CN101649007B

CN101649007B - 壳聚糖季磷盐衍生物及其制备方法

Info

Publication number: CN101649007B
Application number: CN2009103080454A
Authority: CN
Inventors: 郭圣荣; 汪灵; 汤亭亭; 彭兆祥
Original assignee: Shanghai Jiaotong University; Ninth Peoples Hospital Shanghai Jiaotong University School of Medicine
Current assignee: Shanghai Jiaotong University; Ninth Peoples Hospital Shanghai Jiaotong University School of Medicine
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2009-09-30
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2029-09-30
Also published as: CN101649007A

Abstract

一种抗菌药物技术领域的壳聚糖季磷盐衍生物及其制备方法，包括：将壳聚糖溶解于醋酸水溶液配置成壳聚糖醋酸液；将十二烷基硫酸钠水溶液加入壳聚糖醋酸液进行复合处理，制备获得CS-SDS；将CS-SDS溶于NMP中，然后在氮气氛围下依次加入小分子季磷盐、EDC和HoBt，经搅拌反应后通过有机溶剂沉淀，生成CS-SDS-P；将CS-SDS-P用二甲基亚砜溶解后，经透析浓缩处理，最后经冻干制得壳聚糖季磷盐衍生物，本发明制备获得的壳聚糖季磷盐衍生物与壳聚糖季铵盐相比具有更高的抑菌杀菌能力，同时改善了生物相容性，作为一种新抗菌材料能够广泛应用于组织工程、生物医药等领域。

Description

壳聚糖季磷盐衍生物及其制备方法

技术领域

本发明涉及的是一种抗菌药物技术领域的壳聚糖及其制备方法，具体是一种壳聚糖季磷盐衍生物及其制备方法。

背景技术

各种医用植入材料已成为当前临床常用的救治手段，但以植入材料为中心引发感染导致的手术失败，严重限制了临床生物医用材料的应用，植入材料感染约占临床感染的65％。植入材料的感染主要是细菌的感染，主要包括金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和绿浓杆菌等细菌。因此，在植入材料表面物理涂敷或化学键合一种抗菌材料，该材料既可以支持人体细胞的正常生长，具有良好的生物相容性，又能有较好的抗菌效果，成为解决此类感染、减轻病人痛苦的有效途径。

壳聚糖(Chitosan)是由2-氨基-2-脱氧-D-葡萄糖通过β-1，4糖苷键链接的一种天然聚阳离子生物活性多糖，在体内可降解成无毒的氨基葡萄糖，从而被人体吸收，具有优良的生物降解性、生物相容性和生物活性。壳聚糖同样具有一定的杀菌效果，但由于不能直接溶于水，限制其用途。壳聚糖季铵盐，结合了壳聚糖和小分子季铵盐两者的杀菌效果，同时改善了壳聚糖的溶解性，并对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和绿浓杆菌等细菌等革兰氏阳性菌、阴性菌均显示出较好的抑菌和杀菌效果。

经过对现有技术文献的检索发现，中国专利公开号为CN101130574A，公开日为2008年2月27日，专利申请名称为：一种壳聚糖季铵盐及其制备方法与应用，该专利自述为：“用缩水甘油三甲基氯化铵对高、低分子量壳聚糖进行改性，采用不同条件制备了羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖。通过红外光谱对结构进行表征，IR图谱证实以N上取代为主。”用上述方法制备的壳聚糖季铵盐虽然操作简单，但是该法其不足在于：小分子季铵盐取代在N上，减少了原壳聚糖分子链上活性氨基(-NH₂)的数目，降低了壳聚糖的生物活性、生物相容性。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种壳聚糖季磷盐衍生物及其制备方法，能够制备获得的壳聚糖季磷盐衍生物与壳聚糖季铵盐相比具有更高的抑菌杀菌能力，同时改善了生物相容性，作为一种新抗菌材料能够广泛应用于组织工程、生物医药等领域。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及的壳聚糖季磷盐衍生物，其化学结构式为：

其中：DD％为脱乙酰度，其取值范围为55％～100％；R为氢或带有羰基的季磷盐，该带有羰基的季磷盐的结构如下：

其中：R1为甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、叔丁基或苯基中的一种，X^-为Cl^-、Br^-或I^-中的一种，n＝1、2、3、…、11。

本发明涉及上述种壳聚糖季磷盐衍生物的制备方法，包括以下步骤：

第一步、将壳聚糖溶解于醋酸水溶液配置成壳聚糖醋酸液，具体如下：

其中：DD％为脱乙酰度，其取值范围为55％～100％；

所述的壳聚糖是指：分子量为10³～10⁶的壳聚糖；

所述的醋酸水溶液是指体积百分比浓度为0.1％～10％稀醋酸水溶液。

所述的壳聚糖醋酸液中壳聚糖的质量百分比浓度为：0.5％～5％。

第二步、将十二烷基硫酸钠水溶液加入壳聚糖醋酸液进行复合处理，制备获得壳聚糖-十二烷基硫酸钠复合物(CS-SDS)，具体如下：

所述的十二烷基硫酸钠水溶液的1.5％～9％，该十二烷基硫酸钠水溶液的用量与壳聚糖醋酸液等体积。

所述的复合处理是指：将壳聚糖醋酸液和十二烷基硫酸钠水溶液混合搅拌反应10～30h后离心处理，然后用去离子水清洗产物，并经过真空干燥得到壳聚糖-十二烷基硫酸钠复合物。

