新型生物材料聚β-苹果酸β-羟基丁酸酯共聚物的合成及其性质研究论文.docx

论文编号：新型生物材料聚-苹果酸/-羟基丁酸酯共聚物的合成及其性质研究学号培 养 类 别全日制学位类型学术学位一级学科(专业类)化学二级学科(专业)有机化学研究方向生物材料改性 二O一五年五月第四军医大学硕士学位论文目 录缩略语表1中文摘要3ABSTRACT5前 言8文献回顾101天然药用高分子材料101.1多糖类101.2蛋白质类111.3多肽类121.3 聚酯类和其他132脂肪族聚酯类的研究及应用142.1 -聚苹果酸的研究及应用142.1.1 -聚苹果酸及其共聚物的合成研究152.1.2 -聚苹果酸及其共聚物在药物载体方面的应用162.2聚-羟基丁酸酯的研究及应用172.2.1 聚-羟基丁酸酯的性质及其改性研究172.2.2 聚-羟基丁酸酯及其衍生物在药物物载体方面的应用183 课题的提出19正 文21第一部分 聚-羟基丁酸酯和共聚物的合成211 材料与仪器211.1实验试剂211.2 实验仪器222 实验方法232.1聚-羟基丁酸酯的合成232.2共聚物的合成232.2.1 -苹果酸苄基内酯单体的合成及密度测定232.2.2 P(MLABe-co-BL)和PMLABe-co-PHB的合成242.2.3 P(MLA-co-BL)和PMLA-co-PHB的合成252.3测试与表征263 结果与讨论263.1聚-羟基丁酸酯的合成263.2 -苹果酸苄基内酯单体的合成293.3 P(MLABe-co-BL) 和PMLABe-co-PHB的合成303.3微观聚合机理分析343.4 P(MLA-co-BL)的合成37第二部分 共聚物的性质研究391 材料与仪器391.1 实验试剂391.2 实验仪器392 实验方法402.1共聚物粒径、zeta电位和溶解度的测定402.1.1粒径测定402.1.2 Zeta电位测定402.1.3溶解度测定402.2共聚物的降解402.2.1 P(MLABe-co-BL)的降解402.2.2 P(MLA-co-BL)和PMLA-co-PHB的降解412.3 细胞毒性测定412.3.1细胞的培养412.3.2 P(MLABe-co-BL)的细胞毒性实验412.3.3 P(MLA-co-BL) 和PMLA-co-PHB的细胞毒性实验422.4 溶血实验422.4.1 兔全血的采集和2 %红细胞混悬液的配制422.4.2 P(MLABe-co-BL)的溶血实验432.4.3 P(MLA-co-BL) 和PMLA-co-PHB的溶血实验433 结果与讨论433.1粒径、zeta电位和溶解度的测定433.2共聚物的降解443.2.1 P(MLABe-co-BL)的降解443.2.2 P(MLA-co-BL) 和PMLA-co-PHB 的降解463.3细胞毒性测定473.3.1 P(MLABe-co-BL)的细胞毒性测定473.3.2 P(MLA-co-BL) 和PMLA-co-PHB的细胞毒性测定473.4溶血实验483.4.1 P(MLABe-co-BL)的溶血实验483.4.2 P(MLA-co-BL) 和PMLA-co-PHB的溶血实验48第三部分 PMLA-co-PHB的应用和展望501 材料与仪器501.1实验材料501.2实验仪器502 实验方法512.1 PMLA-co-PHB空白胶束的制备512.2 PMLA-co-PHB包封色胺酮胶束的制备522.3 PMLA-co-PHB胶束包封率和载药率的测定522.4 PMLA-co-PHB临界胶束浓度（CMC）的测定533 结果与讨论533.1 PMLA-co-PHB胶束的制备534 材料的应用展望544.1 在药物载体方面的应用554.2在其它方面的应用55小 结57参考文献58附 录67研究成果71致 谢72第四军医大学硕士学位论文缩略语表缩略词英文全称中文全称BL-butyrolactone -丁内酯MLABebenzyl-malolactone-苹果酸苄基内酯TFAATrifluoroaceticanhydride三氟乙酸酐P(MLABe-co-BL)Poly(benzyl-malolactone-co-butyrolactone)聚（-苹果酸苄基酯-co-羟基丁酸酯）P(MLA-co-BL)Poly (-malic acid-co-butyrolactone) 聚（-苹果酸-co-羟基丁酸酯）IRInfrared Spectroscopy红外光谱CMCCritical Micelle