PHB及mPEG-PHB嵌段共聚物的合成與表征

李雪梅，賀繼東，代元坤，張晶晶，戎佳萌

(青島科技大學 橡塑材料與工程教育部重點實驗室山東省橡塑材料與工程重點實驗室，山東 青島 266042)

PHB及mPEG-PHB嵌段共聚物的合成與表征

李雪梅，賀繼東，代元坤，張晶晶，戎佳萌

(青島科技大學 橡塑材料與工程教育部重點實驗室山東省橡塑材料與工程重點實驗室，山東 青島 266042)

摘要：以β-丁內酯(BL)為單體、萘鉀-冠醚為引發劑通過陰離子開環聚合合成聚(β-丁內酯)(PHB)，研究了反應時間對PHB分子量的影響。在萘鉀-冠醚引發體系的基礎上制備聚乙二醇甲醚-鉀大分子引發劑(mPEG-K)，采用mPEG-K引發β-丁內酯開環聚合合成兩親性嵌段共聚物聚乙二醇甲醚-聚(β-丁內酯)(mPEG-PHB)，并通過1HNMR、FTIR、DSC對其進行表征。通過分子自組裝技術制備了mPEG-PHB共聚物的納米粒子，采用SEM、TEM、DLS對納米粒子進行表征。結果表明，在一定時間內PHB的分子量隨反應時間的延長而增大。DSC結果表明，無定形的PHB明顯降低了結晶性mPEG的結晶能力。mPEG-PHB納米粒子為粒徑在100 nm左右的具有核殼結構的納米微球。

關鍵詞：β-丁內酯；陰離子聚合；聚乙二醇甲醚；兩親性；納米微球

聚(β-丁內酯)(PHB)是聚羥基烷酸酯(PHA)家族中的一員[1-2]，具有生物相容性、生物可降解性、壓電性等優良性能，在生物醫藥等領域有廣泛的用途。但是PHB本身存在的脆性[3-5]、疏水性[4]等特點限制了其應用，通過共混或共聚可以改善PHB的疏水性。PEG具有親水性、生物相容性[6]等優良特性，與PHB共聚之后可以改善PHB的疏水性。關于PEG和PHB的共聚物，國內外研究得很多，包括熔體酯交換反應[7]、HDI偶聯[3-4]、辛酸亞錫催化開環聚合[8]等。通過β-丁內酯(BL)的陰離子開環聚合制備PEG與PHB的嵌段共聚物的研究較少，此方法合成的PHB是無定形的[8]，有利于其與親水性物質共聚形成兩親性聚合物，并且陰離子聚合的反應條件溫和、能耗低。

作者以β-丁內酯為單體、萘鉀-冠醚為引發劑制備PHB，并研究了反應時間對PHB分子量的影響。以萘鉀-冠醚為基礎制備聚乙二醇甲醚-鉀大分子引發劑(mPEG-K)，采用mPEG-K引發β-丁內酯開環聚合合成兩親性嵌段共聚物聚乙二醇甲醚-聚(β-丁內酯)(mPEG-PHB)，并研究了PHB的引入對mPEG結晶性能的影響；通過分子自組裝技術制備mPEG-PHB納米粒子，并研究納米粒子的結構。

1實驗

1.1　試劑與儀器

β-丁內酯(純度≥98%)、聚乙二醇甲醚2000(mPEG2000)、18-冠醚-6(純度≥99%)，Sigma-Al-drich公司；四氫呋喃(THF，分析純)，天津博迪化工有限公司；萘(分析純)，天津河東區紅巖試劑廠；金屬鉀(純度99%)，Aladdin公司；氯仿、乙醚(分析純)，煙臺三和化學試劑有限公司；正己烷(分析純)，天津富宇精細化工有限公司。

BRUKER-AV500型核磁共振波譜儀(NMR)、TENSOR-27型傅立葉變換紅外光譜儀(FTIR)，德國Bruker公司；204F1型差示掃描量熱儀(DSC)，德國耐馳儀器制造有限公司，升降溫速率為10 ℃·min-1，室溫~100 ℃~-70 ℃~100 ℃；JSE6300型掃描電子顯微鏡(SEM)、JEM-2100型透射電子顯微鏡(TEM)，日本JEOL公司；Malvern Zetasizer Nano ZS90型動態光散射儀(DLS)，英國馬爾文儀器有限公司。

1.2　方法

1.2.1PHB及 mPEG-PHB的合成

將25 mL圓底燒瓶、聚合管、安瓿瓶在加熱條件下抽真空至少2 h，氮氣置換6~8 次。

1)萘鉀-冠醚引發劑的制備

稱取等物質的量的萘、鉀、18-冠醚-6于干燥的安瓿瓶中，封管，常溫下抽真空，氮氣置換3 次，注入一定量THF，超聲振蕩直至完全溶解，體系呈墨綠色。

2)mPEG-K大分子引發劑的制備

稱取一定量mPEG2000于干燥的安瓿瓶中，封管，在60 ℃下抽真空，氮氣置換3 次，注入一定量的THF，使mPEG2000完全溶解。然后注入上述制備的萘鉀-冠醚引發劑溶液，超聲振蕩使催化體系分散均勻，得到mPEG-K大分子引發劑。

