CN109970957B - 一种具有碱性共聚中心的可控生物降解的共聚物 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有碱性共聚中心的可控生物降解的共聚物；一种由不同旋光比的丙交酯、己内酯和碱性共聚中心制备的共聚物，该共聚物可以改善因聚乳酸降解引起的pH值下降，提高共聚物的生物相容性。本发明提供的一种生物降解共聚物具有优异的机械强度、生物相容性和pH调节功能，可广泛应用于组织工程领域中所用的载体或器件，特别是应用于制备神经导管。

Description

一种具有碱性共聚中心的可控生物降解的共聚物

技术领域

本发明属于高分子材料领域，涉及一种具有碱性共聚中心的可控生物降解的共聚物，以及其在制备组织工程领域中所用的载体或器件中的应用。

背景技术

生物可降解聚合物按照来源可分为天然和合成两大类，天然可降解聚合物包括壳聚糖、甲壳素及其衍生物等；合成可降解聚合物分为人工合成和细菌合成两大类。细菌合成的可降解聚合物包括聚羟基烷基醇酯及聚B₂葡萄酸酯等，人工合成的可降解聚合物包括脂肪族聚酯、聚氨基酸和聚膦腈等，其中聚酯类是目前唯一被美国FDA批准用于生物医学领域的一类生物可降解材料，较常用的有：聚乳酸、聚羟基酸酯、聚己内酯、聚三亚甲基碳酸酯、乳酸-聚乙二醇共聚物等。

聚乳酸(PLA)也称为聚丙交酯。丙交酯(LA)是合成聚乳酸的中间体，可分为L-丙交酯、D-丙交酯、D,L-丙交酯三种。PLA不仅具有较好的化学惰性、易加工性，而且还具有优异的生物降解性、相容性和可吸收性，故而PLA及其共聚物现已广泛应用于生物医学工程领域，如外周神经修复导管、药物控制释放体系、骨折内固定物、组织修复、细胞培养和医用手术缝合线等。

聚己内酯(PCL)是由ε-己内酯在金属有机化合物做催化剂，二羟基或三羟基做引发剂条件下开环聚合而成的，其具有良好的生物降解性和生物相容性，并且安全无毒。聚乙二醇在人体内的代谢过程已相当清楚，是一种安全的、无副作用的合成高分子材料具有无毒、生物相容性好的材料，PEG的使用可以改善聚合物的亲水性。专利CN102989044A公开了一种以丙交酯、己内酯、对二氧环己酮、三亚甲基碳酸酯、乙交酯为起始物制备的共聚物，用于可降解的医用高分子管材的制备。专利CN1803204A共开了一种通过己内酯与丙交酯的无规共聚物与聚乳酸进行共混，制备韧性良好的可吸收生物膜。专利CN101878048A中提到了丙交酯与己内酯所形成的共聚物具有柔韧的性能，可以应用为医用植入体以及人工硬脑膜等。但是以上发明公开的共聚改性的材料普遍存在一个缺点，即在提高材料断裂伸长率的同时会导致材料拉伸强度的下降。

有研究表明，聚乳酸的左旋和右旋聚乳酸两种旋光异构体及其混合体-外消旋聚乳酸对其力学性能和生物降解性能方面有较大影响，如专利CN100462387C提到左旋丙交酯-己内酯共聚物与不同比例左旋/右旋丙交酯-己内酯共聚物在降解周期和力学特性方面有很大差距，但是该共聚物采用的己内酯结晶度比较高，亲水性较差，使其生物降解非常缓慢。

