CN102351984B

CN102351984B - 一种仿生聚合物及其制备方法和应用

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Publication number: CN102351984B
Application number: CN 201110194495
Authority: CN
Inventors: 史素青; 张琴; 王彦兵; 党媛; 宫永宽
Original assignee: Northwest University
Current assignee: Northwest University
Priority date: 2011-07-12
Filing date: 2011-07-12
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2031-07-12
Also published as: CN102351984A

Abstract

本发明公开了一种结构通式（

）所示的共聚物，其中x,y为10～1000的正整数，x摩尔百分数为30～80％，y为20～70％；R₁和R₂为H或CH₃；W为2～8个碳原子链连接的亲水基团，亲水基团是磷酰胆碱基团、羧酸甜菜碱基团、磺酸甜菜碱基团、季铵基或磺酸基；Z为0～12个碳原子链连接的疏水刚性基团，疏水刚性基团是胆甾醇基、二氢胆甾醇基、β-谷甾醇基、豆甾醇基、7-脱氢胆甾醇基或麦角谷甾醇基。本发明聚合物中磷酰胆碱等亲水基团的最低含量为30%，由该方法所得的涂层亲水基团表面覆盖率高，具有良好的亲水性能和生物相容性，可广泛应用于材料表面的亲水化处理和生物医用材料表面的生物相容性修饰。

Description

一种仿生聚合物及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种能形成稳定仿细胞膜结构的仿生共聚物及其制备方法，具体涉及能形成稳定细胞外层膜结构的（甲基）丙烯酸酯类共聚物，该仿生共聚物可用于制备仿细胞外层膜结构涂层，属于高分子化学与物理、表面科学及生物医用材料技术领域。

背景技术

磷酰胆碱是组成生物细胞外层膜结构基本单元的亲水端基，用含磷酰胆碱基团的两亲性共聚物在材料表面构建亲水性涂层，当其与水接触时表面可形成仿细胞膜结构表面。这种两性离子结构表面有利于维持与其接触的生物分子的构象，在生物医学、船舶涂层、生物分离、生物传感器等领域具有广阔应用前景。

目前，常用的含磷酰胆碱基团的聚合物对材料表面改性的方法有化学接枝法和物理法两大类。表面接枝工艺获得的涂层与基材表面通过共价键连接，耐久性好，但是工艺复杂、成本高，而大多都高度依赖于表面和基材之间特异的化学相互作用和聚合物之间能够结合的官能团，限制了利用含磷酰胆碱基团聚合物进行表面改性的材料类型，具有一定的局限性（宫铭，杨珊，张世平，宫永宽. 化学进展 2008; 20(10): 1028-1063;王丽红，陈欢林. 膜科学技术 2006; 26(3): 90-94.）。物理法虽然具有操作简单、适用范围广、改性效果显著等优点，但是常见的含柔性疏水链的仿生共聚物与基材表面的结合不稳固，长期稳定性较差，当其在空气氛围中放置或储存时，磷酰胆碱基团会向内部迁移，形成反细胞外层膜结构表面（Yang S, Zhang S, Winnik FM, Mwale F, Gong Y. J Biomed Mater Res 2008; 84A: 837-841.），而涂层的这种微观聚集结构不可逆变化往往会影响此类材料表面性能及后续相关产品的开发和应用。

