胡新良，孫 芳，張 宇，汪連生

(湖北工程學(xué)院 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，湖北 孝感 432000)

荀馬玲等人[1]以辛酸亞錫為催化劑合成了PEG-PCL-PEG三嵌段共聚物，采用溶劑擴(kuò)散法, 將納米Fe3O4磁粉包埋在PEG-PCL-PEG高分子微球中，同時(shí)使用PEG作為致孔劑，制成磁性多孔聚合物微球。這種方法對設(shè)備要求較低，制備微球方法簡單，且采用的溶劑二甲基亞砜( DMSO)毒性低，因此，以此方法制備多孔磁性聚合物微球的溶劑擴(kuò)散法與傳統(tǒng)的乳液溶劑揮發(fā)法相比具有相對優(yōu)勢。

鞏長旸等人[2]采用生物相容性好且毒性低的異佛爾酮二異氰酸酯(isophoronedi isocianate, IPDI) 作為交聯(lián)劑來合成PEG-PCL-PEG三嵌段共聚物,該共聚物水溶液在體溫37 ℃附近具有溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變，用疏水性更強(qiáng)的聚己內(nèi)酯(polycaproactone,PCL) 鏈段代替PPG鏈段，合成了一種PEG-PCL-PEG環(huán)境敏感型水凝膠(環(huán)境敏感性水凝膠又被稱為智能水凝膠，是指自身能感知外界環(huán)境，如溫度、pH值、光、電和壓力等微小的變化或刺激，并能產(chǎn)生相應(yīng)的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)變化的一類高分子水凝膠)，解決了PPG鏈段的疏水作用較弱、泊洛沙姆的臨界凝膠濃度較高、凝膠強(qiáng)度較弱的缺點(diǎn)。同時(shí)，由于泊洛沙姆不能生物降解，使得該材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)⒕哂辛己玫膽?yīng)用前景。

PCL鏈段由于可生物降解且疏水性更強(qiáng)，所得PEG-PCL-PEG共聚物的降解產(chǎn)物分子量明顯減小，更容易從體內(nèi)排出，而且其水溶液的臨界凝膠濃度明顯減小。

1 材料特性分析

1.1 ε-己內(nèi)酯的化學(xué)特性與用途

ε-己內(nèi)酯是一種很有用的化學(xué)中間體，在合成化合物中，能給合成物提供許多優(yōu)異的化學(xué)性能，是被廣泛應(yīng)用的新型聚酯單體，主要用于合成各種用途的聚己內(nèi)酯(PCL)，在材料領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。如PCL生物醫(yī)用材料可用于手術(shù)的縫合線及骨折內(nèi)固定材料。隨著傷口的愈合，聚酯材料會(huì)緩慢地降解而被人體細(xì)胞吸收，不會(huì)對人體有傷害，不僅可以提高手術(shù)的方便性，而且可減輕病人的痛苦。

ε-己內(nèi)酯也可與很多樹脂共聚或共混改性，能改變產(chǎn)物光澤度和防粘性,此類產(chǎn)品可作為農(nóng)膜、肥料的控制釋放體以及包裝材料[3]。

1.2 聚己內(nèi)酯的化學(xué)特性與應(yīng)用

聚己內(nèi)酯( Polycaprolactone,PCL)是由ε-己內(nèi)酯(ε-CL)開環(huán)聚合所得的線性脂肪族聚酯聚己內(nèi)酯，具有很好的柔韌性和加工性。其熔點(diǎn)為59～64 ℃，玻璃化溫度為-60 ℃，單絲性能為：比重1.145，干強(qiáng)度5.20 cN/dtex(厘牛/分特)，濕強(qiáng)度5.10 cN/dtex[4]。它是一種半結(jié)晶型高分子,在室溫下呈橡膠態(tài),其熱穩(wěn)定性較好，分解溫度比其他聚酯要高得多。PCL可以降解為CO2和H2O，對環(huán)境無害,具有優(yōu)良的藥物通過性和力學(xué)性能,可用作生物醫(yī)用材料(如可用作體內(nèi)植入材料以及藥物控釋材料)，目前已經(jīng)獲得美國FDA的批準(zhǔn)[5]。

PCL與其他高分子的相容性很好，被廣泛應(yīng)用于人體組織工程支架材料，如骨板、組織修復(fù)器件、手術(shù)縫合線等[6]。因此，PCL及其共聚物的研究近年來受到研究者的重視。然而，聚己內(nèi)酯是疏水性的物質(zhì)，在體內(nèi)降解周期長，接上具有親水性的聚乙二醇，可提高聚己內(nèi)酯的降解速度。

1.3 聚乙二醇的特性和應(yīng)用

聚乙二醇(Polyethylene Glycol，PEG)具有親水性，分子鏈為柔性鏈，能溶于水以及大部分有機(jī)溶劑中，廣泛用作線形兩親嵌段共聚物的親水部分， PEG的結(jié)構(gòu)式如下：

