CN103554283B

CN103554283B - 含多巴胺和聚乙二醇的功能型淀粉及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN103554283B
Application number: CN201310469379.6A
Authority: CN
Inventors: 柴宇东; 李雪飞; 李臻; 宫永宽
Original assignee: Northwest University
Current assignee: Northwest University
Priority date: 2013-10-10
Filing date: 2013-10-10
Publication date: 2016-09-14
Anticipated expiration: 2033-10-10
Also published as: CN103554283A

Abstract

本发明公开了结构式（I）所示的淀粉衍生物，其中，R₁为多巴胺基团，R₂为氨基化的聚乙二醇，R₃为‑H或‑C₂H₄OH。本发明利用具有粘附功能的多巴胺和具有抗生物污染功能的聚乙二醇对淀粉进行接枝改性，赋予了功能化改性淀粉较强的粘附性能。可从水溶液中自动粘附到聚碳酸酯、不锈钢、聚四氟乙烯、玻璃片等材料表面，得到稳定性很好的膜结构涂层。可简便、广泛地用于多种材料表面的亲水化处理和提高生物材料表面的生物相容性。

Description

含多巴胺和聚乙二醇的功能型淀粉及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种含多巴胺和聚乙二醇的功能型淀粉，属于高分子化学技术领域。

背景技术

从20世纪60年代开始，人们为了满足需求，在对工业化材料进行生物相容性研究的基础上，开发了生物医用材料及产品并用于临床治疗。目前临床上应用较普遍的医用导管、人体关节和血管支架等器械普遍存在生物相容性不理想，如血小板粘附、蛋白吸附导致凝血、形成血栓等问题。解决这一问题的方法是通过设计合成相关聚合物材料对医疗器械进行生物相容性改性来提高材料表面的生物相容性。

羟乙基淀粉作为一种淀粉衍生物，不仅具有普通淀粉的可生物降解、降解产物无毒无害等优点，还具有一些特性如较强的亲水性、体内无排异、改善供氧功能及体内微循环、增加血液扩容性、低过敏性等。国内外在临床上主要将其应用于血液扩容、储存血液的介质。

构建涂层的方法有多种，最简单快捷的一种方式就是物理涂覆，但是该法构建的涂层稳定性不好。研究发现海洋中的一种软体动物贻贝所分泌的贻贝粘附蛋白具有极好的粘附功能，粘附作用力强，几乎可以在任何材料表面粘附。研究发现这种粘附蛋白中起主要作用的是多巴胺成分。为获得稳定的涂层，Messersmith等人 (Lee H., Dellatore S.M.,Miller W. M., et al., Science, 2007, 318, 426-430)利用多巴胺的粘附功能对玻璃片、PET、硅片、聚碳酸酯片、聚苯乙烯（PS）等多种材料表面进行改性获得了牢固的涂层。Gong等人 (Gong Y. K., Liu L. P., Messersmith P. B., Macromolecular Bioscience, 2012, 12 (7) , 979-985)也利用多巴胺的万能粘附功能设计合成了双防生功能聚合物，对聚四氟乙烯片、不锈钢片、玻璃片等材料进行表面生物相容性改性，改性后的材料表面形成的稳定、牢固的聚合物涂层，同时也提高了材料的生物相容性。

