CN101921368A

CN101921368A - 羟丙基纤维素接枝共聚物及其制备方法与应用

Info

Publication number: CN101921368A
Application number: CN200910086615XA
Authority: CN
Inventors: 刘瑞刚; 马林; 李虹; 黄勇
Original assignee: Institute of Chemistry CAS
Current assignee: Institute of Chemistry CAS
Priority date: 2009-06-12
Filing date: 2009-06-12
Publication date: 2010-12-22

Abstract

本发明公开一种羟丙基纤维素接枝聚合物及其制备方法与应用。该方法先在酸性水溶液中，利用铈盐引发羟丙基纤维素接枝聚(2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱)，从而在羟丙基纤维素的主链引入仿生物膜结构的MPC，通过控制反应时间以得到不同接枝率的、具有抗凝血性能的羟丙基纤维素衍生物，再利用静电纺丝技术，通过调节溶剂及相关纺丝条件参数，得到纳米级纤维素纤维。本发明制备的纳米级HPC-g-PMPC纤维，由于其大的比表面积和生物功能性，能广泛应用于制备抗凝血无纺布、组织工程支架材料、伤口包覆材料和药物可控释放膜等生物医用领域。

Description

羟丙基纤维素接枝共聚物及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及纤维素接枝共聚物生物医用材料领域，特别是一种羟丙基纤维素接枝共聚物及其制备方法与应用。

背景技术

羟丙基纤维素(HPC)是一种水溶性的非离子型纤维素衍生物，它是一种以天然纤维素为原料经化学改性制得的半合成型高分子聚合物。由于其优异的生物相容性而被广泛用作包衣材料、缓释材料、增稠剂、成膜材料、助悬剂、凝胶剂、片剂崩解剂和粘合剂等生物医用领域。HPC还具有热塑性、胶结能力、乳化能力以及发泡能力，它的浓溶液可以形成液晶，具有良好的成膜性。HPC由于取代比HEC(羟乙基纤维素)充分，所以它有更好的抗生物降解性能。但是HPC容易发生非特异性蛋白质吸附等性质，即抗凝血性不好，限制了其在组织工程和药物缓释等方面的应用。

胆固醇和磷酸胆碱类磷脂分子都是细胞膜的重要组成部分，具有良好的生物相容性。2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱(MPC)正是其中之一，它能够有效的改善其聚合物膜的抗凝血性，与其它亲水性单体如HEMA(甲基丙烯酸羟乙酯)、HPOEM(羟基聚氧乙基甲基丙烯酸酯)相比，等摩尔量的MPC更能有效的改善其聚合物膜的抗凝血性。如果通过自由基聚合的方式，在HPC主链上引入MPC，利用具有仿生物膜结构的MPC改性羟丙基纤维，则可以抑制羟丙基纤维素纤维的非特异性蛋白质的吸附，赋予其抗凝血性能。(含有磷酸胆碱基的化合物及包含该化合物的表面改性剂[P]CN 1886413A)

纤维素纺丝已经有接近100年的历史了，并已经成功实现工业化生产。但是过去使用的粘胶纺丝已经不能满足环境保护和降低成本方面的需要，因此人们就提出了许多新的纺丝方法。电场纺丝是一种简单，绿色的纺丝技术，将高压电场纺丝技术用来制备超细甚至是纳米纤维将成为新的亮点。由于纤维素及其衍生物具有来源广泛，产量巨大以及其良好的降解性能和生物相容性好等优点，因此用高压电场纺丝制备纤维素纤维具有重要的实际和理论意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种羟丙基纤维素接枝共聚物及其制备方法与应用。

本发明提供的羟丙基纤维素接枝聚(2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱)共聚物如式I所示，

