DL-LA/GA/TMC配比对共聚物热性能和力学性能的影响*

董浩，刘阳，马丽霞，王勤，李尚宾，孙谦，王传栋

(山东省药学科学院 山东省医用高分子材料重点实验室，山东 济南 250101)

1 引 言

聚乳酸(PLA)、聚乙醇酸(PGA)及其共聚物等可吸收高分子材料均具有良好的生物相容性和生物降解性，被广泛应用于外科植入物、药物控释载体[1]、组织工程支架[2-3]等方面，是公认的生物医学领域最有前途的生物可降解高分子材料之一，由于PGA不溶于常用溶剂，加工温度较高，降解速度较快，而PLA降解速度较慢等缺点，限制了其应用。乳酸乙醇酸共聚物(PLGA)具有较高的力学强度，但韧性较低。聚三亚甲基碳酸酯(PTMC)其玻璃化转变温度低于室温，在体温下处于橡胶态具有一定弹性和良好的机械加工性能，广泛用于降解缚扎器件，药物控释，体内植入材料等领域[4]。为了研发适宜于瓣膜闭合不全的生物可降解封堵器，李速明等[5]研究了三亚甲基碳酸酯-丙交酯-乙交酯三元共聚物，但是未对不同摩尔比的三元聚合物进行系统的研究。为了满足不同临床应用的医疗器械设计开发需求，解决单一材料存在的不足，本研究将综合三种材料优点，为获得具有较高力学强度，同时具有较高韧性的材料，本研究以丙交酯、乙交酯和三亚甲基碳酸酯为起始原料，以辛酸亚锡为催化剂，通过本体开环聚合，合成了一系列不同摩尔比的P(DL-LA/GA/TMC)共聚物，研究了三者不同摩尔比对材料热性能及力学性能的影响。

2 实验部分

2.1 原料和试剂

DL-丙交酯(DL-LA)：纯度99.5%，自制；乙交酯(GA)：纯度99.5%，自制；三亚甲基碳酸酯(TMC)：纯度99%，惠州华阳医疗器械有限公司；辛酸亚锡：分析纯，Sigma公司；氯仿：色谱纯，美国JT. Baker公司；乙醇：分析纯，天津市百世化工有限公司；二氯甲烷：分析纯，天津市百世化工有限公司。

2.2 共聚物的合成

将DL-LA，GA，TMC按不同摩尔比置于反应瓶中，加入一定量的辛酸亚锡和引发剂，抽真空后置于130℃的油浴中，反应24 h，产物用二氯甲烷溶解，乙醇沉淀纯化，经真空干燥后，得到一系列P(DL-LA/GA/TMC)共聚物固体，收率91%～94%。

2.3 表征与测试

采用德国Bruker公司 Avance 400 MHz型核磁共振仪，以氘代三氯甲烷为溶剂，TMS为内标，测定共聚物的1H-NMR。采用美国Waters 凝胶渗透色谱仪(Waters 2414检测器，Waters1515泵，Waters 2707自动进样器)，以氯仿为流动相，流速1.0 mL/min，柱温30℃，聚苯乙烯(PS)为标准样，对聚合物的分子量及其分布进行表征。采用日本岛津DSC60型差示扫描量热仪，升温速率10℃/min，温度范围-20℃～260℃，对聚合物的热性能进行测试。采用日本岛津AGS-H 型万能材料试验机，以500 mm/min的速率，在室温下，对聚合物试样的力学性能进行测试。采用美国Agilent 6890N气相色谱仪，氢火焰离子化检测器(FID)，GSBP-5毛细管色谱柱(30.0 m×0.32 mm, 0.25 μm)，进样口温度250℃，检测器温度300℃，柱温135℃，分流比10∶1，进样量3 μL，流速0.4 mL/min，对共聚物的单体残留量进行测试。

