（生物化学与分子生物学专业论文）肝靶向糖基化高分子键合药物载体的制备与生物学研究.pdf

t , qq l r 、；、 、 。 - 。 独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究工作所取 得的成果。据我所知，除了特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果。对本人的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中作了明确的说明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 学位论文使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规 定，即：东：l k n 范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北师范大学可以将 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其它复制手段保存、汇编本学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：丕幺b 日 期：j o 姐2 z ! 殳 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 指导教师签名： 日期： 电话： 邮编： 譬 摘要 糖作为人体能量的载体和重要的生物信息分子在许多重要的生理过程中发 挥着至关重要的作用，并且可以通过与蛋白质的特异性识别控制生物信息的传 递。研究发现了乳糖( 半乳糖) 与只存在于哺乳动物肝细胞表面的乳糖( 半乳糖) 受体特异性的识别和结合的特性。利用该特性，制各含有乳糖( 半乳糖) 的聚合 物给药载体，实现肝脏的主动靶向给药，越来越受到广泛的关注。 脂肪族聚酯( 如聚乳酸) 以其良好的生物相容性、生物降解性、低免疫原性、 可加工性和机械强度成为当今应用最广泛的生物医用材料之一，已经被用于药物 控制释放体系的载体、手术缝合线和组织工程支架材料。尽管如此，聚乳酸在应 用过程中仍然存在以下问题：1 ) 由于与细胞缺少足够的相容性，植入体内后可 能导致发炎及免疫反应；2 ) 由于缺少官能团，很难进行化学修饰；3 ) 亲水性差。 针对这些问题，本文用亲水性极好、无毒、无免疫原性的聚乙二醇改善其亲水性 和生物相容性；通过与氨基酸n c a 单体或者功能化的碳酸脂六元环单体共聚， 一方面改善材料的生物相容性、生物降解性和理化性质，另一方面，在聚合物链 上引入了活性官能团，并通过这些官能团将乳糖分子以及抗癌药物分子引入到聚 合物的体系中，通过纳米自组装技术制备肝靶向的高分子键合药，并深入的研究 了该类型药物载体在生物学上的应用。具体研究内容如下： 1 合成了带有巯基的乳糖糖苷和聚乳酸聚半胱氨酸( p l l a p l c ) ，并利用 巯基，将乳糖分子引入到聚合物的亲水段，得到了含糖聚合物 p l l a p l c l a c t o s e ，通过核磁共振( 1 hn m r ) 、红外光谱( f t i r ) 等手段对聚 合物结构进行了表征。接触角实验证明了接枝乳糖后材料的亲水性得到了改善； 体外细胞培养证明了聚合物具有良好的生物相容性；激光共聚焦显微镜( c l s m ) 和表面等离子体共振( s p r ) 技术证明了合成的含乳糖材料对蓖麻凝集素( r c a ) 具有特异性识别和结合的作用。纳米自组装技术制备了胶束，通过场发射扫描电 子显微镜( e s e m ) 、动态光散射( d l s ) 、荧光光谱等方法测定了含糖聚合物 胶束的表面形貌、粒径大小及分布、临界胶束浓度等各项性质。 2 合成了带有叠氮基的乳糖和带有叁键的双亲性高分子p e g p m p c p l a ， 并通过“c l i c k ”反应将乳糖引入到聚合物的疏水段，得到含糖聚合物 p e g p m p c l a c t o s e p l a ，体外细胞培养技术证明了材料良好的生物相容性；合成 含羟基的双嵌段共聚物p e g p ( l a d h p ) ，通过羟基将抗癌药物引入到聚合物的 疏水段，得到键合药物高分子p e g p ( l a d h p d o x ) 。通过纳米自组装技术，将 两种聚合物分子按一定比例混合，制备了含糖载药混合纳米胶束，通过e s e m 、 d l s 等方法测定了含糖聚合物胶束的表面形貌、粒径大小及分布等；激光共聚 焦显微镜观察了肝癌细胞对含糖胶束的特异性吞噬，证明了乳糖受体介导的内吞 作用；m t t 法考察了该靶向键合药物胶束的细胞毒性。 