超临界二氧化碳中硼酸催化合成聚己内酯

邵思承，王景昌，柯锦平，黄重贵，詹世平(大连大学环境与化学工程学院，辽宁 大连 116622)

0 引言

聚己内酯(PCL)是一种很好的生物医用可降解材料，一直以来都是研究的热点。PCL具有较低的玻璃化温度和熔点，使其比其他聚酯具有更好的药物通透性，可用作缓释胶囊[1-2]。PCL的分子链比较规整、易结晶，具有良好的生物相容性及机械性能，是理想的植入材料之一。同时PCL与许多高聚物具有较好的相容性，可与高聚物共聚以提高其自身性能与研究价值[3-4]。1993年FW Weathers就对聚己内酯的各项性质进行了分析[5]；Loeker等[6]使用Novozym-435脂肪酶为催化剂在Sc-CO2中催化合成分子量较大的PCL；2015年李杨等[7]人首次使用硼酸作为催化剂催化合成了PCL。制备脂肪族聚酯PCL的传统方法通常会涉及到有机溶剂。有机溶剂易挥发，会对人体和环境造成一定程度的危害。在此背景下以无污染的超临界二氧化碳(Sc-CO2)代替常规有机溶剂作为介质进行化学反应便应运而生。超临界二氧化碳是一种环境友好型溶剂，具有无毒、无味、不燃等优点。此外二氧化碳的临界点为31.1 ℃，7.34 MPa，条件较温和，易于操作。本研究着重对比不同条件下产物分子量，得出超临界二氧化碳中硼酸催化合成聚己内酯的最佳反应条件。

1 PCL、Sc-CO2、B(OH)3的特性

1.1 PCL的特性及其应用领域

聚己内酯(PCL)是脂肪族聚酯中研究最早的也是最成熟的聚合物之一，是美国食品和药物管理局(FDA)认可的一类生物医用材料。早在20世纪30年代，已成功合成获得了PCL。此后，PCL以及对其进行改性一直是各国学者研究的重点。PCL是一种半结晶性高聚物，结晶度约为50%左右。其熔点为58～65 ℃，玻璃化温度(Tg)为-60 ℃左右，室温下呈软玻璃态，热稳定性良好，与其它聚酯相比药物通透性更强，在药物缓释载体领域具有巨大的优势。研究表明，使用PCL作为缓释载体时，可将药物稳定的输送到靶向位置，使药物的有效率大大提高，治疗效果更佳。

PCL具有良好的延展性、加工性和生物相容性，易挤出成型，因此可用作外科手术缝合线。有研究表明，PCL的降解周期要远远大于聚对二氧环己酯(PDS)与聚乙交酯碳酸三甲酯(Maxon)。在特定的情况下会要求手术缝合线具有较长的降解周期，因此使用PCL制成的手术缝合线比其他聚酯类手术缝合线更具优势。

聚己内酯是一种半结晶型聚合物，是化学合成的生物降解性高分子材料，熔点为59～64 ℃，玻璃化温度为-60 ℃。分子量较低，为无色结晶固体，具有蜡质感。因为分子结构中引入了酯基结构，所以在自然界中酯基结构易被微生物或酶分解，最终产物为CO2和H2O。同时具有良好的生物相容性、生物降解性、相容性、高结晶性和低熔点性，可应用于微包囊药物制剂，涂料方面。

1.2 Sc-CO2的特性及其应用领域

Sc-CO2是维持在临界温度及临界压力以上的二氧化碳流体(超临界流体)，工作状况提升到二氧化碳的临界点时，其性质会介于液体和气体之间，会像气体一样充满整个空间，但其密度又类似液体，因其独特的性质其被广泛应用于高分子材料的合成加工[8]和生物医学领域。

制备脂肪族聚酯的传统方法通常会涉及到有机溶剂，有机溶剂易挥发，且大多具有毒性，会对人体和环境造成一定程度的危害。针对这个问题，无污染的超临界二氧化碳(ScCO2)代替常规有机溶剂作为介质进行化学反应引起了各国科学者的注意。ScCO2具有无毒、无味、不燃、临界条件(Tc=31.1 ℃，Pc=7.34 MPa)容易达到，操作简单等优点。ScCO2作为反应介质或反应物参加化学反应已经获得了成功的应用。

