（生物医学工程专业论文）聚（乳酸天冬氨酸）生物降解材料的合成、表征及性能研究.pdf

华南理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t p l ai su s e df o rc l i n i c a la p p l i c a t i o np e r m i t t e db ya m e r i c a lf d aa so n eo ft h e f i r s t d e g r a d a b l e a n da b s o r b a b l em a t e r i a l s i t st h e d e g r a d a t i o na n da b s o r b a b l eb i o m a t e r i a l st h a ti sr e s e a r c h e da n da p p l i e dw i d e l y b u tt h e r ea r es o m ep r o b l e m sw i t hi t b yl o n g t i m e so b s e r v a t i o na n dr e s e a r c h t h e s ep r o b l e m sr e s t r i c tp l a sl a r g e s c a l e a p p l i c a t i o n t h e s ep r o b l e m sa r et h ef o l l o w i n g ：o n ei s t h a tp l ai s h y d r o p h o b i c i t y m a c r o m o l e c u l e ，s ot h a tc e l l si sh i n d r a n c e dw h e nt h e ya r ep r o p a g a t i n gl a r g e l y t h e s e c o n di st h a tt h e r ea r e n tm o l e c u l et h a tc a nb ei d e n t i f i e di nt h es t r u c t u r e ，s ot h a tp l a c a n tr e a l i z es p e c i f i ca d s o r p t i o nt oc e l l sa n dc a n te x p l o i ti t sp a r t i c u l a ra d v a n t a g e si n t i s s u ee n g i n e e r i n g t h ep a p e rr e p r e s e n th o wt op r e p a r em o d i f i e dp l a w eb e g i nw i t hm a t e r i a l so f l l a c t i ca c i da n d 一a s p a r t i ca c i d t h e ni n t r o d u c ea s p a r t i ca c i di n t op l af l a m eb ya s e r i e so fs y n t h e s i sr e a c t i o n a tl a s t ，w eg e tp o l y ( 1 a c t i ca c i d c o - a s p a r t i ca c i d ) d u r i n g t h ec o u r s eo fr e s e a r c h ，w ea l s os e a r c ht h em e c h a n i c sa n d t h e r m o d y n a m i c sp r i n c i p l eo f t h ek e yr e a c t i o n s i tw i l lp r o v i d et h et h e o r yb a s i sf o rp r e p a r a t i o no fm o d i f i e dp l a w er e s e a r c ht h em o d i f i e d c o p o l y m e r i z a t i o nr e a c t i o nb yc h a n g i n gt h ep r o p o r t i o n o f f e e d i n ga n dm e a s u r i n gt h ec o m p o s i t i o no fc o p o l y m e r w e c a l c u l a t er e a c t i v i t yr a t i o w h e nm o r p h o l i n e 一2 ，5 一d i o n ea n dl a c t i d eh a v ec o p o l y m e r i z e dr e a c t i o n ，a n dd e d u c et h e c o m p o s i t i o ne