CN103012802A - 聚肽与聚四氢呋喃接枝共聚物及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及聚肽与聚四氢呋喃接枝共聚物及其制备方法，通过含有可生物降解的聚肽链段与可结晶的弱极性聚四氢呋喃链段形成接枝共聚物，赋予材料优异的生物相容性。通过聚四氢呋喃的弱极性链段，赋予材料一定的抗湿强度，可结晶性链段又赋予材料更加牢固的物理交联点和自增强特性，为材料的使用提供很好的应用基础。

Description

聚肽与聚四氢呋喃接枝共聚物及其制备方法

技术领域：

本发明涉及以聚肽为主链、以聚四氢呋喃为支链的接枝共聚物及其制备方法。属于高分子材料合成与制备领域。

背景技术：

合成聚肽具有与天然多肽相似的性质，能在生物体内被酶降解，释放出无毒的小肽或小分子氨基酸，具有良好的生物降解性和生物相容性，在组织工程和药物释放载体材料中得到广泛应用，经脱保护基处理后也可应用于基因转染载体、大分子前体药物、生物材料表面修饰和组织工程支架等领域。

聚肽材料尽管有许多优点，但是其溶解性差别较大，导致其降解周期及降解速率难以控制，因此其应用受到一定的局限性。通过向材料中引入第二组分制备共聚物是改善高分子材料性能的重要途径，不同结构和种类的共聚物，可把不同材料的优点结合起来，能赋予新材料特殊的性质。因此，对聚肽材料的共聚改性也引起了研究者的关注，通过调节共聚物中组成及结构来改善聚肽材料的性能，其中聚醚以其优异的生物相容性、水溶液稳定性等受到青睐。

目前，聚肽与聚醚共聚物主要是聚肽与聚乙二醇的嵌段及接枝共聚物。对于嵌段共聚物，主要包括聚谷氨酸-聚乙二醇嵌段共聚物(可参见PolymerJournal 1987，19，1329)、聚赖氨酸-聚乙二醇嵌段共聚物(可参见Macromolecules 1998，31，6071和Bioconjugate Chem.1996，7，144)及聚天冬氨酸-聚乙二醇嵌段共聚物(可参见Biointerfaces 1999，16，237)，这些嵌段共聚物是通过一定的化学方法将聚乙二醇的端基改性成氨基，作为大分子引发剂进一步引发α-氨基酸-N-羧基环内酸酐(NCA)开环聚合得到嵌段共聚物。对于接枝共聚物，主要则是聚谷氨酸-聚乙二醇接枝共聚物，通过酯交换反应将聚乙二醇接入聚肽材料的支链(可参见Macromo Rapid Commun，2004，25：1241和高等学校化学学报，2005，26：988)，或者将小分子量聚乙二醇(Mn＝100～200)与谷氨酸酯反应制备大分子单体，进一步通过大分子单体开环聚合制备了具有小分子量聚乙二醇支链的聚谷氨酸酯(可参见化学学报，2008，66：1102)，但通过上述方法难以设计合成出长支链的聚谷氨酸酯与聚乙二醇的接枝共聚物。而且，在现有技术中，聚肽与聚乙二醇共聚物材料的制备方法复杂，收率偏低(通常＜70％)，共聚物结构特别是接枝共聚物的支链数目和支链长度难以设计和调节，因此材料性能不可预期。此外，尽管聚乙二醇具有良好的生物相容性、抗凝血性、无毒和低免疫性，但因其极易吸水，会导致材料的力学性能大幅度降低，且使用场合受到限制。

聚四氢呋喃(PTHF)在医用聚酯材料中经常作为聚醚软段，具有生物相容性和安全性，已在人工血管、人工心脏、各类导管、填充物等植入材料中得到广泛应用。关于聚肽与聚四氢呋喃嵌段共聚物，专利CN 1844191A公开了以端氨基聚四氢呋喃为大分子引发剂来引发α-氨基酸-N-羧基环内酸酐(NCA)开环聚合的制备方法，共聚物的分子量为1800～50000，聚四氢呋喃链段的引入，可增加共聚物的抗湿强度，但产率通常低于80％，且PTHF链段长度会明显影响嵌段共聚效率。

