不同拓撲結構PEG-PCL嵌段共聚物的結晶研究

陳 英，吳正飛，李 賽

（四川大學 化學工程學院，四川 成都 610065）

CHEN Ying, WU Zheng-fei, LI Sai*

（College of Chemical Engineering, Sichuan University, Sichuan Chengdu 610065, China）

不同拓撲結構PEG-PCL嵌段共聚物的結晶研究

陳 英，吳正飛，李 賽*

（四川大學 化學工程學院，四川 成都 610065）

合成了不同拓撲結構的聚乙二醇-聚己內酯（PEG-PCL）嵌段共聚物，共聚物結構分別為 AB型線性兩嵌段（diblock）、ABA型線性三嵌段(triblock)、AB2型星形(star shape) 嵌段共聚物。通過表征發現嵌段共聚物的分子量與設計的分子量接近，且相對分子量分布窄。通過XRD、DSC、熱臺偏光顯微鏡(HSPOM) 研究了拓撲結構對共聚物結晶的影響。ABA聚合物中間的PEG親水鏈受到兩端PCL鏈段阻礙，其結晶衍射峰最弱。三者的等溫結晶速率按AB、AB2、ABA的速率遞減，形成的球晶結構規整度則逐漸增加。

聚乙二醇-聚己內酯；拓撲結構；結晶性能

CHEN Ying, WU Zheng-fei, LI Sai*

（College of Chemical Engineering, Sichuan University, Sichuan Chengdu 610065, China）

聚乙二醇-聚酯嵌段共聚物已經廣泛地應用于藥物傳輸系統，這類雙親性高分子在水中可自組裝成為高分子膠束，用于負載疏水性藥物。聚己內酯（PCL）是一種半結晶狀的疏水聚合物，具有良好的血液相容性和藥物通透性，被廣泛用于人體組織工程、環境工程和藥物釋放系統，并且已取得美國食品與藥品管理局（FDA）認證[1]。PCL也存在結晶度高、降解速率慢、不溶于水等缺陷，這嚴重限制了PCL在臨床上的應用。聚乙二醇（PEG）是一種親水性高分子材料，具有良好生物相容性和結晶性[2]。通過開環聚合，將PEG引入到PCL鏈段上可以改善PCL的結晶性、力學性能及可降解性。

嵌段共聚物的結晶會受到鏈段的相互影響，鏈段均為結晶高分子的 PEG-PCL嵌段共聚物的結晶行為不僅受到鏈段的長度、溫度等影響，還會受到PEG-PCL共聚物的鏈段長度比例、親疏水鏈段的結構以及嵌段共聚物的拓撲結構的影響[3,4]。PEG-PCL嵌段共聚物的空間拓撲結構對其結晶行為的影響目前的研究報道還不多。基于此，本文設計并合成了三種不同拓撲結構的 PEG-PCL嵌段共聚物，系統研究了拓撲結構對共聚物分子鏈運動及結晶行為的影響。

1 實驗部分

1.1 原料與試劑

聚乙二醇單甲醚（mPEG，分子量2000），聚乙二醇（PEG，分子量2 000），辛酸亞錫（Sn(Oct)2）：分析純，Sigma-Aldrich Co.。 一端為芐氧基封端，另一端為兩個羥基改性的PEG（實驗室合成，分子量2 000）。二氯甲烷，乙醚：分析純，成都科龍化工試劑廠。

1.2 實驗過程

采用開環聚合的方法合成三種不同拓撲結構的PEG-PCL，其中PEG鏈段的分子量為2 000，PCL鏈段的分子量為4 000。mPEG2k、單端帶有兩個羥基的改性PEG2k、PEG2k被用作大分子引發劑，催化劑為辛酸亞錫（Sn(Oct)2）。分別將上述三種大分子引發劑2 g加入聚合管中，除水后，迅速加入4 g CL和0.1%(wt) 的辛酸亞錫。抽真空后封存聚合管，置于130 ℃的油浴中反應48 h。取出聚合管，用二氯甲烷溶解后于冰乙醚中沉淀三次，所得的白色粉末即為PEG-PCL。

