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摘要 摘要 在原材料易得、反应易于控制的条件下合成高分子量的聚酯酰胺，是研究可作为 生物可降解聚酯酰胺的首要步骤。提高聚酯酰胺强度同时保持或提高其降解性能是一 大难点。本文工作围绕这几方面展开，采用熔融聚合、共聚、纺丝、纳米复合技术， 运用红外和核磁共振分析、粘度、熔融指数测量、差热分析、热重分析、扫描电镜观 察、机械性能测试等手段，对三种脂肪族聚酯酰胺、聚醚酯酰胺共聚物、聚酯酰胺复 合材料的合成、纺丝工艺以及热解、水解和酶解行为进行了研究。 以一已内酯、6 一氨基己酸为原料制备了p ( c l a c ) “y 共聚物，反应易控、有效。 改变p ( c l a c ) “y 共聚物的成分和结构，拉伸力学性能提高的同时降解性能也可提高。 制备了p ( c l a c ) x 纤维，经过拉伸，结晶度和取向度提高，断裂强度增加，断 裂伸长率下降。p ( c l a c ) 5 0 ，5 0 纤维在p h l 4 0 碱性溶液中降解呈表面降解，有望对其 进行表面修饰。 在p ( c l a c ) “y 共聚物中引入亲水性聚乙二醇链段合成了可降解聚醚酯酰胺共聚 物，含量为1 0 w t 时，降解速度明显加快，拉伸力学强度下降。 利用纳米材料的增强作用，聚酯酰胺原位复合多壁碳纳米管，纳米管含量为 o 7 w t 时。复合材料拉伸强度和断裂伸长均显著增加。 关键词：可降解高分子，聚酯酰胺，聚醚酯酰胺，纳米复合材料、纤维 中固科学院 叶究生院博1 学位论文 可降解聚确酰胺及其碳纳米复台材料的制各与性能研究 p r e p a r a t i o n a n dc h a r a c t e r i z a t i o no f d e g r a d a b l ep o l y e s t e r a m i d ea n d i t sc o p o l y m e r y ih e ( a p p l i e d c h e m i s t r y ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rx i a o b ol i u a b s t r a c t w h e nw es t u d yd e g r a d a b l ep o l y e s t e r a m i d ec o p o l y m e r s ，i ti s c h i e f l yt h a tt h e l a r g e r m o l e c u l a r w e i g h tp o l y e s t e r a m i d ec o p o l y m e r sw e r es y n t h e s i z e d i n s i m p l y c o n t o r t e dc o n d i t i o na n dt h er a wm a t e r i a lc o u l db eg a i n e de a s i l y h o wt o i m p r o v e p o l y e s t e r a m i d ec o p o l y m e r s m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n di nt h em e a n t i m ek e e pt h e i r d e g r a d a b i l i t yp r o v e s t ob et h em o s td i f f i c u l tp r o b l e m s a l le f f o r t sh a v eb e e nd e d i c a t e d t os o l v e t h e s e p r o b l e m s t h ep e e a ，p e aa n dl l a n o c o m p o s i t e w e r e u n d e r g o n e t h e r m o - o x i d a t i v ed e g r a d a t i o n ，t h e r m a ld e g r a d a t i o na n dh y d r o l y s i s ，t h et e c h n i q u eo f m e l t p o l y c o n d e n s a t i o n ，c o - p o l y ，s p i n n i n g a n d n a n o c o m p o s i t i n g w a su s e d t h e i n t r i n s i cv i s c o s i t y , m e l ti n d e x ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ep o l y m e rs a m p l eb e f o r e a n da f t e rd e g r a d a t i o nw e r em e a s