为了改善物理涂覆方法所得仿细胞外层膜结构的稳定性，Lewis等人在聚合物侧链上引入了三甲氧基硅可交联基团（1、A. L. Lewis, Z. L. Cumming, Biomaterials 2001，22, 99; 2、J.-P. Xu, J. Ji, W.-D. Chen, D.-Z. Fan, Y.-F. Sun, J.-C. Shen, European Polymer Journal ，2004，40, 291)，该聚合物形成的涂层在70～90℃加热4～9小时，使三甲氧基硅基团与另一组分（侧链）的端羟基反应得到交联固化的修饰涂层，使涂层的稳定性显著提高，然而这种交联的疏水表面结构与细胞外层膜的结构相反，形成反细胞外层膜结构的涂层表面。CN1916040报道了一种含可交联基团的磷酰胆碱聚合物，形成的涂层在含水液体中处理可得到仿细胞外层膜结构。但这种可交联聚合物在制备、涂层表面结构调整及交联固定各环节均难以控制，不易获得稳定的仿细胞外层膜结构涂层。中国发明专利 ZL 200610105049.9虽然提供了一种利用含三甲氧基硅基团可交联基团的三元仿生共聚物形成稳定仿细胞外层膜结构涂层的方法，但是该方法对制备及纯化聚合物所用的溶剂要求较为苛刻，且聚合物在潮湿环境中不易保存，易在储存期发生缩合反应，进而影响后续使用。

胆固醇是细胞膜的另一重要组成部分，其嵌在细胞膜的磷脂双层之间，除了能够调节膜的流动性外，还可增加膜的稳定性。本发明利用胆固醇在细胞膜中的稳定作用，将其或与其结构相似的甾醇和磷酰胆碱基团引入到聚合物侧链上，获得仿生共聚物及其构建稳定仿细胞外层膜结构表/界面的新方法。本发明提供的形成稳定仿细胞外层膜结构涂层的方法较之含硅氧烷可交联基团的稳定仿细胞外层膜结构的涂层制备方法（Zl 200610105049.9）更为简单、便捷，且表面磷酰胆碱基团覆盖率高，对聚合物溶液所用的溶剂无特殊要求，而且聚合物易于保存，不易在储存期发生缩合反应。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种可形成稳定细胞外层膜结构表面的仿生共聚物；

本发明的另一目的是提供上述仿生共聚物的制备方法；

本发明的还有一个目的是提供上述仿生共聚物在制备仿细胞外层膜结构涂层方面的应用，以解决通常的含柔性链的聚合物涂层不稳定以及形成反仿细胞膜结构致使材料改性效果不理想的问题。

本发明的实现过程：

结构通式（I）表示的共聚物，

其中，x, y为10～1000的正整数，x摩尔百分数为30～80％，y为20～70％；

R₁和R₂独立地选自H或CH₃；

W为经碳原子数为2～8的链连接的亲水基团，亲水基团是磷酰胆碱基团、羧酸甜菜碱基团、磺酸甜菜碱基团、季铵基或磺酸基，优选为磷酰胆碱基团；

Z为经碳原子数为0～12的链连接的疏水刚性基团，疏水刚性基团是胆甾醇基、二氢胆甾醇基、β-谷甾醇基、豆甾醇基、7-脱氢胆甾醇基或麦角谷甾醇基，优选为胆甾醇基。

上述共聚物的制备方法：在50～80℃下，将含有亲水基团的丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯单体与含有疏水刚性基团的丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯单体在引发剂作用下进行自由基共聚反应制备仿生共聚物；亲水基团是磷酰胆碱基团、羧酸甜菜碱基团、磺酸甜菜碱基团、季铵基或磺酸基，疏水刚性基团是胆甾醇基、二氢胆甾醇基、β-谷甾醇基、豆甾醇基、7-脱氢胆甾醇基或麦角谷甾醇基。

引发剂加入量为单体总量的0.5%~5.0%，将两种单体及引发剂总量30%~67%的有机溶剂混合液加入到引发剂总量8%~50%的有机溶剂中进行自由基共聚制备仿生共聚物，剩余引发剂最后加至混合体系中。

