1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 复合氧化物纳米晶催化乳酸合成丙交酯及其聚合物的研究 所在学院 专业班级 高分子材料与工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 0 摘要： 在熟悉丙交酯合成原理和工艺的础上，采用不同催化剂分别用于催化乳酸脱水缩聚成寡聚体然后裂解制备丙交酯， 通过评价丙交酯的结构、产率等参数，对催化剂的活性进行了分析，实验结果表明，相同的工艺参数条件下，镧钛化合物纳米晶的催化效果较好，由不同催化剂合成得到的丙交酯开环聚合得到的聚乳酸在分子量和机械性能参数亦有差别，这也进一步证明了镧钛复合氧化物纳米晶是制备纯度高的丙交酯的良好催化剂。 关键词： 丙交酯；镧
2、钛复合氧化物；纳米晶；催化 1 The synthesis of lactide and polymer via catalysing lactic acid with composite oxide of nanocrystalline Abstract： In familiar with the mechanism and process of synthesizing lactide , different catalysts were chosen in the procedure of preparing lactide. The procedure of preparing lac
3、tide could be divided into two steps: polycondensation into oligomers then cracking oligomers into lactide,.By evaluating the structure yield of lactide , the reaction activity of catalysts was analyzed. The experimental results show that under the same process conditions, lanthanated titanium compo
4、und nanocrystalline performs better. The molecular weight and mechanical property of polylactic acids prepared by different catalyst in ring opening polymerization could be different which also demonstrates lanthanated titanium composite oxide nanocrystalline is good for preparing high pure lactide.
5、 Keywords： Lactide ;Lanthanated titanium composite oxides ;Nanocrystalline; Catalytic 0 目 录 1 绪 论 . 1 1.1 生物可降解材料的研究现状 . 1 1.2 聚乳酸的研究现状 . 2 1.3 问题的提出和解决方法 . 3 1.4 研究内容 . 4 1.5 研究方法 . 4 2 纳米材料的性能和应用 . 5 2.1 纳米、纳米结构、纳米科技的概念 . 5 2.2 纳米材料的独特性能 . 5 2.2.1 小尺寸效应 . 5 2.2.2 表面效应 . 5 2.2.3 量子尺寸效应 . 5 2.2.4 宏观
6、量子隧道效应 . 5 2.2.5 化学反应性质 . 5 2.2.6 光学性质 . 6 2.2.7 催化性质 . 6 2.2.8 其它性质 . 6 2.3 纳米材料的应用 . 6 2.3.1材料和制备 . 6 2.3.2 微电子和计算机技术 . 6 2.3.3 医学与健康 . 6 2.3.4 航天和航空 . 7 2.3.5 环境和能源 . 7 2.3.6 生物技术和农业 . 7 3 丙交酯与聚乳酸的合成 . 8 3.1 丙交酯的合成原理 . 8 3.2 实验药品和仪器设备 . 8 3.3 实验流程、实验装置 . 10 3.4 实验过程 . 12 3.4.1 传统的合成工艺 . 12 3.4.2