3 结果与讨论

3.1 共聚物的表征

分别按TMC或GA含量为10 mol%、改变其它相应组分的配比合成了一系列三元共聚物(见表1)。不同配比共聚物的核磁共振氢谱见图1，δ1.4～1.6 ppm附近为丙交酯单元中甲基质子峰，δ2.0 ppm附近为TMC单元最中间的亚甲基质子峰， δ4.1～4.3 ppm附近为TMC单元靠近氧原子的两个亚甲基质子峰，δ4.4～4.9 ppm为 GA 单元亚甲基质子峰，GA单元亚甲基质子峰为多重峰，这是因为GA比较随机的插入到聚合物的链段中，-CH2氢原子的化学位移受相邻DL-LA和TMC基团的影响显示为多重峰[6]，δ5.0～5.3 ppm为丙交酯单元次甲基质子峰，其中δ5.1～5.3 ppm为丙交酯主链的次甲基质子峰，δ5.0～5.1 ppm为与TMC相邻的次甲基质子峰，因此表明TMC被成功引入到DL-LA的链段中[6]。从图1还可以看出，随着共聚物的TMC含量逐渐增加，其相应的质子峰面积逐渐增大；而随着DL-LA含量的逐渐减少，其相应的质子峰面积逐渐减小，说明各基团得到确切归属，与P(DL-LA/GA/TMC)三元共聚物结构相符。

图1 P(DL-LA/GA/TMC)共聚物的核磁共振氢谱

不同配比共聚物的GPC曲线见图2，可见，三种共聚物均出现一个峰，且分子量分布系数(Mw/Mn)均为1.7左右(见表1)，表明聚合物是均一的共聚物，而非均聚物的混合体。此外，随着共聚物中TMC含量的增加，分子量未见明显变化，仅略有增大，而分子量分布无明显变化。与此同时，随着DL-LA含量的减少，分子量及其分布也未见明显变化。说明共聚反应中单体的转化率较高，且反应时间的延长使共聚物发生二级酯交换反应[7]，使分子量及其分布较为均匀，不受配比的影响。

图2 P(DL-LA/GA/TMC)共聚物的GPC图

由1H-NMR 中DL-LA单元的δ1.4～1.6 ppm甲基质子峰、GA单元的δ4.4～4.9 ppm亚甲基质子峰和TMC单元的δ4.2～4.3 ppm亚甲基质子峰的积分面积比计算共聚物组成，并由GPC测得其分子量见表1。

表1由1H-NMR和GPC测得的共聚物组成与分子量

Table 1 The composition and the molecular weight of the

结果表明共聚物组成与投料摩尔比基本一致，说明DL-LA、GA和TMC各自的竞聚率虽然不同，但聚合时间较长，三者的开环聚合反应较完全，转化也较为彻底。此外，共聚物分子量均高于1.5×105，分子量分布较窄，分布系数均在1.5～1.8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。

3.2 共聚物的单体残留

气相色谱法测定了共聚物中DL-LA、GA和TMC的残留量，不同配比共聚物的测定结果见表2。结果显示经沉淀分离精制后的共聚物中DL-LA和TMC的残留量均≤0.15%，GA的残留量≤0.03%，三种单体的残留量之和≤0.3%，因此，残留单体对聚合物的性能影响较小。

表2 P(DL-LA/GA/TMC)共聚物的单体残留量

3.3 共聚物热性能

不同配比共聚物的DSC曲线见图3。可见共聚物均显示单一玻璃化转变温度(Tg)，未出现熔融吸热峰，表明共聚物为无定形态。这可能主要取决于含量较多的DL-LA或TMC链段，因其两者均为无定形态，虽然GA链段呈结晶态，但其含量较少，无法在共聚物链中形成结晶相。

图3 P(DL-LA/GA/TMC)共聚物的DSC图

由图3可见，样品1～样品4的Tg随着共聚物中DL-LA单元含量的逐渐减少而略有降低，这可能是因为DL-LA中侧链-CH3基团使得主链链段不易旋转，分子链柔性较低[8]，随DL-LA含量的逐渐减少，主链链段运动受侧链的影响不断减小，使共聚物链的柔性相对有所增加，从而导致共聚物的Tg逐渐降低。与此同时，随TMC单元含量增加，样品5～样品11的Tg逐步降低，这是因为TMC链段中有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，链段变得更容易运动[9]，从而导致共聚物的Tg逐渐下降。

聚合物的组成是影响Tg的重要因素，无规共聚物的Tg介于各组分的Tg之间，与聚合物中不同组分的比例有关。PTMC是一个无定形聚合物，具有较低的Tg，大约在-18℃[10]，PDLLA也是一个无定形聚合物，其Tg大约为53℃。共聚物在GA单元含量较少的情况下，样品1和样品2中由于含有较多的DL-LA单元，因此具有较高的Tg；而随着TMC单元由25%增加到50%，其Tg依次下降，直至样品10和样品11的TMC单元含量较高，分别为75%和85%，因此显示出较低的Tg，分别仅有3.63℃和-8.46℃。

