发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种医用阳离子聚合物生物高分子材料及制备方法与应用,该医用阳离子聚合物生物高分子材料由甲壳素类高分子材料改性后得到,改性后的材料其降解半衰期或溶解时间极大增加,能很好地可以用于农业、工业尤其是医药领域,特别是应用在生物敷料和药物缓控释用途上;且其吸液性得到较大提升。
为了解决上述技术问题,本发明采用以下技术方案:
提供一种医用阳离子聚合物生物高分子材料,其包含具有如式(1)所示的化学结构式的化合物:
式(1)中:X为能共价结合的原子或基团,具体为包含C或N或O或其他共价结合的烃类或烃类衍生化合物基团,或包含该原子或基团的衍生化合物;
Y为能共价结合的原子或基团,具体为包含C或N或O或其他共价结合的烃类或烃类衍生化合物基团,或包含该原子或基团的衍生化合物。
上述式(1)所示的结构为可能结构之一,其还可能包含,含Y的化合物两端分别与不同位置伯羟基上的含X化合物的其他连接结构,因此,这种阳离子生物高分子材料是一种分子内部交错连接的聚合物大分子。
进一步地,
所述医用阳离子聚合物生物高分子材料是由甲壳素类高分子材料改性后得到,所述甲壳素类高分子材料包括甲壳素及其衍生物与衍生物盐。
甲壳素的衍生物最优选的为壳聚糖及其盐(例如壳聚糖乙酸盐),壳聚糖是甲壳素的脱乙酰基衍生物,当然还包括除壳聚糖之外的甲壳素其它衍生物及其盐。
本发明还提供一种医用阳离子聚合物生物高分子材料的制备方法,包括如下步骤:
S1、甲壳素类高分子材料与具有如下式(2)的化合物1发生开环加成反应得到具有如下式(4)的化合物3;
S2、化合物3与具有如下式(3)的化合物2在引发剂的作用下光照发生点击反应得到包含如式(1)所示化学结构式化合物的医用阳离子聚合物生物高分子材料,其中:
式(1)~式(4)分别如下:
式(1)、式(2)、式(4)中:X为能共价结合的原子或基团,具体为包含C或N或O或其他共价结合的烃类或烃类衍生化合物基团;
式(1)、式(3)中:Y为能共价结合的原子或基团,具体为包含C或N或O或其他共价结合的烃类或烃类衍生化合物基团;
所述甲壳素类高分子材料包括甲壳素及其衍生物与衍生物盐。
甲壳素的衍生物最优选的为壳聚糖及其盐(例如壳聚糖乙酸盐),壳聚糖是甲壳素的脱乙酰基衍生物,当然还包括除壳聚糖之外的甲壳素其它衍生物及其盐。
所述引发剂为光引发剂。
在本制备方法中,步骤S1开环加成反应的反应方程式如下:
步骤S2点击反应的反应方程式如下:
进一步地,步骤S1的具体反应过程如下:
方案一,是采用室温搅拌的方式得到化合物3:首先将甲壳素类生物高分子材料用水或酸性水溶液(pH呈酸性)溶解,得到甲壳素类生物高分子溶液,然后按甲壳素类生物高分子材料中伯羟基的物质的量:化合物1的物质的量的比例为1:(0.1~2),往甲壳素类生物高分子溶液中加入化合物1,室温搅拌1~3天,反应完成后快速搅拌下,缓慢加入乙醇溶液,析出化合物3。过滤,用乙醇洗涤至中性,干燥,得到化合物3。
在方案一中,优选地,室温搅拌时间为3天。
在方案二中,是采用冷冻干燥的方式得到化合物3:首先将甲壳素类生物高分子材料用水或酸性水溶液(pH呈酸性)溶解,得到甲壳素类生物高分子溶液,然后按甲壳素类生物高分子材料中伯羟基的物质的量:化合物1的物质的量为1:(0.1~2),往甲壳素类生物高分子溶液中加入化合物1,室温搅拌均匀后(一般24小时)冷冻干燥1~3天,析出化合物3。取出后用无水乙醇洗涤2-3次,搅拌、过滤、干燥,得到化合物3。
在方案二中,优选地,冷冻干燥的时间优选为2天。
上述方案一、方案二中,
优选地,甲壳素类生物高分子溶液的质量浓度为1.5%-5%,更优选地,为3%。
由于甲壳素类生物高分子材料,例如:壳聚糖,其不溶于水、碱以及一般有机溶剂,但是因为壳聚糖结构单元中存在-NH2基团,极易与酸反应成盐,因此,壳聚糖可以溶解在盐酸、甲酸、乙酸、乳酸、苹果酸、抗坏血酸等许多稀的无机酸或有机酸中,长时间加热搅拌条件下也能溶解在浓的盐酸、硝酸、磷酸中。
