羥基保護(hù)法制備聚(D-乳酸-葡萄糖)共聚物及其性能研究

朱前進(jìn),祁俐燕,曹 丹,劉婷婷,高勤衛(wèi)

(南京林業(yè)大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院,江蘇 南京 210037)

聚乳酸(PLA)是一種可生物降解的脂肪族聚酯,其原料乳酸來源于玉米、甘蔗等植物的發(fā)酵產(chǎn)物,因制備PLA的原料來源豐富且可再生,PLA成為取代石油基傳統(tǒng)聚合物的首選[1]。聚乳酸可用于生物醫(yī)學(xué)[2]、包裝[3]、紡織纖維等各種應(yīng)用領(lǐng)域。由于PLA良好的生物相容性,PLA在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用成為研究熱點(diǎn)。然而,由于PLA存在一些固有的缺陷,如親水性差、細(xì)胞相容性不足等,導(dǎo)致其在生物醫(yī)用材料領(lǐng)域的應(yīng)用有所局限。因此,為了滿足不同的應(yīng)用需求,需要對PLA進(jìn)行改性,以提高其性能。共聚改性是改善聚乳酸性能最主要的途徑之一,將乳酸與其他單體共聚改性,以調(diào)節(jié)共聚物的分子質(zhì)量、共聚單體數(shù)目和種類來控制聚乳酸材料的降解速度并改善其結(jié)晶度、親水性等。常用的改性材料有親水性好的聚乙二醇及藥物通透性好的聚ε-己內(nèi)酯等[4]。

糖類在自然界中分布廣泛,糖類分子含有大量羥基,用于PLA改性可以改善PLA的親水性和細(xì)胞相容性,如淀粉、環(huán)糊精、殼聚糖、纖維素與PLA共聚物可用于抗菌材料、給藥系統(tǒng)、生物支架等[5-8]。葡萄糖具有5個羥基,更容易與PLA共聚改性和共混改性[9-10]。目前有報道采用丙交酯開環(huán)聚合與單糖共聚制備兩親性單糖基共聚物[11],但是沒有控制乳酸鏈段、共聚物分子鏈中糖類基團(tuán)分布等方面的研究。采用乳酸的直接縮聚法合成聚乳酸及其共聚物,工藝簡單、成本低,但所得聚合物的分子質(zhì)量較低。曹丹等[12]將葡萄糖分別與L-乳酸、D-乳酸熔融共聚,合成聚(L-乳酸-葡萄糖)共聚物(PLLAG)和聚(D-乳酸-葡萄糖)共聚物(PDLAG),其相對分子質(zhì)量為15 000～20 600,PLLAG與PDLAG共混可以制備具有立構(gòu)復(fù)合結(jié)晶的體系。Luo等[13]采用葡萄糖和L-乳酸熔融共聚,合成了相對分子質(zhì)量小于5 900的聚(L-乳酸-葡萄糖)共聚物。所得共聚物為多臂聚合物,具有多條聚L-乳酸支鏈,但是沒有討論聚乳酸支鏈的數(shù)目和長度,也缺少調(diào)控共聚物鏈結(jié)構(gòu)的研究。

張衛(wèi)紅等[14]以α-D-葡萄糖為原料,采用異丙叉基保護(hù)反應(yīng)合成了含有1個羥基的1,2 ∶5,6-氧-二異丙叉基α-D葡萄糖,并水解脫保護(hù)基團(tuán)制備了含有3個羥基的1,2-氧-異丙叉基α-D-葡萄糖。Fernndez等[15]采用2,3-二氯-5,6-二氰基-1,4-對苯醌(DDQ)作為催化劑,選擇性水解異丙叉基保護(hù)基,將D-呋喃葡萄糖水解成D-半乳糖。作者在上述研究和課題組前期研究[9,12]的基礎(chǔ)上,通過對葡萄糖羥基數(shù)量的調(diào)控,進(jìn)行PLA與葡萄糖共聚物結(jié)構(gòu)與性能調(diào)控的研究，以α-D-葡萄糖為原料,采用羥基保護(hù)法制備1,2 ∶5,6-雙-O-異丙叉基-α-D-呋喃葡萄糖(ODG)，并以D-乳酸為原料直接縮聚制備聚D-乳酸(PDLA)，PDLA再與ODG熔融共聚合成PDLAODG，PDLAODG脫保護(hù)制備PDLAG,并對所得共聚物的結(jié)晶性能、熱性能和親水性進(jìn)行表征,以期獲得性能優(yōu)良的新型聚乳酸材料。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料與試劑

