CN103739621A - 一种类磷酰胆碱结构的表面处理剂在材料表面改性中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型类磷酰胆碱结构的表面处理剂及其制备方法与用途。该表面处理剂的结构如式（I）所示，该类磷酰胆碱结构的表面处理剂带有两性离子端基，即分子内同时带有正、负电荷，因而具有很强的结合水的能力，从而使富含磷酰胆碱基团的材料表面不易吸附及沉积蛋白质、脂质体等生物体成分，表现出良好的生物相容性和抗生物污染性。可用于改善材料表面的抗蛋白吸附性能、抗血小板粘附性能，或者提高材料表面的生物相容性或血液相容性。

Description

一种类磷酰胆碱结构的表面处理剂在材料表面改性中的应用

本发明专利申请是分案申请，原案的申请号是201010275891.3，申请日是2010年9月8日，发明名称是：一种类磷酰胆碱结构的表面处理剂及其制备与应用。

技术领域

本发明属于功能材料技术领域，具体涉及一种类磷酰胆碱结构的表面处理剂及其制备与应用。

背景技术

生物材料是人工器官、医疗设备、一次性临床设备等的重要材料来源，因而生物材料的发展对于医学的进步至关重要。然而目前所使用的生物材料还存在许多问题需要解决，生物材料植入人体后往往会引发诸多不利反应，如蛋白吸附进而引发血小板的粘附激活并最终导致血栓的生成，同时还会刺激其他的免疫反应，如蛋白酶解、细胞裂解、过敏性反应等。因而，如何提高生物材料的生物相容性尤其是血液相容性是现在生物材料研发领域的重要任务。

在其他一些领域，如污水处理用的过滤材料以及其他需要与富含蛋白质等有机杂质接触的材料，也常常需要进行抗生物污染的表面处理，以减少蛋白质等杂质在材料表面的粘附而造成的使用性能下降。

表面改性是人们用来提高生物材料生物相容性最常用的方法，经过几十年的发展在该领域已经获得了很多突破，目前改善材料表面抗凝血性能、生物相容性等最行之有效的主要有三种方法（1）材料表面肝素化；（2）涂覆或接枝聚乙二醇；（3）用磷脂聚合物进行改性。

对于磷脂类材料的关注始于上世纪七十年代，随着Zwaal等发现红细胞外层膜的主要构成部分磷酰胆碱（phosphorylcholine,PC）具有抗凝血性能，自此人们就开始利用含有磷酰胆碱基团或者类似结构的聚合物对材料进行处理，从而提高材料的生物相容性、血液相容性等。随着磷酰胆碱类单体，即2-甲基丙烯酰氧乙基三甲氨乙基磷酸酯·内盐（2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine，MPC）的成功合成，这种磷酰胆碱类单体可与丙烯酸酯类单体发生共聚，如甲基丙烯酸正丁酯（BMA），甲基丙烯酸正己酯，甲基丙烯酸十二烷酯（DMA）等等，这种单体的聚合物具有优异的抗血浆蛋白吸附性能从而显示出极佳的血液相容性。因此被作为医用材料或其他材料的表面涂层，在医疗器械特别是和血液相接触的材料表面改性中得到广泛应用。

目前对于不同材料进行磷酰胆碱改性从而改善其抗凝血性能的应用是相当广泛的，如通过在聚乙烯表面接枝MPC，从而显著减少蛋白质的吸附及血小板的粘附；将磷酰胆碱基团共价结合到聚己内酯两端，从而得到具有良好抗凝血性能的生物可降解材料；在分离膜领域，将磷酰胆碱引入到乙烯/乙烯醇共聚物多孔膜表面，提高抗蛋白吸附等抗生物污染性能等等。

从现有大量关于磷酰胆碱的报道中可以看到，从结构上来看磷酰胆碱所具有的两性离子端基，即分子内同时带有正负电荷，具有很强的结合水能力，对于抗蛋白吸附以及血小板粘附具有良好的效果。是一种和细胞膜相类似的结构，具有良好的生物相容性和血液相容性，同时也具有很好的抗生物污染能力。

