聚癸二酸丙三醇酯的合成及電紡支架的制備

劉曉吉，李文博，張樹江，包廣潔，康宏

(1.蘭州大學口腔醫學院，甘肅蘭州 730000;2.蘭州大學化學化工學院生物化工及環境技術研究所功能有機分子化學國家重點實驗室，甘肅蘭州 730000;3.西北民族大學國家民委口腔醫學重點實驗室，甘肅蘭州 730000)

可生物降解高分子聚合體由于具有優良的生物相容性、力學性能和可降解性，在生物科學技術領域如組織工程、藥物載體和體內生物信號傳導等方面得到廣泛的運用［1-5］。特別是在組織工程領域中，非線性三維網狀高分子聚合體支架的優異性能對組織再造產生了極其重要的意義。

靜電紡絲是一種制備組織工程支架的常用方法，具有操作簡便、成本低廉、結果可控的優點，且能直接制備出連續多孔的三維立體支架，有利于組織工程體系的成功構建［6-8］。

本文采用兩種不同摩爾比的原料合成可生物降解聚酯彈性體PGS，并進行性能測定和靜電紡絲支架的制備，討論PGS運用于組織工程支架材料的理化潛力和生物學可行性。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

丙三醇、癸二酸、四氫呋喃均為分析純;左旋聚乳酸(PLLA，Mn=50 000，Mw=67 000，Mw/Mn＜1.4)，醫用級;六氟異丙醇(HFIP)，純度＞99%。

PL-GPC220型凝膠滲透色譜儀;RINT2000S型傅里葉變換紅外光譜儀;C2000型接觸角測量儀;CMT4104型電子拉力機;DT-1003型靜電紡絲機;30TMPESEM掃描電鏡。

1.2 聚癸二酸丙三醇酯的合成［9-10］

將丙三醇、癸二酸分別以1∶1，1∶2摩爾比置于三頸瓶中，常壓下通入氮氣，加熱到130℃，維持3 h，減壓脫水1 h，冷卻后真空干燥24 h，得到PGS。

1.3 靜電紡絲［11-12］

將等比合成的PGS和左旋聚乳酸(PLLA)以25∶75質量比共混，六氟異丙醇(HFIP)為溶劑，配制成質量濃度為25%的溶液，在磁懸浮攪拌器上以250 r/min的速度攪拌24 h，使溶質均勻溶解。應用靜電紡絲機，設置參數電壓為15 kV，溶液流速為1 mL/h，選用27 G的針頭且針頭距離接收裝置的距離為12 cm，將溶液制備成三維多孔的組織工程支架材料。

1.4 性能測定

1.4.1 凝膠滲透色譜(GPC)分析 將試樣溶于溶劑四氫呋喃，去掉不溶物，剩余物質用凝膠滲透色譜儀進行分析。

1.4.2 傅里葉紅外光譜(FTIR)分析 將1 mg樣品研磨均勻，應用壓片機制成幾乎透明的圓片，使用傅里葉變換紅外光譜儀進行分析。

1.4.3 親水性能 試樣厚為1 mm，使用接觸角測量儀測量在空氣中試樣表面的靜態水接觸角。

1.4.4 降解性能 在37℃下，將PGS(1∶1)和PGS(1∶2)各4組分別稱重并將其溶于磷酸鹽緩沖液(PBS)，每36 h換一次液體，每隔5 d取出放置于真空干燥箱中至質量恒定，稱重并計算其質量損失率。

1.4.5 力學性能 用電子拉力機對厚1 mm，寬2 mm啞鈴形試樣進行測試，拉伸速度為10 mm/min，拉伸前施加0.5 N的預壓力。

2 結果與討論

2.1 凝膠滲透色譜分析

2種PGS的凝膠滲透色譜分析見圖1。

圖1 PGS的凝膠滲透色譜(GPC)分析Fig.1 GPC curves of PGS

表1 PGS的凝膠滲透色譜(GPC)分析結果Table 1 GPC results of sol parts of PGS

如圖1和表1，以1∶1比例的丙三醇和癸二酸合成的PGS相對分子質量為1 027 g/mol，而1∶2比例合成的PGS相對分子質量為2 277 g/mol，因為等比熔融聚合形成的PGS聚合物，存在大量未反應的羥基并形成氫鍵，而隨著癸二酸用量的增多，未反應的羥基減少，酯化反應更加的完全，相對分子質量增大?？傮w上來說，由丙三醇癸二酸熔融縮聚法合成的PGS是一個低交聯聚合體系。