3 合成了氨基化的双嵌段共聚物n h 2 p e g p l l a ，并通过氨基将乳糖引入 到聚合物的亲水端，考察了该含糖材料与蓖麻凝集素特异性结合的作用；通过聚 合物p e g p ( l a d h p ) 的羟基引入了荧光标记物模式药物罗丹明b ；考察了两种 材料的生物相容性；将两种聚合物材料按照一定的比例混合，制备了多功能混合 纳米胶束，通过e s e m 、d l s 、荧光光谱等方法测定了含糖聚合物胶束的表面形 貌、粒径大小及分布、临界胶束浓度等；通过激光共聚焦显微镜及流式细胞术分 别考察了肝癌细胞对含糖胶束的特异性吞噬作用；通过尾静脉注射的方式将胶束 溶液分布n d , 鼠体内，给药不同时间后将小鼠处死，利用c r i 活体成像系统和 激光共聚焦显微镜等手段考察了含糖胶束在体内的分布情况( 包括小鼠的离体器 官、冰冻组织切片、组织匀浆液) ，结果表明该多功能混合胶束体系具有显著的 肝靶向效应。 4 应用上述2 、3 中含糖材料与键合药物高分子p e g p ( l a d h p d o x ) f 1 i 备 了混合胶束，考察了载药胶束小鼠体内抗肿瘤活性，包括给药后瘤径( 瘤体积) 的变化、体重的变化等。 关键词：聚乳酸；乳糖；肝靶向；高分子键合药物；混合胶束 i i a b s t r a c t a st h ee n e r g yc a r r i e ra n di m p o r t a n tb i o l o g i c a li n f o r m a t i o nm o l e c u l e s ，s u g a r p l a y sac r u c i a lr o l ei nm a n yi m p o r t a n tp h y s i o l o g i c a lp r o c e s s e s ，a n da l s oc o n t r o l st h e t r a n s m i s s i o no fb i o l o g i c a li n f o r m a t i o nt h r o u g ht h e i rs p e c i f i cr e c o g n i t i o n 、斫t 1 1t h e p r o t e i n i th a sb e e nf o u n dt h a tt h el a c t o s e ( g a l a c t o s e ) h a ss p e c i f i cr e c o g n i t i o na n d b i n d i n gc h a r a c t e r i s t i c 、) l ，i t hl a c t o s e ( g a l a c t o s e ) r e c e p t o rt h a te x i s t so nt h es u r f a c eo f m a m m a l i a nl i v e rc e l l s b yv i r t u eo ft h i sp r o p e r t y ，d r u gd e l i v e r yc a r r i e r sc o n t a i n i n g l a c t o s e ( g a l a c t o s e ) t oa c h i e v ea c t i v et a r g e t i n gh a v er e c e i v e dm o r ea n dm o r e a t t e n t i o n a l i p h a t i cp o l y e s t e r ( s u c h a s p o l y l a c t i d e ) ，o n e o ft h em o s t i m p o r t a n t b i o d e g r a d a b l em a t e r i a l si nb i o m e d i c a la p p l i c a t i o n ，h a sb e e nw i d e l yu s e di nc a r r i e r si n d r u gd e l i v e r y ，s u t u r e sa n dt e m p o r a r ym a t r i x e so rs c a f f o l d si nt i s s u ee n g i n e e r i n g d u e t 0i t sb i o d e g r a d a b i l i t y ，g o o db i o c o m p a t i b i l i t y ，h i g hm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n d e x c e l