郎思睆,　肖　艳,　李进杰,　刘晏辛,　郎美东

(华东理工大学材料科学与工程学院,上海 200237)



基于星型聚4-甲基-ε-己内酯的光交联网络合成与性能表征

郎思睆,肖艳,李进杰,刘晏辛,郎美东

(华东理工大学材料科学与工程学院,上海 200237)

采用季戊四醇(PE)引发4-甲基-ε-己内酯(MeCL)单体开环聚合,得到一系列具有四臂拓扑结构的星型聚4-甲基-ε-己内酯(PMCL),再以丙烯酰氯对PMCL末端羟基进行双键化改性,得到端基双键化星型预聚物,该预聚物与光引发剂混合后可在紫外照射下交联成型。通过1H-NMR、GPC和旋转流变仪表征了PMCL预聚物的微观结构和流变性质。研究表明:成功制备了PMCL预聚物,聚合反应可控,且通过改变臂长可调节预聚物的流变特性。此外,随着预聚物臂长的增加,交联样品的模量下降但断裂伸长率有显著提高。

聚4-甲基-ε-己内酯; 拓扑结构; 光交联; 拉伸性能; 组织工程

为了满足生物医学领域的新兴技术如组织工程学、再生医学、新型的药物运输体系和植入式装置等的需求,新型可降解聚合物交联网络得到了广泛的研究与开发,通过调节聚合物的降解周期、力学性能、亲疏水性等来满足不同材料的应用需求[1-2],其中,以星型结构预聚物得到的交联网络由于其独特的拓扑结构而得到了更多的关注。相对于线型的同系物而言,星型预聚物具有简单、明确的三维(3D)体系结构及较高的密度和溶解性,同时还具有黏度较低、响应外部刺激快速和玻璃化转变温度较低等特点[3-5]。由于其独特的结构,星型预聚物可以通过调节臂数以及臂的长度来调节交联网络的力学性能和降解性能等,使得这一类聚合物在组织工程方面有着广泛的应用[6-8]。

目前研究最多的可降解星型预聚物包括聚丙交酯(PLA)、聚己内酯(PCL)和聚乙交酯(PGA)等。Amsden等[9-10]合成了一系列星型聚(丙交酯共己内酯)(SCP),其光交联网络的力学性能可以通过调整星型共聚物的初始分子量和单体配比进行调控,交联网络的模量与预聚物分子量成反比而断裂伸长率与分子量成正比。体外降解实验表明:交联网络力学性能随着降解时间线性下降,在软组织工程领域表现出潜在应用价值。Kong等[11]合成了四臂星型共聚物,以己内酯共丙交酯(CLLA)作为固定核、PLA作为臂,PLA的臂长增长,核结晶度下降,臂之间的共结晶形成三维结构的交联网络。降解实验表明降解首先发生在核,然后发生在PLA臂。此外,这些交联网络具有很好的抗蠕变恢复能力,在生物可降解植入体方面具有一定的应用前景。然而,通过共聚的方法来获得星型预聚物的过程较为复杂,制备的交联网络弹性较小。本课题组曾研究了PCL和聚4-甲基-ε-己内酯(PMCL)的共聚行为,酶降解实验表明:4-甲基-ε-己内酯(MeCL)含量越高降解越快,所制备的微球在药物缓释等方面具备潜在的应用价值[12]。

目前,对于MeCL均聚物的研究报道很少,因此在前期研究的基础上,本文首先采用小分子季戊四醇(PE)引发单体MeCL开环聚合得到星型聚合物,然后再对其端基进行双键化改性得到星型预聚体；最后,在光引发剂存在的条件下,用紫外光照射交联成型,期望制备能与自然组织力学性能相匹配的交联聚合物。该制备过程简单可控:一方面,通过引入星型拓扑结构来调节交联点的数量,从而调节其交联聚合物的力学性能;另一方面,通过调节预聚物的聚合度来达到调节交联体性能的目的。

1　实验部分

1.1原料及试剂

4-甲基环己酮:化学纯,纯度99%,杭州邦成化工有限公司;间氯过氧化苯甲酸:化学纯,纯度70%～80%,Acros试剂公司;异辛酸亚锡(Sn(Oct)2)、丙烯酰氯(Ac)、安息香二甲醚(DMPA):化学纯,纯度分别为99%、96%、99%,Sigma-Aldrich试剂公司;PE、二氯甲烷、石油醚、乙醇、无水碳酸钾:分析纯,国药集团化学试剂有限公司。

