CN101016372A - 一种聚乳酸与氨基聚糖接枝共聚材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种聚乳酸与氨基聚糖接枝共聚材料的制备方法，依次包括如下步骤：A.将氨基聚糖进行改性，保护分子中氨基；分别对氨基聚糖分子的伯羟基，仲羟基进行保护性反应，得到可溶解于有机溶剂并且在丙交酯或乙交酯聚合温度下可熔融的改性多糖；B.将改性后的多糖与丙交酯或乙交酯在催化剂作用下实现溶液聚合或熔融聚合，得到改性多糖与聚乳酸或聚乙醇酸的共聚物；C.将改性多糖与聚乳酸或聚乙醇酸的共聚物分子的保护基脱除。本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：具有工艺简单、操作简便、生产成本低，产品纯度高的特点，非常适合产业化。
Description
技术领域
本发明涉及一种聚乳酸与氨基聚糖接枝共聚材料的制备方法。
背景技术
聚乳酸属于可生物降解的高分子材料，具有良好的生物相容性，广泛用于生物医学材料及制品，包括可降解手术缝合线、药物缓释载体、用于手术治疗的各种骨科固定装置、人工器官、细胞和组织生长支架等。但是，纯粹的聚乳酸材料亲水性能和表面性能差，影响细胞在材料表面的黏附；结构功能单一，不能携带上一些特殊的有生物活性的功能基团；降解过程中还有酸性物质的产生，会引起较为严重的炎症反应，使聚乳酸材料的应用受到了很大的限制，促使聚乳酸材料的改性研究得到重视和发展。
氨基聚糖是一种广泛存在于人体内的粘性多糖，具有良好的生物相容性和降解性能；糖基还是细胞之间以及细胞与细胞外基质之间特异性识别、信号传递、调控等细胞生物学功能的重要体现者。构成细胞信号传递系统的一系列蛋白质，包括特异性受体(细胞膜、细胞核)、G蛋白、产生第二信使的效应器蛋白、蛋白激酶、靶功能蛋白质和调节蛋白等，而糖基与这些蛋白质具有良好的亲合性，有些蛋白多糖还可以起到类似受体的作用。例如：壳聚糖结构中的N-乙酰基葡糖胺存在于ECM中的糖胺聚糖(GAGs)如透明质酸中。除此之外糖与人体的主要遗传物质DNA和RNA有良好的亲合性，可用作基因载体。而发展基因治疗的关键在于开发安全，有效并具有优良特性的非病毒基因转运载体系统，近年来对壳聚糖的研究证明，壳聚糖除了具有可生物降解性和低细胞毒性等优越性之外，还具有独特的跨细胞膜能力。
综上所述，采用糖基对聚乳酸材料改性，可获得一种新型高分子材料，进一步拓宽聚乳酸类合成高分子在生物医学领域的应用。带有羟基氨基等亲水性的活性基团的糖基的引入，能改善聚乳酸材料的亲水性能，并使共聚材料获得良好的生物活性。有望实现对细胞外基质进行人工模拟，从而调控材料与细胞的识别特性，增强材料生物相容性和细胞与材料的黏附特性等。
现有的聚乳酸改性主要集中在几个方面：1)将聚乳酸与其它亲水性材料进行掺杂和共混，如聚乳酸和甲壳素、胶原、羟基磷灰石、磷酸钙等材料的复合；2)聚乳酸的接枝改性，如聚乳酸与亲水性高分子材料聚乙二醇、聚乙烯醇、聚氧化乙烯、氧化丙烯等材料的接枝共聚；3)聚乳酸材料的表面涂层技术，如表面涂覆白蛋白、胶原蛋白、纤粘连蛋白和层粘连蛋白等。
现有的聚乳酸改性技术中，未发现有聚乳酸与糖类物质采用接枝聚合技术制备的新材料。
与本申请专利最为接近的专利技术包括以下四项：
| 1 | 申请号03116747.0 | 改进生物医用装置表面抗凝血性能的涂层液及涂层法 |
| 2 | 申请号02104071.0 | 生物可降解的药物复合高分子支架材料的制备方法 |
