芳香脂肪族共聚酯的制备和表征.docx

芳香脂肪族共聚酯的制备和表征.docx

《芳香脂肪族共聚酯的制备和表征.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《芳香脂肪族共聚酯的制备和表征.docx（16页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

芳香脂肪族共聚酯的制备和表征

基于对苯二甲酸双酚A酯，对苯二甲酸己二醇酯，乳酸基的芳香/脂肪族共聚酯的制备和表征

摘要：

为获得在组织工程方面具有潜在价值并且具有可加工性的高分子聚酯，以对苯二甲酰氯、双酚A、1，6-己二醇及乳酸低聚物为原料，采用直接缩聚方法合成一系列具有生物可降解性的脂肪族/芳香族聚酯-PBHTL。

最终得到的聚酯PBHTL采用1HNMR、GPC、DSC、TG、WAXS方法进行表征，得Tg和Td。

PBHTL聚酯呈现两段热分解，分别对应聚酯中BAT段，HT段以及乳酸段。

由于聚酯链段中嵌有脂肪族柔性链段，因此PBHTL聚酯具有较低的玻璃化转变温度Tg，同时，在生理条件下随着乳酸基和己二醇基的增加，聚酯的水降解性增强。

通过生物植入实验及微观现象的初步试验表明该聚酯具有良好的生物相容性。

关键词：

共聚酯、生物降解、乳酸、芳香族、脂肪族

1、引言

芳香族聚酯是具有良好物理性能的材料。

这类聚酯具有较强的抗水解性，耐细菌和真菌侵蚀，及良好的环境耐候性。

与此相反，大多数合成的生物可降解高分子为脂肪族类聚酯，如聚己内酯、聚乳酸、聚羟基丁酸酯、聚琥珀酸丁二醇酯。

遗憾的是，由于脂肪族聚酯的高成本，低物理和机械性能，使其在工业和农业领域的应用受到极大的限制。

曾试图采用共混和共聚技术获得性能提高的生物可降解聚合物。

然而，一般的脂肪族聚酯的机械力学性能及熔融温度相对较低。

很长一段时间，人们试想将芳香族和脂肪族单元结合在同一聚酯链中，这是一种很具有吸引力获得生物降解性和高性能新产品的方法。

一些研究表明，当与脂肪族聚酯共聚时，这些芳香族聚酯具有可降解性。

为了获得性能优良且可降解性的廉价生物可降解型聚酯，共聚酯中包含脂肪族和芳香族单元成为研究目标。

各种各样的无规共聚物采用熔融聚合方法制得，该共聚物由对苯二甲酸和一些脂肪二酸，二醇混合构成，他们的结构和性能被详细的检测。

一种新型的生物可降解聚酯已经被制备，拉伸性能和弹性都有所提高。

共聚物的韧性和断裂应变随着组成中聚四亚甲基醚含量的增长而增加。

生物可降解聚醚酯以对苯二甲酸，1，4-丁二醇，等为原料，采用Ti（OC4H9）4作为催化剂被合成。

巴斯夫公司已经商品化一种新的生物降解型聚酯，Ecoflex，由一些聚酯单元组成，其中包含1，4-丁二醇，二元酸（己二酸）和对苯二甲酸。

此外，对现有的均聚聚酯进行反应性共混，被证明是一种成功且廉价的方法，生产具有两者性能的脂肪族、芳香族聚酯。

事实上，这项技术已经应用在聚（1，4-丁二酸丁二醇酯）/聚（1，4-对苯二甲酸丁二醇酯），聚（1，4-丁二醇己二酸-丁二酸）/聚（1，4-对苯二甲酸丁二醇酯）和聚（1，4-丁二醇戊二酸-己二酸-丁二酸酯）/聚（1，4-对苯二甲酸丁二醇酯）共聚酯。

聚对苯二甲酸丁二醇酯/聚己内酯的制备是将聚对苯二甲酸丁二醇酯和聚己内酯共混后，在257℃条件下进行酯交换。

共聚物PBEST是由丁二酸丁二醇酯，丁二酸乙二醇酯，对苯二甲酸乙二醇酯预聚物为原料，采用直接缩合法制备的。

聚己内酯/聚对苯二甲酸乙二醇酯，聚丁二酸酐环氧乙烷/聚对苯二甲酸乙二醇酯，聚己二酸乙二醇酯/聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚（丁二酸1，4-丁二醇酯）的共聚酯已经有所报道。