u r e d ，a n df t - i r ，n m rm e t h o dw e r eu s e d ，m o d e l s w e r ee s t a b l i s h e dt oe l u c i d a t et h e d e g r a d a t i o nb e h a v i o r t h et e c h n i q u eo fs y n t h e s i sa n d s p i n n i n ga l s ob es t u d i e d p o l y e s t e r a m i d ec o p o l y m e rp ( c l a c ) x yw a ss y n t h e s i z e df r o m - c a p r o l a c t o n e ( c l ) a n d6 - a m i n o c a p r o i ca c i d ( a c ) t h er e a c t i o ni se f f e c t i v ea n dc o u l db es i m p l y c o n t r o l l e d t e n s i l em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o fp ( c l a c ) x ya n di t s d e g r a d a t i o nc a n i n c r e a s ea tt h es a n 3 et i m ev i a c h a n g i n g t h es t r u c t u r eo f p ( c l a c ) x y ， p ( c l a c ) x y w a ss p u nt of i b e r a f t e rt h ef i b e r s w e r ed r o w n ，t h ed e g r e eo f c r y s t a l l i z a t i o na n dt r o p i s mi n c r e a s ea n dt h ee l o n g a t i o na tb r e a kd e c r e a s e d p e af i b e r s u n d e n e n ts u r f a c ee r o s i o nw h e ni n e u b a t e di n t h i sc o n c e n t r a t e da l k a l i n e s o l u t i o n ( p i l l 4 o 、 e 【y d r o p h i l i c p e gm a c r o m o n o m e rw a s i n t r o d u c e di n t ot h e p ( c l a c ) 5 0 5 0 c o p o l y m e r , a s ar e s u l tt h e d e g r a d a b i l i t y o fp e e ac o p o l y m e rw e r ee n h a n c e d a b s t r a c t ( p e g l o w t ) t h e t e n s i l es t r e n g t ho f p e e aw e r ed e c r e a s e d p e a m w n t sw e r es y n t h e s i si n - s u i tu s i n gt h er e i n f o r c e m e mo f l l a n o c o m p o s i t e t h et e n s i l es t r e n g t ha n de l o n g a t i o na tb r e a ki n c r e a s e dw h e nt h em w n t si so 7 w t k e yw o r d s ：d e g r a d a b l ep o l y m e r , p o l y e s t e r a m i d e ，p o l y e t h e r e s t e r a m i d e n a n o c o m p o s i t e ，f i b e r 第1 章可降解高分了材料研究进展 第1 章可降解高分子材料研究进展 可降解高分子材料是相对通用高分子而言的。在过去的几十年中，诸如尼龙、 聚烯烃等材料得到了广泛应用，其优良耐久性被认为是重要的优点，但是对于环 境，这些材料的耐久性却导致了相反的结果。掩埋废弃材料造成土地资源减少、 焚化则产生大量有毒气体。资源与能源逐渐匮乏、环境污染等问题显现出来。解 决的办法首选回收利用，其次部分使用可降解塑料作为替代。但是，一来不是所 有的聚合物都是可回收循环使用的，二来聚合物不可能无限循环使用下去，不能 再循环利用时它最终的归宿还是焚烧或填埋。因此有必要发展可降解聚合物。目 前许多发达国家如美国、法国、意大利等国家对塑料制品的使用和处理制定了严 格的法规，因此降解塑料在这些国家和地区得到了迅速发展。 