药用高分子材料学ppt课件.ppt.ppt

药用高分子材料学,绪论,药用高分子材料学Polymer Science in Pharmaceutics研究药用高分子材料的结构、物理化学性质、性能及用途的理论和应用的专业基础学科。,第一节 高分子材料在药剂学的应用 药用高分子材料是具有生物相容性且经过安全性评价的应用于药物制剂的一类高分子辅料。在药物制剂中应用、本身一般不具备药理和生理活性但能够赋予药物制剂特定功能或改善制剂性能的各种高分子。,一、高分子对药剂学和药物制剂发展的意义,天然高分子 提高药物制剂质量；半合成高分子 创制高效、速效、长效药物合成高分子 剂型、新制剂；发展新的药剂生产工艺和生产 技术平台；改进药品包装。重要动力,肠溶衣材料 取代纤维素衍生物 虫胶丙烯酸树脂 贡献纤维素衍生物 制剂包衣工艺 取代薄膜包衣工艺 糖衣工艺片剂生产重大技术革新流动性 实现可压性 药用高分子辅料 直接压片工艺 高性能,新剂型（DDS）是药剂学领域重要发展方向之一,纤维素衍生物口服缓释及控释制剂 丙烯酸树脂渗透泵片的关键组分 半渗性醋酸纤维素 非ph依赖的混悬型液体缓控释制剂 离子交换树脂透皮吸收贴剂 高分子压敏胶长效微球注射剂、埋植剂 聚乳酸、聚丙交酯-乙交酯宫内避孕器、皮下植入器 硅橡胶、乙烯醋酸乙烯共聚物材料,没有高分子，就没有DDS的迅速发展,二、高分子材料在药物制剂中的用途,1、药物制剂的辅料 赋形剂、粘合剂、助悬剂、崩解剂、包衣材料、分散剂以及药物释放系统的载体等 高分子在药剂中最主要的应用,药品赋形剂 提高药物稳定性 溶解性 吸收性 生物利用度等口服缓释、控释片剂微丸剂、皮下埋植剂注射用靶向制剂,分散片 交联聚维酮 交联羧甲基纤维素纳 羧甲基淀粉钠 高效崩解剂 低取代羟丙基纤维素水性包衣技术 纤维素衍生物 丙烯酸树脂固体分散技术 聚维酮 聚乙二醇 水溶性高分子改善难溶性药物的溶出度,2、高分子前体药物 以高分子为载体与药物通过化学键结合形成。达到延长疗效、减少副作用或者靶向给药的目的。高分子药物高分子药物或高分子前体药物已经成为药物化学工作者和药剂学工作者共同的研究课题。,3、药物制剂的包装材料 包装材料：各种塑料和橡胶 重要作用 保证药品质量 方便患者识别和应用 降低生产成本 提高安全性,药物制剂常用的高分子辅料,三、我国药用高分子应用和研发现状,药用辅料中，高分子占有很大的比例，许多剂型和制剂的开发和生产离不开高分子。,微晶纤维素羧甲基纤维素钠生产规模小，规格单一，质量不高，推广应用不多聚乙二醇、聚维酮、高效崩解剂等急需品种长期缺乏或仅有化工产品，严重阻碍了剂型的开发和制剂质量的提高。,四、有关药用高分子新辅料管理法规,我国的新辅料审批办法国家食品药品监督管理局于2005年6月制定了药用辅料注册申报资料要求，并要求在药用辅料注册管理办法出台前药用辅料注册申请人按此要求申报资料。新的药用辅料指在我国首次生产并应用的药用辅料。,原来分类：我国辅料审评办法中将辅料分为2类一类辅料系指全新的、目前尚未在任一先进国家被批准使用的辅料；二类辅料则是指已在国外药典收载或已经在正式批准的制剂中使用、国内进行仿制开发的辅料。,2、日本的辅料审批法规,新辅料除全新化合物外还包括：（1）已批准的食品添加剂或已批准的化妆品材料申请用于口服或外用且从未用作药用辅料者；（2）在国外已有应用但未在日本使用者；（3）在日本已有应用，但改变给药途径或超过原用量者。,3、美国食品和药品管理局（FDA）对辅料的管理,FDA主张使用符合以下一项条款或一项以上条款的辅料：即FDA认定为“GRAS”类型的辅料（即“通常被确认安全”，generally recognized as safe)这些辅料包括:药典、官方文件及权威出版物中收录的辅料在药品中已广泛使用的辅料已批准用作食品添加剂或化妆品添加剂的辅料因某种特殊作用在已批准的特定剂型的新药（New Drug Application,NDA）中已有完全或部分应用的辅料。,4、国际药用辅料协会（IPEC）和药用辅料一体化,国际药用辅料协会（International Pharmaceutical Excipients Council,IPEC）致力于药用辅料及其药典标准一体化的全球性、非官方、非赢利的制药工业组织，在美国、欧洲和日本各有相互联系但又独立的分会。200家辅料生产厂或药厂会员,五、药用高分子辅料的安全性,1、新辅料安全性评价指南药用高分子的安全性，国内外均无特别的规定。