帶烯丙基側基的聚乙二醇-脂肪族聚(酯-碳酸酯)及其製備方法與用途的製作方法

2023-05-14 11:56:51 1

專利名稱：帶烯丙基側基的聚乙二醇-脂肪族聚(酯-碳酸酯)及其製備方法與用途的製作方法
帶烯丙基側基的聚乙二醇-脂肪族聚(酯-碳酸酯)及其製備方法與用途 技術範圍
本發明涉及帶烯丙基側基的聚乙二醇-脂肪族聚(酯-碳酸酯)及其製備 方法與用途，屬於生物醫用高分子材料領域。
背景技術：
近幾十年來，隨著高分子科學的迅速發展和現代藥學、生物學以及工 程學的突飛猛進，生物醫用高分子材料的研究得到了迅速發展。其中可生 物降解的高分子材料，由於在植入體內後不需二次手術取出，因而在手術 縫合線、人造皮膚、人造血管、骨固定及修復和藥物控制釋放等領域得到 了廣泛應用。可生物降解的合成高分子主要包括脂肪族聚酯、聚胺基酸、 聚磷酸酯、聚酸酑、聚原酸酯、聚碳酸酯等。脂肪族聚酯，例如聚丙交酯
(PLA)，聚乙交酯(PGA)，聚s-己內酯(PCL)，具有低的免疫原性和良好的生 物降解性和生物相容性，已經被廣泛應用於生物醫學和醫藥領域，如骨折 固定，手術縫合線，組織工程支架，藥物緩釋的載體等。
最近，在聚合物的分子鏈上引入功能基團的研究尤為活躍，因為帶有 功能基團的聚合物在實踐中有重要意義。例如，在這些功能基團上連接各 種藥物形成高分子前藥，可實現藥物的位置可控釋放或持續釋放；連接具 有耙向功能的分子如抗體和多糖，可使聚合物及其膠束、膠囊具有靶向功 能；連接具有其它生物活性的分子，可改善材料的生物相容性和生物活性; 通過功能基團的引入還可以改變聚合物的降解速率、物理機械性能、親水
4疏水性能等，因而帶有功能基團的脂肪族聚酯的研究和應用引起了人們的 極大興趣。
有價值的功能側基包括羧基(COOH)、氨基(順2)、羥基(OH)、巰基(SH) 等。要合成帶這些功能側基的聚合物， 一般是先合成帶有功能基團的單體， 然後迸行聚合或共聚合。但由於功能基團的存在，在聚合過程中往往伴隨 不必要甚至有害的副反應，所以以上功能基團首先要保護起來，聚合之後 再脫保護。
目前用來與脂肪族環酯共聚的功能單體，有乙交酯衍生物、s-己內酯 衍生物、嗎啉二酮衍生物、N-羰基-a-胺基酸酐(NCA)和二氧六環二酮衍生 物等。它們中有的合成非常困難、收率很低、成本很高，有的聚合活性很 低，共聚物分子量低，所能引入的功能單體有限，因而很難有實際用途。 相對說來，功能性環狀脂肪族碳酸酯單體原料易得，合成比較容易，聚合 效率較高，所得聚合物的分子量也比較髙。中國專利CN1323795A披露了 5-苄氧基一三亞甲基碳酸酯的合成方法，中國專利CN1335330A披露了聚 (5-苄氧基一三亞甲基碳酸酯)及其製備方法與用途。概括說來，就是合成 5-節氧基-三亞甲基碳酸酯，將它們聚合，再通過氫化還原得到帶側羥基的 聚合物。該系列專利僅限於該單體的均聚物，眾所周知的事實是均聚的脂 肪族碳酸酯在人體內的生物降解性能並不理想，因而它在生物醫用方面的 應用將是有限的。該專利中經過保護和脫保護這兩個步驟。因而合成過程 複雜，成本較高。中國專利200510107434.2將上述環狀碳酸酯單體與脂肪 族環酯單體共聚，改善了聚合物的生物相容性和生物降解性，但依然採用 保護和脫保護的方法進行合成。最近有人(參見B. D. MULLEN, et al.