CN102839497A - 一种含丝素肽链AlaGlyAlaGly的聚氨酯纤维膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种含丝素肽链AlaGlyAlaGly的聚氨酯及其制备方法，属于聚氨酯材料功能化的制备与加工领域。该制备方法以叔丁氧羰基保护氨基酸和六亚甲基二异氰酸酯为原料，以N-甲基吗啡啉为碱，以N，N′-二环己基碳二亚胺和N-羟基琥珀酰亚胺为复合缩合剂，采用传统液相多肽合成法制备含有丝素特征肽链的双端伯胺衍生物；然后将此双端伯胺衍生物作为扩链剂，与4，4′-二苯基甲烷二异氰酸酯-聚四氢呋喃预聚物反应，合成含有丝素特征肽链的聚氨酯。它既含有聚氨酯的微相分离框架结构，又在一级结构主链中嵌有丝素所含的氨基酸残基组成的多肽片段，属于肽链/非肽共聚物仿丝素生物材料范畴，具有用于生物医学领域的潜力。

Description

一种含丝素肽链AlaGlyAlaGly的聚氨酯纤维膜及其制备方法

技术领域

本发明属于聚氨酯材料功能化的制备与加工领域，特别涉及一种含丝素特征肽链AlaGlyAlaGly的聚氨酯纤维膜及其制备方法。 

背景技术

为了获得结构和性能可与蚕丝比拟的仿生纤维，纺织工业上一般由没有丝素肽组分的聚酯纤维经碱减量处理得到仿蚕丝[Textile Progress，1997，27(2)：1]，以模仿天然蚕丝的外观和手感。然而，结构决定性能，具有蚕丝类似化学结构和凝聚态结构的仿蚕丝，其性能应与其更为接近。因此，人们对丝素再生进行了广泛深入的研究。然而，尽管在一级结构上与天然蚕丝接近，但至今所得再生丝素纤维性能远不能与天然蚕丝比拟。为此，人们还采用化学方法和基因工程方法[Advanced Drug Delivery Reviews，2002，54(8)：1075]，探索研究了各种各样的基于丝素结构模型的聚氨基酸(聚肽、蛋白质)和共聚物(肽-非肽、非肽-非肽)。如用聚(α，L-赖氨酸)溴化物与poly(α，L-谷氨酸)钠盐在两者溶液表面反应，其产物经自组装后可获得一种仿丝素聚氨基酸纤维[Macromolecular Bioscience，2003，3(2)：92]。用聚乙二醇的芳香衍生物组成硬段，包括能形成平行或反平行β折叠片的Ala-Gly-Ala-Gly四肽，连接到由短烷烃或聚乙二醇链组成的软段，可获得分子量在20-40kDa的多嵌段仿丝素共聚物[Journal of Polymer Science Part A：Polymer Chemistry，2000，38(2)：352]。以聚乙二醇为软嵌段，以HDI-BDO-HDI为硬嵌段，以丝素结构为生物模板，可制备一系列不含任何肽片段的二级结构仿丝素聚氨酯[Polymer，2006，47(9)：3073]。但是这些共聚物由于没有一个明确的框架结构，其在常规溶剂中的溶解性能很差[Macromolecules，2003，36(20)：7508]，以致于加工困难。 

中国发明专利(CN101905030A)公开了一种丝素修饰的聚氨酯医用生物材料的制备方法，但未对其聚集态结构进行表征。它是用聚氨酯材料作为基底层，在氧化剂的作用下，含双键的不饱和羧酸在聚氨酯材料表面共价接枝并形成聚羧酸，然后在碳二亚胺的存在下，材料表层的羧基发生反应形成酰胺酯，随后与丝素大分子链上的氨基反应生成酰胺键，形成具有层状结构的丝素接枝聚氨酯膜。 