1 1降解高分子材料定义 降解高分子材料广义上认为：这类材料在使用废弃后在一定条件下会自动分 解而消失掉，严格地说则是指在特定的环境条件下化学结构能够发生显著变化并 造成某些性能下降的能被生物体侵蚀或代谢而降解的材料 1 。它分为光降解高 分子和可生物降解高分子两类 2 。光降解高分子是指在高分子材料中掺入光敏 剂，在紫外线照射下高分子熊够发生降解引起分子链断裂而逐渐被分解的一类材 料，它包括合成高分子和添加光敏剂的高分子。这种聚合物在光解之后产生的聚 合物粉末不能完全降解反而会引起二次污染，又由于光降解聚合物制品很难保 存，其应用受到限制，现在已经很少对其进行研究【3 】；按美国a s t m 定义：可 生物降解高分子是指通过在细菌、真菌、藻类等自然界存在的微生物作用下而发 生化学、生物或物理作用而降解或分解的高分子材料 1 ，4 】。生物降解是一个自然 过程，在自然环境中通过微生物的作用，有机物可以通过诸如碳循环、氮循环及 硫循环等元素循环转化成更简单的化合物或矿物质，重新参与自然循环【5 】。 完全生物降解大致有三种途径：( 1 ) 生物化学作用：微生物对聚合物作用产 生新物质( c h 4 、c 0 2 、h 2 0 ) ；( 2 ) 生物物理作用：由于细胞生长而使聚合物组分 水解、电离质子化而发生机械性的毁坏、分裂成聚合物碎片；( 3 ) 酶直接作用： 被微生物侵蚀部分导致材料分裂或氧化崩裂。 这里所说的生物降解是狭义上的概念，a l b e r t s s o n 提出了个广义上的概念 6 】，认为可生物降解高分子不仅包括能够被细菌、霉菌、酶等所降解的材料， 中周科学院研究生院博t 学位论文可降解聚醣酰胺及其碳纳米复合材料的制备与性雏：i 堕 还包括能够发生水解降解、氧化降解或是紫外光照射下降解的材料。在本论文中 所指的可生物降解高分子材料是指狭义上的可生物降解材料以及能够发生水解 降解的高分子材料。 1 2可降释高分子材料的研究进展 近年来合成了许多可降解的聚合物，部份能降解这些聚合物的微生物和酶已 经归类。最近r c h a n d r a 5 和y o n g k i e ls 1 1 i l g 【7 对可生物降解高分子材料作了较 为全面的综述，生物降解聚合物可分为天然和人工合成聚合物两大部分，下面简 述可降解聚合物的研究状况。 1 ，2 1 天然可降髌高分子材料 天然可降解高分子材料是指生物体在自然环境中生长时形成的聚合物，是一 类众所周知的环境友好材料。天然可降解高分子材料种类繁多，包括天然脂肪族 聚酯、天然多糖和多肽蛋白质等，它是人类最早应用的生物医用材料之一。 1 2 1 1 天然脂肪族聚m 目( b a c t e d a lp o l y e s t e r s ) 聚3 一羟基丁酸( p 3 h b ) 是在1 9 2 6 年由l e m o i g n e 在巴黎巴斯德研究所首次分 离并定性的。此后，人们发现细菌储存( p 3 h b ) 作为能源，( p 3 h b ) 是最常见的p p a ， 也有多种为生物可产生许多不同的此类高分子以及共聚物。 均聚p h b 高度结晶和疏水，降解非常慢，其脆性限制了其商业应用范围。而 其较低结晶度的共聚物，是一种更有弹性的共聚物，适合许多商业应用。到目前 为止他们的应用仅限于生物医学领域包括药物控释、缝合线、人工皮肤等。当前 主要致力于改善其固有的脆性，降低细菌合成法的高昂成本。研究主要朝两个方 向进行。一是共聚，一是共混。共聚方面，i c i 公司在1 9 8 5 年第一个成功地进 行了p ( 3 h b c o 3 h v ) 的商业生产，商品名为b i o p o l 。微生物聚酯的脆性和高价位 还可以通过与其它聚合物共混来解决。对共混物，其结晶行为、物理性能、生物 降解行为受到共混组分的影响 8 ，物理性能和生物降解速度受到p h b 本身特性 如其生物降解性和相容性的重大影响。已有报道非降解性聚合物如p o l y ( v in y l a c e t a t e c o v i n y la l c o h 0 1 ) 9 、聚甲基丙烯酸甲酯( p a ) 1 0 、p o l y ( v i n y l p h e n 0 1 ) 1 1 等相混合，与生物可降解的聚合物如共聚p h b 混合 1 2 、与聚氧化 乙烯( p e o ) 1 3 、聚己内酯( p c l ) 1 4 、聚乳酸( p e a ) 1 5 、纤维素 1 6 、聚 乙烯醇( p v a ) 1 7 、甲壳素壳聚糖 1 8 及其它脂肪族聚酯 1 9 相混合。成本的降 第1 章町降解商分了材料_ f 究进展 低还可以通过加入淀粉 2 0 来解决，脆性改善也可以使用增塑剂 2 l ，2 2 。虽然 混合法比合成新的聚酯具有一定的技术比较优势，但这并不能下结论说混合是微 生物聚酯未来发展的主流。追求性价比的平衡，才具有商业生命力。 1 2 1 2 天然多糖( p o l y s a c c h a r i d e s ) 天然多糖包括甲壳质、甲壳胺、黄原胶、魔芋甘露聚糖、海藻酸及其盐类、 纤维素和淀粉等。 甲壳质( c h i t i n ) ：又名甲壳素、壳多糖、凡丁质。