(1.厦门大学化学化工学院,材料学院,福建厦门361005;2.宁德公安消防支队,福建宁德355200)
摘要:以乳酸(la)、乙醇酸(ga)为原料,在无催化剂、高真空条件下直接熔融缩聚合成聚乳酸-乙醇酸(plga)无规共聚物,对产物进行了gpc、ftir、1h-nmr表征,并研究了反应时间、聚合温度、la/ga投料比对plga分子质量的影响.结果表明:在所研究的聚合温度范围内,plga分子质量随聚合时间的延长先增大后减小;聚合温度越高,plga所能达到的最高分子质量越小,最佳聚合温度范围为160~170℃,最佳反应时间范围为57~69 h;在相同反应条件下,la/ga投料比越小,plga分子质量越大.该研究为plga的合成提供一种安全、经济、有效的新途径.
关键词:聚乳酸-乙醇酸;无催化剂;直接熔融缩聚
中图分类号:tq 316.4+2 文献标识码:a 文章编号:0438-0479(2010)03-0382-04
聚乳酸-乙醇酸(plga)具有良好的生物相容性、生物可降解性与降解速率可调节性,且兼具聚乳酸和聚乙醇酸的优势.通过调节组成和分子质量、调节生物相容性与生物降解速率、增强材料的强度和模量,人们已成功地将plga广泛应用于生物医学工程领域,如药物缓释体系、生物体吸收性缝合材料、内置隔离材料、骨科固定及组织修复材料等.
目前,工业上一般以乙交酯、丙交酯为单体通过开环共聚制得plga.然而,这两种单体价格很高,且该方法要求单体纯度极高,需要多次重结晶,这使工艺路线变得十分冗长,导致产品成本居高不下.此外,开环聚合通常使用有毒的锡类催化剂.由于催化剂不可能完全除净[1],残留催化剂会慢慢渗入病人的血液循环系统,危害人体组织的正常功能,尤其是对儿童的危害更大[2].为此,人们一直致力于开发成本低廉工艺简单的生产无(低)生物毒性plga的工艺.
与开环共聚法相比,直接熔融缩聚法合成的产物分子质量相对较小、分子质量分布相对较宽,产物颜色也相对较深;在相同投料比、相同分子质量下,直接熔融缩聚法合成的产物tm、tg也相对较低[3].但由于合成路线简单、单体价格相对较低,直接熔融缩聚法已逐渐成为plga合成的研究热点.汪朝阳等[4]用不同构型乳酸(la)与乙醇酸(ga)直接熔融共聚制得了不同的熔融共聚产物,并分析了它们各自的反应机理.lan等[5]以l-la和ga为原料,先熔融缩聚合成乳酸-乙醇酸齐聚物,再加入二元催化剂氯化亚锡和对苯二甲酸继续聚合,得到了一系列plga并对其热性能进行了研究.结果表明,plga的熔点随着ga在共聚物中的比例的增加而降低.本文在前人研究的基础上,在不添加任何催化剂的条件下,以la、ga为单体直接熔融缩聚合成plga,并探讨反应时间、聚合温度、la/ga投料比对分子质量的影响,为plga的合成提供一种安全、经济、有效的途径.该方法曾在聚乳酸的合成[6-7]中报道过,但其用于plga的合成尚未见报道.
1 实验部分
1.1 主要试剂
la,85%水溶液,分析纯,国药集团化学试剂有限公司;ga,99%白色固体粉末,优级品,河北省辛集市泰达石化有限公司;四氢呋喃(thf),色谱纯,天津市光复精细化工研究所.
1.2 plga的合成
称取一定比例(表1)的la与ga于100 ml三口瓶中,将三口瓶置于油浴锅中并连接冷凝装置.检查反应系统气密性,然后开始抽真空,再返充氮气.如此“抽气-充气”反复3次之后,保持氮气流速为10ml/min,开启磁力搅拌并将温度升至150℃,反应2h.然后将系统压力缓慢降至0.01 mpa,反应3 h;再在0.001 mpa下反应4 h;最后升温至设定的聚合温度(tp)继续反应,每隔一段时间取样测gpc.其反应历程[3]如下所示:
1.3 表征方法
核磁表征: bruker drx-400,以cdcl3为溶剂;红外表征:nicolet avatar 360,以thf为溶剂,采用液膜法测试;gpc表征:大连依利特p230高效液相色谱仪,以聚苯乙烯为标样,流速1.0 ml/min,压力1.0mpa.
2 结果与讨论
2.1 反应条件对重均分子质量(mw-)的影响
2.1.1 反应时间
tp为170℃,不同反应时间生成的plga55以及反应单体la、ga的红外谱图如图1所示.la和ga羧基内的羟基特征吸收峰出现在2 550~3 369cm-1之间,此峰强而宽,掩盖了羟基吸收峰.当反应时间为21 h时,3 510 cm-1处的羟基吸收峰已变得很弱,羧基中1 732 cm-1处的-c=o吸收峰向高波数迁移,这是因为羧基与羟基反应生成了酯基;随着反应的继续进行,酯基中的-c=o吸收峰渐渐增强,羟基吸收峰继续减弱;反应69 h后,羟基吸收峰才基本消失.可见,在不添加催化剂的条件下,la和ga的熔融共缩聚反应速率较慢,需较长时间才能反应完全.
