超臨界二氧化碳中硼酸催化合成聚己內酯

邵思承，王景昌，柯錦平，黃重貴，詹世平(大連大學環境與化學工程學院，遼寧 大連 116622)

0 引言

聚己內酯(PCL)是一種很好的生物醫用可降解材料，一直以來都是研究的熱點。PCL具有較低的玻璃化溫度和熔點，使其比其他聚酯具有更好的藥物通透性，可用作緩釋膠囊[1-2]。PCL的分子鏈比較規整、易結晶，具有良好的生物相容性及機械性能，是理想的植入材料之一。同時PCL與許多高聚物具有較好的相容性，可與高聚物共聚以提高其自身性能與研究價值[3-4]。1993年FW Weathers就對聚己內酯的各項性質進行了分析[5]；Loeker等[6]使用Novozym-435脂肪酶為催化劑在Sc-CO2中催化合成分子量較大的PCL；2015年李楊等[7]人首次使用硼酸作為催化劑催化合成了PCL。制備脂肪族聚酯PCL的傳統方法通常會涉及到有機溶劑。有機溶劑易揮發，會對人體和環境造成一定程度的危害。在此背景下以無污染的超臨界二氧化碳(Sc-CO2)代替常規有機溶劑作為介質進行化學反應便應運而生。超臨界二氧化碳是一種環境友好型溶劑，具有無毒、無味、不燃等優點。此外二氧化碳的臨界點為31.1 ℃，7.34 MPa，條件較溫和，易于操作。本研究著重對比不同條件下產物分子量，得出超臨界二氧化碳中硼酸催化合成聚己內酯的最佳反應條件。

1 PCL、Sc-CO2、B(OH)3的特性

1.1 PCL的特性及其應用領域

聚己內酯(PCL)是脂肪族聚酯中研究最早的也是最成熟的聚合物之一，是美國食品和藥物管理局(FDA)認可的一類生物醫用材料。早在20世紀30年代，已成功合成獲得了PCL。此后，PCL以及對其進行改性一直是各國學者研究的重點。PCL是一種半結晶性高聚物，結晶度約為50%左右。其熔點為58～65 ℃，玻璃化溫度(Tg)為-60 ℃左右，室溫下呈軟玻璃態，熱穩定性良好，與其它聚酯相比藥物通透性更強，在藥物緩釋載體領域具有巨大的優勢。研究表明，使用PCL作為緩釋載體時，可將藥物穩定的輸送到靶向位置，使藥物的有效率大大提高，治療效果更佳。

PCL具有良好的延展性、加工性和生物相容性，易擠出成型，因此可用作外科手術縫合線。有研究表明，PCL的降解周期要遠遠大于聚對二氧環己酯(PDS)與聚乙交酯碳酸三甲酯(Maxon)。在特定的情況下會要求手術縫合線具有較長的降解周期，因此使用PCL制成的手術縫合線比其他聚酯類手術縫合線更具優勢。

聚己內酯是一種半結晶型聚合物，是化學合成的生物降解性高分子材料，熔點為59～64 ℃，玻璃化溫度為-60 ℃。分子量較低，為無色結晶固體，具有蠟質感。因為分子結構中引入了酯基結構，所以在自然界中酯基結構易被微生物或酶分解，最終產物為CO2和H2O。同時具有良好的生物相容性、生物降解性、相容性、高結晶性和低熔點性，可應用于微包囊藥物制劑，涂料方面。

1.2 Sc-CO2的特性及其應用領域

Sc-CO2是維持在臨界溫度及臨界壓力以上的二氧化碳流體(超臨界流體)，工作狀況提升到二氧化碳的臨界點時，其性質會介于液體和氣體之間，會像氣體一樣充滿整個空間，但其密度又類似液體，因其獨特的性質其被廣泛應用于高分子材料的合成加工[8]和生物醫學領域。

制備脂肪族聚酯的傳統方法通常會涉及到有機溶劑，有機溶劑易揮發，且大多具有毒性，會對人體和環境造成一定程度的危害。針對這個問題，無污染的超臨界二氧化碳(ScCO2)代替常規有機溶劑作為介質進行化學反應引起了各國科學者的注意。ScCO2具有無毒、無味、不燃、臨界條件(Tc=31.1 ℃，Pc=7.34 MPa)容易達到，操作簡單等優點。ScCO2作為反應介質或反應物參加化學反應已經獲得了成功的應用。

