立構復合P L（D）LA?TMC無規共聚物的制備、結構與性能

吳小蒙，陳蕭宇，石 莉，范仲勇

（復旦大學材料科學系，上海200433）

立構復合P L（D）LA?TMC無規共聚物的制備、結構與性能

吳小蒙，陳蕭宇，石 莉，范仲勇

（復旦大學材料科學系，上海200433）

以辛酸亞錫為催化劑，通過開環聚合法制備了聚左旋乳酸?三亞甲基碳酸酯（P L LA?TMC）和聚右旋乳酸?三亞甲基碳酸酯（P D LA?TMC）無規共聚物.利用共聚物中P L LA／P D LA鏈段形成立構復合體，通過溶液澆注法制備了P L LA?TMC／P D LA?TMC立構復合聚乳酸材料（sc?PLA?TMC）.研究結果表明，聚合物鏈中的柔性TMC單元可以增強L（D）LA鏈段的運動能力，有助于不同旋光性的LA鏈段形成立構復合晶體，但也使得L（D）LA鏈段的規整度和序列長度降低.即隨著共聚物鏈段中柔性TMC單元摩爾含量的增加，sc?PLA?TMC中同質結晶能力降低.當TMC含量≥5%時，僅生成熔點＞200℃的P L LA／P D LA立構復合結晶，表明sc?PLA?TMC的耐熱性有所提高.蛋白酶K降解實驗表明，P L（D）LA?TMC共聚物的降解速率不但比P L LA高，而且可通過共聚物中TMC含量進行調控.

聚乳酸；聚三亞甲基碳酸酯；立構復合；結晶；酶降解

由于左旋聚乳酸（P L LA）具有較高的拉伸強度和模量、良好的生物相容性及低毒性而成為廣泛使用的生物材料之一［1，2］.但由于P L LA具有易結晶及結晶度較高的特點，用P L LA制備的器件脆性高，物理性能不理想.P L LA降解周期約2年，作為植入材料在體內降解時產生的乳酸易引發炎癥，不利于治療效果［3，4］，因此，P L LA作為生物醫用材料仍有待于進一步的開發和探討.研究發現，立構復合聚乳酸作為生物材料具有顯著的優勢.與P L LA相比，立構復合聚乳酸具有優異的楊氏模量、拉伸強度和斷裂伸長率，用立構復合聚乳酸制備的器件的物理性能明顯提高［5，6］.聚三亞甲基碳酸酯（PTMC）是一類可生物降解的醫用植入材料.由于PTMC具有良好的柔韌性，與P L LA共聚得到的P L LA?TMC可以克服P L LA脆性高的缺點［2，7，8］.同時，TMC單元的降解產物為中性，能降低材料降解產物的酸性，減輕病灶的炎癥反應［9］.Zhang等［10］報道了PTMC與聚乳酸（PLA）共聚及其立構復合材料性能研究.結果表明，與PLA均聚物相比，PTMC?PLA立構復合材料的拉伸強度及楊氏模量等力學性能均明顯提升.

本文以辛酸亞錫為催化劑，采用開環聚合方法分別合成了不同TMC含量的P L LA?TMC和P D LA?TMC無規共聚物，通過溶液共混法制備P L LA?TMC／P D LA?TMC立構復合聚乳酸材料（sc?PLA?TMC），研究了sc?PLA?TMC的化學結構、物理性能及酶降解行為，探討了P L（D）LA立構復合結構對sc?PLA?TMC性能的影響.

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

辛酸亞錫、1，3?丙二醇和二月桂酸二丁基錫，A.R.級，阿拉丁化學試劑有限公司；蛋白酶K，Sigma公司；金屬鈉、碳酸二乙酯、乙酸乙酯、丙酮、無水乙醚、二氯甲烷、三氯甲烷、無水乙醇和疊氮化鈉，A.R.級，國藥集團化學試劑有限公司；L型丙交酯（L LA）與D型丙交酯（D LA），Purac公司；三

亞甲基碳酸酯，參照文獻［11］方法合成.