第三步，将壳聚糖-十二烷基硫酸钠复合物(CS-SDS)溶于N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，然后在氮气氛围下依次加入小分子季磷盐、1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺(EDC)和1-羟基苯并三唑(HoBt)，经搅拌反应后通过有机溶剂沉淀，生成壳聚糖-十二烷基硫酸钠季磷盐衍生物(CS-SDS-P)，具体如下：

其中：R为氢或带有羰基的季磷盐，该带有羰基的季磷盐的结构如下：

所述的小分子季磷盐是指带有羧基的小分子磷盐，该小分子季磷盐的用量为0.1-15倍壳聚糖上总羟基摩尔量；

所述的1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺和1-羟基苯并三唑的用量分别与小分子季磷盐的用量相同。

所述的有机溶剂是指甲醇和乙醚以1∶3的体积比混合。

第四步，将壳聚糖-十二烷基硫酸钠季磷盐衍生物用二甲基亚砜溶解后，经透析浓缩处理，最后经冻干制得壳聚糖季磷盐衍生物，具体如下：

其中：Tris为透析浓缩处理所用透析缓冲液；

所述的透析浓缩处理是指：采用截留分子量为3000的透析袋，在透析缓冲液中透析48～120h，再放入去离子水中透析48～96h，最后将透析所得产物进行旋蒸浓缩。

所述的透析缓冲液是指三羟甲基氨基甲烷和盐酸以1∶9～3∶7的体积比混合，该透析缓冲液的pH值为7～9。

本发明克服了壳聚糖在有机溶剂中不溶的缺点，使壳聚糖和十二烷基硫酸钠的复合物在有机溶剂中可溶。所述的壳聚糖季磷盐衍生物取代度可控：可以根据CS-SDS和小分子磷盐的投料比(1/0.1-1/15，mol/mol)来调节。使用小分子季磷盐，杀菌效果更好。与壳聚糖季铵盐相比，壳聚糖季磷盐衍生物提高了抑菌杀菌能力。将小分子磷盐引入到的壳聚糖的羟基(-OH)上，保留了原壳聚糖分子链上的活性氨基(-NH₂)。与壳聚糖季铵盐相比，改善了其生物相容性。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：壳聚糖季磷盐衍生物1的制备

所使用小分子磷盐(CAS：36626-29-6)：R1＝苯基；X^-＝Cl^-；n＝2。

1.分别将脱乙酰度为91.83％、分子量为2*10⁴的壳聚糖5g(折合0.026mol的氨基糖单元，GlcN units)、17.8g(2 equiv.，相当于氨基糖单元的2倍摩尔量)的十二烷基硫酸钠溶于250mL体积比浓度为1％的醋酸，充分溶解24h。将十二烷基硫酸钠溶液缓缓加入到壳聚糖溶液中搅拌反应24h，离心3000rpm*10min，用4倍量的去离子水清洗6次，冻干，得到9.5g的壳聚糖-十二烷基硫酸钠(CS-SDS)复合物，产率95％，壳聚糖上氨基完全复合。

2.取上述CS-SDS复合物1g，溶于40mLNMP，氮气氛围下加入小分子季磷盐0.9g(1equiv.，氨基糖单元摩尔数的1倍摩尔量)，再分别加入0.3g(1 equiv.，氨基糖单元摩尔数的1倍摩尔量)的HoBt、0.318mL(1 equiv.，氨基糖单元摩尔数的1倍摩尔量)的EDC，搅拌反应72h。反应结束后，用4倍量的甲醇/乙醚(体积比1∶1)混合溶剂沉淀，真空干燥，得复合物季磷盐产物1.4g，产率70％。

3.将上述1.4g复合物季磷盐产物用20mLDMSO溶解，装入截留分子量为3000的透析袋，在pH＝7.5，质量分数＝15％的Tris缓冲液中透析72h，再放入去离子水中透析72h，旋蒸浓缩，冻干得0.5g的壳聚糖季磷盐衍生物1，产率65％，取代度42％。

所述的壳聚糖季磷盐衍生物1的化学结构式为：

实施例2：壳聚糖季磷盐衍生物2的制备

所使用小分子磷盐(CAS：51114-94-4)：R1＝苯基；X^-＝Br^-；n＝2。

1.分别将脱乙酰度为60％、分子量为1*10⁴的壳聚糖3g(折合0.024molGlcN units)、12.4g(1.5equiv.)的十二烷基硫酸钠溶于300mL1％的醋酸，充分溶解30h。将十二烷基硫酸钠溶液缓缓加入到壳聚糖溶液中搅拌反应20h，离心3000rpm*10min，用4倍量的去离子水清洗6次，冻干，得到3.2g的壳聚糖-十二烷基硫酸钠(CS-SDS)复合物，产率90％，壳聚糖上氨基完全复合。

