多嵌段聚酯-氨酯的合成與形狀記憶行為

可生物降解熱導(dǎo)致的存儲(chǔ)聚合物（熱致bsaps）是一種具有生物兼容性、生物降解性和熱致動(dòng)物存儲(chǔ)功能的聚合物，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。近年來(lái)，它已成為生物材料研究的熱點(diǎn)[1、2、3、4、5、6、7、8、9、10]。與以往的醫(yī)療形狀記憶金（sma）相比，熱致bsap具有很大的優(yōu)越性。（1）由于它可以生物降解，因此無(wú)需術(shù)后清潔，可以消除二次手術(shù)的疼痛。（2）移民后，可以進(jìn)行nmr、ct和x光檢查。（4）切口很容易加工。（5）改變溫度、分解速度和可學(xué)位的能力可以通過材料結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)整。因此，作為一種新型的功能生物材料，熱致bsap可用于傳統(tǒng)的可生物降解醫(yī)療材料的形式記憶功能，部分可取代傳統(tǒng)的sma，但可能不是傳統(tǒng)的sma。它被認(rèn)為是一種低能耗的醫(yī)療材料，如手術(shù)縫合線、介入治療支撐、血管連接、綁扎、骨骼或肌腱固定等。BSMP主要可分為兩大類,即化學(xué)交聯(lián)的網(wǎng)狀BSMP和物理交聯(lián)的多嵌段共聚物.多嵌段共聚物由軟段和硬段相間排列組成,由于二者不相容,發(fā)生微相分離,分別形成可逆相和固定相,固定相作為物理交聯(lián)點(diǎn).由于具有熱塑性,多嵌段共聚物具有更好的加工性,同時(shí)還具有更好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)柔性、更寬的性能可調(diào)范圍以及更好的生物降解性,因而更多地受到研究開發(fā)者的青睞.具有實(shí)用意義的BSMP應(yīng)具有以下特性.(1)優(yōu)良的生物相容性;(2)優(yōu)良的生物降解吸收性和可控的降解速率;(3)合適的形狀恢復(fù)溫度,即在體溫下保持形狀不變,而在稍高于體溫的溫度下恢復(fù)形狀,以利于手術(shù)的進(jìn)行;(4)高的應(yīng)變固定率和應(yīng)變恢復(fù)率,可控的應(yīng)變恢復(fù)速率;(5)植入后具有與植入部位組織相當(dāng)?shù)牧W(xué)性能,力學(xué)性能與降解速率可獨(dú)立地調(diào)控.盡管近年來(lái)BSMP的研究已有不少的報(bào)道,但不同程度地存在轉(zhuǎn)變溫度過高或過低、力學(xué)性能較低、不可完全降解或力學(xué)性能和降解速率不可獨(dú)立調(diào)控等問題,尚不能完全滿足上述要求.我們通過分子設(shè)計(jì),由開環(huán)共聚分別合成了端羥基L-丙交酯/乙交酯共聚物(PLLG-diol)和ε-己內(nèi)酯/乙交酯共聚物(PCG-diol),將其作為硬段和軟段,進(jìn)一步通過與二異氰酸酯反應(yīng)制得了多嵌段聚(酯-氨酯),用作BSMP.該BSMP的形狀記憶轉(zhuǎn)變溫度取決于軟段的熔點(diǎn),力學(xué)性能主要取決于硬段的力學(xué)性能,而降解速率主要取決于軟段的降解速率,而這些要素均與軟、硬段共聚物的分子量和組成有關(guān),因而,通過獨(dú)立調(diào)節(jié)軟段和硬段預(yù)聚物的分子量和組成,有望實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)變溫度、力學(xué)性能和降解速率的獨(dú)立調(diào)控.