（材料学专业论文）可生物降解聚碳酸酯的合成及其性能研究.pdf

、肇 彤、， 扫 二i “ 叠 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g 论文英文题名 s t u d i e so ns y n t h e s i sa n d p r o p e r t i e s o fb i o d e g r a d a b l ep o l y c a r b o n a t e s m a j o r：f u n c t i o n a lp o l y m e r s c a n d i d a t e ：l ux i a o j u n s u l ：y a ng u op i n g s u p e r v i s o r t i u o - l l n g ： w u h a ni n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y w u h a n ，h u b e i4 3 0 0 7 4 ，p c h i n a m a y ，2 0 0 7 jlji刊刖 孓旷& 士 心 y c h p i - v 摘要 可生物降解高分子是生物医用材料的重要组成部分，它在植入后 不需经二次手术取出，在体内不滞留积累，已成为生物医用材料研究 中最活跃的领域之一。可生物降解聚碳酸酯是聚酯高聚物的重要分 支，系二元碳酸的相应聚酯。它具有良好的生物相容性，可生物降解 性，在手术缝合线，骨固定材料以及药物控制释放系统等领域得到了 越来越广泛的应用。 聚碳酸酯是较理想的生物医用材料，可用作药物控制释放体系的 载体。本文从结构、合成、性质以及应用方面对可生物降解聚碳酸酯 的研究进展进行了综述。 以异丙醇铝及辛酸亚锡为引发剂，采用本体聚合的方法，合成了 一系列5 ，5 二甲基三亚甲基碳酸酯( d t c ) 与9 苯基2 ，4 ，8 ，l o 四氧 螺【5 ，5 】十一烷一3 酮( p t c ) 的碳酸酯共聚物，重点研究了单体投料比 及引发剂种类对共聚物的影响，并测定了两单体的竞聚率。聚合物经 1 hn m r 、f t - i r 、d t a 等进行结构表征，并初步研究了共聚物的释 药性能。实验表明以共聚物为载体的药片具有稳定的释药速率和良好 的控制释放性能。 聚三亚甲基碳酸酯( p o l y t r i m e t h y l e n ec a r b o n a t e ，p t m c ) 是脂肪 族聚碳酸酯中最引人注目的可生物降解高分子材料，其功能化和亲水 性的改善是目前p t m c 研究的重要方向。在s n ( o c t ) 2 的催化下，以 t m c 和p t c 为共聚单体进行开环聚合，对所得共聚物进行了1 h n m r 、f t - i r 、u v 等结构表征，并对共聚物的释药性能作了初步研 究。实验表明以共聚物为载体的药膜具有稳定的释药速率和良好的控 制释放性能。 聚( 己内酯) 作为一种合成的脂肪族聚酯，由于其良好的可生物 降解性、生物相容性以及药物透过性，在生物医学领域得到了广泛应 用。将碳酸酯与己内酯共聚可以方便地引入功能化亲水性基团，又 可以降i k 乇p c l 结晶性，综合了聚碳酸酯与p c l 的优点，从而获得既不 失p c l 优良的药物通透性，又具有可控生物降解性的共聚物。在 s n ( o c t ) 2 的催化下，以p t c 和己内酯为共聚单体进行开环聚合，对所 得聚合物进行了1 hn m r 、f t - i r 、u v 等结构表征，并初步研究了共 聚物的释药性能。实验表明以共聚物为载体的药片具有稳定的释药速 率和良好的控制释放性能。 关键词：聚碳酸酯可生物降解开环聚合药物控释 k 一 t y 妒蓉l、。 亡一 - “ l i q a b s t r a c t d e 伊a 拙ep 。y m e 必o 及ft 以h e 川m o s f ta m 拟i 劬椭e 酬 m a t e r i a l s 名n f e i n t _ ，- 昭鹞t h e yh a v ea t t r a c t e dm u c ho ft h ea t t e n t i o na n d ，、。 