因此，提供一种易于溶解加工，且在一级结构上含有丝素多肽片段，同时具有微相分离结构的功能化聚氨酯，对仿生纤维及其生物材料的研究和应用具有积极意义。 

发明内容

本发明的目的在于，提供一种易于溶解加工、在结构和性能上组合了丝素与聚氨酯两者特性的纤维膜材料。 

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：提供一种含丝素肽链AlaGlyAlaGly的聚氨酯纤维膜及其制备方法，包括如下步骤的合成与加工： 

(1)合成一种含丝素肽链AlaGlyAlaGly的特殊扩链剂；(2)合成用于制备聚氨酯的4，4′-二苯基甲烷二异氰酸酯-聚四氢呋喃预聚物；(3)合成含丝素肽链AlaGlyAlaGly的聚氨酯；(4)制备含丝素肽链AlaGlyAlaGly的聚氨酯颗粒；(5)制备含丝素肽链AlaGlyAlaGly的聚氨酯纤维膜。 

本发明的原理是： 

先以叔丁氧羰基保护丙氨酸的氨基与六亚甲基二异氰酸酯两端的异氰基团反应，得到淡黄色粘稠物Boc-Ala-HDI-Ala-Boc，然后用饱和无水氯化氢/冰乙酸溶液脱保护，接着以N-甲基吗啡啉为碱，以N，N′-二环己基碳二亚胺和N-羟基琥珀酰亚胺为复合缩合剂，再与叔丁氧羰基保护甘氨酸反应，如此反复两次。得到含有丝素肽链(AlaGlyAlaGly)的化合物，该化合物是两端为氨基的盐酸盐；接着将该化合物与等摩尔N-甲基吗啡啉中和为双端伯胺衍生物；然后将此双端伯胺衍生物作为扩链剂，与4，4′-二苯基甲烷二异氰酸酯-聚四氢呋喃预聚物反应，合成含有丝素肽链AlaGlyAlaGly的聚氨酯；最后用甲醇-水混合液为凝固剂凝固成颗粒状聚氨酯。 

由于采用了以上技术方案，与现有仿丝素共聚物合成与加工技术相比，本发明所述含丝素肽链AlaGlyAlaGly的聚氨酯易溶于四氢呋喃、N，N-二甲基甲酰胺等普通溶剂而有利于加工成形。 

附图说明

图1是含丝素肽链AlaGlyAlaGly的聚氨酯合成过程总路线 

图2是含丝素肽链AlaGlyAlaGly的聚氨酯凝固产物外观 

图3是含丝素肽链AlaGlyAlaGly的化学结构与核磁共振氢谱 

图4是含丝素肽链AlaGlyAlaGly的傅立叶变换红外光谱 

图5是含丝素肽链AlaGlyAlaGly的拉曼光谱 

图6是含丝素肽链AlaGlyAlaGly的紫外-可见光吸收光谱 

图7是含丝素肽链AlaGlyAlaGly的裂解离子流色谱 

图8是含丝素肽链AlaGlyAlaGly的凝胶渗透色谱 

图9是含丝素肽链AlaGlyAlaGly的固体¹³C CP/MAS NMR谱 

图10是含丝素肽链AlaGlyAlaGly的广角X射线衍射图 

图11是含丝素肽链AlaGlyAlaGly的THF溶液所得电纺纤维膜位移-载荷曲线：(a)30wt％；(b)20wt％ 

图12是含丝素肽链AlaGlyAlaGly的THF溶液电喷电纺纤维膜电纺纤维膜的SEM图 

图13是含丝素肽链AlaGlyAlaGly的THF溶液电喷电纺纤维膜AFM图：由不同浓度PU/THF溶液所得仿丝素PU电纺纤维膜的AFM相图(左)、二维(中)和三维(右)高度图：(上)10w/v％；(中)20w/v％；(下)30w/v％。相图中从黑到白对照差异为50°，二、三维高度图中从黑到白对照差异均为100nm 

