（化学工艺专业论文）柠檬酸聚合物的合成与性能研究.pdf

摘要 柠檬酸作为重要的化工原料，在我国经过近4 0 年高速发展，已具有全球第 一的规模和世界领先的技术水平。其中柠檬酸酯类产品由于优良的性能，在世界 上已被应用于许多领域，而国内目前限于作p v c 增塑产品。且中国柠檬酸生产 供过于求的现象日益严重，因此大力发展柠檬酸酯类产品的应用，具有现实意义。 第一，本文综述介绍了生物材料尤其是生物可降解弹性体的发展历史、应用 及国内外研究情况，还介绍了聚氨酯涂料的研究进展，指出未来的发展方向。 第二，采用柠檬酸( c a ) 、乙二醇( e g ) 为单体，正丁醇( b a ) 为分子量调节剂经 一步法缩聚制备新型可生物降解的弹性体聚柠檬酸乙二醇 ( p 0 1 y ( c a c o e g ) ，p c e ) ，并通过改变分子量调节剂正丁醇的用量以及后期交联 时间得到了一系列柔性透明的弹性体。采用傅里叶变换红外光谱，凝胶渗透色谱 对产物进行表征分析，结果表明：预聚物的重均相对分子量为8 0 0 1 2 0 0 。力学 性能测试表明所得材料的拉伸强度为0 5 1 5 0 m p a ，扯断伸长率为l5 0 4 5 5 ， 杨氏模量为o 2 1 2 2m p a ，交联密度为2 8 2 3 0 3 9m 0 1 m 。在3 7 和p h 值 为7 4 的磷酸缓冲溶液中进行了体外降解实验，结果表明该弹性体为一种降解较 快的材料( 浸泡6 5h 后所有试样的降解都超过5 0 ) 。同时发现其力学性能、 吸水性能和降解性能可通过正丁醇用量以及改变后期交联时间加以调节。 第三，以柠檬酸聚酯多元醇作高固含量聚氨酯涂料的羟基树脂，经正交试验 优选合成羟基树脂的工艺条件：n ( 油酸) ：n ( 柠檬酸) ：n ( 1 ，4 丁二醇) = l ：1 ：3 5 ， 1 5 0 1 6 0 3 h 、1 9 0 2 0 0 2 3 h 。并讨论聚酯多元醇羟值及一n c o 与一o h 配 比对涂膜性能的影响，当聚酯多元醇羟值为1 4 8 m g k o h g ，n ( n c o ) ：n ( o h ) = 1 2 ： 1 时，涂膜各项综合性能最佳，达到了s 0 1 3 标准( 聚氨酯清漆标准) 。此外催干剂 二月桂酸二丁基锡浓度m ( b t s l ) m ( 柠檬酸聚酯多元醇) = o 0 8 o 1 时，表干 时间可达到2 5 3 0 m i n 。 本文创新性在于( 1 ) 聚柠檬酸乙二醇为自主研发的具有高伸长率、低弹性 模量的生物可降解弹性体。与目前临床应用及实验室合成的可降解弹性体相比， p c e 的合成条件温和，不加任何催化剂和交联剂。合成产物具有一定的力学性能 和吸水性，降解速率与同类型聚合物相比较快，并可通过改交后期交联时间适度 调节，这都有利于其应用的广泛性。( 2 ) 合成的高固含量柠檬酸聚酯双组分涂 料，通过柠檬酸的引入，降低了树脂的黏度，制备的涂料不仅具有良好的附着、 柔韧性、耐冲击性、硬度以及耐化学品性，同时能有效降低v 0 c 用量，具有一定 的实用价值，同类型文章未见相关报道。 关键词：柠檬酸；生物降解；弹性体；聚氨酯：高固含量 l i i 柠檬艘聚合物的合成与性能研究 a bs t r a c t b e c a u s eo ft h ee x c e l l e n tp e r f b 册a n c eo fc i t r i ca c i de s t e r sp r o d u c ti nt h ew o r l d ， i th a sb e e nu s e di nm a n yf i e l d s i nc h i n a ，i t sc u r r e n ta p p l i c a t i o no n l yr e s t r i c t e dt o t h ep l a s t i c i z e dp v cp r o d u c t s a n d ，t h eo v e r s u p p l yo fc i t r i ca c i di nc h i n ai s b e c o m i n gi n c r e a s i n 舀ys e f i o u s t h e r e f o f e ，v i g o r o u s l yd e v e l o pt h ea p p l i c a t i o no f c i t r i ca c i de s t e r s ，i so fp r a c t i c a ls i g n i 6 c a n c e f i r s t ly t h et h e s i ss u m m a r i z et h eb i o d e g r a d a b l ee l a s t o m e r ，w o r l dc o n s u m p t i o n ， a p p l i c a t i o n sa n ds t r e s si n t r o d u c e 也er e s e a f c h8 d v a n c eo fp o l y u r e t h a n ec o a t 主n g s ，a