， NewAliphatic Poly(ester-carbonates) Based on 5-Methyl-5-allyloxycarbonyl國l，3曙 dioxan國2畫one， Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry, 2003， Vol.41，1978~1991)合成出一種帶烯丙基的環狀脂肪族碳酸酯單體, 即2-甲基-2-烯丙氧羰基三亞甲基碳酸酯，並將它與丙交酯、s-己內酯共聚 合，獲得了相應的共聚物。聚合反應用二價錫作催化劑，聚合產物是一種 脂溶性聚合物，作為生物醫用材料使用有其局限性，聚合產物的用途僅限 於雙鍵的環氧化。

發明內容
本發明的目的之一是提供一種帶烯丙基側基的雙親性嵌段共聚物聚乙 二醇-脂肪族聚(酯-碳酸酯)，它與文獻報導的脂溶性脂肪族聚(酯-碳酸酯) 相比，有截然不同的理化性質和用途。
該嵌段共聚物的聚乙二醇嵌段的數均分子量為400 5000;脂肪族聚(酯 -碳酸酯)嵌段是帶烯丙基的脂肪族環狀碳酸酯單體2-甲基-2-烯丙氧羰基 三亞甲基碳酸酯與脂肪族環酯的無規共聚物；所述的脂肪族環酯單體是丙 交酯、乙交酯和e-己內酯中的一種、兩種或三種的混合物，它們之間的比 例不限；所述的帶烯丙基的環狀脂肪族碳酸酯單體與脂肪族環酯單體的總 的摩爾比為l:99 50:50，所述的單體2-甲基-2-烯丙氧羰基三亞甲基碳酸
酯的分子結構式是本發明的目的之二是提供這種帶烯丙基側基的雙親性嵌段共聚物聚乙 二醇-脂肪族聚(酯-碳酸酯)的製備方法，即在無水無氧的條件下，以分子
量為400 5000的單端羥基聚乙二醇作為大分子引發劑，加入單體總質量 1/100 1/1000的乙基鋅作引發劑，在加熱40 100TC和攪拌的條件下聚合 1 10h，並將產物沉澱、過濾、洗滌、真空乾燥，得到帶烯丙基的環狀脂 肪族碳酸酯單體及脂肪族環酯單體與聚乙二醇的嵌段共聚物；
所述的共聚單體為帶烯丙基的脂肪族環狀碳酸酯單體2-甲基-2-烯丙 氧羰基三亞甲基碳酸酯和環酯單體；環酯單體是丙交酯、乙交酯和e-己內 酯中的一種、兩種或三種的混合物，它們之間的比例不限；所述的帶烯丙 基的環狀脂肪族碳酸酯單體與脂肪族環酯單體的總的摩爾比為1:99 50:50。
本發明的目的之三是提供上述帶烯丙基側基的雙親性嵌段共聚物聚乙 二醇-脂肪族聚(酯-碳酸酯)的應用，利用其分子鏈上的烯丙基與藥物分子、 多肽或蛋白質分子、單糖或多糖分子或者經過修飾的藥物分子、多肽或蛋 白質分子、單糖或多糖分子反應，製成這些物質的高分子鍵合物；或者， 將它們轉化為可反應的羧基、氨基、羥基、巰基、環氧基團，進而與藥物 分子、多肽或蛋白質分子、單糖或多糖分子或者經過修飾的藥物分子、多 肽或蛋白質分子、單糖或多糖分子反應，製成這些物質的高分子鍵合物。 這些鍵合物主要用於藥物的定向輸送和控制釋放，特別是高分子前藥，也 用作細胞識別和粘附、免疫分析、抗原/抗體的分離和純化，以及組織工程 支架材料等。
所述藥物分子是紫杉醇、阿黴素和其它可與雙鍵、羧基、氨基、羥基、巰基、環氧基團反應的藥物分子；短肽是含RGD胺基酸序列的短肽 NH2-RGD-C0NH2、 GRGDY-I2、 GRGDSY-12、 GRGDS和RGDS或其它可與雙鍵、羧 基、氨基、羥基、巰基、環氧基團反應的短肽；糖類是葡萄糖、乳糖和半 乳糖或其它可與雙鍵、羧基、氨基、羥基、巰基、環氧基團反應的糖分子; 蛋白質包括抗原、抗體、酶、病毒和疫苗；其它生物活性物質包括生物素 (biotin)、生物素結合蛋白(Avidin)和葉酸(folic acid)等。
