CN101918462A - 具有控制生物性能的两性离子甜菜碱的阳离子甜菜碱前体 - Google Patents

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Abstract

可水解成两性离子聚合物的阳离子聚合物，制备该阳离子聚合物的单体，包括该聚合物的表面，包括阳离子聚合物的治疗剂传输体系，使用该传输体系施用治疗剂的方法，以及制备和使用阳离子聚合物、单体、表面和治疗剂传输体系的方法。

Description

具有控制生物性能的两性离子甜菜碱的阳离子甜菜碱前体
技术领域
阳离子聚合物具有许多独特的生物、化学和机械性能。公知阳离子聚合物可缩合DNA或蛋白质或蛋白质以供基因或药物传输。聚阳离子可用作抗微生物剂干扰细菌膜。然而，阳离子聚合物具有细胞毒性且倾向于结合蛋白质，这限制了它们的生物医学应用。对于抗微生物材料来说，杀灭的微生物可累积在表面上并降低它们的抗微生物活性。
背景技术
尽管阳离子聚合物可用于生物医学应用，但仍需要提供阳离子聚合物的有利性能且没有与其相关的缺点的新型聚合物材料。本发明寻求满足这一需要并提供进一步相关的优点。
发明内容
本发明提供可水解成两性离子聚合物的阳离子聚合物，可聚合提供阳离子聚合物的阳离子单体，用该阳离子聚合物涂布的表面，施加阳离子聚合物到表面上的方法，包括阳离子聚合物的治疗剂传输体系，使用阳离子聚合物传输治疗剂的方法，和制备阳离子聚合物和阳离子单体的方法。
在一个方面中，本发明提供可水解成两性离子聚合物的阳离子聚合物。在一个实施方案中，阳离子聚合物包括：
(a)聚合物主链；
(b)多个阳离子中心，其中每一阳离子中心通过第一连接基共价偶联到聚合物主链上；
(c)与每一阳离子中心缔合的抗衡离子；和
(d)通过第二连接基共价偶联到每一阳离子中心上的可水解基团，其中可水解基团可水解成阴离子中心，提供阴离子中心通过第二连接基共价偶联到阳离子中心上的两性离子聚合物。
在一个实施方案中，阳离子聚合物具有下式：
PB-(L1-N+(Ra)(Rb)-L2-A(＝O)-ORc)n (X-)n
其中PB是具有n个侧基(L1-N+(Ra)(Rb)-L2-A(＝O)-ORc)的聚合物主链；N+是阳离子中心；Ra和Rb独立地选自氢、烷基和芳基；A(＝O)-ORc是可水解基团，其中A选自C、S、SO、P或PO，和Rc是烷基、芳基、酰基或甲硅烷基，它们可被一个或更多个取代基进一步取代；L1是共价偶联阳离子中心到聚合物主链上的连接基；L2是共价偶联阳离子中心到可水解基团上的连接基；X-是与阳离子中心缔合的抗衡离子；和n是约10-约10,000的整数。
在一些实施方案中，抗衡离子是疏水有机抗衡离子。代表性疏水有机抗衡离子包括C1-C20羧酸盐和C1-C20烷基磺酸盐。
在一些实施方案中，抗衡离子是治疗剂。代表性治疗剂包括抗微生物剂、抗细菌剂和抗真菌剂。在一个实施方案中，治疗剂是水杨酸盐。
在一些实施方案中，抗衡离子选自核酸(例如DNA、RNA和siRNA)，氨基酸，蛋白质和肽。
在一些实施方案中，可水解基团在水解时释放疏水有机基团。代表性疏水有机基团包括C4-C20羧酸盐(例如n-C4-C20烷基-CO2 -)。
在一些实施方案中，可水解基团当水解时释放治疗剂。代表性治疗剂包括抗微生物剂、抗细菌剂和抗真菌剂。在一个实施方案中，治疗剂是水杨酸盐。
阳离子中心选自铵、咪唑鎓、三唑鎓、吡啶鎓、吗啉鎓、 唑烷鎓、吡嗪鎓、哒嗪鎓、嘧啶鎓、哌嗪鎓和吡咯烷鎓阳离子中心。
在一些实施方案中，Ra和Rb独立地选自C1-C10直链和支链烷基。
在一些实施方案中，L1选自-C(＝O)O-(CH2)n-和-C(＝O)NH-(CH2)n-，其中n是1-20的整数。
在一些实施方案中，L2是-(CH2)n-，其中n是1-20的整数。
在一些实施方案中，A选自C、SO和PO。
在一些实施方案中，Rc是C4-C20烷基。
在一些实施方案中，X-选自卤化物、羧酸根、烷基磺酸根、硫酸根、硝酸根、高氯酸根、四氟硼酸根、六氟磷酸根、三氟甲磺酸根、双(三氟甲磺酰基)酰胺、乳酸根和水杨酸根。
在另一方面中，本发明提供制备本发明的阳离子聚合物用单体。在一个实施方案中，该单体是阳离子化合物，它包括：
(a)可聚合基团；
(b)通过第一连接基共价偶联到可聚合基团上的阳离子中心；
(c)与阳离子中心缔合的抗衡离子；和
(d)通过第二连接基共价偶联到阳离子中心上的可水解基团，其中可水解基团可水解成阴离子中心，提供具有阴离子中心通过第二连接基共价偶联到阳离子中心上的两性离子化合物。
在一个实施方案中，该化合物的化学式为：
CH2＝C(Rd)-L1-N+(Ra)(Rb)-L2-A(＝O)-ORc X-
其中CH2＝C(Rd)是可聚合基团，Rd选自氢、氟、三氟甲基和C1-C6烷基；N+是阳离子中心；Ra和Rb独立地选自氢、烷基和芳基；A(＝O)-ORc是可水解基团，其中A选自C、S、SO、P或PO，和Rc是烷基、芳基、酰基或甲硅烷基，它们可被一个或更多个取代基进一步取代；L1是共价偶联阳离子中心到可聚合基团上的连接基；L2是共价偶联阳离子中心到可水解基团上的连接基；X-是与阳离子中心缔合的抗衡离子。
L1、N+、Ra、Rb、L2、A(＝O)-ORc和X-如以上针对阳离子聚合物所述的一样。
在另一方面中，本发明提供可由聚合以上所述的一种或更多种单体获得的聚合物。在一个实施方案中，可由聚合以上所述的一种或更多种单体获得的聚合物是均聚物。在另一实施方案中，该聚合物是共聚物。代表性共聚物包括无规和嵌段共聚物。在一个实施方案中，可通过共聚一种或更多种以上所述的单体与一种或更多种第二共聚单体，获得共聚物。代表性共聚单体包括可聚合的两性离子单体、疏水单体和阴离子单体。
在一些实施方案中，可由本发明的阳离子单体获得的聚合物具有 多个重复单元，其中重复单元具有下式：
-[CH2-C(Rd)]n-L1-N+(Ra)(Rb)-L2-A(＝O)-ORc X-
其中-[CH2-C(Rd)]n-定义了具有n个重复单元的聚合物主链；Rd选自氢、氟、三氟甲基和C1-C6烷基；n为10-10,000；N+是阳离子中心；Ra和Rb独立地选自氢、烷基和芳基；A(＝O)-ORc是可水解基团，其中A选自C、S、SO、P或PO，和Rc是烷基、芳基、酰基或甲硅烷基，它们可被一个或更多个取代基进一步取代；L1是共价偶联阳离子中心到聚合物主链上的连接基；L2是共价偶联阳离子中心到可水解基团上的连接基；X-是与阳离子中心缔合的抗衡离子。
L1、N+、Ra、Rb、L2、A(＝O)-ORc和X-如以上针对阳离子聚合物所述的一样。
在一个实施方案中，聚合物是均聚物。在一个实施方案中，该聚合物是共聚物。在一个实施方案中，该共聚物是无规共聚物。在另一实施方案中，该共聚物是嵌段共聚物。在其他实施方案中，该共聚物包括选自疏水重复单元、阴离子重复单元和两性离子重复单元中的重复单元。
在另一方面中，本发明提供用本发明的一种或更多种聚合物处理、涂布、改性或者其他情况下，掺入本发明的一种或更多种聚合物的表面。在一些实施方案中，本发明提供用本发明的一种或更多种聚合物处理、涂布、改性或者其他情况下，掺入本发明的一种或更多种聚合物的基底表面。代表性基底包括颗粒、药物载体、非病毒基因传输体系、生物传感器、膜、可植入传感器、皮下传感器、植入物和接触透镜。其他代表性基底包括可植入的医疗器件，例如耳朵排泄管道、喂食管道、青光眼排泄管道、脑积水分流、角膜修复、神经导引管道、导尿管、组织粘合剂、x-射线导管、人工关节、人工心瓣膜、人工血管、起搏器、左脑辅助器件(LVAD)、动脉移植物、组织支架和斯滕特印模(stents)。
还提供施加、涂布、改性或在其他情况下掺入本发明的一种或更多种聚合物到基底表面上的方法。可通过例如各种沉积技术，其中包 括在溶剂内溶解或悬浮，然后旋涂、上漆或喷涂，将聚合物直接施加到表面上。或者，在其他实施方案中，表面可以是通过牵涉合适的单体的常规聚合技术，在其上制备聚合物的基底。
在本发明的另一方面中，提供治疗剂传输体系。在一个实施方案中，治疗剂传输体系包括本发明的聚合物和与该聚合物可逆地缔合的治疗剂。代表性治疗剂包括小分子、核酸、氨基酸、肽和蛋白质。在一个实施方案中，治疗剂是核酸，例如DNA、RNA或siRNA。在一些实施方案中，聚合物是共聚物。代表性共聚物具有第一重复单元和第二重复单元。合适的第一重复单元包括叔(30)胺基和合适的第二重复单元包括伯(10)、仲(20)或季(40)胺基。这些共聚物可表示为30/10、30/20和30/40。在一个实施方案中，第二重复单元包括季胺基(例如，30/40共聚物)。在一个实施方案中，共聚物是无规共聚物。在另一实施方案中，共聚物是嵌段共聚物。
在进一步的方面中，本发明提供施用使用本发明的阳离子聚合物的治疗剂的方法。在该方法中，通过施用含本发明聚合物和与该聚合物可逆地缔合的治疗剂的治疗剂传输体系，给需要的受试验者施用治疗剂。
附图说明
当结合附图考虑时，通过参考下述详细说明，本发明的前述方面和许多附带的优点变得更加容易理解，因为它们变得更好理解，其中：
图1阐述了可用于制备本发明阳离子聚合物的三种代表性阳离子单体的结构：具有不同的羧基甜菜碱酯基：CBAA-1-酯、CBAA-3-酯和CBAA-5-酯的三种丙烯酰胺单体。
图2阐述了本发明的代表性阳离子聚合物的水解：阳离子聚羧基甜菜碱酯水解成两性离子聚羧基甜菜碱。
图3比较了在用(a)10mM(3％水解)、(b)100mM(82％水解)和(c)1M(100％水解)的氢氧化钠浓度的溶液处理1小时之后，本发明的代表性阳离子聚合物，聚CBAA-3-酯的水解的1H NMR谱图。