n d ft h i sa l s op o i n to u tt h ef u t u r eo fp o l y u r e t h a n ec o a t i n g s s e c o n d l y ，an e wt y p eo fb i o d e g r a d a _ b l ee l a s t o m e r ，p 0 1 yc i t r a t e - e t h y l e n e 酉y c 0 1 p 0 1 y ( c a - c o e g ) ，p c e 】，w a ss y n m e s i z e dt h r o u g ho n e s t e pp o l y c o n d e n s a t i o nb y c i t r i ca c i d ( c a ) w i t he t h y l e n eg l y c o l ( e g ) a n dn - b u t a n o l ( b a ) a 8m o l e c u l a rw e i g h t r e g u l a t o r as e r i e so ft r a n s p a r e n ta n ds o re l a s t o m e rw e r ep r e p a r e db yc h a n g i n gt h e a m o u n to fn - b u t a n o la n dp o s t - p o l y m e r i z a t i o nt i m e p c ew a sc h a r a c t e r i z e db y f o u r i e rt r a n s f b mi n f r a r e ds p e c t r o s c o p ya n dg e lp e m e a t i o nc h r o m a t o g r a p h y i tw a s f o u n dt h a tt h ew e i g h t - a v e r a g em o l e c u l a rw e i g h to fp r e - p 0 1 y m e r sw a sf r o m8 0 0t o 1 2 0 0 m e a s u r e m e n t so nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fp c et e s t i f i e dt h a tt h en e w p o l y m e r sw e r ee l a s t o m e r sw i t ht e n s i l ei n t e n s i t yr a n g i n gf o mo 5 m p at o1 5 m p a ， e l o n g a t i o na t b r e a kr a n g i n gf r o ml5 0 t o4 5 5 ，y o u n g sm o d u l u sr a n g i n gf r o m o 2 l m p at o2 2 m p aa n dc r o s s 1 i n k e dd e n s i t yr a n g i n gf r o m2 8 2 m o i m qt o3 0 3 9 m 0 1 m 。3 h y d r o l y t i cd e g r a d a t i o no ft h ep o l y m e rf i l m si nab u f 话ro fp hv a l u e7 4a t 3 7 s h o w e dt h a tp c eh a de x c e i l e n td e g r a d a b i l i t y ( a l lt h ef i l m ss h o w e dt h ew e i g h t l o s s e sm o r et h a n5 0 a f t e r6 5hi n c u b a t i o n ) a tt h es a m et i m e ，“w a sf o u n dt h a tt h e d i f f b r e n ta m o u n to fn - b u t a n o la n dd i f f e r e n tp o s t p 0 1 y m e r i z a t i o nt i m eh a ds t r o n g i n f l u e n c eo nt h ed e g r a d a t i o n ，w a t e ru p t a k ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s t h i r d ly ，t h eh i g hs o l i dp o l y u r e t h a n ec o a t i n gh a sb e e np r e p a r e dw i t hc i t r i ca c i d p 0 1 y e s t e rp 0 1 y o la sh y d r o x ) dr e s i n t h es y n t h e t i c a lp r o c e s so fh y d r o x y lr e s i nw a s o p t i m i z e db yo r t h o g o n a le x p e r i m e n t ：n ( o l e i ca c i d ) ：n ( c i t r i ca c i d ) ：n ( 1 ，4b u t a n e d i 0 1 ) = 1 ：l ：3 5 ，1 5 0 1 6 0 。