在4-甲基环己酮中,加入适量氢化钙(CaH2),搅拌24 h后于110 ℃水泵减压蒸馏,所得产物置于惰性气体环境保存备用;将碳酸钾(K2CO3)放入马弗炉中300 ℃烘干过夜,随炉冷却后,密封保存待用;将二氯甲烷和无水硫酸镁加入500 mL圆底烧瓶中,搅拌过夜后,减压蒸馏,得到的无水二氯甲烷在氩气保护下密封保存备用;取一定量PE于圆底烧瓶中,溶于干燥的甲醇中,重结晶3次,氩气保护密封保存备用。

1.2实验过程

1.2.1星型PMCL的合成MeCL参照文献[13]中报道的方法通过Baeyer-Villiger(BV)反应制备获得。在氩气保护下,称取0.14 g(1 mmol)PE和6.40 g(50 mmol)MeCL迅速加入到放有搅拌子且预先烤管3次的与双排管相连的茄形瓶中。于60 ℃的油浴锅中抽真空3 h以除去体系中的微量水分。加入Sn(Oct)2(单体质量的0.05%)作为催化剂,在氩气保护下封口。体系在130 ℃油浴锅中反应24 h后加入二氯甲烷溶解聚合物,石油醚沉降。溶液倾倒法除去石油醚后于真空干燥箱中抽真空24 h得到星型聚合物PMCL，此时聚合度为50，定义为PMCL50。同时，本文合成了聚合度为100、200、250、300、400的PMCL，分别定义为PMCL100、PMCL200、PMCL250、PMCL300、PMCL400。

1.2.2星型PMCL的端基双键化改性将100 mL单口圆底烧瓶与50 mL恒压滴液漏斗连接到双排管上烤管3次。随后在氩气保护下,迅速将6.54 g(1 mmol)PMCL预聚物、5.52 g(40 mmol)K2CO3和35 mL干燥的二氯甲烷加入到单口圆底烧瓶中,同时将2.90 g(32 mmol)AC和35 mL干燥的二氯甲烷加入到恒压滴液漏斗中,密封整套装置。冰水浴中滴加Ac的二氯甲烷溶液1 h。室温反应4 d后,超速离心除去K2CO3固体,石油醚沉降。用溶液倾倒法除去石油醚,真空干燥箱中抽真空24 h得到端基双键化星型预聚物PMCL-Ac。

1.2.3光交联样品的制备将PMCL-Ac与光引发剂DMPA(n(DMPA)/n(PMCL-Ac)=1/20),加入烧杯中避光超声混匀,于四氟乙烯模板中铺膜,用500 W、波长365 nm的紫外光照射10 min 固化成型。具体的合成路线如图1所示。

图1　星型预聚物及其光交联网络的合成路线

1.2.4光交联样品的凝胶含量和溶胀率测定称取50 mg左右形状一致的交联聚合物长方形样条,每种交联聚合物设置3组平行样,进行编号并称重(m0),将交联聚合物分别浸泡于10 mL CH2Cl2中,72 h后取出交联聚合物并称重(ms),再将交联聚合物置于真空干燥箱中干燥至恒重(mt),由以下计算公式得到溶胀率(SR)和凝胶含量(G)。

SR=(ms-mt)/mt×100%；G=mt/m0×100%

1.3测试与表征

采用德国布鲁克公司Bruker 400 MHz核磁共振波谱仪测定核磁共振氢谱(1H-NMR),以CDCl3为溶剂、TMS为内标,测试得到聚合物的特征氢谱,通过质子氢在谱图上的各出峰位置、峰的相对面积积分比确定聚合物的分子结构,通过参比基准物对比计算出聚合物的聚合度、数均分子量(Mn,NMR);采用美国Waters公司Waters1515凝胶渗透色谱(GPC)仪测定预聚物的数均分子量(Mn,GPC)及分子量分布(PDI),GPC的淋洗溶剂为四氢呋喃(THF),其稳定流速为1.0 mL/min,温度为35 ℃;采用美国Hakke RheoStress 600旋转流变仪测试双键化预聚物的流变特性,动态频率扫描,频率范围0.01～100 Hz,恒定温度25 ℃下施加恒定应变0.1%,测定双键化预聚物在不同频率下的流变曲线,系列预聚物流变曲线在相同实验条件下测得;采用美国TA仪器公司MDSC TA-2910 DSC仪测试光交联网络的热学性能,从-100 ℃升温至100 ℃,升温速率为10 ℃/min,环境气氛为氮气;采用上海衡翼HY-0230万能机械测试仪测定光交联网络的拉伸性能,将光交联网络裁成4 mm×20 mm×0.5 mm的哑铃型样条,每种样品取5组平行样,拉伸速率为10 mm/min。