发明内容

本发明目的在于提供一种新型带有类磷酰胆碱结构的表面处理剂，该表面处理剂具有良好的抗蛋白吸收以及抗血小板粘附性能，具有良好的生物相容性和血液相容性。

本发明的目的还在于提供一种上述带有类磷酰胆碱基团的表面处理剂的制备方法。

本发明的目的还在于提供一种上述带有类磷酰胆碱基团的表面处理剂在医用材料、医疗器械以及其他材料表面改性中的用途。

本发明提供的一种类磷酰胆碱结构的表面处理剂，其化学结构式如下：

其中，R₁和R₃分别为甲基或乙基，R₂为

n为1-20的整数；优选的，n为3-16的整数；更优选的，n=3。

上述类磷酰胆碱结构的表面处理剂的合成方法，包括如下步骤：

其中，R₁和R₃分别为甲基或乙基，R₂为n为1-20的整数；

（i）甲醇或乙醇与COP于有机溶剂中，在有机碱的存在下发生取代反应，得到化合物1；

（ii）化合物1和化合物2于有机溶剂中，进行胺解，得到类磷酰胆碱结构的表面处理剂3。

较佳的，步骤（I）中，所述有机溶剂可以选自四氢呋喃、二氯甲烷、丙酮、乙酸乙酯等；所述有机碱可以选自三乙胺、三甲胺等。

较佳的，步骤（II）中，所述有机溶剂可以选自无水乙腈、四氢呋喃、丙酮等；反应温度为60-80℃；反应时间为12-72h。

所述COP（2-氯-2-氧代-1，3，2-二氧磷杂环戊烷）是先通过三氯化磷和二醇缩合成环，形成氯代二氧磷杂环戊烷（CDP），再通过氧气氧化生成的；包括如下步骤：

本发明公开的上述类磷酰胆碱结构的表面处理剂带有两性离子端基，即分子内同时带有正、负电荷，因而具有很强的结合水的能力，从而使富含磷酰胆碱基团的材料表面不易吸附及沉积蛋白质、脂质体等生物体成分，表现出良好的生物相容性和抗生物污染性。

本发明还公开了上述类磷酰胆碱结构的表面处理剂的用途，即所述的表面处理剂在材料表面改性中的应用。

所述的材料表面改性是指改善材料表面的抗蛋白吸附性能、抗血小板粘附性能，或者提高材料表面的生物相容性或血液相容性。

本发明还进一步公开了通过上述类磷酰胆碱结构的表面处理剂对材料进行表面改性的方法，包括以下步骤：

1）将待处理材料浸泡于新配制的浓硫酸和双氧水混合溶液中，加热到80-100，℃，处理0.5-2h；

2）然后将步骤1）处理过的材料先浸于去离子水中超声清洗，再用去离子水冲洗，最后用N₂吹干；干燥好后的硅片需在干燥后1h内使用，这样的处理使材料表面产生大量的硅羟基；

3）将所述类磷酰胆碱结构的表面处理剂溶于无水乙醇中形成溶液，将步骤2）所得材料浸于该溶液中放置1-10小时，然后取出用无水乙醇清洗，再置于无水乙醇中超声清洗，然后烘干；再次经过乙醇、去离子水清洗，烘干。

较佳的，所述步骤1）中，浓硫酸（浓度为98%）与双氧水（浓度为35%）的体积比为9:1-6:4。

较佳的，所述步骤2）中，烘干的温度为50-80℃。

上述改性方法通过硅烷基团的水解生成的硅羟基和材料表面的羟基缩合，反应形成共价键，将类磷酸胆碱基团固定于材料的表面。从而改善其生物相容性、抗生物污染性能、血液相容性等；使其符合生物医用材料对抗蛋白吸附、生物及血液相容性等方面的要求，以及在其他领域应用的材料（如污水处理用的过滤材料以及其他需要与富含蛋白质等有机杂质接触的材料）对于抗生物污染方面的要求。

附图说明

图1为本发明的类磷酰胆碱结构的表面处理剂的结构式；

图2合成CDP的气相色谱图；

图3合成CDP的质谱图；

图4合成COP的气相色谱图；

图5合成COP的质谱图；

图6产物DMPAMS的H1-NMR谱图；

图7产物DMPAMS的傅里叶红外谱图；

图8为将经过实例4中处理的硅片与未处理硅片同富血小板血浆分别接触1小时和3小时，通过扫描电子显微镜观察表面血小板吸附情况：（a）未处理硅片，（b）表面磷酰胆碱有机硅烷处理材料表面。