PLA在体内代谢会产生乳酸，乳酸的累积会导致PLA植入部位组织的pH值下降，而且PLA的疏水性会影响细胞在其表面的粘附和生长。有报道采用磷酸三钙、羟基磷灰石、碳酸氢钠、壳聚糖、赖氨酸等碱性物质通过物理共混的方式对PLA及其衍生物进行改性。专利CN103319696A公开了以羟基磷灰石、丙交酯、乙交酯、己内酯进行共聚，制备羟基磷灰石/可生物降解聚酯复合材料，用于骨组织缺损的修复支架，羟基磷灰石由于其优异的生物相容性及其与骨组织相似的成分特性，有利于骨缺损的修复。但是，该技术仅仅利用简单的机械共混的方法对聚乳酸及其衍生物进行改性，碱性添加物和聚合物基质间缺乏有效的键合，同时碱性物质在聚合物基体中易于团聚，并由此造成两相间的薄弱点，大幅降低材料的力学性能。专利CN 1872355A报道将多肽链段精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸引入聚合物端基，但是该多肽同时含有酸性氨基酸——天冬氨酸，降解过程中会进一步降低组织的pH值，不利于患者健康。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的问题，本发明通过协调丙交酯两种异构体的比例，结合己内酯和碱性多臂聚合中心制备了一种具有更优力学性能的共聚物；通过向丙交酯-己内酯共聚衍生物材料中引入碱性氨基酸，提供了一种可以改善聚乳酸降解引起的pH值下降，提高生物相容性的共聚物；通过协调丙交酯两种异构体的比例，并结合己内酯在韧性和降解时间方面的优异性能，提供了一种具有更高拉伸强度和弹性及降解性能的共聚物。

