脂肪族聚酯聚丁二酸丁二醇酯及其共聚物的研究进展

熊屿吾，王景昌，陈 聪，陈 颖，詹世平

（大连大学环境与化学工程学院，辽宁大连 116622）

生物降解高分子在近些年中受到的关注越来越多，在许多方面应用也都非常广泛。在化工业方面可以用作包装和防水材料，在产品中混入些许聚酯性材料，就可以达到防水效果。同时由于它的无毒性，可以用作食品包装袋。在农业领域，这些生物降解高分子材料应用较为广泛，经常作为保鲜膜、大棚膜、农用包装袋等。它们可以降解，进而避免了白色污染，除了这些，还有特殊作用，当杀虫剂与生物可降解材料结合后，杀虫剂可以缓慢地作用于攻击它的细菌，起到杀虫作用。传统的农用覆膜难于降解可能会造成大量的白色污染、在土壤中使土壤结块影响农作物的营养吸收，而这些可降解材料降解后产生尿素，尿素可以作为农作物的肥料，利于农作物的成长。在药物缓释方面，随着生物可降解高分子的降解，药物缓慢持续的释放出来由人体吸收[1—2]。

聚丁二酸丁二醇酯（PBS）是一种广泛应用的合成脂肪族聚酯，具有良好的生物相容性、生物可降解性、耐热性能和可加工性能等，可用作组织工程支架、缓释药物的载体、伤口敷料、血液透析膜、人造皮肤和食品包装材料等。工业聚丁二酸丁二醇酯造价低可批量生产，制备它的方法也很多，通常由单体加入催化剂得到。PBS 最大的特点是一种全生物降解材料，它的结晶性能不是很强，可以被大多数霉菌和细菌等微生物降解，在降解过程中，酯键断裂后，PBS 先是分解为二元羧酸和醇，最终降解为CO2和H2O，是一种完全绿色的可再生材料。

1 聚丁二酸丁二醇酯的合成与改性

聚丁二酸丁二醇酯（PBS）是一种广泛应用的脂肪族聚酯，在PBS 合成中，使用的单体是丁二酸（SA）和1，4-丁二醇（BD），通常可由生物催化或从化石资源中获得，并且在市场上很容易获得，图1为聚丁二酸丁二醇酯合成的原理图。其合成方法通常有：酯交换法、直接酯化法和扩链法等。

酯交换法：相同摩尔的二元酸二甲酯和二元酯在催化剂、高温、真空下脱甲醇得到预聚物的端羟基PBS，这种合成聚酯的方法比直接酯化法速率快，过程中需要脱甲醇，甲醇的沸点低，易挥发，使得整个聚合反应更加完全。

图1 聚丁二酸丁二醇酯合成的原理图

直接酯化法：1，4-丁二醇与过量的丁二酸在相对较低温度下低温酯化脱水，接着在高温、真空以及催化剂作用下，二元醇脱去，得到端羟基的聚酯PBS。该方法在高温时虽然可以加快脱水速率，但同时也容易脱羧以及氧化，过程中需要加入抗氧化剂，且对气密性与真空度要求较高。

扩链法：使用扩链剂增大PBS 的分子量，该方法能够在短时间内提高聚酯的分子量，还能够改善它的生物降解性及机械性能。目前扩链剂中六亚甲基二异氰酸酯的用途较为广泛。利用二异氰酸酯类的扩链剂对PBS 和PES 进行扩链改性，结果显示，共聚物的分子量得到了很大的提高。

当PBS 单独作为药物载体时，由于其亲水性能较差，刚性强以及降解速率慢，因此通过与其他聚合物共聚和共混进行改性修饰。以几种小分子对PBS 改性，可以得到具有较好亲水性的材料，以PBS-co-己二酸酯、PBS 和聚对苯二甲酸丁二醇酯-co-己二酸三种高分子聚合物包埋牛血清蛋白，分别探究各自微囊的包封率和缓释效果，实验结果显示：PBS单独作为药物载体时，其缓释性能与载药量都弱于其他两者。以共混改性PBS 得到PBS 和聚乳酸混合物包裹酒石酸钠胶囊，其缓释性能明显优于它们的各自单体。Wang 等[3]通过运用等离子体NH3和H2O 对PBS 进行改性，结果显示，改性之后亲水性大大提高，从而增加了 PBS 与骨细胞的生物相容性。张勇等[4]运用熔融共聚法将聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）与聚乙二醇和PBS 共聚，制备其嵌段共聚物，实验结果证明：产物的柔韧性和生物相容性都较PBS 改善很多，增加共聚物中PEG 片段含量，其亲水性和特性粘度得到改善，结晶度也降低，通过不断改变PBS 与PBT 和PEG 的比例，能够得到各类优异的用于皮肤组织、药物缓释的材料。

