CN1916040A

CN1916040A - 仿细胞膜结构共聚物及其制备方法和应用

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Publication number: CN1916040A
Application number: CN 200610105049
Authority: CN
Inventors: 宫永宽; 杨珊; 宫铭; 马佳妮; 张世平
Original assignee: Northwest University
Current assignee: Northwest University
Priority date: 2006-08-25
Filing date: 2006-08-25
Publication date: 2007-02-21
Anticipated expiration: 2026-08-25
Also published as: CN100415785C

Abstract

结构通式(I)表示的三元共聚物，其中，m、n分别为30～800的正整数，x为10～200的下整数；在m、n、x中，m摩尔百分数为20～70％，n为20～70％，x为9～30％；R₁、R₂、R₃为H或CH₃；R₄为碳原子数为4～24的烷烃基；V为丙基三甲氧基硅烷或丙基三乙氧基硅烷；W为2～8个含碳原子链连接的亲水基团。上述三元共聚物可用于制备仿细胞外层膜结构涂层。

Description

仿细胞膜结构共聚物及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及仿细胞膜共聚物及其制备方法和作为材料表面仿细胞外层膜结构涂层的应用，具体涉及可交联型(甲基)丙烯酸酯类三元共聚物，属于高分子化学与物理、表面科学及生物医用材料技术领域。

背景技术

磷酰胆碱是生物细胞外层膜的亲水基团，用含磷酰胆碱基团的亲水-亲油的两亲性聚合物涂覆修饰材料，可在材料表面形成与细胞膜结构相反的自组装层。修饰后的材料表面在与水接触时可转变为仿细胞膜结构，会被细胞认为是自体，可获得优良的生物相容性。这类含磷酰胆碱基团聚合物涂层可通过物理吸附或化学键合附着于被修饰材料表面。

然而，以物理吸附结合的两亲性聚合物分子，在体内复杂环境中有可能发生溶解、降解等作用而流失；另一方面，涂层表面的微观聚集结构随自组装过程的条件及组装后的环境因素而发生某种程度的不可逆结构变化，影响此类材料表面性能及相关产品的开发和应用。

为了提高移植材料的生物相容性，一些专利公开了通过表面处理改善材料生物相容性的方法。例如美国专利US 5,648,442使用含永久性正电荷侧基以及可与材料表面有较强附着性能的其它侧基的自由基聚合物对材料表面涂覆来赋予生物相容性。

在提高涂层的结合稳定性方面，Kim等人(K.Kim K，C.Kim，Y.Byun，J.Biomat.Sci.-Polymer Edition，2003，14，887)在甲基丙烯酰基表面接枝聚合制备稳定的磷脂单分子层作为血液相容性材料。在聚丙烯腈不对称膜表面直接反应形成磷脂基团进行仿生表面改性(X.J.Huang，et al.Polymer，2006，47，3141.)，含磷酰胆碱基团的化合物被共价连接在羟基聚合物聚乙烯醇和甲基丙烯酸羟乙酯表面形成稳定的单分子涂层[J.A.Hayward，Biomaterials，1986，7，252.)。中国专利申请CN01817377.2介绍了一种涂敷材料表面的方法，包括材料表面的功能化反应及表面聚合涂层的制备。获得的复合材料具有对于基材的粘合性、耐久性、亲水性、润湿性、生物相容性和渗透性等特性，可用于制造生物医学制品如眼用装置。CN1717464A报道了一种将用带有醛基的磷酰胆碱化合物接枝到材料表面的改性方法，可明显提高材料的生物适应性及亲水性能。然而，通过表面化学反应来提供亲水基团的改性方法，对不同材料及表面形貌物体的改性效果有较大差异，通常较难获得足够的表面基团密度。

