BAIP-Ti(IV)配合物催化D,L-丙交酯开环聚合及PDLLA的静电纺丝研究

摘要

聚乳酸(polylactide，PLA)是一种具有优良生物相容性和生物降解性的热塑性聚酯材料。近年来许多研究都集中于聚乳酸的合成及应用上，其中尤以丙交酯(lactide，LA)的开环聚合以及在医药和组织工程领域的应用为国内外研究的热点。目前辛酸亚锡(Sn(Oct)2)用于催化丙交酯(LA)开环聚合合成聚乳酸是最为广泛的催化剂，但辛酸亚锡有其自身的缺点，如在高于100℃时易分解或在微量水的影响下易发生水解反应，所产生的副产物在丙交酯的开环聚合过程中不可避免地发生副反应。此外，辛酸亚锡作为催化剂易于失活而影响催化效率，同时也可使得聚乳酸的分散度增加，影响聚乳酸的力学性能。所以获得热稳定、对水惰性的高活性金属催化剂催化丙交酯开环聚合是近年来研究的热点。
　　 本研究合成了一种新颖的热稳定、高活性的双(烷氧-亚胺芳氧)基钛(Ⅳ)[BAIP-Ti(Ⅳ)]配合物，用于催化D，L-丙交酯的开环聚合。采用各种结构分析手段表征了钛(Ⅳ)配合物的结构，探讨了用该配合物催化D，L-丙交酯(D，L-LA)开环聚合的动力学及机理，同时对获得的聚(D，L-丙交酯)(PDLLA)进行了力学测试及细胞生物相容性的初步评价。进而对获得的低分散度的PDLLA进行了纺丝研究，考察了PDLLA的样品浓度、流量以及真空冷冻干燥条件对纺丝直径分布及形貌的影响。最后以小鼠胚胎成骨细胞株(MC3T3-E1细胞)为模型，用扫描电镜(SEM)观察在PDLLA纤维材料表面的生长情况，探讨了成骨细胞在PDLLA微纳米丝支架材料上的生长情况。本研究的内容和结论如下：
　　 1.以3，5-二叔丁基水杨醛，乙醇胺以及钛酸四乙酯为原料，合成了BAIP-Ti(Ⅳ)配合物，表征了它的结构。
　　 ①配合物的合成：以3，5-二叔丁基水杨醛和乙醇胺为原料，经过氨醛缩合反应得到希夫碱，再与钛酸四乙酯进行醇交换反应，经重结晶后得到BAIP-Ti(Ⅳ)配合物。
　　 ②采用元素分析(EA)、傅立叶变换红外光谱(FTIR)、核磁共振波谱(NMR)、多晶粉末衍射(XRD)、X射线荧光衍射(XRF)、热重/差热分析(TG/DSC)以及单晶衍射等方法对该配合物的结构进行了表征，结果表明Ti原子与两个烷氧-亚胺芳氧基以四个O-Ti共价键和两个N→Ti配位键成键，显示该配合物是以Ti原子为中心的双配基配合物。
　　 2.以BAIP-Ti(Ⅳ)配合物为催化剂催化D，L-丙交酯开环聚合，成功制备了PDLLA。研究了不同的聚合条件对PDLLA的分子量和分散度的影响，并考察了D，L-丙交酯开环聚合的动力学及机理。
　　 ①考察了单体与催化剂的浓度比、聚合温度与时间对D，L-丙交酯单体开环聚合的影响，得到的最佳反应条件是：[M]/[Ti]=2000，聚合温度160℃，聚合时间16 h，获得分子量分布(Mw/Mn)为1.17，数均分子量(Mn)为8.8×104 g/mol的聚乳酸。
　　 ②动力学表明该配合物在130℃以上能有效地催化D，L-丙交酯开环聚合，该聚合反应对D，L-丙交酯单体浓度和催化剂浓度的反应级数分别为2级和1级，表观活化能(△Ea)和频率因子(A)分别为76.63 kJ/mol和2.91×1011。其表观活化能与辛酸亚锡[Sn(Oct)2]催化L-丙交酯开环聚合的活化能70.90 kJ/mol接近。表明BAIP-Ti(Ⅳ)配合物催化D，L-丙交酯开环聚合反应是较易进行的聚合反应，且BAIP-Ti(Ⅳ)配合物与Sn(Oct)2一样对D，L-丙交酯开环聚合有着较高的催化活性。
　　 ③通过苄醇封端得到的活化钛(Ⅳ)醇聚合物的12 NMR图分析，表明D，L-丙交酯单体的开环机理为配位-插入机理，金属烷氧基Ti-O键是引发D，L-丙交酯单体的酰氧键断裂开环而非烷氧基断裂开环聚合的活性中心，从而实现链的增长。
　　 ④在各聚合温度下，单体转化率与数均分子量(Mn)呈线性关系，窄分子量分布(Mw/Mn=1.10-1.25)的聚乳酸，BAIP-Ti(Ⅳ)配合物显示出具有“活性”可控聚合的倾向。
　　 3.采用FTIR，1H NMR，13C NMR以及TG/DSC对BAIP-Yi(Ⅳ)配合物合成的聚乳酸(Ti-P)进行了结构表征、热稳定性和力学测试的研究，并对其拉伸断裂面的微观形貌进行了SEM观察。
