制备聚(L-乳酸-co-乙醇酸)/聚D-乳酸共混物立构复合物的新方法*

董　军，白　威，黄冬玲，熊成东(.中国科学院成都有机化学研究所，四川成都　6004; 2.中国科学院大学，北京　00049)



制备聚(L-乳酸-co-乙醇酸)/
聚D-乳酸共混物立构复合物的新方法*

董军1，2，白威1，黄冬玲1，熊成东1
(1.中国科学院成都有机化学研究所，四川成都610041; 2.中国科学院大学，北京100049)

摘要:首次以高分子量的聚(L-乳酸-co-乙醇酸)(PLLGA)和D-聚乳酸(PDLA)［m(PLLGA)∶m(PDLA)=3∶1，c 50 mL·g－1］为原料，氯仿为溶剂，等体积的甲醇为沉淀剂，于50℃蒸发4 h形成了PLLGA和PDLA的立构复合物(sc-PLA)，其结构和性能经XRD，DSC和TGA表征。结果表明:sc-PLA的结晶度达96.2%，热失重5%温度为342℃(PLLGA为304℃)。

关键词:聚乳酸-乙醇酸; D-聚乳酸;立构复合物;制备;热稳定性

聚乳酸立构复合物(sc-PLA)既具有与L-聚乳酸(PLLA)和D-聚乳酸(PDLA)不同的结构和更好的物理性质，同时还保持了聚乳酸无毒无害、生物相容性好等优点［1］，在医用材料及环保领域有潜在的应用价值［2－3］。但sc-PLA的有效形成是限制其实际应用最亟待解决的问题之一，尤其是以高分子量PLLA为基础的共聚物与PDLA之间sc-PLA的有效形成［4－5］。为此，研究人员探讨了影响sc-PLA形成的各种因素，提出了多种制备sc-PLA的方法［6－7］。

迄今为止，sc-PLA的制备方法大致分为三种:熔融法，CO2超临界流体技术和溶液法。其中熔融法是最利于工业化的方法，但该法要求任一共混组分的粘均分子量(Mv)不超过6×103g·mol－1，没有实际应用意义;另外，熔融法的加工温度较高(220℃～250℃)，往往造成分子量下降［8］。CO2超临界流体技术是目前报道最有效的sc-PLA制备方法，但该方法目前工艺尚不成熟，仅限于实验室规模［9］。溶液法操作简单，但制备周期较长，产物多为膜状固体不利于后期加工。

随着对sc-PLA研究的深入，学者们尝试了新的方法或对现有方法进行了改进［10－12］。在此基础上，本文首次以高分子量的聚(L-乳酸-co-乙醇酸)(PLLGA)和PDLA为原料，采用改良的溶剂法，简单、快捷、有效地使PLLGA与PDLA不对称共混形成了立体复合物sc-PLA。即氯仿为溶剂，甲醇为沉淀剂，于50℃蒸发4 h制备了sc-PLA(简称1)，其结构和性能经XRD，DSC和TGA表征。

1　实验部分

1.1仪器与试剂

乌氏粘度计(氯仿为溶剂，测定温度25℃); Philips Pert Pro型X-射线衍射仪(XRD，扫速:0.03°·min－1，扫描范围:10°～40°); TA Q20型差示扫描量热仪(DSC，升温速率:10℃· min－1); TA Q200型热失重分析仪(TGA，升温速率:10℃·min－1); Waters 1515型凝胶渗透色谱仪(GPC，窄分布聚苯乙烯标准参照物，氯仿为流动相，流速:0.5 mL·min－1); Waters 1515 HPLC 泵; HT4＆5型聚苯乙烯柱; Waters 2414型视差折光检测器。

PLLGA［m(丙交酯)∶n(乙交酯)=95∶05，重均分子量(Mw)=4.4×105g·mol－1］; PDLA(商品名PD38，粘度3.62 dL·g－1)，Purac公司;其余所用试剂均为分析纯。

1.2 1的制备

在反应瓶中加入PLLGA 7.5 g，PDLA 2.5 g ［m(PLLGA)∶m(PDLA)=3∶1］和氯仿500 mL，搅拌使其溶解使其浓度(c)为50 mL·g－1。将溶液分成3份(A，B，C)，分别按以下三种方法制备1。

