新型多巴基生物可降解梳狀聚合物的合成及性能研究

馬鳳奪，施冬健，陳元勛，陳益明，潘陽陽，陳明清

(食品膠體與生物技術教育部重點實驗室江南大學化學與材料工程學院，江蘇無錫 214122)

聚乳酸(PLA)是一種生物可吸收性優且生物相容性好的生物降解材料，是第一個商業化的生物降解高分子，被認為是最有前途、最具競爭力的生物降解高分子［1-6］。PLA具有良好的透明性和表面光潔度等優點，可以紡成纖維、制成膜材和吸塑包裝產品而被廣泛的應用到塑料工業和生物醫藥等領域。然而PLA作為線性脂肪族聚酯，在耐熱性和力學性能等方面存在一定的缺陷，難以滿足實際應用中對材料性能多方面的要求，因而其應用受到了限制。在聚乳酸中加入聚丁二酸丁二酯、聚ε-己內酯等脂肪族聚酯或者高強度的纖維素或木質素可以改善聚乳酸的力學性能［7］，但其還遠遠不能滿足工程塑料和組織支架的要求。

3，4-二羥基苯丙氨酸(俗稱多巴，DOPA)及其衍生物是一類來源于動植物的“天然單體”，其具有多個可反應性功能基，如氨基、羧基和羥基，獨特的分子結構賦予其具有優良的黏附性和抗氧化性。用這類天然單體來制得的聚合物，由于其分子結構中含有大量的芳環，具有良好的熱穩定性和力學強度，還具有生理相容性和降解性能，在生物醫藥、醫用材料領域有很好的應用前景［8-13］。盡管DOPA具有非常優異的可反應性和力學性能等，但是國內外的研究報道中還很少將PDOPA直接引入到聚合物鏈中。

本文利用LA和DOPA兩種單體制備梳狀接枝共聚物，可望在一定程度上提高PLA的性能，如溶解性、熱穩定性和力學強度，同時具有生理相容性和可降解性。同時通過改變LA和DOPA兩組分的比例，調控共聚物的性能。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

丙交酯(氯仿中重結晶使用)、3，4-二羥基苯丙氨酸(DOPA)、叔丁基二甲基氯硅烷(TBDMS)、1，8-二氮雜二環［5.4.0］十一碳-7-烯(DBU)、四丁基氟化胺(TBAF)、辛酸亞錫［Sn-(Oct)2］、三乙胺(TEA，CaH2浸泡過夜減壓蒸餾后使用)、無水硫酸鎂、甲醇、三氯甲烷、二氯甲烷、鹽酸均為分析純。

2000-104傅里葉變換紅外光譜(FTIR);Waters 1515凝膠滲透色譜(GPC);AVANCE III 400 MHz核磁共振儀(1H NMR);OCA40接觸角儀;1100SF熱失重分析儀(TGA);DSC822e差示掃描量熱儀(DSC);WDT-10萬能試驗機。

1.2 PDOPA 的合成

將3 mol叔丁基二甲基氯硅烷(TBDMS)加入到無水乙腈中。把 TBDMS溶液加入到1 mol DOPA中，攪拌10 min。加入3 mol DBU為催化劑，冰浴攪拌4 h后在室溫下反應20 h，減壓蒸去溶劑，再用甲醇溶解、冰三氯甲烷洗滌，過濾，得到白色固體叔丁基二甲基氯硅烷多巴 DOPA(TBDMS)2［14-15］。冰浴中，將DOPA(TBDMS)2溶解于含有三乙胺的二氯甲烷(DCM)，再在常溫下密閉攪拌反應24 h。調節pH至1～2，用DCM萃取3次，并用HCl洗滌，干燥后得到棕色粉末 PDOPA(TBDMS)2。將 PDOPA(TBDMS)2加入至THF和TBAF中，常溫下反應2～4 h。用純水洗滌、減壓蒸餾，再用石油醚洗滌、干燥，得到PDOPA。

1.3 PDOPA-g-PLA 的合成

將PDOPA和丙交酯按一定的摩爾比置于圓底燒瓶中，加入Sn(Oct)2為催化劑，苯醚為溶劑，在130℃下反應1 h。將溫度緩慢升高至160℃，反應4 h。用三氯甲烷溶解，在無水乙醚中沉淀，得到產物，用石油醚洗滌、干燥，得到梳狀接枝共聚物PDOPA-g-PLA。

