石朔，顧林，楊義滸，余海斌，陳銳，肖湘蓮，邱軍

1 中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所，浙江 寧波　315201

2 中國科學技術(shù)大學 納米科學技術(shù)學院，江蘇 蘇州　215123

3 深圳光華偉業(yè)股份有限公司，廣東 深圳　518057

4 孝感市易生新材料有限公司，湖北 孝感　432100

研究報告

聚乳酸基熱固性聚氨酯及其形狀記憶性能

石朔1，2，顧林1，楊義滸3，余海斌1，陳銳4，肖湘蓮3，邱軍3

1 中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所，浙江 寧波315201

2 中國科學技術(shù)大學 納米科學技術(shù)學院，江蘇 蘇州215123

3 深圳光華偉業(yè)股份有限公司，廣東 深圳518057

4 孝感市易生新材料有限公司，湖北 孝感432100

石朔，顧林，楊義滸，等. 聚乳酸基熱固性聚氨酯及其形狀記憶性能. 生物工程學報，2016，32（6）: 831-838.

Shi S，Gu L，Yang YH，et al. Synthesis and characterization of polylactide-based thermosetting polyurethanes with shape memory properties. Chin J Biotech，2016，32（6）: 831-838.

通過聚乳酸二元醇和聚乳酸-聚己內(nèi)酯共聚物二元醇與六亞甲基二異氰酸酯 （HDI）三聚體交聯(lián)反應合成了一系列生物基熱固性聚氨酯 （Bio-PUs）。利用傅里葉紅外 （FTIR）、差示掃描量熱分析 （DSC）、熱失重分析 （TGA）、萬能拉伸機和細胞毒性等測試方法對獲得的聚乳酸基聚氨酯進行了表征。結(jié)果表明，與聚乳酸二元醇相比，聚乳酸-聚己內(nèi)酯共聚物二元醇降低了生物基熱固性聚氨酯的玻璃化溫度 （Tg），提高了熱固性聚氨酯的熱穩(wěn)定性；且聚乳酸-聚己內(nèi)酯型聚氨酯的力學性能和形狀記憶性能更為優(yōu)異。其中，聚乳酸-聚己內(nèi)酯共聚物二元醇分子量為3 000時得到的熱固性聚氨酯 （Bio-PU2-3000）的楊氏模量為277.7 MPa，伸長率為230%；聚乳酸-聚己內(nèi)酯共聚物二元醇分子量為1 000得到的熱固性聚氨酯 （Bio-PU2-1000）在人體體溫下的形變回復時間僅為93 s。另外，通過顯微鏡觀察到細胞在含聚乳酸基熱固性聚氨酯的培養(yǎng)液中生長狀態(tài)良好，表明制備得到的生物基聚氨酯無細胞毒性。

聚乳酸二元醇，聚乳酸-聚己內(nèi)酯共聚物二元醇，熱固性聚氨酯，形狀記憶，細胞毒性

Chinese Journal of Biotechnology

http://journals.im.ac.cn/cjbcn

June 25，2016，32（6）: 831-838

?2016 Chin J Biotech，All rights reserved

隨著石油資源的日益減少以及人們環(huán)保意識的不斷增強，用可再生的生物資源取代石油化學品來制備高分子材料已逐漸成為人們研究的熱點［1-4］。淀粉、纖維素、半纖維素等生物質(zhì)由于溶解性差很難被直接使用，但可以利用這些生物質(zhì)發(fā)酵來制備生物基單體，生物基單體再通過聚合反應獲得高分子材料［5-8］。其中，聚乳酸 （PLA）是以淀粉等發(fā)酵的乳酸為原料化學合成的一類高分子材料［9-12］，其具有完全生物降解、良好生物相容性、可再生等特點，在自然界的微生物等作用下可完全分解、最終分解為CO2和水，能夠?qū)崿F(xiàn)生態(tài)平衡循環(huán)［13-18］。

在全球范圍內(nèi)，調(diào)研了其中80個生產(chǎn)可降解塑料或者共混物的單位，這80家單位中大約有20%的公司正在生產(chǎn)PLA相關的塑料材料。然而，高分子量的PLA仍存在一些局限性：1）PLA合成要求單體純度高、工藝復雜、反應過程控制精度高，導致其高成本［19-20］；2）PLA抗沖性差、柔性差、耐熱性差、易水解［21-24］；3）PLA品種單一，產(chǎn)品變化小，限制了其應用領域?；谏鲜鲈?，我們開發(fā)了低酸值、低殘留的PLA及其共聚多元醇，并實現(xiàn)了工業(yè)化中試生產(chǎn)。獲得的PLA及其共聚多元醇，可以作為下游聚氨酯行業(yè)的生物基多元醇原料，運用靈活的化學反應，能夠獲得一系列高性能聚乳酸基聚氨酯材料［25-26］。

