摩尔比对三元共聚物和GBR膜的性能影响*

刘阳，赵瑾，董浩，王宪朋，马丽霞，朱爱臣，王传栋，张卫平，王勤

（山东省药学科学院，山东省医用高分子材料重点实验室，济南250101）

1 引 言

种植牙作为牙齿缺失修复的首选方法得到越来越多的临床应用。然而，种植区骨量不足是种植牙失败的主要原因，引导骨再生技术（guided bone regeneration，GBR）能够有效地解决该问题。1989年Dahlin首次将GBR膜应用于种植牙手术并获得了较好的牙槽骨再生效果［1］。其原理是将GBR膜置于软组织和骨缺损之间建立生物屏障，阻止牙龈结缔组织细胞和上皮细胞进入骨缺损区，允许有潜在生长能力、迁移速度较慢的成骨细胞优先进入骨缺损区，同时保护血凝块，减缓覆盖组织的压力，实现缺损区的骨组织修复性再生，提高种植牙修复的成功率。

可吸收性膜材料是近年来国内外研究的热点，主要有天然生物材料和合成高分子材料。天然生物材料以胶原为主［2－6］，其生物相容性好、引导骨组织再生能力强，但抗张强度较小，应用过程中易发生塌陷而失去空间支撑力，另外胶原存在免疫源性等潜在风险，且来源以及类型较多，引发的机体反应也不尽相同。

聚丙交酯是一种生物可降解合成高分子材料，具有生物相容性好、机械性能强及易成型等优点。Vernino、Magnsson等研究了该材料用于GBR膜取得了较好的实验结果［7－11］，但膜的降解时间偏长、降解速度与骨组织生长速率不匹配，影响了其进一步的应用。Robert等对不同分子量的聚丙交酯共混物进行了研究［2］，虽然降解速率可以根据需要调节，但膜材料的韧性不足，而且致密膜结构缺乏细胞识别的位点，因而不利于细胞粘附，对组织的引导再生效果不太理想。

基于上述问题，本研究在聚丙交酯中引入聚乙交酯（PGA）和聚三亚甲基碳酸酯（PTMC）链段，形成（丙交酯－乙交酯－三亚甲基碳酸酯）三元共聚物（PLGTMC）并制备成GBR膜，用于改善材料和膜的理化性能，为后续GBR膜体内外降解及动物试验奠定基础。

2 实验部分

2.1 原料和试剂

丙交酯（外消旋，DLLA）、乙交酯（GA）、三亚甲基碳酸酯（TMC）：自制，纯度不低于99.5%；辛酸亚锡：纯度95%，美国Sigma－Aldrich有限公司；三氯甲烷：色谱纯，美国JT.Baker试剂有限公司；二氧六环、甲醇和二氯甲烷为分析纯，天津科密欧化学试剂有限公司。

2.2 共聚物的合成

准确称量不同摩尔比的三种单体，置于真空反应瓶中，加入单体质量分数约0.1%的辛酸亚锡，抽真空至70 Pa后在150℃油浴中磁力搅拌反应20 h。反应结束后，用二氯甲烷将产物溶解，加入甲醇沉淀纯化，将产物置于50℃真空干燥箱中干燥48 h，得到共聚物固体。

2.3 表征与测试

使用德国Bruker公司 Avance 400 MHz型核磁共振仪，以氘代三氯甲烷为溶剂，测定共聚物的1H－NMR；美国Waters2414型凝胶渗透色谱仪（GPC）测定共聚物的分子量（Mw）及分子量分布系数（Mw／Mn），三氯甲烷作为流动相，聚苯乙烯为标准品，测试温度 30℃，流动相流速 1.0 ml／min；日本岛津DSC60差示扫描量热仪测定共聚物热性能，升温速率10℃／min，温度范围－40℃～200℃；采用称重计算法，测到GBR膜孔隙率；使用国产孔径分析仪（PSDA－20），以泡点法测定GBR膜孔径；日本岛津AGS－H电子万能试验机测试共聚物和GBR膜拉伸强度、断裂伸长率，速率分别为500 mm／min和50 mm／min，测试温度25℃。

2.4 GBR膜的制备

分别称取一定质量的共聚物，配制成质量比浓度20%的二氧六环和乙醇混合溶液，在水平板上涂覆成膜，并置于低温设备中真空干燥成型，得到所需的GBR膜。

3 结果与讨论

3.1 共聚物结构表征

设计合成四种不同摩尔比的PLGTMC共聚物，图1是其核磁氢谱图，从图中可以看到与聚合物质子相对应的特征峰。其中，1.5～1.6 ppm为聚合物中丙交酯单元的甲基质子峰；2.0 ppm是聚合物中三亚甲基碳酸酯单元中间位置的亚甲基质子峰，4.2～4.3 ppm是三亚甲基碳酸酯单元临近氧原子的两个亚甲基质子峰；4.5～4.8 ppm是乙交酯单元的亚甲基质子峰；4.9～5.2 ppm区域为聚合物丙交酯单元中的次甲基质子特征峰。

