左旋乳酸和乙醇酸的共聚比例对PLLGA结晶性能的影响初探

赵 娜，马志刚，尹文燕，杜艳芸，王志刚，马可望，胡家尾

(湖北理工学院化学与材料工程学院，湖北黄石435003)

左旋乳酸和乙醇酸的无规共聚物PLLGA由于无毒、可灭菌、具有较好的生物降解性能、良好的生物相容性、生物可吸收性、较好的机械强度、弹性模量和热成型性，已被美国FDA批准为可用于人体的生物可降解材料，在生物医用方面扮演了重要的角色［1］。与均聚物聚乳酸、聚乙醇酸相比，共聚物PLLGA 的降解速率和强度可以通过调节共聚单体的比例来改变［2］，因此，PLLGA 在生物医学领域中的用途越来越广泛。由PLLGA 制备的骨螺钉和骨夹板具有不锈钢材料所不具备的优点，如在使用过程中不易被腐蚀;随着植入时间的延长，材料不断降解，强度不断降低，使应力逐渐转移到骨骼上，进而大幅度减少由于应力屏蔽效应导致的骨质疏松症;内固定物不需2 次手术取出［3］，可减轻病人的痛苦。

对于生物可降解医用材料来说，降解速率和强度是影响其应用的2 项重要指标。很多因素会影响高分子材料的降解和机械性能，如结晶度、分子量、样品尺寸等［4－5］，其中，结晶度是最重要的影响因素之一［6－8］。研究表明，结晶度提高会引起材料强度的改善和降解时间的延长［9］。

影响PLLGA 结晶性能的主要因素是共聚单体的比例［2］，均聚物PLLA 和PGA 是半结晶性高分子，在合适的条件下均可结晶，其中PGA 的结晶能力较好。而他们的共聚物PLLGA 是一种无规共聚物，从理论角度看，分子链段的规整程度较均聚物降低，结晶能力因此降低。但对不同共聚比例PLLGA 结晶性能的系统研究较少，大多针对某一共聚比例的PLLGA 进行详细的研究，因此缺少系统的数据。

本研究拟合成一系列不同共聚比例的PLLGA，再对他们的结晶性能进行初步研究。

1 实验部分

1.1 原料及仪器

左旋乳酸(医用90%水溶液);乙醇酸(化学纯，上海化学试剂有限公司);二水合氯化亚锡(分析纯，天津科密欧化学试剂有限公司);对甲苯磺酸(分析纯，成都市科龙化学试剂厂);3A 分子筛(天津科密欧化学试剂有限公司);分子筛按文献［11］进行处理，氯仿为分析纯。

偏光显微镜(XPN－203，上海长方光学仪器有限公司);程序温度控制仪(XMT－3000A(4000A)，上海长方光学仪器有限公司);差示扫描量热仪(DSCQ TA Instruments)。

1.2 PLLGA 的制备

PLLGA 的制备按文献［10］进行。选择氯仿作溶剂，用乌氏粘度计测试样品的粘度。样品PLLGA9010(η=2.73 mPa·s)中L－LA 和GA 的摩尔比为 90/10，PLLGA8812 (η=2.11 mPa·s)中L－LA 和GA 的摩尔比为88/12，PLLGA8218(η= 1.70 mPa·s)中LLA 和GA 的摩尔比为82/18。

1.3 PLLGA 的结晶性能表征

取少量样品置于玻璃片上，并将玻璃片置于偏光显微镜的热台上，温度由程序温度控制仪控制。迅速升温至200℃，在此温度下保持3 min 使样品完全熔融，此时将样品压成薄膜，迅速降温至期望的结晶温度(Tc)，在此结晶温度下保持足够时间，根据球晶生长的情况决定拍摄球晶照片的时间间隔。用这个方法分别观察PLLGA9010、PLLGA8812、PLLGA8218在不同结晶温度下的球晶生长情况。

测量球晶的半径，用半径的数值对球晶生长时间作图，线性回归得到直线，直线的斜率就是球晶在这一结晶温度下的球晶生长速度G［11］。

采用差示扫描量热分析仪(DSC)对样品进行热力学性能测试。载气为氮气，流速为40 cm3/min，先迅速降温至－40℃，再以5℃/min 的升温速率扫描至230℃。

2 结果与讨论

结晶的形成需要2 个步骤，第1 步是晶核的形成，第2 步是晶体的生长。晶核形成有均相成核和异相成核2 种方式，前者是熔体中分子经热运动成核，有时间依赖性，多在较低的温度下形成;异相成核多是外来杂质和未完全熔融的剩余结晶部分形成晶核，可瞬间成核，与时间无关，在较高温度下即可形成［11］。在本研究中，合成的3 种共聚物在进行结晶行为研究时，未加入其他杂质，所以是均相成核，是熔体中分子经热运动成核，有时间依赖性。

PLLGA9010 在不同温度下的球晶生长情况如图1所示。从图1 中可以看出，PLLGA9010 在110℃、120℃和140℃的球晶规整程度较差，这主要是由于结晶温度太低时，分子链段运动能力较低，因而不能规整排列;而结晶温度太高时，分子链段运动速度较快，可短时间内迅速排列至晶核而缺乏规整排列的时间，因而球晶形态不够规整。在130℃，球晶的生长情况较好，形成的球晶规整性良好，说明在130℃时，PLLGA9010 可以合适的速度排列至晶核，且可规整排列，因而是PLLGA9010 结晶的较好的温度。

