一种低熔点的可生物降解聚酯材料及其制备方法和用途
阅读说明：本技术 一种低熔点的可生物降解聚酯材料及其制备方法和用途 (Biodegradable polyester material with low melting point and preparation method and application thereof ) 是由 杨义浒 湛露 陈锐 周行贵 于 2021-06-03 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种低熔点的可生物降解聚酯材料及其制备和用途,所述的聚酯材料为聚己内酯聚乙交酯共聚物,由以下原料制备而成：己内酯、乙交酯、封端剂和有机锡类催化剂；所述的封端剂由重量比为100:15-20:0.04-0.1的己内酯、扩链剂、有机锌类催化剂原料组成。所述的制备方法为先将封端剂的原料加热真空脱水后再进行反应,然后真空脱挥得到封端剂；然后将封端剂、己内酯、乙交酯和有机锡类催化剂混合均匀后再加温反应得到该共聚物。该聚酯材料可与抗菌消炎药剂混合均匀制备得到的敷料凝胶片,使用该敷料凝胶片对伤口进行外敷。本发明所制备的聚酯材料熔点低,生物降解周期快,制备工艺简单,反应过程可控,该聚酯材料还可用作医用外敷材料。(The invention provides a low-melting-point biodegradable polyester material and preparation and application thereof, wherein the polyester material is polycaprolactone polyglycolide copolymer and is prepared from the following raw materials: caprolactone, glycolide, a blocking agent and an organic tin catalyst; the end capping agent consists of caprolactone, a chain extender and an organic zinc catalyst raw material in a weight ratio of 100:15-20: 0.04-0.1. The preparation method comprises the steps of heating raw materials of the end capping agent, dehydrating in vacuum, reacting, and then performing vacuum devolatilization to obtain the end capping agent; then evenly mixing the end capping reagent, caprolactone, glycolide and an organic tin catalyst, and then heating for reaction to obtain the copolymer. The polyester material can be uniformly mixed with an antibacterial and anti-inflammatory medicament to prepare a dressing gel sheet, and the dressing gel sheet is used for externally applying the dressing