| 3 | 申请号03139637.2 | 生物活性三维多孔组织工程支架材料及其制备方法 |
| 4 | 申请号200610018962.5 | 多孔、分层、三维空间多级结构的组织支架材料及其制备方法 |
作为生物医学材料使用时，糖分子中的活性基团如羟基以及氨基、羧基等可使该共聚物材料进行化学修饰，具备许多独特的生物活性。其次，在人体内蕴含大量的糖类成分，如细胞外基质多糖中就包括透明质酸、肝素、硫酸软骨素、硫酸角质素等，它们在维持细胞形态、结构、功能以及信号传递等方面起着重要作用。因此，聚乳酸或聚乙醇酸或其共聚物与糖类分子的复合材料在生物医学材料领域具有广阔的应用前景。
但是，由于糖类分子的特定结构，很难与聚乳酸直接形成接枝共聚材料。故现有技术都是采用糖类物质对聚乳酸进行涂层、吸附、包埋、共混等物理方式结合，这些材料在应用过程中，糖类物质很容易降解、流失，材料的机械性能也非常差，加工成型技术复杂、要求较高。
发明内容
本发明针对上述现有技术存在的不足，提供一种聚乳酸与氨基聚糖接枝共聚材料的制备方法，该方法制备的聚乳酸类聚酯高分子材料具备良好的亲水性、生物活性、细胞与组织相容性以及生物可降解性等优良特性。
为达上述目的，本发明采用如下的技术方案：本发明的一种聚乳酸与氨基聚糖接枝共聚材料的制备方法包括以下步骤：
A、将氨基聚糖进行改性，保护分子中伯氨基；分别对氨基聚糖分子的伯羟基，仲羟基进行保护性反应，得到可溶解于有机溶剂并且在丙交酯或乙交酯聚合温度下可熔融的改性多糖；
B、将改性后的多糖与丙交酯或乙交酯在催化剂作用下实现溶液聚合或熔融聚合，得到改性多糖与聚乳酸或聚乙醇酸的共聚物；
C、将共聚物分子的保护基脱除，得到聚乳酸与氨基聚糖接枝共聚材料。
所述的聚乳酸包括聚乳酸、聚乙醇酸及两者的共聚物。
所述的氨基聚糖是壳聚糖、硫酸软骨素、肝素、透明质酸、硫酸皮肤素、硫酸角质素等细胞外基质多糖或淀粉、纤维素、海藻糖等大分子多糖。
所述步骤B中催化剂可以是辛酸亚锡、氯化亚锡、氯化铝、烷基铝、其它有机金属化合物以及路易斯酸类。优选辛酸亚锡的石油醚溶液。
作为优选方案，所述步骤A中得到的改性多糖是N-邻苯二甲酰基-6-O-三苯甲基壳聚糖或N-邻苯二甲酰基-O-三甲基硅烷基硫酸软骨素。
所述步骤A中，氨基聚糖可以这样改性：
取干燥壳聚糖细粉，邻苯二甲酸酐，与DMF(二甲基甲酰胺)混合，80～130℃，N2保护，搅拌反应至体系呈清亮的溶液；将反应产物倒入冰水中，过滤收集沉淀，用乙醇洗涤，真空干燥，得产物N-邻苯二甲酰基壳聚糖；将所得N-邻苯二甲酰基壳聚糖溶解于吡啶中；同时将三苯基氯甲烷溶解于吡啶中；将两种溶液混合后，60～110℃，N2保护下，搅拌反应，冷却到室温后将产物倒入乙醇中，过滤收集沉淀，再用乙醇和乙醚洗涤，真空干燥，得到浅灰色固体产物N-邻苯二甲酰基-6-O-三苯甲基壳聚糖。
氨基聚糖也可以这样改性：
将干燥硫酸软骨素细粉于KOH溶液中，60～140℃搅拌，过滤，滤渣用水洗后加入HCl中和，干燥后得脱乙酰基硫酸软骨素；在脱乙酰基硫酸软骨素中，加入邻苯二甲酸酐，与DMF(二甲基甲酰胺)混合，80～130℃，N2保护，搅拌反应至体系呈清亮的溶液；将反应产物倒入冰水中，过滤收集沉淀，用乙醇洗涤，真空干燥，得产物N-邻苯二甲酰基硫酸软骨素；将N-邻苯二甲酰基硫酸软骨素溶解于吡啶中；同时取三甲基氯硅烷溶解于吡啶中；将两种溶液混合后，60～110℃，N2保护下，回流；冷却到室温后将产物倒入乙醇中，过滤收集沉淀，再用乙醇和乙醚洗涤，真空干燥；得到浅黄色粉末N-邻苯二甲酰基-O-三甲基硅烷基硫酸软骨素。
