聚ε-己內(nèi)酯-b-聚乙二醇-b-聚ε-己內(nèi)酯靜電組裝產(chǎn)物形態(tài)的初步考察

董欣，劉陽，黃佳娜，王浩

(1.錦州醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院，遼寧 錦州 121000；2.山東省醫(yī)用高分子材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省藥學(xué)科學(xué)院，山東 濟(jì)南 370102)

靜電組裝(static electro-assembling，SEA)技術(shù)在近30年內(nèi)得到了廣泛而深入的研究，其在醫(yī)學(xué)組織工程材料、藥物包裹及控制釋放、催化、環(huán)保、能源等領(lǐng)域均展現(xiàn)出較好的應(yīng)用前景。一般地采用分子量較高的線形高分子的較濃溶液，在降低溶液表面張力的情況下，即可以通過高壓靜電形成的Taylor錐和電壓降得到螺旋運(yùn)動(dòng)的液流并固化形成微、納米級的纖維結(jié)構(gòu)[1-3]。近些年，人們發(fā)現(xiàn)小分子物質(zhì)在通過高壓靜電力作用時(shí)可以得到球、纖維等結(jié)構(gòu)，為靜電組裝技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用提供了更廣闊的前景[4]。

脂肪族聚酯由于其具有較好的可降解性和微乎其微的毒性，是醫(yī)學(xué)組織工程、藥物控制釋放和環(huán)保包裝材料領(lǐng)域最常使用的一種一類聚合物[5]。由其經(jīng)過靜電組裝制備纖維的研究已經(jīng)很多，近年來有采用其制備球狀結(jié)構(gòu)來包裹和控制釋放藥物的零星研究。這類聚合物的親水性較差，為了調(diào)節(jié)材料表面性能和對物質(zhì)的滲透能力，經(jīng)常在其中嵌段式鍵合親水聚合物片段，如聚乙二醇等[6-7]。

本文選擇醫(yī)學(xué)組織工程和藥物控制釋放領(lǐng)域較為常見的聚ε-己內(nèi)酯(poly ε-caprolactone，PCL)為親脂片段，聚乙二醇(polyethylene glycol，PEG)為親水片段，并以其為引發(fā)劑(兩端均為羥基)，以兩端羥基聚乙二醇為引發(fā)劑通過簡單的ε-己內(nèi)酯(ε-CL)開環(huán)聚合反應(yīng)制備了不同親水和親脂鏈長的聚ε-己內(nèi)酯-b-聚乙二醇-b-聚ε-己內(nèi)酯三嵌段共聚物(PCL-PEG-PCL)，初步考察了系列產(chǎn)品在兩種不同濃度二氯甲烷(dichloromethane，DCM)以及二氯甲烷-N，N-二甲基甲酰胺(N-dimethyl formamide，DMF，N)混合溶劑中溶解后的靜電組裝產(chǎn)品形態(tài)，以期為后續(xù)研究提供參考[8-9]。

1 材料與方法

1.1 材料

聚乙二醇2000(化學(xué)純，雙端羥基，大連美侖生物科技有限公司)，聚乙二醇4000(化學(xué)純，雙端羥基，大連美侖生物科技有限公司)，ε-己內(nèi)酯(>99%，上海阿拉丁試劑有限公司)，2-乙基己酸錫(>98%，國藥試劑沈陽化學(xué)試劑有限公司)，甲苯(化學(xué)純，天津市天力化學(xué)試劑有限公司)，無水乙醚(化學(xué)純，天津市天力化學(xué)試劑有限公司)，二氯甲烷(分析純，天津市天力化學(xué)試劑有限公司)，N，N-二甲基甲酰胺(分析純，天津市天力化學(xué)試劑有限公司)，純凈水(杭州娃哈哈集團(tuán))。

1.2 方法

1.2.1 PCL-PEG-PCL合成與1HMR表征

首先合成系列的PCL-PEG-PCL，分別將干燥的ε-CL和PEG按不同的比例加入到玻璃聚合管中，加入用分子篩處理過的無水甲苯100 mL后，用注射器加入500 μL的2-乙基己酸錫50%甲苯溶液，抽真空后置換氮?dú)猓磸?fù)置換3次后置于150 ℃油浴中攪拌反應(yīng)12 h。反應(yīng)結(jié)束后，將產(chǎn)物溶于二氯甲烷中，并用乙醚沉淀純化3次，真空干燥至衡重，過夜，密封后-30 ℃冷藏保存[10]。合成路線見圖1。