7、优化的合成工艺 . 12 3.5 丙交酯提纯精制 . 13 3.6 聚乳酸的合成 . 13 4 丙交酯和聚乳酸的表征 . 14 4.1 丙交酯的表征 . 14 4.1.1 红外光谱分析 . 14 4.1.2 核磁分析 . 15 4.1.3 差热分析仪（ DSC） . 16 4.2 聚乳酸的表征 . 17 4.2.1 红外光谱分析 . 17 4.2.2 聚乳酸的核磁图谱分析 . 19 5 催化活性结果对比与讨论 . 20 5.1 催化活性的评价 . 20 5.2 丙交酯精制的问题 . 22 1 6 结论 . 23 参考文献 . 24 致 谢 . 错误 !未定义书签。 1 1 绪 论 1.1 生物
8、可降解材料的研究现状 从 20世纪 80年代开始，随着细胞生物学、分子生物学、材料科学及相关物理化学学科的发展，组织工程学 （ Tissue Engineering）这一全新的研究领域得到了蓬勃发展。组织工程的目的在于将活细胞和基质（或支架）材料结合起来，制造出新的功能组织，解决仅需短期医学植入装置（如矫形装置和药物控释制剂等）在体内长期存留而释放毒性物以及二次手术等弊端给病人带来的痛苦等问题。由于它的基本原理和方法是将体外培养的组织细胞吸附扩增于一种生物相容性良好且能被人体逐步降解吸收的生物材料 （基底）上，形成细胞 -生物材料复合物，该生物材料为细胞提供一个生存的三维空间，有利于细胞获得足
9、够的营养物质，进行营养物交换，并且能排除 废物，使细胞按照预先设计的三维支架上生长，然后将此复合体（细胞 + 生物材料）植入机体组织病损部位。同时在生物支架逐步降解吸收过程中，种植的细胞继续增殖并分泌基质，以形成新的具有与自身功能和形态相应的组织或器官，这种具有生命力的活组织能对病损组织进行形态、结构和功能的重建并达到永久替代。为适应组织工程学技术对与细胞构成复合体的生物材料的更高要求，生物可降解材料（ Biodegradable materials）得到迅速发展，其应用范围涉及到几乎所有非永久性的植入装置，包括药物控释载体、手术缝合线、骨折固定装置 、器官修复材料、人工皮肤、手术粘连膜及组织
10、和细胞工程等 此外随着生活水平的提高，人们对环境质量也有了更高的要求。使用可降解的材料加工成日常的生活用品以取代目前普遍使用的无法分解的塑料制品（聚乙烯，聚氯乙烯等），已成为了社会发展的必然趋势 1。 可降解材料可分为天然材料和合成材料两大类。天然材料为来源于动植物或人体内天然存在的大分子，是人类最早使用的医用材料，具有良好的生物相容性，几乎都可降解为无毒产物。典型的材料有胶原蛋白、纤维蛋白、甲壳素、壳聚糖及纤维素衍生物。它们主要用作吸收缝合线、药物控释载体、人工 皮肤、组织修复和替代、组织隔离膜等。合成材料是指通过人工将小分子连接成的高分子或其改性产物。与天然材料相比，合成材料具有原料来源丰
11、富、结构和性能可人为地修饰和调控等优点，因此也得到了广泛的关注。根据化学结构可将这类材料分为三类：（ 1）侧链带有易水解化学基团的聚合物，水解后生成羟基、羧基等亲水性侧基，使得聚合物更易溶于水；（ 2）立体交联固化的水溶性高分子，植入体内后交联基团被水解降解，还原为水溶性聚合物；（ 3）主链中含有易水解链段的聚合物，这些链段被水解后，大分子链断开，降解为溶于水的齐聚物或单体。其中第三类 是被研究得最多、用途最广的可降解生物材料，其突出优点在于，原始分子量可以很高，因而具有良好的力学性能，随着聚合物水解变为水溶性片2 段后，逐步从体内排出，具有可预测的降解吸收速度，在医药和外科中已有多方面的应用
12、，其中一些产品用于人体并有商品供应，如可吸收缝合线、小血管夹、缝合钉、内植骨钉、药物控释载体等 2。 经过近二十年的研究，已有几十种合成材料被证明可用作为可降解的生物材料，但迄今只有聚羟基乙酸、聚乳酸、聚二氧杂环己酮和三次甲基碳酸酯等很少几种被医药管理部门批准用于临床（如药物控制释放载体和组织工程支架） 。 1.2 聚乳酸的研究现状 在 众多的合成材料当中，（ Biodegradable materials）聚乳酸（ Polylactide）的合成和开发从二十世纪六十年代就开始受到了人们的广泛关注 3。它是仅有的几种得到美国 FDA批准用于临床的可降解生物材料之一。 PLA是以乳酸（ D型，