所述步骤B中，改性多糖与丙交酯或乙交酯是这样聚合得到改性多糖与聚乳酸或聚乙醇酸的共聚物：
将改性后的多糖与丙交酯或乙交酯或两者混合物，按(0.5～99.5)∶(99.5～0.5)的比例混合，在催化剂作用下，90～180℃温度下封管聚合，反应中止后，用CHCl3充分溶解，将溶液倒入大量乙醇中，过滤收集沉淀，再用丙酮洗涤，除去聚乳酸的均聚物后，真空干燥后重得改性壳聚糖于聚乳酸的共聚物产物。
所述步骤C中，是这样将共聚物分子的保护基脱除，得到聚乳酸与氨基聚糖接枝共聚材料的：
将改性壳聚糖于聚乳酸的共聚物产物磨成细粉状，加入水合肼和蒸馏水混合，N2保护下，60～100℃搅拌下进行反应，反应中止后加入大量蒸馏水悬浮，离心分离沉淀，沉淀物继续用乙醇和乙醚洗涤、脱水、真空干燥，将干燥后的沉淀物悬浮于盐酸溶液中，室温下搅拌反应，离心分离出沉淀物，蒸馏水洗涤三次。继续用乙醇、乙醚洗涤，真空干燥后即得。
本发明是通过分子设计的原理，将聚乳酸、聚乙醇酸的单体如丙交酯、乙交酯或两者的混合物与经过改性的糖分子通过接枝聚合反应即化学反应的方式形成新材料，而不是几种材料的简单混合。新材料具有不同于单一材料的特殊性能，且便于在制备过程中对材料性能进行调控。
主要工艺技术路线如下：
本发明相对与现有技术具有以下优点：
(1)可以实现粘多糖类物质与聚乳酸的接枝聚合，接枝反应效率高；
(2)接枝聚合反应可以在溶液也可以在熔融状态下进行；
(3)可以保持粘多糖分子中的氨基在共聚物中仍然保留；
(4)通过分子设计方法可以控制聚乳酸分子链在粘多糖分子上的接枝位点；
(5)可以在较大范围内控制共聚物材料的亲水性；
(6)本工艺技术适合于大多数粘多糖与多糖类材料与聚乳酸等聚酯类材料的接枝共聚物的制备。包括壳聚糖、硫酸软骨素、肝素、透明质酸、硫酸皮肤素、硫酸角质素等细胞外基质多糖及淀粉、纤维素、海藻糖等大分子多糖。
(7)易于实现规模化放大。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
(1)将氨基聚糖进行改性，保护分子中伯氨基：
称取约2g干燥壳聚糖细粉，7g邻苯二甲酸酐，与40ml DMF(二甲基甲酰胺)混合，120～130℃，N2保护，搅拌反应约7h，至体系呈清亮的溶液。趁热将反应产物倒入大量冰水中，过滤收集沉淀，用乙醇洗涤两次，80℃下真空干燥10h。称重，得产物I(N-邻苯二甲酰基壳聚糖)4.89g。
(2)分别对氨基聚糖分子的伯羟基、仲羟基进行保护性反应，得到可溶解于有机溶剂并且在丙交酯或乙交酯聚合温度下可熔融的改性多糖：
称取制备的N-邻苯二甲酰基壳聚糖约2.5g，溶解于30ml吡啶中；同时称取三苯基氯甲烷24g，溶解于20ml吡啶。将两种溶液混合后，95℃，N2保护下，搅拌反应24h。冷却到室温后将产物倒入400ml乙醇中，过滤收集沉淀，再用乙醇和乙醚洗涤，真空干燥10h。得到浅灰色固体产物II(N-邻苯二甲酰基-6-O-三苯甲基壳聚糖)5.2g。
(3)N-邻苯二甲酰亚胺基-6-O-三苯甲基壳聚糖与丙交酯的共聚
分别称取产品II和D，L-丙交酯，按(0.5～99.5)∶(99.5～0.5)的比例混合，加入辛酸亚锡的石油醚溶液作为催化剂，130℃下封管聚合24h。反应中止后，用CHCl3充分溶解，将溶液倒入大量乙醇中，过滤收集沉淀，再用丙酮洗涤，除去聚乳酸的均聚物后，产品真空干燥。称重得改性壳聚糖于聚乳酸的共聚物产物III。
(4)保护基的脱除