在我国药审评办法中规定了新辅料的申报法规，并对辅料的安全性评价规定了必须申报的内容。作为辅料用的高分子适用于这些法规。,IPEC 新辅料安全性评价的指南（1997）新辅料分为5类：全新化合物；在人用药品、食品及化妆品中从未使用过的化学物质；在食品及化妆品中应用但在人用药品中未曾使用过的化学物质；在人用药品中虽有应用但较为少见，或改变使用限量，或化学结构有微小改变，或以不同给药途径使用的化学物质；在动物药品中使用但未在人用药品中使用的化学物质。对于属于1类和2类的新辅料需要与新药一样进行完全的安全性评价，而其它几类新辅料则可根据指南进行适宜的安全性研究。,2、药用高分子的生物相容性,生物相容性 主要是指高分子材料等机体外来物质在与机体组织或血液长期接触时产生的生物学反应性。生物相容性也包括这些外来物质在机体内因体内因素影响产生的自身功能的、物理的和化学的变化。各种用于皮下、肌内等组织的埋植剂、器官、关节腔、血管注射的药用高分子材料微粒等须特别重视其生物相容性问题。,材料与组织产生的相互作用称为组织相容性。材料与血液产生相互作用的称为血液相容性。,3、高分子材料的无菌,化学性质和物理性质上能够耐受干热或湿热灭菌的高分子材料，采用洁净及无污染的生产条件，通过干燥、结晶条件的控制，在制剂生产过程中加强GMP管理以及产品的最终灭菌过程，能满足无菌要求。对于受热不稳定材料或容易变形的高分子材料，无菌方法的选择直接影响制剂的生物相容性及实际应用。,六、药用高分子材料发展的方向,药用功能高分子材料是近年来随着现代药剂学的发展出现的一类特殊的生物材料。与常用的药用辅料如淀粉、乳糖等的不同之处是药用功能高分子材料具有一种或多种特殊生物功能，例如，对生物组织以至细胞膜的粘附性、亲和性、透过性等，从而使药物制剂能够发挥控释、定位、靶向等多种重要作用。药用功能材料也称为第二代药用高分子材料 药用功能高分子材料的发展正朝着用药精细化、可控化和高效安全的方向迅速发展，药用功能材料通过改善药物作用将在疾病的治疗和预防中起到越来越重要的作用。,合成有特殊功能的药用高分子定位或靶向材料、pH敏感、温度敏感、受体敏感等智能材料等 现有高分子材料的改造，具有更好的物理及化学性能，发现其新用途或新功能,第一章 概论,第一节 高分子材料的基本概念一、高分子链的构成（一）高分子的定义 高分子化学高分子科学 高分子物理 高分子工程,高分子化学：研究高分子化合物合成和反 应的一门学科。高分子物理：研究高分子结构与性能之间关系的一门学科，也就是研究聚合物中分子运动规律的科学。高分子工程：高分子加工工艺，研究高分子材料加工成形的一门学科。,十九世纪中期高分子得到应用1839年 Goodyear 天然橡胶的硫化。1855年 Parks 硝化纤维素+樟脑 赛璐珞1833年 de Chardonnet 人造丝1920年 Staudinger 提出高分子的长链学说 高分子科学的历史上，有九位科学家获得诺贝尔奖。,通用材料高分子材料 功能材料 药用高分子材料药用高分子 高分子药物,高分子化合物（Macromolecules)：是指分子量很高的一类化合物。104106分子链由许多简单的结构单元通过共价键重复连接而成。,碳链骨架,重复单元(Repeating unit)是高分子链的基本组成单位。链节（1ink）形成结构单元的小分子化合物称为单体(Monomer)，单体是合成聚合物的原料。聚氯乙烯的单体是CH2=CHCl n为重复单元数，又称聚合度（degree of polymerization）简称DP，平均值，衡量高分子的一个指标聚合物的分子量M=M0DPM0 重复单元的分子量,均聚物：一种单体聚合而成的聚合物。如聚氯乙烯和聚乙烯。重复单元分别是各自的结构单元共聚物：有两种或两种以上单体聚合而成的聚合物，如氯乙烯醋酸乙烯共聚物，可用重复单元表示它们的结构式。,重复结构单元链节=基本结构单元,加聚：由单体加成而聚合起来的反应。特点：加聚物中链节的分子式与单体分子式相同，没有任何小分子放出。,重复结构单元链节基本结构单元缩聚：单体间缩合脱去小分子而形成聚合物的反应 特点：小分子生成,结构单元,结构单元,高分子化合物的特点 分子量大 共价键 重复结构单元 天然高分子 合成高分子,聚合物（polymer)：高聚物（High molecular polymer)低聚物(Low molecular polymer)大多数高分子化合物，以高聚物为主体，含有少量的低聚物，在总体上表现出高分子独特的物理-力学性能。