生物降解型聚酯的单分子力谱研究

Biodegradable polyesters have become one of the most promising biomaterials, due to its excellent biodegradability and biocompatibility. However, some of the specific applications of polyesters are limited by the defects of processing property and thermal stability. Therefore, it is necessary to deeply understand the effects of the interactions of inter- and intra-molecules on macroscopic materials properties at the molecular level. To date, atomic force microscopy based single molecule force spectroscopy (AFM-SMFS) has been widely used as a powerful tool for the study of micro-mechanical behavior of polymers. In this proposal, by using the AFM-SMFS method, we will systematically study a series of typical biodegradable polyesters, especially in the aspects of differences of single-molecular mechanical properties among these polyesters, the interactions between the polyesters and water, the interactions among themselves in aggradation states. It is expected that the internal relationships are revealed between the macroscopic mechanical properties, degradability, crystallinity of polyesters and the microscopic mechanical behaviors of single polyester chain. Furthermore, it may provide an explanation for the different macroscopic properties of different polyesters, and new conceptions for designing new polyesters.

生物降解型聚酯由于其优良的生物降解性和相容性，已经成为目前最有发展前途的生物降解材料之一，然而由于其加工性能和热稳定性方面的不足，在很大程度上限制了其实际应用。因此，为了开发和设计更高性能的聚酯材料，需要首先从分子层次上理解其分子内和分子间的相互作用对于其宏观材料性能的影响。近年来，基于原子力显微镜的单分子力谱技术已经逐渐发展成为一种成熟的研究高分子微观尺度力学行为的表征手段，解决了一系列纳米层面上的重要科学问题。本项目即利用单分子力谱作为研究工具，通过制备几种典型生物降解型聚酯的单分子样品，分别研究不同聚酯分子链之间的微观力学性能差异、聚酯分子链与水之间的相互作用、以及聚集态下聚酯分子链之间的相互作用。从分子层次上揭示生物降解型聚酯材料的力学性能、降解性能以及结晶性能与分子链微观力学行为之间的内在联系，提出其聚酯材料不同宏观性能的可能解释，为新型聚酯材料的设计合成提供理论参考和指导。

近年来，随着人们对于自身健康和周围环境问题的日益重视，脂肪族聚酯材料由于其优异的生物相容性和降解性，已经广泛应用于各类医用材料和可植入材料中。这类脂肪族聚酯材料虽有着类似的分子结构，但却因其各自不同的力学性能，从而具备不同的使用性能。为了探究其分子结构与其材料宏观力学性能之间的潜在联系，在国家自然科学基金青年项目的支持下，我们采用基于原子力显微镜的单分子力谱技术，深入研究了几种典型脂肪族聚酯在单分子层次和聚集态的分子内和分子间相互作用力。结果表明，分子结构上的差异对于其单分子链的纯弹性行为影响甚微，它们之间弹性行为的微小差距与主链上碳原子数和旋光性无关，仅仅由于侧链限制主链酯基的旋转而在低力区产生微小差异；但是对其聚集态时的单分子力谱却有着明显的影响，通过形成不同的链内结构和聚集态结构，进而使其形成的宏观材料具有不同的力学性能。通过上述研究，使我们从分子层次上揭示了分子结构与微观力学性能以及宏观力学性能之间的内在联系。