LC?20AT型凝膠滲透色譜（GPC）儀，日本島津公司，四氫呋喃（THF）為流動相、柱溫40℃，聚苯乙烯為標樣校正；DMX500型核磁共振波譜（1H NMR）儀，德國 Bruker公司，溶劑為氘代氯仿（CDCl3），四甲基硅烷（TMS）作內標樣；VERTEX 70型傅里葉變換紅外光譜（FTIR）儀，德國Bruker公司，掃描范圍4000～400 cm－1，分辨率為1 cm－1；Perkin Elmer 8500型差示量熱掃描（DSC）儀，樣品量為3～5mg，N2氣保護，以10℃／min的升溫速率從室溫升至225℃，等溫3min以消除熱歷史，然后淬冷至30℃，于30℃等溫1min，再以10℃／min的速率升溫至225℃，從第2次DSC曲線上計算得到樣品的玻璃化轉變溫度（Tg）、結晶放熱焓（ΔHc）、熔點（Tm）和熔融熱焓（ΔHm）；Burker D8型廣角X射線衍射（WAXD）儀，德國Burker公司，主色器為Cu Kα，λ＝0.154 nm，掃描速率4°／min，掃描范圍4°～40°；Hitachi S?4800型掃描電子顯微鏡（SEM），日本Hitchi公司，加速電壓15～20 kV，對樣品進行噴金處理.

1.2 實驗過程

P L LA?TMC（或P D LA?TMC）無規共聚物的合成過程如Scheme 1所示.參照文獻［12］方法合成P L LA?TMC（或P D LA?TMC），先將L?LA（或D?LA）和TMC單體按摩爾比為97.5∶2.5，95∶5或90∶10混合，再將催化劑辛酸亞錫和混合單體按摩爾比1∶2000加入到聚合管中，在真空條件下封管；于130℃反應48 h，得到P L LA?TMC或P D LA?TMC無規共聚物；以二氯甲烷為溶劑，乙醇為沉淀劑，對樣品進行重沉淀、純化，干燥至恒重，分別得到P L LA?TMC或P D LA?TMC無規共聚物.無規共聚物分別以L?LA（D?LA）與TMC單體的摩爾比命名，如PLT95／5表示L?LA／TMC的單體摩爾比為95∶5，PDT95／5表示D?LA／TMC的單體摩爾比為95∶5.合成樣品分子量及化學組成列于表1.

Scheme 1 Synthetic route of P L LA?TMC and P D LA?TMC copolymers

采用溶液澆注成膜法制備sc?PLA?TMC立構復合材料.將P L LA?TMC與P D LA?TMC無規共聚物按20 mg／mL的濃度分別溶于二氯甲烷中，在室溫下攪拌3 h使其均勻混合并成膜.將膜樣品于室溫去除溶劑，于80℃真空干燥72 h，以除去殘留溶劑.不同組分的樣品分別記作sc?PLA?TMC10，sc?PLA?TMC5和sc?PLA?TMC2.5，其中數字表示對應樣品中TMC的摩爾含量.作為平行實驗合成的P L LA與P D LA均聚物同樣采用溶液澆注成膜的方法制備P L LA／P D LA對比樣，采用sc?PLA表示.

將sc?PLA?TMC和sc?PLA裁剪成10mm×10mm樣品，浸沒于裝有適量酶溶液的小瓶中，在37℃恒溫箱中降解.為了保持酶的活性，酶溶液每隔72 h更換一次.按設定降解時間定期從降解液中取樣，用去離子水沖洗2次后稱重，然后在真空干燥箱中干燥7 d至恒重，用于分析測試.

將sc?PLA?TMC和sc?PLA裁剪成50 mm×5mm×0.3mm的樣條進行力學性能測試，每種樣品至少進行5次測試，取平均值，計算力學性能數據.

