本發(fā)明屬于高分子材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一類可調(diào)節(jié)降解速率的[ptmc-ga]-[plla-ga]嵌段聚酯及其制備方法。

背景技術(shù)：

聚乳酸(pla)是一種以可再生資源（如植物秸稈、淀粉）為原料制備而成的綠色塑料，由于具有良好的生物相容性和生物可降解性，使其在生物醫(yī)用材料領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用價(jià)值。20世紀(jì)90年代初期美國(guó)食品與藥品管理局(fda)批準(zhǔn)了左旋聚乳酸（plla）用作生物降解醫(yī)用材料。plla的用途很多，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域主要用于作為外科手術(shù)縫合線、植入性血管支架、藥用控制系統(tǒng)、人工骨體和組織工程支架材料等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。同時(shí)，plla材料具有良好的力學(xué)性能和熱塑性，適用于吹塑、擠出、注塑等多種加工成型方法，加工方便，容易加工成型。

但plla在常溫下是一種脆性材料，斷裂伸長(zhǎng)率一般不超過(guò)10%，其柔韌性一般不能滿足使用要求，這就促使人們對(duì)plla材料的改性展開(kāi)了深入研究。專利文獻(xiàn)1公開(kāi)了提高聚乳酸柔韌性的方法。該方法將左旋聚乳酸與左旋聚乳酸-聚己內(nèi)酯共聚物溶液共混，通過(guò)調(diào)節(jié)共混物中柔性部分聚己內(nèi)酯的含量來(lái)調(diào)控產(chǎn)品的柔韌性，改性后的產(chǎn)品具備可調(diào)控的柔韌性。但是，聚己內(nèi)酯的引入降低了材料的結(jié)晶度，造成了材料拉伸強(qiáng)度的下降，改性后材料的拉伸強(qiáng)度介于7～20mpa之間，無(wú)法作為結(jié)構(gòu)材料使用。專利文獻(xiàn)2公開(kāi)了一種引入羥基鏈烷酸或羥基鏈烷酸酯化衍生物與聚乳酸接枝共聚來(lái)改善聚乳酸柔韌性的方法。該方法易于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)，可大批量制備柔性聚樹(shù)脂產(chǎn)品。但采用該方法制備的聚酯結(jié)構(gòu)不可控，分子量分布較寬，降解時(shí)間不可調(diào)控，在用作生物醫(yī)用材料時(shí)存在缺陷。專利文獻(xiàn)3公開(kāi)了一種將左旋丙交酯（lla）與三亞甲基碳酸酯（tmc）、乙交酯（ga）單元共聚改性的方法改善plla的柔韌性。該類材料采用無(wú)規(guī)共聚的方法，在plla體系中引入了tmc和ga單元，tmc單元的引入可降低材料的結(jié)晶度，增強(qiáng)材料的韌性。而ga單體具有比lla和tmc單體更高的反應(yīng)活性，可進(jìn)一步的打亂分子鏈結(jié)構(gòu)，降低結(jié)晶度，增強(qiáng)材料的柔韌性，同時(shí)pga本身為一種具有較高拉伸強(qiáng)度的材料，引入ga單元可保證plla-tmc-ga三元共聚物在結(jié)晶度較低的情況下仍然具有一定的拉伸強(qiáng)度。但是，該類材料采用無(wú)規(guī)共聚后結(jié)晶度過(guò)低，使得其降解速率較快，在降解后期分子量下降過(guò)快無(wú)法維持力學(xué)性能，用作血管支架等醫(yī)用材料使用時(shí)缺乏穩(wěn)定性。

本發(fā)明針對(duì)上述技術(shù)問(wèn)題，提出了一種[ptmc-ga]-[plla-ga]完全生物可降解聚酯制備方法，先將tmc與ga無(wú)規(guī)共聚制備得到ptmc-ga二元共聚物，再將ptmc-ga用作大分子引發(fā)劑，與lla和ga單體反應(yīng)，制備得到[ptmc-ga]-[plla-ga]聚酯。該聚酯具有良好的柔韌性同時(shí)還具有較高的拉伸強(qiáng)度。并且，該類材料微結(jié)構(gòu)的調(diào)控性更強(qiáng)，可通過(guò)調(diào)節(jié)[ptmc-ga]和[plla-ga]鏈段中g(shù)a單元的含量和來(lái)控制聚酯的降解時(shí)間，做到降解時(shí)間可調(diào)控，這一點(diǎn)將極大增強(qiáng)材料的應(yīng)用價(jià)值。從原理上更符合生物醫(yī)用材料對(duì)力學(xué)性能和降解性能的要求。