为利用涂层法工艺简单，适应性强，改性效果显著等优点，交联法被用来提高涂层的结合稳定性。Lewis等人用含有烷氧基硅烷可交联基团的四元共聚物来提高涂层的稳定性(1、A.L.Lewis，Z.L.Cumming，Biomaterials 2001，22，99；2、J.-P.Xu，J.Ji，W.-D.Chen，D.-Z.Fan，Y.-F.Sun，J.-C.Shen，European Polymer Journal，2004，40，291)。涂层在70～90℃加热4～9小时，使三甲氧基硅基团与另一组分(侧链)的端羟基反应得到交联固化的修饰涂层。然而，按照体系能量保持最低的原理，涂层在空气中加热，憎水基团将取向迁移到表面，形成疏水表面以降低表面能。这种交联的疏水表面结构与细胞外层膜的结构相反，形成反细胞外层膜结构的涂层表面。

宫永宽等人(1、Y.-K.Gong，F.Mwale，M.R.Wertheimer，F.M.Winnik，J.Biomater.Sci.Polymer Edn..2004，15，1423；2、宫永宽，F.M.Winnik，化学学报2005，63，643.)用动态接触角测量发现，含磷酰胆碱基团的亲水-亲油的两亲性聚合物涂层表/界面的组成结构会随表/界面环境而发生显著变化。在干燥的空气中形成憎水基团在表面取向的憎水表面；在与水作用过程中，亲水基团会迁移取向到固/液界面，取代憎水基团形成亲水界(表)面。这种表/界面基团及亲/憎水性的变化在一定条件，很大程度上可逆进行。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种可交联型亲水亲油的两亲性三元共聚物；

本发明的另一目的是提供上述两亲性三元共聚物的制备方法；

本发明的还有一个目的是提供上述两亲性三元共聚物在制备仿细胞外层膜结构涂层方面的应用，以为解决通常的两亲聚合物涂层不稳定以及四元共聚物形成反仿细胞外层膜结构的问题。

用含可交联基团、亲水、亲油基团的两亲性聚合物涂层，在含水液体中经调控组装形成仿细胞外层膜结构表面，利用可交联基团的缩合反应将调控形成的仿细胞外层膜结构交联固定，获得稳定的亲水性表面，达到对材料表面改性的目的。

本发明的实现过程：

结构通式(I)表示的三元共聚物，

其中，m、n分别为30～800的正整数，x为10～200的正整数；在m、n、x中，m摩尔百分数为20～70％，n为20～70％，x为9～30％；

R₁、R₂、R₃为H或CH₃；

R₄为碳原子数为4～24的烷烃基；

V为丙基三甲氧基硅烷或丙基三乙氧基硅烷；

W为2～8个含碳原子链连接的亲水基团，亲水基团是季铵基、磷酰胆碱基团、吡啶盐、磺酸基、磷酸基、羧酸基或硫酸基。

W为2～8个碳原子链连接的磷酰胆碱基团。

上述三元共聚物的制备方法：于50～90℃，将引发剂和亲水性单体分批加入到另外两种单体中进行自由基引发聚合，反应开始时加入计算量20-50％的引发剂和亲水性单体，然后以20％～80％/小时的速度加入剩余的引发剂和亲水性单体。亲水单体、疏水单体与可交联基团单体摩尔百分比为20～70∶20～70∶9～30。

上述聚合反应在无水有机溶剂中进行，有机溶剂为含体积比0～30％四氢呋喃的乙醇或异丙醇溶液。

上述三元共聚物可用于制备仿细胞外层膜结构涂层。三元共聚物制备仿细胞外层膜结构涂层采取如下方法进行，将三元共聚物溶于适当的无水且不与该聚合物发生化学反应的有机溶剂(溶解量为每升有机溶剂5-20g三元共聚物)，用浸渍或喷涂方法使聚合物在被修饰材料/器具表面均匀涂覆，真空干燥后得到表面为反细胞外层膜结构的涂层；将这种反细胞外层膜结构的涂层在水中浸泡，进行表面基团取向调整、三烷氧基硅基团水解及交联反应，形成交联固定的表面仿细胞外层膜结构的涂层。

涂层处理所用的水中含有重量百分比小于8％的碱金属无机盐或/和碳原子数为1-4的醇。碱金属无机盐如NaCl、K₂SO₄、KNO₃等。碳原子数为1-4的醇可以一元醇，也可以是二元或三元醇，如甲醇、乙醇、正丙醇、乙二醇等。