c 3 h ，1 9 0 2 0 0 。c 2 3 h t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ee f l f e c t so f h y d r o x y lv a l u eo fp o l y e s t e rp o l y o la n dr a t i o so f n c o 一o ho nt h ep r o p c r t i e so f p o l y u r e t h a n ec o a t i n g s w h e nt h e h y d r o x y l v a l u eo fp o l y e s t e r p o l y o l i s1 4 8 m g k o h g 一，n ( n c o ) ：n ( o h ) ；1 2 ：1 ，t h es y n 也e t i cp r o p e r t i e s o ff i l mw o u l db e o p t i m u m ，c o u l db ea c c o r d e dw i t hs o l - 3s t a n d a r d ( t h es t a n d a r do fp 0 1 y u r e t h a n e v a m i s h ) i na d d i t i o n ，t h es t u d yf o u n dt h a tt h em a s sc o n c e n t r a t i o no fd “e rw a s l v m ( b t s l ) m ( c i t r i ca c i dp o j y e s t e rp o l y 0 1 ) = o 0 8 o 1 ，t h ed f yt i m eo fs u p e r f i c i a l f i l mc o u l db er e a c h e d2 5t o3 0m i n t h ei n n o v a t i o n so fa n i c l ea r e ：( 1 ) an e wh i g ht e n s i b i l i t ya n dl o we l a s t i c m o d u l u sb i o d e g r a d a b l ee l a s t o m e f ，p o l yc i t f a t e - e t h y l e n e9 1 y c o l 【p o l y ( c a - c o e g ) ， p c e 】，w a ss y n t h e s i z e dt h r o u g ho n e s t e pp o l y c o n d e n s a t i o n c o m p a r e dw i t ho t h e r s ， t h es y l l t h e s i z ec o n d i t i o n so fp c ew e r em i l d ，w i t h o u ta n yc a t a l y s ta n dc r o s s i i n k e r a t t h es a m et i m e i tw a sf b u n dt h a tt h ed i f f b r e n ta m o u n to fn b u t a n o la n dd i f f b r e n t p o s t - p 0 1 y m e r i z a t i o nt i m eh a ds t r o n gi n n u e n c eo nt h ed e g r a d a t i o n ，w a t e ru p t a k ea n d m e c h a n i c a lp r o p e f t i e s ( 2 ) t h eh i g hs 0 1 i dp 0 1 ) r u r e t h a n ec o a t i n gh a sb e e np r e p a r e d w i t hc i t r i ca c i dp o l y e s t e rp o l y o la s h y d r o x y lr e s i n ， w i t h w e l la d h e r e ， f l e x i l e ， w e a r a b l e ，r i g i d i t ya n dc h c m i c a lr e s i s t a n c e b e s i d e s ，t h ea