r a p i dd e v e l o p m e n tb e c a u s et h e ye l i m i n a t et h en e e df o rs u r g i c a lr e m o v a l 、 a f t e ri m p l a n t a t i o n b i o d e g r a d a b l ep o l y c a r b o n a t ei s o n eo fb r a n c h e so f p o l y e s t e r sa n di t i sm a d ef r o mr e s p e c t i v ed i o l s ( p h e n o l s ) a n dc a r b o n i c a c i d t h e yh a v eb e e nu s e di nt h em e d i c a lf i e l d s ，：我l r e ，b 。n e f i x i n ga n dd r u gd e l i v e r ys y s t e m sd u et ot h e i rg o o db i o c o m p a t i b i l i t ya n d b i o d e g r a d a b i l i t y s y n t h e t i cp o l y c a r b o n a t e s2 u r ei d e a lc a n d i d a t e sf o rb i o m a t e r i a l s t h e y 。 一 ，、。 a r eb e i n gi n v e s t i g a t e da sb i o d e g r a d a b l em a t e r i a l sf o rw i d eu s ei nd r u g d e l i v e r ys y s t e m sa n dav a r i e t yo fb i o m e d i c a la p p l i c a t i o n s i nt h i sp a p 。e r , 挑s1 3 t h er e s e a r c hp r o g r e s so fb i o d e g r a d a b l ep o l y c a r b o n a t e si sr e v i e w e d as e r i e so fp o l y c a r b o n a t e sh a v eb e e ns y n t h e s i z e di nb u l ku s i n g a l ( 0 1 p r ) 3a n ds n ( o c t ) 2a si n i t i a t o r sb yr i n g - o p e n i n gp o l y m e r i z a t i o nw i t h d i f f e r e n t c y c l i c c a r b o n a t e s ， i n c l u d i n g5 , 5 一d i m e t h y l - t r i m e t h y l e n e c a r b o n a t e ( d t c ) a n d2 , 2 - ( 3 - p h e n y l 一2 ，4 - d i o x y l - 1 ，5 一d i y l ) t r i m e t h y l e n e c a r b o n a t e ( p t c ) t h e e f f e c t so fm o n o m e r c a t a l y s tm o l a rr a t i oa n d d i f f e r e n tc a t a l y s t so nt h ep r o p e r t i e so fc o p o l y m e r sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d a n dt h er e a c t i v i t yr a t i o so ft h em o n o m e r sh a v eb e e nd e t e r m i n e d a l l i i i _ 驴 ，l c o p o l y m e r sw e r ec h a r a c t e r i z e db yf t - i r ，hn m r ，d t a t h e5 一f u r e l e a s et e s t so fc o p o l y m e rw e r ea l s oe v a l u a t e da n dp o l y c a r b o n a t e s p o s s e s s e dt h es t e a d yd r u gr e l e a s er a t e s l ，。