gel sheet to the wound. The polyester material prepared by the invention has low melting point, quick biodegradation period, simple preparation process and controllable reaction process, and can also be used as a medical external application material.)
技术领域
本发明属于高分子技术领域，涉及一种可生物降解材料及其制备方法和用途。
背景技术
面对日益严重的白色污染问题，世界各国对可降解塑料产业的发展十分重视。市场上主流的可降解材料主要有聚乳酸(PLA)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚丁二酸/己二酸丁二醇酯(PBAT)、聚碳酸亚丙酯 (PPC)、聚ε-己内酯(PCL)等。合成脂肪族聚酯是一类重要的生物医用材料，具有良好的生物相容性和生物可降解性，降解后产物为水和二氧化碳，对人体无毒。
聚己内酯(PCL)由于具有良好的生物降解性、生物相容性和无毒性，而被广泛用作医用生物降解材料及药物控制释放体系，并且它可与多种常规塑料互相兼容，自然环境下6-12个月即可完全降解。此外，PCL还具有良好的形状记忆温控性质，被广泛应用于药物载体、增塑剂、可降解塑料、纳米纤维纺丝、塑形材料的生产与加工领域。
聚乙交酯(PGA))是第一个用于可吸收缝合线的高分子材料，具有优异的力学性能、良好的生物相容性和生物降解性，具有均一性、稳定性、惰性，可抗胃酸、抗胃酶、抗感染，而且还具有无毒、无积蓄、组织反应极小等特点，在医学临床上得到了广泛的应用。
合成的可降解聚酯生物材料也存在有不足的地方，如聚酯材料本身的生物活性低，对组织细胞的亲和力和粘附力弱。为了达到实际使用要求，必须对合成的聚酯材料表面再进行功能化改性和化学修饰。国内外有学者研究通过对聚酯生物材料的分子结构进行设计，引入适量的功能性基团，与其它内酯进行共聚等，以实现改性目的。公布号为CN102241836A的中国发明专利，提出了一种可完全生物降解材料及其生产工艺，该材料包含的成分及重量份数为:5-30份聚己内酯、 10-60份聚乳酸、10-60份聚丁二酸丁二醇酯、8-75份复合变性淀粉、 8-60份无机填料、2-17份分散/生物降解助剂、0.1-0.5份增塑剂；该发明还提供了该材料的生产工艺,它由聚己内酯、聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯、复合变性淀粉、无机填料、分散/生物降解助剂、增塑剂、经搅拌混炼、同向平行双螺杆挤出造粒而成。本发明提供的生物降解材料结合了各成分的优点,满足市场上多种塑料制品,特別是工业、农业、医药及日用包装等领域制品的性能要求,是一种低成本、环境友好的生物降解材料。公布号为CN110028655A的中国发明专利，提出了聚乙交酯己内酯共聚物超声合成方法，采用乙交酯原料和己内酯原料按比例混合，在反应釜内升温至乙交酯己内酯熔解，后将反应釜内熔解物转入超声反应器进行超声反应，超声反应器内降温至 170-190℃，同时超声反应器内抽真空，制成聚乙交酯己内酯聚合物颗粒，该合成方法制备的聚乙交酯己内酯聚合物纯度高，产品重现性好，操作可控，有利于产品二次加工成型；但是该合成方法所制备的聚乙交酯己内酯共聚物在常温下为硬质材料，熔点较高，另外超声反应器可反应的体量小，不适合大规模生产，不利于推广。
