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利用超临界CO2技术开环聚合PLA:有5大优势,提纯更高

  引言:脂肪族聚酯材料由于其良好的生物相容性和降解性在医用领域中得到了广泛的应用。脂肪族聚酯主要包括聚乳酸(PLA)、聚乙醇酸(PGA)、聚ε-己内酯(PCL)和它们的共聚物,这些材料目前主要应用于手术缝合线、药物缓释体系及组织工程学支架等医用领域。脂肪族聚酯材料独特的优异性能为医学应用提供了广泛的应用前景,然而在制备过程中对其制备工艺提出了一定的要求,例如要求使用的催化剂、引发剂和溶剂是绿色无污染的原材料,并且要求在产品内尽量无残留,对合成的脂肪族聚酯的分子量具有一定的调控性,还可以对制备的材料赋予一定的特殊功能性等,这就要求采用绿色和高效的合成工艺,获得满足生物医用材料应用要求的产品。

1、开环聚合法(ROP)的三大类催化剂

  生物医用脂肪族聚酯材料大多是具有生物降解和生物相容性的材料,其合成方法主要有两种:双功能羟基酸的缩聚和环酯单体的开环聚合(ROP)。开环聚合是最常用的方法,这种方法工艺可控性好,不需要苛刻的真空条件,能够很好地控制聚合物的相对分子质量,并且分子量分布窄,适合于高分子量聚合物,以及多种结构共聚物的合成。

开环聚合反应大多需要催化剂或引发剂,在聚合反应所需要的催化剂也成为多年来所关注的重点。

1.金属催化剂

  金属催化剂作为传统的聚合反应催化剂具有优异的催化性能,因此在开环聚合反应中得以广泛应用。缺点是残留的有毒金属会对生物体产生伤害,并且对环境造成污染。

2.酶催化

  近几年来,对酶催化开环聚合反应的研究取得了较大的成就。酶具有高度专一性的特点,所以在聚合过程中没有其它的副反应发生,并且脂肪酶可以催化环酯开环聚合,合成化学方法不易合成的高分子聚合物。

3.非金属催化剂

  与金属催化剂和酶催化相比,非金属催化剂大多具有较高的催化活性,且具有毒性小、价格低廉、制备简单、稳定性强等众多优点,经它催化的聚合反应中大部分都有很好的收率和对映选择性,因此备受关注。

二、利用超临界CO2技术开环聚合脂肪族聚酯的应用

  为了保护环境,减少使用挥发性有机溶剂,超临界流体技术是一种有效的方法。超临界流体的密度接近于液体,溶解性质较好;而黏度接近于气体,具有良好的扩散性能。

由于其特殊的性质,超临界流体技术已被越来越多的应用到各个领域,并且日趋成熟。在超临界流体中,超临界二氧化碳( ScCO2)因其低毒、低成本、不易燃、临界参数温和,是最常用的流体。

  ScCO2作为反应介质或反应物在化学反应中已经取得了成功的应用。许多聚合物,包括脂肪族聚酯,在 ScCO2中的溶解度很低,为提高聚合产物的分子量和收率,开环聚合大多采用分散聚合的方式进行。

三、在 ScCO2中合成脂肪族聚酯的优势

  ScCO2除了具备超临界流体一些共同的优点以外,相比于常规溶剂,ScCO2主要表现出以下几种优异的特性:

   (1)二氧化碳的极性。溶质在溶剂中的溶解能力与溶剂本身的极性是密不可分的,而CO2是一种非极性分子,在超临界状态下溶解性有了很大的提高,一些非极性有机小分子以及少量聚合物在ScCO2中都有很好的溶解性,比较符合相似相溶的性质。同时, ScCO2对绝大部分的高分子聚合物是不能溶解的,但溶胀效果较好,这一特性对于制备载药多孔介质和多孔支架具有重要的研究价值;

   (2)反应惰性。使用ScCO2作为溶剂具有较好的安全性和稳定性,尤其是在活泼的自由基聚合中,ScCO2作溶剂起到了抑制链转移反应发生的作用;

   (3)溶解性和溶胀性。溶剂的溶解性越好,越益于反应的进行。Brennecke等研究发现许多有机小分子都能溶解在 ScCO2中,同时,加入少量极性共溶剂可提高ScCO2的溶解能力和对聚合物的溶胀作用。CO2在超临界状态下的扩散能力非常强,表面张力几乎为零,可溶胀大部分的介质,ScCO2的溶解性和溶胀性能与其密度和温度有关,改变这二个因素可实现对ScCO2的控制,ScCO2较高的扩散系数可以有效地促进反应中的质量传递;

   (4)条件易于实现。二氧化碳的临界温度和临界压力分别为 31.1℃ 和 7.38 MPA,易于达到。以 ScCO2作溶剂的反应体系中,反应的温度和压力一般均高于该临界值。Higashi 等研究发现,提高 ScCO2体系的压力有助于反应的进行,可减少溶剂的笼蔽效应;Yang等报道了超临界体系的反应压力与反应的立体选择性有一定的相关性;

   (5)易于产品提纯。与有机或无机溶剂相比,ScCO2为溶剂的反应体系中不仅克服了溶剂的残留问题,并在反应结束泄压时,未反应的原料仍溶解在ScCO2中,与CO2一同排出,其中 CO2以气体形式排出,而溶解在ScCO2中的原料则析出回收,起到了纯化产品的作用。

  ScCO2是提取残留单体和催化剂的一种有效的载体,可用于脂肪族化合物的提纯,以满足聚酯在生物医学领域的应用要求。Jérôme 等报道了聚己内酯的超临界流体提纯过程,单体含量为 15% 的聚己内酯由ScCO2提纯。聚己内酯中 95% 的南极假丝酵母脂肪酶(CA)在约 110min 后被提取出来,在约 175min 后 99% 的CA被去除。

  当用二甲氧基二丁基锡引发开环聚合时,从聚己内酯去除锡是比较困难,因为聚己内酯与烷氧锡结合。在 ScCO2中聚合时,锡可以被衍生并溶解在ScCO2中,通过聚己内酯烷氧基末端与乙酸反应,可释放二乙酸二丁基锡,从而ScCO2萃取分离。

结语

  脂肪族聚酯是一种新兴的生物医用材料,其在合成过程中必须避免使用有毒的催化剂和/或引发剂以及有机溶剂。开环聚合是一种高效温和的聚合方法,利用开环聚合,结合绿色制备方法是脂肪族聚酯医用材料研究的热点问题。

  从早期开环聚合高效有一定毒性的铝和锡金属催化剂,再到毒性较低的高活性稀土催化剂,以及目前开发的非金属和酶催化体系,关于脂肪族聚酯开环聚合的研究在持续进行。绿色的ScCO2技术在脂肪族聚酯合成方面具有独特的优势,是聚合过程的良好媒介,在合成的同时,还具有高效的提纯功能,继续发展该技术会在聚酯合成领域取得更大的突破。

  伴随脂肪族聚酯材料应用的广泛性和深入性,该材料的多样化和功能化是需要不断研究的方向,活性/可控聚合也是其技术发展的重点。相信通过科研工作者的不懈努力,医用脂肪族聚酯材料的发展前景将会更加广阔。