D-乳酸(純度90%)、無水葡萄糖、氯化亞錫、對甲苯磺酸、異辛酸亞錫、甲醇、丙酮、乙腈、磷酸、三氯甲烷、乙酸乙酯、2,3-二氧-5,6-二氰基對苯醌(純度98%),所有試劑均為分析純。

1.2 樣品的制備

1.2.11,2 ∶5,6-雙-O-異丙叉基-α-D-呋喃葡萄糖(ODG)的合成 參考文獻(xiàn)[14]合成ODG。稱取10 g葡萄糖,與150 mL丙酮一同加入三口燒瓶中,攪拌并依次加入7.5 g氯化鋅和一定量的磷酸(n(ZnCl2) ∶n(H3PO4)=10 ∶1),常壓反應(yīng)30 h，然后在快速攪拌下滴加50%的NaOH水溶液,調(diào)節(jié)pH值為8.0后進(jìn)行抽濾,并以丙酮洗滌2～3次至濾液無色透明,旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濾液、脫除溶劑,所得的固體以三氯甲烷溶解并水洗,萃取2～3次,所得的三氯甲烷溶液旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)脫除溶劑,采用乙酸乙酯和石油醚重結(jié)晶2～3次,得白色針狀晶體,即呋喃葡萄糖(ODG)。采用薄層層析法(TLC)檢測反應(yīng)的程度,展開劑為乙酸乙酯和石油醚的混合液(兩者體積比1 ∶4)。

1.2.2聚D-乳酸(PDLA)的合成 稱取一定量的D-乳酸加入三口燒瓶中,升溫到150 ℃,常壓保持1 h,減壓至系統(tǒng)壓力低于1 000 Pa反應(yīng)4 h,再加入反應(yīng)物總質(zhì)量0.5%的催化劑異辛酸亞錫,升溫至170 ℃、在系統(tǒng)壓力低于1 000 Pa下反應(yīng)8 h。產(chǎn)物用三氯甲烷溶解,再用過量甲醇沉淀析出。分離的沉淀在50 ℃下真空干燥10 h,得到聚D-乳酸(PDLA)。

1.2.3聚(D-乳酸-1,2 ∶5,6-雙-O-異丙叉基-α-D-呋喃葡萄糖)共聚物(PDLAODG)的合成 將PDLA熔融之后,加入適量的ODG,再加入反應(yīng)物總質(zhì)量0.5%的催化劑異辛酸亞錫,減壓至系統(tǒng)壓力低于1 000 Pa反應(yīng)6 h,產(chǎn)物用三氯甲烷溶解,再用過量甲醇沉淀析出,分離的沉淀在50 ℃下真空干燥10 h,得到PDLAODG。將n(PDLA) ∶n(ODG)為1 ∶1、1 ∶2、1 ∶3、1 ∶4、1 ∶5時制備的共聚物樣品分別命名為PDLAODG-1、PDLAODG-2、PDLAODG-3、PDLAODG- 4、PDLAODG-5。所得PDLAODG的葡萄糖基團(tuán)含量以O(shè)DG投料量表示。

1.2.4聚(D-乳酸-葡萄糖)共聚物(PDLAG)的合成 將PDLAODG樣品研磨成粉末,與2,3-二氧-5,6-二氰基對苯醌(DDQ)混合(m(PDLAODG) ∶m(DDQ)=180 ∶1),加入到三口燒瓶中,再加入3～6 mL的乙腈-水混合液(體積比9 ∶1)進(jìn)行溶解,將其在80 ℃的油浴中恒溫反應(yīng)4 h,產(chǎn)物用三氯甲烷溶解,再用過量甲醇沉淀析出,50 ℃下真空干燥10 h,得到羥基脫保護(hù)后的PDLAG。由不同PDLAODG樣品得到的對應(yīng)的PDLAG樣品分別記為:PDLAG-1、PDLAG-2、PDLAG-3、PDLAG- 4、PDLAG-5。所得PDLAG的葡萄糖基團(tuán)含量以O(shè)DG投料量表示。具體合成路線見圖1。

