一种聚碳酸酯共聚物及其制备方法和用途
技术领域
本发明属于生物医用高分子材料
技术领域
，提出一种用作血液接触制品的聚碳酸酯共聚物及其制备方法。背景技术
目前，许多聚合物材料在医学领域有着广泛的应用，例如一些材料用作人工器官、医疗器械。其中，多种多样的功能化聚合物在血液接触领域也受到广泛的关注。如应用在体外的血液透析膜、血液灌流吸附剂；植入体内的人造血管、人造血管支架等。作为血液接触材料，除了具有良好的血液相容性，如抗凝血性能、抑制血小板黏附、不会引起炎症反应以及溶血等性能外，还需要具有良好的机械性能。
聚碳酸酯(PC)是分子链中含有碳酸酯键的高分子聚合物，可以分为脂肪族、脂环族、脂肪-芳香族以及芳香族聚碳酸酯，其中芳香族聚碳酸酯具有优异的的力学性能，耐热性能等，广泛的应用于汽车、电子设备，建筑、办公用品、光盘、运动器材、医疗保健、计算机、航空航天等领域。然而，芳香族PC在血液接触材料领域的应用较窄，其血液相容性需要进一步提高。其次由于分子链刚性较大，分子链间的缠结较严重，因此PC的熔体粘度大，流动性差，不利于加工。
有研究指出利用与具有生物活性的物质共混的方式来改善聚碳酸酯的生物相容性。例如专利CN105062029B中将聚碳酸酯和甲壳素、羟丙基甲基纤维素共混，制备具有聚碳酸酯生物净化材料。专利CN108815590A将玉米淀粉、阿拉伯胶、甘露聚糖、丝素蛋白等组分与聚乙烯碳酸酯、聚碳酸酯共混，制备多糖-丝素蛋白复合抗凝血生物材料。但是利用共混的方法提高聚碳酸酯的生物相容性，通常会加入小分子的增塑剂提高各组分间的相容性。小分子增塑剂有迁移、泄露的风险，这会对人体造成不良的影响。
提高材料血液相容性的方法包括：提高材料表面的亲水性；制备带有负电荷的表面；设计微相分离结构；引入生物活性物质等。近年来，将肝素这种抗凝血剂固定于高分子材料的表面，用于提高材料的血液相容性的方法受到广泛关注。但是存在肝素价格昂贵，且在固定的过程中容易失活的问题。许多研究指出，在材料中引入类肝素基团，如羧基、磺酸基等，可以有效的提升材料的血液相容性。
因此，需要制备一种新型聚碳酸酯共聚物，能够在血液接触材料领域广泛应用。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种聚碳酸酯共聚物，具有良好的血液相容性及机械性能，可以用作血液接触材料。
为达到以上发明目的，本发明的技术方案如下：
本发明的聚碳酸酯共聚物为分子链中含磺酸基脂肪族聚碳酸酯链段、芳香族聚碳酸酯链段的新型聚碳酸酯共聚物，这种新型聚碳酸酯共聚物具有如下通式：
其中，R1和R2为互相独立的氢原子，碳原子数为1-6的烷基，碳原子数为6-10的芳基，环烷基或者碳原子数为7-10的芳烷基，优选甲基；m+n为90-150间的整数，优选100；m：n为0.5：1-2：1，优选1：1-1.2:1。
所述聚碳酸酯共聚物的重均分子量为20000～40000g/mol，优选为25000～35000g/mol。
本发明的目的之二是提供一种聚碳酸酯共聚物的制备方法，该方法反应温度低、能量消耗少、产品质量稳定。其包括以下步骤：
(1)将2-(二乙醇胺基)乙磺酸钠、双酚型化合物、封端剂、碱金属氢氧化物、超纯水按一定比例混合，机械搅拌，直至得到澄清透明的溶液；
(2)将惰性有机溶剂按照一定的水油比加入到上述水相中，机械搅拌，形成稳定的水油混合体系；
(3)将光气按照一定的速率通入到上述水油体系中，同时加入催化剂，反应过程中，优选维持体系pH值在11-12之间，反应温度在25-35℃，优选30-32℃，持续反应0.5-4小时后，得到磺酸基聚碳酸酯共聚物乳液；
(4)后处理：将步骤(3)制备的磺酸基聚碳酸酯共聚物乳液进行纯化后得到产物。