可降解聚酯材料由于具有可控的生物降解性和人体可吸收性，并且力学性能较好，因此越来越引起生物医学研究领域人员的关注，可降解聚酯材料在可控药物释放、有机软组织工程、一次性手术缝合线以及可降解植入器械等生物医学领域有着巨大的应用潜能。但是目前的可降解聚酯材料并不具有低熔点、可常温固化和可体温软化的特点，限制了其在生物医学领域的应用。
发明内容
为解决背景技术中所述的问题，本发明提供了一种低熔点的可生物降解聚酯材料及其制备和使用方法。
本发明所述的聚酯材料为聚己内酯聚乙交酯共聚物；所述的聚己内酯聚乙交酯共聚物包括以下组份：己内酯、乙交酯、封端剂和有机锡类催化剂；所述的己内酯与乙交酯的重量比为0.8-2:1，所述己内酯、封端剂、有机锡类催化剂的重量比为100:1-7:0.02-0.06；所述的封端剂由重量比为100:15-20:0.04-0.1的己内酯、扩链剂、有机锌类催化剂原料组成。
所述的己内酯为ε-己内酯，纯度≥99.5％；所述的乙交酯的纯度≥99.5％。
所述的扩链剂为1,4-丁二醇、乙二醇、戊二醇、二甘醇、三羟基丙烷、季戊四醇中的至少一种。
一种低熔点的可生物降解聚酯材料的制备方法，包括以下步骤：
1)制备封端剂：将己内酯、扩链剂和有机锌类催化剂加入反应釜Ⅰ中加热真空脱水后，进入反应釜Ⅱ中反应，反应完成后真空脱挥得到封端剂；
2)制备共聚物：封端剂在惰性气体保护下与己内酯、乙交酯和有机锡类催化剂在物料混合储罐中混合均匀；然后经输送泵I输送至管式反应器进行加温反应，经输送泵Ⅱ产出聚己内酯聚乙交酯共聚物。
所述的步骤1)中，加热真空脱水的温度为80-85℃，真空度≤ 0.01MPa，脱水时间0.5-1h；反应釜Ⅱ中的反应条件为在2h内升温至130-140℃，在惰性气体保护下反应1-2h；真空脱挥的真空度≤ 0.01MPa。
所述的步骤2)中，输送泵Ⅰ流量控制在30-50kg/h，输送泵Ⅱ流量控制在7-14kg/h，管式反应器温度为160-180℃。
该低熔点的可生物降解聚酯材料可用于制备敷料凝胶片，所述的敷料凝胶片由聚酯材料与抗菌消炎药剂按照质量比为20-100:1混合均匀制备得到；所述的敷料凝胶片的制备方法为先通过密炼机将聚酯材料与抗菌消炎药剂混合均匀，再将混合后的物料放置于模具中通过平板硫化机压片成型，得到敷料凝胶片；其中密炼机的加工温度为50- 60℃，平板硫化机的成型温度为60-70℃。
本发明所用的机锡类催化剂反应效率高，安全环保，通过FDA认证。本发明使用有机锌类催化剂制备封端剂，能够温和的控制反应速率，有效的掌控反应终点，在不改变工艺条件情况下，使得制备好的封端剂不需要进行转移，节约能耗。
本发明与现有的技术相比，提供的聚酯材料熔点为33-36℃，邵氏硬度在75A-80A之间，在常温下为软质凝胶状材料，该聚酯材料可以人体体温软化，具有较好的拉伸强度和回弹性，能够反复熔化固化，该材料废弃后生物降解周期较快，材料可降解为二氧化碳和水，不会造成塑料污染，同时该材料还具有良好的生物相容性，可用于医用材料领域。本发明所提供的聚乙交酯聚己内酯的半连续聚合的合成制备方法，使用的是常规的反应装置，反应过程中可通过控制输送泵的流量来调节反应时间，工艺简单，反应过程可控，反应量大，易于推广及大规模生产。本发明提供的聚酯材料在制备过程中可添加抗菌、消炎等药剂，制备成敷料凝胶片，用做医用外敷材料，敷料凝胶片中的药剂可随着时间缓慢释放；也可制备成膜材，作为患者伤口的保护膜，避免外部环境对伤口的污染，减轻患者痛苦，同时材料本身也能生物降解，不会对环境造成污染。
附图说明
图1为反应装置简图。
其中：1-反应釜I；2-反应釜Ⅱ；3-物料混合储罐；4-输送泵I；5- 管式反应器；6-输送泵Ⅱ；7-共聚物储罐。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本领域的普通的技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