　　 ①1H NMR和13C NMR研究表明，该Ti-P聚乳酸在本质上是属于无规的聚合物，在13C NMR中δ=69.4 ppm处无明显iss序列结构吸收峰的存在，表明聚合过程中无明显的分子内酯交换反应的发生。同时，由isi(δ=5.16 ppm)和sis(δ=5.23ppm)与其他几组信号(δ=5.17，5.20和5.21 ppm)的强度比值(Pr)，即选择性系数Pr为0.64，表明该配合物催化D，L-丙交酯开环聚合显示出杂同立构选择性开环聚合的特征，并显示出可控聚合倾向的行为。
　　 ②通过13C NMR图中四元立构序列的次甲基碳和六元立构序列羰基碳信号强度的研究，发现D，L-丙交酯在聚合过程中等规加成的概率为Pi=0.58，表明BAIP-Ti(Ⅳ)基钛(Ⅳ)配合物催化D，L-丙交酯开环聚合存在中等程度的等规加成立构选择性。
　　 ③以辛酸亚锡合成的聚乳酸(Sn-P)和BAIP-Ti(Ⅳ)配合物合成的聚乳酸(Ti-P)做对比，TG/DSC分析表明分子量接近分散度不同的Ti-P比Sn-P有着更稳定的热性能和较高的玻璃化转变温度(Tg)，这与Ti-P中几乎不存在支化的聚乳酸或对热不稳定基团的因素有关。
　　 ④拉伸和压缩试验表明Ti-P比Sn-P具有更好抗压和抗拉的力学性能。Ti-P材料拉伸断裂面的SEM显示，其断裂面清晰光滑，无明显的凹槽或突起，也无明显的丝状断裂层面，显示出明显脆性断裂的特征。
　　 4.以Sn-P为对比，考察了Ti-P材料和Sn-P的亲/疏水性能和降解性能。其中，用静态水接触角和吸水率评价材料的亲/疏水性，体外实时降解试验评价材料的降解性能，评价指标为失重率和pH值的变化。
　　 ①Ti-P材料比Sn-P材料有较高的接触角和较低的吸水率，可能是分散度小的Ti-P材料表面的-COOH和-OH等活性基团比Sn-P材料少，使其亲水性降低。
　　 ②体外降解实验表明，Ti-P材料比Sn-P材料的失重率进入快速增长区和降解液pH值进入陡降区的时间比Sn-P延迟，两种材料都明显呈现酸致自催化降解现象。这是由于Ti-P材料的分散度比Sn-P材料低，Ti-P材料中亲水性的酸性羧基基团的浓度也较低，导致Ti-P材料的酸致自催化明显好于Sn-P材料。
　　 5.从MC3T3-E1细胞在玻璃空白、Ti-P和Sn-P材料表面的细胞形态，F-肌动蛋白的分布情况、增殖活力以及增殖速率等指标的测定进行了生物相容性的初步评价，结果表明：
　　 ①MC3T3-E1细胞在Ti-P、Sn-P以及玻片材料上培养48 h后，MC3T3-E1细胞在三种材料上都能良好的铺展开。
　　 ②通过激光共聚焦显微镜观察MC3T3-E1细胞在Ti-P、Sn-P以及盖玻片材料上F-肌动蛋白的分布情况表明，培养48 h的MC3T3-E1细胞在三种材料上均显示出较好的细胞黏附和铺展状态。
　　 ③MC3T3-E1细胞在Ti-P、Sn-P以及玻片上增殖活力以及增殖速率的测定，结果表明细胞在Ti-P材料上的增殖趋势与在Sn-P材料上相似，但显著高于玻片对照组细胞的增殖活力，而Sn-P材料和Ti-P材料之间细胞的增殖活力间不存在显著性差异。
　　 6.用制备的数均分子量为8.8×104 g/mol，分子量分布(Mw/Mn)为1.17的Ti-P进行静电纺丝研究，考察了纺丝条件对纤维直径及形貌的影响。并以MC3T3-E1细胞为细胞模型，初步考察了以Ti-P作为纤维支架材料的细胞生物相容性的研究，结果表明：
　　 ①在0.8 kv/cm电场强度下，Ti-P电纺浓度为0.20 g/ml、流速为0.8 ml/h时，可得到大多数纤维直径分布在1.1-1.7μm之间的微米纤维丝。
　　 ②经过真空冷冻干燥8 h后，可以得到直径主要分布在500-900 nm之间的纳米纤维丝，占整个纳米丝直径分布的74％。
　　 ③通过MC3T3-E1细胞在Ti-P纤维丝上的培养研究，发现细胞能很好地黏附于Ti-P纤维丝上并正常生长，培养5天后部分细胞产生明显的细胞基质分泌物。结果证明Ti-P经过真空冷冻干燥后的纳米纤维丝对MC3T3-E1细胞显示出良好的生物相容性，并显示出重要的生物学特征。
　　 综上所述，本文以合成的BAIP-Ti(Ⅳ)配合物为催化剂对D，L-丙交酯的开环聚合显示出可控聚合的行为，合成的Ti-P比Sn-P显示出较好的理化性能，并对成骨细胞显示出良好的生物相容性。