具体实施方式

实施例1

2-氯-1，3，2-二氧磷杂环戊烷（CDP）的合成

在一个装有滴液漏斗、球形冷凝管的三颈瓶中加入120ml重新蒸馏过的三氯化磷（1.2mol）和350ml二氯甲烷，将75ml乙二醇（1.2mol）置于滴液漏斗中，在磁力搅拌的同时向烧瓶中缓慢滴加乙二醇，使反应温和进行，乙二醇1h滴加完毕。之后，利用旋转蒸发仪除去二氯甲烷，残留液体减压蒸馏，得到2-氯-1，3，2-二氧磷杂环戊烷（CDP）。产物为无色透明液体，沸点62℃/20mmHg，产率78.1%。

采用气相色谱/质谱联用仪对中间产物CUP进行纯度与结构表征。图2和图3分别是合成CDP的气相色谱图和质谱图。

实施例2

2-氯-2-氧代-1，3，2-二氧磷杂环戊烷（COP）的合成

将200gCDP（1.2mol）溶于200ml苯中，置于500ml的三颈瓶中，三颈瓶装有球形冷凝管和通氧导管，在磁力搅拌的同时，向溶液中通入干燥的O₂，反应至不再放热为止。反应停止后利用旋转蒸发仪除去苯，后减压蒸馏得到2-氯-2-氧代-1，3，2-二氧磷杂环戊烷（COP）。产物为无色透明液体，沸点89℃/0.8mmHg，产率83.2%。

通过气相色谱质谱联用的方法对合成化合物进行表征，如图4和图5所示。

实施例3

N，N-二甲基，N-（2-磷酸乙酯乙基）胺丙基三甲氧基硅烷（DMPAMS）的合成

将14.25gCOP溶于70mLTHF中，置于250mL单口烧瓶中，加入11.1g三乙胺，将4.6g重新蒸馏过的乙醇溶于20mlTHF中，置于滴液漏斗中，整个体系置于冰水浴中，在磁力搅拌的同时，缓慢滴加乙醇的THF溶液，1h滴加完毕，之后继续搅拌反应2h，后升至室温继续反应2h，停止反应后过滤除去白色沉淀，利用旋转蒸发仪除去THF，后溶于无水乙腈中，加入20.7g DMAMS，在70℃水浴中磁力搅拌条件下反应24h，旋转蒸发除去大部分乙腈，后用乙醚沉淀，置于真空烘箱中真空干燥24h，得红褐色粘稠状物质，产率72.3%。

产物DMPAMS的H¹-NMR如图6所示：δ=3.20(s,9H,(OCH3)3,a峰),0.78(t,2H,-SiCH2-,b峰),1.89(m,2H,-CH2CH2CH2-，c峰),3.31(t,2H,-CH2N+-，d峰),3.35(s,6H,N+(CH3)2，e峰),3.69(t,2H,-N+CH2CH2-，f峰),4.86(t,2H,CH2CH2OP，g峰),4.20(m,2H,OCH2CH3，h峰),1.26(t,3H,CH2CH3，i峰。

产物DMPAMS的傅里叶红外谱图如下,其中1231cm^-1和1051cm^-1处的红外吸收峰分别对应O-P=O中的P=O伸缩振动吸收峰和P-O-C中的P-O伸缩振动吸收峰，在1103cm^-1处出现了Si-O-C的特征峰，951cm^-1的红外吸收峰则对应于N+-C的伸缩振动吸收峰，1482cm^-1来源于C-H的弯曲振动，由于该化合物分子内带有电荷，极易吸水，因而在在3400cm^-1处出现了水的吸收峰。