q u a t i o n o f c o p o l y m e r r e a c t i o n ，a n d p l o tc o m p o s i t i o n c u r v eo f c o p o l y m e r t h e s ep r o v i d et h e o r yb a s i sf o rp r e p a r i n gd i f f e r e n tc o m p o n e n tp o l y ( 1 a c t i c a c i d c o a s p a r t i ca c i d ) s ot h a tw e c a np r e p a r eas e r i e so fm e d i c a l m a t e r i a l st h a to w n d i f f e r e n td e g r a d a t i o nv e l o c i t ya n dh y d r o p h i l i c i t y b yo b s e r v i n gw e i g h t l o s si n p h o s p h o r i c a c i d b u f f e rs o l u t i o na n dm o i s t u r e a b s o r p t i o ni na i ro fm o d i f i e dp l a a n dp l a w es t u d yt h ed i f f e r e n c eo fm o d i f i e dp l a a n dp l aa td e g r a d a t i o na n dh y d r o p h i l i c i t y w ef i n dt h a tm o d i f i e dp l a sd e g r a d a t i o n r a t i oi s h i g h e rt h a np l a a tt h es a m ec o n d i t i o n a n dt h ei n c r e a s er a t i oa r r i v ea t 1 3 6 4 a n da tt h es a m ec o n d i t o n ，m o d i f i e dp l a sm o i s t u r ea b s o r p t i o nr a t i oi s h i g h e rt h a np l ad i s t i n c t l y t h eb a l a n c em o i s t u r ea b s o r p t i o nr a t i oi s a l s oh i g h e rt h a n p l a t h ei n c r e a s er a t i o na r r i v ea t1 5 1 8 5 t h e s ei n d i c a t et h ei n t r o d u c eo fa s p a r t i c a c i de n h a n c et h em a t e r i a l s h y d r o p h i l i c i t y p o l y ( 1 a c t i ca c i d c o - a s p a r t i ca c i d ) s t i l lt a k e t h ef u n c t i o n a lg r o u pt h a tc a nr e a c t c o n t i n u o u s l y 。f o re x a m p l e ，t h e c a r b o x y lp r o t e c t e db yb e n z y l a l c o h o lw i l lb e d e a c i d i z e di n t oc a r b o x y lb yr e a c t i o no fc a t a l y t i ch y d r o g e n a t i o n s ow ec a ng e to u r a b s t r a c t a n t i c i p a n t f u n c t i o ne f f e c t b y c h e m i c a lm e t h o d s f a r t h e r l y ，o r w ec a n p r o c e e d c o m p o u n dr e a c t i o nw i t hb a s i sm a t e r i a lw i t hh y d r o x y lo ns u r f a c e b yt h e s em e t h o d s ， w ec a n p r e p a r ec o m p o s i t e m a t e r i a lw i t hb e t t e r h y d r o p h i l i c i t y a n d b i o l o g i c i n f o r m a t i o n k e y w o r d s ：p o l y ( 1 a