酯交换反应条件对聚(L-丙交酯-co-ε-己内酯)力学性能的影响*1

吴 航， 张丽芳， 熊左春， 马 驰， 陈栋梁， 熊成东

(1. 中国科学院 成都有机化学研究所,四川 成都 610041; 2. 中国科学院 研究生院,北京 10039)

聚L-丙交酯(PLLA)和聚ε-己内酯(PCL)具有良好的生物相容性、可降解吸收性，因而在生物医用材料领域得到广泛应用[1,2]，尤其是用高分子量的PLLA材料制成的骨螺钉已经在市场上有销售，PCL则被广泛用于药物载体。PLLA和PCL的共聚物(PLLCA) 结合了PLLA材料的强度高、降解速率较快以及PCL材料柔韧性好的特点，近年来成为研究的热点，其制品的应用领域逐渐扩大，如软骨修复支架[3]，手术缝合线[4]，血管支架[5]等。

通过调整单体投料比，可制备不同力学性能的PLLCA，从而满足不同的临床需求。然而，由于L-丙交酯(L-LA)和ε-己内酯(ε-CL)的反应活性不同，即使无规共聚制备的PLLCA也是微嵌段共聚物[6～8]，L-LA和ε-CL的平均嵌段长度对其热性能和力学性能存在影响。在L-LA和ε-CL的共聚过程中，酯交换反应对PLLCA的链段结构存在至关重要的影响[9]，因此非常有必要对共聚过程中的酯交换反应进行考察。

本文以辛酸亚锡催化L-LA和ε-CL通过酯交换反应完成本体开环聚合制得可降解的生物医用材料聚(L-丙交酯-co-ε-己内酯)[PLLCA(1a～1f), Scheme 1]，其结构和热性能经1H NMR，高效凝胶色谱和差示扫描量热分析表征。研究了酯交换反应条件对PLLCA力学性能(拉伸强度和断裂伸长率)的影响。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

Bruker AV300 MHz型核磁共振仪(CDCl3为溶剂，TMS为内标);Waters 1515型高效凝胶色谱仪(GPC, CHCl3为溶剂);Q20 TA Instruments型差示扫描量热仪(DSC,高纯氮气氛,10 ℃·min-1);CMT 4503型微机控制电子万能试验机。

L-LA, 99.9%,中国科学院成都有机化学有限公司；ε-CL, 99%, Aldrich；甲苯，分析纯，广东光华化学厂有限公司，金属钠蒸馏后立即使用；辛酸亚锡,95%,Sigma，配制成甲苯溶液;其余所用试剂均为分析纯。

1.2 1的合成

L-LA和ε-CL总量100 mmol。在圆底烧瓶中按设定投料摩尔分数[φ(CL)=n(ε-CL)/[n(L-LA)+n(ε-CL)]×100%]加入L-LA，ε-CL和辛酸亚锡(单体的2 mol)的甲苯溶液,干燥、用高纯氮气置换数次，抽真空、封口；将圆底烧瓶置鼓风烘箱中恒温反应48 h。冷却至室温，用三氯甲烷溶解，倾入过量无水乙醇中沉淀，过滤，滤饼用无水乙醇洗涤2次～3次，于40 ℃真空干燥至恒重得白色固体1。

1.3 1的力学性能测试

1约1.7 g， 在5 MPa下于设定温度利用不锈钢模热压10 min制成厚度为0.5 mm的片状样品(1的成型温度见表1);在激光刻线机上将其加工成条状试样(50 mm×5 mm×0.5 mm)。

用游标卡尺准确测量试样的宽b，厚度d和原始标距G，在万能力学试验机上进行拉伸强度测试。测试温度(23±2) ℃，载荷加载速率为10 mm·min-1，每组平行样品数为3个。

表 1 1的成型温度*Table 1 Molding temperature of 1

*m.p.由DSC测定, Tmolding为成型温度

2 结果与讨论

2.1 1的表征

1a～1f的1H NMR谱图基本一致，图1为1a的1H NMR谱图。由图1可见，各化学位移均已注明其归属[9]：5.0～5.3处b-H质子峰(记为LL); 3.90～4.20处为c-H质子峰(其中4.05处为邻近己内酰的CH质子峰，记为LC; 4.14处多重峰为邻近乳酰基的CH质子峰)(记为CC)[10]; 4.23处为残余的ε-CL之OCH2质子峰。未见残余L-LA中的次甲基质子峰,这是由于L-LA的反应活性比ε-CL高。由LL和LC+CC的积分面积可以计算1a的组成[实测ε-CL的摩尔分数φ′(CL)=n′(ε-CL)/[n′(L-LA)+n′(ε-CL)]×100%]。由4.00～4.20处和4.23处质子峰的积分面积计算ε-CL的转化率(Conv/%)。1的表征数据见表2。