然而，有关聚肽主链上键接聚四氢呋喃支链的接枝共聚物至今尚未见报道。本发明利用α-氨基酸-N-羧基环内酸酐开环聚合和四氢呋喃开环聚合相结合的方法设计合成以聚肽为主链、以聚四氢呋喃为支链的接枝共聚物，该共聚物中由于PTHF链段的引入可改善材料的抗湿强度和柔韧性。特别是，本发明制备方法简便易控，可有效地调节聚肽主链长度以及聚四氢呋喃支链的数目和长度。本发明的聚肽与聚四氢呋喃的接枝共聚物是新型的环境友好材料和生物医用材料，具有良好的生物医用前景。

发明内容：

本发明的目的是提供聚肽与聚四氢呋喃接枝共聚物及其制备方法，通过含有可生物降解的聚肽链段与生物相容性的聚四氢呋喃链段形成接枝共聚物，赋予材料更加优异的综合性能。通过聚四氢呋喃的相对弱极性链段，降低吸湿性，赋予材料一定的抗湿强度；通过可结晶性聚四氢呋喃链段又赋予材料更加牢固的物理交联点和自增强特性，进一步增强材料性能，为材料的使用提供很好的应用基础。

本发明所提供的聚肽与聚四氢呋喃接枝共聚物，以聚肽为主链、聚四氢呋喃为支链，两者以接枝方式键接。共聚物的接枝率(G_e)为1％～90％，接枝共聚物的G_e是指主链接有支链的单元占所有主链单元的摩尔百分含量，通过¹H-NMR测定，本发明所提供的聚肽与聚四氢呋喃两种链段长度可以设计，聚肽链段的数均分子量(M_n)为2000～100000，聚四氢呋喃链段的M_n为400～10000。优选聚肽链段的数均分子量为2000～60000，聚四氢呋喃链段的数均分子量为400～7000。

本发明还提供了上述聚肽与聚四氢呋喃接枝共聚物的制备方法，通过开环聚合反应，分别制得不同分子量的聚肽、聚四氢呋喃活性链，通过聚四氢呋喃活性链与聚肽分子链上的氨基有机亲核反应，从而将聚四氢呋喃链段键接到聚肽主链上，制得聚肽与聚四氢呋喃的接枝共聚物。具体制备步骤和条件如下：

A：聚肽的合成

所述的聚肽为γ-苄基-L-谷氨酸酯(BLG)、γ-乙基-L-谷氨酸酯(ELG)、γ-甲基-L-谷氨酸酯(MLG)、β-苄酯-L-天冬氨酸(BLA)、ε-苄氧羰基-L-赖氨酸(ZLL)、ε-三氟乙酰基-L-赖氨酸(TLL)的均聚物中一种或者它们的共聚物中的一种。具体步骤和条件为：

首先，在25～65℃下，以四氢呋喃为溶剂，将氨基酸和/或其衍生物与三光气(化学名称：双(三氯甲基)碳酸酯)反应，反应时间为0.5～6小时，用烷烃或石油醚沉淀，过滤干燥得到相应的α-氨基酸-N-羧基环内酸酐。然后，在20～60℃条件下，采用三乙胺为引发剂，引发相应α-氨基酸-N-羧基环内酸酐在N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、三氟乙酸或二氧六环等极性溶剂中进行开环聚合，反应时间为2～72小时，用甲醇沉淀，经真空干燥，得到相应的聚肽产品，包括均聚物与共聚物。通过调节引发剂与不同α-氨基酸-N-羧基环内酸酐的摩尔比，可得到不同分子量的聚肽。

