不同拓扑结构PEG-PCL嵌段共聚物的结晶研究

陈 英，吴正飞，李 赛

（四川大学 化学工程学院，四川 成都 610065）

CHEN Ying, WU Zheng-fei, LI Sai*

（College of Chemical Engineering, Sichuan University, Sichuan Chengdu 610065, China）

不同拓扑结构PEG-PCL嵌段共聚物的结晶研究

陈 英，吴正飞，李 赛*

（四川大学 化学工程学院，四川 成都 610065）

合成了不同拓扑结构的聚乙二醇-聚己内酯（PEG-PCL）嵌段共聚物，共聚物结构分别为 AB型线性两嵌段（diblock）、ABA型线性三嵌段(triblock)、AB2型星形(star shape) 嵌段共聚物。通过表征发现嵌段共聚物的分子量与设计的分子量接近，且相对分子量分布窄。通过XRD、DSC、热台偏光显微镜(HSPOM) 研究了拓扑结构对共聚物结晶的影响。ABA聚合物中间的PEG亲水链受到两端PCL链段阻碍，其结晶衍射峰最弱。三者的等温结晶速率按AB、AB2、ABA的速率递减，形成的球晶结构规整度则逐渐增加。

聚乙二醇-聚己内酯；拓扑结构；结晶性能

CHEN Ying, WU Zheng-fei, LI Sai*

（College of Chemical Engineering, Sichuan University, Sichuan Chengdu 610065, China）

聚乙二醇-聚酯嵌段共聚物已经广泛地应用于药物传输系统，这类双亲性高分子在水中可自组装成为高分子胶束，用于负载疏水性药物。聚己内酯（PCL）是一种半结晶状的疏水聚合物，具有良好的血液相容性和药物通透性，被广泛用于人体组织工程、环境工程和药物释放系统，并且已取得美国食品与药品管理局（FDA）认证[1]。PCL也存在结晶度高、降解速率慢、不溶于水等缺陷，这严重限制了PCL在临床上的应用。聚乙二醇（PEG）是一种亲水性高分子材料，具有良好生物相容性和结晶性[2]。通过开环聚合，将PEG引入到PCL链段上可以改善PCL的结晶性、力学性能及可降解性。

嵌段共聚物的结晶会受到链段的相互影响，链段均为结晶高分子的 PEG-PCL嵌段共聚物的结晶行为不仅受到链段的长度、温度等影响，还会受到PEG-PCL共聚物的链段长度比例、亲疏水链段的结构以及嵌段共聚物的拓扑结构的影响[3,4]。PEG-PCL嵌段共聚物的空间拓扑结构对其结晶行为的影响目前的研究报道还不多。基于此，本文设计并合成了三种不同拓扑结构的 PEG-PCL嵌段共聚物，系统研究了拓扑结构对共聚物分子链运动及结晶行为的影响。

1 实验部分

1.1 原料与试剂

聚乙二醇单甲醚（mPEG，分子量2000），聚乙二醇（PEG，分子量2 000），辛酸亚锡（Sn(Oct)2）：分析纯，Sigma-Aldrich Co.。 一端为苄氧基封端，另一端为两个羟基改性的PEG（实验室合成，分子量2 000）。二氯甲烷，乙醚：分析纯，成都科龙化工试剂厂。

1.2 实验过程

采用开环聚合的方法合成三种不同拓扑结构的PEG-PCL，其中PEG链段的分子量为2 000，PCL链段的分子量为4 000。mPEG2k、单端带有两个羟基的改性PEG2k、PEG2k被用作大分子引发剂，催化剂为辛酸亚锡（Sn(Oct)2）。分别将上述三种大分子引发剂2 g加入聚合管中，除水后，迅速加入4 g CL和0.1%(wt) 的辛酸亚锡。抽真空后封存聚合管，置于130 ℃的油浴中反应48 h。取出聚合管，用二氯甲烷溶解后于冰乙醚中沉淀三次，所得的白色粉末即为PEG-PCL。