,大分子与聚合物的区别 大分子（macromolecule）指的是分子量大的化合物，但不一定有聚合物所具备的重复结构单元。胰岛素分子 不能用 n来表示 大分子可以是没有重复结构单元的大分子，也可以是有重复结构单元的大分子，而聚合物则一定是指有重复结构单元的大分子。,高分子化合物与小分子的区别,巨大的分子量（104107）。分子间作用力。无沸点，不能汽化，多以固体或粘稠液体形式存在。独特的物理-力学性能。大多数高分子具有机械强度。多分散性，具有平均值的概念。溶解前要经过溶胀过程，较小分子难溶。,二、高分子的分类来源 天然高分子 合成高分子 半合成高分子（一）按工艺和使用分类（习惯分类法）塑料、橡胶和纤维三大类，通称三大合成材料。涂料、黏合剂 五大合成材料分类局限：有些高分子化合物在不同生产条件加工形成下，可以做成塑料、橡胶或纤维,（二）按高分子主链结构分类（科学分类法）从化学结构的观点，组成高分子化合物的主链可分成三大类。有机高分子：该类大分子主链结构完全由碳原子或由碳、氧、硫、磷等有机化合物中常见的原子组成。碳链聚合物：聚乙烯、聚氯乙稀、聚苯乙烯等 杂链聚合物：聚醚、聚氨酯、聚酰胺等,元素有机高分子：主链不含碳原子。由硅、硼、铝、钛、氧等组成。侧链可以由碳原子等组成。聚二甲基硅氧烷无机高分子：主链和侧链均不含碳原子。聚氯化磷腈 优点：系统了解高分子材料内在性质,（三）按聚合反应分类：均聚物与共聚物（四）按分子形状分类线型聚合物：高分子化合物是由许多相同的结构单元重复接连而成最简单的线型连接方式，称为线型聚合物。低压聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等。支化聚合物：在高分子主链上存在不同长度的支链的聚合物则为支化聚合物。高压聚乙烯体型聚合物：在高分子链间存在化学键合，从而得到的网状聚合物则称为体型聚合物。例如酚醛树脂等星型聚合物梳型聚合物,三、高分子的命名,（一）、习惯命名 天然高分子 淀粉、纤维素、蛋白质、橡胶等。合成高分子 电木、电玉、尼龙等 天然聚合物与来源有关：甲壳素、阿拉伯胶、海藻 酸等 不能反映物质结构,按单体名称命名,命名方法：在单体名称前冠以“聚”字作为其聚合物名称。乙烯的聚合物 聚乙烯 苯乙烯的聚合物 聚苯乙烯 反映高分子的化学结构特征，简便,原料命名 优点：简单 缺点：易混淆 同一种高分子可以有不同的原料制备。按原 料命名易衍生出多种名称。聚环氧乙烷 聚氧乙烯原料：环氧乙烷 乙二醇 氯乙醇 氯甲醚,聚合物按来源命名有时其单体并非真正存在。聚乙烯醇单体：？,以聚合物结构特征命名聚酰胺 聚酯 聚脲 聚矾注意:这些名称均代表一类聚合物，具体的聚合物另有更详细的名称。如己二胺和己二酸的缩聚产物 聚己二酰已二胺聚酰胺 尼龙66，尼龙610，尼龙1010,少数聚合物是根据重复结构单元命名，不考虑单体。聚硅烷聚二甲基硅氧烷 单体,二、商品名,普流罗尼：氧化乙烯-氧化丙烯硅油：聚二甲基硅氧烷中国习惯以纶字作为合成纤维商品名的词尾涤纶（聚对苯二甲酸乙二醇酯）锦纶（聚己内酰胺）睛纶（聚丙烯腈）氯纶（聚氯乙烯）丙纶（聚丙烯）,由两种不同的单体经缩聚反应制成的聚合物，常取单体的简名并在其后缀以“树脂”二字命名。苯酚和甲醛的缩聚物 酚醛树脂尿素和甲醛的缩聚物 脲醛树脂产物的外观类似天然树脂，加上原料名称以示区别。如单体聚合得到的是弹性体，则有时在单体后缀以“橡 胶”二字来表示。丁二烯、丙烯腈共聚 丁腈橡胶。,（三）、系统命名IUPACInternational Union of Pure and AppliedChemistry原则：1 找全所有结构单元形式。2 排次序，确定重复结构单元。3 按有机小分子的IUPAC命名规则命名重复结构单元。4 在重复结构单元名称前加上“聚”。优点：内容和形式得到统一。缺点：繁琐，冗长。,聚1-氯代乙烯,（四）、英文缩写：聚苯乙烯：Polystyrene(PS)聚乙烯：Polyethylene(PE)聚氯乙烯：Poly(vinyl chloride)(PVC)聚甲基丙烯酸酯：Poly(methylmethacrylate)(PMMA)聚乙烯醇：Poly(vinyl alcohol)(PVA)聚维酮：聚N-乙烯基-2-吡咯烷酮 Povidone,Polyvinylpyrolidone(PVP),第二节 高分子的链结构,一、高分子的结构特征研究单元的不同高分子的链结构（分子内结构）微观结构高分子的聚集态结构（分子间结构)宏观结构,分子内结构包含两个层次：近程结构和远程结构。