式I结构通式中，R₁为氢原子或式II所示基团，m＝30-300，n＝0.2-0.6。

式II中，x＝2-4。

本发明提供的制备上述共聚物的方法，包括如下步骤：

1)将羟丙基纤维素溶于二次蒸馏水中，排出由羟丙基纤维素和二次蒸馏水组成的反应体系中的空气；

2)向所述步骤1)的反应体系中依次加入硝酸铈铵水溶液、硝酸水溶液和单体水溶液进行反应；

3)将所述步骤2)反应完毕的反应体系二次蒸馏水中进行透析，得到所述羟丙基纤维素接枝聚(2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱)共聚物。

该方法的反应流程如下所示：

该方法的步骤1)中，羟丙基纤维素与水的质量分数比为97-99∶3-1；各种市售的羟丙基纤维素均适用于本方法。

步骤2)中，单体为2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱；所述水为二次蒸馏水。硝酸铈铵水溶液的摩尔浓度为0.1-0.005mol/L，优选0.01mol/L；硝酸水溶液的0.1-0.005mol/L，优选0.01mol/L；单体水溶液的摩尔浓度为0.1-0.005mol/L，优选0.02mol/L；

向所述步骤1)的反应体系中加入硝酸铈铵水溶液、硝酸水溶液和单体溶液的顺序为：先向所述步骤1)的反应体系中加入硝酸铈铵水溶液和硝酸水溶液，再加入单体溶液。所述先向所述步骤1)的反应体系中加入硝酸铈铵水溶液和硝酸水溶液的步骤中，反应体系反应0.5-1小时后，再加入单体溶液。

所述加入单体溶液之前，反应体系进行反应的时间为30分钟；所述加入单体溶液后，反应体系进行反应的时间为1-8小时，优选3小时；反应温度为25-35℃，优选30℃；终止加入单体溶液后进行的反应的方法为向反应体系中通入空气；

步骤3)中，透析袋的截留分子量为3000-14000，优选14000；所述透析时间为2天-7天，优选5天；所述透析温度为25-35℃，优选30℃；优选所述冷冻温度为-20--50℃，优选-50℃。

本发明提供的制备羟丙基纤维素接枝聚(2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱)纤维的方法，包括如下步骤：

1)将所述羟丙基纤维素接枝聚(2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱)共聚物与甲醇水溶液混匀，得到纺丝溶液；

2)利用静电纺丝装置对所述步骤1)得到的纺丝溶液进行电纺，得到所述羟丙基纤维素接枝聚(2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱)纤维。

该方法的步骤1)中，所述甲醇水溶液的质量百分比浓度为10-20％；所述羟丙基纤维素接枝聚(2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱)共聚物与甲醇水溶液的重量比为9-8∶1-2；

步骤2)中，所述静电纺丝装置中，纺丝温度为30～35℃，高压电源的输出电压为10～15KV，接受屏与喷丝口的距离为15～20cm，喷丝流速为1ml/h-5ml/h，优选3ml/h。

按照上述方法制备得到的羟丙基纤维素接枝聚(2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱)共聚物及该共聚物纤维在制备抗凝血无纺布、组织工程支架材料合药物释放膜中的应用，也属于本发明的保护范围。该纤维的直径为30～200nm。

本发明具有以下特点：

1、本发明提供的羟丙基纤维素接枝聚(2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱)(HPC-g-PMPC)，可作为一种新型的生物医用材料，兼具有HPC本身作为医用材料的特性和MPC的抗凝血性；

2、本发明采用普通自由基聚合的方法，相比于活性自由基聚合，可以大量制备产物，为其工业化生产扫除了障碍；

3、本发明采用静电纺丝方法制得了HPC-g-PMPC纤维，直径粗细均匀，增加了可以静电纺丝纤维素衍生物的种类；

4、本发明制备的纳米级HPC-g-PMPC纤维，由于其大的比表面积和生物功能性，能广泛应用于制备抗凝血无纺布、组织工程支架材料、伤口包覆材料和药物可控释放膜等生物医用领域。