发明内容

本发明的目的是提供一种含有多巴胺和聚乙二醇功能的新型淀粉材料，使其能像贻贝一样能从含水溶液中自动粘附到几乎任何材料表面，形成结合牢固的功能涂层。

本发明另一目的是提供上述含多巴胺和聚乙二醇功能型淀粉的制备方法。

本发明还有一个目的是提供上述含多巴胺和聚乙二醇功能型淀粉在制备既具有粘附功能，又具有抗生物污染功能的聚合物涂层中的应用。

本发明的实现过程如下：

结构式（I）所示的淀粉衍生物，

（I）

其中，R₁为，

R₂为，n为20~230整数，

R₃为-H或-C₂H₄OH，

其中，x为10%~40%，y为10%~40%，z为20%~80%。

上述淀粉衍生物的制备方法包括以下步骤：

（1）用羰基二咪唑活化淀粉或羟乙基淀粉上的羟基；

（2）活化的淀粉或羟乙基淀粉与多巴胺和双氨基化聚乙二醇反应；

（3）透析除去未反应的多巴胺和双氨基化聚乙二醇。

上述步骤（1）中，用羟基活化剂羰基二咪唑活化羟乙基淀粉上的羟基，其活化温度为 30℃-50℃。

上述步骤（2）中，接枝反应在无水有机溶剂中进行，有机溶剂为二甲基亚砜或N,N-二甲基甲酰胺。反应时，加入盐酸多巴胺和双氨基化聚乙二醇，30℃-50℃反应20-30小时；其中，接枝聚合物中多巴胺基团的接枝率为10%~40%；双氨基化聚乙二醇基团接枝率为10%~40%。

本发明所述淀粉衍生物在制备既具有粘附功能，又具有抗生物污染功能的聚合物涂层中的应用。具体应用时，将淀粉衍生物溶于含水溶剂中，用滴涂、浸涂或喷涂的方法使聚合物在被修饰的材料表面均匀覆盖，然后经加热处理得到改性涂层。

本发明的优点与积极的效果：

本发明利用具有粘附功能的多巴胺和具有抗生物污染功能的聚乙二醇对淀粉进行接枝改性，赋予了功能化改性淀粉较强的粘附性能。可从水溶液中自动粘附到聚碳酸酯、不锈钢、聚四氟乙烯、玻璃片等材料表面，得到稳定性很好的膜结构涂层。将具有粘附、抗生物污染功能接枝集成到淀粉聚合单元上，在粘附形成涂层过程中自动形成具有很好的亲水性和生物相容性的表界面。可简便、广泛地用于多种材料表面的亲水化处理和提高生物材料表面的生物相容性。

附图说明

图1为本发明聚合物HES-g-DA 、Starch-g-DA的DMSO溶液紫外吸收曲线；

图2为本发明PEG₈-g-HEG-g-DA₁₄的核磁谱图，其中双氨基化的聚乙二醇接枝率为8.7%；

图3为本发明系列聚合物PEG-g-HES-g-DA对聚碳酸酯片改性的前后蛋白质吸附实验结果。

具体实施方式

双氨基化聚乙二醇可从阿拉丁、百灵威试剂公司购买，也可参考文献方法（黄正强.双端氨基聚乙二醇的制备及尼龙1212/聚乙二醇嵌段共聚物[D], 郑州, 郑州大学,2007；于宏伟, 那海丽，高岩磊等，双氨基聚乙二醇的合成[J], 化工中间体, 2011, (9),40-51）合成。盐酸多巴胺, 羰基二咪唑（CDI）、聚乙二醇、食用淀粉、羟乙基淀粉均可从阿拉丁、百灵威等试剂公司购买得到。

实施例1

取1.004g已经干燥处理过的羟乙基淀粉或淀粉分别溶于盛有15ml无水DMSO的三颈烧瓶中，完全溶解后放入油浴锅中，升温至50℃，通氮气，半小时后，将10ml溶有1.27g羰基二咪唑（CDI）的DMSO溶液滴到三颈烧瓶中，活化淀粉及羟乙基淀粉的羟基4h。

然后加入2ml三乙胺，片刻后将10ml溶有1.48g多巴胺的DMSO溶液滴加到三颈瓶，反应24h。用盐酸调节溶液的pH到3.5，停止通氮气，用截留分子量M_W=7000的透析袋透析4天，冷冻干燥后得接枝有多巴胺的羟乙基淀粉（HES-g-DA）或淀粉（Starch-g-DA），通过紫外可见分光光度计检测到280nm有明显的多巴胺的吸收峰（图1）。