所述在步骤(1)中，封端剂为苯酚、对甲基苯酚、对异丙基苯酚或对叔丁基苯酚，优选对叔丁基苯酚。
双酚型化合物选自双酚A、双酚B、双酚E、双酚F、双酚Z、双酚TMC等，优选双酚A。
所述碱金属氢氧化物选自氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化锂或氢氧化铯，优选为氢氧化钠。
所述两种共聚单体2-(二乙醇胺基)乙磺酸钠与双酚型化合物的摩尔比为0.5：1-2：1，优选1：1-1.2：1，封端剂为双酚型化合物质量的1-10％；双酚型化合物与纯水的质量比为1：20-2：25，优选3：50；碱金属氢氧化物的质量浓度为3-8wt％，优选5-6wt％。
所述在步骤(2)中，惰性有机溶剂选自二氯甲烷、三氯甲烷、二氯乙烷、三氯乙烷，优选为二氯甲烷；纯水与惰性有机溶剂的重量比选自1：(0.5-1.2)，优选1:(1-1.05)；共聚单体(2-(二乙醇胺基)乙磺酸钠和双酚型化合物)与光气的摩尔比为1：(1-1.15)，优选1：(1-1.12)。
步骤(3)中，光气优选按照0.2-6g/min的速率通入到上述水油体系中。
所述催化剂为三乙胺、四丁基溴化铵、四丁基氯化铵，优选为三乙胺；催化剂与双酚型化合物的质量比为0.0001-0.005:1，优选为0.0002-0.0003:1。
所述本发明采用的共聚单体，任选的可以通过现有的公开的技术制备或者采用商业化的单体的合成方法。
所述进行聚合反应时反应体系的pH保持为11～12。
步骤(4)中，所述后处理可采用本领域的常规方法，如中国专利CN202010666164.3、CN202010698811.9中所公开的后处理方法。例如：共聚物乳液首先进行油水分离，之后依次进行洗涤、脱挥、粉碎、干燥得到粉料。
本发明的聚碳酸酯共聚物可以用于血液接触制品，如血液透析膜、血液灌流吸附微球、手术缝合线等。
本发明的有益效果在于：
1.本发明在利用芳香族PC原有的良好的机械性能的基础上，通过共聚的方法，制备含有磺酸基基团的聚碳酸酯共聚物，提高了聚碳酸酯材料的血液相容性，同时脂肪族聚碳酸酯链段的引入，提升分子链整体的柔顺性，进而解决PC流动性较差，加工困难的问题。本发明制备的新型聚碳酸酯共聚物，提供了一种兼具血液相容性和机械性能的血液接触材料，在血液接触材料领域有广阔的应用前景。
2.本发明所制备的共聚物的分子量以及组成可以调控，并且该方法步骤简单，便于实现工业化，有良好的工业化应用前景。
具体实施方式
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合实施例进一步阐述本发明的内容，但本发明的内容并不仅仅局限于以下实施例。
实施例或对比例中所涉及分析评价方法如下：
(1)分子量通过凝胶渗透色谱(GPC)法测试，采用型号为Waters 1515的凝胶渗透色谱仪测试，流动相为二氯甲烷，温度为30℃；
(2)红外测试通过衰减全反射红外(ATR-FTIR)光谱仪测试，采用美国赛默飞(Thermo Fisher)公司的Nicolet 560测试；
(3)核磁测试采用Burker公司型号为AV III HD 400MHz的核磁共振波谱仪测试；
(4)拉伸性能按照ISO1184—1983中规定的塑料薄膜拉伸性能测试标准进行测试；
(5)选用牛血清纤维蛋白原(BFG)作为代表蛋白，对制备聚碳酸酯共聚物的蛋白吸附性能进行测试。
具体实验步骤如下：将尺寸为1cm*1cm的PC薄膜在生理盐水中浸泡过夜，并在37℃下孵化1h；在装有预处理过的材料的孔板中加入2mL，1mg/mL BFG(纤维蛋白原)溶液，并在37℃静置孵化1h；该材料用生理盐水和去离子水各清洗三次，之后将其加入到2mL，2wt％的十二烷基磺酸钠(SDS)溶液中，并在37℃下振荡2h。最后，通过BCA测试试剂盒测定由SDS洗脱下来的蛋白质浓度。