因此本发明步骤S1中,当甲壳素类生物高分子材料为可溶于水的物质,例如壳聚糖盐,就采用水溶解,若为甲壳素或者壳聚糖等不溶于水的物质,就采用酸性水溶液溶解。
优选地,甲壳素类生物高分子材料中伯羟基的物质的量:化合物1的物质的量的比例为1:1.5。
进一步地,步骤S2的具体反应过程如下:
将步骤S1得到的化合物3用纯化水溶解,然后按照化合物3中氨基的物质的量:化合物2的物质的量的比例为2:(1~2.5)加入化合物2,之后加入引发剂,搅拌均匀,光照条件下反应10~50小时,得到所述的医用阳离子聚合物生物高分子材料。
优选地,所述化合物3中氨基的物质的量:化合物2的物质的量的比例为1:0.6。
优选地,光照条件为采用波长为365nm的紫外光照射条件下反应10~50小时;进一步优选的照射反应时间为30小时。
进一步地,所述引发剂为安息香双甲醚,所加入的量为化合物3中氨基的物质的量的0.02~0.5当量。
优选地,引发剂所加入的量为化合物3中氨基的物质的量的0.3当量。
优选地,引发剂先溶于无水乙醇中配置成溶液后加入。
优选地,所述化合物1为具有如下化学结构式的化合物中一种:
(环氧丁烯)或
(1,2-环氧基-5-己烯)或
(烯丙基缩水甘油醚)。
优选地,所述化合物2为具有如下化学结构式的化合物中一种:
(1,6-己二硫醇)或
(双(2-巯基乙基)醚)或
(2,2’-(1,2-乙二基双氧代)双乙硫醇)。
更优选地,所述化合物2为
(2,2’-(1,2-乙二基双氧代)双乙硫醇)。
进一步地,所述制备方法还包括步骤:
S3、将步骤S2制得的产物医用阳离子聚合物生物高分子材料冷冻1~5小时,然后进行真空干燥,得到医用阳离子聚合物聚合物海绵。
本发明还提供上述医用阳离子聚合物生物高分子材料或上述制备方法制得的医用阳离子聚合物生物高分子材料在制备及药物缓释载体、生物敷料、止血材料等中的应用。
本发明的有益效果如下:
本发明通过对甲壳素类生物大分子材料(多糖)进行改性设计,得到一种具有的阳离子聚合物生物高分子材料,其化合物结构,呈3D立体结构,其单体碳链的两端都保留有甲壳素类高分子材料中的自由氨基,使得聚合物的两表面均具有很强的吸附能力,由于两面都有自由氨基,其吸附能力相较改性前的甲壳素类高分子材料更强。同时,还保留了原甲壳素类高分子材料的其他特性,比如具有游离氨基可以被开发作为抗原、抗体、酶等生理活性物质的固定化载体等等,同时游离氨基的邻位为羟基,有螯合二价金属离子的作用,还能用于捕集重金属。
本发明提供的方法,制备工艺简单,反应条件温和,改性得到的阳离子聚合物的其物理和化学性质发生改变,能极大增加其降解半衰期或溶解时间,可以用于农业、工业尤其是医药领域,特别是应用在生物敷料和药物缓控释用途上,还可以用于止血材料。
本发明的合成路线便于生产和质量控制,制得的的阳离子聚合物具有优异的稳定性、吸液性。本发明可以方便转化为不同领域的产品,能应用到各个领域,尤其是医药领域。
具体实施方式
本发明提供一种医用阳离子聚合物生物高分子材料,其包含具有如式(1)所示的化学结构式的化合物:
式(1)中:X为能共价结合的原子或基团,具体为包含C或N或O或其他共价结合的烃类或烃类衍生化合物基团,或包含该原子或基团的衍生化合物;
Y为能共价结合的原子或基团,具体为包含C或N或O或其他共价结合的烃类或烃类衍生化合物基团,或包含该原子或基团的衍生化合物。
上述式(1)所示的结构为可能结构之一,其还可能包含,含Y的化合物两端分别与不同位置伯羟基上的含X化合物的其他连接结构,因此,这种医用阳离子聚合物生物高分子材料是一种分子内部交错连接的聚合物大分子。
该医用阳离子聚合物生物高分子材料是由甲壳素类高分子材料改性后得到,所述甲壳素类高分子材料包括甲壳素及其衍生物与衍生物盐。甲壳素的衍生物为壳聚糖及其盐(例如壳聚糖乙酸盐),壳聚糖是甲壳素的脱乙酰基衍生物,当然还包括除壳聚糖之外的甲壳素其它衍生物及其盐。
