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異山梨醇酯的合成及其生物降解性能分析論文
聚磷酸酯是一類(lèi)新型生物可降解材料，該材料具有在生理?xiàng)l件下易降解、結(jié)構(gòu)易修飾和生物相容性好等特點(diǎn)[1 ~3]. 其降解產(chǎn)物主要是磷酸鹽和脂肪族二元醇，不含酸性降解產(chǎn)物，可避免體內(nèi)局部組織發(fā)生炎癥等副作用[4]. 聚磷酸酯被廣泛應(yīng)用于藥物釋放、基因載體和組織工程等生物醫(yī)藥領(lǐng)域[5 ~9].
從合成方法上看，醫(yī)藥用聚磷酸酯的合成大致可以分為開(kāi)環(huán)聚合法和溶液縮聚法[10]. 溶液縮聚法中廣泛使用雙酚 A 等含活性氫的化合物，但是雙酚 A 被認(rèn)定為內(nèi)分泌干擾物（ EDC,anendocrine-disrupting chemical） ,在生物體內(nèi)外具有類(lèi)雌性激素的作用[11 ~13]. 異山梨醇被認(rèn)為是雙酚 A 的潛在替代單體[14 ~16]. 異山梨醇是剛性、無(wú)毒的手性分子，能夠提高聚合物的玻璃化溫度、力學(xué)性能以及生物相容性等。 因此，研究異山梨醇的生物基材料具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，對(duì)工程應(yīng)用和生物醫(yī)用領(lǐng)域具有重要意義。 本文合成了異山梨醇聚磷酸酯，并研究了該新型聚磷酸酯的熱性能和生物降解性能。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1. 1 試劑與儀器
異山梨醇，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，乙酸乙酯重結(jié)晶后置于 35 ℃恒溫鼓風(fēng)干燥箱中干燥至恒重。 2-甲基四氫呋喃（ 2-MeTHF） ,上海晶純生化科技股份有限公司，干燥后使用。 苯膦酰二氯、磷酸鉀（ K3PO4） ,上海晶純生化科技股份有限公司，分析純，未經(jīng)處理直接使用。 二氯甲烷（ CH2Cl2） ,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，干燥后使用。 三乙胺（ triethylamine） 、正己烷，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，分析純，未經(jīng)處理直接使用。磷酸鹽緩沖液（ PBS） 和酶溶液參考文獻(xiàn)[17]制備。
凝膠滲透色譜儀（ GPC） 測(cè)定聚合物的 Mn、Mw以及分子量分布 PDI. GPC 由戴安 P680 泵、折光示差檢測(cè)器（ RI-101 Shodex） 和色譜分離柱（ MIXED-A） 組成。 柱溫和檢測(cè)器溫度設(shè)定為30 ℃ ,以四氫呋喃為流動(dòng)相，流速為 1. 0 mL /min,單分散線性聚苯乙烯用于測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)曲線。 核磁共振儀（ Bruker 400 MHz） 測(cè)定聚合物的1H-NMR、31P-NMR 圖譜，CDCl3作為溶劑，TMS 為內(nèi)標(biāo)。 傅里葉紅外光譜儀（ AVATAR360 Nicolet） 測(cè)定聚合物的分子結(jié)構(gòu)，采用溴化鉀壓片法制樣。