图4比较了在10mM和100mM的氢氧化钠水溶液下，本发明的代表 性阳离子聚合物的水解速度。
图5A-5C是在水解之前和之后，用本发明的代表性聚合物：(a)聚CBAA-1-酯，(b)聚CBAA-3-酯和(c)聚CBAA-5-酯接枝在表面上的纤维蛋白原吸收的SPR传感图。用100mm NaOH溶液水解该具有聚合物刷的表面1-2小时。
图6是比较水解之前和之后，本发明的三种代表性阳离子聚合物聚CBAA-酯的抗微生物活性的图表。用每一聚合物溶液(重复单元摩尔浓度：2mM)保温大肠杆菌(108个细胞/ml)30分钟。用PBS缓冲液(pH7.4和150mM)作为负对照。
图7是用阳离子聚合物涂布本发明的代表性表面的示意图。当水解时，该表面从抗微生物表面转化为不结垢的表面：(a)抗微生物阳离子pCBMA-1C2有效地杀灭细菌，(b)pCBMA-1C2水解时，转化成不结垢的两性离子pCBMA-1，(c)保留在表面上的杀灭的细菌从不结垢的两性离子pCBMA-1中释放。从而证明(d)两性离子pCBMA-1本身高度抗细菌粘附。
图8阐述了本发明的代表性阳离子聚合物，可转化的pCBMA-1 C2；抗微生物的阳离子pC8NMA；和不结垢的两性离子pCBMA-2的化学结构。
图9是比较pCBMA-1 C2和pC8NMA对大肠杆菌K12的细菌活性的图表。用抗微生物聚合物涂布的表面上生长的存活的大肠杆菌K12菌落的百分数对于在pCBMA-2对照上生长的菌落数量(n＝3)相关。
图10A-10F是对于暴露在用各种聚合物覆盖的表面下1小时来说，来自具有1010个细胞ml-1的悬浮液的附着的大肠杆菌K12细胞(红色)的荧光显微图象，其中(a)、(c)和(e)分别针对水解之前的pCBMA-1C2、pC8NMA和pCBMA-2，而(b)、(d)和(f)分别针对水解之后的相同聚合物。采用10mM CAPS(pH10.0)，水解8天。
图11是比较来自水解之前和之后暴露于pCBMA-1 C2、pC8NMA和pCBMA-2下1小时，来自具有1010个细胞ml-1的悬浮液的大肠杆菌K12附着的图表(n＝3)。
图12A比较SPR传感图，该传感图示出了(a)在水解之前，以及(b)、 (c)和(d)分别用水，10mM CEHS在pH9.0下，和10mM CAPS在pH10.0下，水解24小时之后，在借助ATRP用pCBMA-1C2接枝的表面上在PBS缓冲液内1mg/ml纤维蛋白原的吸收；图12B比较了SPR传感图，该传感图示出了(a)在用10mM CAPS在pH10.0下保温之前和(b)保温24小时之后，在用pC8NMA接枝的表面上，以及在用pCBMA-2接枝的表面上，(c)在用10mM CAPS在pH10.0下水解之前，和(d)水解24小时之后，在PBS缓冲液内1mg/ml纤维蛋白原的吸收。
图13阐述了制备本发明的阳离子聚合物有用的代表性阳离子单体的结构：CBMA-1 C2 SA，即具有水杨酸根抗衡离子的CBMA-1的乙酯。
图14比较了在25℃下，在四种条件下：(a)水，中性pH；(b)磷酸盐缓冲的盐水(PBS)；(c)水，pH10；和(d)0.15M氯化钠水溶液，pH10，水杨酸从通过聚合CBMA-1C2SA制备的水凝胶中随时间(12h、39h和63h)变化的释放速度(mg/h)。
图15比较了在37℃下，在四种条件下：(a)水，中性pH；(b)磷酸盐缓冲的盐水(PBS)；(c)水，pH10；和(d)0.15M氯化钠水溶液，pH10，水杨酸从通过聚合CBMA-1C2SA制备的水凝胶中随时间(12h、39h和63h)变化的释放速度(mg/h)。
图16是琼脂电泳凝胶的照片，它阐述了具有本发明的代表性阳离子聚合物的DNA络合物的电泳延迟：第一条：仅仅DNA；第二条，聚CBAA-1-酯/DNA；第三条，水解的聚CBAA-1-酯/DNA；第四条，聚CBAA-3-酯/DNA；第五条，水解的聚CBAA-3-酯/DNA；第六条，聚CBAA-5-酯/DNA；第七条，水解的聚CBAA-5-酯/DNA。
图17阐述了季(40)羧基甜菜碱甲基丙烯酸乙酯单体的仲(20)和叔(30)类似物的结构。在不同比值下共聚这些单体，提供聚合物，其中所述聚合物用于包装DNA和在N/P＝40下转染COS-7细胞。
图18是由图17所述的单体制备的均聚物和共聚物的纳米颗粒尺寸的图表：100％20、100％30、100％40、75％20/25％30、75％30/25％40、75％40/25％20、50％20/50％30、50％30/50％40、50％40/50％20、25％20/75％30、25％30/75％40、25％40/75％20。已发现，所有聚合物缩合DNA成纳米颗粒， 所述纳米颗粒足够小到通过笼形蛋白介导的胞吞作用进入细胞内，例外的是75％40/25％20和50％40/50％20共聚物。
图19是由图17所述的单体制备的均聚物和共聚物的纳米颗粒表面电荷的图表：100％20、100％30、100％40、75％20/25％30、75％30/25％40、75％40/25％20、50％20/50％30、50％30/50％40、50％40/50％20、25％20/75％30、25％30/75％40、25％40/75％20。所有20/40和30/40荷正电，而所有20/30荷负电。
图20是比较聚(乙烯亚胺)(PEI)与由图17所述的单体制备的均聚物和共聚物的转染效率(COS-7细胞)的图表：100％20、100％30、100％40、75％20/25％30、75％30/25％40、75％40/25％20、50％20/50％30、50％30/50％40、50％40/50％20、25％20/75％30、25％30/75％40、25％40/75％20。采用通过混合-胺聚合物缩合DNA制备的纳米颗粒，转染COS-7细胞。
图21是比较用聚(乙烯亚胺)(PEI)与由图17所述的单体制备的均聚物和共聚物转染细胞的细胞存活率的图表：100％20、100％30、100％40、75％20/25％30、75％30/25％40、75％40/25％20、50％20/50％30、50％30/50％40、50％40/50％20、25％20/75％30、25％30/75％40、25％40/75％20。
图22是比较用可水解叔胺CBMA酯或不可水解的叔胺二甲基氨乙基甲基丙烯酸酯转染的图表。
具体实施方式
本发明提供聚合物，由该聚合物制备的材料，以及制备和使用该聚合物和聚合物材料的方法。
在本发明的一个方面中，提供阳离子聚合物。本发明的阳离子聚合物包括可水解提供两性离子聚合物的可水解基团。两性离子聚合物是具有正电荷和负电荷平衡的聚合物。两性离子聚合物可高度抗蛋白质吸收和细菌粘附。由于它们的生物模拟性质，因此两性离子聚合物，例如磷酸甜菜碱，磺基甜菜碱和羧基甜菜碱聚合物显示出高的生物相容性。
控制水解。阳离子聚合物的结构特征的变化便于它们控制水解和控制生物、化学和机械性能。可通过选择可水解基团的性质(例如酯， -OR)，显著地影响和控制水解速度。
如下面，一些实施方案中所述，本发明的阳离子聚合物当水解时有利地释放官能团。例如，对于本发明的阳离子酯来说，水解酯释放-OR基。在这些实施方案中，所释放的基团可以是治疗剂(例如抗微生物剂、抗细菌剂、抗真菌剂)。类似地，在一些实施方案中，阳离子聚合物可释放其抗衡离子(X-)，所述抗衡离子也可以是治疗剂(例如核酸、氨基酸、肽、蛋白质和水杨酸盐)。
对于作为基因或药物传输载体的应用来说，当络合物到达其靶标时，可借助阳离子聚合物载体水解，释放共轭的DNA或蛋白质。对于作为抗微生物剂应用来说，抗微生物的阳离子聚合物可转化成两性离子聚合物，从而在环境中没有留下有毒残渣或者在表面上没有留下杀死的微生物。
要理解不仅可通过水解，而且可通过借助其他手段发生的解离(例如，降解或侵蚀)，解离可水解基团。可通过因酶催化、氧化还原、热、光、离子强度、pH和水解导致的环境变化，将阳离子聚合物转化成其相应的两性离子聚合物。对于以下所述的治疗剂传输应用来说，可通过酶的作用和/或pH变化，极可能发生解离。
本发明的代表性阳离子聚合物及其相应的两性离子聚合物对应物如下所述。
阳离子聚合物
本发明的阳离子聚合物包括可水解基团，当水解时，所述可水解基团提供赋予聚合物两性离子的阴离子基团。在每一聚合物中，可水解基团的数量随后等于阳离子基团的数量，结果当可水解基团水解时，所得聚合物为两性离子。此处所使用的术语“两性离子聚合物”是指具有基本上相等数量的阳离子基团和阴离子基团的聚合物。
本发明的代表性阳离子聚合物具有下式(I)：
PB-(L1-N+(Ra)(Rb)-L2-A(＝O)-ORc)n (X-)n    (I)
其中PB是具有n个侧基(即L1-N+(Ra)(Rb)-L2-A(＝O)-ORc)的聚合物主链；N+是阳离子中心；Ra和Rb独立地选自氢、烷基和芳基；A(＝O)-ORc 是可水解基团，其中A是C、S、SO、P或PO，和Rc是烷基、芳基、酰基或甲硅烷基，它们可被一个或更多个取代基进一步取代；L1是共价偶联阳离子中心到聚合物主链上的连接基；L2是共价偶联阳离子中心到可水解基团上的连接基；X-是与阳离子中心缔合的抗衡离子；和n是约10-约10,000。式(I)的聚合物的平均分子量为约1kDa-约1000kDa。
式(I)的阳离子聚合物的水解提供具有式(II)的两性离子聚合物：
PB-(L1-N+(Ra)(Rb)-L2-A(＝O)O-)n    (II)