圖1 PDLAG的合成路線

1.3 結(jié)構(gòu)表征與性能測試

1.3.2FT-IR分析 采用Nicolet公司FT-IR-360型紅外光譜儀測定紅外光譜,通過KBr壓片法進(jìn)行測試,掃描范圍為500～4000 cm-1。

1.3.3DSC分析 熔融溫度和熔融焓(ΔHm)通過差示掃描量熱法測定。采用耐弛公司DSC-200F3差示掃描量熱儀測定樣品熱性能,稱取6 mg左右干燥好的共聚物放入坩堝中,保護(hù)氣N2以30 mL/min連續(xù)流動,將樣品以10 ℃/min的升溫速率從20 ℃穩(wěn)定加熱至250 ℃。所有DSC樣品均以溶液澆鑄法制備,將樣品溶于三氯甲烷溶劑,溶液倒入有蓋培養(yǎng)皿中,室溫下脫除溶劑后,于70 ℃真空干燥10 h以上,得到樣品。

1.3.4TG分析 采用Q5000型熱重分析儀測定聚合物的TG曲線。稱取4 mg樣品放入坩堝中,測試溫度范圍為20～600 ℃,升溫速率為10 ℃/min,氮?dú)饬髁繛?0 mL/min。

1.3.5XRD分析 采用日本Rigaku公司Rigaku D/max-Ra 型X射線衍射儀進(jìn)行XRD分析,Cu靶Kα線,λ=0.154 nm,工作電壓40 kV,電流30 mA,半峰寬數(shù)據(jù)由Jade 6軟件擬合計(jì)算得到。XRD樣品采用相同的溶液澆鑄法制備。

1.3.6接觸角與吸水率測試 采用上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司的JC2000C1接觸角測量儀測量共聚物的靜態(tài)水接觸角。每個樣品測量5次,取其平均值。將干燥的聚合物真空干燥后,稱質(zhì)量m0,置于錐形瓶中,加入蒸餾水,在(37.0±0.5) ℃下分別浸泡24 h,取出后用濾紙吸干表面的水,稱質(zhì)量m1。每個樣品進(jìn)行3個平行實(shí)驗(yàn)取平均值,根據(jù)吸水前后質(zhì)量的變化計(jì)算吸水率,吸水率=(m1-m0)/m0×100%。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚乳酸共聚物的表征

2.1.11H NMR分析 葡萄糖在酸性條件下進(jìn)行羥基保護(hù)后,其C-1、C-2、C-5和C- 6的4個羥基被保護(hù),生成的ODG上只留有C-3的羥基[14],可以與聚乳酸的端羧基發(fā)生酯化反應(yīng),生成PDLAODG。在ODG與PDLA熔融聚合反應(yīng)過程中,增加呋喃葡萄糖的投料量,用于調(diào)控葡萄糖基團(tuán)所接上的乳酸鏈段數(shù)目及其聚合度。

采用1H NMR對ODG、PDLAODG-5和PDLAG-5進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征,結(jié)果見圖2。由圖2(a)可見,ODG的核磁譜圖與文獻(xiàn)[14]相同?；瘜W(xué)位移(δ)1.2～1.5為2個異丙叉基上4個—CH3質(zhì)子峰,δ4.3～4.4的雙峰對應(yīng)于a位—CH2,δ4.55～4.66的雙重峰為e位C—H質(zhì)子峰,δ5.96的雙重峰為f位質(zhì)子峰。

由圖2(b)可知,δ1.5～1.75為D-乳酸鏈段中重復(fù)單元—CH3的質(zhì)子吸收峰,δ5.15～5.22處的四重峰歸屬于聚乳酸重復(fù)單元上—CH的質(zhì)子峰,而δ4.36～4.40處的四重峰歸屬于共聚物乳酸端基上—CH的質(zhì)子峰。圖2(b)除了PDLA鏈段的質(zhì)子峰外,也具有異丙叉基呋喃糖基團(tuán)中各質(zhì)子峰,其中f位質(zhì)子化學(xué)位移δ在5.96處,且是雙重峰,而純PDLA沒有該峰,即合成了共聚物PDLAODG。