本文利用中試產(chǎn)品聚乳酸二元醇和聚乳酸-聚己內(nèi)酯共聚物二元醇與HDI三聚體反應制備聚乳酸基熱固性聚氨酯，系統(tǒng)地研究聚乳酸二元醇與聚乳酸-聚己內(nèi)酯共聚物二元醇的結(jié)構(gòu)對獲得的熱固性聚氨酯熱性能、力學性能、形狀記憶性能和生物性能的影響。由于所獲得的聚乳酸基熱固性聚氨酯是無毒、可降解的生物基材料，因此這些研究將為其在生物醫(yī)學上的應用打下基礎。

1　材料與方法

1.1原料

實驗原料見表1。其中，聚乳酸基二元醇包括聚乳酸二元醇 （PLA1000）和聚乳酸聚己內(nèi)酯共聚二元醇 （co-PLA1000，2000，3000）。

1.2形狀記憶聚乳酸基熱固性聚氨酯的制備

準確稱量5 g聚乳酸基二元醇和30 g THF于燒杯中，適當加熱攪拌促進二元醇的溶解，待溶解完全呈透明狀后，加入一定量的HDI三聚體 （NCO/OH摩爾比為1.05∶1，具體見表2）和少量SnOct2，攪拌2 min后將溶液緩慢倒入事先放置水平的聚四氟乙烯模具內(nèi)，在室溫下放置48 h，然后在80 ℃下放置2 d，進行進一步的固化交聯(lián)。

表1　實驗原料Table 1　Reagents of the experiment

圖1　聚乳酸基熱固性聚氨酯制備反應示意圖Fig. 1　Reaction scheme for preparing Bio-PUs.

表2　聚乳酸基熱固性聚氨酯原料配比Table 2　The proportion of raw materials

1.3測試與表征

1.3.1FTIR分析

采用Nicolet 6700 傅里葉變換紅外光譜儀（Thermo Fisher Scientific）。利用全反射紅外進行測試。

1.3.2DSC分析

采用Diamond差示掃描量熱儀（PerkinElmer）。在氮氣氛圍下，從-30 ℃升到180 ℃，升溫速率10 ℃/min，再以50 ℃/min降至-30 ℃，然后以10 ℃/min升至180 ℃。

1.3.3TGA分析

采用Diamond熱重儀 （PerkinElmer）。在氮氣氛圍下，以20 ℃/min從室溫升至600 ℃。

1.3.4力學性能測試

采用Instron5567萬能拉伸機 （Instron）。在25 ℃下，以100 mm/min的拉伸速率進行測試。

1.3.5細胞毒性測試

將聚乳酸基熱固性聚氨酯分別放入去離子水和75%的乙醇中超聲消毒30 min后，將樣品浸沒在EMEM培養(yǎng)基 （含10%胎牛血清、1%青霉素和1%鏈霉素的α-MEM）中，然后在95%濕度、5%CO2、20%O2、37 ℃的細胞培養(yǎng)條件下培育72 h。將2×105個人骨髓間充質(zhì)干細胞（hMSCs）種植在24 孔板的每個孔中。在提取物中培養(yǎng)一段時間 （1 d、3 d）后通過細胞增殖來檢測細胞活力，并與純細胞培養(yǎng)液中細胞活力作比較。具體為：將50 μL的細胞增殖檢測劑添加到培養(yǎng)板的每個孔中，在暗處培養(yǎng)4 h后測量在562 nm下的吸光度。每組實驗進行4個獨立樣本測試。

2　結(jié)果與分析

2.1聚乳酸基熱固性聚氨酯的合成及結(jié)構(gòu)分析

形狀記憶聚乳酸基熱固性聚氨酯的制備如圖1所示。對獲得的聚乳酸基熱固性聚氨酯進行了全反射傅里葉紅外光譜表征，結(jié)果見圖2。

在圖2中，1 752 cm-1處強吸收峰為聚乳酸基二元醇中酯鍵C=O的特征吸收峰，1 093 cm-1和1 184 cm-1處較強的吸收峰為酯鍵結(jié)構(gòu)中v（C（O）-O）和v（O-C）的伸縮振動峰。1 393 cm-1和1 360 cm-1處的峰為甲基的對稱彎曲振動的吸收峰，1 452 cm-1處的峰為亞甲基和甲基的反對稱彎曲振動的吸收峰，2 872 cm-1和2 948 cm-1處為甲基、亞甲基和次甲基的伸縮振動吸收峰。而在3 500 cm-1附近的-OH吸收峰基本消失。另外，3 345 cm-1附近較寬而弱的吸收峰為-N-H的特征伸縮振動吸收區(qū)域，1 534 cm-1較弱的吸收區(qū)域為-C-N的對稱彎曲振動吸收區(qū)域。且1 690 cm-1處峰為氨基甲酸酯中C=O的吸收峰。這些結(jié)果表明聚乳酸基二元醇中的羥基與HDI三聚體發(fā)生了反應，最終形成了具有交聯(lián)結(jié)構(gòu)的熱固性聚氨酯。

圖2　聚乳酸基熱固性聚氨酯的FTIR光譜Fig. 2　FTIR spectra of Bio-PUs.