1.3 測試與表征

采用Bruker AV-400 核磁共振波譜儀對聚合物的1H NMR譜圖進行采集。測試前，將樣品溶解于CDCl3中，用TMS 作內標，在室溫條件下進行測試。聚合物的分子量及其分布采用英國PL公司GPC-220凝膠滲透色譜儀，用聚苯乙烯為標樣，流動相為四氫呋喃，流速為1.0 mL/min，測試溫度為35 ℃。采用X’Pert ProMPD測定聚合物的結晶衍射性能，用CuKα(λ=0.154 nm) 作為靶材料，測試范圍為5°～50°，測試溫度為25 ℃ 。測試前，將聚合物制成薄膜，加熱熔融后于 30 ℃下等溫結晶。使用美國 TA Instrument 公司的差示量熱掃描儀，測定在N2保護下聚合物的熔融結晶曲線。采用二次升溫的方法進行測定，升溫速率為5 ℃ /m in，降溫速率為10 ℃ /m in，停留時間為5 min，溫度范圍為0～80 ℃ 。聚合物的等溫結晶過程采用 Nikon ECLIPSE LV100 POL型熱臺偏光顯微鏡進行測試。兩嵌段和星型聚合物由于結晶速率較快，在40 ℃下進行測試，三嵌段聚合物結晶速率較慢，在35 ℃下進行等溫結晶。

2 結果與討論

2.1 合成與結構

圖1為三種聚合物的1H NMR譜圖。δ=3.4～3.6 ×10-6處的峰為PEG中的重復單元-CH2CH2O-的質子特征峰，而δ=4.1、2.3、1.7、1.4×10-6處的峰則為 PCL中 CL單元的氫質子峰，分別對應-CH2OOC-、 -COCH2-、 -COCH2CH2CH2-、-COCH2CH2CH2-中的氫原子。在δ=4.25×10-6處出現了明顯的特征峰，歸屬于與PEG相連的PCL中的亞甲基上的氫原子（-OCH2CH2），表明 PEG與CL的開環聚合反應是成功的。

我們利用FTIR和GPC進一步對聚合物的結構進行表征。在紅外譜圖1中，觀察到了1 726 cm-1處的酯羰基伸縮振動峰，1 243和1 105 cm-1處的聚乙二醇鏈段中醚鍵特征吸收峰，2 944和2 867 cm-1處的CL和-CH2CH2O重復單元中亞甲基-CH2-的伸縮振動峰。GPC測試的結果顯示，三種聚合物均為單峰，且分子量分布較窄。表1總結了三種聚合物的分子量。

圖1 AB型兩嵌段、ABA型三嵌段、AB2型星型PEG-PCL的1H NMR 譜圖Fig.1 The1H NMR spectra of diblock, triblock and star shape copolymers of PEG-PCL

表1 三種聚合物的分子量及其分布Table 1 Molecular weights and molecular weight distribution of the copolymers

2.2 DSC 結果分析

圖2 為三種聚合物的DSC曲線圖。從升溫速率曲線來看，AB型線形嵌段共聚物中PEG段的熔點為47 ℃，熔程較小。PCL段出現二重熔融峰，說明在AB型線形嵌段共聚物中PCL鏈段結晶不完全，在熔融過程中出現再結晶和熔融現象。ABA型線形嵌段共聚物中，由于PEG鏈段處于中間段，結晶受到限制，PCL鏈段處于兩端位置，結晶也受到影響。與AB型PEG-PCL相比，PEG鏈段熔點大幅降低，且熔融焓顯著減少，說明PEG鏈段結晶度很低，且不易結晶。處于兩端的PCL鏈段熔點略降低，仍出現顯著的再結晶再熔融現象，說明其鏈段結晶能力略受影響，但不顯著。AB2型星型聚合物中，與上述兩者比較，PEG鏈段結晶能力受影響程度低于ABA線形共聚物，但熔點相對AB線形共聚物要低。說明PEG鏈段結晶能力受到一定影響。PCL鏈段熔融峰出現有較平肩峰的單峰，且熔點較高，說明PCL鏈段在退火過程中的結晶已經比較完全，在熔融過程中鏈段再結晶再熔融不再明顯。從降溫速率曲線來看，星型聚合物的結晶溫度最高，說明星型聚合物可以在過冷度較低的情況下結晶。

圖2 三種聚合物的DSC曲線Fig.2 The DSC curves of the copolymers

2.3 XRD結果分析

圖3為聚合物在30 ℃下等溫結晶的 XRD譜圖，圖中2θ = 21.3°、21.9° 和 23.7°屬于PCL鏈段的結晶衍射峰，2θ = 19.0° 和 23.0°則屬于PEG中的結晶衍射峰[5]。對比兩嵌段、三嵌段和星型聚合物的結晶衍射曲線，可以發現，三嵌段聚合物中2θ = 19.0°處的結晶衍射峰十分微弱，兩嵌段聚合物此處的衍射峰則最強。結合三者的拓撲結構可知，在三嵌段聚合物PCL-PEG-PCL中，PEG處于兩條PCL鏈段的中間，受到兩端PCL的強烈限制，故結晶衍射峰較弱，而兩嵌段聚合物PEG-PCL中，PEG受到PCL的限制作用最小，故其結晶衍射峰最強。XRD測試結果與DSC結果十分吻合。