PLA均聚物是以十二烷醇為引發劑，開環丙交酯聚合得到。反應條件和提純方法同制備共聚物。

圖1 梳狀聚合物PDOPA-g-PLA的合成Fig.1 Synthesis of comb polymer PDOPA-g-PLA

2 結果與討論

2.1 PDOPA-g-PLA 的表征

2.1.1 IR 圖 2 為 DOPA(TBDMS)2、PDOPA(TBDMS)2、PDOPA和PDOPA-g-PLA的紅外譜圖。

由圖2可知，1 500 cm－1的吸收峰為芳環中的碳碳雙鍵的特征振動峰，2 800～2 900 cm－1附近為苯環吸收峰，表明聚合物中含有苯環;PDOPA中1 650～1 700 cm－1處吸收峰(圖2c)可歸屬于羰基的特征吸收峰，由于酰胺基團中氮原子的共軛作用，羰基的電子云移向碳氮，使羰基上的電子云密度降低，從而致使羰基頻率降低;PDOPA-g-PLA聚合物在3 300 cm－1左右羥基和羧基的特征吸收峰消失(圖2d)，說明DOPA鏈中的羥基引發丙交酯的開環聚合;1 700 cm－1處強吸收峰歸屬于—COOR上的羰基吸收峰。因而，可以初步判斷成功制備PDOPA和梳狀接枝共聚物PDOPA-g-PLA。

圖2 FTIR譜圖Fig.2 FTIR spectra

2.1.21H NMR PDOPA-g-PLA 的1H NMR 見圖3。

圖3 PDOPA-g-PLA的1H NMR譜圖Fig.3 1H NMR spectrum of PDOPA-g-PLA

由圖3可知，1.60處的峰歸屬于乳酸單元中甲基的特征峰，5.11處的峰歸屬于乳酸單元中叔碳的質子峰;2.97處的峰為DOPA單元Ar—CH2—中亞甲基的特征吸收峰，3.86處的峰為DOPA單元中與氮原子相連的次甲基所產生的質子峰，6.67處應歸屬于苯環上的特征質子峰，說明成功合成PDOPA-g-PLA聚合物。

2.1.3 DSC 將 PDOPA(TBDMS)2中的 TBDMS脫出后，GPC測試結果顯示，PDOPA的分子量約為2 000，DSC測試表明其熔點為237℃。改變DOPA與LA單元的摩爾比，可得到不同分子量與熱性能的共聚物，結果見表1。

由表1可知，當PDOPA引發丙交酯開環聚合后，共聚物的分子量增加，且隨LA含量的增加而增大，說明PDOPA可以作為大分子引發劑，用酚羥基開環丙交酯合成PLA鏈段。但當LA的含量增加至100時，分子量并沒有明顯增大，可能是由于DOPA中鄰近兩個酚羥基都引發LA后形成的空間位阻較大且羥基活性降低，從而難于進一步引發更多的LA聚合。DSC結果顯示，聚合物的熔點比PLA均聚物的高(TmPLA162℃)，且隨著LA含量的增加而增大，說明PDOPA的存在可以提高PLA的熔點。

表1 PDOPA-g-PLA的性能表征Table 1 Characterizations of PDOPA-g-PLA polymers

2.2 聚合物的溶解性

PDOPA、PLA均聚物以及不同LA含量的PDOPA-g-PLA接枝聚合物的溶解性見表2。

由表2可知，PDOPA不溶于水，幾乎能溶于所有常見的極性有機溶劑中，這種良好的溶解性可能是由于PDOPA中存在酚羥基和酰胺鍵;PLA除了在氯仿和DMF中具有較好的溶解性外，在其他的有機溶劑和水中的溶解性較差。PDOPA-g-PLA接枝共聚物［n(PDOPA)∶n(LA)=1∶20］，溶解性與 PDOPA相似，能溶解于乙醇、丙酮等常見的極性有機溶劑中，是因為共聚物中引入了酰胺鍵，改變了共聚物的結構，但不同LA含量的PDOPA-g-PLA接枝共聚物的溶解性相差不大。