PDLAODG中葡萄糖殘基f位的峰積分面積與乳酸鏈段端基—CH峰的積分面積的比例可以表征呋喃葡萄糖基團(tuán)上接枝的PDLA鏈段的數(shù)目。PDLAODG-5中乳酸端基—CH峰的積分面積與呋喃葡萄糖f位的峰積分面積的比值為1,這表明葡萄糖基團(tuán)接上了一條乳酸鏈段,即PDLAODG具有雙嵌段結(jié)構(gòu)。若繼續(xù)增加ODG的投料，n(ODG)/n(PDLA)≥6,該比值仍為1,即共聚物只有一條聚乳酸鏈。這說明n(ODG)/n(PDLA)≥5,PDLAODG為雙嵌段共聚物。由PDLAODG- 4和PDLAODG-3的1H NMR譜上的異丙叉基呋喃葡萄糖的g位質(zhì)子峰減弱或消失,且k位質(zhì)子峰與f位質(zhì)子峰的面積比均為4,說明這些樣品中葡萄糖基團(tuán)上接枝了4條PDLA鏈。這可能由于PDLA分子鏈的端羧基具有一定的酸性,增加PDLA用量,聚合體系中的羧基濃度增加,在酸性條件下ODG的異丙叉基可能脫除,因而葡萄糖基團(tuán)上具有較多的羥基,可以與PDLA酯化,接枝4條PDLA鏈。圖2(c)為PDLAG-5譜圖,圖中ODG的異丙叉基呋喃葡萄糖g位的質(zhì)子峰消失,而葡萄糖殘基上的其它質(zhì)子峰也產(chǎn)生微小偏移,這說明葡萄糖羥基脫除了保護(hù)基團(tuán)。

a.ODG; b.PDLAODG-5; c.PDLAG-5

表1 聚合物樣品的聚合度和數(shù)均分子質(zhì)量

2.1.2FT-IR分析 圖3為PDLA、PDLAODG-5和PDLAG-5的FT-IR譜圖,結(jié)果顯示: PDLAODG-5、PDLAG-5與PDLA的光譜類似,可能因?yàn)槠咸烟呛枯^少,其影響較小,所以紅外光譜變化不明顯。在3200～4000 cm-1處的羥基振動區(qū)域,這是由D-乳酸鏈段上的—OH、葡萄糖基團(tuán)上的羥基振動引起的,隨著葡萄糖基團(tuán)中羥基數(shù)量的增加,PDLAODG-5羥基峰的波數(shù)發(fā)生藍(lán)移,這表明葡萄糖上的羥基可能與PDLA鏈段具有相互作用[18-19]。

2.2 聚合物的熱性能分析

2.2.1DSC分析 為了分析羥基保護(hù)對聚合物結(jié)構(gòu)與性能的影響,采用DSC方法分析PDLAODG與PDLAG的結(jié)晶性能及其熱性能,結(jié)果見圖4。

由表2可見,PDLAODG-1熔融溫度和結(jié)晶度相比于PDLA均有所上升,說明少量葡萄糖基團(tuán)就可以提高PDLAODG的熔點(diǎn)和結(jié)晶度。但是隨著異丙叉基呋喃葡萄糖用量的增加,PDLAODG中呋喃葡萄糖基團(tuán)含量增加,其熔點(diǎn)逐漸下降,結(jié)晶度減少,說明葡萄糖基團(tuán)與PDLA鏈段相互作用,影響聚乳酸鏈段的有序排列,其結(jié)晶缺陷增加,結(jié)晶度下降。

PDLAODG在羥基脫除保護(hù)后可以得到PDLAG。PDLAG與PDLAODG相比,其結(jié)晶度和熔融溫度均略有提升,可能因?yàn)槠咸烟腔鶊F(tuán)在脫除保護(hù)后,其羥基含量提高,葡萄糖鏈段的親水性增加,疏水性的PDLA鏈段容易聚集并形成結(jié)晶結(jié)構(gòu)。但是隨著葡萄糖基團(tuán)用量的增加,PDLAG中葡萄糖基團(tuán)含量增加,葡萄糖基團(tuán)與PDLA鏈段之間的相互作用增強(qiáng),影響了聚乳酸鏈段的有序排列,其結(jié)晶缺陷增加,結(jié)晶度下降[19]。

