异山梨醇酯的合成及其生物降解性能分析论文
聚磷酸酯是一类新型生物可降解材料，该材料具有在生理条件下易降解、结构易修饰和生物相容性好等特点[1 ~3]. 其降解产物主要是磷酸盐和脂肪族二元醇，不含酸性降解产物，可避免体内局部组织发生炎症等副作用[4]. 聚磷酸酯被广泛应用于药物释放、基因载体和组织工程等生物医药领域[5 ~9].
从合成方法上看，医药用聚磷酸酯的合成大致可以分为开环聚合法和溶液缩聚法[10]. 溶液缩聚法中广泛使用双酚 A 等含活性氢的化合物，但是双酚 A 被认定为内分泌干扰物（ EDC,anendocrine-disrupting chemical） ,在生物体内外具有类雌性激素的作用[11 ~13]. 异山梨醇被认为是双酚 A 的潜在替代单体[14 ~16]. 异山梨醇是刚性、无毒的手性分子，能够提高聚合物的玻璃化温度、力学性能以及生物相容性等。 因此，研究异山梨醇的生物基材料具有重要的经济价值，对工程应用和生物医用领域具有重要意义。 本文合成了异山梨醇聚磷酸酯，并研究了该新型聚磷酸酯的热性能和生物降解性能。
1 实验部分
1. 1 试剂与仪器
异山梨醇，国药集团化学试剂有限公司，乙酸乙酯重结晶后置于 35 ℃恒温鼓风干燥箱中干燥至恒重。 2-甲基四氢呋喃（ 2-MeTHF） ,上海晶纯生化科技股份有限公司，干燥后使用。 苯膦酰二氯、磷酸钾（ K3PO4） ,上海晶纯生化科技股份有限公司，分析纯，未经处理直接使用。 二氯甲烷（ CH2Cl2） ,国药集团化学试剂有限公司，干燥后使用。 三乙胺（ triethylamine） 、正己烷，国药集团化学试剂有限公司，分析纯，未经处理直接使用。磷酸盐缓冲液（ PBS） 和酶溶液参考文献[17]制备。
凝胶渗透色谱仪（ GPC） 测定聚合物的 Mn、Mw以及分子量分布 PDI. GPC 由戴安 P680 泵、折光示差检测器（ RI-101 Shodex） 和色谱分离柱（ MIXED-A） 组成。 柱温和检测器温度设定为30 ℃ ,以四氢呋喃为流动相，流速为 1. 0 mL /min,单分散线性聚苯乙烯用于测定标准曲线。 核磁共振仪（ Bruker 400 MHz） 测定聚合物的1H-NMR、31P-NMR 图谱，CDCl3作为溶剂，TMS 为内标。 傅里叶红外光谱仪（ AVATAR360 Nicolet） 测定聚合物的分子结构，采用溴化钾压片法制样。
同步热分析仪（ NETZSCH STA 409 PC） 测定聚合物的热性能，氮气氛围中，以 10 K/min 的速率从20 ℃ 升至 600 ℃ . 利用扫描电子显微镜（ S-4700Hitachi） 观察聚合物的外观形貌。
1. 2 聚磷酸酯的合成
以二甲基对甲苯胺为引发剂，引发异山梨醇和苯膦酰二氯进行缩聚反应，制备异山梨醇聚磷酸酯，合成路线如示意图 1 所示。 典型的合成方法是： 在带有机械搅拌、冷凝管和恒压漏斗的反应器中加入异山梨醇（ 0. 1 mol） 、氯化氢吸附剂（ 磷酸三钾或三乙胺，0. 1 mol） 、溶剂（ 2-甲基四氢呋喃或二氯甲烷，250 mL） ,滴加几滴二甲基对甲苯胺。 将苯磷酰二氯（ 0. 1 mol） 与溶剂（ 2-甲基四氢呋喃或二氯甲烷，10 mL） 加入到恒压漏斗中； 反应器置于 0 ℃以下的环境中，慢慢滴加苯膦酰二氯溶液，并不断搅拌； 滴加完毕后，慢慢升至常温反应 1 h; 然后继续升温至 90 ℃回流反应 6 h 后，停止反应。 其中所用溶剂都为干燥后的溶剂。 反应结束后用正己烷沉淀 3 次，最后在40 ℃真空干燥箱中干燥 24 h,得到无色或淡黄色的固体。
1. 3 聚磷酸酯的生物降解
1. 3. 1 磷酸盐缓冲液（ PBS） 的配制
称取氯化钠 24 g、氯化钾 0. 6 g、磷酸二氢钾0. 72 g、磷酸氢二钠 10. 89 g 充分溶于 2. 5 L 蒸馏水中，稀释至 3 L. 用高压灭菌锅在 130 ℃、0. 1MPa 下灭菌 30 min,自然冷却后取出，用 NaOH 溶液定 pH 值为 7. 4,并重新定容至 3 L. 置于 0 ~4 ℃ 冰箱中备用。
1. 3. 2 酶溶液的配制