c t i ca c i d - c o a s p a r t i ca c i d ) ；o u t b o d yd e g r a d a t i o n ：h y g r o s c o p i c p r o p e r t y ：r e a c t i v i t yr a t i o ：c o m p o s i t i o ne q u a t i o n i i l 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：碡酶 日期：瑚年6 月1 1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校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，允许论文 被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本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、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密圈。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：缸j i l j i i i 啷 导师签名：劲 日期： 考h 乞日期： 栅牛年6 月1 1 日 抽# 年6 月1 日 一一 翌= 童笙笙 第一章绪论 1 1 聚乳酸的基本性能 聚乳酸( p o l y l a c t i ca c i d ，简称p l a ) 是最典型的合成可降解聚合物，也是 结构最简单的线形聚羟基脂肪酸酯。它的分子结构通式为f o c h ( r ) c o n ，式中r 为c h 3 基团。p l a 由丙交酯开环聚合制取，降解后生成乳酸。常用的聚合方法 是本体熔融聚合，即用有机金属化合物如辛酸亚锡、氯化锌等为催化剂，在 1 4 0 0 c 1 7 0 0 c 下聚合。由于乳酸是体内三羧酸循环的中间产物，且吸收和代谢机 理已经明确并具有可靠的生物安全性，因而聚乳酸作为第一批可降解吸收材料被 美国f d a 批准用于临床，是迄今研究最广泛、应用最多的可降解生物材料。 p l a 分子中有一个不对称的碳原子，因此有两种光学异构体，可形成四种不 同构性的聚合物：两种立体规整性构型，右旋聚乳酸和左旋聚乳酸( d 构型和l 构型) ，可表示为d p l a 和l p l a ；一种外消旋构型的聚乳酸表示为d l p l a ； 第四种是内消旋构型，在实际中很少使用 1 1 。各种类型聚乳酸的基本性能如表卜1 。 由于l p l a 分子中的不对称碳链为规整构型，因而形成半结晶聚合物，熔点约为 1 8 5 0 c ，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) ，适用于承载的 装茕，是制作内植骨固定装置的理想材料。与此相反，d l p l a 分子中的不对称碳链为 非规整结构，是无定性聚合物，t g 约为6 5 0 c ，降解和吸收速度较快，般为3 6 个月。 这种聚乳酸有利于药物均匀分布在基质中，因此非常适合用于药物控释系统，主要作药 物控释的载体和软组织修复材料。 基本性能指标 p d l ap - l l ap ( d l ) l a 均可溶于二恶烷，乙腈，氯仿，二氯甲烷等，内消旋 溶解性 聚乳酸的溶解性最好；均不溶于脂肪烃。乙醇等溶剂。 固体结构结晶性半结晶性无定性 熔点( 。c ) 1 8 01 7 0 - 1 9 0 玻璃化温度 5 65 0 6 0 热分解温度 2 0 02 0 01 8 5 - 2 0 0 拉伸率 2 0 3 0 2 0 - 3 0 断裂强度 4 o 一5 05 0 6 0 水解性( 在3 7 。c 生 理盐水浸泡强度减4 - 6 个月 4 - 6 个月2 3 个月 半的时间) 衰卜l 聚乳酸的基本性能指标表 f i g 1 - 1t h e p e r f o r m a n c ep a r a m e t e ro fs e r i e sp l a 华南理工大学硕士学位论文 同别的聚合物一样，聚乳酸的性能强烈依赖于热历史、分子量和分布以及纯 度等。因制备方法的不同，要严格控制这些参数是困难的，这就是不同文献中存 在性能参数矛盾的原因。 聚乳酸一个重要特性就是可降解性，本体侵蚀机理被认为是p l a 和p l g a 降 解的主要方式，聚合物链上酯键的水解是其根本原因“，。研究还表明，p l a 类聚合 物中的的端羧基( 由聚合引入及降解产生) 对其水解起催化作用。随着降解的进 行，端羧基量增加，降解也加快，这就是所谓的自催化现象。对于尺寸、厚度较 大的p l a 制品，其降解存在明显的不均匀性，例如，内部降解快于表面降解，这 被归于具端羧基的降解产物滞留于样品内”1 。总之，自催化效应可以解释该类聚 合物降解过程中诸多现象：降解速度对样品尺寸的依赖性；非无规断链；以及降 解诱导材料的形态变化。但是，不论降解时间长短( 从4 周到多年受多种因素的 影响) ，p l a 最终降解产物都是可被活体细胞代谢的乳酸。