左永康, 宋肄業(yè), 楊宏軍, 黃文艷, 薛小強(qiáng), 蔣其民, 江 力, 蔣必彪,

(1. 江蘇省綠色環(huán)保重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 常州大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 江蘇 常州 213164;2. 常州大學(xué) 懷德學(xué)院, 江蘇 靖江 214500)

1 前 言

聚己內(nèi)酯(PCL)具有良好的生物相容性、降解性能、藥物通透性能和力學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于降解包裝、醫(yī)療器械和藥物控釋系統(tǒng)等領(lǐng)域，是最重要的環(huán)境友好型材料之一[1-3]。但是，線型 PCL 結(jié)晶度較高、親水性較差導(dǎo)致其常溫下降解慢、降解效果不理想[4-8]。為克服這一缺陷，科學(xué)家提出兩種解決方案。第1 種為共聚[9-12]。例如，AHMED 等[12]報(bào)道的向PCL 中分別加入PEG 以及PLA 鏈段，成功賦予PCL更加優(yōu)良的生物相容性與降解性能；HOQUE 等[13]利用PEG-PCL-PLA 三嵌段共聚物成功構(gòu)建了具有可變機(jī)械強(qiáng)度和完全互聯(lián)多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的具有可控親水性和可降解性的3D 聚合物支架；SUN 等[14]制備出超薄微孔PCL/PLA 膜，并測試了其與神經(jīng)細(xì)胞和初級施旺細(xì)胞的相容性。其中聚乙二醇(PEG)具有獨(dú)特親水性及良好生物相容性，將PEG 引入PCL 中可在改善PCL 的親水性能的同時，有效提高聚合物的降解性能；聚丙交酯(PLA)具有良好的生物降解性能，能被人體新陳代謝排出，將丙交酯與ε-己內(nèi)酯(CL)共聚，不僅能保存PCL 優(yōu)良的藥物滲透性能，又能顯著提高聚合物材料的生物降解性能[12-14]。但是，多嵌段型共聚物制備過程復(fù)雜，較難通過一步法或一鍋法完成。第2 種改善PCL 降解性能的方法是在聚合物中引入多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。例如，在PCL 中引入支化結(jié)構(gòu)能有效地破壞其鏈規(guī)整性，降低其結(jié)晶度，從而提高降解性能[15-17]。HUSKIC 等[15]提出一種用PCL 和BH40 進(jìn)行接枝共聚的方法，可用于制備多臂星型PCL；宋肄業(yè)等[17]通過 CL 與甲基丙烯酸縮水甘油酯(GMA)共聚合成可降解大分子交聯(lián)劑并將其應(yīng)用于高內(nèi)相乳液聚合制備出可降解聚合物多孔材料；XU 等[16]同時使用RAFT 和SCVP 兩種聚合方式成功制備出結(jié)構(gòu)可控的超支化聚己內(nèi)酯。這些合成方法需引入特殊結(jié)構(gòu)的第二單體共聚，其制備過程繁瑣。為此，本文以CL、二丙烯酸新戊二醇酯(NPGDA)和乙醇胺(MEA)為原料，一鍋法制備了以己內(nèi)酯為主要結(jié)構(gòu)單元的支化聚酯醚。所得共聚物中同時存在酯鍵、氨基、醚鍵等多種反應(yīng)性基團(tuán)和支化結(jié)構(gòu)，不僅賦予了聚合物多樣的功能性，同時聚合物的支化結(jié)構(gòu)能破壞聚合物的鏈規(guī)整性，降低聚合物的結(jié)晶度，使聚合物具有較快的降解性能。

2 實(shí)驗(yàn)(材料與方法)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

乙醇胺(MEA)，97%，Aladdin；二丙烯酸新戊二醇酯(NPGDA)，＞ 89%(GC)，TCI，加入氫化鈣攪拌過夜，后經(jīng)過減壓蒸餾后使用，并在氮?dú)夥諊愣纫韵卤４?；?己內(nèi)酯(CL)，99%，Aladdin，加入氫化鈣攪拌過夜，后經(jīng)過減壓蒸餾后使用，并在氮?dú)夥諊愣纫韵卤４?；四氫呋?THF)，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；THF，＞ 99.9%，Sigma-Aldrich；正己烷，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；磷腈堿 t-BuP2，～2.0 mol·L-1in THF，Sigma-Aldrich。