同步熱分析儀（ NETZSCH STA 409 PC） 測(cè)定聚合物的熱性能，氮?dú)夥諊�，�?10 K/min 的速率從20 ℃ 升至 600 ℃ . 利用掃描電子顯微鏡（ S-4700Hitachi） 觀察聚合物的外觀形貌。
1. 2 聚磷酸酯的合成
以二甲基對(duì)甲苯胺為引發(fā)劑，引發(fā)異山梨醇和苯膦酰二氯進(jìn)行縮聚反應(yīng)，制備異山梨醇聚磷酸酯，合成路線如示意圖 1 所示。 典型的合成方法是： 在帶有機(jī)械攪拌、冷凝管和恒壓漏斗的反應(yīng)器中加入異山梨醇（ 0. 1 mol） 、氯化氫吸附劑（ 磷酸三鉀或三乙胺，0. 1 mol） 、溶劑（ 2-甲基四氫呋喃或二氯甲烷，250 mL） ,滴加幾滴二甲基對(duì)甲苯胺。 將苯磷酰二氯（ 0. 1 mol） 與溶劑（ 2-甲基四氫呋喃或二氯甲烷，10 mL） 加入到恒壓漏斗中； 反應(yīng)器置于 0 ℃以下的環(huán)境中，慢慢滴加苯膦酰二氯溶液，并不斷攪拌； 滴加完畢后，慢慢升至常溫反應(yīng) 1 h; 然后繼續(xù)升溫至 90 ℃回流反應(yīng) 6 h 后，停止反應(yīng)。 其中所用溶劑都為干燥后的溶劑。 反應(yīng)結(jié)束后用正己烷沉淀 3 次，最后在40 ℃真空干燥箱中干燥 24 h,得到無(wú)色或淡黃色的固體。
1. 3 聚磷酸酯的生物降解
1. 3. 1 磷酸鹽緩沖液（ PBS） 的配制
稱取氯化鈉 24 g、氯化鉀 0. 6 g、磷酸二氫鉀0. 72 g、磷酸氫二鈉 10. 89 g 充分溶于 2. 5 L 蒸餾水中，稀釋至 3 L. 用高壓滅菌鍋在 130 ℃、0. 1MPa 下滅菌 30 min,自然冷卻后取出，用 NaOH 溶液定 pH 值為 7. 4,并重新定容至 3 L. 置于 0 ~4 ℃ 冰箱中備用。
1. 3. 2 酶溶液的配制
Novozym 435 是一種由 Candida antarctic 得到的固定化脂肪酶，耐熱性很高。 將 Novozym 435 用滅菌后的磷酸緩沖液（ PBS） 配制成 1. 2 mg/mL的酶溶液[17]. 樣品先精密稱重（ Wo） ,然后分別浸泡在裝有 35 mL 不同降解介質(zhì)的離心管中，放在37 ℃ 水浴搖床中，搖速 90 r / min. 再每 5 天將樣品取出并更換介質(zhì)，用流動(dòng)的蒸餾水反復(fù)沖洗，用濾紙吸干表面的水分立即稱濕重（ Wwet） ,然后減壓干燥 48 h 后稱干重（ Wdry） ,進(jìn)行失重考察。 聚酯的失重率和吸水率分別用以下公式計(jì)算：
2 結(jié)果與討論
2. 1 異山梨醇與苯膦酰二氯的聚合反應(yīng)
表 1 列出了異山梨醇與苯膦酰二氯聚合反應(yīng)的典型結(jié)果，可以看出異山梨醇和苯基磷酰二氯在有溶劑和無(wú)溶劑下發(fā)生了如示意圖 1 所示的聚合反應(yīng)，制備了重均分子量在 2. 0 × 104到 6. 0 ×104的異山梨醇聚磷酸酯。
從表 1 還可以看出在無(wú)溶劑條件下，分子量較低，這是由于在反應(yīng)過(guò)程中分子鏈之間的接觸不充分，不易進(jìn)一步形成長(zhǎng)鏈。 而且由于無(wú)溶劑條件下聚合反應(yīng)受熱不均導(dǎo)致聚合物鏈增長(zhǎng)速率相差較大，從而導(dǎo)致分子量分布較廣。 在有溶劑的條件下，合成所得聚合物分子量較高。 而且當(dāng)溶劑為 2-甲基四氫呋喃時(shí)，聚合物分子量更高一些，達(dá)到 6. 0 × 104. 2-甲基四氫呋喃被認(rèn)為是“綠色”溶劑，可用于替代二氯甲烷，該合成方法也被認(rèn)為是綠色合成方法[18]. 