δ图 1 1a的1H NMR谱图Figure 1 1H NMR spectrum of 1a

CompConv/%φ(CL)/%φ′(CL)/% Mn/×1051a′89.125231.81a″10025251.81a93.525242.21b10010101.11c10020211.01d10030301.11e10040421.01f10050531.1

2.2 酯交换反应条件对1力学性能的影响

(1) 反应温度

研究表明，PLLCA共聚物并不是完全无规的，而是微嵌段共聚物，其平均嵌段长度[Le]按下式计算[6～9]。

Temperature/℃图 2 酯交换反应温度对Le的影响Figure 2 Effect of transesterification temperature on Le

酯交换反应温度不仅使Le减小，同时也改变1的热性能和力学性能，结果见图3。由图3可见，不同酯交换反应温度下制备的1均为非晶态聚合物，其玻璃转变温度(Tg)均低于室温，且随着反应温度的升高而降低。这是由于随着Le的减小，1分子链的无规度增大，一方面不利于结晶，另一方面主链也更加柔顺。这进一步证明酯交换速度随着反应温度的升高而加快。

Temperature/℃图 3 酯交换反应温度对1的热性能的影响*Figure 3 Effect of transesterification temperature on thermal properties of 1*第二次升温扫描的DSC曲线

Elongation/%

Temperature/℃图 4 酯交换反应温度对1的力学性能的影响Figure 4 Effect of transesterification temperature on mechanical performances of 1

由于1为非晶态聚合物且Tg低于室温，因此其拉伸行为将具有弹性体的特性，测试结果见图4。由图4可以看出，1均表现出弹性体特有的应力-应变行为，且其拉伸强度随着聚合温度的升高而单调减小，不过断裂伸长率则单调增大，可见通过调节其链段结构可制备不同力学性能的PLLCA共聚物，从而满足不同临床需求。

φ(CL)/%图 5 φ(CL)对1的力学性能的影响Figure 5 Effect of φ(CL) on thermodynamic performances of 1

Temperature/℃图 6 酯交换反应温度对1的热性能的影响*Figure 6 Effect of transesterification temperature on thermal properties of 1*第二次升温扫描的DSC曲线

(2)φ(CL)

Le差别必然导致其热性能的显著差别，结果见图6。从图6可以看出，1b～1f多数为非晶态聚合物，只有1d在118.8 ℃附近出现较弱的熔融峰，表明其为半结晶聚合物；随着φ(CL)的增大，其Tg显著减小且趋于PCL均聚物的Tg，不过1b有两个Tg，表现出嵌段聚合物的特性。由此可见，随着φ(CL)的增大，1b～1f由嵌段聚合物逐渐变为无规聚合物，也表明酯交换反应随着φ(CL)的增大而加快。

1b～1f的Tg存在显著差别，其拉伸行为也同样表现出明显的不同，结果见图7。由图7可以看出，1的拉伸应力-应变行为存在显著的差别，1b为硬而韧的材料，1c和1d为软而韧的材料，1e和1f则为软而弱的材料，其拉伸强度随着φ(CL)的增大而迅速减小。可见改变φ(CL)可在更大范围内调整PLLCA的力学性能。

Elongation/%

φ(CL)/%图 7 φ(CL)对1的力学性能的影响Figure 7 Effect of φ(CL) on mechanical performances of 1

3 结论

本文考察了酯交换反应条件对PLLCA共聚物性能的影响。结果表明，提高反应温度有利于酯交换反应的进行，L-LA和ε-CL的平均嵌段长度减小，Tg和拉伸强度也随之减小，断裂伸长率则单调增大；增大φ(ε-CL)同样有利于酯交换反应的进行，L-LA的平均嵌段长度随之减小而ε-CL的平均嵌段长度则增大，Tg和拉伸强度均随之减小。

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