（高分子化学与物理专业论文）聚己内酯和聚丙交酯的改性研究.pdf

中文摘要 中文摘要 组织工程学是利用工程学和生命科学的原理及技术，研究和开发具有生物 活性的人工替代物，以维持、恢复或提高人体受损组织的功能的交叉学科。种 子细胞、支架材料和调控因子构成了组织工程三要素。支架材料为细胞的黏附、 生长提供支撑，在组织工程中起着十分重要的作用。可降解聚内酯材料( p c l 、 p l l a 等) 在组织工程研究中得到了广泛的重视，它们具有良好的力学性能和生 物相容性，但存在强疏水性、表面缺乏细胞可识别的位点等缺点，影响了细胞 在材料上的黏附和增殖，从而限制了其在组织工程中的应用。 本研究开展了以下三个方面的工作：用p e g 改性p c l 制备了p c l p e g 多嵌段共聚物。设计采用了二步h d i 法合成p c l p e g 多嵌段共聚物，即先用 p e g 直接引发c l 开环聚合得到双羟基h o p c l p e g p c l o h 三嵌段共聚物， 再通过三嵌段共聚物与双官能团的小分子己二异氰酸酯( h d i ) 偶联反应，得到 p c l p e g 多嵌段共聚物。对多嵌段共聚物的分子量及其分布、分子结构、热性 能、亲水性等进行了表征，研究了多嵌段共聚物的组成结构对降解行为的影响， 并对共聚物降解过程中材料的失重行为，分子量以及分子量分布的变化做了表 征。用p e g 改性p l l a 制备了p l l a p e g 多嵌段共聚物。同样采用了二步法 合成p l l a p e g 多嵌段共聚物，并对多嵌段共聚物的分子量及其分布、热性能、 结晶性、力学性能和亲水性进行了表征。以p c l 和p l l a 为原料，三氟乙醇 为溶剂，研究了p c l 和p l l a 共混膜的表面形貌以及共混比例对膜表面形貌的 影响。 实验得出以下结论：二步h d i 法成功制备了高分子量的p c l p e g 多嵌段 共聚物，与p c l 均聚物相比，嵌段共聚物的亲水性明显提高，降解速度明显加 快，而材料的力学强度没有明显降低。二步h d i 法成功制备了高分子量的 p l l a p e g 多嵌段共聚物，与p l l a 均聚物相比，嵌段共聚物的亲水性和力学强 度都明显提高。p c l 和p l l a 按一定比例共混浇膜可以获得不同凹凸结构的 表面，且凹凸结构的尺寸可以通过改变p c l 月p l l a 的共混比例来调节。 关键词：聚己内酯聚丙交酯聚乙二醇多嵌段共聚物己二异氰酸酯 a b s t r a c t a b s t r a c t t i s s u ee n g i n e e r i n gi sa ni n t e r d i s c i p l i n a r yf i e l dt h a ta p p l i e st h ep r i n c i p l e so f e n g i n e e r i n ga n dt h el i f es c i e n c e st o w a r dt h ed e v e l o p m e n to fb i o l o g i c a ls u b s t i t u t e s t h a tr e s t o r e ，m a i n t a i n ，o ri m p r o v et i s s u ef u n c t i o n t i s s u ee n g i n e e r i n gi n v o l v e st h r e e k e yf a c t o r s ：s e e dc e l l s 、s c a f f o l d sf o rc e l l sa n dc e l lg r o w t hf a c t o r s t h es c a f f o l dp l a y s a ni m p o r t a n tr o l ei nt i s s u ee n g i n e e r i n g i nr e c e n ty e a r s ，m u c ha t t e n t i o nh a sb e e np a i d o nb i o d e g r a d a b l ep o l y l a c t o n e ( p c l ，p l l a ，e t c ) a st i s s u ee n g i n e e r i n gs c a f f o l d s t h e y h a v e g o o dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a n d b i o c o m p a t i b i l i t y h o w e v e r , c e l l a t t a c h m e n ta n dc e l lg r o w t ho nt h i sk i n do fm a t e r i a l sc a nn o tm e e tt h ed e m a n do f t i s s u ee n g i n e e r i n gb e c a u s eo fi t ss t r