2.2 聚合物的合成

在5 mL 圓底燒瓶內(nèi)加入MEA (0.029 mL, 0.486 mmol)，NPGDA (0.150 mL, 0.729 mmol)，CL (0.778 mL，7.287 mmol)，無水級THF，“冷凍-抽真空-解凍”循環(huán)3 次后，用氬氣置換體系內(nèi)殘余氣體3 次后密封，將其置于25 ℃ 恒溫油浴鍋中，經(jīng)橡膠塞用微量進(jìn)樣器加入t-BuP2(24.290 μL, 0.049 mmol) 進(jìn)行聚合反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后，加入少量稀HCl 終止，并用THF 稀釋，正己烷中沉淀，烘干后得到透明黏稠或膏狀聚合物。

2.3 分析和表征

采用Waters 1515 三檢測凝膠滲透色譜儀(triple detection gel permeation chromatography, TD-SEC)在35 ℃下對聚合物的分子量及分子量分布(PDI)進(jìn)行表征。標(biāo)樣為窄分子量聚苯乙烯，流動相為 THF，流量為 1.0 mL·min-1，色譜分離柱為 4 柱串聯(lián)(型號分別為：Styagel HR1THF 7.8 mm ×300 mm，Styagel HR3THF 7.8 mm ×300 mm，Styagel HR4THF 7.8 mm ×300 mm 和 Styagel HR5THF 7.8 mm ×300 mm)，搭配 Waters 2414 示差折光檢測器(refractive index detector，RI)、Wyatt 公司黏度檢測器(ViscoStar-II viscometer)和Wyatt 公司多角度光散射檢測器(MALLS，DAWN HELEOS-II) 3 個檢測器。

采用Bruker ARX-400 核磁共振波譜儀(nuclear magnetic resonance spectroscopy, NMR)對樣品結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。其靈敏度 ＞ 100，分辨率 ＜ 0.2 Hz。本實(shí)驗(yàn)中核磁共振氫譜使用氘帶氯仿(CDCl3)作為溶劑，內(nèi)標(biāo)為四甲基硅烷(TMS)，工作頻率為400 MHz，磁場強(qiáng)度為7.05 T，常溫測試。

采用DSC6000 差示掃描量熱儀(differential scanning calorimeter, DSC)測量聚合物的熱性能。DSC 類型為表面覆蓋氧化鋁的輕質(zhì)爐體，采用熱流式設(shè)計(jì)，傳感器為鎳鉻合金樣品平臺，冷卻附件為制冷或循環(huán)裝置，標(biāo)配雙路數(shù)字質(zhì)量流量控制器，掃描速率為升溫20 ℃·min-1，掃描范圍為 -60～120 ℃。聚合物的結(jié)晶度由其熔融焓與100% 結(jié)晶聚己內(nèi)酯的熔融焓(139.5 J·g-1)的比值所得。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 支化聚酯醚的合成及表征