m o u n to fv o cc o u l db e e f 如c t i v e l yr e d u c e da n dt h ee x i s t i n gs y n t h e t i c a la n da p p l i e de q u i p m e n tb eu t i l i z e d t h es a m et y p eo fa r t i c l ei sn o tr e p o r t e d k e yw o r d s ：c i t r i ca c i d ；b i o d e g r a d a b l e ；e 1 a s t o m e r ；p o l y u r e t h a n e ；h i g hs o l i d v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明；所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以盟确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：貅耖 日期：四年，月产品 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子舨，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：轩谚耖 导师签名：毋彩力饧牙 日期：哪年石月，口日 日期：弼年6 月，口日 硬l 学位论文 1 1 柠檬酸综述 第1 章绪论 柠檬酸为白色半透明晶体或粉末，又名2 一羟基丙三羧酸、2 - 羟基丙烷- 1 ，2 ，3 一 三羧酸，英文名称c i t r i c a c i d ，易溶于水和乙醇，微溶于乙醚，水溶液呈酸性反应。 分子式c 6 h s 0 7 ，其中一水柠檬酸的分子结构式为：9 h 2 c o o h 1 h 。一宁一c 。o h h 2 0 c h 2 c o o h 柠檬酸为三元酸，是许多天然有机酸中的一种，它的三个电离平衡常数 ( d k a ) 分别是3 1 、4 7 、6 4 ，具有一般有机酸的化学反应活性，无毒，同时也 是人体内三羧酸代谢产物。我国柠檬酸工业经过近4 0 年的高速发展，产品的品 种与质量有了很大的提高且年出口量约占年度总产量的8 0 ，已经具有全球第 一的规模和世界领先的技术水平。 柠檬酸作为一种重要的化工原料，广泛应用于食品工业：作催味剂、增溶剂、 抗氧化剂，除腥脱臭剂：用于医药工业：多用于药物添加剂；用于化学工业：作 缓冲剂、催化剂、清洗剂，亦可用作化妆品、金属清洗剂、媒染剂、无毒增塑荆 和锅炉防垢剂的原料和添加剂；用于电镀工业：作电镀液p h 值调整剂；用于印 染工业：作凡拉明染料的防染剂；作为化学试剂：用作多价螯合剂，用于配制缓 冲溶液，测定血钾，检定铋、亚硝酸盐、氧和水【。并且更多新的领域和用途被 不断的开发出来。 1 2 柠檬酸在可降解生物高分子材料中的应用与研究 1 2 1 生物材料的研究背景 生物材料是从生命角度出发，将非生命的材料变成具有一定生命性质的材 料。这不仅是材料科学方面的重大变革，而且对阐明材料与生命物质问相互作用 的本质，促进生命科学的发展也将起到推波助澜的作用。另外从应用方面看，目 前与生物材料有关的医疗器材，药物制剂等与日俱增，并已构成高新技术产业一 个重要组成部分。 常见生物材料可分为天然材料、合成材料、无机材料( 生物陶瓷或玻璃) ， 合金及复合材料等5 大类【2 ，如表1 1 所示： 柠檬酸聚合物的台成吲峰能研究 表l 1 常见生物材料种类及特点 t a b1 1k j d sa dc h a r a c t e r so fb i o m a t e r i a h 类型名称特点 1 天然产物：葡聚糖，琼脂，支链淀粉优点：来源丰富，相容性好，无毒， 天然产物2 ，阴离子型：海藻酸，果胶，卡拉胶 无刺激，人体可分解吸收，降解物 及衍生物3 ，阳离子型：脱乙酰甲壳质，多聚赖氨酸无毒，易加工 4 两亲型：胶原，明胶，羟甲基儿j 1 质缺点：强度不高，易变形 不可降解高分子材料： 聚烯烃类：h d p e ，p s ，p t f e较高力学强度和稳定性，适宜做长 聚醚聚氯酯( p e u ) 聚乙烯醇( p v a ) 聚期固定装置 酯( p e ) 可降解高分子材料舯】： 合成材料 l 均聚酯：p l l a ，p g a ，p c l 等 优点：合成条件简单，适宜i ：业化， 2 共聚酯：p l g a 等 3 聚醚酯：p e g p b t 等 缺点：生物相容性较天然产物较 4 其他：聚碳酸酯，聚酸酐，聚醚酰胺， 差，降解产物有些副作用 聚醚酯酰胺等 生物陶瓷玻璃： 1 生物惰性陶瓷：a 1 2 0 3 ，s i 3 n 4 陶瓷 优点：较好组织相容和化学稳定性 无机材料 2 活性生物陶瓷：羟基磷灰石，生物活性 缺点：韧性差强度不高，吸收速率 玻璃等慢，适宜做硬组织重建装置 3 可吸收生物陶瓷：b - 磷酸钙陶瓷等 包括不锈钢、钴基合金、钛基合金、形状 属于传统硬组织修复同定装置，机 台金材料 械强度高、抗疲劳性能好 记忆合金等 缺点：不具有生物活性 主要是无机高分子复合材料，高分子天 复合材料然产物复合材料及高分子，合金复合材料兼具两者优点，具有很大发展潜力 可见，生物材料种类繁多，各具特色。