o n gh y d r o p h o b i c i t y , l a c ko fc e l lr e c o g n i t i o ns i t e a n ds oo n t h i ss t u d yi n c l u d e sf o l l o w i n gt h r e ep a r t s ：( 堇) p c l p e gm u l t i b l o c kc o p o l y m e r s w e r es y n t h e s i z e db yt h et w o - s t e p - h d im e t h o d f i r s t l y , p c l - p e g - p c lt r i b l o c k c o p o l y m e r sw e r ep r e p a r e db yr i n g - o p e n i n gp o l y m e r i z a t i o no fe - c a p r o l a c t o n e ( c l ) u s i n gt w ok i n d so fp o l y ( e t h y l e n eg l y c 0 1 ) ( p e g ) w i t l ld i f f e r e mm o l e c u l a rw e i g h ta s t h em a c r o i n i t i a t o ra n ds t a n n o u so c t o a t e ( s n o c t ) 2 】a st h ec a t a l y s t t h e n ，p c l p e g m u l t i b l o c kc o p o l y m e r s ，ak i n d o fd e g r a d a b l e p o l y e s t e r s ，w e r eo b t a i n e df r o m p c l p e g p c lt r i b l o c kc o p o l y m e r sl i n k e db y1 ，6 - h e x y ld i i s o c y a n a t e ( h d i ) u s i n g s n ( o c t ) 2a st h ec a t a l y s t l a s t l y , t h ec o p o l y m e r sw e r ec h a r a c t e r i z e db y1 h - n m r , g p c ， d s c ，x r d ，t e n s i l et e s t ，c o n t a c ta n g l ea n ds oo n ( 至) p l l a p e gm u l t i b l o c k c o p 0 1 y m e r sw e r es y n t h e s i z e db yt h et w o s t e p h d im e t h o da n dc h a r a c t e r i z e db yg p c ， d s c ，x r d ，t e n s i l et e s t ，c o n t a c ta n g l ea n ds oo n t h ef i l m so fp c l p l l ab l e n d s w e r ep r e p a r e da n dt h ee f f e c tb e t w e e ns u r f a c et o p o g r a p h ya n dt h ep r o p o r t i o no fp c l a n dp l aw a ss t u d i e d 砀er e s u l t si n d i c a t e dt h a t ：( d p c l p e gm u l t i b l o c kc o p o l y m e r sw e r es u c c e s s f u l l y s y n t h e s i z e db yt h et w o - s t e p - h d im e t h o d t h eh y d r o p h i l i c i t yo fp c l p e gm u l t i b l o c k c o p o l y m e r sw a sr e m a r k a b l yb e t t e rt h a np c lh o m o p o l y m e ra n dt h ed e g r a d a t i o nr a t e o fp c l p e gm u l t i b l o c kc o p o l y m e r sw a sf a s t e rt h a np c l h o m o p o l y m e r m o r e o v e r ， t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fp c l p e gm u l t i b l o c kc o p o l y