（材料学专业论文）光聚合聚乳酸聚乙二醇凝胶薄膜的合成及性能研究.pdf

摘要 近年来，生物可降解高分子材料在材料科学和生物医学领域得到了广泛的应 用。聚乳酸( p l a ) 是种无毒、可完全降解的聚合物，不仅具有较好的化学惰 性、易加工性，而且还具有良好的生物相容性，在生物医学领域受到广泛重视。 聚乙二醇( p e g ) 具有良好的亲水性和生物相容性，能够抗蛋白质吸附，是一种 优良的生物医学材料。但二者各有其局限性：聚乳酸是疏水性物质，降低了其生 物相容性；而聚乙二醇的降解性较差。人们通过各种手段将p l a 与p e g 复合， 使两者在性能上互补，以获得性能更加优异的生物医学材料。 本文选用l 乳酸、1 , 6 己二醇、三羟甲基丙烷和季戊四醇为原料，以氯化亚 锡为催化剂，通过直接熔融缩聚法，制备了一系列端基结构及分子量各不相同的 线形、支链形及星形结构的端羟基聚乳酸( p l l a o h ) ，进一步与丙烯酰氯反应， 得到了相应的聚乳酸丙烯酸酯( p l l a a c ) 。在此基础上，将p l l a a c 和聚乙 二醇双丙烯酸酯( p e g d a ) 按照不同配比，在光引发剂2 , 2 二甲氧基2 一苯基苯 乙酮( d m p a ) 作用下，经紫外光照射制得p l l a p e g 凝胶薄膜。 利用i r 、1 h n m r 、g p c 和x r d 等对p l l a o h 和p l l a a c 的结构和性质进 行分析；利用x r d 、拉力机和s e m 等对p l l a p e g 凝胶薄膜的结晶性能、力学性 能和内部形态进行了分析，并对薄膜的溶胀性能、降解性能和药物释放性能进行 了详细地研究。 结果表明，通过改变p l l a a c 的结构、分子量以及p l l a a c 与p e g d a 的配比，可以调节p l l a p e g 光聚合水凝胶薄膜的各项性质，并使其成为一种 具有优良性能和应用前景的生物材料。 关键词：聚乳酸；聚乙二醇：光聚合：水凝胶；药物释放 a b s t r a c t t h eb i o d e g r a d a b l ep o l y m e rm a t e r i a l sh a v eb e e nw i d e l yi n v e s t i g a t e da n da p p l i e d i nm a t e r i a is c i e n c ea n db i o m e d i c a lf i e l di nr e c e n ty e a r s p o l y ( l - l a c t i ca c i d ) h a sb e e n a t t a c h e dm u c ha t t e n t i o ni nb i o m a t e r i a l a p p l i c a t i o n so w i n gt o i t ss a f e t y , b i o d e g r a d a b i l i t y , e n v i r o n m e n t a lc o m p a t i b i l i t ya n ds oo n h o w e v e r , i t sc l i n i c a l a p p l i c a t i o n s a r es o m e t i m e si n t e r f e r e dw i t h h y d r o p h o b i cp r o p e r t y , w h i c hc o u l d d e c r e a s et h eb i o c o m p a t i b i l i t y p o l y ( e t h y l e n eg l y c 0 1 ) i sa l s oa ne x c e l l e n tb i o m a t e r i a l w i t hh y d r o p h i l i ca b i l i t y , b i o c o m p a t i b i l i t ya n dr e s i s t i b i l i t yt o p r o t e i na d s o r p t i o na n d c e l la d h e s i o n p l l ai su s u a l l ym o d i f i e db yp e gt og e tab e t t e rm a t e r i a l w h i c hc o u l d c o m b i n et h ea d v a n t a g e so fp l l aa n dp e g i nt h ep a p e r , m u l t i - h y d r o x y lg r o u p se n d e dp o l y ( l l a c t i ca c i d ) s ( p l l a o h ) w e r e p r e p a r e du s i n gl - l a c t i ca c i d a n d1 ，6 - h e x a n e d i o l 2 - e t h y l 一2 - h y d r o x y m e t h y l - 1 ， 3 - p r o p a n e d i o l | p e n t a e r y t h r i t o lb yd i r e c tp o l y c o n d e n s a t i o n a f t e r w a r d 。