尽管有文献称p l a 在含 酶水溶液中的降解速率发生了改变，但活体细胞或微生物通过酶作用于p l a 制品 而影响其降解的证据尚不足n ，。也就是说，p l a 的降解与机体内的酶作用无关，不 存在种属差异性，这对其作为医用材料也是很重要的。 p l a 类聚合物是热不稳定的，当温度高于1 9 0 。c 时，其分子量发生明显降低。 通过纯化( 溶解一沉淀，抽提) 和封羟基端基都可以提高其熟稳定性。 1 2 聚乳酸及其共聚物在生物医学上的应用 聚乳酸及其共聚物的应用研究范围很广，在农业领域，与乙烯、淀粉等其混 作包装材料及农用地膜，在日常领域可用来做化妆品的添加成份。但是更多的研 究集中在生物医学工程领域，如药物控制释放体系、骨内固定物、组织修复及细 胞培养和医学手术缝合线等。有的已有正式产品上市，部分正处于临床实验阶段， 大量的仍处于实验室研究阶段。 1 药物控制释放体系 1 9 7 0 年y o l l e s 等率先将p l a 作药物长效缓释制剂载体“1 。1 9 7 9 年b e c k 等推 出孕酮p l l a 缓释胶囊。近3 0 年来，聚乳酸及其共聚物被用作一些半衰期短、稳 定性差、易降解及毒副作用大的药物控制剂的可溶蚀基材，有效地拓宽了给药途 径，减少了给药次数和给药量，提高药物的生物利用度，最大程度减少药物对全 身，特别是肝、肾的毒副作用。 根据需要，可把聚合物材料制成特定的药物剂型，较简单的采用溶液成型、 热压成型等方法制备的埋植剂，如胰岛素的p l g a 双层缓释片等。此外还有薄膜、 类乳剂等多种剂型。这些剂型都强烈依赖其几何形状及药物包载量。而研究更多， 制备较为复杂但更为有效控制释放、能靶向治疗的是微粒化药物制剂，如药物均 2 第一章绪论 匀分散在聚合物基质而形成的l a m i n a t e 层状微球、微球( 1um 1 0 0um ) 、纳米 微球( o o lum 一1um ) ，药物集中在内层，外包聚合物膜的微胶囊等。通过对微 球粒径的控制，表面亲疏水性的改性，以及生物粘性药物释放体系的研究，徼球 制剂可靶向体内不同的器官和组织，使药物有效地靶向控释。 2 、骨内固定材料 众所周知，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。 但是由于应力遮拦保护易形成骨质疏松，且愈合后还要进行二次手术，给病人带 来痛苦。1 9 7 7 年，k u l k a r h i ”，首次提出用p l a 作骨折内固定。进入8 0 年代以来， p l a 类内固定材料研究活跃。b o s t m a n 等5 年内用p l a 作骨折固定材料治疗8 8 1 例不同类型的骨折病人，在治疗同时与金属板钉作比较，结果无明显差异。近年 来有三方面研究进展：( 1 ) 立体选择合成p l l a 。j e b e r g s m a 等发现p l l a 植入 体内三年，在缓慢降解的后期出现炎症和肿胀并发症，可能是p l l a 降解速度较 慢，长期存在的未降解部分产生副作用。( 2 ) 高分子量p ( d l ) l a 的合成。p ( d l ) l a 具有更好的生物相容性，但高分子量材料的获得较难而阻止其发展。近年来中 科院成都有机所邓先模等合成了分子量超过1 0 0 万的p ( d l ) l a ，可较好地满足 骨固定材料的强度要求。( 3 ) 增强技术的应用。普通的较低分子量聚乳酸的力学 性能较差，很难满足骨固定的要求。为进一步提高其力学性能，通常采用以下的 增强手段：( a ) 用p g a 纤维、p l a 纤维等增强p l a t7 ，；( b ) 采用取向膜压成型技术 提高材料的力学强度”1 ；( c ) 采用羟基磷灰石( h a ) 增强p l a “1 。羟基磷灰石由 c a ( n o 。) 。和( n h 。) ：h p o 。合成，它是骨骼的主要成分，与生物体有很好的相容性。 3 、外科缝合线 生物吸收性缝合材料最初使用的是肠线，它是羊肠粘膜或牛肠粘膜排除杂质 后得到的纯胶原纤维。该纤维初期弹性率小，平滑性优良，结节部分稳定性好。 但其兼有组成不均匀，生物反应强烈，分解速度过快，吸收不稳定等缺点。而p l g a 等合成吸收性缝合材料可弥补这些缺陷。美国c y a n a m i d 公司1 9 7 0 年将p g a 缝合 线商品化，其商品名为d e x o n t w 。该缝合线在鼠肌肉内吸收期为6 0 天。但p g a 纤 维柔性较差，作为手术缝合线会损伤人体组织，故未能广泛应用。此后，美国 e t h i c o n 公司又生产出乙交酯与l 一丙交酯共聚酯缝合线，商品名v i c r y l ( 即 p o l y g l a c t i n 9 1 0 ) 。与d e x o n 相比，v i c r y l 缝合线具有更好的柔顺性，较大的体 内强度保留率，在鼠肌肉内吸收期大约为9 0 天左右。在七十年代后期，美国 e t h i c o n 公司又开发出对二氧杂环己酮缝合线，商品名为p d s 。由于聚对二氧杂 环己酮分子链上有醚键，分子链柔顺性好，可制成各种尺寸的单丝缝合线。