如果待鍵合分子或經過修飾的待鍵合分子可以直接與上述聚乙二醇-聚(酯-碳酸酯)上的雙鍵反應，則可直接進行這種反應。例如當待鍵合分子 含有巰基時，它們可與聚合物的側雙鍵反應
j-COOCH2CH=CH2 +HS-CH2CH2— - |~~COOCH2CH2CH2-S-CH2CH2—
如果待鍵合分子或經過修飾的待鍵合分子不能直接與上述乙二醇-聚 (酯-碳酸酯)上的雙鍵反應，則可先將乙二醇-聚(酯-碳酸酯)上的雙鍵轉化 為可與它們反應的基團，如羧基、氨基、羥基、巰基、環氧基團，進而與 待鍵合分子或經過修飾的待鍵合分子反應。這些轉化反應有
(A)麥可(Michael)反應將帶側雙鍵的本發明的所述的聚合物與
巰基乙酸或末端基團為巰基的其它化合物反應，所用溶劑為二氯甲烷或者 四氫呋喃，反應溫度為室溫，反應時間48 72小時，側鏈則轉化為羧基或 其它基團。其中兩個代表性的反應方程式是
-COOCH2CH=CH2 + HS-CH2COOH -—COOCH2CH2CH2-S-CH2COOH
—COOCH2CH=CH2 +HS-CH2CH2NH2 -—COOCH2CH2CH2-S-CH2CH2NH2(B)側烯丙基矽烷化將帶側雙鍵的本發明的所述的聚合物溶解在氯仿
或四氫呋喃中，與矽烷化試劑進行氫矽加成反應，將相應的反應基團引入 側基，如NH2， SH，環氧等。代表性反應方程式為
—COOCH2CH=CH2
—COOCH2CH=CH2
一COOCH,ChNCH,
OCH3
H—Si-CH2CH2CH2-NH2 OCH3_
OCH3 H—Si-CH2CH2CH2-SH OCH3_
CH3 o H—Si-CH2-C")CH2 OCH3
OCH3
-COOCH2CH2CH「Si-CH2CH2CH2-NH2 OCH3
OCH3
—COOCH2CH2CH「Si-CH2CH2CH2-SH OCH3
CH3 o —COOCH2CH2CH2—Si-CH2-cAA:H2 OCH3
(C)側雙鍵環氧化將帶側雙鍵的本發明的所述的聚合物溶解在氯仿 中，加入氧化劑，在氯仿回流的條件下反應4 8小時，雙鍵完全被氧化且 沒有聚合物的主鏈降解和副反應發生。反應方程式如下
—COOCH2CH=CH2
CHCI3
o
-COOCH2CH—CH2
(D)側雙鍵羥基化將帶側雙鍵的本發明的所述的聚合物溶於四氫呋 喃，依次加入硼烷的四氫呋喃溶液、蒸餾水、氫氧化鈉溶液和雙氧水，反 應溫度01C，反應時間l 2h。反應的方程式如下
BH3 or B2H6 H202/NaOH
-COOCH2CH=CH2 - -
THF H20
—COOCH2CH2CH2-OH
以上都屬於高分子反應，反應的活性和選擇性都比較高，相關的官能
9團不需要保護和脫保護。
以上由聚合物的側雙鍵轉化成的羧基、氨基、羥基、巰基和環氧基團， 可以與藥物分子、多肽或蛋白質分子、單糖或多糖分子或者與經過修飾的
藥物分子、多肽或蛋白質分子、單糖或多糖分子反應，製成這些物質的高 分子鍵合物。應當根據待鍵合分子所具有的可反應官能團，選擇相應的聚 合物官能團、偶聯反應和催化劑。舉例如下
(1) 待鍵合分子含有羥基，則將本發明的所述的聚合物的側雙鍵轉化為 羧基，或者反過來，當待鍵合分子含有羧基時，則將聚合物的側雙鍵轉化 為羥基，然後以二環己基碳二亞胺(DCC)為脫水劑進行酯化反應。具體反 應條件為反應溶劑為二氯甲烷、N，N-二甲基甲醯胺、二甲亞碸或它們的 混合溶劑，DCC的量為聚合物羥基或羧基摩爾量的1 5倍，反應溫度0 25'C，反應時間10 48h。
