聚乙醇酸熔融水解性能及动力学的研究

唐四叶,张　瑞,刘　丰,刘献明

(洛阳师范学院 化学化工学院, 河南 洛阳　471022)



聚乙醇酸熔融水解性能及动力学的研究

唐四叶,张瑞,刘丰,刘献明

(洛阳师范学院 化学化工学院, 河南 洛阳471022)

用一步反应合成了聚乙醇酸,并系统地研究了聚乙醇酸在蒸馏水中的熔融水解规律。利用红外光谱对聚乙醇酸的结构进行了分析,测定了聚乙醇酸的质量损失率、特性黏数、结晶度和介质的pH值。结果表明,在熔融水解过程中,聚乙醇酸的化学结构没有发生变化、质量损失逐渐增大、特性黏数和介质的pH值逐渐降低。熔融降解过程中,聚乙醇酸的结晶度前期上升,后期下降。质量损失率和介质的pH值与时间均呈线性动力学关系,相关系数分别为0.982 2，0.953 1,速率常数分别为4.395 h-1，0.06 h-1;特性黏数随时间的变化规律符合动力学方程ln([η]0/[η])=kt,相关系数为0.939 7,降解速率常数为0.031 8h-1。聚乙醇酸熔融水解降解程度比在磷酸盐缓冲溶液水解大得多。

聚乙醇酸;降解;特性黏数;红外光谱;结晶度

聚乙醇酸(PGA)最早被成功制成可吸收缝合材料,继而开发了其他医学方面的应用,如药物控制释放系统、整形手术的固定支架[1-2]。除此之外,PGA还可用于包装材料及农用生物降解薄膜等领域[3-4]。在以往的文献中,PGA都是用开环聚合法合成,该方法包含一个复杂的中间产品乙交酯制备和PGA合成过程[5]。到目前为止,PGA很少通过一步反应合成[6]。

近年来,对PGA在动物体外和体内水解降解的研究十分活跃,体外水解降解的研究于37 ℃在磷酸盐缓冲溶液(pH=7.4)中进行[7-9];体内水解降解的研究,通常将PGA植入老鼠或兔子体内[10]。而其他条件下的水解降解,如熔融状态的水解降解研究未见报道。不管是用于包装材料或农用薄膜,都是在熔融条件下加工而成的,所以,研究熔融条件下的水解降解规律很有必要。

因此,本文的目的是研究一步反应合成的PGA在熔融状态下的水解降解。为了更好地了解降解过程,对PGA的化学结构、质量损失、特性黏数、结晶度和介质pH值进行了表征和讨论,建立了质量损失、特性黏数、介质pH值随降解时间变化的动力学方程,并与PGA在磷酸盐缓冲溶液中降解情况进行了对比。

1　实验部分

1.1原料

氯乙酸(99.0%，质量分数)、三乙胺(99.5%，质量分数)、乙酸乙酯(99.5%，质量分数)、无水乙醇(99.7%，质量分数),分析纯,天津科密欧化学试剂公司生产。所有化学药品使用时均没有进一步提纯。

1.2PGA的合成

合成步骤参考以往的研究工作[6]。 将一定量的氯乙酸溶解至一定体积的乙酸乙酯中, 移入三口烧瓶, 注入一定体积的三乙胺, 于沸腾温度下回流一段时间, 得到白色固体产物。 蒸出溶剂,用无水乙醇洗涤产物以除去残留的溶剂和未反应的物质, 洗涤后的产物于60℃恒温干燥至恒重。

1.3熔融水解降解实验

称取适量(1g)的PGA,放入蒸馏烧瓶中,加热蒸馏烧瓶至PGA完全熔融为液体,开启蒸馏烧瓶上方冷凝器的冷却水,加30 mL适量的水解剂——蒸馏水。调节冷凝器的冷凝水流量,控制蒸馏烧瓶内的温度稳定不变。恒定温度下回流一定时间后停止反应。产物用无水乙醇洗涤,洗去降解过程生成的羟基乙酸,放入干燥箱,干燥至恒重。

(1)

式中: w0为原始样品的质量,g;wt为降解t时间后样品的质量,g。

1.4溶液pH值的测定

溶液的pH值用PHS-3C型酸度计测定,上海精科实业有限公司生产。

1.5结晶度的测定

结晶度采用德国Bruker D8 advance-X射线粉末衍射仪测定。波长:0.154 nm,电压:40 kV,电流:40 mA,2θ角扫描范围:5°～70°,样品粉末压片。X射线图中结晶区域面积与总面积之比定义为结晶度,用式(2)计算:

