PHB及mPEG-PHB嵌段共聚物的合成与表征

李雪梅，贺继东，代元坤，张晶晶，戎佳萌

(青岛科技大学 橡塑材料与工程教育部重点实验室山东省橡塑材料与工程重点实验室，山东 青岛 266042)

PHB及mPEG-PHB嵌段共聚物的合成与表征

李雪梅，贺继东，代元坤，张晶晶，戎佳萌

(青岛科技大学 橡塑材料与工程教育部重点实验室山东省橡塑材料与工程重点实验室，山东 青岛 266042)

摘要：以β-丁内酯(BL)为单体、萘钾-冠醚为引发剂通过阴离子开环聚合合成聚(β-丁内酯)(PHB)，研究了反应时间对PHB分子量的影响。在萘钾-冠醚引发体系的基础上制备聚乙二醇甲醚-钾大分子引发剂(mPEG-K)，采用mPEG-K引发β-丁内酯开环聚合合成两亲性嵌段共聚物聚乙二醇甲醚-聚(β-丁内酯)(mPEG-PHB)，并通过1HNMR、FTIR、DSC对其进行表征。通过分子自组装技术制备了mPEG-PHB共聚物的纳米粒子，采用SEM、TEM、DLS对纳米粒子进行表征。结果表明，在一定时间内PHB的分子量随反应时间的延长而增大。DSC结果表明，无定形的PHB明显降低了结晶性mPEG的结晶能力。mPEG-PHB纳米粒子为粒径在100 nm左右的具有核壳结构的纳米微球。

关键词：β-丁内酯；阴离子聚合；聚乙二醇甲醚；两亲性；纳米微球

聚(β-丁内酯)(PHB)是聚羟基烷酸酯(PHA)家族中的一员[1-2]，具有生物相容性、生物可降解性、压电性等优良性能，在生物医药等领域有广泛的用途。但是PHB本身存在的脆性[3-5]、疏水性[4]等特点限制了其应用，通过共混或共聚可以改善PHB的疏水性。PEG具有亲水性、生物相容性[6]等优良特性，与PHB共聚之后可以改善PHB的疏水性。关于PEG和PHB的共聚物，国内外研究得很多，包括熔体酯交换反应[7]、HDI偶联[3-4]、辛酸亚锡催化开环聚合[8]等。通过β-丁内酯(BL)的阴离子开环聚合制备PEG与PHB的嵌段共聚物的研究较少，此方法合成的PHB是无定形的[8]，有利于其与亲水性物质共聚形成两亲性聚合物，并且阴离子聚合的反应条件温和、能耗低。

作者以β-丁内酯为单体、萘钾-冠醚为引发剂制备PHB，并研究了反应时间对PHB分子量的影响。以萘钾-冠醚为基础制备聚乙二醇甲醚-钾大分子引发剂(mPEG-K)，采用mPEG-K引发β-丁内酯开环聚合合成两亲性嵌段共聚物聚乙二醇甲醚-聚(β-丁内酯)(mPEG-PHB)，并研究了PHB的引入对mPEG结晶性能的影响；通过分子自组装技术制备mPEG-PHB纳米粒子，并研究纳米粒子的结构。

1实验

1.1　试剂与仪器

β-丁内酯(纯度≥98%)、聚乙二醇甲醚2000(mPEG2000)、18-冠醚-6(纯度≥99%)，Sigma-Al-drich公司；四氢呋喃(THF，分析纯)，天津博迪化工有限公司；萘(分析纯)，天津河东区红岩试剂厂；金属钾(纯度99%)，Aladdin公司；氯仿、乙醚(分析纯)，烟台三和化学试剂有限公司；正己烷(分析纯)，天津富宇精细化工有限公司。

BRUKER-AV500型核磁共振波谱仪(NMR)、TENSOR-27型傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)，德国Bruker公司；204F1型差示扫描量热仪(DSC)，德国耐驰仪器制造有限公司，升降温速率为10 ℃·min-1，室温~100 ℃~-70 ℃~100 ℃；JSE6300型扫描电子显微镜(SEM)、JEM-2100型透射电子显微镜(TEM)，日本JEOL公司；Malvern Zetasizer Nano ZS90型动态光散射仪(DLS)，英国马尔文仪器有限公司。

