超临界二氧化碳中合成聚乳酸-聚乙二醇共聚物

宋惠珈，王景昌，邓 冰，张 馨，詹世平

（大连大学 环境与化学工程学院，辽宁大连 116622）

聚乳酸（PLA）是自20世纪70年代以来，被广泛研究的一种作为药物载体新型功能高分子材料。PLA 具有良好的生物降解性和生物相容性等特点，被广泛用于生物医药领域中的药物释放及组织修复。聚乙二醇（PEG）是一种聚醚高分子物质，除了具有好的亲水性，还具有良好的生物相容性与较低的毒性、无抗原性和免疫原性。因此，PEG 是较为常用的亲水嵌段，可用于合成具有载药特性的聚合物胶束。在超临界二氧化碳（ScCO2）中的分散聚合反应是发生在一个均相的体系中，单体、引发剂及表面活性剂都溶于ScCO2中，达到反应温度后，自由基引发单体聚合，当聚合链增长到从连续相中析出时，聚合链自身或与其他链聚集成粒，并在表面活性剂的作用下形成稳定的分散体系[1]。

1 聚乳酸和聚乙二醇的特性

1.1 聚乳酸的理化性质及应用领域

聚乳酸（PLA）是一种由生物质作为原料制备的天然脂肪族聚酯材料，由于具有良好生物降解性和生物相容性，成为在生物医药领域应用最为广泛的热塑性高分子材料。PLA 可作为石化产品的潜在替代品，在生物体内分解成乳酸，经生物酶的分解生成二氧化碳和水，从体内排出，对人体没有伤害，是美国食品与药品监督管理局（FDA）推荐使用的医用材料。PLA 具有无刺激性、可生物降解吸收、强度高、可塑性好、易加工成型等优良特性，在药用控释系统和生物可吸收支架等医药学等领域有着广泛的应用。

1.2 聚乙二醇理化性质及应用领域

聚乙二醇（PEG）是环氧乙烷水解产物的聚合物。PEG具有无刺激性、良好的水溶性、优良的生物相容性，并与许多有机物组分有着良好的互溶性等优良特性。PEG 主要在制药、化纤、橡胶、塑料、金属加工及食品加工等行业中有着极为广泛的应用。

2 超临界二氧化碳合成技术及优势分析

超临界流体是指物质的温度和压力均高于其临界点，并且密度接近或高于它们的临界密度的一种状态。超临界流体具有高的密度，低的黏度和介于气体和液体之间的扩散系数，这些不寻常的特性使超临界流体成为具有良好应用潜力的溶剂。小分子化合物在超临界流体中的溶解度取决于溶剂的密度，以及溶质的理化性能和对溶剂的亲和力。超临界二氧化碳（ScCO2）体系下常采用分散聚合反应，合成嵌段共聚物PLAPEG，该方法具有工艺简单和绿色环保等优势。

2.1 ScCO2的特性

CO2的超临界条件（7.38MPa，31.1℃）易于实现，环境友好，无毒、无污染，并且CO2是除H2O 以外最便宜的溶剂，加之ScCO2有许多比其他有机溶剂优异的理化性质，这是ScCO2的应用一经报道便成为科研热点的基础条件。将ScCO2用于聚合物的合成，主要是鉴于其以下几大优点。

2.1.1 反应惰性

ScCO2不易燃易爆，在高温高压下操作较为安全，其化学性质稳定，不易与反应物发生反应，在自由基聚合反应中，自由基只是作用于链增长，对溶剂没有作用。

2.1.2 良好的溶解性

ScCO2对许多有机小分子和部分聚合物有好的溶解作用，并对大部分聚合物存在好的溶胀作用；ScCO2是非极性物质，对非极性小分子溶质溶解性能比较好。当需要溶解极性物质时，可以通过在ScCO2中添加非极性共溶剂，能够显著改善极性溶质在ScCO2中的溶解能力。在聚合反应中，通常单体和催化剂为小分子物质，在反应介质ScCO2中均有良好的溶解能力，这样可以便于聚合反应的进行。但聚合产物的分子量一般比较大，超出了ScCO2的溶解能力，可以通过添加分散剂避免聚合产物的沉淀，使其能够均匀分散在溶剂中，利于反应的继续进行。另外ScCO2对聚合物还具有一定的溶胀作用，因为CO2分子体积很小，在一定的温度压力下具有比较小的黏度，这样有利于聚合物的链增长，得到具有较高分子量的聚合产物，还可以渗透一些需要包封的小分子，其中载药微粒就是利用聚合物的溶胀而制备的新型药物制剂。ScCO2在聚合反应中具有普通溶剂所没有的许多优点，是一种适合聚合反应使用的极好的溶剂。

2.1.3 良好的反应氛围

超临界流体具备二相性即气液两态的性质，其密度、传热系数与溶解能力与液体相近，大于气体的性质近两个数量级；其扩散系数和表面张力与气体相似，大于液体近百倍，CO2在超临界条件中具有相对较高的压力，有利于聚合反应的进行。CO2的临界条件比较温和，在ScCO2中的聚合反应是在大于临界压力下进行的，较高的压力是有利于聚合反应的进行。一方面，反应中，压力的少量升高会降低反应介质的笼弊效应，利于聚合物反应过程的链增长，使得反应进行的更加完全；另一方面，升高反应压力的同时，可以降低相应的反应温度，这使得在常压下需要高温的反应，可在较低的温度下进行，可以合成某些在高温下易分解的热敏性物质。