目录

文摘

英文文摘

主要缩略词

1 绪论

1.1 问题的提出及研究意义

1.2 丙交酯开环聚合的研究现状

1.2.1 阳离子开环聚合

1.2.2 阴离子开环聚合

1.2.3 配位-插入开环聚合

1.2.4 生物活性酶催化开环聚合

1.3 丙交酯开环聚合研究存在的问题

1.4 研究意义、研究思路及主要研究内容

1.4.1 研究意义

1.4.2 研究思路及主要研究内容

1.5 本论文的创新点

2 BAIP-Ti(Ⅳ)配合物的合成与表征

2.1 前言

2.2 实验材料和方法

2.2.1 主要材料和设备

2.2.23，5-二叔丁基水杨醛缩乙醇胺Schiff碱配体的合成

2.2.3 BAIP-Ti(Ⅳ)配合物的合成

2.3 配体和配合物的表征

2.3.1 元素分析(EA)

2.3.2 X-射线荧光光谱分析(XRF)

2.3.3 X-射线粉末衍射分析(XRD)

2.3.4 傅里叶变红外光谱分析(FFIR)

2.3.5 核磁共振分析(NMR)

2.3.6 单晶衍射分析

2.3.7 扫描电镜(SEM)

2.3.8 热重/差热分析(TG/DSC)

2.4 实验结果

2.4.1 元素分析(EA)

2.4.2 X-射线荧光光谱分析(XRF)

2.4.3 X-射线粉末衍射分析(XRSD)

2.4.4 傅里叶变红外光谱分析(FTIR)

2.4.5 核磁共振分析(NMR)

2.4.6 晶体结构分析及BAIP-Ti(Ⅳ)配合物的SEM观察

2.4.7 热重/差热分析(TG/DSC)

2.5 讨论

2.6 本章小结

3 BAIP-Ti(Ⅳ)配合物催化D，L-丙交酯开环聚合及动力学研究

3.1 前言

3.2 实验材料和方法

3.2.1 主要材料和设备

3.2.2 实验方法和测试

3.3 实验结果

3.3.1 BAIP-Ti(Ⅳ)配合物催化D，L-丙交酯开环聚合

3.3.2 BAIP-Ti(Ⅳ)配合物催化D，L-丙交酯聚合反应的动力学研究

3.3.3 BAIP-Ti(Ⅳ)配合物催化D，L-丙交酯开环聚合的机理研究

3.4 讨论

3.5 本章小结

4 聚(D，L-乳酸)的表征、结构分析与力学测试

4.1 前言

4.2 实验材料和方法

4.2.1 主要材料和设备

4.2.2 聚乳酸的表征及力学测试

4.3 实验结果

4.3.1 PDLLA的傅里叶变红外光谱分析(FTIR)

4.3.2 PDLLA的微观结构和D，L-丙交酯开环聚合反应的立构选择性

4.3.3 PDLLA的TG/DSC分析

4.3.4 PDLLA的压缩/拉伸分析

4.4 讨论

4.5 本章小结

5 聚(D，L-乳酸)的理化性能及生物相容性的初步评价

5.1 前言

5.2 实验材料和方法

5.2.1 主要试剂材料和设备

5.2.2 薄膜材料的制备

5.2.3 静态水接触角的测定

5.2.4 吸水率的测定

5.2.5 材料降解实验模型的建立

5.2.6 材料降解性能的测定

5.2.7 生物相容性的初步研究

5.3 实验结果

5.3.1 材料亲/疏水性的测定

5.3.2 材料降解过程中失重率的变化

5.3.3 材料降解过程中降解介质pH值的变化

5.3.4 生物相容性的初步研究

5.4 讨论

5.5 本章小结

6 聚(D，L-乳酸)的静电纺丝研究

6.1 前言

6.2 实验材料和方法

6.2.1 主要试剂材料和设备

6.2.2 实验方法

6.3 实验结果

6.3.1 纺丝实验条件对纤维表面形貌的影响

6.3.2 Ti-P电纺纳米纤维和MC3T3-E1细胞的生物学评价

6.4 讨论

6.4.1 电纺条件对Ti-P纤维丝形貌的影响

6.4.2 Ti-P纤维材料对MC3T3-E1细胞生物相容性的影响因素

6.5 本章小结

7 主要结论与后续工作建议

7.1 主要结论

7.2 后序工作建议

致谢

参考文献

附 录

A 作者在攻读博士学位期间科研及发表论文情况

B 作者在攻读博士学位期间取得的科研成果目录

C 参加的科研项目情况