CN105017537A

CN105017537A - 一种明胶/聚酯共聚复合生物材料及其制备方法

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Publication number: CN105017537A
Application number: CN201410179040.7A
Authority: CN
Inventors: 蔡晴; 王杨; 任志伟; 杨小平
Original assignee: Beijing University of Chemical Technology
Current assignee: Beijing University of Chemical Technology
Priority date: 2014-04-30
Filing date: 2014-04-30
Publication date: 2015-11-04
Anticipated expiration: 2034-04-30
Also published as: CN105017537B

Abstract

本发明涉及一种可用于组织再生修复的生物材料，特别是一种明胶/聚酯共聚复合生物材料及其制备方法。其特点在于将具有不同化学组成、不同链段长度的生物可降解脂肪族聚酯，通过侧基化学反应接枝到细胞外基质蛋白质分子主链上，获得一种可用于组织再生修复的明胶/聚酯共聚复合生物材料。本发明包括以下技术步骤。步骤Ⅰ：将明胶与溴代酰溴化合物进行反应，得到具有不同溴取代度的溴代明胶，作为原子转移自由基聚合的大分子引发剂；步骤Ⅱ：内酯单体开环聚合得到不同分子量的单端羟基聚酯，与甲基丙烯酸酐反应得到单端双键聚酯；步骤Ⅲ：将溴代明胶、单端双键聚酯反应最终得到明胶接枝聚酯共聚物。本发明中明胶接枝聚酯共聚物的亲疏水性和生物可降解性，可以通过改变聚酯侧链的化学组成、链段长度和接枝度来控制，其中水溶性的明胶接枝聚酯共聚物，可以通过聚酯侧链的立构复合相互作用或疏水相互作用，实现对明胶的物理交联。

Description

一种明胶/聚酯共聚复合生物材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种可用于组织再生修复的生物材料，特别是一种明胶/聚酯共聚复合生物材料及其制备方法。

背景技术

天然细胞外基质蛋白如胶原蛋白和弹性蛋白是细胞外微环境的重要调控者，因此它们是受人关注的组织工程支架材料。由于蛋白材料的亲水性，由它们制备的支架通常需要交联以减少材料的溶解或溶胀，从而维持支架力学和结构稳定性。采用化学交联剂交联得到的蛋白质支架材料，虽然其稳定性得到提高，但小分子化学试剂的毒性会对细胞和所负载生物活性物质造成不利影响，以及交联剂在材料中的扩散所引起的由表及里不一致的交联程度。

合成高分子和天然高分子在性能上具有互补性，将它们进行复合是目前开发新型组织工程支架材料的主流趋势。生物可降解脂肪族聚酯是一类被广泛研究并已临床应用的合成生物材料，生物相容性良好，生物降解速度可调，但由于一般情况下缺乏可反应性侧基，亲水性差，细胞亲和性也不理想。因此，不少研究开展了胶原类材料与生物可降解脂肪族聚酯的共混研究，共混支架的力学性能和对水稳定性确实得到了显著提高。由于两类材料在化学结构和理化性质上的差异显著，相分离是这类共混材料无法避免的一个不足，在不长的时间内，未经交联处理的亲水蛋白质材料会从共混材料中悉数溶出，交联处理仍然是必不可少的步骤。

将天然高分子和合成高分子进行共聚是解决上述问题的一条可行途径。有文献报道以胶原为主连，采用偶联法将温敏性聚(N-异丙基酰胺)预聚物接枝到胶原侧链，获得了升温型温敏可注射水凝胶。因此，将生物可降解的脂肪族聚酯接枝到细胞外基质蛋白质分子主链上，利用聚酯的化学组成、链段长度和接枝度的变化，来调控共聚复合材料的亲疏水性、降解性能、力学性能以及生物学性能，无疑将得到一类新的、有应用前景的组织工程支架材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种可用于组织再生修复的生物材料及其制备方法，其特点在于将具有不同化学组成、不同链段长度的生物可降解脂肪族聚酯，通过侧基化学反应接枝到细胞外基质蛋白质分子主链上，获得一种可用于组织再生修复的明胶/聚酯共聚复合生物材料。