自由基共聚反应在混合有机溶剂A和B中进行，有机溶剂A为甲醇、乙醇或异丙醇，有机溶剂B为四氢呋喃、氯仿或二氯甲烷。

以下有两种方法制备仿细胞外层膜结构涂层：

（1）将共聚物溶于溶剂中，用浸涂或喷涂方法使聚合物在被修饰材料或器具表面均匀涂覆，真空干燥后得稳定的仿细胞外层膜结构涂层，溶剂为混合溶剂，选自水、甲醇、乙醇、异丙醇、四氢呋喃、氯仿、二氯甲烷至少两种；涂层真空干燥前，将涂层置于含水氛围中处理至少12小时，进行功能基团的调控组装，所述含水氛围是甲醇、乙醇或异丙醇的水溶液，其中醇的体积百分比为0%~50%。

（2）将共聚物溶于溶剂中，剧烈搅拌下滴入超纯水中制备成粒径均一的聚合物胶束溶液，用浸涂或喷涂方法使聚合物胶束溶液在被修饰材料或器具表面均匀涂覆，真空干燥后得稳定的仿细胞外层膜结构涂层，溶剂为混合溶剂，选自水、甲醇、乙醇、异丙醇、四氢呋喃、氯仿、二氯甲烷至少两种；涂层真空干燥前，将涂层置于含水氛围中处理至少12小时，进行功能基团的调控组装，所述含水氛围是甲醇、乙醇或异丙醇的水溶液，其中醇的比例为0%~50%。

上述聚合反应如方程式所示。

将亲水基团固定在涂层表面，用水测定的、改性后疏水基材表面的后退角小于50度，改性后亲水基材表面的后退角小于20度。

本发明用含有亲水基团和疏水刚性基团的仿生共聚物涂覆材料表面：

疏水基材：在含水环境中对涂层表面的功能基团进行调整，亲水基团易向含水界面迁移取向，而疏水刚性基团则通过较强烈的疏水作用力沿基材表面取向，且刚性基团的存在使其重新向空气界面取向，诱发涂层表面功能基团反转的几率大大降低，从而获得长期稳定的仿细胞外层膜结构表/界面，实现对疏水基材表面的改性。

亲水基材：与疏水基材相反，含水环境中涂层表面功能基团调控时，亲水基团向含水界面和基材表面迁移取向，而疏水刚性基团则发生聚集，借助疏水刚性基团刚性结构良好的稳定作用，可获得较为稳定的仿细胞外层膜结构涂层，从而达到对亲水基材表面改性的目的。

本发明的优点与积极效果：（1）本发明提供的仿细胞外层膜结构表/界面是由含亲水基团和疏水刚性基团的仿生共聚物与有机溶剂组成的溶液或分散乳液，经浸涂或喷涂于材料表面，在含水氛围中处理后功能基团自发调控组装，真空干燥得到。（2）本发明提供的形成稳定仿细胞外层膜结构涂层的方法较之含可硅氧烷可交联基团的稳定仿细胞外层膜结构的涂层制备方法（ZL 200610105049.9）更为简单、便捷。对聚合物溶液所用的溶剂无特殊要求（不需要预先无水处理），而且聚合物易于保存，不易在储存期发生缩合反应。（3）聚合物中磷酰胆碱等亲水基团的最低含量为30%，由该方法所得的涂层亲水基团表面覆盖率高，具有良好的亲水性能和生物相容性，因此可广泛应用于材料表面的亲水化处理和生物医用材料表面的生物相容性修饰，获得优异的稳定性及生物相容性，使体内植入器材、药物控释体系、分离材料及其他材料的表面亲水性能及生物相容性明显提高，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为含不同碳原子链连接的胆甾醇类化合物的合成路线图；

图2为PMC64的¹H NMR 谱图；

图3. 聚丙烯纤维膜改性前后的衰减全反射红外光谱；

图4 聚丙烯多孔纤维膜改性前后血小板粘附扫描电镜图；

图5 PMC64胶束溶液的粒径分布图。

具体实施方式

含磷酰胆碱基团可聚合单体甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱(MPC)按文献公开的方法（Ishihara et al. Polym. J, 1990，22(5): 355-360; Umeda et al. Makromol. Chem. 1982, 3: 457-459.）合成。含不同碳原子链连接的磷酰胆碱可聚合单体的合成方法与MPC类似，不同之处在于开环所用的化合物由（甲基）丙烯酸羟乙酯变为（甲基）丙烯酸聚乙二醇酯（乙二醇单元的数目为2~6）, 其中（甲基）丙烯酸聚乙二醇酯为商品试剂，可由Sigma公司购买到。