3.4 共聚物力学性能

将P(DL-LA/GA/TMC)共聚物模压制成哑铃型薄片，利用万能材料试验机对不同配比共聚物的力学性能进行测试，结果见表3和图4。

表3不同摩尔比的P(DL-LA/GA/TMC)共聚物力学性能

Table3ThemechanicalpropertiesofP(DL-LA/GA/TMC)terpolymerswithvariousmoleratios

样品摩尔比(DL-LA∶GA∶TMC)Tg(℃)最大力(N)拉伸强度(MPa)断裂伸长率(%)RS75∶25∶050.46281.063.96.7185∶5∶1052.58219.251.66.1280∶10∶1051.57221.354.66.6370∶20∶1050.34229.154.86.7465∶25∶1050.05219.554.76.8565∶10∶2541.02195.354.46.7660∶10∶3037.42194.554.06.7755∶10∶3534.73103.424.2585.3850∶10∶4032.3176.515.4893.7940∶10∶5024.0940.612.41778.51015∶10∶753.634.351.2287.5115∶10∶85-8.466.962.3357.6

图4P(DL-LA/GA/TMC)共聚物的应力-应变曲线

Fig4Stress-straincurvesofP(DL-LA/GA/TMC)terpolymers

从表3中可以看出，共聚物组成显著影响其力学性能。样品1～样品4的TMC含量均为10%，随着GA含量逐渐增加和DL-LA含量的逐渐减少，共聚物的拉伸强度均在54 MPa左右，而断裂伸长率无明显差异，基本保持不变。当TMC含量由10%增加到30%时，共聚物的拉伸强度和伸长率仍然没有明显变化。而随着TMC含量的进一步增加，共聚物的拉伸强度明显地连续下降，断裂伸长率则显著升高，并显示出先升高后降低，当TMC含量≥35%时，共聚物显示了热塑性弹性体的特征(见图4中样品8和样品9)，这是因为TMC单元中有三个-CH2-，具有很强的柔韧性，TMC含量的增加，增大了聚合物链的柔性，使共聚物具有较高的断裂伸长率，当TMC含量达到50%时，共聚物伸长率达到1778.5%，拉伸强度仍能保持在12.4 MPa。随着TMC含量继续增加，聚合物中-(CH2)3-含量继续增大，柔性增加，从而导致Tg大幅度降低，样品10和样品11的Tg分别降为3.65℃和-8.46℃，进而使其在室温时表现为粘性的橡胶样行为[7]。

3.5 共聚物细胞毒性

为满足医用材料的使用要求，依据标准GB/T16886.5-2003医疗器械生物学评价，第5部分：体外细胞毒性试验，采用MTT法对共聚物进行了体外细胞毒性试验。

测试结果：供试品组的L929细胞相对增值率为92.42%，表明共聚物材料的细胞毒性反应为1级。根据医疗器械一般可接受的细胞毒性反应为不大于2级[11]的要求，共聚物材料可以作为医用材料开发使用。

4 结论

本研究以辛酸亚锡为催化剂，采用本体开环聚合法制备了一系列不同摩尔比的P(DL-LA/GA/TMC)共聚物，并研究了三种单体不同摩尔比对热性能和力学性能的影响，结果表明：

(1)共聚物组成与投料摩尔比基本一致，共聚物分子量均高于1.5×105，分子量分布较为均匀，分布系数均在1.5～1.8之间。

(2)共聚物为无定形态，其玻璃化转变温度(Tg)随DL-LA和TMC含量的增加分别呈现升高和降低的趋势，且受TMC含量变化的影响较为明显。

(3)共聚物组成显著影响其力学性能，随TMC含量增加，共聚物的拉伸强度呈现降低的趋势，而断裂伸长率呈先升高后降低的趋势。共聚物中适量引入TMC，材料在保持较高的拉伸强度的基础上，伸长率大幅度提高，当TMC含量≥35%时，共聚物显示了热塑性弹性体的特征；当TMC含量在50%时，聚合物断裂伸长率达到1778.5%，拉伸强度仍保持在12.4 MPa，有效的提高了材料的韧性。