（材料学专业论文）新型聚天冬酰胺衍生物水凝胶的制备与性能研究.pdf

中文摘要 为了获得生物安全性高的药物控释载体，本文用两种交联方法制备了聚天冬氨 酸及其衍生物水凝胶材料。 采用两步交联法制备了聚天冬氨酸水凝胶。先将内交联剂赖氨酸以侧基的形式 引入聚丁二酰亚胺( p s i ) 聚合物链中，再利用戊二醛为表面交联剂进行交联反应。用 f t i r 、s e m 对水凝胶的结构、形态进行了表征，采用d s c 、t g 方法分析了水凝胶 中水的存在状态，结果表明水凝胶中含有少量的可冻结结合水和大量的自由水。研究 了聚丁二酰亚胺分子量、反应温度、时间、赖氨酸用量及戊二醛用量对水凝胶溶胀 性能的影响。并对水凝胶的溶胀机理进行了初步的探讨，结果表明溶胀过程属于非 f i c k i a n 扩散。p h 敏感性测试表明水凝胶在p h = 3 4 时收缩，而在p h 3 4 时溶胀，且溶胀率随着p h 值的增大而增大。包埋在该水凝胶中的氯霉素释放随着释 放介质的p h 值的不同而显著变化，在p h = 7 4 、9 2 下的释药率大于在p h = 1 5 下的 释药率，且水凝胶在三种介质中都有一个快速的释放过程。 用牛磺酸和赖氨酸对p s i 进行开环和交联反应，制备了新型的磺酸型旷聚天 冬酰胺衍生物水凝胶。用d s c 、t g 方法分析了水凝胶中水的存在状态和引入磺酸 基后对水凝胶结合水能力的影响。磺酸基的引入提高了水凝胶结合水的能力，水凝 胶的吸水倍数由4 7 倍增大到1 7 4 倍。同时研究了反应条件、环境因素对水凝胶溶胀 性能的影响。结果表明水凝胶具有较强的溶剂敏感性。溶胀倍数随着溶液口h 值增 大而升高，水凝胶在p h _ 7 4 中收缩。水凝胶的溶胀倍数随着溶液离子强度的增大 而降低。研究了水凝胶对氯霉素的负载能力和释放性能，结果表明，凝胶颗粒的大 小、释放介质的p h 值对氯霉素的释放行为都有影响，颗粒越大，吸附的氯霉素的量 越大，但释放速度随着颗粒的增大而减小。并初步探讨了氯霉素的释放机理。 关键词：聚天冬酰胺；水凝胶；牛磺酸；赖氨酸；药物释放 a b s t r a c t p o l y a s p a r t a t ea n di t sd e r i v a t i v eh y d r o g e l sw e r e ：p r c p 缸e db yt w oc r o 踌- l i 】1 l 【i n g m e t h o c i si n0 r d e rt og e tt h eh i g hb i o c o m p a f i b l em e d i c a lc o n t r o l - r e l e a s ec a r r i e rm a t e r i a l s p o l y a s p a r t a t eh y d r o g e l sw e r es y n t h e s i z e db yu s i n gat w o - s t e pc r o 站- h n l d n gr e a c t i o n l - l y s i n ew a sf i r s ti n t r o d u c e di n t op s ia st h es i d ec h a i nb yr i n g - o p e n i n gr e a c t i o n ；t h e h y d r o g e lw a st h e np r e p a r e db yc 踮- l i n ：i ( i n gr e a c t i o nw i t hg l u t a r a l d e h y d e 勰t h ea g e n t t h es t r u c t u r ea n dm o r p h o l o g yo ft h eh y d r o g e lw a sc h a r a c t e r i z e db yf o u r i e rt r a n s f o r m i n f r a r e ds p c c t r o s c o p y ( f r i r ) a n ds c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e v o t h ee x i s t i n g s t a t u so ft h ew a t e rm o l e c u l e si nt h eh y d r o g e lw a sa n a l y z e db yd i f f e r e n t i a ls c a n n i n g c a l o r i m e t r y ( d s aa n dt h e n n o g r a v i m e t r yf r o ) r e s u l t ss h o w e dt h a t t h eh y d r o g e l c o n t a i n sal a r g ea m o u n to ff r e ew a t e ra n das m a l la m o u n to ff r e