所述的氨基酸及其衍生物为γ-苄基-L-谷氨酸酯、γ-乙基-L-谷氨酸酯、γ-甲基-L-谷氨酸酯、β-苄酯-L-天冬氨酸、ε-苄氧羰基-L-赖氨酸、ε-三氟乙酰基-L-赖氨酸中的一种或它们的混合物。

B：聚四氢呋喃活性链的合成

单体四氢呋喃可直接使用，也可配制成溶液后使用。在单官能引发剂或双官能引发剂的作用下，进行本体开环聚合或溶液开环聚合，得到预定分子量的相应的得到单端或双端聚四氢呋喃活性链溶液。反应体系中四氢呋喃浓度为3.0～12.3mol/L，四氢呋喃与引发剂的摩尔比为5～200∶1，聚合温度-10～25℃，聚合时间5～120分钟。

所述的单官能引发剂选自三氟甲基磺酸甲酯、三氟甲基磺酸乙酯、三氟甲基磺酸丙酯、三氟甲基磺酸丁酯、三氟甲基磺酸丙烯酸乙酯、三氟甲基磺酸丙烯酸丁酯、三氟甲基磺酸己酯、三甲硅基三氟甲磺酸酯、三乙基硅烷三氟甲磺酸酯、叔丁基二甲硅基三氟甲磺酸酯、2-(三甲基硅基)苯基三氟甲磺酸酯、三氟乙酸甲酯、三氟乙酸乙酯、三氟乙酸异丙酯或三氟乙酰乙酸乙酯；双官能引发剂选自三氟甲基磺酸酐、三氟乙酸酐、五氟丙酸酐或七氟丁酸酐。

单官能引发剂优选三氟甲基磺酸甲酯或三氟乙酸乙酯，双官能引发剂优选三氟甲基磺酸酐或三氟乙酸酐，单体四氢呋喃浓度优选为5.0～8.8mol/L，聚合温度优选为-10～5℃，聚合反应时间优选为5～40分钟。

溶液聚合中，配制四氢呋喃溶液所用溶剂可选自二氯甲烷、二氯乙烷、二氯丙烷、二氯丁烷、三氯甲烷、三氯乙烷、三氯丙烷、三氯丁烷、三氯戊烷、一氯代苯、邻二氯代苯、间二氯代苯、对二氯代苯、1，2，4-三氯代苯中的一种或它们的混合物。

C：接枝共聚物的合成

将步骤B的聚四氢呋喃活性链溶液加入到步骤A的聚肽与卤代烃的混合溶液中，其中聚四氢呋喃活性链与聚肽结构单元中肽键的摩尔比为0.01～0.9，于-10～25℃下进行终止反应，反应时间为1～60分钟。经纯化、真空干燥得到接枝共聚物，优选的反应温度为-10～5℃，反应时间为20～60分钟。

所述的卤代烃为三氯甲烷、三氯乙烷、三氯丙烷、三氯丁烷的一种或它们的混合物。

单端聚四氢呋喃活性链与聚肽反应得到接枝共聚物，双端聚四氢呋喃活性链与聚肽反应得到网状接枝共聚物。

本发明通过可控/活性开环聚合方法与有机亲核反应方法相结合，将聚氨基酸与聚四氢呋喃通过简单的有机亲核反应进行化学键接，设计并构筑新型结构的共聚物材料，实现了合成不同主链长度并可有效调节侧链数目和长度的接枝共聚物材料。该材料将聚肽及聚四氢呋喃的优异特点有机地结合起来，是具有优异的生物相容性、化学稳定性、抗湿强度并可结晶自增强的新型材料，拓展了在环境友好材料及生物医用材料领域(如组织工程支架、药物载体、组织修复材料)的用途。

本发明提供的制备接枝共聚物的方法，运用活性/可控开环聚合调节大分子链的可控性以及活性链端的有效亲核反应，无需外加催化剂，反应条件温和，操作简便，工艺简单并易于调控，对材料分子结构及性能的可设计性强，有利于从调节微观结构来调控宏观性能，并降低材料的制造成本。