附图说明

图1为本发明实施例4制备的羟丙基纤维素接枝聚(2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱)的红外图谱。

图2为本发明实施例4制备的羟丙基纤维素接枝聚(2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱)的H¹NMR图谱。

图3为本发明实施例4制备的羟丙基纤维素接枝聚(2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱)纳米纤维的SEM图。

图4为本发明制备实施例4制备的羟丙基纤维素接枝聚(2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱)纳米纤维的抗凝血性能测试结果。

图5为本发明实施例2制备的羟丙基纤维素接枝聚(2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱)的红外图谱。

图6为本发明实施例2制备的羟丙基纤维素接枝聚(2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱)的H¹NMR图谱。

图7为本发明实施例2制备的羟丙基纤维素接枝聚(2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱)纳米纤维的SEM图。

图8为本发明实施例2制备的羟丙基纤维素接枝聚(2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱)纳米纤维的抗凝血性能测试结果。

具体实施方式

本发明先在酸性水溶液中，利用铈盐引发羟丙基纤维素接枝聚(2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱)，从而在羟丙基纤维素的主链引入仿生物膜结构的MPC，通过控制反应时间以得到不同接枝率的、具有抗凝血性能的羟丙基纤维素衍生物，再利用静电纺丝技术，通过调节溶剂及相关纺丝条件参数，成功制备了纳米级的纤维素纤维。

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。

实施例1

1)制备HPC-g-PMPC

于100ml单口瓶中，加入50ml二次蒸馏水，0.5g羟丙基纤维素(购于美国Aldrich公司，Mn＝10 000，Mw＝80 000)，充分溶解后，再分别加入1ml 0.5mol/L的硝酸铈铵溶液和硝酸溶液，氮气鼓泡30分钟，加入0.3g 2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱(购于南京乐天然科技开发研究所)，密封后，置于30℃水浴中反应3小时，通入空气终止反应，将反应液装入透析袋中，于二次水中透析5天，得澄清透明溶液，冷冻干燥，得到产物，产率60％，H¹NMR检测得式I中，m＝30，n＝0.20。

2)静电纺丝

将0.4g HPC-g-PMPC溶解于3ml甲醇中，搅拌均匀，静置脱泡得HPC-g-PMPC纺丝溶液。用10ml一次性注射器抽取纺丝溶液，固定在静电纺丝装置上，纺丝温度30℃，高压电源输出电压为12KV，接受屏与喷丝口的距离为15cm，接受屏为铝箔，喷出流速为3ml/h，得到的纤维直径为40～100nm。

实施例2

1)制备HPC-g-PMPC

于100ml单口瓶中，加入50ml二次蒸馏水，0.5g羟丙基纤维素(购于美国Aldrich公司，Mn＝10 000，Mw＝80 000)，充分溶解后，再分别加入1ml 0.5mol/L的硝酸铈铵溶液和硝酸溶液，氮气鼓泡30分钟，加入0.3g 2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱，密封后，置于30℃水浴中反应8小时，通入空气终止反应，将反应液装入透析袋中，于二次水中透析5天，得澄清透明溶液，冷冻干燥，得到产物，产率82％，H¹NMR检测得式I中，m＝30，n＝0.51。

2)静电纺丝

将0.4g HPC-g-PMPC溶解于3ml甲醇中，搅拌均匀，静置脱泡得HPC-g-PMPC纺丝溶液。用10ml一次性注射器抽取纺丝溶液，固定在静电纺丝装置上，纺丝温度30℃，高压电源输出电压为12KV，接受屏与喷丝口的距离为15cm，接受屏为铝箔，喷出流速为3ml/h，得到的纤维直径为30～120nm。

