PHBV-g-PVP接枝共聚物及其药物缓释材料的制备和性能表征

论文摘要

聚（3-羟基丁酸酯-co-3-羟基戊酸酯）（PHBV）是由微生物在非平衡生长状态下细胞内合成的一种热塑性聚酯,具有生物可降解性、生物相容性、压电性、光学活性等诸多优良特性。随着世界范围内能源危机的加剧以及环保意识的增强,PHBV类材料的开发以及利用已引起了科研领域以及工业界的广泛兴趣。PHBV原材料已实现产业化生产,但由于PHBV制品性质硬而脆且加工成形困难,从而限制了其广泛应用。本研究采用接枝改性方法,在PHBV大分子主链上引入极性功能基团聚乙烯基吡咯烷酮（PVP）支链,合成PHBV与PVP的接枝共聚物（PHBV-g-PVP）。由于基材PHBV和支链PVP均具有良好的生物相容性,因此该材料有望首先在生物医学领域获得应用。同时,还可利用PVP所具有的优良络合性能,为进一步将材料功能化奠定基础。首先,采用均相溶液聚合,以过氧化二苯甲酰（BPO）为引发剂,在PHBV的氯苯溶液中,引发乙烯基吡咯烷酮（NVP）单体聚合,同时引发接枝共聚,合成了PHBV-g-PVP。为了获得较高的接枝率（Graft%）,应用正交实验设计优化反应工艺,得出使接枝率达到最大（10.48%）的最佳反应条件是:温度为120℃;时间为1h;BPO用量为0.6g;NVP用量为10g。在优化反应条件的基础上,进一步探讨了NVP浓度、BPO浓度、反应时间、反应温度对单体转化率（PC%）、接枝率以及接枝效率（GE%）的影响。对PHBV和PHBV-g-PVP的红外光谱（FTIR）和核磁共振（1H-NMR）表征说明PHBV-g-PVP中存在PVP基团。对PHBV-g-PVP以及PHBV/PVP共混物进行选择性萃取,根据它们萃取前后的重量变化以及1H-NMR谱图,推断出PHBV-g-PVP中PVP基团与PHBV主链存在化学键合。其次,研究了PVP接枝改性对PHBV材料热稳定性、结晶性能、力学性能以及生物降解性能的影响。对样品的热重分析（TGA）表明:PHBV和PHBV-g-PVP的热分解机理基本相似,但随着接枝率的提高,PHBV-g-PVP的动态热稳定性明显提高。差示扫描量热法（DSC）研究发现:与PHBV相比,PHBV-g-PVP的非等温结晶行为以及熔融行为发生了很大的变化,并且与接枝率有关。随接枝率的提高,样品从熔融态结晶的能力下降,但熔融温度（Tm）基本不变,所有PHBV-g-PVP样品的DSC升温曲线不再出现PHBV所特有的双熔融峰,说明接枝改性消除了PHBV的共晶现象。更为有趣的是,所有PHBV-g-PVP样品的升温DSC曲线均出现热结晶峰(Tch),但峰的位置基本不变。虽然接枝改性降低了材料从熔融态结晶的能力,但由于热结晶现象的出现,各种不同接枝率的PHBV-g-PVP与PHBV的熔融焓（△Hm）基本相同。用热台偏光显微镜（POM）观察材料的球晶形貌时发现:在所研究的温度范围内,所有球晶均呈现由明暗相间的同心圆环构成的黑十字消光图案。随着结晶温度的降低以及接枝率的提高,同心圆环间的距离下降。用POM研究了球晶增长速度与结晶温度（Tc）、接枝率的关系。结果表明:所有样品的球晶增长速度均会在某一合适温度下达到最大值,但是随接枝率的提高,球晶生长速度达到最大值的温度(Tmax)降低。在相同的结晶温度下,随接枝率的提高,PHBV-g-PVP的球晶增长速度下降。用Lauritzen-Hoffman方程对样品的等温结晶动力学分析表明:随接枝率的增加,样品的成核常数Kg、生长晶体表面自由能σe以及分子折叠链功q均增加。Kg、σe值的增加说明接枝改性使样品成核以及晶体生长变得更为困难,这与前面DSC的研究结果一致。分子折叠链功q的增加说明接枝改性使大分子链刚性增加。