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聚富马酸对苯二甲酸二环氧丁烷马来酸酯的制备与表征

更新时间:2009-03-28

目前,已有许多可降解高分子材料例如聚乳酸、聚羟基乙酸、聚己内酯及其共聚物、聚酸酐等用于生物医疗领域,它们易于加工、生物相容性好。但是这些高分子材料通常为生物惰性材料,同时缺少化学活性位点,不易改性,因此它们的化学、物理和生物学性能的可调控性相对较差[1],从而限制了这些材料进一步应用。因而功能化的生物活性材料已成为当今生物材料研究领域的热点[2-3]

本文以富马酸、对苯二甲酸、二环氧丁烷为原料,利用酸诱导环氧开环聚合反应[3]制备一种含有三组分的聚酯材料,并对该预聚物进行羧酸化[4],该分子有丰富的活性基团比如裸露的羧基和羟基。这些基团一方面可作为反应位点,调节材料的理化性能,另一方面可作为细胞的识别位点,有利于细胞贴附、生长和组织形成[5]。该聚合物在单体中引入对苯二甲酸这一刚性分子,有利于改善材料的力学性能,更好适应应用的需求。该聚合物骨架由酯键构建,因此具有良好的降解性,并且可以通过控制对苯二甲酸的引入量来调控其降解速率。而富马酸和马来酸单元富含双键,可进一步对材料进行改性。

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1.1 原料及仪器

原料及仪器见表1和表2。

 

表1 原料

  

药品纯度厂家反丁烯二酸CR国药化学试剂对苯二甲酸CR国药化学试剂1,2,3,4-二环氧丁烷CR阿尔法埃莎化学公司四丁基溴化铵CR东京化成工业株式会社N-N二甲基甲酰胺CR百灵威科技有限公司马来酸酐CR国药化学试剂乙醚CR上海凌峰化学试剂有限公司四氢呋喃CR上海凌峰化学试剂有限公司氯化钠CR永华化学科技(江苏)有限公司

 

表2 实验仪器

  

设备名称型号厂家电子天平AL-104梅特勒加热器IKARCTbasicIKA有限公司真空烘箱027-6020上海精宏实验设备有限公司冷冻干燥机FreeZone4.5LABCONCO旋转蒸发仪IKARV10basicIKA有限公司

1.2 PTFB-M的合成

1.2.1 原料纯化

重结晶反丁烯二酸(富马酸):称取85 g富马酸于500 mL三口圆底烧瓶中,将其置于100 ℃油浴锅中,并接上冷凝回流装置;逐渐滴加蒸馏水于烧瓶中,使富马酸完全溶解;之后将富马酸水溶液置于烧杯中,在室温下冷却静置,富马酸晶体析出;再把含有富马酸晶体的溶液进行抽滤得到富马酸晶体;以上步骤连续重复三次,将所得产物置于100 ℃,1 Torr真空烘箱中干燥24 h,得到纯净的富马酸晶体。

1.3.3 热学性能测试

PTFB-M合成反应,如图1所示,首先,加料过程在手套箱中进行(水含量≤0.01 ug/g,氧含量≤0.01 ug/g),称量0.469 g(10 mmol)富马酸,2.000 g(30 mmol)对苯二甲酸,1.383 g(40 mmol)二环氧丁烷,31 mg(0.24 mmol)四丁基溴化铵,5.5 mL N’-N’二甲基甲酰胺(DMF)于25 mL茄型反应瓶中,密封反应瓶拿出手套箱;其次插氮气球于反应瓶中,并将其置于90 ℃油浴锅中搅拌(1 000 r/min),反应在氮气氛围中进行,大约反应26 h,得到预聚物[6];预聚物纯化后,接着第二步反应,羧酸化,加料过程也在手套箱中进行(水含量≤0.01 ug/g, 氧含量≤0.01 ug/g),称量1 g预聚物PTFB,0.819 g马来酸酐,2.5 mLN’-N’二甲基甲酰胺(DMF)于10 mL茄型反应瓶中,密封反应瓶拿出手套箱;其次插氮气球于反应瓶中,并将其置于85 ℃油浴锅中搅拌(1 000 r/min),反应在氮气氛围中进行,反应4.5 h,得到预聚物PTFB-M。

  

图1 PTFB-M制备过程

1.2.3 PTFB-M的纯化

用无水乙醚沉淀方法纯化PTFB-M。将上述所得聚合物溶液逐滴滴加于无水乙醚中,沉淀的聚合物溶解于四氢呋喃(THF)/水(H2O),其中THF∶H2O=9∶1,再在乙醚中沉淀。以上步骤连续重复三次,除去聚合物溶液中的溶剂及未反应的单体;再将所得沉淀物抽真空,去除乙醚等较低沸点的溶剂,得到PTFB-M聚合物。