膦腈堿t-BuP2為非質(zhì)子強(qiáng)堿，在理想情況下可同時催化MEA 上的氨基和羥基引發(fā)己內(nèi)酯的開環(huán)聚合反應(yīng)，形成含有羥基末端的星形聚己內(nèi)酯(A3)。此外，研究發(fā)現(xiàn) t-BuP2也能催化羥基與丙烯酸酯雙鍵的Michael 加成反應(yīng)[18-19]。因此，當(dāng)己內(nèi)酯的開環(huán)聚合體系中同時存在雙丙烯酸酯類單體(例如NPGDA)時，生成聚己內(nèi)酯的端羥基便能與雙丙烯酸酯(B2)的雙鍵發(fā)生Michael 加成反應(yīng)[18-20]，最終通過A3單體和B2單體的反應(yīng)，得到以己內(nèi)酯為主要結(jié)構(gòu)單元的支化聚酯醚，反應(yīng)如圖1 所示。為得到目標(biāo)產(chǎn)物，初定反應(yīng)配方摩爾比[MEA]/[CL]/[NPGDA]/[t-BuP2]為 10/100/10/1，反應(yīng)溫度為 25 ℃。 在氬氣氛圍中加MEA、CL、NPGDA 以及溶劑THF 于反應(yīng)瓶中，待體系混合均勻， 經(jīng)3 次“抽真空-充氬氣”步驟后加入催化劑t-BuP2。觀察反應(yīng)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)在加入t-BuP2之前，反應(yīng)體系黏度卻已經(jīng)開始緩慢上升。這是因?yàn)榧词乖跊]有催化劑的情況下，少量MEA 上的氨基能與NPGDA 的雙鍵發(fā)生Michael 加成反應(yīng)，生成一端含有羥基，兩端含有丙烯酸酯雙鍵的化合物(圖2 中AB2單體)。但是，這一反應(yīng)并不影響反應(yīng)產(chǎn)物的制備。這是因?yàn)榧簝?nèi)酯單體仍可由AB2單體的羥基引發(fā)，最終參與到聚合物中。實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了上述推斷，當(dāng)加入t-BuP2后，反應(yīng)體系變黃，己內(nèi)酯發(fā)生開環(huán)聚合反應(yīng)，體系黏度迅速上升，不到1 min 轉(zhuǎn)子就難以轉(zhuǎn)動。由1H-NMR 測得NPGDA 雙鍵轉(zhuǎn)化率以及CL 的轉(zhuǎn)化率分別高達(dá)96.9% 和96.2%。繼續(xù)反應(yīng)至6 h 后，在體系中加入HCl 終止反應(yīng)并對產(chǎn)物進(jìn)行純化和表征，獲得數(shù)均分子量與分子量分布分別為5.4×103g·mol-1和3.59 的支化聚合物。

圖1 由A3B2 結(jié)構(gòu)生成支化聚酯醚機(jī)理圖Fig.1 Mechanism of hyperbranched polyester ether synthesis from A3B2 structure

圖2 由AB2 結(jié)構(gòu)生成支化聚酯醚機(jī)理圖Fig.2 Mechanism of hyperbranched polyester ether synthesis from AB2 structure

圖3 給出了產(chǎn)物(h-PCL-1)的1H-NMR 圖譜。圖中，δ =4.00～4.13 (b)、δ = 2.26～2.40 (c)、δ = 1.52～1.74 (d)和δ =1.33～1.46 (e)分別對應(yīng)于聚合物中己內(nèi)酯結(jié)構(gòu)單元上的5 個亞甲基的氫質(zhì)子；δ = 0.86～1.02 (f)和δ = 3.82～3.95 (g)分別對應(yīng)于NPGDA 結(jié)構(gòu)單元上兩個甲基和兩個亞甲基的氫質(zhì)子；δ =3.66～3.72 與δ = 2.51～2.62 (a)對應(yīng)于NPGDA的雙鍵進(jìn)行Michael加成反應(yīng)后所生成的兩個亞甲基的氫質(zhì)子；δ = 2.97～3.77 (h)的峰全都對應(yīng)于MEA 結(jié)構(gòu)單元上兩個亞甲基的氫質(zhì)子；MEA 上-NH2的兩個氫都發(fā)生反應(yīng)形成后，其上與 O 原子臨近的亞甲基的峰會向低場偏移，出峰在δ = 4.39～4.45 (l)、δ = 4.46～4.56(m)和δ = 4.56～4.61 (n)處，這證明聚合物中存在支化結(jié)構(gòu)。核磁結(jié)果說明MEA、CL 和NPGDA 都參與了聚合反應(yīng)，生成了以己內(nèi)酯為主要結(jié)構(gòu)單元的支化聚酯醚。而且，對1H-NMR 圖譜積分表明聚合物中MEA、CL 和NPGDA 3 種結(jié)構(gòu)單元的摩爾比:1:9.93:1，與投料比接近。

圖3 h-PCL-1 的核磁氫譜圖Fig.3 1H-NMR spectrum of h-PCL-1([MEA]/[CL]/[NPGDA]/[ t-BuP2] = 10/100/10/1)

