CN105985448B - 多糖-聚胺共聚物及其质子化的阳离子共聚物、制备方法及作为磷酸盐移除剂的应用 - Google Patents

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Abstract

一种多糖‑聚胺共聚物，该多糖‑聚胺共聚物由以下两部分共聚形成：具有2,3‑二醛基的被选择性氧化的多糖和具有胺基功能团的聚胺；该具有胺基功能团的聚胺与该具有2,3‑二醛基的被选择性氧化的多糖共价交联形成网状结构，得到具有胺基功能团的水凝胶或颗粒状的多糖‑聚胺共聚物，该具有胺基功能团的水凝胶或颗粒状的多糖‑聚胺共聚物中的胺基功能团可被质子化而形成具有质子化位点的三维网状结构阳离子共聚物，该阳离子共聚物中的氮含量和该多糖‑聚胺共聚物中的氮含量在12.3wt％以上，或者在15wt％以上，或者在22wt％以上，或者在40wt％以上，该阳离子共聚物和所述多糖‑聚胺共聚物均不溶于水。

Description

多糖-聚胺共聚物及其质子化的阳离子共聚物、制备方法及作 为磷酸盐移除剂的应用
技术领域
本公开涉及多糖-聚胺共聚物及其质子化的阳离子共聚物、制备方法及作为磷酸盐移除剂的应用。
背景技术
最近三十年的经济快速增长促使中国的临床流行病学也发生着变化，且这种变化的速度和规模可谓史无前例。具体而言，慢性肾脏病(Chronic Kidney Disease,CKD)已成为中国公共健康资源的沉重负担。据最新统计，中国的CKD患者约有1.195亿。一项横断面、全国性的中国成人代表性样本调查显示，不同地区间的CKD患病率差异较大，总患病率为10.8％。若没有有效的治疗手段，很多中期CKD患者将发展到CKD-5期，也即晚期肾病(end-stage renal disease,ESRD)。
肾脏通过尿磷排泄在保持人体内磷酸盐的平衡中扮演了重要角色。在晚期CKD(4期或5期)中，肾小球滤过率(glomerular filtration rate,GFR)降到25到40mL/min。肾小球滤过率的降低导致尿磷排泄的减少。磷酸盐在体内的累积导致血磷(serum phosphate)的不正常升高，即高磷血症。由于导致透析患者的继发性甲状旁腺功能亢进症、肾性骨病、心血管钙化、钙过敏症等并发症，持续加重的高磷血症与死亡率的升高高度相关。大量的研究表明，具有非常高的血磷水平(>3.6mM)的患者的死亡率是具有较低血磷水平(1.3-1.6mM)患者的死亡率的2.5倍。
对于ESRD患者而言，通过透析去除磷酸盐的作用非常有限，原因在于大多数的无机磷是存在于细胞内的。因此，需要通过膳食磷酸盐限制及口服磷酸盐结合剂来控制消化系统对磷的吸收。通过在胃肠道内与磷酸盐结合，磷酸盐结合剂使得饮食中的磷或磷酸盐不被人体吸收。现有含钙的和不含钙的两种磷酸盐结合剂。含钙的磷酸盐结合剂例如有乙酸钙(PhosLo,Eliphos)、碳酸钙(Turns,Os-Cal,Caltrate)等，是最常用的磷酸盐结合剂。虽然它们能降低磷的吸收，但是这些磷酸盐结合剂的使用可能会显著地增加钙负荷以及增加血液透析患者患高钙血症的风险。在高磷血症的状况下，钙负荷的升高会增加钙磷产物(Ca*P)的生成。具有过高的钙磷产物水平的患者面临的心血管钙化及其并发症的死亡风险将显著升高。
现有3种不含钙的磷酸盐结合剂，包括碳酸镧(Fosrenol)、Sevelamer即司维拉姆(Renagel,Renvela)和Kiklin(Bixalomer)。镧是金属元素，其与磷酸根结合形成不溶的磷酸镧。即使通过口服途径，镧也难以被人体吸收。但是，已被吸收入体内的镧排出体外的速度也非常缓慢。于是，经过一年治疗后，骨骼组织中可以发现低浓度的镧的沉积。虽然其对骨骼的长期效应并不明确，但并不建议对儿科病人使用镧。
此外，镧具有显著的肌痛、肌痉挛、外周性水肿等副作用。由于不良反应，镧的受试者退出率高达14％，而其他磷酸盐结合剂的试用者退出率仅为4％。司维拉姆是一种不可吸收的非金属阳离子聚合物水凝胶，从化学上来说，司维拉姆是一种与环氧氯丙烷交联的聚烯丙基胺盐酸盐或碳酸盐。与含钙的磷酸盐结合剂相比，它可以更加有效地降低血磷水平；与碳酸镧相比，它的不良反应尤其是高钙血症和金属聚集更少。虽然司维拉姆可以有效地降低血磷同时副作用又很少，但是存在两个明显的不足。首先，用于交联聚烯丙基胺来制备司维拉姆的环氧氯丙烷是一种已知的致癌物和潜在的基因毒性试剂。由于司维拉姆是一种溶解性很差的水凝胶，很难从其中除去环氧氯丙烷。需要长时间的冲洗以确保最终产品中环氧氯丙烷的水平在0.3μg/g以下，以满足欧洲药品管理局(EMEA)、国际协调会议(ICH)、食物与药品管理局(FDA)等的要求(http://www.epa.gov/ttn/atw/hlthef/epichlor.html)(http://www.epa.gov/iris/subst/OOSO.htm)。其次，司维拉姆的单体即聚烯丙基胺价格高昂，使其成为发达国家卫生保健系统的沉重经济负担，而对于第三世界的大部分CKD患者而言，司维拉姆则是消费不起的药品。Bixalomer是一种新开发的非金属阴离子交换树脂，具有类似的降血磷效果并同时副反应较少，但依然要用到环氧氯丙烷作为交联剂，并且Bixalomer造价依然很高。
发明内容
本文描述共价交联共聚物。更具体地，本文描述多糖-聚胺共聚物基体(matrices)和阳离子聚合物基体(matrices)。质子化时，多糖-聚胺共聚物可以形成具有非常高密度阳离子位点的阳离子聚合物基体。在一种形式中，多糖-聚胺共聚物具有一种三维结构，水合时尤其如此。
根据本发明的一种实施方式，所述多糖-聚胺共聚物基体是两个预存聚合物或大分子的反应的结果。根据本发明的一种实施方式，所述多糖-聚胺共聚物可以被认为是二嵌段共聚物。根据本发明的一种实施方式，所述多糖-聚胺共聚物是具有2,3-二醛基的被选择性氧化的多糖聚合物与具有多个能与醛基反应的多功能-胺基官能团的聚胺的反应产物。后者反应产物包括水凝胶或颗粒状交联的聚合物，其是多糖-聚胺共聚物，如纤维素-聚胺共聚物，具有三维结构。当多糖-聚胺共聚物材料的胺基官能被质子化时，胺基官能为阳离子聚合物提供阳离子官能。
在本发明的一个方面，多糖-聚胺共聚物材料中的一级胺、二级胺、三级胺均可被质子化。其中一级胺最容易被质子化，二级胺其次，三级胺再次。因此，多糖-聚胺共聚物材料中的一级胺是优选的，其次二级胺，再次三级胺。例如，多糖-聚胺共聚物材料中的一级胺占所有胺基团的20％以上，或者40％以上，或者53％以上。或者，多糖-聚胺共聚物材料中的一级胺、二级胺之和占所有胺基团的30％以上，或者50％以上，或者70％以上。
在本发明的一个方面，所述多糖聚合物选自被选择性氧化的纤维素(cellulose)、被选择性氧化的淀粉(starch)、被选择性氧化的壳聚糖(chitosan)、被选择性氧化的葡聚糖(dextran)、被选择性氧化的糖原(glycogen)、被选择性氧化的甲壳素(chitin)和它们的混合物组成的组。被选择性氧化是指将C2和C3的位置的羟基氧化，伴随C2-C3键的断裂而形成醛基，其中该氧化只会生成醛基而不会生成羧基，并且不会裂解多糖链。
在本发明非常重要的一个方面，多糖是选自由被选择性氧化的纤维素、被选择性氧化的壳聚糖以及它们的混合物组成的组的纤维素聚合物。本文所使用的，被选择性氧化的纤维素、被选择性氧化的淀粉、被选择性氧化的壳聚糖、被选择性氧化的葡聚糖、被选择性氧化的糖原、被选择性氧化的甲壳素，其中所谓“被选择性氧化”是指氧化成二醛。在后的被选择性氧化的纤维素、被选择性氧化的壳聚糖对于用作药物的多糖-聚胺共聚物是重要的，因为它们含有不能被人类消化的β-1,4-糖苷键。聚合物如纤维素、淀粉、壳聚糖、葡聚糖、糖原、甲壳素等被氧化到有效提供能与聚胺充分反应的2,3-二醛基，以允许水溶性纤维素聚合物与多胺基官能聚合物反应，进而提供具有可质子化胺基官能的共价交联的基体或三维结构。