e z i n gb o n dw a t e r f u r t h e r m o r e ，e f f e c t so fp o l y m e r i z a t i o nc o n d i t i o n s ，s u c ha s ，m o l e c u l a rw e i g h to ft h e p o l y s u c c i n i m i d e ，r e a c t i o nt i m ea n dt e m p e r a t u r e ，a n dt h ea m o u n to ft h ec r o 锚- l i n k i n g a g e n t s ，o nt h es w e l l i n gb e h a v i o ro fh y d r o g e l sw e r es t u d i e d t h eh y d r o g e l ss w e l l i n g m e c h a n i s mw a sa l s od i s c u s s e d t h es w e l l i n gp r o c e s sw a sp r o v e dt ob en o n - f i c l c i a n d i f f u s i o n p hs e n s i t i v i t ym e a s l l r e m e n mi n d i c a t e dh y d r o g e l ss h r i n ka tp h = 3 4b u ts w e l l w h e np hn o te q u a lt o3 4 ，a n dt h es w e l l i n gr a t i o ( s r ) i 丑c r c 勰龉蹈t h ep hi n c r e a s e s t h e r e l e a s i n gb e h a v i o ro ft h ec h l o r a m p h e n i c o le n t r a p p e di n t h eh y d r o g e lw a sd i s t i n c t l y d i f f c r c n ti nd i f f e r e n tp hm e d i a t h ed r u gr e l e a s er a t i oo ft h ec h l o r a m p h e u l c o la tp h2 7 4a n d9 2i sh i g h e rt h a na tp h = 1 5 t h eh y d r o g a lh a sar a p i dr e l e a s ep r o c e s si na b o v e t h r e ep hv a l u en l e d i a an o v e ls u f f o n i ca , 8 - p o l y a s p a r t a m i d eh y d r o g e lw a ss y n t h e s i z e db yt h er i n g - o p e n i n g r e a c t i o no fp s lw i t ht a u r i n ea n dl y s i n e t h ee x i s t i n gs t a t u so ft h ew a t e rm o l e c u l e si nt h e h y d r o g e l , a n dt h ee f f e c to ft h es u l f o n i ca c i dg r o u pi n t r o d u c t i o no i lt h ew a t e ra d s o r p t i o no f t h eh y d r o g e lw e r ea n a l y z e db yd s ca n dt g r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ew a t e ra d s o r p t i o n a b i l i t yo ft h eh y d r o g e lh a sb e e ng r e a t l yi m p r o v e db yt h ei n t r o d u c t i o no ft h es u l f o n i ca c i d g r o u p t h ew a t e ra b s o r p t i o nc a p a c i t yi n c r e a s e df r o m4 7t i m e st o1 7 4t i m e s t h es t a t u so f t h ew a t e rm o l e c u l e si nt h ea 1 ；- p o l y a s p a r t a m i d eh y d r o g e i sw e r et h es a i n ca st h o s ei nt h e p o l y a s p