在前文中我們已經(jīng)報(bào)道了端羥基預(yù)聚物的熱轉(zhuǎn)變溫度與分子量和共聚物組成的關(guān)系,本文報(bào)道多嵌段聚(酯-氨酯)的合成及其形狀記憶性能.1實(shí)驗(yàn)部分1.1-己內(nèi)酯cl,arL-乳酸(90%水溶液,江西武藏野生物化工有限公司)、羥基乙酸(99%,杭州大洋納米技術(shù)有限公司)直接使用;ε-己內(nèi)酯(CL,AR,上?；瘜W(xué)試劑)經(jīng)CaH2干燥和減壓蒸餾后使用;1,4-丁二醇(BDO,分析純,上海化學(xué)試劑)和甲苯二異氰酸酯(TDI,80∶20,工業(yè)級(jí),華峰集團(tuán)贈(zèng))經(jīng)減壓蒸餾后使用.1,2-二氯乙烷、甲醇均為分析純?cè)噭?直接使用.1.2多嵌段聚酯-氨酯的合成L-丙交酯(LLA)、乙交酯(GA)分別以L-乳酸、羥基乙酸為原料按文獻(xiàn)方法合成.端羥基的L-丙交酯/乙交酯共聚物(PLLG-diol)和ε-己內(nèi)酯/乙交酯共聚物(PCG-diol)按前文方法,以辛酸亞錫為催化劑、BDO為引發(fā)劑,在無(wú)水無(wú)氧條件下經(jīng)開環(huán)共聚制得,結(jié)果見表1.在裝有恒壓滴液漏斗、溫度計(jì)和氮?dú)夤艿娜跓恐屑尤敕肿恿?、組成基本相同的PLLG-diol和PCG-diol,再加入新蒸的1,2-二氯乙烷,在氮?dú)獗Ｗo(hù)下,攪拌并升溫至80℃,待PLLG-diol和PCG-diol完全溶解后,滴加一定量的TDI的1,2-二氯乙烷溶液,滴加完畢后在80℃下繼續(xù)反應(yīng)4h.反應(yīng)結(jié)束后將聚合物溶液趁熱倒入模具中,經(jīng)溶劑蒸發(fā)、真空干燥后得到薄片狀多嵌段聚(酯-氨酯)樣品.1.3應(yīng)變恢復(fù)率的測(cè)定采用GPC(Waters150C,WatersCo.)表征聚合物的分子量及其分布.3根WatersHR4、HR3、HR2色譜柱串聯(lián)排列,測(cè)量范圍為600～7×105,檢測(cè)器為示差折射率折射率檢測(cè)器.四氫呋喃為流動(dòng)相,流量為1.0mL/min,進(jìn)樣量為50μL.以窄分布聚苯乙烯為標(biāo)樣,普適校正法計(jì)算分子量.分別以聚(L-丙交酯)(PLLA)、聚(ε-己內(nèi)酯)(PCL)均聚物的K,α常數(shù)來(lái)計(jì)算PLLG、PCG共聚物的分子量,KPS=1.258×10-4,αPS=0.717,KPLLA=5.4×10-4,αPLLA=0.639,KPCL=1.09×10-3,αPCL=0.600.采用差示掃描量熱儀(DSC,PerkinElmerDSC7)觀測(cè)聚合物的熱轉(zhuǎn)變.將樣品(約6～7mg)以10K/min從20℃升溫至180℃,保持5min,然后以10K/min降溫至20℃保持5min,再次以10K/min升溫至180℃.將共聚物薄片用啞鈴型模具壓制出啞鈴型試樣,其有效尺寸為20mm×4mm×0.2mm～0.3mm.在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上,將試樣加熱到Ttrans+15℃(Ttrans為轉(zhuǎn)變溫度,即PCG-diol熔點(diǎn)),恒溫5min,然后以10mm/min的速度拉伸到應(yīng)變?yōu)?00%;在保持應(yīng)變不變的情況下,將試樣冷卻到Ttrans-15℃;保溫5min后將試樣取出,用游標(biāo)卡尺測(cè)量無(wú)應(yīng)力條件下的應(yīng)變?chǔ)舥,按式(1)計(jì)算應(yīng)變固定率Rf;然后,將該試樣夾在兩片玻璃中間,一端固定,玻璃片之間保持少許空隙,放入溫度預(yù)先設(shè)定為Ttrans+15℃的烘箱中,保持5min,測(cè)量殘留應(yīng)變?chǔ)舙,按式(2)計(jì)算應(yīng)變恢復(fù)率Rr.