一種新型的側鏈為磷脂化聚乙二醇的聚（氨酯‑脲）及其製備方法與流程

2023-09-09 17:34:00

本發明屬於生物材料技術領域，特別涉及生物醫用高分子材料生物相容性改性領域，具體涉及一種新型的側鏈為磷脂化聚乙二醇的聚(氨酯-脲)及其製備方法。

背景技術：

隨著生物技術的飛速發展，生物醫用材料已經成為當前科研領域的一大熱點。然而，現有的生物醫用材料及裝置在臨床應用中，不同程度的存在感染、凝血和術後組織增生等問題，這些生物相容性問題已經成為制約生物醫用材料在臨床應用的關鍵因素。目前，對材料進行表面改性是提高其生物相容性非常有效的方式。一般而言，改善材料的生物相容性可以通過在基材表面塗覆親水性物質，形成水化層，利用水化層與蛋白質分子等血成分之間的排斥作用來改善材料的抗生物汙染能力。

生物相容性是衡量一種醫用材料尤其是血液接觸性材料否能用於臨床醫用材料的重要指標之一。改善生物材料表面的親水性或疏水性對改善其血液相容性有重要影響。一般而言，提高材料表面親水性可以形成水化層，利用水化層與蛋白質分子等血液成分之間的排斥作用來改善材料的抗凝血性。

聚氨酯類材料常用的表面改性方法主要分為兩大類：表面物理塗敷和表面化學接枝。物理塗覆多用於短期導管。表面接枝法則是通過物理或化學方法活化聚氨酯表面，使其表面產生活性基團，然後在表面發生接枝聚合反應，引入所需的官能團，進而改變聚氨酯的表面性能，其在長期接觸血液的製品上應用效果較佳。採用的接枝手段包括化學試劑法、等離子體技術、紫外照射及高能輻射等。聚脲主鏈結構是高分子取代脲，結構式為(r—nh—co—nh—r′—nh—co—nh—r)n的聚合物，

聚乙二醇(peg)分子鏈具有高度的親水性及柔順性，使得peg一方面可以與水形成水合peg鏈，形成穩定的空間位阻，阻礙血液成分在材料表面的吸附；另一方面，水合peg鏈在水中具有較低的表面能，形成的水微流可以阻礙蛋白質的停滯、粘附與變形。因此，利用親水性的peg分子對生物材料進行改性，可以提高材料的血液相容性。

磷醯膽鹼是生物細胞外層膜的主要成分，即具有—po-4(ch2)2n+(ch3)3基團的化合物。磷醯膽鹼作為一種兩性分子，由親水的頭部和疏水的尾部組成，其生物功能主要是作為細胞膜的組成部分，在生物的生長代謝過程中起重要作用。在一定條件下包含磷醯膽鹼基團的聚合物可以形成類似生物膜的雙分子層，提高了材料的生物相容性，其表面不易吸附蛋白質、血小板等，從而顯著地減少血栓的形成、炎症、細胞中毒等反應。

單獨利用以聚乙二醇或磷醯膽鹼為側鏈的改性聚氨酯應用於生物醫學領域特別是作為長期植入材料時，依然存在生物相容性不高等缺陷。

專利cn101747523a公布了一種聚乙二醇改性聚氨酯生物材料的方法，該方法利用輻射或紫外光照射等對聚氨酯材料表面進行活化，再將活化後的聚氨酯材料直接與聚乙二醇反應溶液進行嫁接反應得到嫁接後的聚氨酯材料。雖然該方法解決了聚氨酯表面嫁接過程中有毒有害物質如異氰酸類物質、催化劑和甲苯的引入影響產品的生物毒性以及環境汙染等問題，但也存在紫外照射難以實現材料內表面接枝，輻射可能影響材料本體性能等問題。

專利cn106674484a和cn106674486a分別公開了一種側鏈含磷醯膽鹼聚醚和聚酯類聚氨酯材料及製備方法。該發明先用聚醚或聚酯二醇與過量二異氰酸酯反應，再以雙氨基的磷醯膽鹼化合物對其進行擴鏈，得到磷醯膽鹼改性聚氨酯。該工藝簡單易行，改性後材料的生物相容性得到了提高，但側鏈相對短小沒有柔性，磷醯膽鹼基團在水環境中自組裝相對困難，導致磷醯膽鹼基團利用率較低，且側鏈只含有磷醯膽鹼，使其在作為生物材料尤其是作為長期植入性材料應用於生物體時仍然存在生物相容性不高的問題。