这种 缝合线强度大，组织反应性小，在肌肉内强度保留率大，对于缝合愈合时间较长 的伤口特别有用。p d s 缝线在鼠肌肉内完全吸收需1 8 0 天。但这种缝合线吸收期 太长，且潜在性感染的可能。八十年代中期，e t h i c o n 公司又研制了对二氧环己 3 华南理工大学硕士学位论文 酮与乙交酯嵌段共聚物缝合线，缩短了缝合线的吸收期，且增加了线的柔顺性。 4 、组织工程支架材料 组织工程学是运用工程科学与生命科学的原理和方法，研究与开发生物学替 代物来恢复、维持和改进组织功能的一门新兴学科m ，。其基本思路是：在体外分 离、培养细胞，将一定量的细胞种植到具有一定形状的三维生物材料骨架内，并 加以持续培养，最终形成具有一定结构的组织和器官并回植体内达到修复和或 重建的目的n “。 作为组织种植场所和组织再生模板的组织工程支架材料，其基本要求包括： ( 1 ) 良好的生物相容性：即支架材料及其降解产物对组织细胞无毒性和致突变 作用；植入体内无抗原性和致畸作用；( 2 ) 具有高空隙度的三维立体结构：即空 隙度达9 0 以上，从而具有很大的细胞与支架材料相互作用的表面积、细胞外基 质再生的足够空间、以及体外培养时最小的弥散限制；( 3 ) 具有良好的表面活性： 即材料表面能使细胞粘附和生长；( 4 ) 具有生物可降解性：即材料在细胞生长、 繁殖和细胞再生过程中能逐渐被降解和吸收；( 5 ) 具有可塑性和适宜的力学性能： 即宜于加工成型，能够在体内、外承受一定的压力，并在定时限内保持其外形 和结构的完整性n ”。 组织工程的研究中，生物材料与活细胞的杂化体系研究得最深入。包括( a ) 结构系统。如人工皮肤、软骨和骨的三维取代物( 支架和基材) ；( b ) 代谢系统。 如生物杂化胰和肝，生物杂化肾，用于生物活性物质释放的微囊化细胞等。( c ) 细胞系统。如体细胞在返回患者前的离体扩展、增殖操作。羟基酸聚合物是此类 材料的典型。它的力学性能和加工性能良好，制成的取向纤维，筛网和开孑l 泡沫 能满足许多组织工程表面积与细胞要求。聚羟基酸和其他聚合物( 如p e g ) 复合 可减少降解产物的炎症反应。p g a 、p l a 以及p l g a 是用得最广的合成降解材料， 目前已在心瓣膜m ，、皮肤细胞m ，、软骨m 1 、血管修复“”、神经修复“”、视网膜色素 上皮细胞u ”和骨n ”等方面作过尝试。 1 3 本课题的研究意义 目前p l a 已经广泛应用于组织修复及细胞培养、医学手术缝合线、药物控制 释放体系、骨科固定物等方面，在人工血浆制品方面也有研究。 但是长期的观察和研究发现p l a 材料仍存在一些问题，这些问题制约了p l a 材料的大规模应用。它们主要是m ，：( 1 ) 有应用价值的骨固定器和手术缝合线基 本上都是由l 型p l a 加工而来，合成l 型聚乳酸的原料是l 型乳酸，应用l 型 乳酸需要进行提纯以达到旋光度一致，成本高；( 2 ) p l a 材料属于聚酯类材料， 其疏水性的表面所吸附的培养液中的因子不易被细胞生长过程中自身分泌的因 4 第一章绪论 子所置换，它与亲水性表面比较起来不利于细胞生理功能的实现。因此有必要改 变材料表面的亲水疏水性状况；( 3 ) 结构中不含细胞可识别的分子，不能对细胞 实现特异性吸附。目前，组织工程学的发展对支撑材料提出了较一般生物材料严 格得多的要求，支持材料除了可以加工成复杂的物理形状之外，还需要结合特定 的生长因子、贴壁因子、正负电荷等以利于细胞和组织的生长，分子结构和功能 基单一的p l a 显然难以达到此目的。 从最近关于p l a 研究文献报道中可以看出，大量的工作都集中在研究p l a 材料的性能改进上。在这些工作中，一部分工作是改进合成工艺，试图能够寻找 出比较理想的工艺条件得到高强度的d ，l 型p l a 或者通过直接法合成高强度 p l a 。但经过多年的探索之后发现这些工作难度大，进展缓慢，所以更多的研究 工作则集中于通过改性手段改善p l a 材料的理化性能。 对聚乳酸的改性研究目前主要有以下二个方面”：( 1 ) 聚乳酸的表面修饰。 调节材料表面亲水，疏水性及电荷、将细胞粘连因子和细胞增殖因子等生物活性因 子固定于材料表面等来达到优化材料性能的目的。从本质上来讲这些方法都是基 于物理吸附的修饰方法，是由范德华力维持吸附分子与基材间的相互作用，所以 结合力弱，被结合分子易脱落，影响材料的长期使用性能，不能满足应用需要； ( 2 ) 聚乳酸本体的修饰。用嵌段或接枝聚合方法对聚乳酸化学结构进行改进， 从而改善聚乳酸基生物降解材料对目标细胞的亲和性，使其在组织工程的相关应 用中发挥更重要作用。 本课题就是尝试通过水溶性的天冬氨酸和乳酸共聚，制备具有更优亲水陛、 生物信息和细胞亲和性的材料，具有较重要的实际应用价值。 1 4 国内外研究概况 1 4 1 聚乳酸改性的研究现状 p l a 的改性方法包括物理手段和化学手段两种。物理方法主要有：( 1 ) 通过 机械加工的方法将材料加工成多孔表面、纤维表面和复杂的三维立体形状等；( 2 ) 通过与有机、无机、生物活性物质进行简单复合共混等。例如将p l a 和胶原、羟 基磷灰石、淀粉复合后将促进细胞的黏附和生长。