不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)PEG-PCL嵌段共聚物的結(jié)晶研究

陳 英，吳正飛，李 賽

（四川大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，四川 成都 610065）

CHEN Ying, WU Zheng-fei, LI Sai*

（College of Chemical Engineering, Sichuan University, Sichuan Chengdu 610065, China）

不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)PEG-PCL嵌段共聚物的結(jié)晶研究

陳 英，吳正飛，李 賽*

（四川大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，四川 成都 610065）

合成了不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的聚乙二醇-聚己內(nèi)酯（PEG-PCL）嵌段共聚物，共聚物結(jié)構(gòu)分別為 AB型線性兩嵌段（diblock）、ABA型線性三嵌段(triblock)、AB2型星形(star shape) 嵌段共聚物。通過表征發(fā)現(xiàn)嵌段共聚物的分子量與設(shè)計(jì)的分子量接近，且相對分子量分布窄。通過XRD、DSC、熱臺偏光顯微鏡(HSPOM) 研究了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對共聚物結(jié)晶的影響。ABA聚合物中間的PEG親水鏈?zhǔn)艿絻啥薖CL鏈段阻礙，其結(jié)晶衍射峰最弱。三者的等溫結(jié)晶速率按AB、AB2、ABA的速率遞減，形成的球晶結(jié)構(gòu)規(guī)整度則逐漸增加。

聚乙二醇-聚己內(nèi)酯；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；結(jié)晶性能

CHEN Ying, WU Zheng-fei, LI Sai*

（College of Chemical Engineering, Sichuan University, Sichuan Chengdu 610065, China）

聚乙二醇-聚酯嵌段共聚物已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于藥物傳輸系統(tǒng)，這類雙親性高分子在水中可自組裝成為高分子膠束，用于負(fù)載疏水性藥物。聚己內(nèi)酯（PCL）是一種半結(jié)晶狀的疏水聚合物，具有良好的血液相容性和藥物通透性，被廣泛用于人體組織工程、環(huán)境工程和藥物釋放系統(tǒng)，并且已取得美國食品與藥品管理局（FDA）認(rèn)證[1]。PCL也存在結(jié)晶度高、降解速率慢、不溶于水等缺陷，這嚴(yán)重限制了PCL在臨床上的應(yīng)用。聚乙二醇（PEG）是一種親水性高分子材料，具有良好生物相容性和結(jié)晶性[2]。通過開環(huán)聚合，將PEG引入到PCL鏈段上可以改善PCL的結(jié)晶性、力學(xué)性能及可降解性。

嵌段共聚物的結(jié)晶會受到鏈段的相互影響，鏈段均為結(jié)晶高分子的 PEG-PCL嵌段共聚物的結(jié)晶行為不僅受到鏈段的長度、溫度等影響，還會受到PEG-PCL共聚物的鏈段長度比例、親疏水鏈段的結(jié)構(gòu)以及嵌段共聚物的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響[3,4]。PEG-PCL嵌段共聚物的空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對其結(jié)晶行為的影響目前的研究報(bào)道還不多?；诖?，本文設(shè)計(jì)并合成了三種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的 PEG-PCL嵌段共聚物，系統(tǒng)研究了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對共聚物分子鏈運(yùn)動及結(jié)晶行為的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料與試劑

聚乙二醇單甲醚（mPEG，分子量2000），聚乙二醇（PEG，分子量2 000），辛酸亞錫（Sn(Oct)2）：分析純，Sigma-Aldrich Co.。 一端為芐氧基封端，另一端為兩個(gè)羥基改性的PEG（實(shí)驗(yàn)室合成，分子量2 000）。二氯甲烷，乙醚：分析純，成都科龍化工試劑廠。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

