李雪梅，賀繼東，代元坤，張晶晶，戎佳萌

(青島科技大學(xué) 橡塑材料與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室山東省橡塑材料與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266042)

PHB及mPEG-PHB嵌段共聚物的合成與表征

李雪梅，賀繼東，代元坤，張晶晶，戎佳萌

(青島科技大學(xué) 橡塑材料與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室山東省橡塑材料與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266042)

摘要：以β-丁內(nèi)酯(BL)為單體、萘鉀-冠醚為引發(fā)劑通過陰離子開環(huán)聚合合成聚(β-丁內(nèi)酯)(PHB)，研究了反應(yīng)時(shí)間對(duì)PHB分子量的影響。在萘鉀-冠醚引發(fā)體系的基礎(chǔ)上制備聚乙二醇甲醚-鉀大分子引發(fā)劑(mPEG-K)，采用mPEG-K引發(fā)β-丁內(nèi)酯開環(huán)聚合合成兩親性嵌段共聚物聚乙二醇甲醚-聚(β-丁內(nèi)酯)(mPEG-PHB)，并通過1HNMR、FTIR、DSC對(duì)其進(jìn)行表征。通過分子自組裝技術(shù)制備了mPEG-PHB共聚物的納米粒子，采用SEM、TEM、DLS對(duì)納米粒子進(jìn)行表征。結(jié)果表明，在一定時(shí)間內(nèi)PHB的分子量隨反應(yīng)時(shí)間的延長而增大。DSC結(jié)果表明，無定形的PHB明顯降低了結(jié)晶性mPEG的結(jié)晶能力。mPEG-PHB納米粒子為粒徑在100 nm左右的具有核殼結(jié)構(gòu)的納米微球。

關(guān)鍵詞：β-丁內(nèi)酯；陰離子聚合；聚乙二醇甲醚；兩親性；納米微球

聚(β-丁內(nèi)酯)(PHB)是聚羥基烷酸酯(PHA)家族中的一員[1-2]，具有生物相容性、生物可降解性、壓電性等優(yōu)良性能，在生物醫(yī)藥等領(lǐng)域有廣泛的用途。但是PHB本身存在的脆性[3-5]、疏水性[4]等特點(diǎn)限制了其應(yīng)用，通過共混或共聚可以改善PHB的疏水性。PEG具有親水性、生物相容性[6]等優(yōu)良特性，與PHB共聚之后可以改善PHB的疏水性。關(guān)于PEG和PHB的共聚物，國內(nèi)外研究得很多，包括熔體酯交換反應(yīng)[7]、HDI偶聯(lián)[3-4]、辛酸亞錫催化開環(huán)聚合[8]等。通過β-丁內(nèi)酯(BL)的陰離子開環(huán)聚合制備PEG與PHB的嵌段共聚物的研究較少，此方法合成的PHB是無定形的[8]，有利于其與親水性物質(zhì)共聚形成兩親性聚合物，并且陰離子聚合的反應(yīng)條件溫和、能耗低。

作者以β-丁內(nèi)酯為單體、萘鉀-冠醚為引發(fā)劑制備PHB，并研究了反應(yīng)時(shí)間對(duì)PHB分子量的影響。以萘鉀-冠醚為基礎(chǔ)制備聚乙二醇甲醚-鉀大分子引發(fā)劑(mPEG-K)，采用mPEG-K引發(fā)β-丁內(nèi)酯開環(huán)聚合合成兩親性嵌段共聚物聚乙二醇甲醚-聚(β-丁內(nèi)酯)(mPEG-PHB)，并研究了PHB的引入對(duì)mPEG結(jié)晶性能的影響；通過分子自組裝技術(shù)制備mPEG-PHB納米粒子，并研究納米粒子的結(jié)構(gòu)。

1實(shí)驗(yàn)

1.1　試劑與儀器

β-丁內(nèi)酯(純度≥98%)、聚乙二醇甲醚2000(mPEG2000)、18-冠醚-6(純度≥99%)，Sigma-Al-drich公司；四氫呋喃(THF，分析純)，天津博迪化工有限公司；萘(分析純)，天津河?xùn)|區(qū)紅巖試劑廠；金屬鉀(純度99%)，Aladdin公司；氯仿、乙醚(分析純)，煙臺(tái)三和化學(xué)試劑有限公司；正己烷(分析純)，天津富宇精細(xì)化工有限公司。