m e r sw e r en o tm a r k e d l y i i a b s t r a c t c h a n g e dc o m p a r e dt op c lh o m o p o l y m e r ( 勤p l l a p e g m u l t i b l o c kc o p o l y m e r sw e r e s u c c e s s f u l l ys y n t h e s i z e db yt h et w o - s t e p h d i m e t h o d t h eh y d r o p h i l i c i t ya n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fp l l a p e gm u l t i b l o c kc o p o l y m e r sw e r eb e t t e rt h a np l l a h o m o p o l y m e r s t h er e s u l t so fs e m s h o wt h a tr o u g hp a _ t t e mc a nb eo b s e r v e do nt h e s u r f a c e so ft h ef i l m so fp c l p l l ab l e n d sb u tn o tp u r ep c lo rp l l ap o l y m e r s m o r e o v e r , t h es i z eo ft h er o u g hp a t t e r n sc a nb ec o n t r o l l e db yc h a n g i n gt h ep r o p o r t i o n o f p c i ：，a n dp i ，i ，a k e yw o r d s ：p o l y ( e - c a p r o l a c t o n e ) ( p c l ) ；p o l y ( l l a c t i d e ) ( p l l a ) ；p o l y ( e t h y l e n e g l y c 0 1 ) ( p e g ) ；m u l t i b l o c kc o p o l y m e r s ；h e x y ld i i s o c y a n a t e ( h d i ) i i i 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下 各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学 位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存 论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务； 学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在 不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术 活动。 学位论文作者签名：；王小超 砷? 年6 月j 1 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：三王，1 、怨 沙0 7 年舌月f 1 日 第一章前言 第一章前言 第一节组织工程与生物材料 8 0 年代以后，随着生命科学、材料科学、分子生物学以及细胞学的发展， 人们开始尝试用生物降解高分予材料做成三维多孔支架，然后在支架内种植活 性组织细胞，体外培养一定时间后植入组织缺损部位，材料支架在细胞不断繁 殖，组织逐渐修复的过程叶1 适时地被机体降解吸收，从而提出了一个崭新的概 念组织工程( t i s s u ee n g i n e e r i n g ) ，从此人们梦寐以求的组织与器官的修 复与再建有了实现的可能。生物降解高分子在组织t 程细胞支架领域中有着得 无独厚的优势。目前组织工程的研究已经得到了迅猛发展”j ，在许多方面取得了 突破，人工皮肤已经获得美国食品与药物管理局( f d a ) 批准用于i 临床，其它 人工器官大部分还处于研究和临床试验阶段。 111组织工程的基本原理和方法 图ii 组织工程技术 f i g u r ei 1t h e t i s s u e - e n g i n e e r i n g t e c h n i q u e 组织工程是一门应用细胞生物学和工程学的方法及原理，通过再肆三或形成 第一章前言 有生命的组织，从而使机体中发生病变、缺损或老化的组织和器官得以修复和 重建，使它们的功能和形态得以改善和修复的科学。 组织工程技术示意图如f i g u r e1 1 所示，其基本原理和方法是将体外培养扩 增的正常组织细胞种植于一种生物相容性良好并可被机体吸收的生物材料支架 ( s c a f f o l d ) 上形成复合物，然后将细胞生物材料支架复合体( c e l l s s c a f f o l d ) 植入 机体组织、器官病损部位，细胞在生物材料支架逐渐被机体降解吸收的过程中 形成新的具有相应的形态和功能的组织、器官，达到修复创伤和重建功能的目 的【3 1 。