两亲性星型共聚物s-PLLA-PVP的制备及性能

丁阿敏，陈鹏鹏，周艺峰，聂王焰

(安徽大学 化学化工学院，绿色高分子材料安徽省重点实验室，安徽 合肥 230601)

聚乳酸(PLLA)具有良好的生物相容性、低毒性和生物降解性，由于其独特的性能被广泛用作药物载体[1-2].但是，它的亲水性较差、降解周期较长，使其应用受到限制.因此，PLLA的改性研究已成为热点.将亲水性链段接枝到PLLA中，可以改善其亲水性能、结晶性能和降解速率[3-4].两亲性星型共聚物与线型共聚物相比，具有较小的流体力学体积和更低的黏度，可提高药物的生物利用度.因此，两亲性星形共聚物受到了广泛的研究[5-7].

聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)是一种具有生物相容性、血液相容性、生物降解性的水溶性高分子，有显著的络合能力，可与许多不同的化合物发生聚合生成络合物，另外由于其还具有增溶作用，在药物传递系统中常被用于微球、纳米粒子、脂质体以及聚合物偶联[8-9].PVP链段改性PLLA共聚物可有效地调控载体的亲疏水性、药物释放速率以及载药量，延长药物在血液中的循环时间和加强药物靶向给药能力.此外，改变共聚物中单体投料比，还可以改善两亲性共聚物的热学性能，同时PVP的加入可以改善其结晶性能.

笔者以木糖醇(xylitol)为引发剂，辛酸亚锡催化L-丙交酯熔融开环聚合制备星型聚乳酸(s-PLLA)；以巯基乙酸(TGA) 为链转移剂、N-乙烯吡咯烷酮(NVP)为单体、偶氮二异丁腈(AIBN) 为引发剂、N, N-二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂，通过自由基溶液聚合法得到末端羧基化的聚乙烯基吡咯烷酮(PVP-COOH)；再由s-PLLA和PVP-COOH发生酯化反应制备两亲性星型s-PLLA-PVP共聚物，反应过程如图1所示.笔者研究了s-PLLA/PVP的反应摩尔比对s-PLLA-PVP共聚物的结晶性能、热性能和亲水性能的影响.

图1 s-PLLA-PVP共聚物合成示意图

1 实验部分

1.1 原料和试剂

L-乳酸(98%)、N-乙烯吡咯烷酮(99%)、二甲基氨基吡啶(DMAP，99%)、偶氮二异丁腈、N, N’-二环己基碳二亚胺(DCC，99%)，阿拉丁化学试剂有限公司；巯基乙酸(98%)、阿达玛斯化学试剂有限公司；木糖醇、辛酸亚锡，化学纯，国药集团化学试剂有限公司；L-丙交酯单体参考文献[10]制备，用乙酸乙酯重结晶3次；其他试剂均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司.

1.2 s-PLLA的合成

将计算量的木糖醇、L-丙交酯单体(5.028g,34.9mmol) 和辛酸亚锡(0.0141g溶于无水甲苯)依次加入15mL的聚合管中，用双排管抽气-通氩气循环3次后，密封聚合管，放入130℃的油浴锅中反应48h.反应结束冷却后，将聚合管打碎，粗产物用二氯甲烷超声完全溶解并过滤除去杂质后，再使用过量冷的甲醇做沉淀剂，除去未参加反应的L-丙交酯单体，抽滤收集产物，沉淀循环提纯2次，40℃真空干燥48h，得到一系列的s-PLLA.

1.3 PVP-COOH的制备

称取170mg AIBN引发剂，加入100mL三口烧瓶中，通入N2；依次用注射器将11mL NVP单体、280μL TGA链转移剂、50mL DMF溶剂，加入三口烧瓶中，在N2氛围下放入80℃油浴中反应12h.冷却产物后，将其逐滴加入到过量冷的乙醚中沉淀出固体，过滤后将沉淀物置于40℃真空干燥箱中干燥48h，得到PVP-COOH白色粉末.

1.4 两亲性星型共聚物s-PLLA-PVP的合成

将计算量的s-PLLA、PVP-COOH、DCC和DMAP用15mL无水二氯甲烷溶解，加入50mL的三口烧瓶中，通N2保护，室温下水浴锅中反应24h.反应结束后，粗产物用冷的甲醇洗涤3次，除去未反应杂质，离心收集产物，40℃真空干燥48h，得到一系列的s-PLLA-PVP.