(6)凝血反应测试利用半自动凝血仪(Sysmex Corporation,Kobe,Japan)测定活化部分凝血酶时间(APTT)和凝血酶时间(TT)。
具体的实验步骤如下：首先将1cm*1cm的PC薄膜在生理盐水中浸泡过夜并在37℃下孵化1h；之后去掉生理盐水，并在装有材料的孔板中加入300μL新鲜的贫血小板血浆(PPP)，37℃下共孵化30min。对于APTT的测试，依次在测试杯中加入50μL孵化过的PPP、50μLAPTT试剂、50μL 0.025M CaCl2溶液。对于TT的测试，首先加入50μL孵化过的PPP到测试杯中，然后加入100μL凝血酶试剂。
(7)溶血率的测试按照ASTMF-756-08中规定的材料溶血率测试标准进行。
实施例1
将在有氮气保护的反应器中加入117.615g 2-(二乙醇胺基)乙磺酸钠，228.29g双酚A，6.74g对叔丁基苯酚，190.24g氢氧化钠，3804.83g超纯水混合，机械搅拌直至完全溶解，然后加入3804.83g二氯甲烷，机械搅拌形成稳定的水油混合体系。之后加入0.046g催化剂三乙胺，同时将166.32g光气按照1.386g/min的速率通入到上述体系中。整个反应过程中利用32wt％氢氧化钠水溶液维持体系pH为11-12，反应温度为30℃，反应时间120min。待反应结束后，经过20wt％NaOH溶液碱洗、0.5mol/L盐酸酸洗、去离子水洗涤、脱挥(40℃玻璃釜中水煮制粉2h)、粉碎、干燥(120℃鼓风烘箱干燥4h)得到产物。利用GPC测得产物的重均分子量为24200，多分散指数为1.61。核磁测试的结果显示2-(二乙醇胺基)乙磺酸钠：双酚A摩尔比为0.47:1。衰减全反射红外测试结果显示1163cm-1和1092cm-1处出现了吸收峰，这是磺酸基的典型吸收峰，同时在1611cm-1、1509cm-1、1446cm-1处有明显的吸收峰，这要归功于苯环的骨架振动，在1720cm-1处观察到羰基的吸收峰，红外的测试结果表明磺酸基聚碳酸酯的成功制备。
实施例2
将在有氮气保护的反应器中加入235.23g 2-(二乙醇胺基)乙磺酸钠，228.29g双酚A，9.03g对叔丁基苯酚，190.24g氢氧化钠，3804.83g超纯水混合，机械搅拌直至完全溶解，然后加入3804.83g二氯甲烷，机械搅拌形成稳定的水油混合体系。之后加入0.046g催化剂三乙胺，同时将221.76g光气按照1.848g/min的速率通入到上述体系中。整个反应过程中利用32wt％氢氧化钠水溶液维持体系pH为11-12，反应温度为30℃，反应时间120min。待反应结束后，经过后处理(同实施例1)得到产物。利用GPC测得产物的重均分子量为23920，多分散指数为1.48。核磁测试的结果显示2-(二乙醇胺基)乙磺酸钠：双酚A摩尔比为1.01:1。
实施例3
将在有氮气保护的反应器中加入470.46g 2-(二乙醇胺基)乙磺酸钠，228.29g双酚A，13.61g对叔丁基苯酚，190.24g氢氧化钠，3804.83g超纯水混合，机械搅拌直至完全溶解，然后加入3804.83g二氯甲烷，机械搅拌形成稳定的水油混合体系。之后加入0.046g催化剂三乙胺，同时将332.64g光气按照2.772g/min的速率通入到上述体系中。整个反应过程中加入32wt％氢氧化钠水溶液维持体系pH为11-12，反应温度为30℃，反应时间120min。待反应结束后，经过后处理(同实施例1)得到产物。利用GPC测得产物的重均分子量为24351，多分散指数为1.54。核磁测试的结果显示2-(二乙醇胺基)乙磺酸钠：双酚A摩尔比为1.98:1。
