CN103030977A

CN103030977A - 羟基磷灰石/聚氨基酸复合粒子及其制备方法

Info

Publication number: CN103030977A
Application number: CN2012103824451A
Authority: CN
Inventors: 尹静波; 何世明; 韩锦东; 张鑫; 刘志文; 甘露; 颜世峰; 陈学思
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2012-10-11
Filing date: 2012-10-11
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2032-10-11
Also published as: CN103030977B

Abstract

本发明涉及一种羟基磷灰石/聚氨基酸复合粒子及其制备方法，该复合粒子是以经过硅烷偶联剂改性得到的含氨基的羟基磷灰石为引发剂，引发氨基酸开环聚合，从而得到的一种具有核壳结构的复合粒子，其中偶联剂与羟基磷灰石的质量比为：0.221~0.332：1，所述的核与壳的质量百分比为100：7~48。HA的表面聚氨基酸功能化，将有效地改善纯HA易团聚、力学强度低、韧性不足等缺陷；改善其表面性能，增强其界面粘附力；并模拟成骨组成，这将是一种颇具应用前景的骨修复及替代材料。该方法也适用于制备HA/聚赖氨酸、HA/聚天冬氨酸等其他可用NCA法合成的HA/聚氨基酸纳米复合粒子。

Description

羟基磷灰石/聚氨基酸复合粒子及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种羟基磷灰石/聚氨基酸复合粒子及其制备方法。

背景技术

纳米材料通过表面改性可改善其湿润性、粘结性及表面活性等表面性能。在种类繁多的无机材料中，羟基磷灰石（HA）与骨矿质在组成、尺寸、形态及结晶性上具有相似性，既不会直接刺激免疫系统，又不会引起生理毒性，已成为一种重要的应用于硬组织修复与替代的生物医用材料。然而纯的羟基磷灰石表现出脆性、低力学强度、弱疲劳韧性等特点，限制了它的使用范围；由于极性差异较大，纯的羟基磷灰石纳米粒子在聚合物基体中很容易团聚，HA/聚合物复合材料的力学强度不高。因此，有必要修饰羟基磷灰石粒子的表面，避免HA粒子团聚使之分散均匀，并能增强其界面粘附性，从而获得更高强度的HA/聚合物复合材料。

改善羟基磷灰石的表面性能可采用有机小分子或聚合物。常见的有机小分子有硅烷偶联剂，参见中国专利03128166.4、十二烷基醇，参见文献：L. Borum-Nicholas, O.C. Wilson Jr. Surface modi?cation of hydroxyapatite. Part I. Dodecyl alcohol. Biomaterials 2003, 24, 3671–3679、缩多酸、异氰酸酯等。应用于修饰HA的聚合物主要有聚乳酸(PLA)，参见中国专利：聚乳酸自修饰羟基磷灰石/聚乳酸复合材料及制备方法. 申请号：03119058.8、聚己内酯(PCL)，参见文献Lee, H. J.; Choi, H. W.; Kim, K. J.; Lee, S. C. Modification of Hydroxyapatite Nanosurfaces for Enhanced Colloidal Stability and Improved Interfacial Adhesion in Nanocomposites. Chem.Mater.2006, 18, 5111-5118、壳聚糖(CS)等。然而，现有的接枝物在组成成分和相容性上与天然成骨组织还存在一些差异，用作骨组织修复及替代材料还存在一些问题。

聚L-谷氨酸（PLGA）是聚氨基酸的一种，是最值得关注的生物材料之一。它可以模拟细胞外基质（ECM）中蛋白质组分和功能，具有优良的生物相容性，能促进组织修复和细胞生长，无毒副作用，在体内能降解为L-谷氨酸单体。日本学者研究表明，L-谷氨酸具有抑制破骨细胞分解骨组织作用，这一发现可能催生预防和治疗骨质疏松症的新方法。L-谷氨酸是蛋白质的主要构成成分，并在蛋白质代谢过程中占重要地位。如何在HA表面接枝上聚氨基酸，制备出具有良好生物相容性及生物可降解性的HA/聚氨基酸复合粒子，进而开发出具有模拟成骨组成的组织工程材料具有重要意义。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种羟基磷灰石/聚氨基酸复合粒子。