实施例3

1)制备HPC-g-PMPC

于100ml单口瓶中，加入50ml二次蒸馏水，0.5g羟丙基纤维素(购于美国Aldrich公司，Mn＝100 000，Mw＝80 000)，充分溶解后，再分别加入1ml 0.5mol/L的硝酸铈铵溶液和硝酸溶液，氮气鼓泡30分钟，加入0.3g 2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱(购于南京乐天然科技开发研究所)，密封后，置于30℃水浴中反应3小时，通入空气终止反应，将反应液装入透析袋中，于二次水中透析5天，得澄清透明溶液，冷冻干燥，得到产物，产率65％。H¹NMR检测得式I中，m＝300，n＝0.22。

2)静电纺丝

将0.4g HPC-g-PMPC溶解于5ml甲醇中，搅拌均匀，静置脱泡得HPC-g-PMPC纺丝溶液。用10ml一次性注射器抽取纺丝溶液，固定在静电纺丝装置上，纺丝温度35℃，高压电源输出电压为15KV，接受屏与喷丝口的距离为20cm，接受屏为铝箔，喷出流速为3ml/h，得到的纤维直径为50～150nm。

实施例4

1)制备HPC-g-PMPC

于100ml单口瓶中，加入50ml二次蒸馏水，0.5g羟丙基纤维素(购于美国Aldrich公司，Mn＝100 000，Mw＝80 000)，充分溶解后，再分别加入1ml0.5mol/L的硝酸铈铵溶液和硝酸溶液，氮气鼓泡30分钟，加入0.3g 2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱，密封后，置于30℃水浴中反应8小时，通入空气终止反应，将反应液装入透析袋中，于二次水中透析5天，得澄清透明溶液，冷冻干燥，得到产物，产率90％，H¹NMR检测得式I中，m＝300，n＝0.59。

2)静电纺丝

将0.4g HPC-g-PMPC溶解于5ml甲醇中，搅拌均匀，静置脱泡得HPC-g-PMPC纺丝溶液。用10ml一次性注射器抽取纺丝溶液，固定在静电纺丝装置上，纺丝温度35℃，高压电源输出电压为15KV，接受屏与喷丝口的距离为20cm，接受屏为铝箔，喷出流速为3ml/h，得到的纤维直径为30～200nm。

图1为该实施例制备的羟丙基纤维素接枝聚(2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱)的红外图谱。图2为该实施例制备的羟丙基纤维素接枝聚(2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱)的H¹NMR图谱。图3为该实施例制备的羟丙基纤维素接枝聚(2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱)纳米纤维的SEM图，其中，图3a、图3b分别为在LEI和SEI扫描模式下得到的电镜照片。由图可知，本发明提供的接枝共聚物结构正确。

抗凝血性能测试：

将由电纺制备的HPC-g-PMPC(实施例2和实施例4，接枝率分别为15％和39％)和HPC纳米纤维无纺布(长1cm，宽0.5cm)用二甲基亚砜前处理后分别置于干净的玻璃管中，用磷酸盐缓冲溶液(PBS，pH 7.4，离子强度0.15mol/L)于室温下平衡15h。移出PBS缓冲溶液后，将配制好的蛋白质溶液(5mg/mL的白蛋白，2mg/mL的球蛋白，0.5mg/mL的纤维蛋白)分别加入到玻璃管中，于37℃保持5h后，用PBS缓冲溶液冲洗掉未吸附和吸附不牢的蛋白质分子，加入1wt％的十二烷基磺酸钠的二次蒸馏水溶液，在恒温水浴摇床振荡5h，用疏水性蛋白质含量分析测试工具箱测试纳米纤维无纺布上吸附的蛋白质含量。

