芳香脂肪族共聚酯的制備和表征

1、基于對苯二甲酸雙酚A酯，對苯二甲酸己二醇酯，乳酸基的芳香/脂肪族共聚酯的制備和表征摘要：為獲得在組織工程方面具有潛在價值并且具有可加工性的高分子聚酯，以對苯二甲酰氯、雙酚A、1，6-己二醇及乳酸低聚物為原料，采用直接縮聚方法合成一系列具有生物可降解性的脂肪族/芳香族聚酯-PBHTL。最終得到的聚酯PBHTL采用1H NMR、GPC、DSC、TG、WAXS方法進行表征，得Tg和Td。PBHTL聚酯呈現(xiàn)兩段熱分解，分別對應聚酯中BAT段，HT段以及乳酸段。由于聚酯鏈段中嵌有脂肪族柔性鏈段，因此PBHTL聚酯具有較低的玻璃化轉變溫度Tg，同時，在生理條件下隨著乳酸基和己二醇基的增加，聚酯的水降解性增

2、強。通過生物植入實驗及微觀現(xiàn)象的初步試驗表明該聚酯具有良好的生物相容性。關鍵詞：共聚酯、生物降解、乳酸、芳香族、脂肪族1、引言芳香族聚酯是具有良好物理性能的材料。這類聚酯具有較強的抗水解性，耐細菌和真菌侵蝕，及良好的環(huán)境耐候性。與此相反，大多數合成的生物可降解高分子為脂肪族類聚酯，如聚己內酯、聚乳酸、聚羥基丁酸酯、聚琥珀酸丁二醇酯。遺憾的是，由于脂肪族聚酯的高成本，低物理和機械性能，使其在工業(yè)和農業(yè)領域的應用受到極大的限制。曾試圖采用共混和共聚技術獲得性能提高的生物可降解聚合物。然而，一般的脂肪族聚酯的機械力學性能及熔融溫度相對較低。很長一段時間，人們試想將芳香族和脂肪族單元結合在同一聚酯鏈中

3、，這是一種很具有吸引力獲得生物降解性和高性能新產品的方法。一些研究表明，當與脂肪族聚酯共聚時，這些芳香族聚酯具有可降解性。為了獲得性能優(yōu)良且可降解性的廉價生物可降解型聚酯，共聚酯中包含脂肪族和芳香族單元成為研究目標。各種各樣的無規(guī)共聚物采用熔融聚合方法制得，該共聚物由對苯二甲酸和一些脂肪二酸，二醇混合構成，他們的結構和性能被詳細的檢測。一種新型的生物可降解聚酯已經被制備，拉伸性能和彈性都有所提高。共聚物的韌性和斷裂應變隨著組成中聚四亞甲基醚含量的增長而增加。生物可降解聚醚酯以對苯二甲酸，1，4-丁二醇，等為原料，采用Ti(OC4H9)4作為催化劑被合成。巴斯夫公司已經商品化一種新的生物降解型聚

4、酯，Ecoflex，由一些聚酯單元組成，其中包含1，4-丁二醇，二元酸（己二酸）和對苯二甲酸。此外，對現(xiàn)有的均聚聚酯進行反應性共混，被證明是一種成功且廉價的方法，生產具有兩者性能的脂肪族、芳香族聚酯。事實上，這項技術已經應用在聚（1，4-丁二酸丁二醇酯）/聚（1，4-對苯二甲酸丁二醇酯），聚（1，4-丁二醇己二酸-丁二酸）/聚（1，4-對苯二甲酸丁二醇酯）和聚（1，4-丁二醇戊二酸-己二酸-丁二酸酯）/聚（1，4-對苯二甲酸丁二醇酯）共聚酯。聚對苯二甲酸丁二醇酯/聚己內酯的制備是將聚對苯二甲酸丁二醇酯和聚己內酯共混后，在257條件下進行酯交換。共聚物PBEST是由丁二酸丁二醇酯，丁二酸乙二醇酯

