3.5 生物材料的绿色合成

高分子材料的传统合成方法往往涉及高温加热，使用大量易挥发、易燃、毒性较大的有机溶剂，反应时间长，能耗大，是一种对环境不友好的合成途径，尤其是从医用高分子材料的生物相容性考虑，传统的合成方法更是不可取。绿色化学的出现为生物材料的合成提供了新的思路，绿色化学的目标就是尽可能减少有机溶剂和不可再生资源的应用，减少有害物质的形成，减少能量的消耗和气体的排放等。微波聚合和超临界二氧化碳合成是绿色合成的两个主要研究方向，近年来，上述两种绿色合成方法在生物材料的合成与设计中得到了很好的应用，发展十分迅速。

3.5.1 微波合成法

微波（Microwave）又称超高频电磁波，是指波长为1 m～1 mm、频率为300 MHz～300 GHz的电磁波，其中，使用最广泛的频率是2450 MHz（波长12.2cm）。微波加热是由分子本身运动引起的，是一种独特的分子内加热方式，而常规加热是由外部的热源通过热辐射、热传导和热对流的方式来实现的，是一种由表及里的外加热方式。和常规加热方式相比，微波加热速率快、受热体系温度均匀、无滞后效应而且热效率高。微波辅助聚合（Microwave-Assisted Polymerization，MAP）是一种非传统的聚合方法，相对于传统的热聚合方法，微波聚合可以高效促进聚合反应速率，大大提高产物的产率和选择性，减少副产物的形成，使得产物处理和纯化操作简单，反应更加绿色。因此，微波辅助聚合在高分子合成尤其是医用高分子材料合成方面得到了广泛的应用，包括生物降解聚酯的合成、天然医用高分子材料的改性和医用聚合物基复合材料的制备等。

3.5.1.1 生物降解聚酯的微波合成

生物降解聚酯主要包括聚乳酸（PLA）、聚（ε-己内酯）（PCL）、聚乙交酯（PGA）以及它们的共聚物，它们通常采用传统的加热直接缩聚或开环聚合法合成，但是这两种方法反应周期较长（十几小时以上），能耗成本高，产品纯化工艺复杂，而且长时间高温聚合容易导致最终产品氧化变黄。微波能均匀、高效地加热化学反应体系，选择性地活化某些基团，促进化学反应。研究表明，在微波辅助下，通过缩聚反应和开环聚合均可合成生物降解性聚酯及其共聚物。如杨秀英等以脱水后的L-乳酸为原料，在催化剂作用下微波聚合60 min后，得到淡黄色透明粘稠液，冷却后产物呈淡黄色透明玻璃状固体，最终得到的聚乳酸分子量在1万左右。Keki等采用微波辐射聚合D，L-乳酸，反应时间20 min，得到分子量较低的聚乳酸，产率接近85%。

微波作用下的直接缩聚法相比传统的加热法，大大缩短了反应时间，降低了成本，但所得聚乳酸的相对分子量较小，强度较低，实用性不强。因此，通常采用在微波作用下的开环聚合制备高分子量的生物降解聚酯。

刘立建课题组［78］对生物降解聚酯在微波作用下的均聚和共聚反应进行了大量研究，他们采用微波法制备了丙交酯均聚物、丙交酯与己内酯的共聚物以及聚（三亚甲基碳酸酯）等系列聚合物。如他们采用辛酸亚锡催化外消旋丙交酯（D，L-LA）在微波作用下开环聚合，制备了重均分子量为6.7×104的外消旋聚乳酸（PDLLA）。进一步的研究发现微波功率以及反应时间会影响聚合产物的分子量，较低的微波功率有利于得到高分子量的聚合产物，而延长辐射时间会使PDLLA的分子量降低。Fang等在2400～7000 MHz的变频微波下研究了己内酯的均聚反应，结果表明己内酯对微波有强烈的吸收；在90～125 W的微波功率下，控制温度在150 ℃～200 ℃下反应2 h，可以得到分子量为9900～86000 g/mol的聚（ε-己内酯）。廖立琼等［79］报道在微波频率为2.45GHz和恒定微波功率下，以辛酸亚锡和锌粉作为催化剂，聚合温度在80 ℃～210 ℃范围内，己内酯的开环聚合能够温和地进行。在相对于单体用量为0.1 mol%的异辛酸亚锡催化下，在微波功率680 W下辐照30 min，聚合物的重均分子量达到了12万以上，产率也高达90%，在1%（质量分数）的锌粉催化下，680 W下辐照270 min，产物的重均分子量可高达9万。与常规的加热聚合相比，微波辐射有利于己内酯的开环聚合，能够大大缩短聚合反应时间和提高产物的分子量。在常压下进行丙交酯的微波开环聚合，产物分子量可达2.5×104。

