CN104610516B

CN104610516B - 含磷酰胆碱和聚乙二醇的功能聚合物及其抗污涂层的构建方法

Info

Publication number: CN104610516B
Application number: CN201510013872.6A
Authority: CN
Inventors: 权苗; 党媛; 宫永宽
Original assignee: Northwest University
Current assignee: Northwest University
Priority date: 2015-01-12
Filing date: 2015-01-12
Publication date: 2018-05-18
Anticipated expiration: 2035-01-12
Also published as: CN104610516A

Abstract

本发明公开了一种含磷酰胆碱和聚乙二醇的功能聚合物及其构建抗生物污染界面的方法。该聚合物是侧链含有多种官能团且比例可控的功能聚合物：其中空间位阻较大的聚乙二醇（PEG）柔性链和细胞外层膜磷酰胆碱亲水基团共同作用达到良好的抗污效果；聚合物中含有低于10%的邻苯二酚基团，能与聚多巴胺介导的各种基材表面牢固结合，形成稳定的亲水单分子涂层，实现材料表面的功能化改性。本发明形成涂层的方法简单，可以在任何基材表面稳定存在，提高材料表面抗多种生物成分粘附及污染的能力。

Description

含磷酰胆碱和聚乙二醇的功能聚合物及其抗污涂层的构建方法

技术领域

本发明涉及一种含磷酰胆碱和聚乙二醇的功能聚合物及其抗污涂层的构建方法，属于表面改性技术领域。

技术背景

随着生物技术的飞速发展，生物医用材料已经成为当前科研领域的一大热点。然而，现有的生物医用材料及装置在临床应用中，不同程度的存在感染、凝血和术后组织增生等问题，这些生物相容性问题已经成为制约生物医用材料在临床应用的关键因素。目前，对材料进行表面改性是提高其生物相容性非常有效的方式。

一般而言，改善材料的生物相容性可以通过在基材表面涂覆亲水性物质，形成水化层，利用水化层与蛋白质分子等血成分之间的排斥作用来改善材料的抗生物污染能力。磷酰胆碱是细胞外层膜结构的亲水官能团，可以结合大量的水分子，有很好的抗污作用。用含磷酰胆碱基团的聚合物对材料表面进行亲水改性，可以有效地改善材料的生物相容性。Ishihara等人用含有磷酰胆碱基团的共聚物PMvN改性PET表面，改性后的PET对BSA蛋白的吸附量明显降低至0.1 μg/cm²，该聚合物对改性与血液直接接触的医疗器械有很广阔的前景。聚乙二醇（PEG）具有良好的亲水性和柔顺性，水合PEG链可以形成稳定的空间位阻，阻碍血液成分在材料表面的吸附，具有优异的抗非特异性蛋白吸附效果。因此，用亲水性的PEG分子或其衍生物对生物材料改性，可以提高材料的血液相容性。

同时，对基材进行改性的物质在其表面能否稳定存在，是影响表面改性的另一关键因素。贻贝粘附蛋白具有很强的粘附能力，含有邻苯二酚基团的多巴胺是起粘附作用的重要成分。但是在聚合物中，当邻苯二酚基团含量低于15%时很难直接粘附在疏水的聚丙烯、聚四氟乙烯表面。然而多巴胺可以在各种基材表面自聚，形成与基底结合紧密的涂层，且对多种基团都有很强结合力。多巴胺自聚形成的涂层可以进行二次处理，例如可以形成单分子层等，即在氧化条件下，邻苯二酚基团能够与巯基或氨基实现迈克尔加成或希夫碱反应，由于表面结构有缺陷，形成伪自组装单分子层。

发明内容

本发明目的是提供一种具有粘附作用的仿细胞外层膜结构的含磷酰胆碱和聚乙二醇的功能聚合物。

本发明另一目的是提供上述含磷酰胆碱和聚乙二醇的功能聚合物的制备方法。

本发明还有一个目的是通过简单的物理涂覆处理可以在任基材表面形成稳定的亲水单分子聚合物涂层。

本发明的实现过程如下：

结构式（I）所示的聚合物，

其中，m为10~200的正整数，n为约2~30的正整数，x为5~200的正整数； m、n、x摩尔百分数分别为20~80%，5~9%及15~75%；

R₁、R₂、R₃为H或CH₃；

W为含有2~8个碳原子链连接的磷酰胆碱基团，优选的结构式为：

；

R₄为含有2~300个碳原子以酰胺键链连接的邻苯二酚基团，优选的结构式为：

Z的结构式为：，v为1~500的正整数。

结构式（I）所示的聚合物的制备方法，包括以下步骤：

（1）用甲基丙烯酸-β-羟乙酯（HEMA）与对硝基苯氧甲酰氯（NPC）在氯仿中反应，三乙胺(TEA)为缚酸剂，合成对硝基苯氧甲酰甲基丙烯酸乙二醇酯（NPCEMA）结构式如（）；