目前，亲水性共混体系有p l a p ( e o p o e o ) 、p l a p e o 、p l a p e g 、p l a c e l l u l o s e 等。疏水性共混体系有 p l a p g a 、p l a p v a c 、p l a p c l 、p l a p h b 、p l a 柠檬酸酯、p l a p ( l a g a ) 、 p l a e v a c 等w ；( 3 ) 通过改进加工手段提高材料的机械性能，如用自身的纤维 对p l a 进行自增强、加强高分子的取向、改变高分子的聚集态结构等。物理方法 虽然简单易行，也能够使材料的一些性能改善，但作为组织工程材料，更为重要 5 华南理丁大学硕十学位论文 的是材料要拥有特定的化学结构和长时性的效果，使细胞完成黏附、铺展、生长 和分化。 化学手段主要通过分子水平上的设计，使p l a 分子骨架带上特定的链段、电 荷、细胞因子。主要方法有如下几种1 ：( 1 ) 嵌段共聚。例如将苹果酸引入聚乳 酸，形成的共聚物其侧链上的羧基使聚乳酸表面修饰，利于细胞粘连因子、细胞 分化诱导因子和增殖因子固定化；( 2 ) 接枝共聚。例如a l b e r t s s o n 等利用自催化 反应将d ，l 一乳酸接枝于壳聚糖上，制得p h 敏感水凝胶，它的溶胀过程因引入 适量乳酸形成的疏水性侧链得以控制。 目前，用来改性聚乳酸所使用的单体主要集中在乙二醇、羟基乙酸、羟基丙 酸、丙烯酸等n ”，还有多糖、蛋白质、多肽、氨基酸等。 1 4 2 聚a 一氨基酸的研究进展 自从l e a c h 提出利用合成多肽的方法合成聚氨基酸以来，聚氨基酸的基础研 究和应用得到了迅速的发展。 聚一氨基酸是由相应的c t 一氨基酸的环内酸酐经过开环聚合后得到的产 物，其分子链构象随聚合度变化而变化( 有线团构象、1 3 折叠构象、q 螺旋构 象三种) 。氨基酸类聚合物通常分为三类“聚氨基酸、假性氨基酸和氨基酸非 氨基酸共聚物。聚q 一氨基酸分子中含有肽键，在生理条件下能够降解，因此是 一类生物降解高分子。它的主链在降解过程中释放出天然的小分子q 一氨基酸， 而a 一氨基酸是组成蛋白质的基本单位，也是参与人体代谢和某些生理过程的一 种特殊功能的生物分子，在营养和生理功能上都具有十分重要的作用。因此能够 被机体吸收和排泄，具有良好的生物相容性，有着其他材料不可比拟的优点：( 1 ) 由多种氨基酸可制得一系列均聚物和共聚物，主链两侧基团提供生物大分子的交 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 ) 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，故可以通过调节聚合物的配比来控制其降解性能，应用于药物载体之中 有望形成可以调节的控释系统。 已有聚a 一氨基酸材料用作缝合线材料，人工皮肤等。由于聚n 一氨基酸具有丰富 的侧链基团，能够直接与药物通过共价键结合，随着聚合物一药物共价键的断裂，药物 被游离出来发挥其效用。通过改变材料的亲疏水性、荷电性和酸碱性等方法，可以调节 药物的扩散速度与材料自身的降解进度。因此聚q 一氨基酸是很好的药物控释材料，目 前已经广泛应用于计划生育、抗肿瘤等药物“”。 6 第一章绪 论 目前随着组合化学的新方法应用于生物可降解高分子材料的合成设计，对聚氨基酸 的改性也有初步研究，以此得到预期性能的材料。例如将聚乙二醇( p e g ) 引入聚谷氨 酸链段中，得到它们的嵌段共聚物，该材料在水中能够形成胶束，可望作为药物缓释的 载体。将甘氨酸和乳酸共聚，可以得到两亲性的聚合物，是基因工程中细胞因子的良好 载体。 1 5 本课题的提出和主要工作内容 1 5 1 课题的提出 p l a 作为一种合成可生物降解高分子材料物理和化学性能好，可应用于组织 工程中的大多数范畴，降解速度可以通过控制分予量、控制聚合物的分子链结构 以及控制材料制备时的形态等方法来控制。但其亲水性不太好，在植入人体后很 容易在其表面吸附大量的多种蛋白，且主链上不含细胞识别信息，不利于细胞的 特异性粘附、生长和分化。这是由p l a 链结构决定的，如果这种结构得不到改变， 该缺陷就不会得到根本的改善。虽然很多专家学者对此做了很多有关改性方面研 究，但实际应用效果并不是很理想，而且对于材料植入人体后在人体环境内与细 胞所发生的反应研究也不够详细。 考虑到p l a 基础研究的深入性，诸多的优点也使其成为生物材料临床和产业 化的首选。聚a 一氨基酸也是目前国内外研究的焦点，其优良的生物相容性和富 台生物信息的优点也是其它材料无法比拟的。于是本课题就尝试用组合化学的思 想来设计一种新型的生物材料，将n 氨基酸引入到p l a 链中，使材料既保持了 p l a 的优点，又将聚a 一氨基酸的优点引入了材料之中，而这种优点也正是p l a 一 直需要摈弃的缺陷。本课题之所以选择2 0 种天然氨基酸中的天冬氨酸来改性聚 乳酸，原因如下： i 天冬氨酸作为一种生物活性物质和一种天然生物材料，是一种酸性a 一氨基 酸，它含有两个一c o o h 和一n h 。官能团，易溶于水、食盐溶液，亦能溶于酸和碱溶 液，不溶于乙醇，因而具有较好的亲水性和很好的生物信息。