CN101580556B

CN101580556B - 一种壳聚糖为主链的温度敏感两亲性接枝共聚物的制备方法

Info

Publication number: CN101580556B
Application number: CN2009100533397A
Authority: CN
Inventors: 袁伟忠; 赵正达; 李肖飞; 顾书英; 任杰
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2009-06-18
Filing date: 2009-06-18
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2029-06-18
Also published as: CN101580556A

Abstract

本发明属于高分子材料和生物医学工程领域，具体涉及一种壳聚糖为主链的温度敏感两亲性接枝共聚物的制备方法。制备方法是在惰性气体氮气或氩气保护下，利用壳聚糖主链中的羟基或氨基引发环酯类单体的开环聚合，再将所得到的脂肪族聚酯的端羟基或氨基转化为溴基团，并以此为大分子引发剂通过对N-异丙基丙烯酰胺、亲水性烯类单体的原子转移自由基聚合形成温敏性聚合物，最终得到所需产物。本发明的壳聚糖为主链的温度敏感两亲性接枝共聚物，同时具有生物降解性、生物相容性、生物活性和温度敏感性，并可以在水中自组装为稳定纳米胶束，因此在药物控制释放载体、软组织工程支架材料、免疫分析、记忆元件开关、生物传感器等领域具有广泛的应用。本发明所述合成方法简单易行，原料均可工业化生产，具有很好的推广应用价值。

Description

一种壳聚糖为主链的温度敏感两亲性接枝共聚物的制备方法

技术领域

本发明属于高分子材料和生物医学工程领域，具体涉及一种壳聚糖为主链的温度敏感两亲性接枝共聚物的制备方法。

背景技术

壳聚糖是自然界唯一含有氨基的碱性多糖，地球上仅次于纤维素的第二大丰富的天然生物高分子材料，具有优异的生物相容性、生物降解性以及生物活性。但壳聚糖的结构相对简单，功能较为单一，不能满足各领域对其愈来愈高的要求，因而有必要对壳聚糖进行接枝改性拓展其功能。对壳聚糖的接枝改性方法主要有自由基聚合、开环聚合以及原子转移自由基聚合。董常明(Feng，H.；Dong，C.M.Biomacromolecules，2006，7，3069)、方月娥(Liu，L.；Chen，L.X.；Fang，Y.E.Macromol.Rapid Commun.2006，27，1988)等通过开环聚合制备了支链为聚丙交酯、聚己内酯的壳聚糖接枝共聚物。Bai(Li，N.；Bai，R.B.；Liu，C.K.Langmuir，2005，21，11780)则通过原子转移自由基聚合方法制备了支链为聚丙烯酰胺的壳聚糖接枝共聚物。

温度敏感聚合物是一类能够对外界环境温度的细微变化做出响应，并产生相应物理结构以及化学性质变化甚至突变的高分子材料。这类聚合物由于其独特的性能而受到人们的广泛关注。聚(N-异丙基丙烯酰胺)因其侧链上同时具有亲水性的酰胺基和疏水性的异丙基，因而呈现出优异的温度敏感特性。常温下，聚(N-异丙基丙烯酰胺)能溶解于水中形成均匀的溶液，当温度升高至30-35℃之间的某一温度时，溶液发生相分离。到目前为止，聚(N-异丙基丙烯酰胺)成为研究最多的温度敏感性聚合物。

聚(N-异丙基丙烯酰胺)除了能制备均聚物外，还能与多种单体进行共聚制备各类共聚物。Yang(Liu，S.Q.；Tong，Y.W.；Yang，Y.Y.Biomaterials，2005，26，5064.)等将N-异丙基丙烯酰胺与N，N-二甲基丙烯酰胺等亲水性单体进行共聚合，亲水性单体的加入能够有效调节共聚物的LCST，使其LCST更加符合人体病灶部位的温度，进而有效的控制药物的智能释放。此外，聚(N-异丙基丙烯酰胺)也能与己内酯、丙交酯等进行共聚反应制备两亲性共聚物。Kang(Xu，F.J.；Li，J.；Yuan，S.J.；Zhang，Z.X.；Kang，E.T.；Neoh，K.G.Biomacromolecules，2008，9，331.)将羟基封端的线性聚己内酯与2-溴异丁酰溴反应，得到端基含溴的，然后采用原子转移自由基聚合从PCL链末端生长出聚(N-异丙基丙烯酰胺)，制备了ABA型三嵌段共聚物。潘才元(You Y.Z.；Hong C.Y.；Wang W.P.；Lu W.Q.；Pan C.Y.Macromolecules，2004，37，9761.)和卓仁禧(Chang，C.；Wei，H.；Quan，C.Y.；Li Y.Y.；Liu，J.；Wang，Z.C.；Cheng，S.X.；Zhang，X.Z.；Zhuo，R.X.Journal of Polymer Science Part A：Polymer Chemistry，2008，46，3048.)先合将N-异丙基丙烯酰胺与己内酯或丙交酯等共聚合，制备了聚(N-异丙基丙烯酰胺)与聚己内酯或聚乳酸等的嵌段共聚物。