l e n ts h a p i n ga n dm o l d i n gp r o p e r t i e s h o w e v e r , t h ef o l l o w i n gf a c t o r sl i m i ti t s a p p l i c a t i o n s ：11t h e i rl a c ko fa d e q u a t ei n t e r a c t i o n sw i t hc e l l s ，l e a d i n gt ou n e x p e c t e d f o r e i g nb o d yr e a c t i o n si nv i v o ；2 ) t h ed i f f i c u l t yi nt h e i rm o d i f i c a t i o nb e c a u s et h e yd o n o tc o n t a i na n yr e a c t i v eg r o u p s ；3 ) t h e i rl o wh y d r o p h i l i c i t y i nt h i st h e s i s ，w ea t t e m p t t oi m p r o v et h eh y d r o p h i l i c i t ya n db i o c o m p a t i b i l i t yo fp o l y l a c t i d eb yi n t r o d u c i n g p o l y ( e t h y l e n eg l y c 0 1 ) ，am o l e c u l et h a t i sh y d r o p h i l i c ，n o n t o x i c ，b i o c o m p a t i b l ea n d n o n i m m u n o g e n i c b yi n t r o d u c i n ga l i p h a t i cc a r b o n a t em o n o m e r s ，t h eb i o c o m p a t i b i l i t y ， p h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t i e sa n db i o d e g r a d a b i l i t yc a nb ea d j u s t e d w h a t sm o r e ，诹t l l t h i sm e t h o dm a n yk i n d so fr e a c t i v eg r o u p sc a nb ei n t r o d u c e di n t ot h ep o l y m e rf o r f u t h e rc o n j u g a t i o n 、 ，i n ld r u ga n ds u g a rm o l e c u l e s t a r g e t e dn a n o - m i c e l l e sw e r e p r e p a r e db ys e l f - a s s e m b l i n gt h e s ea m p h i p h i l i cp o l y m e r s t h e i ra p p l i c a t i o n sw e r e i n v e s t i g a t e d d e t a i l e ds t u d i e sa r ea sf o l l o w s ： 1 an o v e lb l o c kc o p o l y m e rp l l a p l cc a r r y i n gp e n d a n tt h i o lg r o u p sw a s d e s i g n e da n ds y n t h e s i z e d t h el a c t o s em o l e c u l e sw e r ei n t r o d u c e di n t ot h eh y d r o p h i l i c s e g m e n t ( p l c ) o ft h ep o l y m e r ，o b t a i n i n gp l l a - p l c l a c t o s e t h ep o l y m e r sw e r e c h a r a c t e r i z e db y1 hn m ra n df t - i r c o n t a c ta n g l er e s u l t sp r o v e dt h ei m p r o v e d h y d r