目前，组织工程的研究主要围绕三方面：种子细胞( s e e dc e l l s ) ；细 胞支架；组织及器官的形成和再生。这三方面相互联系，相互作用，共同构 成组织工程的三大要素。 1 1 2 组织工程对细胞支架的要求 由生物降解高分子制备的细胞支架是目前组织工程中研究重点之一，它是 细胞获取营养、气体交换和排泄废物的场所，其在结构上对受损部分进行增强， 维持组织结构的完整性并防止变形，随着细胞的繁殖而逐渐降解、消失，将空 间让位于新生的组织。 组织工程对支架材料的主要要求有： 1 、生物相容性好：生物相容性是生物医用材料与人体之间相互作用产生 各种复杂的生物、物理、化学反应的一种概念，它包含血液相容性和组织相容 性。血液相容性，是指材料和血液接触后，不引起血浆蛋白的变性，不破坏血 液的有效成分，不会导致血液凝固和血栓形成；组织相容性，是指材料与生物 活体组织及体液接触后，不引起细胞、组织的功能下降，组织不发生炎症以及 排异反应等。 2 、细胞亲和性好：细胞亲和性是指材料能让细胞在其表面粘附及生长的 能力。一般认为这是由于细胞与材料之间存在着一种以蛋白质为介导的粘附机 理、粘附特性的差异，故影响细胞的增殖、分化等功能【4 】。 3 、生物可降解性：降解产物可代谢吸收，要求材料能适时的降解并逐渐由 新生组织替代形成新的有功能的器官。 4 、理化性质稳定，易于加工：一定的力学强度和热稳定性，易于加工成三 维多孔支架。 2 第一章前言 1 1 3 组织工程支架材料的种类 目前组织工程用于制备细胞支架的材料主要有三种：天然无机物、天然降 解高分子材料以及合成降解高分子材料【5 j 。 1 1 3 1 天然无机物 常见的用于组织工程的天然无机物有羟基磷灰石( h y d r o x y a p a t i l e ，h a ) 、磷 酸三钙( t r i c a l c i u mp h o p h a t e ，t c p ) 、珊瑚、松质骨基质等。天然无机材料多用于 骨缺损修复中，但其一般难以单独用作支架，实际应用中需要与其他材料复合。 z h a n g 等1 6 用h a 与p l a 制备复合支架而应用于骨组织工程研究中。 1 1 3 2 天然降解高分子材料 常用的天然降解高分子材料有以下几种： 1 、i 型胶原( c o l l a g e n ) ： 胶原是哺乳动物体内结缔组织的主要成份，构成人体约3 0 的蛋白质，共 有1 4 种，但i 型最丰富，且性质优良，因此被广泛用作生物医用材料。胶原具 有生物相容性好、无刺激性、无抗原性等特点，在止血、促进伤口愈合、诱导 组织再生等方面得到了广泛应用【7 ，引。y a n n a s 等 9 1 首先用胶原硫酸软骨素多孔交 联的支架成功的制得人工皮肤而用于临床。但是胶原具有免疫性，且力学性能 差，在含水条件下难以塑型，使其作用受到了限制。 2 、氨基葡聚糖( g l y c o s a m i n o g l y e a n s ) 这类化合物有硫酸软骨素、肝素、透明质酸等【1 0 】。透明质酸无免疫性、不 产生炎症或免疫排斥反应，但强度和稳定性较差。 3 、甲壳素及其衍生物 甲壳素及衍生物是从废弃的甲壳类、昆虫类动物体和霉菌类细胞壁中提取 的多糖类物质，是少见的带正电荷的高分子。甲壳素及衍生物由于甲壳素具有 无毒、无刺激性、生物相容性好等特点，在手术缝线、抗凝血材料、骨修复材 料、药物释放载体、细胞支架等方面得到了应用【1 1 1 。但在实际应用中存在突出 的问题就是溶解性差，加工性差，大大限制了其应用范围。天然降解高分子具 有良好的生物相容性，但可能会引起异体免疫反应，组织工程多用其衍生物。 而且天然降解高分子的质量受产地、原料来源、批次不同等影响，因而重复差。 另外，天然材料多难以力n z i ：，从而限制了其在组织工程中的应用。 3 第一章前言 1 1 3 3 合成降解高分子材料 表1 1 生物降解型脂肪族聚酯 t a b l e1 1b i o d e g r a d a b l ea l i p h a t i cp o l y e s t e r s 过去半个世纪以来，合成高分子改变了人们的日常生活。人们可以通过修 饰大分子链结构和加入添加剂( 如填料，增塑剂等) 而得到各种不同性能的材 料。同时，在医药领域也开始尝试用合成高分子作生物材料。7 0 年代初，已在 永久性和临时性用途上对材料的性能提出不同的要求：前者要求使用对生物稳 定( b i o s t a b l e ) 的高分子材料，其主要是在体内不发生降解。相反，后者只需要材 料在一段时间内保持稳定。由此，可降解材料开始在医药领域引起广泛兴趣。 1 9 5 4 年，聚羟基乙酸( p g a ) 成为第一个被使用可降解的合成高分子1 1 2 】。这种材 料早先被人们所忽视，因为其遇热不稳定，且不耐水解而无法用于任何永久性 用途。之后，人们逐渐意识到可以利用其可水解性来制造潮湿环境下或人体内 可降解的高分子器件。