医用生物降解材料—聚乙交酯的研究

医用生物降解材料聚乙交酯的研究 医用生物降解材料聚乙交酯的研究*徐纪刚陈功林韩国义赵庆章（中国纺织科学研究院，北京，100025）摘要本文利用搅拌反应釜合成了聚乙交酯PGA，研究了聚合过程中特性粘数、单体转化率、聚合物熔体粘度、聚合物的热稳定性等的变化规律，并应用FT-IR、1H-NMR等对聚合物的结构进行了表征和确认。 关键词:聚乙交酯生物降解O633.14；TQ314.2文献识别码A聚乙交酯（又称聚乙醇酸）作为一种聚酯类生物可降解高分子材料，是第一个用于可吸收缝合线的聚合物，作为缝合线不仅具有较高的拉伸强度，而且具有良好的生物相容性和生物降解性，降解产物为二氧化碳和水，可被肌体自行吸收和排泄，对人体无不良反应，无需拆线，不会留下疤痕，在临床上得到了广泛的应用1-4。 国内对聚乙交酯的合成一般采用封管法，这种方法虽得到的聚合物相对分子质量较高，但存在聚合物均一性、重现性、聚合的可控性较差等缺点，也无法实现批量生产，更不能实现工业化生产。 国外也有搅拌反应釜生产聚乙交酯的研究报道4，但较少。 我们利用20L搅拌反应釜合成了PGA，在国内第一次完成了PGA的10kg级聚合，且聚合物性能均一，为以后PGA的工业化生产奠定了良好的基础。 2）将干燥好的试样用乙酸乙酯在索式抽提器抽提48小时，然后在30-35下真空干燥24小时。 1.3试样的分析和测试方法1.3.1聚合物转化率的测定聚合物的转化率，就是转化为聚合物的单体或生成的高聚物占聚合过程中单体总量的百分比。 可以通过抽提前后聚合物的重量比来表征聚合的转化率1.3.2聚合物特性粘数的测定3重量比为11的苯酚/四氯乙烷为溶剂，配成0.1g/dl的溶液，在25下用乌式粘度计分别测定溶剂和聚合物溶液的流出时间t0和t,通过“一点法”公式计算聚合物的特性粘数。 “一点法”的计算公式为=2(sp-lnr)c1实验部分1.1PGA的聚合将一定量的乙交酯以及摩尔配比分别为0.01%的辛酸亚锡和0.01%的月桂醇，加入反应釜，密封反应釜，抽真空，通氮气，置换三次，然后开始迅速升温至160，同时开启搅拌，45分钟后开始取样，同时以5/3min的速度升温至230，在230下反应一段时间后停止，反应中间每间隔为15分钟取一次样。 1.2试样的处理1）将聚合物切片在30-35下真空干燥24小时。 *北京市自然科学基金资助项目，编号为2062023其中，为特性粘数，r=t/t0为相对粘度，sp=r-1为增比粘度，c为聚合物浓度1.3.3IR的测试Nicolet公司400D FT-IR仪器，溴化钾压片法。 1.3.41H-NMR的测试Varian公司Unity500MHz核磁共振谱仪，以CF3COOD为溶剂，TMS为内标。 1.3.5聚合物流变性能的测定Toyoseiki公司Capirograph流变仪，毛细管直径2.0mm，测试温度2301.3.7TGA的测试Perkin Elmer公司Pyris1TGA仪器，升温速度10/min2结果与讨论2.1PGA结构的表征和确认4000350030002500200015001000500-1波数/cm图1PGA的FT-IR谱图Fig.1FT-IR spectrumof PGA12108642ppm图2PGA的1H-NMR Fig.21H-NMR spectrumof PGA图1为PGA的红外谱图，3012.8cm-1和2960.2cm-1为C-H伸缩振动峰，1754.4cm-1为羰基吸收峰，1424.7cm-1为CH2的弯曲振动峰，1154.2cm-1为C-O-C的伸缩振动峰，各个峰的位置和强度和文献报道的相一致2。 图2为PGA的1H-NMR谱图，仅在4.995ppm处有一个单峰，是CH2的质子峰，这和它在聚乙交酯链段中的化学环境相一致，11.500ppm处为氘代三氟乙酸的溶剂峰（因聚合物在CF3COOD中溶解度较低，溶剂峰较明显）。 从IR和1H-NMR谱图分析，可以判断，合成的聚合物就是聚乙交酯。 2.2聚合反应过程的研究2.2.1聚合过程中聚合物特性粘数的变化如图3所示，聚合反应开始时，聚乙交酯的特性粘数增长较慢，随着聚合反应的进行，聚合物的特性粘数增加加快，最后趋于平缓，即聚乙交酯的相对分子质量不再增加，最大的峰值为1.0。 主要是因为开始阶段，聚合反应温度较低，聚合速率较慢；乙交酯聚合属于本体开环聚合，随着反应的进行，聚合反应热逐渐累积，再加上聚合反应温度的逐步升高，聚合速率加快；聚合进行到一定程度，聚合物的熔体粘度加大，聚合物的流动变得十分困难，聚合体系中单体的含量也逐渐变少，聚合反应趋于缓和。 另外，聚乙交酯在高温下也会分解成单体乙交酯，聚合和分解达到一个动态平衡，但聚合反应在高温下维持时间过长，聚合物也会降解，甚至会发生聚合物平均相对分子质量降低的现象。 1.00.91-g.0.8l d/数0.7粘性特0.60.50.40.34050607080901001101xx0聚合时间/min图3聚合物特性粘数随聚合时间的变化Fig.3Change ofintrinsic viscosityas a function of polymerization time2.2.2聚合过程中聚合物转化率的变化从图4可以看到，聚合物转化率和聚合物特性粘数的变化趋势相一致。 