改變烘箱溫度,并配合使用游標(biāo)卡尺,可測(cè)定不同溫度下的應(yīng)變-時(shí)間曲線;改變烘箱的升溫速率,可測(cè)定不同升溫速率下的應(yīng)變-時(shí)間曲線.2結(jié)果與討論2.1聚酯纖維的單體配比首先,以辛酸亞錫為催化劑、丁二醇為引發(fā)劑,通過L-丙交酯/乙交酯和ε-己內(nèi)酯/乙交酯的開環(huán)共聚,合成了端羥基、窄分布的結(jié)晶性預(yù)聚物PLLG-diol和PCG-diol,其數(shù)均分子量為4000～14000,共聚物組成為100/0～80/20.詳細(xì)的合成過程和熱轉(zhuǎn)變溫度與組成和分子量之間的定量關(guān)系已在前文報(bào)道.該聚合是可控聚合反應(yīng),可由單體/引發(fā)劑配比和單體配比來(lái)分別控制聚合物的分子量和組成,由分子量和組成來(lái)較為精確地控制其玻璃化溫度和熔點(diǎn),見表1.然后,以二異氰酸酯為擴(kuò)鏈劑,將分子量和組成基本相同的PLLG-diol(硬段,占80mol%)和PCG-diol(軟段,占20mol%)進(jìn)行擴(kuò)鏈反應(yīng),合成多嵌段聚(酯-氨酯).分子量為2.1×104～6.4×104,鏈段數(shù)為2～8,其分子量仍為單峰分布,但分子量分布變寬,見圖1和表1.在多嵌段聚(酯-氨酯)中,PLLG鏈段起到物理交聯(lián)點(diǎn)的作用,構(gòu)成固定相,PCG鏈段作為變形、形狀固定和形狀恢復(fù)的開關(guān)鏈段,構(gòu)成可逆相.當(dāng)軟、硬段中乙交酯(GA)結(jié)構(gòu)單元含量不超過10mol%時(shí),DSC能檢測(cè)到固定相的熔點(diǎn)(Tm2),且與PLLG-diol預(yù)聚物相比,固定相熔點(diǎn)有所下降;當(dāng)軟、硬段中GA結(jié)構(gòu)單元含量為20mol%時(shí),由于結(jié)晶慢、結(jié)晶度低,DSC未檢測(cè)到固定相熔點(diǎn),見圖2.而多嵌段共聚物中的可逆相的熔點(diǎn)(Tm1)則高于相應(yīng)PCG-diol預(yù)聚物的熔點(diǎn),這可能與擴(kuò)鏈后產(chǎn)生的氨酯鍵易形成氫鍵有關(guān).但由于多嵌段共聚物的分子量及熱歷史不同的緣故,多嵌段共聚物的熱轉(zhuǎn)變溫度未表現(xiàn)出明顯的對(duì)軟、硬段共聚物組成和分子量的依賴性.它們之間的內(nèi)在關(guān)系尚需進(jìn)一步研究.2.2熱機(jī)械循環(huán)性能在多嵌段聚(酯-氨酯)中,由于PLLG鏈段與PCG鏈段不相容,二者會(huì)發(fā)生微相分離,分別形成固定相和可逆相.將具有某一原始形狀的樣品的升溫至可逆相的熔融溫度時(shí),PCG晶體熔融,而固定相仍保持結(jié)晶態(tài),起到物理交聯(lián)點(diǎn)的作用,抑制可逆相的黏流流動(dòng),從而表現(xiàn)出高彈性,在外力作用下發(fā)生較大的形變并取向;保持外力將試樣冷卻下來(lái),可逆相重新結(jié)晶,將應(yīng)變和應(yīng)力均“凍結(jié)”在樣品中;當(dāng)再次升溫至可逆相熔點(diǎn)時(shí),結(jié)晶的可逆相鏈段重新熔融,在凍結(jié)的內(nèi)應(yīng)力作用下使應(yīng)變恢復(fù)到零,恢復(fù)到原始形狀.