图1 PLGTMC共聚物的核磁共振氢谱Fig 1 1 H－NMR spectra of PLGTMC terpolymers

根据各单元特征峰面积计算共聚物组成，共聚物组成与单体投料摩尔比基本一致（见表1）。此外，表1中的共聚物产率均在90%以上，同时具有较高的分子量，共聚物Mw达到20万左右，且分子量分布较窄，多分散指数（Mw／Mn）均在1.5～1.7之间，说明共聚单体都参与了聚合反应并加入到聚合物链中，且共聚物分子量分布较为均匀。

表1 不同摩尔比的PLGTMC共聚物Table 1 PLGTMC terpolymers w ith various feed monomer ratios

3.2 共聚物热性能

PLGTMC的DSC曲线见图2。样品1～样品4共聚物均只有一个Tg，未出现熔融吸热峰，这可能是由于共聚物结晶性主要取决于含量较多DLLA或TMC链段，两者均为无定形态。

随TMC含量增加，共聚物玻璃化转变温度（Tg）逐步降低，由47.4℃降至 －13.8℃，这是因为TMC中有3个移动性强的CH2基团，使TMC分子链柔性较大。而随着TMC含量的增加，共聚物链柔性也逐渐增大，链段更容易运动，从而导致共聚物的Tg逐渐下降，这也与聚合物和GBR膜的力学性能变化相吻合。

图2 PLGTMC的DSC谱图Fig 2 DSC spectrum of PLGTMC

3.3 共聚物结晶性能

图3 PLLGC共聚物的XRD图谱Fig 3 XRD patterns of PLLGC terpolymers

PLGTMC共聚物结晶性由XRD测定（见图3），可见共聚物均呈现弥散性衍射峰，为无定形态聚合物，该结果与共聚物的DSC热力学性能相一致。随着TMC含量增大，其衍射峰位置由PDLLA的15.9°逐渐变化为 PTMC的20.9°［12］，且样品4较样品3峰型更为突出，有近似于结晶的趋势，这可能是局部TMC较长链段形成的规则排列所致。

3.4 GBR膜孔隙率及平均孔径

GBR膜孔隙率和平均孔径分别采用称重计算法及泡点法测定。见表2，相同聚合物溶液浓度、相同制备工艺条件下，不同摩尔比共聚物制得的GBR膜平均孔径及孔隙率基本一致。

GBR膜中的微孔是聚合物溶液中的二氧六环在低温条件中结晶，结晶真空升华后的孔隙形成微孔。当聚合物溶液浓度一致时，单位体积GBR膜中形成的二氧六环晶体体积也大致相同，升华后微孔的体积即GBR膜的孔隙率也基本一致；当GBR膜制备工艺相同时，二氧六环结晶温度、晶体生长速率基本一致，形成尺寸分布也基本一致的晶体，升华后的孔隙大小即GBR膜的平均孔径也基本一致。

经前期试验优化筛选，当冷冻温度为－35℃、聚合物质量比浓度为20%时，不同摩尔比的共聚物均可得到孔隙率约为70%、平均孔径为8～9 um的GBR膜。

表2 GBR膜的孔径和孔隙率Table 2 The average pore diamete and porosity of the GBR membrane

3.5 共聚物和GBR膜力学性能

见表3，共聚物摩尔比显著影响其力学性能，随着TMC含量的增加，共聚物链段更容易运动，其拉伸强度迅速下降，断裂伸长率则是显著升高，共聚物的最大拉伸强度可达54.9 MPa，最大断裂伸长率可达到将近600%。尤其是样品3与样品4，其Tg远低于室温，共聚物由玻璃态变化为高弹态，两者的断裂伸长率明显升高，拉伸强度显著降低，使其表现为粘性的橡胶样行为。

表3 共聚物和GBR膜的力学性能Table 3 Themechanics properties of the copolymer and GBR membrane

GBR膜由共聚物经低温干燥成型制成，其内部存在大量微孔，所以拉伸强度及断裂伸长率均低于对应的共聚物，但其变化规律与共聚物保持一致。

4 结论

（1）通过本体开环聚合方法，在辛酸亚锡催化下合成了DLLA／GA／TMC不同摩尔比的三元共聚物，其组成与设计相符，分子量较高，分子量分布比较均匀。

（2）相同聚合物溶液浓度、相同制备工艺条件下，不同摩尔比共聚物可以制得平均孔径及孔隙率基本一致的GBR膜。

（3）随TMC含量增加，三元共聚物Tg及拉伸强度逐渐降低，结晶性和断裂伸长率有所增加。

（4）TMC含量在25%左右时，GBR膜断裂伸长率较含量10%时增加100%，柔韧性增加的同时仍保持足够的拉伸强度，有望应用于动物及临床试验。