于是，p g a 就成了第一个可以被生物体吸收的、合成高 分子的手术缝合线材料【l3 1 。化学合成的生物降解高分子的生物相容性一般不如 天然高分子，但合成高分子通过化学合成批量生产，产品性能可以控制、重复 性好，适宜于工程化的要求，而且改变合成高分子的结构、组成可调控其力学 性能和生物降解速度以满足不同的生物医学领域的应用需求，此外合成高分子 加工性能和价格等方面都优于天然高分子，可调性也大，因此得到了广泛的研 究和应用。 过去2 0 多年来所发现的可降解或生物可降解聚合物，在它们的主链上都有 4 第一章前言 可水解的化学键、如酯键、原酸酯键、酸酐键、碳酸酯键、酰胺键、脲键和胺 基甲酸酯键等。而包含酯键的脂肪族聚酯最为看好，因为它们具有极好的生物 相容性，同时又有不同的物理、化学和生物学性质。主要的脂肪族聚酯类化合 物如t a b l e1 1 所示。目前，仅有乳酸，羟基乙酸和己内酯的均聚物或共聚物已 经被商品化用作药物释放体系，可望用于治疗癌症、感染，戒毒、避孕，接种疫 苗或组织修复等。 1 、聚羟基乙酸、聚乳酸及其共聚物 聚羟基乙酸( 也称聚乙交酯，p g a ) 、聚羟基丙酸( 也称聚乳酸，p l a ) 及其 共聚物是合成降解聚合物在医药部门应用最广泛的生物材料。它的分子结构通 式为 o c h ( r ) c o ，式中r 为h 时是p g a ，r 为c h 3 时为p l a 。第一个可降 解的手术缝合线“d e x o n 就是由p g a 所制成的。p g a 结晶度高、熔点高、溶 解度低，因而难以加工，而且降解速度较快( 几周) ，一般组织工程中较少应用 其均聚物，多用p g a 与p l a 的共聚物p l g 。近年来，将细胞植入p l g 的多孔 支架，已成功应用于骨组织修复，并获美国f d a 批准临床应用。 2 、聚一己内酯 聚己内酯( p c l ) 骨架结构为 o ( c h 2 ) 5 c 0 1 ，是另一种常用的脂肪族聚酯类 生物降解高分子。p c l 是半结晶态高聚物，结晶度约为4 5 左右。p c l 具有其 他聚酯材料所不具备的一些特征，最突出的是超低玻璃化温度( 咒= 一6 2 c ) 和低熔 点( t m = 5 7 * c ) ，因此在室温下呈橡胶态，这可能是p c l 比其他聚酯有更好的药物 透过性的原因。同p g a 和p l a 相比较，p c l 结晶性更强且更加不亲水，因此其 降解速度要慢得多( 要在体内完全降解吸收需要5 年以上) ，用纯p c l 不适宜制 备细胞支架，但常用p c l 改性p l a 、p g a 的力学性能和降解速度，用以制备细 胞支架。 3 、聚原酸酯和聚酐( p o l y ( o r t h oe s t e r s ) 和p o l y a n h y d r i d e ) 聚原酸酯是一类疏水性聚合物，降解主要发生在聚合物水界面处，是一种 非均相的水解过程，而表面降解的材料比本体降解的材料更适用于组织工程领 域。聚酐也是一种聚酯，已普遍应用于生物医学领域，通过改变聚合物单体的 组成，可以将聚合物遇降解速度在数天到数月范围内变化，是一种具有优良的 软、硬组织相容性的生物材料。 4 、聚磷腈( p o l y p h o s p h a z e n e s ) 聚磷腈类高分子的物理化学性质，如水解敏感性、机械性能和表面性质等 5 第一章前言 都可以在很宽的范围内变化，所以可以调控和优化聚合物的性能，以满足组织 工程的要求。 5 、聚氨基酸( p o l y ( a m i n oa c i d ) ) 聚氨基酸是指任何一种含有氨基酸单体的聚合物，从低聚物到蛋白质及生 物活性蛋白质都属于这一范畴。在组织工程领域，聚氨基酸的设计和合成正逐 步成为非常有用的手段。由于聚氨基酸在生物相容性方面的优势，科学家们对 在实验室合成氨基酸类材料表现出现了极大的兴趣。 6 、聚羟基脂肪酸酯( p o l y h y d r o x ya l k a n o a t e s ，p h a ) 近2 0 多年迅速发展起来的生物高分子材料一聚羟基脂肪酸酯( p h a ) ，是 很多微生物合成的一种细胞内聚酯，是一种天然的高分子生物材料。因为p h a 同时具有良好的生物相容性能、生物可降解性和塑料的热加工性能。因为同时可 作为生物医用材料和生物可降解包装材料，这已经成为近年来生物材料领域最 为活跃的研究热点。p h a 还具有非线性光学性、压电性、气体相隔性很多高附加 值性能。 第二节脂肪族聚酯的合成 合成脂肪族聚酯主要有两条路线：羟基羧酸的直接缩聚或环状内酯类单体 的开环聚合。羟基丙酸( 乳酸，l a c t i ca c i d ) ，羟基乙酸( g l y c o l i ca c i d ) 或羟基己酸 ( h y d r o x y c a p r o l ca c i d ) 可以由一种逐步增长的机理在低压和高温条件下聚合。这 种方式通常只能得到两端分别带o h 和一c o o h 的短链聚合物( m n o h c o n h s 0 3 h c o o h 1 4 5 高分子材料物理表面对细胞的影响 材料表面的物理微观形态对细胞也有一定影响。一般地，在几十纳米尺寸 范围内的粗糙表面有利于细胞的贴附，但是也有某些细胞易贴附于光滑表面。 