（生物医学工程专业论文）乳酸氨基酸共聚物的合成及性能研究.pdf

塑i ! ：些奎兰堡圭耋堡丝塞全! 竺竺 a b s t r a c t p o l y ( 1 a c t i ca c i d ) ( p l a ) h a sf i n eb i o l o g i c a lc o m p a t i b i l i t y a n db i o l o g i c a l d e g r a d a b i l i t y , b u tp l ai sak i n do fh y d r o p h o b i cm a t e r i a l ，d e g r a d e ss l o w l y , a n dl a c k s r e a c t i v i t yf u n c t i o ng r o u p so nt h em o l e c u l a rc h a i n t h e s ep r o p e r t i e sh a v el i m i t e di t i n a p p l i c a t i o n so fb i o l o g i c a la n dm e d i c i n ef i e l d s p o l y ( a m i n oa c i d s ) h a v eg o o db i o l o g i c a l c o m p a t i b i l i t ya n dd e g r a d a b i l i t y , a n di n c l u d e sr e s p o n s a b l ea c t i v eg r o u p ss u c ha st h e h y d r o x y l ，t h ec a r b o x y lg r o u p ，t h ea m i n og r o u pe t e b e c a u s et h e r ea r em a n yh y d r o g e n b o n d sb e t w e e ni n t r a m o l e c u l a ra n di n t e r m o l e c u l a rc h a i n s ，t h e yc a n n o td i s s o l v ei nm a n y o r g a n i cs o l v e n t s ，a n dt h e i rp r o c e s s i n gp e r f o r m a n c ei sp o o r c o p o l y m e r i z a t i o no fl a c t i c a c i d ( l a ) a n da m i n oa c i dc o u l do b t a i nc o p o l y m e r sw i mg o o db i o l o g i c a lc o m p a t i b i l i t y , a d j u s t a b l ed e g e n e r a t i o ns p e e d ，r e a c t i v ea c t i v eg r o u p s ，a n dg o o dp r o c e s s i n gp e r f o r m a n c e t h ec o p o l y m e r s d e g e n e r a t i o ns p e e d sa n dh y d r o p h i l i cp r o p e r t i e sc a nb ea d j u s t e db y c h a n g i n gt h el a w m a t e r i a l sf o r m u l a ea n dc o p o l y m e r i z a t i o nc o n d i t i o n s p o l y ( a s p a r t i ca c i d l a c t i d e ) ( p a l ) w a ss y n t h e s i z e db ys i m p l yh e a t i n gam i x t u r eo f a s p a r t i ca c i d ( a s p ) a n dl a c t i ca c i d ( l a ) w i t h o u ta d d i t i o n a la n yc a t a l y s to rs o l v e n t t h e c o p o l y m e r i z a t i o nc o n d i t i o n so ft h et h e r ef o r m u l a eh a dd e t e r m i n e dr e s p e c t i v e l y , w h i c h a r ei n c l u d i n ga s ps o l u t i o nt e m p e r a t u r e ，c o p o l y m e r i z a t i o nt e m p e r a t u r ea n dr e a c t i o nt i m e t