2.取上述CS-SDS复合物200mg，溶于10mL的NMP中，在氮气氛围下加入0.45g(4equiv.)小分子季磷盐，再分别加入0.15g(4equiv.)的HoBt、0.16mL(4equiv.)的EDC，搅拌反应90h。反应结束后，用4倍量的甲醇/乙醚(体积比1∶1)混合溶剂沉淀，真空干燥，得320mg的复合物季磷盐产物，产率75％。

3.将320mg复合物季磷盐产物用10mLDMSO溶解，装入截留分子量为3000的透析袋，在pH＝8，质量分数＝18％的Tris缓冲液中透析80h，再放入去离子水中透析48h，旋蒸浓缩，冻干得120mg的壳聚糖季磷盐衍生物2，产率74％，取代度29％)。

所述的壳聚糖季磷盐衍生物2的化学结构式为：

实施例3：壳聚糖季磷盐衍生物3的制备

所使用小分子磷盐(CAS：54889-29-7)：R1＝苯基；X^-＝Br^-；n＝5。

1.分别将脱乙酰度为35％、分子量为3*10³的壳聚糖4g(折合0.008mol GlcN units)、8.2g(3 equiv.)的十二烷基硫酸钠溶于400mL3％的醋酸，充分溶解10h。将十二烷基硫酸钠溶液缓缓加入到壳聚糖溶液中搅拌反应15h，离心3000rpm*10min，用4倍量的去离子水清洗6次，冻干，得到5.2g的壳聚糖-十二烷基硫酸钠(CS-SDS)复合物，产率86％，壳聚糖上氨基完全复合。

2.取上述CS-SDS复合物300mg，溶于10mL的NMP中，在氮气氛围下加入0.84g的(6equiv.)小分子季磷盐，再分别加入0.28g的(6 equiv.)HoBt、0.30mL(6 equiv.)的EDC，搅拌反应32h。反应结束后，用5倍量的甲醇/乙醚(体积比1∶1)混合溶剂沉淀，真空干燥，得390mg的复合物季磷盐产物，产率71％。

3.将390mg复合物季磷盐产物用10mL的DMSO溶解，装入截留分子量为3000的透析袋，在pH＝8.3，质量分数＝22％的Tris缓冲液中透析80h，再放入去离子水中透析48h，旋蒸浓缩，冻干得230mg的壳聚糖季磷盐衍生物3，产率80％，取代度63％。

所述的壳聚糖季磷盐衍生物3的化学结构式为：

将上述不同取代度的壳聚糖季磷盐衍生物物理涂层或化学键合到组织工程用钛棒、钢板和钢钉表面，可以有效降低病人单纯植入未处理钛棒、钢板或钢钉发生细菌感染的风险，避免了大量抗生素的使用，减轻了病人的痛苦。壳聚糖季磷盐衍生物还可以作为线粒体靶向药物载体治疗癌症。

Claims

1.一种壳聚糖季磷盐衍生物，其特征在于，其化学结构式为：

其中：DD％为脱乙酰度；R为氢或带有羰基的季磷盐；所述的带有羰基的季磷盐的结构如下：

其中：R1为甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、叔丁基或苯基中的一种，X^-基团为Cl^-、Br^-或I^-，n＝1、2、3、…、11。

2.根据权利要求1所述的壳聚糖季磷盐衍生物，其特征是，所述的脱乙酰度的取值范围为55％～100％。

3.根据权利要求1或2所述的壳聚糖季磷盐衍生物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、将壳聚糖溶解于醋酸水溶液配置成壳聚糖醋酸液；

第二步、将十二烷基硫酸钠水溶液加入壳聚糖醋酸液进行复合处理，制备获得壳聚糖十二烷基硫酸钠复合物；

第三步，将壳聚糖十二烷基硫酸钠复合物溶于N-甲基吡咯烷酮中，然后在氮气氛围下依次加入小分子季磷盐、1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺和1-羟基苯并三唑，经搅拌反应后通过有机溶剂沉淀，生成壳聚糖-十二烷基硫酸钠季磷盐衍生物；

第四步，将壳聚糖-十二烷基硫酸钠季磷盐衍生物用二甲基亚砜溶解后，经透析浓缩处理，最后经冻干制得壳聚糖季磷盐衍生物。

4.根据权利要求3所述的壳聚糖季磷盐衍生物的制备方法，其特征是，所述的复合处理是指：将壳聚糖醋酸液和十二烷基硫酸钠水溶液混合搅拌反应10～30h后离心处理，然后用去离子水清洗产物，并经过真空干燥得到壳聚糖-十二烷基硫酸钠复合物。

5.根据权利要求3所述的壳聚糖季磷盐衍生物的制备方法，其特征是，所述的透析浓缩处理是指：采用截留分子量为3000的透析袋，在透析缓冲液中透析48～120h，再放入去离子水中透析48～96h，最后将透析所得产物进行旋蒸浓缩。

6.根据权利要求5所述的壳聚糖季磷盐衍生物的制备方法，其特征是，所述的透析缓冲液是指三羟甲基氨基甲烷和盐酸以1∶9～3∶7的体积比混合，该透析缓冲液的pH值为7～9。