聚乙二醇(PEG)無毒、無刺激性，具有良好的水溶性，并與許多有機(jī)物組份有良好的相溶性[7]，具有優(yōu)良的潤滑性、保濕性、分散性、粘接劑、抗靜電劑及柔軟劑等，在化妝品、制藥、化纖、橡膠、塑料、造紙、油漆、電鍍、農(nóng)藥、金屬加工及食品加工等行業(yè)中均有著極為廣泛的應(yīng)用。

2 實(shí)驗(yàn)部分

本實(shí)驗(yàn)以聚乙二醇為引發(fā)劑，以自制的Al-Salen 為催化劑，催化己內(nèi)酯的開環(huán)聚合。研究了時(shí)間、溫度和單體與引發(fā)劑的比例對產(chǎn)率和分子量的影響。采用紅外、GPC以及DSC等手段對聚合物結(jié)構(gòu)和熱性能進(jìn)行了分析。

2.1 主要試劑

實(shí)驗(yàn)所用的主要試劑如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)所用的主要試劑

2.2 主要儀器

實(shí)驗(yàn)所用的主要儀器如表2所示。

2.3 配體的制備

在500 mL干燥的三頸燒瓶中，加入7.1 g 3,5-二叔丁基水楊醛，用200 mL無水乙醇將其溶解，緩慢滴加溶有1 mL乙二胺的10 mL無水乙醇溶液，加熱回流2 h，冷卻至室溫，待有黃色沉淀析出，抽濾后，在40 ℃下真空干燥，得到黃色3,5-二叔丁基水楊醛縮乙二胺。

2.4 催化劑的制備

稱取0.6732 g 3,5-二叔丁基水楊醛縮乙二胺，用10 mL甲苯溶解，稱取0.336 6 g異丙醇鋁溶解與甲苯中，混合均勻后，加熱回流，攪拌36 h。反應(yīng)后將甲苯減壓蒸餾除去，用正己烷洗滌抽濾得到黃色的固體，進(jìn)行密封、干燥。

表2 實(shí)驗(yàn)所用的主要儀器

2.5 試劑的預(yù)處理

2.5.1 ε-己內(nèi)酯預(yù)處理

用量筒取15 mL ε-己內(nèi)酯于50 mL圓底燒瓶中，加入少量CaH2靜置24 h，減壓蒸餾，蒸出無水的己內(nèi)酯，密封保存于冰箱中待用。

2.5.2 聚乙二醇預(yù)處理

用電子天平稱取聚乙二醇(4000)于50 mL圓底燒瓶中，加入甲苯(浸沒固體即可)，放入幾顆沸石，減壓蒸餾，蒸出甲苯和聚乙二醇中少量的水，密封，放入真空干燥箱中干燥備用。

2.6 PCL-PEG-PCL嵌段共聚物的制備

用電子天平準(zhǔn)確稱取定量的聚乙二醇4000和催化劑，用滴管取相應(yīng)的ε-己內(nèi)酯于小聚合管中，進(jìn)行抽真空，充氮?dú)?，真空封管后放入相?yīng)條件下反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后，用氯仿緩慢溶解聚合物，待其完全溶解后，用石油醚將其沉淀，最后放入真空箱中低溫(40 ℃)干燥。稱重，計(jì)算產(chǎn)率。

3 測試與表征

3.1 熔點(diǎn)的測定

使用X-5顯微熔點(diǎn)測定儀測定催化劑配體的熔點(diǎn)及熔程。

3.2 紅外光譜測試

采用KBr壓片法，用Nicolet 380 FT-IR記錄配合物、催化劑、ε-己內(nèi)酯單體、聚乙二醇和PEG-PCL-PEG共聚物的紅外光譜。

3.3 PCL-PEG-PCL的熱性能測試

用SDT Q600差示掃描量熱儀對聚合物進(jìn)行熱分析。設(shè)定氮?dú)饬?0 mL/min，溫度范圍30 ℃至600 ℃，升溫速率10 ℃/min。

3.4 聚合物分子量分布的測定

用高效液相色譜儀wltimate 3000，以聚苯乙烯為標(biāo)樣，柱溫為35 ℃，四氫呋喃為流動(dòng)相，流速為0.8 mL/min，樣品濃度為3%～4%，測定聚合物的分子量分布。

4 結(jié)果與討論

4.1 催化劑的合成路線

催化劑的合成反應(yīng)如圖 1所示。用乙二胺和3,5-二叔丁基水楊醛在在無水乙醇中反應(yīng)得到配體，然后用制得的配體與異丙醇鋁在無水甲苯中反應(yīng)得到該催化劑。