反應(yīng)過(guò)程中當(dāng)用無(wú)水磷酸鉀作為氯化氫的中和劑時(shí)，得到的聚合物分子量較高，這是因?yàn)闊o(wú)水磷酸鉀吸附氯化氫的效果更好。 另外其在清除氯化氫的過(guò)程中沒(méi)有產(chǎn)生水或其他有毒的副產(chǎn)物（ K3PO4+ HCl = KCl +K2HPO4）[19],得到的聚酯為無(wú)色的。 而用三乙胺時(shí)得到的聚酯顏色較深，可能是因?yàn)槿野吩诰酆衔镏胁灰壮ァ?/p>
2. 2 聚合物的結(jié)構(gòu)表征
圖 1 為異山梨醇與苯膦酰二氯合成的化合物的 FTIR 圖譜，1225 cm- 1為 P O 鍵的伸縮振動(dòng)吸收峰，1130 cm- 1及1002 cm- 1處分別為 P-O-Cisosorbide 的伸縮振動(dòng)吸收峰，這證明異山梨醇與苯膦酰二氯之間形成了磷酯鍵。 紅外圖譜中其他各個(gè)特征峰的歸屬如下： 2967 cm- 1和 2874cm- 1歸屬異山梨醇上的亞甲基（ -CH2-） 對(duì)稱伸縮和不對(duì)稱伸縮吸收峰； 3066 、1600 、685 cm- 1歸屬于苯環(huán)上的質(zhì)子振動(dòng)吸收峰，3420 cm- 1為聚合物末端-OH 振動(dòng)吸收峰。 所有吸收峰與聚合物的結(jié)構(gòu)均相對(duì)應(yīng)，說(shuō)明成功合成了聚磷酸異山梨醇酯。
圖 2 是異山梨醇與苯膦酰二氯合成的化合物1H-NMR 圖譜，圖中 δ3= 3. 92 和 δ4= 4. 12 處的峰分別是異山梨醇環(huán)上靠近 2 號(hào)羥基和 5 號(hào)羥基的次甲基質(zhì)子峰。 δ1= δ6= 3. 85 ~ 3. 70 處為異山梨醇鏈上亞甲基質(zhì)子共振峰。 δ2= δ5= 4. 80 ~4. 71 處為異山梨醇鏈上接有-OH 的次甲基質(zhì)子峰。 δ7= δ8= 7. 55,δ9= δ10= 7. 40 和 δ11= 7. 50 分別為苯環(huán)上的氫質(zhì)子峰。 δ12= 2. 32 處的弱峰歸屬于聚合物端羥基，這與圖 1 中聚合物端羥基在3420 cm- 1處有振動(dòng)吸收峰相符合。 所有質(zhì)子峰與聚合物的結(jié)構(gòu)均相對(duì)應(yīng)。
圖 3 是異山梨醇與苯基磷酰二氯合成的化合物13P-NMR 圖譜，13P-NMR 圖譜出現(xiàn) 2 個(gè)吸收峰：
δ = 19. 30、20. 05. 化學(xué)位移的不同是由于磷在主鏈中位置不同，δ =19. 30 歸屬于磷原子在主鏈末端，δ =20. 05 歸屬于磷原子在主鏈中間。13P-NMR圖譜證實(shí)了聚合物的形成以及磷酯鍵處于聚合物的主鏈上。
2. 3 聚合物的體外降解性能
聚合物的體外降解實(shí)驗(yàn)主要有水解實(shí)驗(yàn)、氧化實(shí)驗(yàn)、酶解實(shí)驗(yàn)等。 本文通過(guò)水解實(shí)驗(yàn)和酶解實(shí)驗(yàn)研究了異山梨醇基不飽和聚酯類(lèi)的降解性能，用不同時(shí)間的失重率表示其降解程度。 此外，還考察了聚磷酸酯的溶脹性能。
降解失重是表征聚合物降解性能的重要指標(biāo)之一。 圖4（ a） 、4（ b） 分別為聚酯水解和酶解 25 天的失重率變化曲線。 從圖 4（ a） 和圖 4（ b） 可知，PPI-3 /4 /5 /6 在 25 天后，失重率大于 80% ; PPI-1 /2 失重率失重比較緩慢，25 天后失重約 25% .