(1)方法一:搅拌下，在溶液A中加入甲醇2 L(4倍氯仿体积)，于室温沉淀0.5 h。过滤，滤饼于50℃真空干燥72 h得白色固体1A。

(2)将溶液B分成4份，分别在不同的温度T(25℃，40℃，50℃，60℃)下蒸发溶剂4 h。滴加甲醇1.5 L(3倍氯仿)使共混物沉淀0.5 h。过滤，滤饼于50℃真空干燥72 h得白色固体1BT。

(3)在搅拌下，在溶液C中加入甲醇500 mL(与氯仿等体积)，分别在不同的温度T(25℃，40℃，50℃，60℃)蒸发溶剂4 h。滴加甲醇1.5 L使共混物沉淀0.5 h。过滤，滤饼于50℃真空干燥72 h得白色固体1CT。

2　结果与讨论

2.1蒸发过程和温度对1形成的影响

(1)XRD

复合物的XRD谱图见图1。从图1可见，对于1BT和1A，在16.8°处出现了很强的PLLGA或者PDLA特征衍射峰［13］，说明过量甲醇快速沉淀及没有甲醇的情况下，不论升温与否都不利于1的形成。从图1还可见，对1CT，在12°，21°和24°处都有较强的1的特征衍射峰［14］。另外，衍射峰的强度并不是随着蒸发温度升高而增强。15C0的衍射峰强度最强，这说明50℃蒸发溶剂有利于1的形成。

图1　复合物的XRD曲线Figure 1　XRD curves of complexes

(2)DSC

为了进一步确认XRD的结果，用DSC研究了蒸发过程和温度对1形成的影响，结果见图2，其相应的热力学参数见表1。

表1　复合物的第一次升温的DSC热力学参数*Table 1　Thermal parameters of first heating of complexes

图2　复合物的DSC曲线Figure 2　XRD curves of complexes

从图2可见，1CT在163℃和214℃左右出现两个熔融峰，分别对应PLLGA和1的熔融峰。从表1中可见，1CT的熔融焓值(ΔHm，3)均大于47 J· g－1，结晶度(Xc)超过66%，这些值远远超过1BT和1A中相应的热力学参数。另外，从表1还可以看出,1C50具有最大ΔHm值(68.35 J·g－1)，这与XRD结果完全一致。从图2中还注意到在表1中不同方法制备的1的第一次升温DSC参数。图2中还有一个值得注意的现象是，在178℃附近完全观察不到PDLA的熔融峰，表明PDLA与PLLGA能够有效的形成1。但从图2中观察1BT和1A的DSC曲线，明显看到PLLGA(163℃)，PDLA(178℃)和1(216℃)的熔融峰，尤其是对于1BT，无论在常温下挥发溶剂，还是升高温度蒸发溶剂，都只有微量的1形成。该现象说明在快速沉淀和无沉淀剂的情况下，PDLA与PLLGA都不能够有效的形成1。DSC的实验结果与XRD的测试结果相印证。

对于甲醇和温度对1形成的影响，有两个因素必须考虑:一是PLLGA和PDLA分子链在良溶剂和非良溶剂中的存在状态;二是温度对溶解度和分子链运动的影响。在良溶剂中，聚合物分子链趋向于伸展、相互分离;而在非良溶剂中分子链则趋向于团聚并相互靠近。1的形成需要不同分子链的平行排列，这要求分子链间要相互靠近形成1的晶核，然后分子链再移动到结晶位继续生长［16］。因此，非良溶剂的加入有利于1的形成。另外，温度升高聚合物的溶解度增大，有利于分子链的舒展，但由于甲醇的存在，分子链间的距离仍然比较小，从而易于1的形成;同时，温度的升高使得分子链的运动能力增强，这时分子链会向更稳定的状态移动，也就是向形成1的方向移动。然而温度过高有可能会脱离分子链间形成的氢键，重新回到自由状态，这反而不利于1的形成，Furuhashi也得到过类似的实验结果［17］。

2.2蒸发时间对15C0的分子量和结晶度的影响

在较高温度下蒸发混合溶剂会造成聚合物分子量的损失，所以蒸发时间是实验必须考察的条件。图3和图4分别为蒸发时间对15C0的分子量和晶体结晶度(Xc)的影响变化图。

图3　1C50的粘度和Mw与蒸发时间的关系曲线Figure 3　Relationship curves of viscosity，Mw and evaporation time of 1C