采用開環(huán)聚合的方法合成三種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的PEG-PCL，其中PEG鏈段的分子量為2 000，PCL鏈段的分子量為4 000。mPEG2k、單端帶有兩個(gè)羥基的改性PEG2k、PEG2k被用作大分子引發(fā)劑，催化劑為辛酸亞錫（Sn(Oct)2）。分別將上述三種大分子引發(fā)劑2 g加入聚合管中，除水后，迅速加入4 g CL和0.1%(wt) 的辛酸亞錫。抽真空后封存聚合管，置于130 ℃的油浴中反應(yīng)48 h。取出聚合管，用二氯甲烷溶解后于冰乙醚中沉淀三次，所得的白色粉末即為PEG-PCL。

1.3 測試與表征

采用Bruker AV-400 核磁共振波譜儀對聚合物的1H NMR譜圖進(jìn)行采集。測試前，將樣品溶解于CDCl3中，用TMS 作內(nèi)標(biāo)，在室溫條件下進(jìn)行測試。聚合物的分子量及其分布采用英國PL公司GPC-220凝膠滲透色譜儀，用聚苯乙烯為標(biāo)樣，流動相為四氫呋喃，流速為1.0 mL/min，測試溫度為35 ℃。采用X’Pert ProMPD測定聚合物的結(jié)晶衍射性能，用CuKα(λ=0.154 nm) 作為靶材料，測試范圍為5°～50°，測試溫度為25 ℃ 。測試前，將聚合物制成薄膜，加熱熔融后于 30 ℃下等溫結(jié)晶。使用美國 TA Instrument 公司的差示量熱掃描儀，測定在N2保護(hù)下聚合物的熔融結(jié)晶曲線。采用二次升溫的方法進(jìn)行測定，升溫速率為5 ℃ /m in，降溫速率為10 ℃ /m in，停留時(shí)間為5 min，溫度范圍為0～80 ℃ 。聚合物的等溫結(jié)晶過程采用 Nikon ECLIPSE LV100 POL型熱臺偏光顯微鏡進(jìn)行測試。兩嵌段和星型聚合物由于結(jié)晶速率較快，在40 ℃下進(jìn)行測試，三嵌段聚合物結(jié)晶速率較慢，在35 ℃下進(jìn)行等溫結(jié)晶。

2 結(jié)果與討論

2.1 合成與結(jié)構(gòu)

圖1為三種聚合物的1H NMR譜圖。δ=3.4～3.6 ×10-6處的峰為PEG中的重復(fù)單元-CH2CH2O-的質(zhì)子特征峰，而δ=4.1、2.3、1.7、1.4×10-6處的峰則為 PCL中 CL單元的氫質(zhì)子峰，分別對應(yīng)-CH2OOC-、 -COCH2-、 -COCH2CH2CH2-、-COCH2CH2CH2-中的氫原子。在δ=4.25×10-6處出現(xiàn)了明顯的特征峰，歸屬于與PEG相連的PCL中的亞甲基上的氫原子（-OCH2CH2），表明 PEG與CL的開環(huán)聚合反應(yīng)是成功的。

我們利用FTIR和GPC進(jìn)一步對聚合物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。在紅外譜圖1中，觀察到了1 726 cm-1處的酯羰基伸縮振動峰，1 243和1 105 cm-1處的聚乙二醇鏈段中醚鍵特征吸收峰，2 944和2 867 cm-1處的CL和-CH2CH2O重復(fù)單元中亞甲基-CH2-的伸縮振動峰。GPC測試的結(jié)果顯示，三種聚合物均為單峰，且分子量分布較窄。表1總結(jié)了三種聚合物的分子量。

圖1 AB型兩嵌段、ABA型三嵌段、AB2型星型PEG-PCL的1H NMR 譜圖Fig.1 The1H NMR spectra of diblock, triblock and star shape copolymers of PEG-PCL

表1 三種聚合物的分子量及其分布Table 1 Molecular weights and molecular weight distribution of the copolymers