其中PB、L1、N+、Ra、Rb、L2、A和n如上所述，和A(＝O)O-是阴离子基团。
在这一实施方案中，式(I)的聚合物包括n个侧基且可通过聚合具有式(III)的单体而制备：
CH2＝C(Rd)-L1-N+(Ra)(Rb)-L2-A(＝O)-ORc    X-    (III)
其中L1、N+、Ra、Rb、A(＝O)-ORc和L2以及X-如上所述，Rd选自氢、氟、三氟甲基、C1-C6烷基和C6-C12芳基。
以下是以上所述的式(I)-(III)的聚合物和单体的说明
在式(I)和(II)中，PB是聚合物主链。代表性聚合物主链包括衍生于乙烯基单体(例如，丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、苯乙烯)的乙烯基主链(即-C(R′)(R″)-C(R″′)(R″″)-，其中R′、R″、R″′和R″″独立地选自氢、烷基和芳基)。其他合适的主链包括提供侧挂的阳离子基团的聚合物主链(所述侧挂的阳离子基团包括可转化成两性离子基团的可水解基团)，和含阳离子基团且提供可转化成两性离子基的侧挂可水解基团的主链。其他代表性聚合物主链包括肽(多肽)，氨基甲酸酯(聚氨酯)，和环氧基主链。
类似地，在式(III)中，CH2＝C(Rd)-是可聚合基团。要理解其他可聚合基团，其中包括以上所述的那些可用于提供本发明的单体与聚合物。
在式(I)-(III)中，N+是阳离子中心。在一些实施方案中，阳离子中心是季铵(键合到L1；Ra、Rb和L2上的N)。除了铵以外，其他有 用的阳离子中心包括咪唑鎓、三唑鎓、吡啶鎓、吗啉鎓、噁唑烷鎓、吡嗪鎓、哒嗪鎓、嘧啶鎓、哌嗪鎓和吡咯烷鎓。
Ra和Rb独立地选自氢、烷基和芳基。代表性烷基包括C1-C10直链和支链烷基。在一些实施方案中，烷基进一步被一个或更多个取代基取代，所述取代基包括例如芳基(例如-CH2C6H5，苄基)。在一个实施方案中，Ra和Rb是甲基。代表性芳基包括C6-C12芳基，其中包括例如苯基。对于式(I)-(III)的一些实施方案来说，R2或R3不存在。
L1是共价偶联阳离子中心到聚合物主链上的连接基。在一些实施方案中，L1包括偶联L1的其余部分到聚合物主链(或式(III)单体的可聚合部分)上的官能团(例如酯或酰胺)。除了该官能团以外，L1还可包括C1-C20亚烷基链。代表性L1基包括-C(＝O)O-(CH2)n-和-C(＝O)NH-(CH2)n-，其中n为1-20(例如3)。
L2是共价偶联阳离子中心到可水解基团(或式(III)的两性离子聚合物的阴离子基团)上的连接基。L2可以是C1-C20亚烷基链。代表性L2基包括-(CH2)n-，其中n为1-20(例如1、3或5)。
可通过L1和/或L2控制式(I)的阳离子聚合物的疏水性和水解速度。L1或L2的疏水性越大，则可水解基团的水解和阳离子聚合物转化成两性离子聚合物的转化率越慢。
A(＝O)-ORc是可水解基团。可水解基团可以是酯，例如羧酸酯(A为C)，亚磺酸酯(A是S)，磺酸酯(A是SO)，次膦酸酯(A是P)，或膦酸酯(A是PO)。可水解基团也可以是酸酐。Rc是烷基、芳基、酰基或甲硅烷基，它们可被一个或更多个取代基进一步取代。
代表性烷基包括C1-C30直链和支链烷基。在一些实施方案中，烷基进一步被一个或更多个取代基取代，其中所述取代基包括例如芳基(例如-CH2C6H5，苄基)。在一些实施方案中，Rc是C1-C20直链烷基。在一个实施方案中，Rc是甲基。在另一实施方案中，Rc是乙基。在一个实施方案中，Rc是C3-C20烷基。在一个实施方案中，Rc是C4-C20烷基。在一个实施方案中，Rc是C5-C20烷基。在一个实施方案中Rc是C6-C20烷基。在一个实施方案中，Rc是C8-C20烷基。在一个实 施方案中，Rc是C10-20烷基。对于其中希望相对缓慢水解的应用来说，Rc是C4-C20正烷基或C4-C30正烷基。
代表性芳基包括C6-C12芳基，其中包括例如苯基，包括取代苯基在内(例如苯甲酸)。
代表性酰基(-C(＝O)Re)包括酰基，其中Re是C1-C20烷基或C6-C12芳基。
代表性甲硅烷基(-SiR3)包括甲硅烷基，其中R是C1-C20烷基或C6-C12芳基。
在本发明的一些实施方案中，水解产物RcO-(或RcOH)是治疗剂(例如抗微生物剂，例如水杨酸(2-羟基苯甲酸)、苯甲酸盐、乳酸盐，和抗生素和抗真菌药物的阴离子形式)。
在一些其他实施方案中，水解产物RcO-(或RcOH)是乳酸根，羟基乙酸根或氨基酸。
也可通过Rc控制式(I)的阳离子聚合物的水解速度。例如由于Rc导致的位阻和/或动态效果致使可水解基团的水解越慢，则阳离子聚合物转化成两性离子聚合物的转化越慢。
X-是与阳离子中心缔合的抗衡离子。抗衡离子可以是来自于式(I)的阳离子聚合物或者式(III)的单体合成的抗衡离子(例如Cl-、Br-、I-)。最初由阳离子中心合成产生的抗衡离子也可与其他合适的抗衡离子交换，以提供具有可控水解性能和其他生物性能的聚合物。
可通过抗衡离子控制式(I)的阳离子聚合物的水解速度。抗衡离子的疏水性越大，则可水解基团的水解越慢和阳离子聚合物转化成两性离子聚合物的转化越慢。代表性疏水抗衡离子包括羧酸根，例如苯甲酸和脂肪酸阴离子(例如，CH3(CH2)nCO2 -，其中n＝1-19)；烷基磺酸盐(例如，CH3(CH2)nSO3 -，其中n＝1-19)；水杨酸根；乳酸根；双(三氟甲基磺酰基)酰胺阴离子(N-(SO2CF3)2)；及其衍生物。其他抗衡离子也可选自氯化物、溴化物、碘化物、硫酸根；硝酸根；高氯酸根(ClO4)；四氟硼酸根(BF4)；六氟磷酸根(PF6)；三氟甲磺酸根(SO3CF3)；及其衍生物。
其他合适的抗衡离子包括疏水抗衡离子和具有治疗活性的抗衡离子(例如，抗微生物剂，例如水杨酸(2-羟基苯甲酸)、苯甲酸根、乳酸根，和抗生素与抗真菌药物的阴离子形式)。
对于式(III)的单体来说，Rd选自氢、氟化物、三氟甲基和C1-C6烷基(例如，甲基、乙基、丙基、丁基)。在一个实施方案中，Rd是氢。在一个实施方案中，Rd是甲基。在另一实施方案中，Rd是乙基。
阳离子聚合物的结构特征的变化便于其控制水解和控制生物、化学和机械性能。实现聚合物的所需控制水解可改变的以上所述的阳离子聚合物的结构特征包括L1、L2、Ra、Rb、A、Rc和X-。一般地，聚合物或所述的结构特征越疏水，则阳离子聚合物水解成两性离子聚合物越慢。
均聚物、无规共聚物、嵌段共聚物
本发明的阳离子聚合物包括均聚物、无规共聚物和嵌段共聚物。
在一个实施方案中，本发明提供阳离子均聚物，例如式(I)定义的那些，它们通过阳离子单体，例如式(III)定义的阳离子单体聚合而制备。要理解，与本发明的阳离子聚合物(包括通过式(I)定义的那些聚合物在内)有关的有利性能可赋予其他聚合物材料。
在一个实施方案中，本发明提供通过共聚两种不同的式(III)的阳离子单体制备的无规共聚物。
在另一实施方案中，本发明提供无规共聚物，它包括通过共聚一种或更多种由式(III)定义的本发明的阳离子单体与一种或更多种其他单体(例如，疏水单体、阴离子单体或两性离子单体，例如磷酰基甜菜碱、磺基甜菜碱或羧基甜菜碱单体)制备的阳离子重复单元。
在一个实施方案中，本发明提供具有一个或更多个含阳离子重复单元的嵌段和一个或更多个其他嵌段的嵌段共聚物。在这一实施方案中，包括阳离子重复单元的一个或更多个嵌段包括仅仅阳离子重复单元(例如，由式(III)的阳离子单体制备的均聚物或共聚物)。或者，包括阳离子重复单元的一个或更多个嵌段包括阳离子重复单元和其他重复单元(例如疏水、阴离子、两性离子重复单元)。
其他适合的聚合物
本发明还提供下述聚合物。
在一个实施方案中，阳离子聚合物具有下述结构：
Figure BPA00001162595500141
R1＝-H、-CH3、-C2H5，
R2＝没有原子、-H、-CH3、-C2H5，
R3＝-H、-CH3、-C2H5，
x＝1-8，
R＝任何烷基链、芳烃或乳酸根或羟基乙酸根
Figure BPA00001162595500142
R4＝-H、-CH3、-C2H5，
Y＝1-10，
Z＝0-22
或C(＝O)R′
R′＝任何烷基链或芳基。
在另一实施方案中，阳离子聚合物具有下述结构：
Figure BPA00001162595500151
n＞5
x＝1-5
y＝1-5
R1＝H或烷基链，
R2＝没有原子，H或烷基链
R3＝烷基链。
在另一实施方案中，本发明提供具有下述结构的聚合物：
Figure BPA00001162595500152
R1是任何烷基链
R3是任何烷基链
R2、R4是任何烷基链
x＝1-18
y＝1-18
n＞3。
在另一实施方案中，本发明提供具有下述结构的聚合物：
Figure BPA00001162595500161
R是烷基链
x＝1-18
y＝1-18
n＞3。
在另一实施方案中，本发明提供具有下述结构的聚合物：
R是任何烷基链
x＝0-11
n＞3。
在另一实施方案中，本发明提供具有下述结构的聚合物：
Figure BPA00001162595500163
n＞3
x＝1-10
R＝任何烷基链，芳烃或乳酸根或羟基乙酸根
Figure BPA00001162595500164
R4＝-H、-CH3、-C2H5，
y＝1-10，
z＝0-22
或C(＝O)R′
R′＝任何烷基链、芳基。
在另一实施方案中，本发明提供具有下述结构的聚合物：
Figure BPA00001162595500171
n＞3
x＝1-6
y＝0-6
R＝任何烷基链，芳烃或乳酸根或羟基乙酸根
