聚乙交酯-丙交酯-己內酯三元無規共聚物及其電紡膜的制備與表征

楊　歡， 黃冬玲， 陳棟梁， 熊成東， 張　琦， 龐秀炳， 熊左春*

(1．中國科學院 成都有機化學研究所，四川 成都　610041； 2． 中國科學院大學，北京　100049； 3． 浙江省人民醫院

臨床醫學研究所，浙江 杭州　310014； 4． 浙江省生物可降解醫用材料工程技術研究中心，浙江 東陽　322118)

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·研究簡報·

聚乙交酯-丙交酯-己內酯三元無規共聚物及其電紡膜的制備與表征

楊歡1,2， 黃冬玲1,2， 陳棟梁1， 熊成東1， 張琦3， 龐秀炳4， 熊左春1*

(1．中國科學院 成都有機化學研究所，四川 成都610041； 2． 中國科學院大學，北京100049； 3． 浙江省人民醫院

臨床醫學研究所，浙江 杭州310014； 4． 浙江省生物可降解醫用材料工程技術研究中心，浙江 東陽322118)

摘要：以左旋丙交酯、乙交酯和己內酯為原料，辛酸亞錫為催化劑，在真空條件下經本體熔融開環聚合，制備了三元無規共聚物(P)，其結構和性能經1H NMR， IR， DSC和粘度表征。實驗結果表明：P的玻璃化轉變溫度可通過單體的投料比調控；采用靜電紡絲法可方便地獲得共聚物亞微米纖維膜。

關鍵詞：三元共聚物； 熔融共聚； 制備; 玻璃化轉變溫度； 電紡

生物可降解高分子，尤其是脂肪族聚酯，其在縫線、藥物載體、組織工程支架等生物醫學應用領域得到廣泛應用[1-2]。然而，由一種單體組成的聚合物的理化性能比較單一，如聚乙醇酸是一種結晶性的硬性材料，聚己內酯則是一種降解較慢的軟性材料。將具有不同特性的單體共聚，可以調節聚合物的性能。如在聚乳酸或聚乙醇酸中引入己內酯單元，可以顯著改善共聚物的柔韌性。

Scheme 1

a通過1H NMR計算；b根據DSC曲線確定;c通過Fox方程計算;r=n(LA)/n(GA)/n(CL)。

通常此類聚合物制備的支架材料具有合適的孔隙結構、柔軟性及合適的降解模式等，近年來廣泛應用于人工皮膚領域[3-4]。

本文以辛酸亞錫為催化劑，將柔性優異的己內酯(CL)，較快降解速率的乙交酯(GA)及L-丙交酯(L-LA)為單體，通過本體熔融開環聚合制備了三元無規共聚物(P, Scheme 1)，以期獲得具有玻璃化轉變溫度(Tg)在室溫和體溫附近的、具有良好柔韌性和常用溶劑溶解性能好的共聚物。通過調節單體的投料比r[n(LA)/n(GA)/n(CL)]實現Tg的改變。P的結構與性能經1H NMR， IR， DSC和粘度表征。并通過靜電紡絲技術制備電紡膜考察了利用聚合物制備亞微米纖維電紡膜(F)的可行性。

1實驗部分

1.1儀器與試劑

Bruker Avance 300 NMR HMz型核磁共振儀(CDC13為溶劑，TMS為內標)；Thermo Fisher Nicolet 6700型傅里葉紅外光譜儀(KBr壓片)；TA Q20型差示掃描量熱儀(升溫速率10 ℃·min-1)； FEI Inspect F場發射掃描電子顯微鏡;烏氏粘度計(氯仿為溶劑，測定溫度25 ℃)。

L-LA和GA,自制；CL和Sn(Oct)2， Sigma公司；其余所用試劑均為分析純。

1.2P的合成(以P1為例)[5]

在反應瓶中依次加入L-LA 46.1 g(320 mmol)， GA 9.3 g(80 mmol)， CL 22.8 g(200 mmol)，辛酸亞錫41 mg(0.1 mmol)和十八醇27 mg(0.1 mmol)，減壓至<1.0×10-3Pa，攪拌下于140 ℃反應24 h。加入氯仿20 mL,使其溶解，用過量乙醇沉淀。過濾，濾餅于室溫經真空干燥至恒重得P1。

改變單體比例和反應時間，用類似方法制備P2～P9，結果見表1。

1.3F的制備[6]

分別將P4， P5和P6用混合溶劑[V(氯仿) ∶V(DMF)=1 ∶1)]配制c為10%～15%(w/V)，采用高壓靜電紡絲裝置制備成F4～F6(靜電紡絲參數：室溫，噴頭為內徑0.7 mm的平頭針，紡絲距離15 cm，靜電壓1 kV·cm-1，溶液流量1.5 mL·h-1)。

2結果與討論

2.1表征

(1) IR

P1， P4和P7的IR譜圖見圖1。由圖1可見，三者的IR圖譜在官能區無明顯差別。由于存在亞甲基的C-H彎曲振動吸收峰的緣故，與PLA相比，僅在指紋區1 424 cm-1和1 623 cm-1處略有不同。2 990 cm-1和2 940 cm-1處出現飽和碳氫鍵的伸縮振動吸收峰，1 760 cm-1處的強吸收峰和1 050～1 250 cm-1處的強吸收雙峰為羧酸酯特征峰，1 460 cm-1處和1 350～1 400 cm-1的吸收峰為甲基C-H 彎曲振動吸收峰。