a r t a t eh y d r o g e l s e f f e c t so fr e a c t i o nc o n d i t i o n sa n de n v i r o n m e n t a lf a e t o i 暑o nt h e s w e l l i n gp r o p e r t i e so fh y d r o g e l sw e r ea l s oi n v e s t i g a t e di n t h i sp a p e r t h es w e l l i n g b e h a v i o ri no ft h eh y d r o g e li nd i f f e r e n ts o l u t i o n si n d i c a t e dt h a ti th a ss t r o n gs o l v e n t s e n s i t i v i t y t h es w e l l i n gr a t i oi n c r e a s e sa st h ep ho fs o l v e n ti n c r e a s e sb u ts h _ i n k 5a t p h = 7 4 t h es rd e c r e a s e sa st h ei o n i cs t r e n g t ho ft h es o l v e n ti n c r e a s e s t h el o a d i n g c a p a c i t ya n dt h er e l e a s i n gb e h a v i o ro f t h ec h l o r a m p h e n i c o lh y d r o g e l sw e r ei n v e s t i g a t e d r e s u l t ss h o w e dt h a tb o t ht h es i z eo ft h eh y d r o g e la n dt h es o l v e n tp hv a l u ea f f e c tt h e r e l e a s i n gb e h a v i o r , t h eb i g g e rt h ep a r t i c l es i z e ，t h el a r g e ra m o t m to f t h ec h l o r a m p h e n i c o l a b s o r p t i o n h o w e v e r , t h er e l e a s i n gr a t ed e c r e a s e s 勰t h ep a r t i c l es i z ei n c r e a s e s f i n a l l y , t h er e l e a s i n gm e c h a n i s mw a si l l u s t r a t e d k e yw o r d s ：p o l y a s p a r t a m i d e ，h y d r o g e l , t a u r i n e , l y s i n e , d r u gr e l e a s e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：柒珲汞1 f 签字日期：多石 年声月膨日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：采军聋i 签字日期：砌6 年2 月秽日 导师签名： 签字日期：日害胍捧”辛“ 第一章前言 第一章前言 药物的控制释放也称为可控给药体系( c o n t r o l l e dr e l e a s ed r u gd e l i v e r ys y s t e m ， c r d d s ) 。c r d d s 是通过物理、化学等方法改变制剂结构，使药物在预定时间内， 自动按某一速度从剂型中恒速释放于作用器官或特定靶组织，并使药物浓度较长时 间维持在有效浓度内的一类制品【 一般高分子材料作为药物载体时，随着载体中药物含量的减少，药物的释放速 率变慢，无法保持药物的衡量释放。但是用生物降解性商分子作药物载体时，随着 高分子在体内的降解，药物载体的结构变得疏松，使内含的药物从中溶解和扩散的 阻力减小，药物释放速度加快。当药物释放速度的加快恰好与含药量减少所引起的 释药速度变慢一致时，就实现了药物的长期衡量释放。此外，用生物降解高分子作 为载体的长效药物植入体内，在药物释放完后也不需要手术将其取出，可减少用药 者的痛苦和麻烦。 在所有人工材料中，水凝胶由于聚合物网络中充斥有大量的水分，使得整个材 料具备了一种流体的性质，这与充盈有大量的水性液体的机体组织极其相似，柔软， 润湿的表面以及与组织的亲和大大减少了材料对周围组织的蒯激性，使得水凝胶聚 合物具有良好的生物相容性【2 】。水凝胶吸水后具有生物材料“软而湿”的这种优点 使得其成为设计各种仿生材料、药物释放体系( d d s ) 以及化学阀门等的基础。