1.2　方法

1.2.1PHB及 mPEG-PHB的合成

将25 mL圆底烧瓶、聚合管、安瓿瓶在加热条件下抽真空至少2 h，氮气置换6~8 次。

1)萘钾-冠醚引发剂的制备

称取等物质的量的萘、钾、18-冠醚-6于干燥的安瓿瓶中，封管，常温下抽真空，氮气置换3 次，注入一定量THF，超声振荡直至完全溶解，体系呈墨绿色。

2)mPEG-K大分子引发剂的制备

称取一定量mPEG2000于干燥的安瓿瓶中，封管，在60 ℃下抽真空，氮气置换3 次，注入一定量的THF，使mPEG2000完全溶解。然后注入上述制备的萘钾-冠醚引发剂溶液，超声振荡使催化体系分散均匀，得到mPEG-K大分子引发剂。

3)PHB的合成

向圆底烧瓶中注入一定配比的BL、THF、萘钾-冠醚引发剂，磁力搅拌，30 ℃下反应。在不同的反应时间点取出一定量的反应液，用正己烷-乙醚(3∶1，体积比，下同)将产物沉淀出来，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大分子引发剂，磁力搅拌，30 ℃下反应。待反应结束，用盐酸的甲醇溶液终止反应，加入氯仿稀释反应体系，用正己烷-乙醚将产物沉淀出来，40 ℃真空干燥2 d，得到mPEG-PHB。合成路线如图1所示。

图1嵌段共聚物mPEG-PHB的合成路线

Fig.1Synthetic route of block copolymer mPEG-PHB

1.2.2mPEG-PHB纳米微球的制备

称取一定量的嵌段共聚物mPEG-PHB溶于丙酮中，充分溶解后，在磁力搅拌下，将聚合物溶液缓慢滴加到去离子水中，控制滴加速度为5 s/滴，滴加完毕继续搅拌直至丙酮完全挥发，形成具有蓝光的乳液，即为两亲性共聚物纳米粒子的乳液。

2结果与讨论

2.1　反应时间对PHB分子量的影响

在单体与引发剂配比相同的情况下，考察反应时间对PHB分子量的影响，结果如图2所示。

由图2可知，在反应时间为0.5~9 h的范围内，PHB的分子量随反应时间的延长而增大。相比于采用多个聚合管分别进行不同时间点的反应来说，在本研究中采用圆底烧瓶作为反应容器，所有反应物料一次性加入，取不同反应时间点的物料进行后处理，有助于反应体系搅拌均匀，而且可以保证所有样品的单体与引发剂的浓度配比完全相同，减少了实验误差。

图2　PHB分子量与反应时间的关系Fig.2　The relationship between molecular weight of PHB and reaction time

2.2　PHB的表征

图3为萘钾-冠醚引发体系引发合成的PHB的核磁共振氢谱。

图3　PHB的核磁共振氢谱Fig.3　1HNMR Spectrum of PHB

由图3分析可知，PHB存在a和b两种结构。在δ5.24、δ2.43~2.65、δ1.26处分别是PHB中的-CH-、-CH2-、-CH3的特征峰；在δ1.86处是端基-CH3的特征峰；在δ6.94处是a结构中与端甲基相连的-CH=的特征峰；在δ5.66处是a结构中与羰基相连的=CH-的特征峰；峰7是b结构中与端羟基相连的-CH-的特征峰。根据特征峰的面积之比计算PHB的分子量Mn=86×DPPHB=86×I3/[3×(I5+I7)]，其中I3、I5、I7分别是峰3、峰5、峰7的积分面积，86是β-丁内酯的分子量。

2.3　mPEG-PHB的表征

2.3.1mPEG-PHB的结构表征

图4为mPEG-PHB的核磁共振氢谱。

图4　mPEG-PHB的核磁共振氢谱Fig.4　1HNMR Spectrum of mPEG-PHB

由图4可知，在δ3.65处是mPEG主链-CH2-CH2-的特征峰，在δ3.38处是mPEG的端基-OCH3的特征峰；在δ5.25、δ2.46~2.63、δ1.87处分别是PHB的-CH-、-CH2-、-CH3的特征峰，峰6是与端羟基相连的-CH-的特征峰，峰7是PHB端甲基的特征峰。综上可知，mPEG-PHB成功合成。