对PHBV以及PHB-g-PVP流延膜的力学性能测试结果表明,所有膜均为脆性材料,随着接枝率的提高,膜材料的初始模量增加,断裂伸长率降低,说明PVP接枝改性使材料的脆性增加,该结果与等温结晶动力学的分析结果一致。PHBV以及PHBV-g-PVP膜在土壤浸出液中会发生生物降解,随着降解时间的延长,膜质量下降,但分子量基本不变。扫描电镜观察发现:膜的降解首先在表面出现较小的凹槽,随着降解时间的延长,凹槽的尺寸增加,但膜表面的降解程度不均匀。这些结果说明:PHBV膜以及PHBV-g-PVP膜在土壤浸出液中的降解过程是表面腐蚀过程,是酶解降解。最后,以盐酸四环素为模药,PHBV和PHB-g-PVP为基材,制备了药物缓释膜以及静电纺药物缓释纤维毡,并研究了药物缓释材料在pH值缓冲溶液（PBS）中的体外释药行为。对药物缓释膜的表面润湿性能研究表明:随着基材接枝率的提高,膜的接触角降低,亲水性提高。与药物缓释膜相比,静电纺药物缓释纤维毡的表面性质变得更为疏水,且与接枝率无关。然而,由于静电纺纤维毡的高孔隙率结构,使得表面呈疏水性的药物缓释纤维毡的吸水能力却显著优于药物缓释膜,纤维毡的饱和吸水量可达自重的160%-220%。对药物缓释膜以及静电纺药物缓释纤维毡在PBS溶液中的释药行为研究表明:与纯盐酸四环素相比,药物缓释膜和静电纺药物缓释纤维毡的药物释放速度明显变慢,有较好的缓释效果。药物缓释膜有明显的突释效应,而静电纺载药纤维毡却能以基本稳定的速度持续释放药物。对静电纺药物缓释纤维毡的SEM观察发现:释药前纤维形态结构光滑,表面无盐酸四环素微粒集聚,释药后纤维形态结构无明显变化。随基材接枝率的提高,药物缓释膜以及静电纺药物缓释纤维毡的药物释放速度加快。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 可生物降解高分子材料的研究背景
• 1.2 PHA类可生物降解高分子材料的研究背景
• 1.3 PHA类可生物降解高分子材料研究现状
• 1.3.1 PHA的制备方法研究
• 1.3.2 PHA的基本性能研究
• 1.3.3 PHA的加工应用研究
• 1.4 PHBV高分子材料的改性研究现状
• 1.4.1 PHBV高分子材料的共混改性研究
• 1.4.2 PHBV基复合材料
• 1.4.3 PHBV的化学改性
• 1.4.4 PHBV的改性研究总结
• 1.5 PHBV在生物医学领域的应用
• 1.6 静电纺材料在生物医学领域的应用
• 1.7 本研究课题的提出及主要研究内容
• 1.7.1 本研究课题的提出
• 1.7.2 PVP简介
• 1.7.3 本课题的研究内容
• 1.8 本研究的创新点
• 参考文献
• 第二章 PHBV接枝PVP的正交实验设计
• 2.1 前言
• 2.2 实验
• 2.2.1 实验原料
• 2.2.2 接枝共聚物的制备
• 2.2.3 分析和表征
• 2.2.3.1 红外光谱分析（FTIR）
• 2.2.3.2 凝胶渗透色谱分析（GPC）
• 2.3 结果和讨论
• 2.3.1 实验结果的统计分析
• 2.3.1.1 直观分析
• 2.3.1.2 方差分析
• 2.3.1.3 最优结果估计
• 2.3.2 验证实验
• 2.3.3 产物表征
• 2.3.3.1 红外光谱分析（FTIR）
• 2.3.3.2 凝胶渗透色谱分析（GPC）
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 PHBV接枝PVP的聚合反应动力学
• 3.1 前言
• 3.2 实验
• 3.2.1 实验原料
• 3.2.2 接枝共聚物的制备以及产物的分离
