可调节降解速率的[PTMC‑GA]‑[PLLA‑GA]嵌段聚酯及其制备方法与流程

本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及一类可调节降解速率的[ptmc-ga]-[plla-ga]嵌段聚酯及其制备方法。

背景技术：

聚乳酸(pla)是一种以可再生资源（如植物秸秆、淀粉）为原料制备而成的绿色塑料，由于具有良好的生物相容性和生物可降解性，使其在生物医用材料领域具有重大的应用价值。20世纪90年代初期美国食品与药品管理局(fda)批准了左旋聚乳酸（plla）用作生物降解医用材料。plla的用途很多，在医学领域主要用于作为外科手术缝合线、植入性血管支架、药用控制系统、人工骨体和组织工程支架材料等医学领域。同时，plla材料具有良好的力学性能和热塑性，适用于吹塑、挤出、注塑等多种加工成型方法，加工方便，容易加工成型。

但plla在常温下是一种脆性材料，断裂伸长率一般不超过10%，其柔韧性一般不能满足使用要求，这就促使人们对plla材料的改性展开了深入研究。专利文献1公开了提高聚乳酸柔韧性的方法。该方法将左旋聚乳酸与左旋聚乳酸-聚己内酯共聚物溶液共混，通过调节共混物中柔性部分聚己内酯的含量来调控产品的柔韧性，改性后的产品具备可调控的柔韧性。但是，聚己内酯的引入降低了材料的结晶度，造成了材料拉伸强度的下降，改性后材料的拉伸强度介于7～20mpa之间，无法作为结构材料使用。专利文献2公开了一种引入羟基链烷酸或羟基链烷酸酯化衍生物与聚乳酸接枝共聚来改善聚乳酸柔韧性的方法。该方法易于工业化大规模生产，可大批量制备柔性聚树脂产品。但采用该方法制备的聚酯结构不可控，分子量分布较宽，降解时间不可调控，在用作生物医用材料时存在缺陷。专利文献3公开了一种将左旋丙交酯（lla）与三亚甲基碳酸酯（tmc）、乙交酯（ga）单元共聚改性的方法改善plla的柔韧性。该类材料采用无规共聚的方法，在plla体系中引入了tmc和ga单元，tmc单元的引入可降低材料的结晶度，增强材料的韧性。而ga单体具有比lla和tmc单体更高的反应活性，可进一步的打乱分子链结构，降低结晶度，增强材料的柔韧性，同时pga本身为一种具有较高拉伸强度的材料，引入ga单元可保证plla-tmc-ga三元共聚物在结晶度较低的情况下仍然具有一定的拉伸强度。但是，该类材料采用无规共聚后结晶度过低，使得其降解速率较快，在降解后期分子量下降过快无法维持力学性能，用作血管支架等医用材料使用时缺乏稳定性。

本发明针对上述技术问题，提出了一种[ptmc-ga]-[plla-ga]完全生物可降解聚酯制备方法，先将tmc与ga无规共聚制备得到ptmc-ga二元共聚物，再将ptmc-ga用作大分子引发剂，与lla和ga单体反应，制备得到[ptmc-ga]-[plla-ga]聚酯。该聚酯具有良好的柔韧性同时还具有较高的拉伸强度。并且，该类材料微结构的调控性更强，可通过调节[ptmc-ga]和[plla-ga]链段中ga单元的含量和来控制聚酯的降解时间，做到降解时间可调控，这一点将极大增强材料的应用价值。从原理上更符合生物医用材料对力学性能和降解性能的要求。

技术文献：

专利文献1：中国专利，公开号cn104231578a；

专利文献2：中国专利，公开号cn1908030a；

专利文献3：中国专利，公开号cn103030795a。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有生物可降解聚酯拉伸强度低，降解速率不可调控等缺陷，提供一种完全生物可降解嵌段聚酯及其制备方法。该聚酯在韧性上取得了极大的提升，同时因为结晶度在20%以上从而保证了较高的拉伸强度和杨氏模量；可控的链段结构可更精准的调控材料的降解速率。可广泛的用于人工骨体、组织工程支架和介入性医疗器械等生物医用材料领域。

本发明提供的完全生物可降解聚酯为[ptmc-ga]-[plla-ga]嵌段聚酯，其分子链结构如下所示：

其中，p为大分子引发剂ptmg-ga中的tmc和ga的总链节数，p的范围为50～400，优选150～300；q为plla-ga中lla和ga的总链节数，q的范围250～1200，优选600～1000。