a c r y l a t e dp o l y ( l - l a c t i ca c i d ) s ( p l l a - a c ) w e r eg a i n e dt h r o u g ht h er e a c t i o no fp l l a - o h sa n d a c r y l o y lc h l o r i d e f u r t h e r m o r e ，as e r i e so fp l l a - p e gh y d r o g e lf i l m sw e r ef o r m e db y u vp h o t o p o l y m e r i z a t i o nu s i n g2 ，2 - d i m e t h o x y - 2 一p h e n y l a c e t o p h e n o n e ( d m p a ) a s i n i t i a t o r t h es t r u c t u r e sa n dp r o p e r t i e so fp l l a o h sa n dp l l a - a c sw e r ec h a r a c t e r i z e d b yr 1h n m rg p c a n dx r d t h ep r o p e r t i e so fp l l a p e gh y d r o g e lf i l m sw e r e m e a s u r e db yx r d ，s e ma n ds oo n b e s i d e s ，t h es w e l l i n gp e r f o r m a n c e ，d e g r a d a t i o n a n dd r u gr e l e a s eb e h a v i o r so fp l l a p e gh y d r o g e lf i l m sw e r ea l s os t u d i e di nd e t a i l t h er e s u l t ss h o wt h a tp l l a p e gh y d r o g e lf i l m sc o u l di m p r o v et h ep r o p e r t ya n d p e r f o r m a n c eb yc h a n g i n gp l l a - a cm o l e c u l a rw e i g h t s t r u c t u r ea n dp r o p o r t i o no f p e g d a w h i c hc o u l db ew i d e l ya p p l i e di nb i o m e d i c a lf i e l di nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：p o l y ( l l a c t i ca c i d ) ，p e g , p h o t o p o l y m e r i z a t i o n ，h y d r o g e l , d r u g r e l e a s e 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和取得的 研究成采，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨注盘鲎或其他教育机构的学位或证 粥而使用过的材料。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了谢意。 学位论文作者签名：稿碳 签字日期： 0 年月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞基鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鎏盘堂可潋将学莅论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：巍礞 签字日期：h 刁年月垆日 导师虢璐籽 签字嗍) 嘲年6 玛占诌 第一章前言 第一章前言 水凝胶是一种亲水的聚合物网络，可以吸收大量水，其物理性质接近软组织。 从上世纪6 0 年代初有人报道了聚甲基丙烯酸羟基乙酯( p h e m a ) 具有良好的生 物相容性后，人们对亲水性凝胶进行了广泛的研究。光聚合提供了一种快速可控 形成水凝胶的方法。光聚合与传统的聚合方法相比，具有反应速率快、反应条件 缓和、反应放热低等特点。