一 a l t h o u g hp o l y t r i m e t h y l e n ec a r b o n a t e ( p t m c ) i so n eo ft h em o s t a t t r a c t i v eb i o m a t e r i a li n p o l y c a r b o n a t e s ，t h e f i m c t i o n a l i z a t i o na n d 6 - i m p r o v e m e n t o fh v d r o p h i l i c i t yo fp t m cr e m a i n st h e c h a l l e n g e ，o 、_ _ _ _ - _ - 。_ _ - _ - - 一 p o l y ( p t c c o - t m c ) s h a v eb e e n s y n t h e s i z e db yr i n g - o p e n i n g c o p o l y m e r i z a t i o nw i t hp t ca n dt m cu s i n gs n ( o c t ) 2a sa ni n i t i a t o r t h e c o p o l y m e r so b t a i n e dw e r ec h a r a c t e r i z e db yf t - i r ，hn m r ，d t a t h e 5 f ur e l e a s et e s t so f c o p o l y m e r s w e r ea l s o i n v e s t i g a t e d a n d p o l y c a r b o n a t e sp o s s e s s e ds t e a d yd r u gr e l e a s er a t e s p o l y ( e - c a p r o l a c t o n e ) ( p c l ) ，a sas y n t h e t i ca l i p h a t i cp o l y e s t e r ，w a s e x t e n s i v e l yu s e di nt h eb i o m e d i c i n ef i e l dd u et oi t sh i g hb i o d e g r a d a b i l i t y ， b i o c o m p a t i b i l i t y a sw e l l a s d r u gp e r m e a b i l i t y an o v e l p o l y ( c a r b o r a t e c o 一c a p r o l a c t o n e ) w a ss y n t h e s i z e db yt h er i n g - o p e n i n g p o l y m e r i z a t i o no ft c a r p r o l a c t o n ea n dt h ef u n c t i o n a l i z e dc y c l i cc a r b o n a t e m o n o m e rp t cu s i n gs n ( o c t ) 2a sa ni n i t i a t o r t h ec o p o l y m e r sw e r ea l s o c h a r a c t e r i z e db yf t - i r ，hn m r ，d t a t h e5 - f ur e l e a s et e s t s o f c 。p o l y m e r sw e r ea l s 。i 1 1 v e s i g a e da n dp o l y c m 。n a e sp o s s e s s e ，ds t 煎 d r u gr e l e a s er a t e s t h e s ec o p o l y m e r so b t a i n e dc o m b i n e dt h ep r o p e r t y i v - k r 吣， 够参 一 - - h v 白 v a d v a n t a g e s o f p o l y c a r b o n a t e s a n dp c la n d p o s s e s s e d t h e g o o d b i o d e g r a d a b i l i t y a n d d r u gp e r