实施例2

取1.004g已经干燥处理过的羟乙基淀粉溶于盛有15ml无水DMSO的三颈烧瓶中，完全溶解后放入油浴锅中，升温至50℃，通氮气，半小时后，将10ml溶有1.27g羰基二咪唑（CDI）的DMSO溶液滴到三颈烧瓶中，活化羟乙基淀粉的羟基4h。

然后加入2ml三乙胺，片刻后将10ml溶有0.74g多巴胺（dopamine）的DMSO溶液滴加到三颈瓶中，再将10ml溶有1.952g分子量为2000的双氨基化聚乙二醇的DMSO溶液滴加到三颈瓶中，反应24h。用盐酸调节溶液的pH到3.7，停止通氮气，用截留分子量M_W=7000的透析袋透析4天，冷冻干燥后核磁共振光谱法计算聚合物组成为：PEG₈-g-HES-g-DA₁₄（其中8表示双氨基化聚乙二醇的接枝率8%，14表示多巴胺的接枝率为14%）（图2）。

实施例3

取1.015g已经干燥处理过的羟乙基淀粉溶于盛有15ml无水DMSO的三颈烧瓶中，完全溶解后放入油浴锅中，升温至55℃，通氮气，半小时后，将10ml溶有1.27g羰基二咪唑（CDI）的DMSO溶液滴到三颈烧瓶中，活化羟乙基淀粉的羟基4h。

加入2ml三乙胺，片刻后将10ml溶有0.74g盐酸多巴胺的DMSO溶液滴加到三颈瓶中，然后再将10ml溶有3.910g分子量为6000的双氨基化聚乙二醇的DMSO溶液滴加到三颈瓶中，反应24h，用盐酸调节溶液的pH到3.2停止通氮气，用截留分子量M_W=7000的透析袋透析4天，冷冻干燥后用核磁共振光谱法计算聚合物组成为： PEG₁₃-g-HES-g-DA₁₃（其中13表示双氨基化聚乙二醇的接枝率13%，13表示多巴胺的接枝率为13%）。

实施例4

取1.078g已经干燥处理过的羟乙基淀粉溶于盛有15ml无水DMSO的三颈烧瓶中，完全溶解后放入油浴锅中，升温至45℃，通氮气，半小时后，将10ml溶有1.27g羰基二咪唑（CDI）的DMSO溶液滴到三颈烧瓶中，活化羟乙基淀粉的羟基8h。

然后加入2ml三乙胺，片刻后将10ml溶有0.74g盐酸多巴胺的DMSO溶液滴加到三颈瓶中，再将10ml溶有7.810g分子量为4000的双氨基化聚乙二醇的DMSO溶液滴加到三颈瓶中，反应24h。用盐酸调节溶液的pH到3.6，停止通氮气，用截留分子量M_W=7000的透析袋透析4天，冷冻干燥，核磁共振光谱法计算聚合物组成为： PEG₃₆-g-HES-g-DA₁₂（其中36表示双氨基化聚乙二醇的接枝率36%，12表示多巴胺的接枝率为12%）。

实施例5

分别取实施例2-4合成得到的三种不同比例的聚合物4.5mg，溶于1.5ml的二次蒸馏水中配制成3mg/ml的聚合物水溶液，待完全溶解后，将溶液喷涂到清洗干净的聚碳酸酯片上面，待一面的水完全挥发干后再涂另一面。80℃处理12h后取出，蒸馏水淋洗三次，冷风吹干后测得水在涂层表面的前进角由98度降低到60度，后退角由60度降低到20度。

实施例6

分别取45mg实施例2-4合成得到的三种不同比例的聚合物溶于15ml tris-HCL（pH=8.5）溶液中，采用浸涂法将洗干净的聚碳酸酯片浸没到该聚合物溶液中，室温下浸泡24h后取出，用二次蒸馏水淋洗3次，冷风完全吹干后，测得水在聚合物涂层表面的前进角由97度降低到60度，后退角由60度降低到20度。