图4　1C50的结晶度与蒸发时间的关系曲线Figure 4　Relationship curves of crystallinity and evaporation of 1C

从图3可见，在蒸发时间小于4 h时，15C0的分子量会有小幅增加。因为形成的15C0会起到交联点的作用，使其表观分子量增大［18］。当蒸发时间超过4 h后，分子量开始下降，表明PLLGA或者PDLA开始降解;随着蒸发时间的延长，分子量下降更为明显。从图4可以看出，蒸发时间达到24 h时，分子量下降约12%，但15C0的结晶度也会有小幅提高。这是因为分子量的下降易于15C0的形成。总的来说蒸发时间超过4 h后1C50的结晶度变化不大。本实验中，蒸发时间以4 h为宜。

2.3非良溶剂对1形成的影响

为了进一步研究其它非良溶剂对于1形成的影响，选择丙酮(a)、正己烷(b)、乙酸乙酯(c)、四氢呋喃(d)和乙腈(e)代替甲醇，采用C过程研究溶剂对1形成的影响，结果见图5。从图5可见，在蒸发混合溶液过程中，不同的非良溶剂对1CT的形成有不同的影响。对于1CT-a，1CT-b和1CT-d，他们有相同的规律。随着蒸发温度的升高，ΔHm(sc)会先增大，50℃时达到最大，60℃时又减小。1CT-c则在蒸发温度为40℃时ΔHm(sc)达到最大值; 1CT-d表现出明显对温度的非依赖性，这可能是因为乙腈的较强极性所致。总的来说，加入等量甲醇，在50℃下蒸发4 h后再加入3倍于氯仿体积的甲醇沉淀所得到的1C50立构复合程度最高［由于数据量较大，在此没有将所有相关热力学数据列出，只做了ΔHm(sc)与不同蒸发温度的关系图］。

图5　1CT的ΔHm随溶剂蒸发时间的变化曲线*Figure 5　Relationship curves ofΔHm and evaporation time of 1C

图6　PLLGA和1C50的TGA曲线*Figure 6　TGA curves of PLLGA and 1C

2.415C0的热稳定性PLLGA和15C0的热失重曲线见图6。从图6可见，PLLGA和15C0有不同的热分解起始温度(Tonset)，分别为287℃和321℃。另外，质量损失5%时的温度(T5%)也是衡量聚合物热稳定性的重要参数，PLLGA和15C0的T5%分别为304℃和342℃。15C0的Tonset 和T5%比PLLGA相应温度有显著提高，这是因为1的形成增强了分子链间的作用力，所以需要更多的能量来破坏分子链的紧密堆积［19］。

3　结论

首次以高分子量的PLLGA和PDLA为原料，采用改良的溶剂法使两者之间有效的形成了立构复合物(sc-PLA)。在最佳条件［m(PLLGA)∶m(PDLA)=3∶1，c为50 mL·g－1］下，加入与氯仿等体积的甲醇，于50℃蒸发4 h，最后加入过量沉淀剂的方法所形成的sc-PLA的结晶度达到96.2%，且使PLLGA热失重5%的温度达到了342℃，较大幅度的提高了PLLGA的热稳定性。sc-PLA为粉状固体，有利于后期的进一步加工。

参考文献

［1］Nair L S，Laurencin C T.Biodegradable polymers as biomaterials［J］.Prog Polym Sci，2007，32(8):762－798.

［2］Selim M，Bullock A J，Blackwood K A，et al.Developing biodegradable scaffolds for tissue engineering of the urethra［J］.BJU International，2011，107(2):296－302.

［3］Selim M，Bullock A J，Blackwood K A，et al.Developing biodegradable scaffolds for tissue engineering of the urethra［J］.BJU International，2011，107(2):296－302.

［4］Hatada K.Stereoregular uniform polymers［J］.J Polym Sci，1998，37(3):245－260.

［5］Fukushima K，Kimura Y.Stereocomplexed polylactides(Neo-PLA)as high-performance bio-based polymers:Their formation，properties，and application［J］.Polym Int，2006，55(6):626－642.

［6］Tsuji H.Crystallization from the melt of poly(lactide)s with different optical purities and their blends［J］.Macromol Chem Phys，1996，197:3483－3499.