本发明使用的细胞外基质蛋白质为明胶。

本发明所述的生物可降解脂肪族聚酯为以乳酸、羟基乙酸、羟基己酸中的一个或多个为结构单元的均聚或共聚高分子，分子量范围500-10000。

本发明用于将生物可降解脂肪族聚酯接枝到蛋白质分子主链的方法，是基于原子转移自由基聚合（ATRP），由蛋白质分子引发位于聚酯分子链末端的丙烯酸酯双键聚合完成接枝。

本发明的一种明胶/聚酯共聚复合生物材料的制备方法如下：（1）将明胶溶于三氟乙醇，加入附酸剂三乙胺混合均匀；将溴代酰溴化合物溶于三氟乙醇；于冰水浴条件下，将溴代酰溴溶液加入明胶溶液，于冰浴下继续反应2-4小时后，升温至20-40℃继续反应24-48小时。反应结束后，采用乙醇沉淀、洗涤纯化，制备得到用于原子转移自由基聚合（ATRP）的大分子引发剂溴代明胶（Gel-Br）；（2）将干燥的内酯单体、十六醇和催化剂按一定比例装入玻璃制的聚合管，经真空脱气、干燥惰性气体除水除氧后，将聚合管在真空状态下熔封，然后将聚合管置于120-180℃下聚合12-96小时，经氯仿溶解、乙醇沉淀纯化去除未反应单体，获得单端羟基聚酯；（3）将单端羟基聚酯溶于氯仿，加入三乙胺为催化剂，然后加入甲基丙烯酸酐，在回流状态下反应24-72小时，产物用乙醇沉淀纯化，获得单端双键聚酯；（4）将ATRP大分子引发剂Gel-Br、单端双键聚酯溶于三氟乙醇，加入1,1,4,7,7-五甲基二亚乙基三胺混合均匀，体系经惰性气体除氧后，加入催化剂溴化亚铜，在20-40℃下反应12-48小时，旋转蒸发去除溶剂后，经氯仿萃取、乙醇沉淀纯化，获得明胶接枝聚酯共聚物。

本发明步骤（1）中使用的溴代酰溴化合物为2-溴代异丁酰溴、2-溴代丙酰溴中的一种，溴代明胶的溴含量可以通过改变溴代酰溴化合物与明胶的比例来调节。

本发明步骤（2）中使用的内酯单体为L-丙交酯、D-丙交酯、D,L-丙交酯、乙交酯、己内酯中的一种或几种，采用钛酸丁酯或异辛酸亚锡为催化剂，采用十六醇为分子量调节剂，通过本体开环聚合获得生物可降解聚酯，其生物可降解速度和分子量可以通过改变内酯单体的比例、种类和十六醇的添加量来调节。

本发明的明胶接枝聚酯共聚物，可以是水溶性的，也可以是非水溶性的，其溶解性可以通过控制聚酯侧链的种类、长度、接枝度来调节。

本发明的水溶性明胶接枝聚酯共聚物，可以通过聚酯侧链的立构复合相互作用、疏水相互作用达到物理交联明胶的目的。

本发明的明胶接枝聚酯共聚物，通过聚酯的化学组成、链段长度和接枝度的变化，可调控共聚复合材料的亲疏水性、降解性能、力学性能以及生物学性能，根据共聚复合材料性能，无疑将得到一类新的、有应用前景的组织工程支架材料。

以下结合具体实施方式对本发明的内容进行详细说明，但本发明并不限于以下这些实例，在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换和变更，均应包括在本发明的范围内。