5、，對苯二甲酸乙二醇酯預聚物為原料，采用直接縮合法制備的。聚己內酯/聚對苯二甲酸乙二醇酯，聚丁二酸酐環(huán)氧乙烷/聚對苯二甲酸乙二醇酯，聚己二酸乙二醇酯/聚對苯二甲酸乙二醇酯和聚對苯二甲酸乙二醇酯/聚（丁二酸1，4-丁二醇酯）的共聚酯已經有所報道。目前，這些共聚酯已經用已有的均聚物采用熔融共混酯交換的方法制備而成。目前，應用于生物醫(yī)學方面的生物可降解脂肪族/芳香族多單元共聚酯引起很大的興趣。在過去的十年中，有PEGT/PBT共混而成的共聚酯作為組織工程和藥物傳遞系統(tǒng)材料被廣泛研究。為了提高芳香族聚酯的可降解性，部分或全部采用脂肪族替代芳香族的方法正被開發(fā)。酚類衍生物的脂肪酸被認為是合成高力學性能的生

6、物可降解/生物高分子的一個重要的策略。羥苯基脂肪酸的共聚酯如3-（4-羥基苯基）乙酸和3-（4-羥基苯基）丙酸與4-羥基苯甲酸是無毒，在動植物體內。由雙酚A，Greiner等與對苯二甲酰氯和乳酸共聚合得到的聚酯的一個重要研究部分，聚合，性能和體外分解等被報道。本文側重于一種新型共聚酯（PBHTL）的合成，分子結構以及性能，在無催化劑條件下，以TPC，BPA，HDO，PLA為原料，采用直接縮聚和原位酯交換法制備。熱性能和力學性能以及體外生物降解及生物相容性與共聚酯組成方面關系被研究。雙酚A被懷疑作為一種內分泌干擾物，合成的脂肪族/芳香族共聚酯在降解時可能不產生雙酚A，因為芳香酯就有抗水解性。通過

7、引入脂肪族酯到芳香族聚酯中，芳香單元的序列長度減少。先前的研究表明，芳香族單元的序列長度少于3個時，是可吸收或代謝的。合成的共聚酯被認為是可以接受的用在體外種子細胞的組織重建。2、實驗部分2.1 原料與合成對苯二甲酰氯 （TPC 分析級）雙酚A （BPA 分析級）1，6-己二醇 （HDO 分析級） 上海試劑廠 純化結晶（甲苯和石油醚）90 水溶液消旋DL-乳酸 逐步加熱至200，真空恒溫4h。這個過程產生羥基羧基預聚乳酸 （PLA Mw = 4500, Mn = 1700, Mw/Mn = 2.60）。2.2 共聚酯的合成該共聚酯的合成方法參照參考文獻中所描述的方法，以適當比例的對苯二甲酰氯，

8、1，6-己二醇和雙酚A，以及各種含量的聚乳酸。具體步驟如下。在裝有磁力攪拌的火焰干燥反應器中加入4.0606g（20mmol）的對苯二甲酰氯，1.1818g（10mmol）的1，6-己二醇，2.2830g（10mmol）的雙酚A和0.0720g（1mmol）的聚乳酸，通入氮氣保護。經過30分鐘的蒸發(fā)，反應器中充滿氮氣，然后安裝鼓泡器。氮氣通過鼓泡器進入反應體系。反應混合物被緩慢的加熱到100，此時觀察到有HCl生成。體系粘度變得越來越粘隨著體系形成均勻熔化狀態(tài)。1-2h后反應混合物凝固然后在100條件下，保持12h。反應溫度升到230在常壓下保持4h，然后在10mba壓力下保持4h。聚合物冷卻

9、到20，溶于50ml氯仿，在800ml甲醇中沉析分離，過濾收集。白色聚合物在氯仿和甲醇中重新沉淀純化，然后再40真空條件下干燥。2.3 檢測共聚酯的組成采用質子核磁共振1H NMR 以CDCl3為溶劑使用Brucker ARX技術的400MHz的核磁共振光譜儀。GPC，SEC檢測分析在Waters 2414折射儀Breeze Waters系統(tǒng)上進行。SEC檢測在氯仿中進行。200L溶液（3% w/v）注射到兩個柱子中，Styragel Waters HT3和HT4，注射流速為1.0ml/min，分離范圍Mw102-106。分離柱的溫度保持在40，同時折射儀探測器的溫度設定為40。該儀器采用單分

