馬鳳奪，施冬健，陳元?jiǎng)祝愐婷?，潘?yáng)陽(yáng)，陳明清

(食品膠體與生物技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室江南大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院，江蘇無(wú)錫 214122)

聚乳酸(PLA)是一種生物可吸收性優(yōu)且生物相容性好的生物降解材料，是第一個(gè)商業(yè)化的生物降解高分子，被認(rèn)為是最有前途、最具競(jìng)爭(zhēng)力的生物降解高分子［1-6］。PLA具有良好的透明性和表面光潔度等優(yōu)點(diǎn)，可以紡成纖維、制成膜材和吸塑包裝產(chǎn)品而被廣泛的應(yīng)用到塑料工業(yè)和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域。然而PLA作為線性脂肪族聚酯，在耐熱性和力學(xué)性能等方面存在一定的缺陷，難以滿足實(shí)際應(yīng)用中對(duì)材料性能多方面的要求，因而其應(yīng)用受到了限制。在聚乳酸中加入聚丁二酸丁二酯、聚ε-己內(nèi)酯等脂肪族聚酯或者高強(qiáng)度的纖維素或木質(zhì)素可以改善聚乳酸的力學(xué)性能［7］，但其還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工程塑料和組織支架的要求。

3，4-二羥基苯丙氨酸(俗稱多巴，DOPA)及其衍生物是一類來(lái)源于動(dòng)植物的“天然單體”，其具有多個(gè)可反應(yīng)性功能基，如氨基、羧基和羥基，獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)賦予其具有優(yōu)良的黏附性和抗氧化性。用這類天然單體來(lái)制得的聚合物，由于其分子結(jié)構(gòu)中含有大量的芳環(huán)，具有良好的熱穩(wěn)定性和力學(xué)強(qiáng)度，還具有生理相容性和降解性能，在生物醫(yī)藥、醫(yī)用材料領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景［8-13］。盡管DOPA具有非常優(yōu)異的可反應(yīng)性和力學(xué)性能等，但是國(guó)內(nèi)外的研究報(bào)道中還很少將PDOPA直接引入到聚合物鏈中。

本文利用LA和DOPA兩種單體制備梳狀接枝共聚物，可望在一定程度上提高PLA的性能，如溶解性、熱穩(wěn)定性和力學(xué)強(qiáng)度，同時(shí)具有生理相容性和可降解性。同時(shí)通過(guò)改變LA和DOPA兩組分的比例，調(diào)控共聚物的性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

丙交酯(氯仿中重結(jié)晶使用)、3，4-二羥基苯丙氨酸(DOPA)、叔丁基二甲基氯硅烷(TBDMS)、1，8-二氮雜二環(huán)［5.4.0］十一碳-7-烯(DBU)、四丁基氟化胺(TBAF)、辛酸亞錫［Sn-(Oct)2］、三乙胺(TEA，CaH2浸泡過(guò)夜減壓蒸餾后使用)、無(wú)水硫酸鎂、甲醇、三氯甲烷、二氯甲烷、鹽酸均為分析純。

2000-104傅里葉變換紅外光譜(FTIR);Waters 1515凝膠滲透色譜(GPC);AVANCE III 400 MHz核磁共振儀(1H NMR);OCA40接觸角儀;1100SF熱失重分析儀(TGA);DSC822e差示掃描量熱儀(DSC);WDT-10萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。

1.2 PDOPA 的合成

將3 mol叔丁基二甲基氯硅烷(TBDMS)加入到無(wú)水乙腈中。把 TBDMS溶液加入到1 mol DOPA中，攪拌10 min。加入3 mol DBU為催化劑，冰浴攪拌4 h后在室溫下反應(yīng)20 h，減壓蒸去溶劑，再用甲醇溶解、冰三氯甲烷洗滌，過(guò)濾，得到白色固體叔丁基二甲基氯硅烷多巴 DOPA(TBDMS)2［14-15］。冰浴中，將DOPA(TBDMS)2溶解于含有三乙胺的二氯甲烷(DCM)，再在常溫下密閉攪拌反應(yīng)24 h。調(diào)節(jié)pH至1～2，用DCM萃取3次，并用HCl洗滌，干燥后得到棕色粉末 PDOPA(TBDMS)2。將 PDOPA(TBDMS)2加入至THF和TBAF中，常溫下反應(yīng)2～4 h。用純水洗滌、減壓蒸餾，再用石油醚洗滌、干燥，得到PDOPA。

