生物可降解聚碳酸酯的制備及其應用研究進展

張 梅，賈學增，陳 曦

（重慶化工職業學院，重慶 400020）

生物可降解高分子材料與生物體的化學結構極其相似，具有良好的力學性能與生物相容性，且制備工藝簡單，容易加工成型，可在動物或者人體內經過酶或非酶的作用進行降解［1-3］，降解產物具有良好的生物相容性，可通過生理代謝的方式排出體外。可生物降解聚碳酸酯具有良好的生物相容性和力學性能［4-6］，經過生物降解后生成二氧化碳和中性的二元醇（酚），然后排出體外，不會產生殘留，對生物體的影響極低。可生物降解聚碳酸酯的加工工藝簡單，可以通過改變主鏈化學結構或者引入各種類型的功能化側基，對材料進行改性，使其具有不同的性能，來滿足不同使用條件下的需要。可生物降解聚碳酸酯由于其特殊的性能，在生物醫用材料領域的應用極廣。與傳統陶瓷材料相比，它更容易與骨剛性相匹配，在矯形外科手術和其他組織修復應用中具有明顯優勢［7］；與金屬材料相比，可生物降解聚碳酸酯不會產生金屬離子，不會發生腐蝕現象，也不會引發局部炎癥反應，在固定支架方面有較好的應用前景［8］；可生物降解聚碳酸酯還可作為藥物的外殼，外殼緩慢降解，使藥物的釋放速率減慢，藥性持續時間加長，從而獲得更好的治療效果［9］。本文對生物可降解聚碳酸酯的種類、合成技術進行綜述，并對其在生物醫療領域的應用進行展望。

1 可降解聚碳酸酯的種類

1.1 含脂肪族主鏈的聚碳酸酯

含脂肪族主鏈的聚碳酸酯分子間作用力較小，具有熔融溫度低、溶解性能好、有一定親水性、玻璃化轉變溫度低等特性。黃霞等［10］以天然α-氨基酸為原料合成了含脂肪族主鏈的聚碳酸酯，并進行了水解實驗，結果表明，含脂肪族主鏈的聚碳酸酯具有良好的水解性能，其水解率對堿性降解液的濃度有一定依賴性。梁飛等［11］采用溶液預聚體法合成了毒性小、生物降解性能優異的聚碳酸酯，當預聚溫度為80 ℃時，合成的聚碳酸酯拉伸強度為52.5 MPa，水解實驗表明，材料完全降解時間為60 d，降解性能優異。

1.2 含芳香族主鏈的聚碳酸酯

在聚碳酸酯主鏈上引入含芳香基的單體鏈節，可以提高聚碳酸酯的力學性能。這類聚碳酸酯為無定型材料，可通過簡單的工藝方法（如注射模壓、吹塑等）制備。含芳香族主鏈的聚碳酸酯具有良好的力學性能，如含酪氨酸二肽的聚碳酸酯，其最大的抗張強度和楊氏模量分別可達50 MPa，112 GPa。含芳香族主鏈的聚碳酸酯表現出良好的生物相容性，水解成酪氨酸和二氧化碳，具有良好的生物相容性。李智勇等［12］采用溶液法制備了含芳香族主鏈的聚碳酸酯，該聚合物在高溫固化后表現出優異的熱穩定性，還具有良好疏水性，在沸水中浸泡24 h后的吸水率低至0.21%。Tangpasuthadol等［13］研究了含芳香族主鏈聚碳酸酯的降解機理，設計了一系列模擬聚合物重復單元的小型模型化合物，使用這些模型對水解速率進行模擬，結果表明，主鏈碳酸根鍵的水解速率較酯鏈鍵快，增加烷基鏈的長度可以降低兩個鍵的水解速率。

2 脂肪族聚碳酸酯的合成技術

2.1 光氣法

光氣法是以水和二氯甲烷為溶劑，通過光氣與脂肪族二元醇的縮聚，制備脂肪族聚碳酸酯。該方法工藝成熟，產品的物理性能穩定，但是生產過程中需要鹽酸作為原料，產品中有殘留的氯離子，影響產品的使用，而且該方法對環境污染大，后續處理的成本高，該合成方法具有一定的局限性。目前的研究方向主要集中在減少產品中氯離子的殘留量，提高產品使用的適用性。黃振豪等［14］采用光氣法合成聚碳酸酯，主要以二甲烷、氯苯為原料，通過界面縮聚合成工藝和液-液離心萃取工藝制備，全流程可進行連續化生產。采用液-液離心萃取法洗滌，可使產品的氯含量由（650～750）×10-6（y）降至20×10-6（y）以下，二甲烷質量分數降至0.05%。