2.2 傅里葉紅外光譜(FTIR)分析

2種PGS的傅里葉紅外光譜(FTIR)分析見圖2。

由圖2可知，聚合物在約3 500 cm－1處寬吸收峰為羥基締合氫鍵的伸縮振動吸收峰，1 800 cm－1處窄峰為酯羰基的伸展振動吸收峰，通過2個峰的相對強度可以看出，等比聚合的PGS材料含有大量未參與酯化反應的羥基，從而締合成為氫鍵;1∶2比例聚合的PGS的羥基吸收峰低矮，而酯羰基的吸收峰高聳，表明這組丙三醇羥基的酯化度加強，游離羥基減少。

圖2 2種PGS的傅里葉紅外光譜圖Fig.2 FTIR spectrum of two kinds of PGS

2.3 親水性能

2種PGS的接觸角測量結果見表2。

表2 2種PGS的接觸角測量結果Table 2 Contact angle results of two kinds of PGS

由表2可知，PGS(1∶1)組的接觸角為 38.4°，PGS(1∶2)組為40.5°，2 種 PGS 材料的接觸角都 ＜90°，表明PGS材料是親水的，且隨著癸二酸用量的增加，接觸角增大，親水性降低。原因如下:隨著癸二酸用量增多，聚合度增大，剩余親水的丙三醇羥基基團減少，親水性下降，且癸二酸的長碳鏈自身疏水性較高，增多其用量必定降低親水性。所以，PGS(1∶1)的親水性更強。

2.4 降解性能

2種PGS的質量損失率曲線見圖3。

由圖3可知，在最初的階段，PGS的質量損失率增長較快，到第5 d后，增長逐漸變慢，到達第10 d，PGS(1∶1)組的曲線更是趨近于平緩，質量損失率漸漸穩定。由此可見，PGS(1∶1)組更適宜用于制備組織工程支架。

圖3 2種PGS的質量損失率曲線Fig.3 Curves of mass loss rate and time of two kinds of PGS

2.5 力學性能

2種PGS的拉伸測試曲線見圖4。

圖4 2種PGS的拉伸測試曲線Fig.4 The curves for the tensile test of two kinds of PGS

由圖4可知，PGS是一種非線性的彈性材料，彈性模量較低，當應力達到一定值后，即使不再變化或者輕微增大，應變仍然繼續增大，試樣繼續伸長，出現屈服現象，PGS的這種力學性能阻礙其作為支架材料應用于組織工程，這也是后文應用聚乳酸與其共混電紡的主要原因。

2.6 靜電紡絲

聚乳酸被廣泛應用于組織工程及其他生物醫學領域，是最早獲得美國FDA認證的生物材料。PGS和PLLA兩種材料各有優缺點:聚乳酸結構中缺乏親水性基團，使其材料表面產生了強疏水性，嚴重地影響了它與細胞的親和性，使它在某些領域尤其是組織工程領域的應用受到限制，但是，聚乳酸質硬脆，具有較高的機械強度;PGS有著優良的生物相容性，可紡性，但機械強度差。本課題組采用PGS和PLLA共混進行靜電紡絲，將這兩種材料的優點整合，通過PLLA使支架的力學性能得到提高，通過PGS使支架材料的彈性模量降低，斷裂伸長率提高，改善支架材料延展性及親水性能，從而獲得綜合性能優異的支架材料。

靜電紡絲支架的掃描電鏡圖見圖5。

圖5 靜電紡絲支架的掃描電鏡圖Fig.5 SEM picture of electrostatic spinning scaffords

由圖5可知，靜電紡絲PGS支架表面疏松多孔，結構三維立體，空隙大小在20～100 μm，比較均勻，支架中的孔隙大部分為開放型的結構，是種子細胞引入以及種子細胞生長所需養分進入和代謝產物排出所必需的通路，能滿足組織工程細胞的生長需求。支架材料的機械性能和生物相容性仍需要進一步的實驗研究。

3 結論

系統地研究了2種不同比例的丙三醇、癸二酸合成的PGS材料的結構性能，等比合成的PGS親水性能良好，降解速率適當，且具有一定的熱加工性能，用它和PLLA共混進行靜電紡絲，構建了三維多孔的組織工程支架，為組織工程的支架材料隊伍增添了優秀的一員，有待于應用合成的支架材料構建組織工程體系。

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