13、L型和 D， L型）为基本原料经直接缩聚或者丙交酯开环聚合制得的线性高分子聚 -羟基酸酯类。和其他材料相比，该材料具有它突出的优点：（ 1）良好的生物适应性（ Bioadapting）。动物研究发现，聚乳酸材料植入生物体以后，在植入部位观 察到仅有轻微的炎症发生。（ 2）可降解性以及比较适中的机械强度；（ 3）毒性相当小。众多文献指出，聚乳酸材料植入生物体内时，其降解的中间产物为乳酸，是生物体内糖的正常代谢产物，可循乳酸的代谢途径参与体内生化代谢，并最终生成水和二氧化碳排出体外。由于植入体内的材料主要接触组织和体液，其降解的形式主要包括水解（包括酸碱作用和自催化作用）、酶解。而且在体内的降解和
14、吸收还受到复杂的生物环境的作用，如外应力、水解、氧化、酸碱、酶和微生物等。因此聚乳酸是一种非常理想的无毒、无刺激、体内可吸收的生物材料；（ 4）聚乳酸加工成的 生物制品的力学强度可以控制。例如，由超高分子量的 L型聚乳酸加工成的骨固定器的初始拉伸模量（ 11 GPa）和干骨的拉伸模量（ 17 GPa）相当接近，而且随着骨损伤组织的愈合，聚乳酸缓慢降解，使得应力能够正常的沿着骨干传递，这样就避免了使用金属器件和陶瓷器件时出现的应力长期局部集中和骨质疏松症的发生 4-7 ；（ 5）易加工性。四氢呋喃、乙酸乙酯、三氯甲烷等都是聚乳酸良好的溶剂，这个特点使聚乳酸非常容易加工成膜和胶囊。手性聚乳酸的熔点
15、和无定形聚乳酸的玻璃化温度都比较低，这个特点也有利于将聚乳酸加工成复杂的 结构。这些复杂的结构是实现组织工程三维培养所必需的。正是由于以上特点，聚乳酸已经被广泛用作组织工程基底、手术缝合线、药物缓释载体以及骨折内固定材料包括骨夹板、骨螺钉、髓内针等固定物，组织修复材料包括以 PLA及其共聚物作支撑材料，接种上器官、组织的生长细胞，使其形成软组织如：软骨、肝、血管、神经和皮肤等等。此外，聚乳酸优良的降解性能和低污染特点，也将成为未来最重要的环保塑料。 目前在生物医学工程领域普遍使用的是超高分子量（近一百万）的手性聚乳酸（主要是3 L-PLA， D-PLA较少）为主的各类共聚物，其合成成本高 ，生
16、产工艺复杂，对真空度、原料纯度、活性催化剂等的要求非常高 8。而国内市场上使用的聚乳酸制品主要依赖进口 9，但聚乳酸昂贵的价格在很大程度上阻碍了 PLA及其复合材料在我国生物医学工程领域的深入应用。 造成这种局面的主要原因有：（ 1）有应用价值的骨固定器和手术缝合线基本上都是由 L型聚乳酸加工而来，合成 L型聚乳酸的原料是 L型乳酸， L型乳酸使用时需要进行提纯达到旋光度一致，成本高。目前，国内市场销售的大都是价格低廉的 D， L型乳酸；（ 2）聚乳酸材料属于聚酯类材料，其疏水性的表面所吸附的培养液中的因子不易被细胞 生长过程中自身分泌的因子所置换，它与亲水性表面比较起来不利于细胞生理功能的实
17、现。因此有必要改变材料表面的亲水 /疏水性状况。（ 3）在动物体内实验时发现高分子量的 L型聚乳酸在体内长达 8年都没有降解完全，仍残留一些结晶物，这可能引起一些无法预测的后果，而较高分子量的 D， L型聚乳酸的降解时间为数周到几十周不等，虽然在时间上能满足骨损伤愈合的要求，但它在玻璃化温度之下非常脆，而且降解时力学强度下降很快，难以满足使用时所需的机械强度要求；（ 4）目前，组织工程学的发展对支撑材料（ Scaffolds）提出了较一般生物材料严 格得多的要求，支撑材料除了可以加工成复杂的物理形状之外，还需要结合特定的生长因子、贴壁因子、正负电荷等以利于细胞和组织的生长，分子结构和功能基单一
18、的聚乳酸显然难以达到此目的。所以从最近的文献报道中可以看出，大量的工作都集中在研究聚乳酸材料的性能改进上 10,11。在这些工作中，一部份工作是改进合成工艺，试图能够寻找出比较理想的工艺条件得到高强度的 D， L型聚乳酸或者通过直接法合成高强度聚乳酸。但经过多年的探索之后发现这些工作难度大，进展缓慢，所以更多的研究工作则集中于通过改性手段改善聚乳酸材料的理化性能。 1.3 问题的提出和解决方法 在丙交酯的合成研究中，目前大多数都集中在合成工艺的改进 12 16。然而不管如何改变工艺，丙交酯的生成温度基本上处于 200 280范围内。反应体系在这样高的温度条件下，极易发生氧化、炭化以及丙交酯的聚