10、散聚苯乙烯進行校準。接觸角檢測JC2000A用來測定靜態(tài)水域聚合物膜的接觸角在25和60%相對濕度條件下采用靜滴法。每個接觸角的獲得至少五個樣品不同表面位置讀數的平均值。測量角的誤差為±1°。熱重法在PerkinElmer TGA 7氮氣保護下進行（升溫速率20/min，樣品大小8-10mg）。Td (-1.5 wt.%)由于熱分解樣品失去原重的1.5 wt.%時的溫度被初步作為表征其熱穩(wěn)定性的指數。DSC檢測在裝有液氮冷卻系統(tǒng)的PerkinElmer DSC 7的儀器上進行，氮氣速率為40ml/min。大約8-10mg的樣品在DSC鋁盤中壓制成型，然后進行熱處理。在進行D

11、SC表征之前，先對樣品進行熱歷史的消除，樣品被放置在室溫下數天使他們達到結晶平衡。DSC熱力學曲線是在以10/min的速率從50-300升溫時記錄的，從所記錄的加熱段曲線中可以確定Tg，Tm，Hm。Tc和Hc在記錄在冷卻段(冷卻速率20/min) 。在Edwards Auto 306上進行金氣相沉淀后，所得降解樣品的表面采用Philips 535型SEM進行觀察。進行XRD研究的樣品在Bede C1型衍射儀上進行，采用40KV和30mA的銅靶，掃描速率為0.5°/min。力學性能在WDW通用測試系統(tǒng)采電子數據評估進行的，所測樣品為100mm長，15mm寬的標準啞鈴型樣品，樣品為溶液澆

12、鑄產品重新熔融成膜。標準伸長率為2mm/min，測試在室溫條件下進行。2.4 水解和吸水性聚酯膜采用溶液澆鑄法制備。通常，將聚合物的氯仿溶液澆到玻璃板上，在室溫條件下使溶劑緩慢蒸發(fā)。所形成的膜與玻璃板進行分離。殘余溶劑在常壓下蒸發(fā)24h，然后在40真空條件下蒸發(fā)48h。聚酯的水解實驗在37的磷酸鹽緩沖溶液中進行的（pH=7.413，25）。從各種膜上切下的面積為1×4mm的正方形樣品分別置于裝有20ml緩沖溶液的小瓶中。按照預定的降解時間，樣本在降解中期取出，用蒸餾水沖洗，室溫真空干燥一周并稱重。共聚酯的重量損失百分率根據下列關系而得：（重量損失%）=（W0Wr）×100/

13、 W0其中：W0為原始重量，Wr為樣品降解干燥后的質量。樣品在去離子水中的吸水量是樣品在37條件下保持一個禮拜共聚酯的質量增加，根據等式（吸水率%）=（WW0）×100/ W0其中：W樣品達到吸水平衡時的質量。2.5 細胞成年大白鼠的脂肪干細胞采用下列方法培養(yǎng)。無菌條件下，從12周齡的大白鼠的解剖皮下脂肪組織，將其置于含有20mg/ml牛血清白蛋白（BSA）的磷酸鹽緩沖液（PBS）中。血管和纖維物質被切斷清除，將組織樣品反復清洗除去剩余的血。該組織樣品被切成小塊然后消化。樣本培養(yǎng)，在含有鈣，鎂自由基的磷酸鹽緩沖液中每隔50min進行間歇攪拌，PH為7.4，包含2mg/ml的膠原酶。脂

