker等[6]使用Novozym-435脂肪酶為催化劑在Sc-CO2中催化合成分子量較大的PCL；2015年李楊等[7]人首次使用硼酸作為催化劑催化合成了PCL。制備脂肪族聚酯PCL的傳統(tǒng)方法通常會涉及到有機(jī)溶劑。有機(jī)溶劑易揮發(fā)，會對人體和環(huán)境造成一定程度的危害。在此背景下以無污染的超臨界二氧化碳(Sc-CO2)代替常規(guī)有機(jī)溶劑作為介質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)便應(yīng)運(yùn)而生。超臨界二氧化碳是一種環(huán)境友好型溶劑，具有無毒、無味、不燃等優(yōu)點(diǎn)。此外二氧化碳的臨界點(diǎn)為31.1 ℃，7.34 MPa，條件較溫和，易于操作。本研究著重對比不同條件下產(chǎn)物分子量，得出超臨界二氧化碳中硼酸催化合成聚己內(nèi)酯的最佳反應(yīng)條件。

1 PCL、Sc-CO2、B(OH)3的特性

1.1 PCL的特性及其應(yīng)用領(lǐng)域

聚己內(nèi)酯(PCL)是脂肪族聚酯中研究最早的也是最成熟的聚合物之一，是美國食品和藥物管理局(FDA)認(rèn)可的一類生物醫(yī)用材料。早在20世紀(jì)30年代，已成功合成獲得了PCL。此后，PCL以及對其進(jìn)行改性一直是各國學(xué)者研究的重點(diǎn)。PCL是一種半結(jié)晶性高聚物，結(jié)晶度約為50%左右。其熔點(diǎn)為58～65 ℃，玻璃化溫度(Tg)為-60 ℃左右，室溫下呈軟玻璃態(tài)，熱穩(wěn)定性良好，與其它聚酯相比藥物通透性更強(qiáng)，在藥物緩釋載體領(lǐng)域具有巨大的優(yōu)勢。研究表明，使用PCL作為緩釋載體時，可將藥物穩(wěn)定的輸送到靶向位置，使藥物的有效率大大提高，治療效果更佳。

PCL具有良好的延展性、加工性和生物相容性，易擠出成型，因此可用作外科手術(shù)縫合線。有研究表明，PCL的降解周期要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于聚對二氧環(huán)己酯(PDS)與聚乙交酯碳酸三甲酯(Maxon)。在特定的情況下會要求手術(shù)縫合線具有較長的降解周期，因此使用PCL制成的手術(shù)縫合線比其他聚酯類手術(shù)縫合線更具優(yōu)勢。

聚己內(nèi)酯是一種半結(jié)晶型聚合物，是化學(xué)合成的生物降解性高分子材料，熔點(diǎn)為59～64 ℃，玻璃化溫度為-60 ℃。分子量較低，為無色結(jié)晶固體，具有蠟質(zhì)感。因?yàn)榉肿咏Y(jié)構(gòu)中引入了酯基結(jié)構(gòu)，所以在自然界中酯基結(jié)構(gòu)易被微生物或酶分解，最終產(chǎn)物為CO2和H2O。同時具有良好的生物相容性、生物降解性、相容性、高結(jié)晶性和低熔點(diǎn)性，可應(yīng)用于微包囊藥物制劑，涂料方面。

1.2 Sc-CO2的特性及其應(yīng)用領(lǐng)域

Sc-CO2是維持在臨界溫度及臨界壓力以上的二氧化碳流體(超臨界流體)，工作狀況提升到二氧化碳的臨界點(diǎn)時，其性質(zhì)會介于液體和氣體之間，會像氣體一樣充滿整個空間，但其密度又類似液體，因其獨(dú)特的性質(zhì)其被廣泛應(yīng)用于高分子材料的合成加工[8]和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

制備脂肪族聚酯的傳統(tǒng)方法通常會涉及到有機(jī)溶劑，有機(jī)溶劑易揮發(fā)，且大多具有毒性，會對人體和環(huán)境造成一定程度的危害。針對這個問題，無污染的超臨界二氧化碳(ScCO2)代替常規(guī)有機(jī)溶劑作為介質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)引起了各國科學(xué)者的注意。ScCO2具有無毒、無味、不燃、臨界條件(Tc=31.1 ℃，Pc=7.34 MPa)容易達(dá)到，操作簡單等優(yōu)點(diǎn)。ScCO2作為反應(yīng)介質(zhì)或反應(yīng)物參加化學(xué)反應(yīng)已經(jīng)獲得了成功的應(yīng)用。