本发明提供一种可控生物降解共聚物材料，所述共聚物材料由A、B、C制备而成；

所述A为碱性共聚中心，由碱性改性物和聚乙二醇组成；

所述B为左旋丙交酯、右旋丙交酯或不同L/D值的丙交酯中的一种或多种；

所述C为己内酯。

进一步地，所述共聚物材料中丙交酯的左旋、右旋摩尔比为1:1-19:1。

进一步地，所述丙交酯的摩尔含量为45-90份；

所述己内酯的摩尔含量为10-40份；

所述碱性共聚中心的摩尔含量为5-20份。

进一步地，所述共聚物材料的特性粘度为1.0-7.0dl/g，多分散度≤1.5。

更进一步地，所述共聚物材料的特性粘度为2.0-6.0dl/g，多分散度≤1.3。

进一步地，所述共聚物材料为一种具有多臂结构的材料，其由碱性多臂聚合中心、丙交酯和己内酯制备而成的无规或嵌段共聚物。

进一步地，所述共聚物材料为由碱性共聚中心、丙交酯和己内酯制备而成的无规或嵌段共聚物。

所述碱性共聚中心由碱性改性物(AA)和聚乙二醇(PEG)制备而成；所述碱性改性物的摩尔含量为2-10份，PEG的摩尔含量为5-10份。

进一步地，所述AA选自精氨酸、组氨酸、赖氨酸及其二聚或多聚体中的一种或多种。

所述PEG为直链或多臂PEG，至少含有一个羧基，所述多臂臂数(n)为2～16，优选为2-4，平均分子量为600-5000。

更进一步地，所述碱性共聚中心的制备方法，包含以下步骤：

(1)羧基聚乙二醇溶解在去离子水中；

(2)将碳化二亚胺加入上述溶液中活化羧基；

(3)将碱性改性物加入活化后的羧基聚乙二醇溶液中，调节pH值后，继续反应；

(4)将步骤(3)所得产物经透析、冻干，即得。

本发明还提供一种可控生物降解共聚物材料的制备方法，所述制备方法包含以下步骤：

(1)不同旋光度的丙交酯、己内酯或碱性共聚中心分别加入到反应器中，混合后反复抽真空和充惰性气体至少两次；

(2)开环共聚反应：在氮气气氛下向反应器中加入开环聚合催化剂，将反应器加热到100-220℃，反应6-72小时；

(3)待反应器冷却后，将步骤(2)得到的产物加入到二氯甲烷中进行溶解，然后在无水乙醇中进行沉淀，将析出的产物进行干燥，得到改性的共聚物。

其中，所述的开环共聚温度为100-220℃，优选为120-160℃。

所述开环共聚时间为6-72小时，优选为12-24小时。

所述的开环聚合催化剂选自辛酸亚锡、三乙基铝、乳酸亚锡、二丁基锡中的一种或多种，优选为辛酸亚锡。

所述的共聚单体和开环聚合催化剂的用量摩尔比为1：0.00001-0.005；优选地，二者摩尔比为1:0.0001-0.001；

进一步地，所述可控生物降解共聚物材料在组织工程领域中所用的载体或器件中的应用，特别是在制备神经导管中的应用。

本发明的有益效果为：

(1)本发明所提供的生物可降解的共聚材料，相对分子量可调、机械强度高、柔韧性强、膨胀度小，可用于人体组织的再生修复；

(2)本发明所提供的生物可降解的共聚材料，是通过协同丙交酯两种旋光异构体的比例、PEG的含量，实现提高材料的机械强度和柔韧性，同时降低材料植入体内的膨胀率；

(3)多臂聚合中心的引入可有效的调控乳酸单元和己内酯单元分子链的构象，改善共聚

物的结晶性能，提高材料的力学性能、制备降解周期可控的共聚物；

(4)碱性氨基酸及其多聚体的引入不仅可以改善共聚物酸性中间降解产物对组织pH值的影响、改善共混方式对材料力学性能的不利影响，同时提高材料的亲水性和生物相容性。

附图说明

图1是自体神经移植修复大鼠坐骨神经90天后再生神经染色显微镜图片

图2是共聚物神经导管修复大鼠坐骨神经90天后再生神经染色显微镜图片

图3是对比例材料制备的神经导管修复大鼠坐骨神经90天后再生神经染色显微镜图片

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案和在外周神经缺损修复中的应用进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。

实施例1-4具有碱性共聚中心的直链或多臂共聚物

表1实施例1-4配方及其反应条件

表2碱性共聚中心的配方

碱性共聚中心的制备方法为：将羧基聚乙二醇溶解在去离子水中，然后将EDCI加入上述溶液中反应45min；将氨基酸加入活化后的羧基聚乙二醇溶液中，并使用1M的HCl调节pH值至4，室温下继续反应2h后pH值升到6继续反应1h；产物在1mM的盐酸溶液中于10℃透析，重复透析两次(透析液加1％氯化钠)，冻干。

共聚物的制备方法：将碱性共聚中心、左旋、右旋丙交酯、己内酯，混合后加入到反应器中，混合后反复抽真空和充氮气20次；在氮气气氛下向反应器中加入开环聚合催化剂，将反应器加热到相应温度，反应一定时间；将反应器冷却后加入到二氯甲烷中进行溶解，然后在无水乙醇中进行沉淀，将析出的产物进行干燥。

对比例1

将42份左旋丙交酯、42份右旋丙交酯、15份己内酯，混合后反复抽真空和充氮气20次；在氮气气氛下向反应器中加入0.002份/mol辛酸亚锡，将反应器加热到120℃，反应24小时；将反应器冷却后加入到二氯甲烷中进行溶解，然后在无水乙醇中进行沉淀，将析出的产物进行干燥。

对比例2

将4份左旋丙交酯、40份右旋丙交酯、15份己内酯，混合后反复抽真空和充氮气20次；在氮气气氛下向反应器中加入0.0001份/mol辛酸亚锡，将反应器加热到120℃，反应24小时；将反应器冷却后加入到二氯甲烷中进行溶解，然后在无水乙醇中进行沉淀，将析出的产物进行干燥。

对比例3

将15份分子量为600的PEG、40份左旋丙交酯、5份右旋丙交酯、40份己内酯，混合后反复抽真空和充氮气20次；在氮气气氛下向反应器中加入0.5份/mol辛酸亚锡，将反应器加热到160℃，反应24小时；将反应器冷却后加入到二氯甲烷中进行溶解，然后在无水乙醇中进行沉淀，将析出的产物进行干燥。

对比例4

将15份组氨酸、76份左旋丙交酯、4份右旋丙交酯、10份己内酯，混合后反复抽真空和充氮气20次；在氮气气氛下向反应器中加入0.00095份/mol辛酸亚锡，将反应器加热到220℃，反应6小时；将反应器冷却后加入到二氯甲烷中进行溶解，然后在无水乙醇中进行沉淀，将析出的产物进行干燥。