m e a b i l i t y ，t h u sb e i n g t h e p o t e n t i a l ，一一一一、- - b i o m a t e r i a lf o rd r u gd e l i v e r y k e y w o r d s ：p o l y c a r b o n a t eb i o g r a d a b l er i n g - o p e n i n gp o l y m e r i z a t i o n d r u gc o n t r o l l e dr e l e a s e 赣教 i 吁乐 词汇 v - k 卜八v y 鼻参 f v u q v 目录 摘要o o oo oo oo ooo oo ooo oo i a b s t r a c t i i i 第1 章可生物降解聚碳酸酯的研究进展1 l 弓i 言1 2 可生物降解聚碳酸酯的结构和种类2 2 1 含脂肪族主链的聚碳酸酯3 2 1 1 线型脂肪族聚碳酸酯3 2 1 2 网状脂肪族聚碳酸酯9 2 1 3 树型脂肪族聚碳酸酯1 0 2 2 含芳香族主链的聚碳酸酯1 1 3 可生物降解聚碳酸酯的合成1 2 3 1 缩合聚合1 2 3 2 环氧化合物与二氧化碳的加成反应1 3 3 3 环状碳酸酯开环聚合1 3 3 3 1 开环均聚1 4 3 3 2 开环共聚1 6 4 可生物降解脂肪族聚碳酸酯的改性2 l 4 1 可生物降解脂肪族聚碳酸酯的性能研究2 l 4 2 可生物降解脂肪族聚碳酸酯的改性2 1 4 2 1 聚碳酸酯的功能化2 2 4 2 2 聚碳酸酯的共聚2 3 4 2 3 聚碳酸酯的共混2 4 5 可生物降解聚碳酸酯在生物医学上的应用2 5 5 1 药物控制释放载体2 5 5 2 可吸收缝合线2 6 5 3 骨固定材料2 6 5 4 缪织董国王堡2 7 参考文献 2 8 第2 章d t c - p t c 共聚物的合成、表征及性能研究3 7 1 前言3 7 2 实验部分3 9 2 1 试剂和仪器3 9 2 2 单体的合成3 9 2 2 1 环状碳酸酯5 ，5 一二甲基一三亚甲基碳酸酯( d t c ) 的合成3 9 2 2 2 环状碳酸酯9 一苯基一2 ，4 ，8 ，1 0 - 四氧螺 5 ，5 十一烷- 3 - 酮( p t c ) 的合成4 0 2 3 碳酸酯共聚物的合成4 0 2 3 1 共聚物组成的测定4 l 2 3 2 竞聚率的测定4 1 2 4 聚合物的体外释药实验4 1 3 结果与讨论4 2 v i 3 1 环状碳酸酯单体的合成4 2 3 2 共聚物的合成4 3 3 2 1 不同单体配比对共聚物的影响4 4 3 2 2 引发剂种类对共聚物的影响4 4 3 3 结构表征 4 5 3 4 竞聚率的测定 4 7 3 5 聚合物的体外释药性能4 9 4 结论5 0 参考文献5 l 第3 章t m c - p t c 共聚物的合成、表征及性能研究5 2 l 前言5 2 2 实验部分5 3 2 1 试剂和仪器5 3 2 2 单体的合成5 4 2 2 1 三亚甲基碳酸酯( t m c ) 的合成0 0 00 00 5 4 2 2 2 环状碳酸酯9 一苯基一2 ，4 ，8 ，1 0 - 四氧螺 5 ，5 十一烷一3 一酮( p t c ) 的合成54 2 3 共聚物的合成5 4 2 4 聚合物的体外释药实验5 5 3 结果与讨论5 5 3 1 单体( t m c ) 的合成5 5 3 2 共聚物的合成5 6 3 3 结构表征 5 6 3 4 共聚物载药膜片体外释药性能5 9 4 结论一”5 9 参考文献6 0 第4 章c l - p t c 共聚物的合成、表征及性能研究6 1 1 前言6 l 1 日u 吞 “。b l 2 实验部分6 2 2 1 试剂和仪器 6 2 2 2 单体的合成6 3 2 3 共聚物的合成6 3 2 4 聚合物的体外释药实验6 4 3 结果与讨论6 4 3 1 结构表征6 4 3 2 共聚物载药膜片体外释药性能6 7 4 结论”6 8 参考文献6 9 主要结论7 0 致谢7 2 v 垂 i 卜 奄 ， 奠 慧 d ： t _ “ 第1 章可生物降解聚碳酸酯的研究进展 武汉工程大学硕士学位论文 第1 章可生物降解聚碳酸酯的研究进展 1 引言 生物医用材料是用于生物系统疾病的诊断、治疗、生物体组织或 器官修复或者替换，增进或恢复其功能的材料。主要包括人体器官 或组织替代材料、药物控制释放材料和诊断材料等【2 1 。合成高分子、 金属、陶瓷、一些天然材料以及由无生命材料和活体细胞组织结合而 成的杂化材料等都可以用作生物医用材料【3 1 。