新型多巴基生物可降解梳状聚合物的合成及性能研究

马凤夺，施冬健，陈元勋，陈益明，潘阳阳，陈明清

(食品胶体与生物技术教育部重点实验室江南大学化学与材料工程学院，江苏无锡 214122)

聚乳酸(PLA)是一种生物可吸收性优且生物相容性好的生物降解材料，是第一个商业化的生物降解高分子，被认为是最有前途、最具竞争力的生物降解高分子［1-6］。PLA具有良好的透明性和表面光洁度等优点，可以纺成纤维、制成膜材和吸塑包装产品而被广泛的应用到塑料工业和生物医药等领域。然而PLA作为线性脂肪族聚酯，在耐热性和力学性能等方面存在一定的缺陷，难以满足实际应用中对材料性能多方面的要求，因而其应用受到了限制。在聚乳酸中加入聚丁二酸丁二酯、聚ε-己内酯等脂肪族聚酯或者高强度的纤维素或木质素可以改善聚乳酸的力学性能［7］，但其还远远不能满足工程塑料和组织支架的要求。

3，4-二羟基苯丙氨酸(俗称多巴，DOPA)及其衍生物是一类来源于动植物的“天然单体”，其具有多个可反应性功能基，如氨基、羧基和羟基，独特的分子结构赋予其具有优良的黏附性和抗氧化性。用这类天然单体来制得的聚合物，由于其分子结构中含有大量的芳环，具有良好的热稳定性和力学强度，还具有生理相容性和降解性能，在生物医药、医用材料领域有很好的应用前景［8-13］。尽管DOPA具有非常优异的可反应性和力学性能等，但是国内外的研究报道中还很少将PDOPA直接引入到聚合物链中。

本文利用LA和DOPA两种单体制备梳状接枝共聚物，可望在一定程度上提高PLA的性能，如溶解性、热稳定性和力学强度，同时具有生理相容性和可降解性。同时通过改变LA和DOPA两组分的比例，调控共聚物的性能。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

丙交酯(氯仿中重结晶使用)、3，4-二羟基苯丙氨酸(DOPA)、叔丁基二甲基氯硅烷(TBDMS)、1，8-二氮杂二环［5.4.0］十一碳-7-烯(DBU)、四丁基氟化胺(TBAF)、辛酸亚锡［Sn-(Oct)2］、三乙胺(TEA，CaH2浸泡过夜减压蒸馏后使用)、无水硫酸镁、甲醇、三氯甲烷、二氯甲烷、盐酸均为分析纯。

2000-104傅里叶变换红外光谱(FTIR);Waters 1515凝胶渗透色谱(GPC);AVANCE III 400 MHz核磁共振仪(1H NMR);OCA40接触角仪;1100SF热失重分析仪(TGA);DSC822e差示扫描量热仪(DSC);WDT-10万能试验机。

1.2 PDOPA 的合成

将3 mol叔丁基二甲基氯硅烷(TBDMS)加入到无水乙腈中。把 TBDMS溶液加入到1 mol DOPA中，搅拌10 min。加入3 mol DBU为催化剂，冰浴搅拌4 h后在室温下反应20 h，减压蒸去溶剂，再用甲醇溶解、冰三氯甲烷洗涤，过滤，得到白色固体叔丁基二甲基氯硅烷多巴 DOPA(TBDMS)2［14-15］。冰浴中，将DOPA(TBDMS)2溶解于含有三乙胺的二氯甲烷(DCM)，再在常温下密闭搅拌反应24 h。调节pH至1～2，用DCM萃取3次，并用HCl洗涤，干燥后得到棕色粉末 PDOPA(TBDMS)2。将 PDOPA(TBDMS)2加入至THF和TBAF中，常温下反应2～4 h。用纯水洗涤、减压蒸馏，再用石油醚洗涤、干燥，得到PDOPA。