图1为制备低熔点的可生物降解聚酯材料即聚己内酯聚乙交酯共聚物的反应装置简图，反应釜Ⅰ1、反应釜Ⅱ2、物料混合储罐3、输送泵Ⅰ4、管式反应器5、输送泵Ⅱ6和共聚物储罐7通过管道依次串联连接。制备封端剂的物料在反应釜Ⅰ1和反应釜Ⅱ2中反应完毕后输入到物料混合储罐3中，在物料混合储罐3中将制备共聚物的物料混合完毕后，经输送泵Ⅰ4输送到管式反应器5中进行反应，反应完毕后，共聚物经输送泵Ⅱ6输送到共聚物储罐7中。
实施例1
低熔点的可生物降解聚酯材料I，采用如下步骤制备：
1)制备封端剂：①将20kg的ε-己内酯、3kg的扩链剂1,4-丁二醇和8g有机锌类催化剂加入反应釜Ⅰ1中，反应釜温度80℃，真空脱水1h，真空度0.01MPa；②脱水完成后物料进入反应釜Ⅱ2，在135℃，惰性气体保护下反应1.5h，反应完成后真空脱挥1h，真空度0.01MPa，得到封端剂；
2)制备共聚物：①封端剂在惰性气体保护下，与物料混合储罐3 中的1000kg的ε-己内酯、1000kg的乙交酯和400g有机锡类催化剂混合均匀得到混合物料；②混合物料通过输送泵Ⅰ4连续输送至管式反应器5中进行反应，输送泵Ⅰ4的流速为30kg/h，管式反应器5的温度170℃，反应完毕后经输送泵Ⅱ6将产出的聚己内酯聚乙交酯共聚物I输送至共聚物储罐7，输送泵Ⅱ6的流速为7kg/h。
实施例2
低熔点的可生物降解聚酯材料Ⅱ，采用如下步骤制备：
1)制备封端剂：①将100kg的ε-己内酯、15kg的扩链剂1,4-丁二醇和400g有机锌类催化剂加入反应釜Ⅰ1中，反应釜温度85℃，真空脱水1h，真空度0.01MPa；②脱水完成后物料进入反应釜Ⅱ2，在130℃，惰性气体保护下反应2h，反应完成后真空脱挥1h，真空度0.008MPa，得到封端剂；
2)制备共聚物：①上述封端剂在惰性气体保护下，与物料混合储罐3中的900kg的ε-己内酯、900kg的乙交酯和180g有机锡类催化剂混合均匀得到混合物料；②混合物料通过输送泵Ⅰ4连续输送至管式反应器5中进行反应，输送泵Ⅰ4的流速为30kg/h，管式反应器 5的温度160℃，反应完毕后经输送泵Ⅱ6将产出的聚己内酯聚乙交酯共聚物Ⅱ输送至共聚物储罐7，输送泵Ⅱ6的流速为14kg/h。
实施例3
低熔点的可生物降解聚酯材料Ⅲ，采用如下步骤制备：
1)制备封端剂：①将100kg的ε-己内酯、15kg的扩链剂乙二醇和400g有机锌类催化剂加入反应釜Ⅰ1中，反应釜温度85℃，真空脱水0.5h，真空度0.01MPa；②脱水完成后物料进入反应釜Ⅱ2，在 130℃，惰性气体保护下反应2h，反应完成后真空脱挥1h，真空度0.01MPa，得到封端剂；
2)制备共聚物：①上述封端剂在惰性气体保护下，与物料混合储罐3中的800kg的ε-己内酯、1000kg的乙交酯和400g有机锡类催化剂混合均匀得到混合物料；②混合物料通过输送泵Ⅰ4连续输送至管式反应器5中进行反应，输送泵Ⅰ4的流速为30kg/h，管式反应器 5的温度160℃，反应完毕后经输送泵Ⅱ6将产出的聚己内酯聚乙交酯共聚物Ⅲ输送至共聚物储罐7，输送泵Ⅱ6的流速为14kg/h。
实施例4
低熔点的可生物降解聚酯材料Ⅳ，采用如下步骤制备：
1)制备封端剂：①将20kg的ε-己内酯、3kg的扩链剂二甘醇和 8g的有机锌类催化剂加入反应釜Ⅰ1中，反应釜温度80℃，真空脱水1h，真空度0.006MPa；②脱水完成后物料进入反应釜Ⅱ2，在130℃，惰性气体保护下反应1.5h，反应完成后真空脱挥1h，真空度0.008MPa，得到封端剂；
