新型PLA_PVP两亲性交联共聚物的初步研究

Vol.18 2005年6月功　能　高　分　子　学　报
Journal of Functional Polymers
No.2
J un.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,L2L A)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(H EMA)为共引发剂引发D,L2L A开环聚合,制备了末端双键功能化的大分子单体(PL A2H EMA)。

最后以可降解交联剂、大分子单体和N2乙烯基吡咯烷酮(NV P)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)022*******
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(PL A)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PL A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(PV P)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PV P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PL A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PL A2PEG2PL A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(H EMA)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(PL A2H EMA),并对生物降解交联剂和PL A2H EMA的结构进行了表征。

最后,以生物降解交联剂、PL A2H EMA和N2乙烯基吡咯烷酮(NV P)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;H EMA:FL U KA公司,用前经减压
3 33 333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@
通讯联系人
蒸馏;NV P :ACROS OR GAN ICS 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:ACROS OR GAN ICS 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(A IBN ):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 PL A 2PEG 2PL A 三嵌段共聚物采用本体封管聚合方法制备[6]。

D ,L 2L A/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 ,L 2L A 和H EMA 按n D ,L 2LA /n HEMA =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、PL A 2H EMA 和亲水性单体NV P 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、PL A 2H EMA 与NV P 按一定配比溶于二氯甲烷,加入一定量的引发剂A IBN ,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NV P 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EQU INOX 55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(1H 2NMR ):德国Bruker 公司U X 2400型核磁共振仪,以TMS 为内标,CDCl 3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(CAM 2PL U S 接触角测定仪,德国TAN 2TEC 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(SH IMADZUA G I 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 ,L 2L A 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1H 2NMR ,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-CH 3和-C H 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-C H 3和-CH ,δ=4.3(d )为PEG 结构单元中与PLA 相连的-C H 2的吸收,与PL A 未相连的-CH 2的吸收则在δ=3.6(c ),δ=7.3附近的弱峰为PL A 末端的-O H 吸收。

根据共聚物中D ,L 2L A 单元和乙二醇单元中相关氢的积分面积之比计算出PL A 链段的实际聚合度为19.63,与实验设定值(设定PL A 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 ,L 2L A/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PL A 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PL A 2PV P 两亲性交联共聚物的初步研究
2.2　PLA 2HEMA 大分子单体的结构依据Sn (Oct )2引发D ,L 2LA 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H E 2MA 作为共引发剂,与Sn (Oct )2共同引发D ,L 2L A 开环聚合,可制备末端具有反应性双键的PLA 2H EMA 大分子单体。

图3为PL A 2H EMA 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H EMA 单元中的C =C 双键振动峰。

由于大分子单体中的PL A 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。

PLA 2H EMA 大分子单体的1H 2NMR 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H EMA 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1H 2NMR 谱中D ,L 2LA 单元和H EMA 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PL A 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PLA 2
・203・罗丙红,　周长忍,　陈义康,　李立华,　焦延鹏
H EMA 和NV P 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PL A 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PL A 2H EMA 和NV P 的相对含量,随n PLA 2HEMA /n NVP 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PL A 2H EMA 用量增加而下降。

这是因为随PLA 2H EMA 用量增加,NV P 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PL A 链段的含量增加,而亲水性PV P 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。

Table 1Properties of amphiphilic crosslinked copolymers with different compositions and PL A films
Run
n PLA 2HEMA /n NVP /n cross.agent Tensile trengt h/MPa Tensile modulus/MPa Contact angles/(°)a
5/85/10 1.4 6.653.0b
10/80/10 2.323.258.7c
15/75/10 3.156.260.0d
45/45/10 4.079.562.5e
PLA
29.3768.378.6 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.5IR spectra of t he amphiphilic crosslinked co 2
polymer films wit h different compositions
3　结论
(1)合成了一种由可生物降解交联剂、PL A 2H EMA 大分子单体和亲水性单体NV P 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PLA 2H EMA 和NV P 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。

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Preliminary Study of A Novel Amphiphilic Crosslinked Copolymer B ased
on Biodegradable Crosslinking Agent ,Macromonomer and NVP
L UO Bing 2hong ,　ZHOU Chang 2ren ,　CH EN Y i 2kang ,　L I Li 2hua ,　J IAO Yan 2peng
(Biomaterials Research Lab ,College of Science and Technology ,Jinan University ,Guangzhou 510632,China )
Abstract :　Firstly ,biodegradable crosslinking agent having a poly (ethylene glycol )(PEG )central block ,extended with poly (D ,L 2lactide )and terminated with diacrylate ,was prepared.Then ,PL A 2H EMA macromonomer (MC )with the f unctional end double bond was synthesized by bulk ring 2opening polymerization of D ,L 2lactide (D ,L 2L A )using stannous 22ethyl hexanoate (Sn (Oct )2)as a catalyst ,and 22hydroxyethyl methacrylate (H EMA )as a co stly ,the novel biodegradable crosslinked copolymers were synthesized by the f ree radical polymerization f rom biodegradable crosslinking agent ,macromonomer and N 2vinyl pyrrolidone (NV P ),the hydrophilicity and mechanical properties of the copolymers were also studied.
K ey w ords :　biodegradable crosslinking agent ;macromonomer ;NV P ;amphiphilic ;tissue engineering ・403・罗丙红,　周长忍,　陈义康,　李立华,　焦延鹏。