图1 PLLGA9010 在不同温度下的球晶生长情况

用软件测量球晶的半径，以球晶半径对球晶生长时间作图，经线性回归可得一条直线，直线的斜率就是球晶半径的生长速度。

PLLGA9010 在不同温度下的球晶半径随时间的变化如图2所示。从图2 中可以看出，PLLGA9010 在120℃时球晶生长速率最快，可以达到1.37 μm/min，在130℃与120℃时的球晶生长速度接近，可以达到1.23 μm/min，说明PLLGA9010 在120℃和130℃都有较快的生长速度，在这2 个温度下，分子链段向晶核排列的速度较快。

图2 PLLGA9010 在不同温度下的球晶半径随时间的变化

PLLGA8812 在不同温度下的球晶生长情况如图3所示。从图3 中可以看出，PLLGA8812 在110℃只能形成很小的晶粒，但晶粒数量很多，生成速率很快，短时间内相邻的晶粒紧密堆积起来，不再生长成完整的球晶，因此不能测量球晶的半径。在120℃和130℃时，球晶的生长情况较好，形成的球晶规整性良好，说明120℃和130℃是PLLGA8812 结晶的较好的温度。在140℃，球晶规整程度较差，不能形成规整球形的球晶，这主要是由于结晶温度太高，分子链段不能规整排列。

图3 PLLGA8812 在不同温度下的球晶生长情况

PLLGA8812 在不同温度下的球晶半径随时间的变化如图4所示。从图4 中可以看出，PLLGA8812 在120℃时球晶生长速率最快，可以达到0.83 μm/min，在130℃时，球晶生长速率较慢，为0.53 μm/min，在140℃时球晶生长速率最慢，为0.27 μm/min，说明PLLGA8812 在120℃有较快的球晶生长速率，在此温度下，分子链段向晶核排列的速度较快，因此结晶速度较快。结合球晶的形貌特征，120℃是PLLGA8812 形成球晶较好的温度。

PLLGA8218 在不同温度下的球晶生长情况如图5所示。从图5 中可以看出，PLLGA8218 在100℃和110℃时难于形成较大的、完整的球晶，说明在此温度下短时间内形成大量晶核，但结晶温度太低，分子链段运动能力太差，不能迅速排列至晶核，球晶生长速度低于晶核生成速率，因而只能形成大量晶粒。在120℃和130℃时，球晶规整程度均较好，但在130℃时，形成球晶的数量较少，说明在130℃时形成晶核数量较少，球晶生长速度高于晶核生成速率，因而可形成较大的、规整的球晶。

图4 PLLGA8812 在不同温度下的球晶半径随时间的变化

图5 PLLGA8218 在不同温度下的球晶生长情况

PLLGA8218 在不同温度下的球晶半径随时间的变化如图6所示。从图6 中可以看出，PLLGA8218 在130℃时球晶生长速度最快，可以达到0.85 μm/min，在120℃与130℃时的球晶生长速率接近，可以达到0.76 μm/min，说明PLLGA8218 在120℃和130℃时都有较快的生长速率，在这2 个温度下，分子链段向晶核排列的速度较快。

图6 PLLGA8218 在不同温度下的球晶半径随时间的变化

将PLLGA9010、PLLGA8812 和PLLGA8218在不同温度下的球晶生长速度总结在表1 中。

表1 不同聚合物在不同温度下的球晶生长速度μm/min

从表1 中可以看出，在所有温度下，PLLGA9010 的球晶生长速率都是最快的，PLLGA8812 和PLLGA8218 球晶的生长速率较接近。

L－LA 的均聚物PLLA 和GA 的均聚物PGA 都是结晶性高分子，结晶速率较快。共聚物PLLGA9010、PLLGA8812 和PLLGA8218 中少量GA 链段的存在降低了共聚物中链段的规整性，使共聚物链段的运动能力和向晶核规整排列的能力下降，因而球晶生长速度下降。

不同共聚比例PLLGA 的DSC 曲线如图7所示。从图7 中可以看出，随着L－LA 含量的增加，冷结晶峰面积和熔融峰面积均显著增大，说明在相同升温速率(5°C/min)下，结晶速度明显提高，与球晶生长速度的结果一致。

图7 不同共聚比例PLLGA 的DSC 曲线

利用DSC 分析软件从图7 中DSC 曲线得出聚合物熔融热和熔点的数值，不同聚合物的熔融热及熔点如表2所示。

表2 不同聚合物的熔融热及熔点

从表2 中可以看出，随着L－LA 含量的增加，聚合物熔融热和熔点明显提高，这主要是由于L－LA 含量增加，共聚物中分子链段规整性较好，在升温过程中可以有更多的分子链段向晶核排列形成晶体，且排列规整致密程度更高，从而需要较高的温度才能熔融，且完全熔融所需的热量较高，因此导致较高的熔融热和熔点。

总结球晶生长和DSC 的数据可以得出，共聚物中L－LA 含量越高，球晶生长速度越快，熔融热越高，熔点越高，说明在研究的这3 个共聚比例中，L－LA 含量越高，共聚物的结晶速度越快，形成晶体的规整程度越好。

3 结论

合成了L－LA 和GA 摩尔比为90/10、88/12 和 82/18 的共聚物 PLLGA9010、PLLGA8812 和PLLGA8218，用偏光显微镜研究了不同温度下不同比例共聚物的球晶生长情况，用DSC 研究了不同比例共聚物的热力学性质。得出的主要结论如下:3 种PLLGA 样品在120℃和130℃时球晶规整程度均较好。PLLGA9010 的球晶生长速率最快，PLLGA8812 和PLLGA8218 球晶的生长速率较接近。随着LLA 含量的增加，熔融热和熔点明显提高。从已有数据来看，随着共聚物中L－LA 含量提高，PLLGA 的结晶速度上升。分子量及更多共聚比例对共聚物结晶性能的影响有待进一步进行研究。

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