在种 类众多的水凝胶中，可生物降解的水凝胶是当前研究的热点。 现在生物可降解与吸收材料所面临的主要问题是，如何提高材料的生物安全性 和机械性能，以及如何人为地控制材料的降解速度【3 】。目前常用的合成类生物降解 材料主要有聚酯类、聚磷酸酯、聚原酸酯、聚酸酐和聚氨基酸，以及它们的共聚物 等。其中聚氨基酸材料具有良好的生物安全性和生物相容性，能自行降解、代谢被 肌体吸收和排泄，具有其他材料不可比拟的优点。此外，聚氨基酸材料还可通过侧 链功能化来调控材料自身的降解速度和释放速度。 为了获得生物安全性高的材料，本文拟定从l 天冬氨酸的合成出发，设计并制 各出新型的生物相容性良好的水凝胶材料。这种水凝胶具有良好的溶胀性能和吸附、 释放性能，有望成为一种新型的药物释放载体。 第二章文献综述 2 1 聚氯基酸类聚合物材料 2 1 1 概述 第二章文献综述 聚氨基酸是具有类似蛋白质的酰胺键结构，是一种生物可降解材料，降解产物 为氨基酸小分子，最终可降解成水和二氧化碳，具有良好的生物相容性。聚氨基酸 材料是通过同种氨基酸均聚或不同氨基酸共聚制得，将功能性侧链基键入主链，再 把药物键合到材料上，或用储存或骨架方式与药物结合，用改变材料的亲疏水性、 荷电性和酸碱性等方法来调节药物的扩散速度与材料自身的降解进度【4 】。具有为人 体必须，能自行降解、代谢被机体吸收和排泄，毒性低，生物相容性好等其它材料 不可比拟的优点，在众多的高分子材料中独树一帜。生物医用领域的首例聚氨基酸 应用报道是1 9 8 6 年m i g a m a e 等人将聚谷氨酸纤维用作外科缝合线，此后相继合成 出了结构丰富的聚氨基酸及其衍生物，其应用范围逐步拓展 5 i 。目前己将聚氨基酸 材料应用于缝合线材料、人工皮肤等医用材料方面和计划生育、抗肿瘤药物药用载 体材料方面。因而，聚氨基酸材料在药物控释领域中应用一定有一个极好的前景。 2 1 2 聚氯基酸类聚合物材料的结构与特点 作为蛋白质的基本组成单位，氨基酸具有其它一般聚合材料所不具备的一些特 性：支链可以与小肽、药物或交联剂等连接，制成各种不同性能的产物，特别是降 解产物为氨基酸，毒性很低，聚氨基酸特别是聚赖氨酸已用作缝合材料，人工皮肤 和药物控释体系【o j 。 聚氨基酸材料在众多的生物材料中有其独特的生物功效，与其有特殊的性质有 关。就聚氨基酸的研究而言，一个基本的途径就是分析其成键及空间填充性质，观 察其组合而成的结构。在至今所发现的蛋白质，其基本结构单元的氨基酸共有二十 种。这二十种氨基酸有一个共同的特点，即一个羧酸和一个氨基连接在处于中心的 a 碳原子上，故也称其为a 氨基酸。各种氨基酸的差别在侧链上。a 碳原子周围的 四个不同的基团按照四面体的方向排布。因此，成分相同的氨基酸可以有两个互为 镜像的【厂异构体和d 异构体。从氢原子向a 碳原予方向看，氨基、羧基、r 基沿顺 时针方向排列的是l 异构体【刀。只有l 氨基酸参与蛋白质的组成。 g o r d o ng i - i a m m e s i s ! 用旋光色散法和圆二色谱法对聚氨基酸结构的聚a l - 谷氨 2 第二章文献综述 酸和聚碱结构的聚l 赖氮酸在不同溶液中的结构作了研究。从实验结果可知聚a - l - 谷氨酸和聚山赖氨酸在p h - - 4 、p h ；7 的0 0 1 m n a f 溶液中的a ，b - 折叠结构比为1 ： 1 聚l 赖氨酸在此条件下为无定型圈状结构，而聚- a 山谷氨酸在p h = 7 时是无定 型圈状结构，在p h = 4 时为螺旋状。在p h = l l 时聚- a - l 广谷氨酸和聚l 赖氨酸为无定 型圈状结构。 聚氨基酸材料的主要特点如下i s ：( 1 ) 由多种氨基酸可制得一系列均聚物和共 聚物，主链两侧基团提供药物交联剂，用于调节其性能的悬浮基团结合位点；( 2 ) 在其主链裂解过程中释放出来天然氨基酸组分，降解产物无毒性；( 3 ) 具有与生物 大分子蛋白质相似的结构特性，具有良好的生物相容性和降解性；( 4 ) 聚氨基酸在 体内主要以酶解为主，酶对氨基酸的酶解有特异性，多种氨基酸聚合后进入生物体 内，为酶解提供了多个酶解位点。故可以调解聚氨基酸中不i 司氨基酸的比例，调控 材料的酶解速率。就目前对聚氨基酸材料的研究来看，除了其为人体必须的氨基酸， 生物相容性较好等特点外，氨基酸本身具有多个活性基团点位，不论均聚物或共聚 物，它都保留着某些活性基团，这些基团为材料的功能化准备了条件。通过开环或 引入功能性基团使聚合物具有某些特殊的功能。因此，在对聚氨基酸材料的研制中， 一方面要寻找最佳氨基酸母体配比，另一方面则可对已合成的材料进行功能化。 2 1 3 聚氨基酸类聚合物材料的分类 聚氨基酸类聚合物通常分为三类【9 】： 聚氨基酸，是a 氨基酸之间由肽键相连接组成的合成高分子。聚氨基酸在体 内可降解生成简单的a 一氨基酸，用它做医用材料有明显的优越性。但是经典的合成 方法制备聚氨基酸( n c a 法) 成本很高，除聚谷氨酸之外，很难溶于水或常规的有机 溶剂，并且物理性能差、加工困难以及在水中容易溶胀变形，因此早期的聚氨基酸 研究并未得到有价值的产品。