2)制备共聚物：①上述封端剂在惰性气体保护下，与物料混合储罐3中的1400kg的ε-己内酯、700kg的乙交酯和840g有机锡类催化剂混合均匀得到混合物料；②混合物料通过输送泵Ⅰ4连续输送至管式反应器5中进行反应，输送泵Ⅰ4的流速为40kg/h，管式反应器 5的温度170℃，反应完毕后经输送泵Ⅱ6将产出的聚己内酯聚乙交酯共聚物Ⅳ输送至共聚物储罐7，输送泵Ⅱ6的流速为8kg/h。
实施例5
低熔点的可生物降解聚酯材料Ⅴ，采用如下步骤制备：
1)制备封端剂：①将40kg的ε-己内酯、8kg的扩链剂三羟基丙烷和32g的有机锌类催化剂加入反应釜Ⅰ1中，反应釜温度85℃，真空脱水0.5h，真空度0.01MPa；②脱水完成后物料进入反应釜Ⅱ2，在140℃，惰性气体保护下反应1h，反应完成后真空脱挥1h，真空度0.01MPa，得到封端剂；
2)制备共聚物：①上述封端剂在惰性气体保护下，与物料混合储罐3中的1000kg的ε-己内酯、600kg的乙交酯和450g有机锡类催化剂混合均匀得到混合物料；②混合物料通过输送泵Ⅰ4连续输送至管式反应器5中进行反应，输送泵Ⅰ4的流速为40kg/h，管式反应器 5的温度170℃，反应完毕后经输送泵Ⅱ6将产出的聚己内酯聚乙交酯共聚物Ⅴ输送至共聚物储罐7，输送泵Ⅱ6的流速为10kg/h。
实施例6
低熔点的可生物降解聚酯材料Ⅵ，采用如下步骤制备：
1)制备封端剂：①将40kg的ε-己内酯、8kg的扩链剂季戊四醇和32g的有机锌类催化剂加入反应釜Ⅰ1中，反应釜温度85℃，真空脱水0.5h，真空度0.005MPa；②脱水完成后物料进入反应釜Ⅱ2，在 135℃，惰性气体保护下反应1h，反应完成后真空脱挥1h，真空度0.006MPa，得到封端剂；
2)制备共聚物：①上述封端剂在惰性气体保护下，与物料混合储罐3中的800kg的ε-己内酯、800kg的乙交酯和480g的有机锡类催化剂混合均匀得到混合物料；②混合物料通过输送泵Ⅰ4连续输送至管式反应器5中进行反应，输送泵Ⅰ4的流速为50kg/h，管式反应器5的温度180℃，反应完毕后经输送泵Ⅱ6将产出的聚己内酯聚乙交酯共聚物Ⅵ输送至共聚物储罐7，输送泵Ⅱ6的流速为14kg/h。
实施例7
低熔点的可生物降解聚酯材料Ⅶ，采用如下步骤制备：
1)制备封端剂：①将100kg的ε-己内酯、20kg的扩链剂1,4-丁二醇和550g的有机锌类催化剂加入反应釜Ⅰ1中，反应釜温度85℃，真空脱水0.5h，真空度0.01MPa；②脱水完成后物料进入反应釜Ⅱ2，在135℃，惰性气体保护下反应2h，反应完成后真空脱挥1h，真空度0.005MPa，得到封端剂；
2)制备共聚物：①上述封端剂在惰性气体保护下，与物料混合储罐3中的700kg的ε-己内酯、800kg的乙交酯和300g的有机锡类催化剂混合均匀得到混合物料；②混合物料通过输送泵Ⅰ4连续输送至管式反应器5中进行反应，输送泵Ⅰ4的流速为43kg/h，管式反应器5的温度180℃，反应完毕后经输送泵Ⅱ6将产出的聚己内酯聚乙交酯共聚物Ⅶ输送至共聚物储罐7，输送泵Ⅱ6的流速为13kg/h。
实施例8
低熔点的可生物降解聚酯材料Ⅷ，采用如下步骤制备：
1)制备封端剂：①将100kg的ε-己内酯、18kg的扩链剂乙二醇和600g的有机锌类催化剂加入反应釜Ⅰ1中，反应釜温度85℃，真空脱水0.5h，真空度0.005MPa；②脱水完成后物料进入反应釜Ⅱ2，在135℃，惰性气体保护下反应1.5h，反应完成后真空脱挥1h，真空度0.008MPa，得到封端剂；