实施例7

分别将实施例6改性后的聚碳酸酯片经过75%乙醇水溶液浸泡6h、1%十二烷基磺酸钠（SDS）溶液中超声30min，取出后蒸馏水淋洗三次，冷风吹干后测得水在聚合物涂层表面的前进角、后退角变化均不超过5度。

实施例8

分别将实施例6改性后的聚碳酸酯片经过100℃处理6h、130℃，处理3h，取出后蒸馏水淋洗三次，冷风吹干后测得水在聚合物涂层表面的前进角、后退角变化均不超过5度。

实施例9

分别取实施例2-4合成得到的三种不同比例的聚合物溶于二次蒸馏水中配制成浓度为3mg/ml的聚合物水溶液，采用滴涂法将溶液滴涂到洗干净的不锈钢片、聚四氟乙烯片基表面，每面30 μl，然后将溶液均匀分散与片基表面，溶剂完全挥发后，将已经涂覆过的片基置于130 °C烘箱中处理3h后取出，冷却后置于用二次蒸馏水中浸泡3h，然后用蒸馏水淋洗三次，冷风完全吹干后，测得改性后的不锈钢片基在水中测的聚合物涂层表面的前进角由80度降低到50度，后退角由25度降低到15度。

实施例10

分别将实施例9改性前后的聚碳酸酯片基进行蛋白质吸附实验，方法如下：将空白聚碳酸酯片、系列聚合物PEG-g-HES-g-DA改性后的聚碳酸酯片基浸入到含有BSA蛋白的PBS溶液或Fg蛋白的PBS溶液中，然后置于温度为37℃，CO₂含量0.05%的CO₂培养箱中培养两小时。将吸附蛋白的聚碳酸酯片基在1%的SDS水溶液中超声解吸附，利用BCA显色法，通过紫外可见分光光度计检测改性前后蛋白吸附的含量。结果显示改性前聚碳酸酯片基对BSA及Fg蛋白的吸附量分别为0.4 μg/cm²和1.37 μg/cm²，PEG₃₆-g-HES-g-DA₁₂涂覆改性后吸附量可分别降低到0.14 μg/cm²和0.23 μg/cm²，并且随着聚合物中PEG含量的增加，改性后聚碳酸酯片基抗蛋白的吸附能力也呈现增加的趋势。

Claims

1.结构式（I）所示的淀粉衍生物，

（I）

其中，R₁为，

R₂为，n为20~230整数，

R₃为-C₂H₄OH，

其中，x为10%~40%，y为10%~40%，z为20%~80%。

2.一种制备结构式（I）所示淀粉衍生物的方法，其特征在于：

（I）

其中，R₁为，

R₂为，n为20~230整数，

R₃为-C₂H₄OH，

其中，x为10%~40%，y为10%~40%，z为20%~80%，

制备方法包括以下步骤：

（1）用羰基二咪唑活化羟乙基淀粉上的羟基；

（2）活化的羟乙基淀粉与多巴胺和双氨基化聚乙二醇反应；

（3）透析除去未反应的多巴胺和双氨基化聚乙二醇。

3.根据权利要求2所述淀粉衍生物的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，用羟基活化剂羰基二咪唑活化羟乙基淀粉上的羟基，其活化温度为 30℃-50℃。

4.根据权利要求2所述淀粉衍生物的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，接枝反应在无水有机溶剂中进行，有机溶剂为二甲基亚砜或N,N-二甲基甲酰胺。

5.根据权利要求2所述淀粉衍生物的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，加入盐酸多巴胺和双氨基化聚乙二醇，30℃-50℃反应20-30小时；接枝聚合物中多巴胺基团的接枝率为10%~40%；双氨基化聚乙二醇基团接枝率为10%~40%。

6.权利要求1所述淀粉衍生物在制备既具有粘附功能，又具有抗生物污染功能的聚合物涂层中的应用。

7.根据权利要求6所述应用，其特征在于：将淀粉衍生物溶于含水溶剂中，用滴涂、浸涂或喷涂的方法使聚合物在被修饰的材料表面均匀覆盖，然后经加热处理得到改性涂层。