它存在于节肢类动物、昆虫 等的外壳和真菌、藻类细胞壁中。甲壳质分子之间有强烈的氢键作用，溶解性能 很差，几乎不溶于的常用的有机溶剂、水、稀酸、稀或浓碱，只溶于浓盐酸、硫 酸、无水甲酸等。因此实际应用中使用较多的是其衍生物，其中最重要的是甲壳 胺 2 3 。 甲壳胺( c h i t o s a n ) ：又名脱乙酰甲壳质、壳聚糖，它是甲壳质脱去n 乙酰基 后的衍生物 1 1 。具有生物粘附性和多种生物活性，生物相容性好、毒性低、不 溶血，可被甲壳质酶、甲壳胺酶、蜗牛酶、溶菌酶、胃蛋白酶等降解，酶解的最 终产物是氨基葡萄糖，无毒性，无组织排异反应，能被生物体完全吸收，所以被 广泛应用于生物医用材料领域，如作为药物释放材料【2 4 2 7 】、医用缝合线 2 8 】、 止血和伤口保护材料 2 7 】等。 纤维素：是由d - - p 比喃葡萄糖经由b 一1 , 4 糖苷键连结的高分子化合物，具 有不同的构型和结晶形式，它是构成植物细胞壁的主要成分，是存在于自然界中 数量最多的碳水化合物。目前纤维素的开发与利用和血液透析、人工肾的发展有 着密切的联系，最近还被用作载体进行酶的固定，微胶囊的制备和药物释放系统， 齿科修补材料和止血剂。c o r d i sd o w 公司利用纤维素制成空心纤维以制造血液透 析系统，并已经将其应用于临床 2 9 1 。 黄原胶( x a n t h a n g u m ) ：是一种由假黄单孢菌属发酵产生的单孢多糖，是一种 可溶于水的生物大分子。人类发现黄原胶的历史很短，仅仅三四十年时间。黄原 胶具有一个类似纤维素的聚b 1 ，4 吡喃型葡萄糖的主链及含糖的侧链( 如丙酮酸 和乙酸基团) ，其分子量在2 1 0 6 - 1 0 7 之间。它是一种无毒的杂多糖，具有独特 的流变学特性、良好的水溶性、增粘性如乳化稳定性等性能，因此在食品、医药、 采油等众多行业有着很广阔的应用 2 3 】。 中国科学院研究生院博j j 学位论文可降解聚醇酰胺及其碳纳米复合材料的制备与性能研究 魔芋甘露聚糖：存在于天南星科魔芋属的多年生植物魔芋的球茎中。魔芋甘 露聚糖是一种优质的天然膳食纤维，能阻碍人体对糖、脂、胆固醇的过量吸收， 对心血管、糖尿病、消化道癌等多种疾病有预防和辅助治疗的功效 3 1 】。另外由 于魔芋葡甘聚糖水溶胶及其改性产物的胶体特性、增稠性、稳定性、乳化性、悬 浮性等，因此在日用化学工业、食品工业上也有广泛的应用 3 0 】。由于魔芋甘露 聚糖良好的成膜性和生物降解性能，它还可以应用于包装膜材料方面 3 2 1 。 海藻酸钠：常从褐藻中提取分离精制而成，通常为白色或淡黄色粉末，可溶 于不同温度的水中，具有良好的成膜和成球性能，无毒性，生物相容性好，目前 也被广泛应用于生物医用材料领域 3 3 3 5 1 。 淀粉：这是自然界含量最多的可生物降解高分子，它是由葡萄糖组成的多糖 类化合物，有直链状和支叉状两种分子结构，分别称为直链淀粉( a m y l o s e ) 乖1 支 链淀粉( a m y l o p e c t i n ) 3 6 】。淀粉作为一种天然的可生物降解材料，具有良好的生 物相容性，它最早是被用作药物制剂的辅料 3 7 】，后来又将其与聚乙烯填充来制 备可降解的淀粉填充型塑料 3 8 ，3 9 】，但是这种共混塑料并不能完全降解，仅仅 是其中的淀粉被细菌或酶菌所分解掉，而剩下的聚乙烯组分会崩解成细小的碎 片，由于这种碎片不能降解而引起二次污染，因此近年来人们在这方面的研究工 作已经很少了。目前人们主要是利用它价格低廉的优点，来用作其它可降解材料 的填充物，以降低最终的生物降解复合材料的成本，从而利于可降解高分子材料 的工业化应用【4 0 。r ft s t e p t o 利用淀粉良好的生物相容性而将其应用于药物 释放材料领域【4 1 ，龙剑英等人利用淀粉良好的吸水性能将其应用于高吸水树 脂领域【4 2 】。 1 2 1 3 天然多肽蛋白质( p o l y p e p t i d e so f n a t u r a lo r i g i n l 明胶：是无色、淡黄色透明或半透明的薄片或微粒，无味、无臭，在冷水中 吸水膨胀，在温水中可溶。它是由氨基酸按一定比例进行缩合后的产物，由胶原 经水解制取。明胶是一种重要的天然高分子表面活性剂，具有水溶性高分子所特 有的增稠性和对生物组织的高度安全性等特点，可作为乳化剂、分散剂、起泡稳 定剂和胶体保护剂使用。近年来人们还使用明胶制备载药微球，将其应用于药物 释放载体材料领域 4 3 1 。 常用的天然多肽蛋白质还包括白蛋白。目前使用的白蛋白有两种：人血清 4 第1 章可降解高分子材料研究进展 白蛋白、牛血清白蛋白，白蛋白在体内可以被蛋白酶、消化酶等降解，其生物降 解性能和空问构象特性使白蛋白在药物释放领域具有广阔的应用胁景 4 4 】。目 前，白蛋白主要用来制成载药微球，实现药物的靶向释放。 1 2 2 合成可降解高分子材料 人工合成可降解高分子材料种类繁多，包括：聚酯、氨基酸类聚合物、聚 原酸酯、聚氨酯、聚酸酐、聚对二氧环己酮、聚酰胺以及一些共聚物等。 1 2 2 1 脂肪族聚酯( p o l y e s t e r s ) 大部分脂肪族聚酯是生物可降解的，对此的解释是脂肪族聚酯有足够的柔 性与酶的活性位点相结合。