2 結果與討論

2.1 sc?PLA?TMC的化學結構分析

圖1為sc?PLA?TMC，PTMC及sc?PLA的FTIR譜圖.sc?PLA主鏈上O伸縮振動特征峰和C—O—C的伸縮振動特征峰分別位于1755和1186 cm－1處.PTMC的和C—O—C伸縮振動特征峰分別位于1745和1244 cm－1處.由圖1可見，在L（D）LA與TMC共聚后，主鏈的序列結構發生變化，sc?PLA?TMC僅有一個位于1752 cm－1處的特征吸收峰，介于sc?PLA與PTMC對應基團的特征吸收峰之間；同時sc?PLA?TMC的C—O—C伸縮振動特征峰分裂為1268和1189 cm－12個特征峰，分別與sc?PLA和PTMC的特征吸收峰相對應.sc?PLA?TMC共聚物的特征吸收峰的波數位移與

C—O—C特征吸收峰的裂分現象表明LA與TMC以化學鍵的方式結合在一起.

Fig.1 FTIR spectra of sc?PLA，sc?PLA?TMC and PTMC

Fig.21H NMR（500 MHz）spectra of sc?PLA and sc?PLA?TMC in CDC l3

通過1H NMR測定共聚物的化學結構和單體組成比.樣品的1H NMR測試譜如圖2所示.由圖2可見，在sc?PLA樣品中，乳酸單元上—CH的氫原子化學位移為δ5.08～5.25（峰d），—CH3氫原子的化學位移為δ1.40～1.70（峰a）.sc?PLA?TMC10中TMC單元有2個不同化學環境的—CH2.其中，位于中間的—CH2的氫原子化學位移為 δ2.03（峰 c），而位于兩端的—CH2上的氫原子化學位移為δ4.24（峰b）.與sc?PLA不同的是，sc?PLA?TMC10中乳酸單元中—CH上的氫原子化學位移裂分為2個區域，分別為δ5.25～5.08和δ5.08～4.95.δ5.25～5.08，歸屬于乳酸長鏈段中—CH氫原子的化學位移，δ5.05～4.95則歸屬于與TMC相連的乳酸單元的化學位移.LA與TMC的鏈接，表明TMC單體與L（D）LA單體進行了無規共聚［13］.這些結果與文獻報道一致.根據LA單元上的—CH（δ5.00～5.25）及TMC單元上的—CH2（δ4.10～4.30）特征峰的積分強度可計算得到共聚物的單體組成比，計算結果列于表1.結果表明，本文合成的共聚物的化學結構組成與實驗設計的單體投料比一致.

Table 1 M olecu lar characterization of P L（D）LA homopolymer and P L（D）LA?TMC copolymers determ ined by GPC and1H NMR

2.2 sc?PLA?TMC的熱性能

圖3是sc?PLA?TMC樣品熔融淬冷后的DSC曲線.由圖3可見，隨著sc?PLA?TMC樣品中TMC含量的增大，樣品的Tg逐漸降低.這是由于隨著TMC的加入，柔性的TMC鏈段的增塑作用增大，共聚物

鏈段運動能力增加，Tg逐漸降低.通常，采用溶液共混法制備sc?PLA材料，當P L LA和P D LA 2種聚乳＞1×105時，制備的sc?PLA往往伴隨有P L LA均聚物結晶現象，材料的熱性能下降［14］.從圖3和表2可知，sc?PLA及sc?PLA?TMC2.5在加熱熔融淬冷結晶過程中均出現熔點約170℃的P L LA均聚物晶體熔融峰.而當TMC含量≥5%時，樣品sc?PLA?TMC5和sc?PLA?TMC10的DSC曲線中均聚物晶體熔融峰消失，只發生立構復合結晶.這歸因于TMC單元的引入增加了共聚物鏈段的運動能力，增加了P L LA鏈段和P D LA鏈段的立構復合概率，更容易生成立構復合晶核進行成核?生長，使sc?PLA?TMC5和sc?PLA?TMC10只發生立構復合結晶行為.另外，由于sc?PLA?TMC5和sc?PLA?TMC10鏈中TMC含量的增加，使得P L LA鏈段序列長度比sc?PLA?TMC2.5有所降低，生成的立構復合晶體完善度和片晶厚度均隨TMC含量的增加而下降，Tm值亦逐漸降低.按照結晶度（fc）計算公式：fc＝（ΔHm／ΔH0m）×100%，計算樣品的結晶度，其中ΔHm為DSC曲線上測得的熔融焓值，ΔH0m是平衡熔融焓值，取P L LA和sc?PLA的平衡熔融焓值分別為95和155 J／g［15，16］.計算所得樣品的結晶度值列于表2.由表2可見，隨著TMC含量的增加，sc?PLA?TMC樣品的結晶度降低，同樣是由于TMC的加入破壞了分子鏈的規整度，降低了結晶單元的序列長度，使結晶能力下降.