1.3 PTFB-M结构与性能表征

利用核磁表征PTFB-M的结构如图2所示,其中当-OH为游离状态时CH、CH2的质子出峰位置大约是4.5~3.7;而在羧基的影响下,因其对电子的吸附力,CH、CH2的质子出峰位置移动到大约5.5~6;此外,富马酸的中烯烃基中质子在6.8和6.4出峰;马来酸酐中烯烃基两侧的质子分别在6.4和6.2,这是因为羧基的吸电子能力强于马来酸酯基团;~8.2对应苯环中的质子;马来酸酐的接枝率是69%,说明该聚合物分子有大量的羧基和一部分羟基,同时也表明有效得到了设计聚合物。在红外谱图图3中,~3 530 cm-1处的宽峰对应O-H震动;3 080 cm-1对应=C-H的拉伸震动,3 050 cm-1对应芳香烃中C-H的拉伸震动;1 720 cm-1对应C=O的拉伸震动;1 640 cm-1中包括C=C和芳香烃中C-C的拉伸震动;1 110 cm-1对应芳香烃中C-H较弱的震动,再次证明了所得聚合物与设计产物相符。

PTFB-M结构由核磁共振仪,Bruke AM-400(400 MHz)和傅立叶变换衰减全反射红外光谱仪,ATR-FTIR, Nicolet 6700测定。其中在核磁检测过程中,使用氘代二甲基亚砜溶液测定。

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1.2.2 PTFB-M的合成

材料的热分解温度由热失重分析仪检测,美国TA公司Discovery型,TGA测试在氮气环境下,从40 ℃升到500 ℃以10 ℃/min的升温速率;由所得数据知该材料的热分解温度;聚合物的转变温度由差示扫描量热仪(DSC),耐驰,204 F1 Phoenix测定,DSC测试同样在氮气氛围下,变温速率恒定为10 ℃/min,首先从室温升至150 ℃,消除热历史,然后从150 ℃降至-70 ℃,接着再从-70 ℃升至150 ℃。

1.3.2 亲水性能测试

2 结果与讨论

2.1 PTFB-M的结构表征

1.3.1 结构表征

  

图2 PTFB-M的1H NMR分析

  

图3 PTFB-M的IR分析

2.2 PTFB-M的热学性能

实验测得PTFB-M第一段热分解温度为180.9 ℃(质量损失5%时)如图4所示,表明其在人体体温、室温下有很好的热稳定性,且可在一定温度范围内进行热加工处理。此外,由图5DSC曲线可得到PTFB-M的玻璃化转变温度为68.27 ℃,即表明在室温下,PTFB-M为玻璃态材料。

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图4 PTFB-M的热失重曲线

  

图5 PTFB-M DSC曲线

2.3 PTFB-M的亲水性能

图6PTFB-M的水相接触角为(45.3±3)°,也表明该材料为良好的亲水性材料,这与分子中大量裸露羟基和羧基有关。

  

图6 PTFB-M水相接触角测试

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利用酸诱导环氧开环聚合反应,从市售原料出发,两步法制得功能化聚酯,聚富马酸对苯二甲酸二环氧丁烷马来酸酯PTFB-M。合成过程简单,且反应效率高,方便、快捷。该化合物具有良好的热稳定性,在室温下呈刚性的玻璃态,为亲水性材料。分子链具有裸露的羟基和羧基,潜在的有利于细胞在材料上生长,另一方面可作为活性位点,对材料进一步修饰,形成具有不同功能的生物活性材料。

PTFB-M的亲疏水性能通过接触角测试仪,德国Dataphysics公司OCA40测定。用THF 配置1 g/L的PTFB-M溶液,均匀涂抹在玻璃片上(100 uL/片),在室温下蒸发溶剂,待其干燥后,在25 ℃条件下进行接触角测试,同等条件下测定5个样品,求其平均值。

参考文献

[2] Williams C K. Synthesis of functionalized biodegradable polyesters[J]. Chemical Society Reviews. 2007,36(10):1573-1580.

[1] Rezwan K, Chen Q Z, Blaker J J, et al. Biodegradable and bioactive porous polymer/inorganic composite scaffolds for bone tissue Engineering[J]. Biomaterials, 2006, 27(18): 3413-3431.

采取SPSS21.0进行数据处理,计数资料以(%)表示,计量资料以(±s)表示,分别行χ2或t检验;P<0.05表示差异有统计学意义。

[3] Zhengwei Y, Haiping C, Jin G, et al. A functionalizable polyester with free hydroxyl groups and tunable physiochemical and biological properties[J]. Biomaterials, 2010, 31(12): 3129-3138.

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[6] 谢阳芬,王少飞,孙利杰,等. 富马酸—双环氧丁烷—对苯二甲酸共聚酯的制备[J]. 中国科技论文, 2017, 12 (12): 1386-1390.

应用SPSS 19.0统计软件进行数据分析,计量资料表示,符合正态分布且方差齐性使用方差分析,不符合正态分布使用秩和检验或其他非参数检验,P<0.05差异有统计学意义。

 
吕姿颖,游正伟
《合成技术及应用》 2018年第01期
《合成技术及应用》2018年第01期文献

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