本发明还提供上述式(1)所示的医用阳离子聚合物生物高分子材料的制备方法,包括如下步骤:
S1、甲壳素类高分子材料与具有如下式(2)的化合物1发生开环加成反应得到具有如下式(4)的化合物3;具体反应过程如下:
首先将甲壳素类生物高分子材料用水或酸性水溶液(pH呈酸性)溶解,得到甲壳素类生物高分子溶液,然后按甲壳素类生物高分子材料中伯羟基的物质的量:化合物1的物质的量的比例为1:(0.1~2)(优选1:1.5),往甲壳素类生物高分子溶液中加入化合物1,室温搅拌1~3天,优选为3天;反应完成后快速搅拌下,缓慢加入乙醇溶液,析出化合物3。过滤,用乙醇洗涤至中性,干燥,得到化合物3。或者,搅拌均匀后(一般24小时)冷冻干燥1~3天,优选为2天,析出化合物3;取出后用无水乙醇洗涤2-3次,搅拌、过滤、干燥,得到化合物3。
水或酸性水溶液溶解得到的甲壳素类生物高分子溶液的质量浓度为1.5%~5%,优选为3%。
由于甲壳素类生物高分子材料,例如:壳聚糖,其不溶于水、碱以及一般有机溶剂,但是因为壳聚糖结构单元中存在-NH2基团,极易与酸反应成盐,因此,壳聚糖可以溶解在盐酸、甲酸、乙酸、乳酸、苹果酸、抗坏血酸等许多稀的无机酸或有机酸中,长时间加热搅拌条件下也能溶解在浓的盐酸、硝酸、磷酸中。
因此本发明步骤S1中,当甲壳素类生物高分子材料为可溶于水的物质,例如壳聚糖盐,就采用水溶解,若为甲壳素或者壳聚糖等不溶于水的物质,就采用酸性水溶液溶解。
S2、化合物3与具有如下式(3)的化合物2在引发剂的作用下光照发生点击反应得到化学结构式如式(1)的医用阳离子聚合物生物高分子材料,具体反应过程如下:
将步骤S1得到的化合物3用纯化水溶解,然后按照化合物3中氨基的物质的量:化合物2的物质的量的比例为2:(1~2.5)(优选1:0.6)加入化合物2,之后加入引发剂,搅拌均匀,光照条件下反应10~50小时,得到所述的医用阳离子聚合物生物高分子材料。
作为优选实施例,光照条件采用波长为365nm的紫外光照射条件下反应10~50小时(优选30小时)。
其中:式(1)~式(4)分别如下:
式(1)、式(2)、式(4)中:X为能共价结合的原子或基团,具体为包含C或N或O或其他共价结合的烃类或烃类衍生化合物基团;
式(1)、式(3)中:Y为能共价结合的原子或基团,具体为包含C或N或O或其他共价结合的烃类或烃类衍生化合物基团;
化合物1选用:
或(1,2-环氧基-5-己烯),其结构式为
记为式(6);
化合物2选用:
或(双(2-巯基乙基)醚),其结构式为
记为式(9);
或2,2’-(1,2-乙二基双氧代)双乙硫醇,其结构式为
记为式(10)。
更优选地,化合物2为2,2’-(1,2-乙二基双氧代)双乙硫醇。
所述引发剂为光引发剂。优选地,引发剂采用安息香双甲醚,所加入的量为化合物3中氨基的物质的量的0.02~0.5当量,优选0.3当量。优选地,引发剂先溶于无水乙醇中配置成溶液后加入。
所述制备方法还包括步骤:S3、将步骤S2制得的产物医用阳离子聚合物生物高分子材料冷冻1~5小时,然后进行真空干燥,得到医用阳离子聚合物聚合物海绵。
为了更好地阐述该发明的内容,下面通过具体实施例对本发明进一步的验证。特在此说明,实施例只是为更直接地描述本发明,它们只是本发明的一部分,不能对本发明构成任何限制。
实施例1:
按壳聚糖乙酸盐中伯羟基的物质的量:如式(7)所示化合物1(烯丙基缩水甘油醚)的物质的量的比例为1:1.5,称取精制壳聚糖乙酸盐(脱乙酰度:95%以上)与烯丙基缩水甘油醚(例如:壳聚糖乙酸盐20g,烯丙基缩水甘油醚21.2g),待用;
将壳聚糖乙酸盐按比例加入纯化水(对应600ml)搅拌溶解,得到质量浓度为3%的壳聚糖乙酸盐溶液,加入称好的烯丙基缩水甘油醚,常温搅拌24小时,将料液进行冷冻干燥2天,干燥后取出用无水乙醇洗涤3次,每次用无水乙醇200ml,搅拌10min,之后过滤、干燥,得到化合物3。