由于肝细胞对半乳糖基( g a l a c t o s e ) 键合聚谷氨酸 ( g a l - p l g a ) 的高摄取率( 6 0 ) ，使其有可能作为肝的特殊靶向药物载体。聚l 赖 氨酸( p o l y - l - l y s i n e ，p u 0 带阳电荷，易通过胞饮作用被肿瘤细胞摄取，与抗肿瘤药物 5 f u 结合，可用于肿瘤的治疗。这一特殊性质使聚氨基酸成为一种有前途的药物缓 释载体。 近年来，随着基因工程技术的发展，人们合成了一些具有天然多肽序列的聚氨 基酸。这些材料在一定程度上表现出蛋白质的生物活性和反应性，比如具有热- 机械、 电机械、化学机械间的能量转化功能，材料能感应温度、电或化学信号的刺激而 作机械功，产生可逆的相转变，可用于肌肉和骨骼的修复装置、机械或电感应式药 3 第二章文献综述 物控释装置、可收缩性装置、高效胶粘剂等，具有广阔的应用前景。 假性氨基酸，是a 氇c 基酸之间由非肽键相连接组成的合成高分子。传统聚氨 基酸物理性能的某些弱点来自分子中的重复酰胺键。因此，用非酰胺键选择性地取 代传统的酰胺键可明显改善其物理、化学和生物学性能，同时保留了传统聚氨基酸 的无毒和生物相容性，从而派生出一系列有用的生物材料。习惯上把这类材料称为 假性聚氨基酸。假性聚氨基酸的合成不需要昂贵的羧酸酐，成本大大降低，因此 具有实用性。 假聚氨基酸与聚氨基酸相比具有如下优点：绝大多数聚氨基酸为非溶性，不 易加工成型；聚氨基酸的降解通过酰胺键( 即肽键) 的酶解来实现，由于不同个 体之间酶解的差异较大，因而很难重现和控制它在体内的降解速度，假聚氨基酸 ( p s e u d o - p o l y a m i n oa d d q 为天然氨基酸通过非酰胺键结合在一起的聚合物，这种经过 主键调整的聚氨基酸与天然氨基酸相比，性能得到改善例如，从- 酰基保护的经 脯氨酸制备的聚( - 酰基羟脯氨酸) 和- 酰氨酸二肽取代双酚a 的产物为亚氨基碳 酸酯酰胺聚合物例。 制备假聚肽以及聚肽假聚肽共聚物或共混物，即保持了良好的生物相容性又 改善加工性能，制成生物降解产物不仅是可吸收而且是介入治疗的新型医用薄膜、 多孔体和微球用作载体将是未来药物控释材料的重点研究之一。 氨基酸一非氨基酸共聚物，聚合物主链由氨基酸和非氨基酸单元组成。由氨基 酸和非氨基酸组成的共聚物与单纯的氨基酸聚合物相比，许多特性( 如溶解性、力 学性能和亲水性等) 都发生了很大的变化，而且其结构具有很好的可修饰性。目前 已经合成出各种各样氨基酸非氨基酸共聚物，包括药物控释制剂、血透析膜、人工 肺等，并进行了医用实验。 聚乙二醇( p e g ) 为非氨基酸组分，与天门冬氨酸共聚物得到的嵌段共聚物极大 地改善了聚天门冬氨酸的水溶性，甚至可得到水溶性胶囊。p e g 赖氨酸共聚物也显 示出了广泛的应用前景。它具有规整的p e g 和赖氨酸交替结构，以甲氨酯键相连， 在侧链上含有悬挂的羧基功能团，可以方便地偶联药物或其它生物活性分子，也可 以通过交联制成水凝胶。羟基还可以进一步功能化，得到含有不同活性的功能化大 分子。这类材料的生物相容性优良，在最高剂量( 1 0 0 k g 1 【曲下仍没有任何毒性反应； 能长期在血液循环系统中存活而不被作为异物清除，也不在脏器中积蓄，特别是在 肝、胰、肾中都没有观察到同位素标记的聚合物。这一特征在生物材料中非常可贵 因为几乎所有的生物材料在血液循环系统中都很快被消除，并在肝、肾等脏器积蓄。 上述优越性使这类材料有可能成功地用于静脉注射的药物控释制剂。 4 第二章文献综述 2 1 4 氨基酸类聚合物的降解与生物相容性 图2 - 1 本体降解材料与表面溶蚀材料释药过程示意图 其中a 为本体降解材料，b 为表面溶蚀材料 f i g 2 - id r u gd e l i v e r yf r o m ( a ) b u l k e r o d i n ga n d s u r f a c e - e r o d i n gb i o d e g r a d a b l es y s t e m s 生物材料的降解过程可分为本体降解和表面溶蚀降解，图1 为这两种降解过程 的示意图【1 0 】。在两种降解机制中，往往先发生水解，然后再发生酶解，有时也同时 进行，在人体主要是以酶解为主。氨基酸类聚合物的酶解是通过聚合物和酶这两种 高分子相互作用而发生的，其降解速度与聚合物结构、键的位置( 在聚合物里面或 是在表面) 、酶的活性和动力学性质等因素有关【1 1 】。其经过水解或是人体的酶解作 用，发生降解，其降解产物是氨基酸分子。氨基酸在人体内通过酶的作用，参与新 陈代谢，营养物被人体吸收，代谢产物为无机小分子，由排泄系统排出体外，所以 其生物相容性是非常好的。 2 2 聚天冬氨酸及其衍生物研究进展 2 2 1 聚天冬氨酸概述 天冬氨酸是一种具有a - 手性中心且具有多种官能团的化合物，以天冬氨酸为单 体聚合成聚天冬酰胺，合成方法较为简单，只需用浓磷酸催化，在1 8 0 c 真空聚合 即可呈酰胺环，用中性、弱酸性、碱性等基团均可开环，可接入不同的侧链基，制 备多功能材料。或以a 氨基酸广泛存在于自然界中，是蛋白质降解的最后产物，能 被生物组织吸收，而且种类多，选择范围大，是理想的合成医用高分子材料的原料。 