在后的多糖-聚胺共聚物基体和阳离子基体是不易被人类消化的。多糖-聚胺共聚物基体是多糖聚合物与聚胺连接在一起形成的三维共价交联基体，水合时尤其如此。这些共价交联聚合物的三维结构是颗粒形式，颗粒具有从约100μm至约10mm的范围内的尺寸。脱水形式的多糖-聚胺共聚物或共聚基体并不携带任何永久的电荷。这些共聚物含有丰富的胺基和少量的亚胺基。胺基和亚胺基属于pKa值在9至11的范围内的弱碱。当暴露于pH低于9.0的水性环境中时，多糖-聚胺共聚物或共聚物基体将被再水合、膨胀、质子化并形成阳离子聚合物基体。
多糖-聚胺共聚物颗粒和阳离子聚合物颗粒的结构是多孔的。从一方面讲，多糖-聚胺共聚物结构中俱有大量一级，二级和三级取代胺。无论是水胶状还是颗粒状的多糖-聚胺共聚物，均由多糖大分子与聚胺大分子通过共价交联形成三维立体的致密的网状结构。这种由多糖大分子与聚胺大分子通过共价交联形成三维立体的致密的网状结构与由纤维素外壳包裹的氨基或胺基与羧酸反应产物有着本质区别。当以颗粒形式存在时，多糖-聚胺共聚物基体和/或质子化的多糖-聚胺共聚物基体中的孔在小于50微米的尺寸范围内，并且在本发明的一个重要方面，孔具有从约数百纳米至约50微米的尺寸。例如，孔具有100nm-50微米的尺寸，或者孔具有200nm-40微米的尺寸，或者孔具有300nm-30微米的尺寸，或者孔具有400nm-20微米的尺寸，或者孔具有500nm-10微米的尺寸，或者孔具有800nm-5微米的尺寸。
在本发明的一个方面，多糖-聚胺共聚物结构提供了具有高密度的胺取代基，如伯胺、仲胺和季胺。根据本发明的一个方面，凝胶和聚合物颗粒可以由本发明的组合物提供。凝胶和聚合物颗粒可以包含被聚胺的共聚物区域共价交联而具有三维密集互锁网络的主链，例如纤维素链。纤维素聚合物和多聚胺交联剂交联形成的这种错综复杂的三维网状基体与纤维素壳包住胺基化合物的聚合物胺基与羧酸的反应形成了对比。
多糖聚合物，例如纤维素、淀粉、壳聚糖、葡聚糖、糖原、和甲壳素，被氧化到能够有效提供可与聚胺反应的2,3-二醛基，以允许上述氧化的多糖聚合物与具有胺基官能团的聚胺反应，进而提供具有至少12.5％(基于所述多糖-聚胺共聚物重量百分比)可被质子化氮含量的交联结构。聚胺共价交联多糖聚合物(如水溶性纤维素聚合物(具有二醛基))来提供多糖衍生的“骨架”的三维结构，其中多个多糖链与多个聚胺链连接。这些多糖聚合物是预先存在的聚合物“块”或“骨架”，其由同样属于离散的胺基“块”的预先存在的聚胺连接在一起。在本发明的一种实施方式中，所述多糖-聚胺共聚物可被认为是二嵌段共聚物。连接的骨架是作为聚胺(形成共价交联的块)和被选择性氧化的多糖的共价交联的产品，以提供具有高百分比的可被质子化的氮含量的交联嵌段共聚物和共聚物基体。
在后的形成胺基多糖结构颗粒的多糖-聚胺共聚物可以被质子化(在人体内，或通过降低pH或在体外通过反应如共价交联反应后对胺进行加氢还原)成具有极高的电荷密度阳离子聚合物结构。例如，当暴露于pH低于9.0的水性环境中，在后的形成共聚物基体的多糖-聚胺共聚物可以被质子化。多糖-聚胺共聚物可以被质子化以有效地为阳离子共聚物基体提供至少12.5重量％铵含量(基于所述阳离子共聚物的重量)。此外如前所述，所得到的多糖-聚胺共聚物不溶于水。因此，本发明的多糖-聚胺共聚物明显区别于在本发明以前已有的水溶性的多糖-聚胺共聚物。本发明以前已有的水溶性的多糖-聚胺共聚物在水中可以形成稳定、透明、均一的胶体溶液，且体积较小，可被细胞吸收；而本发明实施例提供的多糖-聚胺共聚物是由含有醛基的众多氧化多糖和含有多胺基的众多聚胺聚合物之间形成共价键并反复共价交联形成。因此共聚物分子量巨大，在水中极易沉淀，在某些实施例中，多糖-聚胺共聚物体积大于30微米，根本无法被细胞吸收。
该多糖-聚胺共聚物具有铵阳离子，该铵阳离子为具有正电荷或质子化的取代胺，如取代胺RNH2、R2NH和R3N等质子化而形成的RNH3 +、R2NH2 +和R3NH+等。聚胺基体在胺的位置上带正电或质子化，以形成季铵阳离子(HNR3 +)，其中一个或多个氢原子可以被有机基团取代(由R表示)。该高电荷密度可以在pH 7.0、磷酸盐浓度6.25mM的条件有效结合至少约2.58±0.43mmol/g磷酸根。实际上，阳离子基体可以作为清除剂，以从包括人类的哺乳动物体内去除磷酸盐。
在本发明的一个方面，聚胺是树枝状聚合物，它们是具有核或中心、包括胺基团和分支的大分子胺，其可从大分子胺的核或中心的官能团开始，通过一系列迭代反应来提供高度分支化的胺聚合物。在本发明的一方面，树枝状聚合物分子可以是圆形，或基本上是圆形，或是具有球形的或具有一个外周边是弯曲的或是由曲线界定的三维的形态。在本发明的一个重要的方面，树枝状聚合物具有至少24.5wt％，优选在25-80wt％(基于树枝状聚合物的重量)的氮含量，以使得多糖-聚胺共聚物材料质子化时(生成所述阳离子聚合物基体)具有至少约12.3wt％的铵离子含量(以N原子为基准计算)。在本发明的另一种形式中，支链型的聚胺可以单独或与具有树枝状形态的聚胺组合使用。
聚胺包括支链胺的聚合物、树枝状聚胺、以及在专利号US8889738和WO2014/029888中公开的聚胺(上述两篇专利文献中记载的聚胺全部包括进本文)。在本发明一个非常重要的实施方案中，为多糖-聚胺共聚物材料提供了胺基官能(以及在共价交联了多糖聚合物后在质子化时提供了阳离子官能)的聚胺，选自聚乙烯亚胺(PEI)、聚烯丙基胺、聚丙烯亚胺和它们的混合物。所述聚乙烯亚胺(PEI)、聚烯丙基胺、聚丙烯亚胺可以为支链形式或树枝状的形式，如附图中所示。
本发明还提供一种制备多糖-聚胺共聚物材料和阳离子聚合物材料的方法。该方法包括氧化多糖聚合物，然后将如上所述的具有2,3-二醛基团的多糖衍生的聚合物与聚胺反应，以提供多糖-聚胺共聚物材料。如果聚胺的伯胺与被选择性氧化的多糖的醛基反应得到反应产物亚胺，可以通过还原反应例如加氢还原反应，将碳氮双键还原为单键，从而将亚胺转化为取代的仲胺。
多糖的氧化水平、聚胺中胺的百分含量、聚胺的大小、和被选择性氧化的多糖与聚胺的比例都会影响到多糖-聚胺共聚物和共聚基体的形成。在本发明一个重要的方面，被选择性氧化的多糖具有至少50wt％，优选80％以上的氧化的葡萄糖单元。对于聚烯丙基胺(PLA)，分子量在约17000至约900000的范围内，对于聚乙烯亚胺(PEI)，分子量在约25000至约750000的范围内，优选在约60000至约750000的范围内。对于分子量在15000至25000道尔顿之间的PEI和/或PLA，多糖聚合物与聚胺的比率在约1：1至约1：3(重量比)。当分子量在65000至750000道尔顿之间时，多糖聚合物与聚胺的比率在约1：5至约1：30(重量比)。
从人体和其它哺乳动物体内除去磷酸盐化合物的方法也在本文中描述。该方法包括口服具有非常高密度的阳离子位点的多糖-聚胺共聚物材料和/或阳离子聚合物材料。通过口服这些化合物在人体和其它哺乳动物体内除去磷酸盐化合物的效果达到了与司维拉姆(Sevelamer)相当的水平。
生产出保持高正电荷密度的生物相容的阳离子聚合物，以与多价阴离子强烈结合，所述多价阴离子包括磷酸根、多聚核苷酸、带负电荷的肽和金属阴离子等。高纯度GNP级(Good manufacturing practices)材料可以配制成用于治疗慢性肾脏疾病诱发的高磷血症的药物。
在本发明的另一个方面，所述多糖-聚胺共聚物也可用于去除或清除其他无机阴离子和/或有机溶质或粒子，如氯化物、亚硝酸盐、碳酸氢盐、多肽、以及含草酸的化合物或离子等。在本发明的一种形式中，这(去除上述物质)可以在水、废水和类似物中进行，以及用于从人体去除。