实施例4

N，N-二甲基，N-（2-磷酸乙酯甲基）胺十六烷基三乙氧基硅烷（DMPAMS）的合成，合成路径如下：

将14.25gCOP溶于70mLTHF中，置于250mL单口烧瓶中，加入11.1g三乙胺，将3.5g重新蒸馏过的甲醇溶于20mlTHF中，置于滴液漏斗中，整个体系置于冰水浴中，在磁力搅拌的同时，缓慢滴加乙醇的THF溶液，1h滴加完毕，之后继续搅拌反应2h，后升至室温继续反应2h，停止反应后过滤除去白色沉淀，利用旋转蒸发仪除去THF，后溶于无水乙腈中，加入32g N,N-二甲基氨基十六烷基三乙氧基硅烷，在90℃水浴中磁力搅拌条件下反应24h，旋转蒸发除去大部分乙腈，后用乙醚沉淀，置于真空烘箱中真空干燥24h，得红褐色粘稠状物质。

实施例5

类磷酰胆碱有机硅烷在硅片表面的自组装

将硅片浸泡于新配制的浓H₂SO₄/H₂O₂（V/V=7:3）混合溶液中，加热到90℃，处理半小时。然后将硅片浸于去离子水中超声清洗0.5h，再用大量去离子水冲洗，后用N₂吹干，干燥好后的硅片在干燥后1h内使用。这样的处理使材料表面产生大量的硅羟基。

将实施例3得到的类磷酰胆碱结构的表面处理剂溶于无水乙醇中配制1mM（1mmol/L）的溶液，后将清洗过的硅片浸于该溶液中放置吸附2小时，取出后用无水乙醇清洗，再置于无水乙醇中超声清洗15min，后置于烘箱中50-80℃烘干过夜，再次经过乙醇、去离子水清洗，60℃烘干。

实施例6

类磷酰胆碱结构的表面处理剂处理的硅片的表面血液相容性

将经过实例4中处理的硅片与未处理硅片同富血小板血浆分别接触1小时和3小时，通过扫描电子显微镜观察表面血小板吸附情况。（a）：未处理硅片；（b）表面磷酰胆碱有机硅烷处理材料表面。从图中可以看出未经处理硅片表面在和血小板接触后，有大量血小板粘附，聚集行为严重并且有显著变形。而经过磷酰胆碱有机硅烷溶液处理的样品表面仅有微量的类似纤维状物质吸附，表面非常干净。说明经过改性处理表面具有良好的抗血小板吸附性能，显示出了良好的血液相容性。

由于如图1所示结构的类磷酰胆碱结构的表面处理剂具有相似的化学性质，其分子内均同时带有正、负电荷，因而均具有很强的结合水的能力。因此本技术领域的技术人员应当可以得知，除本实施例以外的符合化学式（I）的类磷酰胆碱结构的表面处理剂也可用于改善材料表面的抗蛋白吸附性能、抗血小板粘附性能，以及提高材料表面的生物相容性或血液相容性。

Claims (5)

1.一种类磷酰胆碱结构的表面处理剂在材料表面改性中的应用，其特征在于，所述磷酰胆碱结构的表面处理剂的化学结构式如下：

其中，R₁和R₃分别为甲基或乙基，R₂为n为1-20的整数。

2.如权利要求1所述的一种类磷酰胆碱结构的表面处理剂在材料表面改性中的应用，其特征在于，所述的材料表面改性是指改善材料表面的抗蛋白吸附性能、抗血小板粘附性能，或者提高材料表面的生物相容性或血液相容性。

3.一种对材料进行表面改性的方法，包括以下步骤：

1）将待处理材料浸泡于新配制的浓硫酸和双氧水混合溶液中，加热到80-100℃，处理0.5-2h；

2）将步骤1）处理过的材料先浸于去离子水中超声清洗，再用去离子水冲洗，最后用N₂吹干；

3）将如权利要求1所述类磷酰胆碱结构的表面处理剂溶于无水乙醇中形成溶液，将步骤2）所得材料浸于该溶液中放置1-10小时，然后取出用无水乙醇清洗，再置于无水乙醇中超声清洗，然后烘干；再次经过乙醇、去离子水清洗，烘干。

4.如权利要求3所述的对材料进行表面改性的方法，其特征在于，所述步骤1）中，浓硫酸与双氧水的体积比为9:1-6:4。

5.如权利要求3所述的对材料进行表面改性的方法，其特征在于，所述步骤2）中，烘干的温度为50-80℃。

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