在不同tp下,在反应初期plga55的mw-随反应时间延长而增大,反应到一定程度后mw-反而随反应时间的延长而降低(图2).这是因为la和ga在熔融共缩聚反应过程中,聚合反应和热降解副反应的相对速率会随时间发生变化.反应初期,官能团浓度较高,聚合反应速率大于热降解反应速率,plga55的mw-随着反应时间延长而不断增大;随着共缩聚反应的继续进行,官能团浓度不断降低,因此聚合反应速率不断下降;当反应达到一定程度后,聚合反应速率开始低于热降解反应速率,继续延长反应时间只会不断生成交酯,导致mw-逐渐降低.因此,反应时间也不宜过长.
2.1.2 聚合温度
从图2可以看出:在不同tp下,plga55的mw-基本上都有一个最大值,且tp越高,最大值越小;mw-最大值对应的反应时间随着tp的增大而减小.tp为190℃时,反应45 h后mw-开始降低;而tp为170℃时,反应69 h后mw-才开始降低.这是由于tp越高,聚合反应速率越快,官能团浓度降低比较快,因此pl-ga55分子质量开始下降的时间比较早.而产物mw-的最大值随着tp升高而逐渐降低,可能是因为热降解活化能高于聚合活化能[7],导致tp对热降解反应速率的影响比缩聚反应更显著.因此,提高tp更易生成交酯,致使产物发生热降解,不利于生成高分子质量的plga.当tp为170℃时,产物mw-的最大值(约59 000 u)相对较大,且反应时间也相对较短.
综上所述,最佳的tp范围为160~170℃,最佳的反应时间范围为57~69 h.
2.1.3 单体投料比
不同la/ga投料比对plga分子质量也有很大影响(图3).tp为170℃时,不同la/ga投料比的共聚体系mw-均随着反应时间延长而增大,但在相同的反应时间内,ga比例越高,产物mw-越大.这是因为:1)ga的酸性要比la强,因此其自催化能力要比la强;2)ga的羟基是伯醇羟基,la的羟基是仲醇羟基,故ga的羟基的酯化反应活性比la的羟基高.因此,ga的聚合速率比la大,在相同条件下,可以通过提高ga比例来提高plga分子质量.当la/ga投料比为4∶6时,其mw-可达75 000 u.然而,本文所采用的熔融缩聚法不适用于la/ga投料比等于或小于3∶7的共聚体系.这是因为,ga含量太高会使plga分子链中出现较长的聚乙醇酸链节,这些链节形成了结晶区.当tp为170℃时,结晶区不能完全熔融,反应体系粘度过高,水分难以挥发,致使产物分子质量难以提高;若提高tp会加剧热降解,也不利于生成高分子质量的plga.因此,本文仅研究la/ga投料比大于3∶7的共聚体系.
2.2 结构表征
2.2.1 ftir表征
tp为170℃、反应时间为69 h时,由不同la/ga投料比合成的plga的ftir谱图(图4)十分相似,只是甲基(2 994,2 875 cm-1)与亚甲基(2 945,2 850cm-1)吸收峰的相对强度、羟基(3 510 cm-1)的强度略有不同.la/ga投料比越大,羟基吸收峰越强,这也在一定程度上说明了在相同反应条件下,la含量越高,残留的端羟基越多,反应程度也就越低.其他吸收峰的归属如下:1 759 cm-1(c=o);1 271,1 174,1 134,1 095 cm-1(c-o-c);1 454,1 424,1 390cm-1(ch3,ch2,ch).
2.2.2 1h-nmr表征
tp为170℃,反应时间为69 h,不同la/ga投料时plga的1h-nmr表征谱图如图5所示.la的甲基和次甲基的化学位移分别位于1.58和5.17,ga的亚甲基的化学位移位于4.88.然而,除了-ch3质子峰为正常的二重峰外,本应为四重峰的-ch-质子峰裂分成多重峰,而本应为单峰-ch2-的质子峰也出现多个峰.这可能是因为,plga分子链中不同序列引起了峰的裂分;或在离分子链端较远处和分子链端的各基团所处化学环境的差异使其化学位移发生了偏移,从而出现多峰.
3 结 论
以la、ga为原料,在无催化剂、高真空条件下直接熔融缩聚合成了plga无规共聚物.研究反应时间、tp、la/ga投料比对plga分子质量的影响,发现:1)随着反应时间延长,在不同tp下plga的mw-基本上都出现先增加后减小的趋势;2)tp越高,pl-ga所能达到的最高分子质量越小,最佳的tp范围为160~170℃,最佳的反应时间范围为57~69 h; 3)在相同反应条件下,由于ga酯化反应速率比la高,因此,la/ga投料比越小,plga分子质量越大.但当la/ga投料比等于或小于3∶7时,采用本文聚合方法不易合成分子质量较高的plga.