2)制备共聚物：①上述封端剂在惰性气体保护下，与物料混合储罐3中的850kg的ε-己内酯、800kg的乙交酯和500g的有机锡类催化剂混合均匀得到混合物料；②混合物料通过输送泵Ⅰ4连续输送至管式反应器5中进行，输送泵Ⅰ4的流速为35kg/h，管式反应器5 的温度175℃，反应完毕后经输送泵Ⅱ6将产出的聚己内酯聚乙交酯共聚物Ⅷ输送至共聚物储罐7，输送泵Ⅱ6的流速为9kg/h。
下面对实施例1-8所制备的低熔点的可生物降解聚酯材料、聚己内酯(PCL)、聚乙交酯(PGA)和聚乳酸(PLA)的各项性能进行测试，测试方法如下所述：
熔点：采用显微熔点仪测试上述各材料的熔点。
力学性能：采用平板硫化机将上述各材料制成2mm厚的薄片，后裁剪成哑铃型状样条，使用拉力机测试力学性能。
生物降解性能：采用平板硫化机将上述各材料制成 100*100*0.5mm厚的薄片，称重记录初始质量M0，后埋于土壤中，每隔1周，取出样品并清洗干净，室温真空干燥后，称取质量M1，失重率η＝(M0-M1)/M0*100，记录失重率η≥5％所用的时间。
硬度：采用平板硫化机将上述各材料制成2mm厚的薄片，采用邵氏A硬度计和邵氏D硬度计对其硬度进行测试。
经测试可知，该聚酯材料的熔点均比聚己内酯(PCL)、聚乙交酯(PGA)和聚乳酸(PLA)的熔点低，可以人体体温软化。该聚酯材料的硬度在75A-80A之间，均比聚己内酯(PCL)、聚乙交酯(PGA) 和聚乳酸(PLA)的硬度低。该聚酯材料常温下为软质凝胶状，其拉伸强度达到了不错的水平，但由于其材质的原因，还是会弱于聚己内酯(PCL)、聚乙交酯(PGA)和聚乳酸(PLA)这些硬质材料的拉伸强度，但是其断裂伸长率均优于聚己内酯(PCL)、聚乙交酯(PGA)和聚乳酸(PLA)这些硬质材料的断裂伸长率，通过测试结果可以推断聚酯材料具有极佳的柔韧性和回弹性。该聚酯材料失重率η≥5％的降解周期为6-8个月，相比于硬度大熔点高的聚乙交酯(PGA)时间稍长，但是相比于聚己内酯(PCL)和聚乳酸(PLA)，该聚酯材料达到了不错的生物降解性能。
将实施例1所制备的聚己内酯聚乙交酯共聚物Ⅰ与药物氧氟沙星混合按照重量比20:1的比例混合均匀制备敷料凝胶片Ⅰ。具体地，聚己内酯聚乙交酯共聚物Ⅰ取5kg,药物氧氟沙星取250g,在密炼机中混合均匀，混合均匀的物料放置于模具中通过平板硫化机压片成型，得到敷料凝胶片Ⅰ，其中密炼机加工温度为50℃，模具尺寸：长 15cm、宽10cm、深度0.3cm,平板硫化机的成型温度为60℃。
将实施例2所制备的聚己内酯聚乙交酯共聚物Ⅱ与药物氧氟沙星混合按照重量比50:1的比例混合均匀制备敷料凝胶片Ⅱ。具体地，聚己内酯聚乙交酯共聚物Ⅰ取5kg,药物氧氟沙星取100g,在密炼机中混合均匀，混合均匀的物料放置于模具中通过平板硫化机压片成型，得到敷料凝胶片Ⅱ，其中密炼机加工温度为55℃，模具尺寸：长 15cm、宽10cm、深度0.3cm,平板硫化机的成型温度为65℃。
将实施例3所制备的聚己内酯聚乙交酯共聚物Ⅲ与药物氧氟沙星混合按照重量比100:1的比例混合均匀制备敷料凝胶片Ⅲ。具体地，聚己内酯聚乙交酯共聚物Ⅰ取5kg,药物氧氟沙星取50g,在密炼机中混合均匀，混合均匀的物料放置于模具中通过平板硫化机压片成型，得到敷料凝胶片Ⅲ，其中密炼机加工温度为60℃，模具尺寸：长15cm、宽10cm、深度0.3cm,平板硫化机的成型温度为70℃。
将上述制备得到的敷料凝胶片Ⅰ、敷料凝胶片Ⅱ和敷料凝胶片Ⅲ分别在皮炎湿疹伤口处进行外敷，随着时间的变化，对所外敷的敷料凝胶片中氧氟沙星的含量进行测试，测试结果见表2，可知该敷料凝胶片中氧氟沙星的含量会随着时间的变化均匀减小，即敷料凝胶片中的氧氟沙星可随着时间缓慢释放。
表1材料性能测试结果
表2氧氟沙星含量测量结果
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