2 2 2 聚天冬氨酸的结构与制备方法 5 第二章文献综述 聚天冬氨酸( p a s p ) 是一类研究较多的合成聚氨基酸，具有很好的生物相容性和 可生物降解性。p a s p 有两种构型，即a 和b 型，结构如图2 - 2 所示天然聚氨基 审审 a 构型b 构型 图2 - 2 p a s p 的两种构型 t i g 2 - zc h e m i c a ls t r u c t u r e so f p a s p 酸中的p a s p 片段是以a 构型存在的，合成的p a s p 通常是两种构型的混合物。核 磁共振技术被广泛的应用于聚氨基酸结构的表征研究中，s t e v e ni c w o l k 1 2 1 用二维核 磁共振法对p a s p 及其水解产物进行了表征。其研究表明水解产物中8 构形与a 构 形的比例为3 ：1 ，”c n m r 和1 h f 3 c n m r 的数据表明p a s p 的序列为无定型的， 1 h n m r 显示未水解的p a s p 只占l ，同时从p a s p 的c o s y 图及1 n 1 5 n 阳q r - t d c s y 可以看出，用磷酸催化的产物是直线型的，而未用磷酸催化的则有 侧链出现。k o s h im a t s n b a r a 1 3 】在2 6 0 反应6 h 合成了p a s p ，并用1 h n m r 和1 3 c n m r 对所合成的聚合物的微结构作了分析，其分析结果表明尽管末端基中的碳结构中的 两个羧基末端基和氨基末端基占单体结构的1 0 ，但聚合物中的末端基、无规结构 和副产物是可以表达的。其中一个氨基末端基由于脱氨作用的影响而不能测定，可 能产生一些无规结构如马来酸和富马酸单位结构，由于单体中氨基和羧基的缩合， 高聚物呈直链结构。d e e p t ik a p o o ：1 4 】认为作为控释药物的材料，要使药物能稳定的 释放药物，具有a 螺旋结构的p a s p 的分散性和热容量必须研究，对分散曲线特性 中的成* ( b u n c h i n g ) 和斥力( r e p u l s i o n ) 作了讨论，从分散曲线的状态密度和高聚物在 钠盐中的实验数据中导出了p a s p 的热容量。 制备p a s p 的方法主要有两种：第一种方法是n c a ( n - c a r b o x y a n h y d r i d c l 法，另 一种方法是先由天冬氨酸热缩聚合成聚琥珀酰亚胺( p o l y s u c c i n i m i d e ，p s i ) ，再将p s i 在 碱性溶液中水解，并将得到的聚天冬氨酸盐分离与纯化。在这种方法中，中间体p s i 的合成是最关键的步骤，不同的合成方法和反应条件不仅影响p s i 的产率和纯度， 而且影响产物的结构和摩尔质量，从而影响聚天冬氨酸的性质、性能和用途。 1 址船h in a k a t o 【1 5 j 等对聚天冬氨酸的结构和性质的关系进行了较为系统的研究， 对合成聚天冬氨酸的八种反应条件进行了比较，并研究了它们对p s l 分子量的影响， 6 第二章 文献综述 结果如表2 1 所示。 表2 - l 反应条件对p s i 摩尔质量的影响 ! ! 坐i ：! 墅! ! 垡! ! 竺壁! 竺竺! ! ! ! i ! 墅竺磐! ! ! 鲤! ! ! ! ! i 吐! 反应条件篆嬲反怒度反应时间蹦葛麓质量 催化剂：8 5 磷酸，溶剂：1 , 3 ，5 - - - q 3 基苯：环丁自1 l = 7 ：3 ( 质量比) 目前，研究比较多的p s i 的合成方法主要有以下4 种【1 6 】：l - 天冬氨酸的热缩 聚；l - 天冬氨酸的催化聚合( 反应机理如图2 - 3 所示) ；马来酸酐与氨水先反应， 再缩聚；马来酸酐与铵盐或胺类物质反应并直接进行聚合。不同制备方法得到的 p a s p 的性能有一定的差别，如磷酸催化天冬氨酸热缩聚得到的p a s p 比从马来酸酐 出发热缩聚制备的生物降解性能要好，2 8 天后几乎全部降解，而天冬氨酸本体热缩 聚得到的p a s p 生物降解性能最差，2 8 天后仅有5 0 降解。 1 8 0 0 9 m p a r 1 3 p 0 4 图2 - 3 催化聚合制备p a s p 的反应机理 f i g 2 - 3s c h e m eo f t h es y n t h e t i cr o u t eo f b 蝎p 2 2 3 聚天冬氨酸共聚物的研究进展 聚天冬氨酸具有很高的应用价值，它可以改变钙盐的晶体结构，是一种优良的 阻垢分散剂，用于循环冷却水系统、锅炉及油气田水处理，防止结垢堵塞管道和地 层。还可以作为清洗剂的添加剂，即可有效地除去泥垢，也能防止衣服的褪色。p a s p 作为肥料添加剂能促进植物生长，相对摩尔质量较大的p a s p 具有优良保湿性能， 7 删叱吣洲o c i c i c 第二章文献综述 可用于制造日用化妆品和保健用品等。其良好的生物降解性和生物相容性，使其在 药物控制释放领域受到关注，人们已经制备了多种p a s p 的共聚物，利用其侧链羧 基的功能性，获得前体药物或通过静电、氢键等复合作用控制药物释放。 