圖1 催化劑的合成反應(yīng)方程式

由圖1可知，催化劑的合成可分為兩步：首先用乙二胺和3,5-二叔丁基水楊醛在無水乙醇中反應(yīng)得到黃色沉淀物，抽濾后得到黃色粉末；然后用制得的配體與異丙醇鋁在無水甲苯中反應(yīng)，將甲苯減壓蒸餾后得到黃色粉末。經(jīng)測量，該過程中黃色粉末的產(chǎn)率約為30%。由于整個(gè)反應(yīng)需要在無水無氧條件下進(jìn)行，建議在反應(yīng)過程中先抽真空，然后再連接干燥管。催化劑用正己烷洗滌，減壓蒸餾后純度更高，而且反應(yīng)時(shí)間對產(chǎn)率也有一定影響。

4.1.1 催化劑的紅外表征

圖2是配體與催化劑的紅外圖譜。

圖2 催化劑的紅外譜圖(其中DT表示催化劑配體，CHJ表示催化劑)

在Salen單體的IR中，3 443 cm-1是羥基-OH伸縮振動(dòng)的吸收峰，2 958 cm-1和2 858 cm-1處的C-H的伸縮振動(dòng)峰，1 820 cm-1處的C=O伸縮振動(dòng)峰，在1 637 cm-1處的峰是C=N的伸縮振動(dòng)，表明形成了C=N鍵。在催化劑的IR中，1 820 cm-1處的伸縮振動(dòng)峰消失，說明沒有C=O，醛基反應(yīng)完全，在632 cm-1出現(xiàn)了Al-O的伸縮振動(dòng)，說明Al的配位鍵已形成[8]。

4.2 共聚物的合成路線

PCL-PEG-PCL的合成反應(yīng)如圖3所示。

圖3 聚合物的合成反應(yīng)方程式

本實(shí)驗(yàn)以聚乙二醇為引發(fā)劑，Al-Salen為催化劑，開環(huán)聚合ε-己內(nèi)酯。聚合過程中需充分抽真空，通氮?dú)猓磸?fù)操作三次。聚合管在加熱過程中需要調(diào)節(jié)升溫速率，以保證不因溫度驟升或升得太高而影響聚合物的形成。純化處理時(shí)，石油醚與氯仿的體積比保持10:1，溶解時(shí)間大約2 h,沉淀時(shí)間大約8～12 h。

4.3正交實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

本實(shí)驗(yàn)采用反應(yīng)時(shí)間、溫度和單體與引發(fā)劑的比例(ε-CL：PEG)三因素三水平進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析如表1至表4所示。

表1 因素水平表

表2 正交實(shí)驗(yàn)表

由表2可知，分散度越小，分子聚合得越好，產(chǎn)率也相對較高。分散度在1.1以下，說明聚合條件可控，高于2，說明物質(zhì)不純，小分子很多，共聚物的長短不均勻。

對上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)(產(chǎn)率與分子量)進(jìn)行正交分析，結(jié)果如表3和表4所示。

表3 產(chǎn)率實(shí)驗(yàn)結(jié)果直觀分析表

表4 分子量實(shí)驗(yàn)結(jié)果直觀分析表

表3中時(shí)間所對應(yīng)的均值1為1號、2號和3號實(shí)驗(yàn)中不同時(shí)間所得實(shí)驗(yàn)產(chǎn)率的平均值；均值2為4號、5號和6號實(shí)驗(yàn)中不同時(shí)間所得實(shí)驗(yàn)產(chǎn)率的平均值；均值3為7號、8號和9號實(shí)驗(yàn)中不同時(shí)間所得實(shí)驗(yàn)產(chǎn)率的平均值。溫度和質(zhì)量比所對應(yīng)的均值是按相同方法計(jì)算出來的產(chǎn)率的平均值。從表3中分析結(jié)果可以看出：溫度對聚合反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的影響最大，其次是質(zhì)量比,時(shí)間對聚合反應(yīng)的影響最小。最佳的操作條件為：聚合反應(yīng)時(shí)間17 h,反應(yīng)溫度180 ℃，質(zhì)量比為24 : 1。

表4中時(shí)間所對應(yīng)的均值1為1號、2號和3號實(shí)驗(yàn)中不同時(shí)間所得實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物分子量的平均值；均值2為4號、5號和6號實(shí)驗(yàn)中不同時(shí)間所得實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物分子量的平均值；均值3為7號、8號和9號實(shí)驗(yàn)中不同時(shí)間所得實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物分子量的平均值。溫度和質(zhì)量比所對應(yīng)的分子量均值按相同方法計(jì)算。從表4分析可以看出：ε-己內(nèi)酯與聚乙二醇的質(zhì)量比對聚合物分子量的影響最大，其次是聚合時(shí)間，聚合溫度對其影響最小。最佳操作條件是：聚合反應(yīng)時(shí)間14 h,聚合溫度140 ℃，質(zhì)量比為24 : 1。