合成的脂肪族聚酯具有与自然有机物类似的结构和功 能团，有可能被一些酶非特异性降解，如脂肪酶 4 5 1 。 脂肪族聚酯包括单组分聚酯和双组分聚酯，单组分聚酯如聚羟基乙酸、聚乳 酸、聚己内酯，双组分聚酯包括聚丁二酸丁二醇酯、聚己二酸乙二醇酯以及它们 的共聚物等。 聚羟基乙酸( p g a ) ：p g a 由乙交酯开环聚合而成，降解后产生羟基乙酸。p g a 是结构最简单的脂肪族聚酯，结晶度大，熔点较高，在常规有机溶剂中溶解度很 低。p g a 纤维是最早商品化生产的医用缝合线，商品名为d e x o n 。p g a 亲水性很 强，在体内降解速度非常快，植入的纤维在2 - - 4 周内失去力学强度 4 6 - 4 8 1 。 聚乳酸( p l a ) ：聚乳酸可能是生物可降解聚酯家族中最聚潜力的材料，能从 可再生资源( 比如玉米) 中得到，近年来对其研究研究广泛 4 6 ，4 9 5 2 。与p g a 相比，p l a 是一种疏水的高分子，因为它结合了甲基侧基。聚乳酸是一种半晶 状高分子，具有良好的生物相容性和生物可吸收性，以及较好的机械力学性能， 常用作医 4 9 1 、外科矫正材料【4 6 】以及药物释放基材1 5 3 等。聚羟基乙酸、 聚乳酸都具有无毒、生物相容性好的性能，它们在体内的最终降解产物都可通过 三羧酸循环而形成二氧化碳和水排出体外【5 】。 聚己内酯( p c l ) ：以辛酸亚锡作催化剂，通过己内酯开环聚合而得。高分子 量的p c l 是一种近似于晶体的高分子，其熔点低( 6 0 ) ，由于憎水性很强，降解 速度很慢，聚己内酯在分子量降到一定程度时又可被吞噬细胞所消耗，生物相容 性很好，适合于做长期植入装置【4 6 】。由于p c l 具有良好的药物通透性，常常应 用于药物释放载体 5 3 】。 中国科学碗研究生院博j ：学位论文 可降懈聚醣酰睦及其碳纳米复合材料的制备与性能研究 双组分脂肪族聚酯：由于聚乳酸、聚乙醇酸等价格昂贵，从们采用脂肪族 二元酸与二元醇进行反应得到双组分脂肪族聚酯，然后用少量的二异氰酸作为增 链剂将这些低聚物偶联起来。s h o w h a h i g h p o l y m e r 公司已经成功的开发出商品化 的双组分脂肪族聚酯b i o n o l l e 5 4 ，5 5 1 。它们都是p b s 或p b s a 组成的。 1 2 2 2 芳香族共聚酯( a r o m a t i cc o p o l y e s t e r s ) 通常来说，芳香族聚酯在自然界中降解速度很慢，可以认为是不可降解的， 但是在大分子链上引入一些亲水性的链段后共聚物的结晶度就会大大降低，亲水 性增加，从而共聚物的降解能力大大提高 5 6 6 4 1 。jf e i j e n 等人研究了聚对苯二 甲酸丁二醇酯聚乙二醇( p b t p e g ) 共聚物的合成及降解性能 6 3 ，6 4 】；本课题 组 5 7 ，5 8 1 以聚对苯二甲酸乙二醇酯( p e t ) 为原料，合成p e t p e g 共聚物，并研 究了其水解降解性能，发现当聚乙二醇( p e g ) 的含量增大时，共聚物的亲水性 增强，同时降解速度加快。由于p e t 价格便宜，这种材料有望应用于环境友好材 料，减小环境污染。r e e d 等人研究了p e t p e g 共聚物的合成、降解及生物相容性， 这种材料可以应用于可吸收缝合线领域 6 1 6 2 。 1 2 2 3 氨基酸类聚合物( a m i n oa c i dc o p o l y m e r s ) 由于n 一氨基酸是天然产物，从它合成的聚氨基酸，在体内可降解为简单的 n - 氨基酸，预期应是生物降解、生物相容的无毒物质，作为医用材料具有明显 的优势。常用开环聚合法合成 6 5 ，还可以与其它单体接枝或嵌段 6 6 ，6 7 。早 期合成的聚氨基酸成本非常高，难溶于水和普通有机溶剂，物理机械性能差，熔 融加工时易分解，因而基本上没有得到应用。近年来具有天然多肽序列的聚氨基 酸，合成工作取得了突破性的进展 6 8 。主要用途：如临时人工皮肤基材、蛋白 质偶合和药物释放载体。潜在的应用包括感应式或机械式药物控释装置、肌肉与 骨骼修复装置等。 1 2 2 4 聚原酸酯( p o l y ( o r t h o e s t e r ) s ) 聚原酸酯是通过多元原酸或多元原酸酯与多元醇在无水条件下缩合形成原酸 酯键而制得的疏水性可降解高分子材料。聚原酸酯不溶于水，在水溶液中也不溶 胀，可溶于环己烷、四氢呋喃等有机溶剂。在生物体内的降解是由原酸酯键处的 水解反应引起的，降解最终产物为水溶性的小分子，容易被生物体代谢。由于其 很强的疏水性，材料的降解过程为“表面腐蚀”( s u r f a c ee r o s i o n ) 。这种材料没有 6 第1 幸a 邛筚解高分了材料研究进腱 机械强度，它的应用主要是用作药物控制释放的载体材料，由于它的降解机理是 表面腐蚀，冈此可以实现药物的匀速释放 6 9 1 。 1 2 - 2 5 聚氨酯( p o l y u r e t h a n e ) 聚氨酯是在1 9 3 7 年由o t t ob a y e r 博士发明的，分聚醚型和聚酯型两种。