h eu n i q u eb r a n c h e da r c h i t e c t u r ec o m p r i s i n gs u c c i n i m i d eu n i t sa n dl a c t i ca c i du n i t s w a sc o n f i r m e db yi n f r a r e ds p e c t r u m ( 1 r ) a n dn u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c es p e c t r u m ( n m r ) t h et h e r m a lp r o p e r t i e sa r ed e t e r m i n e db yd i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e t r y ( d s c ) ，a n dt h em o l e c u l a rw e i g h ta n dt h ed i s t r i b u t i o nw a sd e t e r m i n e db yg e l a t i n c h r o m a t o g r a p h ( g p c ) t h ep a l w a ss o l u b l ei nm a n yo r g a n i cs o l v e n t s ，a n dh a st h eg o o d p r o c e s s i n gf o r m a t i o np e r f o r m a n c e p a la n dt h eb l e n d sw i t hp l ah a v ed i f f e r e n t h y d r o p h i l i cp r o p e r t i e sw h i c h a r ec h a n g i n ga l o n g 、析t l lt h ec o m p o n e n t p a lc a nm a k ep l ah y d r o l y s i sf a s t e r t h r o u g hm a k i n gp l a p a ls a m p l e si n v a r i o u sp r o p o r t i o n s , w ec a no b s e r v et h ec h a n g eo ft h es a m p l e s m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ， c r y s t a l l i z a t i o na n ds u r f a c et o p o g r a p h y ；c a l c u l a t e t h es a m p l e s l o s so fq u a l i t ya n d m o l e c u l a rw e i g h t a r r i v a la tac o n c l u s i o n ：p a lc a nm a k ep l ah y d r o l y s i sm o r e e f f e c t i v e l y a tt h es a m et i m e ，p a lc o u l dm a k et h em o s tp o l y e a s t e rh y d r o l y s i sf a s t e r t h e d e g r a d a t i o no fb l e n d i n gf i l m sm a d eb yp l a p a li sf a s t e rt h a np u r ep l af i l m s w e c o u l dc o n c l u d et h a tp a ld o s en o to n l ym a k et h eh y d r o l y s i so fp l af a s t e r , b u ta l s ot h e d e g r a d a t i o n 1 1 1 西北工业大学硕十宁付论文 a b s t t a c t k e y w o r d s ：a s p a r t i ca c i d ，l a c t i ca c i d ，c o p o l y m c r i z a t i o n ，c r o s s b l c n d ，h y d r o p h i l e ， d e g r a d a t i o n i v 西北工业大学业 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属，丁西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分7 , s 容编入有关 数据库进行检索，可以采用影7 r i 、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人 