（材料物理与化学专业论文）芳香脂肪共聚酯的合成及其生物降解性能研究.pdf

ab s t r a c t abs tract i no r d e r toobtain a b i o d e 盯 a d a b l e p o l ” erm at 幼a l w i t h s at i s fact o ryt h e n l l al p r o pe rt i e s ， new s e ri e s c o p o l 邓s te rs ， pol y (h e x y l ene tere p ht halat e 一 co一 l ac t i d e ) ( p h t l ) ， 出 l d p o l y ( 4 ，4 ， 一 i s o p ro p y l i d e ll e di 沙e nyl te re p h t b a l ate) 一 co一 p o l y ( h e x y l e n e te r e p hthal at e ) 一 c o 一 p o l y l ac t i de ( p b h t l ) ， weres y n t h e s i ze d v i a d i re ctp o l yc o n den s at i on tran se st eri 一 fi c at i o n fromte re p h 1 h al o y l d i c hi o ri d e ， b i s p h eno l 一， 1 ， 6 一 hex an e d i o l ， a l l d o l i g o ( l ac ti c ac i d) t 七 e s e cop o l y e sterswerec h a r 时e ri ze d b y p r o t o n nuc l e armag n e t i c re s o nan c e ( ，hn m r) ， d i ffe r e n ti 故s c a nn i飞 c al orim e try(d s c )， 脉rmo gr a v lm e try (t g ) and wide一 ang l e x 寸 a ys c a l l e ri 飞 ( wa x s ) . the irm e it in gte mp e r a t u r e ( t m ) ， m e l t i n gheat o f加 s i o n( h m ) ， gl as s l r a n s i t i o nte m p e r a t u r e( 勾， 扣 l dth e rma l d e c o 帅o s it i o n t e mp e r a t u r e ( t d)( 1 . s wt% ) wereo b l a i n e d . b yusi n g the rel at ive i nt e g r a 1 a r e a s o f the d yad p e 山 in h n m r :p e ctrumo f c o p o l挥 s te rs p h t l ， 阮 s e q ue nce len gths o f 阮 h e x y l e nete re p hthai ate ( 气了 ) a n d l ac t i d e ( nl4 ) unit s i n th e re sull a n t c o p o l ”st e rsare 3 . 5田 l dl . sc 0 m p aredtopol y ( h e x y l e n e t e r e p 】 1 1 h a ate) ( p h t ) ， p h t lh a s l o w e r tm but hi g her tgdi l e t o the i nco 印 o ratio n o f al i p 卿i c 丽t i nto th e malnc h a i n st h e p b h t l s how s two 一 s t ep t ll e n 刀 ald e c o mpo s it i o 氏w hi c h i s c o rres p o ndin g tos e g m e nt o f4 ， 4 i s o p r o p y l i d e n e di p h e n y 1 te re p hthal at e(bat)an ds e g l l l e nt so f hex y l e ne t e r e p h t h a l ate ( h t ) 阴 d l a c t i de( l a ) . d u e toth e inco rp o r a t i ono f fi e x i b l e al i 曲at i c uni t i nto the m ai nch ai ns ， p b h t lh as fo wer凡 明 ds h o ws e nba n c ed h y d ro l ytic d e g r a d a b 1 l ity u n d e r a p h y s i o l