所述的完全生物可降解的嵌段聚酯中，大分子引发剂ptmc-ga链段中tmc单元的摩尔含量为80～98%，优选92～96%；ga单元的摩尔含量为20～2%，优选8～4%。共聚物plla-ga链段中lla单元的摩尔含量为80～97%，优选85～95%；ga单元的摩尔含量为20%～3%，优选7%～3%。

所述的完全生物可降解的聚酯，其数均分子量为5.0×10⁴～4.5×10⁵，优选数均分子量为1.5×10⁵～2.5×10⁵；分子量分布系数为1.5～3.0，优选1.6～2.2。

本发明提供的上述可调节降解速率的[ptmc-ga]-[plla-ga]嵌段聚酯的制备方法，具体步骤为：

（1）将引发剂和催化剂以及tmc、ga单体按设计配比加入聚合管中，引发剂的加入量为tmc、ga单体总摩尔量的2%～0.2%，优选1%～0.5%，催化剂的加入量为单体总摩尔量的0.2%～0.6%，在氮气或氩气惰性气体气氛下加热熔融；冷却至固态后，持续抽真空；

（2）真空度小于100pa后，将聚合管熔断，使物料处于真空状态；

（3）将聚合管至于恒温反应箱中，反应温度为110℃～180℃，优选130℃～140℃；反应时间为12～120h，优选48～72h，反应完成后取出聚合管；

（4）将制得的产物用溶剂溶解，接着用沉淀剂析出，于真空烘箱中干燥，得到充分干燥的产物ptmc-ga；

（5）将步骤（4）中制得的ptmc-ga与lla、ga单体和催化剂按加入聚合管中，大分子引发剂ptmc-ga的加入量为lla、ga单体总摩尔量的1%～0.1%，催化剂的加入量为单体总摩尔量的0.2%～0.6%，在氮气或氩气惰性气体气氛下加热熔融冷却；待真空度小于100pa后，熔断聚合管，使物料处于真空状态，将聚合管置于恒温反应箱中，反应温度为120～180℃，反应时间24～120h，反应完成后取出；

（6）将聚合管中产物按步骤（4）中的过程纯化干燥，即制备得到完成生物可降解的聚酯，将所得产物置于干燥器中低温保存。

步骤（1）中，所述的引发剂为乙醇、己醇、辛醇、十二烷醇、1、3-丙二醇、1、4-丁二醇、丙三醇中的一种或多种；所述的催化剂为辛酸亚锡、氯化亚锡、氯化锡、乳酸锌、氯化锌、乙酰丙酮锌中的一种或多种。

步骤（3）和步骤（5）中，真空度不高于300pa，优选不高于10pa。

步骤（4）中，所述的溶剂为二氯甲烷、三氯甲烷、氯乙烷、1,2-二氯乙烷、四氢呋喃、n,n-二甲基酰胺和n,n-二甲基乙酰胺中的一种或多种，所述的沉淀剂为甲醇、乙醇、乙酸乙酯中的一种或多种。

本发明所述的完全生物可降解嵌段聚酯，可广泛应用于人工骨体、组织工程支架和介入性医疗如血管支架等生物医用材料领域。

本发明中，上述优选条件在结合本领域常识的基础上可任意组合，即得本发明各较佳实施例。

本发明的原料和试剂皆市售可得。

本发明制备的完全生物可降解[ptmc-ga]-[plla-ga]嵌段聚酯具有优良的力学性能，与plla相比，在韧性上取得了极大的提升，同时聚酯具有20%以上的结晶度，使得聚酯具有较高的拉伸强度。而通过采用大分子引发剂制备聚酯的技术可有效的调控材料的降解速率。因此，本发明制备的嵌段聚酯具有优异的力学性能、良好的生物相容性和生物可降解性以及可控的降解速率，在生物医学中人工骨体、组织工程支架、介入性医疗器械等医用材料领域，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是[ptmc-ga]-[plla-ga]嵌段聚酯的合成过程示意图。

图2是大分子引发剂ptmc-ga和[ptmc-ga]-[plla-ga]嵌段聚酯的¹h-nmr谱图。

图3是[ptmc-ga]-[plla-ga]嵌段聚酯的红外谱图。

图4是[ptmc-ga]-[plla-ga]嵌段聚酯应力应变曲线。

图5是[ptmc-ga]-[plla-ga]嵌段聚酯的dsc谱图，样品从室温以30℃/min的升温速率升温至190℃，等温2min以消除热历史；然后再以150℃/min的降温速率将至室温后，以10℃/min升温至190℃，结果取自第二便dsc升温曲线。