其中的可降解高分子材料由于具有性 能可调范围广，结构易于精确控制和修饰等优点，能满足不同组织工程对支架材 料性能的需求，成为当前材料研究人员共同关注的热点。 生物可降解材料是指在生物体内经水解、酶解等过程，逐渐降解成低相对分 子量化合物或单体，降解产物能被排出体外或能参加体内正常新陈代谢而消失的 材料。对降解性高分子材料的研究可追溯到2 0 世纪3 0 年代，当时由美国高分子 化学家c a r o t h e r sw h 和同本大油墨公司研制的低相对分子质量脂肪族聚酯具有 2 硕 一学位论文 生物可降解性。本世纪8 0 年代以来，世界各国纷纷投入大量人力、物力致力于 降解性高分子材料的研究开发。 理想的生物可降解材料需要具有如下特征： ( 1 ) 良好的生物相容性和结构相容性川。除满足生物材料的一般要求，如无 毒性、不致畸等外，还要利于种子细胞黏附、生长和分化，促进组织的生长和细 胞之间的沟通。结构相容性是指植入材料的机械性能，比如弹性模量( 杨氏模量) 及强度等要和周围的组织相匹配，而人体组织如软骨、血管、肌键、皮肤等大部 分都具有弹性体特性( 表1 2 8 铡出了人体各种软组织的力学性能) 表1 2 入体软组织的机械性能 t h b1 - 5m e c h a i c a lp r o p e r t i e so fh u m a ns o f tt i s s u e s ( 2 ) 良好的生物降解性。随着种子细胞在生长和生物体自身细胞外基质的 分泌，细胞外基质能逐步降解，并最终完全降解吸收，从而避免长期的外源体反 应。降解速率应于组织生长率相适应，降解时间应能根据组织生长特性进行人为 智能调控。众所周知，人体众各部位的生物组织的治疗期是不同的( 见表1 3 ) 。 在治疗期间，生物可降解必须保持其力学性能和功能。治愈后，植入的生物降解 聚合物应该尽快降解吸收以减少副作用。然而，大多数生物降解聚合物，尤其是 合成的聚合物，降解非常慢，降解产物在体内滞留时间长。因此，在生物医学应 用中如何智能调控材料的降解速率和吸收速率是一个重要的研究方向。 表l 一3 人体各种组织治疗期 一一 ! 璺坠! ：三望! 壁卫! ! ! 壁垒璺! 照里堕垒坠垡! ! 旦呈! 组织治疗期组织治疗期 ( 3 ) 具有三维立体多孔结构。基质材料应可加工成三维立体多孔结构，具 柠檬酸聚i 物帕合成呵性能研究 有较高的比表面积，为细胞和组织生长提供足够的空间。 ( 4 ) 良好的可塑性和一定的力学强度。基质材料应可预先制作成一定形状， 并具有一定的力学强度以支持新生组织的生长，并能保持一定时间直到新生组织 具备自身力学特性。 由于生物弹性体的模量与人体内绝大部分软组织器官匹配并且具有优良的 柔韧性能l9 1 ，因此在实际应用中具有一定的先天优势。 根据生物弹性体是否具有可生物降解性能，可以把其分为生物稳定型和可降 解型。生物稳定型弹性体在生物环境下，具有良好的生物惰性和化学稳定性，因 此。主要用作体外医疗用品和长期植入体内修复、替代材料等，如作输液管、人 工心脏等；可降解型生物弹性体由于植入体内后，不需二次手术取出就可自身降 解代谢排出体外，因此大大促进了生物弹性体在组织工程和药物缓释体系中的发 展。 1 2 1 可降解高分子生物材料的研究现状 在目前报道的生物弹性体中，包含硅橡胶、聚氨酯、聚羟基烷基酸酯生物弹 性体、聚醚酯生物弹性体、聚胎生物弹性体、聚原酸酯生物弹性体、链段化聚异 丁烯一聚苯乙烯( p i b p s ) 生物弹性体、水凝胶、脂肪族聚酯生物弹性体1 0 1 。 目前应用较多的合成型可降解高分子医用材料主要是脂肪族聚酯类生物材 料，这类材料由于其优良的生物相容性和可调控的生物降解性能，一直是该领域 中研究的热点。 1 线性聚酯 线性聚酯生物材料只要包括聚乙交酯( 聚羟基乙酸p g a ) ，聚丙交酯( 聚乳 酸p l a ) 及其共聚物、聚6 一己内酯( p c l ) 等，在硬组织工程修复等方面已得 到广泛的应用。表1 4 为几种线型聚酯物理和力学性能。但是除了聚己内酯 外，这类材料的玻璃化转变温度一般较高，材料缺乏足够的韧性和弹性，并不属 于理想的生物弹性体的范畴。 表1 4 几种线型聚酯的物理和力学性能 ! ! ! ! ：! ! z ! i ! ! ! ! ! 婴墼! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 也! 啦p ! p ! ! ! ! ! 塑塑 p g ap l l ap d l l ap c l 熔点( )2 2 5 2 3 01 7 3 1 7 8 非晶态5 8 6 3 玻璃化转变温度t g ( )3 5 4 06 0 6 55 5 6 0一6 5 6 0 拉伸强度( m p a )1 4 0j 0 74 06 0 拉伸模量( g p a )7 o 2 71 ，90 4 完全降解时间( 月)6 1 2 2 41 2 1 6 2 4 4 顼 学位论文 2 聚乙交酯( p g a ) 及其共聚物 聚乙交酯( p g a ) 是结构最简单的线型脂肪族聚酯，是体内可吸收高分子最 早商品化的一个品种。