聚乳酸-聚扁桃酸共聚物的合成与表征

于美玲，蒋 琳，肖 臻，周江峰，袁明龙

(云南民族大学 云南省生物高分子功能材料工程技术研究中心，云南 昆明 650500)

聚乳酸由于具有良好的生物降解性及生物相容性被广泛应用于医学领域，如骨内固定器、药物控制释放载体、组织工程支架等.其合成路径主要是用乳酸合成环状中间体丙交酯，然后通过开环聚合制得[1-2]，该途径需要较高的温度和金属催化剂，并且有酯交换副反应发生，同时该方法不能用来直接合成带功能基团的聚乳酸及其共聚物.近年来，有文献报道通过乳酸氧酸酐环的开环聚合来制备聚乳酸，特点是条件温和，酯交换副反应小，从有机催化剂到有机金属配合物都可以催化聚合，还可以在聚合物中引入其他功能基团，因此越来越多的人对氧酸酐环的聚合进行研究[3-5].Pounder等[6]报道用苄基保护的苹果酸氧酸酐的开环聚合，去除保护基后得到聚苹果酸，相当于是羧基功能化聚乳酸.Olivier等[7]将谷氨酸转变为α-羟基酸后合成氧酸酐环与乳酸氧酸酐共聚，脱保护后也得到侧链含有羧基的聚乳酸共聚物.我们课题组在前期的工作中用乳酸氧酸酐与氨基酸氮酸酐共聚得到聚乳酸-聚氨基酸共聚物[8]，还研究了稀土催化剂催化乳酸氧酸酐的开环聚合[9]，得到分子量相对高的聚乳酸.

聚扁桃酸也是可再生的生物降解材料，其结构与性能与聚苯乙烯有类似之处，有望用来作为聚苯乙烯的替代物，得到具有类似聚苯乙烯性能且可以生物降解的材料[10-12]，同时也是一种具有发展潜力的药物释放载体.在聚扁桃酸的制备方面，通常采用乳酸与扁桃酸直接缩聚的方法，Kylma及Fukuzaki[13-14]以乳酸和扁桃酸为原料，在辛酸亚锡的催化下缩聚合成poly(LLA-co-DL-MA)共聚物，实现了在聚乳酸链中引入聚扁桃酸，研究表明，随着扁桃酸含量的增加，材料的玻璃转变温度逐步增加，但由于聚扁桃酸链的苯环空间位阻较大，所得共聚物的分子量均小于 3 000 g/mol.本文在前期研究工作的基础上，用乳酸氧酸酐和扁桃酸氧酸酐为原料进行开环共聚，制备聚乳酸-聚扁桃酸共聚物.通过控制聚合过程中各结构单元的含量来制备不同分子量的共聚物，以满足不同的实际应用需求，为合成聚乳酸类共聚物新材料提供一种新的方法.

1 实验部分

1.1 仪器及试剂

共聚物的1H NMR用BRUKER400MHz型核磁共振波谱仪测定；分子量使用凝胶渗透色谱(GPC)测定(Waters 515型凝胶渗透色谱仪，美国Waters公司)，以聚苯乙烯为标样，四氢呋喃(THF)为流动相；DSC，TGA表征使用德国NETZSCH公司的DSC-200PC，待测样品在氮气保护下，以30 ℃/min升温至800 ℃.聚合物微球的外观形态由SEM表征，美国Qnanta 200；聚合物的晶型使用X射线衍射仪表征，Rigaku D/max 2200 powder diffraction(Tokyo，日本)，测量范围是广角3°～60°，扫描速率为 2°/min；聚合物的胶束形态使用透射电镜(TEM)观察，JEM-2100(JEOL Tokyo，日本)，加速电压200 kV.

二甲氨基吡啶(DMAP)经甲苯共沸脱水后使用；四氢呋喃(THF)、二氯甲烷(DCM)、叔丁基甲醚、乙醇、聚乙烯醇(PVA)、异丙醇均为分析纯试剂，THF、DCM和叔丁基甲醚用氢化钙回流24 h，在氮气保护下蒸出后使用；氢氧化锂和三光气不经处理直接使用；乳酸OCA和扁桃酸OCA自制，重结晶纯化后使用.

