BAIP-Ti(IV)配合物催化D,L-丙交酯開(kāi)環(huán)聚合及PDLLA的靜電紡絲研究.pdf

1、聚乳酸(polylactide，PLA)是一種具有優(yōu)良生物相容性和生物降解性的熱塑性聚酯材料。近年來(lái)許多研究都集中于聚乳酸的合成及應(yīng)用上，其中尤以丙交酯(lactide，LA)的開(kāi)環(huán)聚合以及在醫(yī)藥和組織工程領(lǐng)域的應(yīng)用為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。目前辛酸亞錫(Sn(Oct)2)用于催化丙交酯(LA)開(kāi)環(huán)聚合合成聚乳酸是最為廣泛的催化劑，但辛酸亞錫有其自身的缺點(diǎn)，如在高于100℃時(shí)易分解或在微量水的影響下易發(fā)生水解反應(yīng)，所產(chǎn)生的副產(chǎn)物在丙交酯的開(kāi)環(huán)

2、聚合過(guò)程中不可避免地發(fā)生副反應(yīng)。此外，辛酸亞錫作為催化劑易于失活而影響催化效率，同時(shí)也可使得聚乳酸的分散度增加，影響聚乳酸的力學(xué)性能。所以獲得熱穩(wěn)定、對(duì)水惰性的高活性金屬催化劑催化丙交酯開(kāi)環(huán)聚合是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。
　　 本研究合成了一種新穎的熱穩(wěn)定、高活性的雙(烷氧-亞胺芳氧)基鈦(Ⅳ)[BAIP-Ti(Ⅳ)]配合物，用于催化D，L-丙交酯的開(kāi)環(huán)聚合。采用各種結(jié)構(gòu)分析手段表征了鈦(Ⅳ)配合物的結(jié)構(gòu)，探討了用該配合物催化D，L-

3、丙交酯(D，L-LA)開(kāi)環(huán)聚合的動(dòng)力學(xué)及機(jī)理，同時(shí)對(duì)獲得的聚(D，L-丙交酯)(PDLLA)進(jìn)行了力學(xué)測(cè)試及細(xì)胞生物相容性的初步評(píng)價(jià)。進(jìn)而對(duì)獲得的低分散度的PDLLA進(jìn)行了紡絲研究，考察了PDLLA的樣品濃度、流量以及真空冷凍干燥條件對(duì)紡絲直徑分布及形貌的影響。最后以小鼠胚胎成骨細(xì)胞株(MC3T3-E1細(xì)胞)為模型，用掃描電鏡(SEM)觀察在PDLLA纖維材料表面的生長(zhǎng)情況，探討了成骨細(xì)胞在PDLLA微納米絲支架材料上的生長(zhǎng)情況。本研究

4、的內(nèi)容和結(jié)論如下：
　　 1.以3，5-二叔丁基水楊醛，乙醇胺以及鈦酸四乙酯為原料，合成了BAIP-Ti(Ⅳ)配合物，表征了它的結(jié)構(gòu)。
　　 ①配合物的合成：以3，5-二叔丁基水楊醛和乙醇胺為原料，經(jīng)過(guò)氨醛縮合反應(yīng)得到希夫堿，再與鈦酸四乙酯進(jìn)行醇交換反應(yīng)，經(jīng)重結(jié)晶后得到BAIP-Ti(Ⅳ)配合物。
　　 ②采用元素分析(EA)、傅立葉變換紅外光譜(FTIR)、核磁共振波譜(NMR)、多晶粉末衍射(XRD)、X射線

5、熒光衍射(XRF)、熱重/差熱分析(TG/DSC)以及單晶衍射等方法對(duì)該配合物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，結(jié)果表明Ti原子與兩個(gè)烷氧-亞胺芳氧基以四個(gè)O-Ti共價(jià)鍵和兩個(gè)N→Ti配位鍵成鍵，顯示該配合物是以Ti原子為中心的雙配基配合物。
　　 2.以BAIP-Ti(Ⅳ)配合物為催化劑催化D，L-丙交酯開(kāi)環(huán)聚合，成功制備了PDLLA。研究了不同的聚合條件對(duì)PDLLA的分子量和分散度的影響，并考察了D，L-丙交酯開(kāi)環(huán)聚合的動(dòng)力學(xué)及機(jī)理。