早在2 0 世纪3 0 年代c a r o t h e r s 在研究合成纤维时就合成 过p g a 。其良好的生物相容性及适中的降解性使可降解吸收聚合物的研究得到 重视。其相对分子质量达1 万以上时，其强度完全满足手术缝合线的使用要求； 由于其容易水解，且降解的产物羟基乙酸使机体代谢的中间产物，最终产物使二 氧化碳和水，在体内可以完全降解并被吸收【协”】，其被油酰考虑用作可降解的手 术缝合线而取代胶原，成为第一个被合成并在临床应用的可降解缝合线，也使最 早用于骨折内固定物的可吸收性聚合物之一。自从1 9 6 2 年美国c y a n a m i d 公司 开发出商品名为“d e x o n ”的p g a 可吸收手术缝合线至今，p g a 一直在可降解吸 收缝合线中占主要地位；但是p g a 用作可吸收固定物如小板、棒、p g a 螺钉等， 其力学强度不理想。1 9 7 5 年，杜邦公司发展了p g a 的同系物p l a ，推出了商品 名为“v i c r y l ”的体内可吸收缝合线，它是羟基乙酸和乳酸的无规则共聚物 p l g a f 9 2 ( m o i ) g a 8 ( m 0 1 ) l a 】。m i l l e r 等研究发现g a 和l a 共聚后可使降解 速率比均聚物提高1 0 倍左右，并且通过改变g a 和l a 的组分比，可以有效的 调节共聚物的降解速率。 3 + 聚丙交酯( p l a ) 及其共聚物 聚丙交酯通过发酵后所得的乳酸人工合成制得。1 9 1 3 年法国人首先用缩聚 的方法合成了聚乳酸，后来人们又合成出了高分子量的聚乳酸，但这种聚合物易 于水解和热解，作为结构材料使用价值不大，1 9 6 6 年k u a l k a m i 等提出聚乳酸能 够在体内降解，且人们发现p l a 也具有良好的生物相容性和生物可吸收性。从 此，聚乳酸的合成及应用得到了广泛的研究【5 1 。聚乳酸可以由乳酸直接缩聚得 到，也可以由乳酸的二聚体一丙交酯开环缓和制碍。其中丙交的制备是先缩聚聚 乳酸得到低分子量的聚乳酸，然后在高温下减压条件下解聚，生成丙交酯，再经 蒸馏和重结晶提纯。 p l a 性质与p e t 类似，但较脆， 学强度提高。除调节合成工艺之外， 方法主要有以下几种： 抗冲击性也较差。相对分子量增大，其力 目前主要是对p l a 进行一定的改性。改性 ( 1 ) 含有部分交联结构的共聚酯 ( 2 ) 丙交酯一己内酸酯( c l ) 共聚物 ( 3 ) 丙交酯一聚氨基酸、蛋白质共聚物 ( 4 ) 与多糖物质接枝 采用不同的改性方法能得到不同的降解性能，通过改性还能有效降低产品的成 柠檬酸聚物的合成与件能研究 本。 4 聚一己内酯( p c l ) 聚一己内酯是一种聚脂肪酸酯，它的特点是熔点低，只有5 7 由于它具有 良好的药物通透性，常用于药物释放载体。与p g a 或p l a 相比，它的水解和降 解速率慢得多，因此常用多种生物相容性单体与聚一c l 共聚，来改善甚至控 制共聚产物降解速率。 5 网络型聚酯生物弹性体 由于人体许多组织器官具有低模量弹性体特性，因此，一类新型得具有弹性 得网络型聚酯生物材料得到发展并受到人们得关注，我们称之为网络型聚酯生物 弹性体。 k i y o t s u k u r it 、t s u t s u m in 【1 岳17 】等人利用三元、四元芳香族羧酸与脂肪、芳香 族二元醇进行缩聚反应合成了一种网络型聚酯，并制得了透明得、柔韧得不可溶 解的聚合物膜，他们发现该网络型聚酯膜与相应得线型聚酯膜比较，具有较高得 抗热变形能力。此外，他们又研究了甘油与芳香族二元酸、不同联长得脂肪族二 元酸得缩聚反应体系，同时也探讨了其网络型聚酯膜得酶降解性能m 】。直到 n a g a n am ，k a n c c h i k am 等【1 8 】人利用多元芳香族羧酸与不同重均分子量的聚己内 酯二元醇制得一系列可生物降解的网络型聚酯时，在文中才明确定义该网络型聚 酯属于一种新型的弹性体，至此，网络型聚酯生物弹性体的研究逐步展开。 w a n g 等 1 9 】利用丙三醇和癸二酸单体通过熔融缩聚反应合成了网络型聚酯生 物弹性体，为热固性弹性体，以共价键方式交联，分子链中的大量羟基官能团使 弹性体内存在较强的氢键作用。该网络型聚酯生物弹性体的聚合单体无毒，癸二 酸又是人体内新陈代谢的产物，其结构主要是由酯键连接而成的无规线团三维网 络，存在许多羟基。l i u 等也对该反应体系进行了研究，制得了一种可模压成型、 具有微观相分离结构、力学性能和生物降解性能可调的丙三醇癸二酸网络型聚 酯生物弹性体，可广泛用于组织工程、药物缓释和体内传感器等方面。 y a n g 等【2 0 】利用柠檬酸和辛二醇合成了网络型聚酯生物弹性体，聚合单体无 毒，与丙三醇癸二酸网络型聚酯生物弹性体相比，其合成方法简单，合成条件 温和，通过聚合单体比例和反应条件的控制可以实现其力学性能和生物降解性能 的平衡。由于用于聚合的单体都比较廉价，并且在制备过程中不需要催化剂和交 联剂，使得丙三醇癸二酸和柠檬酸辛二醇网络型聚酯生物弹性体具有广阔的工 业化前景。 