结晶度=Ac×100%/(Ac+Aa)。

(2)

其中:Ac为晶峰面积,Aa为非晶峰面积。

1.6红外光谱表征

采用美国热电尼高力Thermo Fisher Nicolet 有限公司生产的Nicolet6700型红外光谱仪测定PGA的化学结构,扫描次数16次,分辨率4 cm-1。

1.7PGA特性黏数([η])的测定

分子量(M)与特性黏数之间的关系可用Mark-Houwink方程[η]=βMα表示。因而特性黏数的大小反映了分子量的大小。PGA样品的特性黏数用0.53 mm管径的乌氏黏度计于25 ℃下测定。将PGA溶解在六氟异丙醇中,配制成一定浓度的溶液,利用黏度计分别测试出纯溶剂和PGA溶液的流出时间t0和t,特性黏数的计算通过“一点法”公式求得[11-12],

(3)

式中：ηr=t/t0为相对黏度;ηsp=ηr-1 为增比黏度;C为溶液浓度,g/mL。

每个样品平行测定3次,各次测定的流出时间相差不能超过 0.2秒。最后将3次结果取平均值,即为待测液的流出时间。

2　结果和讨论

2.1红外光谱结果

图1(a)为本文合成的PGA的红外光谱图。图中2 960,1 414 cm-1为—CH2的特征吸收峰,1 739 cm-1对应CO 的伸缩振动。1 739，1 414，1 162，1 088，973，903，806 cm-1为与PGA结晶度有关的吸收峰。红外光谱图与文献一致[6, 13-17],说明本文通过一步反应成功合成了PGA。

图1(b)为PGA在水中熔融降解9 h的红外光谱图。可以看出,降解9 h后,PGA的红外光谱图没变化,也就是化学结构没有改变。这样的结果与以前工作PGA在磷酸盐缓冲溶液中进行水解降解的结果是一致的[6],说明在本文条件下进行熔融水解不足以引起PGA的结构发生改变。

(a)降解前;(b)水解9h图1　PGA在水中熔融降解前后红外光谱图Fig.1　FTIR spectra of PGA at different melting degradation times in distilled H2O

2.2质量损失率结果

降解过程中PGA的质量损失率显示在图2中。不难看出,质量损失率随时间的增加而升高。质量损失率随时间的变化趋势说明降解过程是连续进行的。质量损失率随时间的变化呈现良好的线性关系,质量损失率=4.395t+48.985,速率常数为4.395 h-1,相关系数R=0.982 2。

图2　降解过程中PGA的质量损失率Fig.2　The percentage weight loss of PGA during melting degradation

与一步合成PGA在磷酸盐缓冲溶液中水解相比[6],熔融条件下水解程度要大得多。例如,PGA在磷酸盐中降解9周的质量损失率为61%[6],而在本文条件下降解3 h就已经达到63%。

2.3结晶度结果

图3展示了PGA结晶度结果。可以看出,在起始水解降解阶段,结晶度上升,到了后期结晶度下降。这一趋势与PGA在磷酸盐缓冲溶液中降解结果一致[6, 14, 18]。这是因为降解首先发生在非结晶区,因为非结晶区中分子链密度较低而且无序,水分子可以更容易地扩散到非晶链段区,通过链断裂引起快速水解降解。非晶区链的断裂使得分子缠结程度较低,加速了分子链的运动。随着时间的增加,分子链重新有序排列,促进结晶形成,引起PGA结晶度增加。尽管起始阶段结晶度是升高的,但是,当水分子扩散到结晶区时,降解过程的进行会破坏结晶度继续升高,结晶度必定要下降。结晶度的变化趋势也意味着降解过程是持续进行的。

图3　PGA结晶度随时间变化情况Fig.3　Crystallinity of PGA as a function of melting degradation time