技術(shù)文獻(xiàn)：

專利文獻(xiàn)1：中國(guó)專利，公開(kāi)號(hào)cn104231578a；

專利文獻(xiàn)2：中國(guó)專利，公開(kāi)號(hào)cn1908030a；

專利文獻(xiàn)3：中國(guó)專利，公開(kāi)號(hào)cn103030795a。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有生物可降解聚酯拉伸強(qiáng)度低，降解速率不可調(diào)控等缺陷，提供一種完全生物可降解嵌段聚酯及其制備方法。該聚酯在韌性上取得了極大的提升，同時(shí)因?yàn)榻Y(jié)晶度在20%以上從而保證了較高的拉伸強(qiáng)度和楊氏模量；可控的鏈段結(jié)構(gòu)可更精準(zhǔn)的調(diào)控材料的降解速率?？蓮V泛的用于人工骨體、組織工程支架和介入性醫(yī)療器械等生物醫(yī)用材料領(lǐng)域。

本發(fā)明提供的完全生物可降解聚酯為[ptmc-ga]-[plla-ga]嵌段聚酯，其分子鏈結(jié)構(gòu)如下所示：

其中，p為大分子引發(fā)劑ptmg-ga中的tmc和ga的總鏈節(jié)數(shù)，p的范圍為50～400，優(yōu)選150～300；q為plla-ga中l(wèi)la和ga的總鏈節(jié)數(shù)，q的范圍250～1200，優(yōu)選600～1000。

所述的完全生物可降解的嵌段聚酯中，大分子引發(fā)劑ptmc-ga鏈段中tmc單元的摩爾含量為80～98%，優(yōu)選92～96%；ga單元的摩爾含量為20～2%，優(yōu)選8～4%。共聚物plla-ga鏈段中l(wèi)la單元的摩爾含量為80～97%，優(yōu)選85～95%；ga單元的摩爾含量為20%～3%，優(yōu)選7%～3%。

所述的完全生物可降解的聚酯，其數(shù)均分子量為5.0×10⁴～4.5×10⁵，優(yōu)選數(shù)均分子量為1.5×10⁵～2.5×10⁵；分子量分布系數(shù)為1.5～3.0，優(yōu)選1.6～2.2。

本發(fā)明提供的上述可調(diào)節(jié)降解速率的[ptmc-ga]-[plla-ga]嵌段聚酯的制備方法，具體步驟為：

（1）將引發(fā)劑和催化劑以及tmc、ga單體按設(shè)計(jì)配比加入聚合管中，引發(fā)劑的加入量為tmc、ga單體總摩爾量的2%～0.2%，優(yōu)選1%～0.5%，催化劑的加入量為單體總摩爾量的0.2%～0.6%，在氮?dú)饣驓鍤舛栊詺怏w氣氛下加熱熔融；冷卻至固態(tài)后，持續(xù)抽真空；

（2）真空度小于100pa后，將聚合管熔斷，使物料處于真空狀態(tài)；

（3）將聚合管至于恒溫反應(yīng)箱中，反應(yīng)溫度為110℃～180℃，優(yōu)選130℃～140℃；反應(yīng)時(shí)間為12～120h，優(yōu)選48～72h，反應(yīng)完成后取出聚合管；

（4）將制得的產(chǎn)物用溶劑溶解，接著用沉淀劑析出，于真空烘箱中干燥，得到充分干燥的產(chǎn)物ptmc-ga；

（5）將步驟（4）中制得的ptmc-ga與lla、ga單體和催化劑按加入聚合管中，大分子引發(fā)劑ptmc-ga的加入量為lla、ga單體總摩爾量的1%～0.1%，催化劑的加入量為單體總摩爾量的0.2%～0.6%，在氮?dú)饣驓鍤舛栊詺怏w氣氛下加熱熔融冷卻；待真空度小于100pa后，熔斷聚合管，使物料處于真空狀態(tài)，將聚合管置于恒溫反應(yīng)箱中，反應(yīng)溫度為120～180℃，反應(yīng)時(shí)間24～120h，反應(yīng)完成后取出；

（6）將聚合管中產(chǎn)物按步驟（4）中的過(guò)程純化干燥，即制備得到完成生物可降解的聚酯，將所得產(chǎn)物置于干燥器中低溫保存。

步驟（1）中，所述的引發(fā)劑為乙醇、己醇、辛醇、十二烷醇、1、3-丙二醇、1、4-丁二醇、丙三醇中的一種或多種；所述的催化劑為辛酸亞錫、氯化亞錫、氯化錫、乳酸鋅、氯化鋅、乙酰丙酮鋅中的一種或多種。