（）

（2）然后把NPCEMA与丙烯酸聚乙二醇甲酯（PEGA）及MPC通过饥饿法在无水乙醇中共聚，所得聚合物PMENG结构式如（）所示；

（）

（3）最后与含有氨基及邻苯二酚基团的分子反应，经透析提纯及冷冻干燥后得到，最终聚合物如（）所示；

（）

结构式（I）所示的聚合物在构建仿细胞外层膜结构抗污涂层中的应用，具体来说，包括以下步骤：

（1）在需要改性的材料表面首先涂覆聚多巴胺；

（2）然后涂覆结构式（I）所示的聚合物溶液；

（3）在空气中于80~200 ℃加热使聚合物涂层牢固结合；

（4）最后于水中浸泡处理得到仿细胞外层膜结构的抗污涂层。

步骤（1）中，需要改性的材料包括玻璃、聚碳酸酯、不锈钢、聚四氟乙烯、聚丙烯层。材料表面的聚多巴胺涂层由喷涂pH 5~8或浸涂pH 7.5~8.2的多巴胺水溶液获得，多巴胺水溶液含有表面活性剂增强对憎水材料表面的润湿性。

步骤（2）中，涂覆结构式（I）所示的聚合物可用喷涂、滴涂、浸涂、旋涂方法实现，处理后获得稳定的涂层厚度0.5~2 nm的亲水性仿生功能聚合物单分子层表面。

步骤（4）中，在从室温到90 ℃温度范围内，把涂层在水或含水溶液中进行表面结构调控0.5~24 h，使亲水基团迁移到涂层表面，得到稳定的仿细胞外层膜结构亲水涂层，涂层与水接触的前进角为40~65°，后退角为10~30°。

本发明形成的仿细胞外层膜结构抗污涂层与空白片基相比，对牛血清白蛋白（BSA）吸附量可以减少75~95%，对纤维蛋白原（Fg）的吸附量可以减少到71~90%，对血小板黏附量减少74~99%。

本发明用含有磷酰胆碱基团、聚乙二醇链和邻苯二酚基团的多功能聚合物涂覆在表面含有聚多巴胺涂层的各种材料表面。聚合物中邻苯二酚基团含量在3~9%时，这些少量的邻苯二酚基团与聚多巴胺涂层发生氧化交联，形成稳定的亲水单分子抗污涂层。比起传统的自组装单分子层，该方法通过简单的物理涂覆即可在各种基材表面形成稳定的涂层，具有广泛的应用。磷酰胆碱基团可以结合大量的水分子形成抗污水合层，聚乙二醇链良好的柔韧性和亲水性，通过空间位阻排斥效应使涂层具备很好的抗污能力。聚合物中的少量邻苯二酚基团与聚多巴胺涂层氧化交联形成稳定的亲水单分子层。本发明构建的稳定的仿细胞外层膜立体结构抗污涂层，构建方法简单且涂层稳定牢固，通过磷酰胆碱和聚乙二醇链的协同作用达到理想的抗污效果，在提高人工器官及相关材料、药物控释体系、分离材料及其它材料表面的生物相容性领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为共聚物PMENG和PMEDG的制备方程式；

图2为共聚物PMEDG的¹H-NMR谱图（溶剂：D₂O）；

图3为PMEDG聚合物改性聚丙烯片静态接触角示意图；

图4为PMEDG聚合物改性聚碳酸酯水中动态接触角柱状图；

图5为PMEDG聚合物改性玻璃片的XPS结果；

图6为聚碳酸酯基材表面构建聚合物涂层稳定性测试柱状图；

图7为PMEDG聚合物改性玻璃片蛋白质吸附柱状图；

图8为PMEDG聚合物改性玻璃片血小板粘附扫描电镜图。

具体实施方式

实施例1：活性酯可聚合单体NPCEMA的制备

在100 mL三颈瓶中称取HEMA 4.009 g，TEA 3.110 g，加入20 mL氯仿使其溶解，机械搅拌。在一圆底烧瓶中称取NPC 7.434 g，用35 mL氯仿使其溶解后滴加至上述三颈瓶反应4 h。用无水乙醚沉淀除去三乙胺盐酸盐，回收上清液并浓缩，用pH 3~4的磷酸缓冲溶液水洗三次，氯化钙粉末干燥。抽除溶剂，得到产物NPCEMA，白色固体7.287 g。CDCl₃溶剂中¹H-NMR确定产物结构，纯度为96%。

