丁阿敏，陳鵬鵬，周藝峰，聶王焰

(安徽大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，綠色高分子材料安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601)

聚乳酸(PLLA)具有良好的生物相容性、低毒性和生物降解性，由于其獨(dú)特的性能被廣泛用作藥物載體[1-2].但是，它的親水性較差、降解周期較長，使其應(yīng)用受到限制.因此，PLLA的改性研究已成為熱點(diǎn).將親水性鏈段接枝到PLLA中，可以改善其親水性能、結(jié)晶性能和降解速率[3-4].兩親性星型共聚物與線型共聚物相比，具有較小的流體力學(xué)體積和更低的黏度，可提高藥物的生物利用度.因此，兩親性星形共聚物受到了廣泛的研究[5-7].

聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)是一種具有生物相容性、血液相容性、生物降解性的水溶性高分子，有顯著的絡(luò)合能力，可與許多不同的化合物發(fā)生聚合生成絡(luò)合物，另外由于其還具有增溶作用，在藥物傳遞系統(tǒng)中常被用于微球、納米粒子、脂質(zhì)體以及聚合物偶聯(lián)[8-9].PVP鏈段改性PLLA共聚物可有效地調(diào)控載體的親疏水性、藥物釋放速率以及載藥量，延長藥物在血液中的循環(huán)時(shí)間和加強(qiáng)藥物靶向給藥能力.此外，改變共聚物中單體投料比，還可以改善兩親性共聚物的熱學(xué)性能，同時(shí)PVP的加入可以改善其結(jié)晶性能.

筆者以木糖醇(xylitol)為引發(fā)劑，辛酸亞錫催化L-丙交酯熔融開環(huán)聚合制備星型聚乳酸(s-PLLA)；以巰基乙酸(TGA) 為鏈轉(zhuǎn)移劑、N-乙烯吡咯烷酮(NVP)為單體、偶氮二異丁腈(AIBN) 為引發(fā)劑、N, N-二甲基甲酰胺(DMF)為溶劑，通過自由基溶液聚合法得到末端羧基化的聚乙烯基吡咯烷酮(PVP-COOH)；再由s-PLLA和PVP-COOH發(fā)生酯化反應(yīng)制備兩親性星型s-PLLA-PVP共聚物，反應(yīng)過程如圖1所示.筆者研究了s-PLLA/PVP的反應(yīng)摩爾比對s-PLLA-PVP共聚物的結(jié)晶性能、熱性能和親水性能的影響.

圖1 s-PLLA-PVP共聚物合成示意圖

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料和試劑

L-乳酸(98%)、N-乙烯吡咯烷酮(99%)、二甲基氨基吡啶(DMAP，99%)、偶氮二異丁腈、N, N’-二環(huán)己基碳二亞胺(DCC，99%)，阿拉丁化學(xué)試劑有限公司；巰基乙酸(98%)、阿達(dá)瑪斯化學(xué)試劑有限公司；木糖醇、辛酸亞錫，化學(xué)純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；L-丙交酯單體參考文獻(xiàn)[10]制備，用乙酸乙酯重結(jié)晶3次；其他試劑均為分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司.

1.2 s-PLLA的合成

將計(jì)算量的木糖醇、L-丙交酯單體(5.028g,34.9mmol) 和辛酸亞錫(0.0141g溶于無水甲苯)依次加入15mL的聚合管中，用雙排管抽氣-通氬氣循環(huán)3次后，密封聚合管，放入130℃的油浴鍋中反應(yīng)48h.反應(yīng)結(jié)束冷卻后，將聚合管打碎，粗產(chǎn)物用二氯甲烷超聲完全溶解并過濾除去雜質(zhì)后，再使用過量冷的甲醇做沉淀劑，除去未參加反應(yīng)的L-丙交酯單體，抽濾收集產(chǎn)物，沉淀循環(huán)提純2次，40℃真空干燥48h，得到一系列的s-PLLA.

1.3 PVP-COOH的制備

稱取170mg AIBN引發(fā)劑，加入100mL三口燒瓶中，通入N2；依次用注射器將11mL NVP單體、280μL TGA鏈轉(zhuǎn)移劑、50mL DMF溶劑，加入三口燒瓶中，在N2氛圍下放入80℃油浴中反應(yīng)12h.冷卻產(chǎn)物后，將其逐滴加入到過量冷的乙醚中沉淀出固體，過濾后將沉淀物置于40℃真空干燥箱中干燥48h，得到PVP-COOH白色粉末.

1.4 兩親性星型共聚物s-PLLA-PVP的合成

將計(jì)算量的s-PLLA、PVP-COOH、DCC和DMAP用15mL無水二氯甲烷溶解，加入50mL的三口燒瓶中，通N2保護(hù)，室溫下水浴鍋中反應(yīng)24h.反應(yīng)結(jié)束后，粗產(chǎn)物用冷的甲醇洗滌3次，除去未反應(yīng)雜質(zhì)，離心收集產(chǎn)物，40℃真空干燥48h，得到一系列的s-PLLA-PVP.