Table 2 Thermal properties of sc?PLA and sc?PLA?TMC

Fig.3 DSC curves of sc?PLA?TMC and sc?PLA after quenched from melting state

Fig.4 WAXD patterns of P L LA，sc?PLA and sc?PLA?TMC

2.3 sc?PLA?TMC的晶體結構

WAXD是研究聚合物晶體結構的重要和有效手段.圖4給出了sc?PLA?TMC膜樣品、sc?PLA和P L LA膜樣品熔融淬冷再結晶后的WAXD譜圖.P L LA樣品在2θ為16.8°和19.2°處呈現特征衍射峰，表明P L LA樣品發生了結晶，生成的P L LA晶體為α晶型，其分子鏈以103螺旋構象形成準正交晶系，晶胞參數分別為a＝1.06 nm，b＝0.61 nm，c＝2.88 nm，α＝β＝γ＝90°.每個晶胞內含有20個單體單元［5］.而sc?PLA和sc?PLA?TMC2.5膜樣品在2θ為11.9°，15.1°，16.8°，19.2°，20.7°和23.9°處呈現特征衍射峰，表明sc?PLA及sc?PLA?TMC2.5膜樣品既形成了α晶型的聚乳酸均聚物晶體，又形成了β晶型的聚乳酸立構復合晶體.β晶型晶胞參數分別為a＝0.912 nm，b＝0.913 nm，c＝0.93 nm，α＝β＝110°，γ＝109°，晶胞中含有 P L LA和 P D LA鏈段各3條，共6條鏈段構成 31螺旋堆積［17］. sc?PLA?TMC5和sc?PLA?TMC?10膜樣品特征衍射峰只出現在2θ為11.9°，20.7°和23.9°處，在2θ為16.8°和19.2°處無衍射峰出現，說明sc?PLA?TMC5和sc?PLA?TMC?10樣品只生成立構復合晶體［18］. WAXD結果證明，TMC單元的引入可以抑制樣品結晶過程中均聚物晶體的產生，當TMC含量≥5%酸的

時，樣品只發生立構復合結晶，與DSC結果相符.

2.4 sc?PLA?TMC的酶降解行為

圖5和圖6分別是sc?PLA?TMC樣品蛋白酶K降解過程中失重率隨降解時間的變化曲線和吸水率隨時間的變化曲線.失重率和吸水率是表征聚合物降解行為的重要參數.失重率反映了聚合物降解過程中樣品的溶蝕及產物的釋出，而吸水率則反映了聚合物的親水性和疏水性.失重率（ML）和吸水率（WA）按下式計算：

式中，mi，mw和md分別為膜樣品的原始質量、降解后的濕重及干重.每個數據點為3個平行樣品的平均值.根據聚合物的降解速率，分別于12，24，36，60，84，120，144，180和204 h取樣.

從圖5可見，在204 h的降解時間內，所有樣品幾乎表現出勻速的失重行為.sc?PLA的降解速率最慢，在204 h時，失重僅為9.5%.sc?PLA?TMC5降解速率稍快，相同時間內失重率達到了17.8%.由于蛋白酶K僅能降解P L LA中的無定形區域，因此sc?PLA?TMC5比sc?PLA降解速率快，這主要與其低結晶度有關［19］.同理，當TMC單元的摩爾含量增加到10%時，sc?PLA?TMC10在204 h后失重率增加到33.0%.

