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異山梨醇酯的合成及其生物降解性能分析論文
聚磷酸酯是一類新型生物可降解材料，該材料具有在生理條件下易降解、結(jié)構易修飾和生物相容性好等特點[1 ~3]. 其降解產(chǎn)物主要是磷酸鹽和脂肪族二元醇，不含酸性降解產(chǎn)物，可避免體內(nèi)局部組織發(fā)生炎癥等副作用[4]. 聚磷酸酯被廣泛應用于藥物釋放、基因載體和組織工程等生物醫(yī)藥領域[5 ~9].
從合成方法上看，醫(yī)藥用聚磷酸酯的合成大致可以分為開環(huán)聚合法和溶液縮聚法[10]. 溶液縮聚法中廣泛使用雙酚 A 等含活性氫的化合物，但是雙酚 A 被認定為內(nèi)分泌干擾物（ EDC,anendocrine-disrupting chemical） ,在生物體內(nèi)外具有類雌性激素的作用[11 ~13]. 異山梨醇被認為是雙酚 A 的潛在替代單體[14 ~16]. 異山梨醇是剛性、無毒的手性分子，能夠提高聚合物的玻璃化溫度、力學性能以及生物相容性等。 因此，研究異山梨醇的生物基材料具有重要的經(jīng)濟價值，對工程應用和生物醫(yī)用領域具有重要意義。 本文合成了異山梨醇聚磷酸酯，并研究了該新型聚磷酸酯的熱性能和生物降解性能。
1 實驗部分
1. 1 試劑與儀器
異山梨醇，國藥集團化學試劑有限公司，乙酸乙酯重結(jié)晶后置于 35 ℃恒溫鼓風干燥箱中干燥至恒重。 2-甲基四氫呋喃（ 2-MeTHF） ,上海晶純生化科技股份有限公司，干燥后使用。 苯膦酰二氯、磷酸鉀（ K3PO4） ,上海晶純生化科技股份有限公司，分析純，未經(jīng)處理直接使用。 二氯甲烷（ CH2Cl2） ,國藥集團化學試劑有限公司，干燥后使用。 三乙胺（ triethylamine） 、正己烷，國藥集團化學試劑有限公司，分析純，未經(jīng)處理直接使用。磷酸鹽緩沖液（ PBS） 和酶溶液參考文獻[17]制備。
凝膠滲透色譜儀（ GPC） 測定聚合物的 Mn、Mw以及分子量分布 PDI. GPC 由戴安 P680 泵、折光示差檢測器（ RI-101 Shodex） 和色譜分離柱（ MIXED-A） 組成。 柱溫和檢測器溫度設定為30 ℃ ,以四氫呋喃為流動相，流速為 1. 0 mL /min,單分散線性聚苯乙烯用于測定標準曲線。 核磁共振儀（ Bruker 400 MHz） 測定聚合物的1H-NMR、31P-NMR 圖譜，CDCl3作為溶劑，TMS 為內(nèi)標。 傅里葉紅外光譜儀（ AVATAR360 Nicolet） 測定聚合物的分子結(jié)構，采用溴化鉀壓片法制樣。
同步熱分析儀（ NETZSCH STA 409 PC） 測定聚合物的熱性能，氮氣氛圍中，以 10 K/min 的速率從20 ℃ 升至 600 ℃ . 利用掃描電子顯微鏡（ S-4700Hitachi） 觀察聚合物的外觀形貌。
1. 2 聚磷酸酯的合成
以二甲基對甲苯胺為引發(fā)劑，引發(fā)異山梨醇和苯膦酰二氯進行縮聚反應，制備異山梨醇聚磷酸酯，合成路線如示意圖 1 所示。 典型的合成方法是： 在帶有機械攪拌、冷凝管和恒壓漏斗的反應器中加入異山梨醇（ 0. 1 mol） 、氯化氫吸附劑（ 磷酸三鉀或三乙胺，0. 1 mol） 、溶劑（ 2-甲基四氫呋喃或二氯甲烷，250 mL） ,滴加幾滴二甲基對甲苯胺。 將苯磷酰二氯（ 0. 1 mol） 與溶劑（ 2-甲基四氫呋喃或二氯甲烷，10 mL） 加入到恒壓漏斗中； 反應器置于 0 ℃以下的環(huán)境中，慢慢滴加苯膦酰二氯溶液，并不斷攪拌； 滴加完畢后，慢慢升至常溫反應 1 h; 然后繼續(xù)升溫至 90 ℃回流反應 6 h 后，停止反應。 其中所用溶劑都為干燥后的溶劑。 反應結(jié)束后用正己烷沉淀 3 次，最后在40 ℃真空干燥箱中干燥 24 h,得到無色或淡黃色的固體。
1. 3 聚磷酸酯的生物降解
1. 3. 1 磷酸鹽緩沖液（ PBS） 的配制
稱取氯化鈉 24 g、氯化鉀 0. 6 g、磷酸二氫鉀0. 72 g、磷酸氫二鈉 10. 89 g 充分溶于 2. 5 L 蒸餾水中，稀釋至 3 L. 用高壓滅菌鍋在 130 ℃、0. 1MPa 下滅菌 30 min,自然冷卻后取出，用 NaOH 溶液定 pH 值為 7. 4,并重新定容至 3 L. 置于 0 ~4 ℃ 冰箱中備用。
1. 3. 2 酶溶液的配制