对比PGA在磷酸盐中降解结果,在起始水解降解阶段,一步合成的PGA在磷酸盐中降解的结晶度达到最高值71.2%需要4周[6],而在本文条件下降解7 h就已经达到最高值71.4%。可见,熔融水解的结晶度比在磷酸盐中水解上升得快。在水解降解后期,一步合成的PGA在磷酸盐中降解5周的结晶度降至最低值65.5%,而在本文条件下降解9 h就降至更低的最低值59.3%。可以看出,结晶度比在磷酸盐中下降得也快。显然,熔融条件下水解程度要比磷酸盐中大得多。

2.4溶液pH变化

图4给出了水解降解过程中溶液pH值的变化情况。可以看出,随着降解时间的延长,pH值逐渐下降。pH值下降意味着水解产生的羟基乙酸进入了溶液中。pH值变化趋势证实PGA发生了连续降解。pH值随时间的变化呈现较好的线性关系,溶液pH值随时间变化的动力学方程为:pH=-0.06t+2.256,,速率常数为0.06h-1,相关系数R=0.953 1。

比较PGA在磷酸盐中降解结果,一步合成的PGA在磷酸盐中降解时溶液的pH值降到2.12需要7周[6],而在本文条件下降解3h就低至2.00。尽管磷酸盐缓冲溶液的起始pH值略高于蒸馏水的pH值,但也不难得出,熔融水解时介质pH值很快下降。这也说明熔融条件下水解程度比磷酸盐中大。

2.5PGA特性黏数变化

降解过程中PGA特性黏数的变化列在图5中。可见,随着降解的进行,PGA的分子量是逐渐下降的。为了作对比,最近我们测定了一步合成的PGA在磷酸盐中降解的特性黏数。从实验结果看,熔融水解9小时PGA的特性黏数降为8.093 mL/g,而在磷酸盐中降解将近4周(26天)PGA的特性黏数才达到此值。由此也表明熔融条件下水解程度比磷酸盐中要大。

图4　水溶液pH值随时间变化情况Fig. 4　pH variations with time

从图5可以看出,熔融条件下水解时,PGA的特性黏数随时间的变化规律符合动力学方程

(4)

式中:[η]0为聚乙醇酸起始特性黏数,[η]为降解时间t时的特性黏数。从相关系数R=0.939 7看,实验数据与降解速率方程符合得较好,降解速率常数为0.031 8 h-1。

图5　PGA特性黏数随降解时间变化情况Fig.5　The intrinsic viscosities of PGA at different melting degradation times

3　结　论

用氯乙酸为原料,通过一步反应成功合成了PGA。系统地研究了聚乙醇酸在熔融状态下的水解规律,可以得出以下结论:

1)在本文条件下进行熔融水解降解时,PGA的化学结构没有变化。

2)降解过程中,PGA的质量损失率与介质的pH值逐渐下降,质量损失率和介质的pH值与时间均呈线性关系,质量损失和介质pH值随时间变化的动力学方程分别为：质量损失率=4.395t+48.985，pH=-0.06t+2.256。

4)实验数据表明,PGA熔融水解降解程度比在磷酸盐缓冲溶液水解大得多。

[1]SHAWE S, BUCHANAN F, HARKIN-JONES E, et al. A study on the rate of degradation of the bioabsorbable polymer polyglycolic acid (PGA) [J]. Journal of Materials Science, 2006, 41: 4832-4838.

[2]ZHOU J, WANG X W, HUA K, et al. Enhanced mechanical properties and degradability of poly(butylene succinate) and poly(lactic acid) blends [J]. Iran Polymer Journal, 2013, 22: 267-275.

[3]陈 群,许 平,崔爱军. 煤基聚乙醇酸技术进展 [J]. 化工进展,2011, 30(1): 172-180.

[4]VAN DE VELDE K, KIEKENS P. Biopolymers: overview of several properties and consequences on their applications [J]. Polymer Testing, 2002, 21: 433-442.

[5]FURCH M, EGUIBURU J L, FERNANDEZ-BERRIDI M J, et al. Synthesis and characterisation of copolymers of methyl acrylate and poly(glycolide) macromonomers [J]. Polymer, 1998, 39: 1977-1982.

[6]TANG S Y， LI G L， ZHANG R， et al. In vitro degradation of polyglycolic acid synthesized by a one-step reaction [J]. Journal of Polymer Engineering 2014, 34: 591-596.

[7]郭 正,张佩华. 编织加工对聚羟基乙酸纤维降解性能的影响 [J].东华大学学报(自然科学版),2009, 35(5): 520-536.