这些优点使光聚合水凝胶在生物医学领域中获得了广 泛的应用，包括防止血栓、防止手术后粘连的形成，以及药物传送、细胞移植、 生物传感器的涂层等。 作为生物降解高分子材料，聚乳酸( p l a ) 是研究最早的聚酯类可降解材料之 一。早在1 9 6 6 年，就有人指出p l a 在体内降解生成的最终产物是c 0 2 和h 2 0 ，其 中间代谢产物乳酸也是体内正常代谢产物，不会在体内蓄积。正是由于其良好的 生物可降解性，p l a 得到美国f d a 批准，广泛应用于医疗植入、外科缝合、组织 再生以及药物控释系统等多个方面。 随着p l a 应用领域的不断扩展，单纯的p l a 已经不能满足人们的需要，人们 改变以往的聚合方法，将乳酸与其它单体共聚以改变聚合物的性质。聚乙二醇 ( p e g ) 是人们最常使用的亲水性嵌段。作为一种聚醚高分子物质，p e g 具有良好 的亲水性和生物相容性。在疏水的p l a 链段中引入亲水性的p e g 链段后，可以较 大地提高共聚物的亲水性。可以预见由p l a 和p e g 交联成的水凝胶体系，既具有 聚乳酸的生物相容性及可降解性，克j 艮p l a 本身的缺点，提高亲水性和生物相容 性，又可以利用p e g 聚醚的软链段，改善p l a 材料的机械性能，增加其韧性。 本实验通过以下步骤合成p l 王，a p e g 光聚合水凝胶： 1 分别以l 乳酸和1 , 6 己二醇、三羟甲基丙烷、季戊四醇为原料，在催化 剂s n c l 2 2 h 2 0 作用下，直接熔融缩聚合成端羟基聚乳酸( p l l a o h ) ，利用 1 h n m r 和g p c 对其结构和性质进行分析。 2 将p l l a o h 和丙烯酰氯反应合成聚乳酸丙烯酸酯( p l l a a c ) ，利用 1 h n m r 和g p c 对其结构和性质进行分析。 3 将p l l a - a c 以不同比例和聚乙二醇双丙烯酸酯( p e g d a ) 混合，在 光引发剂2 , 2 二甲氧基2 苯基苯乙酮( d m p a ) 作用下，通过紫外光引发光聚合， 合成光聚合水凝胶薄膜。 利用x - r a y 、d s c 和s e m 等方法对光聚合水凝胶薄膜进行表征，并对其机械 性能、溶胀性能、降解性能和药物释放性能进行了详细的研究。 第二章文献综述 2 1 引言 第二章文献综述 水凝胶是一种亲水的聚合物网络，物理性质接近软组织。这些性质使水凝胶 在生物医药领域获得了广泛的应用，例如药物释放体系、组织工程支架、生物传 感器、隐形眼镜等。 光聚合提供了一种快速可控形成水凝胶的方法。所谓光聚合水凝胶是指借助 光引发剂，通过可见光或紫外光引发聚合而形成的水凝胶。通过光聚合方法制备 水凝胶具有如下优点：可使聚合物前驱体水溶液原位交联，因而可用于制备可注 射水凝胶；产物几何形状易于控制：在室温或生理温度下固化时间短( 从不到 秒钟到几分钟) ；较低的反应热等。这些优点使光聚合水凝胶在生物医学领域中 获得了广泛的应用，包括防止血栓、防止手术后粘连的形成，以及药物传送、细 胞移植、生物传感器的涂层等。 2 2 光聚合水凝胶的合成 2 2 1 光引发剂 光聚合反应过程中一般要用到对某一特定光波长有很强吸收能力的物质，以 产生自由基引发种子。这种物质就是光引发剂。选择引发剂时要考虑到一些因素， 包括：生物适应性、溶解性、稳定性以及细胞毒性等。 根据光分解机理，可以把光引发剂分为三大类，包括：光裂解型光引发剂、 提氢型光引发剂和阳离子型光引发剂。其中由于阳离子型光引发剂会产生质子 酸，故一般不在组织工程中应用。图2 1 为不同光引发剂在光照条件下引发光聚 合示意图。 2 2 1 1 光裂解型引发剂引发自由基聚合 光照条件下，光引发剂会在c i c 、c c i 、c o 或c s 键处发生裂解，如图2 1 ( a ) 所示。这种光引发剂包括芳香族羰基化合物如安息香衍生物、苯乙酮衍生物、羟 烷基苯衍生物等。其中，苯乙酮衍生物能够不断减少未反应的引发剂的含量，同 时不影响引发效率。苯乙酮衍生物如2 ，2 = 甲氧基2 苯基苯乙酮( d m p a ) ，作 2 第二章文献综述 为光引发剂在聚乙二醇衍生物形成水凝胶的生物材料研究中多次用到。 u y ，斗 a a 奉r ；卫匕r 上上。呻 i 。ai 屿 + r l x 十 妇) l i ， d h， bb bhj -d 、 、一 i i y ， 、一 c 0+dhc o h + d 图2 1 不同光引发剂在紫外光照射下引发光聚合 ( a ) 光裂解型光引发剂自由基引发( b ) 提氢型光弓f 发剂自由基引发 f i g2 - 1d i f f e r e n tp h o t o i n i t i a t o r sp r o m o t er a d i c a lp h o t o p o l y m e r i z a t i o n ( a ) r a d i c a lp h o t o p o l y m e r i z a t i o nb yp h o t o c l e a v a g e ( b ) r a d i c a lp h o t o p o l y m e r i z a t i o nb yh y d r o g e na b s t r a c t i o n 2 2 1 ，2 提氢型引发剂引发自由基聚合 在紫外光照射下，光引发剂如芳香酮( 如噻吨酮和苯甲酮) 在氢提取过程中 从一个质子供体产生一个羰游基和一个供体自由基，如图2 一i ( b ) 。