聚乙交酯-丙交酯-己内酯三元无规共聚物及其电纺膜的制备与表征

杨　欢， 黄冬玲， 陈栋梁， 熊成东， 张　琦， 庞秀炳， 熊左春*

(1．中国科学院 成都有机化学研究所，四川 成都　610041； 2． 中国科学院大学，北京　100049； 3． 浙江省人民医院

临床医学研究所，浙江 杭州　310014； 4． 浙江省生物可降解医用材料工程技术研究中心，浙江 东阳　322118)



·研究简报·

聚乙交酯-丙交酯-己内酯三元无规共聚物及其电纺膜的制备与表征

杨欢1,2， 黄冬玲1,2， 陈栋梁1， 熊成东1， 张琦3， 庞秀炳4， 熊左春1*

(1．中国科学院 成都有机化学研究所，四川 成都610041； 2． 中国科学院大学，北京100049； 3． 浙江省人民医院

临床医学研究所，浙江 杭州310014； 4． 浙江省生物可降解医用材料工程技术研究中心，浙江 东阳322118)

摘要：以左旋丙交酯、乙交酯和己内酯为原料，辛酸亚锡为催化剂，在真空条件下经本体熔融开环聚合，制备了三元无规共聚物(P)，其结构和性能经1H NMR， IR， DSC和粘度表征。实验结果表明：P的玻璃化转变温度可通过单体的投料比调控；采用静电纺丝法可方便地获得共聚物亚微米纤维膜。

关键词：三元共聚物； 熔融共聚； 制备; 玻璃化转变温度； 电纺

生物可降解高分子，尤其是脂肪族聚酯，其在缝线、药物载体、组织工程支架等生物医学应用领域得到广泛应用[1-2]。然而，由一种单体组成的聚合物的理化性能比较单一，如聚乙醇酸是一种结晶性的硬性材料，聚己内酯则是一种降解较慢的软性材料。将具有不同特性的单体共聚，可以调节聚合物的性能。如在聚乳酸或聚乙醇酸中引入己内酯单元，可以显著改善共聚物的柔韧性。

Scheme 1

a通过1H NMR计算；b根据DSC曲线确定;c通过Fox方程计算;r=n(LA)/n(GA)/n(CL)。

通常此类聚合物制备的支架材料具有合适的孔隙结构、柔软性及合适的降解模式等，近年来广泛应用于人工皮肤领域[3-4]。

本文以辛酸亚锡为催化剂，将柔性优异的己内酯(CL)，较快降解速率的乙交酯(GA)及L-丙交酯(L-LA)为单体，通过本体熔融开环聚合制备了三元无规共聚物(P, Scheme 1)，以期获得具有玻璃化转变温度(Tg)在室温和体温附近的、具有良好柔韧性和常用溶剂溶解性能好的共聚物。通过调节单体的投料比r[n(LA)/n(GA)/n(CL)]实现Tg的改变。P的结构与性能经1H NMR， IR， DSC和粘度表征。并通过静电纺丝技术制备电纺膜考察了利用聚合物制备亚微米纤维电纺膜(F)的可行性。

1实验部分

1.1仪器与试剂

Bruker Avance 300 NMR HMz型核磁共振仪(CDC13为溶剂，TMS为内标)；Thermo Fisher Nicolet 6700型傅里叶红外光谱仪(KBr压片)；TA Q20型差示扫描量热仪(升温速率10 ℃·min-1)； FEI Inspect F场发射扫描电子显微镜;乌氏粘度计(氯仿为溶剂，测定温度25 ℃)。

L-LA和GA,自制；CL和Sn(Oct)2， Sigma公司；其余所用试剂均为分析纯。

1.2P的合成(以P1为例)[5]

在反应瓶中依次加入L-LA 46.1 g(320 mmol)， GA 9.3 g(80 mmol)， CL 22.8 g(200 mmol)，辛酸亚锡41 mg(0.1 mmol)和十八醇27 mg(0.1 mmol)，减压至<1.0×10-3Pa，搅拌下于140 ℃反应24 h。加入氯仿20 mL,使其溶解，用过量乙醇沉淀。过滤，滤饼于室温经真空干燥至恒重得P1。

改变单体比例和反应时间，用类似方法制备P2～P9，结果见表1。

1.3F的制备[6]

分别将P4， P5和P6用混合溶剂[V(氯仿) ∶V(DMF)=1 ∶1)]配制c为10%～15%(w/V)，采用高压静电纺丝装置制备成F4～F6(静电纺丝参数：室温，喷头为内径0.7 mm的平头针，纺丝距离15 cm，静电压1 kV·cm-1，溶液流量1.5 mL·h-1)。

2结果与讨论

2.1表征

(1) IR

P1， P4和P7的IR谱图见图1。由图1可见，三者的IR图谱在官能区无明显差别。由于存在亚甲基的C-H弯曲振动吸收峰的缘故，与PLA相比，仅在指纹区1 424 cm-1和1 623 cm-1处略有不同。2 990 cm-1和2 940 cm-1处出现饱和碳氢键的伸缩振动吸收峰，1 760 cm-1处的强吸收峰和1 050～1 250 cm-1处的强吸收双峰为羧酸酯特征峰，1 460 cm-1处和1 350～1 400 cm-1的吸收峰为甲基C-H 弯曲振动吸收峰。