1.3 PDOPA-g-PLA 的合成

将PDOPA和丙交酯按一定的摩尔比置于圆底烧瓶中，加入Sn(Oct)2为催化剂，苯醚为溶剂，在130℃下反应1 h。将温度缓慢升高至160℃，反应4 h。用三氯甲烷溶解，在无水乙醚中沉淀，得到产物，用石油醚洗涤、干燥，得到梳状接枝共聚物PDOPA-g-PLA。

PLA均聚物是以十二烷醇为引发剂，开环丙交酯聚合得到。反应条件和提纯方法同制备共聚物。

图1 梳状聚合物PDOPA-g-PLA的合成Fig.1 Synthesis of comb polymer PDOPA-g-PLA

2 结果与讨论

2.1 PDOPA-g-PLA 的表征

2.1.1 IR 图 2 为 DOPA(TBDMS)2、PDOPA(TBDMS)2、PDOPA和PDOPA-g-PLA的红外谱图。

由图2可知，1 500 cm－1的吸收峰为芳环中的碳碳双键的特征振动峰，2 800～2 900 cm－1附近为苯环吸收峰，表明聚合物中含有苯环;PDOPA中1 650～1 700 cm－1处吸收峰(图2c)可归属于羰基的特征吸收峰，由于酰胺基团中氮原子的共轭作用，羰基的电子云移向碳氮，使羰基上的电子云密度降低，从而致使羰基频率降低;PDOPA-g-PLA聚合物在3 300 cm－1左右羟基和羧基的特征吸收峰消失(图2d)，说明DOPA链中的羟基引发丙交酯的开环聚合;1 700 cm－1处强吸收峰归属于—COOR上的羰基吸收峰。因而，可以初步判断成功制备PDOPA和梳状接枝共聚物PDOPA-g-PLA。

图2 FTIR谱图Fig.2 FTIR spectra

2.1.21H NMR PDOPA-g-PLA 的1H NMR 见图3。

图3 PDOPA-g-PLA的1H NMR谱图Fig.3 1H NMR spectrum of PDOPA-g-PLA

由图3可知，1.60处的峰归属于乳酸单元中甲基的特征峰，5.11处的峰归属于乳酸单元中叔碳的质子峰;2.97处的峰为DOPA单元Ar—CH2—中亚甲基的特征吸收峰，3.86处的峰为DOPA单元中与氮原子相连的次甲基所产生的质子峰，6.67处应归属于苯环上的特征质子峰，说明成功合成PDOPA-g-PLA聚合物。

2.1.3 DSC 将 PDOPA(TBDMS)2中的 TBDMS脱出后，GPC测试结果显示，PDOPA的分子量约为2 000，DSC测试表明其熔点为237℃。改变DOPA与LA单元的摩尔比，可得到不同分子量与热性能的共聚物，结果见表1。

由表1可知，当PDOPA引发丙交酯开环聚合后，共聚物的分子量增加，且随LA含量的增加而增大，说明PDOPA可以作为大分子引发剂，用酚羟基开环丙交酯合成PLA链段。但当LA的含量增加至100时，分子量并没有明显增大，可能是由于DOPA中邻近两个酚羟基都引发LA后形成的空间位阻较大且羟基活性降低，从而难于进一步引发更多的LA聚合。DSC结果显示，聚合物的熔点比PLA均聚物的高(TmPLA162℃)，且随着LA含量的增加而增大，说明PDOPA的存在可以提高PLA的熔点。

表1 PDOPA-g-PLA的性能表征Table 1 Characterizations of PDOPA-g-PLA polymers

2.2 聚合物的溶解性

PDOPA、PLA均聚物以及不同LA含量的PDOPA-g-PLA接枝聚合物的溶解性见表2。

由表2可知，PDOPA不溶于水，几乎能溶于所有常见的极性有机溶剂中，这种良好的溶解性可能是由于PDOPA中存在酚羟基和酰胺键;PLA除了在氯仿和DMF中具有较好的溶解性外，在其他的有机溶剂和水中的溶解性较差。PDOPA-g-PLA接枝共聚物［n(PDOPA)∶n(LA)=1∶20］，溶解性与 PDOPA相似，能溶解于乙醇、丙酮等常见的极性有机溶剂中，是因为共聚物中引入了酰胺键，改变了共聚物的结构，但不同LA含量的PDOPA-g-PLA接枝共聚物的溶解性相差不大。