保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业人学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：釜咝指导教师签名：磋盘盈茎 i 川年多月加砂7 年7 月印日 f 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导f 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果， 不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡献的 个人和集体，均己在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：扭 嘲年? 月彬日 西北工业大学硕士学位论文 引言 引言 p l a 是最广泛研究的生物降解热塑性聚合物之一，具有优良的生物相容性、 生物降解性。它作为生物材料逐渐应用于药物缓释系统，生物吸收缝合线或者纤 维，植入骨结构以及组织工程。 然而，由于聚乳酸在性质上存在如下局限而限制了其实际应用：( 1 ) 聚乳酸 中有大量的酯键，为疏水性物质，降低了它的生物相容性；( 2 ) 聚乳酸降解速度 慢，单靠分子量和分子量分布来调节聚乳酸的降解速率又有很大的局限性，在体 内长期存在容易引发炎症和肿胀并发症；( 3 ) 聚乳酸分子链上由于缺乏可反应性 官能基团，不利于进一步进行化学改性；( 4 ) 聚合所得产物的相对分子质量分布 过宽，聚乳酸本身为线型共聚物，这使得聚乳酸材料的强度往往不能满足要求。 同时，在实际应用中还有一些特殊的反应功能性需要。例如，生物医学应用，像 药物缓释系统和组织工程，需要材料具有多种疏水性亲水性来提高其与各种药物 或组织的亲和力。在某些应用，聚乳酸是疏水性的，降解率很慢，而且聚乳酸缺 少反应活性基团。 这些原因都促使人们对聚乳酸材料的改性需要展开深入的研究。通过对聚乳 酸进行增塑、共聚、共混、分子修饰、复合等改性方法可实现对聚乳酸的降解性 能、可反应功能性能、亲水性、细胞亲和性以及力学性能的改进。 聚氨基酸也是一种可生物降解的高分子物质，具有良好的生物相容性和降解 性且一些聚氨基酸因含有羟基、羧基、氨基、巯基及其络合基团，所以具有反应 功能性。但因大分子链的分子内和分子间易形成氢键，所以不宜溶于许多溶剂。 所以通过聚乳酸和聚氨酸的共聚就可获得良好的医用性能。通过组分含量的改变， 就可以改变降解周期和亲水性能。 已有许多关于氨基酸对聚乳酸进行共聚改性的报道，但大多数合成( 氨基酸 丙交酯) 共聚物的反应步骤特别复杂，过程往往包括氨基酸活性基团的保护，以 及共聚合后的脱保护反应，所以产率极低。 本文通过天冬氨酸和丙交酯的混合物加热，未添加任何催化剂或溶剂，采用 简单便捷的方法制备出具有降解性能的两性聚合物一聚( 天冬氨酸丙交酯) ( p a l ) 。通过探索天冬氨酸和丙交酯的共聚反应温度、时间、压力等工艺条件， 确定出合成p a l 产率和分子量的影响因素。采用i r 和n m r 光谱对p a l 的结构进 行了确认。通过d s c 和偏光显微镜研究了p a l 的结构组成，对其热性能、结晶性 能进行了分析，及其加入p l a 后对p l a 结晶性能和热性能的影响。通过p a l 与 共混降解性能的测试，研究了其亲水性能。 西北工业大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 聚乳酸 1 1 1 聚乳酸的物化性质 第一章文献综述 聚乳酸，通常用p l a 表示，是一种浅黄色或透明的物质，玻璃化温度为5 0 c 6 0 c ，熔点1 7 0 1 8 0 。c ，密度约1 2 5 e m 3 ，不溶于水、乙醇、甲醇等，易水解 成乳酸。同别的聚合物一样，聚乳酸的性能强烈依赖于热历史、分子量和分子量 分布以及纯度等，其分子式如图1 1 。 f h 3 冒i h 3 符i 。 i iii i h o c h c 十o c h c 击- - no n 图1 - 1 聚乳酸的分子式 1 1 2 聚乳酸的生物降解性 根据降解机理文献报道，酶或其它化学因素导致的化学键断裂都会引起聚合 物材料在生物体内降解。这两种机理可以分别或同时起作用。尽管体内环境和体 外环境截然不同，但是动物细胞对聚合物的生物降解与微生物引起的生物降解在 本质上并没有什么不同，两者都涉及到水、离子、酶和与材料相作用的新陈代谢1 1 】。 事实上，人们对酶解是否在p l a 的体内降解过程中起作用一直存有争议。各种各 样的酶被用于研究以了解它们对p l a 体内降解的影响，其中发现细菌蛋白酶k 会 强烈地加速p l a 立构规整共聚物的降解，l 广乳酸比d 乳酸单元更容易降解。有些 酶如酯酶、链丝菌蛋白酶和菠萝蛋白酶也会影响p l a 的降解，相比之下，其他许 多酶并没有显示活性。人们现在普遍认为p l a 在体内降解的初期阶段，酶解不可 能起作用。但是酶解会参与p l a 后期降解，尤其是当可溶性副产物释放时。 大多数学者认为在最初阶段p l a 发生的是不均匀水解降解，并且由于材料内 部存在较强的自加速效应，内部的降解速度要比表面快。