o gi c alc o n d iti ons w i thi ncre as i n g i a c t i d e a n d hex yl e n e m o i etie s . t h ec o pol ye st er p h tl . l dp b h tl und e p 刀 e n t s i g ni fi c ant hyd r o l yt i c deg radat i o n at3 7 o c i n a p hos p h a t e b u fl 七 r s o lutio n . t b e wei gth l o s s o f p b h t 8 2 l s c o p o ly e s terc o nsi st i n g l o mol %b a t u n i t ， 8 2 m o l %h t 画t an d s m o l %l au n i t ， 1 5 al mo st 2 2 %a n e r s week s deg r a d at i o n . e n c o 1 l r a g i n g r e s ul t s o n b i o c o n 1 p a t i b i l i tywere re c e i v e d b y i n i t i als n 1 d i e s o f c e l l growth onthe s t i rfac e o f c o p o 1 y e ster p b h t l fi 1 m s . k e y wo r d s : a r o m a t l c / a l l p h a t i c c o p o l 邓ster 月r a n s e s l e r l fi c at i o n ; h y d r o l ytic d e g r a d a t i o n ; 0 1 1 9 0 ( l acti c ac i d ) 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的 学位论文是本人在导 师指导 下进行的研究工作及 取得的 研究成果。 据我所知，除了 文中特别加以标 注和致 谢的 地方外， 论文中 不包含 其他人己 经发表 或撰写过的 研究成果， 也不 包含为 获得 南昌大李 或其 他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同 工作的同 志对本研究所做的任何 贡献均已 在论文中 作了 明 确的 说明 并表 示谢意。 学 位 论 文 储签 名 ( 手 写 ): 杨芝 签 字 日 期 : 加 刃年 月 日 学位论文版权使用授权书 本 学位论文作者完 全了 解南昌大学 有关保留、使 用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和 借阅。 本人 授权南昌大李可以 将学 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学 位 论 文 作 者 签 名 、手 写 ): 杨燕 导师签名 签 字 日 期 :闷年 月 日 签字日期: (手 写 祝咋 ” ，7 年 ” 日 学 位论文作者毕业 后去向 : 工作单位: 通讯地址: 电话: 邮编: 1 3 了 必口 1 1 习 第 1 章 引言 第1 章 引言 l l前言 可降解塑料作为代替传统塑料，缓解白色污染问题的环保材料，现今已被 广泛研究。可降解塑料可由天然聚合物和合成聚合物两种聚合物为原料制成。 国 外开发可降 解的塑料始 于7 0 年代，当时主要开发 光降解塑料，目 的 在于解决 塑料废弃物， 尤其是一次 性塑 料包装制品带来的 环境 污染问 题，至80年代， 开 发研究转向以 生物降 解塑 料为主，而且，也出现了 不用石油而用可再生资源， 如植物淀粉和纤维素，动物甲壳质等为原料生产的生物降解塑料。可是由于这 些天然的聚合物来源有限，造价昂贵，机械性能差，不利于大规模生产等原因， 使得其在可降解塑料领域的应用受到了限制。而合成聚合物因其分子可以被设 计，能够大规模生产，且机械性能良好等原因而逐渐被推广，如聚乳酸就已在 医学上用于手术缝 合线， 人造骨 骼等。降解塑料的用途主要有两个领域:一是 原来使用普通塑料的领域。在这些领域，使用或消费后的塑料制品难于收 集回 对环境造成危害，如农用地膜和一次性塑料包装，二是以塑料代替其他材料的 领域。在这些领域 使用降 解塑料可带来方便，如高尔夫球场用球钉，热带雨林 造林用苗木固定材料。 1 .2 生物可降解材料 l 2. 1生物可降解材料的定义 生物可降 解材料可定 义为 不经过 热， 氧化，光解或 辐射，而是通过酶解或 非酶 水解在生物环 境中 达到降解。 川 生物降 解就是 指在体内能完成降 解。 生物降 解性聚酷是指 在特定微生 物作用 下， 或在人体或动物的 体内环境下，其化 学结 构发生 变化，导致 相对分 子量下降及性能 变化的高分子化合物。随 着人们 对维 护自 身健康 及周围 生存环 境的日益重视，生物医用材料 和环境友好 材料得 到了 迅猛的发展，而生 物降 解性聚酷 在这两方面均显示了优秀的性能。