Concentration临界胶束浓度GPCGel Permeation Chromatography凝胶渗透色谱PHBPoly (-hydroxybutyrate)聚-羟基丁酸酯PMLAPoly (-malic acid)-聚苹果酸MwWeight-average Molecular Weight重均分子量PMLABe-co- PHBPoly(benzyl-malolactone)-co-Poly (-hydroxybutyrate)聚-苹果酸苄基酯-co-聚羟基丁酸酯PMLA-co- PHBPoly(-malic acid)-co-Poly (-hydroxybutyrate)-聚苹果酸-co-聚羟基丁酸酯PHAspolyhydroxyalkanoates聚羟基脂肪酸MnNumber-average Molecular Weight数均分子量PCLpolycaprolactone聚己内酯NMRNuclear Magnetic Resonance核磁共振PBSPhosphate Buffered Saline磷酸盐缓冲液THFTetrahydrofuran四氢呋喃PEOpolyoxyethylene聚氧化乙烯PVAPoly(vinylalcohol)聚乙烯醇PLAPoly(lactic acid)聚乳酸PDIPolydispersity Index多分散系数PLGAPoly(lactide-co-glycolide)聚（丙交酯-co-乙交酯）ROPRing-opening Polymerization开环聚合法PASPPolysucciuimide聚天冬氨酸Y-PGAPoly glutamic acid聚谷氨酸PLHPoly-L-histidine聚组氨酸PArgPoly-L-arginine聚精氨酸PLPolylysine聚赖氨酸GSHGlutathione谷胱甘肽PEGPolyethylene glycol聚乙二醇MDIMethylenediphenyl Diisocyanate二苯基甲烷二异氰酸酯新型生物材料聚-苹果酸/-羟基丁酸酯共聚物的合成及其性质研究中文摘要聚苹果酸（PMLA）是一种结构规整的水溶性脂肪族聚酯，具有生物降解性、生物相容性和无免疫原性，主链上具有多个悬挂羧基，可以很好的被修饰或改性形成聚合物前药，但PMLA亲水性强、降解过快，用作生物高分子材料存在诸多缺陷。聚-羟基丁酸酯（PHB）是一种由细菌发酵产生的热塑性聚酯，具有良好的生物相容性，但存在易结晶、疏水性强和降解时间长等缺点。本课题拟采用PHB改性PMLA，以期达到优势互补，改善聚苹果酸的性能。以苯甲酸四乙铵为引发剂，通过阴离子开环引发-苹果酸苄基内酯（MLABe）和-丁内酯（BL）开环共聚。研究中考察了不同比例的混合单体在不同的反应时长、反应温度及不同的加入顺序等条件对共聚的影响。两单体通过混合均匀后同时聚合或是分时段加入而分别得到两种疏水性的共聚物：无规共聚物聚（-苹果酸苄基酯-co-羟基丁酸酯）（P(MLABe-co-BL)）和嵌段共聚物-聚苹果酸苄基酯-co-聚羟基丁酸酯（PMLABe-co-PHB）。氢化苄基后分别得到两亲性的共聚物：聚（-苹果酸-co-羟基丁酸酯）（P(MLA-co-BL)）和-聚苹果酸-co-聚羟基丁酸酯（PMLA-co-PHB）。在共聚之前，先优化了-苹果酸苄基内酯单体的合成过程。课题组前期的研究已表明引发剂苯甲酸四乙铵能够引发-苹果酸苄基内酯单体开环聚合形成PMLA，但未证实对-丁内酯有同样的引发作用，本实验用1H-NMR， 13C-NMR和 FT-IR表征了-丁内酯开环聚合形成的产物聚-羟基丁酸酯，证实该引发剂对-丁内酯有同样的开环作用，为-苹果酸苄基内酯和-丁内酯单体共聚提供实验基础。对无规共聚物P(MLABe-co-BL)聚合过程的研究发现，加入不同聚合单体的比例，共聚物组成有明显差别。MLABe的竞聚率比BL的大，加入BL的比率越多，聚合时间就越长。MLABe/BL为50/50（mol/mol）时的微观聚合机理表明，聚合过程中酯交换剧烈，趋向于无规共聚。MLABe/BL为 75/25（mol/mol）时，聚合时间短、共聚产物分子量适中且分布宽度窄，所以后续实验均使用该比例聚合。P(MLA-co-BL)、PMLA-co-PHB的亲水性、降解性和溶解度分别介于P(MLABe-co-BL)和PMLA之间，改善了PMLA用做药物载体降解快、负电性大的特点。通过细胞毒性实验和溶血实验发现P(MLABe-co-BL)有一定的细胞毒性，但没有溶血现象。