目前，这些共聚酯已经用已有的均聚物采用熔融共混酯交换的方法制备而成。

目前，应用于生物医学方面的生物可降解脂肪族/芳香族多单元共聚酯引起很大的兴趣。

在过去的十年中，有PEGT/PBT共混而成的共聚酯作为组织工程和药物传递系统材料被广泛研究。

为了提高芳香族聚酯的可降解性，部分或全部采用脂肪族替代芳香族的方法正被开发。

酚类衍生物的脂肪酸被认为是合成高力学性能的生物可降解/生物高分子的一个重要的策略。

羟苯基脂肪酸的共聚酯如3-（4-羟基苯基）乙酸和3-（4-羟基苯基）丙酸与4-羟基苯甲酸是无毒，在动植物体内。

由双酚A，Greiner等与对苯二甲酰氯和乳酸共聚合得到的聚酯的一个重要研究部分，聚合，性能和体外分解等被报道。

本文侧重于一种新型共聚酯（PBHTL）的合成，分子结构以及性能，在无催化剂条件下，以TPC，BPA，HDO，PLA为原料，采用直接缩聚和原位酯交换法制备。

热性能和力学性能以及体外生物降解及生物相容性与共聚酯组成方面关系被研究。

双酚A被怀疑作为一种内分泌干扰物，合成的脂肪族/芳香族共聚酯在降解时可能不产生双酚A，因为芳香酯就有抗水解性。

通过引入脂肪族酯到芳香族聚酯中，芳香单元的序列长度减少。

先前的研究表明，芳香族单元的序列长度少于3个时，是可吸收或代谢的。

合成的共聚酯被认为是可以接受的用在体外种子细胞的组织重建。

2、实验部分

2.1原料与合成

对苯二甲酰氯（TPC分析级）

双酚A（BPA分析级）

1，6-己二醇（HDO分析级）上海试剂厂纯化结晶（甲苯和石油醚）

90％水溶液消旋DL-乳酸逐步加热至200℃，真空恒温4h。

这个过程产生α—羟基—ω—羧基预聚乳酸（PLAMw=4500,Mn=1700,Mw/Mn=2.60）。

2.2共聚酯的合成

该共聚酯的合成方法参照参考文献中所描述的方法，以适当比例的对苯二甲酰氯，1，6-己二醇和双酚A，以及各种含量的聚乳酸。

具体步骤如下。

在装有磁力搅拌的火焰干燥反应器中加入4.0606g（20mmol）的对苯二甲酰氯，1.1818g（10mmol）的1，6-己二醇，2.2830g（10mmol）的双酚A和0.0720g（1mmol）的聚乳酸，通入氮气保护。