将天冬氨酸引入p l a 以此来改性p l a ，提高其亲水性和提供特定的反应位点及生物信息。这种聚合物 兼备天然高分子和合成高分子的优点，是一种优良的组织工程材料。 2 一般来讲，碳原子数目越多，反应越难控制。基于这一点考虑，所选择氨 基酸的碳原子数应不多余5 个。最简单的是二个碳原子的甘氨酸，目前的绝大部 分研究都是在此，如果选择该氨基酸，无疑于重复他人的工作：接下来就是三个 碳原子的丙氨酸、四个碳原子的天冬氨酸和五个碳原子的谷氨酸，丙氨酸只含有 一个一c o o h 和一个一n h 2 官能团，不利于后期材料结构的修饰，故不选择；天冬 7 华南理工大学硕士学传论文 氨酸和谷氨酸都含有两个一c o o h 和一个一n h 2 官能团，考虑到谷氨酸比天冬氨酸 多一个碳原子，实施过程相对较复杂一些，故选择天冬氨酸作改性p l a 的单体。 将天冬氨酸引入p l a 骨架，预计材料性能将会发生如下变化：( 1 ) 由于引入 c o o h 基团，材料的亲水性能将得到改善，使得材料在用作生物医学目的时能更 好的促进细胞或组织生理功能的实现：( 2 ) n h 2 的引入，材料的生物信息将会得 到改变，使材料基质表面带有细胞可进行识别的特定位置信息。( 3 ) 材料侧枝的 一c o o h 为继续进行化学反应提供了分子基础，可以根据实验目的与特定的基材表 面进行复合或是引入多肽、蛋白质、药物等。以上这些被改善的性能正是p l a 材 料所缺乏的。 1 5 2 主要工作内容 本课题通过对反应机理、化学反应热力学的研究表明反应确实可行之后，从最初 的原料l 一型乳酸和。一天冬氨酸出发，首先将n 一天冬氨酸的b 羧基进行酯化，后溴乙 酰化并最终制备出吗啉2 ，5 一二酮的衍生物( m o r p h o l i n e 一2 ，5 - d i o n ed e r i v a t i v e s ) ；将 l 一型乳酸在催化剂z n 0 作用下真空脱水形成丙交酪；再将吗啉2 ，5 一二酮衍生物与丙交酯 在催化剂辛酸亚锡作用下开环聚合制各出聚乳酸一共一聚天冬氨酸，合成改性聚乳酸，并 对各步产物进行确证和结构表征。定量分析了共聚反应中的投料比对天冬氨酸接入率和 聚合物材料分子量的影响，并推导出了聚合物组成方程，最后对材料的体外降解性能和 吸湿性进行了初步测定。整个实验过程设计是科学的、合理的和可行的。 主要工作内容归纳如下j 1 完成了由初始原料l 型乳酸和a 一天冬氨酸到聚乳酸一共一聚天冬氨酸的一系列 合成过程( 包括溴乙酰溴、b 一苄基一l 一天冬氨酸、0 一苄基一n 一( 溴乙酰基) 一l - 天冬氨 酸、( 3 s ) 一3 一 ( 苄氧羰基) 甲基 吗啉一2 ，5 一二酮、丙交酯、聚乳酸一共一聚天冬氨酸的合 成) 。 2 对反应机理进行了初步探索，并从反应热力学原理方面对改性共聚合反应进行了 定性分析，确定了反应的可行性。 3 对各步反应产物进行了确证和结构表征( 测试手段为d s c 分析、红外光谱分析和 核磁共振分析) 。 4 推导出了改性共聚反应的共聚方程，并根据实验数据求出了共聚反应的竟聚率r 。 和r ：，绘制出了共聚物组成曲线。 5 对改性聚乳酸材料性能进行了初步的研究。通过观察材料在p h = 7 4 的磷酸缓冲 溶液中的失重情况，来研究材料的体外降解性能；通过观察置于空气中的材料的吸湿情 况，来研究材料的亲水疏水性能。 8 第一章绪论 1 6 本章小节 p l a 作为目前生物材料界研究最多、临床使用最广泛的材料，备受学术界和 医学界的瞩目。但是长期的临床应用也发现了其不少缺陷，限制了p l a 的进一步 应用。本课题就是尝试用天冬氨酸来改性p l a ，以此来弥补其亲水性不好和生物 信息不足方面的缺陷。本章主要阐述了本课题提出的背景、研究意义、主要研究 内容，介绍了p l a 的基本性能和在生物医学上的应用，并综述了国内外在p l a 的改性研究和聚a 一氨基酸研究方面的一些最新的进展情况，在全论文中起到一个 提纲挈领的作用，为后面各章节的展开打下了基础。 9 华南理丁大学硕士学位论文 第二章改性聚乳酸合成反应的理论基础 2 1 前言 在设计大分子的合成路线时，首先需要考虑的并不是反应过程中所需要的温 度、时间、压力等常见因素，而是反应在理论上以何种模式进行以及是否能够按 照该模式进行。阐明这些问题需要考察反应的机理、反应热力学和反应动力学。 其中反应动力学和反应机理在很大程度上靠理论计算和推测，而反应动力学则需 要通过实验过程来解释。本章仅从反应机理和热力学来认证改性反应过程种关键 反应的模式和可行性，动力学的研究在此不赘述。 2 2 合成机理 2 2 1 ( 3 s ) 3 - 【( 苄氧羰基) 甲纂】吗啉- 2 ，5 - 二酮合成的机理。” 合成( 3 s ) 一3 【( 苄氧羰基) 甲基】吗啉一2 ，5 一二酮的反应方程式如下所示 h 与此同时分子间的两羧基( 一c o o h ) 会发生缩合反应，生成低聚物( 酸酐) 。 副反应方程式如下式所示： 1 0 h h 疵 一 叱 一 ho_。 卧 呈i 釜三至垦竺茎! ! 壁垒些垦窒竺墨鲨茎型 。一2 8 r + 卧 ：。n h c 。h 5 h 邱。c 一：2 _ ! h c 审r 一。