發(fā)布時間：2019-05-18 03:18

【摘要】：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)的開環(huán)聚合以及在醫(yī)藥和組織工程領(lǐng)域的應(yīng)用為國內(nèi)外研究的熱點。目前辛酸亞錫(Sn(Oct)_2)用于催化丙交酯(LA)開環(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，如在高于100℃時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)物在丙交酯的開環(huán)聚合過程中不可避免地發(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，同時也可使得聚乳酸的分散度增加，影響聚乳酸的力學性能。所以獲得熱穩(wěn)定、對水惰性的高活性金屬催化劑催化丙交酯開環(huán)聚合是近年來研究的熱點。 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-丙交酯(D,L-LA)開環(huán)聚合的動力學及機理，同時對獲得的聚(D,L-丙交酯)(PDLLA)進行了力學測試及細胞生物相容性的初步評價。進而對獲得的低分散度的PDLLA進行了紡絲研究，考察了PDLLA的樣品濃度、流量以及真空冷凍干燥條件對紡絲直徑分布及形貌的影響。最后以小鼠胚胎成骨細胞株(MC3T3-E1細胞)為模型，用掃描電鏡(SEM)觀察在PDLLA纖維材料表面的生長情況，探討了成骨細胞在PDLLA微納米絲支架材料上的生長情況。本研究的內(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)過氨醛縮合反應(yīng)得到希夫堿，再與鈦酸四乙酯進行醇交換反應(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射線熒光衍射(XRF)、熱重/差熱分析(TG/DSC)以及單晶衍射等方法對該配合物的結(jié)構(gòu)進行了表征，結(jié)果表明Ti原子與兩個烷氧-亞胺芳氧基以四個O-Ti共價鍵和兩個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-丙交酯開環(huán)聚合，成功制備了PDLLA。研究了不同的聚合條件對PDLLA的分子量和分散度的影響，并考察了D,L-丙交酯開環(huán)聚合的動力學及機理。 ①考察了單體與催化劑的濃度比、聚合溫度與時間對D,L-丙交酯單體開環(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℃，聚合時間16h，獲得分子量分布(M_w/M_n)為1.17，數(shù)均分子量(Mn)為8.8×10~4g/mol的聚乳酸。 ②動力學表明該配合物在130℃以上能有效地催化D,L-丙交酯開環(huán)聚合，該聚合反應(yīng)對D,L-丙交酯單體濃度和催化劑濃度的反應(yīng)級數(shù)分別為2級和1級,表觀活化能(ΔEa)和頻率因子(A)分別為76.63kJ/mol和2.91×10~(11)。其表觀活化能與辛酸亞錫[Sn(Oct)_2]催化L-丙交酯開環(huán)聚合的活化能70.90kJ/mol接近。表明BAIP-Ti(Ⅳ)配合物催化D,L-丙交酯開環(huán)聚合反應(yīng)是較易進行的聚合反應(yīng)，且BAIP-Ti(Ⅳ)配合物與Sn(Oct)_2一樣對D,L-丙交酯開環(huán)聚合有著較高的催化活性。 ③通過芐醇封端得到的活化鈦(Ⅳ)醇聚合物的~1HNMR圖分析,表明D,L-丙交酯單體的開環(huán)機理為配位-插入機理,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環(huán)而非烷氧基斷裂開環(huán)聚合的活性中心，從而實現(xiàn)鏈的增長。 ④在各聚合溫度下，單體轉(zhuǎn)化率與數(shù)均分子量(M_n)呈線性關(guān)系，窄分子量分布(M_w/M_n=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,~1HNMR,~(13)C NMR以及TG/DSC對BAIP-Ti(Ⅳ)配合物合成的聚乳酸(Ti-P)進行了結(jié)構(gòu)表征、熱穩(wěn)定性和力學測試的研究，并對其拉伸斷裂面的微觀形貌進行了SEM觀察。 ①~1HNMR和~(13) CNMR研究表明，該Ti-P聚乳酸在本質(zhì)上是屬于無規(guī)的聚合物，在~(13)C NMR中δ=69.4ppm處無明顯iss序列結(jié)構(gòu)吸收峰的存在，表明聚合過程中無明顯的分子內(nèi)酯交換反應(yīng)的發(fā)生。同時，由isi(δ=5.16ppm)和sis(δ=5.23ppm)與其他幾組信號(δ=5.17,5.20和5.21ppm)的強度比值(Pr)，即選擇性系數(shù)Pr為0.64，表明該配合物催化D,L-丙交酯開環(huán)聚合顯示出雜同立構(gòu)選擇性開環(huán)聚合的特征，并顯示出可控聚合傾向的行為。 ②通過~(13)C NMR圖中四元立構(gòu)序列的次甲基碳和六元立構(gòu)序列羰基碳信號強度的研究，發(fā)現(xiàn)D,L-丙交酯在聚合過程中等規(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-丙交酯開環(huán)聚合存在中等程度的等規(guī)加成立構(gòu)選擇性。 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)定基團的因素有關(guān)。 ④拉伸和壓縮試驗表明Ti-P比Sn-P具有更好抗壓和抗拉的力學性能。Ti-P材料拉伸斷裂面的SEM顯示，其斷裂面清晰光滑，無明顯的凹槽或突起，也無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價材料的親/疏水性，體外實時降解試驗評價材料的降解性能，評價指標為失重率和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等活性基團比Sn-P材料少，使其親水性降低。 ②體外降解實驗表明，Ti-P材料比Sn-P材料的失重率進入快速增長區(qū)和降解液pH值進入陡降區(qū)的時間比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細胞在玻璃空白、Ti-P和Sn-P材料表面的細胞形態(tài)，F(xiàn)-肌動蛋白的分布情況、增殖活力以及增殖速率等指標的測定進行了生物相容性的初步評價，結(jié)果表明: ①MC3T3-E1細胞在Ti-P、Sn-P以及玻片材料上培養(yǎng)48h后，MC3T3-E1細胞在三種材料上都能良好的鋪展開。 ②通過激光共聚焦顯微鏡觀察MC3T3-E1細胞在Ti-P、Sn-P以及蓋玻片材料上F-肌動蛋白的分布情況表明，培養(yǎng)48h的MC3T3-E1細胞在三種材料上均顯示出較好的細胞黏附和鋪展狀態(tài)。 ③MC3T3-E1細胞在Ti-P、Sn-P以及玻片上增殖活力以及增殖速率的測定，結(jié)果表明細胞在Ti-P材料上的增殖趨勢與在Sn-P材料上相似，但顯著高于玻片對照組細胞的增殖活力，而Sn-P材料和Ti-P材料之間細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8.8×10~4g/mol，分子量分布(M_w/M_n)為1.17的Ti-P進行靜電紡絲研究，考察了紡絲條件對纖維直徑及形貌的影響。并以MC3T3-E1細胞為細胞模型，初步考察了以Ti-P作為纖維支架材料的細胞生物相容性的研究，結(jié)果表明： ①在0.8kv/cm電場強度下，Ti-P電紡濃度為0.20g/ml、流速為0.8ml/h時，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)過真空冷凍干燥8h后，可以得到直徑主要分布在500-900nm之間的納米纖維絲，占整個納米絲直徑分布的74%。 ③通過MC3T3-E1細胞在Ti-P纖維絲上的培養(yǎng)研究，發(fā)現(xiàn)細胞能很好地黏附于Ti-P纖維絲上并正常生長，培養(yǎng)5天后部分細胞產(chǎn)生明顯的細胞基質(zhì)分泌物。結(jié)果證明Ti-P經(jīng)過真空冷凍干燥后的納米纖維絲對MC3T3-E1細胞顯示出良好的生物相容性，并顯示出重要的生物學特征。 綜上所述，本文以合成的BAIP-Ti(Ⅳ)配合物為催化劑對D,L-丙交酯的開環(huán)聚合顯示出可控聚合的行為，合成的Ti-P比Sn-P顯示出較好的理化性能，并對成骨細胞顯示出良好的生物相容性。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：R318.08

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