具体实施方式

参照图1所示的含丝素肽链AlaGlyAlaGly的聚氨酯合成过程总路线，为制备一种含丝素肽链AlaGlyAlaGly的聚氨酯纤维膜，包括如下步骤的合成与加工： 

(1)合成Boc-Ala-OH+HDI→Boc-Ala-HDI-Ala-Boc 

在加有磁力搅拌转子的250ml四口烧瓶中倾入100ml氯仿，再加入Boc-丙氨酸(22.70g，120mmol)和N-甲基吗啡啉(2ml，作催化剂)，不断搅拌、充分溶解。在氮气气氛下，10分钟内缓慢加入溶解有六亚甲基二异氰酸酯(10.09g，60mmol)的氯仿30ml。然后将混合液在30℃不断搅拌反应4h，接着连续回流14h。反应结束后待烧瓶冷却至室温时，将反应液用10％的柠檬酸水溶液和饱和食盐水各100ml分别洗涤两次，用分液漏斗分得下层有机相，加入20g无水硫酸钠干燥5h，滤去干燥剂后经真空旋转蒸发除掉溶剂，得淡黄色粘稠物(产物分子式为C₂₂H₄₂O₆N₄)。 

(2)合成Boc-Ala-HDI-Ala-Boc→HCl-H-Ala-HDI-Ala-H-HCl 

取(1)的产物Boc-Ala-HDI-Ala-Boc(22.90g，50mmol)溶解在30ml冰乙酸中，然后加入120ml饱和无水氯化氢/冰乙酸溶液以脱去氨基保护基Boc；常温搅拌30min，真空旋转蒸发除去溶剂，将所得固体残留物在氯仿中浸泡过夜，再用氯仿洗涤两次，然后在60℃下真空干燥24h，即得(2)的产物。 

(3)合成HCl-H-Gly-Ala-HDI-Ala-Gly-H-HCl 

将Boc-Gly-OH(7.88g，45mmol)溶于50ml DMF，冰浴下加入N-羟基琥珀酰亚胺(HOSu；5.76g，50mmol)，溶解后加入N，N′-二环己基碳二亚胺(DCC；10.32g，50mmol)，保持0℃，反应24h后移去冰盐浴，滤除白色粉末状的副产物N，N′-二环己基脲(DCU)，滤液备用。将(2)的产物14.90g(45mmol)，N-甲基吗啡啉(NMM；5.53ml，50mmol)与50ml  DMF三者混溶，加入上面得到的滤液，室温反应24h，TLC(氯仿/甲醇，15∶1)显示原料点消失。反应结束后，将反应液用10％的柠檬酸水溶液和饱和食盐水各100ml分别洗涤两次，用分液漏斗分得下层有机相，加入20g无水硫酸钠干燥过夜，滤去干燥剂后经旋转蒸发除掉溶剂，得淡黄色粘稠物。再将其溶解在30ml冰乙酸中，得到Boc保护的二肽产物，然后加入120ml饱和无水氯化氢/冰乙酸溶液以去掉氨基保护基Boc，得(3)的产物。 

(4)合成HCl-H-Ala-Gly-Ala-HDI-Ala-Gly-Ala-H-HCl 

采用与(3)所述类似操作，以Boc-Ala-OH(7.57g，40mmol)和(3)的产物(17.80g，40mmol)为原料，分别以N-甲基吗啡啉(NMM；45mmol)为碱，以N，N′-二环己基碳二亚胺(DCC；45mmol)和N-羟基琥珀酰亚胺(HOSu；45mmol)为复合缩合剂，在DMF中反应。反应结束后，用饱和无水氯化氢/冰乙酸溶液脱去氨基保护基Boc，得(4)的产物。 

(5)合成HCl-H-Gly-Ala-Gly-Ala-HDI-Ala-Gly-Ala-Gly-H-HCl 

采用与(3)所述类似操作，以Boc-Gly-OH(6.13g，35mmol)和(4)的产物(20.55g，35mmol)为原料，分别以N-甲基吗啡啉(NMM；40mmol)为碱，以N，N′-二环己基碳二亚胺(DCC；40mmol)和N-羟基琥珀酰亚胺(HOSu；40mmol)为复合缩合剂，在DMF中反应。反应结束后，用饱和无水氯化氢/冰乙酸溶液脱去氨基保护基Boc，得(5)的产物，至此总产率约为30％，备用。 