圖3顯示了一個(gè)典型的形狀記憶過程.將制得的片狀聚合物樣品剪成一個(gè)小長(zhǎng)條,即原始形狀(1);在烘箱中加熱到70℃后將其彎曲成螺旋狀,并在保持外力的情況下將樣條冷卻至室溫,得到臨時(shí)形狀(2);再次放入烘箱,樣條形狀逐漸恢復(fù)(3),8s后恢復(fù)到原始形狀(4).在熱機(jī)械循環(huán)過程中,所有的多嵌段共聚物均表現(xiàn)出非常高的應(yīng)變固定率,高達(dá)98%～99.5%,且與軟、硬段的共聚物組成和分子量無(wú)明顯的關(guān)系;應(yīng)變恢復(fù)率也高達(dá)93%～98.5%,且隨著軟、硬段分子量的增大而增大,隨著軟、硬段中GA結(jié)構(gòu)單元含量增大而降低,見圖4.可見,所得多嵌段共聚物具有良好的形狀記憶性能.上述應(yīng)變固定率和應(yīng)變恢復(fù)率均為第一次熱機(jī)械循環(huán)的結(jié)果.當(dāng)重復(fù)熱機(jī)械循環(huán)2～3次后,由于熱歷史的消除和鏈段的重新組織,應(yīng)變固定率和應(yīng)變恢復(fù)率還可提高1%～3%,之后保持不變.這是形狀記憶高分子的典型現(xiàn)象.在實(shí)際應(yīng)用中,考慮到多次熱加工的效率和成本,當(dāng)一次熱機(jī)械循環(huán)能達(dá)到滿意的結(jié)果時(shí),不必進(jìn)行多次熱循環(huán).應(yīng)變固定率和應(yīng)變恢復(fù)率的大小與聚合物鏈的松弛有關(guān).在熱機(jī)械循環(huán)過程中,當(dāng)溫度降至軟段熔點(diǎn)15℃以下以固定應(yīng)變時(shí),軟、硬段均處于結(jié)晶態(tài),聚合物鏈難以松弛,故應(yīng)變固定率很高,且基本不受鏈段分子量和組成的影響;當(dāng)再次升溫至軟段熔點(diǎn)以恢復(fù)形狀時(shí),PCG鏈段處于熔融態(tài)時(shí),PLLG固定相仍處在結(jié)晶態(tài),起到物理交聯(lián)作用,但會(huì)發(fā)生一定程度的松弛作用,因而應(yīng)變恢復(fù)率低于應(yīng)變固定率.PCG鏈段的松弛與PLLG固定相的物理交聯(lián)作用強(qiáng)弱有關(guān).GA含量越低,PLLG鏈段越易結(jié)晶;分子量越大,越有利于發(fā)生相分離和提高固定相內(nèi)聚力,二者均有利于提高物理交聯(lián)作用,因而應(yīng)變恢復(fù)率隨硬段分子量增大和GA含量減少而提高.可生物降解熱致形狀記憶聚合物主要用于體內(nèi)植入物,如縫合線、固定物等.因此,一般要求在體溫下不發(fā)生明顯的形狀恢復(fù),而在比體溫稍高的溫度下能較快地恢復(fù)原始形狀,這樣有利于植入手術(shù)的進(jìn)行.盡管本文尚未能建立可逆相的熔點(diǎn)與PCG-diol低聚物的熔點(diǎn)間的關(guān)系,但通過低聚物結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)變溫度的控制,仍很好地達(dá)到了上述要求.圖5給出了多嵌段聚(酯-氨酯)(80/20,10000)在不同溫度下的形狀恢復(fù)過程.可見,在體溫(37℃)下該樣品能很好地保持其形狀不變,而在40℃時(shí)則發(fā)生明顯的形狀恢復(fù),在1.5min內(nèi)恢復(fù)到起始形狀;溫度進(jìn)一步升高時(shí),形狀恢復(fù)也更快,在45℃和50℃時(shí),形狀恢復(fù)時(shí)間分別為30s和15s.由此可見控制轉(zhuǎn)變溫度的重要性.在實(shí)際