表2 聚合物的溶解性Table 2 Solubilities of polymers

2.3 聚合物的表面浸潤性

將共聚物在熔融狀態下壓制成膜，對其表面的浸潤性用光學接觸角儀(CA)進行測試，結果見圖4。

圖4 PDOPA-g-PLA光學接觸角照片Fig.4 Contact angle photographs of PDOPA-g-PLA

由圖4可知，PLA膜的接觸角約為79.6°，隨著LA含量的增加，共聚物膜表面的接觸角隨著增加;當n(PDOPA)∶n(LA)＞1∶20時，其接觸角增大至92°以上，為疏水界面狀態。這是由于 PDOPA-g-PLA聚合物中存在大量的疏水鏈段和剛性基團，導致聚合物膜表面的疏水性增強。

2.4 聚合物的熱穩定性

PDOPA-g-PLA的熱失重曲線見圖5。

圖5 PDOPA-g-PLA的熱失重曲線Fig.5 TGA curves of PDOPA-g-PLA

由圖5可知，PLA均聚物在310℃下開始分解(以此溫度為分解溫度)，PDOPA-g-PLA共聚物在360℃開始分解，且隨著LA含量的不同，熱分解溫度并沒有發生多大改變;當溫度達到420℃時，共聚物的質量基本保持不變，說明共聚物具有比PLA更優異的熱穩定性。這是因為PLA接入PDOPA后，在共聚物中引入了一定量的苯環，苯環的剛性使PDOPA-g-PLA的熱穩定性提高。

2.5 聚合物的力學性能

將不同投料比的聚合物膜(膜厚3 mm)用萬能試驗機做拉伸測定，拉伸速度為5 mm/min，結果見表1。

由表1可知，PLA均聚物的拉伸強度約為0.45 MPa，PDOPA-g-PLA聚合物膜的拉伸強度比PLA的大，隨著LA鏈段(即分子量)的增加而增加;當n(PDOPA)∶n(LA)=1∶100時，拉伸強度可達1.04 MPa，為PLA的2倍以上。這是由于隨著共聚物中PDOPA鏈段的加入，剛性基團的存在使聚合物的強度增加。

2.6 聚合物的降解行為

將定量的聚合物薄膜(20 mm×10 mm×1 mm)投進裝有30 mL 0.01 mol/L的NaOH標準溶液中，于37℃恒溫槽中進行降解實驗。每天用移液管取2 mL降解溶液，用0.01 mol/L鹽酸標準溶液進行滴定(酚酞指示劑)，測定降解液中NaOH溶液濃度，結果見圖6。

圖6 聚合物的降解液中cNaOH隨天數的變化Fig.6 Curve of ln［cNaOH ×104(mol/L)］vs.time of degradation of polymer

由圖6可知，PDOPA的降解速度較快，約2 d后，降解液中的離子濃度不再變化，說明基本降解完全。PLA的降解速度相對較慢，隨著降解時間的延長，降解液中的離子濃度緩慢減少，降解7 d后，離子濃度約為原來的1倍;PDOPA-g-PLA接枝聚合物也具有一定的降解性，并且聚合物的降解與相對分子質量有較大的關系，低相對分子質量的聚合物降解相對較快。相同質量的聚合物膜，相對分子質量小的聚合物中有更多數目的聚乳酸分子鏈，從而有更多分子末端的降解活性點，進而有更快的降解速度。而且，相對分子質量相同的PDOPA-g-PLA和PLA梳狀聚合物，PDOPA-g-PLA降解速度更快一些，因為PDOPA在堿性環境下更容易降解。

3 結論

對3，4-二羥基苯丙氨酸(DOPA)的2個酚羥基經保護、縮合聚合、酚羥基脫保護，制備了側基含有酚羥基的PDOPA;將PDOPA作為大分子引發劑，引發丙交酯開環聚合，制得了PDOPA-g-PLA梳狀接枝聚合物，具有比PLA均聚物更優異的性能，能溶解于大部分常見的有機溶劑，具有較高的熱分解溫度(360℃)，且具有優異的力學性能和降解性。

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