抗凝血性能测试结果分析：

生物材料表面与血液接触时，如果血液中的血浆蛋白(分为白蛋白、球蛋白与纤维蛋白原三大类)被材料表面吸附，就可能诱发出现血小板和凝血现象，所以材料对血浆蛋白的吸附量是衡量材料血液相容性的一个重要指标。图4和图8分别为实施例4和实施例2制备的羟丙基纤维素接枝聚(2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱)纳米纤维的抗凝血性能测试结果。由图可知，纯的羟丙基纤维素无纺布对血浆蛋白吸附量8-12μg/cm^-2，而接枝聚(2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱)后，其血浆蛋白的吸附量下降到0.1-0.7μg/cm^-2，表明由HPC-g-PMPC制备的纳米纤维无纺布具有显著的抗蛋白质吸附和抗凝血性能，血液相容性好；接枝率越高，抗蛋白吸附能力越强。

Claims

1.式I所示羟丙基纤维素接枝聚(2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱)共聚物；

所述式I结构通式中，R₁为氢原子或式II所示基团，m＝30-300，n＝0.2-0.6，

所述式II中，x＝2-4。

2.一种制备权利要求1所述羟丙基纤维素接枝聚(2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱)共聚物的方法，包括如下步骤：

3)将所述步骤2)反应完毕的反应体系于二次蒸馏水中进行透析，得到所述羟丙基纤维素接枝聚(2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱)共聚物。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤2)中，所述单体为2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于：所述步骤1)中，羟丙基纤维素与水的质量分数比为97-99∶3-1；

所述步骤2)中，所述硝酸铈铵水溶液的摩尔浓度为0.1-0.005mol/L，优选0.01mol/L；硝酸水溶液的摩尔浓度为0.1-0.005mol/L，优选0.01mol/L；单体水溶液的摩尔浓度为0.1-0.005mol/L，优选0.02mol/L；

所述步骤3)中，透析袋的截留分子量为3000-14000，优选14000。

5.根据权利要求2-4任一所述的方法，其特征在于：所述步骤3)中，所述透析步骤的时间为2天-7天，优选5天；所述透析步骤的温度为25-35℃，优选30℃。

6.根据权利要求2-5任一所述的方法，其特征在于：所述步骤2)中，向所述步骤1)的反应体系中加入硝酸铈铵水溶液、硝酸水溶液和单体溶液的顺序为：先向所述步骤1)的反应体系中加入硝酸铈铵水溶液和硝酸水溶液，再加入所述单体溶液。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述先向所述步骤1)的反应体系中加入硝酸铈铵水溶液和硝酸水溶液的步骤中，反应体系反应0.5-1小时后，再加入所述单体溶液。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述加入单体溶液之前，反应体系进行反应的时间为30分钟；

所述加入单体溶液后，反应体系进行反应的时间为1-8小时，优选3小时；反应温度为25-35℃，优选30℃。

9.根据权利要求2-8任一所述的方法，其特征在于：所述步骤2)中，终止加入单体溶液后进行的反应的方法为向反应体系中通入空气。

10.权利要求1所述羟丙基纤维素接枝聚(2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱)共聚物在制备抗凝血无纺布、组织工程支架材料和药物释放膜中的应用。

11.一种制备羟丙基纤维素接枝聚(2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱)纤维的方法，包括如下步骤：

1)将权利要求1所述羟丙基纤维素接枝聚(2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱)共聚物与甲醇水溶液混匀，得到纺丝溶液；

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：所述步骤1)中，所述甲醇水溶液的质量百分比浓度为10-20％；所述羟丙基纤维素接枝聚(2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱)共聚物与甲醇水溶液的重量比为9-8∶1-2；

所述步骤2)中，所述静电纺丝装置中，纺丝温度为30～35℃，高压电源的输出电压为10～15KV，接受屏与喷丝口的距离为15～20cm，喷丝流速为1ml/h-5ml/h，优选3ml/h。

13.权利要求11所述方法制备得到的羟丙基纤维素接枝聚(2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱)纤维。

14.根据权利要求13所述的纤维，其特征在于：所述纤维的直径为30～200nm。

15.权利要求14所述羟丙基纤维素接枝聚(2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱)纤维在制备抗凝血无纺布、组织工程支架材料、伤口包覆材料和药物可控释放膜中的应用。