CN103130958A

CN103130958A - 一种光反应型仿细胞膜结构共聚物及其制备方法和应用

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Publication number: CN103130958A
Application number: CN2011103738004A
Authority: CN
Inventors: 宫永宽; 王彦兵; 党媛; 宫平; 宗明明; 史素青
Original assignee: Northwest University
Current assignee: Northwest University
Priority date: 2011-11-23
Filing date: 2011-11-23
Publication date: 2013-06-05

Abstract

本发明为一种光反应型仿细胞膜结构共聚物及其制备方法和应用，公开了结构通式（I）所示的共聚物，其中，m为20~800的正整数，n为0~500的正整数，x为2~500的正整数；在m、n、x代表的三种单元中，m的摩尔百分数为25~80%，n为0~50%，x为3~50%；R₁、R₂、R₃为H或CH₃；R₄为碳原子数为4~18的烷烃基。本发明将含有叠氮侧基的仿细胞膜结构聚合物涂覆于高分子材料表面，待溶剂挥发后用紫外光照射，使聚合物涂层中的叠氮基团与高分子材料表面共价结合形成致密的交联网状结构。本发明可广泛应用与高分子生物材料的表面改性，获得升级换代的生物相容性优良的生物医用产品。（ I ）

Description

一种光反应型仿细胞膜结构共聚物及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种仿细胞膜结构共聚物及其制备方法和应用，特别涉及一种光反应型仿细胞膜结构共聚物及其制备方法和应用。

背景技术

磷酰胆碱是生物细胞外层膜的亲水基团，用含磷酰胆碱基团的两亲性聚合物涂层修饰材料表面可以得到仿细胞外层膜结构的表面，使生物相容性大幅度提高。为提高这类涂层的稳定性，宫永宽等制备得到了含三甲氧基硅可交联基团和磷酰胆碱亲水基团的甲基丙烯酸酯类三元共聚物（中国专利ZL200610105049.9）。但其在涂层结构调控及交联固定过程中，涂层聚合物链段及基团的迁移取向及缩合交联过程相互影响，难以达到良好的调控结果。

Mao 等人（Colloids and Surfaces B: Biointerfaces 30 (2003) 299–306）对叠氮苯甲酸接枝到壳聚糖的氨基上获得了具有光反应活性的壳聚糖，对硅橡胶改性后表面抗血小板粘附能力显著增强。Konno 等人（Biomaterials 26 (2005) 1381–1388）对叠氮苯胺在水溶性碳二亚胺作用下接枝到甲基丙烯酸共聚物羧基上，通过紫外光固定获得了磷脂化的聚乙烯表面。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种可进行紫外光接枝/交联、亲水亲油的两亲性仿细胞膜结构共聚物；

本发明的另一目的是提供上述共聚物的制备方法；

本发明还有一个目的是提供上述共聚物在制备仿细胞外层膜结构涂层方面的应用，提高涂层与基底聚合物材料的结合稳定性，并通过涂层中共聚物链之间的交联固定使形成的仿细胞外层膜结构稳定化。

本发明的实现过程：

结构通式（

）表示的共聚物，

其中，m为20~800的正整数，n为0~500的正整数，x为2~500的正整数；在m、n、x代表的三种单元中，m的摩尔百分数为25~80%，n为0~50%，x为3~50%；

R₁、R₂、R₃为H或CH₃；

R₄为碳原子数为4~18的烷烃基。

上述共聚物的制备方法：在催化剂存在下，结构通式（II）所示的聚合物与对叠氮苯甲酸经酰胺化得到具有光反应活性的仿细胞膜结构聚合物（I），其中，m为20~800的正整数，n为0~500的正整数，x为2~500的正整数；在m、n、x代表的三种单元中，m的摩尔百分数为25~80%，n为0~50%，x为3~50%；R₁、R₂、R₃为H或CH₃；R₄为碳原子数为4~18的烷烃基。

所述的催化剂选自HOBT（1-羟基苯并三唑）、EDCI（1-乙基-3-(3-二甲胺丙基)碳二亚胺盐酸盐）、CDI（N,N'-羰基二咪唑）、HBTU（O-(1H-苯并三唑-1-基)-N,N,N',N'-四甲基异脲六氟化磷）、EDC(1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐)、NHS（N-羟基琥珀酰亚胺）。