Novozym 435 是一种由 Candida antarctic 得到的固定化脂肪酶，耐热性很高。 将 Novozym 435 用灭菌后的磷酸缓冲液（ PBS） 配制成 1. 2 mg/mL的酶溶液[17]. 样品先精密称重（ Wo） ,然后分别浸泡在装有 35 mL 不同降解介质的离心管中，放在37 ℃ 水浴摇床中，摇速 90 r / min. 再每 5 天将样品取出并更换介质，用流动的蒸馏水反复冲洗，用滤纸吸干表面的水分立即称湿重（ Wwet） ,然后减压干燥 48 h 后称干重（ Wdry） ,进行失重考察。 聚酯的失重率和吸水率分别用以下公式计算：
2 结果与讨论
2. 1 异山梨醇与苯膦酰二氯的聚合反应
表 1 列出了异山梨醇与苯膦酰二氯聚合反应的典型结果，可以看出异山梨醇和苯基磷酰二氯在有溶剂和无溶剂下发生了如示意图 1 所示的聚合反应，制备了重均分子量在 2. 0 × 104到 6. 0 ×104的异山梨醇聚磷酸酯。
从表 1 还可以看出在无溶剂条件下，分子量较低，这是由于在反应过程中分子链之间的接触不充分，不易进一步形成长链。 而且由于无溶剂条件下聚合反应受热不均导致聚合物链增长速率相差较大，从而导致分子量分布较广。 在有溶剂的条件下，合成所得聚合物分子量较高。 而且当溶剂为 2-甲基四氢呋喃时，聚合物分子量更高一些，达到 6. 0 × 104. 2-甲基四氢呋喃被认为是“绿色”溶剂，可用于替代二氯甲烷，该合成方法也被认为是绿色合成方法[18]. 反应过程中当用无水磷酸钾作为氯化氢的中和剂时，得到的聚合物分子量较高，这是因为无水磷酸钾吸附氯化氢的效果更好。 另外其在清除氯化氢的过程中没有产生水或其他有毒的副产物（ K3PO4+ HCl = KCl +K2HPO4）[19],得到的聚酯为无色的。 而用三乙胺时得到的聚酯颜色较深，可能是因为三乙胺在聚合物中不易除去。
2. 2 聚合物的结构表征
图 1 为异山梨醇与苯膦酰二氯合成的化合物的 FTIR 图谱，1225 cm- 1为 P O 键的伸缩振动吸收峰，1130 cm- 1及1002 cm- 1处分别为 P-O-Cisosorbide 的伸缩振动吸收峰，这证明异山梨醇与苯膦酰二氯之间形成了磷酯键。 红外图谱中其他各个特征峰的归属如下： 2967 cm- 1和 2874cm- 1归属异山梨醇上的亚甲基（ -CH2-） 对称伸缩和不对称伸缩吸收峰； 3066 、1600 、685 cm- 1归属于苯环上的质子振动吸收峰，3420 cm- 1为聚合物末端-OH 振动吸收峰。 所有吸收峰与聚合物的结构均相对应，说明成功合成了聚磷酸异山梨醇酯。
图 2 是异山梨醇与苯膦酰二氯合成的化合物1H-NMR 图谱，图中 δ3= 3. 92 和 δ4= 4. 12 处的峰分别是异山梨醇环上靠近 2 号羟基和 5 号羟基的次甲基质子峰。 δ1= δ6= 3. 85 ~ 3. 70 处为异山梨醇链上亚甲基质子共振峰。 δ2= δ5= 4. 80 ~4. 71 处为异山梨醇链上接有-OH 的次甲基质子峰。 δ7= δ8= 7. 55,δ9= δ10= 7. 40 和 δ11= 7. 50 分别为苯环上的氢质子峰。 δ12= 2. 32 处的弱峰归属于聚合物端羟基，这与图 1 中聚合物端羟基在3420 cm- 1处有振动吸收峰相符合。 所有质子峰与聚合物的结构均相对应。
图 3 是异山梨醇与苯基磷酰二氯合成的化合物13P-NMR 图谱，13P-NMR 图谱出现 2 个吸收峰：
δ = 19. 30、20. 05. 化学位移的不同是由于磷在主链中位置不同，δ =19. 30 归属于磷原子在主链末端，δ =20. 05 归属于磷原子在主链中间。13P-NMR图谱证实了聚合物的形成以及磷酯键处于聚合物的主链上。
2. 3 聚合物的体外降解性能
聚合物的体外降解实验主要有水解实验、氧化实验、酶解实验等。 本文通过水解实验和酶解实验研究了异山梨醇基不饱和聚酯类的降解性能，用不同时间的失重率表示其降解程度。 此外，还考察了聚磷酸酯的溶胀性能。
降解失重是表征聚合物降解性能的重要指标之一。 图4（ a） 、4（ b） 分别为聚酯水解和酶解 25 天的失重率变化曲线。 从图 4（ a） 和图 4（ b） 可知，PPI-3 /4 /5 /6 在 25 天后，失重率大于 80% ; PPI-1 /2 失重率失重比较缓慢，25 天后失重约 25% .