1 9 6 6 年k a n a v e l 等发现硫化后的聚氨酯上长了真菌，即使加入杀菌剂，真菌照样生长 7 0 。改性的嵌段聚氨酯是生物稳定的，并生物相容，用于体内植入 7 1 。聚醚 型比聚酯型更难于生物降解。聚酯型可被酶 7 2 7 7 、真菌 7 8 和细菌 7 9 ，8 0 所降解。与对氧化稳定的碳酸酯链相比，其生物降解性大大降低。一般认为聚( 醚 酯脲) ( p e u u ) 包含了聚醚链段的氧化 8 1 。具有长的重复单元和亲水性基团的聚 氨酯，不会被堆集进结晶区，易于被生物降解 8 2 。但硬段微区及其结构，影响 酶解能力 8 3 ，因为聚氨酯材料形成硬段微区，将本易水解的硬段连接键包围了， 形成了一个保护微区，从而降解性下降 8 4 ，8 5 。 1 2 2 6 聚酸酐( p o l y a l f i y d r i d e ) 聚酸酐最早于1 9 0 9 年合成，但获得应用是1 9 8 0 年以后的事。聚酸酐的重复单 元上有两个是易水解的点，具有良好的生物相容性 8 6 。主要用二羧酸与乙酸酐 在一定的温度下回流制各，分子量可达到1 0 2 0 万。芳香族均聚物是高度结晶、 高熔点的化合物；脂肪族聚酸酐熔点较低，能溶于大多数溶剂。它是以表面溶蚀 方式降解。芳香族酸酐与脂肪族酸酐共聚而成的聚酸酐，性能介于两种均聚物之 间。通过调节二者的比例，可控制降解速度，从几天至几年 8 7 。也有合成聚酯 酸酐的报道 8 8 ，8 9 。它们的主要应用是药物控释载体 1 2 2 ，7 聚膦腈( p o l y p h o s p h a z e n e s ) 聚磷腈是一种主链结构由磷和氮原子交替组成的聚合物。它的降解主要靠侧 链水解。有容易水解的侧链存在时，偶氮磷键就不稳定，主链水解成磷酸和铵盐。 对它的研究主要方向是寻找合适的取代基，使之具有可控的降解速度和生物相容 性。主要应用是作为药物控制释放装置等 6 8 。 1 2 2 8 聚对二氧环己酮( p o l y d i o x a n o n e ) 聚对二氧环己酮是一种新型的可降解高分子材料，其大分子主链上含有醚键 和酯键，分子链柔顺性非常好。美国的e t h l c o n 公司在七十年代后期开发出了 聚对二氧环己酮缝合线，商品名称为p d s ，这种缝合线强度大，组织反应小，在 ! 塑型兰堕竺壅生堕堕! ：堂竺生兰堕堕签塞堕墼坚些! ! 堕垫鲞里鱼型型竺型墨! ! 堂堂业壅 机体内强度保留率大，对于缝合愈合时间较长的伤口特别有效，据报道，p d s 在鼠肌肉内完全吸收需要1 8 0 天 9 0 9 3 】。 1 2 ，2 9 聚c 【一氰基丙烯酸i ( p o l y c y a n o a c r y l a t e l 聚伍氰基丙烯酸丁酯具有毒性低、组织反应性小、在低温或室温下就可以聚 合，且在数周内能够降解完毕等优点 9 4 。1 9 7 9 年c o u r e u r 等【9 5 首次制备了 p b c a 纳米微球，并将药物吸附在微球表面，作为药物的载体，近年来人们已将 p b c a 广泛应用于药物释放载体材料领域。 1 2 2 1 0 聚酰胺( p o l y a m i d e l 通常不能被酶攻击，由于氢键引发的分子问强烈的相互作用，使得分子链高 度规整，因而生物降解能力低。不过也有生物降解性的报道 9 6 。 1 2 2 1 l 聚酯酰胺( p o l y e s t e r a m i d e ) 对于可降解聚合物可能的应用的讨论，人们认为聚酯酰胺是由酯键和酰胺键 结合的一种高分子，酯键和酰胺键都天然存在于脂肪酸酯和蛋白质中，理论上聚 酯酰胺应该能生物降解，并因此而最小限度地威胁到环境。脂肪族聚酯及其共聚 物因具有良好的生物降解性和生物相容性，而被广泛应用于生物医学材料和环境 友好材料领域，但是因为熔点较低，热性能和力学性能较差，加工性能也不是很 理想，从而阻碍了它们的进一步扩大应用；另一方面，聚酰胺是一种应用很广泛 的工程塑料，与聚酯相比，出于分子链间氢键的存在使其强度提高，熔点增大， 热机械性能也得以改善，聚酰胺降解速度非常慢，因此限制了它们在可吸收生物 材料和环境友好材料领域的应用。为了将脂肪族聚酯的生物降解性能和聚酰胺优 良的力学性能结合起来，人们就合成了脂肪族聚酯酰胺共聚物，以期能够代替目 前广泛使用的脂肪族聚酯。对于这种聚酯酰胺共聚物，由于其分子链中含有聚酰 胺链段，因此分子量较低时材料也具有很高的强度，同时脂肪族聚酯链段的存在 又赋予材料良好的生物降解性能，聚酯酰胺这种性能使得它具有广阔的应用前景 【9 7 1 。 聚酯酰胺共聚物最早在2 0 世纪3 0 年代由w h c a r o t h e r s 利用二醇、二酸和 二胺合成。早期聚酯酰胺的机械性能和热性能较差，使得纯的聚酰胺和芳香族聚 酯的应用更加广泛。随着对聚酯酰胺研究的进行，其合成和应用都得到了较好的 发展。聚酯酰胺共聚物的合成大致可以分为三类：大分子交换法、缩聚反应法以 第1 章口降解高分子材料研究进展 及开环聚合法。 