反细胞外层膜结构的涂层浸泡初期经多次浸入-取出处理，能够加速表面基团迁移取向，较快调整为仿细胞膜结构。

无水有机溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、四氢呋喃、氯仿或其混合溶剂。

将亲水基团固定在涂层表面，用水测定的前进角小于50度。

聚合反应如方程所示反应。

本发明用含可交联基团的亲水-亲油的两亲性聚合物涂层表面，在空气中和在含水界面具有不同的表/界面基团，表/界面基团随环境可发生迁移取向的性质，在含水介质中对涂层表面的自组装结构进行调整，并用交联方法将调整得到的表面仿细胞外层膜结构固定，获得长期稳定的生物相容性表面。

本发明的涂层是由上述可交联两亲聚合物，与无水、且不与该聚合物发生化学反应的有机溶剂组成的溶液或分散乳液，经浸涂或喷涂于材料表面，真空干燥后得到。本发明的涂层表面仿细胞外层膜结构的调控组装及交联稳定化方法，由于表面亲水基团的结构规整，具有最佳的亲水性能和良好的生物相容性。可广泛用于材料表面的亲水化处理和生物医用材料表面的生物相容性修饰，获得优异的稳定性及生物相容性。聚合物中各组分的含量与投料比的差异小于30％。这种涂层表面仿细胞外层膜结构的调控组装及交联稳定化方法可使体内植入器材、药物控释体系、分离材料及其他材料的表面亲水性能及生物相容性明显提高，具有广阔的应用前景。本发明的涂层表面仿细胞外层膜结构的调控组装及交联稳定化方法，也适用于其它类型含烷氧基硅烷可交联基团的亲水、亲油两亲性聚合物涂层表面亲水化处理。

附图说明

图1为本发明MPC、BMA和MPS各组分的摩尔含量为38％，50％和12％可交联三元共聚物涂层在水中处理前后的衰减全反射红外光谱。

具体实施方式

MPC单体可按文献报道的方法(Ishihara et al.Polym.J，22(5)，355-360，1990；Umedaet al.Makromol Chem 3：457-459，1982)合成。甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC)，2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)，(甲基)丙烯酸正(C₄～C₂₄烷基)酯类，甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(MPS)和甲基丙烯酰氧基丙基三乙氧基硅均可从国内生产公司购买或Sigma公司购得。

实施例1

取甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅(MPS)单体0.58g，甲基丙烯酸正十八烷基酯(SMA)单体3.3g，在250ml三颈瓶中溶于50ml的异丙醇∶四氢呋喃＝3∶1(V/V)的无水混合溶剂中。甲基丙烯酰氧基乙氧基磷酰胆碱(MPC)3.0g和引发剂AIBN 0.020g分别溶于40ml的上述混合溶剂。通入氮气除氧30分钟后，于70℃先同时加入滴加MPC溶液和AIBN溶液的30％，其余部分于3小时滴加完毕。继续于70℃回流冷凝、搅拌反应10小时。产物经乙醚沉淀、淋洗，乙腈洗剂。干燥后用¹H核磁共振谱测定各组分含量。硅烷基团中(Si-CH₂-)质子化学位移为～0.7ppm；长链烷基中质子化学位移为1.3ppm；磷酰胆碱基团中(⁺N(CH₃)₃)质子化学位移为3.2～3.3ppm。由这些特征峰的面积可计算出共聚物中各组分的含量，MPC、SMA和MPS各组分的摩尔含量为46％，43％和11％。

实施例2

取甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅(MPS)单体1.2g和甲基丙烯酸正丁烷基酯(BMA)单体4.2g在250ml三颈瓶中溶于80ml的无水乙醇中。甲基丙烯酰氧基乙氧基磷酰胆碱(MPC)3.0g，引发剂AIBN 0.030g分别溶于40ml的无水乙醇中。通入氮气除氧30分钟后，于60℃先同时加入滴加MPC溶液和AIBN溶液的30％，其余部分于2小时滴加完毕。然后于65℃回流冷凝、搅拌16小时。产物经乙醚沉淀、淋洗，乙腈洗剂，干燥后用¹H核磁共振谱测得MPC、BMA和MPS各组分的摩尔含量为21％，67％和12％。