1.5 性能测试

1.5.1傅里叶红外光谱分析(FT-IR)

s-PLLA、PVP-COOH和s-PLLA-PVP样品直接与KBr混合研磨，待研磨均匀后进行压片，将压片用美国Nicolet公司 Nexus870型傅里叶红外光谱仪进行测试.

1.5.2核磁共振谱分析(1H NMR)

采用美国Bruker公司AVANCE DMX400型核磁共振谱(1H-NMR)仪对s-PLLA-PVP结构进行表征，CDCl3为溶剂，TMS作为内标.

1.5.3分子量测定(GPC)

采用美国Waters410GPC液相色谱分析仪测定s-PLLA-PVP的分子量和分子量分布系数，溶剂为THF，参照物为聚苯乙烯(PS)，流动相流出速率为1.00mL·min-1，温度为35℃，注入量为20.00μL，运转时间10.50min，样品含量0.3%.

1.5.4热重分析(TGA)

采用德国耐驰公司449F3型同步热分析仪进行热重分析(TGA).将样品在100℃真空下干燥3～4h后，放在N2环境中升温，升温速率为20℃·min-1，温度范围为25～600℃.

1.5.5差示扫描量热分析(DSC)

采用美国TA公司Q2000差示扫描量热仪进行测定.称3～5mg样品加入铝锅，在N2保护下从25℃升至200℃后，升温速率为10℃·min-1；再以20℃·min-1速度降至—50℃，然后再以10℃·min-1升温至200℃，玻璃化转变温度(Tg)从第2次升温曲线读取.

1.5.6X射线衍射分析(XRD)

采用北京普析通用仪器有限责任公司XD-3型镍过滤Cu靶辐射X射线衍射仪测定，扫描范围2θ为5～60°，扫描速度为2(°)·min-1，步长为0.01°.

1.5.7接触角测试

采用德国克吕士公司DSA10-MK2型接触角测量仪测定，将一定量的共聚物溶于二氯甲烷中，溶液涂抹在载玻片上烘干并形成共聚物薄膜.将载玻片水平放置在接触角分析仪的平台上，室温下用3μL蒸馏水滴在共聚物膜上，2s后观察接触角的形貌，测3组数据，取其平均值.

1.5.8吸水率测试

将共聚物溶于二氯甲烷中，用溶液浇铸法将溶液涂在载玻片上，制得共聚物薄膜，将薄膜置于室温下的去离子水中浸泡24h后取出，用滤纸吸干样品表面的水后，称量并且计算吸水率.

2 结果与讨论

2.1 FT-IR分析

图2为s-PLLA70(n(LLA)∶n(xylitol)=70∶1)、PVP-COOH和s-PLLA70-PVP的红外谱图.

图2 s-PLLA70 (n(LLA)∶n(xylitol)=70∶1)、PVP-COOH和s-PLLA70-PVP的红外谱图

从图2可知，s-PLLA70-PVP较s-PLLA70和PVP-COOH相比，除了保留s-PLLA70中其相对应的吸收峰，在1660cm-1处出现新增吸收峰为PVP-COOH五元环上C=O的特征吸收峰，2878cm-1处为—CH2—的伸缩振动峰，1423cm-1处为—CH2—的弯曲振动峰，1290cm-1处为—CN—的伸缩振动峰；3000～3500cm-1之间出现的强而宽的吸收峰是PVP中水分的吸收峰，并且在1715～1730cm-1处的峰相比PVP-COOH中要窄，说明s-PLLA和PVP-COOH之间发生酯化反应生成共聚物s-PLLA-PVP[11].

2.2 1H NMR分析

图3为s-PLLA70-PVP的1H NMR图谱.

图3 s-PLLA70-PVP的1H NMR图谱

2.3 GPC分析

图4为不同LLA/xylitol的反应摩尔比s-PLLA-PVP共聚物的GPC谱图.

图4 不同LLA/xylitol反应摩尔比s-PLLA-PVP的GPC曲线

由图4可以看出，随着LLA/xylitol反应摩尔比的增加，所有s-PLLA-PVP的流出曲线都呈单峰形式，分子量分布变宽，证明产物s-PLLA-PVP是共聚物而不是简单的物理共混物.

GPC测得的s-PLLA-PVP共聚物分子量分布数据见表1.