将产物III研磨成细粉状，称取约1g，加入水合肼10ml和蒸馏水20ml混合，N2保护下，95℃搅拌反应4h。反应中止后加入大量蒸馏水悬浮，离心分离沉淀。沉淀物继续用乙醇和乙醚洗涤、脱水，真空干燥得产物IV(6-O-三苯甲基壳聚糖/聚乳酸共聚物)。
产物IV悬浮于0.1mol/l HCl溶液中，室温下搅拌反应10h。离心分离出沉淀物，蒸馏水洗涤三次。继续用乙醇、乙醚洗涤，真空干燥得产物V(壳聚糖/聚乳酸共聚物)。
实施例2：
(1)将氨基聚糖进行改性，保护分子中伯氨基：
称取约2g干燥硫酸软骨素细粉，于45％的KOH溶液中，90℃搅拌过夜，过滤，滤渣用大量水洗后加入HCl中和，干燥后得脱乙酰基硫酸软骨素约1.5g。
(2)分别对氨基聚糖分子的伯羟基，仲羟基进行保护性反应，得到可溶解于有机溶剂并且在丙交酯或乙交酯聚合温度下可熔融的改性多糖：
在1.5g脱乙酰基硫酸软骨素中，加入5g邻苯二甲酸酐，与50ml DMF(二甲基甲酰胺)混合，120～130℃，N2保护，搅拌反应约7h，至体系呈清亮的溶液。趁热将反应产物倒入大量冰水中，过滤收集沉淀，用乙醇洗涤两次，80℃下真空干燥10h。称重，得产物A(N-邻苯二甲酰基硫酸软骨素)1.8g。
(3)N-邻苯二甲酰基-O-三甲基硅烷基硫酸软骨素的制备
称取制备的N-邻苯二甲酰基硫酸软骨素1.5g，溶解于30ml吡啶中；同时取三甲基氯硅烷50mL，溶解于20ml吡啶。将两种溶液混合后，95℃，N2保护下，回流4h。冷却到室温后将产物倒入400ml乙醇中，过滤收集沉淀，再用乙醇和乙醚洗涤，真空干燥。得到浅黄色粉末B(N-邻苯二甲酰基-O-三甲基硅烷基硫酸软骨素)2.1g。
(4)N-邻苯二甲酰基-O-三甲基硅烷基硫酸软骨素与丙交酯的共聚
分别称取产品B和D，L-丙交酯，按(0.5～99.5)∶(99.5～0.5)的比例混合，加入辛酸亚锡的石油醚溶液作为催化剂，130℃下封管聚合24h。反应中止后，用CHCl3充分溶解，将溶液倒入大量乙醇中，过滤收集沉淀，再用丙酮洗涤，除去聚乳酸的均聚物后，产品真空干燥。称重得改性壳聚糖于聚乳酸的共聚物产物C。
(5)保护基的脱除
将产物C研磨成细粉状，称取约1g，加入水合肼10ml和蒸馏水20ml混合，N2保护下，95℃搅拌反应4h。反应中止后加入大量蒸馏水悬浮，离心分离沉淀。沉淀物继续用乙醇和乙醚洗涤、脱水，真空干燥得产物D(O-三甲基硅烷基脱乙酰基硫酸软骨素/聚乳酸共聚物)。
产物D悬浮于0.1mol/l HCl溶液中，室温下搅拌反应10h。离心分离出沉淀物，蒸馏水洗涤三次。继续用乙醇、乙醚洗涤，真空干燥得产物E(脱乙酰基硫酸软骨素/聚乳酸共聚物)。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1、一种聚乳酸与氨基聚糖接枝共聚材料的制备方法，其特征在于依次包括如下步骤：
A、将氨基聚糖进行改性，保护分子中氨基；分别对氨基聚糖分子的伯羟基，仲羟基进行保护性反应，得到可溶解于有机溶剂并且在丙交酯或乙交酯聚合温度下可熔融的改性多糖；
B、将改性后的多糖与丙交酯或乙交酯在催化剂作用下实现溶液聚合或熔融聚合，得到改性多糖与聚乳酸或聚乙醇酸的共聚物；
C、将共聚物分子的保护基脱除，得到聚乳酸与氨基聚糖接枝共聚材料。
2、根据权利要求1所述的聚乳酸与氨基聚糖接枝共聚材料的制备方法，其特征在于：所述的聚乳酸包括聚乳酸、聚乙醇酸及两者的共聚物。