然而，上述研究均采用改制的家用微波炉，存在微波功率输出不连续、体系加热不均匀等不足。Discover单模聚焦微波有机合成仪具有连续的微波场和高密度以及对系统温度和功率的精确控制等优点，大大提高了微波反应的高效性、可控性和安全性。如Nagahata等［80］在单模聚焦微波作用下，控制温度在200 ℃，辐照时间为30 min，研究了采用不同催化剂催化对合成聚乳酸分子量的影响，当采用氯化亚锡/对甲苯磺酸（SnCl2/p-TsOH）二元催化体系催化时，可以制备最大重均分子量为16000的聚乳酸。

本课题组近年来对在单模聚焦微波作用下生物降解聚酯及其共聚物的合成开展了大量研究。曾庆慧等以辛酸亚锡为催化剂，在低温常压下引发左旋丙交酯（L-LA）开环聚合，快速、高效合成了性能良好的高分子量左旋聚乳酸（PLLA）。其通过正交实验研究了催化剂用量、反应温度和时间对产物分子量的影响，在催化剂用量为0.21%（质量分数）、反应温度为100 ℃、反应时间为60 min时，所得产物的粘均分子量高达16.21×104，且产物纯净，结晶度高达85.6%，光学纯度为98%，具有良好的力学性能。罗丙红等采用Discover微波精确有机合成系统及其单模聚焦微波辐射技术与空压气体同步冷却技术，分别以脂肪酶和辛酸亚锡为催化剂、聚乙二醇（PEG）为大分子引发剂引发外消旋丙交酯（D，L-LA）开环聚合制备了PLA-PEG-PLA三嵌段共聚物，通过正交实验研究了功率、催化剂种类和用量、时间和温度对共聚物产率的影响，确定了最佳合成条件。对共聚物的结构与性能的研究结果表明，在微波作用下，两种催化剂均可催化体系反应得到共聚物，但脂肪酶的催化效率较低，对应共聚物的分子量不高；原料配比对共聚物的组成与性能有显著影响，随着D，L-LA投料量增大，共聚物的分子量增加；由于引入了亲水性的聚乙二醇链段，共聚物的亲水性明显优于单一的PLA材料。

3.5.1.2 壳聚糖的微波改性

甲壳素及其脱乙酰化产物壳聚糖是源于动植物的天然多糖，并且是现今发现的唯一具有明显碱性、带正电荷的天然多糖。壳聚糖及其衍生物具有良好的生物相容性、生物可降解性以及可利用的活性基团（-NH2，-OH）等特性，是目前在生物医学领域应用最为广泛的一类天然高分子材料。目前，微波技术在壳聚糖改性方面的应用主要集中在壳聚糖的微波降解制备水溶性的壳寡糖，壳聚糖的羧甲基化、磺化、烷基化以及接枝改性等方面。如周学英等应用微波辐射技术氧化制备了低分子量的壳聚糖，对影响壳聚糖分子量的工艺因素，如过氧化氢溶液浓度、反应时间、壳聚糖与过氧化氢溶液的固液比、微波功率等分别进行了实验研究。结果表明，在温度为70 ℃～80 ℃的条件下，用5%的H2O2、质量为8 g的壳聚糖，可将高分子量的壳聚糖氧化制备低分子量壳聚糖。