ν/cm-1

δ

(2)1H NMR

P4， P5和P6的1H NMR譜圖見圖2。由圖2可見，δ5.1～5.2(q)處吸收峰為P中LA結構單元的次甲基特征吸收峰；δ4.6～4.9(m)處吸收峰為P中GA結構單元的亞甲基特征吸收峰;δ4.0～4.2(m)和δ2.3～2.5(m)處吸收峰分別為P中CL結構單元CH2COO和OCH2亞甲基的特征吸收峰。結合IR分析,表明所生成的P是由LA, GA和CL這三種單體共聚而成。

根據1H NMR中三種結構單元特征吸收峰的積分面積比, 計算出P中三種組分的含量,結果見表1。由表1中可見，投料和最終產物的組成呈規律性變化。相對于投料比例，反應活性最高的GA[7]在共聚物中的比例有較大幅度提高，反應活性次之的LA比例也有所增加，而活性較低的CL則在共聚物中的比例較低。反應24 h制備的P1， P2和P3的收率均70%左右，而P中CL的比例明顯低于投料比例，表明較多的CL未參與聚合；P4～P6(48 h)和P7～P9(72 h)的收率都在90%左右，且CL參與共聚的比例隨著時間的延長而增加。這表明共聚過程是活性較高的GA和LA先參與聚合反應，待單體消耗到一定程度時，活性較低的CL再通過插入聚合或酯交換參與共聚[8]，當反應到一定程度后，反應時間的進一步延長，P的分子量和收率不再增加。

(3) DSC

P1～P9的DSC曲線見圖3。由圖3可見，P7～P9的Tg約為20 ℃， P4～P6的Tg約為32 ℃， P1～P3的Tg約為44 ℃。曲線中有一個Tg，沒有熔融吸熱峰，Tg計算值和實測值非常接近(表1)，表明本文制備的P均為無規定形聚合物。

Temperature/℃

通過以上分析顯示，通過調節P的共聚比例(即調節r)，便可成功獲得具有Tg在室溫、體溫附近的三元無規共聚物。

2.2F4～F6的SEM照片

F4～F6[9]纖維膜質地柔軟，其SEM照片見圖4。由圖4可見，膜由纖維疊加而成，具有較高的孔隙率。

以辛酸亞錫為催化劑，通過調節單體LA， GA和CL的投料比，合成了氯仿中溶解性好、玻璃化轉變溫度在室溫、體溫附近的無規三元共聚物；經靜電紡絲技術制備其纖維膜。該方法為組織工程支架的應用提供了參考。

參考文獻

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[7]劉剛，方月娥，史天義. 乙交酯與丙交酯共聚反應和競聚率的測定[J].高等學校化學學報，1997,18(3):486-488.

[8]魏志勇，劉煉，王沛，等. 辛酸鎂催化L-丙交酯與ε-己內酯共聚及其共聚物結構與性能研究[J].高分子學報,2008，(10):947-954.

[9]Huang Z M, Zhang Y Z, Kotaki M,etal. A review on polymer nanofibers by electrospinning and their applications in nanocomposites[J].Compos Sci Technol,2003,63:2223-2253.

Preparation and Characterization of Poly(lactide-co-glycolide-co-caprolactone)s Random Terpolymer and Their Electrospun Membrane

YANG Huan1,2,HUANG Dong-ling1,2,CHEN Dong-liang1,XIONG Cheng-dong1,ZHANG Qi3，PANG Xiu-bing4，XIONG Zuo-chun1*

(1. Chengdu Institute of Organic Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041, China;2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;3. Clinical Research Institute, Zhejiang Province People’s Hospital, Hangzhou 310014, China;4. Engineering Research Center of Biodegradation Medical Meterials of Zhejiang Province, Dongyang 322118, China)

Abstract：Random terpolymers(P) of L-lactide, glycolide and caprolactone had been prepared by bulk ring-opening copolymerization initiated by stannous octoate under high vacuum. The structures and properties had been investigated by1H NMR, IR， DSC and viscosimetry. The results indicated that the glass transition temperature of P can be controlled by adjusting the monomer ration. The submicron fiber membrane of P can be obtained easily through electrospinning.

Keywords：terpolymer; melt polymerization; preparation; glass transition temperature; electrospinning

中圖分類號：O633.14

文獻標志碼：A

DOI：10.15952/j.cnki.cjsc.1005-1511.2016.03.15168

作者簡介：楊歡(1990-)，女，漢族，貴州甕安人，碩士研究生，主要從事生物醫用材料研究。 E-mail: yanghuan13@mails.ucas.ac.cn通信聯系人： 熊左春，副研究員， Tel. 028-85229122, E-mail: xiongzch@cioc.ac.cn

基金項目：中國科學院西部之光資助項目

收稿日期：2015-04-20；

修訂日期：2016-01-05