PHBV-g-PVP接枝共聚物及其藥物緩釋材料的制備和性能表征.pdf

1、聚(3-羥基丁酸酯-co-3-羥基戊酸酯)(PHBV)是由微生物在非平衡生長(zhǎng)狀態(tài)下細(xì)胞內(nèi)合成的一種熱塑性聚酯，具有生物可降解性、生物相容性、壓電性、光學(xué)活性等諸多優(yōu)良特性。隨著世界范圍內(nèi)能源危機(jī)的加劇以及環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，PHBV類材料的開發(fā)以及利用已引起了科研領(lǐng)域以及工業(yè)界的廣泛興趣。PHBV原材料已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，但由于PHBV制品性質(zhì)硬而脆且加工成形困難，從而限制了其廣泛應(yīng)用。本研究采用接枝改性方法，在PHBV大分子主鏈上引入極性功

2、能基團(tuán)聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)支鏈，合成PHBV與PVP的接枝共聚物(PHBV-g-PVP)。由于基材PHBV和支鏈PVP均具有良好的生物相容性，因此該材料有望首先在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域獲得應(yīng)用。同時(shí)，還可利用PVP所具有的優(yōu)良絡(luò)合性能，為進(jìn)一步將材料功能化奠定基礎(chǔ)。
　　 首先，采用均相溶液聚合，以過(guò)氧化二苯甲酰(BPO)為引發(fā)劑，在PHBV的氯苯溶液中，引發(fā)乙烯基吡咯烷酮(NVP)單體聚合，同時(shí)引發(fā)接枝共聚，合成了PHBV-g-P

3、VP。為了獲得較高的接枝率(Graft％)，應(yīng)用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化反應(yīng)工藝，得出使接枝率達(dá)到最大(10.48％)的最佳反應(yīng)條件是：溫度為120℃；時(shí)間為1 h；BPO用量為0.6 g；NVP用量為10 g。在優(yōu)化反應(yīng)條件的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討了NVP濃度、BPO濃度、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度對(duì)單體轉(zhuǎn)化率(PC％)、接枝率以及接枝效率(GE％)的影響。對(duì)PHBV和PHBV-g-PVP的紅外光譜(FTIR)和核磁共振(1H-NMR)表征說(shuō)明PHBV-

4、g-PVP中存在PVP基團(tuán)。對(duì)PHBV-g-PVP以及PHBV/PVP共混物進(jìn)行選擇性萃取，根據(jù)它們萃取前后的重量變化以及1H-NMR譜圖，推斷出PHBV-g-PVP中PVP基團(tuán)與PHBV主鏈存在化學(xué)鍵合。
　　 其次，研究了PVP接枝改性對(duì)PHBV材料熱穩(wěn)定性、結(jié)晶性能、力學(xué)性能以及生物降解性能的影響。對(duì)樣品的熱重分析(TGA)表明：PHBV和PHBV-g-PVP的熱分解機(jī)理基本相似，但隨著接枝率的提高，PHBV-g-PVP的

5、動(dòng)態(tài)熱穩(wěn)定性明顯提高。差示掃描量熱法(DSC)研究發(fā)現(xiàn)：與PHBV相比，PHBV-g-PVP的非等溫結(jié)晶行為以及熔融行為發(fā)生了很大的變化，并且與接枝率有關(guān)。隨接枝率的提高，樣品從熔融態(tài)結(jié)晶的能力下降，但熔融溫度(Tm)基本不變，所有PHBV-g-PVP樣品的DSC升溫曲線不再出現(xiàn)PHBV所特有的雙熔融峰，說(shuō)明接枝改性消除了PHBV的共晶現(xiàn)象。更為有趣的是，所有PHBV-g-PVP樣品的升溫DSC曲線均出現(xiàn)熱結(jié)晶峰(Tch)，但峰的位置基