2.2 DSC 結(jié)果分析

圖2 為三種聚合物的DSC曲線圖。從升溫速率曲線來看，AB型線形嵌段共聚物中PEG段的熔點(diǎn)為47 ℃，熔程較小。PCL段出現(xiàn)二重熔融峰，說明在AB型線形嵌段共聚物中PCL鏈段結(jié)晶不完全，在熔融過程中出現(xiàn)再結(jié)晶和熔融現(xiàn)象。ABA型線形嵌段共聚物中，由于PEG鏈段處于中間段，結(jié)晶受到限制，PCL鏈段處于兩端位置，結(jié)晶也受到影響。與AB型PEG-PCL相比，PEG鏈段熔點(diǎn)大幅降低，且熔融焓顯著減少，說明PEG鏈段結(jié)晶度很低，且不易結(jié)晶。處于兩端的PCL鏈段熔點(diǎn)略降低，仍出現(xiàn)顯著的再結(jié)晶再熔融現(xiàn)象，說明其鏈段結(jié)晶能力略受影響，但不顯著。AB2型星型聚合物中，與上述兩者比較，PEG鏈段結(jié)晶能力受影響程度低于ABA線形共聚物，但熔點(diǎn)相對AB線形共聚物要低。說明PEG鏈段結(jié)晶能力受到一定影響。PCL鏈段熔融峰出現(xiàn)有較平肩峰的單峰，且熔點(diǎn)較高，說明PCL鏈段在退火過程中的結(jié)晶已經(jīng)比較完全，在熔融過程中鏈段再結(jié)晶再熔融不再明顯。從降溫速率曲線來看，星型聚合物的結(jié)晶溫度最高，說明星型聚合物可以在過冷度較低的情況下結(jié)晶。

圖2 三種聚合物的DSC曲線Fig.2 The DSC curves of the copolymers

2.3 XRD結(jié)果分析

圖3為聚合物在30 ℃下等溫結(jié)晶的 XRD譜圖，圖中2θ = 21.3°、21.9° 和 23.7°屬于PCL鏈段的結(jié)晶衍射峰，2θ = 19.0° 和 23.0°則屬于PEG中的結(jié)晶衍射峰[5]。對比兩嵌段、三嵌段和星型聚合物的結(jié)晶衍射曲線，可以發(fā)現(xiàn)，三嵌段聚合物中2θ = 19.0°處的結(jié)晶衍射峰十分微弱，兩嵌段聚合物此處的衍射峰則最強(qiáng)。結(jié)合三者的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可知，在三嵌段聚合物PCL-PEG-PCL中，PEG處于兩條PCL鏈段的中間，受到兩端PCL的強(qiáng)烈限制，故結(jié)晶衍射峰較弱，而兩嵌段聚合物PEG-PCL中，PEG受到PCL的限制作用最小，故其結(jié)晶衍射峰最強(qiáng)。XRD測試結(jié)果與DSC結(jié)果十分吻合。

圖3 三種聚合物的XRD譜圖Fig.3 The XRD spectra of the copolymers

圖4 三種聚合物的熱臺偏光顯微鏡圖。A、B、C分別代表兩嵌段、三嵌段、星型聚合物。其中A、C在40 ℃下進(jìn)行測試，B在35℃下進(jìn)行測試Fig.4 The photos captured by the HSPOM of 35 ℃（B）and 40 ℃（A、C）,A、B、C represents diblock, triblock and star shaped copolymers respectively

2.4 等溫結(jié)晶過程分析

從HSPOM結(jié)果中我們發(fā)現(xiàn)，如圖4所示。AB型兩嵌段共聚物在 40 ℃下就可以迅速結(jié)晶形成大量帶有不規(guī)則消光帶的球晶，晶體尺寸較小。BAB型三嵌段共聚物由于結(jié)晶能力較弱，在35 ℃下以相對兩嵌段共聚物較慢的速率結(jié)晶，形成尺寸較大、帶有消光且較為規(guī)整的球晶。AB2型星型共聚物在40 ℃下也可以較為迅速的結(jié)晶，形成尺寸和規(guī)整度介于兩嵌段和三嵌段線形共聚物之間的球晶。這些現(xiàn)象佐證了從 DSC中得出的對于不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的聚合物結(jié)晶能力和結(jié)晶度的結(jié)論。