1.2 合成乳酸OCA和扁桃酸OCA单体

乳酸OCA和扁桃酸OCA单体参考文献[8,15-17]合成，用三光气替代剧毒的光气.乳酸OCA结构表征：1H NMR (CDCl3，400 MHz)δ：5.05～5.00 (m，1H，—CH—O—)，1.68～1.66 (m，3H，—CH3).扁桃酸OCA结构表征：1H NMR (CDCl3，400 MHz)δ：7.51～7.26 (m，5H，—ph)，6.01 (m，1H，─CH─ph).

1.3 合成聚(乳酸-扁桃酸)共聚物

称取扁桃酸OCA(1.78 g，10 mmol)和乳酸OCA(1.16 g，10 mmol)于50 mL单口瓶中，氮气置换3次，用注射器通过乳胶管加入15 mL干燥的DCM，磁力搅拌至溶解完全后，用注射器分别加入 0.005 8 g 特戊醇和 0.008 14 g DMAP的DCM溶液，聚合反应在25 ℃搅拌反应8 h，真空浓缩除去一部分溶剂，加入大量乙醇沉淀得到白色絮状物，将固体抽滤出，真空干燥得到聚乳酸-聚扁桃酸共聚物.合成路线如图1所示.

1.4 制备聚(乳酸-扁桃酸)聚物共聚物微球

聚乳酸-聚扁桃酸共聚物微球采用溶剂挥发法双乳液体系(W1/O/W2)制备，以灭活的轮状病毒(RV)水溶液做为内水相W1，聚乳酸-聚扁桃酸共聚物的DCM溶液作油相O，稳定剂1% PVA水溶液为外水相W2.在高速搅拌下(20 000 r/min)将内水相W1加入到油相O中，乳化成W1/O初乳，同样在高速搅拌下将W1/O初乳加入到外水相W2，第2次乳化形成W1/O/W2双乳液，将双乳液体系加入到5%异丙醇水溶液中搅拌4～5 h以除去溶剂，进行离心分离(100 000 r/min，8 min)，用重蒸水洗涤3次，冷冻干燥得到微球粉末.

2 结果与讨论

2.1 聚乳酸-聚扁桃酸共聚物的合成

2种OCA单体的摩尔比为1∶1，聚合反应8 h，考察不同的催化剂用量对开环共聚的催化活性影响，从表1中可以看出当单体与催化剂的比例为300∶1时，获得的聚合物分子量较大，催化剂浓度大于或小于300∶1都对聚合不利，这是因为催化剂浓度过高，催化活性中心就会增多，从而导致齐聚物的产生使分子量降低.如果催化剂浓度小，催化活性中心就相应较少，难以引发单体的聚合.因此，两者共聚的最佳催化剂用量是单体与催化剂的摩尔比为300∶1.

表1 扁桃酸OCA与乳酸OCA共聚物Mn、Mw、 PDI分布

注：反应在25 ℃下聚合8 h；反应溶剂是DCM，浓度为2 mol/L；a.扁桃酸OCA与乳酸OCA单体比例为摩尔比1∶1；b.用凝胶渗透色谱测定，以THF为流动相；c.通过质量计算.

根据表1所得结果，选取催化剂比例为 300∶1，通过调节不同的单体比例，对聚合进行了研究，表2为不同单体比例的共聚物的GPC分析结果，其中，乳酸OCA与扁桃酸OCA的质量比分别为9∶1、8∶2、7∶3、6∶4和5∶5.从表2中可以看出，随着共聚物中扁桃酸OCA含量的逐渐增大，共聚物的分子量呈现出逐渐减小的趋势，乳酸OCA与扁桃酸OCA的质量比为9∶1时，获得共聚物分子量较其它比例的大.图2是不同分子量共聚物的GPC曲线，A～E分别是质量比为9∶1～5∶5共聚物的GPC曲线.从图中可以看出共聚物的GPC曲线为单峰，这说明乳酸OCA与扁桃酸OCA成功的共聚，而没有均聚物的产生.不论是表1还是表2中，聚合物的分子量分布都比较窄，PDI介于1.06～1.27之间.图3为共聚物的核磁氢谱，δ=7.44～7.29是聚扁桃酸链中苯环上氢质子的特征峰，δ=6.06～5.96和δ=5.20～5.16分别是聚扁桃酸和聚乳酸链次甲基上氢质子的特征峰，聚乳酸的重复单元—CH(CH3)O—中甲基氢质子的特征峰位于δ=1.58～1.57.图4通过ESI-MS对共聚物的末端基进行了分析，较突出的质核比m/z=88.3归属为共聚物端羟基的离子峰，由于分子量较大，等间距的共聚物重复单元结构未能同时显现在质谱中.