為表征聚合物的支化結(jié)構(gòu)，以乙二醇(EG)為引發(fā)劑，辛酸亞錫為催化劑，在120 ℃下合成了線型聚合物l-PCL-1 做對比。由SEC 測得其數(shù)均分子量為7.0×103g·mol-1，分子量分布為1.49。圖4 給出了示差折光檢測器測得的 h-PCL-1 和 l-PCL-1 流出時間曲線。從圖中可以看出 l-PCL-1 呈窄分布單峰，而h-PCL-1 則呈現(xiàn)較寬的分子量分布，這可能是由于h-PCL-1 中存在不同支化度的組分導(dǎo)致其分子量分布變寬。

圖4 示差折光檢測器測得的h-PCL-1 和l-PCL-1 流出時間曲線Fig.4 Profiles of efflux time of h-PCL-1 and l-PCL-1 measured by a refractive index detector

圖5 h-PCL-1 和l-PCL-1 的分子量與流出時間曲線Fig.5 Profiles of molecular weight and outflow time of h-PCL-1 and l-PCL-1

圖5 給出了由SEC 測得的聚合物h-PCL-1 和l-PCL-1 分子量與流出時間的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，在相同的流出時間，h-PCL-1 具有更高的分子量。例如，當(dāng)流出時間在28 min 時，l-PCL-1 的分子量為 1.48×104g·mol-1，而 h-PCL-1 的分子量為 5.82×104g·mol-1，為 l-PCL-1 分子量的 3 倍，這證明 h-PCL-1具有緊湊的支化結(jié)構(gòu)[21-22]。

圖6 給出了聚合物h-PCL-1 和l-PCL-1 的流體力學(xué)半徑與分子量的變化曲線。從圖中可以看出，與l-PCL-1 相比，在相同分子量下h-PCL-1 具有更小的流體力學(xué)半徑，這也證明h-PCL-1 具有支化結(jié)構(gòu)。此外，從圖中還可以看出隨著分子量的增加，h-PCL-1 和 l-PCL-1 兩者的流體力學(xué)半徑差距越明顯，說明h-PCL-1 的支化程度隨分子量的增加而增加。

圖6 h-PCL-1 和l-PCL-1 的流體力學(xué)半徑和分子量曲線Fig.6 Profiles of hydrodynamic radius and molecular weight of h-PCL-1 and l-PCL-1

圖7 h-PCL-1 和l-PCL-1 特性黏度隨重均分子量變化的Mark-Houwink 曲線Fig.7 Mark-Houwink curves of h-PCL-1 and l-PCL-1

圖7 分別給出了h-PCL-1 和l-PCL-1 的Mark-Houwink 曲線。從圖中可以看出，在相同的重均分子量下，h-PCL-1 的特性黏度始終比l-PCL-1 低，這是因?yàn)橹Щ酆衔铼?dú)特的緊密堆疊的分子結(jié)構(gòu)減少了分子間的相互纏結(jié)，從而降低了體系黏度，這也證明了h-PCL-1 確實(shí)具有支化結(jié)構(gòu)。同樣，從圖中還可以看出隨著重均分子量的變大，h-PCL-1 和l-PCL-1 的特性黏度差距越大。此外，Mark-Houwink([η]～Mα)曲線的斜率 α 可以用于推測聚合物的形狀。α 值越小，聚合物支化度越大，對于支化聚合物，α 在0.3～0.5[22]。圖中得出h-PCL-1 的α 值為0.46，遠(yuǎn)低于線型聚合物l-PCL-1 的α 值(0.69)，這一結(jié)果再次證明合成了以MEA 為支化結(jié)構(gòu)的聚酯醚[23]。

改變反應(yīng)條件研究表明，當(dāng)CL 的比例降低時(h-PCL-1 和 h-PCL-2，表1)所得聚合物Mark-Houwink參數(shù) α 變小，說明降低CL 的比例，有助于提高聚合物的支化度，并且當(dāng)其比例降低至10 倍于MEA時則極易交聯(lián)成膜(例如h-PCL-3 和h-PCL-4)，這也增加了其應(yīng)用價(jià)值。當(dāng)降低NPGDA 的含量時(h-PCL-5)，NPGDA 雙鍵轉(zhuǎn)化率增高，并且支化度也會隨之增加，而當(dāng)降低MEA 的含量時(h-PCL-6)，則雙鍵轉(zhuǎn)化率則會有所下降，并且支化程度變小，但因雙鍵殘留量多導(dǎo)致聚合物在反應(yīng)后期易于交聯(lián)。