聚合反应开始阶段聚合物的生成速率较慢，随后加快，最后趋于平缓，转化率的峰值为99.2%。 结合图3和图4，可以看到，聚合时间在105分钟时，聚合物的特性粘数达到最大（1.0g/dl），聚合物转化率也达到了99.0%，是最佳的聚合反应时间。 10090）80/（%率70化转605040304050607080901001101xx0聚合时间/min图4聚合物转化率随聚合时间的变化Fig.4Change ofconversion asafunctionofpolymerizationtime2.2.3聚合物热稳定性的变化为了能更好地反映聚合过程中聚合物热稳定性的变化，将没有经过抽提的试样进行热重分析。 图5为不同聚合时间PGA试样的TGA曲线。 200以前峰形的变化反映了聚合物中未反应单体的含量；200以后峰形的变化了聚合物热稳定性的差异。 从图5可以看到，随着聚合反应的进行，聚合物中单体的含量逐渐减少（通过计算和抽提的结果基本相同），聚合物的热稳定性也逐渐提高。 这和聚合物相对分子质量升高，热稳定性提高相一致。 为了尽可能减少聚合过程的热降解，使聚合物的颜色较浅，选择了逐渐升温的工艺。 10080120min105min90min)%(/t h6075min60ming i45min eW402000100xx00400500T/()图5各个试样的TGA曲线Fig.5TGA of different samples2.2.4聚合物的熔体粘度的变化聚合反应过程中熔体粘度的变化是设计反应釜、搅拌浆以及搅拌功率等的重要参数，也是选择聚合工艺条件的重要因素。 我们通过毛细管流变仪测定各个聚合物试样的表观粘度间接反映聚合过程中的熔体粘度的变化。 选用的测试温度为230，和聚合过程最后阶段的温度一致。 因在 45、 60、75分钟时取的样平均相对分子质量较低，在230下无法测定其表观粘度，所以选择平均相对分子质量较高的试样进行了测试。 从图6可以看到，随着聚合的进行，聚合物表观粘度增速较快。 这说明聚合物的相对分子质量对聚合物的表观粘度影响较显著。 同时也可以看到，三个试样表现出不同的趋势，120min试样，表观粘度随剪切速率的升高而降低；105min试样先升高后又稍微降低；90min试样一直随剪切速率升高而升高。 这主要是因为120min试样中的几乎不含单体，其平均相对分子质量也较高，其流体行为更接近聚合物，表现为假塑性流体行为，即剪切变稀；90min试样的单体转化率约为90%，聚合物试样中含有10%的单体，升温后，单体可能会继续聚合反应，聚合物平均相对分子质量增加引起的流体粘度升高超过因剪切速率升高引起粘度的降低，总体表现为流体的表观粘度升高；105min试样处于两者之间，开始平均相对分子质量增加的影响占主体，后来剪切速率的影响占主体，总体表现为先升高后降低。 76)I120min-1V(120min-2g5o105min-1l ro105min-2)S490min-1S90min-2(g ol3210.81.01.21.41.61.82.02.22.42.6log(SR)图6PGA的流变性能Fig.6Rheological propertyofdifferentsamples1:log(SS),2:log(VI)另外，可以看到，PGA聚合后期流体粘度较高，超过1000Pa.S，比一般的聚酯大一倍以上，对搅拌的设计提出更高的要求，这为搅拌和反应釜的设计以及搅拌速率的选择，提供了依据。 3结论1）利用搅拌反应釜可以得到高相对分子质量的PGA，能满足可吸收缝合线加工要求。 2）聚合时间为105min时，聚合物的特性粘数最大，单体的转化率达到99.0%。 3）随着聚合反应的进行，聚合物的热稳定性也逐渐提高。 4）PGA属于假塑性流体，其流体行为受相对分子质量的影响显著，没有反应完全的试样仍具有聚合活性。 参考文献1D KGilding，A MReed.Biodegradable polymersfor usein surgerypolyglycolic/poly(lactic acid)homo-and copolymers:1J.Polymer,1979,20 (12):1459-1464.2赵耀明,黄俊豪,陈军武等，生物降解材料聚乙交酯医用纤维的研究J，华南理工大学学报（自然科学版），1994，22 (6):71-793杨飞,杨亚明,刘建红等，聚乙交酯kg级生产途径探索J，北京理工大学学报，xx，21 (4):518-5234Sastry,Bommakanti BS,Lichkus,et al.Method forthe productionof polyglycolicacidP.USA,6150497.2000STUDY ONBIODEGRADABLE MATERIALSOF POLYGLYCOLIDEXu Jigang,Chen Gonglin,Han Guoyi,Zhao Qingzhang(China TextileAcademy,100025)Abstract:Polyglycolide wassy