其中，高分子材料具有 与生物体极其相似的化学结构，良好的物理机械性能与生物相容性， 以及简便的生产、加工成型特性，因此在生物医用材料的研究和应用 领域中占有独特的优势和举足轻重的地位【4 1 。生物医用高分子材料可 分为非生物降解型和可生物降解型两类。可生物降解高分子材料是指 能在生物体内经水解、酶解等过程，逐渐降解成低分子量化合物或单 体，降解产物能参与体内正常代谢过程的高分子材料【5 】。与非生物降 解型高分子材料相比，可生物降解高分子材料在植入后不需经二次手 术取出，并且在体内不滞留积累，可降解成小分子通过代谢排出，已 成为生物医用材料研究中最活跃的领域之一【6 。0 1 。 目前，主要研究和应用的可生物降解医用高分子材料包括胶原 【1 1 】，明胶【1 2 】，甲壳素【1 3 16 1 ，微生物聚酯1 7 1 等天然可生物降解高分子材 料和聚( 0 【羟基酸) 1 8 - 1 9 1 ，聚原酸酯【2 0 - 2 1 ，聚酯【2 2 - 2 3 1 ，聚碳酸酯【2 4 - 2 6 ， 聚磷酸酯f 2 7 五9 1 ，聚( q 羟基酸) 3 0 - 3 1 等合成可生物降解高分子材料。其 第1 章可生物降解聚碳酸酯的研究进展 武汉工程大学硕士学位论文 中聚乙醇酸( p g a ) 3 2 1 ，聚乳酸( p l a ) 3 3 - 3 5 1 等聚羟基酸型可生物降解型 高分子材料已得到广泛的应用，但在临床应用中也发现，在接受这类 植入材料的病人中，约有8 发生了后期非感染性炎症反应，这是由 于这类材料降解时释放大量酸性物质所致【3 6 】。 聚碳酸酯是聚酯高聚物的重要分支，系二元碳酸的相应聚酯。可 生物降解聚碳酸酯降解后生成二氧化碳和中性的二元醇( 酚) ，具有良 好的生物相容性和物理机械性能，而且种类繁多，通过改变主链化学 结构可以使聚合物具有广泛的物理、化学和生物学性质，以满足不同 需要。另外，可生物降解聚碳酸酯可以通过多种途径引入各种类型的 可功能化侧基，从而方便地对材料进行改性。因此，可生物降解聚碳 酸酯在手术缝合线，骨固定材料以及药物控制释放等领域得到了越来 越广泛的应用 3 7 。9 1 。本文拟对可生物降解聚碳酸酯的研究进行简单概 述。 2 可生物降解聚碳酸酯的结构和种类 最早用作生物材料的聚碳酸酯是含双酚a 的聚碳酸酯，主要用于 制造人工肾和人工颅骨，但它不能生物降解，只能用作体内永久替代 物【4 0 l 。可生物降解聚碳酸酯是指能在生物体内经水解、酶解等过程， 逐渐降解成二元醇( 酚) 和二氧化碳的聚碳酸酯。可生物降解聚碳酸酯 具有良好的生物相容性，并且具有优良的机械加工性能，作为生物材 料，其研究已引起人们的日益重视。根据其主链化学结构一般可分为 两大类：含脂肪族主链的聚碳酸酯和含芳香族主链的聚碳酸酯。下面 ，! i 卜 吣 _ 莹 i d _ b u - “ v 第l 章可生物降解聚碳酸酯的研究进展武汉工程大学硕士学位论文 将分别简述。 2 1 含脂肪族主链的聚碳酸酯 与双酚a 型聚碳酸酯相比，脂肪族聚碳酸酯分子间作用力小，因 此它一般具有熔融温度低、溶解性能好、有一定的亲水性、水解稳定 性差、玻璃化转变温度低等特性【4 1 1 ，长期以来未被引起足够的重视。 近二十年来，随着可生物降解高分子在生物医用材料领域的迅猛发 展，脂肪族聚碳酸酯所具有的可在生理条件下水解的特性，使得这类 聚合物的合成与应用研究受到越来越广泛的关注。 2 1 1 线型脂肪族聚碳酸酯 一般而言，脂肪族二元醇都可用于制备相应的聚碳酸酯。由于脂 肪族二元醇化学结构的多样性导致了脂肪族聚碳酸酯的多样性。通过 调节主链单体单元碳原子个数及侧链基团的性质，可以得到不同物理 机械性能、热学性能、亲水疏水性能以及降解性能的聚碳酸酯【4 2 1 。 聚亚乙基碳酸酯( p o l y e t h y l e n ec a r b o n a t e ，p e c ) 是结构最简单的一 种脂肪族聚碳酸酯。它具有良好的生物相容性，其片剂植入小鼠的腹 膜腔内，没有出现相应的生长迟缓现象，在植药处也没有发现可观察 到的不良反应。虽然其力学性能不理想，抗张强度和弹性模量分别为 5 8 和2 1m p a ，但由于有良好的可生物降解性，而且其降解速率很快， 一般在体内两个星期即可降解完全，是一种良好的药物控制释放载 体。 第1 章可生物降解聚碳酸酯的研究进展武汉工程大学硕士学位论文 聚三亚甲基碳酸酯( p o l y t r i m e t h y l e n ec a r b o n a t r ，p t m c ) 是最常见同 时也是研究最为广泛的可生物降解脂肪族聚碳酸酯。