含疏水刚性基团胆固醇的可聚合单体CholMA的制备可采用胆固醇或含不同碳原子链连接的胆甾醇类化合物与（甲基）丙烯酰氯发生酰化反应。具体可参照文献报道的类似方法（Shi S, et al. Acta Biomaterialia, 2010; 6: 3067-3071; Shi S, et al. J Biomed Mater Res Part B: Appl Biomater, 2007; 82B: 487-493.）合成。含不同碳原子链连接的胆甾醇类化合物（见图1）的制备可参考文献报道的方法（Chen SH, et al. Macromolecules, 1998, 31: 8051-8057; Cha SW, et al. Macromolecules, 2001, 34: 5324-5348.）合成。含其他甾醇的可聚合单体的合成与含胆固醇的可聚合单体的合成方法相似。

实施例1 含磷酰胆碱基团及胆固醇疏水侧基的共聚物PMC64的制备

在干燥的N₂保护下，向100mL三颈瓶中加入10mL干燥的乙醇和四氢呋喃(1/1, v/v) 的混合液，加冷凝管和氯化钙干燥管，油浴加热到70℃，按摩尔百分比60:40称取MPC和胆固醇甲基丙烯酸酯（CholMA），分别用30 mL乙醇和四氢呋喃溶解后混匀。将2.0wt% (占单体总质量的百分比)的引发剂AIBN用6mL无水四氢呋喃溶解后，其中2mL加入三颈瓶中，3mL加入单体混合液中，待温度稳定后在电磁搅拌下用恒压滴液漏斗向三颈瓶中滴加单体及引发剂的混合液，控制滴加速度，3-4h滴完，滴加完毕后停通N₂，密封，体系继续反应4h后，再补加剩余1mL AIBN的无水四氢呋喃溶液，反应进行24h后停止。将反应液浓缩至15～20mL，采用透析法（透析袋的截留分子量6000-7000D）对粗产物进行纯化，冷冻干燥后用¹HNMR测定各组分含量（见图2）。磷酰胆碱基团中（⁺N(CH ₃)₃）质子化学位移为3.2~3.3 ppm, 胆固醇甾环上双键处质子的化学位移为5.4ppm。由这些特征峰的面积可计算出共聚物中各组分的含量，MPC和CholMA组分的摩尔含量为65％和35％。

实施例2

按摩尔百分比30:70称取甲基丙烯酰氧三缩四乙二醇基磷酰胆碱和10-胆固醇氧癸醇甲基丙烯酸酯，分别用30mL 异丙醇和50四氢呋喃溶解后混匀，将0.5wt% (占单体总质量的百分比)的引发剂AIBN用6mL无水四氢呋喃溶解后，其中1.5mL加入三颈瓶中，3.5mL加入单体混合液中，待温度稳定后在电磁搅拌下用恒压滴液漏斗向三颈瓶中滴加单体及引发剂的混合液，控制滴加速度，3-4h滴完，滴加完毕后停通N₂，密封，体系继续反应4h后，再补加剩余1mL AIBN的无水四氢呋喃溶液，反应进行24h后停止。将反应液浓缩至15～20mL，采用透析法（透析袋的截留分子量6000-7000D）对粗产物进行纯化，冷冻干燥后用¹HNMR测定各组分含量。MPC和CholMA组分的摩尔含量为36％和64％。