经过30分钟的蒸发，反应器中充满氮气，然后安装鼓泡器。

氮气通过鼓泡器进入反应体系。

反应混合物被缓慢的加热到100℃，此时观察到有HCl生成。

体系粘度变得越来越粘随着体系形成均匀熔化状态。

1-2h后反应混合物凝固然后在100℃条件下，保持12h。

反应温度升到230℃在常压下保持4h，然后在10mba压力下保持4h。

聚合物冷却到20℃，溶于50ml氯仿，在800ml甲醇中沉析分离，过滤收集。

白色聚合物在氯仿和甲醇中重新沉淀纯化，然后再40℃真空条件下干燥。

2.3检测

共聚酯的组成采用质子核磁共振1HNMR以CDCl3为溶剂使用BruckerARX技术的400MHz的核磁共振光谱仪。

GPC，SEC检测分析在Waters2414折射仪BreezeWaters系统上进行。

SEC检测在氯仿中进行。

200μL溶液（3%w/v）注射到两个柱子中，StyragelWatersHT3和HT4，注射流速为1.0ml/min，分离范围Mw102-106。

分离柱的温度保持在40℃，同时折射仪探测器的温度设定为40℃。

该仪器采用单分散聚苯乙烯进行校准。

接触角检测JC2000A用来测定静态水域聚合物膜的接触角在25℃和60%相对湿度条件下采用静滴法。

每个接触角的获得至少五个样品不同表面位置读数的平均值。

测量角的误差为±1°。

热重法在Perkin–ElmerTGA7氮气保护下进行（升温速率20℃/min，样品大小8-10mg）。

Td（-1.5wt.%）由于热分解样品失去原重的1.5wt.%时的温度被初步作为表征其热稳定性的指数。

DSC检测在装有液氮冷却系统的Perkin–ElmerDSC7的仪器上进行，氮气速率为40ml/min。

大约8-10mg的样品在DSC铝盘中压制成型，然后进行热处理。

在进行DSC表征之前，先对样品进行热历史的消除，样品被放置在室温下数天使他们达到结晶平衡。

DSC热力学曲线是在以10℃/min的速率从50℃-300℃升温时记录的，从所记录的加热段曲线中可以确定Tg，Tm，△Hm。

Tc和△Hc在记录在冷却段（冷却速率20℃/min）。

在EdwardsAuto306上进行金气相沉淀后，所得降解样品的表面采用Philips535型SEM进行观察。

进行XRD研究的样品在BedeC1型衍射仪上进行，采用40KV和30mA的铜靶，扫描速率为0.5°/min。

力学性能在WDW通用测试系统采电子数据评估进行的，所测样品为100mm长，15mm宽的标准哑铃型样品，样品为溶液浇铸产品重新熔融成膜。

标准伸长率为2mm/min，测试在室温条件下进行。

2.4水解和吸水性

聚酯膜采用溶液浇铸法制备。

通常，将聚合物的氯仿溶液浇到玻璃板上，在室温条件下使溶剂缓慢蒸发。

所形成的膜与玻璃板进行分离。

残余溶剂在常压下蒸发24h，然后在40℃真空条件下蒸发48h。

聚酯的水解实验在37℃的磷酸盐缓冲溶液中进行的（pH=7.413，25℃）。

从各种膜上切下的面积为1×4mm的正方形样品分别置于装有20ml缓冲溶液的小瓶中。

按照预定的降解时间，样本在降解中期取出，用蒸馏水冲洗，室温真空干燥一周并称重。

共聚酯的重量损失百分率根据下列关系而得：

（重量损失%）=（W0—Wr）×100/W0

其中：

W0为原始重量，Wr为样品降解干燥后的质量。

样品在去离子水中的吸水量是样品在37℃条件下保持一个礼拜共聚酯的质量增加，根据等式（吸水率%）=（W—W0）×100/W0

其中：

W样品达到吸水平衡时的质量。

2.5细胞

成年大白鼠的脂肪干细胞采用下列方法培养。