按照得到的化合物3中氨基的物质的量:化合物2的物质的量的比例为1:0.6称取化合物3(对应20g)和如上式(10)的化合物2(2,2’-(1,2-乙二基双氧代)双乙硫醇)(对应12g),同时按照化合物3中氨基的物质的量的0.3当量称取安息香双甲醚,待用;
在称好的化合物3中加充氮纯化水(对应800ml),搅拌溶解,加(2,2’-(1,2-乙二基双氧代)双乙硫醇)(对应12g),搅拌均匀,加入称好的安息香双甲醚作为引发剂(对应8.4g)溶于无水乙醇(对应55ml),加入以上溶液中,搅拌均匀,倒入不锈钢盘,用波长为365nm的紫外光照射30小时。最后将不锈钢盘放入冷冻干燥机进行冷冻干燥2天,得到高分子聚合物海绵,记为样品A1。
本实施例1中得到的化合物3的化学结构式具体为:
本实施例最后制得的样品A1的化学结构式之一为:
根据反应原理,样品A1其还可能包含,含Y的化合物2(2,2’-(1,2-乙二基双氧代)双乙硫醇)两端分别与不同位置伯羟基上的含X化合物1(烯丙基缩水甘油醚)的其他连接结构的化合物。
实施例2
本实施例与实施例1的不同在于:
化合物1采用如式(6)所示化合物:
(1,2-环氧基-5-己烯)。
其他参照实施例1方法制得高分子聚合物海绵,记为样品A2。
本实施例2中得到的化合物3的化学结构式具体为:
本实施例最后制得的样品A2的化学结构式之一为:
同样根据反应原理,样品A2其还可能包含,含Y的化合物2(2,2’-(1,2-乙二基双氧代)双乙硫醇)两端分别与不同位置伯羟基上的含X化合物1(1,2-环氧基-5-己烯)的其他连接结构的化合物。
实施例3
本实施例与实施例1的不同在于:
化合物2采用如式(8)所示化合物:
(1,6-己二硫醇)。
其他参照实施例1方法制得高分子聚合物海绵,记为样品A3。
本实施例3中得到的化合物3的化学结构式具体为:
本实施例最后制得的样品A3的化学结构式之一为:
同样根据反应原理,样品A3其还可能包含,含Y的化合物2(1,6-己二硫醇)两端分别与不同位置伯羟基上的含X化合物1(烯丙基缩水甘油醚)的其他连接结构的化合物。
实施例4
本实施例与实施例1的不同在于:
将壳聚糖乙酸盐按比例加入纯化水(对应600ml)搅拌溶解,得到质量浓度为5%的壳聚糖乙酸盐溶液。
其他参照实施例1方法制得高分子聚合物海绵,记为样品A4。
本实施例4中得到的化合物3的化学结构式具体为:
本实施例最后制得的样品A4的化学结构式之一为:
根据反应原理,样品A4其还可能包含,含Y的化合物2(2,2’-(1,2-乙二基双氧代)双乙硫醇)两端分别与不同位置伯羟基上的含X化合物1(烯丙基缩水甘油醚)的其他连接结构的化合物。
实施例5(室温搅拌+无水乙醇析出得化合物3)
本实施例与实施例1的不同在于:
壳聚糖乙酸盐溶液中加入如式(7)所示化合物1(烯丙基缩水甘油醚)后,室温搅拌72小时;然后快速搅拌下,缓慢加入无水乙醇,析出化合物3,用无水乙醇洗涤3次,每次用无水乙醇200ml,搅拌10min,之后过滤、干燥,得到化合物3。
其他参照实施例1方法制得高分子聚合物海绵,记为样品A5。
本实施例5中得到的化合物3的化学结构式具体为:
本实施例最后制得的样品A5的化学结构式之一为:
根据反应原理,样品A5其还可能包含,含Y的化合物2(2,2’-(1,2-乙二基双氧代)双乙硫醇)两端分别与不同位置伯羟基上的含X化合物1(烯丙基缩水甘油醚)的其他连接结构的化合物。
对比例1:壳聚糖乙酸盐未经改性
称取跟实施例1相同质量的精制壳聚糖乙酸盐,加纯化水,搅拌溶解后直接倒入不锈钢盘中进行冷冻干燥,干燥2天,得到海绵状产物。记为样品D1。
1、样品的溶解性的测定:
测定方法:各称取上述实施例和对比例制得的样品0.5g左右分别置于培养皿中,加入20ml纯化水,浸泡,观察24h,记录样品的溶解时间,测定结果如下表1:
表1各样品的溶解性测试数据
样品 |
30min |
1h |
12h |
24h |
实施例1(A1) |