近程结构是指单个大分子链结构单元的化学结构和立体化学结构，反映高分子各种特性的最主要结构层次，直接影响高分子的熔点、密度、溶解性、粘度、粘附性等许多性能。一次结构 远程结构是指整个分子链范围内的结构状态,分子的大小与构象。二次结构聚集态结构是指高分子材料整体的内部结构，包括晶态结构、非晶态结构、取向结构和织态结构等。三次结构,二、高分子链的近程结构,结构单元的化学组成键接方式空间排列支化交联近程结构是高分子最基础的微观结构，而且与结构单元有着直接的联系，又称为化学结构。,（一）键接顺序,键接顺序是指高分子链各结构单元相互连接的方式。在两种单体之间进行缩聚时，结构单元的键接方式一般都不会有多种形式。不同键接方式的聚合物具有不同的性能。,1均聚物：取代基为头头-头键接尾-尾键接头-尾键接,双烯类单体丁二烯,1,2-加聚 1,4-顺式加聚,1,4-反式加聚,共聚物的序列结构,根据聚合物的微观结构，共聚物可分为下列四种类型：无规共聚(random copolymerization)：共聚物中两单元M1、M2无规排列。-co-交替共聚(alternating copolymerization)：共聚物中两单元M1、M2严格相间。-alt-嵌段共聚(block copolymerization)：由较长的M1链段和另一较长的M2链段构成大分子。每链段由几百或几千结构单元组成。-b-接枝共聚(graft copolymerization)：主链由单元M1组成，而支链由另一单元M2组成。-g-,（二）支链 交联 端基,1支链：高压PE（低密度）：支链，结晶性差，密度低，韧性，抗拉强度，耐溶剂性差。薄膜（软性）低压PE（高密度）：线型，易结晶。瓶，管，棒（硬性）2 交联:大分子间形成有稳定的共价键或离子键的体型大分子3 互穿:由不同分子交联形成的相嵌的体型大分子4 端基:大分子链终端的化学基团 封端,（三）构型,链的构型是指分子中由化学键所固定的原子在空间的几何排列1 旋光异构间同立构（syndiotactic)间规聚合物全同立构（isotactic)等规聚合物无规立构(atactic)无规聚合物,2 几何异构几何异构是由于双键不能内旋转而引起的异构现象有规立构高分子：分子链中结构单元的空间排列是规整的(包括旋光异构和几何异构)结晶度高，硬度、密度大,软化温度高，溶解性差。规整程度称为立构规整度或等规度。,三、高分子链的远程结构,单元:链段链的长短 构象（一）链的内旋转与构象 热运动高分子 许多链段自由联结,具有运动的相对独立性高分子链在无外力作用下 卷曲态完全自由旋转 构象数最大 柔性伸直状态 一种构象,（二）链的柔性 分子链具有柔顺性的原因：热运动使高分子链有强烈卷曲的倾向。影响物理-力学性能:耐热性,弹性,强度 结构有关 1 主链:Si-O,C-O,C-N,C-C 2 侧链：性质、体积、比例、位置 极性:聚丙烯、聚氯乙烯、聚丙烯腈 极性-CN-Cl-CH3 柔性依次减弱。体积：聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯 比例：聚氯丁二烯-CH2-CHCl=CH-CH2-n聚氯乙烯-CH2-CHCl-n 位置：取代基在同一碳原子 3 交联:4 温度,第三节 高分子聚集态结构,一、聚合物的结晶态（一）主要特征晶区与非晶区共存结晶度：(晶相的含量/样品的总量)x100%熔点：熔程（二）结晶过程 Tm Tg 成核(均相或异相)生长 主结晶和次结晶,Tcmax=085Tm,(三）影响结晶因素1 对称性高分子的化学结构越简单、链取代基越小以及链节对称性越高就越易形成结晶。2 链规整性链规整性越高，结晶越容易 3 分子间作用力分子间相互作用较强的聚合物链的柔性较差，不易结晶4 温度温度除改变结晶速度外，也对结晶度有很大影响。5 支化,（四）性能的影响 分子间作用力增强熔点，密度，抗张强度，硬度，耐溶剂性增加 分子链运动受限制 高弹性，断裂伸长，抗冲击强度下降。（五）聚集态结构模型两相结构折叠链缺陷分布,二、高分子的取向态（一）取向模型取向：在外力作用下，分子链沿外力方向平行排列形成的结构。分子取向 单轴：单方向 双轴：互相垂直整链：大尺寸取向链段：小尺寸取向取向度(二）性能变化 机械强度在取向方向增大 应力和收缩,三、高分子的织态结构（一）形成 织态结构：不同聚合物之间或聚合物与其他成分之间堆砌排列问题 共混：两种或两种以上的高分子材料加以物理混合的过程,高分子合金：共混聚合物，嵌段聚合物和接枝聚合物 异种分子间的相互作用大于同种分子间的相互作用，完全相容,内聚能接近。