(2) 與短肽分子鍵合的方法將本發明得到的帶側羥基的共聚物聚乙二 醇-脂肪族聚(酯-碳酸酯)和生物活性物質溶解在溶劑二氯甲烷、N， N-二甲 基甲醯胺、二甲亞碸或它們的混合物中，以二環己基碳二亞胺(DCC)為催 化劑進行反應。DCC的量為本發明的所述的聚合物羥基摩爾量的1 5倍， 反應溫度0 25。C，反應時間10 48h。
(3) 與蛋白質分子的鍵合待鍵合分子含有自由氨基時，則將本發明的 所述的聚合物的側雙鍵轉化為羧基，或者反過來，當待鍵合分子含有羧基 時，則將聚合物的側雙鍵轉化為伯氨基，然後以N-羥基琥珀醯亞胺(NHS) 或1, 1，-羰基二咪唑(CDI)活化羧基，最後，與待鍵合的伯氨基縮合，形 成醯胺鍵。反應方程式如下formula see original document page 11
(CDI)
有益效果本發明所製備的帶烯丙氧側基的聚乙二醇-脂肪族聚(酯-碳 酸酯)是一種雙親性嵌段共聚物，它具有雙親性聚合物所特有的自組裝功 能，在水體系中能夠組裝成納米膠束或膠囊，這是親脂性聚合物所不能做 到的。
本發明製備帶烯丙基側基的聚乙二醇-脂肪族聚(酯-碳酸酯)雙親性嵌 段共聚物的方法，是以端羥基聚乙二醇為大分子引發劑，將帶烯丙基側基 的環狀脂肪族碳酸酯單體與環酯單體進行無規開環共聚，使用二乙基鋅催 化劑，與二價錫催化劑相比，無毒，聚合活性高，產物分子量高，共聚單 體無規分布。
本發明所合成的聚合物上的側雙鍵的引入，以及將它們轉化為羥基、 羧基、氨基、環氧等的反應，不要求進行保護和脫保護，不造成聚合物主 鏈的降解。這對脂肪族聚酯的化學改性來說，是難得的優點。
本發明所合成的聚合物上的側雙鍵，處於烯丙氧基上，並且通過一個 酯橋與聚合物主鏈相連，因而具有較高的反應活性，後續連接或轉化成的 基團，與聚合物主鏈間都存在相當長的間隔基，因而具有較高的反應活性。
具體實施例方式
實施例l: 2-甲基-2-烯丙氧羰基-1,3-丙二醇的合成基丙酸和4. 30g的氫氧化鉀溶解在50ml N， N-二甲基甲醯胺中。在100'C下，劇烈攪拌lh，使其形成2，2-二羥甲基丙酸 鉀鹽。然後將丙烯溴加入到上述溶液中，在1001C下，再劇烈攪拌15h。蒸 出溶劑，殘留物溶解在200ml乙醚中，用50ml蒸餾水洗滌三次，最後用甲 苯重結晶得到2-甲基-2-烯丙氧羰基-1，3-丙二醇7.9克，產率為68%。其 結構由質子核磁共振譜確認。
實施例2: 2-甲基-2-烯丙氧羰基三亞甲基碳酸酯(單體A)的合成
將10g 2-甲-2-烯丙氧羰基-1， 3-丙二醇和28. 5g氯代甲酸乙酯溶解在 600ml四氫呋喃中，用冰水浴冷卻。再把28g三乙胺緩慢加入到上述溶液中， 加入過程中保持體系在01C左右。然後在室溫反應10h。過濾掉沉澱物，濾 液減壓濃縮，殘留物用四氫呋喃和乙醚重結晶，得到白色晶體9.2g，產率 80%。
實施例3:在聚乙二醇存在下單體A與乳酸的共聚
在無水無氧的條件下，以分子量為5000的甲氧基聚乙二醇(PEG)為 大分子引發劑，取單體A與丙交酯單體，加入單體總質量的1/200的乙基 鋅作為引發劑，在60X:下攪拌反應2h，產物用三氯甲垸溶解，甲醇沉澱， 過濾，洗滌，35C下真空乾燥24h，，得到聚乙二醇與單體A及乳酸的共聚 物。典型的聚合結果見表1.
