脂肪族聚酯聚丁二酸丁二醇酯及其共聚物的研究進(jìn)展

熊嶼吾，王景昌，陳 聰，陳 穎，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）

生物降解高分子在近些年中受到的關(guān)注越來越多，在許多方面應(yīng)用也都非常廣泛。在化工業(yè)方面可以用作包裝和防水材料，在產(chǎn)品中混入些許聚酯性材料，就可以達(dá)到防水效果。同時由于它的無毒性，可以用作食品包裝袋。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，這些生物降解高分子材料應(yīng)用較為廣泛，經(jīng)常作為保鮮膜、大棚膜、農(nóng)用包裝袋等。它們可以降解，進(jìn)而避免了白色污染，除了這些，還有特殊作用，當(dāng)殺蟲劑與生物可降解材料結(jié)合后，殺蟲劑可以緩慢地作用于攻擊它的細(xì)菌，起到殺蟲作用。傳統(tǒng)的農(nóng)用覆膜難于降解可能會造成大量的白色污染、在土壤中使土壤結(jié)塊影響農(nóng)作物的營養(yǎng)吸收，而這些可降解材料降解后產(chǎn)生尿素，尿素可以作為農(nóng)作物的肥料，利于農(nóng)作物的成長。在藥物緩釋方面，隨著生物可降解高分子的降解，藥物緩慢持續(xù)的釋放出來由人體吸收[1—2]。

聚丁二酸丁二醇酯（PBS）是一種廣泛應(yīng)用的合成脂肪族聚酯，具有良好的生物相容性、生物可降解性、耐熱性能和可加工性能等，可用作組織工程支架、緩釋藥物的載體、傷口敷料、血液透析膜、人造皮膚和食品包裝材料等。工業(yè)聚丁二酸丁二醇酯造價低可批量生產(chǎn)，制備它的方法也很多，通常由單體加入催化劑得到。PBS 最大的特點(diǎn)是一種全生物降解材料，它的結(jié)晶性能不是很強(qiáng)，可以被大多數(shù)霉菌和細(xì)菌等微生物降解，在降解過程中，酯鍵斷裂后，PBS 先是分解為二元羧酸和醇，最終降解為CO2和H2O，是一種完全綠色的可再生材料。

1 聚丁二酸丁二醇酯的合成與改性

聚丁二酸丁二醇酯（PBS）是一種廣泛應(yīng)用的脂肪族聚酯，在PBS 合成中，使用的單體是丁二酸（SA）和1，4-丁二醇（BD），通常可由生物催化或從化石資源中獲得，并且在市場上很容易獲得，圖1為聚丁二酸丁二醇酯合成的原理圖。其合成方法通常有：酯交換法、直接酯化法和擴(kuò)鏈法等。

酯交換法：相同摩爾的二元酸二甲酯和二元酯在催化劑、高溫、真空下脫甲醇得到預(yù)聚物的端羥基PBS，這種合成聚酯的方法比直接酯化法速率快，過程中需要脫甲醇，甲醇的沸點(diǎn)低，易揮發(fā)，使得整個聚合反應(yīng)更加完全。

圖1 聚丁二酸丁二醇酯合成的原理圖

直接酯化法：1，4-丁二醇與過量的丁二酸在相對較低溫度下低溫酯化脫水，接著在高溫、真空以及催化劑作用下，二元醇脫去，得到端羥基的聚酯PBS。該方法在高溫時雖然可以加快脫水速率，但同時也容易脫羧以及氧化，過程中需要加入抗氧化劑，且對氣密性與真空度要求較高。

擴(kuò)鏈法：使用擴(kuò)鏈劑增大PBS 的分子量，該方法能夠在短時間內(nèi)提高聚酯的分子量，還能夠改善它的生物降解性及機(jī)械性能。目前擴(kuò)鏈劑中六亞甲基二異氰酸酯的用途較為廣泛。利用二異氰酸酯類的擴(kuò)鏈劑對PBS 和PES 進(jìn)行擴(kuò)鏈改性，結(jié)果顯示，共聚物的分子量得到了很大的提高。

當(dāng)PBS 單獨(dú)作為藥物載體時，由于其親水性能較差，剛性強(qiáng)以及降解速率慢，因此通過與其他聚合物共聚和共混進(jìn)行改性修飾。以幾種小分子對PBS 改性，可以得到具有較好親水性的材料，以PBS-co-己二酸酯、PBS 和聚對苯二甲酸丁二醇酯-co-己二酸三種高分子聚合物包埋牛血清蛋白，分別探究各自微囊的包封率和緩釋效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：PBS單獨(dú)作為藥物載體時，其緩釋性能與載藥量都弱于其他兩者。以共混改性PBS 得到PBS 和聚乳酸混合物包裹酒石酸鈉膠囊，其緩釋性能明顯優(yōu)于它們的各自單體。Wang 等[3]通過運(yùn)用等離子體NH3和H2O 對PBS 進(jìn)行改性，結(jié)果顯示，改性之后親水性大大提高，從而增加了 PBS 與骨細(xì)胞的生物相容性。張勇等[4]運(yùn)用熔融共聚法將聚對苯二甲酸丁二醇酯（PBT）與聚乙二醇和PBS 共聚，制備其嵌段共聚物，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：產(chǎn)物的柔韌性和生物相容性都較PBS 改善很多，增加共聚物中PEG 片段含量，其親水性和特性粘度得到改善，結(jié)晶度也降低，通過不斷改變PBS 與PBT 和PEG 的比例，能夠得到各類優(yōu)異的用于皮膚組織、藥物緩釋的材料。