［7］Tsuji H.Poly(lactide)stereocompleses:Formation，structure，properties，degradation，and application［J］.Macromol Biosci，2005，5(7):569－597.[8］Bao R Y，Yang W.Stereocomplex formation of highmolecular-weight polylactide:A low temperature approach［J］.Polymer，2012，53(24):5449－5454.

［9］Purnama P，Kim S H.Stereocomplex formation of highmolecular-weight polylactide using supercritical fluid ［J］.Macromolecules，2010，43(2):1137－1142.

［10］Purnama P，Kim S H.Stereocomplex formation of polylactide using microwave irradiation［J］.Polym Int，2014，63(4):741－745.

［11］Nakajima H，Nakajima M.Molecular organization of polylactides immobilized on a flat surface:Observation of single crystal arrays of homochiral and stereocomplexed polylactides［J］.Macromolecules，2012，45(15):5993－6001.

［12］Tsuji H，Yamamoto S.Enhanced stereocomplex crystallization of biodegradable enantiomeric poly(lactic acid)s by repeated casting［J］.Macromol Mater Eng，2011，296(7):583－589.

［13］Brizzolara D，Cantow H J.Mechanism of the stereocomplex formation between enantiomeric poly(lactide)s ［J］.Macromolecules，1996，29(1):191－197.

［14］Bao R Y，Yang W，Jiang W R，et al.Polymorphism of racemic poly(L-lactide)/poly(D-lactide)blend:Effect of melt and cold crystallization［J］.J Phys Chem B，2013，117(13):3667－3674.

［15］Saeidlou S，Huneault M A.Effect of nucleation and plasticization on the stereocomplex formation between enantiomeric poly(lactic acid)s［J］.Polymer，2013，54(21):5762－5770.

［16］Zhang J M，Tashiro K.Investigation of phase transi tional behavior of poly(L-lactide)/poly(D-lactide)blend used to prepare the highly-oriented stereocomplex［J］.Macromolecules，2007，40(4):1049－1054.［17］Furuhashi Y，Yoshie N.Stereocomplexation of solvent-cast poly(lactic acid)by addition of non-solvents［J］.Polym Int，2012，61:301－306.

［18］Yamane H，Sasai K，Takano M J.Poly(D-lactic acid)as a rheological modifier of poly(L-lactic acid):Shear and biaxial extensional flow behavior ［J］.J Rheol，2004，48(3):599－609.

［19］Tsuji H，Tsuruno T.Accelerated hydrolytic degradation of poly(L-lactide)/poly(D-lactide)stereocomples up to late stage［J］.Polym Degrad Stabil，2010，95(4):477－484.

·研究论文·

通信联系人:熊成东，研究员，Tel.028-85229122，E-mail:xcd1633@ aliyun.com

A Novel Method for Preparing Poly(L-lactic acid
co-glycolic acid)and Poly(D-lactic acid)Stereocomplexes

DONG Jun1，2，BAI Wei1，HUANG Dong-ling1，XIONG Cheng-dong1
(1.Chengdu Institute of Organic Chemistry，Chinese Academy of Sciences，Chengdu 610041，China; 2.University of Chinese Academy of Science，Beijing 100049，China)

Abstract:Stereocomplexes(sc-PLA)was prepared by improved solvent method，using high molecular weight poly(L-lactic acid-co-glycolic acid)(PLLGA)and poly(D-lactic acid)(PDLA)［m(PLLGA)∶m(PDLA)=3∶1，c 50 mL·g－1］as materials，chloroform as solvent and equal volume methanol as precipitator，at 50℃for 4 h.The structure and performances were characterized by XRD，DSC and TGA.The crystallinity and initial decomposition temperature of sc-PLA were 96.2% and 342℃，respectively.

Keywords:poly(L-lactic acid-co-glycolic acid); poly(D-lactic acid); stereocomplex; preparation; thermal stability

作者简介:董军(1977－)，男，汉族，四川南充人，博士，主要从事生物医用材料的研究。E-mail:dongj46@163.com

收稿日期:2015-02-05;

修订日期:2015-10-10

DOI:10.15952/j.cnki.cjsc.1005－1511.2015.12.1111 *

文献标识码:A

中图分类号:O633.14