R4＝-H、-CH3、-C2H5，
y＝1-10，
z＝0-22
或C(＝O)R′
R′＝任何烷基链、芳基。
在另一实施方案中，本发明提供具有下述结构的聚合物：
Figure BPA00001162595500181
n＞5
x＝0-5。
在另一实施方案中，本发明提供具有下述结构的聚合物：
Figure BPA00001162595500182
x＝0-17
n＞5
R＝H或烷基链。
在另一实施方案中，本发明提供具有下述结构的聚合物：
n＞5
R2＝H或任何烷基链，例如甲基
x，y＝1-6
R1＝任何烷基链
R4＝-H、-CH3、-C2H5，
y＝1-10，
z＝0-22。
在另一实施方案中，本发明提供具有下述结构的聚合物：
Figure BPA00001162595500192
n＞3
R1＝任何烷基链。
图1中示出了可用于制备式(I)的阳离子聚合物和最终式(II)的两性离子聚合物的三种式(III)的代表性阳离子单体。参考图1，示出了侧基带有阳离子羧基甜菜碱酯基的三种荷正电的聚丙烯酰胺。三种单体在季铵基(阳离子中心)和酯基(可水解)基团之间具有不同的间隔基(L2：-(CH2)-n)：CBAA-1-酯(n＝1)；CBAA-3-酯(n＝3)；和CBAA-5-酯(n＝5)。单体的聚合提供相应的阳离子聚合物。使用自由基聚合，聚合三种单体，形成线型聚合物，或者使用表面引发的ATRP制备在SPR传感器上的聚合物刷。预期具有不同间隔基(L2)和酯基的聚合物具有不同的化学、物理和生物性能。在实施例1中描述了三种单体的合成及其聚合。
对于借助自由基聚合方法聚合的线型聚合物来说，使用凝胶渗透色谱(GPC)，在水溶液中测量其分子量。聚CBAA-1-酯、聚CBAA-3-酯和聚CBAA-5-酯的平均分子量分别为14kDa、13kDa和9.6kDa。
阳离子聚合物的水解提供两性离子聚合物(即两性离子聚羧基甜 菜碱)。在实施例2中描述并在图2中图示了本发明的代表性阳离子聚合物的水解。在图2中，n为1、3或5(分别相应于聚CBAA-1-酯、聚CBAA-3-酯和聚CBAA-5-酯)。在不同的氢氧化钠浓度下溶解三种羧基甜菜碱酯聚合物，并研究其水解行为。在一段时间之后，通过使用1HNMR，测量在聚合物上的保留的酯基，分析聚合物的水解速度。所有三种聚合物在水中稳定，且在4天之后没有检测到明显的水解。NaOH的浓度对于羧基甜菜碱酯聚合物的水解来说是关键的。图3阐述了在用三种不同浓度的NaOH处理1小时之后，聚CBAA-3-酯的NMR谱图。对于浓度为10mM的NaOH溶液来说，检测到仅仅轻微的水解(约3％)。对于100mM的NaOH溶液来说，约82％的聚合物水解。对于1M的NaOH浓度来说，聚合物在1小时内完全水解。图4图示了在100mM或10mMNaOH下作为时间的函数的水解速度。参考图4，在这两种NaOH浓度下，在头1小时内发生大多数水解。之后，随着时间流逝，水解速度仅仅轻微变化。
如上所述，可通过改性本发明的阳离子聚合物的结构，来控制其水解速度。为了获得不同的水解行为，阳离子聚合物具有变化的结构参数，例如酯基(可水解基团)、间隔基(L1和L2)和抗衡离子(X-)。也可通过改变聚合物的分子量或与其他单体共聚，控制水解行为。可水解酯基(例如叔丁基和烷基取代的甲硅烷基)或酸酐基可在酸性或碱性条件下容易水解。改变在季铵基(阳离子中心)和酯基(可水解)基团之间的间隔基(L2：-(CH2)-n)也可微调水解速度。短的间隔基可增加水解速度。另外，抗衡离子，例如亲水阴离子(例如，Cl-、Br-、I-、SO4)也增加水解速度，和低的聚合物分子量以及与其他亲水单体共聚也有助于增加水解速度。
蛋白质的吸收
本发明的可水解阳离子聚合物可有利地用作有效地降低蛋白质吸收到用聚合物处理过的表面上的材料。可使用阳离子聚合物制备低结垢的表面。对于其中蛋白质吸收到器件表面有害的环境内的器件来说，可有利地使用这些表面。
为了证明本发明的代表性阳离子聚合物在提供具有低蛋白质吸收的表面方面的用途，如实施例3所述，由代表性阳离子聚合物制备聚合物刷并测量其蛋白质吸收。
使用表面引发的ATRP，在SPR传感器的表面上接枝三种单体(CBAA-1-酯、CBAA-3-酯和CBAA-5-酯)。该聚合物刷的厚度为5-20nm，这根据XPS分析估计。使用SPR，测量在三种聚合物刷上从1mg/ml纤维蛋白原溶液中吸收的蛋白质。纤维蛋白原是一种粘性蛋白质且在血小板聚集和血液在生物材料上凝结方面扮演重要的作用。对于聚CBAA-1-酯、聚CBAA-3-酯和聚CBAA-5-酯来说，纤维蛋白原吸收分别为195ng/cm2、255ng/cm2和600ng/cm2(参见图5A-5C)。所有三种聚合物具有明显的蛋白质吸收，因为它们具有正电荷。聚CBAA-1-酯具有相对较低的纤维蛋白原吸收，因为与具有更加疏水的L2(即分别为C3和C5)的其他两种酯相比，它具有较高的亲水性。在L2从亚甲基增加到亚丙基到亚戊基的情况下，聚合物的疏水性增加，从而导致较高的纤维蛋白原吸收。
在100mM下水解1-2小时之后，表面性能急剧变化。图5A-5C阐述了用三种聚合物中的每一种接枝的表面转化成高度抗纤维蛋白原吸收的表面。在具有水解的聚CBAA-1-酯和水解的聚CBAA-3-酯的表面上，纤维蛋白原的吸收小于0.3ng/cm2，这是SPR的检测下限。在水解的聚CBAA-5-酯上的纤维蛋白原的吸收为约1.5ng/cm2。通过控制水解，聚合物接枝的表面可从高蛋白质吸收变化到强烈抗蛋白质吸收的性能。而且，在水解之后，具有两性离子聚合物的所得表面生物相容且高度抗来自血浆/血清的非特异性蛋白质吸收和细菌粘附/生物膜形成。
抗微生物性能
本发明的可水解阳离子聚合物显示出抗微生物性能。实施例4中描述了本发明代表性阳离子聚合物的抗微生物性能的评价。
为了评价阳离子聚羧基甜菜碱酯的抗微生物性能，用大肠杆菌保温聚CBAA-1-酯、聚CBAA-3-酯和聚CBAA-5-酯的聚合物溶液。发现， 在2mM的浓度(重复单元分子浓度)下，聚CBAA-1-酯、聚CBAA-3-酯和聚CBAA-5-酯分别具有95％、87.3％和46.2％的存活细胞百分数(参见图6)。随着L2的长度增加，抗微生物活性似乎增加。在水解之后，两性离子聚合物，聚CBAA-1、聚CBAA-3和聚CBAA-5分别显示出93.7％、96.3％和95.3％的存活细胞百分数，从而表明随着阳离子聚合物(即聚羧基甜菜碱酯)水解成两性离子聚合物(即聚羧基甜菜碱)，抗微生物活性下降。
研究了数种两亲聚阳离子的抗细菌活性。研究聚阳离子的烷基侧链长度，比较不同聚阳离子的杀菌效率。发现具有季胺基和较长疏水侧链的聚合物具有较好的抗微生物活性，因为其疏水性较高。发现具有羧基甜菜碱酯的小分子季铵化合物(QMC)当具有较长的烃基时，具有快速的杀菌作用。这些QMC可结合到肠杆菌的外部膜和胞质膜上并渗透到细菌膜内。随着本发明阳离子聚合物(例如聚羧基甜菜碱酯)的间隔基长度(L2)增加，抗微生物效果增加。
聚CBAA-5-酯的抗微生物功效与具有类似烷基链长的其他季化聚合物相当。可采用较长的烷基链长(例如C1-C20)，实现较高的抗微生物功效。
对于常规的抗微生物涂层来说，杀死的微生物和吸收的蛋白质通常累积在表面上且急剧降低其抗微生物活性。相反，水解由本发明的阳离子聚合物制备的抗微生物涂层成两性离子聚合物，提供高度抗各种生物分子吸收的表面。这些两性离子聚合物作为本体材料和表面涂层均无毒，生物相容和不结垢。
本发明的代表性交联的两性离子聚合物，聚羧基甜菜碱水凝胶无毒，且使用Limulus Amebocyte Lysate(LAL)内毒素分析试剂盒(Cambrex Bioscience，Walkerville，MD)测定，含有小于0.06单元(EU)/ml内毒素。将聚羧基甜菜碱水凝胶皮下植入小鼠体内最多4周。结果表明聚羧基甜菜碱的体内生物相容性与聚(甲基丙烯酸2-羟乙酯)(聚HEMA)水凝胶(一种广泛接受的用于植入的生物材料)相当。两性离子聚合物的无毒性转化了其阳离子聚合物前体的毒性且进一步提 供不结垢的性能，这种性能可防止死亡的微生物和吸附的蛋白质在表面上累积。
可转换的聚合物涂层及其在医疗器件中的用途
可水解成两性离子聚合物的本发明的阳离子聚合物可有利地用作各种器件，其中包括例如医疗器件表面的涂层。在这一实施方案中，本发明的阳离子聚合物提供可转换的可生物相容的聚合物表面，该表面具有自灭菌和不结垢的能力。
图7是具有自灭菌和不结垢性能的可转换可生物相容的聚合物表面的示意图。参考图7，用有效地杀灭细菌的本发明的代表性阳离子聚合物(即pCBMA-1 C2，参见图8)表面涂布抗微生物表面(a)。当水解时，(b)代表性阳离子聚合物转化成不结垢的两性离子聚合物(即pCBMA-1，相应于pCBMA-1 C2酯的羧酸盐)，和在该表面上残留的死亡细菌从不结垢的两性离子聚合物(即pCBMA-1)中释放(c)，提供具有两性离子聚合物表面涂布的表面，该表面高度抗细菌粘附(d)。
有利地使用本发明的材料(例如聚合物，水凝胶)涂布表面，提供生物相容、抗微生物和不结垢的表面。因此，在另一方面中，本发明提供具有本发明的一种或更多种材料施加(例如涂布、共价偶联、离子缔合、疏水缔合)到其上的表面的器件和材料。可有利地用本发明的材料处理，改性，以便包括本发明的材料，或者掺入本发明的材料的代表性器件包括：
表面处理，改性，以包括或者掺入本发明材料的颗粒(例如纳米颗粒)；
表面处理，改性以包括或掺入本发明材料的药物载体；
表面处理，改性以包括或掺入本发明材料的非病毒基因传输体系；
表面处理，改性以包括或掺入本发明材料的生物传感器；
