Vol.182005年6月功　能　高　分　子　学　报JournalofFunctionalPolymersNo.2Jun.2005

新型PLA2PVP两亲性交联共聚物的初步研究3

罗丙红33,　周长忍333,　陈义康,　李立华,　焦延鹏

(暨南大学理工学院生物材料研究室,广州510632)

摘　要:　先以聚乙二醇(PEG)为中心嵌段,经消旋2丙交酯(D,L2LA)开环扩链,进而用丙烯酸酯封端制备了可生物降解交联剂。然后以辛酸亚锡为催化剂、甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)为共引发剂引发D,L2LA开环聚合,制备了末端双键功能化的大分子单体(PLA2HEMA)。最后以可降解交联剂、大分子单体和N2乙烯基吡咯烷酮(NVP)为原料,采用自由基聚合方法合成了新型可生物降解两亲性交联共聚物,并对其亲水性和力学性能进行了研究。关键词:　可降解交联剂;大分子单体;乙烯基吡咯烷酮;两亲性;组织工程中图分类号:　O63 文献标识码:　A 文章编号:　100829357(2005)0220299206

组织工程是应用细胞生物学和工程学的原理培养出活的组织替代物,用于修复、维护或改善人体组

织的功能。理想的组织工程细胞支架材料应具有良好的生物相容性、可降解吸收和适宜的降解速率、细

胞亲和性、一定的力学性能、可加工性,以及可消毒等特性。其中,支架材料的亲水性好坏将直接影响细

胞在材料表面的粘附、分化和增殖;同时,支架材料的力学性能和降解速率也会影响细胞的生长以及组

织的形成。聚乳酸(PLA)及其共聚物具有良好的生物相容、可降解吸收及良好的力学和加工性能,目前

作为组织工程支架材料得到了广泛应用[1]。但PLA分子链中非极性侧甲基的存在,使其亲水性较差,细胞在材料表面的粘附性较弱,从而不利于细胞的生长。国内外在提高PLA材料的亲水性方面开展了

不少研究工作[2-4]。然而,由于PLA分子结构中不存在双键以及其它反应性官能团,故很难直接通过

常规的化学方法在PLA分子链中引入其它链段来改善材料的亲水性。

聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)是一种水溶性高分子,生理相容性好,在生物医药领域应用广泛[5]。本文

设计将PVP链段引入到PLA分子中的同时,在聚合体系中又引入可降解交联剂,使合成的共聚物分子

既具有优异的亲水性,又因形成了交联网状结构而具有良好的力学性能;而且,共聚物的亲水性、力学性

能以及降解速率可通过改变共聚组分配比以及大分子单体中PLA链段的长度进行调节,以满足构建不

同组织对支架材料性能的要求。为此,本文首先以辛酸亚锡[Sn(Oct)2]为催化剂,聚乙二醇(PEG)为共

引发剂引发消旋丙交酯(D,L2LA)开环聚合合成了PLA2PEG2PLA三嵌段共聚物,进而用丙烯酸酯封

端制备可生物降解交联剂。然后以甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)为引发剂引发D,L2LA开环聚合,制

备了末端为双键的大分子单体(PLA2HEMA),并对生物降解交联剂和PLA2HEMA的结构进行了表

征。最后,以生物降解交联剂、PLA2HEMA和N2乙烯基吡咯烷酮(NVP)为原料,采用自由基聚合方

法制备了新型可生物降解两亲性交联共聚物,并对共聚物膜材料的亲水性和力学性能进行了研究。

1　实验部分

1.1　材料与试剂

D,L2LA:经乙酸乙酯重结晶三次产品,北京元生融科技公司;HEMA:FLUKA公司,用前经减压

3

33333收稿日期:2004209230基金项目:国家自然科学基金(30170272);广东省自然科学基金博士科研启动基金(04300673);暨南大学自然科学基金资助项目(51204007)第一作者简介:罗丙红(19752),女,湖南永州人,讲师,主要研究方向:生物医用高分子,E2mail:tluobh@jnu.edu.cn通讯联系人蒸馏;NVP:ACROSORGANICS公司,用前经减压蒸馏;PEG:分子量为400,进口分装,用前于120℃

减压干燥24h;丙烯酰氯:ACROSORGANICS公司;Sn(Oct)2:上海双香助剂厂,使用前经减压蒸馏;偶氮二异丁腈(AIBN):AR,上海市四赫维化工有限公司,重结晶纯化;甲醇、乙酸乙酯、正己烷、三氯甲