1.5 性能測試

1.5.1傅里葉紅外光譜分析(FT-IR)

s-PLLA、PVP-COOH和s-PLLA-PVP樣品直接與KBr混合研磨，待研磨均勻后進(jìn)行壓片，將壓片用美國Nicolet公司 Nexus870型傅里葉紅外光譜儀進(jìn)行測試.

1.5.2核磁共振譜分析(1H NMR)

采用美國Bruker公司AVANCE DMX400型核磁共振譜(1H-NMR)儀對s-PLLA-PVP結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，CDCl3為溶劑，TMS作為內(nèi)標(biāo).

1.5.3分子量測定(GPC)

采用美國Waters410GPC液相色譜分析儀測定s-PLLA-PVP的分子量和分子量分布系數(shù)，溶劑為THF，參照物為聚苯乙烯(PS)，流動相流出速率為1.00mL·min-1，溫度為35℃，注入量為20.00μL，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間10.50min，樣品含量0.3%.

1.5.4熱重分析(TGA)

采用德國耐馳公司449F3型同步熱分析儀進(jìn)行熱重分析(TGA).將樣品在100℃真空下干燥3～4h后，放在N2環(huán)境中升溫，升溫速率為20℃·min-1，溫度范圍為25～600℃.

1.5.5差示掃描量熱分析(DSC)

采用美國TA公司Q2000差示掃描量熱儀進(jìn)行測定.稱3～5mg樣品加入鋁鍋，在N2保護(hù)下從25℃升至200℃后，升溫速率為10℃·min-1；再以20℃·min-1速度降至—50℃，然后再以10℃·min-1升溫至200℃，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)從第2次升溫曲線讀取.

1.5.6X射線衍射分析(XRD)

采用北京普析通用儀器有限責(zé)任公司XD-3型鎳過濾Cu靶輻射X射線衍射儀測定，掃描范圍2θ為5～60°，掃描速度為2(°)·min-1，步長為0.01°.

1.5.7接觸角測試

采用德國克呂士公司DSA10-MK2型接觸角測量儀測定，將一定量的共聚物溶于二氯甲烷中，溶液涂抹在載玻片上烘干并形成共聚物薄膜.將載玻片水平放置在接觸角分析儀的平臺上，室溫下用3μL蒸餾水滴在共聚物膜上，2s后觀察接觸角的形貌，測3組數(shù)據(jù)，取其平均值.

1.5.8吸水率測試

將共聚物溶于二氯甲烷中，用溶液澆鑄法將溶液涂在載玻片上，制得共聚物薄膜，將薄膜置于室溫下的去離子水中浸泡24h后取出，用濾紙吸干樣品表面的水后，稱量并且計(jì)算吸水率.

2 結(jié)果與討論

2.1 FT-IR分析

圖2為s-PLLA70(n(LLA)∶n(xylitol)=70∶1)、PVP-COOH和s-PLLA70-PVP的紅外譜圖.

圖2 s-PLLA70 (n(LLA)∶n(xylitol)=70∶1)、PVP-COOH和s-PLLA70-PVP的紅外譜圖

從圖2可知，s-PLLA70-PVP較s-PLLA70和PVP-COOH相比，除了保留s-PLLA70中其相對應(yīng)的吸收峰，在1660cm-1處出現(xiàn)新增吸收峰為PVP-COOH五元環(huán)上C=O的特征吸收峰，2878cm-1處為—CH2—的伸縮振動峰，1423cm-1處為—CH2—的彎曲振動峰，1290cm-1處為—CN—的伸縮振動峰；3000～3500cm-1之間出現(xiàn)的強(qiáng)而寬的吸收峰是PVP中水分的吸收峰，并且在1715～1730cm-1處的峰相比PVP-COOH中要窄，說明s-PLLA和PVP-COOH之間發(fā)生酯化反應(yīng)生成共聚物s-PLLA-PVP[11].

2.2 1H NMR分析

圖3為s-PLLA70-PVP的1H NMR圖譜.

圖3 s-PLLA70-PVP的1H NMR圖譜

2.3 GPC分析

圖4為不同LLA/xylitol的反應(yīng)摩爾比s-PLLA-PVP共聚物的GPC譜圖.

圖4 不同LLA/xylitol反應(yīng)摩爾比s-PLLA-PVP的GPC曲線

由圖4可以看出，隨著LLA/xylitol反應(yīng)摩爾比的增加，所有s-PLLA-PVP的流出曲線都呈單峰形式，分子量分布變寬，證明產(chǎn)物s-PLLA-PVP是共聚物而不是簡單的物理共混物.

GPC測得的s-PLLA-PVP共聚物分子量分布數(shù)據(jù)見表1.

表1 s-PLLA-PVP的特征數(shù)據(jù)

由表1可知，隨著LLA/xylitol反應(yīng)摩爾比的增加，s-PLLA-PVP的數(shù)均分子量Mn從20 591 g·mol-1增加到24 209 g·mol-1，分子量分布系數(shù)均在1.3左右，呈較好的單分散狀態(tài)，說明通過調(diào)節(jié)LLA/xylitol反應(yīng)摩爾比能夠調(diào)節(jié)共聚物的分子量[14].