2.1.4 工艺流程简单

以ScCO2作为聚合反应的介质，有利于产物的分离与纯化。相比于其他溶剂，ScCO2在反应结束后可通过减压使之转化成气体，实现与产物的分离。也可利用ScCO2对有机小分子的溶解性和对聚合物的溶胀作用对聚合产物进行脱挥处理，以得到较纯净的产物。

2.2 在ScCO2中的分散聚合反应

绝大多数的聚合反应过程都需要在某种介质中进行，ScCO2是一种化学稳定的溶剂，不会出现与之有关的副反应，在其中进行的自由基聚合反应不会发生自由基向溶剂进行的链转移过程。ScCO2对许多有机小分子和部分聚合物有良好的溶解作用，并对大部分聚合物存在好的溶胀作用。在ScCO2中的分散聚合反应是发生在一个均相的体系中，表面活性剂是分散聚合能否成功实现的关键因素，表面活性剂的存在可以使得产物的形貌更为可控，绿色高效的表面活性剂开发与研究一直是分散聚合研究的重点内容之一。

2.3 超临界二氧化碳中合成工艺的优势

聚合物合成采用的溶剂是超临界流体，最常用的是超临界二氧化碳（ScCO2），与大多数聚合反应使用的各种易挥发、有毒的有机溶剂相比，ScCO2具有高分散性，低表面张力，低毒性、成本低、传质和扩散速率高、黏度低等优点，使ScCO2成为一种良好的替代溶剂。在过去的几十年里，通过在这种介质中进行聚合反应的不断研究，使得单体转化为高分子量聚合物的速度越来越快。通过ScCO2合成的均聚物、共聚物和聚合物共混物会引起塑化现象，这会影响其力学及热性能，在ScCO2中合成的聚合物的Tg均有所降低，这对于后续的加工有显著的影响。因此以更环保，低廉、易得，且临界条件更适中的ScCO2作为聚合反应的溶剂，可广泛用于聚合物的合成与加工等领域。

3 PLA-PEG的合成方法

在ScCO2中合成PLA-PEG 嵌段共聚物，根据实验单体和产物的溶解性，可分为本体聚合、沉淀聚合、分散聚合和乳液聚合等。

3.1 本体聚合

本体聚合是指在引发剂或光、热作用下的聚合反应，分为均相聚合和非均相聚合，操作简单，得到的产物纯净，不需要其他分离操作，但随着聚合反应的进行，反应体系黏度增加，排热较困难，反应过程控制较难。本体聚合适用于制备透明性好，介电性能好的材料。

3.2 沉淀聚合

在ScCO2中进行聚合反应，大多数有机小分子单体能够溶于其中，形成均相的混合物，在聚合过程中，产物的链增长使其分子量不断加大，大分子聚合物由于不能完全溶于ScCO2，在没有分散剂存在的情况下，会出现析出和凝聚等现象，而下沉于反应釜的底部，从而形成沉淀聚合。由于聚合物沉于底部，难于接触单体和催化剂，使得聚合反应的效率降低，分子量难于继续增长，通常沉淀聚合所得产物的分子量较小，产品的形貌也较差。为了改善产品的性能，常常需要添加稳定剂，可使聚合物悬浮在溶剂中，提高聚合的效率。在ScCO2中脂肪族聚酯的聚合常采用开环聚合进行，需要添加一定的催化剂。在早期常采用金属催化剂，但金属催化剂对人体会产生一定的副作用，出于安全环保的考虑，开发了许多非金属催化剂，包括酶催化剂，脂肪酶的催化效率比较高，条件温和，聚合产物绿色环保，对于生物医用聚合物的研究具有积极的作用。

3.3 分散聚合

采用分散聚合的方法，常在ScCO2中以辛酸亚锡（Sn（Oct）2）/正丁醇（BuOH）催化体系作为聚合物催化剂，采用两亲三嵌段共聚物为表面活性剂，合成聚乳酸-聚乙二醇嵌段共聚物，此反应发生在一个均相的体系中，在分散剂的作用下聚合链增长时受到分散剂亲和力的作用，在溶剂中悬浮，便于与单体继续接触发生链增长反应，可以获得较大分子量的产物，并且易于聚集形成粒状产物。分散聚合相比本体聚合而言，其热量更容易导出，且温度控制相对容易，体系的透明性和介电性能较好，分离提纯容易，还可用于聚氯乙烯、聚丙烯酸酯等的制备。

3.4 乳液聚合

乳液聚合是一种独特的聚合方法，常用于制备细小均匀的生物医用材料微粒，乳液聚合通常用于获得直径在10～50nm的疏水聚合物粒子。这种非均相自由基聚合过程涉及用油包水乳化剂乳化水中相对疏水的单体，在稳定剂的作用下，由不溶于水的引发剂引发聚合反应。随着聚合过程的进行，聚合物粒子首先成核，之后生长，油水界面不断增大。添加的稳定剂可以物理吸附或化学结合到颗粒表面，防止粒子的相互作用和聚集。聚合物颗粒可以分散在连续水相中，使得反应不断进行，可以获得具有良好形貌的聚合物粒子，由于具有良好的分散性，其反应速率和产率比较高，可以获得具有较大分子量的聚合产物。乳液聚合体系的黏度低，聚合热容易排出，可得到均匀分散性良好的产品，但残存的乳化剂杂质会影响产品性能，且为了得到固态产物，还需要经过一系列加工工序，这些也是乳液聚合需要继续研究的问题。

4 结束语

在ScCO2中合成聚合物还需要继续探索最优的反应条件，提高反应效率和规模，为从实验室转向产业化阶段打下一定的基础。ScCO2中的聚合技术具有突出的优势，该技术的研究发展能够促进生物可降解医用聚酯材料的发展，并为生物医用高分子材料“绿色聚合”提供理论依据。