上述聚合物（II）按常规的自由基溶液共聚方法合成，步骤如下：

（1）甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱和甲基丙烯酸-2-氨基乙酯用异丙醇或乙醇溶解，加入或不加入甲基丙烯酸正丁酯；

（2）将单体总质量0.5~1.5%的引发剂偶氮二异丁腈（AIBN）用THF溶解；

（3）反应开始时加入15~40%的引发剂，然后以每小时30~80%的速度加入剩余的引发剂及单体混合物，得到甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱、甲基丙烯酸-2-氨基乙酯及甲基丙烯酸正丁酯的摩尔百分比分别为25~80%、3~50%和0~50%的共聚物。

共聚物（II）可用于制备仿细胞外层膜结构涂层，依次包括以下步骤：

（1）将共聚物溶于水、有机溶剂或含水的有机溶剂，用浸渍或喷涂方法使聚合物在被修饰的材料表面均匀涂覆形成涂层；

（2）涂层干燥后经紫外光照射形成键合于材料表面的稳定涂层；

（3）稳定涂层在含水液体中浸泡，自动形成仿细胞外层膜结构界面。

所述有机溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、1-甲基-2-吡咯烷酮、乙腈、丙酮、四氢呋喃、二甲基甲酰胺或其混合溶剂。

被修饰的材料表面为有机高分子或含有-CH₂-、双键、醛基、羧基、氨基官能团的材料。在紫外光照射下，叠氮基失去一分子氮气生成高活性氮烯基团，可与材料表面的-CH₂-、双键、醛基、羧基、氨基官能团反应形成稳定的共价键，高活性氮烯基团间可彼此反应，使得聚合物彼此交联。

本发明利用芳香叠氮基团易与碳链聚合物发生光接枝/交联反应的优点，将芳香叠氮酸先通过酰胺化反应接枝在含细胞外层膜磷酰胆碱基团及氨基的共聚物侧链上，获得具有一定疏水性能及紫外光激发反应活性的多功能共聚物。共聚物中的芳香叠氮基团除具有光反应功能外，还具有憎水性，可与其它憎水基团一起赋予共聚物疏水功能，从而使共聚物在憎水的高分子材料表面能够形成有较强吸附作用，均匀涂覆的涂层。涂层共聚物侧链上的磷酰胆碱基团在水溶液中向涂层外界面迁移取向，自发形成仿细胞外层膜结构界面，从而赋予高分子材料良好的生物相容性。本发明处理工艺简单，涂层结构稳定，亲水性能及生物相容性良好，可广泛用于材料表面的亲水处理及生物医用材料表面生物相容性修饰。

附图说明

图1为PMBA442 ¹H-NMR谱图；

图2为PMBA424 ¹H-NMR谱图；

图3为PMBAz 442 ¹H-NMR谱图；

图4为PMBAz424 ¹H-NMR谱图。

具体实施方式

（甲基）丙烯酰氧乙基磷酰胆碱按照文献报道的方法（Ishihara et al. Polym. J, 22(5)，355-360，1990；Umeda et al. Makromol. Chem. 3: 457-459, 1982）合成得到。（甲基）丙烯酸酯及（甲基）丙烯酸-2-氨基乙酯为普通化工原料，通过购买得到。

1、含氨基共聚物PMBA的制备

采用“饥饿法” (Lewis AL, et al. Biomaterials 2000, 21: 1847-1859) 合成（甲基）丙烯酰氧乙基磷酰胆碱、（甲基）丙烯酸酯与（甲基）丙烯酸-2-氨基乙酯三元随机共聚物（简称PMBA）。单体（甲基）丙烯酰氧乙基磷酰胆碱、（甲基）丙烯酸酯与（甲基）丙烯酸-2-氨基乙酯混合，用异丙醇或乙醇溶解。称取单体总质量0.5~1.5%的引发剂AIBN，用THF溶解。在反应器中加入质量分数为15~40%的引发剂AIBN的 THF溶液，然后以每小时30~80%的速度加入单体及剩余的引发剂混合物。含磷酰胆碱基团的亲水单体、含烷基链的疏水单体及含氨基的单体的摩尔百分比分别为25~80%、0~50%和5~50%。PMBA共聚物中各单元的含量用氢核磁共振图谱数据计算得到。