壳聚糖的磺化反应同样可以用微波技术来完成。最初将微波辐射应用于壳聚糖的磺化时，反应持续80 s即可得到分子量低并且含硫量高达14.9%的磺化壳聚糖。随后来水利等在自制的羟乙基壳聚糖中加入磺化试剂，经微波辐射得到磺化羟乙基壳聚糖，其中含硫量为9.1%（接近肝素分子中的硫含量），红外光谱可证明其结构与肝素分子的结构较为相似。最近李鹏程等在自制的壳聚糖和金属的复合物中加入硫酸使其磺化，所得产物的抗凝血性也有较好的改善。

在家用微波炉中进行的壳聚糖O-烷基化反应，可以合成出O-苯甲基化壳聚糖、O-苄基化壳聚糖、O-正丁烷基壳聚糖、O-正辛烷基壳聚糖、O-正癸烷基壳聚糖、O-正十二烷基壳聚糖和O-正十六烷基壳聚糖等一系列烷基化壳聚糖产物，结果表明各种产物均表现出良好的液晶性能。

在微波辐射下壳聚糖的接枝改性已经有不少研究，包括壳聚糖—己内酯的接枝共聚物、壳聚糖接枝丙烯腈和丙烯酰胺、壳聚糖接枝β-和γ-环糊精等。本课题组何柱国等在微波辅助下，以辛酸亚锡为催化剂、壳聚糖（CS）为大分子引发剂引发外消旋丙交酯（D，L-LA）本体开环聚合制备了壳聚糖接枝聚乳酸共聚物。他们通过正交试验确定了最佳合成条件：微波功率为10 W，反应温度为120 ℃，反应时间为15 min，催化剂浓度为0.1 mol%。他们通过红外光谱、元素分析、核磁共振氢谱、X射线衍射和热分析测试技术对接枝共聚物的结构与性能进行了表征和测试，结果表明，在微波条件下，其能快速、有效地合成壳聚糖接枝聚乳酸共聚物，单位糖环上聚乳酸支链的平均乳酰单元数大于17.46；聚乳酸支链的引入有效削弱了壳聚糖分子间和分子内较强的氢键作用，与壳聚糖相比较，共聚物的结晶性能下降，热分解发生在246 ℃，低于壳聚糖的253 ℃；随着nD，L-LA/nCS糖环数值增加，共聚物中平均乳酰单元数逐渐增加，共聚物的结晶性能、起始分解温度逐渐下降。

罗丙红等为了改善壳聚糖的反应活性，从而提高壳聚糖-g-聚乳酸共聚物的接枝率，首先，以异丙醇为溶剂，用碱化壳聚糖与2-氯乙醇反应制备了羟乙基壳聚糖，然后，在单模聚焦微波作用下，以羟乙基壳聚糖为大分子引发剂，通过正交试验得出了最佳的聚合条件，如下：微波功率为10 W，反应时间为15 min，反应温度为130 ℃，催化剂浓度为0.05 mol%；进一步在最佳聚合条件下，采用不同的原料投料比（nD，L-LA∶nHECS糖单元=20∶1或40∶1），通过微波辅助聚合方法制备了一系列不同组成的HECS-g-PLA。为了进行比较，采用同样的nD，L-LA∶nHECS糖单元投料比，通过传统聚合方法制备了相应的接枝共聚物，探讨了壳聚糖羟乙基化和微波聚合对接枝共聚物的影响。结果表明，与传统的热聚合相比，微波聚合可显著提高聚合速率和聚合效率，共聚物的接枝率可控，接枝率随着投料比的增加而增加，其中投料比为40：1，可得接枝率最大为317.5%，该共聚物的单位糖环平均乳酰单元数为24.17，且产物可溶于二甲基亚。

3.5.1.3 生物降解聚酯纳米复合材料的原位微波合成

生物降解聚酯（聚丙交酯、聚乙交酯和聚己内酯等）由于具有生物降解性、生物相容性、良好的力学性能和加工性等，在生物医学领域得到了广泛的应用。但这类材料也存在脆性较大、作为硬组织修复材料力学强度不够理想、热稳定性较差等不足，为此，将具有特定结构的纳米填料（如纳米粒子、层状纳米粘土、中空管状纳米管等）加入生物降解聚酯基体中，可有效改善生物降解聚酯的力学性能和热稳定性等。微波具有热效应和电磁效应，可实现物料内外同时均匀加热，加速化学反应。在微波作用下，可实现快速、原位合成生物降解聚酯纳米复合材料。