步驟（3）和步驟（5）中，真空度不高于300pa，優(yōu)選不高于10pa。

步驟（4）中，所述的溶劑為二氯甲烷、三氯甲烷、氯乙烷、1,2-二氯乙烷、四氫呋喃、n,n-二甲基酰胺和n,n-二甲基乙酰胺中的一種或多種，所述的沉淀劑為甲醇、乙醇、乙酸乙酯中的一種或多種。

本發(fā)明所述的完全生物可降解嵌段聚酯，可廣泛應(yīng)用于人工骨體、組織工程支架和介入性醫(yī)療如血管支架等生物醫(yī)用材料領(lǐng)域。

本發(fā)明中，上述優(yōu)選條件在結(jié)合本領(lǐng)域常識(shí)的基礎(chǔ)上可任意組合，即得本發(fā)明各較佳實(shí)施例。

本發(fā)明的原料和試劑皆市售可得。

本發(fā)明制備的完全生物可降解[ptmc-ga]-[plla-ga]嵌段聚酯具有優(yōu)良的力學(xué)性能，與plla相比，在韌性上取得了極大的提升，同時(shí)聚酯具有20%以上的結(jié)晶度，使得聚酯具有較高的拉伸強(qiáng)度。而通過(guò)采用大分子引發(fā)劑制備聚酯的技術(shù)可有效的調(diào)控材料的降解速率。因此，本發(fā)明制備的嵌段聚酯具有優(yōu)異的力學(xué)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，在生物醫(yī)學(xué)中人工骨體、組織工程支架、介入性醫(yī)療器械等醫(yī)用材料領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)明

圖1是[ptmc-ga]-[plla-ga]嵌段聚酯的合成過(guò)程示意圖。

圖2是大分子引發(fā)劑ptmc-ga和[ptmc-ga]-[plla-ga]嵌段聚酯的¹h-nmr譜圖。

圖3是[ptmc-ga]-[plla-ga]嵌段聚酯的紅外譜圖。

圖4是[ptmc-ga]-[plla-ga]嵌段聚酯應(yīng)力應(yīng)變曲線。

圖5是[ptmc-ga]-[plla-ga]嵌段聚酯的dsc譜圖，樣品從室溫以30℃/min的升溫速率升溫至190℃，等溫2min以消除熱歷史；然后再以150℃/min的降溫速率將至室溫后，以10℃/min升溫至190℃，結(jié)果取自第二便dsc升溫曲線。

圖6是[ptmc-ga]-[plla-ga]嵌段聚酯水解過(guò)程中失重率變化。

具體實(shí)施方式

下面給出具體實(shí)例，以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體的描述。但本發(fā)明并不受其限制，其中：

本發(fā)明制備的嵌段聚酯，通過(guò)核磁共振氫譜（¹h-nmr）和傅里葉紅外光譜（ftir）確定其化學(xué)組成，采用凝膠滲透色譜儀（gpc）測(cè)定材料的分子量，通過(guò)差示掃描量熱儀（dsc）表征材料的熱性能，采用拉伸儀測(cè)定樣品的力學(xué)性能。采用體外水解的實(shí)驗(yàn)方法對(duì)嵌段聚酯的降解行為進(jìn)行模擬。

實(shí)施例1

（1）將19.16gtmc、0.85gga、0.07g辛醇和0.06g辛酸亞錫加入聚合管中，充氬趕氧三次，熔融單體、冷卻后持續(xù)抽真空，控制體系真空度不高于20pa，熔斷聚合管。將熔斷后的聚合管至于130℃恒溫烘箱中反應(yīng)24h，制備得到ptmc-ga大分子引發(fā)劑。

（2）稱取步驟（1）中制備的ptmc-ga5g、l-la40.22g、ga1.16g，辛酸亞錫0.12g加入聚合管中，充氬趕氧三次，熔融物料、冷卻后持續(xù)抽真空，控制體系真空度不高于5pa，熔斷聚合管。將熔斷后的聚合管至于140℃恒溫烘箱中反應(yīng)72h，制備得到生物可降解的[ptmc-ga]-[plla-ga]聚酯。反應(yīng)過(guò)程如圖1所示，所得產(chǎn)物經(jīng)純化后測(cè)定其數(shù)均分子量為2.4×10⁵g/mol，分散系數(shù)為1.9。