o p h i l i c i t yb y l a c t o s e g r a f t i n g ；i n v i t r oc e l lc u l t u r ev e r i f i e dt h e i r g o o d b i o c o m p a t i b i l i t y ；l a s e rs c a n n i n gc o n f o c a lm i c r o s c o p e ( c l s m ) a n ds u r f a c ep l a s m o n r e s o n a n c e ( s p r ) t e c h n o l o g yd e m o n s t r a t e ds p e c i f i cr e c o g n i t i o na n db i n d i n ge f f e c t b e t w e e nl a c t o s e c o n t a i n i n gp o l y m e ra n df i c i na g g l u t i n i n ( r c a ) e n v i r o n m e n t a l i i i s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( e s e m ) ，d y n a m i cl i g h ts c a t t e r i n g ( d l s ) ，a n d f l u o r e s c e n c es p e c t r o s c o p yw e r eu s e dt oc h a r a c t e r i z et h em o r p h o l o g y ，p a r t i c l es i z ea n d d i s t r i b u t i o n , c r i t i c a lm i c e l l ec o n c e n t r a t i o no ft h es u g a r - c o n t a i n i n gp o l y m e rm i c e l l e s ， r e s p e c t i v e l y 2 l a c t o s ew a sa z i d i z e da n da l k y n y lc o n t a i n i n ga m p h i p h i l i cb l o c kc o p o l y m e r p e g p m p c p l aw a sp r e p a r e d t h e nl a c t o s ew a si n t r o d u c e di n t ot h eh y d r o p h o b i c s e g m e n to fp e g - p m p c p l av i ac u o ) c a t a l y z e da l k y n y l a z i d ec y c l o a d d i t i o nr e a c t i o n ( c l i c kc h e m i s t r y ) i nv i t r oc e l lc u l t u r ev e r i f i e dt h e i rg o o db i o c o m p a t i b i l i t y h y d r o x y l c a r r y i n gc o p o l y m e rp e g - b - p ( l a - c o d h p ) w a ss y n t h e s i z e d t h ea n t i c a n c e rd r u g d o x o r u b i c i nw a s c o n j u g a t e d t ot h e p ( l a - c o - d h p ) s e g m e n t ,o b t a i n i n g p e g - p ( l a d h p d o x ) m u t i f u n c t i o n a lm i c e l l e sw e r ep r e p a r e db yc o - a s s e m b l i n g m e t h o d e s e m ，d l sc h a r a c t e r i z e dt h em o r p h o l o g y ，p a r t i c l es i z ea n dd i s t r i b u t i o no f t h en a n o - r n i c e l l e s l a s e rc o n f o c a lm i c r o s c o p