3)PHB的合成

向圓底燒瓶中注入一定配比的BL、THF、萘鉀-冠醚引發劑，磁力攪拌，30 ℃下反應。在不同的反應時間點取出一定量的反應液，用正己烷-乙醚(3∶1，體積比，下同)將產物沉淀出來，40 ℃真空干燥2 d，制得PHB。

4)嵌段共聚物mPEG-PHB的合成

向聚合管中注入一定配比的BL、THF、mPEG-K大分子引發劑，磁力攪拌，30 ℃下反應。待反應結束，用鹽酸的甲醇溶液終止反應，加入氯仿稀釋反應體系，用正己烷-乙醚將產物沉淀出來，40 ℃真空干燥2 d，得到mPEG-PHB。合成路線如圖1所示。

圖1嵌段共聚物mPEG-PHB的合成路線

Fig.1Synthetic route of block copolymer mPEG-PHB

1.2.2mPEG-PHB納米微球的制備

稱取一定量的嵌段共聚物mPEG-PHB溶于丙酮中，充分溶解后，在磁力攪拌下，將聚合物溶液緩慢滴加到去離子水中，控制滴加速度為5 s/滴，滴加完畢繼續攪拌直至丙酮完全揮發，形成具有藍光的乳液，即為兩親性共聚物納米粒子的乳液。

2結果與討論

2.1　反應時間對PHB分子量的影響

在單體與引發劑配比相同的情況下，考察反應時間對PHB分子量的影響，結果如圖2所示。

由圖2可知，在反應時間為0.5~9 h的范圍內，PHB的分子量隨反應時間的延長而增大。相比于采用多個聚合管分別進行不同時間點的反應來說，在本研究中采用圓底燒瓶作為反應容器，所有反應物料一次性加入，取不同反應時間點的物料進行后處理，有助于反應體系攪拌均勻，而且可以保證所有樣品的單體與引發劑的濃度配比完全相同，減少了實驗誤差。

圖2　PHB分子量與反應時間的關系Fig.2　The relationship between molecular weight of PHB and reaction time

2.2　PHB的表征

圖3為萘鉀-冠醚引發體系引發合成的PHB的核磁共振氫譜。

圖3　PHB的核磁共振氫譜Fig.3　1HNMR Spectrum of PHB

由圖3分析可知，PHB存在a和b兩種結構。在δ5.24、δ2.43~2.65、δ1.26處分別是PHB中的-CH-、-CH2-、-CH3的特征峰；在δ1.86處是端基-CH3的特征峰；在δ6.94處是a結構中與端甲基相連的-CH=的特征峰；在δ5.66處是a結構中與羰基相連的=CH-的特征峰；峰7是b結構中與端羥基相連的-CH-的特征峰。根據特征峰的面積之比計算PHB的分子量Mn=86×DPPHB=86×I3/[3×(I5+I7)]，其中I3、I5、I7分別是峰3、峰5、峰7的積分面積，86是β-丁內酯的分子量。

2.3　mPEG-PHB的表征

2.3.1mPEG-PHB的結構表征

圖4為mPEG-PHB的核磁共振氫譜。

圖4　mPEG-PHB的核磁共振氫譜Fig.4　1HNMR Spectrum of mPEG-PHB

由圖4可知，在δ3.65處是mPEG主鏈-CH2-CH2-的特征峰，在δ3.38處是mPEG的端基-OCH3的特征峰；在δ5.25、δ2.46~2.63、δ1.87處分別是PHB的-CH-、-CH2-、-CH3的特征峰，峰6是與端羥基相連的-CH-的特征峰，峰7是PHB端甲基的特征峰。綜上可知，mPEG-PHB成功合成。

與PHB分子量的計算方法類似，mPEG-PHB的分子量可通過特征峰的面積之比計算，即Mn(mPEG-PHB)=Mn(mPEG)+Mn(PHB)=2000+86×DPPHB=2000+86×I5/(3×I6)，其中I5和I6是特征峰5和特征峰6的峰面積。

圖5為mPEG和mPEG-PHB的紅外光譜。

圖5　mPEG(a)和mPEG-PHB(b)的紅外光譜Fig.5　FTIR Spectra of mPEG(a) and mPEG-PHB(b)

由圖5可知，在1 112 cm-1處是mPEG中-C-O-C-的特征峰，在3 433 cm-1處是mPEG端羥基的特征峰；在共聚物中，除了含有mPEG的特征峰，在1 733 cm-1處出現了較強的尖峰是PHB羰基的特征峰，說明聚合物中含有PHB；表征mPEG結晶性的特征峰(1 282 cm-1、957 cm-1、844 cm-1)強度減弱，而表征PHB無定形的特征峰(1 298 cm-1、1 185 cm-1)出現。綜上所述，mPEG-PHB成功合成。