内聚能：1mol分子聚集在一起的能量。E=Hv-RTHv：摩尔蒸发热，（二）性能分散相连续相 方法：干粉，溶液，乳液，熔融,内聚能：1mol分子聚集在一起的能量。E=Hv-RTHv：摩尔蒸发热，内聚能密度（CED)：CED=Hv/VV:摩尔体积CED从实验间接得出CED418.68 J/cm3 纤维PE CED=250 J/cm3？热塑性塑料,第二章 高分子化学,低分子单体合成聚合物的反应称为聚合反应。聚合反应的分类按单体和聚合物在组成和结构上发生的变化分类加聚：由单体加成而聚合起来的反应。特点：加聚物中链节的分子式与单体分子式相同，没有任何小分子放出。重复结构单元=基本结构单元缩聚：单体间缩合脱去小分子而形成聚合物的反应特点：小分子生成重复结构单元基本结构单元,缺点：同一种聚合物可以通过不同的聚合反应生 产，但性能不一样。,第一节 聚合反应,聚合反应机理连锁聚合：由引发，增长，终止等基元反应所构成的聚合反应。特点：瞬间形成分子量很高的聚合物。逐步聚合：大分子形成的过程是逐步性的，分子量逐步增加。绝大多数的缩聚反应属逐步聚合机理。烯类单体的加聚反应大部分属于连锁聚合。,一自由基聚合反应,（一）.自由基的产生与活性1.引发剂:在一定条件下能打开碳-碳双键，使链引发，增长、进行连锁聚合的化合物，易分解而产生自由基并能引发单体使之聚合。,引发剂必须满足的条件 分子结构上要具有弱键化合物易于分解生成的自由基活性要高几种常见的引发方法:自由基引发光引发辐射引发热引发,不能作引发剂,？,(1)自由基引发剂类型,按分子结构有机过氧化物：过氧化苯甲酰BPO偶氮化合物：偶氮二异丁腈AIBN无机过氧化物：过氧键 过硫酸钾氧化还原引发剂体系:含少量的还原剂和氧化剂组成的体系,有机过氧化物：过氧化苯甲酰BPO,偶氮化合物：偶氮二异丁腈AIBN,初级自由基,初级自由基,热解型，油溶性引发剂适用范围：本体聚合悬浮聚合溶液聚合高于室温使用,无机过氧化物 热分解型 水溶性引发剂适用范围：乳液聚合高于室温使用氧化还原引发体系 化学反应型较大温度范围内使用下低温聚合,（2）引发剂的活性科学研究:分解速率常数kd工程技术:半衰期t1/2分解速率常数越大，或半衰期越短，则引发剂活性越高。I/I0ekdt固定温度条件，测定不同t下的引发剂浓度变化，LnI/LnI0对t作图，可得一直线，斜率为Kd。t1/2=Ln2/Kd=0.6932/Kd 与引发剂浓度无关,(3)引发剂效率f 引发剂分解出来的初级自由基并不能全部地与单体结合生成单体自由基。引发剂效率：引发聚合而进入高分子链中的初级自由基占引发剂产生的初级自由基总数的百分率。,通常f0.2-0.7之间造成f1的原因自由基自身重结合，笼蔽效应诱导分解 自由基向引发剂的转移长链自由基向引发剂转移,f 随引发剂种类、溶剂、反应条件和聚合体系粘度以及单体的活性而变化 对于同一个引发剂，不同的单体有不同的效果。对于同一个单体，不同的引发剂其效果不同。,引发剂的选择,根据聚合方法及体系选择与之相匹配的引发剂引发剂效率f值要高在所选定的聚合温度下选择t1/2适当的引发剂，通常t1/2与聚合反应时间在同一数量级为较佳选择 引发剂的用量常在0.1-1之间引发剂用量大，聚合速率加快，而生成的聚合物分子量降低。,（二）自由基聚合的反应机理,1 链引发：自由基的产生：初级自由基单体自由基的形成：单体自由基,2 链增长：,链自由基,（3）链终止,方式双基终止：偶合终止 聚合度增加1倍,歧化终止：聚合度不变,链自由基与初级自由基相碰而终止引发剂浓度不能太大引发剂浓度大,分子量降低,链转移:副反应,自由基从单体、引发剂、大分子上夺取一个氢原子，自身失去独电子形成稳定分子，而使其他分子成为自由基进行链增长。特点：链终止，但自由基数目不变。活性中心的转移,向单体转移向引发剂转移向溶剂分子转移向大分子转移 对聚合反应总速率没影响,降低分子量 调节分子量,形成支链及交联,（5）阻聚,单体自由基或链自由基一形成就立即转移，生成稳定的自由基，不能引发单体，聚合反应减慢或停止。稳定的自由基DPPH 强吸电子的芳香族化合物 某些杂质(O2),（三）影响自由基聚合的因素,单体 纯度高，反应速率快，分子量高分子结构不对称易聚合。