圖2是大分子引發(fā)劑ptmc-ga和嵌段聚酯[ptmc-ga]-[plla-ga]的¹h-nmr譜圖，具體分析后者的¹h-nmr譜圖，峰a對(duì)應(yīng)的是ptmc-ga鏈段上ga單元-ch2上的h；峰b為ptmc-ga鏈段上tmc單元中o-ch2上的h；峰c為ptmc-ga鏈段上tmc單元中-ch2上的h；峰d為plla-ga鏈段上lla單元-ch3上的h；峰e(cuò)為plla-ga鏈段上lla單元o-ch上的h；峰f為plla-ga鏈段上ga單元-ch2上的h。從圖中可以看出，ptmc-ga鏈段中g(shù)a的化學(xué)位移與plla-ga鏈段中g(shù)a的化學(xué)位移不同，這是ga單元受不同化學(xué)環(huán)境影響而造成的化學(xué)位移不同。¹h-nmr結(jié)果證實(shí)[ptmc-ga]-[plla-ga]聚酯成功合成。

圖3是大分子引發(fā)劑ptmc-ga和嵌段聚酯[ptmc-ga]-[plla-ga]的ftir譜圖。分析ptmc-ga的ftir譜圖，2926cm^-1歸屬于tmc和ga單元中-ch2的伸縮振動(dòng)峰；1741cm^-1歸屬于tmc和ga單元上c=o的伸縮振動(dòng)；1465cm^-1歸屬于tmc和ga單元-ch2的彎曲振動(dòng)；1224cm^-1和1191cm^-1歸屬于ptmc-ga鏈段上c-o-c的伸縮振動(dòng)；1032cm^-1和786cm^-1歸屬于ptmc-ga鏈段中c-c的骨架振動(dòng)。分析比較[ptmc-ga]-[plla-ga]聚酯的ftir譜圖，可以發(fā)現(xiàn)在2996cm^-1處出現(xiàn)了-ch³的伸縮振動(dòng)峰，這歸屬于lla單元中-ch3；而1454cm^-1、1383cm^-1、1132cm^-1則歸于lla單元中-ch3的彎曲振動(dòng)和骨架振動(dòng)；2929cm^-1歸屬于聚酯中tmc和ga單元-ch2的伸縮振動(dòng)；1754cm^-1則歸于聚酯中c=o的伸縮振動(dòng)；1361cm^-1歸屬于聚酯中plla鏈段上（-ch3)+(-ch)彎曲振動(dòng)；1183cm^-1歸屬于聚酯中plla鏈段上(coc)+(-ch3)的彎曲振動(dòng)；1092cm^-1和870cm^-1歸屬于(coc)和（c-coo）的振動(dòng)；1044cm^-1則歸屬于c-ch3的骨架振動(dòng)。以上ftir結(jié)果說(shuō)明，該聚酯中含有tmc、lla、ga單元，同時(shí)，單個(gè)羰基峰的出現(xiàn)，表明了材料具有無(wú)規(guī)共聚的結(jié)構(gòu)。

圖4是嵌段聚酯[ptmc-ga]-[plla-ga]和具有相同分子量的對(duì)比樣plla的應(yīng)力應(yīng)變曲線，其力學(xué)性能按照國(guó)標(biāo)gbt1040.1-2006《塑料拉伸性能的測(cè)定總則》中的要求測(cè)量評(píng)估，制備啞鈴型樣條，長(zhǎng)度20mm，寬度4mm，樣品測(cè)試5根平行樣條。得到的聚酯的拉伸強(qiáng)度為38.9±4.3mpa，斷裂伸長(zhǎng)率136.7±12.7%，楊氏模量1153±108mpa。而對(duì)比樣plla的拉伸強(qiáng)度為42.4±3.1mpa，斷裂伸長(zhǎng)率為7.4±2.4%，楊氏模量為1267±154mpa。力學(xué)性能數(shù)據(jù)表明，新合成的嵌段聚酯材料與傳統(tǒng)的plla相比，斷裂伸長(zhǎng)率有了極大的改善，同時(shí)也保留了較高的拉伸強(qiáng)度和楊氏模量。

圖5是大分子引發(fā)劑ptmc-ga和嵌段聚酯[ptmc-ga]-[plla-ga]的dsc譜圖，如圖可知，大分子引發(fā)劑ptmc-ga的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（tg）為-14.1℃，樣品無(wú)任何結(jié)晶和熔融峰。反觀聚酯[ptmc-ga]-[plla-ga]的ds譜圖，該樣品的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（tg）為57.1℃，在127.2℃有一較寬的結(jié)晶峰，焓值為40.4j/g；在166.8℃處有一熔融峰，焓值為30.6j/g。通過(guò)計(jì)算樣品的結(jié)晶度為32.5%，較高的結(jié)晶度能夠有效保障材料的力學(xué)強(qiáng)度，這點(diǎn)從圖4中的力學(xué)性能數(shù)據(jù)已得到驗(yàn)證。同時(shí)嵌段聚酯[ptmc-ga]-[plla-ga]只具有一個(gè)tg，說(shuō)明材料中plla-ga鏈段與ptmc-ga鏈段相容性良好，不存在相分離的現(xiàn)象。