实施例5共聚物的拉伸性能研究

表3共聚物性能及其拉伸性能对比

上表中的丙交酯L/D是指左旋丙交酯与右旋丙交酯聚合时的投料比

聚合物特性粘度的检测依据GB/T 1632.1-2008塑料使用毛细管粘度计测定聚合物稀溶液粘度进行测试，拉伸强度和断裂伸长率根据GB/T 1040.3-2006塑料拉伸性能的测定第3部分：薄塑和薄片的试验条件进行。分散度由GPC的检测得出。由表5可知，本发明提供的3种共聚物中添加多臂共聚中心、PEG与未添加的共聚物(对比例1、3)相比，断裂伸长率有明显增加，说明本发明提供的共聚物机械强度高、柔韧性强。对比例2为右旋聚乳酸含量高的聚合物，拉伸强度和断裂伸长率均较低。碱性改性物采用化学键合方式引入共聚物中(实施例1-4)与简单共混方式制备的共聚物(对比例4)相比，拉伸强度和断裂伸长率均有所增加，说明本发明提供的含有碱性共聚中心的共聚物，有限避免了碱性物质在聚合物基体中的团聚，大幅提高了材料的力学性能。

实施例6碱性共聚中心共聚物的细胞相容性与降解液pH研究

6.1共聚物的细胞相容性实验

将实施例1-4、对比例3-4中的共聚物用平板硫化床在150℃及9MPa下热压成厚度为0.2mm的膜片，然后将其切割成直径为15mm的圆片，按照乙醇、自来水、三蒸水的顺序反复洗涤三次，然后用灭菌三蒸水冲洗三次，洗涤后将其固定在组织培养板的孔底部，经紫外灭菌后向组织培养板每孔加入1mL细胞悬液(1×10⁵个/mL)，在37℃，5％CO₂及饱和湿度的培养箱中培养一定时间后，用显微镜观察细胞形态，然后去除培养液，并用缓冲液洗去未粘附细胞，最后用胰酶将共聚物薄膜上的细胞消化下来进行计数，计算细胞粘附率。

6.2降解液pH测定

表4具有不同碱性氨基酸的共聚物降解pH值及24h细胞粘附率对比

	对比例3	对比例4	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4
							10周降解液pH值	4.15	5.36	6.26	6.77	6.55	6.49
24h细胞粘附率(％)	45	50	67	63	72	68

注：pH值的检测依据《中国药典》2015版第四部0631pH值测定法进行检测

由表4可知，与不含碱性改性物的共聚物(对比例3)相比，含有碱性改性物的共聚物可以有效增加降解液pH，具有显著性差异，说明碱性改性物中和了丙交酯己内酯等降解过程产生的酸性物质，可以进一步降低共聚物在体内植入部位炎症发生的概率。含有碱性改性物的共聚物在24h时的细胞黏附率显著高于不含碱性改性物的共聚物，具有显著性差异，说明碱性改性物和PEG可提高共聚物的细胞相容性。

对比例4中，碱性改性物与聚合材料的简单共混可在一定程度上增加降解液的pH和细胞黏附率，但是效果较差，碱性改性物通过键合方式引入共聚物中，可更加有效提高材料的生物相容性。

实施例7共聚物的降解周期研究

表5共聚物及其性能对比

	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	对比例3	对比例4
							降解周期(周)	55	57	51	53	49	52

注：降解测试依据YY/T 0473-2004外科植入物聚交酯共聚物和共混物体外降解试验进行

由表5可知，含有碱性改性物的聚合物比不含的共聚物降解周期长，通过调节碱性物的含量可调节聚合物的降解时间。

实施例8共聚物制备神经导管在修复神经中效果研究

神经导管的制备：

将实施例2和对比例3制备的共聚物材料在二氯甲烷中溶解，离心除去气泡，将溶液浸涂到1.5mm直径的玻璃棒上。浸涂后，玻璃棒水平放置，并不断旋转以保证管壁厚度相同。重复上述步骤，直至获得所需的厚度。带有共聚物层的玻璃棒放在80％的乙醇-水溶液中浸泡20min。从玻璃棒上取下管壳，并切成适当的长度。将制备的管放在乙醇中浸泡12h除去残留的有机溶剂，然后在40℃下真空干燥。