张坤等［81］对蛭石（VMT）进行有机改性后，以丙交酯为单体，在催化剂存在的条件下采用微波辅助原位聚合法制备聚乳酸/蛭石（PLA/VMT）纳米复合材料。他们对复合材料的结构与性能进行了研究，也考察了蛭石的添加量对材料的插层效果以及材料性能的影响。结果表明，在反应时间很短的情况下，蛭石即可以纳米尺寸分布在PLA中；随蛭石含量的不同，会分别得到剥离型和插层型的PLA/VMT纳米复合材料。

王鹏等［82］将D，L-丙交酯和有机蒙脱土（OMMT）在连续微波辐照下开环聚合，合成聚乳酸（PLA）/有机蒙脱土（OMMT）纳米复合材料。对复合材料的力学性能及热性能测试表明，在PLA中加入w（OMMT）为0.1%时，其拉伸强度和断裂伸长率均达到最佳，相对于纯PLA分别提高了60.75%和7.85%；PLA的热失重中心温度提高了8 ℃，即提高了复合材料的热稳定性。分析复合材料的X射线衍射图谱、透射电子显微镜和扫描电子显微镜照片可知：OMMT主要以剥离状态分散在PLA基体中，形成以剥离型为主，同时存在插层结构的纳米复合材料，OMMT的加入使复合材料的拉伸断面由脆性断裂向韧性断裂转变。王鹏等进一步以乳酸为原料，在微波辐射作用下，采用原位熔融缩聚法制备出聚乳酸/有机蒙脱土纳米复合材料。有机蒙脱土的加入有利于聚乳酸分子链进入蒙脱土片层，当蒙脱土用量为1.5%时，微波辐射60 min所制得的聚乳酸/有机蒙脱土纳米复合材料与纯聚乳酸相比，其拉伸强度提高近2倍，热失重中心温度提高7.3 ℃，对紫外线的屏蔽波段扩展了50nm以上。透射电镜（TEM）结果表明，有机蒙脱土以剥离态均匀分散于聚乳酸基体中。

罗丙红等在单模聚焦微波作用下，利用羟基磷灰石（HAP）纳米粒子表面的活性羟基引发左旋丙交酯（L-LA）开环聚合，在反应温度为130 ℃、反应时间为40 min和微波功率为45 W的聚合条件下，快速、原位合成了PLLA/HAP-g-PLLA纳米复合材料。对纳米复合材料的形貌和力学性能的研究结果表明，HAP-g-PLLA纳米粒子与PLLA基体界面相容性良好，且分散均匀，对纳米复合材料力学强度的提高有促进作用；细胞毒性试验显示，PLLA/HAP-g-PLLA纳米复合材料较PLLA和HAP/PLLA具有更好的细胞相容性，有望成为一类新型的骨修复杂化材料。在此基础上，我们进一步选用具有特殊纳米双层管状结构的埃洛石（HNTs）粘土为增强相，利用埃洛石纳米管表面的羟基引发L-丙交酯开环聚合，在反应温度为130 ℃、反应时间为30 min和微波功率为30 W的聚合条件下，快速、原位合成了PLLA/HNTs-g-PLLA纳米复合材料，其拉伸强度和模量明显优于相应的PLLA单一和PLLA/HNTs复合材料。

3.5.2 超临界二氧化碳合成法

超临界CO2（Supercritical Carbon Dioxide，scCO2）是指介于气态和液态CO2之间一种状态的CO2。自DeSimone等［83］于1992年在Science上报道了其成功地将超临界CO2作为反应介质，通过均相聚合制备了含氟侧基的聚丙烯酸酯以来，超临界CO2聚合已成为近年来高分子合成和改性方面被广泛应用的一种绿色合成方法。超临界CO2作为聚合反应介质具有以下特性：超临界条件易达到（临界温度为31.1 ℃，临界压力为7.38 MPa）、价格便宜、容易与产物分离以及对多种单体和聚合物的溶解能力强、粘度较低、扩散性较高、有利于以它为介质的聚合反应速率和聚合物分子量的提高等。尤为值得一提的是，超临界CO2还具有无毒、无残留、使生物活性物质性能保持良好等优点，以其为介质制备医用高分子材料，更显示出其独特的优越性，因此，超临界CO2近年来在医用高分子材料的绿色合成方面成为一种备受青睐的介质。另外，基于超临界CO2流体对大多数小分子化合物具有良好的溶解性能以及对聚合物具有不同的溶胀能力，超临界CO2萃取技术和超临界CO2法构建组织工程多孔支架材料方面的研究也备受关注。