实施例3

按摩尔百分比80:20称取MPC和胆固醇氧乙二醇甲基丙烯酸酯，分别用60mL 异丙醇和30四氢呋喃溶解后混匀，将5.0wt% (占单体总质量的百分比)的引发剂AIBN用6mL无水四氢呋喃溶解后，其中0.5mL加入三颈瓶中，4mL加入单体混合液中，待温度稳定后在电磁搅拌下用恒压滴液漏斗向三颈瓶中滴加单体及引发剂的混合液，控制滴加速度，3-4h滴完，滴加完毕后停通N₂，密封，体系继续反应4h后，再补加1.5mL AIBN的无水四氢呋喃溶液，反应进行24h后停止。将反应液浓缩至15～20mL，采用透析法（透析袋的截留分子量6000-7000D）对粗产物进行纯化，冷冻干燥后用¹HNMR测定各组分含量。MPC和CholMA组分的摩尔含量为82％和18％。

实施例4

根据上述实施例所述合成方法制备得到如下共聚物，冷冻干燥后用¹HNMR测定各组分含量。

实施例5

取0.0603克实施例1的仿生共聚物（MPC和CholMA各组分的摩尔含量为65％和35％），溶于30ml含乙醇/氯仿混合溶剂中（40/60，v/v）中。将表面清洁的聚丙烯多孔纤维膜浸入溶液10秒钟后取出，置于30%的乙醇水溶液氛围中30min，然后再浸涂10秒钟，之后置于上述乙醇水溶液氛围中12h，真空干燥后得稳定的仿细胞外层膜结构涂层，材料表面改性前后的前进角由120度降低到59度，后退角由102度降到46度。将该涂层在50℃水中浸泡5天，前进角和后退角分别为59度和47度。将涂层其置于空气氛围中6个月，涂层前进角和后退角分别为58度和46度 (见表2) （前进角测量方法参见文献：宫永宽，F. M. Winnik, 化学学报 2005， 63, 643.），说明涂层稳定性良好，涂层改性后血小板粘附程度显著降低，说明血液相容性大大改善。图3和图4分别为聚丙烯纤维膜用PMC改性前后的衰减全反射红外光谱和血小板粘附的扫描电镜图。

实施例6

取0.0312克实施例1的仿生共聚物（MPC和CholMA各组分的摩尔含量为65％和35％），溶于30ml含乙醇/氯仿混合溶剂中（10/90，v/v）中。将表面清洁的聚丙烯片基浸入溶液10秒钟后取出，置于20%的乙醇水溶液氛围中30min，然后再浸涂10秒钟，之后置于上述乙醇水溶液氛围中24h，真空干燥后得稳定的仿细胞外层膜结构涂层，材料表面改性后后退角由79度降到10度。

实施例7

取0.0216 g实施例1的仿生共聚物（MPC和CholMA各组分的摩尔含量为65％和35％），用约5mL甲醇/氯仿混合溶剂溶解，漩涡混匀器混匀。用滴管移取聚合物溶液在剧烈搅拌下滴加入30mL超纯水中，敞口搅拌12h使有机溶剂完全挥发，将溶液转入50mL容量瓶中定容，超声处理60s，振荡器100rpm摇振12h，使胶束在溶液中分布均一。150rpm/s离心10min后，上清液用G4砂芯漏斗过滤，即可得到聚合物胶束溶液（粒径分布见图5）。将表面清洁的盖玻片浸入胶束溶液20秒钟后取出，置于水氛围中挥发，真空干燥后得稳定的仿细胞外层膜结构涂层。改性涂层的后退角为7~10度。

实施例8

取0.0820克实施例2的仿生共聚物（MPC、CholMA组分的摩尔含量为36％和64％），溶于40ml含乙醇/四氢呋喃（10/90，v/v）中中。将表面清洁的聚碳酸酯片浸入溶液10秒钟后取出，然后置于50%的乙醇水溶液氛围中30min，然后再浸涂10秒钟，之后置于上述乙醇水溶液氛围中12h，真空干燥后得稳定的仿细胞外层膜结构涂层，材料表面改性前后的前进角由94度降低到22度，后退角由71度降到16度。