大鼠坐骨神经修复实验：

将12只wistar大鼠随机分为自体神经移植组(A)、共聚物神经导管组(B)，对比例神经导管组(C)，每组4只。10％的水合氯醛以0.4mL/100g腹腔注射麻醉，俯卧位固定。左后腿备皮，碘伏消毒，切开皮肤，肌肉，充分暴露坐骨神经，离断坐骨神经6-7mm，使其自然回缩至10mm缺损。在XTS-4A外科手术显微镜下，A组将坐骨神经剪断以外膜缝合法进行原位移植。B、C组两断端分别插入导管内2mm行外膜与导管缝合，保留神经缺损间隙10mm，11-0号无创缝合线缝合切口，分笼饲养。

组织学观察：

导管移植90天后切取坐骨神经缺损部位远段再生神经，10％甲醛溶液固定24h以上，HE染色，光学显微镜观察。结果如图1-3所示，自体神经移植组神经束内神经纤维未见显著异常，神经纤维间可见散在的小血管，未见出血现象，基本为正常神经生长状态。共聚物导管组神经细胞膜外围有极少量的淋巴细胞，未见出血，神经束内见大量的施万细胞，表明导管组的修复效果与自体神经移植接近。对比例组神经细胞间见多量的淋巴细胞和少量的浆细胞，未见出血，神经束内神经纤维的数量较自体神经移植组和自制神经导管组减少，小血管增多。

上述详细说明是针对本发明其中之一可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种包含碱性共聚中心的共聚物材料，其特征在于，包含A、B、C成分，

所述A为碱性共聚中心，其由碱性改性物和聚乙二醇制备而成，所述碱性改性物选自精氨酸、组氨酸、赖氨酸及其二聚或多聚体中的一种或多种；所述碱性改性物的摩尔含量为2-10份，聚乙二醇的摩尔含量为5-10份；所述A为多臂聚合中心；

所述B为左旋丙交酯、右旋丙交酯或不同L/D值的丙交酯中的一种或多种；所述C为己内酯；

所述共聚物材料为由碱性共聚中心、丙交酯和己内酯制备而成的无规或嵌段共聚物丙交酯的摩尔含量为45-90份，己内酯的摩尔含量为10-40份，碱性共聚中心的摩尔含量为5-20份；

所述共聚物材料的特性粘度为1.0-7.0dl/g，多分散度≤1.5。

2.根据权利要求1所述的共聚物材料，其特征在于，所述共聚物材料中不同L/D值丙交酯的左旋、右旋摩尔比为1:1-19:1。

3.根据权利要求1所述的共聚物材料，其特征在于，所述共聚物材料的特性粘数为2.0-6.0dl/g，多分散度≤1.3。

4.根据权利要求1所述的共聚物材料，其特征在于，所述聚乙二醇为直链或多臂聚乙二醇，至少含有一个羧基，所述多臂臂数为2～16，平均分子量为600-5000。

5.根据权利要求1-4所述的共聚物材料的制备方法，其特征在于，包含下述步骤：

(1)不同旋光度的丙交酯、己内酯和碱性共聚中心分别加入到反应器中，混合后反复抽真空和充惰性气体至少两次；

(2)在氮气气氛下向反应器中加入催化剂，将反应器加热进行反应；

(3)待反应器冷却后，将步骤(2)得到的产物加入到二氯甲烷中进行溶解，然后在无水乙醇中进行沉淀，将析出的产物进行干燥，得到改性的共聚物；

所述碱性共聚中心的制备方法，包含以下步骤：

(1)羧基聚乙二醇溶解在去离子水中；

(2)将碳化二亚胺加入上述溶液中活化羧基；

(3)将碱性改性物加入活化后的羧基聚乙二醇溶液中，调节pH值后，继续反应；

(4)将步骤(3)所得产物经透析、冻干，即得。

6.权利要求1-4任一项所述的共聚物材料在制备组织工程中所用的载体或器件的应用，载体或器件为外周神经损伤修复导管、人造血管、血管结扎夹、医用防粘连膜、心血管支架、缓释微球、栓塞微球或栓塞颗粒。

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