表面处理，改性以包括或掺入本发明材料的生物加工或生物分离的器件，例如微生物悬浮、激素分离、蛋白质精馏、细胞分离、废水处理、低聚糖生物反应器、蛋白质超滤和日常处理用膜；
表面处理，改性以包括或掺入本发明材料的可植入传感器；
表面处理，改性以包括或掺入本发明材料的皮下传感器；
表面处理，改性以包括或掺入本发明材料的植入物，例如胸部植入物，耳蜗植入物和牙齿植入物；
表面处理，改性以包括或掺入本发明材料的接触透镜；
表面处理，改性以包括或掺入本发明材料的组织支架(scaffold)；
表面处理，改性以包括或掺入本发明材料的可植入的医疗器件，例如人工关节、人工心瓣膜、人工血管、起搏器、左脑辅助器件(LVAD)、动脉移植物和斯滕特印模；和
表面处理，改性以包括或掺入本发明材料的医疗器件，例如耳朵排泄管道、喂食管道、青光眼排泄管道、脑积水分流、角膜修复、神经导引管道、导尿管、组织粘合剂、x-射线导管。
微生物粘附到植入的生物材料上和随后形成生物膜是生物医疗器件故障的主要原因。使用抗微生物和不结垢的涂层是防止微生物在可植入材料表面上固定和铺开的两个策略。含有共价连接的季铵化合物(QAC)的抗微生物表面证明能有效地杀灭各种微生物。QAC表面的主要问题是残留在抗微生物涂层上的死亡微生物的固定，这可引发免疫应答和感染，且封闭其抗微生物官能团。另外，这种抗微生物涂层不可能满足作为可植入的生物材料对不结垢和生物相容性的要求。聚(乙二醇)(PEG)衍生物或两性离子聚合物广泛地用作不结垢材料，降低细菌的固定和生物膜的形成。然而，PEG对氧化损坏的敏感性限制了其在复杂介质中长期应用。两性离子材料，例如聚(磺基甜菜碱甲基丙烯酸酯)(pSBMA)能急剧降低细菌的固定和生物膜的形成，且高度抗甚至来自未稀释的血浆和血清的非特异性蛋白质吸收。尽管两性离子涂层可降低起始的固定并延迟微生物在表面上集群，但在植入操作和导管插入过程中，可引入致病原微生物到患者体内，从而导致植入器件失败。需要使用抗微生物剂消除这些微生物。开发了广谱应用的表面应答性材料，但仍存在巨大的挑战开发兼有抗微生物和不结垢能力的生物相容材料。
如上所述，在一个实施方案中，本发明提供可转换的聚合物表面 涂层，它兼有不结垢的表面且可在1小时内杀灭大于99.9％大肠杆菌K12的优点，且当阳离子衍生物水解成不结垢的两性离子聚合物时，98％的死亡细菌细胞得到释放。通过表面引发的原子转移自由基聚合(ATRP)，在用引发剂覆盖的金表面上接枝pCBMA-1-C2(式(I)的阳离子聚合物，其中L1为-C(＝O)OCH2CH2-，L2是-CH2-，Rc是CH2CH3，和X-是Br-)的对照涂层。根据原子力显微术(AFM)测量，所得聚合物涂层的厚度为26-32nm(表1)。
表1：通过ATRP，在金涂布的玻璃载片上接枝pCBMA-1C2、pC8NMA和pCBMA-2的膜厚(平均值±标准偏差)，和在不同条件下水解之前和之后，通过SPR测量的在这些表面上的纤维蛋白原的吸收
  pCBMA-1 C1   pC8NMA   pCBMA-2
  聚合物刷厚度(nm)   (31.2±2.4)   (27.8±2.8)   (26.1±2.5)
  蛋白质吸收(ng/cm2)
  0h   229.2   243.4   1.5
  24h H2O   189.9   -   -
  24h CHES(pH9.0)   114.9   -   -
  24h CAPS(pH10.0)   0   285.1   0.7
根据改性的文献工序(Tiller等人，Proc.Natl.Acad.Sci.USA98：5981，2001)，使用大肠杆菌K12，测定pCBMA-1 C2表面的杀菌活性。永久的阳离子聚(甲基丙烯酰氧基乙基-二甲基辛基溴化铵)(pC8NMA，阳离子对照物(参见图8)和两性离子聚(2-羧基-N，N-二甲基-N-[2′-(甲基丙烯酰氧基)乙基]ethanaminium)(pCBMA-2，两性离子对照图，参见图8))分别作为正和负对照表面。抗微生物效率定义为相对于在pCBMA-2表面上的那些，在所测试的表面上存活细胞的数量。图9示出了相对于pCBMA-2表面，pCBMA-1 C2和pC8NMA表面在1小时内分别杀灭大于99.9％和99.6％的大肠杆菌。在金表面上存活的细菌细胞总数(也用作负对照表面)类似于pCBMA-2表面。
在pCBMA-1 C2表面上，在水解之前和之后，测试大肠杆菌K12 的固定和释放。阳离子pC8NMA和两性离子pCBMA-2分别用作负和正对照的不结垢表面，和分别作为正与负对照的抗微生物表面。图10A-10F示出了在水解之前，大量细菌固定到阳离子pCBMA-1 C2和pC8NMA表面上，而非常少的细菌细胞固定到两性离子pCBMA-2表面上。与pC8NMA相反，pCBMA-1 C2在水解之后释放大多数细胞，而pCBMA-2保持不结垢。图11示出了在水解之前和之后，在所有三种聚合物表面上残留的细菌细胞量的定量数据。在水解之前，在阳离子pCBMA-1 C2和pC8NMA二者的表面上存在类似量的细菌残渣，而在pCBMA-2表面上固定的细胞量小于阳离子pCBMA-1 C2和pC8NMA二者的表面上的细胞量的0.3％。为了测试细菌残渣的释放，在N-环己基-3-氨基丙磺酸(CAPS)缓冲液(10mM，pH10.0)内，在37℃下保温三个表面8天。水解pCBMA-1 C2表面成聚(N-(羧甲基)-N，N-二甲基-2-[(2-甲基-1-氧杂-2-丙烯-1-基)-氧基]ethanaminium(pCBMA-1)，和98％的死亡细菌细胞得到释放。相反，在pC8NMA表面上没有观察到死亡细胞的释放(p＞0.1)，而pCBMA-2表面保持非常低的细菌粘附。
固定的细菌细胞的释放取决于阳离子pCBMA-1C2转化成两性离子pCBMA-1的转化率。甜菜碱酯的水解速度受到几个因素影响，例如在季胺和羧基之间的间隔基(L2)的长度，可水解基团的性质，温度，和pH值。所使用的酯基的大多数聚合物链水解。在细菌细胞和蛋白质固定到表面上之后，甜菜碱酯的水解速度也比较慢。选择具有一个亚甲基间隔基(L2)的pCBMA-1 C2，并设定实验温度在37℃下，以实现快速的水解速度并提供生理相关的温度。蛋白质的吸收结果(参见表2)表明，在37℃和pH10.0下，清洁的阳离子pCBMA-1 C2表面仅仅在24小时之后水解成不结垢的两性离子表面，同时在从107个细胞/ml的大肠杆菌K12悬浮液中固定细菌之后，需要花费48小时形成不结垢的表面并释放细菌残渣。当细菌细胞从1010个细胞/ml的悬浮液中固定到pCBMA-1C2表面上时，在相同的水解条件下，固定的细菌的释放需要花费8天。
通过表面胞质基因组共振(SPR)传感器，测量在各种表面上的非特 异蛋白质吸收，以测定表面的不结垢特征(参见表2)。在SPR传感器中就地研究pCBMA-1 C2和对照表面的水解条件。图12A和12B示出了随着时间流逝，在pCBMA-1 C2和对照表面上纤维蛋白原吸收的代表性SPR传感图。在水解之前，在pCBMA-1 C2上的纤维蛋白原吸收为229.2ng/cm2。在用CAPS缓冲液(pH10.0)保温24小时之后，在pCBMA-1C2表面上没有可测量的蛋白质吸收，这表明pCBMA-1 C2完全水解成不结垢的两性离子pCBMA-1。相反，在水或N-环己基-2-氨基乙磺酸(CEHS)缓冲液(pH9.0)内保温24小时之后，pCBMA-1C2的水解不完全。正如图12B所示，在37℃下，在表面用CAPS缓冲液(pH10.0)保温24小时之前和之后，在pC8NMA表面上观察到高的纤维蛋白原吸收。然而，在相同条件下，pCBMA-2表面仍显示出优良的不结垢性能，且纤维蛋白原吸收小于2ng/cm2。这一结果表明所得两性离子表面高度抗蛋白质吸收且作为超低结垢表面是合格的，所述超低结垢表面是可植入的医疗器件的表面涂层所要求的。
在这一实施方案中，本发明提供可转换的聚合物表面，它兼有抗微生物和不结垢性能且生物相容。代表性阳离子聚合物(即pCBMA的前体)能有效地杀死细菌细胞，且当水解时，转换成两性离子的不结垢表面并释放死亡细菌细胞。而且，所得不结垢的两性离子表面可进一步防止蛋白质和微生物固定并降低在表面上生物膜的形成。可通过调节特定应用要求的这些聚合物的水解速度，微调从抗微生物转换成不结垢表面的可转换工艺。
如上所述，本发明的阳离子聚合物可包括疏水抗衡离子或具有治疗活性的抗衡离子(例如抗微生物或抗细菌活性)。可由图13所示的单体：CBMA-1 C2(“1”表示在两个荷电基团之间具有1个碳原子和“C2”表示C2酯)，制备具有水杨酸盐抗衡离子的代表性聚合物(pCBMA-1C2)。通过在65℃下，在1ml溶剂(乙二醇∶水∶乙醇＝1∶2∶1)内，共聚1mM CBMA-1 C2 SA单体(图13)与0.05mM四甘醇二甲基丙烯酸酯2小时，制备负载有水杨酸(SA)作为其抗衡离子的pCBMA-1 C2水凝胶。将所得水凝胶浸泡在去离子水内12小时。将水凝胶切割成直径1cm的圆 盘。然后将水凝胶圆盘转移到具有不同pH和离子强度的溶液内，并在25℃或37℃下保温。在不同的时间点处，完全除去水相并添加新的溶液。通过高效液相色谱(HPLC)，测量SA释放到水相内。SA的释放速度定义为所释放的SA量除以时间(mg/h)。SA从pCBMA-1 C2 SA水凝胶中释放的速度取决于温度、离子强度和pH。图14和15表明较高pH促进SA释放，且增加的离子强度可轻微增加SA的释放速度。通过比较图14和图15，可观察到升高的温度导致SA比较快速地释放到水和磷酸盐缓冲的盐水(PBS)内。对于所有的条件来说，作为时间的函数，SA的释放速度下降。