所述阳离子材料的一种低成本的商品形式为，从含有纤维素的天然原料如木屑、稻草、农业副产品中获得该阳离子材料，然后用于去除工业废水、农业径流水中的环境污染物。这种高强的离子关联属性允许环境污染物金属阴离子的结合与固定，包括磷酸盐和硝酸盐、主要富营养化污染物等。
上述发明内容可以结合下面的描述和附图更容易地理解。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。
图1为本发明一实施方式中的共价交联共聚物，如多糖-聚胺共聚物的一般化学结构的一个示例性形式；
图2为本发明一实施方式中使用多糖主链交联合成多糖-聚胺共聚物的示例性的示意图；
图3A是支链的聚乙烯亚胺的实例，B是树突状聚乙烯亚胺的一个例子；
图4是本发明一些实施方式中的产品的表面形貌图；
图5是本发明一些实施方式中的反应物和产物的红外光谱FT-IR图；
图6是本发明一些实施方式中的多糖-聚胺共聚物产品在不同磷酸根离子浓度下结合磷酸根离子的能力；
图7是本发明一些实施方式中的多糖-聚胺共聚物产品的磷酸根离子结合能力与司维拉姆(Renagel,Renvela)的磷酸根离子结合能力对比图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另作定义，本公开中百分比均为质量(重量)百分比。
一般地，交联共聚物在本文中描述并且可以被用于各种目的，包括但不限于：去除磷酸盐。共价交联共聚物通常包括两个部分，即，一个骨架分子和一个共价交联到骨架分子的官能团聚合物。在一种方法中，多糖聚合物和大的聚合物分子之间形成稳定的共价键以提供交联共聚物，该共价交联共聚物在其中的胺基和/或亚胺官能度质子化时，具有阳离子官能。
在本发明的一种实施方式中，共价交联共聚物是多糖-聚胺共聚物。多糖-聚胺共聚物在质子化时，可以形成具有非常高密度阳离子位点的阳离子聚合物基体。在本发明的一种形式中，共价交联共聚物提供了一种三维结构，水合时尤其如此。在本发明的一些形式中，共价交联共聚物可以被更具体地描述为一个纤维素聚胺共聚物，其包括纤维素衍生材料形成多糖组分。
在本发明的一种实施方式中，本文所描述的制造不溶于水的阳离子聚合物的方法，包括氧化反应和羰基亲核加成反应。例如，氧化反应可以包括糖类的氧化，多糖可以列举如微晶纤维素、支链淀粉、淀粉、壳聚糖、甲壳素、葡聚糖、糖原或类似物。
在本发明的一种实施方式中，所述多糖聚合物选自被选择性氧化的纤维素、被选择性氧化的淀粉、被选择性氧化的壳聚糖、被选择性氧化的葡聚糖、被选择性氧化的糖原、被选择性氧化的甲壳素和它们的混合物组成的组。被选择性氧化是指将C2和C3位置的羟基氧化为醛基并伴随C2-C3键的断裂，但该氧化只生成醛基而不会产生羧基、也不会导致多糖链的断裂。
在本发明的一种实施方式中，适用于合成到共聚物的优选的多糖是α-D-葡萄糖单元或D-葡糖胺单元通过β-1,4-糖苷键彼此结合而形成的不溶性多糖，如纤维素(cellulose)、支链淀粉(amylopectin)、壳聚糖(chitosan)、和甲壳素(chitin)。通过氧化反应，这些多糖C-2和C-3的葡萄糖单元上的羟基被选择性地氧化而产生丰富的醛基。这些新添加的亲水性醛基显著增加了被选择性氧化的多糖的水溶性。另外，该多糖聚合物选自由被选择性氧化的纤维素、被选择性氧化的淀粉、被选择性氧化的壳聚糖、被选择性氧化的葡聚糖、被选择性氧化的糖原、被选择性壳聚糖和它们的混合物组成的组。纤维素、支链淀粉(amylopectin)和壳聚糖由于含有β-1,4糖苷键而不能被哺乳动物消化。淀粉、葡聚糖和糖原含有β-1,6糖苷键因而是可被人类消化的。因而，本文所述的多糖-聚胺共聚物基体是不是易消化的，取决于起始的多糖材料。
该多糖-聚胺共聚物可以以各种方式来制备。在本发明的一种实施方式中，例如该制备方法可以包括三个步骤。首先，通过氧化反应，通过选择性地氧化多糖的葡萄糖单元C2和C3上的羟基产生丰富的醛基。在一种方式中，被选择性氧化是指将C2和C3位置的羟基氧化为醛基并伴随C2-C3键的断裂，但该氧化只生成醛基而不会产生羧基、也不会导致多糖链的断裂。在该氧化反应的条件下，羧基不能共价交联聚胺，以及如果形成羧基，含水环境中羧基将会不合需要地形成羧酸。如果进一步形成(羧酸)，羧酸将携带负电荷，这将对胺基质子化时形成的阳离子电荷产生不利的干扰。
其次，由多糖的选择性氧化生成的醛基与聚胺中的胺(例如伯胺)反应以形成亚胺衍生物，中间产物多糖-聚胺共聚物具有不稳定的碳-氮双键。在一种形式中，这些被认为是二嵌段共聚物。然后，通过还原反应，将亚胺的碳-氮双键转化为胺的碳-氮单键，以便产生稳定的多糖-聚胺共聚物。
根据本发明的一种方式，所述多糖-聚胺共聚物基体是两个预存聚合物或大分子反应的结果。按照一种形式，所述多糖-聚胺共聚物可以被认为二嵌段共聚物。在一种形式中，所述多糖-聚胺共聚物是具有2,3-二醛基的多糖聚合物与具有可与醛基反应的、多官能的胺基基团的聚胺的反应产物。后者反应产物包括颗粒状共价交联的聚合物，其是多糖-聚胺共聚物，如具有三维结构的纤维素聚胺共聚物。在多糖-聚胺共聚物材料中的胺基官能被质子化时，胺基官能为阳离子聚合物提供阳离子官能。
应该理解的是，本文所述的共价交联共聚物也可以通过氧化多糖以外的其他方法制备。
从上述讨论氧化反应所得的中间聚合物可具有下列通式：
下面的反应1是从纤维素获得示例性聚合物的方法的示意图。
纤维素是一种包括由β-1,4糖苷键相互连接的葡萄糖单元的天然存在的聚合物。形成纤维素衍生物聚合物的主链的纤维素的分子结构一般表示如下：
正如反应1中所示，多糖如微晶纤维素可以被氧化以形成中间体纤维素。在一种方法中，由多糖主链的氧化产生富羰基中间体如醛。特别是，反应性醛基可以沿多糖骨架在多个位点打开纤维素环而形成。示例性纤维素的氧化反应可以如下：
在上述示出的化学反应中，式“A”通常表示纤维素，其可以是任何市售的纤维素；式“B”通常表示纤维素的氧化生成的2,3-二醛。从上面可以看出，以上所述的2,3-二醛纤维素是一种具有类似于纤维素结构的线性聚合物，并且包括一个或多个(在图示的方式中是2个)反应性醛基。在一种方式中，纤维素可以用硫酸预处理以降低结晶度和尺寸。在另一种方式中，纤维素可以用盐酸处理。
尽管上述示例性化学反应利用高碘酸钠(NaIO4)作为氧化剂，应当理解的是，纤维素的氧化可以通过高碘酸、高碘酸钾或其它阳离子衍生物和高碘酸盐或类似物来替代地催化。其它氧化剂包括氯、过氧化氢、过乙酸、二氧化氯、二氧化氮、过硫酸盐、高锰酸盐、重铬酸盐-硫酸、次氯酸、次卤酸盐或高碘酸盐以及各种金属催化剂。除了原料的原有的羟基外，氧化的多糖(包括氧化的纤维素)还可以含有羧酸、醛和/或酮基团，这取决于氧化剂的性质和反应条件。
高碘酸盐是一种独特的氧化剂。多糖(包括纤维素)的高碘酸盐介导的氧化反应是公知的在C2和C3的羟基氧化为相应的醛基并伴随C2-C3键裂解的选择性氧化，并且是为多糖改性的最有效的方法之一。其它氧化剂会产生比醛基更多的羧基，并导致多糖主链的断裂。羧基不能在如我们所描述的反应条件下共价交联胺聚合物。此外，它还将电离并在水溶液中形成羧酸。羧酸携带负电荷，扰乱我们的共聚物的阳离子功能。
在一种方法中，如上述多糖氧化得到的聚合物中间体随后可与一种或多种支链阳离子官能团如胺基/亚胺聚合物进行羰基亲核加成(例如氢化物还原)反应。一般地，含多官能伯胺的分子可以与衍生自多糖如纤维素等或糖蛋白等的含醛的寡糖交联。通过一种方法，大分子量的多官能伯胺试剂可以用来在后续质子化时为多糖衍生物提供高密度的阳离子位点。对于大多数方法，包含多个伯胺的任何多胺(包括直链和支链的)都可以用作亲核试剂。