1 3 第一章前言 第五节生物降解型聚酯功能化及其亲水性的改善 生物降解型聚酯，如聚己内酯( p c l ) ，聚丙交酯( p l a ) ，聚乙交酯( p g a ) ， 聚羟基丁酸酯( p h b ) 及其共聚物等，都具有优异的生物可降解性及生物相容性。 它们被广泛用作手术和组织工程( t i s s u ee n g i n e e r i n g ) 材料，如骨板、组织修复器 件、手术缝合线等；同时，作为药物释放体系的基材也得到了广泛应用。生物 降解型聚酯材料已经成功地在油溶性药物释放体系中得到应用。人们同样希望 这类聚合物可以应用于多肽及蛋白质药物( 多为水溶性) 的释放体系。总结起 来，这方面研究中还存在以下不足：制剂中药物包覆率太低；多肽、蛋白质药 物在存放及释放过程中容易失活；药物释放过程难于控制【5 2 1 。 较为根本的解决这些问题的办法是以无规或嵌段的方式，向上述聚酯结构 中引入亲水组分，如羟基、羧基、氨基等官能团或聚7 , - - 醇( p e g ) 等，使其在制 品成型过程中，于载体内形成亲水相，充分包覆药物。同时亲水组分的引入也 会影响聚酯的生物降解行为，从而可以通过改变共聚物的亲水组成来对药物释 放方式进行调控。从药物活性角度分析，由氨基酸、p e g 等形成的微环境也将 有利于多肽和蛋白质药物的在储存和给药过程中保持活性。 近年来飞速发展的人体组织工程是生物降解型聚酯的另一个主要的应用领 域。目前该领域的研究方向之一是将包有特定细胞簇的生物降解型聚酯器件植 入体内，以修复损伤的组织或器官。但传统的生物降解型聚酯材料由于其固有 的疏水性，难以稳定包容细胞，且很难为活体细胞提供一个适宜的生存环境。 如将羟基、羧基、氨基等官能团或p e g 等引入生物降解型聚酯结构中，并对其 进行进一步的修饰，那么这样的材料不仅具有很好的细胞相容性，而且能选择 性地与特定细胞簇相结合，从而形成满足要求的聚合物一细胞器件。 生物降解型聚酯功能化及改善亲水性的方式主要有两种【5 3 1 。 1 5 1与功能单体共聚 由于生物降解型聚酯材料应用范围的特殊性，对于共聚组分的引入有一些特 定要求，如共聚物应该无毒，生物可降解，细胞亲和性及低免疫原性，对于所 包覆的药物可以起保护作用，共聚单体可方便地与主单体共聚。氨基酸是生物 体的重要组成单元，是生命活动的基础之一，完全符合上述要求。作为向生物 降解型聚酯结构中引入氨基酸的共聚单体，吗啉二酮衍生物 ( m o r p h o l i n e 一2 ，5 d i o n ed e r i v a t i v e s ) 是研究较多的一类【5 4 5 5 1 ，结构如( a ) 。 1 4 第一章前言 苹果酸作为体内柠檬酸循环的中间产物，也是常见的共聚单体【5 6 1 。由于含 有一个羟基和两个羧基，可以很方便地在保护一个羧基的条件下，形成四元环， 六元环，如下所示( b ) ，( c ) ，( d ) ： b 了三疋咖z 比哦 ( b ) ( c ) p ) 1 5 2 与大分子反应 明胶是一种天然蛋白质，通常从动物的骨、皮等中提取。作为一种理想的 亲水性组分，可以考虑通过大分子反应将其引入生物降解型聚酯链结构中，从 而实现功能化并改善亲水性。但目前报道的都是通过物理的方法将明胶引入的。 此外，也有以多糖、聚乙烯醇( p v a ) 和环糊精( c y c l o d e x t r i n ) 为主链，利用其所带 有的羟基与s n o c t 2 共同引发l a 、g a 共聚，得到带亲水性主链和p l a g a 支链 的梳形共聚物【5 7 1 。 第六节p c l p e g 和p l l a p e g 嵌段共聚物 1 6 1p e g 聚乙二醇( p o l y ( e t h y l e n eg l y c 0 1 ) ，p e g ) 是一生物相容性好、高亲水性和高 结晶性( p e g 均聚物结晶约为6 6 ) t 5 8 】的非降解性高分子材料。当p e g 的分子量 小于2 0 ，0 0 0 时p e g 分子可以通过肾滤膜而排出体外，不会造成在人体内的积累， 分子量小于5 0 0 0 左右的p e g 分子可以被体内巨噬细胞所吞噬。它既可溶于水又 可溶于许多有机溶剂，对人体无毒、无过敏和免疫反应【5 9 】，已被f d a 批准用于 体内。 m a q u e t 掣6 0 】研究了以1 0 p l e 共聚物改性后的p l a 支架的降解及其对a f g f 的释放行为。结果表面共混改性后的支架吸水率上升，膨胀能力也上升， 易于传递细胞所需的营养物质。共混后所制备支架的降解速度及a f g f 的释放 速度均加快。 另外，p e g 具有阻止蛋白及细胞等贴附的作用【6 l 】，被广泛用于抗凝血、人 造血管改性【6 2 】等研究。通过p e g 改性而减少蛋白3 ，硎、白血球、血小板6 6 ，6 7 】 1 5 r飓， 叭 、z i h y 少。 队 形 第一章前言 细菌8 ，6 9 1 和细胞7 0 ，7 1 】等的贴附也得到广泛的研究。 总之，与天然蛋白质和糖类相比，p e g 拥有许多优势：便宜、易得，既溶 于水又溶于多种有机溶剂，具有优异的端基反应性和可修饰性，无免疫原性等。 