烷、二氯甲烷、三乙胺、甲醇均为AR,广州化学试剂厂。

1.2　交联共聚物的合成

1.2.1　生物降解交联剂的制备 PLA2PEG2PLA三嵌段共聚物采用本体封管聚合方法制备[6]。D,

L2LA/PEG的摩尔配比为:20/1,在130℃反应24h。聚合粗产物经三氯甲烷溶解,正己烷沉淀纯化。纯化后的产物于40℃下减压干燥,备用。

生物降解交联剂的制备[7]:将上述合成的三嵌段共聚物用一定量二氯甲烷溶解后加入到圆底烧瓶中,将烧瓶置于冰浴中,冷却到0℃,然后依次逐滴滴加3倍过量的三乙胺和丙烯酰氯,在电磁搅拌下,于0℃反应6h,然后在室温下静置24h。过滤,除去三乙胺盐酸盐,滤液用大量石油醚沉淀,得到生物

降解交联剂。粗产物用二氯甲烷溶解,石油醚沉淀纯化两次,最后在40℃烘箱里减压干燥。

反应过程示意如下:

1.2.2　大分子单体的合成 采用本体封管聚合方法制备。将单体D,L2LA和HEMA按

nD,L2LA/nHEMA=80/1加入到安瓿瓶中,催化剂Sn(Oct)2用量为单体总质量的0.03%,抽真空脱去溶剂、水分和氧后,熔封反应瓶,于130℃真空烘箱里反应12h。粗产物经三氯甲烷溶解,甲醇沉淀纯化。

产物于40℃减压干燥至恒重。

反应过程示意如下:

1.2.3　两亲性交联共聚物的合成 由生物降解交联剂、PLA2HEMA和亲水性单体NVP合成两亲性交联共聚物的反应如下式所示。具体操作为:将生物降解交联剂、PLA2HEMA与NVP按一定配比

溶于二氯甲烷,加入一定量的引发剂AIBN,将体系混和均匀后,浇铸到聚四氟乙烯板上,然后置于70℃的真空烘箱里反应6h。所得膜材料经丙酮抽提以去除未反应物质和NVP均聚物。最后于40℃减

压干燥。・003・罗丙红,　周长忍,　陈义康,　李立华,　焦延鹏

1.3　测试与表征红外光谱(F

TIR):德国Bruker公司EQUINOX55型傅立叶变换红外光谱仪,在硅片上涂膜制样,氯仿为溶剂,采用衰减全反射法直接测定交联共聚物膜。氢谱(1H2NMR):德国Bruker公司UX2400型核磁共振仪,以TMS为内标,CDCl3为溶剂。表面接触角:选取平整的共聚物膜,用表面接触角测定仪(CAM2PLUS接触角测定仪,德国TAN2

TEC公司)进行多点测试。拉伸性能:将共聚物膜裁成30mm×10mm的片状;通过电子万能试验机(SHIMADZUAGI型,日

本岛津公司)测试膜片的拉伸强度,加载速率为20mm/min,室温下测定。

2　结果与讨论

2.1　三嵌段共聚物及可降解交联剂的结构采用PEG引发D,L2LA开环聚合,在其两端接上可降解的聚乳酸链段,既可实现材料的可降解性,同时保留了PEG的良好的生物特性。由于所生成的三嵌段共聚物的两端仍为羟基,用它与丙烯酰

氯反应,可得到两端为双键的可生物降解交联剂,该交联剂在光照或引发剂作用下与其它不饱和小分子

或大分子单体反应生成交联共聚物。随着PLA链段中酯键的水解,共聚物分子链发生断裂,故该交联

共聚物是可降解的。图1为三嵌段共聚物的1H2NMR,各个共振峰的归属如图所示[8]。从图中可看出,δ=1.6(b)和

5.2(f)附近的峰分别为PLA分子链中非末端结构单元的-CH3和-CH的质子共振,而δ=1.4(a)和

4.4(e)处的吸收则为PLA末端结构单元的-CH3和-CH,δ=4.3(d)为PEG结构单元中与PLA相连的-CH2的吸收,与PLA未相连的-CH2的吸收则在δ=3.6(c),δ=7.3附近的弱峰为PLA末端