以上所述的高分子量聚胺如聚乙烯亚胺与含醛基的多糖衍生物反应导致聚胺和多糖衍生物分子之间稳定的共价键形成。在一种形式中，这提供了上述通常用式“C”表示的和下面更详细讨论的共价交联共聚物。另外，在上述示出的示例性反应中，作为纤维素与高碘酸钠的氧化反应的结果而得到的含反应性醛基的纤维素中间体进一步经受羰基亲核加成反应，以及在本实施例中，经历氢化物还原反应，用阳离子官能聚合物如聚乙烯亚胺来导出示例性的、通常由式“C”表示的不溶性阳离子纤维素衍生物聚合物。
尽管上述的示范性反应使用聚乙烯亚胺作为亲核试剂，在与上述包括反应性醛基团的纤维素中间体的反应中，其他示例性的聚合物也可以作为亲核试剂使用。一些示例性的阳离子官能聚合物包括，例如，聚(烯丙胺)、聚(酰胺基胺)、聚丙烯亚胺四胺等。作为含有合成聚胺的聚合物，聚乙烯亚胺、聚(烯丙胺)和聚丙烯亚胺四胺可以以支链和/或树枝状聚合物的形式使用。
此外，国际公开号WO 2014/029888的内容以引用的方式全部包括进本文，其中描述的支链或大环聚胺全部可适合用于本文所述的反应。此外，适合于本文描述的反应的一些示例性线性多胺列举如下：
多糖衍生物与亲核试剂经历上述反应后，将所得产物可通过蒸发、沉淀或其它合适的技术进行干燥。通过一种方法，粒径均匀的多糖-聚胺共聚物材料可以由通过合适的筛网筛分干燥后的材料来实现。当以颗粒形式存在时，所述多糖-聚胺共聚物基体和/或质子化的多糖-聚胺共聚物基体具有小于50微米尺寸的孔，并且在一个重要方面，孔尺寸从约数百纳米至约50微米范围内。
通过一种方法，阳离子聚合物产物的胺基密度也可以通过聚合度、亲核试剂的尺寸和多糖衬底主链和亲核试剂的相对比例来控制。在本申请中，电荷密度是指阳离子聚合物中的一级、二级、三级铵阳离子的数量。更具体地，电荷载体密度是指每单位体积材料(例如，阳离子聚合物)中电荷载体(例如，电子、离子)的数量，而不是在载体上的实际电荷数量。根据一种形式，制备所述胺基多糖以为共价交联结构提供基于所述多糖共聚物总重量的至少12.5(重量)％的胺基官能(以N原子重量进行计算)。在一个重要的方面，树枝状聚合物具有基于所述树枝状聚合物重量至少24.5(重量)％，优选25-80(重量)％的胺基(以N原子重量进行计算)，以为多糖-聚胺共聚物材料在质子化形成阳离子聚合物基体时有效地提供基于阳离子材料的至少12.3(重量)％的阳离子含量(以N原子重量进行计算)。
含醛多糖衍生物和官能伯胺的亲核试剂的比例范围，可定性地描述为低、中、高。在一种方法中，醛的含量和反应物的伯胺含量是通过定量滴定法测定，而最终产物的NH2+含量是由核磁共振技术(NMR)确定的。
图2提供了另一示例性过程的图示，展示了多糖与聚胺的反应。
从上述的氧化反应和羰基亲核加成反应得到的共价交联共聚物的物理特性可通过操纵上述反应的条件加以控制，例如，通过改变含醛基的选择性氧化的多糖与亲核试剂的相对比例、改变与含醛基的选择性氧化的多糖反应的官能团的种类、和/或改变反应时间、pH和/或反应温度等。例如，增加该反应的温度可导致所得的水不溶性阳离子聚合物的大小相应地增加。在另一实例中，增加反应时间可导致所得的水不溶性阳离子聚合物的大小相应地增加。在又一实例中，增加的反应条件的pH可导致所得共价交联共聚物的尺寸的相应增加。在又一示例中，得到的共价交联共聚物产品的尺寸可以通过选择两个主要反应物，即多糖衍生物(例如2,3-二醛纤维素)和聚胺亲核试剂(例如聚乙烯亚胺)，的分子量和的比率来控制。
在一种方法中，可以使用具有平均分子量约15000Da(道尔顿)至约900000Da的聚烯丙基胺(polyallylamine,PLA)或具有平均分子量约25000Da至约750000Da的聚乙烯亚胺(PEI)。例如，可以使用自Sigma-Aldrich获得的具有平均分子量大约15000道尔顿、17000道尔顿、65000道尔顿、或900000道尔顿的聚烯丙基胺，或具有平均分子量大约25,000道尔顿或750000道尔顿的聚乙酰亚胺。多糖主链部分(例如纤维素)与阳离子位点形成功能性聚合物(例如聚乙烯亚胺)的比例可取决于阳离子位点形成功能性聚合物的分子量。例如，对于分子量为约15000Da至约25000Da的聚乙烯亚胺(PEI)和聚烯丙基胺(PLA)，该纤维素衍生物与聚胺的比例范围可为约1：1至约1：8(重量比)。在一种方法中，当聚乙烯亚胺(PEI)和聚烯丙基胺(PLA)分子量范围为约65000Da至约750000Da的情况下，该纤维素衍生物与聚胺的比例为约1：5到约1:20(重量比)。
在一个方面，聚胺是具有核心或中心的、包括胺基团和分支的树枝状高分子，其可从所述核心或中心的功能基团开始，通过一系列迭代反应以提供高度分支化的胺聚合物。在一个方面，树枝状聚合物分子可以是圆形或基本上圆形或具有三维的形态，其是球形的或具有一个外周边是弯曲的或是由曲线界定。在一个重要的方面，树枝状聚合物具有基于所述树枝状聚合物重量至少24.5(重量)％，优选25-80(重量)％的胺基(以N原子重量计算)，以为多糖-聚胺共聚物材料在质子化形成阳离子聚合物基体时有效地提供基于阳离子材料的至少12.3(重量)％(以N原子重量计算)的阳离子含量。
该共价交联共聚物产品的粒径可以通过将共价交联多官能伯胺(例如聚乙烯亚胺)与具有低、中、和非常高的分子量(例如范围从约15,000道尔顿至约750000道尔顿)的多糖衍生物(例如2,3-二醛纤维素)进行反应来调节，以获得纳米颗粒、微米颗粒、和毫米大小的颗粒。
多糖-聚胺共聚物基体是多糖聚合物与聚胺相互连接形成的三维共价交联基体，尤其是在水合状态下。这些共价交联聚合物的三维结构是颗粒形式，这些颗粒具有从约100μm至约10毫米范围内的尺寸。脱水形式的多糖-聚胺共聚物或共聚基体并不携带任何永久的电荷。这些共聚物含有丰富胺基和少量的亚胺基。胺和亚胺被归类为pKa值在9至11范围内的弱碱。当暴露于pH低于9.0下水性环境中，多糖-聚胺共聚物或共聚物基体将被再水合、膨润、质子化并形成阳离子聚合物基体。
多糖聚合物，例如纤维素、淀粉、壳聚糖、葡聚糖、糖原和甲壳素，被氧化生成足够量的、能与聚胺反应的2,3-二醛基，以允许氧化聚合物与多胺基官能聚胺反应，这反过来提供具有基于多糖共聚物重量的至少12.5(重量)％的胺基官能(以N原子重量计算)的共价交联结构。聚胺共价交联多糖聚合物，如水溶性纤维素聚合物(具有二醛部分)来提供多糖衍生的“骨架”的三维结构，其中多个多糖链与多个聚胺链连接。这些多糖聚合物是预先存在的聚合物“块”或“骨架”，其被同样是预先存在的聚胺“块”连接在一起。在一种形式中，所述多糖-聚胺共聚物可被认为是二嵌段共聚物。连接的骨架作为胺聚合物(形成共价交联的块)和选择性氧化多糖的共价交联的产品键合在一起，以提供可被质子化的、具有高百分比的胺含量的交联的嵌段共聚物和共聚物基体。
得到的共价交联的共聚物，如多糖-聚胺共聚物，可以制备为固体粉末、凝胶和类似的形式。另外，当体外pH为7条件下磷酸盐水平是6.25mM时，共价交联的共聚物可以具有2.59±0.43mmol/g的磷酸盐结合能力。在一种形式中，体外在pH 6下，当磷酸盐浓度是5mm的生理磷酸盐水平下，共价交联的共聚物具有最大磷酸盐结合能力2.56±0.27mmol/g。根据一种形式，在室温下，在水中至少贮存3个月后，所述共价交联的的共聚物可显示稳定的磷酸根离子结合性质。根据一种形式中，该共价交联的共聚物的膨胀系数可以是6.43±0.36倍以上。
应当理解的是，含纤维素的天然原料，如小麦茎、稻草、木屑等可以转化为共价交联的共聚物(如纤维素-聚胺聚合物)的制备中有用的衍生物。