实施例2：含有活性酯功能聚合物PMENG的制备

反应过程如图1所示。在100 mL三颈瓶中加入10 mL无水乙醇，通氮气，磁力搅拌并逐渐升温至70 ℃。依次称取NPCEMA 0.140 g、PEGA 2.726 g和MPC 0.805 g，并加入34 mL无水乙醇使其溶解。称取0.037 g AIBN，加到单体的混合液中。用滴液漏斗滴加单体的混合溶液，约2 h滴加完毕。改为密闭体系，使其继续反应24 h。停止反应后，取出部分反应液装入截留分子量为7000的透析袋中，在pH 3~4的酸性水溶液中透析。冷冻干燥。D₂O溶剂中¹H-NMR表征其结构，组成为含有活性酯单元摩尔含量12%的聚合物PMENG。

实施例3：接枝多巴胺PMEDG，通过活性酯与氨基的反应引入具有粘附功能的邻苯二酚基团

继续在上一步反应的三颈瓶中通氮气，油浴中逐渐升温到60 ℃。称取多巴胺0.145 g加入上述三颈瓶中，补加20 mL 乙醇，并用三乙胺调节反应液的pH在7左右，反应约12 h。把反应液调至酸性，停止通氮气，转入截留分子量为7000的透析袋，用pH3~4的酸性水溶液透析3天。冷冻干燥。D₂O溶剂中用¹H-NMR对其结构进行表征。如图2所示。得到邻苯二酚基团、磷酰胆碱基团和聚乙二醇链的摩尔含量分别为8%、64%和28%的共聚物PMEDG。

实施例4：聚多巴胺涂层的制备-1：配制2 mg/mL的多巴胺Tris-HCl (pH 8.2)溶液，把干净的玻璃片（1.8×1.8 cm²）浸没在多巴胺溶液中，室温静置12 h ，使其缓慢氧化，取出用超纯水淋洗片基表面，室温晾干。测定水中动态接触角，前进角平均为59°，后退角平均为23°。与空白玻璃片（前进角22°、后退角7°）相比有明显的变化。

实施例5：聚多巴胺涂层的制备-2：配置1 mg/mL的多巴胺水溶液，溶液中加入少量的十二烷基硫酸钠，滴涂在大小为2×2 cm²的聚丙烯片表面，100 ℃烘箱中加热6 h，蒸馏水中浸泡3 h，取出用超纯水淋洗，室温晾干。测定静态接触角平均为42°，比起空白聚丙烯片的静态接触角101°有明显降低。如图3所示。

实施例6：聚多巴胺涂层的制备-3：配置0.5 mg/mL的多巴胺水溶液，喷涂在玻璃片（1.8×1.8 cm²）表面，150 ℃烘箱中加热1 h，蒸馏水中浸泡，取出用超纯水淋洗，室温晾干。测定水中静态接触角平均为48°（空白玻璃片的静态接触角平均为34°）。

实施例7：构建仿细胞外层膜结构聚合物涂层-1：配制6 mg/mL聚合物水溶液，充分溶解，将有聚多巴胺涂层的聚丙烯（PP）片在聚合物溶液中浸泡12 h，取出用超纯水淋洗，真空干燥。测定静态接触角平均为37°。

实施例8：构建仿细胞外层膜结构聚合物涂层-2：配制4 mg/mL聚合物溶液，溶剂是体积比为1:1的乙醇水溶液，充分溶解，用移液器移取30 μL聚合物溶液均匀滴涂在上述有聚多巴胺涂层的聚碳酸酯片基表面，冷风吹干，90 ℃加热6 h，恢复室温，80 ℃水中浸泡0.5 h，取出用超纯水淋洗片基表面，自然晾干。测定水中动态接触角，前进角平均为62°，后退角平均为28°，而空白聚碳酸酯片的前进角为98°，后退角为72°。结果如图4所示。

实施例9：构建仿细胞外层膜结构聚合物涂层-3：配制1 mg/mL聚合物乙醇溶液，喷涂在上述有聚多巴胺涂层的玻璃片基表面，150 ℃烘箱中加热1 h，在水中浸泡3 h后取出淋洗片基，自然晾干。X射线光电子能谱图结果显示有聚合物涂层的玻璃片新出现了N_1s和P_2p的信号峰，但磷酰胆碱基团的表面含量约为聚合物中理论含量的48%，说明聚合物涂层厚度小于3 nm。XPS结果如图5所示。