14、肪組織與培養(yǎng)液的比率大概為1g/3ml。經過分散，細胞采用250m的過濾網進行過濾，然后以1500r/min的轉速離心分離10分鐘。膠原酶消化脂肪組織產生兩種不同的部分：漂浮的成熟脂肪細胞和沉積的基質血管細胞。后者來源于ADSCs，并包含了纖維細胞，內皮細胞等物質。按期望除去漂浮的脂肪細胞，沉積細胞在160mmol/L的氯化銨進行懸浮，室溫條件下10分鐘，目的溶解染菌血紅細胞。離心分離重復上述過程，產生的溶液用100m的過濾網進行過濾除去細胞碎片，然后轉移到75cm2的瓶中，然后在CO2為5%，95%空氣，37條件下培養(yǎng)。24h后，培養(yǎng)物清洗兩次除去非粘附細胞（血紅和細胞碎片）。培養(yǎng)液和胎牛血

15、清從美國Gibco/BRL獲得。ADSCs被植到實驗材料上10天，最初的細胞濃度為105/cm2在DMEM/10%胎牛血清培養(yǎng)介質。培養(yǎng)基介質每三天更換一次。培養(yǎng)細胞采用奧林巴斯倒置顯微鏡進行對比觀察。2.6 樣品的制備薄膜的制備，將聚合物/氯仿溶液澆鑄到玻璃板線框上，通過旋轉涂層或刮膠的方式獲得。然后蒸發(fā)大部分的溶劑，薄膜在60真空條件下干燥。3. 結果與討論3.1 共聚酯的合成本文研究范圍，無催化劑條件合成含芳香基克生物降解的高分子量共聚酯的發(fā)展。PBHTL的一些列聚酯被合成（方案1）。為實現(xiàn)能夠水解這一構想，將乳酸基引入到芳香單元中。共聚酯必須含有高含量的芳香單元和一定量的乳酸基單元，以

16、分別改善其物理特性和水解特性。己烯和二甲苯基異丙烷單元在共聚酯中被用來調整其柔順性和拉伸模量。然而，對于水解性而言，統(tǒng)計共聚物要比嵌段共聚物要好。鑒于這種需求，我們決定采用熔融縮聚的方法將對苯二甲酰氯，雙酚A，1，6-己二醇和預聚乳酸合成含有羥基和羧基末端的聚合物。預聚乳酸的制備，濃縮乳酸水溶液作為合成用乳酸單元（方案1）。這將形成聚合物鏈通過酯交換反應，在引入時具有高活性并且形成統(tǒng)計性產品。反應不加入任何的催化劑。由于預聚乳酸在甲醇中的良好溶解性，該聚酯能夠在氯仿/甲醇溶液中析出。未反應的預聚乳酸能夠完全除去。方案1合成路線3.2 共聚酯的結構表征PBHT50 的1H NMR譜圖可以看出共聚

17、酯包含50mol%BAT單元和50mol%的HT單元，如圖1所示。經核磁譜圖驗證，8.25（a），4.30（b），1.75（c）和1.48（d）的特征峰分別對應HT段的對苯二甲酸，OCH2，OCH2旁的CH2，隔一位的CH2的H的特征峰。8.03（h），1.66（e），7.08（f）和7.25（g）的特征峰，分別對應BAT段的對苯二甲酸和二甲苯基異丙烷的特征峰。8.09（i）和8.16（j）處的特征峰對應對苯二甲酸毗鄰己烷和二甲苯基異丙烷的質子特征峰。PBHT50共聚酯的相對集中雙峰被用來計算共聚酯序列的長度，根據下列等式：其中，Na，Nh，Ni和Nj分別代表核磁譜圖中相似積分區(qū)域。 經計算，

18、PBHT50共聚酯的HT和BAT段序列長度分別為1.5和1.6.結果證明該共聚反應產生統(tǒng)計共聚酯。在PBHT46L8共聚酯的核磁譜圖中包含46mol%HT單元和46mol%BAT以及8mol%的乳酸單元，附屬峰5.08（m）和1.60（k）分別是乳酸單元中的CH和CH3特征峰（圖2）。4.27處新峰為己二醇的OCH2與乳酸連接單元出峰位置。在5.08（CH），4.30（OCH2），7.08（BAT質子）處的特征峰積分可以證明在PBHTL共聚酯中存在LA，HT和BAT單元。計算結果大致與投料的摩爾比相同（表1）。由于PBHTL核磁光譜中的雙峰不足，因此計算PBHTL的序列長度變得困難。圖1PBH

