超臨界二氧化碳中合成聚乳酸-聚乙二醇共聚物

宋惠珈，王景昌，鄧 冰，張 馨，詹世平

（大連大學 環境與化學工程學院，遼寧大連 116622）

聚乳酸（PLA）是自20世紀70年代以來，被廣泛研究的一種作為藥物載體新型功能高分子材料。PLA 具有良好的生物降解性和生物相容性等特點，被廣泛用于生物醫藥領域中的藥物釋放及組織修復。聚乙二醇（PEG）是一種聚醚高分子物質，除了具有好的親水性，還具有良好的生物相容性與較低的毒性、無抗原性和免疫原性。因此，PEG 是較為常用的親水嵌段，可用于合成具有載藥特性的聚合物膠束。在超臨界二氧化碳（ScCO2）中的分散聚合反應是發生在一個均相的體系中，單體、引發劑及表面活性劑都溶于ScCO2中，達到反應溫度后，自由基引發單體聚合，當聚合鏈增長到從連續相中析出時，聚合鏈自身或與其他鏈聚集成粒，并在表面活性劑的作用下形成穩定的分散體系[1]。

1 聚乳酸和聚乙二醇的特性

1.1 聚乳酸的理化性質及應用領域

聚乳酸（PLA）是一種由生物質作為原料制備的天然脂肪族聚酯材料，由于具有良好生物降解性和生物相容性，成為在生物醫藥領域應用最為廣泛的熱塑性高分子材料。PLA 可作為石化產品的潛在替代品，在生物體內分解成乳酸，經生物酶的分解生成二氧化碳和水，從體內排出，對人體沒有傷害，是美國食品與藥品監督管理局（FDA）推薦使用的醫用材料。PLA 具有無刺激性、可生物降解吸收、強度高、可塑性好、易加工成型等優良特性，在藥用控釋系統和生物可吸收支架等醫藥學等領域有著廣泛的應用。

1.2 聚乙二醇理化性質及應用領域

聚乙二醇（PEG）是環氧乙烷水解產物的聚合物。PEG具有無刺激性、良好的水溶性、優良的生物相容性，并與許多有機物組分有著良好的互溶性等優良特性。PEG 主要在制藥、化纖、橡膠、塑料、金屬加工及食品加工等行業中有著極為廣泛的應用。

2 超臨界二氧化碳合成技術及優勢分析

超臨界流體是指物質的溫度和壓力均高于其臨界點，并且密度接近或高于它們的臨界密度的一種狀態。超臨界流體具有高的密度，低的黏度和介于氣體和液體之間的擴散系數，這些不尋常的特性使超臨界流體成為具有良好應用潛力的溶劑。小分子化合物在超臨界流體中的溶解度取決于溶劑的密度，以及溶質的理化性能和對溶劑的親和力。超臨界二氧化碳（ScCO2）體系下常采用分散聚合反應，合成嵌段共聚物PLAPEG，該方法具有工藝簡單和綠色環保等優勢。

2.1 ScCO2的特性

CO2的超臨界條件（7.38MPa，31.1℃）易于實現，環境友好，無毒、無污染，并且CO2是除H2O 以外最便宜的溶劑，加之ScCO2有許多比其他有機溶劑優異的理化性質，這是ScCO2的應用一經報道便成為科研熱點的基礎條件。將ScCO2用于聚合物的合成，主要是鑒于其以下幾大優點。