引发剂：浓度增加，分子量降低温度：温度，反应速率，有利链转移，分子量压力：压力，分子量杂质 链转移，终止，阻聚,（四）特征：,慢引发快增长快终止,二 自由基共聚,共聚物：有两种或两种以上的单体聚合得到的聚 合物。竞聚率:两种单体M1、M2的相对活性。链增长,K11,r 1=k11/k12 r2=k22/k21,K12,自聚,共聚,无规共聚物（random polymer)r1r2=1交替共聚物(alternating polymer)r1r2=0 只能共聚嵌段共聚物(block polymer)r11 r21 接枝共聚物(graft polymer),三 离子型聚合和开环聚合聚合,链增长活性中心为离子的称为离子型聚合。包括阴离子和阳离子聚合。（一）阴离子聚合的反应机理1 链引发（1）单体：吸电子基，易形成C负离子（2）引发剂：亲核试剂,2 链增长 单向 双向3链终止不能终止的原因：活性链负电，静电排斥作用不能结合或歧化终止活性链形成离子对的反离子碱金属，不能与C-形成共价键难以发生H-的转移 活性链,10%苯乙烯-THFn-C4H9Li-己烷溶液-甲醇,引发：,增长：,终止：,终止方式（1）外加的终止剂或体系中的杂质作用 CH3OH,CO2,H2O（2）溶剂作用,4 阴离子聚合的分子量及分子量分布分子量较高，分布指数1.1（二）阴离子聚合的应用 制得单分散性聚合物,(三)影响因素,1 引发剂 2 溶剂 聚合速率 分子量 改变聚合机理3 温度 低温进行 高温C-不稳定 温度 聚合速率 分子量4 阻聚剂 O2，DPPH 自由基聚合的阻聚剂 对阴离子无阻聚作用 水，醇 阴离子阻聚剂,(四）特点,快引发快增长无终止,(五)阴离子聚合的特点,1 单体的高度选择性2 离子型聚合的反应速率高于自由基聚合3 无终止，活性链4 引发剂种类与引发反应有关5 活化能较自由基聚合低6 实验重现性差，机理及动力学研究不如自由基聚合成熟,（六）自由基聚合与离子型聚合的比较,实验：1 温度，活化能自由基：5 C 84-105kj/mol阴离子：0-室温 较小阳离子：0 C,2.阻聚剂DPPH 反应终止，自由基聚合水，醇反应终止，离子型聚合CO2反应终止,阴离子聚合对阳离子无影响3 改变介质的极性，离子型聚合较敏感,四 缩聚反应,聚合物结构：线型缩聚：单体具有两个相同或不相同的官能团，两个方向增长成大分子，形成聚合物末端的官能团仍为两个，比反应前未增加。均缩聚：一种单体，官能团可以相同，也可以不同 n a-A-b a-An-b+(n-1)ab n a-A-a a-An-a+(n-1)aa,杂缩聚：两种单体间的缩聚na-A-a+n b-B-b a-(A-B)n-b+(2n-1)ab体型缩聚：单体至少有一个三个以上的官能团，沿三个方向增长成大分子，形成支链聚合物，缩合成网状结构。,（一）线型缩聚反应的特征,1.形成大分子的逐步性aAa+bBb aABb+abaABb+aAa aABAa+abaABAa+bBb aABABb+abaABb+aABb aABABb+aba ABmb+aABnb a-ABm+n-b+ab,没有活性中心官能团的反应能力与链长短无关体系中存在分子量递增的中间产物,2.缩聚反应的成环,成环与缩聚 一对竞争反应减小成环可能性的方法：增加单体浓度降低反应温度3.缩聚反应的可逆性 平衡,聚合度，反应程度与平衡常数的关系,聚合度与反应程度P:参加反应的官能团数N与初始官能团数目N0的比值P=N/N0 Xn=N0/(N0-N)反应前单体分子总数与反应 后留下分子数之比Xn=1/(1-P)Carothers 方程,反应程度、单体转化率、聚合物收率的区别单体两两结合，转化率 100%反应程度50%聚合度 2 聚合物收率0,P的测定方法：测定析出的小分子滴定未反应的官能团测定体系的黏度,P=0.95 Xn=20 M0=100 Mn=2000Xn=50 P=0.98缩聚反应的分子量一般不超过几万！,线型缩聚反应分子量的控制,(1)任一单体过量，大分子的两端为同一官能团a-(A-B)n-Aab-B-(A-B)n-b(2)加入单一官能团分子作稳定剂R-a,R-ba-(A-B)n-R,R-(A-B)n-b,a-(A)n-R,R-(A)nb,聚酯和聚酰胺的反应中常常加入醋酸？,聚合度与平衡常数,封闭体系中Xn k越大，小分子除得越尽，Xn越大。