2.3.2mPEG-PHB的熱性能

圖6為mPEG與含有不同PHB鏈段長度的mPEG-PHB的DSC降溫曲線和二次升溫曲線，表1是聚合物的熱性能參數。

由圖6和表1可知，在mPEG鏈段長度不變的情況下，PHB鏈段長度對共聚物的熱性能有明顯的影響，隨著PHB鏈段長度的增加，共聚物的結晶能力降低。共聚物只有一個玻璃化轉變溫度Tg，說明mPEG與PHB有良好的相容性；且隨著PHB鏈段長度的增加，共聚物的Tg逐漸升高。隨著PHB鏈段長度的增加，共聚物的結晶溫度Tc、熔融溫度Tm、熔融焓ΔHm降低，說明無定形的PHB的引入降低了共聚物中mPEG的結晶能力。

mPEG.Mn=20001~4.mPEG-PHB,Mn=3376、3806、4064、4236

圖6mPEG與mPEG-PHB的降溫曲線(a)和二次升溫曲線(b)

Fig.6The cooling curves(a) and the second heating curves(b) of mPEG and mPEG-PHB

表1　mPEG和mPEG-PHB的熱性能分析Tab.1　Thermal properties analysis of mPEG and mPEG-PHB

2.4　納米粒子的表征

由于共聚物mPEG-PHB中含有親水性鏈段mPEG和疏水性鏈段PHB，所以共聚物可以在水中通過分子自組裝的方法制備納米粒子。圖7是兩親性mPEG-PHB(Mn=4 064)納米粒子的SEM、TEM、DLS表征。

由圖7a可知，共聚物納米粒子為粒徑在100 nm左右表面光滑的納米微球，分散均勻，只有少量納米微

圖7　共聚物納米粒子的SEM(a)、TEM(b)、DLS(c)表征Fig.7　SEM Images(a),TEM images(b) and DLS(c) of the copolymer nanoparticles

球發生融合現象；由圖7b可知,納米微球具有明顯的核殼結構；DLS(圖7c)測得粒徑尺寸較SEM、TEM測得的尺寸大，是因為DLS測得的是納米粒子的水化尺寸，而SEM、TEM測得的是納米粒子干燥狀態下的尺寸[9]。綜上可知，兩親性的mPEG-PHB通過分子自組裝技術可以制備粒徑在100 nm左右的具有核殼結構的納米粒子。

3結論

采用萘鉀-冠醚引發體系通過β-丁內酯的陰離子開環聚合合成了PHB，且PHB的分子量隨反應時間的延長而增大。通過聚乙二醇甲醚-鉀大分子引發體系引發β-丁內酯開環聚合合成兩親性嵌段共聚物mPEG-PHB，并通過1HNMR、FTIR表征共聚物成功合成。DSC分析表明，無定形PHB的引入，降低了結晶性mPEG的結晶能力。通過分子自組裝技術制備了兩親性mPEG-PHB的納米粒子，SEM、TEM、DLS表征發現納米粒子為粒徑在100 nm左右的具有核殼結構的微球。

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《化學與生物工程》編輯部

Synthesis and Characterization of PHB and Block Copolymer mPEG-PHB

LI Xue-mei,HE Ji-dong,DAI Yuan-kun,ZHANG Jing-jing,RONG Jia-meng

(KeyLaboratoryofRubber-PlasticsofMinistryofEducation,ShandongProvincialKeyLaboratoryof

Rubber-Plastics,QingdaoUniversityofScience&Technology,Qingdao266042,China)

Abstract：Using β-butyrolactone(BL) as monomer,naphthalene potassium-crown ether as initiator,poly(β-butyrolactone)(PHB) was synthesized by anionic ring-opening polymerization.The effect of reaction time on molecular weight of PHB was studied.Poly(ethylene glycol) methyl ether-potassium macroinitiators(mPEG-K) was synthesized based on naphthalene potassium-crown ether.Amphiphilic poly(ethylene glycol) methyl ether-poly(β-butyrolactone)(mPEG-PHB) was prepared by ring-opening polymerization of BL initiated by mPEG-K.Copolymer was characterized by1HNMR,FTIR,DSC.The copolymer nanoparticles were prepared by the molecular self-assemble technology.These nanoparticles were characterized by SEM,TEM,DLS.The results showed that the molecular weight of PHB increased with reaction time in a certain time.The DSC results showed that amorphous PHB reduced the crystallization ability of mPEG significantly.These nanoparticles were core-shell structure nanospheres with size of 100 nm.

Keywords：β-butyrolactone;anionic polymerization;poly(ethylene glycol) methyl ether;amphiphilic;nanospheres

中圖分類號：O 631.1

文獻標識碼：A

文章編號：1672-5425(2015)05-0043-05

doi：10.3969/j.issn.1672-5425.2015.05.011

收稿日期：2015-01-16

作者簡介：李雪梅(1989-)，女，山東威海人，碩士研究生，研究方向：生物醫用高分子材料；

通訊作者：賀繼東，教授，E-mail:hjd@qust.edu.cn。