2、含芳香叠氮基共聚物PMBAz的制备

PMBA与对叠氮苯甲酸在催化剂作用下发生酰胺缩合反应，将芳香叠氮基团接枝到共聚物氨基上得到具有光活性、仿细胞膜结构的两亲性共聚物PMBAz。反应溶剂为二氯甲烷、二甲基甲酰胺、丙酮、水或它们的混合物；催化剂为常用的HOBT，EDCI，CDI，HBTU，EDC，NHS等。反应产物经截留分子量8000的透析袋透析除去低分子量物质，冷冻干燥得到提纯的PMBAz共聚物。芳香叠氮基团的含量用共聚物PMBAz溶液的紫外吸收值计算得到。

将上述共聚物PMBAz溶于乙醇、甲醇、氯仿、四氢呋喃、丙酮或它们的混合溶剂中，用浸涂或喷涂方法在被修饰的高分子材料或器件表面形成均匀涂层，溶剂挥发后用紫外光照射，使涂层共聚物通过芳香叠氮基团与高分子基材表面及涂层共聚物反应，形成交联固定的仿细胞外层膜结构表界面。涂层的亲水性能及稳定性用与水接触的接触角、接触后水的表面张力降低及X射线光电子能谱表面元素含量来评价。

在聚丙烯片基表面的紫外光交联涂层，前进角从接枝前的103±1.5o 降低到74.6±2.1o，后退角由60±1.5o降低到9.4±2.2o。这种动态接触角的显著降低说明磷酰胆碱基团被成功引入到交联壳聚糖膜表面。紫外光交联前后的涂层，分别在乙醇及十二烷基磺酸钠水溶液中溶解处理后，未照射处理涂层的前进角从80±1.5o 增加到88±1.1o，后退角由13±1.5o增加到25±1.2o ；紫外光交联后涂层的前进角从76±1.5o 增加到80±1.1o，后退角由10±1.0o增加到11±1.0o 基本不变。紫外光照射交联前后涂层在有机溶剂中处理后后退角的显著变化说明，含芳香叠氮基共聚物PMBAz在聚丙烯表面有较强的吸附能力，形成在水中稳定的涂层并显著增加表面亲水性。但交联前在有机溶剂中不稳定，发生溶解使后退角由13o增加到25o，交联处理后在有机溶剂中的稳定性显著增加，其退角几乎保持不变（由10o变到11o）。

实施例1

取甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱（1.20 g）、甲基丙烯酸正丁酯(0.65 g)与甲基丙烯酸-2-氨基乙酯（0.45 g），用异丙醇溶解合成三元随机共聚物Poly(MPC-co-MB-co-MAE) 简称PMBA442。称取单体总质量1.0%的引发剂AIBN，用THF溶解后1/4体积加入反应器，3/4与单体溶液混合，在N₂保护下，滴加单体及引发剂的混合液于80℃恒温、搅拌的反应器中进行单体饥饿共聚反应，在2 h内滴完。滴加完毕反应24 h后停止反应。用乙醚沉淀分离后配制成5%乙醇溶液，经截留分子量8000透析袋透析提纯、冷冻干燥后得到PMBA442共聚物1.13g。核磁结果：1H NMR(δ/ppm)：3.7(CH₂N⁺) ，1.2-1.5((CH₂)₂)，3.5(CH₂N)分别为MPC，MB，MAE三个组分标志出峰，由此三个峰的积分面积对聚合物中三种单体单元的组成确定各组分比例，计算结果各组分比例接近投料比例，约为40%，40%，20%（图1）。

PMBA442为Poly(MPC-co-MB-co-MAE)即单体甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱、甲基丙烯酸正丁酯、甲基丙烯酸-2-氨基乙酯的共聚物，并且各单体摩尔百分含量分别为40%，40%，20%，442表示摩尔比为4:4:2。