p t m c 的物理形 态取决于聚合物的分子量，低分子量聚碳酸酯( m w t m ( ) c h lc h i 2 7 8 6 1 1 2 l ；1 2 3 c h 3 c n6 8 。8 l i 搿1 3 1 ；1 3 2 c 1 1 3 c o o c - 1 38 7 8 5 8 c i i c h 2 0 c o c h ， - 9 ，3 ：- 5 5 c 2 h 5 c h 2 0 h 2 7 1 1 7 c z h sc l l 2 0 c f 0 ) n h p h 4 07 i c z h s c h 2 0 c h 2 a 限c h 2- 2 9 3 c 2 h s c h 2 0 c o c h - 7 3 ：1 24 7 7 c h 2 0 hc h 2 0 h1 6 3 1 7 9 ；1 4 7 c i i ：( ) c i ：o c h 2 3 62 0 2 c h 2 0 c ( c h 3 k c c h 29 9 ；鹋 1 9 9 t a b l e1 - 3 ：c o m p a r i s i o no fp r o p e r t i e s0 fb i o d e g r a d a b l ep o l y m e r s 眦p t m cp d t h cp 姒p c l m w 1 2 0 0 0 4 2 1 0 01 0 1 0 05 0 0 0 0 毒4 0 0 0 1 _ g ( o c ) s- l s55 4貌 t m ( ) a l l r l o f p i l o l , l sa m o r p h o l l s a m o r p h o u s 1 7 0 5 7 t d r c ) 2 l o2 6 11 3 82 4 03 5 0 t e n s i l em o d u l u s ( m p a ) 2 1 3 01 6 3 01 2 0 04 0 0 t e n s i l es t r e n g t b ( m j a )5 9o 5 4 0 2 81 6 e l o n g a t i o n 砒b r e a k ( ) 1 6 07 ，o 6 og o w a t e rc o n t e n t ( ) 0 4 o 71 80 4 3 2 1 2 网状脂肪族聚碳酸酯 s t o r e y 等利用三羟甲基丙烷引发t m c 和d ，l l a 共聚得到一系列 星形的含端羟基的预聚物，一方面，预聚物用甲基丙烯酸酯封端，再 通过自由基引发交联得到无定型态的网状聚碳酸酯【5 3 1 。另一方面，预 聚物用二异氰酸酯交联，同样可得无定型态的网状聚碳酸酯【5 4 1 。这 种无定型态网状聚碳酸酯的强度随着聚合物的降解而线性下降，从而 9 第1 章可生物降解聚碳酸酯的研究进展武汉工程大学硕士学位论文 表现出比半结晶高分子材料在组织支撑和固定方面更好的性能。 p e n n i n g s 等利用螺双二亚甲基碳酸酯为交联剂与丙交酯开环共 聚制得交联p l a p c 共聚物，当交联度为2 时，其抗张强度超过7 0 m p a ， 溶剂渗透率下降4 倍，降解速度也大大降低，可用作长效体内组织修 复材料 5 5 1 。 陈立班等采用高分子负载双金属催化剂，运用调节聚合的机理， 由c 0 2 和环氧乙烷直接合成数均分子量2 0 0 0 3 0 0 0 的聚亚甲基碳酸酯 二元醇，然后与甲苯二异氰酸酯反应得预聚物，再加入三羟甲基丙烷 可得交联型聚碳酸酯聚氨酯。该聚合物经土埋法生物降解发现，1 3 月降解速度很慢，但六个月后有非常明显的降解。模拟生理水解表明 样品在p b s 缓冲溶液中电磁搅拌三周后，其失重率达7 6 【5 6 】。 2 1 3 树型脂肪族聚碳酸酯 树型高分子具有精确的化学结构，单分散的分子量，而且表面有 大量的功能基，作为有潜力的药物和基因控制释放载体，其研究引起 人们的目益重视。最近，r a n n a d 等巧妙地利用l ，1 一羰基二咪唑( c d i ) 衍生物与醇的选择性反应，以收敛法合成了树型聚碳酸酯，其化学结 女l l - f ( s c h e m es ) 1 5 7 1 ： 1 0 参 t - ， - p _ 第1 章可生物降解聚碳酸酯的研究进展 武汉工程大学硕士学位论文 s c h e m e5a l i p h a t i cp o l y c a r b o n a t ed e n d r i m e r 2 2 含芳香族主链的聚碳酸酯 为了提高可生物降解聚碳酸酯的机械强度和力学性能，可在聚碳 酸酯的主链上引入含芳香基的单体链节。