无菌条件下，从12周龄的大白鼠的解剖皮下脂肪组织，将其置于含有20mg/ml牛血清白蛋白（BSA）的磷酸盐缓冲液（PBS）中。

血管和纤维物质被切断清除，将组织样品反复清洗除去剩余的血。

该组织样品被切成小块然后消化。

样本培养，在含有钙，镁自由基的磷酸盐缓冲液中每隔50min进行间歇搅拌，PH为7.4，包含2mg/ml的胶原酶。

脂肪组织与培养液的比率大概为1g/3ml。

经过分散，细胞采用250μm的过滤网进行过滤，然后以1500r/min的转速离心分离10分钟。

胶原酶消化脂肪组织产生两种不同的部分：

漂浮的成熟脂肪细胞和沉积的基质血管细胞。

后者来源于ADSCs，并包含了纤维细胞，内皮细胞等物质。

按期望除去漂浮的脂肪细胞，沉积细胞在160mmol/L的氯化铵进行悬浮，室温条件下10分钟，目的溶解染菌血红细胞。

离心分离重复上述过程，产生的溶液用100μm的过滤网进行过滤除去细胞碎片，然后转移到75cm2的瓶中，然后在CO2为5%，95%空气，37℃条件下培养。

24h后，培养物清洗两次除去非粘附细胞（血红和细胞碎片）。

培养液和胎牛血清从美国Gibco/BRL获得。

ADSCs被植到实验材料上10天，最初的细胞浓度为105/cm2在DMEM/10%胎牛血清培养介质。

培养基介质每三天更换一次。

培养细胞采用奥林巴斯倒置显微镜进行对比观察。

2.6样品的制备

薄膜的制备，将聚合物/氯仿溶液浇铸到玻璃板线框上，通过旋转涂层或刮胶的方式获得。

然后蒸发大部分的溶剂，薄膜在60℃真空条件下干燥。

3.结果与讨论

3.1共聚酯的合成

本文研究范围，无催化剂条件合成含芳香基克生物降解的高分子量共聚酯的发展。

PBHTL的一些列聚酯被合成（方案1）。

为实现能够水解这一构想，将乳酸基引入到芳香单元中。

共聚酯必须含有高含量的芳香单元和一定量的乳酸基单元，以分别改善其物理特性和水解特性。

己烯和二甲苯基异丙烷单元在共聚酯中被用来调整其柔顺性和拉伸模量。

然而，对于水解性而言，统计共聚物要比嵌段共聚物要好。

鉴于这种需求，我们决定采用熔融缩聚的方法将对苯二甲酰氯，双酚A，1，6-己二醇和预聚乳酸合成含有羟基和羧基末端的聚合物。

预聚乳酸的制备，浓缩乳酸水溶液作为合成用乳酸单元（方案1）。

这将形成聚合物链通过酯交换反应，在引入时具有高活性并且形成统计性产品。

反应不加入任何的催化剂。

由于预聚乳酸在甲醇中的良好溶解性，该聚酯能够在氯仿/甲醇溶液中析出。

未反应的预聚乳酸能够完全除去。

方案1合成路线

3.2共聚酯的结构表征

PBHT50的1HNMR谱图可以看出共聚酯包含50mol%BAT单元和50mol%的HT单元，如图1所示。

经核磁谱图验证，8.25（a），4.30（b），1.75（c）和1.48（d）的特征峰分别对应HT段的对苯二甲酸，OCH2，OCH2旁的CH2，隔一位的CH2的H的特征峰。

8.03（h），1.66（e），7.08（f）和7.25（g）的特征峰，分别对应BAT段的对苯二甲酸和二甲苯基异丙烷的特征峰。

8.09（i）和8.16（j）处的特征峰对应对苯二甲酸毗邻己烷和二甲苯基异丙烷的质子特征峰。

PBHT50共聚酯的相对集中双峰被用来计算共聚酯序列的长度，根据下列等式：

其中，Na，Nh，Ni和Nj分别代表核磁谱图中相似积分区域。

经计算，PBHT50共聚酯的HT和BAT段序列长度分别为1.5和1.6.结果证明该共聚反应产生统计共聚酯。

在PBHT46L8共聚酯的核磁谱图中包含46mol%HT单元和46mol%BAT以及8mol%的乳酸单元，附属峰5.08（m）和1.60（k）分别是乳酸单元中的CH和CH3特征峰（图2）。