2　结果与讨论

2.1PMCL和PMCL-Ac的结构表征

图2是PMCL50和PMCL50-Ac在CDCl3中的核磁共振氢谱图。其中,图2(a)中3.72处的峰在图2(b)中向低场移动至4.25,且图2(b)中3.72处无残留峰,说明端羟基已经消失,且双键化完全。图2(b)中6.45～5.80处h、i、j峰为末端双键上的氢，该位置出峰进一步表明成功接上双键。此外,通过双键氢出峰的积分面积可以推算出双键化程度几乎为100%。以a峰和g+g’峰的积分面积比可以推算出预聚物的聚合度,其中a峰对应引发剂羟甲基氢的质子峰,g+g’峰对应MeCL支链上的甲基氢质子峰。

图2　PMCL(a)和PMCL-Ac(b)的1H-NMR谱图

a—PMCL50;b—PMCL100;c—PMCL200;d—PMCL250;e—PMCL300;f—PMCL400

PMCL的数均分子量和分子量分布系数如图3所示。从图中可以看到,不同聚合度的星型预聚物，其GPC谱图呈单峰正态分布,表明聚合物为单一组分,且分子量分布较窄(PDI<1.3),表明聚合反应可控。

表1总结了不同聚合度PMCL的1H-NMR与GPC的表征结果,从表中可以看出Mn,NMR与理论分子量(Mn,th)非常接近,表明聚合物的可控性好,但是Mn,GPC均比Mn,th大,这是由共聚物和聚苯乙烯标样在四氢呋喃溶剂中的流体力学半径的差异造成的[14]。综上所述,已成功合成PMCL且结构可控。

2.2PMCL-Ac的流变特性表征

PMCL-Ac流变特性动态频率扫描结果具体见图4。图4(a)中是流体特性黏度(η)随剪切速率的变化曲线,PMCL-Ac的η对剪切速率具有依赖性,随着剪切速率的增加,η下降,即流体剪切变稀,该流体为假塑性流体,且聚合度越高,其η越大。图4(b)是PMCL-Ac的储能模量(G′)和损耗模量(G″)随频率的变化曲线。不同聚合度的PMCL-Ac在低频率区,G″远大于G′,即PMCL-Ac表现为黏性行为,在高频率区,G′大于G″,PMCL-Ac表现为弹性行为。随着PMCL-Ac聚合度的增加,其G′和G″也增大。

表1　PMCL的数均分子量及其分布

Mn,thwas molecular weight of prepolymers determined by feed ratio

从流变结果可以看出,PMCL-Ac的长臂分子链越长,其黏度越高,模量也越大。因此,通过改变聚合度可以达到调节PMCL-Ac流变特性的目的。

图4　PMCL-Ac特性黏度随剪切速率的变化曲线(a);PMCL-Ac储能模量G′(实心)和损耗模量G″(空心)随频率的变化曲线(b)

2.3PMCL-Ac的光交联成型及其交联网络热学性能

a—PMCL50-Ac;b—PMCL100-Ac;c—PMCL200-Ac;d—PMCL250-Ac;e—PMCL300-Ac;f—PMCL400-Ac

图5为PMCL-Ac交联前后的DSC吸收曲线,由图5可知,PMCL-Ac在交联前后均只有玻璃化转变(Tg)峰,且其Tg基本在-59 ℃左右且在-100～100 ℃，未出现熔融吸收峰,表明PMCL-Ac在交联前后均为无定型非结晶状态。从图5还可以看出,交联网络具有更高的Tg,并且随着PMCL-Ac聚合度的增加,Tg升高。这是由于交联后聚合物网络中形成的交联点,限制了链段的运动,链段运动能力变差,使Tg增加。

