聚ε-己内酯-b-聚乙二醇-b-聚ε-己内酯静电组装产物形态的初步考察

董欣，刘阳，黄佳娜，王浩

(1.锦州医科大学药学院，辽宁 锦州 121000；2.山东省医用高分子材料重点实验室，山东省药学科学院，山东 济南 370102)

静电组装(static electro-assembling，SEA)技术在近30年内得到了广泛而深入的研究，其在医学组织工程材料、药物包裹及控制释放、催化、环保、能源等领域均展现出较好的应用前景。一般地采用分子量较高的线形高分子的较浓溶液，在降低溶液表面张力的情况下，即可以通过高压静电形成的Taylor锥和电压降得到螺旋运动的液流并固化形成微、纳米级的纤维结构[1-3]。近些年，人们发现小分子物质在通过高压静电力作用时可以得到球、纤维等结构，为静电组装技术的进一步应用提供了更广阔的前景[4]。

脂肪族聚酯由于其具有较好的可降解性和微乎其微的毒性，是医学组织工程、药物控制释放和环保包装材料领域最常使用的一种一类聚合物[5]。由其经过静电组装制备纤维的研究已经很多，近年来有采用其制备球状结构来包裹和控制释放药物的零星研究。这类聚合物的亲水性较差，为了调节材料表面性能和对物质的渗透能力，经常在其中嵌段式键合亲水聚合物片段，如聚乙二醇等[6-7]。

本文选择医学组织工程和药物控制释放领域较为常见的聚ε-己内酯(poly ε-caprolactone，PCL)为亲脂片段，聚乙二醇(polyethylene glycol，PEG)为亲水片段，并以其为引发剂(两端均为羟基)，以两端羟基聚乙二醇为引发剂通过简单的ε-己内酯(ε-CL)开环聚合反应制备了不同亲水和亲脂链长的聚ε-己内酯-b-聚乙二醇-b-聚ε-己内酯三嵌段共聚物(PCL-PEG-PCL)，初步考察了系列产品在两种不同浓度二氯甲烷(dichloromethane，DCM)以及二氯甲烷-N，N-二甲基甲酰胺(N-dimethyl formamide，DMF，N)混合溶剂中溶解后的静电组装产品形态，以期为后续研究提供参考[8-9]。

1 材料与方法

1.1 材料

聚乙二醇2000(化学纯，双端羟基，大连美仑生物科技有限公司)，聚乙二醇4000(化学纯，双端羟基，大连美仑生物科技有限公司)，ε-己内酯(>99%，上海阿拉丁试剂有限公司)，2-乙基己酸锡(>98%，国药试剂沈阳化学试剂有限公司)，甲苯(化学纯，天津市天力化学试剂有限公司)，无水乙醚(化学纯，天津市天力化学试剂有限公司)，二氯甲烷(分析纯，天津市天力化学试剂有限公司)，N，N-二甲基甲酰胺(分析纯，天津市天力化学试剂有限公司)，纯净水(杭州娃哈哈集团)。

1.2 方法

1.2.1 PCL-PEG-PCL合成与1HMR表征

首先合成系列的PCL-PEG-PCL，分别将干燥的ε-CL和PEG按不同的比例加入到玻璃聚合管中，加入用分子筛处理过的无水甲苯100 mL后，用注射器加入500 μL的2-乙基己酸锡50%甲苯溶液，抽真空后置换氮气，反复置换3次后置于150 ℃油浴中搅拌反应12 h。反应结束后，将产物溶于二氯甲烷中，并用乙醚沉淀纯化3次，真空干燥至衡重，过夜，密封后-30 ℃冷藏保存[10]。合成路线见图1。

图1 PCL-PEG-PCL的合成路线

试验共设计了4种PCL和PEG嵌段比的共聚物，其设计比例和根据1H-NMR图谱见图2，推断所得比例见表1，所得产品按PEG分子量和PCL链段的聚合度分别命名为A1、A2、B1、B2。

表1 4种聚合物的嵌段比

1.2.2 静电组装

将所得嵌段共聚物溶解在相应溶剂中，磁力搅拌48 h得无色、透明、均一的待电组装溶液。为初步考察两种不同溶剂及其配比以及PCL-PEG-PCL浓度对静电组装产物形态的影响，设定的待组装溶液参数，见表2。

A1

A2

A3

A4

表2 所得4种合成产品的静电组装实验参数及实验结果

静电组装条件如下：静电发生器(天津东文静电发生器厂)电压为10 000 V，供液速率为(5±0.5)mL/h，针头出口与接收铝箔平面之间的距离为10 cm，空气温度为(15±5)℃，空气相对湿度为(40±5)%。加电压后，发现在针头处形成了Taylor锥并形成微小液滴快速运行至接收屏上。液流完毕后在接收屏上形成了一层约0.3 mm厚的产物。揭下后(40±2)℃下真空抽干24 h即得最终产品[4]。

将产物连带铝箔剪切成2 mm×5 mm小片后用导电胶固定在金属台上，真空蒸镀金后置于扫描电子显微镜(日本Hitachi公司TM3000)下观察。

3 结果与讨论

发现得到了3种电组装结构，即不规则团块状、桑葚状和微球状，具体见表2和图2。可以发现，随着聚合物浓度和分子量的增加，所得静电组装产品逐渐从不规则团块向桑葚状，并进一步向微球转变。而溶剂组成对产品形态影响不大。桑葚状结构可以看成是自组装过程中较小体积的微球未能分散开附着较大微球上的结果。

SEA-A1-1

SEA-A1-2

SEA-A2-1

SEA-A2-2

SEA-B1-1

SEA-B1-2

SEA-B2-1

SEA-B2-2

SEA-B1-1′

SEA-B1-2′

SEA-B2-1′

SEA-B2-2′

静电组装产品形态受到很多因素的影响，其中待组装液的黏度是最为决定性的因素，而聚合物的分子量和浓度是影响待组装溶液黏度的决定性因素。从本实验的结果来看，较小黏度的待组装溶液并未使得静电组装的产物颗粒有所减小，这可能是由于电组装过程中溶剂的挥发较慢甚至不彻底所导致的，所以呈现不规则团块状，如SEA-A1-1。随着待组装溶液黏度的增加，开始出现微球状结构，但是外观还不规整，即球形度不高，如SEA-A1-2、SEA-A2-1、SEA-A2-2。当黏度继续增高，会得到桑葚状结构直至球形结构，如由B1和B2组装所得的产品。一般地，黏度低的溶液静电组装后应该得到较小尺度的颗粒，黏度高的溶液静电组装后应该得到较大尺度的颗粒，本实验证实了这一点，但是发现黏度低时粒子聚集现象比较严重，此原因未明，有待进一步考察。

综上，本研究为形态较为理想、分散良好的微球状结构的静电组装制备提供了初步的参考和进一步研究的启发[11-12]。