L-丙交酯與ε-己內(nèi)酯共聚物微觀結(jié)構(gòu)與熱力學(xué)性能研究

魯 越,熊左春,張勝藍(lán),熊成東,陳棟梁＊

(1.中國(guó)科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)所,四川成都610041;2.中國(guó)科學(xué)院研究生院,北京100039)

0 前言

聚L-丙交酯(PLLA)和聚己內(nèi)酯(PCL)由于具有良好的生物相容性、可降解吸收性,因而在生物醫(yī)學(xué)材料中得到了廣泛應(yīng)用,尤其是用高相對(duì)分子質(zhì)量的PLLA材料制作成的骨螺釘已經(jīng)在市場(chǎng)上有銷售。它們的共聚物(PLCA)作為潛在的新的生物醫(yī)用材料近年來也成為研究熱點(diǎn),其原因在于其結(jié)合了PLLA材料的強(qiáng)度高和降解速率較快[1]以及 PCL材料柔韌性好[2]的特點(diǎn),能研發(fā)出新用途的醫(yī)療產(chǎn)品,如軟骨修復(fù)支架[3]、手術(shù)縫合線[4]、血管支架[5]等。

PLCA的性能與其微觀結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)性能有著密切聯(lián)系,其組分不同,材料的微觀結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)性能相差很大,這些特性將直接影響材料的力學(xué)性能、加工性能和降解性能。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)PLCA微觀結(jié)構(gòu)研究與熱力學(xué)性能關(guān)系的研究很少,因此研究它們的關(guān)系對(duì)指導(dǎo)PLCA合成及其加工和應(yīng)用均具有重要意義。本文以辛酸亞錫為催化劑,采用本體開環(huán)無規(guī)共聚的方法,制備一系列不同組成的 PLCA共聚物,對(duì)不同組成的共聚物微觀結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)性能進(jìn)行研究,建立起一定的聯(lián)系,為PLCA材料的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

L-LA,純度99.9%,成都迪康制藥有限公司;

ε-CL,純度99%,用氫化鈣浸泡24 h,減壓蒸餾后待用,Aldrich公司;

辛酸亞錫,純度95%,Sigma公司;

三氯甲烷,分析純,廣州市金華大化學(xué)試劑有限公司;

無水乙醇,分析純,廣州市金華大化學(xué)試劑有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

NMR核磁共振儀(1H-NMR),BRU KER AVANCE 300M,德國(guó)Bruker公司;

差示掃描量熱儀,Q20,美國(guó) TA公司。

1.3 聚合過程

將L-LA、ε-CL按不同摩爾比投料到圓底燒瓶中,并加入計(jì)量的辛酸亞錫催化劑,且單體與催化劑的摩爾比為5000∶1。反應(yīng)體系經(jīng)過干燥后,置換幾次氮?dú)?并抽真空后封口。反應(yīng)物在130℃烘箱中反應(yīng)48 h之后停止聚合反應(yīng)。產(chǎn)物用三氯甲烷溶解,聚合物溶液用過量的無水乙醇沉淀、過濾、洗滌后得到白色產(chǎn)物。該產(chǎn)物放入真空烘箱中干燥至恒重即得PLCA共聚物。

1.4 性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

共聚物各單元組成由NMR核磁共振儀測(cè)定,以四甲基硅為內(nèi)標(biāo),氘代氯仿為溶劑;

特性黏度([η])用烏氏黏度計(jì)測(cè)定,氯仿為溶劑,溫度為25℃;

熱性能采用差示掃描量熱儀測(cè)定,通高純氮?dú)?0.0 mL/min,升溫速率為10.0℃/min,測(cè)試溫度為-80～200 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 共聚物微觀結(jié)構(gòu)分析

按L-LA和ε-CL的摩爾比為 90∶10、80∶20、70∶30、60∶40、50∶50方式投料,合成了一系列不同組成的共聚物,其共聚物組成通過1H-NMR表征,核磁圖譜中特征峰情況如圖1所示,共聚物的其他分析結(jié)果如表1所示。

圖1 所合成的PLCA共聚物核磁圖譜部分特征峰演變圖Fig.1 Evolution of part signal in the1H-NMR spectra of the obtained PLCA copolymers

表1 PLCA系列共聚物的表征結(jié)果Tab.1 Characterization of the PLCA copolymers

從圖1可以看出,無論那一種投料組分,所合成的聚合物在5.16處均出現(xiàn)了來自L-LA的雙乳酰結(jié)構(gòu)(LL)中氫原子的次甲基峰;在4.05處均出現(xiàn)了來自鄰近己內(nèi)酰的己內(nèi)酰結(jié)構(gòu)(CC)中的羥亞甲基峰(—OCH2—);以及在4.14處均出現(xiàn)了來自鄰近乳酰單元的己內(nèi)酰(LC)中的受影響的—OCH2—單元的峰[5,6]。通過這些特征峰面積的比較,可以計(jì)算出共聚物中己內(nèi)酰組分比例(FCL)。同時(shí)根據(jù)下列公式可以計(jì)算出所合成的共聚物分子鏈中的C和LL序列的嵌段平均長(zhǎng)度(即實(shí)驗(yàn)長(zhǎng)度)[7-12],其結(jié)果如表1中的和所示。[C]/[L]其中[]代表1H-NMR測(cè)得的共聚物中相應(yīng)序列共振峰的積分強(qiáng)度。