生物可降 解 聚醋的主链是由脂 肪族结构 单元 通过易 水解的酷键连接而成，在微生物或生物 体内酶或酸、 碱的 促进下 水解， 最终 形成二氧化碳和水，同时有很好的组 织相 第 1 章 引言 溶性，被广泛应用于医疗外科手术缝线、骨折内固定、组织工程修复材料及药 物控制释放体系等，是当前生物医用高分子的一个重要分支。 l 2. 2生物可降解材料的分类 按来源可分为:天然和人工合成生物可降解高分子。表 1 . 1根据生物可降 解材料的 来源对 其进行分类. 生物可降解材料一般是指能在生物环境中能发生 降解的材料。人 体环境就是一个特殊的医用生物环境。 按照其应用分类，生物 可降 解高 分子可分为 医用高分子和 环境友好高分 子。 如图1 . 1 所示， 医用材料包 括: 聚d l 一 乳酸(pd l l a ) ， 聚乙 交醋(pg a ) ， 聚乙交酷丙交 醋共聚物(pg a l a ) ， 聚原酸 酷 ( p o e ) 等; 环境友好高 分子包 括: 聚唬拍酸丁 二醇酷 (pb s) ，聚经 基烷基酸醋 ( p h a )，聚酷碳酸酷 ( pec )，聚琉拍酸乙二醇酷 ( pe s) ，聚酷 酞胺 ( p e a );既 可作为医用材料，也可作为环境友好材料的聚合物包括:聚 l 一 丙 交 酷 (p l l a ) ， 聚 5 一 己 内 醋 (p c l ) 等。 12 刊 表 1 1生物可降解材料的分类 天然高分子合成高分子 分类 举例分类举例 1 . 植物来源 li聚糖 纤维素， 淀粉， 藻酸盐 2. 动物来源 1脂肪族聚醋 1 1乙二醇和二元 酸的缩聚物 1 .2 聚交酩 聚唬拍酸乙二醇醋， 聚对苯二甲酸丁醇醋 聚乙交醋，聚丙交醋 21 聚糖 甲 壳质 ( 壳聚糖 )， 透 明质酸醋 1 . 3聚内醋聚卜己内酣 2. 2蛋白质 3 . 微生物来源 31聚醋 胶原质( 凝胶) ， 白蛋白 1 .4 混杂型 2聚醇 3 .聚碳酸醋 聚对苯二甲酸丁二醇酷 聚乙烯醉 聚碳酸酷 聚 3 一 轻基烷酸醋 3.2聚糖透 明质酸酷 4 . 混杂型 聚酸配，聚份橄基丙烯 酸醋，聚原酸醋 第 1 章 引言 妇 兔 占 。 目 减即西 “ 目姐 / / 福 石、 名 如翔户 目 洲 即 拉 “ 勿 . 尸 日 5 户 5 严 。一 “ )禺 _舰、甩pec f 贬_、j _ _ 5 . 砚 汤/旧 ， 四 川 月 脑 ./ _。 伯 ， 柳又一/ 、f 植 州 如j 户产、 、子产 图l l 生物可降解高分子的 应用 p a a : 聚酸醉; p b s:聚玻拍酸丁 二醇酷: p c l : 聚 e 一 己内醋; pdll: 聚d l 一 乳酸， p f a : 聚酩酞胺; p ec: 聚 酷 碳酸酷; p e s: 聚玻拍酸乙二醇醋; p g a: 聚乙交酷. p ga 工 a: 聚乙交酷丙交酩共聚物， p ha :聚经基烷基酸 酷; ph b: 聚 3 一 轻基丁酸醋; p l l a: 聚 卜丙交酷，聚卜乳酸; p 0 e :聚原酸酷. l 2. 3生物可降解材料的应用 生物材料一般来说以 下用途: ( a) 取代病变组织或其他非功能 性用于缝合， 人工心血管和动脉血管， 牙齿和眼内。 伪 ) 用于组织修复， 不仅包括缝合线，还 包括骨折和韧带及键的恢复。 (c ) 部分取代某些主要器官，比 如说在血液透析中 ( 取代肾的功能) ，氧化 ( 肺) ，左心室或整个心脏，灌充 ( 肝脏) ，以及胰岛素 传输 ( 胰腺) ; 还有 ( d) 药 物释放到任意位置 ( 比 如说，直 接释放到 肿瘤位 置) 或 控制释放速 度 ( 胰岛素，匹 鲁卡品，避孕用品) 。 其实生物医用材料的最可行的用途列在表 1 .2中。表 1 3 则是目前人造生物 材料的用途及药用研究。 表 1 .2 生物材料的医学用途 功 能 连接 关闭 分隔 用途 缝合 固定 粘合 遮盖 闭塞 隔离 禁制接触 细胞增殖 组织引导 控制药物输送 举例 动脉和肠胃的缝合 固定断骨 外科粘合 伤口遮盖， 血管栓化 器官保护 粘结保护 重造皮肤， 神经重造 药物释放 止血 支架 封装 血管重造 第 1 章 引言 表 1 3常见的人工合成医用的可降解高分子 聚合物 聚乙交醋 聚乙交醋丙交 醋共 聚物 聚l 一 乳酸 聚 l 一 乳酸和卜己内醋 共聚物 聚 。 一 己内 醋 结构 晶体 无定形 半结晶 无定形 半晶质 半结晶 无定形 m w/ k d 4 0 一 1 0 0 1 0 0 一 3 0 0 1 0 0 一 5 0 0 4 0 一 8 0 聚原酸醋 1 0 0 一 1 5 0 降解速度 2 一个月100 % 5 0 一 1 0 0 天 l 0()% 1 一 2 年 5 0 % 3 一 1 2 个月 1 0 0 % 4年5 0 % 3 0 个星期 1 0 0 % 5 0 个星期 6 0 % ( 碱性， 3 7 o c ) 医学用途 缝合 缝合， 固定断骨，口 服， 药物输送中心体 固定断骨，增加韧带 缝 合， 硬膜替 代 避孕 缝合 ， 固定断 骨 避孕 l 2. 