表1 雜化共聚制備支化聚己內(nèi)酯Table 1 Preparation of branched polycaprolactone by hybrid copolymerization

3.2 支化聚酯醚的性能研究

以上研究結(jié)果證明MEA 可以引發(fā)NPGDA 和CL 進(jìn)行雜化共聚反應(yīng)生成支化聚酯醚。在此基礎(chǔ)上，本實(shí)驗(yàn)還對聚合物的熱性能進(jìn)行了研究。圖8 給出聚合物的差示掃描量熱儀(DSC)曲線。結(jié)果表明，降低CL 比例 (h-PCL-1、h-PCL-2 和h-PCL-3，表1)導(dǎo)致產(chǎn)物支化度增加，結(jié)晶溫度與結(jié)晶度降低。例如：線型聚己內(nèi)酯(l-PCL-2)的結(jié)晶溫度和結(jié)晶度分別為49.60 ℃ 和62.26%，而支化后的聚合物h-PCL-1 的結(jié)晶溫度和結(jié)晶度則分別為26.91 ℃ 和24.63%。當(dāng)產(chǎn)物過度反應(yīng)交聯(lián)后，則會顯示出無結(jié)晶的現(xiàn)象。從圖中還可以看出樣品l-PCL-2 和h-PCL-2 出現(xiàn)兩個熔融峰，這是因?yàn)榫酆衔镌诮Y(jié)晶過程中發(fā)生了不完善晶體的二次結(jié)晶。

圖8 h-PCL-1、h-PCL-2、h-PCL-3 和 l-PCL-2的DSC 曲線Fig.8 DSC curves of h-PCL-1, h-PCL-2,h-PCL-4 and l-PCL-1

圖9 h-PCL-5 和 l-PCL-2 的堿水降解曲線Fig.9 Profiles of alkaline degradation of h-PCL-5 and l-PCL-3

此外，本文還對數(shù)均分子量分別為2.4×103和2.8×103g·mol-1的支化聚酯醚(h-PCL-5)和線型聚己內(nèi)酯(l-PCL-3)的降解性能就行了研究。圖9 給出了聚合物在1% NaOH 水溶液中降解不同時間后聚合物的分子量變化曲線。從圖中可以看出，反應(yīng)48 h，h-PCL-5 的分子量減小了2.0×103g·mol-1，而l-PCL-3 的分子量僅減小了0.8×103g·mol-1。這是因?yàn)閔-PCL-5 不僅具有較低的結(jié)晶度還具有醚鍵增加了其親水性能，這賦予了它更加優(yōu)異的降解性能[11]。

4 結(jié) 論

(1) MEA 上的-NH2和-OH 的3 個活潑氫都可以被催化產(chǎn)生反應(yīng)，形成星狀聚酯醚。 其后再由NPGDA的雙鍵與活潑氫進(jìn)行邁克爾加成反應(yīng)將星狀聚酯醚相互連接組合生成支化聚酯醚。當(dāng) CL 與支化單體MEA 投料摩爾比為1:15 時獲得分子量為6.3×103g·mol-1，分子量分布為3.08 的支化聚合物。改變投料比，NPGDA 與CL 單體的轉(zhuǎn)化率皆可接近100%，聚合物中結(jié)構(gòu)單元的比例與投料比一致。

(2) 對聚合物的熱性能以及水降解性能進(jìn)行研究和表征，表明聚合物的結(jié)晶溫度與結(jié)晶度相比于線型聚己內(nèi)酯有著明顯的下降，當(dāng)CL 與支化單體MEA 投料摩爾比為1:10 時所獲得的聚合物結(jié)晶度僅為24.63%，而再進(jìn)一步增加支化單體 MEA 投料比時則聚合物會顯示無結(jié)晶現(xiàn)象直至交聯(lián)，且所合成的超支化聚酯醚在水中降解性能要明顯優(yōu)于線型聚己內(nèi)酯。

符號說明：

Conv.=— NPGDA 雙鍵轉(zhuǎn)化率，%

Mn.SEC— 數(shù)均分子量，g·mol-1

PDI — 分子量分布

Tm— 結(jié)晶溫度，℃

Xc— 結(jié)晶度，%

α — Mark-Houwink 參數(shù)