2.4光交联样品的凝胶含量和溶胀率

图6为PMCL-Ac交联样品的凝胶含量和溶胀率随PMCL-Ac聚合度的变化图。从图6中可以看出,不同聚合度PMCL-Ac交联样品的凝胶含量一致,即交联聚合物的光交联程度一致,其值稳定在80%左右；另一方面,交联网络的溶胀率随着PMCL-Ac聚合度的增加而增加,当聚合度为300时,溶胀体积达到了原始体积的8倍。从图6中看出,PMCL-Ac聚合度越小，臂长越短,化学交联密度越大,其溶胀率越小；随着长臂链段的加长,化学交联密度下降,溶胀率上升。

图6　交联网络的溶胀率(▇)和凝胶含量(●)随预聚物聚合度的变化图

2.5光交联样品的力学性能

交联聚合物的杨氏模量(E)、拉伸强度(σ)和断裂伸长率(ε)具体数据见表2。本文通过引入星型拓扑结构以及调控预聚物的分子量,期望能获得一些力学性能与人体天然软组织相匹配的交联网络,以寻求在组织工程方面的潜在应用价值。由于结晶性和交联密度是影响交联网络力学性能的重要因素[16]。在文中,交联聚合物均为无定型非晶结构,因此交联密度是影响交联网络力学性能的主要因素。从表2可以看出,当PMCL聚合度为50时,交联聚合物模量最高,当聚合度增大到100以后,交联网络的杨氏模量急剧下降,仅在0.2～0.7 MPa变化。而所有星型交联网络的拉伸强度均随着预聚物聚合度的变化不大,说明分子量的增加对交联网络的拉伸强度影响较小。同时,光交联网络的断裂伸长率随预聚物聚合度的增加而不断增加,特别是聚合度为300及以上时,其网络断裂伸长率达到了300%以上,这表明交联网络具有很强的弹性和柔韧性。因此,当聚合度小于等于250时,网络交联密度较大,导致交联体脆性大；而当聚合度大于250时,交联密度较小,交联网络弹性更强。与交联前的PMCL-Ac相比,其力学性能大大提高,说明光交联大大提高了聚合物的力学性能。

表2　交联网络和人体部分软组织的拉伸性能数据表[15]

表2同时列出了动物膀胱和血管壁弹性蛋白的力学性能作为交联网络力学性能的直观对照组,综合表中数据可以看出,当聚合度大于250时,这些交联网络的力学性能可以与人体天然软组织相匹配,本文通过引入星型拓扑结构到PMCL预聚物中,并调节其分子量,获得了能与人体天然软组织相匹配的交联网络,这为本材料的进一步应用做了很好的铺垫。此外,这一系列星型预聚物交联网络因其独特的拓扑结构而具有较高的化学交联密度,通过调控预聚物链段的长度,可达到调节交联网络力学性能的目的。特别是链段的长度大大影响了光交联网络的断裂伸长率,使得交联体表现出较强的柔韧性,并与软组织例如血管组织或膀胱组织的拉伸力学性能相匹配,在组织工程方面具有潜在的应用价值。

3　结　论

(1) 用星型小分子引发剂PE引发MeCL开环聚合成功制备一系列不同聚合度的星型预聚物PMCL,且聚合度可控。

(2) 将星型预聚物PMCL末端羟基进行双键化改性,得到端基双键化星型预聚物PMCL-Ac，将PMCL-Ac在紫外光照条件下固化成型,光交联改变了其热力学性能。

(3) 随着预聚物臂长的增加,光交联样品的模量下降但断裂伸长率显著提高。

[1]VERT M.Aliphatic polyesters:Great degradable polymers that cannot do everything[J].Biomacromolecules,2005,6(2):538-546.

[2]VERT M.Polymeric biomaterials:Strategies of the pastvs. strategies of the future[J].Progress in Polymer Science,2007,32:755-761.

[3]ABRAHAM S,HA C S,KIM I.Synthesis of poly(styrene-block-tert-butyl acrylate) star polymers by atom transfer radical polymerization and micellization of their hydrolyzed polymers[J].J Polym Sci Part A:Polym Chem,2005,43(24):6367-6378.

[4]SU J L,BO R H,SANG Y P,etal.Sol-gel transition behavior of biodegradable three-arm and four-arm star-shaped PLGA-PEG block copolymer aqueous solution[J].Journal of Polymer Science Part A:Polymer Chemistry,2006,44(2):888-899.

[5]GUO B,FINNE-WISTRAND A,ALBERTSSON A C.Moleculararchitecture of electroactive and biodegradable copolymers composed of polylactide and carboxyl-capped aniline trimer[J].Biomacromolecules,2010,11(4):855-863.