不溶 |
不溶 |
不溶 |
不溶 |
实施例2(A2) |
不溶 |
不溶 |
不溶 |
不溶 |
实施例3(A3) |
不溶 |
不溶 |
不溶 |
不溶 |
实施例4(A4) |
不溶 |
不溶 |
不溶 |
不溶 |
实施例5(A5) |
不溶 |
不溶 |
不溶 |
不溶 |
对比例1(D1) |
基本溶解 |
完全溶解 |
完全溶解 |
完全溶解 |
2、样品的吸液性的测定:
测定方法:取100ml空白烧杯称重记为m1,各称取上述实施例和对比例制得的样品0.5g左右分别放入后称重记为m2,缓慢加入50ml纯化水,浸泡10min,倾倒多余纯化水,称重记为m3。
吸液性=(m3-m1)÷(m2-m1)。
每个样品重复测定3次,取平均数,最终测得的数据如下表2:
表2各样品的吸液性测试数据
样品 |
吸液性 |
实施例1(A1) |
46.8 |
实施例2(A2) |
35.8 |
实施例3(A3) |
44.6 |
实施例4(A4) |
45.2 |
实施例5(A5) |
39.9 |
对比例1(D1) |
基本溶解,无吸液性 |
3、样品凝血率的测定:
试验仪器与试剂:
恒温箱,紫外分光光度计;
加有抗凝剂的新鲜兔血(血液ml:肝素钠g=1:0.025);
试验方法:将样品切成1cm×1cm大小,并放入100ml玻璃烧杯中。再一起放入37℃的恒温箱中预热。随后取0.25mL血液样本滴在样品上。在恒温培养箱中放置2min后,将20mL纯水溶液沿烧杯壁缓慢加入烧杯中。在恒温箱中放置10min后。取清液,利用紫外分光光度计在波长540处检测,并记录吸收值,测得样品吸光度。用0.25ml血液溶于20ml去离子水作为100%对照,测得对照吸光度。
式中:X—产品的凝血率;
各实施例样品凝血率见下表3,同时还以普通纱布和普通创口贴作为对照例:
表3各样品的凝血率测试数据
样品 |
凝血率 |
实施例1(A1) |
86.2% |
实施例2(A2) |
78.6% |
实施例3(A3) |
79.6% |
实施例4(A4) |
81.2% |
实施例5(A5) |
78.9% |
对比例1(D1) |
41.2% |
普通纱布 |
1.2% |
普通创口贴 |
0.5% |
从上述实施例及测试结果来看:本发明实施例通过对甲壳素类生物大分子材料(具体为壳聚糖乙酸盐)进行改性设计,能得到具有的阳离子聚合物生物高分子材料,从对产物鉴定的结果来看,呈3D立体结构,其单体碳链的两端都保留有甲壳素类高分子材料中的自由氨基,使得聚合物的两表面均具有很强的吸附能力,由于两面都有自由氨基,其吸附能力相较改性前的甲壳素类高分子材料更强。同时,还保留了原甲壳素类高分子材料的其他特性,比如具有游离氨基可以被开发作为抗原、抗体、酶等生理活性物质的固定化载体等等,且游离氨基的邻位为羟基,有螯合二价金属离子的作用,还能用于捕集重金属。
本发明提供的方法,制备工艺简单,反应条件温和,改性得到的阳离子聚合物的其物理和化学性质发生改变,从上述对各实施例制得的样品的溶解性和吸液性的测试结果来看:本发明实施例制得的改性后的阳离子聚合物生物高分子材料,相比改性前的甲壳素类生物大分子材料(对比例样品D1),其在24h小时内都不溶解,能极大增加其降解半衰期或溶解时间,可以使其其更好地用于农业、工业领域尤其是医药领域,特别是应用在生物敷料和药物缓控释用途上;且改性后的阳离子聚合物生物高分子材料其吸液性得到有效提高。从各样品的凝血率来看,本发明实施例制得的各样品具有较好的凝血性能,相比改性前的甲壳素类生物大分子材料(对比例样品D1),其凝血率能提高将近一倍,实施例的凝血率能提高一倍以上,因而本发明制得的生物高分子材料具有较好的凝血性能,能作为止血材料应用。
需要说明的是,本领域的普通技术人员应当理解,对本发明的技术方案进行修改或等同替换,而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。