治疗药物传输
在本发明的另一方面中，提供治疗剂传输体系。在可以可逆地与聚合物缔合的治疗剂的传输中，本发明的阳离子聚合物有利地充当载体。在一个实施方案中，治疗剂传输体系包括本发明的聚合物和与该聚合物可逆地缔合的治疗剂。此处所使用的术语“可逆地缔合”是指可通过缔合相互作用(例如离子相互作用)，与阳离子聚合物有效地缩合(即包装或键合)，然后一旦传输体系到达其靶标时释放的治疗剂。合适的治疗剂包括小分子，核酸(例如基因)，蛋白质，和肽，它们在输送到靶标的过程中，具有足以与阳离子聚合物缔合的电荷性能，其中阳离子聚合物水解的结果是，治疗剂从聚合物中解离并在感兴趣的靶标处转化成相应的两性离子聚合物。在一个实施方案中，治疗剂是核酸，例如DNA、RNA或siRNA。
在一些实施方案中，聚合物是共聚物。代表性共聚物具有第一重复单元和第二重复单元。合适的第一重复单元包括叔(30)胺基和合适的第二重复单元包括伯(10)、仲(20)或季(40)胺基。这些共聚物可表示为30/10、30/20和30/40。在一个实施方案中，第二重复单元包括季胺基(例如30/40共聚物)。在一个实施方案中，共聚物是无规共聚物。在另一实施方案中，共聚物是嵌段共聚物。
在进一步的方面中，本发明提供使用本发明的阳离子聚合物，施用治疗剂的方法。在该方法中，通过施用治疗剂传输体系，给需要的 受试验者施用治疗剂。在一个实施方案中，该方法包括施用有效量的治疗剂传输体系。此处所使用的术语“有效量”是指包括足以产生所需治疗作用的治疗剂用量的传输体系量。本领域的技术人员可基于受试验者，待治疗的疾病，和施用方法，容易地确定有效量的治疗剂。
在实施例5中描述了本发明的代表性阳离子聚合物的制备和在核酸传输中的有效性。
溶解代表性阳离子聚合物，聚CBAA-1-酯(14kDa)，聚CBAA-3-酯(13kDa)和聚CBAA-5-酯(9.6kDa)，提供聚合物溶液并与质粒DNA混合。图16示出了质粒DNA在琼脂凝胶上的迁移，这种迁移可基于其电荷和大小，通过琼脂凝胶电泳延迟，分离聚合物或络合物。带1仅仅包括DNA。在添加聚合物溶液的情况下，对于每一情况来说，发现具有高分子量的仅仅一条带，从而表明所有三种阳离子聚合物缩合质粒DNA并形成DNA/聚合物络合物(带2、4和6)。聚CBAA-1-酯/DNA络合物显示出强的染色信号。琼脂凝胶电泳延迟表明在水解之前和之后的明显变化。在使用施用100mM氢氧化钠水解1小时之后，三种聚合物溶液不能络合质粒DNA和在混合物内的所有DNA迁移到琼脂凝胶上(参见带3、5和7)。
基于光散射的结果，三种聚合物中的每一种，聚CBAA-1-酯，聚CBAA-3-酯和聚CBAA-5-酯分别形成平均直径为106、136和112nm的络合物。很好地形成具有低的多分散性的颗粒(表2)。为了允许通过细胞内部化，希望较小尺寸的聚合物/DNA络合物(小于150nm)。结果表明所有三种聚合物可缩合具有合适大小的DNA以供基因传输载体。所有三种聚合物/DNA络合物带有正电荷，便于在溶液内容易分散。聚CBAA-1-酯，聚CBAA-2-酯和聚CBAA-3-酯的平均ζ电势分别为+3.13±0.98，+6.47±0.33，和+11.80±1.44。
表2：由质粒DNA和三种聚羧基甜菜碱酯形成的DNA/聚合物络合物的平均有效直径，多分散性，和平均ζ电势
  CB-1-酯   CB-3-酯   CB-5-酯
  平均有效直径(nm)   106±1   136±2   113±2
  多分散性   0.13±0.01   0.12±0.39   0.11±0.06
  平均ζ电势(mV)   +3.13±0.98   +6.47±0.33   +11.80±1.44
类似于其他阳离子聚合物，本发明的阳离子聚合物与荷负电的DNA相互作用。结果表明本发明的阳离子聚合物不仅形成聚合物/DNA络合物，而且在水解之后释放DNA。此外，水解产物，两性离子聚合物(例如聚羧基甜菜碱)无毒，生物相容且不结垢。对于基因传输来说，具有羧基甜菜碱酯基的聚合物可通过酯酶水解。可针对胞内可控水解，制备具有不同间隔基(L1和/或L2)，酯基的醇组分，例如苄酯等基的聚羧基甜菜碱酯。
此外，叔胺可作为“质子海绵”引入。叔胺的pK值大致在生理范围内。这一性能对于胞内传输来说是有利的，因为这些胺可缓冲内体腔室，其中质子的流入引起酸化和潜在的DNA降解。胺介导蛋白质的结合导致在内体和胞质之间形成渗透梯度，这可导致小泡溶胀和断裂(称为质子海绵效应)。
为了结合内体缓冲能力与生物相容性，合成羧基甜菜碱的甲基丙烯酸酯(CBMA)单体的仲(20-)、叔(30-)和季(40-)胺类似物。参见图17。在100％/0％、75％/25％、50％/50％、25％/75％和0％/100％的比值下，共聚单体，得到30-35kDa的聚合物。
然后使用这些聚合物，缩合编码荧光素酶基因的DNA成离散的纳米颗粒。在Brookhaven ZetaPALS仪器上测量纳米颗粒的大小和表面电荷(分别参见图18和19)。发现所有聚合物缩合DNA成足够小结果借助笼形蛋白介导的胞吞作用进入细胞内的纳米颗粒，例外的是75％40/25％20和50％40/50％20共聚物。所有30/40和40/20共聚物缩合DNA成荷正电的纳米颗粒，而所有20/30共聚物纳米颗粒荷负电。正电荷允许 在不存在特异结合的情况下与细胞静电相互作用。
然后使用该纳米颗粒，用荧光素酶基因转染COS-7细胞。仅仅用来自30/40混合聚合物、100％40和75％40/25％20的纳米颗粒转染的细胞具有可测量的传输基因的表达。50/50 30/40共聚物在转染方面比其他共聚物的效率大1个数量级。
在转染之后，作为细胞存活性的量度，测量转染的细胞菌落的蛋白质含量。发现，所有混合-胺纳米颗粒(具有两个例外)具有与仅仅用介质处理的那些细胞一样好(如果不是更好的话)的细胞存活率。混合-胺纳米颗粒的转染效率和细胞存活率与聚(乙烯亚胺)(PEI)相当，聚(乙烯亚胺)被广泛视为聚合物基因传输的标准物。参见图20，在误差范围内，30和40CBMA酯的50/50混合物具有与PEI相等的转染效率(对于CBMA来说，3.3×106±1×106RLU/孔，这与PEI的3.1×106±4×105RLU/孔相当)。
表3：30/40共聚物纳米颗粒的生物物理特征和转染效率的比较
Figure BPA00001162595500311
与仅仅用介质处理的细胞的存活率相比，几乎所有聚合物的细胞存活率得到改进，且30和40CBMA酯的50/50混合物具体地显示出2倍增加。另一方面，在我们的体系中，PEI具有仅仅12％的细胞存活率。参见图21。30和40CBMA酯共聚物的50/50混合物具有与PEI相同的转染能力并提供细胞存活率25倍增加。
为了测试水解部分对单体的重要性，用二甲基氨乙基甲基丙烯酸酯(DMAEMA)替代叔型单体。DMAEMA在结构上非常类似于CBMA乙酯的 30类似物，但在胺基之后，其侧链缩短(truncate)。因此，认为它具有相同的内体缓冲能力，但缺少水解变为两性离子的能力。当DMAEMA单体与相同的20和40单体共聚时，所得共聚物显示出仅仅基线转染，从而表明乙酯基的水解是30CBMA酯转染能力的关键。参见图22。
由30和40CBMA酯的50/50混合物制备的共聚物的成功可归因于其正电荷(所述正电荷允许包装DNA成离散尺寸和荷正电的纳米颗粒)与叔胺(它允许内体缓冲)的平衡。通过聚合物侧链水解，释放DNA和留下不结垢且生物相容的副产物的能力，进一步提高这些特征。
为了阐述，而不是限制要求保护的发明的目的，提供下述实施例。
实施例
实施例1
合成和表征代表性阳离子聚合物
材料
N-(3-二甲基氨丙基)丙烯酰胺(＞98％)购自TCIAmerica，Portland，OR。溴代乙酸甲酯(97％)、4-溴丁酸乙酯(≥97.0％)、6-溴己酸乙酯(99％)、溴化铜(I)(99.999％)、溴代异丁酰溴(BIBB 98％)、11-巯基-1-十一烷醇(97％)和2，2′-联吡啶(BPY 99％)和2，2′-偶氮双(2-甲基丙腈)(AIBN 98％)购自Sigma-Aldrich。纤维蛋白原(来自牛血浆的I部分)和磷酸盐缓冲盐水(PBS，pH7.4，0.15M，138mM NaCl，2.7mM KCl)购自Sigma Chemical Co.。乙醇(无水200标准酒精度)购自AAPER Alcohol and Chemical Co.。使用最小电阻率为18.0MΩ.cm的Millipore水纯化体系，纯化在实验中所使用的水。
使用Ilker，M.F.；Nuesslein，K.；Tew，G.N.；Coughlin.E.B.，“Tuning the Hemolytic and Antibacterial Activities ofAmphiphilic Polynorbornene Derivatives”，Journal of theAmerican Chemical Society 126(48)：15870-15875，2004所述的方法，通过BIBB和2反应，合成ω-巯基十一烷基溴代异丁酸盐(1)。1H NMR(300MHz，CDCl3)：4.15(t，J＝6.9，2H，OCH2)，2.51(q，J＝7.5，2H， SCH2)，1.92(s，6H，CH3)，1.57-1.72(m，4H，CH2)，和1.24-1.40(m，16H，CH2)。
阳离子单体的合成