3、根据权利要求2所述的聚乳酸与氨基聚糖接枝共聚材料的制备方法，其特征在于：所述的氨基聚糖是壳聚糖、硫酸软骨素、肝素、透明质酸、硫酸皮肤素或硫酸角质素。
4、根据权利要求1所述的聚乳酸与氨基聚糖接枝共聚材料的制备方法，其特征在于：所述步骤B中催化剂为辛酸亚锡、氯化亚锡、氯化铝或烷基铝。
5、根据权利要求1所述的聚乳酸与氨基聚糖接枝共聚材料的制备方法，其特征在于：所述步骤A中得到的改性多糖是N-邻苯二甲酰亚胺基-6-O-三苯甲基壳聚糖或N-邻苯二甲酰基-O-三甲基硅烷基硫酸软骨素。
6、根据权利要求1所述的聚乳酸与氨基聚糖接枝共聚材料的制备方法，其特征在于所述步骤A中氨基聚糖是这样改性的：
取干燥壳聚糖细粉，邻苯二甲酸酐，与DMF(二甲基甲酰胺)混合，120～130℃，N2保护，搅拌反应至体系呈清亮的溶液；将反应产物倒入冰水中，过滤收集沉淀，用乙醇洗涤，真空干燥，得产物N-邻苯二甲酰基壳聚糖；将所得N-邻苯二甲酰基壳聚糖溶解于吡啶中；同时将三苯基氯甲烷溶解于吡啶中；将两种溶液混合后，60～110℃，N2保护下，搅拌反应，冷却到室温后将产物倒入乙醇中，过滤收集沉淀，再用乙醇和乙醚洗涤，真空干燥，得到浅灰色固体产物N-邻苯二甲酰基-6-O-三苯甲基壳聚糖。
7、根据权利要求1所述的聚乳酸与氨基聚糖接枝共聚材料的制备方法，其特征在于所述步骤A中氨基聚糖是这样改性的：
将干燥硫酸软骨素细粉于KOH溶液中，60～140℃下搅拌，过滤，滤渣用水洗后加入HCl中和，干燥后得脱乙酰基硫酸软骨素；在脱乙酰基硫酸软骨素中，加入邻苯二甲酸酐，与DMF(二甲基甲酰胺)混合，120～130℃，N2保护，搅拌反应至体系呈清亮的溶液；将反应产物倒入冰水中，过滤收集沉淀，用乙醇洗涤，真空干燥，得产物N-邻苯二甲酰基硫酸软骨素；将N-邻苯二甲酰基硫酸软骨素溶解于吡啶中；同时取三甲基氯硅烷溶解于吡啶中；将两种溶液混合后，60℃～110℃，N2保护下，回流；冷却到室温后将产物倒入乙醇中，过滤收集沉淀，再用乙醇和乙醚洗涤，真空干燥；得到浅黄色粉末N-邻苯二甲酰基-O-三甲基硅烷基硫酸软骨素。
8、根据权利要求1所述的聚乳酸与氨基聚糖接枝共聚材料的制备方法，其特征在于所述步骤B中，改性多糖与丙交酯或乙交酯是这样聚合得到改性多糖与聚乳酸或聚乙醇酸的共聚物：
将改性后的多糖与丙交酯或乙交酯，按(0.5～99.5)∶(99.5～0.5)的比例混合，在催化剂作用下，90～180℃下封管聚合，反应中止后，用CHCl3充分溶解，将溶液倒入大量乙醇中，过滤收集沉淀，再用丙酮洗涤，除去聚乳酸的均聚物后，真空干燥后重得改性壳聚糖于聚乳酸的共聚物产物。
9、根据权利要求1所述的聚乳酸与氨基聚糖接枝共聚材料的制备方法，其特征在于所述步骤C中，是这样将共聚物分子的保护基脱除，得到聚乳酸与氨基聚糖接枝共聚材料的：
将改性壳聚糖于聚乳酸的共聚物产物磨成细粉状，加入水合肼和蒸馏水混合，N2保护下，60至100℃搅拌下进行反应，反应中止后加入大量蒸馏水悬浮，离心分离沉淀，沉淀物继续用乙醇和乙醚洗涤、脱水、真空干燥，将干燥后的沉淀物悬浮于HCl溶液中，室温下搅拌反应，离心分离出沉淀物，依次用蒸馏水、乙醇、乙醚洗涤，真空干燥后即得。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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Granted publication date: 20090930 Termination date: 20120201 |