• 1H-NMR）'>3.2.3 产物表征（¹H-NMR）
• 3.3 结果和讨论
• 3.3.1 结构表征
• 3.3.2 接枝反应机理
• 3.3.3 接枝共聚的影响因素研究
• 3.3.3.1 NVP浓度对接枝共聚的影响
• 3.3.3.2 BPO浓度对接枝共聚的影响
• 3.3.3.3 反应时间对接枝共聚的影响
• 3.3.3.4 反应温度对接枝共聚的影响
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 PHBV以及PHBV-g-PVP的结晶性能
• 4.1 前言
• 4.2 实验
• 4.2.1 实验原料
• 4.2.2 测试和表征
• 4.2.2.1 热重分析（TGA）
• 4.2.2.2 差示扫描量热分析（DSC）
• 4.2.2.3 广角X射线衍射（WAXD）
• 4.2.2.4 热台偏光显微镜（POM）
• 4.3 结果和讨论
• 4.3.1 PHBV以及PHBV-g-PVP的动态热稳定性研究
• 4.3.2 PHBV以及PHBV-g-PVP的非等温结晶行为
• 4.3.3 PHBV以及PHBV-g-PVP的熔融行为
• 4.3.4 PHBV以及PHBV-g-PVP的晶体结构和形态研究
• 4.3.4.1 晶体结构的广角X射线衍射（WAXD）分析
• 4.3.4.2 球晶的形态结构研究
• 4.3.5 等温结晶动力学研究
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 PHBV及PHBV-g-PVP的力学性能和生物降解性能
• 5.1 前言
• 5.2 实验
• 5.2.1 实验原料
• 5.2.2 PHBV和PHBV-g-PVP膜的制备
• 5.2.3 膜的性能测试与分析
• 5.2.3.1 膜的拉伸性能测试
• 5.2.3.2 膜的亲水性测试
• 5.2.3.3 膜的生物降解性能测试
• 5.2.3.4 膜的表面形态观察
• 5.3 结果和讨论
• 5.3.1 PHBV以及PHBV-g-PVP膜的拉伸性能
• 5.3.2 PHBV以及PHBV-g-PVP膜的亲水性
• 5.3.3 PHBV以及PHBV-g-PVP膜的生物降解性研究
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 PHBV及PHBV-g-PVP药物缓释材料的制备与性能
• 6.1 前言
• 6.2 实验
• 6.2.1 实验原料
• 6.2.2 药物缓释膜以及静电纺药物缓释纤维毡的制备
• 6.2.3 pH缓冲溶液（PBS）的配制
• 6.2.4 测试和表征
• 6.2.4.1 流变性能测试
• 6.2.4.2 接触角测定
• 6.2.4.3 吸水性能测试
• 6.2.4.4 载药量及载药效率测试分析
• 6.2.4.5 药物释放性能测试
• 6.2.4.6 表面形态结构观察
• 6.3 结果和讨论
• 6.3.1 PHBV和PHBV-g-PVP纺丝液的流变性能
• 6.3.2 药物缓释膜及静电纺药物缓释纤维毡的表面润湿性能
• 6.3.3 药物缓释膜及静电纺药物缓释纤维毡的吸水性能
• 6.3.4 盐酸四环素/PBS溶液的吸光度—浓度标准曲线的建立
• 6.3.5 药物缓释材料的载药量及载药效率
• 6.3.6 药物缓释膜以及静电纺药物缓释纤维毡的形态结构
• 6.3.7 药物缓释膜及静电纺药物缓释纤维毡的药物释放性能
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 第七章 全文总结
• 攻读学位期间学术论文发表情况
• 致谢