表2 不同比例共聚物的Mn、Mw、及PDI分布

注：25 ℃下聚合8 h；反应溶剂是DCM，浓度为2 mol/L；a.扁桃酸OCA与乳酸OCA聚合比例为质量比；b.用凝胶渗透色谱测定，以THF为流动相；c.通过质量计算.

2.2 热力学分析

图5、6中A～E分别是质量比为9∶1～5∶5共聚物的DSC、TGA曲线，从DSC曲线上可以看出，该共聚物有2个玻璃化转变阶段，在较低温度开始熔融的是聚乳酸链段，而较高温度开始熔融的是聚扁桃酸链段，聚扁桃酸链段的引入使共聚物的玻璃化转变温度得到提高，从82.7 ℃线性增加到94.1 ℃，而纯聚乳酸的玻璃化转变温度为68～72 ℃.综合TGA和DTG曲线(图7)分析，当加热到800 ℃时，共聚物的质量残余随着扁桃酸OCA含量的增加而增加，从质量比为9∶1时的4.61%线型增加到质量比为5∶5时的8.31%，共聚物的分解随着扁桃酸OCA含量的增加而越来越不完全，但是共聚物的分解温度从313.5 ℃、314.8 ℃降低到272.6 ℃，均低于纯聚乳酸的分解温度，这说明扁桃酸OCA的引入降低了聚合物的分解温度.

2.3 TEM和XRD表征

共聚物的胶束形态由JEM-2100(JEOL Tokyo，日本)测试，将样品溶解在DCM中，滴在孔径为0.077 mm的铜载网格上，待溶剂挥发后进行测试，加速电压200 kV.图8为共聚物胶束的透射成像，共聚物在TEM下成像是网状或圆点状结构.经过对图9共聚物的XRD分析可知，聚乳酸与聚扁桃酸共聚后，聚乳酸16.4°到22.3°处的衍射与扁桃酸在10.39°的衍射峰部分重叠，并呈现出馒头峰，说明2种OCA共聚形成聚合物后变成非晶态物质.

图8 聚乳酸-聚扁桃酸共聚物的TEM图

图10 聚乳酸-聚扁桃酸共聚物微球的SEM图

2.4 共聚物微球的SEM表征及体外降解和释放

图10是以质量比9∶1的共聚物为载体材料，对轮状病毒进行包裹的微球外观形态图，从图中可以看到层叠的微球，微球粒径较小在1～5 μm，但是有团聚现象出现，这可能与材料的亲疏水性或药物的水溶性有关.聚合物微球的降解采用pH值法测定，准确称量30 mg冻干的聚合物微球于降解管中，加入3 mL PBS缓冲液(pH 7.4)，将降解管置于37 ℃水浴恒温振荡器中振荡，定期测量pH值.图11是载药微球在降解介质中降解过程的pH值的变化曲线，从图中可以看出，随着降解的进行，降解介质的pH值逐渐降低，经过近30天的降解，pH值由7.4降低到6.7，并有持续降低的趋势.降解介质的pH值在前两周降低得比较快，然后趋于平稳，这主要是由于大量介质进入微球基体，致使聚合物微球降解产生低聚物及乳酸小分子扩散到降解介质中.

3 结语

通过DMAP引发乳酸OCA和扁桃酸OCA开环共聚得到聚乳酸-聚扁桃酸共聚物，在聚乳酸主链引入聚扁桃酸后，共聚物的玻璃化转变温度聚乳酸的高，同时分解温度相应降低，改善了材料的降解性能和热力学性能.通过调整单体的不同比例，最终可控制聚合物的分子量，且所得的共聚物的分子量分布较窄，介于1.06～1.27之间.同时将聚乳酸-聚扁桃酸共聚物作为载体对轮状病毒进行包埋，并对共聚物微球进行降解研究，降解过程中聚合物微球降解产生低聚物及乳酸小分子扩散到降解介质中，使降解介质的pH值在前两周降低得比较快，然后趋于平稳，具有较好的规律性.研究表明聚乳酸-聚扁桃酸共聚物可用作药物控制释放载体.

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