大分子交换法： y t o k i w a 9 8 将聚己内酯( p c l ) 和聚酰胺p a - 6 、p a 一6 6 、p a 6 1 2 、队一1 1 、 p a 1 2 以无水醋酸锌作催化剂，在高温、氮气保护下进行酯酰胺键的交换反应而 得到聚酯酰胺共聚物。随着酯酰胺键的交换反应时间的延长，聚合物的无规度 增大。这种大分子反应法所制得的聚酯酰胺性能不稳定，重现性较差。聚合物降 解时，酯键首先受攻击而断裂，接着碎片中分子量较低的聚酰胺链段也断裂，这 样聚酯酰胺整个大分子就发生了降解。降解受到聚酰胺链段长短、聚酯含量以及 基于酰胺键的氢键的影响。 缩聚反应法： 由于聚氨基酸的结构和蛋白质非常相似，所以它们具有良好的生物相容性， 且能够很快降解，因此利用氨基酸合成聚酯酰胺是一种非常重要的方法。由天然 氨基酸制得的聚酯酰胺同常要系列复杂的反应来合成，并需要借助于保护基 团。s j h u a n g 等人 9 9 】从对氨基苯甲酸制得对氨基苯甲酸乙酯，然后与癸二酰氯 在三乙胺、氯仿的存在下一起反应，制得酰胺二酯中间体，接着将此中间体和己 二醇在三氧化二锑的存在下进行酯交换反应，经过高温熔融缩聚制得聚酯酰胺共 聚物。a j d o m b 1 0 0 1 从b 一丙氨酸、癸二酰氯在无水条件下进行缩聚，合成了聚 酯酰胺共聚物。f a n 利用缩合聚合法从天然氨基酸、氨基醇、二元酸合成了一系 列的聚酯酰胺共聚物 1 0 1 】，并详细研究了它们的降解性能。意大利科学家 j p u i g g a l i 1 0 2 1 0 4 的研究小组在利用氨基酸合成聚酯酰胺领域进行了大量的研 究工作，其合成方法主要是采用界面缩聚法，以氨基酸( 如甘氨酸、丙氨酸等) 、 二元醇、酰氯为原料合成聚酯酰胺 美国3 m 公司【9 7 】将乙醇酸或乳酸与二元胺反应得到酰胺二元醇，然后将其 与酰氯在溶剂中进行反应得到聚酯酰胺共聚物。在合成过程中酰氯和大量溶剂的 使用对工作人员、仪器设备以及环境都有较大的负面影响。改进方法是利用乙醇 酸、1 ，1 2 - 十二二胺、- 己内酯和己二胺为原料得到两种酰胺二元醇中间体，再进 一步同二元酸进行熔融共缩聚反应，通过调节两种酰胺二元醇的比例，可以得到 一系列性能不同，降解速度各异的聚酯酰胺共聚物 1 0 5 1 0 6 ，但反应仍需要经过 中阳j 体阶段。 9 中国科学院研究生院博十学位论文 可降解聚醑酰胺及其碳纳米复合材料的制备与性能研究 t e n d o 等人利用氨基醇合成了一系列具有光学活性的聚酯酰胺共聚物，这种 共聚物能够发生水解降解 1 0 7 。te n d o 小组采用氨基醇与酸酐先反应生成含有 酰胺键的羟基酸，然后再通过这种羟基酸的自身缩聚反应而得到聚酯酰胺共聚 物。 j f e i j e n 等人 i 0 8 将脂肪族二元酸二甲酯与脂肪n 、二元胺进行胺解反应， 从而得到酰胺二甲酯中间体，再将其与脂肪酸二甲酯、二元醇进行熔融共缩聚反 应即可得到聚酯酰胺共聚物。德国拜耳公司推出了种商品名为b a k 的系列可生 物降解塑料 1 0 9 ，它的基本组成是聚酯酰胺。由尼龙6 或尼龙6 ，6 和丁二酸以 及己二酸缩聚生成，这是一种半结晶型聚合物，在厌氧条件下( a n a e r o b i c c o n d i t i o n s ) 完全分解，产生二氧化碳、生物质和水。它的物理性质与低密度聚 乙烯相当。b a k l 0 9 5 可用通用设备进行注射、吹塑和挤出成型。与聚酯相比，聚 酰胺有较高的热稳定性、模量和拉伸强度。由于主链上有易断的酯键，而且结晶 度也降低了，使得p e a 有望在生物医学等领域得到应用。文献报道了它的合成， 并论及了其生物可降解性 1 1 1 。p e a 降解速度与其他脂肪族聚酯相比变慢，是 因为它们含有较高密度的氢键或者是亚甲基比例较高。在3 7 。c 下的水解主要发 生在酯键上 1 1 1 。降解过程伴随着显著的结晶度的提高，t 。和t 。有4 t i d , 但意义 很大的提高 1 1 2 。聚酯酰胺的分解温度比熔点高，可以熔体加工。熔体加工过 程中不会发生酰胺键与酯键间的交换反应。 开环反应法： i g o o d m a n 1 1 3 - 1 1 5 】以- 己内酯和己内酰胺为反应单体以己内酰胺钠作催化 剂阴离子共聚生成聚酯酰胺共聚物，i a r v a n i t o y a n n i s 等人1 1 6 将己二胺、己二酸 和e - 己内酯在催化剂作用下进行开环聚合反应，也得到了聚酯酰胺共聚物。通 过调节反应单体的比例，能够得到一系列性能不同的产品，实验发现：随着e 己内酯含量的增大，聚合物的t 。和t g 下降，熔融峰变宽；当酰胺含量超过5 0 m o l 时，即使分子量较低时，聚合物也不易降解；当聚酯含量超过6 0 m o l 时，聚合 物降解速度较快，通过控制聚酯链段和聚酰胺链段的含量可以控制共聚物的降解 速度。 f r y p a c e k ，i s t e f k o 等人【1 1 7 在无水二氧六环中将己内酯、天冬氨酸酸酐用 辛酸亚锡引发，通过开环共聚合反应得到丁聚酯酰胺。s h a k a b y 和k o e l m e l 等人 1 0 第l 章可降解高分子利料研究进展 1 1 8 合成了对二氧环己酮2 ，5 - 玛啉二酮衍生物共聚物，经体内降解实验发现聚合 物的体内吸收能力提高，同时其强度保留值亦增大，在这种共聚物中玛啉二酮衍 生物的含量较低，只有1 5 。 