p l a 的水解是个复杂的 过程，主要包括4 个现象：吸水、酯键的断裂、可溶性齐聚物的扩散和碎片的溶 解，这些现象依赖于材料形态、化学组成、结构、分子量、材料尺寸、材料中反 应性化合物的分布、降解环境的性质等诸多因素【2 1 。可溶性p l a 低聚物的扩散系 西北工业大学硕士学位论文第一章文献综述 数主要取决于分子量、材料的溶胀率、大分子构造和刚性等因素。同时，降解速 度依赖于膨胀率，且有可能与聚合物分子主链上手性与非手性单元的顺列分布有 关。带羧基端基的可溶性低聚物的释放依赖于它在周围水性介质中的溶解性，并 与温度、缓冲能力等因素有关例。 一般认为p l a 在人体内的降解初期具有与酶无关的特征，在人体内可逐渐降 解为二氧化碳和水，对人体无害、无积累。主要降解方式是从酯基的水解开始的， 降解中产生的酸可能会对降解有催化作用，形成自催化效应。p l a 及其共聚物降 解速率在很大程度上取决于它的分子结构、相对分子质量、形态、相结构以及聚 合物的纯度等因素。 1 1 3 聚乳酸的应用 ( 1 ) 组织工程材料 由于在修复，重组和再造动物组织上的巨大应用前景，组织工程的研究已成 为现代生物医用工程技术中最为活跃的研究之一。分子生物学、细胞生物学、材 料科学，特别是高分子科学的发展，为采用聚合物骨架材料和细胞杂化系统在体 外或体内诱导活细胞的生长分化，构建动物组织提供了十分有效的途径。 以聚乳酸为代表的聚酯类生物降解材料是目前组织工程研究中最常用的移植 细胞的支架材料之一。p l a 材料不仅具有良好的物理机械性能，可通过分子量及 分子量分布的调节，以适应不同需要；而且具有丰富的加工手段，可采用包括： 盐析法，气体发泡法，乳液冻干法，相分离法等一系列方法制备具有合适体型结 构的组织工程支架。 聚乳酸由于其良好的生物降解性、生物相容性和可加工性，已广泛应用到组 织工程支架制备中。例如，软骨细胞种植在p l a 基体内植入鼠体内，长成了软骨 组织1 4 ；自生的海绵状骨和髓的微粒填充在p l a 的网状物中，在狗体内有效地支 持了骨的长成【5 1 。但是，由于聚乳酸细胞亲和性差，降解速度很慢，在体内长期存 在容易引发炎症和肿胀并发症，而单靠分子量和分子量分布来调节聚乳酸的降解 速率又有很大的局限性。因此，通过分子设计合成以聚乳酸为主的各类共聚物， 改善聚乳酸的降解性能及生物相容性，就成为研究的一个焦点。 ( 2 ) 外科缝合线 p l a 及其共聚物还可用作外科缝合线，由于其生物降解性，在伤口愈合后自 动降解并吸收，无需二次手术，这也要求聚合物具有较强的初始抗张强度且稳定 地维持一段时间，同时能有效地控制聚合物降解速率，随着伤口的愈合，缝线缓 慢降解。 1 9 7 5 年p l g a ( l a g a ：9 0 1 0 ) 作手术缝合线( 商品号v i c r y l ) 投放市场， 4 两北工业大学硕士学位论文第一章文献综述 即受到医生的青睐1 6 】。近来研究主要集中在以下几方面：( 1 ) 为提高缝合线的机械 强度，需合成高分子量p l a ，改进缝线加工工艺。p e n n i n g s 等考察了聚合条件对 分子量，p o s t e m a 等考察了干纺、湿纺及拉伸条件等对缝线结晶度、抗张强度的影 响。同时，b e n i e e w i e e 等认为熔融纺丝的p l a 纤维能在更长的时间内维持其强度 和稳定性1 7 1 ；( 2 ) 光学活性聚合物的合成。半结晶的p l a 比无定形p l a 具有较 高的机械强度、较大的拉伸比率及较低的收缩率，更适合于手术缝合线；( 3 ) 缝 合线的多功能化。在缝合线中掺入非甾体抗炎药来抑制局部炎症及异物排斥反应， 在缝线中加入增塑剂，如骨胶原、低分子量p l a 及其他无机盐增加缝线的韧性和 调节聚合物的降解速率。此外，用丙交酯与己内酯共聚物作可吸收手术纱布， k r i c h e l d r o f 等已成功用于临床3 0 位病人。 目前，可降解p l a 及其共聚物在骨外科领域中的应用从实验室到临床研究， 都有很大进展，国外已有商品出现，但多用于非承重骨内固定，且价格不菲，今 后需提高聚合物的强度及解决植入后期反应和并发症等方面的问题。 ( 3 ) 骨折固定件 长期以来国内外一直采用不锈钢金属材料作骨折内固定材料，但是不锈钢的 强度和韧性远大于人体骨，而且力学性能不能随骨愈合过程动态地变化，出现了 医学上“应力遮蔽”现象，导致骨折部位的骨质疏松和自身骨退化。同传统的金 属固件相比，聚乳酸类生物降解材料有两大优点：一是能降解吸收，避免了愈合 后二次手术；二是随着自身骨的愈合，可降解夹板的强度不断减弱，克服了应力 遮蔽，提高了自身骨修效果。 邓先模等将高分子量p l a 用于狗骨固定，治疗效果良好i s 。用p g a 纤维、p l a 纤维、碳纤维、氢氧化铝、羟基磷灰石等增强p l a ，可大幅度提高固定材料的初 始强度，具有相当的承载能力，可与金属螺钉的强度相媲美。 羟基磷灰石是自然骨的结晶部分，约占人体骨受总重量的7 0 9 0 ，人工合 成的羟基磷灰石在组成成分和结构上自然骨组织钙盐一致，在生物特性方而，也 具有良好的生物相容性和骨传导性，能为新骨的形成提供生理支架作用，与骨组 织形成直接的骨性结合，具有比其它骨植入材料优越的特点。