采用美国Waters515.2410型凝胶渗透色谱仪(GPC)测定聚合物的分子量及分子量分布，柱温25℃，四氢呋喃为流动相，流速为1.0mL/min，不同分子量的聚苯乙烯标样为校正曲线。采用Bruker公司AV400MHz的¹H、13C-NMR在25℃下表征聚合物的分子链组成、序列结构，CDCl₃为溶剂，以四甲基硅烷为标准参照物。采用TA Instrument公司的Q200型差示量热扫描仪(DSC)测定聚合物的热力学行为。采用重庆光电XSZ-HS3型偏光显微镜(POM)观察聚合物薄膜的结晶现象。

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明进一步说明，但不构成对本发明保护范围的限制。

实施例1

聚(γ-苄基-L-谷氨酸酯)-g-聚四氢呋喃接枝共聚物

A：在氮气保护下，将4.0g γ-苄酯-L-谷氨酸(BLG)溶于40mL四氢呋喃(THF)中，加入2.0g三光气，在60℃搅拌下反应2小时，生成γ-苄酯-L-谷氨酸-N-羧基环内酸酐(BLG-NCA)，用石油醚沉淀，过滤干燥得产品，收率为33％。将2.0g BLG-NCA溶于N，N-二甲基甲酰胺，加入40mg三乙胺，在25℃搅拌条件下反应6小时，用甲醇沉淀，然后真空干燥，得到聚(γ-苄基-L-谷氨酸酯)，即PBLG，收率为78％。

B：在氮气保护下，向10mL含有THF与氯仿的溶液([THF]＝6.2mol/L)中加入0.2mL三氟甲基磺酸甲酯，在20℃下引发THF进行活性开环聚合反应10分钟，得到单端聚四氢呋喃活性链溶液。

C：搅拌条件下，向20mL PBLG的氯仿溶液([PBLG]＝3.6mmol/L)中，加入1.5mL B步骤的聚四氢呋喃活性链溶液，于20℃下反应30分钟。得到的产物依次经氯仿、四氢呋喃溶剂纯化，纯化后产物于40℃恒温真空干燥18小时，得到0.6g接枝共聚物聚(γ-苄基-L-谷氨酸酯)-g-聚四氢呋喃(PBLG-g-PTHF)。接枝率为25％，主链PBLG的数均分子量(M_n)为2300，支链PTHF的M_n为1100。

实施例2

聚(γ-苄基-L-谷氨酸酯)-g-聚四氢呋喃接枝共聚物

A：同实施例1中A。

B：同实施例1中B，只是采用本体聚合。

C：搅拌条件下，向20mL上述PBLG的氯仿溶液([PBLG]＝3.6mmol/L)中，加入0.3mL B步骤的聚四氢呋喃活性链溶液，于20℃下反应30分钟。得到的产物依次经氯仿、四氢呋喃溶剂纯化，纯化后产物于40℃恒温真空干燥18小时，得到0.24g接枝共聚物PBLG-g-PTHF。接枝率为5％，主链PBLG的M_n为2300，支链PTHF的M_n为1100。

实施例3

聚(γ-苄基-L-谷氨酸酯)-g-聚四氢呋喃接枝共聚物

A：同实施例1中A。

B：只是改变三氟甲基磺酸甲酯的加入量为0.3mL，其它条件同实施例1中B。

C：搅拌条件下，向20mL上述PBLG的氯仿溶液([PBLG]＝3.6mmol/L)中，加入4mL B步骤的聚四氢呋喃活性链溶液，于20℃下反应30分钟。得到的产物依次经氯仿、四氢呋喃溶剂纯化，纯化后产物于40℃恒温真空干燥18小时，得到1.2g接枝共聚物PBLG-g-PTHF。接枝率为81％，主链PBLG的M_n为2300，支链PTHF的M_n为700。