2.2熱性能

DSC分析是研究聚合物的微觀相分離、玻璃化轉(zhuǎn)變、熔融轉(zhuǎn)變和結(jié)晶轉(zhuǎn)變等常見的手段。為此，我們對所合成的聚乳酸基熱固性聚氨酯材料進行了DSC分析。圖3為聚乳酸基熱固性聚氨酯的DSC曲線，相應的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg歸納在表3中。

圖3　聚乳酸基熱固性聚氨酯的DSC曲線Fig. 3　DSC curves of Bio-Pus.

表3　聚乳酸基熱固性聚氨酯的熱性能Table 3　Thermal properties of Bio-PUs

由圖3可知，所獲得的聚乳酸基熱固性聚氨酯材料有一個較為明顯的Tg，但沒有熔融峰或結(jié)晶峰。這表明所獲得的聚乳酸基熱固性聚氨酯材料為無定型非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。其中，Bio-PU2-1000、Bio-PU2-2000和Bio-PU2-3000的Tg分別為24.1 ℃、18.1 ℃和14.5 ℃，可以看出，隨著聚乳酸-聚己內(nèi)酯二元醇分子量的增加制備得到的聚氨酯的Tg降低。這主要是由于隨著聚乳酸-聚己內(nèi)酯二元醇含量的增加，制備得到的聚氨酯的交聯(lián)密度減小，而相應的硬段含量減少。另外，由聚乳酸-聚己內(nèi)酯型聚氨酯的Tg比聚乳酸聚氨酯的Tg要低的多，這主要是由于己內(nèi)酯無規(guī)共聚到聚乳酸二元醇的分子鏈上，有效地降低了聚乳酸二元醇的Tg，從而也降低了所制備的聚氨酯的Tg。

圖4　聚乳酸基熱固性聚氨酯的TGA曲線Fig. 4　TGA curves of Bio-PUs.

圖4是聚乳酸基熱固性聚氨酯的TGA曲線，相關的結(jié)果見表3。聚乳酸基熱固性聚氨酯的5%熱失重溫度 （T5%）在202.6-240 ℃之間。其中，Bio-PU1-1000的T5%的溫度為202.6 ℃，而Bio-PU2-1000的T5%的溫度為237.6 ℃。另外，這2個聚氨酯最快熱失重溫度Tmax相接近?？梢钥闯?，聚乳酸-聚己內(nèi)酯型聚氨酯表現(xiàn)的熱性能較之與聚乳酸型聚氨酯更為優(yōu)異，這說明己內(nèi)酯的引入提高了熱固性聚乳酸基聚氨酯的熱穩(wěn)定性。

2.3力學性能

聚乳酸基聚氨酯作為一種潛在的醫(yī)用材料，研究其力學性能對其在臨床醫(yī)學上的應用非常重要。采用萬能拉伸機對制備得到的聚乳酸基熱固性聚氨酯材料進行力學性能測試。圖5為聚乳酸基熱固性聚氨酯的應力-應變曲線，所有樣品的拉伸強度 （σb）、楊氏模量 （E）以及斷裂伸長率 （εb）歸納在表4中。

圖5　聚乳酸基熱固性聚氨酯的應力-應變曲線Fig. 5　Stress-strain curves of Bio-PUs.

表4　聚乳酸基熱固性聚氨酯的機械性能Table 4　Mechanical Properties of Bio-PUs

由于聚乳酸基熱固性聚氨酯材料均具有交聯(lián)結(jié)構(gòu)，因此其機械性能很好，都呈現(xiàn)出較高的楊氏模量、斷裂強度和拉伸強度。由表4可以看出，隨著聚氨酯鏈中聚乳酸-聚己內(nèi)酯二元醇分子量的增加，材料的楊氏模量和斷裂強度呈逐漸增大趨勢，斷裂伸長率也呈逐漸增加趨勢，這主要是由于隨著聚氨酯內(nèi)聚乳酸-聚己內(nèi)酯二元醇分子量的增加，降低了熱固性聚氨酯的交聯(lián)密度，同時由于聚酯鏈的剛性等綜合因素造成。其中，Bio-PU2-3000力學性能最好，E、σb、εb分別為277.1 MPa、26.7 MPa和230.0%。

2.4形狀記憶性能

為了測定聚乳酸基熱固性聚氨酯材料的形變回復時間，利用攝像機連續(xù)拍攝材料在一定溫度下的形狀變化過程。

圖6和7是聚乳酸基熱固性聚氨酯材料在人體體溫 （37 ℃）下由彎曲狀態(tài)回復到初始狀態(tài)的形變回復過程。Bio-PU1-1000在155 s內(nèi)回復到了原來的形狀，而Bio-PU2-1000回復到了原來的形狀僅需93 s。這說明所獲得的聚乳酸基熱固性聚氨酯中引入柔性的聚己內(nèi)酯鏈段能夠縮短回復時間，從而具有更好的形狀記憶性能。

2.5細胞毒性

圖6　Bio-PU1-1000的形狀記憶性能Fig. 6　The shape memory behavior of Bio-PU1-1000.