通过共聚引入第二组分是高分子化学中常用的聚合物改性手段之一。通过共聚 可以改善原聚合物的极性和结晶性，可以使原来主链无活性基团的聚合物功能化等。 生物降解性聚酯与聚氨基酸的嵌段共聚物是重要的生物材料。国内外很多学者对a 羟基酸( 乳酸、羟基乙酸) 与天冬氨酸的共聚物进行了研究，得到的共聚物侧基上 带有活性基团，克服了聚乳酸、聚羟基乙酸主链无活性基团的不足，可用作组织工 程支架材料。 t a n a k a 等【7 】通过热缩聚合成了聚( 天冬氨酸乳酸) ( p a l ) 具有两亲性的聚合物 微粒，直径为1 0 - 2 0 pm ( 如图2 _ 4 所示) 。并用m 和n m r 对材料进行了表征。发 现该聚合物为支化结构，t g 4 0 c ，能够溶解在大多有机溶剂中。材料的降解实验 表明，天冬氨酸含量越高，共聚物的降解速度越快。 刷 图2 - 4 两亲性聚( 天冬氨酸一乳酸) ( p a l ) 微粒 f i g 2 - 4 m i c r o p h o t o g r a p h o f m i c r o s p h e r e o f p a l o u c h i 等【1 8 】将乳酸与b 天冬氨酸的嵌段共聚物制成微胶囊，扫描电镜( s e m ) 显 示微胶囊粒径在3 9 0 - 4 5 0 n m ，随着l 天冬氨酸含量的增加，其表面功能化基团数目 也增加。他们将半乳糖残余物( g a l a c m s er e s i d u r e ) 固定到微胶囊表面，以 1 - n a p h t h a l e n e s u l f o n i ca c i d 为亲水性模型药物将其包埋在微胶囊中，发现随着微胶囊 表面羧基的变化，载药率也发生变化，这可能是由于微胶囊表面的羧基与药物发生 静电作用的缘故。 聚乙二醇( p e g ) 是由环氧乙烷聚合而成的分子量小于2 0 0 0 0 的线性高分子，它 具有亲水性、非免疫原性、不带电荷的特点，对药物具有较大的亲和力，毒性小， 可口服、静脉注射或外用。p e g 虽然本身在体内很难降解，但分子量小于6 0 0 0 的 p e g 可经肾小球排出体外p e g 具有丰富的链构象、良好的柔顺性和亲水性，因此 8 第二章文献综述 它表现出很好的排斥效应或空间稳定效应，即p e g 或其聚合物对其他大分子或粒子 具有排斥作用。p e g 可用来修饰其它高分子或与其它单体共聚形成两亲性嵌段共聚 物。 聚乙二醇与天门冬氨酸共聚物得到的嵌段共聚物极大地改善了聚天门冬氨酸的 水溶性，甚至可得到水溶性胶囊。在水溶液中p e g 链段伸向外面形成亲水的外壳， 把疏水性的聚天门冬氨酸链段包在中间。k a t a o k a 等1 1 9 】将阿霉素包裹在聚( 乙二醇 天冬氨酸苄酯) ( p e g p b l a ) 微囊中，制备方法如图2 - 5 。载药量为1 5 - 2 0 ( 重量比) ， 微囊尺寸分布较窄。当释药环境p h 值从7 4 降至5 0 后，释放速度加快。用此微囊 做载体显著提高了阿霉素的血液循环性能，可能是因为微囊减少了网状内皮组织系 统对药物的吸收。与游离的阿霉素相比，载药微囊对小鼠c 2 6 肿瘤细胞的抗肿瘤活 性显著提高。 心詹 。扩仓 p e g p o l y m e r i z a t i o n p e g - i b l a p e g - p a s p 图2 - 5 p e g - p a s p 嵌段共聚物( i ) 的制备 f i g 2 - $ s y n t h e t i cr o u t eo f p e g - p a s p ( i ) w o n 等跚先由b 氧羰基山天冬氨酸酐在酸性催化剂下与p e g 预聚，再进一步 缩聚制得聚( 乙二醇天冬氨酸) 。与k a t a o k a 等所制的p e g p a s p 不同的是：w o n 得到的共聚物的侧基是氨基，而k a t a o k a 得到的共聚物的侧基是羧基。w o n 的制备 方法如图2 - 6 所示。 9 第二章文献综述 啬挚矿龇 m e l tp o l y m e r i z a t i o n t i t a n i u mi s o p z o p o s i d e 蝴睾p d 1 , 4 - c y c l o h e x a d i e n e 蜘 图2 - 6 p e g - p a s p 嵌段共聚物( ) 的制备 f i g 2 - 5s y n t h e t i cr o u t eo f p e g - p a s p ( h ) 超分子自组装是当前研究的热点之一。嵌段共聚物在特定溶剂中会自发形成核 壳的聚合物胶束，它具有适当的大小( 几十纳米) 和结构( 核壳形态) 。y o k o y a m a 等【2 1 1 合成出了聚乙二醇( p e g ) 与聚天冬氨酸( p a s p ) 的嵌段共聚物( p e g p a s p ) ，并将阿 霉素o ) o x ) 用化学结合的方式连接到p a s p 链段的侧链上，形成核壳结构的纳米胶束 载药体系。