2.2 酯交換法

酯交換法是采用碳酸二烷基酯和脂肪二羥基化合物為原料，在堿性催化劑以及高溫條件下進行酯交換反應。與光氣法相比，這種方法不以鹽酸為原料，不會有殘留的氯離子，也不會污染環境，但是生成的聚碳酸酯力學性能較差，具體為黏度及硬度較低，目前的研究重點在選用合適的催化劑以及工藝提高其物理、化學性能。潘冬冬等［15］研究了以1,6-六亞甲基二氨基甲酸甲酯和聚碳酸酯二醇為原料，有機錫為催化劑，無溶劑熔融酯交換縮聚合成聚氨酯（PU）的新工藝，通過優化縮聚反應溫度以及反應時間，可以得到相對分子質量較高、硬度較大、白度較好的PU，其特性黏度為61.30cm3/g，硬度為35.0，白度為61.2%。

2.3 加成共聚法

加成共聚法是由環氧化合物（如環氧乙烷、環氧丙烷等）與CO2在有機金屬催化劑的作用下制備聚碳酸酯，目前的研究熱點是選用環氧化合物以及有機金屬催化劑得到相對分子質量高的聚碳酸酯。燕豐［16］采用二氧化碳、環氧環己烷、α-環氧蒎烷為原料，四齒希夫堿金屬配合物SalenCr ⅢCl為主催化劑，雙（三苯基膦）氯化銨、3-丁基氯化銨、1-甲基咪唑、4-二甲氨基吡啶四者之一為助催化劑，在二氧化碳壓力為2.0～5.5 MPa的條件下將環氧環己烷、α-環氧蒎烷與二氧化碳進行加成共聚制備聚碳酸酯。該工藝簡單易操作，制備的脂肪族聚碳酸酯具有熱穩定性好，相對分子質量高以及相對分子質量分布窄等優點。

2.4 開環聚合法

環狀碳酸酯單體在引發劑作用下通過開環聚合可得到聚碳酸酯，開環聚合法具有反應條件溫和、熱效應低、聚合反應速率快、能在較短時間內達到較高相對分子質量、聚合物結構易控制、產物純凈等優點。采用的引發劑可以是醇、酸、胺、鹵代烴等非金屬，金屬和酶等，目前的研究熱點主要在選用合適的引發劑以及工藝參數，得到物理生物性能好的脂肪族聚碳酸酯。馮俊等［17］采用豬胰脂肪酶為催化劑，通過開環聚合的方法合成了聚碳酸酯，相對分子質量為3000～18000，隨著反應時間的延長，聚碳酸酯的相對分子質量沒有明顯的變化，但產率逐漸提高，這種方法有利于提高脂肪族聚碳酸酯的產率。

3 可降解聚碳酸酯在生物醫療領域的應用

脂肪族聚碳酸酯具有生物降解性、生物相容性、表面溶蝕性能以及多功能性等特點，是一種優良的藥物載體材料。王士海等［18］通過十六醇引發2,2-二甲基三亞甲基環碳酸酯開環聚合合成了聚碳酸酯，再與葉酸通過酯化反應合成了葉酸修飾的聚碳酸酯，以吲哚美辛為模型藥物，Fe3O4粒子為磁源，通過乳化法制備了葉酸修飾的聚碳酸酯磁性載藥微球，結果表明，質量分數為9.5%的Fe3O4粒子被包裹在聚合物微球中，微球粒徑約320 nm，具有超順磁性，且對吲哚美辛的包載率為4.6%，載藥微球在模擬人體環境（pH=7.4，37 ℃）下36 h后的累積釋藥劑量為20.0%，具有緩釋效果。

脂肪族聚碳酸酯在降解過程中不會產生酸性物質，可避免局部由于pH值較低而引起的炎癥反應，可應用于人體生物組織工程方面。張玲等［19］利用聚碳酸亞丙酯和聚羥基丁酸己酸酯制備了不同比例的共混膜，發現共混膜上血管平滑肌細胞的黏附良好，將其制成的管形支架力學性能符合體內移植要求，支架的破裂強度與羊頸動脈相似，縫合強度均強于羊頸動脈，可望用于血管組織工程支架材料。

4 結語

綜述了可生物降解聚碳酸酯的種類及合成技術，并展望了可降解聚碳酸酯在生物醫療領域的應用。合成毒性小、生物降解性能優異的聚碳酸酯是目前研究的重點，同時降低氯含量，提高硬度，提高產率是脂肪族聚碳酸酯合成技術的研究方向。由于聚碳酸酯具有緩慢的生物降解功能，可使藥物逐步緩慢釋放，提高治療效果，并降低藥物對人體的傷害。