1.3 PDOPA-g-PLA 的合成

將PDOPA和丙交酯按一定的摩爾比置于圓底燒瓶中，加入Sn(Oct)2為催化劑，苯醚為溶劑，在130℃下反應(yīng)1 h。將溫度緩慢升高至160℃，反應(yīng)4 h。用三氯甲烷溶解，在無(wú)水乙醚中沉淀，得到產(chǎn)物，用石油醚洗滌、干燥，得到梳狀接枝共聚物PDOPA-g-PLA。

PLA均聚物是以十二烷醇為引發(fā)劑，開環(huán)丙交酯聚合得到。反應(yīng)條件和提純方法同制備共聚物。

圖1 梳狀聚合物PDOPA-g-PLA的合成Fig.1 Synthesis of comb polymer PDOPA-g-PLA

2 結(jié)果與討論

2.1 PDOPA-g-PLA 的表征

2.1.1 IR 圖 2 為 DOPA(TBDMS)2、PDOPA(TBDMS)2、PDOPA和PDOPA-g-PLA的紅外譜圖。

由圖2可知，1 500 cm－1的吸收峰為芳環(huán)中的碳碳雙鍵的特征振動(dòng)峰，2 800～2 900 cm－1附近為苯環(huán)吸收峰，表明聚合物中含有苯環(huán);PDOPA中1 650～1 700 cm－1處吸收峰(圖2c)可歸屬于羰基的特征吸收峰，由于酰胺基團(tuán)中氮原子的共軛作用，羰基的電子云移向碳氮，使羰基上的電子云密度降低，從而致使羰基頻率降低;PDOPA-g-PLA聚合物在3 300 cm－1左右羥基和羧基的特征吸收峰消失(圖2d)，說(shuō)明DOPA鏈中的羥基引發(fā)丙交酯的開環(huán)聚合;1 700 cm－1處強(qiáng)吸收峰歸屬于—COOR上的羰基吸收峰。因而，可以初步判斷成功制備PDOPA和梳狀接枝共聚物PDOPA-g-PLA。

圖2 FTIR譜圖Fig.2 FTIR spectra

2.1.21H NMR PDOPA-g-PLA 的1H NMR 見圖3。

圖3 PDOPA-g-PLA的1H NMR譜圖Fig.3 1H NMR spectrum of PDOPA-g-PLA

由圖3可知，1.60處的峰歸屬于乳酸單元中甲基的特征峰，5.11處的峰歸屬于乳酸單元中叔碳的質(zhì)子峰;2.97處的峰為DOPA單元Ar—CH2—中亞甲基的特征吸收峰，3.86處的峰為DOPA單元中與氮原子相連的次甲基所產(chǎn)生的質(zhì)子峰，6.67處應(yīng)歸屬于苯環(huán)上的特征質(zhì)子峰，說(shuō)明成功合成PDOPA-g-PLA聚合物。

2.1.3 DSC 將 PDOPA(TBDMS)2中的 TBDMS脫出后，GPC測(cè)試結(jié)果顯示，PDOPA的分子量約為2 000，DSC測(cè)試表明其熔點(diǎn)為237℃。改變DOPA與LA單元的摩爾比，可得到不同分子量與熱性能的共聚物，結(jié)果見表1。

由表1可知，當(dāng)PDOPA引發(fā)丙交酯開環(huán)聚合后，共聚物的分子量增加，且隨LA含量的增加而增大，說(shuō)明PDOPA可以作為大分子引發(fā)劑，用酚羥基開環(huán)丙交酯合成PLA鏈段。但當(dāng)LA的含量增加至100時(shí)，分子量并沒有明顯增大，可能是由于DOPA中鄰近兩個(gè)酚羥基都引發(fā)LA后形成的空間位阻較大且羥基活性降低，從而難于進(jìn)一步引發(fā)更多的LA聚合。DSC結(jié)果顯示，聚合物的熔點(diǎn)比PLA均聚物的高(TmPLA162℃)，且隨著LA含量的增加而增大，說(shuō)明PDOPA的存在可以提高PLA的熔點(diǎn)。

