謝陽芬，王少飛，孫利杰，呂姿穎，卿鳳翎，游正偉

(東華大學(xué) a. 化學(xué)化工與生物工程學(xué)院；b. 纖維材料改性國家重點實驗室；c. 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 201620)

新型生物可降解高分子材料在組織工程和藥物緩釋等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域獲得廣泛研究[1-2]，其中，聚酯類材料由于具有良好的生物相容性、可降解性以及適當(dāng)?shù)臒釋W(xué)性能和力學(xué)性能而備受關(guān)注。功能化聚酯材料具有提供生物活性識別位點、控制材料的親水性及降解性等特點，在組織工程支架材料和藥物緩釋材料研究中占有重要位置[3-4]。然而，功能化聚酯的合成一直是科學(xué)家們的研究難點[1， 5-6]，由于在合成過程中諸如羥基、氨基、羧基等功能團一般需要保護和去保護，制得功能化聚酯的總體效率往往較低。近年所報道的酸誘導(dǎo)環(huán)氧開環(huán)合成法[7-9]，可通過一步反應(yīng)制得羥基化聚酯，進一步修飾可引入羧基、氨基等功能團。酸醇脫水聚合要求的反應(yīng)溫度一般較高，而環(huán)氧開環(huán)聚合的反應(yīng)溫度為90 ℃，相對溫和，且不需脫水裝置和金屬催化劑，只需一步反應(yīng)即能得到產(chǎn)率較高的羥基化聚酯，為功能化可降解高分子材料的合成提供了一個有效的途徑。

筆者課題組在前期的研究中已初步探討了三組分酸誘導(dǎo)環(huán)氧開環(huán)制備功能化聚酯的方法，制備了富馬酸-1，3-二環(huán)氧丁烷-對苯二甲酸共聚酯(兩種二元羧酸的物質(zhì)的量之比為1∶1)[10]。本文將結(jié)合已有反應(yīng)，進一步以富馬酸、1，3-二環(huán)氧丁烷和對苯二甲酸為原料，以酸誘導(dǎo)環(huán)氧開環(huán)聚合方法制備多功能聚酯，以不同物質(zhì)的量之比的投料制備一系列功能化芳香脂肪聚酯并比較其性能。以上單體的選擇主要基于以下考慮：(1)所采用的結(jié)構(gòu)單元包括丁烯二酸、對苯二甲酸以及丁四醇等都已被應(yīng)用到生物材料中，且被證明具有良好的生物相容性[10-13]；(2)由富馬酸引入的α， β-不飽和雙鍵，可參與邁克爾加成反應(yīng)、自由基反應(yīng)等，通過開環(huán)聚合引入的羥基能進行功能團轉(zhuǎn)化，可進一步引入氨基、羧基等活性功能團；(3)脂肪族聚酯具有較好的生物降解性，芳香族聚酯具有較強的生物穩(wěn)定性，結(jié)合兩者的特性，能獲得具有理想降解性能的功能化聚酯。本文對制備的系列聚酯的結(jié)構(gòu)和性能進行表征和比較，進一步研究功能化聚酯結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，為合成類似的多組分、性能可控和可降解功能化聚酯材料的研究提供參考。

1 試 驗

1.1 試劑

富馬酸，純度99.5%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；雙環(huán)氧丁烷，純度95%，阿法埃莎(中國)化學(xué)有限公司；對苯二甲酸，純度99%，沃凱化工科技有限公司；四丁基溴化銨(TBAB)，純度98%，梯希愛(上海)化成工業(yè)發(fā)展有限公司；N，N-二甲基甲酰胺(DMF)，純度98.8%，上海百靈威化學(xué)技術(shù)有限公司；四氫呋喃(THF)，HPLC級色譜純，永華化學(xué)科技(江蘇)有限公司；乙醇、乙酸乙酯，分析純，國藥集團；乙醚，分析純，常熟市楊園化工有限公司；DMF，純度99.8%，上海百靈威化學(xué)技術(shù)有限公司；氫氧化鈉，純度99.9%，阿法埃莎(中國)化學(xué)有限公司；鹽酸，質(zhì)量分數(shù)為36%～38%，國藥集團。