技術實現要素：

為了克服以上技術不足，本發明的第一個目的是提供一種新型的側鏈含有磷脂化聚乙二醇的聚(氨酯-脲)，其中，聚乙二醇位於側鏈上，磷醯膽鹼基團位於柔性聚乙二醇的末端，在材料的使用過程中位於柔性聚乙二醇鏈末端的磷醯膽鹼基團易於富集於材料的表面，極大提高了材料的親水性，阻礙了血小板和蛋白質的沉積，避免了血栓的生成，具有較高的生物相容性，解決了單獨以聚乙二醇或磷醯膽鹼為側鏈的聚氨酯在生物醫學領域特別是作為長期植入材料生物相容性不高及材料機械性能欠佳的問題。同時，該聚合物主鏈為聚(氨酯-脲)結構，並具有較高的分子量，降解產物可被生物體吸收，相應的膜材料具有較高的斷裂強度和斷裂伸長率，既有韌性又不易斷裂，滿足生物材料的需求。

本發明另一目的是提供一種新型的側鏈含有磷脂化聚乙二醇的聚(氨酯-脲)的製備方法，該製備方法採用傳統的兩步擴鏈法，工藝簡單。通過此製備方法製備的聚(氨酯-脲)材料為全合成、無潛在動物源性，同時具有高的生物相容性和機械性能，並且具有生物降解性，降解產物無毒，可被生物體吸收，可作為長期植入性材料應用於生物體。

本發明第三個目的是提供一種新型的側鏈含有磷脂化聚乙二醇的聚(氨酯-脲)在人體長期植入材料等醫學領域的應用。

為了實現上述目的，本發明採用如下技術方案：

一種新型的側鏈含有磷脂化聚乙二醇的聚(氨酯-脲)，其硬段含有氨基甲酸酯基和脲基，軟段是聚酯，聚乙二醇位於側鏈上，磷醯膽鹼基團位於柔性聚乙二醇的末端，聚(氨酯-脲)分子量大於9.0×105。

一方面，本發明提供的側鏈含有磷脂化聚乙二醇的聚(氨酯-脲)的製備方法不會改變其主鏈結構，聚氨酯軟段為聚酯，硬段含有氨基甲酸酯和脲基，硬段之間可以形成更多氫鍵，且均聚酯又有比較高的結晶性能，保證了作為生物材料所需的較高的拉伸能力和柔性，同時使材料具有良好的機械強度。另一方面，該聚合物主鏈為聚(氨酯-脲)結構，並具有較高的分子量，降解產物可被生物體吸收，相應的膜材料具有較高的斷裂強度和斷裂伸長率，既有韌性又不易斷裂，滿足生物材料的需求。第三方面，側鏈為磷醯膽鹼改性的聚乙二醇，並且磷醯膽鹼位於柔性側鏈聚乙二醇的末端，更容易自由的自組裝，使磷醯膽鹼的利用率更高，從而在材料表面形成磷醯膽鹼的保護膜，阻礙了血小板和蛋白質的沉積，避免了血栓的生成，極大地提高了材料的生物相容性，解決了單獨以聚乙二醇或磷醯膽鹼為側鏈的聚氨酯在生物醫學領域特別是作為長期植入材料生物相容性不高及材料機械性能欠佳的問題。

本發明還提供了一種新型的側鏈含有磷脂化聚乙二醇的聚(氨酯-脲)的製備方法，主要為：端羥基聚酯與一定量的賴氨酸二異氰酸酯(ldi)反應，然後用擴鏈劑端雙氨基磷脂化聚乙二醇進行擴鏈，得到側鏈為磷脂化聚乙二醇的聚(氨酯-脲)。

本發明採用傳統的兩步擴鏈法，工藝簡單。通過此製備方法製備的聚(氨酯-脲)材料為全合成、無潛在動物源性，同時具有高的生物相容性和機械性能，並且具有生物降解性，降解產物無毒，可被生物體吸收，可作為長期植入性材料應用於生物體。