Fig.5 M ass loss of sc?PLA and sc?PLA?TMC during proteinase K?catalyzed degradation

圖6給出聚合物降解過程中的表面形貌變化.由圖6（A）可見，sc?PLA膜樣品結晶度較高，表面有大量的球晶.降解120 h后，sc?PLA膜樣品表面的無定形區域被溶蝕，觀測到直徑分別為10和2 μm的2種球晶［圖6（B）］，sc?PLA?TMC5膜樣品由于結晶度低而具有光滑的表面［圖6（C）］，幾乎觀測不到球晶.降解120 h后［圖6（D）］，sc?PLA?TMC5膜表面發生了嚴重的溶蝕，能夠非常清晰地看到大量直徑約為2μm的球晶.SEM結果證明了樣品主要以表面溶蝕方式降解.

Fig.6 SEM images of various solution cast films during proteinase K?catalyzed degradation

2.5 sc?PLA?TMC的力學性能

表3為P L LA，sc?PLA及sc?PLA?TMC的力學性能測試結果.由表3可見，P L LA的拉伸強度（σB）和拉伸模量（E）分別為53.9 MPa和2.1 GPa.sc?PLA的力學性能優于P L LA，歸因于sc?PLA結晶度較高及晶體中L LA與D LA鏈段間的強氫鍵作用.在sc?PLA?TMC樣品中，隨著TMC單元增加，材料的σB和E值逐漸下降，斷裂延伸率（εB）逐漸增大.當TMC含量較小時（2.5%），L LA鏈段規整度和序列長度仍較高，材料的σB和E值與sc?PLA基本相當.而當TMC含量＞5%時，樣品的σB和E值為51.5 MPa和2.1 GPa，εB由4.8%提升到6.1%.隨著TMC含量繼續增大至10%，材料的σB和E值明顯下降為42.3 MPa和1.7 GPa，εB提高至7.2%.這是由于TMC單元破壞了L LA鏈段的規整性和序列長度，使得材料的結晶能力下降，從而導致強度和模量下降.相反，TMC柔性單元的增加，提高了聚合物鏈的柔順性，使得材料的韌性增強.

Table 3 Mechanical properties of sc?PLA and sc?PLA?TMC

3 結 論

采用開環聚合法合成了一系列分子量＞105的P L LA?TMC／P D LA?TMC無規共聚物以及P L LA／P D LA均聚物，并通過溶液澆注成膜法制備了P L LA?TMC／P D LA?TMC聚乳酸基新材料.由于在P L LA和P D LA鏈段中引入柔性TMC單元，可增強鏈段的運動活性，有利于PLA立構復合晶體的生成.DSC和WAXD結果表明，TMC單元的加入使得立構復合物中立構復合晶體的比例增加，從而進一步提高了材料的耐熱性能，有利于材料的熱加工成型.蛋白酶K降解實驗表明，隨著TMC含量的升高，降解速率加快，薄膜材料的失重率及吸水率都有明顯的提升.實驗證明，P L LA?TMC／P D LA?TMC新材料具有優異的耐熱性能和良好的降解性能，有望應用于生物醫用材料領域.

［1］ Lunt J.，Polym．Degrad．Stabil.，1998，59（1—3），145—152

［2］ Nair L.S.，Laurencin C.T.，Prog．Polym．Sci.，2007，32（8／9），762—798

［3］ Yanagida H.，Okada M.，Masuda M.，UekiM.，Narama I.，Kitao S.，Koyama Y.，Furuzono T.，Takakuda K.，J．Biosci．Bioeng.，2009，108（3），235—243

［4］ Li S.M.，Mccarthy S.，Biomaterials，1999，20（1），35—44

［5］ Kakuta M.，Hirata M.，Kimura Y.，Polym．Rev.，2009，49（2），107—140

［6］ Tsuji H.，Macromol．Biosci.，2005，5（7），569—597

［7］ Dobrzynski P.，Kasperczyk J.，J．Polym．Sci．Pol．Chem.，2006，44（10），3184—3201

［8］ Dong J.T.，Liao L.，Shi L.，Tan Z.S.，Fan Z.Y.，Li S.M.，Lu Z.Q.，Polym．Eng．Sci.，2014，54（6），1418—1426