光聚合的引发 一般是通过供体自由基进行的，同时羰游基与大分子生长偶合。 2 2 2 光聚合合成方法 光聚合反应的实旌方法有多种，而其中本体光聚合和界面光聚合是生物医学 领域中最常用的方法。 2 2 2 1 本体光聚合 本体光聚合是将光引发剂溶于水凝胶前驱体溶液( 单体或大分子单体) 中， 在适当的光照条件下前驱体溶液转化为水凝胶状态。本体光聚合会在组织表面形 成较厚的水凝胶膜，可以防止术后粘连或作为药物释放体系。h u b b e l l i l l 制备了聚 乳酸聚乙二醇聚乳酸多丙烯酸酯嵌段共聚物，使用2 ，2 二甲氧基2 一苯基苯乙酮 溶- t - n 一乙烯基吡咯烷酮( n v p ) 作为光引发体系，通过氙气弧光灯( 3 6 0 3 6 5n m ) 3 第二章文献综述 以c a 7 0m w c m 2 照射2 0s 后即可形成黏附于组织表面的水凝胶层。 2 2 2 2 界面光聚合 界面光聚合将光引发剂附着于细胞或组织表面，然后与水凝胶前驱体溶液接 触，在适当波长的光照射下，在光引发剂和溶液的界面就会形成水凝胶薄膜 ( p l l a 2 0 h p l l a 3 0 h 。这可能是由于聚乳酸的结构不同造成的，p l l a 2 0 h 和p l l a 4 0 h 分子链结构相对规整；p l l a 3 0 h 中存在c 2 h 5 ，破坏分子链的规整 性，造成结晶性能下降。 05 0 0 01 0 0 0 01 5 d2 0 0 0 0 g m o l 图3 _ 4p u a o h 的g p c 分子量分布图 f i g3 - 3t h e m o l e c u l a rw e i g h td i s t r i b u t i o no fp l l a o hb yg p c 2 l 第三章聚乳酸丙烯酸醢大分子单体的合成 02 04 06 0 8 01 0 0 2 t h e t ai d e g r e e 图3 - 5 p l l a o h 的x 射线衍射图 f i g3 - 5t h ex r a ys p e c t r u mo fp l l a - o h 3 3 2 聚乳酸丙烯酸酯( p l l a a c ) 的合成及表征 3 3 2 1p l l a a c 的合成 本实验通过端羟基聚乳酸( p l l a o h ) 与丙烯酰氯在三氯甲烷的环境中反 应，使端羟基转化为丙烯酸酯基团。反应过程如图3 - 6 所示( 以p l l a 2 0 h 为例) 。 m 飞t h 。苇飞h + c h ：气h i 飞。 ：j l 一- i - - + j i 一： ：= 一 v n 一卜、 一一= = c h 2c hco0 h 2 蛔0cc hc h 2 + h c l 图3 - 6p l l a 2 a c 的合成 f i g3 - 6t h es y n t h e s i so fp l l a 一2 a c 丙烯酰氯化学性质非常活泼，能够与水发生剧烈反应。因此，反应必须在无 水条件下进行，各种原料及反应装置必须进行严格的除水处理。此外，在反应装 置中通氮气，以排除体系中的氧气及水蒸气。 第三章聚乳酸丙烯酸酯大分子单体的合成 根据多数文献，在进行羟基与丙烯酰氯反应时，通常加入三乙胺。其主要目 的是中和反应产物h c i 。但三乙胺若过量会导致产物变黄，这是由于大分子单体 端双键与未反应的三乙胺形成配合物，如图3 7 所示。 +he q 1 ) 姒 o 图3 7 三乙胺产生带色产物 f i g3 - 7t h es y n t h e s i so f c o l o u r e ds u b s t a n c ef r o mt r i e t h y l a m i n e 本实验为避免产物带色进而影响光聚合，选择不加入三乙胺，直接将反应产 生的h c i 气体导出体系，用带有干燥管的碱性溶液吸收。但这种方法也有不足： 体系中始终充满h c i ，可能会影响反应动力学，阻碍反应的进行。因此，本实验 通过延长反应时间使反应更充分，提高双键封端率。 3 3 2 2p l l a a c 的表征 本实验制得i 拘p l l a a c 为淡黄色粘性固体。分别通过i r 、1 h - n m r 、x r a y 等对其进行表征，分析其结构和性质。 3 3 2 2 1p l l a a c 的红外光谱分析 图3 8 是p l l a o h 和p l l a a c 红外光谱的对比图( 以p l l a 3 0 h 和 p l l a 3 a c 为例) 。可以看出，大分子单体p l l a a c 与p l l a o h 有着相似的红外 特征吸收，同样在1 7 5 0c m 。