具体实施方式

实施例1：

（1）将5g明胶溶于40ml三氟乙醇，37℃溶解12小时后加入2.45ml三乙胺搅拌均匀；将2-溴代异丁酰溴4.9ml溶于10ml三氟乙醇；在冰水浴条件下，将2-溴代异丁酰溴溶液滴加入明胶三氟乙醇溶液中，于冰水浴中反应2小时后，将体系升温至25℃继续反应48小时；反应结束后，采用乙醇沉淀、洗涤纯化，制备得到ATRP大分子引发剂溴代明胶（Gel-Br-1），溴的原子百分含量为2.76% ；（2）将10g L –丙交酯、1.2g十六醇、0.005g异辛酸亚锡加入聚合管，抽真空、通氮气除氧，重复三次，每次30分钟，然后保持聚合管真空状态下进行熔封，将聚合管置于140℃反应24小时。将聚合粗产物溶于氯仿，采用乙醇沉淀，去除未反应的单体，干燥得分子量为2000的单端羟基聚L-丙交酯（PLLA2000）。将5g PLLA2000 溶于25ml氯仿，加入0.93ml三乙胺和1.86ml甲基丙烯酸酐，回流状态下反应24小时，用乙醇沉淀纯化，制备得到单端双键聚L-丙交酯（PLLA2000-MA）；（3）将0.2g Gel-Br-1和1.25g PLLA2000-MA分别溶于50ml三氟乙醇，混合均匀后加入1,1,4,7,7-五甲基二亚乙基三胺13μl，持续通入氮气15分钟，以除去体系中的氧，然后加入0.009g催化剂溴化亚铜，在25℃反应48小时后，旋转蒸发去除三氟乙醇溶剂后，经氯仿萃取、乙醇沉淀纯化，获得水溶性的明胶接枝PLLA2000共聚物（Gel-g-PLLA2000）。

实施例2：

步骤(1)同实施例1；（2）将10g L –丙交酯、0.807g十六醇、0.005g异辛酸亚锡加入聚合管，抽真空、通氮气除氧，重复三次，每次30分钟，然后保持聚合管真空状态下进行熔封，将聚合管置于140℃反应24小时；将聚合粗产物溶于氯仿，采用乙醇沉淀，去除未反应的单体，干燥得分子量为3000的单端羟基聚L-丙交酯（PLLA3000）；将5g PLLA3000 溶于25ml氯仿，加入0.62ml三乙胺和1.24ml甲基丙烯酸酐，回流状态下反应48小时，用乙醇沉淀纯化，制备得到单端双键聚L-丙交酯（PLLA3000-MA）；（3）将0.2g Gel-Br-1和1.87g PLLA3000-MA分别溶于50ml三氟乙醇，混合均匀后加入1,1,4,7,7-五甲基二亚乙基三胺13μl，持续通入氮气15分钟，以除去体系中的氧，然后加入0.009g催化剂溴化亚铜，在37℃反应24小时后，旋转蒸发去除三氟乙醇溶剂后，经氯仿萃取、乙醇沉淀纯化，获得非水溶性的明胶接枝PLLA3000共聚物（Gel-g-PLLA3000）。

实施例3：

（1）将5g明胶溶于40ml三氟乙醇，37℃溶解12小时后加入0.74ml三乙胺搅拌均匀；将2-溴代异丁酰溴1.47ml溶于10ml三氟乙醇；在冰水浴条件下，将2-溴代异丁酰溴溶液滴加入明胶三氟乙醇溶液中，于冰水浴中反应2小时后，将体系升温至37℃继续反应24小时。反应结束后，采用乙醇沉淀、洗涤纯化，制备得到ATRP大分子引发剂溴代明胶（Gel-Br-2），溴的原子百分含量为0.89% ；（2）将10g L –丙交酯、0.242十六醇、0.005g异辛酸亚锡加入聚合管，抽真空、通氮气除氧，重复三次，每次30分钟，然后保持聚合管真空状态下进行熔封，将聚合管置于140℃反应24小时。将聚合粗产物溶于氯仿，采用乙醇沉淀，去除未反应的单体，干燥得分子量为10K的单端羟基聚L-丙交酯（PLLA10K）；将5g PLLA10K 溶于25ml氯仿，加入0.19ml三乙胺和0.37ml甲基丙烯酸酐，回流状态下反应60小时，用乙醇沉淀纯化，制备得到单端双键聚L-丙交酯（PLLA10K-MA）；（3）将0.2g Gel-Br-2和2.028g PLLA10K-MA分别溶于50ml三氟乙醇，混合均匀后加入1,1,4,7,7-五甲基二亚乙基三胺4.2μl，持续通入氮气15分钟，以除去体系中的氧，然后加入0.003g催化剂溴化亚铜，在37℃反应72小时后，旋转蒸发去除三氟乙醇溶剂后，经氯仿萃取、乙醇沉淀纯化，获得非水溶性的明胶接枝PLLA10K共聚物（Gel-g-PLLA10K）。