4.27处新峰为己二醇的OCH2与乳酸连接单元出峰位置。

在5.08（CH），4.30（OCH2），7.08（BAT质子）处的特征峰积分可以证明在PBHTL共聚酯中存在LA，HT和BAT单元。

计算结果大致与投料的摩尔比相同（表1）。

由于PBHTL核磁光谱中的双峰不足，因此计算PBHTL的序列长度变得困难。

图1PBHTL的核磁谱图

该共聚酯非常容易溶于氯仿。

随着，乳酸单元的增加，共聚酯在THF中的溶剂性提高。

共聚酯采用熔融缩聚的方法合成，但是加入预聚乳酸的的量不同，BPA和HDO的投料比不同。

产率为91-98%。

GPC谱图呈现单一分子量分布，如图3所示。

在分析甲醇沉淀池时未发现聚乳酸，这表明聚乳酸定量的进入共聚酯中。

所获得的分子量分布参数列于表1。

随着乳酸含量的增加，很难获得高分质量产品，所得重均分子量的的分布范围为16000-32900。

随着BPA与HDO投料比的降低，共聚酯的相对分子质量增大。

表1PBHTL的组成与分子质量参数

图2PBHTL46L8的核磁谱图

图3共聚酯的GPC曲线

3.3共聚酯的热力学行为

PBHTL共聚酯的热力学性能采用DSC和TG两种方法进行表征。

图4显示，共聚酯的二次热处理DSC热曲线，表2列出了不同的转化温度。

正如我们在DSC热曲线上所看到得，每种共聚酯都只有一个Tg，Tg的变化与乳酸单元和BAT/HT的投料比规律变化。

PBHTL共聚酯的Tg下降到较低温度，随着脂肪族乳酸和己二醇含量的增加。

曲线中未发现熔融吸热和冷却结晶放热。

只有一个Tg说明PBHTL共聚酯熔融缩聚和酯交换最终形成统计共聚酯而不是物理共混。

从DSC热曲线可以看出基线几乎不是很稳定。

这可能是仪器原因以及采用具有锈斑的载物盘。

对于同样的样品，在其他DSC仪器上观察到稳定的基线。

TG分析在氮气保护条件下进行，图5曲线显示两段降解，乳酸和己二醇（368-372℃）芳香BAT基（466-469℃）。

PBHTL共聚酯在372和469℃时的热失重记录于表2。

从两步降解的质量损失，BAT段的实际质量百分比被计算出来，结果与理论值十分相符。

表2共聚酯的热性能

图4共聚酯的DSC曲线

3.4X射线衍射图

图6展示了3种典型的聚酯的溶液浇铸薄膜的X射线衍射图。

由XRD分析可得，溶液浇铸薄膜中发现了低结晶峰。

然而，DSC测试方法得出没有熔融吸热和冷结晶峰，这表明聚合物的粉末是无定形结构。

结果表明，溶液浇铸过程导致了结晶铸型。

随着乳酸基的增加，PBHTL聚酯的结晶结构在乳酸基的作用下逐渐被破坏。

图5共聚酯的TG曲线

图6X射线衍射谱图

图7聚酯膜的静态接触角

3.5聚酯的溶胀性和生物水降解

聚酯的溶液浇铸薄膜的表面性质由接触角方法分析得来。

对于每个记录下的角，最后读出逐渐增加了乳酸基的聚合物的不同区域的5个取样。

由接触角可知道，热力学参数如表面张力可由聚酯的乳酸基的含量的函数求得。

较小的接触角通常导致更好的亲水性。

聚酯的亲水性由1.5g聚酯在37C下浸入去离子水中一周来测得。

对于提到的每个点，最后3个可再生值用来计算3个取样的平均值。

PBHTL聚酯的快速吸水是由于乳酸基的存在。

随着己烯单元的增加，厌水性异亚丙基的摩尔含量降低，导致了水吸收的增长。

亲水性，也就是吸水性，在降解作用和细胞配置和生物材料的再生中起到了显著的作用。

图8共聚酯的吸水数据

作为水解降解性的初步测试，厚度300lm重为1.5g的聚酯薄膜在37C下被放在20ml磷酸盐缓冲液中。

样品多次移动，并用蒸馏水涮洗，干燥后称重。

在继续实验之前，缓冲液需要更新。

在37C下浸入磷酸盐缓冲液中5周后，所有的聚酯明显在37C的缓冲溶液中降解，尽管仍有部分芬芳单元结构在主链中，并且由各种测试方法观察得到22%的失重。

降解率显示了对结构的依赖性。

随着交酯和己烯含量的增加，乳酸基由熔融浓缩作用增长，并且酯交换作用使得生物降解能力增加。

这可能是由于乳酸基有部分结晶和膨胀，因此使得酯有更牢固的亲水性。

另外较低的玻璃化转变温度也致使了高链活性。

相反的，聚交酯在浸入37C的缓冲液20周后由于高结晶化导致水降解能力较低。

图9共聚酯水解后质量损失

3.6细胞增长

初步研究了细胞的形态结构。

PBHT44L12表面的细胞形态学增长的SEM图像在图10中可以看到。

材料中没有观察到有明显毒性和细胞反应。

细胞质同样显示了在粗内质网中的较高合成活性的迹象。

初步研究显示了一个强壮的细胞依附在聚酯表面。

细胞依附在表面上，并且细胞形态学显示PBHTL聚酯结构有较好的生物适应性。

3.7机械性能

聚酯的模量随着己烯的增加而递减。

PBHT82L8由于更多的己烯含量而太脆弱以致无法测量。

进一步的研究方向为完成定向机械性能的提升和样品的热性能。

结果将在以后的报告中给出。

图10共聚酯SEM图

4.结论

在本文中，以TPC，BPA，HDO和PLC为原料采用熔融缩聚和原位酯交换的方法合成新型生物可降解共聚酯。

由于酯交换反应，共聚酯中存在的内在连接件得到确认。

共聚酯几乎可以生产随机微观结构。

共聚酯的Tg随着反应用的乳酸己二醇的量不同而不同。

PBTHL共聚酯的水解温度为37℃，随着乳酸和己二醇的增加而增大。

水解主要发生在脂肪族聚酯基团。

令人感到鼓舞的结果是生物相容性，组织细胞能够在共聚酯膜表面生长。