表1 PDOPA-g-PLA的性能表征Table 1 Characterizations of PDOPA-g-PLA polymers

2.2 聚合物的溶解性

PDOPA、PLA均聚物以及不同LA含量的PDOPA-g-PLA接枝聚合物的溶解性見表2。

由表2可知，PDOPA不溶于水，幾乎能溶于所有常見的極性有機(jī)溶劑中，這種良好的溶解性可能是由于PDOPA中存在酚羥基和酰胺鍵;PLA除了在氯仿和DMF中具有較好的溶解性外，在其他的有機(jī)溶劑和水中的溶解性較差。PDOPA-g-PLA接枝共聚物［n(PDOPA)∶n(LA)=1∶20］，溶解性與 PDOPA相似，能溶解于乙醇、丙酮等常見的極性有機(jī)溶劑中，是因?yàn)楣簿畚镏幸肓缩０锋I，改變了共聚物的結(jié)構(gòu)，但不同LA含量的PDOPA-g-PLA接枝共聚物的溶解性相差不大。

表2 聚合物的溶解性Table 2 Solubilities of polymers

2.3 聚合物的表面浸潤(rùn)性

將共聚物在熔融狀態(tài)下壓制成膜，對(duì)其表面的浸潤(rùn)性用光學(xué)接觸角儀(CA)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見圖4。

圖4 PDOPA-g-PLA光學(xué)接觸角照片F(xiàn)ig.4 Contact angle photographs of PDOPA-g-PLA

由圖4可知，PLA膜的接觸角約為79.6°，隨著LA含量的增加，共聚物膜表面的接觸角隨著增加;當(dāng)n(PDOPA)∶n(LA)＞1∶20時(shí)，其接觸角增大至92°以上，為疏水界面狀態(tài)。這是由于 PDOPA-g-PLA聚合物中存在大量的疏水鏈段和剛性基團(tuán)，導(dǎo)致聚合物膜表面的疏水性增強(qiáng)。

2.4 聚合物的熱穩(wěn)定性

PDOPA-g-PLA的熱失重曲線見圖5。

圖5 PDOPA-g-PLA的熱失重曲線Fig.5 TGA curves of PDOPA-g-PLA

由圖5可知，PLA均聚物在310℃下開始分解(以此溫度為分解溫度)，PDOPA-g-PLA共聚物在360℃開始分解，且隨著LA含量的不同，熱分解溫度并沒有發(fā)生多大改變;當(dāng)溫度達(dá)到420℃時(shí)，共聚物的質(zhì)量基本保持不變，說(shuō)明共聚物具有比PLA更優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。這是因?yàn)镻LA接入PDOPA后，在共聚物中引入了一定量的苯環(huán)，苯環(huán)的剛性使PDOPA-g-PLA的熱穩(wěn)定性提高。

2.5 聚合物的力學(xué)性能

將不同投料比的聚合物膜(膜厚3 mm)用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)做拉伸測(cè)定，拉伸速度為5 mm/min，結(jié)果見表1。

由表1可知，PLA均聚物的拉伸強(qiáng)度約為0.45 MPa，PDOPA-g-PLA聚合物膜的拉伸強(qiáng)度比PLA的大，隨著LA鏈段(即分子量)的增加而增加;當(dāng)n(PDOPA)∶n(LA)=1∶100時(shí)，拉伸強(qiáng)度可達(dá)1.04 MPa，為PLA的2倍以上。這是由于隨著共聚物中PDOPA鏈段的加入，剛性基團(tuán)的存在使聚合物的強(qiáng)度增加。

2.6 聚合物的降解行為

將定量的聚合物薄膜(20 mm×10 mm×1 mm)投進(jìn)裝有30 mL 0.01 mol/L的NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液中，于37℃恒溫槽中進(jìn)行降解實(shí)驗(yàn)。每天用移液管取2 mL降解溶液，用0.01 mol/L鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行滴定(酚酞指示劑)，測(cè)定降解液中NaOH溶液濃度，結(jié)果見圖6。

圖6 聚合物的降解液中cNaOH隨天數(shù)的變化Fig.6 Curve of ln［cNaOH ×104(mol/L)］vs.time of degradation of polymer

由圖6可知，PDOPA的降解速度較快，約2 d后，降解液中的離子濃度不再變化，說(shuō)明基本降解完全。PLA的降解速度相對(duì)較慢，隨著降解時(shí)間的延長(zhǎng)，降解液中的離子濃度緩慢減少，降解7 d后，離子濃度約為原來(lái)的1倍;PDOPA-g-PLA接枝聚合物也具有一定的降解性，并且聚合物的降解與相對(duì)分子質(zhì)量有較大的關(guān)系，低相對(duì)分子質(zhì)量的聚合物降解相對(duì)較快。相同質(zhì)量的聚合物膜，相對(duì)分子質(zhì)量小的聚合物中有更多數(shù)目的聚乳酸分子鏈，從而有更多分子末端的降解活性點(diǎn)，進(jìn)而有更快的降解速度。而且，相對(duì)分子質(zhì)量相同的PDOPA-g-PLA和PLA梳狀聚合物，PDOPA-g-PLA降解速度更快一些，因?yàn)镻DOPA在堿性環(huán)境下更容易降解。