实施例4：

步骤（1）同实施例1；（2）将10g D –丙交酯、1.2g十六醇、0.005g异辛酸亚锡加入聚合管，抽真空、通氮气除氧，重复三次，每次30分钟，然后保持聚合管真空状态下进行熔封，将聚合管置于140℃反应24小时；将聚合粗产物溶于氯仿，采用乙醇沉淀，去除未反应的单体，干燥得分子量为2000的单端羟基聚D-丙交酯（PDLA2000）；将5g PDLA2000 溶于25ml氯仿，加入0.93ml三乙胺和1.86ml甲基丙烯酸酐，回流状态下反应24小时，用乙醇沉淀纯化，制备得到单端双键聚L-丙交酯（PDLA2000-MA）；（3）将0.2g Gel-Br-1和1.25g PDLA2000-MA分别溶于50ml三氟乙醇，混合均匀后加入1,1,4,7,7-五甲基二亚乙基三胺13μl，持续通入氮气15分钟，以除去体系中的氧，然后加入0.009g催化剂溴化亚铜，在25℃反应48小时后，旋转蒸发去除三氟乙醇溶剂后，经氯仿萃取、乙醇沉淀纯化，获得水溶性的明胶接枝PDLA2000共聚物（Gel-g-PDLA2000）。

实施例5：

（1）将5g明胶溶于40ml三氟乙醇，37℃溶解12小时后加入1.45ml三乙胺搅拌均匀；将2-溴代丙酰溴2.89ml溶于10ml三氟乙醇；在冰水浴条件下，将2-溴代丙酰溴溶液滴加入明胶三氟乙醇溶液中，于冰水浴中反应2小时后，将体系升温至37℃继续反应24小时；反应结束后，采用乙醇沉淀、洗涤纯化，制备得到ATRP大分子引发剂溴代明胶（Gel-Br-3），溴的原子百分含量为1.07% ；（2）将7.254g L–丙交酯、2.504g乙交酯、0.242g十六醇、0.005g异辛酸亚锡加入聚合管，抽真空、通氮气除氧，重复三次，每次30分钟，然后保持聚合管真空状态下进行熔封，将聚合管置于160℃反应24小时。将聚合粗产物溶于氯仿，采用乙醇沉淀，去除未反应的单体，干燥得分子量为10K、两组分摩尔比为70：30(LA:GA)的单端羟基聚（L-丙交酯-乙交酯）共聚物（PLGA7030/10K）；将5g PLGA7030/10K 溶于25ml氯仿，加入0.19ml三乙胺和0.37ml甲基丙烯酸酐，回流状态下反应60小时，用乙醇沉淀纯化，制备得到单端双键聚（L-丙交酯-乙交酯）共聚物（PLGA7030/10K-MA）；（3）将0.2g Gel-Br-3和2.028g PLGA7030/10K-MA分别溶于50ml三氟乙醇，混合均匀后加入1,1,4,7,7-五甲基二亚乙基三胺6.9μl，持续通入氮气15分钟，以除去体系中的氧，然后加入0.005g催化剂溴化亚铜，在37℃反应72小时后，旋转蒸发去除三氟乙醇溶剂后，经氯仿萃取、乙醇沉淀纯化，获得非水溶性的明胶接枝PLGA7030/10K共聚物（Gel-g-PLGA7030/10K）。

实施例6：

步骤（1）同实施例5；（2）将7.286g L–丙交酯、2.4720g己内酯、0.242g十六醇、0.005g 钛酸四丁酯加入聚合管，抽真空、通氮气除氧，重复三次，每次30分钟，然后保持聚合管真空状态下进行熔封，将聚合管置于140℃反应72小时；将聚合粗产物溶于氯仿，采用乙醇沉淀，去除未反应的单体，干燥得分子量为10K、两组分摩尔比为70：30（LA:CL）的单端羟基聚（L-丙交酯-己内酯）共聚物（PLC7030/10K）；将5g PLC7030/10K 溶于25ml氯仿，加入0.19ml三乙胺和0.37ml甲基丙烯酸酐，回流状态下反应60小时，用乙醇沉淀纯化，制备得到单端双键聚（L-丙交酯-己内酯）共聚物（PLC7030/10K-MA）；（3）将0.2g Gel-Br-3和2.028g PLC7030/10K-MA分别溶于50ml三氟乙醇，混合均匀后加入1,1,4,7,7-五甲基二亚乙基三胺6.9μl，持续通入氮气15分钟，以除去体系中的氧，然后加入0.005g催化剂溴化亚铜，在37℃反应72小时后，旋转蒸发去除三氟乙醇溶剂后，经氯仿萃取、乙醇沉淀纯化，获得非水溶性的明胶接枝PLC7030/10K共聚物（Gel-g-PLC7030/10K）。