图6是[ptmc-ga]-[plla-ga]嵌段聚酯水解过程中失重率变化。

具体实施方式

下面给出具体实例，以对本发明进行具体的描述。但本发明并不受其限制，其中：

本发明制备的嵌段聚酯，通过核磁共振氢谱（¹h-nmr）和傅里叶红外光谱（ftir）确定其化学组成，采用凝胶渗透色谱仪（gpc）测定材料的分子量，通过差示扫描量热仪（dsc）表征材料的热性能，采用拉伸仪测定样品的力学性能。采用体外水解的实验方法对嵌段聚酯的降解行为进行模拟。

实施例1

（1）将19.16gtmc、0.85gga、0.07g辛醇和0.06g辛酸亚锡加入聚合管中，充氩赶氧三次，熔融单体、冷却后持续抽真空，控制体系真空度不高于20pa，熔断聚合管。将熔断后的聚合管至于130℃恒温烘箱中反应24h，制备得到ptmc-ga大分子引发剂。

（2）称取步骤（1）中制备的ptmc-ga5g、l-la40.22g、ga1.16g，辛酸亚锡0.12g加入聚合管中，充氩赶氧三次，熔融物料、冷却后持续抽真空，控制体系真空度不高于5pa，熔断聚合管。将熔断后的聚合管至于140℃恒温烘箱中反应72h，制备得到生物可降解的[ptmc-ga]-[plla-ga]聚酯。反应过程如图1所示，所得产物经纯化后测定其数均分子量为2.4×10⁵g/mol，分散系数为1.9。

图2是大分子引发剂ptmc-ga和嵌段聚酯[ptmc-ga]-[plla-ga]的¹h-nmr谱图，具体分析后者的¹h-nmr谱图，峰a对应的是ptmc-ga链段上ga单元-ch2上的h；峰b为ptmc-ga链段上tmc单元中o-ch2上的h；峰c为ptmc-ga链段上tmc单元中-ch2上的h；峰d为plla-ga链段上lla单元-ch3上的h；峰e为plla-ga链段上lla单元o-ch上的h；峰f为plla-ga链段上ga单元-ch2上的h。从图中可以看出，ptmc-ga链段中ga的化学位移与plla-ga链段中ga的化学位移不同，这是ga单元受不同化学环境影响而造成的化学位移不同。¹h-nmr结果证实[ptmc-ga]-[plla-ga]聚酯成功合成。

图3是大分子引发剂ptmc-ga和嵌段聚酯[ptmc-ga]-[plla-ga]的ftir谱图。分析ptmc-ga的ftir谱图，2926cm^-1归属于tmc和ga单元中-ch2的伸缩振动峰；1741cm^-1归属于tmc和ga单元上c=o的伸缩振动；1465cm^-1归属于tmc和ga单元-ch2的弯曲振动；1224cm^-1和1191cm^-1归属于ptmc-ga链段上c-o-c的伸缩振动；1032cm^-1和786cm^-1归属于ptmc-ga链段中c-c的骨架振动。分析比较[ptmc-ga]-[plla-ga]聚酯的ftir谱图，可以发现在2996cm^-1处出现了-ch³的伸缩振动峰，这归属于lla单元中-ch3；而1454cm^-1、1383cm^-1、1132cm^-1则归于lla单元中-ch3的弯曲振动和骨架振动；2929cm^-1归属于聚酯中tmc和ga单元-ch2的伸缩振动；1754cm^-1则归于聚酯中c=o的伸缩振动；1361cm^-1归属于聚酯中plla链段上（-ch3)+(-ch)弯曲振动；1183cm^-1归属于聚酯中plla链段上(coc)+(-ch3)的弯曲振动；1092cm^-1和870cm^-1归属于(coc)和（c-coo）的振动；1044cm^-1则归属于c-ch3的骨架振动。以上ftir结果说明，该聚酯中含有tmc、lla、ga单元，同时，单个羰基峰的出现，表明了材料具有无规共聚的结构。

图4是嵌段聚酯[ptmc-ga]-[plla-ga]和具有相同分子量的对比样plla的应力应变曲线，其力学性能按照国标gbt1040.1-2006《塑料拉伸性能的测定总则》中的要求测量评估，制备哑铃型样条，长度20mm，宽度4mm，样品测试5根平行样条。得到的聚酯的拉伸强度为38.9±4.3mpa，断裂伸长率136.7±12.7%，杨氏模量1153±108mpa。而对比样plla的拉伸强度为42.4±3.1mpa，断裂伸长率为7.4±2.4%，杨氏模量为1267±154mpa。力学性能数据表明，新合成的嵌段聚酯材料与传统的plla相比，断裂伸长率有了极大的改善，同时也保留了较高的拉伸强度和杨氏模量。