表l.在聚乙二醇存在下單體A與乳酸的共聚
序號單體A (摩爾)丙交酯 (摩爾)重量收率 (%)Mw (104)PDI
10. 100. 90892. 041. 18
12實施例4:側雙鍵羥基化
將帶側雙鍵的聚合物2. 7g(0. 13 mmol)在O"C溶於300ml THF,向其中 加入硼垸的四氫呋喃溶液3mmo1， 01C反應2小時。然後加入25ml水，25ml NaOH溶液(3N)和25ml H202(30%)。反應進行1小時後，再加入300ml水， 溶劑旋轉蒸發除去，聚合物在水中沉澱出來，除去水，251C下真空乾燥至 恆重，得到白色的聚合物粉末。
實施例5:側雙鍵與巰基的反應
將帶側雙鍵的聚合物0.5 g (0.025 mmol)溶於20ml二氯甲烷，向其 中加入等摩爾的巰基乙酸，反應在室溫下進行48小時，真空濃縮，用大量 乙醚沉出，並用甲醇洗滌三次，251C下真空乾燥至恆重，得到側鏈含有羧 基的聚合物。
實施例6:帶羥基的聚合物與生物素(biotin)的連接
將0. 32g (0. 016 mmol)實施例5得到的聚合物溶於10ml N, N-二甲基 甲醯胺，溶液用冰水冷卻，然後加入22mg (0.09 mmol)的生物素，再加 入21mg (0. lmmol) 二環己基碳二亞胺(DCC),在0'C攪拌反應48h，過濾 掉不溶物，真空濃縮，用大量乙醚沉出，並用甲醇洗滌三次，251C下真空 乾燥至恆重。
實施例7:帶羧基的聚合物與紫杉醇鍵合
將0. 6g (0. 03 mmol)帶實施例6得到的聚合物溶解在20ml N， N-二甲 基甲醯胺中，用冰/水浴使之冷卻，然後加入等當量的三乙胺和二環己基碳 二亞胺(DCC)，在(TC攪拌反應24h，然後加入20mg紫杉醇，室溫反應24 h，過濾掉不溶物，真空濃縮，用大量乙醚沉出，並用N，N-二甲基甲醯胺洗滌三次，251C下真空乾燥至恆重。
實施例8:帶羥基的聚合物與葉酸(folic acid)的連接
將0. 40g (0. 020 mmol)實施例5得到的聚合物溶於10ml N， N-二甲基 甲醯胺，溶液用冰水冷卻，然後加入32mg (0.074 mmol)的葉酸，隨後 加入21mg (0. l咖ol) 二環己基碳二亞胺(DCC)，在OIC攪拌反應24h， 過濾掉不溶物，真空濃縮，用大量乙醚沉出，並用甲醇洗滌三次，251C下 真空乾燥至恆重。
實施例9:帶羧基的聚合物與短肽RGD的連接
將0.5g (0.025 mmol)實施例6得到的聚合物溶解在20ml N，N-二甲 基甲醯胺中，用冰/水浴使之冷卻，然後加入等當量的三乙胺和氯甲酸對硝 基苄酯，在O"C攪拌反應24h，然後加入20mg (0.058咖ol) RGD，室溫 反應24h，過濾掉不溶物，真空濃縮，用大量乙醚沉出，並用N，N-二甲基 甲醯胺洗滌三次，25'C下真空乾燥至恆重。 實施例10:帶羧基的聚合物與葡萄糖的連接
將0. lg實施例6得到的聚合物(28.6 nmol C00H)溶解於2ml DMSO， 加入含有6. 5mg CDI的DMSO溶液中，在60C下攪拌24h後加入氨基功能 化了的葡萄糖(16.9mg，57. 1^imol)和2ml DMSO混合溶液，601C下攪拌24h， 然後冷卻至室溫，真空濃縮，用大量甲醇沉澱，產物用乙醇洗三次，25"C 下真空乾燥至恆重。
實施例11:帶羧基的聚合物與乳糖的連接