3 結(jié)論

對(duì)3，4-二羥基苯丙氨酸(DOPA)的2個(gè)酚羥基經(jīng)保護(hù)、縮合聚合、酚羥基脫保護(hù)，制備了側(cè)基含有酚羥基的PDOPA;將PDOPA作為大分子引發(fā)劑，引發(fā)丙交酯開環(huán)聚合，制得了PDOPA-g-PLA梳狀接枝聚合物，具有比PLA均聚物更優(yōu)異的性能，能溶解于大部分常見的有機(jī)溶劑，具有較高的熱分解溫度(360℃)，且具有優(yōu)異的力學(xué)性能和降解性。

［1］Zhu Rui，Liu Hongzhi，Zhang Jinwen.Compatibilizing effects of maleated poly(lactic acid)(PLA)on properties of PLA/soy protein composites［J］.Ind Eng Chem Res，2012，51:7786-7792.

［2］Phillip Hanefeld，Ullrich Westedt，Ralf Wombacher，et al.Coating of poly(p-xylylene)by PLA-PEO-PLA triblock copolymers with excellent polymer-polymer adhesion for stent applications［J］.Biomacromolecules，2006，7:2086-2090.

［3］Nadine Tenn，Nadege Follain，Jerémie Soulestin，et al.Effect of nanoclay hydration on barrier properties of PLA/montmorillonite based nanocomposites［J］.J Phys Chem C，2013，117:12117-12135.

［4］Zhao Haibin，Cui Zhixiang，Sun Xiaofei，et al.Morphology

and properties of injection molded solid and microcellular polylactic acid/polyhydroxybutyrate-valerate(PLA/PHBV)blends［J］.Ind Eng Chem Res，2013，52:2569-2581.

［5］Saara Inkinen，Minna Hakkarainen，Ann-Christine Albertsson，et al.From lactic acid to poly(lactic acid)(PLA):Characterization and analysis of PLA and its precursors［J］.Biomacromolecules，2011，12:523-532.

［6］甄光明.生物降解塑料聚乳酸及其工業(yè)應(yīng)用［J］.新材料產(chǎn)業(yè)，2009(8):36-41.

［7］Yano H，Sugiyama J，Nakagaito A N.Optically transparent composites reinforced with networks of bacterial nanofibers［J］.Adv Mater，2005，17:153-155.

［8］Bruce P Lee，Jeffrey L Dalsin，Phillip B Messersmith.Synthesis and gelation of DOPA-modified poly(ethylene glycol)hydrogels［J］.Biomacromolecules，2002，3:1038-1047.

［9］Teruo Fukuda，Yasushi Maeda，Hiromi Kitano.Stereoselective inclusion of DOPA derivatives by a self-assembled monolayer of thiolated cyclodextrin on a gold electrode［J］.Langmuir，1999，15:1887-1890.

［10］Pieter Samyn，Jurgen Ruhe，Markus Biesalski.Polymerizable biomimetic vesicles with controlled local presentation of adhesive functional DOPA groups［J］.Langmuir，2010，26(11):8573-8581.

［11］Ali Babaei，Mitra Babazadeh.Multi-walled carbon nanotubes/chitosan polymer composite modified glassy carbon electrode for sensitive simultaneous determination of levodopa and morphine［J］.Anal Methods，2011，3:2400-2405.

［12］Lígia Pereira Bré，Zheng Yu，Ana Paula Pêgo，et al.Taking tissue adhesives to the future:From traditional synthetic to new biomimetic approaches［J］.Biomater Sci，2013，1:239-253.

［13］Lin Yenlin，Gao Jiali.Internal proton transfer in the external pyridoxal 5’-phosphate Schiff base in DOPA decarboxylase［J］.Biochemistry，2010，49:84-94.

［14］Mary J Sever，Jonathan J Wilker.Synthesis of peptides containing DOPA(3，4-dihydroxyphenylalanine)［J］.Tetrahedron，2001，57:6139-6146.

［15］Jeffrey L Dalsin，Lin Lijun，Samuele Tosatti.Protein resistance of titanium oxide surfaces modified by biologically inspired mPEG-DOPA［J］.Langmuir，2005，21:640-646.