Novozym 435 是一種由 Candida antarctic 得到的固定化脂肪酶，耐熱性很高。 將 Novozym 435 用滅菌后的磷酸緩沖液（ PBS） 配制成 1. 2 mg/mL的酶溶液[17]. 樣品先精密稱重（ Wo） ,然后分別浸泡在裝有 35 mL 不同降解介質(zhì)的離心管中，放在37 ℃ 水浴搖床中，搖速 90 r / min. 再每 5 天將樣品取出并更換介質(zhì)，用流動的蒸餾水反復沖洗，用濾紙吸干表面的水分立即稱濕重（ Wwet） ,然后減壓干燥 48 h 后稱干重（ Wdry） ,進行失重考察。 聚酯的失重率和吸水率分別用以下公式計算：
2 結(jié)果與討論
2. 1 異山梨醇與苯膦酰二氯的聚合反應
表 1 列出了異山梨醇與苯膦酰二氯聚合反應的典型結(jié)果，可以看出異山梨醇和苯基磷酰二氯在有溶劑和無溶劑下發(fā)生了如示意圖 1 所示的聚合反應，制備了重均分子量在 2. 0 × 104到 6. 0 ×104的異山梨醇聚磷酸酯。
從表 1 還可以看出在無溶劑條件下，分子量較低，這是由于在反應過程中分子鏈之間的接觸不充分，不易進一步形成長鏈。 而且由于無溶劑條件下聚合反應受熱不均導致聚合物鏈增長速率相差較大，從而導致分子量分布較廣。 在有溶劑的條件下，合成所得聚合物分子量較高。 而且當溶劑為 2-甲基四氫呋喃時，聚合物分子量更高一些，達到 6. 0 × 104. 2-甲基四氫呋喃被認為是“綠色”溶劑，可用于替代二氯甲烷，該合成方法也被認為是綠色合成方法[18]. 反應過程中當用無水磷酸鉀作為氯化氫的中和劑時，得到的聚合物分子量較高，這是因為無水磷酸鉀吸附氯化氫的效果更好。 另外其在清除氯化氫的過程中沒有產(chǎn)生水或其他有毒的副產(chǎn)物（ K3PO4+ HCl = KCl +K2HPO4）[19],得到的聚酯為無色的。 而用三乙胺時得到的聚酯顏色較深，可能是因為三乙胺在聚合物中不易除去。
2. 2 聚合物的結(jié)構表征
圖 1 為異山梨醇與苯膦酰二氯合成的化合物的 FTIR 圖譜，1225 cm- 1為 P O 鍵的伸縮振動吸收峰，1130 cm- 1及1002 cm- 1處分別為 P-O-Cisosorbide 的伸縮振動吸收峰，這證明異山梨醇與苯膦酰二氯之間形成了磷酯鍵。 紅外圖譜中其他各個特征峰的歸屬如下： 2967 cm- 1和 2874cm- 1歸屬異山梨醇上的亞甲基（ -CH2-） 對稱伸縮和不對稱伸縮吸收峰； 3066 、1600 、685 cm- 1歸屬于苯環(huán)上的質(zhì)子振動吸收峰，3420 cm- 1為聚合物末端-OH 振動吸收峰。 所有吸收峰與聚合物的結(jié)構均相對應，說明成功合成了聚磷酸異山梨醇酯。
圖 2 是異山梨醇與苯膦酰二氯合成的化合物1H-NMR 圖譜，圖中 δ3= 3. 92 和 δ4= 4. 12 處的峰分別是異山梨醇環(huán)上靠近 2 號羥基和 5 號羥基的次甲基質(zhì)子峰。 δ1= δ6= 3. 85 ~ 3. 70 處為異山梨醇鏈上亞甲基質(zhì)子共振峰。 δ2= δ5= 4. 80 ~4. 71 處為異山梨醇鏈上接有-OH 的次甲基質(zhì)子峰。 δ7= δ8= 7. 55,δ9= δ10= 7. 40 和 δ11= 7. 50 分別為苯環(huán)上的氫質(zhì)子峰。 δ12= 2. 32 處的弱峰歸屬于聚合物端羥基，這與圖 1 中聚合物端羥基在3420 cm- 1處有振動吸收峰相符合。 所有質(zhì)子峰與聚合物的結(jié)構均相對應。
圖 3 是異山梨醇與苯基磷酰二氯合成的化合物13P-NMR 圖譜，13P-NMR 圖譜出現(xiàn) 2 個吸收峰：
δ = 19. 30、20. 05. 化學位移的不同是由于磷在主鏈中位置不同，δ =19. 30 歸屬于磷原子在主鏈末端，δ =20. 05 歸屬于磷原子在主鏈中間。13P-NMR圖譜證實了聚合物的形成以及磷酯鍵處于聚合物的主鏈上。
2. 3 聚合物的體外降解性能
聚合物的體外降解實驗主要有水解實驗、氧化實驗、酶解實驗等。 本文通過水解實驗和酶解實驗研究了異山梨醇基不飽和聚酯類的降解性能，用不同時間的失重率表示其降解程度。 此外，還考察了聚磷酸酯的溶脹性能。
降解失重是表征聚合物降解性能的重要指標之一。 圖4（ a） 、4（ b） 分別為聚酯水解和酶解 25 天的失重率變化曲線。 從圖 4（ a） 和圖 4（ b） 可知，PPI-3 /4 /5 /6 在 25 天后，失重率大于 80% ; PPI-1 /2 失重率失重比較緩慢，25 天后失重約 25% .