附近出现很强的p l l a - o h 酯羰基c - - o t * 展振动峰， 并在1 1 3 0c m o 附近出现c o 对称伸展振动峰以及1 4 5 5 锄_ 附近的c h 弯曲振动 峰。不同的是p l l a a c 在1 6 3 8 c m 。1 和8 1 2 c m 1 附近出现新的吸收峰，这是 p l l a a c 中c - - c 的振动吸收峰。值得注意的是，3 5 0 0 c m 以附近的吸收峰未发生 明显变化，这可能是由于p l l a o h 中的o h 只在链端出现，含量较少，吸收峰不 明显：而p l l a - a c 中可能会存在少量未反应的端羟基，因此会造成这种现象的 发生。 第三章聚乳酸丙烯酸酯大分子单体的合成 ( 1 ) p l l a - 3 0 h 一2 k 1 2 4 0 0 0 3 5 0 03 0 0 02 5 2 0 0 01 5 0 01 0 0 05 0 0 w a v e n u m b e r ，( 】r r l 1 图3 - 8p l l a o h 和p l l a a c 的红外光谱图 f i g3 - 8t h e rs p e c t r u m so f p l l a o ha n dp l l a - a c 3 3 2 2 2p l l a a c 的核磁共振波谱分析 p l l a 3 0 h 2 k 和p l l a 3 a c 2 k 在d m s o d 6 中的1 h n m r 如图3 - 9 ( 1 ) 、( 2 ) 所 示。可以看出，p l l a 3 a c 2 k 在6 = 1 4 0p p m 和6 = 5 2 0p p m 附近分别出现了一系 列聚乳酸重复单元中甲基质子的吸收峰( d ) 和次甲基质子的吸收峰( c ) ，两者 面积之比约为3 ：l 。不同的是，与p l l a o h 相比，在6 = 1 2 0p p m 和6 = 4 2 0p p m 附近分别出现的聚乳酸羟基端中甲基质子的吸收峰( b ) 和次甲基质子的吸收峰 ( a ) 的峰面积明显减小。此外，在6 = 6 0 6 5p p m 之间出现了八重峰，属于a b x 型烯烃的三个质子峰，由于峰间的重叠，没有出现典型的十二重峰。其中j ( 6 = 6 3 5 p p m ) 为酯基同侧的氢的化学位移，i ( 6 = 6 2 5p p m ) 为酯基异侧的顺式氢的化学位 移，h ( 6 6 0 0p p m ) 为酯基异侧的反式氢的化学位移。这说明大部分聚乳酸羟基 端与丙烯酰氯反应，合成p l l a a c 。 根据聚乳酸重复单元中甲基质子吸收峰( d ) 与聚乳酸丙烯酸酯端基中甲基质 子吸收峰( b ) 面积之比，可以按式3 3 计算p l l a a c 的数均分子量。根据聚乳 酸端基中次甲基质子吸收峰( a ) 与丙烯酸酯基团中酯基同侧氢吸收峰( j ) 面积之比， 可以按式3 4 计算p l l a - a c 的丙烯酸酯封端率。 q m p l l a a c = ( 多元醇羟基个数+ 多元醇羟基个数) 7 2 + m 多元尊 + m 丙埔酰氯( 3 3 ) 第三章聚乳酸丙烯酸醣大分子单体的合成 丙烯酸酯封粹5 两s j x1 0 0 a i 嘞 c o hi j ( 1 ) d ( 3 - 4 ) 弓a ，c 0 | 、 置。 ；cb ；c 夕呷三，叩 翕pf g 一k久 、 1 _ 一， 765432p p m 图3 - 9 ( i ) p l l a 3 0 h j f l l ( 2 ) p l l a 3 a c 老e d m s o d 6 中的1 h n m r 谱图 f i g3 - 9t h e1 h - n m ro f ( 1 ) p l l a - 3 0 ha n d ( 2 ) p l l a 3 a ci nd m s o - d 6 表3 - 4p l l a a c 的分子量及分子量分布 t l b 3 4t h em o l e c u l a rw e i g h ta n dd i s t r i b u t i o no fp l l a a c 表3 4 是各种聚乳酸丙烯酸酯的数均分子量、重均分子量、分子量分布及丙 d-i_iiniiijilj 、j l 第三章聚乳酸丙烯酸酯大分子单体的合成 烯酸酯封端率的列表。可以看出，多数p l l a a c 比p l l a o h 分子量有所增加， 这是由于与丙烯酰氯反应后形成丙烯酸酯。其丙烯酸酯封端率随多元醇羟基数量 的增加而降低，这是由于聚合物结构由线型转变为星型，分子链段排列更加不规 整，更容易发生分子链卷曲，不容易与丙烯酰氯反应，因此封端率下降。 3 3 2 2 3p l l a a c 的g p c 分析 通过g p c 检测p l l a a c 的数均分子量、重均分子量及分子量分布。图 3 1 0 ( 1 ) 、( 2 ) 分别是p l l a 3 0 h 3 k 和p l l a 3 a c 3 k 的g p c 谱图。可以看出，在 p l l a a c 制各过程中，分子量和分子量分布没有发生显著变化，p l l a 链段也 没发生明显的降解现象。