基于点击化学的聚己内酯接枝共聚研究

李明明，潘鹏举，单国荣，包永忠

化学工程联合国家重点实验室，浙江大学化学工程与生物工程学院，浙江 杭州 310027

聚己内酯（PCL）是一种典型的生物可降解高分子，降解后的产物为CO2和H2O，对环境和人体无危害。PCL 具有优良的生物相容性和力学性能，已被广泛用于药物缓释和组织修复等领域[1]。但PCL结晶性较强，亲水性较差，在体内降解速度较慢，从而限制了其应用领域。文献上对PCL 末端改性和嵌段共聚的研究报道较多，但嵌段共聚物结构与性能的均一性较差。近来，研究人员尝试在PCL侧链引入活性官能团以制备性能更加优异的接枝共聚物[2-4]。

本工作利用卤素官能化己内酯单体（CL）与未改性CL 的开环聚合（ROP），制备了侧链卤素官能化的PCL，然后将卤素转化为叠氮基团，再利用点击化学方法，将聚乙二醇（PEG）接枝至PCL主链，得到了PCL-g-PEG，该方法可有效调控共聚物的接枝密度和接枝链长度，同时研究了接枝共聚物在水溶液中的胶束化自组装，所制备胶束材料在药物缓释等领域具有潜在应用空间。

1 实验部分

1.1 主要原料

CL（>99%，TCI）、月桂醇（>99%，百灵威）、辛酸亚锡（95%，Aldrich-Sigma）、聚乙二醇单甲醚（mPEG，分子量1 000 和1 900，Alfa Aesar）、4-戊炔酸（95%，百灵威）、二环己基碳化二亚胺（DCC，99%，阿拉丁）、4-二甲基氨基吡啶（DMAP，99%，百灵威）、抗坏血酸钠（99%，阿拉丁）等均为分析纯。α-氯代CL（αClεCL）由Jerome 等所报道的方法制得[3]。CL 经氢化钙干燥48 h，减压蒸馏提纯。甲苯利用氢化钙为干燥剂，加热回流48 h 除水。

1.2 聚合反应

1.2.1 氯官能化PCL 的合成

利用CL 和αClεCL 开环共聚制备了氯官能化的PCL，即P(CL-co-αClεCL)。开环聚合中以月桂醇为引发剂，辛酸亚锡为催化剂，无水甲苯为溶剂。将一定量的αClεCL、CL、月桂醇和辛酸亚锡加入至经充分干燥的烧瓶中，其中催化剂与引发剂的物质的量比为3:1，将反应瓶连接至双排管，抽充氩气三次后注射加入甲苯。升温至70 ℃开始聚合，反应48 h，然后将产物溶于氯仿，缓慢滴至无水乙醇中沉淀以除去未反应的单体，沉淀三次，最后将粗产物在40 ℃真空干燥箱中干燥至恒重。氯官能化的PCL 用P(CL-co-xαClεCL)表示，x为制备中αClεCL 单体的投料质量分数。

1.2.2 叠氮官能化PCL 的制备

采用亲核取代法[4]制备了叠氮官能化PCL，即P(CL-co-αN3εCL)。将一定量的P(CL-co-αClεCL)、NaN3和N,N二甲基甲酰胺（DMF）加入到100 mL 烧瓶中，室温搅拌24 h，然后加入氯仿，用去离子水洗涤多次，有机相经无水硫酸镁干燥，旋转蒸发除去溶剂，然后产物在45 ℃下真空干燥至恒重。

1.2.3 末端炔化PEG 的制备

向250 mL 烧瓶中加入适量的mPEG、4-戊炔酸和二氯甲烷，将烧瓶置于冰水浴中，滴加DCC 的二氯甲烷溶液，同时缓慢滴加DMAP 的二氯甲烷溶液，其中mPEG、戊炔酸、DCC、DMAP 的投料物质的量比为1:1.2:1:0.05。反应物在0 ℃反应1 h，室温反应24 h，过滤，滤液依次用0.5 mol/L 的NaOH 水溶液、去离子水洗涤至中性，有机相经无水硫酸镁干燥，旋转蒸发除去溶剂，最后在45 ℃条件下真空干燥至恒重。

1.2.4 PCL-g-PEG 的制备

将适量的P(CL-co-αN3εCL)、mPEG、抗坏血酸钠、CuSO4加入至经充分干燥、充满氩气的烧瓶中，然后注射加入经氮气鼓泡除氧的DMF，室温下反应24 h，其中PCL 中叠氮基、PEG 中炔基、CuSO4催化剂、抗坏血酸钠还原剂的物质的量比为1:1.2:0.4:0.8。反应后将反应液注入透析袋（截留分子量为3 500）中，在去离子水中充分透析，最后将透析液冷冻干燥得到产物。接枝共聚物用PCLy-g-PEGz表示，其中y和z分别代表P(CL-co-αClεCL)制备中αClεCL 的投料质量分数和PEG 接枝链的分子量。