4生物材料的基本要求 生物 材料必 须满 足以下 条件:无毒，可 消毒，而且有效 如表 1 4 所示。 生物相容性是 最重要的。 对其的测试可分为 三个阶段: (i) 对动物或有机体进 行毒 性实验， (ii ) 对动物 体内 用到生物 材料的 位置进行测试， (ii 1)人体的 临床实验. 表 1 . 4生物材料的基本要求 1 .无毒 性 ( 生物安 全性) 无致热. 无 溶血作用， 不 会引 起慢性炎症，无致 敏， 无致癌， 无畸 变。 2 ，有效性 具有功能性，耐久。 3 .消毒手段 环氧乙 烷， 卜 射线 ， 电 子束， 高压灭菌， 干燥加热。 4 .生物相容 性 尽管对 此类材 料的研究有上百年， 但其应用才不过才是近几十年开始的。 被应用于医用方面的 材料有很多 种， 包括金属， 合金， 陶和玻璃以及高分 子材 料， 例如纤维， 纺织品， 热塑性塑 料， 树脂， 粘合剂以 及人造橡胶。 1 . 2 . 5降解机制 一般来说，可 降解聚合物在受热， 氧化，光照，辐射或水解条件下会发生 降 解， 一般都是从 聚合 物分子的 侧链或主链开始分解。 一些聚合物在存在细胞 或微生物的生物环境中能发生降解.这种环境包括土壤，海水，河流，湖，甚 第1 章 引言 至是人类或动物的身体。 聚合物的生物降解一般从在可水解的 链上发生。生物可降解聚合物中 一般 都包含不稳定键，这些不稳定键按照降解速度可排列为:醉，酷，聚氨酷，原 酸酷和氨基。 这种排列还会受到聚合物侧链和形态的影响。 此外，可降 解聚合 物的 降 解 可 用 化 学 或 物 理 机 制 来 描 述。 【101 图1 .2 显示了4 种化学降 解机制。 第1 种， 活性链是在聚合物主链上， 它降 解成低分子量的 水溶性产物。 第 2种， 聚合物通过其憎水的 侧链电离 和水解来 达到溶解的效果。第 3种， 聚合物是交连网 状的， 其活性链释放出可溶的 聚合 物片段。最后， 第 4种则是上述各种降解机制的结合。聚合物的物理降解机制 可分为均匀 ( 体积) 和不均匀 ( 表面) 。在同 类降解中，水解反应贯穿整个聚合 物，比如说聚酷.不均匀的降 解只发生在聚合物表面，比 如说聚配。当水解速 度比水渗入聚合物的速度还快时会发生表面降解。 type l: x x x 一 x e p re s e n tsl 湘 l a 颐 ! . ba比b o ne bo闻5 下 y pe “ : !一一 刁 一1一 aabb ai 即re sents h y d oph obicsi d e g o u ps b re pf e se幽 h ydro p h l lic s 心 e g ro u pe 下 ， 件 川: t幸 丫了 . p resen t s the “o s s l in ks 图1 .2生物降解的种类 大多数聚合物在适当的条件下能发生降 解，但是降解条件和反应机制则有 很多 种。降 解过程可分为 2种:第一种是通过吸收某种能量， 产生二次反应引 起了 分子降解。第二种是通过水解机制引 起分子破裂， 一般发生在杂链聚合物， 其过程就像是缩聚反应的逆反应。 第1 章 引言 一般发生第一种降解过程都是在提高温度特别是热氧化，电磁辐射，机械 力作用而提高 温度以及超声波震动的条件下发生的。很明 显，像包括人体这样 的 生物环境不能 提供以上的条 件给聚合物。 水解在细胞环境中就可行多了，不过要符合几个条件:首先，聚合物必须 要有水活化的时间。其次，降解必须发生在合适的时间，聚合物必须亲水。再 三 就是 水 解 反 应 必 须 在生 理 的p h 值范 围 内 发 生， 大 约为7 .4 。 因 此， 聚合 物在生 物体内 的降 解程 度可分 类为: ( a) 僧 水， 没有亲水键 ( 很 稳定) : 伪 ) 僧 水， 没有亲 水 键( 有 溶胀， 没 有或 者只 有 很少的 降 解) ; (c ) 憎水， 但 有亲水键( 表面 具 有 活 性只 发 生很缓 慢的 降 解) : ( d) 具 有亲水 性， 且 有亲 水键 ( 降解贯穿整个体积) 。 1 .3芳香用 旨 肪共聚醋的研究现状及应用 l 3 . 1可降解脂肪族聚醋的应用 大多 数的可 降解 材料 如聚 丙交酷 伊 c l)， 聚乳 酸(p l l a ) ，聚 p 一 经基丁 酸醋 (p h b)， 和 聚 丁 烯 唬 泊 酸 酷 (p b s)l 都 是 脂 肪 族 聚 酷 。 由 于 它 们 来 源 广 泛 、 可 塑 性强、可生物降解、生物组织相容性理想、适合于规模化生产等特性，因此己 经成为组织工程的重要材泛的生物可降解合成材料之一。 聚乳酸在有水的环境中又可生成低聚物和乳酸，在生物体内通过新陈代谢 可降解为水和二氧化碳排出体外。可是，与其他可生物降解的聚合物相比，自 然条件下的聚乳酸的降解速度很慢，大约要几年的时间.因此聚乳酸植入人体 后有较慢的降解率，通过加入一些亲水性成分到聚合物中或降低聚乳酸的结晶 度，可以加速聚乳酸的降解。 聚经基乙酸聚经基乙酸又称聚乙交酷，是目前为止第一种作为可吸收手术 缝合线的聚合物。聚经基乙酸降解速度较快，尤其是短时间内强度衰减快，因 此它在某些需要较长时间保持强度的 应用情况下受到限 制。 