利用壳聚糖的生物相容性、生物降解性以及生物活性，结合开环聚合、原子转移自由基聚合等先进聚合方法，引入生物降解性、温度敏感性链段，可以制备壳聚糖为主链的温度敏感两亲性接枝共聚物，这将在生物医学等领域具有广泛应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种壳聚糖为主链的温度敏感两亲性接枝共聚物的制备方法。

本发明的目的是将可生物降解的脂肪族聚酯和温度敏感性聚合物的嵌段共聚物链段作为支链引入到壳聚糖上，使所获得的接枝共聚物同时具有优异的生物相容性、生物降解性、生物活性、以及温度敏感性。本发明用商品化的壳聚糖、脂肪族酯类单体以及丙烯酰胺类单体，结合开环聚合法和原子转移自由基法，运用聚合机理的转换，制备一系列具有不同低临界溶解温度(LCST)的以壳聚糖为主链的温度敏感两亲性接枝共聚物。

本发明提出的壳聚糖为主链的温度敏感两亲性接枝共聚物的制备方法，具体步骤如下：

将壳聚糖加入反应釜，并分散溶解在溶剂A中，然后向反应釜中加入环内酯或交酯单体B。环内酯或交酯单体B与壳聚糖的质量比为10～200∶1。按照环内酯或交酯单体B总摩尔量的0.01～1％加入催化剂C，在惰性气体氩气或氮气保护下进行聚合反应，聚合温度为80～150℃，聚合时间为10～100小时，将制得的共聚物沉淀并真空干燥，得到羟基封端的壳聚糖接枝共聚物。将该羟基封端的壳聚糖接枝共聚物溶于溶剂D，加入羟基封端壳聚糖接枝共聚物所含端羟基摩尔数1～5倍量的缚酸剂E，在0～15℃下滴加羟基封端壳聚糖接枝共聚物所含端羟基摩尔数1～5倍量的含溴化合物F，滴加时间为20～70分钟，滴加结束后反应温度为10～40℃，反应时间为18～72小时。经过滤，沉淀并真空干燥后，得到溴基封端的壳聚糖接枝共聚物大分子引发剂。将大分子引发剂溶于溶剂G，并按照溴基封端壳聚糖接枝共聚物所含端溴基摩尔数50～500倍的量分别加入单体N-异丙基丙烯酰胺和亲水性单体H，在催化剂I作用下，体系在氩气或氮气保护下反应。反应温度为20～100℃，反应时间为2～48小时。除去催化剂I后，经沉淀、真空干燥后，即得到所需产物。

本发明中，所述溶剂A为N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二乙基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺或二甲基亚砜中的一种或几种。

本发明中，所述环内酯或交酯单体B为L-丙交酯、D-丙交酯、D，L-丙交酯、乙交酯、ε-己内酯、丁内酯、δ-戊内酯、γ-戊内酯或丙内酯中的一种或几种。

本发明中，所述催化剂C为辛酸亚锡、异丙醇铝、钛酸四丁酯、或以锡、锑、锗或铝元素为配位中心形成的螯合以及稀土化合物等开环聚合反应催化剂中任一种。

本发明中，所述溶剂D为氯仿、二氯甲烷、N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二乙基甲酰胺或N，N-二甲基乙酰胺中的一种或几种。

本发明中，所述缚酸剂E为二乙胺、三乙胺、吡啶或乙酸钠中的一种或几种。

本发明中，所述含溴化合物F为2-溴丙酰溴或2-溴异丁酰溴中的一种或两种。

本发明中，所述溶剂G为苯甲醚、N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二乙基甲酰胺或N，N-二甲基乙酰胺中的一种或几种。