表2 聚合物的溶解性Table 2 Solubilities of polymers

2.3 聚合物的表面浸润性

将共聚物在熔融状态下压制成膜，对其表面的浸润性用光学接触角仪(CA)进行测试，结果见图4。

图4 PDOPA-g-PLA光学接触角照片Fig.4 Contact angle photographs of PDOPA-g-PLA

由图4可知，PLA膜的接触角约为79.6°，随着LA含量的增加，共聚物膜表面的接触角随着增加;当n(PDOPA)∶n(LA)＞1∶20时，其接触角增大至92°以上，为疏水界面状态。这是由于 PDOPA-g-PLA聚合物中存在大量的疏水链段和刚性基团，导致聚合物膜表面的疏水性增强。

2.4 聚合物的热稳定性

PDOPA-g-PLA的热失重曲线见图5。

图5 PDOPA-g-PLA的热失重曲线Fig.5 TGA curves of PDOPA-g-PLA

由图5可知，PLA均聚物在310℃下开始分解(以此温度为分解温度)，PDOPA-g-PLA共聚物在360℃开始分解，且随着LA含量的不同，热分解温度并没有发生多大改变;当温度达到420℃时，共聚物的质量基本保持不变，说明共聚物具有比PLA更优异的热稳定性。这是因为PLA接入PDOPA后，在共聚物中引入了一定量的苯环，苯环的刚性使PDOPA-g-PLA的热稳定性提高。

2.5 聚合物的力学性能

将不同投料比的聚合物膜(膜厚3 mm)用万能试验机做拉伸测定，拉伸速度为5 mm/min，结果见表1。

由表1可知，PLA均聚物的拉伸强度约为0.45 MPa，PDOPA-g-PLA聚合物膜的拉伸强度比PLA的大，随着LA链段(即分子量)的增加而增加;当n(PDOPA)∶n(LA)=1∶100时，拉伸强度可达1.04 MPa，为PLA的2倍以上。这是由于随着共聚物中PDOPA链段的加入，刚性基团的存在使聚合物的强度增加。

2.6 聚合物的降解行为

将定量的聚合物薄膜(20 mm×10 mm×1 mm)投进装有30 mL 0.01 mol/L的NaOH标准溶液中，于37℃恒温槽中进行降解实验。每天用移液管取2 mL降解溶液，用0.01 mol/L盐酸标准溶液进行滴定(酚酞指示剂)，测定降解液中NaOH溶液浓度，结果见图6。

图6 聚合物的降解液中cNaOH随天数的变化Fig.6 Curve of ln［cNaOH ×104(mol/L)］vs.time of degradation of polymer

由图6可知，PDOPA的降解速度较快，约2 d后，降解液中的离子浓度不再变化，说明基本降解完全。PLA的降解速度相对较慢，随着降解时间的延长，降解液中的离子浓度缓慢减少，降解7 d后，离子浓度约为原来的1倍;PDOPA-g-PLA接枝聚合物也具有一定的降解性，并且聚合物的降解与相对分子质量有较大的关系，低相对分子质量的聚合物降解相对较快。相同质量的聚合物膜，相对分子质量小的聚合物中有更多数目的聚乳酸分子链，从而有更多分子末端的降解活性点，进而有更快的降解速度。而且，相对分子质量相同的PDOPA-g-PLA和PLA梳状聚合物，PDOPA-g-PLA降解速度更快一些，因为PDOPA在碱性环境下更容易降解。

3 结论

对3，4-二羟基苯丙氨酸(DOPA)的2个酚羟基经保护、缩合聚合、酚羟基脱保护，制备了侧基含有酚羟基的PDOPA;将PDOPA作为大分子引发剂，引发丙交酯开环聚合，制得了PDOPA-g-PLA梳状接枝聚合物，具有比PLA均聚物更优异的性能，能溶解于大部分常见的有机溶剂，具有较高的热分解温度(360℃)，且具有优异的力学性能和降解性。

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