但羟基磷灰石太脆， 没有足够的强度和疲劳承受力，不能作为结构材料使用。将聚乳酸和羟基磷灰石 复合，各取所长，可以解决聚乳酸缺乏骨结合能力以及羟基磷灰石没有一定的强 度和硬度，不能作为承重的骨固定材料的问题。 武汉大学生物中心用粘均分子量为5 0 万的聚乳酸与羟基磷灰石按一定比例混 合，再热压成型得到了一种新型的聚乳酸轻基磷灰石复合材料，该材料的最高弯 曲强度为1 2 0 3m p a 、剪切强度为8 4 5 m p a 、弹性模量为6 1g p a 。研究表明，聚 乳酸羟基磷灰石复合材料用于骨折内固定具件具有以下优点：( 1 ) 复合材料的力 西北工业大学硕士学位论文 第一章文献综述 学强度较聚乳酸有较大的提高，同时羟基磷灰石的加入降低了聚乳酸的降解速度， 延长了材料的保持时间，有利于骨折的愈合。( 2 ) 该复合材料既有生物可吸收性， 又有生物活性，随着聚乳酸的逐渐降解吸收，羟基磷灰石逐渐溶解释放出钙离子 和磷酸银离子，参与新骨组织的形成。( 3 ) 该复合材料植入早期可在x 光片下显 影，便于医生i 临床观察。( 4 ) 该复合材料作为骨折内固定材料效果明显，实验表 明植入6 周后动物骨折已基本愈合，无关节积液和窦道形成，未出现迟发性无菌 性炎症，具有较强的骨结合能力。 1 2 氨基酸的性质 1 2 1 氨基酸简介 蛋白质是重要的生物大分子，其组成单位是氨基酸。组成蛋白质的氨基酸有 2 0 种，均为静氨基酸。每个氨基酸的0 t 碳上连接一个羧基，一个氨基，一个氢原 子和一个侧链r 基团。2 0 种氨基酸的差别就在于他们的r 基团结构的不同。 0 t 氨基酸都是无色晶体，易溶于水，而难溶于无水乙醇、乙醚等有机溶剂，具 有较高的熔点，在熔化时常常分解，除甘氨酸外，都具有旋光性。氨基酸按其亲 水性、疏水性分类： 亲水性氨基酸：赖氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、组氨酸等； 疏水性氨基酸：丙氨酸、苯丙氨酸、异亮氨酸、亮氨酸等。 各种氨基酸中所含的多种化学活性基团，能各自产生多种化学反应。氨基酸 是生物体的必需成分，也是人体的重要营养素。可惜在现用的制糖方法中却无法 利用，反应成为有多种不良影响的“有害氮”的主要成分。 1 2 2 氨基酸的化学性质 ( 1 ) 酸碱性 氨基酸写成下面的形式，分子式如图1 2 。 n h 2 c h c o o h l r 图1 - 2 氨基酸的分子式 但实际上氨基和羧基不以游离的形式存在，而是形成内盐，如图1 3 。 6 西北工业大学硕十学位论文第一章文献综述 瑚2 r f 0 0 h = 兰船甲r 仃 图l - 3 氨基酸游离态和内盐的转换反应式 这种内盐同时具有两种离子的性质，既可以和h + 作用又可以和o h 。作用，在 溶液中形成一个平衡体系，如图l - 4 。 h + ?旷 + nh2chcoo。=：=，nhchc00=：nh3午hcooh- r i o h 。 r i o h r i 图i - 4 氨基酸内盐和旷及o h 。作用的平衡反应式 在上面的平衡中，究竟以哪种形式存在，取决于溶液的p h 值。p h 减小，即 酸性增强，平衡向右移动，当带h + 的氨基酸的浓度增大，在电场中，这个正离予 向负极移动。反之向左移动。当p h 值达到某一确定值时，正负离子浓度相等，这 时在电场中不显示离子的移动。在这种情况下，相应的p h 值叫做该氨基酸的等离 点。可根据等离点的不同，不同氨基的混合物在外电场作用下分离氨基酸。 ( 2 ) 与二水合茚三酮反应 a 氨基酸的水溶液与二水合茚三酮，能生成有色的产物，大多数氨基酸生成紫 色物质其反应如图1 - 5 。 o f 丫c 认 c 卸 。弋o o hf + h z n c h c o o h - - - - - - - 一 o h 此反应可用来鉴别a 一氨基酸 o 茚三酮水合物 n 图1 5n - 氨基酸的水溶液与二水合茚三酮的反应式 + r c h o + c 0 2 + 3 h 2 0 洲洲 c c 双 些 西北工业大学硕士学位论文第一章文献综述 ( 3 ) 酰基化和烃基化反应 氨基酸中的氨基可发生酰基化反应。不同的酰基化和去酰基化方法在人工合 成多肽和蛋白质中得到广泛的应用，其反应如图1 - 6 。 剐lhcooih + 兮c h 2 。o r p 眺o l n h r f h c o o hr 6 图1 - 6 氨基酸的酰基化反应 氨基酸与卤代烃反应生成n 烃基氨基酸。一个特别有用的例子是2 ，4 - 二硝基 氟苯( d n f b ) 与氨基酸发生烃基化反应生成氨基酸的2 ，4 二硝基苯的衍生物， 其反应如图1 7 。这一反应在多肽的端基分析中特别有用。 = 矿慨+ h n 2 尸一吣w 咖h 1 2 3 天冬氨酸 图卜72 ，4 - 二硝基氟苯与氨基酸的烃基化反应 天冬氨酸( a s p ) 分子式见图1 - 8 ，天冬氨酸是合成聚天冬氨酸( p a s p ) 的单体。 o l o f h 2 n o 0 h h 图卜8 天冬氨酸的分子式 天冬氨酸的分子量为1 3 3 1 0 ，它有两种旋光异构体：d 型和l 型。天冬氨酸 的立体结构式见图1 - 9 1 9 1 。通常我们所说的天冬氨酸是指等量的d 型和l 型的混合 物，称为d l 型，为外消旋体。