本发明中，所述亲水性单体H为N，N-二甲基丙烯酰胺或N，N-二乙基丙烯酰胺中的一种或两种。

本发明中，所述催化剂I为氯化亚铜/联吡啶、溴化亚铜/联吡啶、氯化亚铜/五甲基二乙烯三胺、溴化亚铜/五甲基二乙烯三胺、氯化亚铜/六甲基三亚乙基四胺或溴化亚铜/六甲基三亚乙基四胺中的一种或几种。

本发明的优点在于：原料来源广泛，所用的壳聚糖、亲水性单体和环酯类单体均可工业化生产，合成方法简单易行。合成的以壳聚糖为主链的两亲性接枝共聚物同时具备温度敏感性、生物相容性、可降解性。共聚物的低临界溶解温度(LCST)可以通过加入亲水性单体H或疏水性聚酯链的比例来调节。共聚物可以在水中自组装为稳定纳米胶束。所得共聚物同时具有生物降解性、生物相容性、生物活性和温度敏感性因而在药物控制释放载体、软组织工程支架材料、免疫分析、记忆元件开关、生物传感器等领域具有广泛的应用。

附图说明：

图1：实施例1制备的壳聚糖为主链的温度敏感两亲性接枝共聚物的结构示意图。

具体实施方式

以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明的范围。

该壳聚糖为主链的温度敏感两亲性接枝共聚物的分子结构用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)和核磁共振分析仪(NMR)测定。低临界溶解温度(LCST)用带热台的紫外-可见分光光度计测定，LCST定义为透光率降至初始值的50％时所对应的温度。自组装所得胶束用透射电镜(TEM)与原子力显微镜(AFM)测定。胶束粒径用动态激光光散射仪(DLS)测定。

实施例1

称取壳聚糖1克，用N，N-二甲基甲酰胺分散溶解后，加入ε-己内酯单体10克以及催化剂辛酸亚锡88μmol，经抽真空-充氮气过程3次，并在氮气保护下于120℃油浴中开环聚合24小时。产物用石油醚沉淀，真空干燥，得白色固体壳聚糖接枝聚己内酯产物。称取该壳聚糖接枝聚己内酯产物5克溶于二氯甲烷，加入三乙胺2克，在0℃下滴加2-溴异丁酰溴4克，在10℃下反应72小时。抽滤除盐后经甲醇沉淀，真空干燥，得溴基封端的壳聚糖接枝聚己内酯大分子引发剂。称取溴基封端壳聚糖接枝聚己内酯大分子引发剂2克溶于苯甲醚，加入N-异丙基丙烯酰胺单体5克和N，N-二甲基丙烯酰胺单体1.4克，再加入催化剂溴化亚铜(60毫克)/六甲基三亚乙基四胺(96毫克)，经抽真空-充氮气过程3次，并在氮气保护下于65℃油浴中反应4小时。产物用乙醚沉淀，真空干燥，得白色粉末状壳聚糖为主链的温敏两亲性接枝共聚物。

温敏性可降解接枝共聚物的代表性结构式如附图1所示。

实施例2

称取壳聚糖1克，用N，N-二乙基甲酰胺分散溶解后，加入L-丙交酯单体10.8克以及催化剂辛酸亚锡100μmol，经抽真空-充氩气过程3次，并在氩气保护下于150℃油浴中开环聚合10小时。产物用石油醚沉淀，真空干燥，得白色固体壳聚糖接枝聚(L-丙交酯)产物。称取该产物5克溶于氯仿，加入二乙胺3克，在5℃下滴加2-溴丙酰溴4.8克，在15℃下反应60小时。抽滤除盐后经甲醇沉淀，真空干燥，得溴基封端的壳聚糖接枝聚(L-丙交酯)大分子引发剂。称取溴基封端壳聚糖接枝聚(L-丙交酯)大分子引发剂2克溶于苯甲醚，加入N-异丙基丙烯酰胺单体5.2克和N，N-二乙基丙烯酰胺单体2克，再加入催化剂氯化亚铜(70毫克)/六甲基三亚乙基四胺(112毫克)，经抽真空-充氮气过程3次，并在氩气保护下于20℃油浴中反应48小时。产物用乙醚沉淀，真空干燥，得白色粉末状壳聚糖为主链的温敏两亲性接枝共聚物。