PPI-1 /2 /3 /4 /5 /6 的重均分子量分别为 6 × 104、5. 4 × 104、3. 8 ×104、4. 1 ×104、3. 2 ×104、2 ×104,通过图 4 可推出随着分子量的增加，PPI 的失重率变缓，当重均分子量大于 5 × 104时，降解速率明显减慢。 随着分子量的增大，聚合物呈现出疏水性特征，水分子越是无法渗透到内部，造成降解速率明显降低。 图 5 是降解不同天数后 PPI-4 聚合物表面的 SEM 照片，可以看出起初聚合物表面较为平整，随着降解天数的增加，聚合物表面变的粗糙不平。 聚合物的降解是造成表面粗糙不平的原因。
图 6（ a） 、6（ b） 分别为聚酯在水溶液和酶溶液中 25 天的吸水率变化曲线。 可以看出 PPI 重均分子量小于 5 ×104时，聚酯表现出良好的亲水性，吸水率够超过 150%; 随着分子量的增大，聚酯呈现出疏水性特征，吸水率小于 40%. 这是因为分子量越低越多的`羟基裸露在体外，亲水性越好； 分子量越大降解越慢，水分子越是无法渗透到内部，造成吸水率相对较低。 另外可以看出放置时间越长，吸水率越高，这是因为随着聚酯的降解，更多的羟基会裸露到体外，增加了聚酯的吸水性。 总之，实验结果表明异山梨醇聚磷酸酯具有很好的体外降解性能和溶胀性能。
2. 4 聚合物的热性能
用 DSC 研究了聚磷酸酯的玻璃化转变温度（ Tg） ,DSC 分析表明（ 图 7） PPI 具有较高的 Tg,随着分子量的增加，聚合物的 Tg显着增加。 当分子量从2 ×104增加到6 ×104时，Tg从129 ℃增加到176 ℃ ,增加了近 36% .
图 8（ a） 是不同分子量 PPI 的 TG 曲线。 由图可知，PPI 有较高的热分解温度，起始分解温度（ 5%失重温度） 均高于 200 ℃，可以推测对其进行常规的热加工时可不必考虑其热分解。 从图 8（ a） 还可以看出 PPI 的热稳定性随着分子量的增大而提高。 当重均分子量由 2 × 104增加到 6 ×104时，PPI 的起始分解温度从 260 ℃ 提高到315 ℃ ,提高了 55 K. 图 8 （ b） 为 PPI 的 DTG 曲线，由图可知，PPI-6/5/3/4/2/1 的最大分解速率温度（ Tm） 分别为 344、357、373、380、386、396 ℃。
总之，提高 PPI 的分子量可以明显提高其热稳定性，改善加工性能。 PPI 的热分解性能随着分子量的增 大 而 提 高，除 了 提 高 分 子 量 可 以 提 高聚合物链之间的色散力之外，还有可能与PPI的解拉链降解反应有关。 解拉链降解是指聚合物末端羟基主链上的碳原子，发生“回咬”反应，此种降解反应在较低温度下即可发生[19]. 随着聚合物分子量提高，羟基浓度降低，从而抑制了解拉链降解反应的发生，提高了聚合物的热稳定性。
3 结论
通过本体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） ,当 PPI 的分子量（ Mw） 低于 5 × 104时，聚合物具有很好的降解性能和溶胀性能。 PPI 具有较高的玻璃化转变温度（ Tg） ,且随着分子量的增加，聚合物的 Tg显着增加。 研究了聚合物分子量对其热稳定性的影响，实验结果表明提高分子量有助于提高 PPI 的热分解温度。
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