1.3 测试与表征

利用400 M NMR（Bruker AVANCE II）分析了样品的氢谱核磁（1H-NMR），以氘代氯仿或氘代水为溶剂，化学位移用溶剂峰标定。

利用Nicolet 5700 红外光谱仪测试了聚合物的红外光谱（IR）谱图。

利用Waters 凝胶渗透色谱仪（GPC，PL-gel mix C 色谱柱）测试了聚合物的分子量，流动相为DMF，流动相流速1.0 mL/min，测试柱温60 ℃，采用聚甲基丙烯酸甲酯作为标样。

采用表面张力法测定共聚物的临界胶束浓度（CMC）。将样品配制成不同浓度（4×10-4～1.0 g/L）的水溶液，然后在20 ℃条件下用表面张力仪测试了溶液的表面张力。CMC 由表面张力与样品浓度关系图求得。

胶束的流体力学直径（Dh）采用动态光散射（DLS，Zetasizer 3000 HAS）测试，测试前胶束溶液（1.0 g/L）用0.45 µm 有机过滤膜过滤。

透射电子显微镜（TEM，JEM-1230）观察胶束的结构形貌。将样品溶液滴至铜网上，置于真空干燥箱中室温干燥48 h，测试电压为80 kV。

2 结果与讨论

2.1 叠氮官能化PCL 的制备

图1为PCL-g-PEG 的合成路线。

图1 点击化学法PCL-g-PEG 的制备Fig.1 Synthesis of PCL-g-PEG via click chemistry

首先利用开环聚合制备了P(CL-co-αClεCL)，图2为P(CL-co-αClεCL)和P(CL-co-αN3εCL)的1H-NMR 与IR 谱图。

图2 P(CL-co-20%αClεCL)和P(CL-co-20%αN3εCL)的1H-NMR (a)和FT-IR (b)图谱Fig.2 1H-NMR (a) and FT-IR (b) spectra of P(CL-co-20%αClεCL) and P(CL-co-20%αN3εCL)

基于1H-NMR 的结果，计算了P(CL-co-αClεCL)的理论数均分子量（Mn,th）、αClεCL 单元的摩尔分数（nαClεCL）、质量分数（wαClεCL）和数均分子量（Mn,NMR），计算公式如下。

其中148.64 和114.14 分别为αClεCL 和CL 的摩尔质量，yield 为聚合物产率，I代表1H-NMR 谱图中对应峰的强度。式（2）中，在4.3 ppm (a′峰)和4.2 ppm (e′峰)处核磁共振峰分别代表αClεCL 中—CHCl—和—CH2COO—单元中氢的共振峰，与εCL 中—CH2COO—单元的氢的共振峰（a 峰）强度进行对比，可得到共聚物中αClεCL 单元所占的比例。

利用P(CL-co-αClεCL)与NaN3的亲核取代反应制备了P(CL-co-αN3εCL)。如图2(a)所示，在化学位移3.8 ppm 附近出现—CHN3—单元中氢的共振峰，同时P(CL-co-αClεCL)中化学位移4.3 ppm 附近处的—CHCl—单元中氢的核磁共振峰消失，说明氯完全被叠氮基团所取代。在图2(b)中，2 106 cm-1处出现了叠氮基团的伸缩振动峰，说明成功制备了P(CL-co-20%αN3εCL)。表1列出了共聚物的投料比、化学组成和分子量，由该表可知，wαClεCL与αClεCL 的投料比基本相同，GPC 所测数均分子量（Mn,GPC）与Mn,th、Mn,NMR非常接近，分子量分布指数较小，说明P(CL-co-αClεCL)的共聚组成和分子量可由开环聚合很好控制。

表1 P(CL-co-αClεCL)的合成投料比、共聚组成和分子量Table 1 Feed ratio, composition, and molecular weight of P(CL-co-αClεCL)

2.2 PCL-g-PEG 的制备

利用端炔基PEG 和P(CL-co-αN3εCL)的点击化学反应制备了PCL-g-PEG。如图3(a)所示，在化学位移7.6 ppm 附近可观察到唑环上次甲基的特征峰，在化学位移5.3 ppm 附近出现紧邻唑环的PCL 骨架上的次甲基的特征峰。如图3(b)所示，IR 图谱中2 106 cm-1附近处叠氮基团的伸缩振动峰消失，1 100 cm-1附近出现PEG 中C-O 键的伸缩振动峰。

图3 PCL20-g-PEG1.0k 的1H-NMR (a)和FT-IR (b)图谱Fig.3 1H-NMR (a) and FT-IR (b) spectra of PCL20-g-PEG1.0k