在超临界CO2流体中可有效合成生物降解脂肪族聚酯及其共聚物。如Hile等［84］于1999年首先在超临界CO2中合成了丙交酯-co-乙交酯共聚物（PLGA）。实验采用辛酸亚锡［Sn（oct）2］为催化剂，在丙交酯与乙交酯摩尔投料比为4：1、温度为70 ℃、压力为200 bar的条件下，搅拌反应72 h，最后的产物经核磁与凝胶渗透色谱（GPC）测试表明：制备的PLGA共聚物的重均分子量为3500，共聚物中PLA与PGA链段的摩尔比为70.7：29.3。由于PL GA共聚物在超临界CO2中不能溶解，仅仅能适当溶胀，所以上述的共聚合反应为沉淀聚合，因此，共聚物的分子量偏低。为了提高超临界CO2中合成的生物降解聚酯的分子量，Hile于2000年在超临界CO2中采用一种氟碳表面活性剂作为乳化剂，进行了丙交酯与乙交酯的开环共聚，并研究了不同的反应时间和温度对丙交酯与乙交酯转化率的影响，结果表明，在70 ℃和200 bar的条件下，乙交酯的转化率超过99%，但在相同的条件下丙交酯的转化率为65%；通过GPC测试表明，不同反应时间（6～48 h）下，共聚物的重均分子量分布在2500～30200 g/mol之间，共聚物的分子量多分散性分布指数在1.4～2.3之间，同时发现单体的转化率随着时间的延长而提高，但共聚物的分子量在超过48 h后不再增加。

Bratton等采用辛酸亚锡作为催化剂，研究了L-丙交酯在超临界CO2流体中的开环聚合反应，制备了分子量较高的PLLA。Fabrice等探索了超临界CO2中PLA与ε-己内酯的共聚改性。实验采用二丁基锡作为催化剂，在334 K和220 bar的条件下，控制搅拌速率，得到了两嵌段的PLA和PCL的共聚物。Bergeot等尝试以超临界CO2为单体溶剂的阴离子开环聚合反应制备聚（ε-己内酯），结果表明，只要催化剂合适，超临界CO2中的阴离子聚合也可以发生。

罗丙红等以辛酸亚锡为催化剂，外消旋丙交酯（D，L-LA）与壳聚糖（CS）为原料，在超临界CO2中合成了以聚（D，L-乳酸）（PDLLA）为基体、CS-g-PDLLA共聚物为填充相的共混体系，然后通过超临界CO2萃取/致孔技术原位构建了壳聚糖-g-聚（D，L-乳酸）（CS-g-PDLLA）多孔支架材料。其通过FT-IR、1H NMR、GPC、TG和XRD对共聚物的结构与性能、PDLLA的分子量进行了表征，采用SEM观察了多孔支架的结构形态，并对支架材料的孔隙率进行测定。结果表明，以超临界CO2为反应介质可以成功合成PDLLA均聚物和CS-g-PDLLA共聚物，同时，通过改变原料比、反应温度和时间能在一定程度上调控共聚物的组成与PDLLA的分子量以及产率，在最佳反应条件（nD，L-LA：naminoglycoside为10：1、反应温度为100 ℃、反应时间为48 h）下所得共聚物的接枝率为117.02%，PDLLA的产率为68.75%。CS-g-PDLLA/PDLLA多孔支架材料的孔洞分布均匀，孔洞连通性较好，孔内壁具有非常独特的长沟壑形微观结构，且CS-g-PDLLA填充相与PDLLA基体的相容性良好（如图3-34所示）；另外，减压速率和处理温度对多孔支架的结构形态有一定影响。