6、本不變。雖然接枝改性降低了材料從熔融態(tài)結(jié)晶的能力，但由于熱結(jié)晶現(xiàn)象的出現(xiàn)，各種不同接枝率的PHBV-g-PVP與PHBV的熔融焓(△Hm)基本相同。用熱臺(tái)偏光顯微鏡(POM)觀察材料的球晶形貌時(shí)發(fā)現(xiàn)：在所研究的溫度范圍內(nèi)，所有球晶均呈現(xiàn)由明暗相間的同心圓環(huán)構(gòu)成的黑十字消光圖案。隨著結(jié)晶溫度的降低以及接枝率的提高，同心圓環(huán)間的距離下降。用POM研究了球晶增長(zhǎng)速度與結(jié)晶溫度(Tc)、接枝率的關(guān)系。結(jié)果表明：所有樣品的球晶增長(zhǎng)速度均會(huì)在某一合

7、適溫度下達(dá)到最大值，但是隨接枝率的提高，球晶生長(zhǎng)速度達(dá)到最大值的溫度(Tmax)降低。在相同的結(jié)晶溫度下，隨接枝率的提高，PHBV-g-PVP的球晶增長(zhǎng)速度下降。用Lauritzen-Hoffman方程對(duì)樣品的等溫結(jié)晶動(dòng)力學(xué)分析表明：隨接枝率的增加，樣品的成核常數(shù)Kg、生長(zhǎng)晶體表面自由能σe以及分子折疊鏈功q均增加。Kg、σe值的增加說(shuō)明接枝改性使樣品成核以及晶體生長(zhǎng)變得更為困難，這與前面DSC的研究結(jié)果一致。分子折疊鏈功q的增加說(shuō)明接

8、枝改性使大分子鏈剛性增加。對(duì)PHBV以及PHBV-g-PVP流延膜的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明，所有膜均為脆性材料，隨著接枝率的提高，膜材料的初始模量增加，斷裂伸長(zhǎng)率降低，說(shuō)明PVP接枝改性使材料的脆性增加，該結(jié)果與等溫結(jié)晶動(dòng)力學(xué)的分析結(jié)果一致。PHBV以及PHBV-g-PVP膜在土壤浸出液中會(huì)發(fā)生生物降解，隨著降解時(shí)間的延長(zhǎng)，膜質(zhì)量下降，但分子量基本不變。掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)：膜的降解首先在表面出現(xiàn)較小的凹槽，隨著降解時(shí)間的延長(zhǎng)，凹槽的尺寸增加

9、，但膜表面的降解程度不均勻。這些結(jié)果說(shuō)明：PHBV膜以及PHBV-g-PVP膜在土壤浸出液中的降解過(guò)程是表面腐蝕過(guò)程，是酶解降解。
　　 最后，以鹽酸四環(huán)素為模藥，PHBV和PHBV-g-PVP為基材，制備了藥物緩釋膜以及靜電紡藥物緩釋纖維氈，并研究了藥物緩釋材料在pH值緩沖溶液(PBS)中的體外釋藥行為。對(duì)藥物緩釋膜的表面潤(rùn)濕性能研究表明：隨著基材接枝率的提高，膜的接觸角降低，親水性提高。與藥物緩釋膜相比，靜電紡藥物緩釋纖維氈

10、的表面性質(zhì)變得更為疏水，且與接枝率無(wú)關(guān)。然而，由于靜電紡纖維氈的高孔隙率結(jié)構(gòu)，使得表面呈疏水性的藥物緩釋纖維氈的吸水能力卻顯著優(yōu)于藥物緩釋膜，纖維氈的飽和吸水量可達(dá)自重的160％-220％。對(duì)藥物緩釋膜以及靜電紡藥物緩釋纖維氈在PBS溶液中的釋藥行為研究表明：與純鹽酸四環(huán)素相比，藥物緩釋膜和靜電紡藥物緩釋纖維氈的藥物釋放速度明顯變慢，有較好的緩釋效果。藥物緩釋膜有明顯的突釋效應(yīng)，而靜電紡載藥纖維氈卻能以基本穩(wěn)定的速度持續(xù)釋放藥物。對(duì)靜電