本发明的共价交联的共聚物可用于各种目的。本文也描述了从人体和其它哺乳动物的身体除去磷酸盐化合物的方法。该方法包括口服具有非常高密度阳离子位点的多糖-聚胺共聚物材料和/或阳离子聚合物材料。这些化合物的施用达到了与司维拉姆(Sevelamer)相当的水平。
生产出可维持高正电荷密度的生物相容的阳离子聚合物，使其对多价阴离子(包括磷酸盐、带负电荷的肽和金属阴离子等)具有强的结合力。高纯度GNP级材料可以用来制造一种用于治疗慢性肾脏疾病诱发的高磷血症的药物。
此外，共价交联的共聚物可以被用作高容量的阴离子交换剂以从废水/径流水中除去硝酸盐、磷酸盐、金属阴离子以达到防止环境污染的目的。在另一形式中，共价交联的共聚物可以以药物或膜的形式用作磷酸盐的结合例如用于高磷血症。
下面通过具体的实例来更具体地描述本发明多糖-聚胺共聚物的结构、组成以及制备方法。本发明多糖-聚胺共聚物的表征均采用本领域的成熟手段。例如，聚胺、多糖-聚胺共聚物的氮含量可以通过分子式推算以及通过元素分析测量；多糖-聚胺共聚物的孔径由光学显微镜测量；FI-IR通过Thermo Nicolet 4700FT-IR Spectrometer测量；
实施例1多糖-聚胺共聚物的制备
1.由高碘酸钠氧化合成2,3-二醛纤维素(DAC)：
1.1.由高碘酸钠氧化纤维素制备可溶性2,3-二醛纤维素(2,3-dialdehydecellulose，DAC)(氧化的葡萄糖单元>80％)
1).用200毫升去离子水分散10克纤维素(粒度<100nm、20微米或50微米或纤维)；
2).添加20克高碘酸钠；
3).用6x的HCl调节pH至3.0；
4).用氮气脱气并吹扫；
5).在黑暗中、60℃、pH＝3下搅拌反应4小时；
6).通过添加10毫升乙二醇停止反应；
7).用去离子水对产品进行透析3天；
8).在40,000g下离心30分钟，收集作为上清的可溶的DAC，以除去不溶性的DAC；
9).收集的上清进行冷冻干燥(可选)。
1.2.由高碘酸钠氧化纤维素(氧化的葡萄糖单元数<80％)合成不溶的2,3-二醛纤维素(DAC)：
1).分散10克纤维素(尺寸：<100nm、20微米、50微米或纤维)于200毫升去离子水中；
2).添加10克高碘酸钠；
3).用6x的HCl调节pH至3.0；
4).用氮气脱气并吹扫；
5).在黑暗中、60℃、pH＝3下搅拌反应4小时；
6).通过添加10毫升乙二醇停止反应；
7).产物用去离子水洗涤；
8).在2000g下离心分离10分钟，收集不溶的DAC；
9).洗涤后的不溶DAC将用去离子水(DI water)进行再分散。
10).洗涤后的不溶DAC进行冷冻干燥(可选)。
Poly(allylamine hydrochloride):PLA聚(丙烯胺盐酸盐)/聚烯丙基胺盐酸盐/
Polyethyleneimine:PEI聚乙烯亚胺
2.由可溶的DAC与PEI制备多糖-聚胺共聚物
PEI分子量750K，DAC与PEI重量比例1：10
1).将45克支链状聚乙烯亚胺PEI(分子量750K，50重量％的水溶液)添加到500mL烧杯中；
2).用37％HCl调整PEI的pH为1.0；
3).将5克上述支链状聚乙烯亚胺PEI(分子量750K，50重量％的水溶液)加入到50ml离心管中并用等体积的去离子水稀释；
4).通过加入6X HCl调节上述含有5克可溶性DAC的100毫升溶液的pH值至1.0；
5).PEI的溶液和DAC的溶液在冰上温育10分钟；
6).将含有45克PEI的溶液和含有5g DAC的溶液混合，并在冰上温育10分钟，同时搅拌；
7).将含5克稀释的PEI的溶液快速加入到上述PEI-DAC混合物中，在冰上温育并在1000rpm搅拌5分钟；
8).将混合物保持在冰上不搅拌直到水凝胶完全形成；
9).将上述水凝胶在70℃温育60分钟；
10).通过网筛筛分水凝胶以实现凝胶颗粒具有均匀的尺寸；
11).加入去离子水，使水凝胶颗粒悬浮液的总体积至1000ml；
12).水凝胶颗粒的悬浮液在70℃另外温育60分钟，每隔10分钟检测该悬浮液的pH值，并用5M氢氧化钠溶液调整到8.5；
13).凝胶颗粒通过重力在室温下沉淀；
14).吸出上清液后，将颗粒用4升100mM、pH 8.5的碳酸氢钠溶液在搅拌下孵育60分钟，并在室温通过重力沉淀；
15).吸出上清液后，将沉淀的凝胶颗粒物用4升去离子水洗涤两次并通过重力沉淀；
16).吸出上清液后，通过加入10克硼氢化钠还原沉淀的凝胶颗粒，并在室温下温育72小时；
17).还原的凝胶颗粒用去离子水洗涤以除去过量的硼氢化钠和PEI直到溶液的pH在5和6之间；
18).洗涤后的凝胶颗粒冷冻干燥(可选)。所获最终产品为白色或淡黄色水胶状颗粒，合成产率为70-80％，含氮量约为20％。
实施例2多糖-聚胺共聚物的制备
反应条件与实施例1相同，不同的是PEI分子量750K，DAC与PEI重量比例1：20。所获最终产品为白色或淡黄色水胶状颗粒，合成产率为50-60％，含氮量约为21.5％。
实施例3多糖-聚胺共聚物的制备
反应条件与实施例1相同，不同的是DAC与PEI重量比例1：30。所获最终产品为白色或淡黄色水胶状颗粒，合成产率为20-40％，含氮量约为22％。
实施例4多糖-聚胺共聚物的制备
反应条件与实施例1相同，不同的是PEI分子量为25K，DAC与PEI重量比例1：1。所获最终产品为白色或淡黄色固体颗粒，合成产率为60-70％，含氮量约为12.5％。
实施例5多糖-聚胺共聚物的制备
反应条件与实施例1相同，不同的是PEI分子量为25K，DAC与PEI重量比例1：2。所获最终产品为白色或淡黄色固体颗粒，合成产率为20-40％，含氮量约为15％。
实施例6多糖-聚胺共聚物的制备
反应条件与实施例3相同，不同的是DAC与PEI重量比例1：3。所获最终产品为白色或淡黄色水胶颗粒，合成产率为10-20％，含氮量约为16.9％。
实施例7多糖-聚胺共聚物的制备
由不可溶的DAC与聚胺制备颗粒状的多糖-聚胺共聚物
1).50g聚(烯丙胺盐酸盐)(分子量58K和15K)或聚乙烯亚胺(分子量750K和25K)分散于去离子水中以达到总体积100毫升；
2).用37％HCl或NaOH调节溶液pH至9.0并通过加入去离子水使总体积至300毫升；
3).用100mL去离子水分散该不溶DAC；
4).用6N盐酸调节pH至2后，将不溶性的DAC悬浮液在500rpm搅拌下、以10ml/min的速度加入到聚胺溶液中，然后在70℃温育60分钟；
5).通过网筛筛分水凝胶以实现凝胶颗粒具有均匀的尺寸；
6).用5M氢氧化钠溶液滴定颗粒悬浮液至pH 8.5；
7).加入去离子水，使凝胶颗粒悬浮液的总体积在500ml、pH至8.5；
8).凝胶颗粒的悬浮液在70℃温育另外60分钟，每隔10分钟检测悬浮液的pH，并用5M氢氧化钠溶液调整到8.5；
9).凝胶颗粒通过重力在室温下沉淀；
10).吸出上清液后，将颗粒用4升100mM、pH 8.5的碳酸氢钠溶液在搅拌下孵育60分钟，并在室温通过重力沉淀；
11).吸出上清液后，将沉淀的凝胶颗粒物用4升去离子水洗涤两次并通过重力沉淀；
12).通过加入10克硼氢化钠还原沉淀的凝胶颗粒，并在室温下温育72小时；
13).还原的凝胶颗粒用去离子水洗涤以除去过量的硼氢化钠和聚胺直到溶液的pH在5和6之间；
14.对洗涤后的凝胶颗粒冷冻干燥(可选)，所获最终产品为白色或淡黄色固体颗粒，合成产率为50-80％，含氮量约为12.5％。
实施例8多糖-聚胺共聚物的制备
反应条件与实施例7相同，不同的是聚胺为PLA(MW 58K)，DAC与PLA重量比例1：5。获得最终产品，所获最终产品为白色或淡黄色固体颗粒，合成产率为50-80％，含氮量约为18％。
实施例9多糖-聚胺共聚物的制备