BRUKER-AV500型核磁共振波譜儀(NMR)、TENSOR-27型傅立葉變換紅外光譜儀(FTIR)，德國Bruker公司；204F1型差示掃描量熱儀(DSC)，德國耐馳儀器制造有限公司，升降溫速率為10 ℃·min-1，室溫~100 ℃~-70 ℃~100 ℃；JSE6300型掃描電子顯微鏡(SEM)、JEM-2100型透射電子顯微鏡(TEM)，日本JEOL公司；Malvern Zetasizer Nano ZS90型動(dòng)態(tài)光散射儀(DLS)，英國馬爾文儀器有限公司。

1.2　方法

1.2.1PHB及 mPEG-PHB的合成

將25 mL圓底燒瓶、聚合管、安瓿瓶在加熱條件下抽真空至少2 h，氮?dú)庵脫Q6~8 次。

1)萘鉀-冠醚引發(fā)劑的制備

稱取等物質(zhì)的量的萘、鉀、18-冠醚-6于干燥的安瓿瓶中，封管，常溫下抽真空，氮?dú)庵脫Q3 次，注入一定量THF，超聲振蕩直至完全溶解，體系呈墨綠色。

2)mPEG-K大分子引發(fā)劑的制備

稱取一定量mPEG2000于干燥的安瓿瓶中，封管，在60 ℃下抽真空，氮?dú)庵脫Q3 次，注入一定量的THF，使mPEG2000完全溶解。然后注入上述制備的萘鉀-冠醚引發(fā)劑溶液，超聲振蕩使催化體系分散均勻，得到mPEG-K大分子引發(fā)劑。

3)PHB的合成

向圓底燒瓶中注入一定配比的BL、THF、萘鉀-冠醚引發(fā)劑，磁力攪拌，30 ℃下反應(yīng)。在不同的反應(yīng)時(shí)間點(diǎn)取出一定量的反應(yīng)液，用正己烷-乙醚(3∶1，體積比，下同)將產(chǎn)物沉淀出來，40 ℃真空干燥2 d，制得PHB。

4)嵌段共聚物mPEG-PHB的合成

向聚合管中注入一定配比的BL、THF、mPEG-K大分子引發(fā)劑，磁力攪拌，30 ℃下反應(yīng)。待反應(yīng)結(jié)束，用鹽酸的甲醇溶液終止反應(yīng)，加入氯仿稀釋反應(yīng)體系，用正己烷-乙醚將產(chǎn)物沉淀出來，40 ℃真空干燥2 d，得到mPEG-PHB。合成路線如圖1所示。

圖1嵌段共聚物mPEG-PHB的合成路線

Fig.1Synthetic route of block copolymer mPEG-PHB

1.2.2mPEG-PHB納米微球的制備

稱取一定量的嵌段共聚物mPEG-PHB溶于丙酮中，充分溶解后，在磁力攪拌下，將聚合物溶液緩慢滴加到去離子水中，控制滴加速度為5 s/滴，滴加完畢繼續(xù)攪拌直至丙酮完全揮發(fā)，形成具有藍(lán)光的乳液，即為兩親性共聚物納米粒子的乳液。

2結(jié)果與討論

2.1　反應(yīng)時(shí)間對(duì)PHB分子量的影響

在單體與引發(fā)劑配比相同的情況下，考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)PHB分子量的影響，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，在反應(yīng)時(shí)間為0.5~9 h的范圍內(nèi)，PHB的分子量隨反應(yīng)時(shí)間的延長而增大。相比于采用多個(gè)聚合管分別進(jìn)行不同時(shí)間點(diǎn)的反應(yīng)來說，在本研究中采用圓底燒瓶作為反應(yīng)容器，所有反應(yīng)物料一次性加入，取不同反應(yīng)時(shí)間點(diǎn)的物料進(jìn)行后處理，有助于反應(yīng)體系攪拌均勻，而且可以保證所有樣品的單體與引發(fā)劑的濃度配比完全相同，減少了實(shí)驗(yàn)誤差。