同时，如表3 _ 4 所示：与p l l a o h 相似，当分子量较 低( 1 0 0 0 左右) 时，p l l a - a c 分布较窄( 1 2 4 1 4 4 ) ；分子量较高( 2 0 0 0 - - 3 0 0 0 ) 时，p l l a o h 分布变宽( 1 5 5 - 1 6 3 ) 。 05 0 0 01 0 0 0 01 5 0 0 02 0 0 0 0 g t o o l 图3 1 0p l l a a c 和p l l a o h 的g p c 分子量分布图 f i g3 1 0t h em o l e c u l a rw e i g h td i s t r i b u t i o no f p l l a o ha n dp l l a - a cb yg p c 3 3 2 2 4p l l a a c 的x 射线衍射分析 通过x 射线衍射研究p l l a a c 的结晶性能，见图3 - 1 l 。可以看出，p l l a a c 与p l l a o h 的x r d 曲线基本一致，同样在20 = 2 0 。左右存在尖锐的吸收峰，说 明有结晶相的存在。利用计算机分峰法计算得到的结晶度分别为：p l l a 2 a c 一2 k 为6 1 0 2 ：p l l a 3 a c 2 k 为5 0 9 4 ； p l l a _ 4 a c 2 k 为6 9 1 9 。由此可说明 p l l a - a c 结晶性能强弱依次为：p l l a 4 a c p l l a 2 a c p l l a 一3 a c 。这可能 是由于聚乳酸的结构不同造成的，p l l a 2 a c 和p l l a - 4 a c 分子链结构相对规整； 第三章聚乳酸丙烯酸酯大分子单体的合成 p l l a 3 a c q b 存在c 2 h 5 ，破坏分子链的规整性，造成结晶性能下降。 02 04 06 0 8 01 0 0 2t h e t a | d e g r e e 图3 1 1 ( 1 ) p l l a - 2 0 h 和( 2 ) p l l a - 2 a c 的x 射线衍射图 f i g3 - l 1t h ex - r a ys p e c t r u mo f ( 1 ) p l l a 一2 0 ha n d ( 2 ) p l l a _ 2 a c 第四章p l l a p e g 光聚合水凝胶薄膜的合成和性能研究 第四章p l l a p e g 光聚合水凝胶薄膜的合成和性能研究 4 1 实验部分 4 1 1 实验原料 在本实验的研究中，所用的化学试剂如表4 - 1 所示： 表4 1 实验原料一览表 t a b l e4 一i l i s to f e x p e r i m e n t a lm a t e r i a l s 4 1 2p l l a p e g 光聚合水凝胶薄膜的合成 将大分子单体p l l a a c 与聚7 , - - 醇( 2 0 0 ) 双丙烯酸酯( p e g d a ) 按照不 同比例混合溶于三氯甲烷溶液，加入0 8w t 的2 ，2 二甲基一2 一苯基苯乙酮 ( d m p a ) 。完全溶解后，倒入玻璃模板。待溶剂缓慢挥发后，置于4 0 0w 的中 压紫外汞灯下，距离1 0c m ，在饱和强度下照射1 0m i l l ，即可得到p l l a p e g 光 聚合水凝胶薄膜。将薄膜置于2 5 真空烘箱干燥2 4h ，备用。 4 1 3 载药水凝胶薄膜的合成 按照4 1 2 的方法，在大分子单体p l l a a c 与p e g d a 的三氯甲烷混合溶 液中加入粉芳己碱三氯甲烷溶液( o 0 0 2g m 1 ) ，使粉芳己碱浓度达到7m g 。 在此基础上制得载药水凝胶薄膜，并置于2 5 真空烘箱干燥2 4h ，备用。 第四章p l l a p e g 光聚合水凝胶薄膜的合成和性能研究 4 2 水凝胶薄膜结构表征及性能测试 4 2 1 凝胶含量测试 取2 5 真空烘箱干燥2 4h 后的薄膜，称重为w l 。然后置于索示抽提器中用 丙酮抽提1 2h ，并置于2 5 真空烘箱干燥2 4h ，称重为w e 。凝胶含量( g ) 可 用公式4 1 计算： g ：磐1 0 0 ( 4 1 ) 形 、。 4 2 2 磷酸缓冲溶液的配置 配制0 2m o l ln a 2 h p 0 4 和0 2m o l ln a i l 2 p 0 4 溶液，按照体积比8 1 ：1 9 配制 体积为l l 的p b s 溶液，测得其p h 值为7 4 。 4 2 3 溶胀测试 将抽提过的水凝胶薄膜分别置于磷酸缓冲溶液( p b s ，p h = 7 4 ) 和三氯甲烷 中，在一定时间间隔内取出，用滤纸擦去薄膜表面液体，称重为w 3 。直至重量 恒定，称重为w 。薄膜的溶胀度及平衡溶胀度分别用公式4 - 2 、4 - 3 计算： q = 警l o 。 ( 4 - 2 ) 盼半x 1 0 似 ( 4 3 ) 4 2 4 红外光谱分析 使用b i o r a df t s6 0 0 0 型傅立叶红外光谱仪进行红外光谱分析。扫描 次数为2 5 6 次，分辨率为2c m 1 。 