3 結(jié) 論

設(shè)計(jì)并合成了三種具有相同親疏水鏈段的不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的PEG-PCL嵌段共聚物，分別為AB型兩嵌段、BAB型三嵌段線型聚合物、AB2型星型聚合物。通過1H NMR、FTIR、GPC對聚合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征，確認(rèn)合成終產(chǎn)物的化學(xué)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)相一致。利用XRD、DSC、HSPOM等方法對上述三種聚合物的結(jié)晶性能及熱性能進(jìn)行了研究。研究表明，聚合物的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對其結(jié)晶性能會產(chǎn)生顯著的影響。線形嵌段共聚物中，AB型兩嵌段共聚物PEG-PCL的兩個(gè)嵌段獨(dú)立結(jié)晶，結(jié)晶能力較強(qiáng)，結(jié)晶速率較快，形成不規(guī)整的大量球晶。BAB型三嵌段共聚物PCL-PEG-PCL的結(jié)晶能力最弱，PEG鏈段結(jié)晶被抑制，PCL鏈段結(jié)晶能力相比兩嵌段共聚物降低，在較低溫度下形成較規(guī)整的球晶。而在AB2型星型聚合物PEG-（PCL）2中，PEG鏈段結(jié)晶能力受到抑制，PCL鏈段結(jié)晶能力得到增強(qiáng)，形成不規(guī)整球晶。不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的嵌段共聚物的結(jié)晶行為具有較大差異，這將對我們設(shè)計(jì)得到具有特殊性能的材料結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。

［1］ Wei X, Gong C, Gou M, et al. Biodegradable poly (?-caprolactone) poly (ethylene glycol) copolymers as drug delivery system[J]. International Journal of Pharmaceutics, 2009,381(1): 1-18.

［2］ Alconcel SN, Baas AS, Maynard HD. FDA-approved poly (ethylene glycol)protein conjugate drugs[J]. Polymer Chemistry, 2011,2(7): 1442-1448.

［3］ Nojima S, Ono M, Ashida T. Crystallization of Block Copolymers II. Morphological Study of Poly (ethylene glycol)-Poly (ε-caprolactone) Block Copolymers[J]. Polymer journal, 1992,24(11): 1271-1280.

［4］ Takeshita H, Fukumoto K, Ohnishi T, et al. Formation of lamellar structure by competition in crystallization of both components for crystallinecrystalline block copolymers[J]. Polymer, 2006,47(24): 8210-8218.

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Synthesis and Crystallization of Poly(ethylene glycol)-poly(ε-caprolactone) Copolymers With Different Topological Structures

Three poly(ethylene glycol)-poly(ε-carprolactone) (PEG-PCL) copolymers were designed and synthesized via ring-opening polymerization,including diblock, triblock and star shaped copolymers. The measurement techniques of XRD，DSC and hot stage polarizing optical microscopy (HSPOM) were used to investigate the effect of topology on the crystallization. In the triblock copolymer, the middle PEG chain was restrained by PCL on both ends, resulting in the weakest crystal diffraction peak. The crystallization rate decreases in sequence of diblock, star shape and tirblock copolymers while the regularity of the spherulites increase in this order.

poly(ethylene glycol)-poly(ε-carprolactone); topology; crystallization

TQ 317.5

A

1671-0460（2016）11-2497-04

中國教育部博士基金，項(xiàng)目號：N o. 20130181110038。

2016-05-03

陳英（1990-），女，四川冕寧人，四川大學(xué)碩士研究生，研究方向：生物醫(yī)用高分子材料。E-m ail：happy456day@163.com。

李賽，教授，研究方向：生物降解高分子。E-m ail：lisai@scu.edu.cn。