反应条件与实施例8相同，不同的是DAC与PLA重量比例1：10。所获最终产品为白色或淡黄色水胶颗粒，合成产率为40-60％，含氮量约为20％。
实施例10多糖-聚胺共聚物的制备
反应条件与实施例8相同，不同的是DAC与PLA重量比例1：20。所获最终产品为白色或淡黄色水胶颗粒，合成产率为30-50％，含氮量约为21％。
实施例11多糖-聚胺共聚物的形貌
图4显示了本发明产品的外观形貌。图4A是多糖-聚胺共聚物正电化后形成的阳离子共聚物CelloPhos；图4B是还原后的颗粒状CelloPhos；图4C是按照实施例1的步骤获得的产品在空气中干燥后的颗粒状CelloPhos(DAC:PEI 750K＝1:20)；图4D是按照实施例2获得的产品空气中干燥后的颗粒状CelloPhos(DAC:PEI750K＝1:20)；图4E是用曙红Eosin染色的颗粒状CelloPhos相位对比图。从结果可以得到的结论有：
1)本发明的多糖-聚胺共聚物是在特殊的共聚反应条件下得到的亲水材料水凝胶；
2)通过筛分获得均一的、小粒径的水凝胶；
3)空气干燥可以获得黄色粉末状颗粒；
4)正电化的多糖-聚胺共聚物颗粒可以结合染料曙红Eosin；
5)多糖-聚胺共聚物颗粒具有多孔、多层的结构，这增强了其对磷酸根的吸附、结合能力。
实施例12多糖-聚胺共聚物的FT-IR图谱
图5显示了本发明产品的FT-IR图谱。其中，图5A，1：纤维素；2：被选择性氧化的2,3-二醛纤维素；3：分支状的PEI(MW 750K and 25K)；4：多糖-聚胺共聚物CelloPhos(PEI MW750K，DAC:PEI＝1:20)。图5B，5：纤维素；6：被选择性氧化的2,3-二醛纤维素；7：分支状的PLA(MW 58K)；8：多糖-聚胺共聚物CelloPhos(PLA MW 58K，DAC:PLA＝1:20)。图5C，9：多糖-聚胺共聚物CelloPhos(PEI MW 25K，DAC:PEI＝1:10)；10：多糖-聚胺共聚物CelloPhos(PEIMW 750K，DAC:PEI＝1:20)；11：多糖-聚胺共聚物CelloPhos(PLA MW 58K，DAC:PLA＝1:20)。
从图5可以看出，多糖-聚胺共聚物CelloPhos的FT-IR谱图明显区别于反应物的FT-IR谱图。由图可见，本发明得到的新物质多糖-聚胺共聚物CelloPhos具有独特的FT-IR吸收光谱。
实施例13不同的磷酸根浓度下多糖-聚胺共聚物的磷酸根结合能力
图6展示了不同的磷酸根浓度下(pH＝7.0)多糖-聚胺共聚物CelloPhos(PEIMW750K,DAC:PEI＝1:20)的磷酸根结合能力。由图可见，在磷酸根浓度在约22.5mM以上时，CelloPhos(PEI MW750K,DAC:PEI＝1:20)的磷酸根结合能力达到了最大值5.937±0.794mmol/g。在磷酸根浓度约为6.25mM时，CelloPhos(PEI MW750K,DAC:PEI＝1:20)的磷酸根结合能力为2.55±0.38mmol/g。
实施例14本发明的多糖-聚胺共聚物磷酸盐结合能力与司维拉姆(Renagel,Renvela)的磷酸盐结合能力对比
图7展示了本发明的多糖-聚胺共聚物CelloPhos的磷酸根离子结合能力与司维拉姆(Renagel,Renvela)的磷酸根离子结合能力对比。由图可见，1)CelloPhos(PEI MW 750K,DAC:PEI＝1:20)在磷酸根浓度约为6.25mM时、pH＝7.0的体外环境下，可以结合2.585±0.26mmol/g磷酸根；2)CelloPhos(PLA MW 58K,DAC:PLA＝1:20)在磷酸根浓度约为6.25mM时、pH＝7.0的体外环境下，可以结合3.01±0.12mmol/g磷酸根；3)CelloPhos(PEI MW25K,DAC:PEI＝1:20)在磷酸根浓度约为6.25mM时、pH＝7.0的体外环境下，可以结合2.46±0.26mmol/g磷酸根；4)司维拉姆(Renagel,Renvela)在磷酸根浓度约为6.25mM时、pH＝7.0的体外环境下，可以结合2.78±0.61mmol/g磷酸根。也就是说，本发明的多糖-聚胺共聚物磷酸盐/磷酸根离子结合能力与司维拉姆(Renagel,Renvela)相当，甚至在某些情况下超过了司维拉姆(Renagel,Renvela)。
实施例15
本发明的多糖-聚胺共聚物通过口服结合食物中的磷并抑制其吸收，可显著降低大鼠模型尿磷含量。Rodent 5008Fomulab(LabDiet,Louis,MO含1.07％非有机磷原子作为标准食物。CelloPhos(PEI MW 750K,DAC:PEI＝1:20)以1％重量比加入标准食物作为实验食物。纤维素也已1％的重量比加入标准食物作为负控制食物。雌性和雄性大鼠(SpragueDawley)先以标准食物喂养14天。在第14天，24小时尿样通过代谢笼收集。其尿磷总量作为基线。随后将标准食物更换为实验食物和负控制食物。并于更换食物后第7天和第23天利用代谢笼收集24小时尿样。尿磷减少比率可由以下共是算出：尿磷减少％＝{[(24小时尿磷基线(毫克/日)-实验或负控制组24小时尿磷总量(毫克/日)]÷24小时尿磷基线(毫克/日)}x100％。
表1展示了口服CelloPhos仅6天便可将实验动物尿磷减少近43％。服用21天后可将尿磷降低约57％。因此与现有口服磷结合剂相似，CelloPhos可通过其口服与食物中的磷结合并抑制其被小肠吸收从而显著降低尿磷含量。
表1、口服CelloPhos实验动物尿磷减少的实验数据
以上所述仅是本发明的示范性实施方式，而非用于限制本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附的权利要求确定。

Claims (92)

1.一种多糖-聚胺共聚物，所述多糖-聚胺共聚物由以下两部分共聚形成：
具有2,3-二醛基的被选择性氧化的多糖，和具有胺基功能团的聚胺；
所述具有胺基功能团的聚胺与所述具有2,3-二醛基的被选择性氧化的多糖共价交联形成网状结构，得到具有胺基功能团的水凝胶或颗粒状的多糖-聚胺共聚物，所述具有胺基功能团的水凝胶或颗粒状的多糖-聚胺共聚物中的胺基功能团可被质子化而形成具有质子化位点的三维网状结构阳离子共聚物，所述阳离子共聚物的氮含量和所述多糖-聚胺共聚物的氮含量在12.3wt％以上，所述阳离子共聚物和所述多糖-聚胺共聚物均不溶于水；
其中所述具有2,3-二醛基的被选择性氧化的多糖中被氧化的葡萄糖单位数量占所有葡萄糖单位数量的50％以上。
2.根据权利要求1所述的多糖-聚胺共聚物，其中所述阳离子共聚物的氮含量和所述多糖-聚胺共聚物的氮含量在15wt％以上。
3.根据权利要求1所述的多糖-聚胺共聚物，其中所述阳离子共聚物的氮含量和所述多糖-聚胺共聚物的氮含量在22wt％以上。
4.根据权利要求1所述的多糖-聚胺共聚物，其中所述阳离子共聚物的氮含量和所述多糖-聚胺共聚物的氮含量在40wt％以上。
5.根据权利要求1所述的多糖-聚胺共聚物，其中所述具有2,3-二醛基的被选择性氧化的多糖中被氧化的葡萄糖单位数量占所有葡萄糖单位数量的70％以上。
6.根据权利要求1所述的多糖-聚胺共聚物，其中所述具有2,3-二醛基的被选择性氧化的多糖中被氧化的葡萄糖单位数量占所有葡萄糖单位数量的80％以上。
7.根据权利要求1所述的多糖-聚胺共聚物，其中所述具有胺基功能团的聚胺的氮含量在24.5wt％以上。
8.根据权利要求1所述的多糖-聚胺共聚物，其中所述具有胺基功能团的聚胺的氮含量在30wt％以上。
9.根据权利要求1所述的多糖-聚胺共聚物，其中所述具有胺基功能团的聚胺的氮含量在44wt％以上。
10.根据权利要求1所述的多糖-聚胺共聚物，其中所述具有胺基功能团的聚胺的氮含量在80wt％以上。