優選的，端羥基聚酯為聚乳酸、聚丙交酯、聚己內酯，其分子量為600～4000。

優選的，端羥基聚酯與ldi投料摩爾比為-oh:-nco為1:1.6～1:2.0，在乾燥氮氣氛下常溫混合，溶劑為二氧六環(10g/20ml)，升溫至80℃，反應時間4小時。

優選的，所述的端雙氨基磷脂化聚乙二醇的具體結構如式i所示：

優選的，式i中n＝5～20。

優選的，擴鏈劑端雙氨基磷脂化聚乙二醇的加入方式為滴加含擴鏈劑的二氧六環溶液，濃度為10g/10ml。

優選的，擴鏈劑端雙氨基磷脂化聚乙二醇的加入量為：-nh2(mol)＝-nco(mol)－-oh(mol)。

優選的，擴鏈反應溫度為5～20℃，反應至紅外檢測-nco吸收峰完全消失即視為反應完成。

優選的，聚(氨酯-脲)採用二氧六環稀釋至10g/50ml，8倍體積冰乙醚沉降、真空乾燥的純化方式。

上述製備方法所得到的側鏈含有磷脂化聚乙二醇的聚(氨酯-脲)材料也是本發明的保護範圍。

優選的，將聚(氨酯-脲)溶於良性有機溶劑中，配成濃度為3～7％(g/ml)的溶液，於聚四氟乙烯模具中經溶劑揮發法製備成聚(氨酯-脲)膜材料。

優選的，所得聚(氨酯-脲)膜材料的厚度為0.18～0.22mm。

優選的，上述膜材料斷裂強度大於27mpa、斷裂伸長率大於900％、蛋白質的吸附量小於0.9μg/cm2。

優選的，上述良性溶劑為三氯甲烷、二氯甲烷、丙酮或二氧六環，溶劑揮發溫度為15-30℃，常壓揮發48～96h，常溫真空乾燥至恆重。

優選的，該聚(氨酯-脲)可以做成生物體所需要的各種劑型，特別是膜、海綿、軟骨劑型。

聚(氨酯-脲)作為生物材料在人體長期植入材料等醫學領域的應用也是本發明的保護範圍。

相對於現有技術，本發明的有益效果為：

1.本發明製備的聚(氨酯-脲)的側鏈為磷醯膽鹼改性的聚乙二醇，並且磷醯膽鹼位於柔性側鏈聚乙二醇的末端，更容易自由的自組裝，使磷醯膽鹼的利用率更高，從而在材料表面形成磷醯膽鹼的保護膜，極大地提高了材料的生物相容性。

2.本專利提供的側鏈含有磷脂化聚乙二醇的聚(氨酯-脲)的製備方法不會改變其主鏈結構，聚氨酯軟段為聚酯，硬段含有氨基甲酸酯和脲基，硬段之間可以形成更多氫鍵，且均聚酯又有比較高的結晶性能，保證了作為生物材料所需的較高的拉伸能力和柔性，同時使材料具有良好的機械強度。

3.本發明製備的聚(氨酯-脲)的降解產物無毒，降解產物可被生物吸收代謝，因此可以作為長期植入性材料應用於生物體。

附圖說明

圖1為樣品的血小板粘度sem照片。

具體實施方式

下面結合具體實施例來對本發明作進一步說明。

實施例1

乾燥氮氣保護下，將20g(0.01mol)聚己內酯(pcl，mn＝2000)與3.62g(0.016mol)賴氨酸二異氰酸酯混合，加入二氧六環溶解(10g/20ml)，升溫至80℃，反應4小時後，將反應體系冷卻到15℃，滴加入5.22g(0.006mol)端雙氨基磷脂化聚乙二醇(mn＝870)的二氧六環溶液(10g/10ml)進行擴鏈，反應至紅外檢測-nco峰消失，然後加入二氧六環稀釋至10g/50ml，8倍體積冰乙醚沉降，真空乾燥得到改性聚(氨酯-脲)p1。