將0. 5g實施例6得到的聚合物(30^imol C00H)溶解於2ml DMS0，聚 加入含有68mgCDI的DMS0溶液中，60'C下攪拌24後，加入氨基功能化了的乳糖(20mg)和2ml DMSO混合溶液，60"C下攪拌24h，然後冷卻至室溫， 真空濃縮，用大量甲醇沉澱，產物用乙醇洗三次，251C下真空乾燥至恆重。
權利要求
1.一種帶烯丙基側基的聚乙二醇-脂肪族聚(酯-碳酸酯)，它是在聚乙二醇存在下，將帶烯丙基的脂肪族環狀碳酸酯單體與脂肪族環酯單體進行開環共聚得到的聚乙二醇與脂肪族聚(酯-碳酸酯)的嵌段共聚物；其中聚乙二醇嵌段的數均分子量為400～5000；脂肪族聚(酯-碳酸酯)嵌段為帶烯丙基的脂肪族環狀碳酸酯單體為2-甲基-2-烯丙氧羰基三亞甲基碳酸酯和脂肪族環酯的無規共聚物；所述的脂肪族環酯單體是丙交酯、乙交酯和ε-己內酯中的一種、兩種或三種的混合物，它們之間的比例不限；所述的帶烯丙基的環狀脂肪族碳酸酯單體與脂肪族環酯單體的總的摩爾比為1∶99～50∶50；所述的單體2-甲基-2-烯丙氧羰基三亞甲基碳酸酯的分子結構式是
2.權利要求1所述的帶烯丙基側基的聚乙二醇-脂肪族聚(酯-碳酸酯)的製備方法，其特徵在於在無水無氧的條件下，以分子量 為400 5000的單端羥基聚乙二醇作為大分子引發劑，加入單體總質 量1/100 1/1000的乙基鋅作引發劑，在加熱40 100"C和攪拌的條 件下聚合1 10h，並將產物沉澱、過濾、洗滌、真空乾燥，得到不 飽和環狀脂肪族碳酸酯單體及脂肪族環酯單體與聚乙二醇的嵌段共 聚物；其中的共聚單體為帶烯丙基的脂肪族環狀碳酸酯單體2-甲基 -2-烯丙氧羰基三亞申基碳酸酯和環酯；單體2-甲基-2-烯丙氧羰基 三亞甲基碳酸酯的結構式是環酯單體是丙交酯、乙交酯和e-己內酯中的一種、兩種或三種的 混合物，它們之間的比例不限；所述的帶烯丙基的環狀脂肪族碳酸酯單體與脂肪族環酯單體的 總的摩爾比為l:99 50:50。
3.如權利要求1所述帶烯丙基側基的聚乙二醇-脂肪族聚(酯-碳酸酯)的應用，其特徵在於，利用其分子鏈上的烯丙基，與藥物分 子、多肽或蛋白質分子、單糖或多糖分子或者經過修飾的藥物分子、 多肽或蛋白質分子、單糖或多糖分子反應，製成這些物質的高分子鍵 合物；或者，將側雙鍵轉化為可反應的羧基、氨基、羥基、巰基、環 氧基團，進而與藥物分子、多肽或蛋白質分子、單糖或多糖分子或者 經過修飾的藥物分子、多肽或蛋白質分子、單糖或多糖分子反應，制 成這些物質的高分子鍵合物。
全文摘要
本發明涉及一種帶烯丙基側基的聚乙二醇-脂肪族聚(酯-碳酸酯)及其製備方法與應用，屬於生物醫用高分子材料領域。在端羥基聚乙二醇存在下，將帶烯丙基的脂肪族環狀碳酸酯與環酯單體進行開環共聚，得到側基含有烯丙基聚乙二醇-脂肪族聚(酯-碳酸酯)。該類聚合物是雙親性嵌段共聚物，且兼具脂肪族聚酯和碳酸酯的優點，可生物降解，降解產物無毒。利用功能性側基-雙鍵及其功能化，可以將藥物、活性短肽或其它具有生物活性的分子連接到聚合物上，改善聚合物的生物相容性和生物活性，因而可能在藥物控制釋放、高分子前藥和組織工程等領域獲得實際應用。
文檔編號C08G63/00GK101591432SQ20091014585
公開日2009年12月2日 申請日期2006年12月29日 優先權日2006年12月29日
發明者呂常海, 莊秀麗, 景遐斌, 全 石, 胡秀麗, 謝志剛, 陳學思 申請人:中國科學院長春應用化學研究所