实施例4

聚(γ-苄基-L-谷氨酸酯)-g-聚四氢呋喃接枝共聚物

A：只是改变三乙胺的加入量为8mg，反应时间为12h，其它条件同实施例1中A，BLG-NCA的收率为31％，PBLG的收率为75％。

B：同实施例3中B。

C：搅拌条件下，向20mL上述PBLG的氯仿溶液([PBLG]＝1.8mmol/L)中，加入10mL B步骤的聚四氢呋喃活性链溶液，于20℃下反应60分钟。得到的产物依次经氯仿、四氢呋喃溶剂纯化，纯化后产物于40℃恒温真空干燥18小时，得到1.9g接枝共聚物PBLG-g-PTHF。接枝率为46％，主链PBLG的M_n为21000，支链PTHF的M_n为700。

实施例5

聚(β-苄酯-L-天冬氨酸)-g-聚四氢呋喃接枝共聚物

A：在氮气保护下，将3.0gβ-苄酯-L-天冬氨酸(BLA)溶于60mL四氢呋喃中，加入1.6g三光气，在50℃搅拌下反应2小时生成β-苄酯-L-天冬氨酸-N-羧基环内酸酐(BLA-NCA)，用石油醚沉淀，过滤干燥得产品，收率为24.3％。将1.0g BLA-NCA溶于N，N-二甲基甲酰胺，加入7mg三乙胺，在25℃连续搅拌下反应12小时，用甲醇沉淀出所要产物，然后真空干燥得产品PBLG，收率为80％。

B：同实施例1中B。

C：搅拌条件下，向20mL上述PBLA的氯仿与二氯乙烷的混合溶液([PBLA]＝3.6mmol/L)中，加入4mL B步骤的聚四氢呋喃活性链溶液，于20℃下反应30分钟。得到的产物依次经氯仿、四氢呋喃溶剂纯化，纯化后产物于40℃恒温真空干燥18小时，得到1.2g接枝共聚物聚(β-苄酯-L-天冬氨酸)-g-聚四氢呋喃(PBLA-g-PTHF)。接枝率为21％，主链PBLA的M_n为10600，支链PTHF的M_n为1100。

实施例6

聚(β-苄酯-L-天冬氨酸)-g-聚四氢呋喃接枝共聚物

A：同实施例5中A。

B：同实施例3中B。

C：搅拌条件下，向20mL上述PBLA的氯仿溶液([PBLA]＝3.6mmol/L)中，加入2mL B步骤的聚四氢呋喃活性链溶液，于20℃下反应60分钟。得到的产物依次经氯仿、四氢呋喃溶剂纯化，纯化后产物于40℃恒温真空干燥18小时，得到1.1g接枝共聚物PBLA-g-PTHF。接枝率为16％，主链PBLA的M_n为10600，支链PTHF的M_n为700。

实施例7

聚(γ-苄基-L-谷氨酸酯)-g-聚四氢呋喃网状接枝共聚物

A：同实施例1中A。

B：只是改变引发剂为三氟甲基磺酸酐，加入量为0.5mL，其它条件同实施例1中B。

C：搅拌条件下，向40mL上述PBLG的氯仿溶液([PBLG]＝1.8mmol/L)中，加入4mL B步骤的聚四氢呋喃活性链溶液，于20℃下反应60分钟。得到的产物依次经氯仿、四氢呋喃溶剂纯化，纯化后产物于40℃恒温真空干燥18小时，得到1.3g网状接枝共聚物PBLG-g-PTHF。接枝率(或网络密度)为24％，主链PBLG的M_n为2300，支链PTHF的M_n为800。

实施例8

聚(γ-苄基-L-谷氨酸酯)-g-聚四氢呋喃网状接枝共聚物

A：同实施例4中A。

B：只是改变引发剂为三氟甲基磺酸酐，加入量为0.15mL，其它条件同实施例1中B。

C：搅拌条件下，向40mL上述PBLG的氯仿溶液([PBLG]＝1.8mmol/L)中，加入8mL B步骤的聚四氢呋喃活性链溶液，于20℃下反应60分钟。得到的产物依次经氯仿、四氢呋喃溶剂纯化，纯化后产物于40℃恒温真空干燥18小时，得到1.6g网状接枝共聚物PBLG-g-PTHF。接枝率(或网络密度)为12％，主链PBLG的M_n为21000，支链PTHF的M_n为2600。