表2 聚合物樣品的熔融溫度和結(jié)晶度

2.3 共聚物結(jié)晶結(jié)構(gòu)分析

為了分析共聚物的結(jié)晶結(jié)構(gòu),圖6給出了不同投料比PDLAODG在脫羥基前后的XRD曲線。所有樣品均采用溶液澆注法制備,并在70 ℃真空干燥了10 h,避免熱降解導(dǎo)致的分子質(zhì)量降低、結(jié)晶能力下降等因素對結(jié)晶的影響。由圖6可知，所有PDLAODG與PDLAG的曲線基本相同,均具有2θ為14.7°、 16.6°、 18.9°和22.3°的衍射峰,這與PDLA結(jié)晶相同。其中16.6°和18.9°左右的結(jié)晶衍射峰屬于聚乳酸鏈段α晶型的(110)和(020)晶面的峰,說明所有樣品結(jié)晶僅有PDLA鏈段形成,且分子鏈的葡萄糖端基未影響乳酸鏈段的結(jié)晶晶型。

為了進(jìn)一步分析結(jié)晶結(jié)構(gòu),使用Scherrer方程[7]確定PDLAODG、PDLAG的微晶尺寸(D),D=Kλ/Bcosθ,其中D是微晶尺寸,λ是CuKα輻射的波長,B是半高寬,K是比例常數(shù)(對于具有立方對稱性的球形晶體的半高寬為0.94)。選取2θ為16.6°計(jì)算晶體尺寸，結(jié)果見表3。由表3可知，隨著呋喃葡萄糖含量的增加,半高寬增大,晶粒尺寸減小,可能隨著呋喃葡萄糖基團(tuán)的增加,呋喃葡萄糖基團(tuán)與PDLA鏈段的相互作用增強(qiáng),導(dǎo)致PDLA的晶體生長受到阻礙[23],熔融溫度下降[24],結(jié)晶性能變差。而在脫除保護(hù)后,對應(yīng)的PDLAG的半高寬減小,晶粒尺寸增大,說明在保護(hù)基團(tuán)脫除后,親水性的葡萄糖基團(tuán)顯露出來,結(jié)晶性能提升。XRD的結(jié)果與DSC分析一致。

2.4 共聚物的親水性分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證異丙叉基呋喃葡萄糖羥基保護(hù)前后對共聚物的影響,采用接觸角法和吸水率測試分析PDLAODG和PDLAG的親水性,結(jié)果見表3。純PDLA的接觸角為81°,親水性較差。由表3可知,PDLAODG的接觸角小于PDLA,且其接觸角隨著葡萄糖用量的增加而下降。當(dāng)PDLAODG脫除羥基保護(hù)基團(tuán)后,所得PDLAG的接觸角明顯減小,并且隨著呋喃葡萄糖投料量的增大而減小,PDLAODG接觸角最小為71.5°,而PDLAG接觸角最小為64.4°。與接觸角結(jié)果相似,PDLAODG和PDLAG的吸水率均隨著葡萄糖用量的增加而增加。以上結(jié)果表明:葡萄糖基團(tuán)的引入改善了PDLAODG和PDLAG的親水性,且PDLAG的親水性更好。

分析可見控制乳酸鏈段數(shù)目可以更好改善聚乳酸材料的結(jié)晶性能、熱性能和親水性能,對其在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用有重要意義。

表3 樣品的晶體尺寸、半高寬、接觸角和吸水率

3 結(jié) 論

3.1以α-D-葡萄糖、D-乳酸為原料,通過羥基保護(hù)法制備PDLAODG,并水解脫除羥基保護(hù)基團(tuán)得到PDLAG。通過此法可以控制葡萄糖基團(tuán)接上去的乳酸鏈段數(shù)目，當(dāng)n(PDLA) ∶n(ODG)為1 ∶5時,PDLAODG-5共聚物中呋喃葡萄糖基團(tuán)上成功接上一條聚乳酸鏈段。

3.2隨著n(ODG)/n(PDLA)比值的增加,PDLAODG的熔融溫度從151.5 ℃降到147.9 ℃,結(jié)晶度從58.2%降低到42.1%；PDLAG熔融溫度從156.8 ℃降到149.4 ℃,結(jié)晶度從61.9%降低到50.0%。說明PDLAODG脫除羥基保護(hù)基團(tuán)后,相應(yīng)的PDLAG的熱穩(wěn)定性提高、結(jié)晶性能提升。

3.3隨著n(ODG)/n(PDLA)比值的增加,PDLAODG的親水性增加。PDLAODG-5的接觸角(71.5°)最小,即親水性最好。PDLAODG脫除羥基保護(hù)基團(tuán)后,PDLAG親水性相應(yīng)增加,且PDLAG-5的接觸角(64.4°)最小。