因此，近年来，有大量关于将p e g 引入生物降解型聚酯链结构中的报道。例如： 向疏水性的p c l 中引入亲水性的p e g 链段可以增加材料的亲水性能【1 7 2 ，7 3 。 1 6 2p c l p e g 嵌段共聚物 p c l 具有优良的药物透过性，但是结晶性强、生物降解速度慢，而且为疏水性 高分子，仅靠调节其分子量及其分布来控制降解速率有一定的局限性。由于p e g 具有独特的生物相容性和理化特性，通过共聚将p e g 引入p c l 中，可以改善p c l 的亲水性和降解性能，得到一类新型可生物降解材料。近年来，人们合成和研究 了大量以p e g 引发己内酯单体开环聚合的聚乙二醇聚己内酯嵌段共聚物。 h e 等【7 4 】以固定化的脂肪酶( n o v e z y m e 4 3 5 ) 为催化剂，用单羟基和双羟基 的p e g 引发c l 开环分别合成了聚乙二醇聚己内酯二嵌段和三嵌段共聚物，并且 研究了它们的降解行为。实验发现，聚合物中p e g 的引入并不影响p c l 的酶解方 式，但是三嵌段比二嵌段降解性能稍好。刘瑞雪等【_ 7 5 】贝0 以n o v e z y m e 4 3 5 为催化 剂，用聚乙二醇单甲醚( m p e g ) 成功引发c l 得到分子量分布很窄( p d i = 1 1 1 ) 的聚乙二醇聚己内酯二嵌段共聚物。 z h o u 等【_ 阳】以异辛酸亚锡为催化剂，用p e g 引发c l 开环制备了聚乙二醇聚己 内酯嵌段共聚物，并将其用于药物控释系统的载体。实验发现，共聚物的性质 可以通过改变共聚组分的比例来调节，通过组分优化可能使材料用于蛋白质释 放系统的载体。p i a o 等【7 2 1 以钙的氨化物为催化剂，s h a h h u ih s u 等【7 7 1 以醇铝化合 物为催化剂，分别用p e g 引发c l 锘f j 备了聚乙二醇聚己内酯嵌段共聚物。 邓联东等【7 8 j 以甲苯二异氰酸酯( t d i ) 为偶联剂，合成了p e g p c l 两亲性三 嵌段共聚物，并对共聚物进行了表征，发现结晶度和熔点均低于均聚物。z h a n g 等【| 7 9 】以己酸甲酯二异氰酸酯( l d i ) 为扩链剂，用p e g ，p c l 带i j 备了聚乙二醇 聚己内酯三嵌段共聚物。 l u 等【8 0 】选用四臂的p e g 引发c l 开环制备了星型聚乙二醇聚己内酯嵌段共 聚物，并且发现共聚物中p c l 链段越短，降解速率越快。 l i u 等【8 l 】还将聚乙二醇聚己内酯嵌段共聚物用于动物体内实验，发现嵌段共 聚物比聚己内酯均聚物的生物相容性有明显改善。 1 6 第一章前言 1 6 3p l l a p e g 嵌段共聚物 p l a 具有良好的可降解性，生物可吸收性和生物相容性。多年来，p l a 及 其共聚物一直用作可降解的生物材料，如药物载体，临床上的组织修复材料， 缝合线和骨矫形器件。但是，p l a 的强疏水性和结晶性，使得其临床应用受到 很大限制，因而有必要进行改性。一个有效的改性方式是利用共聚引入亲水性 软段，所得的共聚物能同时具有二者的优势，并改善其不足。此外，共聚还可 以通过改变亲水性疏水性或软段硬段的比例，有效的调控材料的各种性能。 将p e g 8 2 1 、聚丙二醇( p p g ) 【8 3 】及聚四亚甲基醚刚二醇等多种聚醚与l a 共 聚可以改性p l l a 材料的性质，其中以p e g 改性p l l a 材料的研究最为广泛。 s h e t h 等【8 5 】将1 4 万的p l l a 与2 万分子量的p e g 熔融共混进行了研究，共 混后材料的力学性能有了明显变化，随p e g 含量不同而分别表现为高模量的脆 性材料或低模量的韧性材料不等。结果发现由于亲水性p e g 的存在，共混体系 中p l l a 的降解比p l l a 均聚物快，但由于p e g 很快( 几天之内) 溶出，所以 共混体系中的p l l a 降解速度仍然较慢，所以用p e g 与p l l a 共混的方法改性 p l l a 的效果不够理想，一般多采用共聚的办法。 c o h n 掣8 6 】以氧化锑( s b 2 0 3 ) 和磷酸为催化剂，用p e g 引发l a 或g a 酯化 缩聚，得到三嵌段共聚物。p e g 嵌段分子量为6 0 0 - 4 5 0 0 0 ，l a 含量是 2 0 8 0 ( w t ) 。他们考察了共聚物在不同有机溶剂中的溶解度、力学性能、吸水 率和接触角和亲水性，通过红外谱图研究了聚合物的结晶形态，并将上述性质 与共聚物的组成和结构相联系。对三嵌段共聚物的体内和体外降解实验和组织 反应实验显示：降解介质碱性越大，失重越快；温度越高，降解越快；羧酸酯 水解酶( c a r b o x y l i ce s t e rh y d r o l a s e ) 对降解没有影响。而降解过程对材料机械性能 影响极大：降解两天后，断裂伸长率剧烈降低。 d e n g 掣9 7 】由p e g 引发d ，l 丙交酯在不同催化剂存在下开环聚合，得到 嵌段共聚物p e l a 。