1.3 测试与表征

采用Bruker AV-400 核磁共振波谱仪对聚合物的1H NMR谱图进行采集。测试前，将样品溶解于CDCl3中，用TMS 作内标，在室温条件下进行测试。聚合物的分子量及其分布采用英国PL公司GPC-220凝胶渗透色谱仪，用聚苯乙烯为标样，流动相为四氢呋喃，流速为1.0 mL/min，测试温度为35 ℃。采用X’Pert ProMPD测定聚合物的结晶衍射性能，用CuKα(λ=0.154 nm) 作为靶材料，测试范围为5°～50°，测试温度为25 ℃ 。测试前，将聚合物制成薄膜，加热熔融后于 30 ℃下等温结晶。使用美国 TA Instrument 公司的差示量热扫描仪，测定在N2保护下聚合物的熔融结晶曲线。采用二次升温的方法进行测定，升温速率为5 ℃ /m in，降温速率为10 ℃ /m in，停留时间为5 min，温度范围为0～80 ℃ 。聚合物的等温结晶过程采用 Nikon ECLIPSE LV100 POL型热台偏光显微镜进行测试。两嵌段和星型聚合物由于结晶速率较快，在40 ℃下进行测试，三嵌段聚合物结晶速率较慢，在35 ℃下进行等温结晶。

2 结果与讨论

2.1 合成与结构

图1为三种聚合物的1H NMR谱图。δ=3.4～3.6 ×10-6处的峰为PEG中的重复单元-CH2CH2O-的质子特征峰，而δ=4.1、2.3、1.7、1.4×10-6处的峰则为 PCL中 CL单元的氢质子峰，分别对应-CH2OOC-、 -COCH2-、 -COCH2CH2CH2-、-COCH2CH2CH2-中的氢原子。在δ=4.25×10-6处出现了明显的特征峰，归属于与PEG相连的PCL中的亚甲基上的氢原子（-OCH2CH2），表明 PEG与CL的开环聚合反应是成功的。

我们利用FTIR和GPC进一步对聚合物的结构进行表征。在红外谱图1中，观察到了1 726 cm-1处的酯羰基伸缩振动峰，1 243和1 105 cm-1处的聚乙二醇链段中醚键特征吸收峰，2 944和2 867 cm-1处的CL和-CH2CH2O重复单元中亚甲基-CH2-的伸缩振动峰。GPC测试的结果显示，三种聚合物均为单峰，且分子量分布较窄。表1总结了三种聚合物的分子量。

图1 AB型两嵌段、ABA型三嵌段、AB2型星型PEG-PCL的1H NMR 谱图Fig.1 The1H NMR spectra of diblock, triblock and star shape copolymers of PEG-PCL

表1 三种聚合物的分子量及其分布Table 1 Molecular weights and molecular weight distribution of the copolymers

2.2 DSC 结果分析

图2 为三种聚合物的DSC曲线图。从升温速率曲线来看，AB型线形嵌段共聚物中PEG段的熔点为47 ℃，熔程较小。PCL段出现二重熔融峰，说明在AB型线形嵌段共聚物中PCL链段结晶不完全，在熔融过程中出现再结晶和熔融现象。ABA型线形嵌段共聚物中，由于PEG链段处于中间段，结晶受到限制，PCL链段处于两端位置，结晶也受到影响。与AB型PEG-PCL相比，PEG链段熔点大幅降低，且熔融焓显著减少，说明PEG链段结晶度很低，且不易结晶。处于两端的PCL链段熔点略降低，仍出现显著的再结晶再熔融现象，说明其链段结晶能力略受影响，但不显著。AB2型星型聚合物中，与上述两者比较，PEG链段结晶能力受影响程度低于ABA线形共聚物，但熔点相对AB线形共聚物要低。说明PEG链段结晶能力受到一定影响。PCL链段熔融峰出现有较平肩峰的单峰，且熔点较高，说明PCL链段在退火过程中的结晶已经比较完全，在熔融过程中链段再结晶再熔融不再明显。从降温速率曲线来看，星型聚合物的结晶温度最高，说明星型聚合物可以在过冷度较低的情况下结晶。

图2 三种聚合物的DSC曲线Fig.2 The DSC curves of the copolymers

2.3 XRD结果分析

图3为聚合物在30 ℃下等温结晶的 XRD谱图，图中2θ = 21.3°、21.9° 和 23.7°属于PCL链段的结晶衍射峰，2θ = 19.0° 和 23.0°则属于PEG中的结晶衍射峰[5]。对比两嵌段、三嵌段和星型聚合物的结晶衍射曲线，可以发现，三嵌段聚合物中2θ = 19.0°处的结晶衍射峰十分微弱，两嵌段聚合物此处的衍射峰则最强。结合三者的拓扑结构可知，在三嵌段聚合物PCL-PEG-PCL中，PEG处于两条PCL链段的中间，受到两端PCL的强烈限制，故结晶衍射峰较弱，而两嵌段聚合物PEG-PCL中，PEG受到PCL的限制作用最小，故其结晶衍射峰最强。XRD测试结果与DSC结果十分吻合。