1.3 硼酸的性质及其优势

硼酸溶于水、酒精、甘油、醚类及香精油中，水溶液呈弱酸性。硼酸在水中的溶解度随温度升高而增大，并能随水蒸汽挥发。硼酸和硼酸盐可以很迅速地与多元醇(如甘油)和α-羟基羧酸形成稳定的螯合物，使其酸性增强。这是分析化学用氢氧化钠溶液在甘露醇存在下滴定硼酸的基础。用于催化ε-CL开环聚合的催化剂大多为金属催化剂，这类催化剂不仅需要较为严格的反应环境，最主要的是所残留的可能有毒的金属离子阻碍了聚酯材料作为医用材料的使用。硼在自然界中的含量相对丰富，对于植物生长和人类的大脑及骨骼发育是一个重要的微量元素，硼酸(B(OH)3)属于无机小分子化合物，是一种较弱的路易斯酸(pKa=9.2)。硼酸是一种温和高效的催化剂，具有环境友好、廉价易得及易于操作等优点。硼酸的毒性很小，且硼是生命体生长所需的重要微量元素和支持脑发育的超微量元素，因此硼酸作为催化剂在催化合成PCL上比金属催化剂与酶更具有优势。近年来，鉴于绿色化学的观点，硼酸由于其优异的水溶性、良好的化学稳定性、操作使用方便、价格低廉和环境友好等特点，用硼酸作为催化剂在有机合成中得到了特别的关注。

2 硼酸催化合成聚己内酯原理

硼酸中的硼是硼原子是缺电子的，易与CL中的给电子体羰基氧发生相互作用，使CL单体被活化，进而催化CL开环聚合。硼酸中的硼原子与CL单体相互作用使之被活化，然后引发剂正丁醇的羟基进行亲核攻击CL单体的羰基碳，CL单体开环(O-酰基断裂)插入到引发剂中，同时又形成了末端羟基，接着重复相同的活化机理进行链增长，得到聚合物。

3 聚己内酯的应用

3.1 聚己内酯在组织工程中的应用

聚己内酯与其他材料(如纳米氧化锆粉末)形成的复合材料具有良好的生物活性、生物可吸收性和一定的力学强度，可用于骨组织工程支架[8]，聚己内酯有较好的加工性且降解率可控，易于物理修饰和化学修饰，其性质使得与其他材料结合之后有更加理想的性质，广泛应用于生物医学材料生产。

PCL在生物组织工程方面的研究始于二十世纪末，现已得到广泛的应用。组织工程包括骨组织工程、皮肤组织工程与神经组织工程等方面。Guan等[9]使用PCL制备了组织支架(PEUUs)，经临床验证，PEUUs支架在韧性、生物相容性与降解性等方面优于PLLA、PGA与PDS支架。Kook等[10]使用PCL与明胶(GT)制备了新型GT/PCL纳米纤维电纺膜，将人脐静脉内皮细胞(hUVECs)与脂肪间充质干细胞(ADSCs)接种到GT/PCL纳米纤维电纺膜，经过三维培养可使血管形态发生变化，可生成更多的血管内腔结构。

3.2 聚己内酯在膜领域的应用

聚己内酯有良好的生物降解性能，常用其他材料与其进行化学改性，降低成本，在膜领域中，如用木质素接枝PCL薄膜材料[11]，利用木质素的刚性和PCL的韧性，赋予膜更强的力学性能，前景十分广阔。

3.3 聚己内酯在制药领域的应用

利用良好的生物相容性，加工温度较低等性质，可将其用作药物传递载体，减少高温引起药物失活的可能，用聚己内酯与药物和释放改性剂制备的复合材料可使累积释药率显著提高[12]。

4 结语

随着化学、化工、生物、材料、医学等领域的不断发展以及相互之间的合作及学科交叉，聚己内酯的制备技术会有更大的突破。以硼酸为催化剂在超临界二氧化碳中催化合成高聚物具有绿色无毒、简便高效等特点。聚己内酯及其共聚物因其良好的理化性质及生物相容性，可以在更广阔的领域获得应用，近年来其共聚物的研究受到广泛关注。