如图4所示，随着接枝链长度增加，GPC 流出时间变短，共聚物分子量增大，NMR、IR 和GPC的结果均表明PEG 链已成功接枝至PCL 骨架。但是，如图3(a)所示，在化学位移3.8 ppm 处可观察到—CHN3—单元中氢的较弱的核磁共振峰，说明少量叠氮基未参加点击化学反应。

图4 含不同接枝链长度的PCL20-g-PEG 的GPC 结果Fig.4 GPC traces of PCL20-g-PEG graft copolymers with different graft lengths

表2列出了所制备PCL-g-PEG 的共聚组成、分子量和物理性质，其中DS表示点击化学中叠氮基团的反应百分率，Wgraft为共聚物中接枝链的质量分数，Mn,th表示接枝共聚物的理论数均分子量，其计算方法如公式（5）～（7）。式（5）中，Ie为点击反应后PCL 主链与唑环相连处CH2中氢的核磁共振峰强度（图3a），Ia′为未发生点击反应的PCL 主链与叠氮基团相连处CH2中氢的核磁共振峰强度（图2a）。式（6）中，Idd′代表PCL 骨架的—CH2OOC—单元中氢核磁共振峰的强度，Ij代表PEG 接枝链—OCH2CH2—单元中氢的核磁共振峰的强度，两者对比可得接枝共聚物的共聚组成。由表2可知，Mn,th和Mn,GPC较接近。由于共聚物中PEG 含量较大，其在室温下均可直接溶于水。

2.3 PCL-g-PEG 的胶束化自组装

PCL-g-PEG 具有两亲性，在水中可自组装形成胶束。通过比较PCL-g-PEG 在CDCl3和D2O 中的1H-NMR 谱图，确认了其胶束化[5]。如图5所示，在CDCl3中，PCL 和PEG 链段呈现清晰的共振特征峰，说明共聚物中所有链段均能很好地溶解。而在D2O 中，只能观察到亲水链段PEG 的特征峰，而疏水链段PCL 的特征峰较宽，并且非常弱，这表明在水溶液中PCL-g-PEG 形成以PCL 为核层、PEG为壳层的核-壳胶束。

采用表面张力法测定了PCL-g-PEG 的临界胶束浓度。当两亲性共聚物溶液浓度达到CMC 时，其表面张力与浓度的斜率发生突变，在CMC 之上随浓度的增大表面张力变化不明显[6]。如图6所示，CMC 由共聚物浓度与表面张力的关系曲线可以求得。共聚组成对PCL-g-PEG 的CMC 影响较大，当PEG 质量分数由47%增加至72%时，CMC由30.8 升高至65.6 mg/mL，这是因为共聚物中亲水性链段的含量升高所致。

图5 PCL20-g-PEG1.9k 在CDCl3 和D2O 中的1H-NMR 图谱Fig.5 1H-NMR spectra of PCL20-g-PEG1.9k in CDCl3 and D2O

图6 PCL20-g-PEG 水溶液浓度与表面张力的关系Fig.6 Plots of PCL20-g-PEG surface tension as a function of copolymer concentration

利用DLS 和TEM 研究了PCL-g-PEG 胶束的结构形貌。由表2可知，共聚物的Dh与其共聚组成有关。随着接枝链长度即PEG 分子量的增大，胶束粒径增大，这是由胶束的壳层较厚所致。以P(CL-co-20%αClεCL)为骨架的接枝共聚物为例，当PEG 分子量从1.0k 增加至1.9k 时，Dh从116.1 nm增大至136.1 nm。当PEG 链段的分子量一定时，接枝密度越小，胶束Dh越大，这是因为对于含有较多成核链段的共聚物，需形成较大核层的胶束才能包括所有疏水链段[7]。如图7所示，胶束粒径在100 nm 附近，但粒径分布较宽。如图8所示，胶束呈球形，粒径在100 nm 左右，但粒径分布较大，这与DLS 所测结果一致。

图7 PCL20-g-PEG1.9k 胶束粒径分布Fig.7 Particle size distribution of PCL20-g-PEG1.9k micelle

图8 PCL20-g-PEG1.9k 胶束的TEMFig.8 TEM micrograph of PCL20-g-PEG1.9k micelle

3 结 论

利用开环聚合制备了氯官能化的PCL，然后将氯转化为叠氮，进而采用点击化学法制备了PCL-g-PEG 接枝共聚物，并研究了其胶束化行为。开环聚合可良好控制氯官能化PCL 的分子量和氯官能基含量，1H-NMR 结果证明PCL-g-PEG 在水溶液中可自组装成球形胶束，随着PEG 接枝链质量分数的增大，PCL-g-PEG 的CMC值增大。PCL-g-PEG 共聚组成显著影响其粒径，在相同接枝密度时，Dh随着接枝链长的增大而增大。当接枝链长度一定时，接枝密度越大，Dh越小。

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