(6)合成MDI-PTHF-MDI预聚物 

将4，4′-二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI，20mmol，5g)与聚四氢呋喃2000(PTHF 2000，10mmol，20g)按摩尔比2∶1加入到100ml三口烧瓶，搅拌均匀后升温到60℃反应，每隔30min取样用二正丁胺滴定法测定NCO基团质量分数(参照化工行业标准HG/T 2409-92执行)，直到测定值基本不变时即为反应终点(总时间约为60min)，反应产物(MDI-PTHF-MDI预聚物)备用。 

(7)合成含丝素肽链AlaGlyAlaGly的聚氨酯 

在以50ml DMSO/20mmol NMM为反应介质的三口烧瓶中，分别加入(5)的产物HCl-H-Gly-Ala-Gly-Ala-HDI-Ala-Gly-Ala-Gly-H-HCl(20mmol，14g)和(6)所得预聚物MDI-PTHF-MDI，搅拌均匀后在60℃反应5h，接着升温到70℃反应1h，得淡红黄色粘稠液，备用。 

(8)制备含丝素肽链AlaGlyAlaGly的聚氨酯颗粒 

将所得淡红黄色粘稠液逐滴加到100ml甲醇-水(体积比3∶1)混合液中凝固形成小颗粒，接着在索氏抽提器中用甲苯抽提、然后真空干燥即可。 

(9)制备含丝素肽链AlaGlyAlaGly的聚氨酯纤维膜 

用不同浓度(10wt％，20wt％，30wt％)的含丝素肽链AlaGlyAlaGly的聚氨酯的THF溶液进行静电喷射和纺丝。用10ml一次性使用无菌塑料注射器吸取6-8ml适量溶液，套上内径为0.9mm的针头被磨平了的不锈钢皮下注射针，程控注射泵推动注射器活塞将溶液推送到针头出口。程控注射泵将溶液流速控制在0.8ml/h，喷射针头到收集铝箔之间的距离为15cm，调节电压至15kV可形成稳定的泰勒锥，即电场强度为1kV/cm。高压直流电源正极，用弹簧夹连接到针头外表面。在室温通风有机玻璃罩中，电喷纺所得网丝(纤维膜)被连续沉积在静态接地铝箔上。 

Claims (3)

1.一种含丝素肽链AlaGlyAlaGly的聚氨酯纤维膜及其制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(a)以叔丁氧羰基保护氨基酸和六亚甲基二异氰酸酯为原料，以N-甲基吗啡啉为碱，以N，N′-二环己基碳二亚胺和N-羟基琥珀酰亚胺为复合缩合剂，采用传统液相多肽合成法制备含有丝素肽链的化合物HCl-H-Gly-Ala-Gly-Ala-HDI-Ala-Gly-Ala-Gly-H-HCl，该化合物是两端为氨基的盐酸盐；接着将该化合物与等摩尔N-甲基吗啡啉中和为双端伯胺衍生物；然后将此双端伯胺衍生物作为扩链剂，与4，4′二苯基甲烷二异氰酸酯-聚四氢呋喃预聚物反应，合成含有丝素肽链Ala-Gly-Ala-Gly的聚氨酯。最后将所合成聚氨酯逐滴加到甲醇-水混合液中凝固成颗粒状。

(b)将所合成颗粒状聚氨酯溶于四氢呋喃，对该溶液进行静电喷射和纺丝，得到含丝素肽链AlaGlyAlaGly的聚氨酯纤维膜。

2.根据权利要求1所述的一种含丝素肽链AlaGlyAlaGly的聚氨酯纤维膜及其制备方法，其特征在于：所述的叔丁氧羰基保护氨基酸为叔丁氧羰基保护甘氨酸和叔丁氧羰基保护丙氨酸。

3.根据权利要求1所述的一种含丝素肽链AlaGlyAlaGly的聚氨酯纤维膜，其特征在于：主链一级结构含有丝素肽链AlaGlyAlaGly；聚集态结构表现为微相分离；具有生物医用潜力。

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