的-OH吸收。根据共聚物中D,L2LA单元和乙二醇单元中相关氢的积分面积之比计算出PLA链段

的实际聚合度为19.63,与实验设定值(设定PLA链段的聚合度为20)相接近,因此,嵌段共聚物的聚合度可通过D,L2LA/PEG的投料比来控制。

三嵌段共聚物(a)和生物降解交联剂(b)的IR见图2。从图中可见:在三嵌段共聚物封端前(a),在

3516cm-1附近有较宽的端羟基吸收峰,而用丙烯酸酯封端后(b),该吸收峰消失,而且(b)在1631cm-1

处出现了新的吸收峰,该峰应为末端双键的弯曲振动峰。(a)和(b)在1756cm-1处均有PLA链段上的

酯羰基的特征吸收峰。IR结果表明,利用三嵌段共聚物的两端羟基与丙烯酰氯反应

,已合成了两端为双键的可降解交联剂。・103・新型PLA2PVP两亲性交联共聚物的初步研究

2.2　PLA2HEMA大分子单体的结构依据

Sn(Oct)2引发D,L2LA开环聚合的机理[9],采用生物相容性和亲水性良好、含端羟基的HE2

MA作为共引发剂,与Sn(Oct)2共同引发D,L2LA开环聚合,可制备末端具有反应性双键的PLA2

HEMA大分子单体。图3为PLA2HEMA大分子单体的IR。图中大分子单体表现出与聚乳酸(PLA)相似的特征吸收,在2996cm-1和2948cm-1有C-H伸缩振动峰,1756cm-1处为PLA链段上的酯羰基的特征吸收,明

显不同的是,大分子单体的红外谱图上在1640cm-1处有归属为HEMA单元中的C=C双键振动峰。

由于大分子单体中的PLA链段较长,末端羟基的相对含量低,故图中3400cm-1左右对应末端羟基的

吸收不明显。

PLA2HEMA大分子单体的1H2NMR见图4。其中,δ=5.2和1.6处的峰分别为PLA链段上的次甲基和甲基的质子共振峰;δ值为1.9、4.3、5.6、6.1等处的弱峰分别归属于HEMA单元中的甲基、

乙氧基中两个亚甲基和双键上亚甲基的质子共振[10,11]。根据1H2NMR谱中D,L2LA单元和HEMA单元中相关氢的积分面积之比计算出大分子单体的数均分子量为1.25×104,与理论计算值(1.17×

104)相接近。

2.3　不同组成交联共聚物的结构与性能针对PLA存在亲水性较差的不足,本文设计合成了两亲性交联共聚物,并且,通过改变原料PLA2・203・罗丙红,　周长忍,　陈义康,　李立华,　焦延鹏HEMA和NVP的投料配比,制备了具有不同亲水性和力学强度的交联共聚物膜。不同组成交联共聚物和PLA膜的表面接触角、拉伸强度和模量见表1。从表中可看出,在固定交联剂用量时,改变PLA2HEMA和NVP的相对含量,随nPLA2HEMA/nNVP的增大,交联共聚物膜的拉伸强度和模量逐渐增大,而表面接触角明显升高。液滴表面接触角可用来表征材料亲水性的好坏,表面接触

角越小,材料的亲水性越好,液滴易于在材料表面铺展。因此,表中结果表明交联共聚物膜的亲水性随

PLA2HEMA用量增加而下降。这是因为随PLA2HEMA用量增加,NVP的相对含量下降,交联共聚物膜中较为疏水、力学性能良好的PLA链段的含量增加,而亲水性PVP链段的含量则相对下降,故共

聚物膜的拉伸强度增大,亲水性有所下降。

Table1PropertiesofamphiphiliccrosslinkedcopolymerswithdifferentcompositionsandPLAfilms

RunnPLA2HEMA/nNVP/ncross.agentTensiletrength/MPaTensilemodulus/MPaContactangles/(°)

a5/85/101.46.653.0b10/80/102.323.258.7c15/75/103.156.260.0d45/45/104.079.562.5ePLA29.3768.378.6

图5为不同组成交联共聚物膜的IR谱。与图

2(b)和图3比较可知,不同组成交联共聚物膜的

IR谱图上在1640cm-1处对应于末端双键的弯曲

振动峰消失,这表明体系中各组分已发生了聚合反

应。

Fig.5IRspectraoftheamphiphiliccrosslinkedco2polymerfilmswithdifferentcompositions

3　结论

(1)合成了一种由可生物降解交联剂、PLA2HEMA大分子单体和亲水性单体NVP组成的新型生物可降解两亲性交联共聚物。(2)固定交联剂用量,改变PLA2HEMA和NVP的相对用量,可制备具有不同亲水性和拉伸性能的共聚物膜材料。合成的两亲性共聚物在组织工程研究中可望有良好的应用前景。并为进一步研究两亲性共聚物性能(包括降解速度的调控)、材料的生物相容性等打下基础。

参考文献:

[1]　ChenGP,UshidaT,TateishiT.Preparationofpoly(L2lacticacid)andpoly(DL2lactic2co2glycolicacid)foamsbyuseoficemi2croparticulates[J].Biomaterials,2001,22:2563-2567.[2]　WonCY,ChuCC,

LeeJD.Synthesisandcharacterizationofbiodegradablepoly(L2asparticacid2co2PEG)[J].JPolymSci,・303・新型PLA2PVP两亲性交联共聚物的初步研究