圖1 PCL-PEG-PCL的合成路線

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了4種PCL和PEG嵌段比的共聚物，其設(shè)計(jì)比例和根據(jù)1H-NMR圖譜見圖2，推斷所得比例見表1，所得產(chǎn)品按PEG分子量和PCL鏈段的聚合度分別命名為A1、A2、B1、B2。

表1 4種聚合物的嵌段比

1.2.2 靜電組裝

將所得嵌段共聚物溶解在相應(yīng)溶劑中，磁力攪拌48 h得無色、透明、均一的待電組裝溶液。為初步考察兩種不同溶劑及其配比以及PCL-PEG-PCL濃度對靜電組裝產(chǎn)物形態(tài)的影響，設(shè)定的待組裝溶液參數(shù)，見表2。

A1

A2

A3

A4

表2 所得4種合成產(chǎn)品的靜電組裝實(shí)驗(yàn)參數(shù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

靜電組裝條件如下：靜電發(fā)生器(天津東文靜電發(fā)生器廠)電壓為10 000 V，供液速率為(5±0.5)mL/h，針頭出口與接收鋁箔平面之間的距離為10 cm，空氣溫度為(15±5)℃，空氣相對濕度為(40±5)%。加電壓后，發(fā)現(xiàn)在針頭處形成了Taylor錐并形成微小液滴快速運(yùn)行至接收屏上。液流完畢后在接收屏上形成了一層約0.3 mm厚的產(chǎn)物。揭下后(40±2)℃下真空抽干24 h即得最終產(chǎn)品[4]。

將產(chǎn)物連帶鋁箔剪切成2 mm×5 mm小片后用導(dǎo)電膠固定在金屬臺(tái)上，真空蒸鍍金后置于掃描電子顯微鏡(日本Hitachi公司TM3000)下觀察。

3 結(jié)果與討論

發(fā)現(xiàn)得到了3種電組裝結(jié)構(gòu)，即不規(guī)則團(tuán)塊狀、桑葚狀和微球狀，具體見表2和圖2?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著聚合物濃度和分子量的增加，所得靜電組裝產(chǎn)品逐漸從不規(guī)則團(tuán)塊向桑葚狀，并進(jìn)一步向微球轉(zhuǎn)變。而溶劑組成對產(chǎn)品形態(tài)影響不大。桑葚狀結(jié)構(gòu)可以看成是自組裝過程中較小體積的微球未能分散開附著較大微球上的結(jié)果。

SEA-A1-1

SEA-A1-2

SEA-A2-1

SEA-A2-2

SEA-B1-1

SEA-B1-2

SEA-B2-1

SEA-B2-2

SEA-B1-1′

SEA-B1-2′

SEA-B2-1′

SEA-B2-2′

靜電組裝產(chǎn)品形態(tài)受到很多因素的影響，其中待組裝液的黏度是最為決定性的因素，而聚合物的分子量和濃度是影響待組裝溶液黏度的決定性因素。從本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來看，較小黏度的待組裝溶液并未使得靜電組裝的產(chǎn)物顆粒有所減小，這可能是由于電組裝過程中溶劑的揮發(fā)較慢甚至不徹底所導(dǎo)致的，所以呈現(xiàn)不規(guī)則團(tuán)塊狀，如SEA-A1-1。隨著待組裝溶液黏度的增加，開始出現(xiàn)微球狀結(jié)構(gòu)，但是外觀還不規(guī)整，即球形度不高，如SEA-A1-2、SEA-A2-1、SEA-A2-2。當(dāng)黏度繼續(xù)增高，會(huì)得到桑葚狀結(jié)構(gòu)直至球形結(jié)構(gòu)，如由B1和B2組裝所得的產(chǎn)品。一般地，黏度低的溶液靜電組裝后應(yīng)該得到較小尺度的顆粒，黏度高的溶液靜電組裝后應(yīng)該得到較大尺度的顆粒，本實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一點(diǎn)，但是發(fā)現(xiàn)黏度低時(shí)粒子聚集現(xiàn)象比較嚴(yán)重，此原因未明，有待進(jìn)一步考察。

綜上，本研究為形態(tài)較為理想、分散良好的微球狀結(jié)構(gòu)的靜電組裝制備提供了初步的參考和進(jìn)一步研究的啟發(fā)[11-12]。