它们的有关性质见表1 - 1 。 8 西北1 = 业大学硕士学位论文第一章文献综述 图1 - 9 天冬氨酸的立体结构 天冬氨酸又称氨基丁二酸，是构成蛋白质的二十种基本氨基酸之一，其在生 化试剂和临床医学方面具有广泛的应用。作为一种人体必需的氨基酸，它能调节 脑和神经的代谢功能，其左旋体l 天冬氨酸( l a s p ) 广泛用作氨解毒剂、肝机能 促进剂、疲劳恢复剂等医药用品和各种清凉饮料的添加剂生产；其外消旋体d l - 天冬氨酸( d l - a s p ) 可用于合成d l 天冬氨酸钾镁盐( 脉安定) ，用于治疗心率失 常、心动过速、心力衰竭、心肌梗塞、心绞痛、肝炎和肝硬化等疾病。天冬氨酸 镁钾( p m a ) 具有很强的细胞亲和性，可作为鳌合剂，与金属离子结合后分离较慢。 在缺钾、镁时，p m a 可作为载体，促使钾、镁离子容易进入细胞内，从而更好地 发挥它们的生物作用。此外，p m a 可使心率失常消失或明显减少，其总有效率高 达9 4 【lo j 。d l 天冬氨酸还可作为合成多肽的原料。它的氨基氢的取代衍生物 ( n m d l a ) 可以作为治疗神经类疾病和大脑疾病的药物【1 1 1 。天冬氨酸的衍生物： n 甲基d 一天冬氨酸( n m d a ) 能明显增强视神经单元放电单位的兴奋作用【l 2 。 n m d a 可作为哺乳动物中枢神经系统( c n s ) 中重要的兴奋神经递质受体之一【”j 。 表卜1 天冬氨酸的性质 9 西北工业大学硕士学何论文 第一章文献综述 1 2 4 聚天冬氨酸 ( 1 ) 聚天冬氨酸的结构 p a s p 是a s p 单体的氨基和羧基缩水而成的聚合物，其分子链形式有a 型和b 型两种，见图1 1 0 。 o 型 弋蹦一f h c 。 c h 2 c o o h b 型弋瞅一f h c n 厂c 。卜 c h 2 c o o h 图l 一1 0 聚天冬氨酸的分子结构 从目标分子的结构看，p a s p 实际上是一种水溶性的大分子多肽链，以肽链一 c o n h 一来增长分子链，与蛋白质的结构有些类似，蛋白质是由多种n 一氨基酸 以肽链一c o n h 一结合而成的高分子化合物( 分子量一般在1 0 0 0 0 以上) 。因此， 在微生物活性( 有酶参与) 的作用下，酶进入聚合物的活性位置并发生作用，使 聚合物发生水解反应，聚合物大分子断裂变成小的链段，并最终断裂为稳定的小 分子无毒物质，完成生物降解的过程，所以聚天冬氨酸具有优良的生物可降解性。 ( 2 ) 聚天冬氨酸及其盐的合成 最常用的合成聚天冬氨酸方法是先将天冬氨酸缩聚成聚琥珀酰亚胺( p s i ) ， p s i 水解即为p a s p ，聚天冬氨酸的盐可由p s l 氨解获得，见图1 1 l 。 ( 3 ) 聚天冬氨酸的生物降解性 聚天冬氨酸之所以被称为“绿色水处理剂”在于它具有优异的可生物降解性， 可生物降解为可被环境接受的小分子物质，也称之为环境相容性或环境友好性。 表1 2 1 1 4 】为三种分子量分别为4 5 0 0 ，1 0 0 0 0 和3 3 0 0 0 聚天冬氨酸进行的o e c d 3 0 1 b ( “经济合作与发展组织”生物可降解性的评价标准) 易生物降解能力。实验所得 的结果，该实验是用试验物质在微生物代谢期间产生的c 0 2 量来测量的。聚天冬 氨酸在2 0 m g l 。1 浓度下是微生物唯一的可用的营养来源，微生物取自于市政废水 处理污泥，释放出的二氧化碳的百分率等于生物降解百分率。对三种聚天冬氨酸 和葡萄糖用同一种污泥同时进行试验。实验c 5 ( m w - - 4 5 0 0 ) 经过1 6 天后降解率 可达8 0 ，实验c 4 ( m w = 1 0 0 0 0 ) 在2 8 天后达7 3 ，这些聚天冬氨酸都满足 o e c d 3 0 1 b ( “经济合作与发展组织”生物可降解性的评价标准) 易生物降解的判 l o 断依据( 试验2 8 天，l o 天内二氧化碳的释放率为6 0 ) 。很明显，聚天冬氨酸是 高度可生物降解性的产品。 h 2 n o 0 a s pp s l o 图l - 1 1 由天冬氨酸制备聚天冬氨酸及其盐 表1 - 2o e c d 3 0 1 b 易生物降解性实验 o o p a s p n h r p a s p - r 西北工业大学硕士学位论文第一章文献综述 1 3 聚乳酸的共聚改性研究 近年来，p l a 的改性研究工作多集中在对其共聚改性方面。p l a 的共聚改性 是在聚乳酸主链中引入了另一种分予链，使p l a 大分子链的规整度下降、结晶度 降低，提高柔性和弹性。许多医学应用需要亲水性的聚酯材料，而聚乳酸是亲脂 性的。在亲脂性的聚乳酸主链中引入聚乙二醇等亲水性链段形成的共聚物具有两 亲性，可应用于药物控释载体、与血液接触的表面和组织粘合剂、释放亲水性大 分子药物如多肽和蛋白质药物等，其在血液中的存活寿命可大大延长。 p l a 的降解速度很快，但在某些应用中聚乳酸是疏水性的，降解率很慢。而 且聚乳酸缺少反应活性基团，降解周期难以控制；p l a 本体侵蚀后强度下降很快， 性能变脆，抗冲击性也变差。在日益广泛的应用中，p l a 已不能满足各种应用的 需求，像药物缓释系统和组织工程，需要材料具有多种疏水性亲水性来提高其与 各种药物或组织的亲和力。