本发明的目的之二在于提供该复合粒子的制备方法。

本发明方法是用硅烷偶联剂来改性羟基磷灰石(HA)，制得表面氨基化的HA-NH₂粒子；HA-NH₂粒子表面的氨基可引发氨基酸在HA表面发生开环聚合，从而在HA表面接枝上聚氨基酸；然后采用三甲基碘硅烷、三甲基氯硅烷或三甲基溴硅烷等具有类似结构的脱保护剂脱去氨基酸上的苄基，得到在HA表面接枝聚氨基酸的复合粒子。在常压下采用新型脱保护剂——三甲基碘硅烷脱去经共价键连接在HA表面上的聚谷氨酸苄酯PBLG中的保护基团，这种新型脱保护剂能有效避免用酸、碱脱保护引起的刻蚀HA，破坏HA与聚合物之间的键接及聚合物断链等问题。该方法的特点在于可通过改变单体与HA-NH₂的比例，实现对壳层聚氨基酸含量的调控。该材料可应用于生物医药和组织工程领域。

为达到上述目的，本发明采用的机理为：

根据上述反应机理，本发明采用如下技术方案：

一种羟基磷灰石/聚氨基酸复合粒子，其特征在于该复合粒子是以经过含氨基的硅烷偶联剂改性得到的含氨基的羟基磷灰石为引发剂，引发氨基酸-N-羧酸酐的开环聚合，脱除保护基团从而得到的一种具有核壳结构的复合粒子，其中偶联剂与羟基磷灰石的质量比为：0.221~0.332：1，所述的壳层聚氨基酸的质量占复合粒子质量的7%~48%。

上述的硅烷偶联剂可以为：3-氨丙基三乙氧基硅烷或N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三乙氧基硅烷。

上述的氨基酸可以为：谷氨酸、赖氨酸或天冬氨酸。

一种制备上述的羟基磷灰石/聚氨基酸复合粒子，其特征在于该方法的具体步骤为：

a. 将羟基磷灰石置于乙醇和水体积比9:1的混合溶剂中分散均匀，再加入偶联剂，常温下搅拌反应3~6小时；调节pH至9~10，再反应3小时；过滤，干燥，得到表面氨基化的羟基磷灰石粒子；

b.惰性气氛下，将步骤a所得羟基磷灰石粒子、氨基酸-N-羧酸酐按：0.109: 0.600~1.685: 0.600的质量比溶于溶剂二氧六环中，超声分散0.5~1小时；在15~25℃温度下搅拌反应至反应液变为粘稠液；将该反应液缓慢倒入无水乙醇中，有白色物质析出；过滤，用无水乙醇洗涤，干燥，得到带保护基团的羟基磷灰石/聚氨基酸复合粒子；

c．将步骤b所得带保护基团的羟基磷灰石/聚氨基酸复合粒子溶于二氯甲烷中，再按每0.8~1.0g复合粒子加入0.3~0.4mL脱保护剂的比例加入脱保护剂, 在35~40℃无水无氧避光反应12~20小时，将反应液倒入水饱和的石油醚中沉淀，抽滤，并用无水乙醚和去离子水冲洗，干燥可得白色粉体，即为羟基磷灰石/聚氨基酸复合粒子；所述的脱保护剂为含卤键硅烷试剂。

上述的脱保护剂可以为：三甲基碘硅烷、三甲基氯硅烷或三甲基溴硅烷。

上述的羟基磷灰石的制备方法可以为：按磷酸和氢氧化钙摩尔比3:5的投料比，70℃左右反应5~6h，调节pH至7~8, 冷冻干燥, 得到羟基磷灰石纳米粒子。。

定义接枝率为HA表面接枝的聚合物的质量占复合粒子总质量的百分比。上述方法中，本方法所合成的羟基磷灰石/聚氨基酸复合粒子的接枝率在8.71%~55.41%，脱保护后的HA/ PLGA复合粒子的接枝率可达到47.69%。

本发明旨在羟基磷灰石的表面接枝上聚氨基酸，制得羟基磷灰石/聚氨基酸纳米复合粒子。HA的表面聚氨基酸功能化，将有效地改善纯HA易团聚、力学强度低、韧性不足等缺陷；改善其表面性能，增强其界面粘附力；并模拟成骨组成，这将是一种颇具应用前景的骨修复及替代材料。