图3 三种聚合物的XRD谱图Fig.3 The XRD spectra of the copolymers

图4 三种聚合物的热台偏光显微镜图。A、B、C分别代表两嵌段、三嵌段、星型聚合物。其中A、C在40 ℃下进行测试，B在35℃下进行测试Fig.4 The photos captured by the HSPOM of 35 ℃（B）and 40 ℃（A、C）,A、B、C represents diblock, triblock and star shaped copolymers respectively

2.4 等温结晶过程分析

从HSPOM结果中我们发现，如图4所示。AB型两嵌段共聚物在 40 ℃下就可以迅速结晶形成大量带有不规则消光带的球晶，晶体尺寸较小。BAB型三嵌段共聚物由于结晶能力较弱，在35 ℃下以相对两嵌段共聚物较慢的速率结晶，形成尺寸较大、带有消光且较为规整的球晶。AB2型星型共聚物在40 ℃下也可以较为迅速的结晶，形成尺寸和规整度介于两嵌段和三嵌段线形共聚物之间的球晶。这些现象佐证了从 DSC中得出的对于不同拓扑结构的聚合物结晶能力和结晶度的结论。

3 结 论

设计并合成了三种具有相同亲疏水链段的不同拓扑结构的PEG-PCL嵌段共聚物，分别为AB型两嵌段、BAB型三嵌段线型聚合物、AB2型星型聚合物。通过1H NMR、FTIR、GPC对聚合物进行结构表征，确认合成终产物的化学结构与设计相一致。利用XRD、DSC、HSPOM等方法对上述三种聚合物的结晶性能及热性能进行了研究。研究表明，聚合物的拓扑结构对其结晶性能会产生显著的影响。线形嵌段共聚物中，AB型两嵌段共聚物PEG-PCL的两个嵌段独立结晶，结晶能力较强，结晶速率较快，形成不规整的大量球晶。BAB型三嵌段共聚物PCL-PEG-PCL的结晶能力最弱，PEG链段结晶被抑制，PCL链段结晶能力相比两嵌段共聚物降低，在较低温度下形成较规整的球晶。而在AB2型星型聚合物PEG-（PCL）2中，PEG链段结晶能力受到抑制，PCL链段结晶能力得到增强，形成不规整球晶。不同的拓扑结构的嵌段共聚物的结晶行为具有较大差异，这将对我们设计得到具有特殊性能的材料结构提供依据。

［1］ Wei X, Gong C, Gou M, et al. Biodegradable poly (ɛ-caprolactone) poly (ethylene glycol) copolymers as drug delivery system[J]. International Journal of Pharmaceutics, 2009,381(1): 1-18.

［2］ Alconcel SN, Baas AS, Maynard HD. FDA-approved poly (ethylene glycol)protein conjugate drugs[J]. Polymer Chemistry, 2011,2(7): 1442-1448.

［3］ Nojima S, Ono M, Ashida T. Crystallization of Block Copolymers II. Morphological Study of Poly (ethylene glycol)-Poly (ε-caprolactone) Block Copolymers[J]. Polymer journal, 1992,24(11): 1271-1280.

［4］ Takeshita H, Fukumoto K, Ohnishi T, et al. Formation of lamellar structure by competition in crystallization of both components for crystallinecrystalline block copolymers[J]. Polymer, 2006,47(24): 8210-8218.

［5］ An J, Kim H, Chung D, et al. Thermal behaviour of poly (ε -caprolactone)-poly (ethylene glycol)-poly (ε -caprolactone) tri-block copolymers[J]. Journal of materials science, 2001,36(3): 715-722.

Synthesis and Crystallization of Poly(ethylene glycol)-poly(ε-caprolactone) Copolymers With Different Topological Structures

Three poly(ethylene glycol)-poly(ε-carprolactone) (PEG-PCL) copolymers were designed and synthesized via ring-opening polymerization,including diblock, triblock and star shaped copolymers. The measurement techniques of XRD，DSC and hot stage polarizing optical microscopy (HSPOM) were used to investigate the effect of topology on the crystallization. In the triblock copolymer, the middle PEG chain was restrained by PCL on both ends, resulting in the weakest crystal diffraction peak. The crystallization rate decreases in sequence of diblock, star shape and tirblock copolymers while the regularity of the spherulites increase in this order.

poly(ethylene glycol)-poly(ε-carprolactone); topology; crystallization

TQ 317.5

A

1671-0460（2016）11-2497-04

中国教育部博士基金，项目号：N o. 20130181110038。

2016-05-03

陈英（1990-），女，四川冕宁人，四川大学硕士研究生，研究方向：生物医用高分子材料。E-m ail：happy456day@163.com。

李赛，教授，研究方向：生物降解高分子。E-m ail：lisai@scu.edu.cn。