11.根据权利要求1或7所述的多糖-聚胺共聚物，其中所述具有胺基功能团的聚胺的分子量为15000-900000。
12.根据权利要求1或7所述的多糖-聚胺共聚物，其中所述具有2,3-二醛基的被选择性氧化的多糖选自下述物质中的一种或多种：被选择性氧化的纤维素、被选择性氧化的淀粉(starch)、被选择性氧化的壳聚糖、被选择性氧化的葡聚糖、被选择性氧化的糖元、被选择性氧化的甲壳素。
13.根据权利要求1或7所述的多糖-聚胺共聚物，其中所述具有2,3-二醛基的被选择性氧化的多糖包括被选择性氧化的支链淀粉(amylopectin)。
14.根据权利要求1或7所述的多糖-聚胺共聚物，其中所述具有2,3-二醛基的被选择性氧化的多糖具有β-1,4-糖苷键和β-1,6-糖苷键的至少之一。
15.根据权利要求14所述的多糖-聚胺共聚物，其中所述具有2,3-二醛基的被选择性氧化的多糖具有β-1,4-糖苷键且不具有β-1,6-糖苷键。
16.根据权利要求1或7所述的多糖-聚胺共聚物，其中所述具有2,3-二醛基的被选择性氧化的多糖选自下述物质中的一种或多种：被选择性氧化的纤维素、被选择性氧化的支链淀粉(amylopectin)、被选择性氧化的壳聚糖、被选择性氧化的甲壳素。
17.根据权利要求1或7所述的多糖-聚胺共聚物，其中所述具有胺基功能团的聚胺选自下述物质中的一种或多种：聚乙烯亚胺(PEI)、聚烯丙基胺、聚丙烯亚胺、聚丙烯亚胺四胺。
18.根据权利要求1或7所述的多糖-聚胺共聚物，其中所述具有胺基功能团的聚胺具有支链结构或者树枝状结构。
19.根据权利要求1或7所述的多糖-聚胺共聚物，其中所述具有胺基功能团的水凝胶或颗粒状的多糖-聚胺共聚物和所述阳离子共聚物的尺寸在30μm-10mm之间。
20.根据权利要求1或7所述的多糖-聚胺共聚物，其中所述具有胺基功能团的水凝胶或颗粒状的多糖-聚胺共聚物和所述阳离子共聚物的尺寸在100μm-10mm之间。
21.根据权利要求1或7所述的多糖-聚胺共聚物，其中所述具有胺基功能团的水凝胶或颗粒状的多糖-聚胺共聚物和所述阳离子共聚物的尺寸在300μm-5mm之间。
22.根据权利要求1或7所述的多糖-聚胺共聚物，其中所述具有胺基功能团的水凝胶或颗粒状的多糖-聚胺共聚物和所述阳离子共聚物具有直径小于50μm的孔。
23.一种多糖-聚胺共聚物的制备方法，包括：
将具有2,3-二醛基的被选择性氧化的多糖与具有胺基功能团的聚胺发生共价交联反应形成网状结构，得到具有胺基功能团的水凝胶或颗粒状的多糖-聚胺共聚物，所述具有胺基功能团的水凝胶或颗粒状的多糖-聚胺共聚物中的胺基功能团可被质子化而形成具有质子化位点的三维网状结构阳离子共聚物，所述阳离子共聚物的氮含量和所述多糖-聚胺共聚物的氮含量在12.3wt％以上，所述阳离子共聚物和所述多糖-聚胺共聚物均不溶于水；
其中所述具有2,3-二醛基的被选择性氧化的多糖中被氧化的葡萄糖单位数量占所有葡萄糖单位数量的50％以上。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述阳离子共聚物的氮含量和所述多糖-聚胺共聚物的氮含量在15wt％以上。
25.根据权利要求23所述的方法，其中所述阳离子共聚物的氮含量和所述多糖-聚胺共聚物的氮含量在22wt％以上。
26.根据权利要求23所述的方法，其中所述阳离子共聚物的氮含量和所述多糖-聚胺共聚物的氮含量在40wt％以上。
27.根据权利要求23所述的方法，其中所述具有2,3-二醛基的被选择性氧化的多糖中被氧化的葡萄糖单位数量占所有葡萄糖单位数量的70％以上。
28.根据权利要求23所述的方法，其中所述具有2,3-二醛基的被选择性氧化的多糖中被氧化的葡萄糖单位数量占所有葡萄糖单位数量的80％以上。
29.根据权利要求23所述的方法，其中所述具有胺基功能团的聚胺的氮含量在24.5wt％以上。
30.根据权利要求23所述的方法，其中所述具有胺基功能团的聚胺的氮含量在30wt％以上。
31.根据权利要求23所述的方法，其中所述具有胺基功能团的聚胺的氮含量在44wt％以上。
32.根据权利要求23所述的方法，其中所述具有胺基功能团的聚胺的氮含量在80wt％以上。
33.根据权利要求23或29所述的方法，其中所述具有胺基功能团的聚胺的分子量为15000-900000。
34.根据权利要求23或29所述的方法，其中所述具有2,3-二醛基的被选择性氧化的多糖选自下述物质中的一种或多种：被选择性氧化的纤维素、被选择性氧化的淀粉、被选择性氧化的壳聚糖、被选择性氧化的葡聚糖、被选择性氧化的糖元、被选择性氧化的甲壳素。
35.根据权利要求23或29所述的方法，其中所述具有2,3-二醛基的被选择性氧化的多糖包括被选择性氧化的支链淀粉。
36.根据权利要求23或29所述的方法，其中所述具有2,3-二醛基的被选择性氧化的多糖具有β-1,4-糖苷键和β-1,6-糖苷键的至少之一。
37.根据权利要求36所述的方法，其中所述具有2,3-二醛基的被选择性氧化的多糖具有β-1,4-糖苷键且不具有β-1,6-糖苷键。
38.根据权利要求23或29所述的方法，其中所述具有2,3-二醛基的被选择性氧化的多糖选自下述物质中的一种或多种：被选择性氧化的纤维素、被选择性氧化的支链淀粉、被选择性氧化的壳聚糖、被选择性氧化的甲壳素。
39.根据权利要求23或29所述的方法，其中所述具有胺基功能团的聚胺选自下述物质中的一种或多种：聚乙烯亚胺(PEI)、聚烯丙基胺、聚丙烯亚胺、聚丙烯亚胺四胺。
40.根据权利要求23或29所述的方法，其中所述具有胺基功能团的聚胺具有支链结构或者树枝状结构。
41.根据权利要求23或29所述的方法，其中所述具有胺基功能团的水凝胶或颗粒状的多糖-聚胺共聚物和所述阳离子共聚物的尺寸在30μm-10mm之间。
42.根据权利要求23或29所述的方法，其中所述具有胺基功能团的水凝胶或颗粒状的多糖-聚胺共聚物和所述阳离子共聚物的尺寸在100μm-10mm之间。
43.根据权利要求23或29所述的方法，其中所述具有胺基功能团的水凝胶或颗粒状的多糖-聚胺共聚物和所述阳离子共聚物的尺寸在300μm-5mm之间。
44.根据权利要求23或29所述的方法，其中所述具有胺基功能团的水凝胶或颗粒状的多糖-聚胺共聚物和所述阳离子共聚物具有直径小于50μm的孔。
45.根据权利要求23或29所述的方法，其中该方法包括三个步骤，步骤一，通过氧化反应，通过选择性地氧化多糖的葡萄糖单元C2和C3上的羟基产生醛基，得到所述的具有2,3-二醛基的被选择性氧化的多糖；步骤二，所述具有2,3-二醛基的被选择性氧化的多糖中的醛基与所述聚胺中的胺基反应形成亚胺衍生物；步骤三，通过还原反应，将所述亚胺衍生物中亚胺的碳-氮双键转化为胺的碳-氮单键，得到所述多糖-聚胺共聚物。
46.根据权利要求45所述的方法，其中步骤一中选择性地氧化用到的氧化剂包括高碘酸或高碘酸盐。
47.根据权利要求45所述的方法，其中步骤一中选择性地氧化用到的氧化剂包括高碘酸钠、高碘酸钾。
48.根据权利要求45所述的方法，其中步骤三的所述还原反应为加氢还原反应，所用的还原剂包括硼氢化钠或硼氢化钾。
49.一种从含磷酸盐的水溶液中有效去除磷酸盐的方法，包括将所述含磷酸盐的水溶液与具有可质子化的胺基功能团的、三维网状结构的、颗粒状的多糖-聚胺共聚物接触，所述颗粒状的多糖-聚胺共聚物包括：
具有2,3-二醛基的被选择性氧化的多糖，和具有胺基功能团的聚胺；
所述具有胺基功能团的聚胺与所述具有2,3-二醛基的被选择性氧化的多糖共价交联形成网状结构，得到具有胺基功能团的水凝胶或颗粒状的多糖-聚胺共聚物，所述具有胺基功能团的水凝胶或颗粒状的多糖-聚胺共聚物中的胺基功能团被质子化而形成具有质子化位点的三维网状结构阳离子共聚物，所述阳离子共聚物的氮含量在12.3wt％以上，所述阳离子共聚物和所述多糖-聚胺共聚物均不溶于水；