同现有技术相比，本发明具有如下突出的优点：本发明在HA表面接枝聚氨基酸，具有良好的生物相容性，且在体内能够自行降解成氨基酸单体，降解产物能够被机体吸收，不会产生毒副作用；通过调节单体与引发剂的比值，可制备梯度接枝率的HA/PBLG复合粒子。

所得产物用傅里叶红外光谱、X射线光电子能谱、热重分析、透射电子显微镜进行了表征，产物的相关结构和形态都得到了证实。

附图说明

图1为发明实施例一所得到的氨基化羟基磷灰石（HA-NH₂）粒子的XPS图谱。由图谱可知，在HA-NH₂粒子的表面除了发现O1s（532.8eV）, Ca2p（346.6eV）, P2p（133.0eV）的特征峰，还有C1s（284.5eV）的特征峰非常明显，以及Si2p（102.8eV）, Si2s（153.5eV）和N1s（401.8eV）的特征峰，羟基磷灰石不含碳、硅、氮元素，表明硅烷偶联剂让HA的表面键接上了氨基。

图2为发明实施例四所得到的 HA，PBLG，HA/PBLG，HA/PLGA 及PLGA的红外光谱图比较。由FTIR图谱可见，纯HA在1040cm^-1有无机磷酸盐的特征峰，而HA/PBLG除了具有磷酸盐的特征峰外，还具有羰基酯键（1735cm^-1）、N-H （3290 cm^-1）和C_sp2-H（3050 cm^-1）的特征峰，这些表明在HA表面的氨基已引发BLG-NCA开环聚合，在HA表面接枝上聚谷氨酸苄酯（PBLG）。HA/PLGA上的苯环的特征峰C_sp2-H（3050 cm^-1）基本消失，羰基酯键（1735cm^-1）的特征峰明显减弱，羰基酯键脱保护生成羧基。无机磷酸盐的特征峰保持不变。

图3为发明实施例五的HA，HA-NH₂，HA/PBLG及HA/PLGA的热失重曲线。HA-NH₂的失重高于HA，这是由于表面含有有机基团的缘故。对照脱保护前后的TGA数据发现，脱保护之后接枝率降低，这是由于脱除保护基团后高分子的含量降低。根据PBLG重复单元的式量为219, PLGA重复单元的式量为129, HA的含量保持不变，可计算得到的HA/PLGA复合粒子的理论接枝率为48.33%，与实测接枝率47.69%非常接近。这同时也说明这种新型脱保护剂能有效避免用酸、碱脱保护所引起的刻蚀HA，破坏HA与聚合物之间的键接及聚合物断链等问题。

图4为发明实施例四所得的HA、HA/PBLG及HA/PLGA复合粒子的透射电镜图片。TEM测试显示HA为针状晶体，其平均尺寸为长120-140nm, 宽20-30nm，但是纯的HA聚集严重。经接枝聚氨基酸后的复合粒子，由于表面高分子之间的相互作用，分散性得到改善，胶体稳定性也得到提高。

具体实施方式

本发明采用的羟基磷灰石的制备方法如下：将磷酸配制成0.2mol/L的H₃PO₄溶液；按照H₃PO₄: Ca(OH)₂ 为3:5的摩尔比，将Ca(OH)₂ 25.96g，溶于水中。将H₃PO₄(aq)溶液缓慢滴入Ca(OH)₂ 悬浮液中，边滴加边搅拌，70℃水浴反应5~6h；调节pH=7~8, 再反应2~3h。陈化2~3天，倒去上层清夜，冷冻干燥，得到白色粉体，即为羟基磷灰石纳米粒子。

实施例一：

1. 羟基磷灰石的氨基化改性：将1.105g 3-氨丙基三乙氧基硅烷(APS) 溶于450mL/50mL的乙醇/水的混合溶剂中，搅拌半小时；加入5.0g HA，再室温搅拌3~6 h；用氨水调节pH至9~10，再反应3h；过滤，50℃真空干燥三天，得到表面氨基化的HA(HA-NH₂) 粒子，置于50℃真空烘箱中备用。