p l a 通过与其它单体共聚可以改变材料的结晶性、亲 疏水性、柔韧性及其在生物体内的降解速度等。因此，近年来不同组成的p l a 共 聚物的合成已成为研究的热点。 早期对p l a 的共聚改性单体主要包括乙醇酸、己内酯、聚氧乙烯等，通过共 聚可在一定程度上降低p l a 的结晶度，并控制其降解行为。目前，通过具有多反 应官能团的氨基酸与丙交酯共聚，可获得含反应基团、具有亲水一亲脂两亲性、 生物相容性良好、可生物吸收的医用聚合物聚( 乳酸氨基酸) 共聚物( 队l ) 。p a l 的合成及应用成为聚乳酸改性研究的热点。 1 3 1 丙交酯与乙交酯共聚( 无功能侧基) p l a 为半结晶性、脆性材料，单体( 乳酸或丙交酯) 经与羟基乙酸或乙交酯 共聚后形成，无定形橡胶状韧性材料，易于纺丝，纤维强度较高，伸长度适中， 可通过调节l a g a 两者的比例可控制材料的降解速度，作为手术缝合线已在临床 中得到应用，其中l 丙交酯( l a ) 与乙交酯( g a ) 的共聚物【1 5 】已商品化。郯志 清等【l6 】发明了用于可吸收医用缝合线p g a p l a 共聚物的制造方法，重复单元比例 为( 0 5 o 9 5 ) ：( o 5 0 0 5 ) ，纤维线密度为( 1 5 8 ) d t e x ，断裂强度达( 4 o 6 5 ) c n d t e x ，断裂延伸率为( 2 5 4 0 ) 。这种医用缝合线具有良好的生物降解 性，强度较高，柔韧性好，伸长适中，无毒性，生物相容性好，吸收周期为6 0 7 5 d 。 1 2 西北工业大学硕十学位论文第一章文献综述 1 3 2 聚乳酸和聚氧化乙烯的共聚 亲水聚氧化乙烯( p e o ) 是f d a 批准的可用于人体的聚合物材料，具有极好 的生物相容性。这种高生物相容性被认为来源于高运动性和亲水性的p e o 对吸附 分子的阻抗作用。通过亲疏水性设计，聚乳酸与聚氧化乙烯结合制备的聚乳酸一 聚氧化乙烯( p l a p e o ) 共聚物，可有效调节材料的物理机械和表面性能，制备 理想的组织工程材料。由于p l a 是一种疏水性的材料，在体液环境中表面不可控 的非特异性作用是导致其低细胞亲和性的主要原因之一。p l a 与p e o 的共聚可对 组织工程材料本体、表面改性。 高分子量p l a 是一种硬而脆的材料，缺乏柔性和弹性。但p l a - p e o 共聚物 中，随着p e o 含量的增加，虽然强度有所下降，伸长率增加，但材料逐渐由脆性 向韧性转变，因此，调节共聚物组分中p e o 的含量，克服p l a 材料的脆性，可以 制备可生物降解的弹性管道材料。 p l a p e o 共聚物在p l a 链段上引入了p e o 链段，共聚物的分子量相对于高 分子量p l a 材料大大减小，其机械性能也大大下降，不适于作为骨修复、牙修补 等高机械强度要求的材料，但p l a p e o 共聚物可用于药物控制释放体系的载体材 料，通过控制释放药物、细胞生长因子诱导组织的重建。通过调节p l a p e o 的共 聚比，可对p l a p e o 共聚物的降解速率进行调节，或者将p l a p e o 共聚物与p l a 材料共混，控制其共混比，也可以达到调节降解速率的目的，满足不同药物的释 放要求。p l a p e o 作为一些半衰期短，稳定性差，易降解及毒副作用大的药物控 释制剂的可溶蚀基材，有效拓宽了给药途径，减少给药次数和给药量，提高了药 物的生物利用度，最大程度减少了药物对全身特别是肝、肾的毒副作用。 1 3 3 己内酯与丙交酯的共聚 己内酯和丙交酯在异辛酸亚锡存在下经微波辐照5 r a i n 可分别获得分子量 1 2 0 k g m o l 。的聚己内酯和2 2 5k g m o l 4 的聚乳酸。苯甲酸可作为己内酯微波辅助开 环聚合的引发剂，所得聚己内酯的分子量达到4 4 8k g m o l 。通过混有布洛芬的己 内酯的微波开环聚合可直接制备以聚己内酯为基质的药物控释系统。微波辐照产 生的热效应对聚合反应有重要影响。微波辐照下己内酯和聚己内酯在其温度升高 到3 5 0 以上仍可稳定存在。而采用传统加热如油浴、空气浴等方法时，温度超过 1 4 0 后就会发生分解，故己内酯热开环聚合反应温度通常低于1 4 0 。显然，采 用微波方法有可能使该反应在温度更高一些的条件下进行。实验结果表明，微波 辐照下反应体系温度在1 4 0 以下时，反应3 0 m i n 所得到聚己内酯的分子量为3 0 5 0 k g m o l ：当反应温度升至2 1 0 时分子量达到1 4 0k g m o l 。i l ”。因此，由微波热 西北工业大学硕士学位论文第一章文献综述 效应所形成的高温对聚己内酯分子量的提高有促进作用。聚合反应在2 1 0 c 超过 3 0 r a i n 后，聚己内酯分子量反而下降 1 8 1 。 目前已经对己内酯丙交酯嵌段共聚物生物降解材料进行了以下各方面的研 究：急性全身毒性、皮内刺激、眼结膜刺激、热源、溶血和皮肤致敏性等实验。 实验结果表明：己内酯丙交酯嵌段共聚物生物降解材料无毒，对组织无刺激、无 热源作用，无溶血作用，无致敏作用，具有良好的生物相溶性i l 9 j 。 