為了進(jìn)行比較,C和LL序列在完全無規(guī)鏈中嵌段平均長(zhǎng)度(即理論長(zhǎng)度)則根據(jù)下列方程進(jìn)行計(jì)算,其結(jié)果如表1中的所示。

從表1可以看出,無論是哪一種投料比例進(jìn)行的聚合反應(yīng),根據(jù)1H-NMR譜計(jì)算出的共聚物中己內(nèi)酰組成分?jǐn)?shù)(FCL)與單體ε-CL投料分?jǐn)?shù)(fCL)也均比較接近,且所得共聚物相對(duì)分子質(zhì)量也較高。并且C序列實(shí)驗(yàn)長(zhǎng)度比其理論長(zhǎng)度要長(zhǎng)也有同樣的變化規(guī)律。這說明所合成的共聚物并非是完全無規(guī),而是有一些微嵌段的共聚物。這種反應(yīng)規(guī)律與反應(yīng)物L(fēng)-LA和ε-CL的開環(huán)聚合反應(yīng)活性有著密切關(guān)系;在相同反應(yīng)條件下,L-LA的反應(yīng)活性比ε-CL的要高,如在130℃下,兩種反應(yīng)物的競(jìng)聚率分別為:rLA=34.7,rCL=0.24[10]。反應(yīng)物競(jìng)聚率的差異造成了LL微嵌段結(jié)構(gòu)首先生成,隨著聚合反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行,C的微嵌段也就隨著形成。從表1還可以看出,隨著共聚物中己內(nèi)酰含量的增加,共聚物中LL序列平均長(zhǎng)度逐漸減少,C序列平均長(zhǎng)度不斷增大。不僅如此,由圖2還可以看出,隨著共聚物中FCL增大,聚合物中降低的幅度要大得多,而增加的幅度要大得多。

圖2 FCL與序列平均長(zhǎng)度的關(guān)系Fig.2 Relationship betweenε-caprolactone mole fraction in copolymer(FCL)and average sequence lengths

2.2 共聚物熱性能分析

從圖3(a)可以看出,不同組分的共聚物在第一次升溫時(shí)均出現(xiàn)了熔融峰,根據(jù)熔點(diǎn)判斷是 PLLA嵌段的晶體熔融峰,而且隨著FCL的增加,熔點(diǎn)逐漸下降,峰型也變的更寬,相應(yīng)熔融焓也變的更小。

圖3 各種PLCA共聚物的DSC曲線Fig.3 DSC curves for PLCA copolymers

從圖3(b)可以看出,降溫后第二次升溫時(shí),圖中3、4、5曲線中的熔融峰消失。這是由于晶體熔融后,冷卻過程中不能結(jié)晶或者來不及結(jié)晶,其結(jié)晶能力比較弱造成第二次升溫后熔點(diǎn)消失。在圖3(b)還可以看出,隨著FCL的增加,Tg也在逐漸下降。Tg的下降與聚合物中鏈上己內(nèi)酰結(jié)構(gòu)單元增加導(dǎo)致聚合物的柔性增加有關(guān)。另外從圖4可以看出,隨著FCL的增加,Tg幾乎呈線性下降趨勢(shì),從而根據(jù)這種變化規(guī)律可以預(yù)測(cè)PLCA共聚物其他組成的Tg。

2.3 微觀結(jié)構(gòu)與熱力學(xué)性能之間的聯(lián)系

由圖5(a)可以看出,隨著LL序列實(shí)驗(yàn)長(zhǎng)度的降低,Tm和ΔHm呈下降趨勢(shì)。這是由于LL序列實(shí)驗(yàn)長(zhǎng)度越小,導(dǎo)致 PLLA微晶區(qū)結(jié)晶能力越差,從而造成Tm和ΔHm下降。但是LL序列實(shí)驗(yàn)長(zhǎng)度小到一定程度,PLLA微晶區(qū)結(jié)晶能力變得極差,表現(xiàn)為無Tm和ΔHm。圖5(b)展現(xiàn)了C序列實(shí)驗(yàn)長(zhǎng)度與Tm、ΔHm的關(guān)系。同樣,由于共聚物中C序列實(shí)驗(yàn)長(zhǎng)度過小,導(dǎo)致PCL微晶區(qū)結(jié)晶能力極差,表現(xiàn)為無Tm和ΔHm。

圖4 FCL與 Tg的關(guān)系Fig.4 Relationship betweenε-caprolactone mole fraction in copolymer(FCL))andTg

圖5

3 結(jié)論

(1)通過比較序列平均長(zhǎng)度,證實(shí)所合成的共聚物具有一些微嵌段,并非完全無規(guī)。隨著共聚物中己內(nèi)酰含量的增加,C序列長(zhǎng)度增大,LL序列長(zhǎng)度減小;

(2)隨著共聚物中己內(nèi)酰含量增加,共聚物的Tm和ΔHm逐漸降低,Tg成線性下降趨勢(shì);

(3)隨著序列實(shí)驗(yàn)長(zhǎng)度的降低,Tm和ΔHm呈下降趨勢(shì),且序列實(shí)驗(yàn)長(zhǎng)度過小,表現(xiàn)為無Tm和ΔHm。

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