實施例2

乾燥氮氣保護下，將20g(0.01mol)聚己內酯(pcl，mn＝2000)與4.82g(0.018mol)賴氨酸二異氰酸酯混合，加入二氧六環溶解(10g/20ml)，升溫至80℃，反應4小時後，將反應體系冷卻到15℃，滴加入10.40g(0.008mol)端雙氨基磷脂化聚乙二醇(mn＝1300)的二氧六環溶液(10g/10ml)進行擴鏈，反應至紅外檢測-nco峰消失，然後加入二氧六環稀釋至10g/50ml，8倍體積冰乙醚沉降，真空乾燥得到改性聚(氨酯-脲)p2。

實施例3

乾燥氮氣保護下，將20g(0.01mol)聚己內酯(pcl，mn＝2000)與6.03g(0.02mol)賴氨酸二異氰酸酯混合，加入二氧六環溶解(10g/20ml)，升溫至80℃，反應4小時後，將反應體系冷卻到15℃，滴加入13.00g(0.01mol)端雙氨基磷脂化聚乙二醇(mn＝1300)的二氧六環溶液(10g/10ml)進行擴鏈，反應至紅外檢測-nco峰消失，然後加入二氧六環稀釋至10g/50ml，8倍體積冰乙醚沉降，真空乾燥得到改性聚(氨酯-脲)p3。

實施例4

乾燥氮氣保護下，將40g(0.01mol)聚己內酯(pcl，mn＝4000)與3.62g(0.016mol)賴氨酸二異氰酸酯混合，加入二氧六環溶解(10g/20ml)，升溫至80℃，反應4小時後，將反應體系冷卻到15℃，滴加入5.22g(0.006mol)端雙氨基磷脂化聚乙二醇(mn＝870)的二氧六環溶液(10g/10ml)進行擴鏈，反應至紅外檢測-nco峰消失，然後加入二氧六環稀釋至10g/50ml，8倍體積冰乙醚沉降，真空乾燥得到改性聚(氨酯-脲)p4

實施例5

乾燥氮氣保護下，將20g(0.01mol)聚丙交酯(pla，mn＝2000)與3.62g(0.016mol)賴氨酸二異氰酸酯混合，加入二氧六環溶解(10g/20ml)，升溫至80℃，反應4小時後，將反應體系冷卻到15℃，滴加入7.80g(0.006mol)端雙氨基磷脂化聚乙二醇(mn＝1300)的二氧六環溶液(10g/10ml)進行擴鏈，反應至紅外檢測-nco峰消失，然後加入二氧六環稀釋至10g/50ml，8倍體積冰乙醚沉降，真空乾燥得到改性聚(氨酯-脲)p5。

實施例6

乾燥氮氣保護下，將40g(0.01mol)聚丙交酯(pla，mn＝4000)與3.62g(0.016mol)賴氨酸二異氰酸酯混合，加入二氧六環溶解(10g/20ml)，升溫至80℃，反應4小時後，將反應體系冷卻到15℃，滴加入7.80g(0.006mol)端雙氨基磷脂化聚乙二醇(mn＝1300)的二氧六環溶液(10g/10ml)進行擴鏈，反應至紅外檢測-nco峰消失，然後加入二氧六環稀釋至10g/50ml，8倍體積冰乙醚沉降，真空乾燥得到改性聚(氨酯-脲)p6。

膜材料的製備：將p1～p6分別溶解於有機溶劑二氧六環中，配成濃度為6.5％(g/ml)的溶液，於聚四氟乙烯模具中經溶劑揮發法製備成膜。

分析方法

以下分析方法用於所有的實施例，除非另外說明。

分子量：使用美國water公司的alpha型凝膠色譜儀(gpc)測定聚氨酯的分子量和分子量分布，溶劑為四氫呋喃，標樣為單分散聚苯乙烯。

機械性能：使用廣東東莞恆宇儀器有限公司的hy939c型電腦式單柱拉力試驗機測定膜的拉伸強度和斷裂伸長率。試驗開始前,先將樣品在生理鹽水中浸泡3min，然後製成啞鈴型模型，按照國標gb13022-91規定的方法進行測定。

水接觸角測定：水接觸角測試在薄膜與空氣接觸面進行，蒸餾水(液滴體積:2μl)，溫度：25℃,測定水滴接觸表面在大約1min時的接觸角數值,取5個點作平均值。具體方式為：將1cm×1cm大小的膜片直接測定其水接觸角，記為ρ0，然後再將膜片浸入水中30min，取出擦乾，再測定其水接觸角，記為ρ1，比較前後接觸角的變化。