1.3 硼酸的性質(zhì)及其優(yōu)勢

硼酸溶于水、酒精、甘油、醚類及香精油中，水溶液呈弱酸性。硼酸在水中的溶解度隨溫度升高而增大，并能隨水蒸汽揮發(fā)。硼酸和硼酸鹽可以很迅速地與多元醇(如甘油)和α-羥基羧酸形成穩(wěn)定的螯合物，使其酸性增強(qiáng)。這是分析化學(xué)用氫氧化鈉溶液在甘露醇存在下滴定硼酸的基礎(chǔ)。用于催化ε-CL開環(huán)聚合的催化劑大多為金屬催化劑，這類催化劑不僅需要較為嚴(yán)格的反應(yīng)環(huán)境，最主要的是所殘留的可能有毒的金屬離子阻礙了聚酯材料作為醫(yī)用材料的使用。硼在自然界中的含量相對豐富，對于植物生長和人類的大腦及骨骼發(fā)育是一個重要的微量元素，硼酸(B(OH)3)屬于無機(jī)小分子化合物，是一種較弱的路易斯酸(pKa=9.2)。硼酸是一種溫和高效的催化劑，具有環(huán)境友好、廉價易得及易于操作等優(yōu)點(diǎn)。硼酸的毒性很小，且硼是生命體生長所需的重要微量元素和支持腦發(fā)育的超微量元素，因此硼酸作為催化劑在催化合成PCL上比金屬催化劑與酶更具有優(yōu)勢。近年來，鑒于綠色化學(xué)的觀點(diǎn)，硼酸由于其優(yōu)異的水溶性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性、操作使用方便、價格低廉和環(huán)境友好等特點(diǎn)，用硼酸作為催化劑在有機(jī)合成中得到了特別的關(guān)注。

2 硼酸催化合成聚己內(nèi)酯原理

硼酸中的硼是硼原子是缺電子的，易與CL中的給電子體羰基氧發(fā)生相互作用，使CL單體被活化，進(jìn)而催化CL開環(huán)聚合。硼酸中的硼原子與CL單體相互作用使之被活化，然后引發(fā)劑正丁醇的羥基進(jìn)行親核攻擊CL單體的羰基碳，CL單體開環(huán)(O-?；鶖嗔?插入到引發(fā)劑中，同時又形成了末端羥基，接著重復(fù)相同的活化機(jī)理進(jìn)行鏈增長，得到聚合物。

3 聚己內(nèi)酯的應(yīng)用

3.1 聚己內(nèi)酯在組織工程中的應(yīng)用

聚己內(nèi)酯與其他材料(如納米氧化鋯粉末)形成的復(fù)合材料具有良好的生物活性、生物可吸收性和一定的力學(xué)強(qiáng)度，可用于骨組織工程支架[8]，聚己內(nèi)酯有較好的加工性且降解率可控，易于物理修飾和化學(xué)修飾，其性質(zhì)使得與其他材料結(jié)合之后有更加理想的性質(zhì)，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)材料生產(chǎn)。

PCL在生物組織工程方面的研究始于二十世紀(jì)末，現(xiàn)已得到廣泛的應(yīng)用。組織工程包括骨組織工程、皮膚組織工程與神經(jīng)組織工程等方面。Guan等[9]使用PCL制備了組織支架(PEUUs)，經(jīng)臨床驗(yàn)證，PEUUs支架在韌性、生物相容性與降解性等方面優(yōu)于PLLA、PGA與PDS支架。Kook等[10]使用PCL與明膠(GT)制備了新型GT/PCL納米纖維電紡膜，將人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞(hUVECs)與脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞(ADSCs)接種到GT/PCL納米纖維電紡膜，經(jīng)過三維培養(yǎng)可使血管形態(tài)發(fā)生變化，可生成更多的血管內(nèi)腔結(jié)構(gòu)。

3.2 聚己內(nèi)酯在膜領(lǐng)域的應(yīng)用

聚己內(nèi)酯有良好的生物降解性能，常用其他材料與其進(jìn)行化學(xué)改性，降低成本，在膜領(lǐng)域中，如用木質(zhì)素接枝PCL薄膜材料[11]，利用木質(zhì)素的剛性和PCL的韌性，賦予膜更強(qiáng)的力學(xué)性能，前景十分廣闊。

3.3 聚己內(nèi)酯在制藥領(lǐng)域的應(yīng)用

利用良好的生物相容性，加工溫度較低等性質(zhì)，可將其用作藥物傳遞載體，減少高溫引起藥物失活的可能，用聚己內(nèi)酯與藥物和釋放改性劑制備的復(fù)合材料可使累積釋藥率顯著提高[12]。

4 結(jié)語

隨著化學(xué)、化工、生物、材料、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的不斷發(fā)展以及相互之間的合作及學(xué)科交叉，聚己內(nèi)酯的制備技術(shù)會有更大的突破。以硼酸為催化劑在超臨界二氧化碳中催化合成高聚物具有綠色無毒、簡便高效等特點(diǎn)。聚己內(nèi)酯及其共聚物因其良好的理化性質(zhì)及生物相容性，可以在更廣闊的領(lǐng)域獲得應(yīng)用，近年來其共聚物的研究受到廣泛關(guān)注。