c h h 6 n c h 一2 c 。c 邺。h 。 。_ c c 心卧 c 。h 5 h 。c 。o c 一罄c i ! i 少 c b h 5 h 2 c o o c c c h ，夕j c 6 h 。h 。c 。c 9 2 _ 9 52 c o o c c ：一c 卜i 。n 0 渺 因此维持反应体系中反应物1 3 一苄基一n 一( 溴乙酰基) 一l - 天冬氨酸的浓度处 于较低水平是本反应的关键因素。有文献m ，报道采用硅藻土稀释反应物，并用三 氧化二锑作为解聚剂以减少分子间缩和，提高了收率。 在本实验中，通过恒压滴加漏斗缓慢滴加6 苄基一n 一( 溴乙酰基) 一l - 天冬氨 酸到三乙胺的d m f 溶液中，使其在反应体系中始终保持较低浓度，增加分子内 环合，减少分子间的缩和，收率为7 2 3 ，较文献u 7 ，( 5 1 7 ) 有了较大的提 高，且反应条件温和，操作简单。 以三乙胺为催化剂，通过b 一苄基一n ( 溴乙酰基) ，l 天冬氨酸在d m f 中环 合成3 【( 苄氧羰基) 甲基】吗啉一2 ，5 一二酮时，产物与反应后生成的三乙胺氢溴 酸盐分离是关键。两者极性非常相似，在许多溶剂中表现出来的溶解性无明显差 别，实验中发现只有在热的乙酸乙酯中，两者才表现出较明显的溶解度差别，用 热乙酸乙酯多次萃取，可取得较满意的效果。 2 2 2 d ，l 丙交酯合成的机理 一般认为，a 一羟基酸脱水后的产物就是交酯，但是在实验过程中，随着水 的不断蒸出，反应体系中反应物a 一羟基酸的颜色逐渐由浅变深，而且粘度逐渐 增大，当水全部蒸出后，取出反应物，冷却后发现它是一种较硬的块状固体，其 熔点t m 为1 5 0 1 7 0 。c 。但左旋乳酸脱水环化生成的丙交酯t m 为9 6 3 。c 。因此 华南理上大学硕士学能论文 上述块状固体并非丙交酯，而是一些具有不同聚合度的线形低聚物的混合物。 交酯并不是由n 一羟基酸简单脱水环化生成，而是首先生成线形低聚物，再 出线形低聚物裂解环化而成。其反应过程如下： 0 2 nh o c h 2 c o h + ( 2 n - 1 ) h 2 0 oo h 十c h 2 _ g - - o - - c h 2 - c 1 1 弋1 。h o h c c o ii o c c h o 对于第一步由乳酸脱水生成线形低聚物的反应机理，可以简单的表示如下： o h o c h ，c i i o h +h+ h o c h ，c o h + 1 o h + h o c h 2 一c 一0 h 甲hi i io 。i i i io 。ilii l o h c h 2 一g o c h 2 一c o h ；= = = = ：= 兰o h c h 2 一c o c h 2 一c o h + h 2 0 l+ 。 + o h 日i i l旨 o h c h 2 一c o c h 2 一c o h + o 。 o 0 h c h 2 一一c o c h 2 一c o h 4 - h + 重复( 1 ) ( 4 ) 的反应，就得到聚酯，但是随着反应的进行，一方面分子 量逐渐增大，另一方面，由于整个反应体系中的水含量随着粘度的增加，难以排 1 2 hoo i 卜 一电 c h o + 洲。卜i 洲 一 叫 一 ho ho o i c hc 舒。h + 茎三量鉴丝圣塾壁鱼垡垦壁壁堡笙苎型 除，使酯键容易产生水解，生成丙交酯。由于丙交酯化合物须通过低聚物的热裂 解环化而成，而长时间加热又会发生如下- - 些f = i 反应m ，： o h o c h c o h - - c h 3 7 i i 一 h 3 c c h o + c 0 2 + h 2 0 h 3 c - - c h o + c 0 2 + h 2 0 4 - h c o o h 因此，为了有利于环的生成，提高丙交酯的产率，要在反应中加入催化剂z n o ， 采用减压蒸馏的方法，以加快酯键的断裂，缩短受热时阔，减少副反应的发生，促进环 的生成。 2 2 3 聚乳酸- 共- 聚天冬氨酸合成的机理 丙交酯和吗啉2 ，5 一二酮衍生物均为六元环，具有很大的反应活性。用辛酸亚 锡做引发剂，丙交酯和吗啉2 , 5 一二酮衍生物开环聚合( r i n go p e n i n g p o l y m e r i z a t i o n ) ，生成改性聚乳酸。本课题中使用辛酸亚锡作为引发剂。辛酸亚 锡通过了美国食品与药品管理局( f d a ) 的无毒检测，可以用作食品添加剂。因 此很多研究者在合成高分子医用材料时都选择它来引发单体聚合。它的引发机理 属于配位插入类型。丙交酯或是吗啉2 ，5 一二酮衍生物中的羰基。原子上的孤对电 了首先和s n 原子中的空轨道配位，形成j i 络合物，然后丙交酯或是吗啉2 ，5 一二 酮衍生物中c o 键对s n o 键进行插入，即产生开环n 一“。单体随后依次以这样的 机理在s n o 键上进行配位、插入和链增长，直至形成大分子量的聚合物。 h o l l - - - - - 一c 辛酸亚锡 以上用辛酸亚锡作引发剂的反应机理，可以简单的表示如下 1 3 华南理工大学硕士学位论文 f h 3 口 芗一；! ! 坠! qp ；2 2 2 2