實(shí)施例2

（1）將20.65gtmc、1.58gga、0.09g辛醇和0.07g辛酸亞錫加入聚合管中；合成過(guò)程如實(shí)施例1中步驟（1）步驟所述，制備得到大分子引發(fā)劑ptmc-ga。

（2）稱取步驟（1）中制備的ptmc-ga5g、l-la34.22g、ga1.56g，辛酸亞錫0.12g加入聚合管中，合成過(guò)程如實(shí)施例1中步驟（2）所述，制備得到[ptmc-ga]-[plla-ga]嵌段聚酯。經(jīng)測(cè)量其數(shù)均分子量為2.1×10⁵，分子量分布系數(shù)為1.7。tg為55.4℃，結(jié)晶度為25.8%，拉伸強(qiáng)度為36.7±4.3mpa，斷裂伸長(zhǎng)率為154.4±10.7%，楊氏模量為1167±121mpa。

實(shí)施例3

（1）將22.45gtmc、2.95gga、0.14g辛醇和0.09g辛酸亞錫加入聚合管中；合成過(guò)程如實(shí)施例1中步驟（1）步驟所述，制備得到大分子引發(fā)劑ptmc-ga。

（2）稱取步驟（1）中制備的ptmc-ga5g、l-la28.14g、ga2.56g，辛酸亞錫0.08g加入聚合管中，合成過(guò)程如實(shí)施例1中步驟（2）所述，制備得到[ptmc-ga]-[plla-ga]嵌段聚酯。經(jīng)測(cè)量其數(shù)均分子量為1.9×10⁵，分子量分布系數(shù)為1.5。tg為54.6℃，結(jié)晶度為24.6%，拉伸強(qiáng)度為32.4±4.3mpa，斷裂伸長(zhǎng)率為189.7±15.3%，楊氏模量為1073±110mpa。

實(shí)施例4

（1）將16.42gtmc、3.58gga、0.09g辛醇和0.04g辛酸亞錫加入聚合管中；合成過(guò)程如實(shí)施例1中步驟（1）步驟所述，制備得到大分子引發(fā)劑ptmc-ga。

（2）稱取步驟（1）中制備的ptmc-ga5g、l-la23.12g、ga3.56g，辛酸亞錫0.08g加入聚合管中，合成過(guò)程如實(shí)施例1中步驟（2）所述，制備得到[ptmc-ga]-[plla-ga]嵌段聚酯。經(jīng)測(cè)量其數(shù)均分子量為1.7×10⁵，分子量分布系數(shù)為1.8。tg為54.6℃，結(jié)晶度為20.6%，拉伸強(qiáng)度為30.2±3.3mpa，斷裂伸長(zhǎng)率為215.7±25.3%，楊氏模量為960±58mpa。

圖6是實(shí)施例1～實(shí)施例4樣品水解過(guò)程中失重率變化曲線，分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)節(jié)聚酯中g(shù)a的摩爾含量可以有效的調(diào)控樣品的降解時(shí)間。實(shí)施例1中g(shù)a的摩爾含量為3%，其達(dá)到50%降解失重率需要54周，而實(shí)施例4中合成的聚酯ga的摩爾含量為12%，其達(dá)到50%降解失重率只需要8周。說(shuō)明通過(guò)調(diào)節(jié)樣品中g(shù)a單元的摩爾含量可有效的控制材料的降解時(shí)間。

從上述實(shí)施例可以看出，采用ptmc-ga大分子引發(fā)劑技術(shù)制備的[ptmc-ga]-[plla-ga]嵌段聚酯，在引入了柔性鏈tmc單元后具備了良好的韌性，同時(shí)依然保持了較高的拉伸強(qiáng)度，從樣品的應(yīng)力應(yīng)變曲線中可以清晰的體現(xiàn)了這一優(yōu)勢(shì)；同時(shí)該材料結(jié)構(gòu)可控?？赏ㄟ^(guò)投料比來(lái)調(diào)控材料的降解周期，從樣品的水解失重率變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，改變樣品中g(shù)a單元的摩爾含量可大幅度改變材料的降解周期。因此，本發(fā)明制得的聚酯具有優(yōu)異的力學(xué)性能、良好的生物相容性以及可調(diào)控的生物降解周期，可廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)中人工骨體、組織工程支架、介入性醫(yī)療器械等生物醫(yī)用材料領(lǐng)域。