k o h n 等系统地研究了主链 含酪氨酞酪氨酸二肽和脱氨基酪氨酰酪氨酸二肽的聚碳酸酯【5 嘶5 1 ， 其化学结构女h s c h e m e6 所示： 弋嘶广扯一r 卜。一 ii 翼 c o o t ：h 2 ) l l c h ， r = ho rc b z n h m = l ，3 , 5 ，7 s c h e m e6t y r o s i n e d e r i v e dp o l y c a r b o n a t e s 这类聚合物有相同的主链结构，所不同的是侧链烷基酯碳原子个 数存在差异，一般为乙基，丁基，己基或辛基。随着侧链基团的增大， 聚合物玻璃化温度逐渐降低，疏水性逐渐增强，从而影响相应聚碳酸 酯物理机械性能，表面性能以及降解性能。对聚合物的生物学性质， 比如成纤维细胞在聚合物上的粘附、扩散、增殖等，也存在一定的影 响。这类聚碳酸酯为无定型态的材料，可通过注射模压，吹塑，热成 第l 章可生物降解聚碳酸酯的研究进展 武汉工程大学硕士学位论文 型等方法制成纤维，薄膜，棒等。这类主链含酪氨酞。酪氨酸二肽和 脱氨基酪氨酸酪氨酸二肽的聚碳酸酯有良好的机械性能，其最大的 抗张强度和杨氏模量分别可达5 0 m p a 署1 1 2 g p a 。植入体内后，有良好的 生物相容性，并可逐渐通过水解降解为酪氨酸和二氧化碳，降解周期 可从几个月到几年不等，在骨组织修复和固定材料中有广泛的应用。 3 可生物降解聚碳酸酯的合成 按聚合机理，聚碳酸酯的合成一般可归为缩合聚合，环氧化合物 与二氧化碳加成聚合以及环状碳酸酯开环聚合三类。 3 1 缩合聚合 缩合聚合分为二元醇( 酚) 与光气的缩聚1 6 6 - 6 7 1 和二元醇与二烷基 碳酸酯的酯交换 6 8 - 6 9 1 两类。前者是含芳香族主链的高分子量聚碳酸酯 的经典合成方法，一般通过溶液缩聚和界面缩聚进行( s c h e m e7 ) 。对 脂肪族聚碳酸酯而言，此法生成碳酸酯的速度很慢，提高温度可加快 反应，但温度超过5 0 时，反应过程中生成单羟基化合物，链终止反 应出现得早，影响产物分子量的提高。后者( s c h e m e8 ) 的反应条件为 碱性催化剂和高温。高温下原料易挥发，碱性条件下生成的聚碳酸酯 也易于降解和分解，所以由它制得的产物分子量也有限。 oo h o h + c - 一c 一c i 一斗c 珏- - o - - r - - o + 2 h c i 沪r 一+ i 一一呻叶十_ + s c h e m e7p o l y c o n d e n s a t i o no fd i o l so rd i p h e n o i sw i t hp h o s g e n e 量 t - 一， 0 _ 第1 章可生物降解聚 h 0 一r 一o h s c h e m 3 2 环氧化合物 虽然含芳香族主链的聚碳酸酯可以通过缩聚反应来制备高分子 量的聚合物，然而，以缩聚法得到的脂肪族聚碳酸酯却分子量不高， 需进一步提高其分子量，才能得到具有良好性能的高分子材料。环氧 刃 化合物与二氧化碣例进行加成反应，便是合成高分子量脂肪族聚碳酸 l 酯的方法之一。常用的环氧化合物为环氧乙烷或环氧丙烷。这一反应 利用大气中的c 0 2 制备高分子材料，在当今自然资源日益短缺、温室 效应日益严重的情况下，具有重要的意义。但由此法所得到的脂肪族 聚碳酸酯主链中不可避免地含有聚醚结构重复单元，因此合成高分子 量脂肪族聚碳酸酯最重要的途径还是开环聚合。 3 3 环状碳酸酯开环聚合 与缩聚反应相比较，环状碳酸酯的开环聚合在合成聚碳酸酯方面 具有突出的优点：( 1 ) 开环聚合反应不会生成离去的副产物。而这 些副产物，往往是些小分子，如果不能有效的从反应体系中除去，就 会对单体的转化率和聚合物分子量产生非常大的负面影响。( 2 ) 在 聚合中热效应低、聚合速度快、能在短时间内达到很高分子量，如果 需要获得高分子量，分散度较窄的聚合物，开环聚合应该是更为有 第1 章可生物降解聚碳酸酯的研究进展 武汉工程大学硕士学位论文 效的方法。开环聚合的环状碳酸酯单体根据环的大小，一般有五、六、 七元环以及极少数大环。由于五元环碳酸酯开环聚合时，总是或多或 少有脱二氧化碳现象产生f 7 2 1 ( s c h e m e9 ) ，因此开环聚合合成聚碳酸酯 时一般用六元环或更大的环状单体。然而对于七元环或更大的环状单 体而言，由于在制备单体时过程烦琐，且收率极低( 一般不超过1 5 ) ， 娴较秒瑁翩膈黔施能脂麟燃咖渐胖彬 为六元环碳酸酯。 3 3 1 开环均聚 工一f 址。 s c h e m e9 叩 j r p 开环均聚是研究得较多的合成可生物降解高分子材料的常见方 法。