实施例7：

（1）将实施例1制备得到的Gel-g-PLLA2000（1g）溶于去离子水（10ml）中，配置成浓度为10%wt的溶液a；（2）将实施例4制备得到的Gel-g-PDLA2000（1g）溶于去离子水（10ml）中，配置成浓度为10%wt的溶液b；（3）将溶液a和溶液b按等体积比例混合，室温搅拌12小时后，将聚合物用乙醇沉淀、真空干燥后，通过XRD和DSC表征证实，有聚乳酸立构复合结构的生成，水溶解性检测证实，实现了对明胶的物理交联。

Claims

1.一种可用于组织再生修复的明胶/聚酯复合生物材料，其特征是以明胶分子为主链，生物可降解脂肪族聚酯为侧链的一种明胶接枝聚酯共聚物，生物可降解脂肪族聚酯为以乳酸、羟基乙酸、羟基己酸中的一个或多个为结构单元的均聚或共聚高分子，分子量范围500-10000。

2.根据权利要求1所述的一种明胶/聚酯复合生物材料的制备方法，其特征是采用原子转移自由基聚合，通过以下步骤完成：（1）将明胶溶于三氟乙醇，加入缚酸剂三乙胺混合均匀；将溴代酰溴化合物溶于三氟乙醇；于冰水浴条件下，将溴代酰溴溶液加入明胶溶液，于冰浴下继续反应2-4小时后，升温至20-40℃继续反应24-48小时；反应结束后，采用乙醇沉淀、洗涤纯化，制备得到用于原子转移自由基聚合的大分子引发剂溴代明胶（Gel-Br）；（2）将干燥的内酯单体、十六醇和催化剂按一定比例装入玻璃制的聚合管，经真空脱气、干燥惰性气体除水除氧后，将聚合管在真空状态下熔封，然后将聚合管置于120-180℃下聚合12-96小时；经氯仿溶解、乙醇沉淀纯化去除未反应单体，获得单端羟基聚酯；（3）将单端羟基聚酯溶于氯仿，加入三乙胺为催化剂，然后加入甲基丙烯酸酐，在回流状态下反应24-72小时，产物用乙醇沉淀纯化，获得单端双键聚酯；（4）将Gel-Br、单端双键聚酯溶于三氟乙醇，加入1,1,4,7,7-五甲基二亚乙基三胺混合均匀，体系经惰性气体除氧后，加入催化剂溴化亚铜，在20-40℃下反应12-48小时；旋转蒸发去除溶剂后，经氯仿萃取、乙醇沉淀纯化，获得明胶接枝聚酯共聚物。

3.根据权利要求2所述的一种明胶/聚酯复合生物材料的制备方法，其特征是步骤（1）中的溴代酰溴化合物为2-溴代异丁酰溴、2-溴代丙酰溴中的一种，Gel-Br中的溴含量可以通过改变溴代酰溴化合物与明胶的比例来调节。

4.根据权利要求2所述的一种明胶/聚酯复合生物材料的制备方法，其特征是步骤（2）中的内酯单体是L-丙交酯、D-丙交酯、乙交酯和己内酯中的一个或多个，催化剂是异辛酸亚锡或钛酸四丁酯。

5.根据权利要求2所述的一种明胶/聚酯复合生物材料的制备方法，其特征是明胶接枝聚酯共聚物的亲疏水性和生物可降解性，可以通过改变聚酯侧链的化学组成、链段长度和接枝度来控制。

6.根据权利要求2所述的一种明胶/聚酯复合生物材料的制备方法，其特征是水溶性的明胶接枝聚酯共聚物，可以通过聚酯侧链的立构复合相互作用或疏水相互作用，实现对明胶的物理交联。