发现s n c l 2 与s n o c t 2 的催化引发效果相近，而且便宜许多。 由于p e l a 既有疏水性链段又有亲水性链段，因而设想可以通过调整两种链段 的长度来调控降解速率。他们发现在0 9 的n a c l 水溶液中p e l a 比p l a 降解 更慢，而且p e g 含量越高，降解越慢。影响降解的其它因素还有共聚物的分子 量和结晶度。 l i u 等【8 8 j 以s n o c t 2 为催化剂，1 8 0 下，氮气保护，由p e g 引发l - l a 得到 三嵌段共聚物。他们对p l a 均聚物和p e l a 共聚物进行了最大周期为6 0 0 小时 1 7 第一章前言 的降解实验，并且考察了其降解过程中熔融行为的变化。发现随着降解时间增 大，p l a 均聚物的下降，结晶度从4 6 变为5 6 ，熔融熵凹跚也上升；而 p e l a 共聚物随着降解，矗下降，瓦上升，熔融熵减少。此外p e g 含量的增加 也使熔融熵减小。 第七节课题的提出 组织工程在近十年来发展非常迅猛，生物降解材料所制备的细胞支架是组 织工程中的三大要素之一。细胞支架为细胞增殖提供营养物质传输、气体交换、 排除废物，使细胞按一定形状要求生长的三维微环境。这就对制备组织工程细 胞支架的高分子降解材料提出以下要求：生物相容性好；能适时降解、吸收且 完全消失，以与组织修复的时间相匹配；具有适当的亲水性，以利于营养物质 等的传输等；对生长因子有控制释放的功能；具有可加工性和可消毒性。 目前，细胞支架最常用的合成降解材料是p c l 和p l l a 及其共聚物。但是 它们疏水性强，不利于细胞生长所需的营养物质的传输，也不利于细胞的迁移 及进入支架内部生长。而且，p c l 和p l l a 的降解周期较长，不能与许多组织 修复的时间相匹配，另外，p l l a 的高结晶性导致其为脆性材料，力学强度不适 合更广泛的组织工程应用。这些弱点限制了二者在组织工程领域的应用。 p e g 是一类生物相容性好，高亲水性，高结晶性的非降解材料，低分子量 的p e g 可通过肾滤膜而排出体外。将p c l 或者p l l a 与p e g 共聚则可制各成 一种具有一定的亲水性，有利于细胞进入支架内部生长的材料。 p c l p e g 和p l l a p e g 二、三嵌段共聚物的合成比较简单，而且确实能提 高材料的亲水性。但是，二、三嵌段共聚物也有明显的不足之处。首先，p e g 是不能降解的，虽然低分子量p e g 可以透过肾脏膜从人体内排出，但当其分子 量超过1 0 0 0 0 时，便会在体内积累。因此，这就限制了p e g 嵌段的长度，即限 制了p e g 的含量，从而也限制了三嵌段共聚物各种性能的改善程度。此外，由 于p e g 嵌段的长度有限，为了取得亲水性和结晶性一定的改善，p c l 或者p l l a 嵌段就不能太长，也即共聚物的分子量不能太大，从而使得其力学性能，尤其 是强度受到限制，也进一步使其在应用上受到限制。同时，在三嵌段共聚物中， p e g 嵌段处于中间，其活动性较小，对p c l 或者p l l a 结晶性影响有限，加上 p c l 或者p l l a 嵌段位于分子链的两端，活动性较大，有利于结晶。因而，三 1 8 第一章前言 嵌段共聚物中，结晶性降低有限，其材料的柔韧性仍然很差。为了达到一定分 子量和p e g 含量，三嵌段共聚物的中的p c l 或者p l l a 和p e g 嵌段长度都相 对较大，这样两组分又很容易各自成相、发生相分离，材料的稳定性、机械性 能、可降解性以及各种性能的改善效果都受到影响。 为了克服以上种种限制，人们提出聚乙二醇聚己内酯以及聚乙二醇聚丙交 酯多嵌段共聚物的合成课题。多嵌段共聚物可以克服上述各种限制。因为可以 以很多较短的链节存在，就没有了p e g 含量对其嵌段长度的限制和总分子量的限 制。p c l 或者p l l a 和p e g 两组分在保持各自含量的情况下，都可以以很多较短 的链节存在，而使二者的可充分相容，保证了材料的稳定性、机械性能、可降 解性以及各种性能的改善效果。同时，两组分嵌段足够短时，例如各自长度都 处于微米或纳米范围，还可能出现一些新的性质。文献中也有一些聚酯聚醚多 嵌段共聚物的报道，都是近几年来的最新工作结果【8 9 9 0 1 。 本研究的目的是：寻求一种简单易行的合成方法，提高p c l p e g 和 p l l a p e g 嵌段共聚物的性能，使共聚物的嵌段结构易于准确控制，以便于调控 其各项性质性能；使p c l p e g 和p l l a p e g 嵌段共聚物的分子量提高而得到具 有实际意义的力学性能；对多嵌段共聚物的组成、结构和性能，尤其是与生物 医学用途有关的性能，做出一些表征。总之，希望能使p c l p e g 和p l l a p e g 多嵌段共聚物成为一种真正具有实用意义的生物可降解材料，能够用来制备组 织工程支架。 最后，还研究了p c l 和p l l a 的共混对材料表面形貌的影响。 1 9 第二章p c l p e g 多嵌段共聚物的合成、表征和降解行为 第二章p c l p e g 多嵌段共聚物的合成、表征和降解行为 第一节引言 p c l 具有优良的药物透过性，但是结