2 聚丁二酸丁二醇酯的應(yīng)用

2.1 組織工程

PBS 和PBS 基共聚物在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中研究最多的是用作組織工程材料，這些聚合物可以通過鹽浸、靜電紡絲或擠壓的方式加工成型，以薄膜或者支架的形式使用，在某些情況下，也可以制備成微球或作為藥物傳遞系統(tǒng)的載體材料。在組織工程中，還可用于人工皮膚移植、骨組織工程和吸收性縫合線等。為了修飾和調(diào)整PBS 的性能，可以制成以PBS 為基礎(chǔ)的共聚物，以改善材料的熱性能、機(jī)械性能和生物降解速率。沿PBS 分子鏈引入不同的共聚單元，如二亞油酸，x-戊內(nèi)酯，衣康酸、環(huán)碳酸酯和二乙醇胺，可獲得功能各異的PBS 基共聚物。PBS/C 支架、PBS 表面水解支架、PBS 與羥基磷灰石（HA）復(fù)合物可用于骨修復(fù)的復(fù)合材料，PBS 微球可用于羧甲基殼聚糖支架中改善其原有的性能。研究發(fā)現(xiàn)PBS/C 支架能誘導(dǎo)成骨干細(xì)胞的分化，這些支架在骨組織工程中也得到了廣泛的研究。PBS 與亞油酸酯共聚物在心臟組織工程中具有良好的應(yīng)用前景。

2.2 藥物載體

在生物醫(yī)藥方面應(yīng)用于藥物緩釋載體，從薄膜、微納米粒子和支架中釋放藥物的研究也得到了廣泛的關(guān)注，并取得了一定的成果。從廣義上說，藥物通過聚合物基體的釋放受兩種機(jī)制的控制，即擴(kuò)散控制釋放（取決于擴(kuò)散系數(shù)、基質(zhì)孔隙度和彎曲度），以及環(huán)境條件引發(fā)（由改變pH 或溫度等）。此外，由于是可生物降解的聚合物，釋放速率還需要考慮到聚合物的降解速率。在PBS 支架中浸入了黃酮（一種用于抑制骨吸收、維持骨密度和預(yù)防骨質(zhì)疏松的營養(yǎng)物），通過體外釋放在顆粒發(fā)現(xiàn)，具有一個初始爆發(fā)階段（可能是由于支架表面上存在的藥物聚集體的溶解）和持續(xù)釋放階段（釋放率逐漸下降到一個平臺值），由于支架負(fù)載藥物含量多，釋放率不受支架孔隙率的影響，釋放率的差異可解釋為與支架接觸的擴(kuò)散對象有關(guān)。

2.3 其他應(yīng)用

PBS 在食品包裝、生物醫(yī)藥和汽車領(lǐng)域等方面也具有廣闊的發(fā)展前景。在包裝領(lǐng)域用于食品包裝、保鮮膜、垃圾袋以及一次性餐盒等方面有好的應(yīng)用前景；在汽車領(lǐng)域用于汽車零件，還可以應(yīng)用于一些家用電子設(shè)備以及各種辦公設(shè)備外殼。

3 展望

隨著生物降解材料的快速發(fā)展，聚丁二酸丁二醇酯作為一種優(yōu)良的生物醫(yī)用材料，通過與不同單體單元的共聚改性，其性能得到了不斷的完善，其熱性能，機(jī)械性能和生物降解性可以得到比較精確地控制。在生物醫(yī)學(xué)中使用聚丁二酸丁二醇酯作為組織工程的替代品正受到越來越多的關(guān)注。PBS具有良好的力學(xué)性質(zhì)，可以以適中的成本通過熔融縮聚合成，其合成原料來自可再生資源，使PBS 成為一種完全生物基和可生物降解的聚合物。但PBS 的水解速率比較慢，這會影響其應(yīng)用范圍?？梢酝ㄟ^共混和共聚來調(diào)整PBS 的表面潤濕性、結(jié)晶度、力學(xué)性能和生物降解率等特性，以滿足許多不同的要求需要。還可加入有機(jī)或無機(jī)填料，主要是殼聚糖或羥基磷灰石。還需加強(qiáng)生物相容性評價的研究工作，使用不同的細(xì)胞系，考察PBS 基共聚物和復(fù)合材料在體外和體內(nèi)的生物相容性。PBS 主要的應(yīng)用潛力包括：在組織工程材料方面，從用于軟組織再生的柔軟彈性材料到需要承重的剛性材料，研究相應(yīng)的復(fù)合材料；在藥物載體方面，體內(nèi)試驗(yàn)和臨床試驗(yàn)之前，進(jìn)一步加緊體外藥物釋放的研究。