决定缩聚反应物分子量的主要因素是P在低分子反应中，可逆反应的平衡常数只影响产率，而在高分子中影响分子量,=,K=,Xn=,=,=,=,4 缩聚的终止,物理因素 体系黏度增加，不易去除小分子化学因素 原料不等量 官能团发生副反应温度:温度 有利于小分子的去除压力:有利于小分子的去除,(二)体型缩聚反应,1 凝胶化现象与凝胶点反应达到一定程度时，体系黏度突然上升，以致出现不溶的凝胶，称为凝胶化现象。此时的反应程度称为凝胶点。线型结构向网状结构的转折凝胶点刚出现：体系：两种缩聚物组成。网状结构，不溶于溶剂，凝胶。线型或支链型，溶于溶剂，溶胶,影响凝胶点的因素：,官能团的反应活性凝胶点的测定黏度法DSC理论预测Carothers法：,五 聚合方法,(一)本体聚合体系：单体，少量引发剂，其他助剂（颜料，增塑剂，润滑剂）优点：设备简单 反应快，产率高 纯度高，透明性好 直接成型,缺点：黏度大，反应温度难控制 反应不均匀，分子量分布宽 爆聚自由基聚合 离子型聚合有机玻璃聚苯乙烯,(二)悬浮聚合（珠状聚合）,溶解有引发剂的单体以微珠形式悬浮于介质中（水）的聚合单体：不溶于水体系：单体，油溶性引发剂，水，悬浮剂优点：水为介质，成本低 散热好 后处理简单，适合大规模生产缺点：产品纯度差 悬浮聚合不适用于离子型聚合,(三)溶液聚合,单体在某种溶剂中进行的聚合反应体系：单体，溶剂，引发剂优点：聚合温度易控制 不易生成交联，支化产物 易控制分子量，分布均匀缺点：后处理麻烦，聚合物收率低，分子量低自由基聚合，离子型聚合,(四)乳液聚合,单体以机械搅拌及在乳化剂的作用下，分散在水中进行聚合。体系：单体，水，乳化剂，水溶性引发剂单体：油相，较强的吸电子基或推电子基引发剂：水溶性的过氧化物 乳液聚合不适用于离子型聚合,优点：聚合速率快 分子量高，较其他方式高 聚合物分子量分布均匀 散热容易，成本低，经济，安全 体系黏度低缺点：纯度低，介电性能差，透明度差不适用于离子型聚合水溶性单体，易水解单体进行乳液聚合？,乳液聚合与悬浮聚合的比较,分散剂不同引发剂加入方式不同 悬浮聚合：加入到单体中 乳液聚合：加入到水中悬浮聚合反应在单体的微粒中进行乳液法在乳化剂形成的胶束中进行,(五)界面缩聚,两种单体分别溶于互不相溶的溶剂中，在两相界面处发生的缩聚反应Schotten-Baumann 反应水相 二元胺（NaOH溶液）有机相 酰氯-CCl4制备微囊,优点：反应条件温和 常压 设备简单缺点：单体很活泼，生产量小，易腐蚀设备,(六)辐射聚合,体系：单体，辐射源优点：产品纯度高缺点：设备要求高,第二节 聚合物的化学反应,等官能度反应聚合度增大的反应聚合度变小的反应,一.聚合物化学反应的特征,(一)特征(二)影响官能团反应能力的因素(高分子效应)1.结晶效应2.溶解度效应3.邻近基团效应4.几率效应5.立构效应,OH-,(三)聚合物化学反应的应用,聚甲基丙烯酸酯水解等规立构间规立构？,间同立构（syndiotactic)间规聚合物全同立构（isotactic)等规聚合物无规立构(atactic)无规聚合物,阻燃剂,二 聚合物的降解与老化 聚合物降解是指在热、光、机器力、化学试剂、微生物等外界因素作用下。聚合物发生分子链无规断裂，侧基和低分子的消除等反应，致使聚合度和分子量下降的现象。热降解1.解聚。末端，链增长的逆反应，端基断裂，得到产物是原来单体及低聚物。2.无规断裂,3.取代基的消除 取代基首先发生消去反应，在主链上形成双键或是链与链之间产生交联。,其它降解,光降解：主要指在紫外线辐射下发生降解反应，高聚物中必须含有与紫外光一定波长相适应的特定官能团或发色基团，光降解导致高聚物产生交联和裂解两种结果。并不是所有高聚物在任何情况下紫外线都能使之降解机械降解：通过机械作用使聚合物主链断裂，分子量降低化学试剂分解:聚合物在水，氧等作用下发生分解反应。如主链含有酯键、酰胺键等的聚合物在酸和碱的作用下发生水解反应。纤维素在稀酸中，80-100下可水解生成聚合度较低的产物。,生物降解反应,生物降解(Biodegradation):指聚合物在生物环境中（水、酶、微生物等作用下）大分子的完整性受到破坏，产生碎片或其他降解产物的现象。降解特征：分子量下降。根据来源不同可分为天然和合成两类天然：蛋白质、壳聚糖、纤维素、右旋糖酐等 合成：聚酯、聚酰胺、聚原酸酯、聚酸酐、聚氨基酸、聚磷腈等,手术缝合线、药物植入型控释制剂和注射用控释制剂。,聚乙醇酸PGA制得的Dexon为世界上第一个合成的手术缝合线。也是最早用于骨折内固定的聚合物之一。目前基于PLA、PLGA的缓释制剂已正式上市的产品有三种：戈舍瑞林(goserelin)Zoladex,为皮下植入剂。