ec o n f i r m e dl a c t o s er e c e p t o r - m e d i a t e d e n d o c y t o s i s m t tm e t h o di n d i c a t e dt h ec y t o t o x i c i t yo fd o x c o n j u g a t e dm i c e l l e s 3 o nt h eo n eh a n d ，b l o c kc o p o l y m e r s 丽ml a c t o s ec o n j u g a t e da tt h es e g m e n t p e g ，l a c t o s e p e g - p l l a ，w a sp r e p a r e d i t ss p e c i f i cb i n d i n ge f f e c tw i mr c aw a s d e m o n s t r a t e d o nt h eo t h e rh a n dr h o d a m i n ebl a b e l e db l o c kc o p o l y m e rw a s s y n t h e s i z e d m u t i f u n c t i o n a l i z e dm i c e l l e sw e r ep r e p a r e db yc o a s s e m b l i n gt h et w o c o p o l y m e r s e s e m ，d l s a n df l u o r e s c e n c e s p e c t r o s c o p y c h a r a c t e r i z e dt h e m o r p h o l o g y ，p a r t i c l es i z ea n dd i s t r i b u t i o no ft h en a n o - m i c e l l e s l a s e rc o n f o c a l m i c r o s c o p ec o n f i r m e dl a c t o s er e c e p t o r - m e d i a t e de n d o c y t o s i s t h em i c e l l e sw e r e i n j e c t e di n t om i c ev i at a i lv e i ni n j e c t i o n a ts p e c i f i ct i m ei n t e r v a l s ，t h em i c ew e r e s a c r i f i c e da n dt h ei nv i v od i s t r i b u t i o no ft h em i c e l l e ss o l u t i o nw a si n v e s t i g a t e db y c r ii nv i v oi m a g i n gs y s t e m sa n dl a s e rs c a n n i n gc o n _ f o c a lm i c r o s c o p e t h er e s u l t s s h o w e do b v i o u sl i v e rt a r g e t i n ge f f e c t 4 t h ei nv i v oa n t i - t u m o ra c t i v i t yo fl a c t o s et a r g e t i n g ，d r u gc o n j u g a t e dm i c e l l e s p e g p ( l a - d h p d o x ) w a si n v e s t i g a t e d ，i n c l u d i n gt u m o rd i a m e t e r ，b o d yw e i g h t c h a n g ea n dl i f ec y c l ev a r i a t i o na f t e rd r u ga d m i n i s t r a t i o n k e yw o r d s ：p o l y ( l l a c t i d e ) ；l a c t o s e ；l i v e rt a r g e t ；p o l y m e rc o n j u g a t ed r u g s ；m i x e d m i c e l l e s i v 英文缩写 中文名 e s e m 1 hn m r r c a p l a n c a p e g r e m