圖3 三種聚合物的XRD譜圖Fig.3 The XRD spectra of the copolymers

圖4 三種聚合物的熱臺偏光顯微鏡圖。A、B、C分別代表兩嵌段、三嵌段、星型聚合物。其中A、C在40 ℃下進行測試，B在35℃下進行測試Fig.4 The photos captured by the HSPOM of 35 ℃（B）and 40 ℃（A、C）,A、B、C represents diblock, triblock and star shaped copolymers respectively

2.4 等溫結晶過程分析

從HSPOM結果中我們發現，如圖4所示。AB型兩嵌段共聚物在 40 ℃下就可以迅速結晶形成大量帶有不規則消光帶的球晶，晶體尺寸較小。BAB型三嵌段共聚物由于結晶能力較弱，在35 ℃下以相對兩嵌段共聚物較慢的速率結晶，形成尺寸較大、帶有消光且較為規整的球晶。AB2型星型共聚物在40 ℃下也可以較為迅速的結晶，形成尺寸和規整度介于兩嵌段和三嵌段線形共聚物之間的球晶。這些現象佐證了從 DSC中得出的對于不同拓撲結構的聚合物結晶能力和結晶度的結論。

3 結 論

設計并合成了三種具有相同親疏水鏈段的不同拓撲結構的PEG-PCL嵌段共聚物，分別為AB型兩嵌段、BAB型三嵌段線型聚合物、AB2型星型聚合物。通過1H NMR、FTIR、GPC對聚合物進行結構表征，確認合成終產物的化學結構與設計相一致。利用XRD、DSC、HSPOM等方法對上述三種聚合物的結晶性能及熱性能進行了研究。研究表明，聚合物的拓撲結構對其結晶性能會產生顯著的影響。線形嵌段共聚物中，AB型兩嵌段共聚物PEG-PCL的兩個嵌段獨立結晶，結晶能力較強，結晶速率較快，形成不規整的大量球晶。BAB型三嵌段共聚物PCL-PEG-PCL的結晶能力最弱，PEG鏈段結晶被抑制，PCL鏈段結晶能力相比兩嵌段共聚物降低，在較低溫度下形成較規整的球晶。而在AB2型星型聚合物PEG-（PCL）2中，PEG鏈段結晶能力受到抑制，PCL鏈段結晶能力得到增強，形成不規整球晶。不同的拓撲結構的嵌段共聚物的結晶行為具有較大差異，這將對我們設計得到具有特殊性能的材料結構提供依據。

［1］ Wei X, Gong C, Gou M, et al. Biodegradable poly (?-caprolactone) poly (ethylene glycol) copolymers as drug delivery system[J]. International Journal of Pharmaceutics, 2009,381(1): 1-18.

［2］ Alconcel SN, Baas AS, Maynard HD. FDA-approved poly (ethylene glycol)protein conjugate drugs[J]. Polymer Chemistry, 2011,2(7): 1442-1448.

［3］ Nojima S, Ono M, Ashida T. Crystallization of Block Copolymers II. Morphological Study of Poly (ethylene glycol)-Poly (ε-caprolactone) Block Copolymers[J]. Polymer journal, 1992,24(11): 1271-1280.

［4］ Takeshita H, Fukumoto K, Ohnishi T, et al. Formation of lamellar structure by competition in crystallization of both components for crystallinecrystalline block copolymers[J]. Polymer, 2006,47(24): 8210-8218.

［5］ An J, Kim H, Chung D, et al. Thermal behaviour of poly (ε -caprolactone)-poly (ethylene glycol)-poly (ε -caprolactone) tri-block copolymers[J]. Journal of materials science, 2001,36(3): 715-722.

Synthesis and Crystallization of Poly(ethylene glycol)-poly(ε-caprolactone) Copolymers With Different Topological Structures

Three poly(ethylene glycol)-poly(ε-carprolactone) (PEG-PCL) copolymers were designed and synthesized via ring-opening polymerization,including diblock, triblock and star shaped copolymers. The measurement techniques of XRD，DSC and hot stage polarizing optical microscopy (HSPOM) were used to investigate the effect of topology on the crystallization. In the triblock copolymer, the middle PEG chain was restrained by PCL on both ends, resulting in the weakest crystal diffraction peak. The crystallization rate decreases in sequence of diblock, star shape and tirblock copolymers while the regularity of the spherulites increase in this order.

poly(ethylene glycol)-poly(ε-carprolactone); topology; crystallization

TQ 317.5

A

1671-0460（2016）11-2497-04

中國教育部博士基金，項目號：N o. 20130181110038。

2016-05-03

陳英（1990-），女，四川冕寧人，四川大學碩士研究生，研究方向：生物醫用高分子材料。E-m ail：happy456day@163.com。

李賽，教授，研究方向：生物降解高分子。E-m ail：lisai@scu.edu.cn。