亮丙瑞林（leuprolide）微球Lupron,冻干粉针或肌肉注射混悬剂。曲普瑞林（tritorelin）微球Decapeptyl，冻干粉针或肌肉注射混悬剂。卡氮芥BCNU-P(CPP-SA)控释片（Gliadel）于1996年被FDA批准用于治疗复发性恶性脑胶质瘤。聚酸酐,乙醇酸 乙交酯 聚乙醇酸（PGA）,乳酸 丙交酯 聚乳酸（PLA）,乳酸-乙醇酸共聚物,化学降解聚合物主链上具有不稳定键如酯键、酰胺键等发生断裂，生成小分子的水溶性产物；侧链水解，使整个聚合物溶解；聚合物具有交联网络，不稳定的交联链断裂，释放出可溶解的聚合物碎片；以上三种形式的综合表现。,降解机制,物理降解降解仅仅发生在聚合物材料表面，表面降解(surface degradation)或非均匀降解（heterogeneous degradation）；聚合物的内部和外部以相同的速度同时发生降解，本体降解(bulk degradation)或均一降解（homogeneous degradation）。,降解方式：取决于水解速度和水在聚合物内部的渗透 速度。水解速度慢于水渗透速度时，发生本体降解反之，发生表面降解。聚酸酐和聚原酸酯属于表面降解材料。其他都为本体降解型。,在给药系统中，理想的表面降解所表现的药物释放速度同装置的表面积成正比，并且可以减少释放前药物与水分子的作用，有利于对水敏感的药物。药物释放速率仅为降解所控制，并且药物释放装置的外形保持不变，则可按零级释放药物。,聚合物性能的影响,影响聚合物降解水解的速度因素,化学键的类型 主链结构：水解速度：聚酸酐聚原酸酯聚酯聚酰胺聚烃 降解速度与材料对水的渗透性：聚乳酸 聚乙醇酸？结晶度和分子量结晶度：结晶型降解慢分子量：直接影响：链长度 更多键的断裂 分子量增加，降解时间长 间接影响：分子量对玻璃化温度的影响。分子量高，Tg升高，降解慢？玻璃态 高弹态？,pH 重要因素 改变介质的pH可以使降解速度呈数量级改变。药物会改变聚合物的降解速度。聚合物的降解产物具有酸碱官能团，随着降解反应的发生，体系的pH不断改变，降解速度也发生变化。共聚物的组成共聚物的组成:影响玻璃化转变温度、亲水亲油值及空间效应的改变，从而影响降解速度。共聚物中各官能团也可影响降解速度。,酶降解多数天然的生物降解聚合物可以经酶催化而被动或主动的水解。微生物对聚合物的酶降解也有影响生物系统也会影响生物降解和生物溶蚀过程植入剂植入后免疫系统的细胞会影响溶蚀过程残留单体和其他水分子物质的存在小分子，特别是一些酸、碱、增塑剂等添加剂的存在，增加链的柔性，改变环境的pH值，对降解速度影响很大。严格控制或避免添加剂的使用。其它因素制品尺寸的大小、加工和消毒方法等因素也会影响降解速度。,用于控释制剂材料的物理性质分子量及多分散性：玻璃化温度：玻璃化温度应大于37机械强度：植入 Tg 取向 结晶度 分子量溶解性：浇注成型 无毒溶剂 体液溶解度渗透性：Tg或密度 估计 药物在水、聚合物溶解性 聚合物亲水性 可灭菌性 注射 植入载药量：要适当，一般可加至3050。生物相容 降解产物无毒、可吸收,（四）聚合物的老化与防老化,聚合物在使用和保存过程中性能变坏的现象称为老化防老化剂:光屏蔽剂、光稳定剂和抗氧化剂,第三章 高分子材料的物理化学性质,第一节 高分子溶液的理化性质一、溶胀与溶解稀溶液：5%以下溶胀：溶剂分子渗入高分子内部，使其体积膨胀。无限溶胀 溶解有限溶胀 两相平衡,二.溶解热力学,Gm=Hm-T Sm0|Hm|T|Sm|T 或 Hm Vm=0 HmV12(E1/V1)1/2-(E2/V2)1/22HmV12(1-2)21 2 溶度参数：=(CED)1/2 1-2=1.5,的测定方法:黏度法溶剂:溶度参数与聚合物相近 同一浓度、同一温度 测特性黏度最大 溶胀度溶胀度最大的溶剂对应的重复单元中各基团的摩尔引力常数F计算而得2=F/V,三、溶剂的选择1、溶度参数原则非晶态非极性高分子溶于非极性溶剂:1-2=1.5混=1 1+2 2,2、极性相似原则非晶态的极性高分子HmV121 2(1-2)2+(1-2)2 极性 非极性晶态的非极性高分子:结晶部分熔融 破坏晶格晶态的极性高分子:强极性溶剂 放热，破坏晶格氢键?,3、溶剂化原则,溶度参数相近时，有时也不能很好的互溶PVC CH2Cl 相近 不能溶解 溶于环己酮？考虑高分子及溶剂的亲电，亲核性能 强亲电性能溶剂可和强亲核性高分子进行溶剂化而互溶。极性溶剂分子和聚合