实施例9

取0.0406克实施例3的仿生聚合物（MPC和CholMA组分的摩尔含量为82％，和18％），溶于40ml含乙醇/氯仿混合溶剂（80/20，v/v）中。将表面清洁的盖玻片浸入溶液中20秒后，置于10%的乙醇水溶液氛围中1小时，后再浸涂10秒钟，之后置于上述乙醇水溶液氛围中36h，真空干燥后得稳定的仿细胞外层膜结构涂层，材料表面改性后的后退角为6~8度。

实施例10

取0.0514克实施例4中的共聚物3，溶于40ml含乙醇/氯仿混合溶剂（30/70，v/v）中。将表面清洁的聚丙烯片基浸入溶液10秒钟后取出，置于20%的乙醇水溶液氛围中1小时，然后再浸涂10秒钟，之后置于上述乙醇水溶液氛围中24h，真空干燥后得稳定的仿细胞外层膜结构涂层，材料表面改性后的后退角由79度降到14度。

Claims

1.结构通式（I）表示的共聚物，

Figure 2011101944952100001DEST_PATH_IMAGE001

R₁和R₂独立地选自H或CH₃；

W为经碳原子数为2～8的链连接的亲水基团，亲水基团是磷酰胆碱基团、羧酸甜菜碱基团、磺酸甜菜碱基团、季铵基或磺酸基；

Z为经碳原子数为0～12的链连接的疏水刚性基团，疏水刚性基团是胆甾醇基、二氢胆甾醇基、β-谷甾醇基、豆甾醇基、7-脱氢胆甾醇基或麦角甾醇基。

2.根据权利要求1所述的共聚物，其特征在于：亲水基团是磷酰胆碱基团，疏水刚性基团是胆甾醇基。

3.权利要求1所述共聚物的制备方法，其特征在于：在50～80℃下，将含有亲水基团的丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯单体与含有疏水刚性基团的丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯单体在引发剂作用下进行自由基共聚反应制备仿生共聚物；亲水基团是磷酰胆碱基团、羧酸甜菜碱基团、磺酸甜菜碱基团、季铵基或磺酸基，疏水刚性基团是胆甾醇基、二氢胆甾醇基、β-谷甾醇基、豆甾醇基、7-脱氢胆甾醇基或麦角甾醇基。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：引发剂加入量为单体总量的0.5%~5.0%，将两种单体及引发剂总量30%~67%的有机溶剂混合液加入到引发剂总量8%~50%的有机溶剂中进行自由基共聚制备仿生共聚物，剩余引发剂最后加至混合体系中。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：自由基共聚反应在混合有机溶剂A和B中进行，有机溶剂A为甲醇、乙醇或异丙醇，有机溶剂B为四氢呋喃、氯仿或二氯甲烷。

6.权利要求1所述的共聚物在制备仿细胞外层膜结构涂层中的应用。

7.根据权利要求6所述应用，其特征在于：将共聚物溶于溶剂中，用浸涂或喷涂方法使聚合物在被修饰材料或器具表面均匀涂覆，真空干燥后得稳定的仿细胞外层膜结构涂层。

8.根据权利要求6所述应用，其特征在于：将共聚物溶于溶剂中，剧烈搅拌下滴入超纯水中制备成粒径均一的聚合物胶束溶液，用浸涂或喷涂方法使聚合物胶束溶液在被修饰材料或器具表面均匀涂覆，真空干燥后得稳定的仿细胞外层膜结构涂层。

9.根据权利要求7或8所述应用，其特征在于：所述溶剂为混合溶剂，选自水、甲醇、乙醇、异丙醇、四氢呋喃、氯仿、二氯甲烷至少两种。

10.根据权利要求7或8所述应用，其特征在于：涂层真空干燥前，将涂层置于含水氛围中处理至少12小时，进行功能基团的调控组装，所述含水氛围是甲醇、乙醇或异丙醇的水溶液，其中醇的体积百分比为0%~50%。