实施例3

取甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅(MPS)单体0.90g和甲基丙烯酸十二烷基酯(DMA)单体2.6g在250ml三颈瓶中溶于80ml的乙醇∶四氢呋喃＝4∶1的无水混合溶剂中。甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC)3.5g和引发剂AIBN 0.030g分别溶于30ml的乙醇∶四氢呋喃＝2∶1的混合溶剂。通入氮气除氧30分钟后，先于65℃滴加DMC和AIBN溶液的30％，其余部分于2小时滴加完毕。然后于65℃回流冷凝、搅拌24小时。产物经乙醚沉淀、淋洗，乙腈洗剂，干燥后用¹H核磁共振谱测得DMC、DMA和MPS各组分的摩尔含量为60％，29％和11％。

实施例4

取甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅(MPS)单体1.50g，和甲基丙烯酸十二烷基酯(DMA)单体2.8g在250ml三颈瓶中溶于80ml的乙醇∶四氢呋喃＝3∶1的无水混合溶剂中。2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)2.0g和引发剂AIBN 0.025g分别溶于20ml的乙醇∶四氢呋喃＝2∶1的混合溶剂。通入氮气除氧30分钟后，先于65℃滴加AMPS和AIBN溶液的30％，其余部分于1小时滴加完毕。然后于65℃回流冷凝、搅拌24小时。产物经乙醚沉淀、淋洗，乙腈洗剂，干燥后用¹H核磁共振谱测得AMPS、DMA和MPS各组分的摩尔含量为43％，30％和27％。

实施例5

取0.30克实施例1的两亲性可交联聚合物(MPC、SMA和MPS各组分的摩尔含量为46％，43％和11％)，溶于40ml含乙醇70％、四氢呋喃30％的无水混合溶剂(v/v)中。将表面清洁的盖玻片浸入溶液后缓慢取出，溶剂挥发后重复上述涂覆过程2次。室温下真空干燥2小时，测得水在涂层表面的前进角为84度。将涂层在20℃水中处理24小时。在最初的1小时内，间隔2分钟将式样从水中取出后再浸入，重复30次。干燥后测得水在涂层表面的前进角为8～10度(前进角测量方法参见文献：宫永宽，F.M.Winnik，化学学报2005，63，643.)。

在20℃水中处理后使干燥的涂层表面与水的接触的前进角由处理前的84度降低到8～10度；同时衰减全反射红外光谱方法监测到涂层在水中处理前后显著的红外吸收变化(图1)，表明三甲氧基硅基团发生了水解交联反应。

实施例6

取0.40克实施例1的两亲性可交联聚合物(MPC、SMA和MPS各组分的摩尔含量为46％，43％和11％)，溶于40ml含乙醇70％、四氢呋喃30％的无水混合溶剂(v/v)中。将表面清洁的盖玻片浸入溶液后缓慢取出，溶剂挥发后重复上述涂覆过程2次。室温下真空干燥2小时，测得水在涂层表面的前进角为84度。将涂层在50℃水中处理6小时，干燥后测得水在涂层表面的前进角为40～45度。

实施例7

取0.30克实施例2的两亲性可交联聚合物(MPC、BMA和MPS各组分的摩尔含量为21％，67％和12％)，溶于30ml含乙醇90％、四氢呋喃10％的无水混合溶剂(v/v)中。将表面清洁的盖玻片浸入溶液后缓慢取出，溶剂挥发后重复上述涂覆过程2次。室温下真空干燥2小时，测得水在涂层表面的前进角为86度。将涂层在40℃含NaCl 3％的水溶液中处理6小时后干燥，测得水在涂层表面的前进角为36～38度。