实施例10：用表面等离子体共振仪（SPR）在线构建聚合物涂层。4 mg/mL PMEDG聚合物PBS溶液以10 μL/min流速注射30 min。达到吸附平衡时，通过折光指数信号变化计算出形成聚合物的厚度为1.2 nm。与PMEDG聚合物紧密排列在表面的最大单分子涂层厚度（5nm）相比，形成的PMEDG聚合物涂层为PEG链自由运动体积较大、密度较小的大分子涂层。

实施例11：形成聚合物涂层稳定性测试

将实施例8表面涂覆聚合物涂层的片基浸泡在无水乙醇中6 h，然后在1% 十二烷基硫酸钠（SDS）溶液中超声10 min进行溶解分散处理。用水清洗、干燥后测试在水中的动态接触角。图6所示，处理前后动态接触角的大小无显著性差异，但与未涂覆的聚碳酸酯表面相比均有显著性差异，说明PMEDG聚合物涂层在片基表面结合牢固，无溶解、脱落现象。

实施例12：聚合物涂层的抗蛋白吸附效果

对空白、有聚多巴胺涂层和PMEDG改性后的玻璃片基同时进行蛋白吸附实验，结果如图7所示。PMEDG 改性后的片基表面的蛋白吸附量明显降低（~95%）。说明仿细胞外层膜改性后的表面有很好的抗蛋白质吸附性能。

实施例13：聚合物涂层的抗血小板黏附效果

对空白玻璃片基和PMEDG滴涂改性后的玻璃片基在相同条件下进行血小板粘附实验，结果如图8所示。PMEDG 改性后的片基表面的血小板粘附数量明显降低（~99%），进一步说明仿细胞外层膜改性后的表面的生物相容性明显提高。

Claims

1.结构式（I）所示的聚合物，

其中，m为10~200的正整数，n为2~30的正整数，x为5~200的正整数； m、n、x对应单体的摩尔百分数分别为20~80%，5~9%及15~75%；

R₁、R₂、R₃为H或CH₃；

W结构式为：

；

R₄结构式为：

2018-03-16_06h51_05.jpg

Z的结构式为：，v为1~500的正整数。

2.权利要求1所述聚合物的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）用甲基丙烯酸-β-羟乙酯（HEMA）与对硝基苯氧甲酰氯（NPC）在氯仿中反应，三乙胺(TEA)为缚酸剂，合成对硝基苯氧甲酰甲基丙烯酸乙二醇酯（NPCEMA）结构式如（），

（）

（2）然后把NPCEMA与丙烯酸聚乙二醇甲酯（PEGA）及2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱（MPC）通过饥饿法在无水乙醇中共聚，所得聚合物PMENG结构式如（）所示，

2018-03-16_06h40_58.jpg

（3）最后与含有氨基及邻苯二酚基团的分子反应，经透析提纯及冷冻干燥后得到，最终聚合物如（）所示，

2018-03-16_06h41_17.jpg。

3.权利要求1所述聚合物在构建仿细胞外层膜结构抗污涂层中的应用。

4.根据权利要求3所述应用，其特征在于：

（1）在需要改性的材料表面首先涂覆聚多巴胺；

（2）然后涂覆结构式（I）所示的聚合物溶液；

（3）在空气中于80~200 ℃加热使聚合物涂层牢固结合；

5.根据权利要求4所述应用，其特征在于：步骤（1）中，需要改性的材料包括玻璃、聚碳酸酯、不锈钢、聚四氟乙烯、聚丙烯层。

6.根据权利要求4所述应用，其特征在于：步骤（1）中，材料表面的聚多巴胺涂层由喷涂pH 5~8或浸涂pH 7.5~8.2的多巴胺水溶液获得，多巴胺水溶液含有表面活性剂增强对憎水材料表面的润湿性。

7.根据权利要求4所述应用，其特征在于：步骤（2）中，涂覆结构式（I）所示的聚合物可用喷涂、滴涂、浸涂、旋涂方法实现，处理后获得稳定的涂层厚度0.5~2 nm的亲水性仿生功能聚合物单分子层表面。

8.根据权利要求4所述应用，其特征在于：步骤（4）中，在从室温到90 ℃温度范围内，把涂层在水或含水溶液中进行表面结构调控0.5~24 h，使亲水基团迁移到涂层表面，得到稳定的仿细胞外层膜结构亲水涂层，涂层与水接触的前进角为40~65°，后退角为10~30°。