聚乳酸轻基乙酸聚乳酸经基乙酸又称聚乙丙交酷，它兼有以上聚乳酸和聚 轻基乙酸两种聚醋材料的 优势，其柔性较聚经基乙酸有较大改善，若共聚物中 聚经基乙酸的含量提高， 那么聚乳酸经基乙酸被组织吸收的 速度加快。 聚己内酷是利用有机金属化合物催化开环聚合而得到的脂肪族聚醋，具有 优良的生物降解性、药物透过性、生物相容性以及原料易得等优势，被广泛研 第 1 章 引言 究应用的生物降解性控释载体。 但是 脂肪族聚酷价格昂贵， 物理和力学性能较差，限制了 其在工业和农业 领 域的 应用。已 有研究 使用共混或共聚的方法可以 改善可降解聚合物的性能。 112 一 16 与 脂肪族聚酷相比， 芳香族聚酷如聚对苯二甲 酸乙 二醇醋(p e t)就具有优良 的 物理及机械性能，且价 格比 较经济， 但是由 于其耐细菌腐蚀， 通常 不能降 解。 一 些研究表明将芳香族 聚酷与脂肪族聚酷共聚 所得的 产物是能够发生降 解的， 117 1 且 其产 物 具 有 较 好的 物 理 和力 学性 能 ， 造 价 低 。 11 圳这类 新 型 的 可降 解 聚 酷如 聚 丁烯墟拍酸酷 -co一 对苯二甲酸丁醋 务聚己 二醇就 具有很好的 延展性及 弹性。 11 幻 近年来将可生物降 解的 芳香/ 脂肪共聚酷用做医学用途的研究已 受到较多的 关 注。 脚 一 0 近十年来 将聚乙二 醇，对苯二甲 酸和聚 对苯二甲 酸丁二醇酷共聚生 成的 产物(p e g t l p b 劝已 作为细胞组织工程和药物 释放系统 被广泛研究。 131 一 1 因 此，合成出既具有一定物理和机械性能，又能降解的芳香/ 脂肪共聚酷也成为现 在的研究热点之一。 l 3. 2无液晶性的可降解芳香/ 脂肪共聚醋 1 9 5 4年，为了降低聚对苯二甲酸乙二酷的结晶性，提高其亲水性，改善其 染色着色能 力。 利用聚环 氧乙 烷(p e o)和聚对苯二甲 酸乙 二酷 伊 e 劝合成出 生物 可降解聚酷 p e o /pet ( 图 1 3) 。有研究表明，将 p e o 用e t聚酷植入生物组织 中， 材料发生明显的降 解。 随着p e o的含量增多， 聚 醋p e o 护 et 表 面能 也随之 提高， 在植入材料和与之 接触的 羊结蹄组织中能 够出 现0 表面能。 8 周后， 在皮 下组织中 的材料碎化， 发生了明 显的 降解. 1341也有研究利用对苯二甲 酸乙二醇 酷(de 刀 和聚乙 二醇 (pe g ) 单体，使用5 场 伪和磷酸为催化剂进 行酷交换反应 得到p e o 用 e t 共聚酷。 135 这类聚酷在有机体中的 生物降解性能和生 物相容性也 正在研究中。 _ ，_、 分/ 片只， 一0 十c h c h 牙 0 卞c 洲址了一 c 士0 一c h ， c 比 0一 c 厂六 只、 1 - 飞一 广c 卞犷 图1 . 3 p e o /p e t 共聚醋 以 对邻 苯二甲 酸二甲 酷，1 ， 4 一 丁二醇， 2 一 丁炔一 1 声二 醇和a 一 经基 一 。 一 经基聚乙 二 醇 为 原 料 ， ti (oc 4h 0)4为 催 化剂 ， 合 成 一 系 列 的 聚 醚 醋. 13 61 对 其 进 行 差 热 分 析 发现产物为三相结构，两相为无定形态，一相具有结晶性。随着退火温度的提 第1 章 引言 高材料的 相分离 趋势 增加。 利用对苯二甲酸 二甲 酷， 1 ，4 一 丁二醇和 a 一 轻基 一 。 一 轻基 聚乙 二 醇为 原 料 合 成出 聚 醋 p e g 价 b t 。 13v 使 用 催 化 剂 ti ( o c 4 h 咖和 抗 氧 剂 雌ano x 1 3 30进 行两步反 应， 得到p e g t / p b t和聚醚醋结构的产物， 如图1 . 4 所 示。 在1 80 oc 氮气氛围中 加入p e g ， 对苯二甲 酸 二甲 酷(dm t)， 1 ， 4 一 丁二醇， 反 应两小 时后， 减 压至0 . l m b a r 进行缩 聚反 应， 并把温 度提高至2 4 0o c 。 对其进行 差热分析发 现产物为 三相结构， 两相为聚醚及聚酷结构，结晶 相为聚酷结构。 其 延 展 性 与同 类结 构 的 商 品p of y ac ti ve 。 相 近 。 139 meo 遏 c 一0 叫 地+ h o 一 ( c h z 片o h+ 。 +0 二 ， : c 日 击 。 、 节 ( 0 喝彻。 9、 i r / 分， c 一 0 一 c h ，右 ; 士 0 一 c 飞少卜c 十0 一c h c h 到 布 图1 . 4 p e g t ip b t基 聚醚 酷的合成 这类产物 首先是应 用在纺织领域。 13 9p e g t /p b t聚酷也显 示应用在医学上 的优良 性能。 40在 有机体中，表皮角质细胞，真 皮纤维细胞， l 骨骼肌细胞和 软骨细胞 1 42 在p e g t / p b t 聚酷薄膜 上能 很好地粘附生长并增殖。 143 .44 i p e g t ip b t 聚酷在有机体中的降 解也有着相关的报道. 142 1 整 个降解过程分两步进行，首先 降解在p b t 的酷键 上进行， 然后再在 连接p e g和对苯二甲 酸二甲 酷的醋键上 进 行。 