6、>　　 ①考察了單體與催化劑的濃度比、聚合溫度與時(shí)間對(duì)D，L-丙交酯單體開(kāi)環(huán)聚合的影響，得到的最佳反應(yīng)條件是：[M]/[Ti]=2000，聚合溫度160℃，聚合時(shí)間16 h，獲得分子量分布(Mw/Mn)為1.17，數(shù)均分子量(Mn)為8.8×104 g/mol的聚乳酸。
　　 ②動(dòng)力學(xué)表明該配合物在130℃以上能有效地催化D，L-丙交酯開(kāi)環(huán)聚合，該聚合反應(yīng)對(duì)D，L-丙交酯單體濃度和催化劑濃度的反應(yīng)級(jí)數(shù)分別為2級(jí)和1級(jí)，表觀活化

7、能(△Ea)和頻率因子(A)分別為76.63 kJ/mol和2.91×1011。其表觀活化能與辛酸亞錫[Sn(Oct)2]催化L-丙交酯開(kāi)環(huán)聚合的活化能70.90 kJ/mol接近。表明BAIP-Ti(Ⅳ)配合物催化D，L-丙交酯開(kāi)環(huán)聚合反應(yīng)是較易進(jìn)行的聚合反應(yīng)，且BAIP-Ti(Ⅳ)配合物與Sn(Oct)2一樣對(duì)D，L-丙交酯開(kāi)環(huán)聚合有著較高的催化活性。
　　 ③通過(guò)芐醇封端得到的活化鈦(Ⅳ)醇聚合物的12 NMR圖分析，表明

8、D，L-丙交酯單體的開(kāi)環(huán)機(jī)理為配位-插入機(jī)理，金屬烷氧基Ti-O鍵是引發(fā)D，L-丙交酯單體的酰氧鍵斷裂開(kāi)環(huán)而非烷氧基斷裂開(kāi)環(huán)聚合的活性中心，從而實(shí)現(xiàn)鏈的增長(zhǎng)。
　　 ④在各聚合溫度下，單體轉(zhuǎn)化率與數(shù)均分子量(Mn)呈線性關(guān)系，窄分子量分布(Mw/Mn=1.10-1.25)的聚乳酸，BAIP-Ti(Ⅳ)配合物顯示出具有“活性”可控聚合的傾向。
　　 3.采用FTIR，1H NMR，13C NMR以及TG/DSC對(duì)BAIP-

9、Yi(Ⅳ)配合物合成的聚乳酸(Ti-P)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征、熱穩(wěn)定性和力學(xué)測(cè)試的研究，并對(duì)其拉伸斷裂面的微觀形貌進(jìn)行了SEM觀察。
　　 ①1H NMR和13C NMR研究表明，該Ti-P聚乳酸在本質(zhì)上是屬于無(wú)規(guī)的聚合物，在13C NMR中δ=69.4 ppm處無(wú)明顯iss序列結(jié)構(gòu)吸收峰的存在，表明聚合過(guò)程中無(wú)明顯的分子內(nèi)酯交換反應(yīng)的發(fā)生。同時(shí)，由isi(δ=5.16 ppm)和sis(δ=5.23ppm)與其他幾組信號(hào)(δ=5.1

10、7，5.20和5.21 ppm)的強(qiáng)度比值(Pr)，即選擇性系數(shù)Pr為0.64，表明該配合物催化D，L-丙交酯開(kāi)環(huán)聚合顯示出雜同立構(gòu)選擇性開(kāi)環(huán)聚合的特征，并顯示出可控聚合傾向的行為。
　　 ②通過(guò)13C NMR圖中四元立構(gòu)序列的次甲基碳和六元立構(gòu)序列羰基碳信號(hào)強(qiáng)度的研究，發(fā)現(xiàn)D，L-丙交酯在聚合過(guò)程中等規(guī)加成的概率為Pi=0.58，表明BAIP-Ti(Ⅳ)基鈦(Ⅳ)配合物催化D，L-丙交酯開(kāi)環(huán)聚合存在中等程度的等規(guī)加成立構(gòu)選擇性