实施例3

称取壳聚糖1克，用N，N-二乙基甲酰胺分散溶解后，加入δ-戊内酯单体11克以及催化剂异丙醇铝20毫克，经抽真空-充氮气过程3次，并在氮气保护下于110℃油浴中开环聚合30小时。产物用石油醚沉淀，真空干燥，得白色固体壳聚糖接枝聚(δ-戊内酯)产物。称取该产物5克溶于N，N-二甲基甲酰胺，加入三乙胺3克，在8℃下滴加2-溴异丁酰溴4.8克，在20℃下反应48小时。抽滤除盐后经甲醇沉淀，真空干燥，得溴基封端的壳聚糖接枝聚(δ-戊内酯)大分子引发剂。称取溴基封端壳聚糖接枝聚(δ-戊内酯)大分子引发剂2克溶于苯甲醚，加入N-异丙基丙烯酰胺单体5.6克和N，N-二甲基丙烯酰胺单体2克，再加入催化剂溴化亚铜(70毫克)/五甲基二乙烯三胺(112毫克)，经抽真空-充氮气过程3次，并在氮气保护下于40℃油浴中反应36小时。产物用乙醚沉淀，真空干燥，得白色粉末状壳聚糖为主链的温敏两亲性接枝共聚物。

实施例4

称取壳聚糖1克，用N，N-二甲基乙酰胺分散溶解后，加入D-丙交酯单体12克以及催化剂钛酸四丁酯18毫克，经抽真空-充氮气过程3次，并在氮气保护下于130℃油浴中开环聚合28小时。产物用石油醚沉淀，真空干燥，得白色固体壳聚糖接枝聚(D-丙交酯)产物。称取该产物5克溶于N，N-二甲基甲酰胺，加入二乙胺2克，在10℃下滴加2-溴丙酰溴5克，在30℃下反应30小时。抽滤除盐后经甲醇沉淀，真空干燥，得溴基封端的壳聚糖接枝聚(D-丙交酯)大分子引发剂。称取溴基封端壳聚糖接枝聚(D-丙交酯)大分子引发剂2克溶于苯甲醚，加入N-异丙基丙烯酰胺单体4克和N，N-二乙基丙烯酰胺单体4克，再加入催化剂溴化亚铜(50毫克)/联吡啶(112毫克)，经抽真空-充氮气过程3次，并在氮气保护下于80℃油浴中反应3小时。产物用乙醚沉淀，真空干燥，得白色粉末状壳聚糖为主链的温敏两亲性接枝共聚物。

实施例5

称取壳聚糖1克，用N，N-二甲基甲酰胺分散溶解后，加入D，L-丙交酯单体12.6克以及催化剂辛酸亚锡130μmol，经抽真空-充氩气过程3次，并在氩气保护下于80℃油浴中开环聚合100小时。产物用石油醚沉淀，真空干燥，得白色固体壳聚糖接枝聚(D，L-丙交酯)产物。称取该产物5克溶于二氯甲烷，加入吡啶2.8克，在12℃下滴加2-溴异丁酰溴4.2克，在35℃下反应24小时。抽滤除盐后经甲醇沉淀，真空干燥，得溴基封端的壳聚糖接枝聚(D，L-丙交酯)大分子引发剂。称取溴基封端壳聚糖接枝聚(D，L-丙交酯)大分子引发剂2克溶于N，N-二甲基甲酰胺，加入N-异丙基丙烯酰胺单体5.8克和N，N-二甲基丙烯酰胺单体2克，再加入催化剂氯化亚铜(80毫克)/五甲基二乙烯三胺(130毫克)，经抽真空-充氩气过程3次，并在氩气保护下于60℃油浴中反应6小时。产物用乙醚沉淀，真空干燥，得白色粉末状壳聚糖为主链的温敏两亲性接枝共聚物。

实施例6

称取壳聚糖1克，用N，N-二乙基甲酰胺分散溶解后，加入γ-戊内酯单体13.2克以及催化剂辛酸亚锡128μmol，经抽真空-充氮气过程3次，并在氮气保护下于140℃油浴中开环聚合26小时。产物用石油醚沉淀，真空干燥，得白色固体壳聚糖接枝聚(γ-戊内酯)产物。称取该产物5克溶于氯仿，加入二乙胺4.4克，在15℃下滴加2-溴丙酰溴5.2克，在40℃下反应18小时。抽滤除盐后经甲醇沉淀，真空干燥，得溴基封端的壳聚糖接枝聚(γ-戊内酯)大分子引发剂。称取溴基封端壳聚糖接枝聚(γ-戊内酯)大分子引发剂2克溶于N，N-二甲基乙酰胺，加入N-异丙基丙烯酰胺单体6.6克和N，N-二乙基丙烯酰胺单体3.2克，再加入催化剂氯化亚铜(80毫克)/联吡啶(130毫克)，经抽真空-充氮气过程3次，并在氮气保护下于100℃油浴中反应2小时。产物用乙醚沉淀，真空干燥，得白色粉末状壳聚糖为主链的温敏两亲性接枝共聚物。