［9］ Zhang Z.，Kuijer R.，Bulstra S.K.，Grijpma D.W.，Feijen J.，Biomaterials，2006，27（9），1741—1748

［10］ Zhang Z.，Grijpma D.W.，Feijen J.，J．Mater．Sci．Mater．Med.，2004，15（4），381—385

［11］ Zhu K.J.，Hendren R.W.，Jensen K.，Pitt C.G.，Macromolecules，1991，24（8），1736—1740

［12］ LiW.，Ma Y.，Li Y.X.，Fan Z.Y.，Chem．J．Chinese Universities，2014，35（7），1553—1558（李偉，馬艷，李遠翔，范仲勇.高等學校化學學報，2014，35（7），1553—1558）

［13］ Liao L.，Dong J.T.，Wang G.X.，Fan Z.Y.，Li S.M.，Lu Z.Q.，Eur．Polym．J.，2015，66，429—436

［14］ Tsuji H.，Wada T.，Sakamoto Y.，Sugiura Y.，Polymer，2010，51（21），4937—4947

［15］ Solarski S.，Ferreira M.，Devaux E.，Polymer，2005，46（25），11187—11192

［16］ Sawai D.，Tsugane Y.，Tamada M.，Kanamoto T.，Sungil M.，Hyon S.，J．Polym．Sci．Pol．Phys．，2007，45（18），2632—2639

［17］ Brizzolara D.，Cantow H.J.，Diederichs K.，Keller E.，Domb A.J.，Macromolecules，1996，29（1），191—197

［18］ ShiW.P.，Zhao C.Y.，Li S.M.，Fan Z.Y.，Chem．J．Chinese Universities，2012，33（9），2092—2098（石文鵬，趙辰陽，李速明，范仲勇.高等學校化學學報，2012，33（9），2092—2098）

［19］ Dong J.T.，Liao L.，Ma Y.，Shi L.，Wang G.X.，Fan Z.Y.，Li S.M.，Lu Z.Q.，Polym．Degrad．Stabil．，2014，103，26—34

Preparation，Structure and Properties of PLLA?TMC／PDLA?TMC Stereocom plexes?

WU Xiaomeng，CHEN Xiaoyu，Shi LI，FAN Zhongyong?
（Department ofMaterials Science，Fudan University，Shanghai200433，China）

A series of copolymers with high molecular weight（Mn＞1×105）based on 1，3?trimethylene car?bonate（TMC）and L?lactide（L?LA）or D?lactide（D?LA）was synthesized by ring?opening polymerization using stannous octoate as catalyst.Then the stereocomplex sc?PLA filmswere prepared bymixing equal amount of the corresponding P L LA?TMC and P D LA?TMC solution and followed by solution casting.The chemical structure，thermal properties and enzymatic degradation behavior of sc?PLA films were characterized respec?tively.The results show that crystallinity of homochiral crystals in sc?PLA?TMC samples decreaseswith the in?crease of TMC content.Only stereocomplex crystals exist in sc?PLA?TMC sampleswhen TMC contents beyond 5%.The enzymatic degradation results show that the degradation rate of samples is accelerated when TMC unit is introduced.

Poly（lactic acid）；Poly（1，3?trimethylene carbonate）；Stereocomplex；Crystallization；Enzymatic degradation

O631

A

10.7503／cjcu20160363

（Ed.：W，Z）

?Supported by the National Natural Science Foundation of China（Nos.51373041，51673046）.

2016?05?20.

日期：2016?08?31.

國家自然科學基金（批準號：51373041和51673046）資助.

聯系人簡介：范仲勇，男，博士，教授，主要從事高分子材料結構與性能研究.E?mail：zyfan@fudan.edu.cn