该 产物的热 塑性也被 进一 步研究. l5 牛 e g t 尸 b t 聚醋微观相分离。 随 着 p e g 分子量的 增加及p b t 含量的增加，相分离 加剧，影响到产物的 机械性能，膨胀 性及降 解速度。 p e g t /p b t聚醋 在有机体中的降 解经过水解及氧化两 过程， 聚醋 中p e o含 量高的 降 解速度明 显高于其他。 没有添加抗氧剂的聚 酷会发生光解。 对聚酷来说irgano x 1 3 30的抗氧化效果比 维生素e更 好。 p b t /p c l 聚酷是聚对苯二甲酸 丁二醋 ( p b t ) 和聚己内 酷 ( p c l ) 在2 5 7 o c 酷 交 换 反 应 得 到 。 阅如 图1 .5 所 示 ， m a 等 合 成了 一 系 列 的 对苯 二 甲 酸乙 二 酷 一 。 - 己 内 酷 共 聚 物。 14 刀 首 先 ， 在 氮 气 瓶 中 加 入 对 苯 二甲 酸 二 甲 酷 ( d m t)， 乙 二 醇 (eg ) 和zn( o a c )2 ， 将混合物加 热到 17 0 一 2 2 0o c进行酷交换缩 聚反 应。 然后再加入己 内 酷( c l)和s b( 0 a c )3 ， 和c l单体在 17 0 . 180o c氮 气氛围中反 应两小时进行开 环聚合 ( 用低分子量的 p et 和 剩余的 e g的轻基做引发) 。最 后将温度升高 到 第 1 章 引言 26 0 一27 0o c ， 并 减 压 至 真 空 (0.l m m h g) ， 使 反 应 完 全。 其恤n m r 图 谱 的 高 场 上 可以 看出对苯二甲 酸乙 二酷和己内 醋发生酷交换反应是不可避免的， 所以其 产 物的结构随性比较强，产物结晶性和序列结构也就无法推测了。 分 / = 只 meo 一 c 州 忆 少 卜 c 一 咔 + zn(o a c 牲 ho一 c h 声呜o h 一h o c 烤c h 矛一 。 一c 。 ; c 。 : 0 十， 沙 一磷 笼 尸 一 矢 鳖 一*、 。一 旦笼 葱 一;。;。、呈 一、 )。味 图 1 . 5对苯二甲酸乙二酷一 5 一 己内醋共聚物的合成 以芳香环(c截 ， c 尹s c 姚) 为侧链基团的生物可降解聚醋，如: l 一 乳酸 ( l a 四l 一 苯基乙 醇酸 ( m a ) 和l a 几 一 3 一 苯基乳酸( p h e l a)， 是在2 0 0o c无催化缩 聚合成 ( 图 1 .6 ) 。 149 1 随 着芳香族组分的 增加和分子量的增加，其在有机体中的 降解曲线为典型的抛物线和 5 型曲线。 o h h 一 罕 h 3 0 一 c一 c 11 ho 未未。 r l c一c 1 ho升 。 。 c二0 一 一 o + oh - 氏-c“。 一 o r 二p h 。 p h c h z 图 1 .6l a，侧a和l a / p h e l a共聚酷 利用双酚a ， 对苯二甲酞 氯， 邻苯二甲 酞氯和乳酸共 聚， 能得到高分子量的 产物， 如图1 . 7 。 149将芳 香族基团和脂肪 族基团 结合，能 够提高材料的降解性能 和机械性能。反映是从酞氯和乳酸酷交换产生的低聚乳酸发生熔融缩聚开始的。 “ 笼 抖 -一葱 ) 葱一丹冷oh 二 + 。一工象 蹂 。 1 子 。公羁。一理今”+ 。落 “1呈。丹汾。退 公”、 图1 7聚酷的合成 第 1 章 引言 1 :3具有液晶性的可降解芳香/ 脂肪共聚醋 液晶 ( lc ) 聚 合物是 朝着高力学和热学 性能 方向 发展的。这类的聚 合物有 k e v l a r 和v e c t r a 。一些液晶聚合物 ( 大部分 都还是聚酷)由于其 独特的 形 态和高取向性表现出极好的加工性能和力学性能。 虽 然 一 些 合 成 的 多 肤 如 聚 卜 苯 基 ， l 一 谷 氨 酸 酷 和 纤 维素 的 衍 生 物可 溶， 但 它 们无热致行为。 因此，目前 的研究 重点就 在于 提高 一些易加工，可生 物降 解， 可生物相容的聚合物的机械性能。要合成出如此高性能的可生物降解聚合物的 关键， 是要进行分子设计还有路线的制定。 理想的 可生物降 解热致液晶 聚合物 需由芳香族链段来充当液晶基元，脂肪族的链段来作柔性间隔基及降解单元。 用经乙 酸 ( c a ) 和 刀 一 羚苯甲 酸(p h b a ) 共缩聚时，可以降低它们的 熔化温度且 使其具有热 致性 ( 图 1 . 8 ) 。 1 50 但是由 于芳 香单元的 a 一 经基酸的可工缩聚 性不好， 反应的聚合度很有限。 + 。 一。 。:。0 粉 0 . c o 斋 图 1 .s g a /ph b a共聚醋 知一 铎 基 苯 甲 酸 (p hba) ， 经 乙 酸 ( ga)和 连 接 单 体 4 一 轻 基 苯 乙 烯 (p h c a) 采 用 一步熔融共缩聚合成出高分 子量的 具有生 物可降 解性的主链型热致液晶共聚酷 ( 图1 . 9 ) 。151 毕 h c a 是作为 调节p h b a 和g a 的 液晶 性和热致性的共聚单体，它 的双键结构为下 一步和交联反 应提 供了条 件。 