ν/cm-1

δ

(2)1H NMR

P4， P5和P6的1H NMR谱图见图2。由图2可见，δ5.1～5.2(q)处吸收峰为P中LA结构单元的次甲基特征吸收峰；δ4.6～4.9(m)处吸收峰为P中GA结构单元的亚甲基特征吸收峰;δ4.0～4.2(m)和δ2.3～2.5(m)处吸收峰分别为P中CL结构单元CH2COO和OCH2亚甲基的特征吸收峰。结合IR分析,表明所生成的P是由LA, GA和CL这三种单体共聚而成。

根据1H NMR中三种结构单元特征吸收峰的积分面积比, 计算出P中三种组分的含量,结果见表1。由表1中可见，投料和最终产物的组成呈规律性变化。相对于投料比例，反应活性最高的GA[7]在共聚物中的比例有较大幅度提高，反应活性次之的LA比例也有所增加，而活性较低的CL则在共聚物中的比例较低。反应24 h制备的P1， P2和P3的收率均70%左右，而P中CL的比例明显低于投料比例，表明较多的CL未参与聚合；P4～P6(48 h)和P7～P9(72 h)的收率都在90%左右，且CL参与共聚的比例随着时间的延长而增加。这表明共聚过程是活性较高的GA和LA先参与聚合反应，待单体消耗到一定程度时，活性较低的CL再通过插入聚合或酯交换参与共聚[8]，当反应到一定程度后，反应时间的进一步延长，P的分子量和收率不再增加。

(3) DSC

P1～P9的DSC曲线见图3。由图3可见，P7～P9的Tg约为20 ℃， P4～P6的Tg约为32 ℃， P1～P3的Tg约为44 ℃。曲线中有一个Tg，没有熔融吸热峰，Tg计算值和实测值非常接近(表1)，表明本文制备的P均为无规定形聚合物。

Temperature/℃

通过以上分析显示，通过调节P的共聚比例(即调节r)，便可成功获得具有Tg在室温、体温附近的三元无规共聚物。

2.2F4～F6的SEM照片

F4～F6[9]纤维膜质地柔软，其SEM照片见图4。由图4可见，膜由纤维叠加而成，具有较高的孔隙率。

以辛酸亚锡为催化剂，通过调节单体LA， GA和CL的投料比，合成了氯仿中溶解性好、玻璃化转变温度在室温、体温附近的无规三元共聚物；经静电纺丝技术制备其纤维膜。该方法为组织工程支架的应用提供了参考。

参考文献

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[2]Tian H Y Z H, Zhuang X L,etal. Biodegradable synthetic polymers:Preparation,functionalization and biomedical application[J].Prog Polym Sci,2012,37(2):237-280．

[3]Macneil S. Progress and opportunities for tissue-engineered skin[J].Nature,2007,445:874-880．

[4]Groeber F, Holeiter M, Hampel M,etal. Skin tissue engineeringinvivoandinvitroapplications[J].Advanced Drug Delivery Reviews,2011,128:352-366．

[5]熊左春，陈栋梁，李庆，等. 不同旋光度PLGA的制备及其结晶性能研究[J].合成化学，2009,17(3):292-295．

[6]Ma C, Pang D, Xiong Z C,etal. Cellular responses to electrospun membranes made from blends of PLLGA with PEG and PLLGA-b-PEG[J].J Biomed Mater Res Part A,2012,100A:2897-2904.

[7]刘刚，方月娥，史天义. 乙交酯与丙交酯共聚反应和竞聚率的测定[J].高等学校化学学报，1997,18(3):486-488.

[8]魏志勇，刘炼，王沛，等. 辛酸镁催化L-丙交酯与ε-己内酯共聚及其共聚物结构与性能研究[J].高分子学报,2008，(10):947-954.

[9]Huang Z M, Zhang Y Z, Kotaki M,etal. A review on polymer nanofibers by electrospinning and their applications in nanocomposites[J].Compos Sci Technol,2003,63:2223-2253.

Preparation and Characterization of Poly(lactide-co-glycolide-co-caprolactone)s Random Terpolymer and Their Electrospun Membrane

YANG Huan1,2,HUANG Dong-ling1,2,CHEN Dong-liang1,XIONG Cheng-dong1,ZHANG Qi3，PANG Xiu-bing4，XIONG Zuo-chun1*

(1. Chengdu Institute of Organic Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041, China;2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;3. Clinical Research Institute, Zhejiang Province People’s Hospital, Hangzhou 310014, China;4. Engineering Research Center of Biodegradation Medical Meterials of Zhejiang Province, Dongyang 322118, China)

Abstract：Random terpolymers(P) of L-lactide, glycolide and caprolactone had been prepared by bulk ring-opening copolymerization initiated by stannous octoate under high vacuum. The structures and properties had been investigated by1H NMR, IR， DSC and viscosimetry. The results indicated that the glass transition temperature of P can be controlled by adjusting the monomer ration. The submicron fiber membrane of P can be obtained easily through electrospinning.

Keywords：terpolymer; melt polymerization; preparation; glass transition temperature; electrospinning

中图分类号：O633.14

文献标志码：A

DOI：10.15952/j.cnki.cjsc.1005-1511.2016.03.15168

作者简介：杨欢(1990-)，女，汉族，贵州瓮安人，硕士研究生，主要从事生物医用材料研究。 E-mail: yanghuan13@mails.ucas.ac.cn通信联系人： 熊左春，副研究员， Tel. 028-85229122, E-mail: xiongzch@cioc.ac.cn

基金项目：中国科学院西部之光资助项目

收稿日期：2015-04-20；

修订日期：2016-01-05