实施例2

取甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱（2.08 g）、甲基丙烯酸正丁酯（0.48 g）与甲基丙烯酸-2-氨基乙酯（1.13g），用异丙醇溶解合成三元随机共聚物Poly(MPC-co-MB-co-MAE) 简称PMBA424。称取单体总质量1.2%的引发剂AIBN，用THF溶解后1/4体积加入反应器，3/4与单体溶液混合，在N₂保护下，滴加单体及引发剂的混合液于80℃恒温、搅拌的反应器中进行单体饥饿共聚反应，在3 h内滴完。滴加完毕反应24 h后，停止反应。用乙醚沉淀分离后配制成5%乙醇溶液，经截留分子量8000透析袋透析提纯、冷冻干燥后得到PMBA424共聚物1.50g。核磁结果：1H NMR(δ/ppm)：3.7(CH₂N⁺) ，1.2-1.5((CH₂)₂)，3.5(CH₂N)分别为MPC，MB，MAE三个组分标志出峰，由此三个峰的积分面积对聚合物中三种单体单元的组成确定各组分比例，计算结果各组分比例接近投料比例，约为40%，20%，40%（图2）。

PMBA424为Poly(MPC-co-MB-co-MAE)即单体甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱、甲基丙烯酸正丁酯、甲基丙烯酸-2-氨基乙酯的共聚物，并且各单体摩尔百分含量分别为40%，20%，40%。

实施例3

取PMBA442 0.33g（含0.16mmol氨基），用12 mL体积比为1:1的二氯甲烷和N,N-二甲基甲酰胺混合溶剂溶解，加入对叠氮苯甲酸0.032 g，HOBt 0.030g，三乙胺 0.030ml；再用3mL二氯甲烷将HBTU 0.070g溶解后缓慢滴加到圆底烧瓶中，加完后室温反应2h。用滤纸抽滤除去固体杂质，滤液滴入干燥的冷乙醚20ml中沉淀过夜，抽滤得到粗产物。将其用甲醇-水溶解后装入透析袋中，避光用水透析除去杂质，冷冻干燥即得叠氮化PMBAz442共聚物0.28 g（核磁结果见图3），根据紫外测试结果计算芳香叠氮单元摩尔分数为3.2%。PMBAz442为PMBA442上接枝了对叠氮基苯甲酸之后的产物，即目标产物。

实施例4

取对叠氮基苯甲酸0.14g，用30mL体积比为1:1水和丙酮混合溶剂溶解，加入EDC-HCl 0.78g，冰水浴活化2h，加入NHS 0.92g，活化0.5h。聚合物PMBA424 0.26g（含0.53 mmol氨基）直接投入活化后的对叠氮苯甲酸丙酮水溶液中，冰水浴反应2h。室温继续反应24h后装入透析袋。避光用甲醇-水混合溶剂透析除去杂质，冷冻干燥后得到叠氮化PMBAz424共聚物0.20g（核磁谱图见图4），根据紫外测试结果计算芳香叠氮单元摩尔分数为11.9 %。PMBAz424为PMBA424上接枝了对叠氮基苯甲酸之后的产物，即目标产物。

实施例5

取甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱（1.20 g）与甲基丙烯酸-2-氨基乙酯（0.23 g），用异丙醇溶解合成二元随机共聚物Poly(MPC-co- MAE) 简称PMA82。称取单体总质量1.0%的引发剂AIBN，用THF溶解后1/4体积加入反应器，3/4与单体溶液混合，在N₂保护下，滴加单体及引发剂的混合液于80℃恒温、搅拌的反应器中进行单体饥饿共聚反应，在2 h内滴完。滴加完毕反应24 h后停止反应。用乙醚沉淀分离后配制成5%乙醇溶液，经截留分子量8000透析袋透析提纯、冷冻干燥后用核磁测试，1H NMR(δ/ppm)：3.7(CH₂N⁺) ，3.5(CH₂N)分别为MPC，MAE两个组分标志出峰，由此两个峰的积分面积对聚合物中两种单体单元的组成确定各组分比例，计算结果各组分比例接近投料比例，得到甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱、甲基丙烯酸-2-氨基乙酯的共聚物PMA82共聚物0.82g，两种单体摩尔百分含量分别为80%和20%。