6 硕 一学位论文 a m s d e n 等用丙三醇引发丙交酯和己内酯聚合，先获得星形共聚物，然后 在交联剂作用下模压成型制得熟固性弹性体。通过调节星形预聚物的相对分子质 量和单体摩尔比可调控该弹性体的力学性能。 目前，网络型聚酯生物弹性体的研究还处于早期阶段，由于具有优良的生物 相容性、柔韧性、可生物降解性以及结构的可设计性和性能的可调节性，将成为 一类在生物医学领域应用前景广阔的生物弹性体。 1 2 3 可降解高分子生物材料的降解机理 生物降解材料的体内降解机理是研究材料降解速率影响因素和评价材料生 物相容性的理论基础，所以对降解机制的研究是生物降解材料的实际应用的前 提。对高分子降解材料的降解机理的研究表明，其体内降解可以分为两种方式： 化学降解和生物降解嘲。 1 体内化学降解 主要是指高分子材料水解形成小分子单体，小分子单体离开材料本体，造成 材料质量损失的过程。由于体外实验比较容易模拟材料的体内化学水解过程，所 以对其降解机理研究较为深入。高分子降解材料植入生物体内后是处于一个盐溶 液环境中，这一环境非常有利于水解的进行，材料首先会吸水发生膨胀和浸析， 在这一溶胀过程中材料体积会变大，结构会产生空隙，液体随之进入材料内部， 这就为材料的进一步水解传造了条件，随后材料的主链受到水溶液的作用，上面 的化学键断裂，形成一个个大分子齐聚物片断，这些片断同样会受溶液断裂化学 键的作用而形成更小的齐聚物片断，直至材料最终被水解成相应的小分子单体， 这时我们可以观察到材料平均分子量的下降【2 ”。不同的化学键其水解活性是有 差异的。按水解动力学数据的推导，酸酐在水溶液中的半衰期只有几分钟m 】， 而酯键的半衰期长达几年，高分子聚合物主链降解活性的不同在很大程度上决定 了材料的水解速率。除主链降解活性外，高分子材料水解的速率还受到其它多方 面因素的影响：材料的水解不是一个过程单一的反应埋在材料水解的同时会发生 齐聚物和单体等无定型分予链的重排，对于一些半结晶材料就会造成材料结晶度 的升高，而结晶度的升高会减缓材料的水解速率：降解产物在局部蓄积可能带来 的局部环境p h 值的变化，溶液p h 值的变化会显著影响材料水解的速率；在生 物体内材料的水解还会受生物活性物质的影响，此时材料的降解过程时在化学和 生物两种作用下进行的。 2 体内生物降解 高分子类降解材料的生物降解又称为生物浸蚀。主要有酶、脂质体、微生物 以及巨噬细胞等生物活性物质参与其中，降解过程大致是：材料植入体内后，从 柠檬酸聚赍物的合成q 件能研究 生物免疫的角度分析，植入时的创伤、材料及其降解产物的异物刺激必定会引起 机体的炎症反应，生物体会分泌各种细胞介质和酶，产生许多自由基和过氧化物 阴离子，这些生物活性物质有的会加速材料的水解，有的会直接裂解材料的化学 键，从而推动生物降解的进行。生物降解过程中还有这样一个现象，对于一些因 为溶胀过程中还有这样一个现象，对于些因为溶胀过程不明显而降解缓慢的材 料，先期水解和酶等物质对材料表面的腐蚀会造成材料上出现较深的孔洞，低分 子物质如自由基和过氧化物等借此渗入材料内部，造成材料的整体浸蚀，加速材 料的降解。许多研究表明，高分子降解材料的降解速率与材料介导的机体炎症反 应的强弱、局部巨噬细胞的数量有密切的关系，而植入材料后机体炎症反应的强 弱除了受生物体个体差异、材料本身性质等一般因素影响外，材料片断颗粒的分 子量大小、浓度、表面形态、聚合程度等对其都有影响【2 ”。 在降解过程中随着高分子聚合物材料的裂解，产生了大量的材料单体小分子 或小片段齐聚物，此时表现为材料平均分子量的下降，而当小分子颗粒的量蓄积 到一定程度，它们就会离开材料结构扩散到周围环境中去，材料就会出现失重和 力学性能的改变。材料小分子颗粒在生物体内环境中的扩散一方面遵循溶剂在溶 液中的热力学扩散过程，另一方面受到诸如巨噬细胞吞噬作用等生物转运系统的 影响f 2 5 。2 6 1 。 生物降解材料的降解机理，是人们正确、合理应用降解材料的理论基础，指 导人们对材料降解性能进行操控和开发新型降解材料，同时是人们对材料生物相 容性及安全性进行评价的基本依据。现在，对降解机理的研究更多的是停留在材 料化学降解作用上，对于生物降解作用机制的研究还比较欠缺，这一方面是因为 材料的生物降解过程相对较为复杂，目前对材料生物降解中的降解产物，对参与 降解的生物活性物质还只是以定型为主，缺少定量的分析，对生物活性物质与材 料微观结构间作用缺乏深入的研究；另一方面由于对生物降解过程难以进行体外 模拟，而体内实验受到干扰因素多，研究难度大，受实验、检测手段和器材所限， 难以对体内降解过程进行连续的观察、研究、难以得到精确定量实验结果。近年 来，随着生物降解材料用途的日益广泛和生物降解材料体内降解机理研究重要性 的日渐凸现，对降解机理特别是生物降解作用机理的研究将作为材料科学的一个 热点。 前面已经提到，对生物降解材料的测试较为麻烦，影响因素多，实验周期长。 由于生物可降解材料均可以水解降解，两者之间具有一定的可比性，一些研究者 采用碱性条件下水解降解的方法来测试材料的降解性能，作为一种快速简便的方 法，对生物降解材料的降解性进行考察，无疑是有实际意义的。