Claims

1.一种壳聚糖为主链的温度敏感两亲性接枝共聚物的制备方法，其具体步骤如下：

将壳聚糖加入反应釜，并分散溶解在溶剂A中，然后向反应釜中加入环内酯或交酯单体B，环内酯或交酯单体B的质量与壳聚糖质量之比为10～200∶1；按照环内酯或交酯单体单体B总摩尔量的0.01～1％加入催化剂C，在惰性气体氩气或氮气保护下进行聚合反应，聚合温度为80～150℃，聚合时间为10～100小时，将制得的共聚物沉淀并真空干燥，得到羟基封端的壳聚糖接枝共聚物；将该羟基封端的壳聚糖接枝共聚物溶于溶剂D，加入羟基封端壳聚糖接枝共聚物所含端羟基摩尔数1～5倍量的缚酸剂E，在0～15℃下滴加羟基封端壳聚糖接枝共聚物所含端羟基摩尔数1～5倍量的含溴化合物F，滴加时间为20～70分钟，滴加结束后反应温度为10～40℃，反应时间为18～72小时，经过滤，沉淀并真空干燥后，得到溴基封端的壳聚糖接枝共聚物大分子引发剂；将溴基封端的壳聚糖接枝共聚物大分子引发剂溶于溶剂G，并按照溴基封端壳聚糖接枝共聚物所含端溴基摩尔数50～500倍的量分别加入单体N-异丙基丙烯酰胺和亲水性单体H，在催化剂I作用下，体系在氩气或氮气保护下反应，反应温度为20～100℃，反应时间为2～48小时，除去催化剂I后，经沉淀、真空干燥后，即得到所需产物；其中：所述环内酯或交酯单体B为L-丙交酯、D-丙交酯、D，L-丙交酯、乙交酯、ε-己内酯、丁内酯、δ-戊内酯、γ-戊内酯或丙内酯中的一种或几种；所述亲水性单体H为N，N-二甲基丙烯酰胺或N，N-二乙基丙烯酰胺中的一种或两种。

2.根据权利要求1所述的壳聚糖为主链的温度敏感两亲性接枝共聚物的制备方法，其特征是所述溶剂A为N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二乙基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺或二甲基亚砜中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的壳聚糖为主链的温度敏感两亲性接枝共聚物的制备方法，其特征是所述催化剂C为辛酸亚锡、异丙醇铝、钛酸四丁酯、或以锡、锑、锗或铝元素为配位中心形成的螯合以及稀土化合物开环聚合反应催化剂中任一种。

4.根据权利要求1所述的壳聚糖为主链的温度敏感两亲性接枝共聚物的制备方法，其特征是所述溶剂D为氯仿、二氯甲烷、N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二乙基甲酰胺或N，N-二甲基乙酰胺中的一种或几种。

5.根据权利要求1所述的壳聚糖为主链的温度敏感两亲性接枝共聚物的制备方法，其特征是所述缚酸剂E为二乙胺、三乙胺、吡啶或乙酸钠中的一种或几种。

6.根据权利要求1所述的壳聚糖为主链的温度敏感两亲性接枝共聚物的制备方法，其特征是所述含溴化合物F为2-溴丙酰溴或2-溴异丁酰溴中的一种或两种。

7.根据权利要求1所述的壳聚糖为主链的温度敏感两亲性接枝共聚物的制备方法，其特征是所述溶剂G为苯甲醚、N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二乙基甲酰胺或N，N-二甲基乙酰胺中的一种或几种。

8.根据权利要求1所述的壳聚糖为主链的温度敏感两亲性接枝共聚物的制备方法，其特征是所述催化剂I为氯化亚铜/联吡啶、溴化亚铜/联吡啶、氯化亚铜/五甲基二乙烯三胺、溴化亚铜/五甲基二乙烯三胺、氯化亚铜/六甲基三亚乙基四胺或溴化亚铜/六甲基三亚乙基四胺中的一种或几种。