19、TL的核磁譜圖該共聚酯非常容易溶于氯仿。隨著，乳酸單元的增加，共聚酯在THF中的溶劑性提高。共聚酯采用熔融縮聚的方法合成，但是加入預聚乳酸的的量不同，BPA和HDO的投料比不同。產率為91-98%。GPC譜圖呈現(xiàn)單一分子量分布，如圖3所示。在分析甲醇沉淀池時未發(fā)現(xiàn)聚乳酸，這表明聚乳酸定量的進入共聚酯中。所獲得的分子量分布參數列于表1。隨著乳酸含量的增加，很難獲得高分質量產品，所得重均分子量的的分布范圍為16000-32900。隨著BPA與HDO投料比的降低，共聚酯的相對分子質量增大。表1PBHTL的組成與分子質量參數圖2 PBHTL46L8的核磁譜圖圖3 共聚酯的GPC曲線3.3 共聚酯的熱力

20、學行為PBHTL共聚酯的熱力學性能采用DSC和TG兩種方法進行表征。圖4顯示，共聚酯的二次熱處理DSC熱曲線，表2列出了不同的轉化溫度。正如我們在DSC熱曲線上所看到得，每種共聚酯都只有一個Tg，Tg的變化與乳酸單元和BAT/HT的投料比規(guī)律變化。PBHTL共聚酯的Tg下降到較低溫度，隨著脂肪族乳酸和己二醇含量的增加。曲線中未發(fā)現(xiàn)熔融吸熱和冷卻結晶放熱。只有一個Tg說明PBHTL共聚酯熔融縮聚和酯交換最終形成統(tǒng)計共聚酯而不是物理共混。從DSC熱曲線可以看出基線幾乎不是很穩(wěn)定。這可能是儀器原因以及采用具有銹斑的載物盤。對于同樣的樣品，在其他DSC儀器上觀察到穩(wěn)定的基線。TG分析在氮氣保護條件下進

21、行，圖5曲線顯示兩段降解，乳酸和己二醇（368-372）芳香BAT基（466-469）。PBHTL共聚酯在372和469時的熱失重記錄于表2。從兩步降解的質量損失，BAT段的實際質量百分比被計算出來，結果與理論值十分相符。表2共聚酯的熱性能圖4 共聚酯的DSC曲線3.4 X射線衍射圖 圖6展示了3種典型的聚酯的溶液澆鑄薄膜的X射線衍射圖。由XRD分析可得，溶液澆鑄薄膜中發(fā)現(xiàn)了低結晶峰。然而，DSC測試方法得出沒有熔融吸熱和冷結晶峰，這表明聚合物的粉末是無定形結構。結果表明，溶液澆鑄過程導致了結晶鑄型。隨著乳酸基的增加，PBHTL聚酯的結晶結構在乳酸基的作用下逐漸被破壞。圖5 共聚酯的TG曲線圖

22、6 X射線衍射譜圖圖7 聚酯膜的靜態(tài)接觸角3.5 聚酯的溶脹性和生物水降解 聚酯的溶液澆鑄薄膜的表面性質由接觸角方法分析得來。對于每個記錄下的角，最后讀出逐漸增加了乳酸基的聚合物的不同區(qū)域的5個取樣。由接觸角可知道，熱力學參數如表面張力可由聚酯的乳酸基的含量的函數求得。較小的接觸角通常導致更好的親水性。聚酯的親水性由1.5g聚酯在37 C下浸入去離子水中一周來測得。對于提到的每個點，最后3個可再生值用來計算3個取樣的平均值。PBHTL聚酯的快速吸水是由于乳酸基的存在。隨著己烯單元的增加，厭水性異亞丙基的摩爾含量降低，導致了水吸收的增長。親水性，也就是吸水性，在降解作用和細胞配置和生物材料的再生中起到了顯著的作用。圖8 共聚酯的吸水數據作為水解降解性的初步測試，厚度300 lm重為1.5g的聚酯薄膜在37 C下被放在20ml磷酸鹽緩沖液中。樣