此体系具有一定的稳定性和极好的水溶性，可有效避免胶束在到达耳标 位之前被免疫系统吞噬，目前这一给药体系还处在动物实验阶段，不久将进入i | 缶床 试验阶段。 为了制备多肽的释放体系，t a l r 等i 捌使用透析方法将寡聚肽的模型药物精氨 酸1 血管升压素( a v p ) 结合到聚乙= 醇z 天冬氨酸( p e g - p ( a s p ) ) 嵌段共聚物纳米复 合体中。静态光散射显示，在未连接a v p 时，酸型和混合型的p e g - p ( a s p ) 可制成 纳米复合体，而盐型p e g - p ( a s p ) 无法形成。同时，通过改变药物与嵌段共聚物的 比率可获得高载药量的酸型p e g p ( a s p ) ，而混合和盐型均无法得到载药量。然而， 载有a v p 的p e g p ( a s p ) 复合体在水相的溶解度差。动态光散射也揭示了酸型尺寸 分布较窄，大约在1 5 0 r i m 左右。研究结果表明了嵌段共聚物与多肽问通过氢键连接。 此外一些其它类型的p a s p 共聚物也被合成出来。汤谷平等 2 3 - 2 6 用酸催化法合 成了聚天冬氨酸- 氨基羧酸共聚物，对聚合物进行了体外降解实验，结果证明随着聚 合物中氨基羧酸比例的增加，降解速度加快；并将模型药物萘普生、氟苯水杨酸、 布洛芬等键合于聚天冬氨酸氨基羧酸共聚物中，体外水解和酶解实验显示由于氨基 羧酸的嵌入，释药速率加快。k a k a c h i 等田】也以浓磷酸为催化剂，使l 天冬氨酸与 6 氨基己酸缩聚制得聚( 丁二酰亚胺舌氨基己酸) ，水解得聚( 天冬氨酸- 6 - 氨基己 第二章文献综述 2 3 聚天冬酰胺的药物释放体系研究进展 2 3 1 聚天冬酰胺衍生物p h e a 、p a h y 材料的研究 聚丁二酰亚胺是一种活性很强的线性聚酰亚胺，它可以很容易地被氨基开环生 成含侧基的聚天冬酰胺。n c r i 等f 捌于1 9 7 4 年用乙醇胺使p s i 开环制得聚( a ，b - - 羟乙基舰天冬酰胺) ( p h e a ) ，因其具有良好的生物相容性而将它用作血浆膨胀剂， 并导出了其在水溶液及离子溶液中的m a r k - h a w i n k 方程式。意大利p a l e r m o 大学的 g i a m m o n a 课题组对聚天冬酰胺材料进行了多年的研究，他们用水合肼与p s i 反应 制得聚天冬酰肼( p a h y ) 刚( p h e a 、p a h y 的制备如图2 - 7 所示) ，并研究了：者的 形态结构，研究表明在溶液中p h e a 表现为无规线团状形态；而p a h y 为刚性的直 筒状平面结构分布，在一定程度上与b 层的球形蛋白相似，这种刚性结构为p a h y 制成网络凝胶材料提供了可能。 p a h y 图2 - 7p i e e a 和p a h y 的合成路线 f i p “7 - 7 s c h e m e o f t h es y n t h e t i cr o u t e o f p i i f _ a a n d p a h y 将药物以酯键的形式结合到聚天冬酰胺的侧链上，利用其在水中水解的性质可 进行控制释放。g a e t a n og i a m m o n a 等对p h e a 和p a h y 材料进行了生物相容性实 验，包括急性毒性、亚急性毒性，材料植入动物体内前后动物的体重变化，血象指 标( s g p t 、s g o t 等) ，p a h y 的最大耐受量为4 0 0 0 m g n g 。 g i a m l n o n a 等研究了大分子药物复合体p h e a - k e t o p r o f e n 、p h e a - n a p r o x e n 、 p h e a - d i f u n i s a l 在口h 值在5 5 和7 4 时的水解，发现酯酶可以使药物分子和聚合物 之间的酯键断裂，药物缓慢地从复合体中释放出来【3 l - 3 3 1 。还用水溶性碳亚胺e d c 将抗菌药0 n o x a f i o n 键合到p a h y 上，制得p a h y - o f l o x a t i o n 。动物实验表明p a h y - 1 1 第二章 文献综述 药物复合物无毒性，无免疫反应p j 。 吕正荣、卓人禧等p 4 】以p a a 、p m 狐和p ：a a 、p 狐共聚物，p h e a 和( a ，b n 丁二酸基) 天冬酰胺共聚物为载体，与顺式二氯二氨合铂( ) 结合，制得相应高分子 顺铂结合物，研究了聚合物的体外细胞毒性。发现聚合物顺铂结合物的体外细胞毒 性随结合物浓度而增大，但小于同浓度顺铂毒性。 汤谷平瞰。3 8 】利用氨基乙醇、氨基丙醇和氨基丁酵和p s i 反应，合成了侧链长短 不同的聚( 羟烷基) 天冬酰胺聚合物，将模型药物炔诺酮经活化后，以共价键的 形式键合于聚合物上形成偶联物。体外、体内释放实验表明，侧链的长短、药物的 初始接入率和聚合物药物的粒径对药物的释放都有影响。并合成了亲水性不同的聚一 ( 羟丙基、丙基) - 天冬酰胺聚合物，用模型药物阿斯匹林键合于聚合物上，体外水 解、酶解实验证明，亲水性强的聚合物易于降解，键合药物后