1.2 聚酯的制備

原料的純化和聚酯的制備方法參照文獻[9]，聚酯的合成路線如圖1所示。在90 ℃下，以TBAB為催化劑，富馬酸和對苯二甲酸分別以1∶0、 3∶1、 1∶1、 1∶3、 0∶1的比例與雙環(huán)氧丁烷溶解于DMF中并加熱攪拌。26 h后，將混合物溶解于少量THF和水(體積比為9∶1)的混合溶劑中，在去離子水中沉淀，得到黃色黏狀產(chǎn)物。進一步在無水乙醚中沉淀兩次，得到淡黃色黏稠產(chǎn)物。將產(chǎn)物在70 ℃和約0.13 kPa的壓力下抽真空24 h，得到產(chǎn)品分別標為P1、 P2、 P3、 P4、 P5。

圖1 聚酯的合成路線圖Fig.1 Synthesis route of the polyester

1.3 結(jié)構(gòu)與性能表征

1.3.1 聚酯的結(jié)構(gòu)表征

以氘代二甲亞砜(DMSO-d6)為溶劑，采用Bruke AM-400(400 MHz)型核磁共振儀對聚酯的氫譜(1H-NMR)進行測試表征。

采用Nicolet 6700型測定儀和1個衰減全反射(ATR)附件測試聚酯的傅里葉紅外光譜(FTIR)。

采用配備了示差檢測器(Waters 公司)和多角度光散射檢測器(Brookhavend公司)的凝膠滲透色譜儀(GPC)測試聚酯的分子質(zhì)量和多分散系數(shù)。測試條件：溫度為40 ℃，標樣為聚甲基丙烯酸甲酯，流動相為DMF，流速為0.7 mL/min。

1.3.2 聚酯的熱學(xué)性能表征

采用美國TA公司的Discovery型熱失重分析儀(TGA)和德國耐馳公司的204 F1 Phoenix型差示掃描量熱儀(DSC)測試聚酯的熱學(xué)性能。TGA測試是在氮氣氛圍下進行，以10 ℃/min的升溫速率由10 ℃升溫至500 ℃，將質(zhì)量損失5%時的溫度設(shè)定為熱分解溫度(td)。DSC測試同樣是在氮氣氛圍下進行，以10 ℃/min的升溫速率由室溫升溫至200 ℃，消除熱歷史，然后降至-50 ℃， 再從-50 ℃升溫至200 ℃。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(tg)由儀器自帶分析軟件得出。

1.3.3 聚酯的親水性能表征

將聚酯溶解于THF和水的混合溶劑中，滴于玻片上，充分干燥后成膜，用德國Kruss公司的DSA30型接觸角測試儀器測定其對水的接觸角，測試4次，取平均值。

1.3.4 聚酯的降解性能表征

采用活性濃度為2 000 U/mL 來源于疏綿狀嗜熱絲孢菌的脂肪酶(濃度105U/g，西格瑪奧德里奇上海貿(mào)易有限公司)的磷酸緩沖液(PBS)來進行聚酯降解性能測試[14]。通過熔融澆鑄成型的方法將聚酯材料制備成直徑為5 mm和厚度為1.2 mm的圓片樣品，并稱取每個樣品的質(zhì)量，將樣品放入6 mL上述降解液中，在37 ℃恒溫室中進行降解試驗。每1 h取樣，用去離子水清洗圓片，在50 ℃抽真空(約0.13 kPa) 12 h后進行稱重，更換降解液繼續(xù)試驗。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚酯的合成和結(jié)構(gòu)分析

本文以富馬酸、雙環(huán)氧丁烷、對苯二甲酸為原料，改變富馬酸和對苯二甲酸的投料物質(zhì)的量之比，通過酸誘導(dǎo)環(huán)氧開環(huán)合成法制備出一系列聚酯，產(chǎn)率均高于85.0%(見表1)。系列聚酯的數(shù)均分子質(zhì)量(Mn)和分散系數(shù)(PDI)值如表1所示。

系列聚酯的核磁共振氫譜圖如圖2所示。其中，在化學(xué)位移δ=8.12處對應(yīng)對苯二甲酸a處芳香氫的特征峰，在δ=6.82處對應(yīng)富馬酸b處烯烴氫的特征峰，在δ=4.40處對應(yīng)亞甲基c和d兩處氫的特征峰，在δ=3.97附近對應(yīng)c處氫的特征峰。氫譜圖驗證了系列聚酯的合成。a處氫特征峰面積分值(除以2)與b處氫特征峰面積分值之比對應(yīng)聚酯中芳香環(huán)鏈段與烯烴雙鍵鏈段的物質(zhì)的量之比(見表1)，該物質(zhì)的量之比與所投原料對苯二甲酸和富馬酸的物質(zhì)的量之比接近。因此，通過三組分環(huán)氧開環(huán)聚合方法，改變單體的投料量，可以有效調(diào)控聚酯中脂肪鏈段和芳香環(huán)鏈段的含量比。