实施例8

取0.30克实施例2的两亲性可交联聚合物(MPC、BMA和MPS各组分的摩尔含量为21％，67％和12％)，溶于30ml含乙醇90％、四氢呋喃10％的无水混合溶剂(v/v)中。将表面清洁的盖玻片浸入溶液后缓慢取出，溶剂挥发后重复上述涂覆过程2次。室温下真空干燥2小时，测得水在涂层表面的前进角为86度。将涂层在20℃水中处理6小时后干燥，测得水在涂层表面的前进角为16～18度。

实施例9

取0.40克实施例2的两亲性可交联聚合物(MPC、BMA和MPS各组分的摩尔含量为21％，67％和12％)，溶于30ml无水甲醇中。将表面清洁的盖玻片浸入溶液后缓慢取出，溶剂挥发后重复上述涂覆过程2次。室温下真空干燥2小时，测得水在涂层表面的前进角为86度。将涂层在20℃水中处理20小时。在最初的1小时内，间隔2分钟将式样从水中取出后再浸入，重复30次。干燥后测得水在涂层表面的前进角为20～22度。

实施例10

取0.50克实施例3的两亲性可交联聚合物(DMC、DMA和MPS各组分的摩尔含量为60％，29％和11％)，溶于30ml无水甲醇中。将表面清洁的盖玻片浸入溶液后缓慢取出，溶剂挥发后重复上述涂覆过程2次。室温下真空干燥2小时，测得水在涂层表面的前进角为81度。将涂层在20℃水中处理20小时后干燥，测得水在涂层表面的前进角为15～18度。

实施例11

取0.50克实施例4的两亲性可交联聚合物(AMPS、DMA和MPS各组分的摩尔含量为43％，30％和27％)，溶于30ml无水乙醇中。将表面清洁的盖玻片浸入溶液后缓慢取出，溶剂挥发后重复上述涂覆过程2次。室温下真空干燥2小时，测得水在涂层表面的前进角为83度。将涂层在含7％乙醇的水中20℃处理24小时后干燥，测得水在涂层表面的前进角为22～25度。

Claims

1、结构通式(I)表示的三元共聚物，

R₁、R₂、R₃为H或CH₃；

R₄为碳原子数为4～24的烷烃基；

V为丙基三甲氧基硅烷或丙基三乙氧基硅烷；

2、根据权利要求1所述的三元共聚物，其特征在于：W为2～8个碳原子链连接的磷酰胆碱基团。

3、制备权利要求1所述的三元共聚物的制备方法，于50～90℃，将引发剂和亲水性单体分批加入到另外两种单体中进行自由基引发聚合，反应开始时加入计算量20-50％的引发剂和亲水性单体，然后以20％～80％/小时的速度加入剩余的引发剂和亲水性单体。

4.根据权利要求3所述的制备方法，聚合反应在无水有机溶剂中进行，有机溶剂为含体积比0～30％四氢呋喃的乙醇或异丙醇溶液。

5、权利要求1所述的三元共聚物用于制备仿细胞外层膜结构涂层。

6、权利要求5所述的三元共聚物制备仿细胞外层膜结构涂层采取如下方法进行，将三元共聚物溶于适当的无水且不与该聚合物发生化学反应的有机溶剂，用浸渍或喷涂方法使聚合物在被修饰材料/器具表面均匀涂覆，真空干燥后得到表面为反细胞外层膜结构的涂层；将这种反细胞外层膜结构的涂层在水中浸泡，进行表面基团取向调整、三烷氧基硅基团水解及交联反应，形成交联固定的表面仿细胞外层膜结构的涂层。

7、根据权利要求5或6所述制备仿细胞外层膜结构涂层的方法，其特征在于：涂层处理所用的水中含有重量百分比小于8％的碱金属无机盐或/和碳原子数为1-4的醇。

8、根据权利要求5或6所述制备仿细胞外层膜结构涂层的方法，其特征在于：反细胞外层膜结构的涂层浸泡初期经多次浸入-取出处理，加速表面基团迁移取向。

9、根据权利要求5或6所述的三元共聚物制备仿细胞外层膜结构的方法，其特征在于无水有机溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、四氢呋喃、氯仿或其混合溶剂。

10、根据权利要求5或6所述的方法，其特征是将亲水基团固定在涂层表面，用水测定的前进角小于50度。