与PHB分子量的计算方法类似，mPEG-PHB的分子量可通过特征峰的面积之比计算，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的峰面积。

图5为mPEG和mPEG-PHB的红外光谱。

图5　mPEG(a)和mPEG-PHB(b)的红外光谱Fig.5　FTIR Spectra of mPEG(a) and mPEG-PHB(b)

由图5可知，在1 112 cm-1处是mPEG中-C-O-C-的特征峰，在3 433 cm-1处是mPEG端羟基的特征峰；在共聚物中，除了含有mPEG的特征峰，在1 733 cm-1处出现了较强的尖峰是PHB羰基的特征峰，说明聚合物中含有PHB；表征mPEG结晶性的特征峰(1 282 cm-1、957 cm-1、844 cm-1)强度减弱，而表征PHB无定形的特征峰(1 298 cm-1、1 185 cm-1)出现。综上所述，mPEG-PHB成功合成。

2.3.2mPEG-PHB的热性能

图6为mPEG与含有不同PHB链段长度的mPEG-PHB的DSC降温曲线和二次升温曲线，表1是聚合物的热性能参数。

由图6和表1可知，在mPEG链段长度不变的情况下，PHB链段长度对共聚物的热性能有明显的影响，随着PHB链段长度的增加，共聚物的结晶能力降低。共聚物只有一个玻璃化转变温度Tg，说明mPEG与PHB有良好的相容性；且随着PHB链段长度的增加，共聚物的Tg逐渐升高。随着PHB链段长度的增加，共聚物的结晶温度Tc、熔融温度Tm、熔融焓ΔHm降低，说明无定形的PHB的引入降低了共聚物中mPEG的结晶能力。

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

图6mPEG与mPEG-PHB的降温曲线(a)和二次升温曲线(b)

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

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

2.4　纳米粒子的表征

由于共聚物mPEG-PHB中含有亲水性链段mPEG和疏水性链段PHB，所以共聚物可以在水中通过分子自组装的方法制备纳米粒子。图7是两亲性mPEG-PHB(Mn=4 064)纳米粒子的SEM、TEM、DLS表征。

由图7a可知，共聚物纳米粒子为粒径在100 nm左右表面光滑的纳米微球，分散均匀，只有少量纳米微

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

球发生融合现象；由图7b可知,纳米微球具有明显的核壳结构；DLS(图7c)测得粒径尺寸较SEM、TEM测得的尺寸大，是因为DLS测得的是纳米粒子的水化尺寸，而SEM、TEM测得的是纳米粒子干燥状态下的尺寸[9]。综上可知，两亲性的mPEG-PHB通过分子自组装技术可以制备粒径在100 nm左右的具有核壳结构的纳米粒子。

3结论

采用萘钾-冠醚引发体系通过β-丁内酯的阴离子开环聚合合成了PHB，且PHB的分子量随反应时间的延长而增大。通过聚乙二醇甲醚-钾大分子引发体系引发β-丁内酯开环聚合合成两亲性嵌段共聚物mPEG-PHB，并通过1HNMR、FTIR表征共聚物成功合成。DSC分析表明，无定形PHB的引入，降低了结晶性mPEG的结晶能力。通过分子自组装技术制备了两亲性mPEG-PHB的纳米粒子，SEM、TEM、DLS表征发现纳米粒子为粒径在100 nm左右的具有核壳结构的微球。

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《化学与生物工程》编辑部

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

中图分类号：O 631.1

文献标识码：A

文章编号：1672-5425(2015)05-0043-05

doi：10.3969/j.issn.1672-5425.2015.05.011

收稿日期：2015-01-16

作者简介：李雪梅(1989-)，女，山东威海人，硕士研究生，研究方向：生物医用高分子材料；

通讯作者：贺继东，教授，E-mail:hjd@qust.edu.cn。