形貌可控CaCO3固定的酶催化PDO开环聚合及其原位复合材料的结构与性能研究

本项目拟将脂肪酶固定在利用离子液体可控合成的具有特殊形貌和尺寸的碳酸钙上，然后用其来催化对二氧环己酮（PDO）开环聚合。由于无金属残留，使聚对二氧环己酮（PPDO）作为医用材料更加安全。通过调节碳酸钙的形貌、尺寸以及不同固定方式获得具有较高活性的酶催化体系，并对其催化PDO开环聚合的机理进行探。同时作为脂肪酶载体的碳酸钙还将与PPDO形成复合材料，对其热性能、结晶性能、力学性能、流变行为、降解性能、生物相容性、骨形态发生蛋白的释放及新骨的生成产生重要影响。碳酸钙的引入不仅可以缓冲PPDO的酸性降解产物，同时它的骨诱导性可提供良好的骨细胞生长环境；不同形貌则为细胞生长、组织再生提供条件，从而更加符合骨组织工程材料的生物学要求。运用多种手段研究碳酸钙的形貌和尺寸对酶活性、载酶效率以及对所形成的复合复合材料性能的影响，揭示出其结构与性能的内在联系，为扩宽PPDO在骨组织上的应用奠定科学基础。

本项目首先利用不同种类的室温离子液体作为晶体生长的调控剂制备了具有不同形貌（蒲公英状、蚕茧状和半球状）和晶型（方解石、球文石和文石）的碳酸钙，研究了碳酸钙生长矿化条件，并提出离子液体控制碳酸钙晶体生长的机理。然后以不同形貌碳酸钙（包含市售的碳酸钙）为载体对猪胰脂肪酶（PPL）进行了固定化研究，并对固定化酶的热稳定性、pH稳定性以及贮存稳定性进行了研究。结果显示，这类碳酸钙由于表面形貌结构复杂、比表面积大，作为载体时所固定的酶的活性要比普通碳酸钙固定的酶的活性大很多，同时具有更好的pH和热稳定性以及贮存稳定性。还详细研究了固定后PPL催化对二氧环己酮（PDO）开环聚合的反应条件，发现固定在特殊形貌碳酸钙上的PPL的催化活性获得了明显提高，反应96小时后，PPDO的粘均分子量达到11700 g mol-1。热力学及动力学研究结果显示，酶催化PDO开环聚合的反应焓及反应熵分别为-19 kJ•mol-1和-66 J•K-1•mol-1。聚合反应与单体浓度呈一级动力学关系，其表观活化能为45.3 kJ•mol-1（小于有机金属化合物引发的PDO的开环聚合），说明酶催化PDO开环聚合较易进行，但链增长却较慢，同样遵循单体活性机理。最后，对所制备的PPDO/CaCO3复合材料的各项性能进行了全面研究。特殊形貌碳酸钙由于具有较大的比表面积，同时聚合过程中PDO可以渗入其纳米棒的孔洞之中，提高了其与PPDO的相容性。SEM照片显示，碳酸钙在PPDO中均匀分散，与PPDO基体没有明显的相分离。添加3wt%碳酸钙就可以同时提高PPDO的拉伸强度和断裂伸长率。XRD和DSC结果显示，碳酸钙的加入起到了成核剂的作用，明显提高了PPDO的结晶度。此外，碳酸钙的加入还提高了PPDO的热稳定性。亲水的碳酸钙的引入促进了PPDO的降解，改善了PPDO降解不连续的缺点，同时缓解了PPDO降解过程中酸性物质的产生，有利于消除无菌炎症的发生。特殊形貌碳酸钙的引入更有助于L929细胞的吸附生长，MTT数据显示，L929细胞在PPDO及其与碳酸钙的复合材料具有良好的生物相容性。在研究过程中，还将所制备的特殊形貌的碳酸钙拓展到PCL中，同样取得了很好的增强增韧效果，并且将PCL的熔点至少提高了10 oC。发表期刊论文9篇，其中SCI收录刊物论文8篇，其它论文1篇，申请国家发明专利2项。