圖2　PHB分子量與反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系Fig.2　The relationship between molecular weight of PHB and reaction time

2.2　PHB的表征

圖3為萘鉀-冠醚引發(fā)體系引發(fā)合成的PHB的核磁共振氫譜。

圖3　PHB的核磁共振氫譜Fig.3　1HNMR Spectrum of PHB

由圖3分析可知，PHB存在a和b兩種結(jié)構(gòu)。在δ5.24、δ2.43~2.65、δ1.26處分別是PHB中的-CH-、-CH2-、-CH3的特征峰；在δ1.86處是端基-CH3的特征峰；在δ6.94處是a結(jié)構(gòu)中與端甲基相連的-CH=的特征峰；在δ5.66處是a結(jié)構(gòu)中與羰基相連的=CH-的特征峰；峰7是b結(jié)構(gòu)中與端羥基相連的-CH-的特征峰。根據(jù)特征峰的面積之比計(jì)算PHB的分子量Mn=86×DPPHB=86×I3/[3×(I5+I7)]，其中I3、I5、I7分別是峰3、峰5、峰7的積分面積，86是β-丁內(nèi)酯的分子量。

2.3　mPEG-PHB的表征

2.3.1mPEG-PHB的結(jié)構(gòu)表征

圖4為mPEG-PHB的核磁共振氫譜。

圖4　mPEG-PHB的核磁共振氫譜Fig.4　1HNMR Spectrum of mPEG-PHB

由圖4可知，在δ3.65處是mPEG主鏈-CH2-CH2-的特征峰，在δ3.38處是mPEG的端基-OCH3的特征峰；在δ5.25、δ2.46~2.63、δ1.87處分別是PHB的-CH-、-CH2-、-CH3的特征峰，峰6是與端羥基相連的-CH-的特征峰，峰7是PHB端甲基的特征峰。綜上可知，mPEG-PHB成功合成。

與PHB分子量的計(jì)算方法類似，mPEG-PHB的分子量可通過特征峰的面積之比計(jì)算，即Mn(mPEG-PHB)=Mn(mPEG)+Mn(PHB)=2000+86×DPPHB=2000+86×I5/(3×I6)，其中I5和I6是特征峰5和特征峰6的峰面積。

圖5為mPEG和mPEG-PHB的紅外光譜。

圖5　mPEG(a)和mPEG-PHB(b)的紅外光譜Fig.5　FTIR Spectra of mPEG(a) and mPEG-PHB(b)

由圖5可知，在1 112 cm-1處是mPEG中-C-O-C-的特征峰，在3 433 cm-1處是mPEG端羥基的特征峰；在共聚物中，除了含有mPEG的特征峰，在1 733 cm-1處出現(xiàn)了較強(qiáng)的尖峰是PHB羰基的特征峰，說明聚合物中含有PHB；表征mPEG結(jié)晶性的特征峰(1 282 cm-1、957 cm-1、844 cm-1)強(qiáng)度減弱，而表征PHB無定形的特征峰(1 298 cm-1、1 185 cm-1)出現(xiàn)。綜上所述，mPEG-PHB成功合成。

2.3.2mPEG-PHB的熱性能

圖6為mPEG與含有不同PHB鏈段長度的mPEG-PHB的DSC降溫曲線和二次升溫曲線，表1是聚合物的熱性能參數(shù)。

由圖6和表1可知，在mPEG鏈段長度不變的情況下，PHB鏈段長度對(duì)共聚物的熱性能有明顯的影響，隨著PHB鏈段長度的增加，共聚物的結(jié)晶能力降低。共聚物只有一個(gè)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg，說明mPEG與PHB有良好的相容性；且隨著PHB鏈段長度的增加，共聚物的Tg逐漸升高。隨著PHB鏈段長度的增加，共聚物的結(jié)晶溫度Tc、熔融溫度Tm、熔融焓ΔHm降低，說明無定形的PHB的引入降低了共聚物中mPEG的結(jié)晶能力。

mPEG.Mn=20001~4.mPEG-PHB,Mn=3376、3806、4064、4236

圖6mPEG與mPEG-PHB的降溫曲線(a)和二次升溫曲線(b)