表1 5種聚酯數(shù)均分子質(zhì)量(Mn)、分散系數(shù)(PDI)、熱分解溫度以及聚酯主鏈中雙鍵與芳香環(huán)鏈段的實際物質(zhì)的量之比Table 1 Mn, PDI and decomposition temperature of the five kinds of polyesters and the mole ratios between double bounds and aromatic segments on the backbone of polyester

圖2 聚酯的核磁共振氫譜圖Fig.2 1 H-NMR spectra of polyester

圖3 聚酯的傅里葉變換紅外光譜圖Fig.3 FTIR spectra of polyester

2.2 熱學(xué)性能

聚酯的熱學(xué)性能采用熱失重分析(TGA)和差示掃描量熱(DSC)進行表征。聚酯的TGA分析曲線圖如圖4所示。結(jié)合表1中的td可知，隨著苯環(huán)鏈段比例的增多，聚酯的熱分解溫度逐漸增高[15]，且在200 ℃內(nèi)幾乎無質(zhì)量損失，表明這一系列材料在人體體溫條件下熱穩(wěn)定性良好。

圖4 聚酯的TGA圖Fig.4 TGA profiles of polyester

聚酯的DSC曲線如圖5所示。由圖5可知，系列聚酯的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度均在體溫以上，說明在體溫條件下呈玻璃態(tài)，為剛性結(jié)構(gòu)，能較好地保持其形態(tài)，并具有一定的力學(xué)強度。隨著苯環(huán)鏈段含量的增高，聚酯主鏈的剛性增強，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度也相應(yīng)提高。

圖5 聚酯的DSC曲線圖Fig.5 DSC profiles of polyester

2.3 親水性能

聚酯材料的表面親水性是影響蛋白質(zhì)吸附材料的重要參數(shù)[16-17]，而材料表面的功能團可直接影響高聚物材料的親水性強弱。由于大部分合成聚酯因缺少親水功能團而呈疏水性，聚酯的羥基化可改善這個缺陷，使得聚酯的親水性增強，而苯環(huán)的引入會使疏水性增強。聚酯對水接觸角測量結(jié)果如表2所示。由表2可知，隨著苯環(huán)鏈段的增多，聚酯的親水性基本呈變?nèi)踮厔荩鸬搅苏{(diào)節(jié)聚酯材料親水性的作用。

表2 聚酯的水接觸角Table 2 The water contact angle of the polyester

2.4 降解性能

可降解性是生物材料的重要性能，組織工程支架材料和醫(yī)用緩釋材料都要求其具有合適的可降解性，降解過快或過慢都不利于細胞的吸附、增殖，新組織的生成以及藥物釋放等。脂肪族聚酯因其酯鍵的易水解性使其具有良好的降解性，芳香族聚酯不易水解，因此脂肪結(jié)構(gòu)常被引入芳香族聚酯進行降解性能的調(diào)節(jié)[18]。本文為了快速考察聚酯的降解情況，采用較高濃度的脂肪酶(2 000 U/mL)磷酸緩沖液進行降解，其降解曲線如圖6所示。由圖6可知，全脂肪聚酯的P1在第1 h已降解了近75%，在第3 h已基本降解完，而隨著聚酯中芳香環(huán)鏈段含量增多，降解速率降低，全芳香族聚酯幾乎未降解。即通過調(diào)控脂肪族羧酸與芳香族羧酸的投料物質(zhì)的量之比來達到調(diào)節(jié)聚酯的降解速率的目的。

圖6 聚酯的降解曲線Fig.6 Degradation curves of polyester

3 結(jié) 語

本文以富馬酸、對苯二甲酸與雙環(huán)氧丁烷為原料，利用酸誘導(dǎo)環(huán)氧開環(huán)聚合法制備了系列羥基化多功能聚酯，通過調(diào)控富馬酸與對苯二甲酸的投料物質(zhì)的量之比，較精確地對聚酯的結(jié)構(gòu)、熱學(xué)性能、親水性能和降解性能等進行了調(diào)控，從而為制備性能可調(diào)控的功能化生物醫(yī)用聚酯材料提供了參考。