蛋白質吸附量：將1cm×1cm的聚合物膜浸泡於ph＝7.4的磷酸鹽緩衝液(pbs)中充分溶脹平衡,取出後將其置於濃度為0.6g/l的牛血清蛋白溶液(bsa)中,在37℃的恆溫水浴中浸泡2h。結束後取出聚合物膜,用pbs緩衝溶液充分淋洗3次。然後用1％(w/w)的sds溶液(pbs溶液)超聲清洗20min,精確移取相同體積清洗液於具塞試管中,再加入micro-bcatm蛋白質檢測試劑盒工作液(pierceinc.,rockford,23235),充分混合,密封,60℃水浴恆溫lh。最後自然冷卻到室溫,使用紫外-可見光分光光度計於562nm波長處測定吸光度,根據標準曲線計算得吸附量,取3個樣的平均值。

血小板黏附實驗：從健康兔子心臟抽取新鮮血液，加入質量分數為3.8％的檸檬酸鈉溶液作為抗凝劑，全血與抗凝劑的比例為9:1，將加入抗凝血劑的全血放入離心機中，初次離心設置轉速為1400r/min，離心10min；然後吸取上層清液再次離心，設置轉速仍為1400r/min，離心15min，上層清液為貧血小板血漿(prp)，吸取大約3/4上清液棄掉，剩餘即為prp；將膜(1.0×1.0cm2)放置於24孔板中，先浸沒在ph＝7.4的pbs緩衝溶液中4h，然後在37℃恆溫下，在prp溶液中孵育1h。將膜取出，用pbs緩衝溶液反覆衝洗3次以除去未吸附的血小板，然後再將膜浸泡在2.5％的戊二醛pbs溶液中30min固定表面的血小板。緊接著將膜依次放入不同濃度梯度的乙醇水溶液中(50、60、70、80、90、100％)進行逐級脫水，在每種濃度的溶液中浸泡30min，最後於室溫下乾燥，噴金，採用s-4800型sem(日本日立公司)觀察膜表面的血小板黏附情況。

實施例p1-p6中膜材料的性能如表1所示。

實施例p1-p6中膜材料的生物學評價測試如表2所示。

實施例p1中膜材料的血小板粘附的掃描電鏡照片如圖1所示。

表1磷醯膽鹼改性聚氨酯膜的機械系能、親水性和蛋白質吸附量

由表1可知，本專利所提供的方法製備的聚氨酯脲具有較高的分子量，其相應的膜材料具有較高的斷裂強度和斷裂伸長率，既有韌性又不易斷裂，滿足生物材料的需求。隨著硬段含量的增加，斷裂強度增加；隨著軟段含量的增加，斷裂伸長率增加。接觸角的大小反應親水性的大小，接觸角越大，親水性越差，反之。從實驗可以看出，p1-p6的ρ0普遍較大，將樣品在水中浸泡30min後，相比於ρ0，測得的ρ1有了很大的降低，顯示了材料極好的親水性，這是因為在水環境裡，樣品中的親水基團如磷醯膽鹼和聚乙二醇逐漸聚集到材料表面，使其親水性得到改善。表中所示的接觸角顯示該種材料具有很好的親水性，親水性越好，對蛋白質的吸附越少。本專利實施例中的樣品的蛋白質的吸附量小於0.9μg/cm2，表明該材料展現出極佳的生物相容性，可長期使用於生物體。

從圖1中可以看到，膜表面黏附的血小板數量很少，而且大部分血小板沒有發生聚集，仍然保持原來的形貌。表明該材料具有優異的低血小板黏附性能。

表2膜材料(樣品p1-p6)的生物學測試

由表2可知，本發明實施例p1-p6所製備的膜材料的生物學性能檢測結果表明各個實施例均能獲得無毒、無刺激、生物相容性好且滿足臨床使用要求的材料。

以上所述僅為本申請的優選實施例而已，並不用於限制本申請，對於本領域的技術人員來說，本申請可以有各種更改和變化。凡在本申請的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本申請的保護範圍之內。