4.4 聚合物的紅外表征

對PECL和ε-CL的IR圖進(jìn)行比較，根據(jù)它們各自的特征峰，可以表明PCL和PEG成功連接，生成兩親性嵌段共聚物PECL。

圖4 聚合物的紅外譜圖(其中CL表示ε-己內(nèi)酯，PECL表示聚合物)

圖4為PECL和ε-CL的IR圖。在PECL的IR譜圖曲線中，1 729 cm-1處有一強(qiáng)的羰基峰，1 176 cm-1處是酯基C-O的伸縮振動(dòng)峰，2 858 cm-1處是亞甲基C-H伸縮振動(dòng)峰，1 068 cm-1是C-H的彎曲振動(dòng)，3 476 cm-1處是嵌段共聚物端羥基的特征寬峰,725 cm-1是-OH面外彎曲峰。上述結(jié)果表明，以Salen-Al作為催化劑，PCL和PEG成功連接，生成兩親性嵌段共聚物PECL。

4.5 聚合物的DSC分析

通過比較PECL和ε-CL的DSC曲線圖，也可表明PCL和PEG成功連接，生成兩親性嵌段共聚物PECL。圖5是PCL-PEG-PCL的TG曲線和DTA曲線。

圖5 聚合物的DSC曲線圖

由圖5可知，在64.32 ℃有一個(gè)吸熱峰，可能是某種物質(zhì)的熔點(diǎn)，374～415 ℃間有聚合物分解，C-H鍵裂解，酯鍵裂解，發(fā)生失重，到415 ℃時(shí)有79.39%分解。

5 結(jié)論

針對己內(nèi)酯開環(huán)聚合，稀土引發(fā)劑在空氣中不穩(wěn)定、極易水解、合成比較困難等問題，提出以聚乙二醇為引發(fā)劑，以Al-Salen 為催化劑，催化己內(nèi)酯的開環(huán)聚合的方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)采用聚乙二醇為引發(fā)劑，新型催化劑Salen單體與異丙醇鋁的配合物催化己內(nèi)酯本體聚合，得到了預(yù)期產(chǎn)物。驗(yàn)證了該催化劑對己內(nèi)酯的開環(huán)聚合具有一定的催化活性。

(2)聚合體系中單體與引發(fā)劑的比例、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度對聚合物分子量和產(chǎn)率有重要影響。要得到分子量較高的的三嵌段共聚物，適合的聚合條件為：聚合時(shí)間17 h，聚合溫度180 ℃，單體與引發(fā)劑的質(zhì)量比為20 : 1；要得到較高產(chǎn)率的聚合物，適合的條件為：聚合時(shí)間14 h，聚合溫度140 ℃，單體與引發(fā)劑的質(zhì)量比為24 : 1。

(3)對聚合物結(jié)構(gòu)進(jìn)行紅外表征和DSC測定，確定生成了三嵌段共聚物PCL-PEG-PCL。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1] 荀馬玲，張陽德，王輝，等.一種聚己內(nèi)酯-聚乙二醇-聚己內(nèi)酯磁性共聚物微球的制備[J].高分子材料科學(xué)與工程，2007，23(4): 235-241.

[2] 鞏長旸，顧迎春，謝震，等.一種可生物降解溫度敏感型聚乙二醇-聚己內(nèi)酯-聚乙二醇水凝膠的合成和表征[J].生物醫(yī)學(xué)工程雜志,2008，25(5):1121-1125.

[3] 程進(jìn)，徐進(jìn).ε- 己內(nèi)酯合成應(yīng)用探究[J].高新資訊，2011(2):1.

[4] 艾合麥提·玉素甫，王振斌，朱良.可生物降解材料聚己內(nèi)酯在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用進(jìn)展[J].國外醫(yī)學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程，2005，28(1):19-23.

[5] 王永亮，易國斌，康正，等.聚己內(nèi)酯的合成與應(yīng)用研究進(jìn)展[J].化學(xué)與生物工程，2006，3(23):1-9.

[6] De Groot J H，Zijlstra F M，Kuijpers H W，et a1.Meniscal tissue regeneration in porous 50/50 copoly(L-lactide/ε-capralactone) implants [J].Biomaterials，1997，18(8): 613-622.

[7] 劉瑞雪，石艷，付志峰.聚己內(nèi)酯-b-聚乙二醇大分子單體的酶催化合成及其原子轉(zhuǎn)移由基聚合[J].北京化工大學(xué)學(xué)報(bào),2007,3(4):142-144.

[8] 楊義濤，張崇宏，周麗宏，等.注氦尖晶石的紅外光譜研究[J].原子核物理評論，2008，25(1): 87-90.