e p r d 1 v r f i t c m t t s p r 伽c d l s c l s i 肝c 场发射扫描电镜 核磁共振氢谱 蓖麻凝集素 聚乳酸 氨基酸n 一羧酸酐 聚乙二醇 受体介导的胞吞作用 透过性增强与滞留 二硫苏糖醇 异硫氰酸荧光素 噻唑兰 表面等离子体共振 临界胶束浓度 动态光散射 激光共聚焦显微镜 三键环状碳酸酯单体 v 目录 摘要i a b s t r a c t 1 l i 中英文对照及英文缩写词表v 目录v i 第一章文献综述1 1 1 生物可降解高分子概述1 1 1 1 脂肪族聚酯2 1 1 2 聚氨基酸类聚合物6 1 2 乳酸类聚合物在生物医用材料领域的应用1 1 1 2 1 组织工程支架材料。1 l 1 2 2 外科手术、骨科、牙科、眼科植入材料1 2 1 2 3 生物医用纳米材料1 3 1 3 脂肪族聚酯的功能化与智能化1 4 1 3 1 脂肪族聚酯功能化、智能化必要性1 4 1 3 2 功能化与智能化的方法1 5 1 3 3 脂肪族聚酯的智能化2 7 参考文献3 6 第二章亲水段含有乳糖的聚乳酸一聚半胱氨酸的合成与表征5 0 2 1 前言5 0 2 2 实验部分5 2 2 2 1 试剂与测试5 2 2 2 2 苄氧羰基l 半胱氨酸n c a 单体的合成( 参照本组孙静博士论文) 5 3 2 2 3 聚乳酸聚半胱氨酸的合成( p l a p l c ) 5 4 2 2 4 巯基乳糖糖苷的合成5 5 2 2 5 含有乳糖的聚乳酸聚半胱氨酸共聚物的合成5 7 2 2 6 接触角实验。5 7 2 2 7 蓖麻凝集素特异性识别实验。5 8 2 2 8 材料生物相容性的评价5 9 2 2 9 胶束的制备5 9 2 2 1 0 胶束中芘的荧光光谱5 9 2 2 1 1 胶束的形貌及粒径的表征6 0 2 3 结果与讨论6 0 2 3 1 含糖的聚乳酸聚半胱氨酸的合成与表征6 0 2 3 2 聚合物p l l a p l c l a c t o s e 的亲水性实验6 3 2 3 3 蓖麻凝集素特异性识别实验6 3 2 3 4 材料生物相容性的评价6 6 2 3 5 胶束的制备与表征6 7 2 4 本章结论6 9 参考文献7 0 第三章 c l i c k 反应制备疏水段含有乳糖的三嵌段共聚物7 3 3 1 前言7 3 3 2 实验部分7 7 3 2 1 试剂与测试7 7 3 2 25 甲基5 炔丙基氧羰基1 ，3 二氧六环2 一酮( m p c ) 的合成7 9 3 2 3 带有碳碳叁键侧基的共聚物p e g p m p c p l a 的制备7 9 3 2 4 叠氮乙氧基乳糖糖苷的合成8 0 3 2 5 “c l i c k ”反应制备含乳糖的三嵌段共聚物一8 1 3 2 6 载药共聚物p e g b p ( l a c o d h p d o x ) 的合成8 2 3 2 7 胶束的制备8 3 3 2 8 胶束的表征8 4 3 2 9 蓖麻凝集素与乳糖分子的特异性结合8 4 3 2 1 0 细胞实验8 4 3 3 结果与讨论8 5 3 - 3 1 含糖共聚物p e g ( l a c o m p c l a c t o s e ) 的合成8 5 3 3 2 聚合物键合药的合成与表征8 8 3 - 3 3 胶束的表征9 0 3 3 4 蓖麻凝集素特异性结合实验9 l 3 3 5 细胞水平实验9 2 3 4 本章结论9 6 参考文献9 7 第四章亲水段含有乳糖的双嵌段共聚物的合成及其肝主动靶向性研究。1 0 0 4 ，1 前言1 0 0 4 2 实验部分10 3 4 2 1 试剂与测试10 3 4 2 2 含糖材料l a c p e g b p l a 的合成10 4 4 2 3 键合荧光标记物抗癌药物的嵌段共聚物的合成1 0 6 v i i 4 2 4 含糖材料与蓖麻凝集素特异识别和结合作用1 0 7 4 2 5 材料的生物相容性评价1 0 7 4 2 6 胶束的制备与表征1 0 8 4 2 7 含糖胶束的体外吞噬1 0 8 4 2 8 含糖胶束体内靶向性考察1 0 9 4 2 9 体内抗肿瘤活性研究1 11 4 3 结果与讨论1 1 2 4 3 2 聚合物p e g b p ( l a c o d h p r h b ) 的合成1 1 3 4 3 3 含糖材料与蓖麻凝集素特异识别和结合作用11 4 4 3 4 材料的生物相容性评价11 5 4 3 5 胶束的制备与表征1 1 5 4 3 6 含糖胶束的体外吞噬1 2 2 4 3 7 含糖胶束体内靶向性考察1 2 4 4 3 8 含糖载药胶束的体内抑瘤效果考察t 2 9 4 4 本章结论1 31 参考文献13 3 致谢13 6 在读期间公开发表的论文1 3 8 v i i i 第一章文献综述弟一早义陬综怂 1 1 生物可降解高分子概述 按照美国a s t m 的定义，生物降解高分子，亦可称之为“绿色生态高分子 材料”，是指在自然环境中，在微生物( 细菌、真菌等) 的作用下，或在人体或 动物体内的组织、细胞、酶及体液等的作用下，其化学结构发生变化，导致分子 量下降并最终分解成小分子的高分子化合物i l 】。