PPI-1 /2 /3 /4 /5 /6 的重均分子量分別為 6 × 104、5. 4 × 104、3. 8 ×104、4. 1 ×104、3. 2 ×104、2 ×104,通過(guò)圖 4 可推出隨著分子量的增加，PPI 的失重率變緩，當(dāng)重均分子量大于 5 × 104時(shí)，降解速率明顯減慢。 隨著分子量的增大，聚合物呈現(xiàn)出疏水性特征，水分子越是無(wú)法滲透到內(nèi)部，造成降解速率明顯降低。 圖 5 是降解不同天數(shù)后 PPI-4 聚合物表面的 SEM 照片，可以看出起初聚合物表面較為平整，隨著降解天數(shù)的增加，聚合物表面變的粗糙不平。 聚合物的降解是造成表面粗糙不平的原因。
圖 6（ a） 、6（ b） 分別為聚酯在水溶液和酶溶液中 25 天的吸水率變化曲線。 可以看出 PPI 重均分子量小于 5 ×104時(shí)，聚酯表現(xiàn)出良好的親水性，吸水率夠超過(guò) 150%; 隨著分子量的增大，聚酯呈現(xiàn)出疏水性特征，吸水率小于 40%. 這是因?yàn)榉肿恿吭降驮蕉嗟牧u基裸露在體外，親水性越好； 分子量越大降解越慢，水分子越是無(wú)法滲透到內(nèi)部，造成吸水率相對(duì)較低。 另外可以看出放置時(shí)間越長(zhǎng)，吸水率越高，這是因?yàn)殡S著聚酯的降解，更多的羥基會(huì)裸露到體外，增加了聚酯的吸水性。 總之，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明異山梨醇聚磷酸酯具有很好的體外降解性能和溶脹性能。
2. 4 聚合物的熱性能
用 DSC 研究了聚磷酸酯的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（ Tg） ,DSC 分析表明（ 圖 7） PPI 具有較高的 Tg,隨著分子量的增加，聚合物的 Tg顯著增加。 當(dāng)分子量從2 ×104增加到6 ×104時(shí)，Tg從129 ℃增加到176 ℃ ,增加了近 36% .
圖 8（ a） 是不同分子量 PPI 的 TG 曲線。 由圖可知，PPI 有較高的熱分解溫度，起始分解溫度（ 5%失重溫度） 均高于 200 ℃，可以推測(cè)對(duì)其進(jìn)行常規(guī)的熱加工時(shí)可不必考慮其熱分解。 從圖 8（ a） 還可以看出 PPI 的熱穩(wěn)定性隨著分子量的增大而提高。 當(dāng)重均分子量由 2 × 104增加到 6 ×104時(shí)，PPI 的起始分解溫度從 260 ℃ 提高到315 ℃ ,提高了 55 K. 圖 8 （ b） 為 PPI 的 DTG 曲線，由圖可知，PPI-6/5/3/4/2/1 的最大分解速率溫度（ Tm） 分別為 344、357、373、380、386、396 ℃。
總之，提高 PPI 的分子量可以明顯提高其熱穩(wěn)定性，改善加工性能。 PPI 的熱分解性能隨著分子量的增 大 而 提 高，除 了 提 高 分 子 量 可 以 提 高聚合物鏈之間的色散力之外，還有可能與PPI的解拉鏈降解反應(yīng)有關(guān)。 解拉鏈降解是指聚合物末端羥基主鏈上的碳原子，發(fā)生“回咬”反應(yīng)，此種降解反應(yīng)在較低溫度下即可發(fā)生[19]. 隨著聚合物分子量提高，羥基濃度降低，從而抑制了解拉鏈降解反應(yīng)的發(fā)生，提高了聚合物的熱穩(wěn)定性。
3 結(jié)論
通過(guò)本體聚合法和溶液聚合法得到了不同分子量的新型聚磷酸酯（ PPI） ,當(dāng) PPI 的分子量（ Mw） 低于 5 × 104時(shí)，聚合物具有很好的降解性能和溶脹性能。 PPI 具有較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（ Tg） ,且隨著分子量的增加，聚合物的 Tg顯著增加。 研究了聚合物分子量對(duì)其熱穩(wěn)定性的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明提高分子量有助于提高 PPI 的熱分解溫度。
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