其中所述具有2,3-二醛基的被选择性氧化的多糖中被氧化的葡萄糖单位数量占所有葡萄糖单位数量的50％以上。
50.根据权利要求49所述的方法，其中所述阳离子共聚物的氮含量在15wt％以上。
51.根据权利要求49所述的方法，其中所述阳离子共聚物的氮含量在22wt％以上。
52.根据权利要求49所述的方法，其中所述阳离子共聚物的氮含量在40wt％以上。
53.根据权利要求49所述的方法，其中所述具有2,3-二醛基的被选择性氧化的多糖中被氧化的葡萄糖单位数量占所有葡萄糖单位数量的70％以上。
54.根据权利要求49所述的方法，其中所述具有2,3-二醛基的被选择性氧化的多糖中被氧化的葡萄糖单位数量占所有葡萄糖单位数量的80％以上。
55.根据权利要求49所述的方法，其中所述具有胺基功能团的聚胺中的氮含量在24.5wt％以上。
56.根据权利要求49所述的方法，其中所述具有胺基功能团的聚胺中的氮含量在30wt％以上。
57.根据权利要求49所述的方法，其中所述具有胺基功能团的聚胺中的氮含量在44wt％以上。
58.根据权利要求49所述的方法，其中所述具有胺基功能团的聚胺中的氮含量在80wt％以上。
59.根据权利要求49或55所述的方法，其中所述具有胺基功能团的聚胺的分子量为15000-900000。
60.根据权利要求49或55所述的方法，其中所述具有2,3-二醛基的被选择性氧化的多糖选自下述物质中的一种或多种：被选择性氧化的纤维素、被选择性氧化的淀粉、被选择性氧化的壳聚糖、被选择性氧化的葡聚糖、被选择性氧化的糖元、被选择性氧化的甲壳素。
61.根据权利要求49或55所述的方法，其中所述具有2,3-二醛基的被选择性氧化的多糖包括被选择性氧化的支链淀粉。
62.根据权利要求49或55所述的方法，其中所述具有2,3-二醛基的被选择性氧化的多糖具有β-1,4-糖苷键和β-1,6-糖苷键的至少之一。
63.根据权利要求62所述的方法，其中所述具有2,3-二醛基的被选择性氧化的多糖具有β-1,4-糖苷键且不具有β-1,6-糖苷键。
64.根据权利要求49或55所述的方法，其中所述具有2,3-二醛基的被选择性氧化的多糖选自下述物质中的一种或多种：被选择性氧化的纤维素、被选择性氧化的支链淀粉、被选择性氧化的壳聚糖、被选择性氧化的甲壳素。
65.根据权利要求49或55所述的方法，其中所述具有胺基功能团的聚胺选自下述物质中的一种或多种：聚乙烯亚胺(PEI)、聚烯丙基胺、聚丙烯亚胺、聚丙烯亚胺四胺。
66.根据权利要求49或55所述的方法，其中所述具有胺基功能团的聚胺具有支链结构或者树枝状结构。
67.根据权利要求49或55所述的方法，其中所述具有胺基功能团的水凝胶或颗粒状的多糖-聚胺共聚物和所述阳离子共聚物的尺寸在30μm-10mm之间。
68.根据权利要求49或55所述的方法，其中所述具有胺基功能团的水凝胶或颗粒状的多糖-聚胺共聚物和所述阳离子共聚物的尺寸在100μm-10mm之间。
69.根据权利要求49或55所述的方法，其中所述具有胺基功能团的水凝胶或颗粒状的多糖-聚胺共聚物和所述阳离子共聚物的尺寸在300μm-5mm之间。
70.根据权利要求49或55所述的方法，其中所述具有胺基功能团的水凝胶或颗粒状的多糖-聚胺共聚物和所述阳离子共聚物具有直径小于50μm的孔。
71.一种阳离子共聚物，所述阳离子共聚物包括质子化的多糖-聚胺共聚物，所述多糖-聚胺共聚物由以下两部分共聚形成：
具有2,3-二醛基的被选择性氧化的多糖，和具有胺基功能团的聚胺；
所述具有胺基功能团的聚胺与所述具有2,3-二醛基的被选择性氧化的多糖共价交联形成网状结构，得到具有胺基功能团的水凝胶或颗粒状的多糖-聚胺共聚物，所述具有胺基功能团的水凝胶或颗粒状的多糖-聚胺共聚物中的胺基功能团被质子化而形成具有质子化位点的三维网状结构阳离子共聚物，所述阳离子共聚物的氮含量在12.3wt％以上，所述阳离子共聚物和所述多糖-聚胺共聚物均不溶于水；
其中所述具有2,3-二醛基的被选择性氧化的多糖中被氧化的葡萄糖单位数量占所有葡萄糖单位数量的50％以上。
72.根据权利要求71所述的阳离子共聚物，其中所述阳离子共聚物的氮含量在15wt％以上。
73.根据权利要求71所述的阳离子共聚物，其中所述阳离子共聚物的氮含量在22wt％以上。
74.根据权利要求71所述的阳离子共聚物，其中所述阳离子共聚物的氮含量在40wt％以上。
75.根据权利要求71所述的阳离子共聚物，其中所述具有2,3-二醛基的被选择性氧化的多糖中被氧化的葡萄糖单位数量占所有葡萄糖单位数量的70％以上。
76.根据权利要求71所述的阳离子共聚物，其中所述具有2,3-二醛基的被选择性氧化的多糖中被氧化的葡萄糖单位数量占所有葡萄糖单位数量的80％以上。
77.根据权利要求71所述的阳离子共聚物，其中所述具有胺基功能团的聚胺中的氮含量在24.5wt％以上。
78.根据权利要求71所述的阳离子共聚物，其中所述具有胺基功能团的聚胺中的氮含量在30wt％以上。
79.根据权利要求71所述的阳离子共聚物，其中所述具有胺基功能团的聚胺中的氮含量在44wt％以上。
80.根据权利要求71所述的阳离子共聚物，其中所述具有胺基功能团的聚胺中的氮含量在80wt％以上。
81.根据权利要求71或77所述的阳离子共聚物，其中所述具有胺基功能团的聚胺的分子量为15000-900000。
82.根据权利要求71或77所述的阳离子共聚物，其中所述具有2,3-二醛基的被选择性氧化的多糖选自下述物质中的一种或多种：被选择性氧化的纤维素、被选择性氧化的淀粉、被选择性氧化的壳聚糖、被选择性氧化的葡聚糖、被选择性氧化的糖元、被选择性氧化的甲壳素。
83.根据权利要求71或77所述的阳离子共聚物，其中所述具有2,3-二醛基的被选择性氧化的多糖包括被选择性氧化的支链淀粉。
84.根据权利要求71或77所述的阳离子共聚物，其中所述具有2,3-二醛基的被选择性氧化的多糖具有β-1,4-糖苷键和β-1,6-糖苷键的至少之一。
85.根据权利要求84的任一项所述的阳离子共聚物，其中所述具有2,3-二醛基的被选择性氧化的多糖具有β-1,4-糖苷键且不具有β-1,6-糖苷键。
86.根据权利要求71或77所述的阳离子共聚物，其中所述具有2,3-二醛基的被选择性氧化的多糖选自下述物质中的一种或多种：被选择性氧化的纤维素、被选择性氧化的支链淀粉、被选择性氧化的壳聚糖、被选择性氧化的甲壳素。
87.根据权利要求71或77所述的阳离子共聚物，其中所述具有胺基功能团的聚胺选自下述物质中的一种或多种：聚乙烯亚胺(PEI)、聚烯丙基胺、聚丙烯亚胺、聚丙烯亚胺四胺。
88.根据权利要求71或77所述的阳离子共聚物，其中所述具有胺基功能团的聚胺具有支链结构或者树枝状结构。
89.根据权利要求71或77所述的阳离子共聚物，其中所述具有胺基功能团的水凝胶或颗粒状的多糖-聚胺共聚物和所述阳离子共聚物的尺寸在30μm-10mm之间。
90.根据权利要求71或77所述的阳离子共聚物，其中所述具有胺基功能团的水凝胶或颗粒状的多糖-聚胺共聚物和所述阳离子共聚物的尺寸在100μm-10mm之间。
91.根据权利要求71或77所述的阳离子共聚物，其中所述具有胺基功能团的水凝胶或颗粒状的多糖-聚胺共聚物和所述阳离子共聚物的尺寸在300μm-5mm之间。
92.根据权利要求71或77所述的阳离子共聚物，其中所述具有胺基功能团的水凝胶或颗粒状的多糖-聚胺共聚物和所述阳离子共聚物具有直径小于50μm的孔。
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