2.4 s-PLLA-PVP共聚物的熱性能分析

圖5為不同LLA/xylitol的反應(yīng)摩爾比s-PLLA-PVP共聚物的TGA譜圖.

圖5 s-PLLA-PVP的TGA譜圖

由圖5A可以看出，不同LLA/xylitol反應(yīng)摩爾s-PLLA-PVP有2個(gè)階段的失重.從圖5B可以發(fā)現(xiàn)，s-PLLA70-PVP、s-PLLA100-PVP和s-PLLA150-PVP的最大失重溫度分別為295.5，314.4，321.4 ℃，PVP鏈段引起的失重溫度在436.7～453.8 ℃之間.隨著反應(yīng)投料比的增加.

圖6為不同LLA/xylitol反應(yīng)摩爾比的s-PLLA-PVP共聚物的DSC譜圖.

圖6 不同LLA/xylitol反應(yīng)摩爾比的s-PLLA-PVP共聚物的DSC分析

兩親性星型共聚物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg和熔點(diǎn)Tm見表1.從圖6和表1可以看出：隨著反應(yīng)摩爾比的增加，s-PLLA-PVP的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg從46.8 ℃增加到56.1 ℃，熔點(diǎn)Tm從139.7 ℃增加到153.3 ℃.這可能是因?yàn)殡S著LLA/xylitol反應(yīng)摩爾比的增加，共聚物的分子量增加，空間位阻相應(yīng)增大，造成結(jié)構(gòu)上的擁擠，導(dǎo)致其Tg升高[16].

2.5 s-PLLA-PVP的XRD分析

圖7為PVP-COOH、s-PLLA70和s-PLLA70-PVP的XRD譜圖.

圖7 PVP-COOH、s-PLLA70和s-PLLA70-PVP的XRD譜圖

s-PLLA-PVP共聚物的熱穩(wěn)定性有很大的提高[15].由圖7可知，PVP-COOH出現(xiàn)很弱的結(jié)晶峰；s-PLLA70出現(xiàn)2個(gè)不同的衍射峰，在2θ=16.7°晶面為(200)/(110)的衍射峰，2θ=19.3°晶面為(203)的衍射峰，這與文獻(xiàn)[17]中聚乳酸衍射峰的位置相似；從XRD可以發(fā)現(xiàn)s-PLLA70-PVP在2θ=16.7°和19.3°分別出現(xiàn)不同強(qiáng)度的衍射峰，但是它的結(jié)晶吸收峰強(qiáng)度減弱，說明s-PLLA70-PVP的結(jié)晶性能降低.這主要是因?yàn)镻VP的加入，導(dǎo)致聚乳酸鏈段的規(guī)整性降低[18].

2.6 s-PLLA-PVP的親水性

圖8為s-PLLA70(A)、s-PLLA70-PVP(B)、s-PLLA100-PVP(C)和s-PLLA150-PVP(D) 共聚物薄膜上水滴形狀圖.

圖8 s-PLLA70(A)、s-PLLA70-PVP(B)、s-PLLA100-PVP(C)和s-PLLA150-PVP(D)薄膜上水滴形狀圖

s-PLLA70和s-PLLA-PVP的接觸角度數(shù)以及吸水率數(shù)據(jù)見表2.

表2 s-PLLA70和s-PLLA-PVP的接觸角和吸水率

由圖8和表2可以看出，水滴在s-PLLA70薄膜上形狀呈半球形，靜態(tài)接觸角為81.48°，吸水率為5.48%；而在s-PLLA70-PVP、s-PLLA100-PVP、s-PLLA150-PVP薄膜上則為橢圓形，靜態(tài)接觸角分別為65.82，54.07，48.57°，吸水率分別為10.59%，15.83%，21.91%.隨著PVP含量的增加，共聚物靜態(tài)接觸角減小，吸水率增加，這是由于PVP親水鏈段的引入，導(dǎo)致兩親性星型共聚物親水性提高[11,19].

3 結(jié)束語

(1) 筆者以木糖醇為引發(fā)劑核，辛酸亞錫催化L-丙交酯單體熔融開環(huán)聚合制備星型聚乳酸(s-PLLA)；繼而使s-PLLA與末端羧基化的PVP-COOH發(fā)生酯化反應(yīng)，合成了兩親性星型s-PLLA-PVP共聚物.

(2) TGA測試表明，隨著LLA/xylitol反應(yīng)摩爾比增大，s-PLLA-PVP共聚物的熱穩(wěn)定性不斷提高.

(3) DSC測試表明，共聚物s-PLLA-PVP的玻璃轉(zhuǎn)變溫度和熔點(diǎn)隨著LLA/xylitol反應(yīng)摩爾比增加而增加；XRD 和接觸角測試表明，PVP的加入可以改善s-PLLA的結(jié)晶性能和親水性能.

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