实施例4
将在有氮气保护的反应器中加入235.23g 2-(二乙醇胺基)乙磺酸钠，268.35g双酚Z，9.98g对叔丁基苯酚，223.63g氢氧化钠，4472.5g超纯水混合，机械搅拌直至完全溶解，然后加入4472.5g二氯甲烷，机械搅拌形成稳定的水油混合体系。之后加入0.054g催化剂三乙胺，同时将221.76g光气按照1.848g/min的速率通入到上述体系中。整个反应过程中利用32wt％氢氧化钠水溶液维持体系pH为11-12，反应温度为30℃，反应时间120min。待反应结束后，经过后处理(同实施例1)得到产物。利用GPC测得产物的重均分子量为23875，多分散指数为1.47。核磁测试的结果显示2-(二乙醇胺基)乙磺酸钠：双酚Z摩尔比为1.01:1。衰减全反射红外光谱显示1163cm-1和1092cm-1处出现了吸收峰，这是磺酸基的典型吸收峰，同时在1611cm-1、1509cm-1、1446cm-1处有明显的吸收峰，这要归功于苯环的骨架振动，在2860cm-1、2930cm-1是环己烷上的C-H振动峰，在1720cm-1处观察到羰基的吸收峰。
实施例5
本实施例与实施例1的区别在于封端剂对叔丁基苯酚的加入量为5.15g。其余操作与实施例1相同。利用GPC测得产物的重均分子量为34250，多分散指数为1.63。核磁测试的结果显示2-(二乙醇胺基)乙磺酸钠：双酚A摩尔比为0.48:1。
实施例6
本实施例与实施例2的区别在于封端剂对叔丁基苯酚的加入量为6.9g。其余操作与实施例2相同。利用GPC测得产物的重均分子量为34122，多分散指数为1.53。核磁测试的结果显示2-(二乙醇胺基)乙磺酸钠：双酚A摩尔比为0.98:1。
实施例7
本实施例与实施例3的区别在于封端剂对叔丁基苯酚的加入量为10.41g。其余操作与实施例3相同。利用GPC测得产物的重均分子量为34440，多分散指数为1.71。核磁测试的结果显示2-(二乙醇胺基)乙磺酸钠：双酚A摩尔比为1.99:1。
对比例1
将在有氮气保护的反应器中加入228.29g双酚A，3.96g对叔丁基苯酚，190.24g氢氧化钠，3804.83g超纯水混合，机械搅拌直至完全溶解，然后加入3804.83g二氯甲烷，机械搅拌形成稳定的水油混合体系。之后加入0.046g催化剂三乙胺，同时将110.88g光气按照0.924g/min的速率通入到上述体系中。整个反应过程中加入32wt％氢氧化钠水溶液维持体系pH为11-12，反应温度为30℃。待反应结束后，经过后处理(同实施例1)得到产物。利用GPC测得产物的重均分子量为24220，多分散指数为1.45。衰减全反射红外光谱显示在1611cm-1、1509cm-1、1446cm-1处有明显的吸收峰，在1720cm-1处观察到羰基的吸收峰，没有观察到磺酸基的典型吸收峰。
对比例2
本对比例与对比例1的区别在于加入封端剂对叔丁基苯酚的量为3.4g，其余操作与对比例1相同。
以上各实施例和对比例的性能测试如下表所示：
通过以上数据对比可知，相比常规聚碳酸酯，本发明的聚碳酸酯共聚物的力学性能得以保持，血液相容性提高，包括蛋白吸附量降低、凝血时间稍有延长、溶血率显著降低，螺旋线长度延长，具有更好的流动性，有效地提升了聚碳酸酯的性能，拓宽了材料的应用领域。
本领域技术人员可以理解，在本说明书的教导之下，可对本发明做出一些修改或调整。这些修改或调整也应当在本发明权利要求所限定的范围之内。
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