4 2 5x 射线衍射( x i ) 分析 聚合物的结晶性能用荷兰p a n a l y t i c a l 公司x 射线衍射仪( x r d ) ，型号为 x p e r t ，以c o 为靶材，k 。= 1 7 8 9 0 l a ，2o - - l o 9 0 。 4 2 6 扫描电镜( s e m ) 分析 水凝胶薄膜及载药薄膜通过氮气脆断和拉伸断裂，经过s b c 2 真空处理机 2 9 第四章p l l a - p e g 光聚合水凝胶薄膜的合成和性能研究 喷金后，用扫描电子显微镜( s e m ，p h i l i p sx l 3 0 ) 观察其表面。 4 2 7 力学性能测试 使用t e s t o m e t r i c ，m 5 0 0 1 0 a x 型材料测试机，测量水凝胶薄膜的断裂强度、 断裂伸长率及杨氏模量。水凝胶薄膜裁成5xlc l l l 2 的样品，在室温下测定。拉伸 速率为1 0r a m r a i n 。实验结果为三个样品的统计平均，以平均值标准偏差表示。 4 2 8 水凝胶薄膜的降解性能测试 将水凝胶薄膜裁成0 5 0 5c m 2 的样品，称重为w 。然后，将其置于5m lp h 为7 4 的p b s 溶液中，环境温度保持在3 7 。在一定时间问隔内取出并在真空烘 箱中干燥2 4h ，称重为w ；( i - l n ) ，以此观察水凝胶薄膜的降解性能。 4 2 9 载药水凝胶药物释放的性能测试 将水凝胶薄膜裁成1 1c m 2 的样品，置于9 0m lp h 为7 4 的p b s 溶液中，环 境温度保持在3 7 。c 。每次取4m l 溶液，并补充相同体积的p b s 溶液。对取出的溶 液进行u v 分光光度计测定2 1 8 n m 的吸收光强度，代入标准曲线方程计算药物释 放百分比。 4 3 结果与讨论 4 3 1 紫外光聚合机理 本实验所采用的紫外光聚合是依靠光引发剂在紫外光照射下产生活性自由 基，进而引发聚合反应。常用的光引发剂按照活性自由基产生的机理主要分为两 大类：裂解型自由基光引发剂和夺氢型自由基光引发剂。本实验中使用的2 , 2 二甲氧基2 苯基苯乙酮( d m p a ) 属于裂解型自由基光引发剂。d m p a 在紫外光 照射下会裂解成苯甲酰自由基和卞醚自由基，如图4 1 。其中，苯甲酰自由基反 应活性很高，是引发聚合的主要自由基，卞醚自由基反应活性较低。d m p a 的光 解产物中含有醌类结构，反应产物容易变黄，这也是本实验水凝胶薄膜呈淡黄色 的主要原因，见图4 - 2 。 第四章p l l a p e g 光聚合水凝胶薄膜的合成和性能研究 图4 - ld m p a 的光引发机理 f i g4 - 1t h em e c h a n i s mo f d m p ap r o m o t i n gr a d i c a lp o l y m e r i z a t i o n 图禾2d m p a 光解产物形成醌类物质 f i g4 - 2t h es y n t h e s i so f b c a z o q u i n o n ef r o md 慨 4 3 2p l l a p e g 不同配比对水凝胶薄膜含量的影响 h 3 o c h 3 将聚乳酸丙烯酸酯( p l l a a c ) 与聚e , - - 醇双丙烯酸酯( p e g d a ) 按不同 比例配比，研究不同聚乳酸结构和不同配比对薄膜凝胶含量的影响，见表4 2 。 表4 - 2 不同聚乳酸结构和不同配比对薄膜凝胶含量的影响 t a b l e4 - 2t h ee f f e c to fp l l a a cs t r u c t u r ea n dp r o p o r t i o nt og e lc o n t e n t 由表可知，由相同结构p l l a a c 合成的光聚合水凝胶薄膜，其凝胶含量随 p l l a a c 含量的增加( 2 0 - 8 0 ) 而下降( 9 8 3 8 1 2 ) 。这是由于聚乳 酸链较聚乙二醇长，相同质量时双键含量低，导致体系交联密度低，凝胶含量随 第四章p l l a - p e g 光聚合水凝胶薄膜的合成和性能研究 p l l a a c 含量增加而下降。聚乳酸丙烯酸酯结构的变化( 由线型转变为星型) ， 对凝胶含量影响不大。 4 3 3 光聚合水凝胶薄膜的溶胀性能 溶胀性能是水凝胶的重要性能之一。在溶胀过程中一方面溶剂进入高聚物内 使其体积膨胀。另一方面由于交联聚合物体积膨胀，导致网络分子链向三维空间 伸展，分子网络受到应力产生弹性收缩而能使分子网络收缩。当这两种相反的倾 向相互平衡时，达到了溶胀平衡，可见凝胶的体积之所以溶胀或收缩是由于凝胶 内部的溶液与其周围的溶液之间存在着渗透压。根据f l o r y 凝胶溶胀理论，渗 透压丌为： 广，、i 31 万一等卜( 一力彬夕 一l 匕j 一圭云卜棚( 一) + 警x 1 0 0 在上式中v 0 是溶剂的摩尔体积；r 和t 分别是气体常数和热力学温度；x 是 f l o r y 相互作用函数；伊o 、妒分别是溶胀前及溶胀平衡时凝胶中高分子的体积分 数；砌、腿甜分别是凝胶和溶液中离子的总浓度：v 是干凝胶中有效高分子链密 度。