取对叠氮基苯甲酸0.10g，用20mL体积比为1:1水和丙酮混合溶剂溶解，加入EDC-HCl 0.70g，冰水浴活化2h，再加入NHS 0.79g活化0.5h。将0.24g聚合物PMA82加入到活化后的对叠氮苯甲酸丙酮水溶液中，冰水浴反应2h。室温继续反应24h后装入透析袋。避光用甲醇-水混合溶剂透析除去杂质，冷冻干燥后得到叠氮化PMAz82共聚物0.18g。根据紫外测试结果计算芳香叠氮单元摩尔分数为7.8 %。

实施例6

将聚丙烯片基在浓度为1 mg/ml 的PMBAz442共聚物的甲醇溶液中浸涂，避光干燥后用紫外光照射处理涂层。涂覆处理前后表面与水的前进角由105o降低到70o，后退角由60o降低到12o。紫外光照交联后的涂层分别在75%乙醇和1%的SDS水溶液中进行溶解处理后，表面与水接触的后退角基本不变（~13o），而未进行紫外光照交联涂层的后退角由12o增加到25o，说明紫外光照引起交联使涂层稳定，可保持仿细胞外层膜的亲水性不变。

实施例7

将PVC输液袋片基在浓度为1 mg/ml 的PMBAz442共聚物的甲醇溶液中浸涂，避光干燥后用紫外光照射处理涂层。涂覆处理前后表面与水接触的前进角由90o降低到74o，后退角由70o降低到48o。紫外光照交联后的涂层，分别在75%乙醇和1%的SDS水溶液中进行溶解处理后，表面与水接触的前进角基本不变，后退角为30o，说明紫外光照引起交联使涂层稳定，可保持PVC输液袋片基仿细胞外层膜的亲水性。

实施例8

将PVC输液袋片基在浓度为1 mg/ml 的PMBAz424共聚物的甲醇溶液中浸涂，避光干燥后用紫外光照射处理涂层。涂覆处理前后表面与水的前进角由90o降低到43o，后退角由70o降低到21o。紫外光照交联后的涂层，分别在75%乙醇水溶液与室温浸泡3小时、60度加热30分钟后，表面与水接触的前进角及后退角均基本不变，说明紫外光照引起PMBAz424共聚物在PVC输液袋片基表面光接枝交联使涂层稳定，保持仿细胞外层膜的稳定，亲水性良好。

Claims

1.结构通式（

）表示的共聚物，

R₁、R₂、R₃为H或CH₃；

R₄为碳原子数为4~18的烷烃基。

2.权利要求1所述共聚物的制备方法，其特征在于：

在催化剂存在下，结构通式（II）所示的聚合物与对叠氮苯甲酸经酰胺化得到具有光反应活性的仿细胞膜结构聚合物（I），其中，m为20~800的正整数，n为0~500的正整数，x为2~500的正整数；在m、n、x代表的三种单元中，m的摩尔百分数为25~80%，n为0~50%，x为3~50%；R₁、R₂、R₃为H或CH₃；R₄为碳原子数为4~18的烷烃基。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述的催化剂选自HOBT、EDCI、CDI、HBTU、EDC、NHS。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于聚合物按常规的自由基溶液共聚方法合成，步骤如下：

（2）将单体总质量0.5~1.5%的引发剂AIBN用THF溶解；

5.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。

6.权利要求5所述应用，其特征在于依次包括以下步骤：

（3）涂层在含水液体中浸泡，自动形成仿细胞外层膜结构界面。

7.根据权利要求6所述应用，其特征在于：有机溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、1-甲基-2-吡咯烷酮、乙腈、丙酮、四氢呋喃、二甲基甲酰胺或其混合溶剂。

8.根据权利要求6所述应用，其特征在于：被修饰的材料表面为有机高分子或含有-CH₂-、双键、醛基、羧基、氨基官能团的材料。