11、。
　　 ③以辛酸亞錫合成的聚乳酸(Sn-P)和BAIP-Ti(Ⅳ)配合物合成的聚乳酸(Ti-P)做對(duì)比，TG/DSC分析表明分子量接近分散度不同的Ti-P比Sn-P有著更穩(wěn)定的熱性能和較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)，這與Ti-P中幾乎不存在支化的聚乳酸或?qū)岵环€(wěn)定基團(tuán)的因素有關(guān)。
　　 ④拉伸和壓縮試驗(yàn)表明Ti-P比Sn-P具有更好抗壓和抗拉的力學(xué)性能。Ti-P材料拉伸斷裂面的SEM顯示，其斷裂面清晰光滑，無(wú)明顯的凹槽或

12、突起，也無(wú)明顯的絲狀斷裂層面，顯示出明顯脆性斷裂的特征。
　　 4.以Sn-P為對(duì)比，考察了Ti-P材料和Sn-P的親/疏水性能和降解性能。其中，用靜態(tài)水接觸角和吸水率評(píng)價(jià)材料的親/疏水性，體外實(shí)時(shí)降解試驗(yàn)評(píng)價(jià)材料的降解性能，評(píng)價(jià)指標(biāo)為失重率和pH值的變化。
　　 ①Ti-P材料比Sn-P材料有較高的接觸角和較低的吸水率，可能是分散度小的Ti-P材料表面的-COOH和-OH等活性基團(tuán)比Sn-P材料少，使其親水性降低。

13、r>　　 ②體外降解實(shí)驗(yàn)表明，Ti-P材料比Sn-P材料的失重率進(jìn)入快速增長(zhǎng)區(qū)和降解液pH值進(jìn)入陡降區(qū)的時(shí)間比Sn-P延遲，兩種材料都明顯呈現(xiàn)酸致自催化降解現(xiàn)象。這是由于Ti-P材料的分散度比Sn-P材料低，Ti-P材料中親水性的酸性羧基基團(tuán)的濃度也較低，導(dǎo)致Ti-P材料的酸致自催化明顯好于Sn-P材料。
　　 5.從MC3T3-E1細(xì)胞在玻璃空白、Ti-P和Sn-P材料表面的細(xì)胞形態(tài)，F(xiàn)-肌動(dòng)蛋白的分布情況、增殖活力以及增殖

14、速率等指標(biāo)的測(cè)定進(jìn)行了生物相容性的初步評(píng)價(jià)，結(jié)果表明：
　　 ①M(fèi)C3T3-E1細(xì)胞在Ti-P、Sn-P以及玻片材料上培養(yǎng)48 h后，MC3T3-E1細(xì)胞在三種材料上都能良好的鋪展開(kāi)。
　　 ②通過(guò)激光共聚焦顯微鏡觀察MC3T3-E1細(xì)胞在Ti-P、Sn-P以及蓋玻片材料上F-肌動(dòng)蛋白的分布情況表明，培養(yǎng)48 h的MC3T3-E1細(xì)胞在三種材料上均顯示出較好的細(xì)胞黏附和鋪展?fàn)顟B(tài)。
　　 ③MC3T3-E1細(xì)胞在T

15、i-P、Sn-P以及玻片上增殖活力以及增殖速率的測(cè)定，結(jié)果表明細(xì)胞在Ti-P材料上的增殖趨勢(shì)與在Sn-P材料上相似，但顯著高于玻片對(duì)照組細(xì)胞的增殖活力，而Sn-P材料和Ti-P材料之間細(xì)胞的增殖活力間不存在顯著性差異。
　　 6.用制備的數(shù)均分子量為8.8×104 g/mol，分子量分布(Mw/Mn)為1.17的Ti-P進(jìn)行靜電紡絲研究，考察了紡絲條件對(duì)纖維直徑及形貌的影響。并以MC3T3-E1細(xì)胞為細(xì)胞模型，初步考察了以Ti-

16、P作為纖維支架材料的細(xì)胞生物相容性的研究，結(jié)果表明：
　　 ①在0.8 kv/cm電場(chǎng)強(qiáng)度下，Ti-P電紡濃度為0.20 g/ml、流速為0.8 ml/h時(shí)，可得到大多數(shù)纖維直徑分布在1.1-1.7μm之間的微米纖維絲。
　　 ②經(jīng)過(guò)真空冷凍干燥8 h后，可以得到直徑主要分布在500-900 nm之間的納米纖維絲，占整個(gè)納米絲直徑分布的74％。
　　 ③通過(guò)MC3T3-E1細(xì)胞在Ti-P纖維絲上的培養(yǎng)研究，發(fā)現(xiàn)細(xì)