Fig.6The cooling curves(a) and the second heating curves(b) of mPEG and mPEG-PHB

表1　mPEG和mPEG-PHB的熱性能分析Tab.1　Thermal properties analysis of mPEG and mPEG-PHB

2.4　納米粒子的表征

由于共聚物mPEG-PHB中含有親水性鏈段mPEG和疏水性鏈段PHB，所以共聚物可以在水中通過分子自組裝的方法制備納米粒子。圖7是兩親性mPEG-PHB(Mn=4 064)納米粒子的SEM、TEM、DLS表征。

由圖7a可知，共聚物納米粒子為粒徑在100 nm左右表面光滑的納米微球，分散均勻，只有少量納米微

圖7　共聚物納米粒子的SEM(a)、TEM(b)、DLS(c)表征Fig.7　SEM Images(a),TEM images(b) and DLS(c) of the copolymer nanoparticles

球發(fā)生融合現(xiàn)象；由圖7b可知,納米微球具有明顯的核殼結(jié)構(gòu)；DLS(圖7c)測得粒徑尺寸較SEM、TEM測得的尺寸大，是因?yàn)镈LS測得的是納米粒子的水化尺寸，而SEM、TEM測得的是納米粒子干燥狀態(tài)下的尺寸[9]。綜上可知，兩親性的mPEG-PHB通過分子自組裝技術(shù)可以制備粒徑在100 nm左右的具有核殼結(jié)構(gòu)的納米粒子。

3結(jié)論

采用萘鉀-冠醚引發(fā)體系通過β-丁內(nèi)酯的陰離子開環(huán)聚合合成了PHB，且PHB的分子量隨反應(yīng)時(shí)間的延長而增大。通過聚乙二醇甲醚-鉀大分子引發(fā)體系引發(fā)β-丁內(nèi)酯開環(huán)聚合合成兩親性嵌段共聚物mPEG-PHB，并通過1HNMR、FTIR表征共聚物成功合成。DSC分析表明，無定形PHB的引入，降低了結(jié)晶性mPEG的結(jié)晶能力。通過分子自組裝技術(shù)制備了兩親性mPEG-PHB的納米粒子，SEM、TEM、DLS表征發(fā)現(xiàn)納米粒子為粒徑在100 nm左右的具有核殼結(jié)構(gòu)的微球。

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《化學(xué)與生物工程》編輯部

Synthesis and Characterization of PHB and Block Copolymer mPEG-PHB

LI Xue-mei,HE Ji-dong,DAI Yuan-kun,ZHANG Jing-jing,RONG Jia-meng

(KeyLaboratoryofRubber-PlasticsofMinistryofEducation,ShandongProvincialKeyLaboratoryof

Rubber-Plastics,QingdaoUniversityofScience&Technology,Qingdao266042,China)

Abstract：Using β-butyrolactone(BL) as monomer,naphthalene potassium-crown ether as initiator,poly(β-butyrolactone)(PHB) was synthesized by anionic ring-opening polymerization.The effect of reaction time on molecular weight of PHB was studied.Poly(ethylene glycol) methyl ether-potassium macroinitiators(mPEG-K) was synthesized based on naphthalene potassium-crown ether.Amphiphilic poly(ethylene glycol) methyl ether-poly(β-butyrolactone)(mPEG-PHB) was prepared by ring-opening polymerization of BL initiated by mPEG-K.Copolymer was characterized by1HNMR,FTIR,DSC.The copolymer nanoparticles were prepared by the molecular self-assemble technology.These nanoparticles were characterized by SEM,TEM,DLS.The results showed that the molecular weight of PHB increased with reaction time in a certain time.The DSC results showed that amorphous PHB reduced the crystallization ability of mPEG significantly.These nanoparticles were core-shell structure nanospheres with size of 100 nm.

Keywords：β-butyrolactone;anionic polymerization;poly(ethylene glycol) methyl ether;amphiphilic;nanospheres

中圖分類號(hào)：O 631.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-5425(2015)05-0043-05

doi：10.3969/j.issn.1672-5425.2015.05.011

收稿日期：2015-01-16

作者簡介：李雪梅(1989-)，女，山東威海人，碩士研究生，研究方向：生物醫(yī)用高分子材料；

通訊作者：賀繼東，教授，E-mail:hjd@qust.edu.cn。