1 3 可降解纳米复合材料 可降解纳米复合材料以降解聚合物为基体，纳米级材料( 纳米硅酸盐、碳酸 钙、s i 0 2 、t i 0 2 、s i c 、a 1 2 0 3 、云母、绢英粉、碳纳米管等) 以纳米级尺寸( 一般 为1 1 0 0 r i m ) 均匀分散在聚合物基体中形成的复合材料。此种复合材料很大程度上 依赖于聚合物的降解性，因此降解性高分子材料人工合成也就相当重要。 纳米复合材料制法主要归纳为四大类：插层复合法 1 1 9 、原位复合法、分 子复合法和超微粒子直接分散法。 到目前为止，报道的生物降解纳米复合材料主要是层状硅酸盐纳米复合材 料，这是一项优良的制备纳米方法材料的技术，只需要加入百分之几的量，性能 却大大提高。无机纳米材料对生物降解的影响，有加快生物降解的也有延缓降解 的报道。例如l e e 等报道陶土脂肪族聚酯纳米复合材料，聚酯与陶土问存在氢 键，材料具有高的抗张强度和屏障性，但降低了生物降解性 1 2 0 。而s u p r a k a s 等报道，层状纳米蒙脱土提高了p l a 的生物降解性能 1 2 1 。还有报道称填料含 量对生物降解的影响比较复杂，如f u k u d a 等 1 2 2 报道p l a 中加入的碳酸钙量在 1 0 时，杨氏模量提高抗张强度不变，k 酶对材料的降解速度随着碳酸钙含量的 增加而增加，但碳酸钙量超过1 0 时，酶解速度降低了 1 2 2 。 1 4 聚合物降解影响因素 降解受众多因素影响【1 2 4 1 2 5 】见t a b l e1 1 。一级结构、化学键、亲水疏 水平衡、取代基的体积大小、交联度、链的长短等都是决定生物降能力的重要因 素。高次结构如构型、晶体结构、结晶度、无定型态、取向等，也影响生物降解 能力。 结构对降解能力的影响 上述诸因素中起决定作用的是材料本身的化学结构，其中主链水解的难易和 亲水能力的大小是最主要的因素。合成生物降解聚合物其链上存在着可水解的连 接基团如酰胺键、烯胺、酯键、脲键、氨酯键，这些键易于被微生物、酶所降解。 己知与杂原子如氧、氮、硫等相连的羰基是非常容易水解的键，因而聚酯、聚酰 中圊科学院研究生院博l 学位论文 可降解聚醑酰胺及其碳纳米复合材料的制备与性能研究 胺、聚碳酸酯、聚原酸酯、聚酸酐、聚氨酯和聚脲都是容易降解的聚合物。此外， 聚醚、聚甲醛、纤维素、聚丙烯腈、聚磷酸酯以及聚聚n 氰基丙烯酸等主链或 侧链含有杂原子的聚合物在某些条件下也可以水解，因此也被列入可降解材料。 主链键水解难以程度从大到小排列顺序如下 1 3 7 ：聚酸酐 聚原酸酯 聚酯 聚 羧酸酯 聚氨酯 聚碳酸酯 聚醚 聚烯烃。 t a b l e1 1t h ef a c t o r st h a tc a l la f f e c tt h ed e g r a d a b i l i t y o f p o l y m e r s 6 8 因素分类具体因素 材料因素 环境因素 物理因素 化学结构：水解性、亲水性、离子强度 构型：光学异构、立体规整度 形态：结晶型、无定型及结晶度的大小 分子量：分子量大小、分子量：分子量的大小及其多分散性 形状：比表面积的大小 低分子的存在：自催化作用 p h 的大小、金属离子；酶：种类和浓度；吸附物质的种类 外应力的存在、消毒方式、保存历史 除主链结构外，降解速度在很大程度上与材料对水的渗透性有关。聚合物是 亲水的还是亲脂的由单体的化学结构决定，因此单体的亲水性对聚合物的降解有 决定性的影响。凡是能影响基体水渗透的物理形态和结构因素都能明显影响降解 性。由于酶催化反应在水中进行，合成聚合物的亲水一疏水特性会对之产生重大 影响。某一聚合物既有疏水链段又有亲水链段时，比那些仅有疏水链段或仅有亲 水链段的聚合物，其生物降解能力来得高 1 2 7 。增加比表面积和多孔状结构有 利于水的渗透，因而可以加快降解。交联结构、规整的分子结构、高度取向的结 构等不利于水的渗透，都可以使降解程度减少。 为合成一种能被酶催化降解的聚合物，聚合物链必须有足够的柔韧性，使酶 上的活性点能锚固住。证据：柔性腊肪族聚酯易于生物降解，而较剐性的芳香族 聚酯p e t ，通常认为是生物惰性的 4 5 ，1 2 8 。 第1 章a t 降解岛分了材科研究进展 立体构型：生物降解性与立体构型间有一定的关系，酶的降解有立体选择性。 有许多蛋白酶专门催化水解肽键的连接键 1 2 9 ，酶促水解有一定的立体异构选 择性。 形态对生物降解能力的影响：聚合物的形态分为结晶态和无定型态。结晶 态聚合物中分子排列有序，结构致密，最大限度地限制了水分子的渗透。与改变 疏水性相比，降低结晶度和分子量在提高生物降解性方面起着更重要的作用。因 此，结晶态聚合物比无定型聚合物降解慢得多。对于半结晶型材料，无定型区比 结晶区先降解，失重主要是在无定型区。因而随着降解时间的延长，材料的结晶 度不断增加。与那些小的通常也意味着结晶不完美的小晶体来说，大的结晶更能 抵抗水解 1 3 0 。同一材料，处于玻璃态比处于橡胶态时水渗透性要差。 蛋白质与合