CBAA-1-酯：(2-羧甲基)3-丙烯酰胺基丙基二甲基溴化铵，甲酯
将N-(3-二甲基氨丙基)丙烯酰胺(25mmol)、溴代乙酸甲酯(37.5mmol)和乙腈(25ml)加入到100ml圆底烧瓶内。在室温下，在氮气氛围下搅拌该混合物6小时。收集沉淀，用约500ml无水丙酮洗涤。在旋转蒸发仪上除去溶剂，得到白色粉末(96％产率)。1H NMR(300MHz，D2O)：2.02(m，2H，-CH2-)，3.25(s，6H，N+(CH3)2)，3.37(t，2H，CH2-N+)，3.58(m，2H，CH2-N)，3.79(s，3H，O-CH3 )，4.29(s，2H，CH2-C＝O)，5.77(m，1H，CH＝C-CON-反式)；6.19(m，1H，CH＝C-CON-顺式)，6.23(m，1H，＝CH-CON-)。
CBAA-3-酯：(4-羧丙基)3-丙烯酰胺基丙基二甲基溴化铵，乙酯
将N-(3-二甲基氨丙基)丙烯酰胺(50mmol)、4-溴丁酸乙酯(60mmol)和乙腈(25ml)加入到100ml圆底烧瓶内。在室温下，在氮气氛围下搅拌该混合物3天。在旋转蒸发仪上除去溶剂，得到无色油(92％产率)。1H NMR(300MHz，D2O)：1.22(t，3H CH3)，2.00(m，4H，C-CH2-C)，2.47(t，2H，CH2-C＝O)，3.06(s，6H，N+(CH3)2)，3.28-3.35(6H，CH2-N和CH2-N+-CH2)，4.14(q，2H，O-CH2)，5.75(m，1H，CH＝C-CON-反式)；6.19(m，1H，CH＝C-CON-顺式)，6.26(m，1H，＝CH-CON-)。
CBAA-5-酯：(6-羧戊基)-3-丙烯酰胺基丙基二甲基溴化铵，乙酯
将N-(3-二甲基氨丙基)丙烯酰胺(50mmol)、6-溴己酸乙酯(55mmol)和乙腈(25ml)加入到100ml圆底烧瓶内。在45℃下，在氮气氛围下搅拌该混合物5天。在旋转蒸发仪上除去溶剂，得到浅黄色油(87％产率)。1H NMR(300MHz，D2O)：1.20(t，3H CH3)，1.34(m，2H，C-C-CH2-C-C)，1.60-1.72(4H，C-CH2-C-CH2-C)，2.00(m，2H，N-C-CH2-C-N)，2.34(t，2H，CH2-C＝O)，3.04(s，6H，N+(CH3)2)，3.24-3.37(6H，CH2-N和CH2-N+-CH2)，4.12(q，2H，O-CH2)，5.75(m， 1H，CH＝C-CON-反式)；6.20(m，1H，CH＝C-CON-顺式)，6.24(m，1H，＝CH-CON-)。
代表性阳离子聚合物的合成
表面引发的ATRP。使用表面引发的ATRP，将三种单体，CBAA-1-酯，CBAA-3-酯和CBAA-5-酯接枝在金涂布的SPR传感器芯片或金涂布的硅片上。聚合物刷的制备与表征描述于Zhang，Z.；Chen，S.；Chang，Y.；Jiang，S.，″Surface Grafted Sulfobetaine Polymers Via Atom Transfer Radical Polymerization as Superlow Fouling Coatings.″Journal of Physical Chemistry B 110(22)，：10799-10804，2006，和Zhang，Z.；Chen，S.；Jiang，S.，″Dual-Functional Biomimetic Materials：Nonfouling Poly(carboxybetaine)With ActiveFunctional Groups for Protein Immobilization，″Biomacromolecules 7(12)：3311-3315，2006中。前面的出版物，简而言之，将CuBr(1mmol)和具有Br-硫醇SAM的SPR芯片或金圆盘置于氮气吹扫的反应管内。使用注射器，将具有CBAA酯(6.5mmol)和BPY(2mmol，在5ml脱气甲醇内)的脱气溶液(体积比为1∶1的纯水和甲醇，10ml)转移到反应管内。在氮气下反应大于1小时之后，取出SPR芯片或金圆盘，并用乙醇、水和PBS溶液漂洗。在测试之前，在PBS溶液内储存样品。
聚合物的合成和表征
用氮气吹扫约0.3M CBAA-1-酯在甲醇内的溶液30分钟。然后，使用3mol％AIBN作为引发剂，在氮气下，在60℃下进行聚合约48小时，提供聚CBAA-1-酯。类似的方法应用于使用乙醇作为溶剂，制备聚CBAA-3-酯或聚CBAA-5-酯上。用乙醚洗涤聚合物，然后除去溶剂。聚合物的结构通过NMR证实。1H NMR(300MHz，D2O)：聚CBAA-1-酯：1.62(br，2H)，2.05(br，3H)，3.25-3.32(br，8H)，3.62(br，2H)，3.83(s，3H)，4.38(s，2H)；聚CBAA-3-酯1.21(t，3H)，1.61(br，2H)，2.04(br，5H)，2.50(t，2H)，3.37(br，6H)，3.12(s，6H)，4.14(q，2H)；聚CBAA-5-酯：1.22(t，3H)，1.37(m，2H)， 1.62-1.80(br m，6H)，2.01(br，3H)，2.39(t，2H)，3.03(s，6H)，3.24(br m，6H)，4.12(q，2H)。
使用配有Waters Ultrahydrogel 1000柱子并采用Waters 2414Reflex Detector检测的Waters Alliance 2695 SeparationsModule，评估线型聚CBAA的分子量。移动相是在0.5ml/min流速下的水溶液。采用获自Polymer Laboratories的聚(环氧乙烷)标准物，校正仪器和柱子。所有测量在35℃下进行。使用获自Waters的EmpowerPro，计算聚合物的分子量。
实施例2
代表性阳离子聚合物的水解
将如实施例1所述制备的阳离子聚合物以50mg/ml的浓度溶解在不同浓度(10mM，100mM和1M)的NaOH溶液中。在合适的时间间隔之后，用稀盐酸溶液中和该聚合物溶液，并通过真空除去水。进行1H NMR光谱(D2O)，通过测定完整的酯基的含量，并与其他不可水解的侧基作为内标比较，从而测量降解速度。图3中示出了结果。
实施例3
代表性阳离子聚合物的蛋白质吸收和释放
通过表面胞质基因组共振(SPR)，评价如实施例1所述制备的阳离子聚合物的蛋白质吸收。
采用基于波长询问(interrogation)的常规制造的SPR传感器，测量蛋白质的吸收。将SPR芯片固定到棱镜底座上，并使用折射指数匹配流体(Cargille)，建立最佳的接触。在实验过程中，使用具有两个独立平行流动通道的双通道流动池，容纳液体样品。使用蠕动泵(Ismatec)，传输液体样品到流动池的两个通道内。纤维蛋白原在PBS(0.15M，pH7.4)内的1.0mg/ml的溶液在表面上以0.05ml/min的流速流动。使用表面敏感的SPR检测仪，在真实的时间内监控蛋白质-表面相互作用。利用波长漂移测量表面浓度的变化(单位面积的质量)。在图5A-5C中示出了结果。
实施例4
代表性阳离子聚合物的抗微生物性能
评价如实施例1所述制备的阳离子聚合物的抗微生物性能。
首先在37℃下，在单独的纯培养物内，在LB琼脂板上培养大肠杆菌K12过夜，然后在摇动下，在37℃下保温24小时。可使用在琼脂板上的培养物2周，若保持在4℃下的话。使用数个菌落接种25mlLB(20g/l)。在100rpm的摇动下，这些起始的培养物在37℃下保温18小时，然后用于在200ml合适的介质内接种每一物种的第二培养物。当第二悬浮的培养物在600nm下，达到1.0的最佳密度时，通过在4℃下，在8000×g下离心10分钟，收集细菌。用无菌的磷酸盐缓冲的盐水(PBS，pH7.4)洗涤细胞粒状沉淀3次，随后悬浮在PBS中成108个细胞/ml的最终浓度。
当含有细菌细胞的培养物加入到上述聚合物悬浮液(所述悬浮液在30℃下预平衡和摇动)中时，开始细菌细胞暴露于代表性聚合物溶液下，且在室温下保温该混合物30分钟。最终的溶液含有约108个细胞/ml大肠杆菌，和2mM重复单元浓度，这是聚合物的重复单元的摩尔浓度(基于CBAA和CBAA-酯的分子量，约0.6-0.76mg/ml)。用Live/Dead BacLightTM(Invitrogen，USA)染色细菌，随后通过具有0.2微米孔度的聚碳酸酯膜滤器(Millipore，USA)，过滤细菌悬浮液，并采用在具有100×油透镜的Nikon Eclipse 80i上安装的CCD-CoolSNAP照相机(Roper scientific，Inc.，USA)直接观察。通过具有与Cheng，G.；Zhang，Z.；Chen，S.；Bryers，J.D.；Jiang，S.，″Inhibition of Bacterial Adhesion and Biofilm Formation on Zwitterionic Surfaces，″.Biomaterials 28(29)：4192-4199，2007中所述相同显微镜的FITC和Rhodamine过滤器，分别测定存活和死亡的细胞数量。图6中示出了结果。
实施例5
代表性阳离子聚合物核酸缩合和释放
评价如实施例1所述制备的阳离子聚合物对核酸的缩合与释放。
制备聚合物/DNA络合物和琼脂凝胶延迟分析