2.1.1 反應惰性

ScCO2不易燃易爆，在高溫高壓下操作較為安全，其化學性質穩定，不易與反應物發生反應，在自由基聚合反應中，自由基只是作用于鏈增長，對溶劑沒有作用。

2.1.2 良好的溶解性

ScCO2對許多有機小分子和部分聚合物有好的溶解作用，并對大部分聚合物存在好的溶脹作用；ScCO2是非極性物質，對非極性小分子溶質溶解性能比較好。當需要溶解極性物質時，可以通過在ScCO2中添加非極性共溶劑，能夠顯著改善極性溶質在ScCO2中的溶解能力。在聚合反應中，通常單體和催化劑為小分子物質，在反應介質ScCO2中均有良好的溶解能力，這樣可以便于聚合反應的進行。但聚合產物的分子量一般比較大，超出了ScCO2的溶解能力，可以通過添加分散劑避免聚合產物的沉淀，使其能夠均勻分散在溶劑中，利于反應的繼續進行。另外ScCO2對聚合物還具有一定的溶脹作用，因為CO2分子體積很小，在一定的溫度壓力下具有比較小的黏度，這樣有利于聚合物的鏈增長，得到具有較高分子量的聚合產物，還可以滲透一些需要包封的小分子，其中載藥微粒就是利用聚合物的溶脹而制備的新型藥物制劑。ScCO2在聚合反應中具有普通溶劑所沒有的許多優點，是一種適合聚合反應使用的極好的溶劑。

2.1.3 良好的反應氛圍

超臨界流體具備二相性即氣液兩態的性質，其密度、傳熱系數與溶解能力與液體相近，大于氣體的性質近兩個數量級；其擴散系數和表面張力與氣體相似，大于液體近百倍，CO2在超臨界條件中具有相對較高的壓力，有利于聚合反應的進行。CO2的臨界條件比較溫和，在ScCO2中的聚合反應是在大于臨界壓力下進行的，較高的壓力是有利于聚合反應的進行。一方面，反應中，壓力的少量升高會降低反應介質的籠弊效應，利于聚合物反應過程的鏈增長，使得反應進行的更加完全；另一方面，升高反應壓力的同時，可以降低相應的反應溫度，這使得在常壓下需要高溫的反應，可在較低的溫度下進行，可以合成某些在高溫下易分解的熱敏性物質。

2.1.4 工藝流程簡單

以ScCO2作為聚合反應的介質，有利于產物的分離與純化。相比于其他溶劑，ScCO2在反應結束后可通過減壓使之轉化成氣體，實現與產物的分離。也可利用ScCO2對有機小分子的溶解性和對聚合物的溶脹作用對聚合產物進行脫揮處理，以得到較純凈的產物。

2.2 在ScCO2中的分散聚合反應

絕大多數的聚合反應過程都需要在某種介質中進行，ScCO2是一種化學穩定的溶劑，不會出現與之有關的副反應，在其中進行的自由基聚合反應不會發生自由基向溶劑進行的鏈轉移過程。ScCO2對許多有機小分子和部分聚合物有良好的溶解作用，并對大部分聚合物存在好的溶脹作用。在ScCO2中的分散聚合反應是發生在一個均相的體系中，表面活性劑是分散聚合能否成功實現的關鍵因素，表面活性劑的存在可以使得產物的形貌更為可控，綠色高效的表面活性劑開發與研究一直是分散聚合研究的重點內容之一。

2.3 超臨界二氧化碳中合成工藝的優勢

聚合物合成采用的溶劑是超臨界流體，最常用的是超臨界二氧化碳（ScCO2），與大多數聚合反應使用的各種易揮發、有毒的有機溶劑相比，ScCO2具有高分散性，低表面張力，低毒性、成本低、傳質和擴散速率高、黏度低等優點，使ScCO2成為一種良好的替代溶劑。在過去的幾十年里，通過在這種介質中進行聚合反應的不斷研究，使得單體轉化為高分子量聚合物的速度越來越快。通過ScCO2合成的均聚物、共聚物和聚合物共混物會引起塑化現象，這會影響其力學及熱性能，在ScCO2中合成的聚合物的Tg均有所降低，這對于后續的加工有顯著的影響。因此以更環保，低廉、易得，且臨界條件更適中的ScCO2作為聚合反應的溶劑，可廣泛用于聚合物的合成與加工等領域。