从绿色化学的观点出发，一般认 为这些材料降解时不会产生对环境有害的产物，而且生成的小分子可以最终代谢 成水和二氧化碳等。从这种角度来讲以前说的不完全生物降解材料被排除在外， 因为这种材料中的可降解部分降解以后，剩下的聚合物不能被完全降解掉，反而 引起更严重的污染。 从来源上看，目前所研究开发的生物降解高分子主要分为三类：天然高分子 ( 淀粉、蛋白质、壳聚糖、纤维素等) ；微生物合成的聚酯( 聚羟基丁酸酯、聚羟 基戊酸及其衍生物) 以及化学合成的高分子( 脂肪族聚酯、聚氨基酸、聚碳酸酯、 聚原酸酯、聚酸酐、聚醚、聚氨酯及其衍生物、聚乙烯醇等) ，如表1 1 所示。 表1 1 生物可降解高分子的分类 化学方法合成高分子比天然和微生物合成高分子相对拥有更好的力学性能， 并且还可以从分子角度来设计分子链的结构，可大范围地控制材料的各种性能， 提高其应用的广泛性。下面将主要介绍脂肪族聚酯、聚氨基酸、碳酸酯以及它们 的共聚物，其他种类的高分子材料在本文中涉及较少，因此不作详细介绍。 东北师范大学博士学位论文 1 1 1 脂肪族聚酯 脂肪族聚酯是最为重要的一类可降解高分子材料，它们在有水存在的环境或 体液中，可以通过简单的酯键水解或酶促降解而断链，生成羟基脂肪酸，进而通 过参与体内的三羧酸循环而进一步降解为无毒的c 0 2 和h 2 0 ，排出体外。目前已 被美i 虱f d a 批准的有聚丙交酯( p l a ) 、聚乙交酯( p g a ) 、聚己内酯( p c l ) 以及 它们之间的共聚物等，都是公认的优良的可生物降解高分子材料【2 7 l 。利用其在 体内可降解吸收的特点，应用于外科修复和药物缓释系统等0 1 。另外，脂肪族 聚碳酸酯因其低毒、可生物降解、生物相容性好，易引入功能基团等优点，其合 成、聚合及与传统脂肪族聚酯的共聚在近年来得到了很多的研究。而各种材料也 表现出了不同的物理、力学和降解性能( 表1 2 ) 。 表1 2 几种脂肪族聚酯的热学、机械和降解性能 1 1 1 1 聚乳酸( p l a ) 聚乳酸( p l a ) 是一种具有优良的生物相容性和可生物降解性的合成高分子 材料。p l a 这种线形热塑性生物可降解脂肪族聚酯是以玉米、小麦、木薯等植物 中提取的淀粉为最初原料，经过酶分解得到葡萄糖，再经过乳酸菌发酵后变成乳 酸，最后经过化学合成得到高分子量聚乳酸( 图1 1 ) 。聚乳酸制品废弃后在土壤或 水中，会在微生物、水、酸和碱的作用下彻底分解成c 0 2 和h 2 0 ，随后通过光合 作用，又成为淀粉的起始原料，因而不会对环境产生污染，是一种可完全自然循 环型的生物降解材料。 2 圈臼圈b 四 图1 1 聚乳酸的合成及其应用 聚乳酸是一种直链型脂肪族聚酯，可以通过乳酸的直接缩聚或乳酸环化二聚 体( 丙交酯) 开环聚合制备。直接缩聚法生产工艺简单，但难于进一步提高分子 量，且分子量分布较宽，其性能难以满足实用要求。目前p l a 及其共聚物的制备 通常采用开环聚合的方法，即先用乳酸合成丙交酯( l a ) ，再在辛酸亚锡、醇类 引发体系作用下通过开环聚合制备高分子量的聚丙交酯，反应机理如图1 2 j 。 o c h 3 c 。 c 一，5 j l o s n 毪c 7 h 1 5 0 c h ， 融 v 矗一 c 心o 一 y c 吨h 警w 贸 c 7 h ，s a 伊晶毪c 7 h l s 卜 o c 心 c 0 ；3 转汀0 熏。 c 7 h 1 毒档销曩 图1 2 辛酸亚锡开环聚合机理 弋一 东北师范大学博士学位论文 以开环聚合制备p l a 的方法由于制备工艺、生产成本的限制，在降解塑料领 域起步较晚，应用范围主要局限在医用等特殊领域。近年来，环保的要求使人们 对p l a 的生物降解性引起重新重视，开始了将其作为通用非降解型塑料的替代产 品的探索开发。虽然p l a 在目前的价格还是比较高，但随着大量的研究力量和财 力的投入，p l a 将会拥有非常广阔的市场前景。目前，中科院长春应用化学研究 所对p l a 的产业化生产进行了大量的研究工作，已经成功的探索出一条由l 一乳 酸到丙交酯再到聚丙交酯的低成本合成路线，为国内进行拥有自主知识产权的大 规模聚乳酸生产奠定了坚实的基础。 我们知道，乳酸是动、植物体内及自然界中常见的由乳酸杆菌产生的一种碳 水化合物，也是生物体中常见的天然化合物。早在1 7 8 0 年就有关于分离出乳酸和 对其自聚反应进行研究的报道。