产物的序列结构是无规的，它在 82o c 出现单一的玻璃化温度，在巧oo c 出现明显的吸热峰.在偏光显微镜下可以 观察到它是向列型液晶。 由于加入了g a 链段， 材料的亲水性得到了很大的提高。 材料的 水解是 在 c a 酷键上开始 发生的， 芳香族 链段上也可发生 水解。 ，。 笼。 。 + ，0 笼 c。 二“ “00 + ho 一 c“ : “00 “ m o 0 触， 2 4 比 0 1 0 劫 ): +owe .县we c。 十 +o笼 c h= ch co 卡 +o一、 叶 图1 9 p h b a z g a /ph c a共聚酷的合成 将联苯基乙 二酸乙二醋， 脂肪醇和轻乙 酸或聚乳酸反应不能得到高分子量 第 1 章 引言 和 机 械 性 能 的 产 物 ( 图 1 .1 0) 。 15 刀 因 此 ， 为了 提 高 分 子 量 ， 增 加 链 段 长 度， 应 将 反应温度大幅度提高，但是又可能发生热分解. ， 分 / 片 / 一、 分 十c .飞了卜 人 l 广一 c 一 。 一(c 性 、 。 一 片+忍 一 卿 一 。 斋 平 h ; c 氏 图1 . 10 聚醋的 结构 将3 一 (4 一 轻苯基) 丙酸 ( h p 队) ， 4 一 经基苯甲 酸( h b a)进行共缩聚， 得到产物如 图1 . 11 所示。 1 53 两者加入量为1: 1 的 产物iipp 九 ih b a 在220o c 时 出现向 列型纹理。 在p h 7 ， 3 0 0 c 下，该 产物降 解3 4 0 小时后 重量损失0 . 7 % 。 _/ 、只/ 一 分 八 田 喊 过 犷ch 声 咐 c 一 oh +加飞一 广c 一 oh l + 代 ch乏ch象 代 一 呈 卡 图1 . 11h p p 凡 il- b a共聚酷的合成 将苯基对苯二甲 酞氯， 2 ，2 ， 一 二甲 基峨4 一 二羚基联苯 和低聚乳酸反应，生成 产物如图1 . 12所 示。 队5 5 1 乳酸的 加入量直接影响了 产物的 机械性能。 通过细胞种 植实验， 可见 产物具有良 好的 生物相容性。产物的 水解和酶解性能还在进一步 的研究中。 ， 。 + 。 一 艺挑 十 。 ，。 、 、 ，沪 二， 。 。 、 图1 12 聚醋的合成 1 :3芳香/ 脂肪共聚醋的应用 2 0 世纪90年代初，为了深入研究脂肪/ 芳香共聚酷结构与性能之间的关系， 第1 章 引言 保 加 利 亚 索 非 亚 大 学 的 f ak iro vl 56 一58 等 以 p e d 、 b d o及 d m t为 起 始 原 料， 钦 酸 四丁酷作催 化剂， 采用酷交换 法， 合成出一系 列具有不同软、 硬段含量的 p e g t/ p b t 多嵌 段共聚 物 ( 图 5 ) ，并用 n m r 、 ir、d s c 和s a x s 等多种手 段对其 结构 与 性 能 进 行 了 表 征 。 与 此同 时 ， 荷 兰 学 者 bl itter s w ij k 、 f eij en 、 b e zeln er 等 人 对 p e g t/p b t共聚物 在骨、 软骨、 皮 肤组织工程和 药物控释体系中的 应用进行了 较为广 泛的 研究。此后 几年， 荷兰 h c 和i so tis两 大公司 就推出了 peg t/p b t 共聚 物 的 商 业 化 产 品 po ly a c tive。 j o hn s hop k in s 大 学 的 leo ng 5 认 60 等 将 磷 脂 基 团 引 入 p b t中 ， 推出 了 商 业 化 的 生物医 用材料p olite re fate 川， 并将其 用于 神经组 织工程和药 物控 释领域的 研究。 从1 999 年开始， 北京理工大学冯 增国、 张勇 等人在充分研究 p e g t/ p b t性 能的 基础上， 向 该结构中引 入1 ，4一 丁二 酸、 1 ， 4 一 环己 烷二甲 醇 单体作为第三组分， 开发出了一系列 新产品，并 将其应用于组织工程血管和支架 材料及药物控释载 体 ， 取 得 了 一 定 成 果 161 ，62 。 自 19 94 年 开 始 ， w 认 t 和 m 沮 le rll 4. 63 一6习 等 人 对 p b t 与 己 二 酸、 癸 二 酸 等 共 聚 得 到的脂肪/ 芳香共聚醋进行了详细的研究，他们在对该类共聚物序列结构进行详 细表征的 基础上， 按照德国 环境友好材料的标准对 其降 解产物进行了生态毒理 学评价，证明了 降解产 物的安 全性， b a s f 公司 将该聚酷冠 名eco n ex并使其商品 化。 e as l n l an 化学公司 采用 c h d m 为二 元醇的第二 组分， 以 ip 队 ( 间 苯二甲 酸) 为二元酸的第二组分，利用p e t 技术开发了一系列共聚聚醋产品如“ e as t e r bio、 “ e n lb 哪e 、 ，v er sa tr ay， 、 江 七 e rmx ” 等 脂 肪 / 芳 香 共 聚 酷 。 其 中 ，e as terbi o 是 一 种可完全生物分 解的 共聚聚酷， 在日 本此树脂 用来制造农用 薄膜、 垃圾袋、食 品包装容器等。 