3 PLA-PEG的合成方法

在ScCO2中合成PLA-PEG 嵌段共聚物，根據實驗單體和產物的溶解性，可分為本體聚合、沉淀聚合、分散聚合和乳液聚合等。

3.1 本體聚合

本體聚合是指在引發劑或光、熱作用下的聚合反應，分為均相聚合和非均相聚合，操作簡單，得到的產物純凈，不需要其他分離操作，但隨著聚合反應的進行，反應體系黏度增加，排熱較困難，反應過程控制較難。本體聚合適用于制備透明性好，介電性能好的材料。

3.2 沉淀聚合

在ScCO2中進行聚合反應，大多數有機小分子單體能夠溶于其中，形成均相的混合物，在聚合過程中，產物的鏈增長使其分子量不斷加大，大分子聚合物由于不能完全溶于ScCO2，在沒有分散劑存在的情況下，會出現析出和凝聚等現象，而下沉于反應釜的底部，從而形成沉淀聚合。由于聚合物沉于底部，難于接觸單體和催化劑，使得聚合反應的效率降低，分子量難于繼續增長，通常沉淀聚合所得產物的分子量較小，產品的形貌也較差。為了改善產品的性能，常常需要添加穩定劑，可使聚合物懸浮在溶劑中，提高聚合的效率。在ScCO2中脂肪族聚酯的聚合常采用開環聚合進行，需要添加一定的催化劑。在早期常采用金屬催化劑，但金屬催化劑對人體會產生一定的副作用，出于安全環保的考慮，開發了許多非金屬催化劑，包括酶催化劑，脂肪酶的催化效率比較高，條件溫和，聚合產物綠色環保，對于生物醫用聚合物的研究具有積極的作用。

3.3 分散聚合

采用分散聚合的方法，常在ScCO2中以辛酸亞錫（Sn（Oct）2）/正丁醇（BuOH）催化體系作為聚合物催化劑，采用兩親三嵌段共聚物為表面活性劑，合成聚乳酸-聚乙二醇嵌段共聚物，此反應發生在一個均相的體系中，在分散劑的作用下聚合鏈增長時受到分散劑親和力的作用，在溶劑中懸浮，便于與單體繼續接觸發生鏈增長反應，可以獲得較大分子量的產物，并且易于聚集形成粒狀產物。分散聚合相比本體聚合而言，其熱量更容易導出，且溫度控制相對容易，體系的透明性和介電性能較好，分離提純容易，還可用于聚氯乙烯、聚丙烯酸酯等的制備。

3.4 乳液聚合

乳液聚合是一種獨特的聚合方法，常用于制備細小均勻的生物醫用材料微粒，乳液聚合通常用于獲得直徑在10～50nm的疏水聚合物粒子。這種非均相自由基聚合過程涉及用油包水乳化劑乳化水中相對疏水的單體，在穩定劑的作用下，由不溶于水的引發劑引發聚合反應。隨著聚合過程的進行，聚合物粒子首先成核，之后生長，油水界面不斷增大。添加的穩定劑可以物理吸附或化學結合到顆粒表面，防止粒子的相互作用和聚集。聚合物顆粒可以分散在連續水相中，使得反應不斷進行，可以獲得具有良好形貌的聚合物粒子，由于具有良好的分散性，其反應速率和產率比較高，可以獲得具有較大分子量的聚合產物。乳液聚合體系的黏度低，聚合熱容易排出，可得到均勻分散性良好的產品，但殘存的乳化劑雜質會影響產品性能，且為了得到固態產物，還需要經過一系列加工工序，這些也是乳液聚合需要繼續研究的問題。

4 結束語

在ScCO2中合成聚合物還需要繼續探索最優的反應條件，提高反應效率和規模，為從實驗室轉向產業化階段打下一定的基礎。ScCO2中的聚合技術具有突出的優勢，該技術的研究發展能夠促進生物可降解醫用聚酯材料的發展，并為生物醫用高分子材料“綠色聚合”提供理論依據。