[6]AMSDEN B G,MISRA G,GU F,etal.Synthesis and characterization of a photo-cross-linked biodegradable elastomer[J].Biomacromolecules,2004,5(6):2479-2486.

[7]CHAPANIAN R,TSE M Y,PANG S C,etal.Long terminvivodegradation and tissue response to photo-cross-linked elastomers prepared from star-shaped prepolymers of poly(ε-caprolactone-co-D,L-lactide)[J].Journal of Biomedical Materials Research Part A,2010,92A(3):830-842.

[8]HAKALA R A,KORHONEN H,MERETOJA V V,etal.Photo-cross-linked biodegradable poly(ester anhydride) networks prepared from alkenylsuccinic anhydride functionalized poly(ε-caprolactone) precursors[J].Biomacromolecules,2011,12(12):2806-2814.

[9]AMSDEN B,WANG S,WYSS U.Synthesis and characterization of thermoset biodegradable elastomers based on star-poly(epsilon-caprolactone-co-D,L-lactide)[J].Biomacromolecules,2004,5(4):1399-1404.

[10]AMSDEN B G,TSE M Y,TURNER N D,etal.Invivodegradation behavior of photo-cross-linked star-poly(ε-caprolactone-co-D,L-lactide) elastomers[J].Biomacromolecules,2006,7(1):365-372.

[11]KONG J F,LIPIK V,ABADIE M J M,etal.Characterization and degradation of elastomeric four-armed star copolymers based on caprolactone andL-lactide[J].Journal of Biomedical Materials Research Part A,2012,100A(12):3436-3445.

[12]WANG Cui,XIAO Yan,HEISE A,etal.Organometallic and enzymatic catalysis for ring opening copolymerization of epsilon-caprolactone and 4-methyl-epsilon-caprolactone[J].Journal of Polymer Science Part A:Polymer Chemistry,2011,49(24):5293-5300.

[13]XIAO Yan,CUMMINS D,PALMANS A R A,etal.Synthesis of biodegradable chiral polyesters by asymmetric enzymatic polymerization and their formulation into microspheres[J].Soft Matter,2008,4(3):593-599.

[14]HABNOUNI S E,DARCOS V,COUDANE J.Synthesis and ring opening polymerization of a new functional lactone,α-iodo-ε-caprolactone:A novel route to functionalized aliphatic polyesters[J].Macromolecular Rapid Communications,2009,30(3):165-169.

[15]LIU Quanyong,JIANG Lei,SHI Rui,etal.Synthesis,preparation,invitrodegradation,and application of novel degradable bioelastomers：A review[J].Progress in Polymer Science,2012,37(5):715-765.

[16]WANG Shanfeng,KEMPEN D H R,de RUITER G C W,etal.Molecularly engineered biodegradable polymer networks with a wide range of stiffness for bone and peripheral nerve regeneration[J].Advanced Functional Materials,2015,25(18):2715-2724.

Synthesis and Characterization of Photo-Crosslinked Networks Based on Star-Shaped Poly(4-methyl-ε-caprolactone)

LANG Si-huan,XIAO Yan,LI Jin-jie,LIU Yan-xin,LANG Mei-dong

(School of Materials Science and Engineering,East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,China)

A series of poly(4-methyl-ε-caprolactone)s (PMCLs) with four-arm topological structures were prepared by ring opening polymerization(ROP) using pentaerythritol (PE) as the initiator and 4-methyl-ε-caprolactone (MeCL) as the monomer.Photocurable prepolymers were synthesized by attaching acryloyl chloride to the ends of PMCLs.Crosslinking of prepolymers was carried out in the presence of photoinitiator under UV light.The structure and rheological properties of the prepolymers were tested by1H-NMR,GPC and the rotational rheometer.Results showed that the PMCLs were synthesized successfully,and the polymerization was controllable and rheological properties were adjustable.The modulus reduced but the elongation at break increased with the increasing of the arm length of PMCL prepolymers.

poly(4-methyl-ε-caprolactone); topological structure; photo-crosslinking;tensile property; tissue engineering

1008-9357(2016)03-0267-007

10.14133/j.cnki.1008-9357.2016.03.003

2016-05-10

郎思睆(1990-),女,浙江兰溪人,硕士生,主要研究方向为可降解生物弹性体的合成和表征及其三维快速成型。E-mail:lshlsq2012 @sina.com

肖艳,E-mail:yxiao@ecust.edu.cn

TQ317

A