[8]KASPERCZYK J, LI S, JAWORSKA J, et al. Degradation of copolymers obtained by ring-opening polymerization of glycolide and 3-caprolactone: A high resolution NMR and ESI-MS study [J]. Polymer Degradation and Stability, 2008, 93: 990-999.

[9]DING C F, WANG Y, ZHANG S S. Synthesis and characterization of degradable electrically conducting copolymer of aniline pentamer and polyglycolide [J]. European Polymer Journal, 2007, 43: 4244-4252.

[10] NUREDDIN A, PENTTI R. Absorbable polyglycolide devices in trauma and bone surgery [J]. Biomaterials, 1997,18: 3-9.

[11] 何曼君, 陈维孝, 董西侠. 高分子物理 [M]. 上海: 复旦大学出版社,1990.

[12] TANG S Y, LIU D Z, FAN Z L. Determination of three-dimensional solubility parameters of chlorinated polypropylene by ultrasonic degradation [J]. Physics and Chemistry of Liquids, 2006, 44: 531-542.

[13] 吴 迪,陈亚芍. 微波辐射法合成聚乙醇酸及其性能研究 [J]. 西北大学学报(自然科学版),2010, 40(4): 641-645.

[14] SHUM ANITA W T, MAK ARTHUR F T. Morphological and biomechanical characterization of poly (glycolic acid) scaffolds after in vitro degradation [J]. Polymer Degradation and Stability, 2003, 81: 141-149.

[15] PENG T, SU J, LIN G, et al. Synthesis and characterization of poly-α,β-[N-(2-hydroxyethyl)-L-aspartamide]-g-poly (glycolide) amphiphilic graft copolymers as potential drug carriers [J]. Colloid and Polymer Science, 2006, 284: 834-842.

[16] TADDEI P, MONTI P, SIMONI R. Vibrational and thermal study on the in vitro and in vivo degradation of a bioabsorbable periodontal membrane: Vicryl Perriodontal Mesh(Polyglactin 910) [J]. Journal of Materials Science-Materials in Medicine, 2002, 13: 59-64.

[17] MOHAMMADIKHAH R, MOHAMMADI-ROVSHANDEH J. Thermal degradation and kinetic analysis of pure polyglycolic acid in presence of humid air [J]. Iran Polymer Journal, 2008, 17: 691-701.

[18] CHU C C, LOUIE M. A chemical means to study the in vitro hydrolytic degradation of poly (glyco1ic Acid) [J]. Journal Applied Polymer Science, 1985, 30: 3133-3141.

(编辑陈镱文)

Study on hydrolytic degradation and kinetics of polyglycolic acid under melting state

TANG Si-ye, ZHANG Rui, LIU Feng， LIU Xian-ming

(College of Chemistry and Chemical Engineering, Luoyang Normal College, Luoyang 471022， China)

In present investigation, a study on hydrolytic degradation of polyglycolic acid synthesized by one-step reaction was carried out under melting state. Under melting state, hydrolytic degradation of polyglycolic acid has been investigated in distilled water systematically. The chemical structure of polyglycolic acid was analyzed by FTIR. To better understand degradation process, weight loss, intrinsic viscosity, degree of crystallinity of the polyglycolic acid and pH value of solution were measured. The chemical structure of polyglycolic acid did not change during melting hydrolytic degradation. Melting hydrolytic degradation occurred with an increase in weight loss, a decrease in intrinsic viscosity and a decrease in pH. Melting hydrolytic degradation also occurred with an increase in crystallinity during the initial degradation period and then a decrease afterwards. During melting degradation, the relations of percentage weight loss and pH with time are linear, the correlation coefficients are 0.982 2 and 0.953 1 and the rate constants are 4.395h-1and 0.06h-1respectively. The time variation of intrinsic viscosity obeys the kinetic equation, ln([η]0/[η])=kt, the correlation coefficient is 0.939 7, the rate constant is 0.031 8h-1. Under melting hydrolytic degradation, the degradation degree of polyglycolic acid was much greater than that in the phosphate buffer solution.

polyglycolic acid; degradation; intrinsic viscosity; FTIR; degree of crystallization

2015-07-04

国家自然科学基金资助项目(21476102)

唐四叶，女，河南兰考人，洛阳师范学院教授，博士，从事高分子化工研究。

TQ 317.03

ADOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2016-01-012