PPI-1 /2 /3 /4 /5 /6 的重均分子量分別為 6 × 104、5. 4 × 104、3. 8 ×104、4. 1 ×104、3. 2 ×104、2 ×104,通過圖 4 可推出隨著分子量的增加，PPI 的失重率變緩，當重均分子量大于 5 × 104時，降解速率明顯減慢。 隨著分子量的增大，聚合物呈現(xiàn)出疏水性特征，水分子越是無法滲透到內(nèi)部，造成降解速率明顯降低。 圖 5 是降解不同天數(shù)后 PPI-4 聚合物表面的 SEM 照片，可以看出起初聚合物表面較為平整，隨著降解天數(shù)的增加，聚合物表面變的粗糙不平。 聚合物的降解是造成表面粗糙不平的原因。
圖 6（ a） 、6（ b） 分別為聚酯在水溶液和酶溶液中 25 天的吸水率變化曲線。 可以看出 PPI 重均分子量小于 5 ×104時，聚酯表現(xiàn)出良好的親水性，吸水率夠超過 150%; 隨著分子量的增大，聚酯呈現(xiàn)出疏水性特征，吸水率小于 40%. 這是因為分子量越低越多的羥基裸露在體外，親水性越好； 分子量越大降解越慢，水分子越是無法滲透到內(nèi)部，造成吸水率相對較低。 另外可以看出放置時間越長，吸水率越高，這是因為隨著聚酯的降解，更多的羥基會裸露到體外，增加了聚酯的吸水性。 總之，實驗結(jié)果表明異山梨醇聚磷酸酯具有很好的體外降解性能和溶脹性能。
2. 4 聚合物的熱性能
用 DSC 研究了聚磷酸酯的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（ Tg） ,DSC 分析表明（ 圖 7） PPI 具有較高的 Tg,隨著分子量的增加，聚合物的 Tg顯著增加。 當分子量從2 ×104增加到6 ×104時，Tg從129 ℃增加到176 ℃ ,增加了近 36% .
圖 8（ a） 是不同分子量 PPI 的 TG 曲線。 由圖可知，PPI 有較高的熱分解溫度，起始分解溫度（ 5%失重溫度） 均高于 200 ℃，可以推測對其進行常規(guī)的熱加工時可不必考慮其熱分解。 從圖 8（ a） 還可以看出 PPI 的熱穩(wěn)定性隨著分子量的增大而提高。 當重均分子量由 2 × 104增加到 6 ×104時，PPI 的起始分解溫度從 260 ℃ 提高到315 ℃ ,提高了 55 K. 圖 8 （ b） 為 PPI 的 DTG 曲線，由圖可知，PPI-6/5/3/4/2/1 的最大分解速率溫度（ Tm） 分別為 344、357、373、380、386、396 ℃。
總之，提高 PPI 的分子量可以明顯提高其熱穩(wěn)定性，改善加工性能。 PPI 的熱分解性能隨著分子量的增 大 而 提 高，除 了 提 高 分 子 量 可 以 提 高聚合物鏈之間的色散力之外，還有可能與PPI的解拉鏈降解反應有關。 解拉鏈降解是指聚合物末端羥基主鏈上的碳原子，發(fā)生“回咬”反應，此種降解反應在較低溫度下即可發(fā)生[19]. 隨著聚合物分子量提高，羥基濃度降低，從而抑制了解拉鏈降解反應的發(fā)生，提高了聚合物的熱穩(wěn)定性。
3 結(jié)論
通過本體聚合法和溶液聚合法得到了不同分子量的新型聚磷酸酯（ PPI） ,當 PPI 的分子量（ Mw） 低于 5 × 104時，聚合物具有很好的降解性能和溶脹性能。 PPI 具有較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（ Tg） ,且隨著分子量的增加，聚合物的 Tg顯著增加。 研究了聚合物分子量對其熱穩(wěn)定性的影響，實驗結(jié)果表明提高分子量有助于提高 PPI 的熱分解溫度。
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