1.3 硼酸的性質及其優勢

硼酸溶于水、酒精、甘油、醚類及香精油中，水溶液呈弱酸性。硼酸在水中的溶解度隨溫度升高而增大，并能隨水蒸汽揮發。硼酸和硼酸鹽可以很迅速地與多元醇(如甘油)和α-羥基羧酸形成穩定的螯合物，使其酸性增強。這是分析化學用氫氧化鈉溶液在甘露醇存在下滴定硼酸的基礎。用于催化ε-CL開環聚合的催化劑大多為金屬催化劑，這類催化劑不僅需要較為嚴格的反應環境，最主要的是所殘留的可能有毒的金屬離子阻礙了聚酯材料作為醫用材料的使用。硼在自然界中的含量相對豐富，對于植物生長和人類的大腦及骨骼發育是一個重要的微量元素，硼酸(B(OH)3)屬于無機小分子化合物，是一種較弱的路易斯酸(pKa=9.2)。硼酸是一種溫和高效的催化劑，具有環境友好、廉價易得及易于操作等優點。硼酸的毒性很小，且硼是生命體生長所需的重要微量元素和支持腦發育的超微量元素，因此硼酸作為催化劑在催化合成PCL上比金屬催化劑與酶更具有優勢。近年來，鑒于綠色化學的觀點，硼酸由于其優異的水溶性、良好的化學穩定性、操作使用方便、價格低廉和環境友好等特點，用硼酸作為催化劑在有機合成中得到了特別的關注。

2 硼酸催化合成聚己內酯原理

硼酸中的硼是硼原子是缺電子的，易與CL中的給電子體羰基氧發生相互作用，使CL單體被活化，進而催化CL開環聚合。硼酸中的硼原子與CL單體相互作用使之被活化，然后引發劑正丁醇的羥基進行親核攻擊CL單體的羰基碳，CL單體開環(O-酰基斷裂)插入到引發劑中，同時又形成了末端羥基，接著重復相同的活化機理進行鏈增長，得到聚合物。

3 聚己內酯的應用

3.1 聚己內酯在組織工程中的應用

聚己內酯與其他材料(如納米氧化鋯粉末)形成的復合材料具有良好的生物活性、生物可吸收性和一定的力學強度，可用于骨組織工程支架[8]，聚己內酯有較好的加工性且降解率可控，易于物理修飾和化學修飾，其性質使得與其他材料結合之后有更加理想的性質，廣泛應用于生物醫學材料生產。

PCL在生物組織工程方面的研究始于二十世紀末，現已得到廣泛的應用。組織工程包括骨組織工程、皮膚組織工程與神經組織工程等方面。Guan等[9]使用PCL制備了組織支架(PEUUs)，經臨床驗證，PEUUs支架在韌性、生物相容性與降解性等方面優于PLLA、PGA與PDS支架。Kook等[10]使用PCL與明膠(GT)制備了新型GT/PCL納米纖維電紡膜，將人臍靜脈內皮細胞(hUVECs)與脂肪間充質干細胞(ADSCs)接種到GT/PCL納米纖維電紡膜，經過三維培養可使血管形態發生變化，可生成更多的血管內腔結構。

3.2 聚己內酯在膜領域的應用

聚己內酯有良好的生物降解性能，常用其他材料與其進行化學改性，降低成本，在膜領域中，如用木質素接枝PCL薄膜材料[11]，利用木質素的剛性和PCL的韌性，賦予膜更強的力學性能，前景十分廣闊。

3.3 聚己內酯在制藥領域的應用

利用良好的生物相容性，加工溫度較低等性質，可將其用作藥物傳遞載體，減少高溫引起藥物失活的可能，用聚己內酯與藥物和釋放改性劑制備的復合材料可使累積釋藥率顯著提高[12]。

4 結語

隨著化學、化工、生物、材料、醫學等領域的不斷發展以及相互之間的合作及學科交叉，聚己內酯的制備技術會有更大的突破。以硼酸為催化劑在超臨界二氧化碳中催化合成高聚物具有綠色無毒、簡便高效等特點。聚己內酯及其共聚物因其良好的理化性質及生物相容性，可以在更廣闊的領域獲得應用，近年來其共聚物的研究受到廣泛關注。