如测试生物医用 材料的降解性能，采用p h 为7 4 的磷酸盐缓冲溶液在3 7 下进行i z “，也有采用 强碱性溶液中进行加速降解实验【2 8 _ 3 1 l 。 硕上学位论文 1 2 4 聚酯高分子生物材料的降解与其结构关系 脂肪族聚酯的性能与其分子组成、结构、相对分子质量、链的取向度以及立 体规整性密切相关【3 2 l 。它们直接反映材料的有序结构，影响其力学性能和降解 性能，一般说来，材料的相对分子质量越大、结晶度与分子链的取向度越高，则 其强度越高，越不易降解。除此之外，通常还存在以下趋势： ( 1 ) 支链的存在将有利于生物降解。 ( 2 ) 在一定程度下配链阃的亚甲基越多越易生物降解。 ( 3 ) 苯环族与芳香族则会降低其生物降解性。 通过均聚和共聚的方法可以得到各种性能的高分子材料。一般的情况是共聚 聚酯比均聚聚酯容易降解。聚酯高分子具有不同的化学基团或侧基，其降解性能 也各不相同。一般说来，酯键之间结合的亚甲基数( n ) 为4 8 时，该聚酯较容 易降解。通常情况下，常见化学结构的可生物降解能力由强到弱。依次是：脂肪 族酯键 肽键 氨基甲酸脂 脂肪族醚键 亚甲基。 1 2 5 课题研究的目的、内容和创新之处 生物材料的不可缺少性、尤其是进口材料动辄上万元的价格决定了我国必须 加强具有自主知识产权的生物材料的研究开发。此外，伴随我国医疗制度的改革， 必须自费的医疗费用中的一大块是生物材料，尤其是进口材料。因此，加强新型 生物材料的研发不仅是一个科学技术问题，还是个重要的经济和政治问题。 生物可降解聚合物由于在生物材料领域诸如体内或体外软组织再生支架1 3 2 j 、 药物控制释放系统【3 3 。卅等方面的应用，特别是可降解型生物弹性体，逐渐成为这 个领域的研究热点之一。 研究重点在于开发力学机械性能可控、可生物降解且降解周期可调控、材料 来源广泛、合成过程无有毒物产生、具有工业化潜力的生物弹性体，为生物弹性 体的进一步发展提供理论和实验参考。 利用柠檬酸和乙二醇合成了网络型聚酯生物弹性体，聚合单体无毒，与丙三 醇一癸二酸网络型聚酯等生物弹性体相比，其合成方法简单，合成条件温和，通 过聚合单体比例和反应条件的控制可以实现其力学性能和生物降解性能的平衡。 由于用于聚合的单体都比较廉价，并且在制备过程中不需要催化剂和交联剂，使 锝柠檬酸乙二醇网络型聚酯生物弹性体具有广阔的工业化前景。 9 柠檬酶聚合物的合成与件能研究 1 3 柠檬酸在双组分聚氨酯涂料中的应用与研究 1 3 1 聚氨酯材料的研究背景 聚氨酯是氨基甲酸脂树脂的简称，其分子中含有特征单元结构氨基甲酸脂 键( n h c o ) ，它自从2 0 世纪4 0 年代首次被开发以后，现已被广泛地应用于 工业和同常生活地各个领域，其用作涂料时，由于固化后，其涂膜具有良好地耐 磨性、耐腐蚀性、耐化学品性、硬度大、高弹性等优点，所以常用于家具涂装、 金属地防腐、汽车涂装、飞机蒙皮、地板漆、路标漆等【3 5 】，有关文献报道【刈聚 氨酯类涂料现已经成为涂料业中应用广泛，增长速度最快地品种之一，甚至认为 它在行业中所占地比例和增长速度象征着一个国家涂料工业地发展水平。德国 m a r t i nm e l c h i o r 等人【”】综合多年地市场行情，发现聚氨酯涂料之所以在涂料的某 些领域中占主导地位，其原因有两个方面，其一是聚氨酯涂料极高品味的性能； 其二是聚氨酯可以通过改性【3 8 枷l ，获得性能多样的涂膜。但由于该体系存在自身 固有的缺陷，加之人们对它的要求同益严格，所以常规聚氨酯产品的生存与发展 受到了严峻的挑战。现聚氨酯涂料正逐渐向光固化聚氨酯、粉末型聚氨酯、水性 聚氨酯、低粘度高固化含量聚氨酯等方向发展。其中，高固化含量聚氨酯涂料由 于其能利用现有合成及施工设备与涂料体系相匹配，具有相对更好的实用价值， 正受到人们的重视。 高固含量涂料的固含量一般在7 0 以上，不能简单通过降低普通溶剂涂料 中的溶剂量来获得，这会大大提高体系粘度，不利用涂料的施工。要得到具有良 好施工壑应用性能的高固含量涂料，必须综合考虑大分子结构、溶剂及交联反应 等因素，特别是分子量因素。 为了保持高固含量涂料可操作的粘度，必须采用较低分子量以及窄分子量分 布的齐聚物；同时，为了达到合适的漆膜性能，还要在分子链上引入相当多的官 能团，以使齐聚物进一步交联形成网络结构。另外，通过降低齐聚物的玻璃化转 变温度以及分子间作用力，也可有效降低体系的粘度。 溶剂对体系粘度的影响较复杂，f e r r y 发现随体系( 齐聚物+ 溶剂) t g 的降 低，粘度也相应降低。由于难以测定溶剂的t g ，一般认为低密度和或低分子量 的溶剂有利于降低体系的粘度。e r i c k s o n 详细研究了溶剂与齐聚物之间的相互作 用对体系粘度的影响，发现随溶剂由良溶剂变为不良溶剂，由于齐聚物和溶剂间 的相互作用减弱，体系粘度先降低，经过一最低值后，由于不同齐聚物分子链之 间的相互缠绕，粘度又进步增加。溶剂粘度对体系粘度也有很大影响，对于 5 0 固含量的溶液，溶剂粘度每降低2 1 0 - 4 p a s 将使体系粘度降低o 0 5 p a 此外，选择溶剂还要考虑挥发性、毒性、易燃性等问题。 1 0 随着体系固含量的增加，交联反应也要更加重要，对于低分子量的齐聚物， 要达到常规涂