将如实施例1所述制备的三种羧基甜菜碱酯聚合物以50mg/ml的浓度溶解在水中。然后，使用DMSO，稀释该聚合物溶液到14-19mg/ml的浓度。然后添加水，使聚合物的最终浓度为1.6-2.2mg/ml。在搅拌下，非常缓慢地添加500微升聚合物/DMSO/水溶液到1.5ml DNA溶液(34.5μg/ml)中，形成络合物或纳米颗粒。
混合8.3微升每一纳米颗粒的溶液与1.7微升6×负载缓冲液(Novagen，Madison，WI)，并负载在0.8％琼脂凝胶上。在65V下运转凝胶2.5小时，所使用的对照物是在具有1.7微升6×负载缓冲液的水中8.3微升30μg/ml的DNA。通过溴化乙锭染色，肉眼观察DNA带。在图16中示出了结果。
动态激光散射和ζ电势测量
使用ZetaPALS动态光散射检测仪(Brookhaven InstrumentsCorp.，Holtsville，NY，USA；15-mW激光器，在676nm下的入射光束)，测量粒度和ζ电势。如上所述制备聚合物/DNA络合物，然后在1.4ml 25mM Hepes缓冲液，pH7.2内稀释络合物。在90°的散射角下收集校正功能物(functions)，并使用动态光散射软件(版本3.55)，计算粒度。使用BIC PALSζ电势分析软件(版本3.82)，测量平均电泳迁移率。
尽管阐述并描述了例举的实施方案，但要理解可在没有脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种变化。

Claims (53)

1.一种阳离子聚合物，它包括：
(a)聚合物主链；
(b)多个阳离子中心，每一阳离子中心通过第一连接基共价偶联到聚合物主链上；
(c)与每一阳离子中心缔合的抗衡离子；和
(d)通过第二连接基共价偶联到每一阳离子中心上的可水解基团，其中可水解基团可水解成阴离子中心，以提供具有的阴离子中心通过第二连接基共价偶联到阳离子中心上的两性离子聚合物。
2.权利要求1的聚合物，其化学式为：
PB-(L1-N+(Ra)(Rb)-L2-A(＝O)-ORc)n (X-)n
其中
PB是具有n个侧基L1-N+(Ra)(Rb)-L2-A(＝O)-ORc)的聚合物主链；
N+是阳离子中心；
Ra和Rb独立地选自氢、烷基和芳基；
A(＝O)-ORc是可水解基团，其中A选自C、S、SO、P或PO，和Rc是烷基、芳基、酰基或甲硅烷基，它们可被一个或更多个取代基进一步取代；
L1是共价偶联阳离子中心到聚合物主链上的连接基；
L2是共价偶联阳离子中心到可水解基团上的连接基；
X-是与阳离子中心缔合的抗衡离子；和
n是约10-约10,000的整数。
3.权利要求1或2的聚合物，其中抗衡离子是疏水有机抗衡离子。
4.权利要求1或2的聚合物，其中抗衡离子选自C1-C20羧酸根和C1-C20烷基磺酸根。
5.权利要求1或2的聚合物，其中抗衡离子是治疗剂。
6.权利要求1或2的聚合物，其中抗衡离子选自抗微生物剂、抗细菌剂和抗真菌剂。
7.权利要求1或2的聚合物，其中抗衡离子选自核酸，氨基酸，蛋白质和肽。
8.权利要求1或2的聚合物，其中可水解基团在水解时释放疏水有机基团。
9.权利要求1或2的聚合物，其中可水解基团在水解时释放C1-C20羧酸根。
10.权利要求1或2的聚合物，其中可水解基团在水解时释放治疗剂。
11.权利要求1或2的聚合物，其中可水解基团在水解时释放抗微生物剂、抗细菌剂或抗真菌剂。
12.权利要求1或2的聚合物，其中阳离子中心选自铵、咪唑鎓、三唑鎓、吡啶鎓、吗啉鎓、噁唑烷鎓、吡嗪鎓、哒嗪鎓、嘧啶鎓、哌嗪鎓和吡咯烷鎓。
13.权利要求2的聚合物，其中Ra和Rb独立地选自C1-C10直链和支链烷基。
14.权利要求2的聚合物，其中L1选自-C(＝O)O-(CH2)n-和-C(＝O)NH-(CH2)n-，其中n是1-20的整数。
15.权利要求2的聚合物，其中L2是-(CH2)n-，其中n是1-20的整数。
16.权利要求2的聚合物，其中A选自C、SO和PO。
17.权利要求2的聚合物，其中Rc是C1-C20烷基。
18.权利要求2的聚合物，其中X-选自卤化物、羧酸根、烷基磺酸根、硫酸根、硝酸根、高氯酸根、四氟硼酸根、六氟磷酸根、三氟甲磺酸根、双(三氟甲磺酰基)酰胺、乳酸根和水杨酸根。
19.一种阳离子化合物，它包括：
(a)可聚合基团；
(b)通过第一连接基共价偶联到可聚合基团上的阳离子中心；
(c)与阳离子中心缔合的抗衡离子；和
(d)通过第二连接基共价偶联到阳离子中心上的可水解基团，其中可水解基团可水解成阴离子中心，以提供具有的阴离子中心通过第二连接基共价偶联到阳离子中心上的两性离子化合物。
20.权利要求19的化合物，其化学式为：
CH2＝C(Rd)-L1-N+(Ra)(Rb)-L2-A(＝O)-ORc X-
其中
CH2＝C(Rd)是可聚合基团，
Rd选自氢和C1-C6烷基；
N+是阳离子中心；
Ra和Rb独立地选自氢、烷基和芳基；
A(＝O)-ORc是可水解基团，其中A选自C、S、SO、P或PO，和Rc是烷基、芳基、酰基或甲硅烷基，它们可被一个或更多个取代基进一步取代；
L1是共价偶联阳离子中心到可聚合基团上的连接基；
L2是共价偶联阳离子中心到可水解基团上的连接基；和
X-是与阳离子中心缔合的抗衡离子。
21.权利要求19或20的化合物，其中抗衡离子是疏水有机抗衡离子。
22.权利要求19或20的化合物，其中抗衡离子选自C1-C20羧酸根和C1-C20烷基磺酸根。
23.权利要求19或20的化合物，其中抗衡离子是治疗剂。
24.权利要求19或20的化合物，其中抗衡离子选自抗微生物剂、抗细菌剂和抗真菌剂。
25.权利要求19或20的化合物，其中抗衡离子选自核酸，氨基酸，蛋白质和肽。
26.权利要求19或20的化合物，其中可水解基团在水解时释放疏水有机基团。
27.权利要求19或20的化合物，其中可水解基团在水解时释放C1-C20羧酸根。
28.权利要求19或20的化合物，其中可水解基团在水解时释放治疗剂。
29.权利要求19或20的化合物，其中可水解基团在水解时释放抗微生物剂、抗细菌剂或抗真菌剂。
30.权利要求19或20的化合物，其中阳离子中心选自铵、咪唑鎓、三唑鎓、吡啶鎓、吗啉鎓、噁唑烷鎓、吡嗪鎓、哒嗪鎓、嘧啶鎓、哌嗪鎓和吡咯烷鎓。
31.权利要求20的化合物，其中Ra和Rb独立地选自C1-C10直链和支链烷基。
32.权利要求20的化合物，其中L1选自-C(＝O)O-(CH2)n-和-C(＝O)NH-(CH2)n-，其中n是1-20的整数。
33.权利要求20的化合物，其中L2是-(CH2)n-，其中n是1-20的整数。
34.权利要求20的化合物，其中A选自C、SO和PO。
35.权利要求20的化合物，其中Rc是C1-C20烷基。
36.权利要求20的化合物，其中X-选自卤化物、羧酸根、烷基磺酸根、硫酸根、硝酸根、高氯酸根、四氟硼酸根、六氟磷酸根、三氟甲磺酸根、双(三氟甲磺酰基)酰胺、乳酸根和水杨酸根。
37.通过聚合权利要求19-36任何一项的化合物可获得的聚合物。
38.通过聚合权利要求19-36任何一项的化合物和第二单体可获得的聚合物。
39.具有多个重复单元的聚合物，该重复单元具有下式：
-[CH2-C(Rd)]n-L1-N+(Ra)(Rb)-L2-A(＝O)-ORc X-
其中-[CH2-C(Rd)]n-定义了具有n个重复单元的聚合物主链；
Rd选自氢、氟、三氟甲基和C1-C6烷基；
n为10-10,000；
N+是阳离子中心；
Ra和Rb独立地选自氢、烷基和芳基；
A(＝O)-ORc是可水解基团，其中A选自C、S、SO、P或PO，和Rc是烷基、芳基、酰基或甲硅烷基，它们可被一个或更多个取代基进一步取代；
L1是共价偶联阳离子中心到聚合物主链上的连接基；
L2是共价偶联阳离子中心到可水解基团上的连接基；和
X-是与阳离子中心缔合的抗衡离子。
40.权利要求39的聚合物，其中聚合物是均聚物。
41.权利要求39的聚合物，其中聚合物是共聚物。
42.权利要求41的聚合物，其中该共聚物是无规共聚物。
43.权利要求41的聚合物，其中该共聚物是嵌段共聚物。
44.权利要求41-43任何一项的聚合物，其中共聚物包括选自疏水重复单元、阴离子重复单元和两性离子重复单元中的重复单元。
45.基底表面，其中该表面包括权利要求1-18和37-44任何一项的聚合物。
46.权利要求45的表面，其中基底选自颗粒、药物载体、非病毒基因传输体系、生物传感器、膜、可植入传感器、皮下传感器、植入物和接触透镜。
47.权利要求45的表面，其中基底是选自耳朵排泄管道、喂食管道、青光眼排泄管道、脑积水分流、角膜修复、神经导引管道、导尿管、组织粘合剂、x-射线导管、人工关节、人工心瓣膜、人工血管、起搏器、左脑辅助器件(LVAD)、动脉移植物、组织支架和斯滕特印模中的可植入医疗器件。
48.一种治疗剂传输体系，它包括：
(a)权利要求1-18和37-44任何一项的聚合物；和
(b)与该聚合物可逆地缔合的治疗剂。
49.权利要求48的传输体系，其中治疗剂选自小分子、核酸、氨基酸、肽和蛋白质。
50.权利要求48的传输体系，其中聚合物是共聚物。
51.权利要求50的传输体系，其中共聚物包括第一重复单元和第二重复单元，其中第一重复单元包括叔胺基，和其中第二重复单元包括伯、仲或季胺基。
52.权利要求51的传输体系，其中第二重复单元包括季胺基。
53.施用治疗剂的方法，该方法包括给需要的受试验者施用有效量权利要求48-52任何一项的治疗剂传输体系。
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