Claims (8)

1.一种聚肽与聚四氢呋喃的接枝共聚物，以聚肽为主链，以聚四氢呋喃为支链，两者以接枝方式键接，共聚物的接枝率为1％～90％，其中聚肽链段的数均分子量为2000～100000，聚四氢呋喃链段的数均分子量为400～10000。

2.一种权利要求1所述聚肽与聚四氢呋喃接枝共聚物的制备方法，通过开环聚合反应，分别制得聚肽和聚四氢呋喃活性链，然后通过有机亲核反应，使聚四氢呋喃支链键接到聚肽主链上，得到接枝共聚物。

3.根据权利要求2的制备方法，其特征是：具体制备步骤和条件为：

A：聚肽的合成

以四氢呋喃为溶剂，将氨基酸和/或其衍生物与三光气在25～65℃反应0.5～6小时，生成相应的α-氨基酸-N-羧基环内酸酐；以三乙胺进一步引发α-氨基酸-N-羧基环内酸酐于20～60℃下进行开环聚合，反应时间为2～72小时，形成相应的聚肽；

B：聚四氢呋喃活性链的合成

采用单官能引发剂或双官能引发剂进行四氢呋喃本体聚合或溶液聚合，其中四氢呋喃与引发剂的摩尔比为5～200∶1，聚合温度为-10～25℃，聚合时间为5～120分钟，得到单端或双端聚四氢呋喃活性链溶液；

所述的单官能引发剂选自三氟甲基磺酸甲酯、三氟甲基磺酸乙酯、三氟甲基磺酸丙酯、三氟甲基磺酸丁酯、三氟甲基磺酸丙烯酸乙酯、三氟甲基磺酸丙烯酸丁酯、三氟甲基磺酸己酯、三甲硅基三氟甲磺酸酯、三乙基硅烷三氟甲磺酸酯、叔丁基二甲硅基三氟甲磺酸酯、2-(三甲基硅基)苯基三氟甲磺酸酯、三氟乙酸甲酯、三氟乙酸乙酯、三氟乙酸异丙酯或三氟乙酰乙酸乙酯；双官能引发剂选自三氟甲基磺酸酐、三氟乙酸酐、五氟丙酸酐或七氟丁酸酐；

C：接枝共聚物的合成

将步骤B的聚四氢呋喃活性链溶液加入到步骤A的聚肽与卤代烃的混合溶液中，于-10～25℃下反应1～60分钟，其中聚四氢呋喃活性链与聚肽结构单元中肽键的摩尔比为0.01～0.9，得到接枝共聚物。

4.根据权利要求3的制备方法，其特征是：所述的氨基酸及其衍生物为γ-苄基-L-谷氨酸酯、γ-乙基-L-谷氨酸酯、γ-甲基-L-谷氨酸酯、β-苄酯-L-天冬氨酸、ε-苄氧羰基-L-赖氨酸、ε-三氟乙酰基-L-赖氨酸中的一种或它们的混合物。

5.根据权利要求3或4的制备方法，其特征是：步骤B中聚合反应体系中四氢呋喃浓度为3.0～12.3mol/L，

6.根据权利要求3或4的制备方法，其特征是：步骤B中单官能引发剂为三氟甲基磺酸甲酯或三氟乙酸乙酯，双官能引发剂为三氟甲基磺酸酐或三氟乙酸酐，聚合温度为-10～5℃，聚合时间为5～40分钟。

7.根据权利要求3或4的制备方法，其特征是：步骤C中反应温度为-10～5℃。

8.根据权利要求5的制备方法，其特征是：步骤B中聚合反应体系中单体四氢呋喃浓度为5.0～8.8mol/L。