圖7　Bio-PU2-1000的形狀記憶性能Fig. 7　The shape memory behavior of Bio-PU2-1000.

細胞毒性結(jié)果見圖8。從圖8可以看出，Bio-PU1-1000和Bio-PU2-1000的OD值與空白相接近，表明它們之間的細胞活力基本一致。并且根據(jù)單因素方差分析，各組OD值直接無顯著性差。同時通過顯微鏡觀察到細胞在含聚乳酸基熱固性聚氨酯的培養(yǎng)液中生長狀態(tài)良好，這表明聚乳酸基熱固性聚氨酯材料對人骨髓間充質(zhì)干細胞未表現(xiàn)出毒性。

圖8　聚乳酸基熱固性聚氨酯的細胞毒性分析Fig. 8　Cytotoxicity of Bio-PUs examined.

3　結(jié)論

通過聚乳酸二元醇和聚乳酸-聚己內(nèi)酯共聚物二元醇與HDI三聚體交聯(lián)反應制備了一系列生物基熱固性聚氨酯，這些聚乳酸基熱固性聚氨酯具有優(yōu)良的熱性能、機械性能、形狀記憶功能和生物性能。聚乳酸基熱固性聚氨酯的Tg在14.5-37.7 ℃之間，耐熱溫度高于200 ℃，楊氏模量高達277.7 MPa，斷裂伸長率達230%，在人體體溫下形狀回復時間可小于100 s，且無細胞毒性。另外，與聚乳酸型聚氨酯相比，聚乳酸-聚己內(nèi)酯型聚氨酯的Tg更低，熱穩(wěn)定性更好，機械性能更良，形狀記憶性更優(yōu)。

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（本文責編郝麗芳）

January 8，2016； Accepted: April 19，2016

s: Lin Gu. Tel: +86-574-87603879； E-mail: gulin@nimte.ac.cn

Synthesis and characterization of polylactide-based thermosetting polyurethanes with shape memory properties

Shuo Shi1,2, Lin Gu1, Yihu Yang3, Haibin Yu1, Rui Chen4, Xianglian Xiao3, and Jun Qiu3

1 Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering，Chinese Academy of Sciences，Ningbo 315201，Zhejiang，China
2 School of Nano Science and Technology，University of Science and Technology of China，Suzhou 215123，Jiangsu，China
3 Shenzhen Esun Industrial Co.，LTD，Shenzhen 518057，Guangdong，China
4 Xiaogan Esun Industrial Co.，LTD，Xiaogan 432100，Hubei，China

A series of bio-based thermosetting polyurethanes （Bio-PUs）were synthesized by the crosslinking reaction of polylactide and its copolymers diols with hexamethylene diisocyanate （HDI）trimer. The obtained Bio-PUs were characterized by Fourier Transform Infrared Spectroscopy （FTIR），Differential Scanning Calorimetry （DSC），Thermal Gravimetric Analysis （TGA），universal tensile testing machine and cytotoxicity test. Results indicate that the PLA copolymer （P（LA-co-CL））diols reduced the glass transition temperature （Tg）of Bio-PUs and improved their thermal stability，compared with PLA diols. The Bio-PUs synthesized from P （LA-co-CL）diols exhibit better mechanical performance and shape memory properties. Especially，Young modulus and elongation at break of the obtained Bio-PUs were 277.7 MPa and 230% respectively； the shape recovery time of the obtained Bio-PUs at body temperature was only 93 s. Furthermore，alamar blue assay results showed that the obtained Bio-PUs had no cell toxicity.

polylactide，poly（lactide-co-caprolactone），polyurethane，shape memory，cytotoxicity

10.13345/j.cjb.160014

Supported by: National Natural Science Foundation of China （No. 21404112），Ningbo Natural Science Foundation （No. 2015A610016），and Ningbo Key Scientific and Technological Project （No. 2014B10023）.

Yihu Yang. Tel: +86-755-26031978； E-mail: bright@brightcn.net

國家自然科學基金 （No. 21404112），寧波市自然科學基金 （No. 2015A610016），寧波市重點工業(yè)項目 （No. 2014B10023）資助。