1 9 3 2 年c a r o t h e r s 等用缩合反应得到了丙交酯( 乳 酸的二聚体) ，并对其开环聚合反应进行了研究【1 2 】。但是由于得到的聚乳酸在 潮湿的环境中容易降解而失去强度，被认为没有什么应用价值。直到2 0 世纪6 0 年代，k u l k a m i 等把这一特殊的性质用于医学领域【j 3 】，人们才开始对聚乳酸进行 大量的研究。目前，聚乳酸已经成为生物降解高分子领域最重要的材料之一。 乳酸作为最小的手性分子之一，可以分为l ( + ) 和d ( ) 两种旋光异构体，因此 相对应地，丙交酯也分为l ，l - 丙交酯、d ，d 丙交酯、d ，l 丙交酯( 内消旋) 以及前 两个异构体的等量混合外消旋的r a c 丙交酯等形式。图1 3 给出了的是乳酸和 丙交酯的旋光异构示意图。聚乳酸的构型不同会影响到聚合物的机械、物理和降 解性能，如：聚左旋丙交酯( p l l a ) 由于不对称碳链为规整构型，可形成半结晶 聚合物，熔点在1 7 5 1 7 8 之间，具有优良的力学强度并且降解吸收时间很长 ( 一般为3 - - 3 5 年) ，适用于制作骨固定装置：与此相反，聚外消旋丙交酯( p d l l a ) 分子中的不对称碳链为非规整结构，是无定形聚合物，t g 为6 0 c ，降解和吸收 速度较快，一般为3 6 个月，该性质有利于药物均匀分布在基质中，非常适用于 药物控制释放系统。 4 ( m e = ；：o - l a c t i d e ) r 2 ，：c i - 1 3 图1 3 乳酸和丙交酯的旋光异构体示意图 1 1 1 2 聚碳酸酯( p c ) 聚碳酸酯是一类主链中含有碳酸酯键的高分子化合物的总称，其一般结构式 可表示如下： o ri i1 十r o c o 斗- 。 jn 根据r 基团的不同，可以将聚碳酸脂分为脂肪族、脂肪芳香及芳香族聚碳酸 酯等。其中芳香族聚碳酸酯因其优异的综合性能列为五大工程塑料之一而被广泛 应用；而脂肪族聚碳酸酯由于可在有水的条件下或在生物体内降解f 1 4 1 6 】，最终分 解为二氧化碳和水，可作为降解材料使用，而且具有低毒、生物相容性好等优点， 可被广泛的应用在手术材料、骨骼固定装置及药物载体等生物医学诸多领域。脂 肪族聚碳酸酯合成方法主要有以下几种：1 ) 脂肪族二醇和碳酰氯反应；2 ) 用金 属有机催化剂聚合环氧化物和二氧化碳【1 7 】；3 ) 开环聚合环状碳酸酯单体【1 8 】；4 ) 脂肪族二醇和碳酸二烷酯反应【19 】；5 ) 二醇和二氧化碳或碱金属碳酸盐直接缩聚 2 0 - 2 2 。其中2 ) 和3 ) 是最常用的方法。由于可以利用来源非常广泛和便宜的二氧 化碳，方法2 ) 特别引人注意。有不少用环氧乙烷、环氧丙烷、环氧氯丙烷合成 高分子量聚碳酸酯的报道 2 3 _ 4 1 。方法3 ) 是用五或六元环的碳酸酯单体进行开环 聚合反应，图1 4 y 0 出了两种典型的五或六元环的碳酸酯单体及其聚合物，以及 常见的两个有取代基的碳酸酯单体。其中由三亚甲基碳酸酯( t m c ) 得到的p t m c 最为常见，这是一种具有低的抗张强度的非晶性聚合物，t g 为一1 8 c ；而两个甲 基取代以后的聚合物p d t c ，t g 升高到2 7 ，而且有结晶性，t m = 1 0 8 。c a r o t h e r s 等3 0 年代首先报道t m c 的合成和聚合【2 5 】。一般t m c 是通过1 ，3 丙二醇和氯甲酸乙 酯反应得到的【2 们。p t m c 的降解速率比较慢，用p h 7 4 的缓冲溶液水解3 0 周后， 质量损失和分子量损失和分别只有9 和7 ，而在体内降解要快一些：文献报道 将p t m c 植入到老鼠体内2 8 周后，质量损失达到2 l ，分子量降低t 5 5 t 2 7 】。 东北师范大学博士学位论文 图1 4 环状碳酸酯单体和它们的聚合物 将t m c 单体与其它单体共聚得到的聚合产物的降解速率明显高于p t m c ，而 且可以弥补p 刑c 力学性能上的不足。b u c h h o l z 2 8 】研究了t m c 单体与d l 丙交酯 ( d l l a ) 无规共聚，随着共聚物中d l l a 含量的增加，聚合物的体外降解速度 明显加快。另外，聚合物链中适量的d l l a ，可使产物的强度和延伸率同时增加。 s c h a p p a c h e r 等1 2 9 j 和a l b e n s s o n 等1 3 0 】研究了己内酯单体和t m c 单体的共聚，所得 到的共聚产物的降解性有一定的增强。由于聚合物具有良好的生物相容性以及低 毒和渗透性，可以通过调整二者在共聚物中的组分比，得到既柔软又有一定强度 的聚合产物，并且应用于神经导管的制备【3 l 3 2 1 。s h i r a h a m a 等人【3 3 】研究了t m c 与 己内酯和6 戊内酯制