除b a s f 和e as t m a n 公司外，du p o n t 公司还开发了以p e t 为基础的“ bio m ax” 产品， 该类产品可以 制成纤维或薄 膜，也可以 制成热成型包 装材料。在微生物 作用下该类产品 转变为二氧化 碳和水，全部降 解产物对 环境 无害。 l 1 5芳香 用 旨 肪共聚醋的降解 近几年来， 对聚合物进行微观组织上的生 物可 控降 解引起了 大家显著的兴 趣。 在这类聚合物中由 于酷键的存在，使其 可以降 解。 像聚对苯二甲酸乙 二酷 这类的芳 香族聚酷虽然有优良 的机械性能， 但是 几乎不能 被微生物腐蚀。而大 第 1 章 引言 多数脂肪族聚酷虽有较好的降解性能，但是机械性能很差。多年来，都有 研究 将两者有机地结合起来，生成可以生物降解的芳香用 旨 肪共聚酷。 聚合 物的 生物降解 性能 不仅受到其化学结构， 特别是其所包 含的 功能基团， 材料的亲水一 憎水平衡影响，还和其序列结构，结晶性，取向有关。用来表征聚 合物降解性能的结晶度取决于无定形态程度和结晶区域的分布. 最常见的是酶 解发生在聚合物酷基，氨基或尿烷键上。聚合物的降解初步 是表面 被腐蚀 ( 酶没 有侵入聚合物内 部) ， 有小分子脱 离， 脱离的 部分能 够被微 生物吸收并代谢掉。因此一般“ 生物降解” 被认为是初步降解过程是由 水解 造成 的， 而不是 被酶催 化发生， 而且降解产物能够被 微生 物吸收后代谢。 芳 香族聚酷在一般 情况下不能发生水解，因 此有 研究将脂肪族链 段引 入芳 香族 聚酷中 改善其 水解 性能。 圆 toki w a 和 s u zuk i 将对苯二甲 酸丁二醋或邻苯二 甲酸乙 二酷和聚乳酸进 行酷交换反应， 研究它 们在根霉菌中的降 解情况. 16nwi tt 等 也 研 究了 脂 肪 族 聚酷 和芳 香 族 聚 酷 进 行 缩 聚 所 得聚 酷。 叫reed 和 伍 ldi ng 研 制 除 了 含 5 脚 。 % p e g 的 p et聚 酷， 得 到 分 子 量 为 1 5 00 的 生 物 可 降 解 橡 胶 。 1网n a g a ta 等也 研究了 在p et聚醋中加入脂 肪族二酸 或p e g 共聚后的酶 解情况。 1 70早 期的研 究表明 只有加入少量的芳 香链段生成的芳香脂肪共聚酷能发 生显著的降 解。 1 7 1 ， 7 1 芳香低聚物的降解性并不是随序列长度的变化而连续的不变化，而是具有 一个或两个对苯二酸酷单元的芳香低聚酷降解或代谢更快一些，而在这些试验 中具有较长芳香序列长度的低聚酷几乎不受影响。这也被解释为与溶解性有关， 芳香/ 脂肪共聚酷结合了不同材料的性能， 比如赋予了p et 或p b t 生物降解性， 而 这一 性能通常是只有脂肪族聚合物才有的， 因此具有很大的实用和商业价 值。 从环保的观点来看，芳香组分也不是很大的问 题。 然而， 迄今为止，关于酶对 共聚酷不同结构的 进攻机理的研究还是很有限的。 改进的新型材料的设 计和在 其他环境条件下的降解性能评价的工作也需要进行，用以 说明 可生物降解聚合 物的某些感兴趣的官能团的降解机理。 1 .4 论文 选题的目的 及意义 在医治骨折伤员时，传统的方法一般是选用金属合金作为内固定物。金属 材料作为内固 定物最大的 优点是 强度大， 但存在以 下缺点: ( 1)骨的刚 性(e= 1 一 第 1 章 引言 30g pa) 和金属的 刚性(e= 10 0 z oog p a)之间 不匹配。 这 种不匹配产生的 应力 遮挡，导 致位于内固 定物下方的 骨皮质吸收弱化， 骨折愈合延 迟， 这就 是w of ff 定 律。(2 ) 金属内固 定物埋入人体 组织内， 易产生电 解腐蚀而释放出 金属离子， 金 属离 子引发局部 组织的炎 性反 应， 炎性反应一旦发生则需 重新进行手术。( 3) 多 种金属螺栓和板的存在使骨头 缺乏营养，通常诱发形成纤 维性小 囊，易 使内 固 定物和骨头分开， 接触点的机 械运动导 致内固定物功能严 重受损， 这些金属 内 固定物需二次手术取出。由于上 述限制，激发了 化学和医 学研究 人员 对高分 子 新材料的研究兴趣，人们不断寻找强度大，刚性与骨头相 近， 组织相容性好 且可 免除二次手 术摘除的 材料， 在这方面， 选用可 吸收高分 子是较理想的。 由 于聚 经基 烷酸酷 (p h a ) 和聚内( 交) 酷 等脂肪族聚酷 具有良 好的生物降 解 性和生物相容性，因而在最初的 研究和开发聚酷的过程中受 到了普 遍重视， 如 聚 轻基丁酸 酷(p h b)、 聚丙 交酷 (pl a ) 、聚乙交 酷(p g a ) 、 聚己内 酷( p c l)、 聚乙 / 丙 交酷 共聚物(p l g a ) 等。 然而，随着研究的不断深入，脂肪族聚醋 逐渐暴露 出了自 身 的弊端: 熔点低，力学性能差，难以满足实际应用中对材料 性能多 方 面的 要求;原料成本高， 产品价格居高不下，这些都成了 制 约脂肪族聚酷进一 步 发展的 瓶颈。 热塑性芳香族聚醋热性能稳定，力学性能优良 ，便 于加工， 价 格低廉，自 从工业化以来，已经发展成