1 3 4 聚乳酸与聚乙二醇共聚 聚乳酸及聚乙二醇改性共聚物( p l e a ) 毒性小、可生物降解，可有效改善与 蛋白质等亲水性物质的生物相容性，延长在生物体内存留的半衰期，在靶向药物 载体的研究中意义重大。 表1 - 3p l e a 共聚物组成对n 与m n m w 的影响 表1 3 中，随着p e g 含量的增加，共聚物的特性粘度下降，分子量降低。这 可能是由于羟基化合物与引发剂s n ( o c t ) 2 发生反应时，还能和正在增长的活性链端 基发生链转移反应，降低了共聚物的分子量，增大了聚合物的聚合分散程度。 1 3 5 ( 氨基酸丙交酯) 共聚物的合成 聚氨基酸自身具有良好的生物相容性和可生物降解性，链段带有反应性的官 能团侧基，但因其大分子内和大分子间易形成链内或链间氢键1 2 0 j ，所以不溶于多 数溶剂，不易加工成型，所以其用途极少。 氨基酸与丙交酯的共聚物是以p l a 链段为主的高聚物，具有可控制的降解性 能、各样( 柔软或弹性) 的力学性能、可化学改性的反应活性，在保持p l a 优良 性能的同时增加其他功能性。用于与p l a 共聚的氨基酸单体包括赖氨酸( l y s ) 1 2 1 - 3 5 、a s p 2 7 - 3 0 , 3 6 - 3 9 1 、丝氨酸( s e r ) 3 2 , 3 8 , 4 0 - 4 3 1 、半胱氨酸( c y s ) 1 4 4 1 等，对应于共 聚物侧链分别含有氨基、羧基、羟基、巯基等反应活性基团。聚( 乳酸氨基酸) 1 4 西北工业大学硕七学位论文第一章文献综述 共聚物又可称作聚酯酰胺，依合成途径不同，可制得无规线型共聚物、交替线型 共聚物、嵌段线型共聚物、接枝共聚物等多种类型，均具有良好的生物相容性。 氨基酸的引入可降低聚乳酸的结晶度，对其降解性能起到调节作用。共聚物侧链 的反应活性官能团可以吸附蛋白质、糖类、多肽等，可以使整个共聚物大分子链 获得特定的氨基酸顺序以便细胞识别，从而有效固定生物活性因子，提高聚乳酸 与细胞的亲和性，并可具有一定亲水性。 这类聚乳酸共聚物的合成方法通常是吗啉2 ，5 二酮衍生物和l 丙交酯的无规 共聚物和嵌段共聚物，这些共聚物带有可反应的( 离子型) 侧链部分。带有可反 应( 离子型) 侧链部分的吗啉2 ，5 二酮衍生物与【广丙交酯的无规共聚物和吗啉- 2 ， 5 二酮衍生物与l 丙交酯嵌段共聚物，由于两种共聚物的亲水结构故对制备基体 和具有反应性表面的微球很有用处。然而共聚过程通常反应步骤较多，产率较低。 ( 1 ) 无规线型共聚物的合成 聚( 乳酸氨基酸) 无规线型共聚物的制备途径主要有两种，第一种是吗啉- 2 ，5 二酮衍生物与丙交酯开环共聚法，第二种是乳酸亚硫酸酐与氨基酸羧酸酐缩聚共 聚法。 吗啉- 2 ，5 二酮衍生物与丙交酯开环共聚法是较常用的合成聚( 乳酸氨基酸) 的方法。其关键步骤是合成与丙交酯进行共聚的单体一吗啉2 ，5 二酮衍生物。 因赖氨酸、天冬氨酸、丝氨酸、半胱氨酸等均具有三个反应活性官能团，为减 少副反应，并保证所得共聚物具有反应功能侧链，在氨基酸参与共聚前，要对侧 基活性基团进行选择保护。保护剂通常包括苄氧羰酰氯，苯甲酰氯，叔丁氧羰酰 叠氮和芴甲氧羰酰叠氮等，要求保护基团在随后的反应中保持稳定。与溴乙酰溴 反应后，氨基酸中引入溴乙酰基，然后在大量溶剂、非常稀释的状态下进行分子 内环化反应，生成吗啉2 ，5 二酮衍生物，合成路线见图1 1 2 。 2 w n h 2 ( c h 2 ) 彳h c o o h 簧吾笋韭c 6 1 5 c h 2 0 h ( c h 2 ) 4 印c o o h $ 兰i 鼢p 叫一三k 融1 图l 1 2 吗啉一2 ，5 一二酮衍生物的合成路线 吗啉2 ，5 二酮衍生物在2 乙基己酸锡作引发剂时可以进行均聚反应，经脱去保 护基团后，产物是水溶性聚( 乙醇酸口f ，氨基酸) 共聚物，但均聚物分子量一般较 西北工业大学硕士学位论文第一章文献综述 低 4 5 - 4 3 】，f e i j e n 对此的解释是3 位或6 位烷基取代的吗啉2 、5 - 二酮衍生物反应活 性在相同条件下随着取代基数目和体积的增加而降低，活性的降低可能是由于立 体位阻的增加，以及由于环取代基数目、大小的增加使得环结构的稳定性增加所 至。 吗啉2 ，5 二酮衍生物与丙交酯以辛酸亚锡为催化剂、2 乙基己酸锡为引发剂， 进行开环共聚，经铂、钯等金属催化加氢或溴化氢的醋酸溶液酸解等方法脱去保 护基团后，得到乳酸乙醇酸氨基酸三元共聚物即聚( 乳酸氨基酸) 无规线型共 聚物。共聚及脱保护反应路线见图1 1 3 。 凰h 奠+ 丫以。如斟* 咖掣班咖 喁啦删h a 轨q v 如, c c y c n o s t a a n o u so c t o a t e * “嘿煎暖蜊篙挚明 一i m r c h f l ? 一o o h o r 。世呵剐* 咖蛾伽o hc i b 硼d o k ) 4 “ n h 0 = c 0 0 = 1 2 c d t 5 图1 1 3 乳酸乙醇酸氨基酸三元共聚物的合成路线 吗啉- 2 ，5 二酮衍生物与丙交酯共聚后，共聚物中氨基酸基团的摩尔含量往往小 于共聚单体含量 2 7 1 。随着吗| i 2 ，5