上式称为凝胶的状态方程，它表达了 矽t 的关系。 可见，网络的溶胀特征与溶质、溶剂的性质、温度、压力及凝胶的交联度有 关，渗透压由大分子链溶剂相互作用l ( 第l 项) ，大分子网络的橡胶弹性2 ( 第2 项) 及聚合物网络内、外离子浓度差3 ( 第3 项) 构成。 本实验中，光聚合水凝胶薄膜由聚乳酸和聚乙二醇两种物质构成。其中，聚 乳酸为疏水性物质，聚乙二醇为亲水性物质。因此，本实验分别选用p h 为7 4 的p b s 溶液和三氯甲烷以考察水凝胶在不同环境下的溶胀性质。 4 3 3 1 光聚合水凝胶薄膜在p b s 中的溶胀 4 3 3 1 1 聚乳酸结构对水凝胶薄膜溶胀性能的影响 由p l l a - 2 a c 2 k 、p l l a 3 a c 2 k 和p l l a - 4 a c 2 k 合成的水凝胶薄膜 ( p l l a ：p e g = l ：4 ) f i l mp l l a 2 2 1 、f i l mp l l a 3 2 1 和f i h np l l a 4 2 1 在 p h = 7 4 的p b s 中的溶胀性能如图4 3 所示。由图可见，对于水凝胶薄膜，在短 时间内( 1 2h ) 即可达到溶胀平衡。对于f i l mp l l a 22l ，达到平衡溶胀约 需要8 0m i n ，且平衡溶胀度高于另外两种薄膜。这可能是由于p l l a 2 a c 2 k 合 成的水凝胶薄膜交联密度低于另外两种薄膜，微观网格较大，能够吸收更多的水 分。f i l mp l l a 3 2 1 和f i l mp l l a - 4 2 1 的平衡溶胀度接近，但后者溶胀较慢。 3 2 第四章p l l a p e g 光聚合水凝胶薄膜的合成和性能研究 原因可能是后者交联密度更大，结构更复杂，在溶胀时，p b s 溶液更难进入。 图4 3 聚乳酸结构对水凝胶薄膜溶胀性能的影响 f i g4 - 3t h ee f f e c to fp l l a - a cs t r u c t u r et og e l ss w e l l i n g 4 3 3 1 2 聚乳酸分子量对水凝胶薄膜溶胀性能的影响 水凝胶薄膜f i l mp l l a 21l 、f i l mp l l a 2 - 2 一l 和f i l mp l l a 23l 在p h = 7 4 的p b s 中的溶胀性能如图4 - 4 所示。由图可见，随着聚乳酸分子量的提高，水凝 胶薄膜的平衡溶胀度呈增加趋势，而薄膜达到溶胀平衡所需时间降低。这是由于 随着聚乳酸丙烯酸酯分子量增加，薄膜的交联密度降低，微观网格较大，能够吸 收更多水分。同时，网格较大时，水分更容易进入凝胶内部，因此达到溶胀平衡 时间更短。 4 3 3 1 3 光聚合水凝胶薄膜在p b s 中平衡溶胀度的分析 分别由p l l a 2 a c 、p l l a 3 a c 、p l l a 4 a c 合成光聚合薄膜，研究不同分 子量及p l l a - a c 含量对其平衡溶胀度的影响，见图4 5 、图4 - 6 、图4 7 。 第四章p l l a - p e g 光聚合水凝胶薄膜的合成和性能研究 1 1 0 1 0 9 1 1 0 7 1 琴1 0 5 a1 0 4 1 ，d 3 1 0 2 1 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 2 03 04 06 07 01 0 0”0 t i m e ，m i n 图4 - 4 聚乳酸分子量对水凝胶薄膜溶胀性能的影响 f i g4 - 41 1 1 ee f f e c to fp l l a m o l e c u l a rw e i g h tt of i l ms w e l l i n g t h ec o n t e n to fp l l a ， 图4 - 5p l l a 一2 a c 合成光聚合薄膜在p h = 7 4 的p b s 中的溶胀性能 f i g4 - 5t h es w e l l i n gp e r f o r m a n c eo fp l l a p e gf i l m s ( p l l a - 2 a c ) i np b s ( p h = 7 4 ) 紧、o g 摹 、 o a 第四章p l l a - p e g 光聚合水凝胶薄膜的合成和性能研究 t h ec o n t e n t o f p l l a ， 图4 - 6p l l a 3 a c 合成光聚合薄膜在p h = 7 4 的p b s 中的溶胀性能 f i g4 - 6t h es w e l l i n gp e r f o r m a n c eo fp l l a - p e gf i l m s ( p l l a 一3 a c ) i np b s ( p h = 7 4 、 1 ，1 0 1 ，0 9 1 0 8 1 0 7 1 术1 0 5 a1 0 4 1 0 3 1 。0 2 1 0 1 1 0 0 2 03 04 05 06 0 7 0 8 0 t