图5是大分子引发剂ptmc-ga和嵌段聚酯[ptmc-ga]-[plla-ga]的dsc谱图，如图可知，大分子引发剂ptmc-ga的玻璃化转变温度（tg）为-14.1℃，样品无任何结晶和熔融峰。反观聚酯[ptmc-ga]-[plla-ga]的ds谱图，该样品的玻璃化转变温度（tg）为57.1℃，在127.2℃有一较宽的结晶峰，焓值为40.4j/g；在166.8℃处有一熔融峰，焓值为30.6j/g。通过计算样品的结晶度为32.5%，较高的结晶度能够有效保障材料的力学强度，这点从图4中的力学性能数据已得到验证。同时嵌段聚酯[ptmc-ga]-[plla-ga]只具有一个tg，说明材料中plla-ga链段与ptmc-ga链段相容性良好，不存在相分离的现象。

实施例2

（1）将20.65gtmc、1.58gga、0.09g辛醇和0.07g辛酸亚锡加入聚合管中；合成过程如实施例1中步骤（1）步骤所述，制备得到大分子引发剂ptmc-ga。

（2）称取步骤（1）中制备的ptmc-ga5g、l-la34.22g、ga1.56g，辛酸亚锡0.12g加入聚合管中，合成过程如实施例1中步骤（2）所述，制备得到[ptmc-ga]-[plla-ga]嵌段聚酯。经测量其数均分子量为2.1×10⁵，分子量分布系数为1.7。tg为55.4℃，结晶度为25.8%，拉伸强度为36.7±4.3mpa，断裂伸长率为154.4±10.7%，杨氏模量为1167±121mpa。

实施例3

（1）将22.45gtmc、2.95gga、0.14g辛醇和0.09g辛酸亚锡加入聚合管中；合成过程如实施例1中步骤（1）步骤所述，制备得到大分子引发剂ptmc-ga。

（2）称取步骤（1）中制备的ptmc-ga5g、l-la28.14g、ga2.56g，辛酸亚锡0.08g加入聚合管中，合成过程如实施例1中步骤（2）所述，制备得到[ptmc-ga]-[plla-ga]嵌段聚酯。经测量其数均分子量为1.9×10⁵，分子量分布系数为1.5。tg为54.6℃，结晶度为24.6%，拉伸强度为32.4±4.3mpa，断裂伸长率为189.7±15.3%，杨氏模量为1073±110mpa。

实施例4

（1）将16.42gtmc、3.58gga、0.09g辛醇和0.04g辛酸亚锡加入聚合管中；合成过程如实施例1中步骤（1）步骤所述，制备得到大分子引发剂ptmc-ga。

（2）称取步骤（1）中制备的ptmc-ga5g、l-la23.12g、ga3.56g，辛酸亚锡0.08g加入聚合管中，合成过程如实施例1中步骤（2）所述，制备得到[ptmc-ga]-[plla-ga]嵌段聚酯。经测量其数均分子量为1.7×10⁵，分子量分布系数为1.8。tg为54.6℃，结晶度为20.6%，拉伸强度为30.2±3.3mpa，断裂伸长率为215.7±25.3%，杨氏模量为960±58mpa。

图6是实施例1～实施例4样品水解过程中失重率变化曲线，分析对比发现，通过调节聚酯中ga的摩尔含量可以有效的调控样品的降解时间。实施例1中ga的摩尔含量为3%，其达到50%降解失重率需要54周，而实施例4中合成的聚酯ga的摩尔含量为12%，其达到50%降解失重率只需要8周。说明通过调节样品中ga单元的摩尔含量可有效的控制材料的降解时间。

从上述实施例可以看出，采用ptmc-ga大分子引发剂技术制备的[ptmc-ga]-[plla-ga]嵌段聚酯，在引入了柔性链tmc单元后具备了良好的韧性，同时依然保持了较高的拉伸强度，从样品的应力应变曲线中可以清晰的体现了这一优势；同时该材料结构可控。可通过投料比来调控材料的降解周期，从样品的水解失重率变化曲线可以发现，改变样品中ga单元的摩尔含量可大幅度改变材料的降解周期。因此，本发明制得的聚酯具有优异的力学性能、良好的生物相容性以及可调控的生物降解周期，可广泛应用于生物医学中人工骨体、组织工程支架、介入性医疗器械等生物医用材料领域。