2. 羟基磷灰石接枝聚谷氨酸苄酯(HA/PBLG) 复合粒子的制备：在干燥的100mL茄形瓶中加入HA-NH₂粒子1.200g, BLG-NCA 0.218g, 新蒸的二氧六环40mL; 抽真空通氮气循环3~5次，保持反应瓶为氮气气氛，超声分散0.5~1h; 15~25℃搅拌反应2~3d，反应液变为粘稠液。将反应液缓慢倒入无水乙醇中沉淀，此时有白色物质析出；过滤，用无水乙醇洗涤，真空干燥，得到羟基磷灰石/聚谷氨酸苄酯(HA/PBLG) 复合粒子，接枝率为8.71%。

3. 采用Me₃SiI 脱保护制备羟基磷灰石接枝聚谷氨酸(HA/PLGA) 复合粒子：

在干燥的100mL安瓿瓶中加入HA/PBLG复合粒子1g，溶于40mL新蒸的二氯甲烷中；抽真空通氮气循环3~5次，保持反应瓶为氮气气氛，在避光条件下加入Me₃SiI 0.06mL；37℃避光反应20h；将反应液倒入水饱和的石油醚中沉淀，抽滤，并用无水乙醚和大量去离子水冲洗数遍后，干燥可得白色粉体，即为HA/PLGA复合粒子，产率约为72%。

实施例二：本实施例与实施例一基本相同，所不同的是：在步骤1中，所用硅烷偶联剂为N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三乙氧基硅烷；在步骤3中，加入单体BLG-NCA的质量为0.420g；在步骤4中，加入Me₃SiI的体积为0.12 mL。其他试剂用量及操作条件不变。HA/PBLG复合粒子接枝率为16.28%，HA/PLGA复合粒子的产率约为75%。

实施例三：本实施例与实施例一基本相同，所不同的是：在步骤3中，加入单体BLG-NCA的质量为0.844g；在步骤4中，所用的脱保护剂为三甲基氯硅烷（0.18 mL）。其他试剂用量及操作条件不变。HA/PBLG和HA/PLGA复合粒子接枝率分别为28.23%，20.58%。

实施例四：本实施例与实施例一基本相同，所不同的是：在步骤3中，加入单体BLG-NCA的质量为1.688g；在步骤4中，加入Me₃SiI的体积为0.30 mL。其他试剂用量及操作条件不变。HA/PBLG和HA/PLGA复合粒子接枝率分别为47.17%，31.03%。

实施例五：本实施例与实施例一基本相同，所不同的是：在步骤3中，加入单体BLG-NCA的质量为3.376g；在步骤4中，加入Me₃SiI的体积为0.40 mL。其他试剂用量及操作条件不变。HA/PBLG和HA/PLGA复合粒子接枝率分别为55.54%，47.69%。

上述对实例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域的技术人员可以容易的对这些实施实例做出各种修改，并把在此说明的一般性原理应用在其他应用实例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种羟基磷灰石/聚氨基酸复合粒子，其特征在于该复合粒子是以经过含氨基的硅烷偶联剂改性得到的含氨基的羟基磷灰石为引发剂，引发氨基酸-N-羧酸酐的开环聚合，脱除保护基团从而得到的一种具有核壳结构的复合粒子，其中偶联剂与羟基磷灰石的质量比为：0.221~0.332：1，所述的壳层聚氨基酸的质量占复合粒子质量的7%~48%。

2.根据权利要求1所述的羟基磷灰石/聚氨基酸复合粒子，其特征在于所述的硅烷偶联剂为：3-氨丙基三乙氧基硅烷或N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三乙氧基硅烷。

3.根据权利要求1所述的羟基磷灰石/聚氨基酸复合粒子，其特征在于所述的氨基酸为：谷氨酸、赖氨酸或天冬氨酸。

4.一种制备根据权利要求1—3中任一项所述的羟基磷灰石/聚氨基酸复合粒子，其特征在于该方法的具体步骤为：

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述的脱保护剂为：三甲基碘硅烷、三甲基氯硅烷或三甲基溴硅烷。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述的羟基磷灰石的制备方法为：按磷酸和氢氧化钙摩尔比3:5的投料比，70℃左右反应5~6h，调节pH至7~8, 冷冻干燥, 得到羟基磷灰石纳米粒子。