2 聚丁二酸丁二醇酯的应用

2.1 组织工程

PBS 和PBS 基共聚物在生物医学领域中研究最多的是用作组织工程材料，这些聚合物可以通过盐浸、静电纺丝或挤压的方式加工成型，以薄膜或者支架的形式使用，在某些情况下，也可以制备成微球或作为药物传递系统的载体材料。在组织工程中，还可用于人工皮肤移植、骨组织工程和吸收性缝合线等。为了修饰和调整PBS 的性能，可以制成以PBS 为基础的共聚物，以改善材料的热性能、机械性能和生物降解速率。沿PBS 分子链引入不同的共聚单元，如二亚油酸，x-戊内酯，衣康酸、环碳酸酯和二乙醇胺，可获得功能各异的PBS 基共聚物。PBS/C 支架、PBS 表面水解支架、PBS 与羟基磷灰石（HA）复合物可用于骨修复的复合材料，PBS 微球可用于羧甲基壳聚糖支架中改善其原有的性能。研究发现PBS/C 支架能诱导成骨干细胞的分化，这些支架在骨组织工程中也得到了广泛的研究。PBS 与亚油酸酯共聚物在心脏组织工程中具有良好的应用前景。

2.2 药物载体

在生物医药方面应用于药物缓释载体，从薄膜、微纳米粒子和支架中释放药物的研究也得到了广泛的关注，并取得了一定的成果。从广义上说，药物通过聚合物基体的释放受两种机制的控制，即扩散控制释放（取决于扩散系数、基质孔隙度和弯曲度），以及环境条件引发（由改变pH 或温度等）。此外，由于是可生物降解的聚合物，释放速率还需要考虑到聚合物的降解速率。在PBS 支架中浸入了黄酮（一种用于抑制骨吸收、维持骨密度和预防骨质疏松的营养物），通过体外释放在颗粒发现，具有一个初始爆发阶段（可能是由于支架表面上存在的药物聚集体的溶解）和持续释放阶段（释放率逐渐下降到一个平台值），由于支架负载药物含量多，释放率不受支架孔隙率的影响，释放率的差异可解释为与支架接触的扩散对象有关。

2.3 其他应用

PBS 在食品包装、生物医药和汽车领域等方面也具有广阔的发展前景。在包装领域用于食品包装、保鲜膜、垃圾袋以及一次性餐盒等方面有好的应用前景；在汽车领域用于汽车零件，还可以应用于一些家用电子设备以及各种办公设备外壳。

3 展望

随着生物降解材料的快速发展，聚丁二酸丁二醇酯作为一种优良的生物医用材料，通过与不同单体单元的共聚改性，其性能得到了不断的完善，其热性能，机械性能和生物降解性可以得到比较精确地控制。在生物医学中使用聚丁二酸丁二醇酯作为组织工程的替代品正受到越来越多的关注。PBS具有良好的力学性质，可以以适中的成本通过熔融缩聚合成，其合成原料来自可再生资源，使PBS 成为一种完全生物基和可生物降解的聚合物。但PBS 的水解速率比较慢，这会影响其应用范围。可以通过共混和共聚来调整PBS 的表面润湿性、结晶度、力学性能和生物降解率等特性，以满足许多不同的要求需要。还可加入有机或无机填料，主要是壳聚糖或羟基磷灰石。还需加强生物相容性评价的研究工作，使用不同的细胞系，考察PBS 基共聚物和复合材料在体外和体内的生物相容性。PBS 主要的应用潜力包括：在组织工程材料方面，从用于软组织再生的柔软弹性材料到需要承重的刚性材料，研究相应的复合材料；在药物载体方面，体内试验和临床试验之前，进一步加紧体外药物释放的研究。