表1 s-PLLA-PVP的特征数据

由表1可知，随着LLA/xylitol反应摩尔比的增加，s-PLLA-PVP的数均分子量Mn从20 591 g·mol-1增加到24 209 g·mol-1，分子量分布系数均在1.3左右，呈较好的单分散状态，说明通过调节LLA/xylitol反应摩尔比能够调节共聚物的分子量[14].

2.4 s-PLLA-PVP共聚物的热性能分析

图5为不同LLA/xylitol的反应摩尔比s-PLLA-PVP共聚物的TGA谱图.

图5 s-PLLA-PVP的TGA谱图

由图5A可以看出，不同LLA/xylitol反应摩尔s-PLLA-PVP有2个阶段的失重.从图5B可以发现，s-PLLA70-PVP、s-PLLA100-PVP和s-PLLA150-PVP的最大失重温度分别为295.5，314.4，321.4 ℃，PVP链段引起的失重温度在436.7～453.8 ℃之间.随着反应投料比的增加.

图6为不同LLA/xylitol反应摩尔比的s-PLLA-PVP共聚物的DSC谱图.

图6 不同LLA/xylitol反应摩尔比的s-PLLA-PVP共聚物的DSC分析

两亲性星型共聚物的玻璃化转变温度Tg和熔点Tm见表1.从图6和表1可以看出：随着反应摩尔比的增加，s-PLLA-PVP的玻璃化转变温度Tg从46.8 ℃增加到56.1 ℃，熔点Tm从139.7 ℃增加到153.3 ℃.这可能是因为随着LLA/xylitol反应摩尔比的增加，共聚物的分子量增加，空间位阻相应增大，造成结构上的拥挤，导致其Tg升高[16].

2.5 s-PLLA-PVP的XRD分析

图7为PVP-COOH、s-PLLA70和s-PLLA70-PVP的XRD谱图.

图7 PVP-COOH、s-PLLA70和s-PLLA70-PVP的XRD谱图

s-PLLA-PVP共聚物的热稳定性有很大的提高[15].由图7可知，PVP-COOH出现很弱的结晶峰；s-PLLA70出现2个不同的衍射峰，在2θ=16.7°晶面为(200)/(110)的衍射峰，2θ=19.3°晶面为(203)的衍射峰，这与文献[17]中聚乳酸衍射峰的位置相似；从XRD可以发现s-PLLA70-PVP在2θ=16.7°和19.3°分别出现不同强度的衍射峰，但是它的结晶吸收峰强度减弱，说明s-PLLA70-PVP的结晶性能降低.这主要是因为PVP的加入，导致聚乳酸链段的规整性降低[18].

2.6 s-PLLA-PVP的亲水性

图8为s-PLLA70(A)、s-PLLA70-PVP(B)、s-PLLA100-PVP(C)和s-PLLA150-PVP(D) 共聚物薄膜上水滴形状图.

图8 s-PLLA70(A)、s-PLLA70-PVP(B)、s-PLLA100-PVP(C)和s-PLLA150-PVP(D)薄膜上水滴形状图

s-PLLA70和s-PLLA-PVP的接触角度数以及吸水率数据见表2.

表2 s-PLLA70和s-PLLA-PVP的接触角和吸水率

由图8和表2可以看出，水滴在s-PLLA70薄膜上形状呈半球形，静态接触角为81.48°，吸水率为5.48%；而在s-PLLA70-PVP、s-PLLA100-PVP、s-PLLA150-PVP薄膜上则为椭圆形，静态接触角分别为65.82，54.07，48.57°，吸水率分别为10.59%，15.83%，21.91%.随着PVP含量的增加，共聚物静态接触角减小，吸水率增加，这是由于PVP亲水链段的引入，导致两亲性星型共聚物亲水性提高[11,19].

3 结束语

(1) 笔者以木糖醇为引发剂核，辛酸亚锡催化L-丙交酯单体熔融开环聚合制备星型聚乳酸(s-PLLA)；继而使s-PLLA与末端羧基化的PVP-COOH发生酯化反应，合成了两亲性星型s-PLLA-PVP共聚物.

(2) TGA测试表明，随着LLA/xylitol反应摩尔比增大，s-PLLA-PVP共聚物的热稳定性不断提高.

(3) DSC测试表明，共聚物s-PLLA-PVP的玻璃转变温度和熔点随着LLA/xylitol反应摩尔比增加而增加；XRD 和接触角测试表明，PVP的加入可以改善s-PLLA的结晶性能和亲水性能.

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