19、合等副反应，在很大程度上降低了丙交酯的收率和质量，提高了丙交酯的成本，最终导致聚乳酸成本高的现状。在作者所掌握的文献中，纯丙交酯的收率一般低于 30%17， 18，美国专利所报道的产率也仅有 46%左右 19。因此，要使聚乳酸获得大规模的应用，首先必须寻找到一条提高丙交酯产率、 降低丙交酯的合成成本的有效途径。 根据相关文献报道 20,21，用于合成丙交酯的低分子量聚乳酸体系在高于裂解温度时炭化是明显的，而且随着反应时间的延长，这种现象更加显著。因此提高丙交酯的收率急待解决的关键问题是缓解体系的炭化问题。这就需要从以下几个方面着手：一，缩短整个体系的反应时间，包括乳酸脱水形成低分子量聚乳酸的时
20、间和低分子量聚乳酸裂解形成丙交酯的时间。二，降低反应体系的温度，包括乳酸脱水形成低分子量聚乳酸的温度和低分子量聚乳酸裂解形成丙交酯4 的温粘度，增强体系的流动性能，从而改善体系局部过热而发生炭化 的现象。 那么，研制一种高活性、能同时催化脱水反应、降低裂解温度和体系黏度的新型催化剂，对提高丙交酯产率、降低聚乳酸成本，并推动聚乳酸制品在生物医学和环境保护等领域的应用将有重要作用。 1.4 研究内容 （ 1）熟悉纳米氧化物材料的特点 （ 2）熟悉丙交酯的合成原理以及合成工艺 （ 3）丙交酯合成工艺最佳参数的确定 （ 4）丙交酯的合成和精制及产率 （ 5）丙交酯的结构、纯度分析 1.5 研究方法 据
21、报道，聚乳酸的合成有两条不同的路线：乳酸直接缩聚法和丙交酯 (Lactide)开环聚合法（包括旋光性和非旋光性的聚乳酸的合 成）。比较这两种反应路线的优缺点就是：直接缩聚法（ Direct Polymerization）工艺过程简单，成本低。但由于反应过程中碳化现象明显，后处理相当困难（主要是较难分离出碳化部份和小分子量部份） , 而且产物的平均分子量低，所以没有多少实际用途。丙交酯 (Lactide)开环聚合法（ Ring Opening Polymerization, ROP）工艺过程要复杂得多，该方法首先需要合成低分子量的聚乳酸，然后让其在高温裂解下获得丙交酯 , 丙交酯开环聚合得到高分
22、子量的聚乳酸。通过该路线制备的聚乳酸在医学、 环保等领域有着广泛的应用。 本实验采用丙交酯开环聚合法制备聚乳酸，其中丙交酯由 D， L型乳酸经减压先缩聚后裂解合成得到。 5 2 纳米材料的性能和应用 2.1 纳米、纳米结构、纳米科技的概念 纳米的定义： 纳米是尺寸或大小的度量单位：千米（ 103 ） 米 厘米 毫米 微米 纳米（ 10-9） 。 纳米结构 （ nanostructure） 的定义： 通常是指尺寸在 100nm以下的微小结构。 纳米科技： 纳米科学技术是研究在千万分之一米 (10-8)到亿分之一米 (10-9米 )内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的学问；同时在这一尺度范围
23、内对原子、分子进行操纵和加工又被称为纳米技术。 2.2 纳米材料的独特性能 纳米材料具有独特的结构、物理和化学性质，主要表现在以下几方面。 2.2.1 小尺寸效应 当纳米粒子的尺寸与传导电子的 de Broglie波长以及超导态的相干波长等物理尺寸相当或更小时，周期性的边界条件将被破坏，熔点、磁性、光吸收、热阻、化学活性、催化性等与普通粒子相比都有很大变化，这种效应大大扩充了纳米材料的物理、化学特性范围，为纳米粒子的应用开拓了广阔的新领域。 2.2.2 表面效应 纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。纳米晶粒减小的结果，导致其表面积、表面能及表面结合能都迅
24、速增大，具有不饱和性质，致使它表现出很高的化学活性。 2.2.3 量子尺寸效应 粒尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级，吸收光谱阀值向短波方向移动。纳米材料中处于分立的量子化能级中的电子的波动性带来了纳米材料的一系列特殊性质，如强氧化性和还原性、特异性催化和光催化性质等。 2.2.4 宏观量子隧道效应 即微观粒子具有贯穿势阱的能力 。纳米粒子的磁化强度等也具有隧道效应，它们可以穿越宏观的势阱而产生变化，即纳米粒子的宏观量子隧道效应，以此概念能定性解释纳米镍晶粒在低温下继续保持超顺磁现象。该效应与量子尺寸效应一起确定了微电子器件进一步微型化的极限，也限定了采用磁盘进行信息储存的最短段时间。 2.2.5 化学反应性质 纳米材料的粒径小，表面原子百分数多，吸附能力强，表面反应活性高。金属纳米粒子易