从酶作用的部位来看，这些聚合物大致可以分为聚酯，聚碳酸酯， 聚磷酸酯三类。到目前为止，己见报道的用于酶促开环聚合的环状单 体归纳如下( s c h e m el o ) ： 聚酯类高分子因其具有良好的降解性能、生物相容性以及组织可 吸性，应用范围主要集中在包装领域和生物医学工程领域，如药物控 制释放体系、骨固定材料、组织修复、细胞培养和医用手术缝合线等。 良好的可生物降解性及其单体的易得性，使得环状内酯在酶促开环反 应中研究的最为普遍，成为酶促开环反应的代表类型。 1 4 参 - 气 p 、 0 i 口珏f 一 胃q r 第1 章可生物降解聚碳酸哺的研究进展武汉工程大学硕士学位沦文 肇r ， u 厂、 文d n 2 j ，7 1 0 i l 。1 4 ，1 5 n - i 3 4 b o 人 1 r 尸气 。兰又；c h 加= 。o 兰叭( c h 加c = o 泸_滞k 厂尸 s c h e m e10t h em o n o m e r su s e di nt h ee n z y m e - c a t a l y z e dr i n g - - o p e n i n gp o l y m e r i z a t i o n 脂肪酶除了常用于内开环聚合，近来也被用于环状碳酸酯的开环 聚合。b i s h t 等人探讨了脂肪酶n o v o z y m e - 4 3 5 ，p p l ，p s 3 0 ，a k ，c c l ， 脚和l i p o z y m e i m 等对于三亚甲基碳酸酯的开环聚合的影响 ( s c h e m el1 ) 。在o 聚合温度下，以n o v o z y m e 一4 3 5 为催化剂，三亚甲 基碳酸酯经1 2 0 , i x 时反应后，可以得到分子5 0 0 0 的聚碳酸酯， 转化率高达9 7 。反应过程中没有发生脱二氧化碳的副反应。 m a t s u m u r a 也作了类似的工作，他们发现在p p l 的催化下，分子量可 以远远高于1 5 0 0 0 ( m w = 1 5 6 0 0 0 ) 。结果的差异应该是由于各自反应的 温度不同造成的。与此相对应，k o b a y a s h i 等报道了在高浓度的酶条 1 5 一 。诠 q ，开o 第1 章可生物降解聚碳酸酯的研究进展武汉工程大学硕士学位论文 件下，t m c 的开环聚合现象。当酶的浓度为5 0 w t 时，p t m c 数均分 子量只有8 0 0 7 3 1 。 蔓1 删2 啦明2 妊 s c h e m e11l i p a s e - c a t a l y z e dr i n g o p e n i n gp o l y m e r i z a t i o no f t r i m e t h y l e n ec a r b o n a t e k r i c h e d o r 舔u y a m a 合作对环状双碳酸酯进行了溶液酶促聚合 ( s c h e m e1 2 ) 。在6 0 。c 下进行酶促反应时，l i p a s ec a l ：k l i p a s e p f 显示出 较高的活性。单体( a ) ( r = ( c h 2 ) 6 ) 比单体( b ) ( r = ( c h 2 ) 2o ( c h 2 ) 2 ) 更容易 聚合。在甲苯或者异苯醚中，单体( a ) 反应7 2 1 2 0 t j 、时，分子量超过 1 2 1 0 4 。在没有酶存在条件下，单体不发生聚合反应【7 4 1 。 0 一善溉。旦棚。一k 1 0 ：踟篙啸 o l _ 霹一j 气o h ，k s c h e m e12l i p a s e c a t a l y z e dr i n g - o p e n i n gp o l y m e r i z a t i o no fc y c l i cd i c a r b o n a t e 3 3 2 开环共聚 共聚反应是一种有效的调节聚合物的物理化学性质的合成方法。 通过调节共聚反应中单体的组成以及投料比，可以有效的调控共聚物 的组成和各重复单元的比例，从而达到改善聚合物性质的目的。由于 酶促开环聚合还是一个较新的研究领域，所以酶促开环共聚到目前为 止还没有得到很大关注，有关的研究报道还不是很多。共聚反应不同 于均聚反应，除了己知的常见反应因素的影响，它对反应还提出了额 1 6 r 夺 - 0 o 父 霄o 第1 章可生物降解聚碳酸酯的研究进展武汉工程大学硕士学位论文 外的要求。例如共聚单体的相对活性，动力学和重复单元的热力学分 布等等。 3 3 2 1 聚碳酸酯共聚物 在8 0 。c 下经l i