低浓度（0.4 mg/mL以下）的P(MLA-co-BL)没有抑制细胞增长，反而具有促进作用；随着浓度的增加，在高于0.8 mg/mL后有轻微的抑制作用。嵌段共聚物PMLA-co-PHB 随着浓度的增加没有呈现出细胞毒性。在溶血实验中，材料浓度为 0.2 mg/mL 时，无规共聚物的溶血率（0.5543 0.05 %）小于嵌段共聚物（3.249 0.04 %），可能是嵌段共聚物相比无规共聚物在溶液中更容易形成胶束。随着材料浓度的增加，细胞成棕褐色并有沉降产生。课题进一步开展了嵌段共聚物PMLA-co-PHB形成纳米胶束用作药物载体的研究。以色胺酮为药物模型通过透析法制备载药胶束，包封率为8.35 0.29 %，载药率为2.67 0.2 %，粒径为242 nm。为PMLA-co-PHB用作聚合物纳米药物运载体系提供了前期实验基础。下一步我们将开展PMLA-co-PHB作为药物载体以及P(MLA-co-BL)在组织工程支架方面的应用。关键词：-苹果酸苄基内酯；-羟基丁酸酯；聚合物胶束；聚合物药物载体；降解Synthesis and biological properties of new biological materials -malic acid/-butyrolactone copolymersAbstractPoly(-L-malic acid) (PMLA) is a natural aliphatic polyester, and it was proved to be biodegradable, non-toxic and non-immunogenic. Furthmore, it could provide multiple suspend carboxyl to form polymer pro-drugs. However, its strong hydrophilicity and fast degradation time limits its application. Poly(-hydroxybutyrate) (PHB) is a thermoplastic polyester produced by a bacterial fermentation, and it has good biocompatibility. But it is strongly hydrophobic and shows long degradation time. In this study, PHB was used to modify PMLA, realizing complementary advantages.The copolymer was synthesized byring-openingpolymerization ofbenzyl-malo- lactone (MLABe)and-butyrolactone (BL), using tetraethylammonium benzoic acidas initiator. Ratio of the two monomers, reaction times, temperatures and adding orders were studied to examine the impact of these factors on the copolymerization. Two monomers were added simultaneously or successively, and two different hydrophobic polymers were obtained: random copolymers P(MLABe-co-BL) and block copolymers PMLABe-co-PHB. Amphiphilic copolymers P(MLA-co-BL) and PMLA-co-PHB were obtained by hydrogenation. The synthetic process of benzyl-malolactone monomers was optimized before the copolymerization. In our previous study, the initiator tetraethylammonium benzoate was used to trigger the ring-opening polymerization to form PMLA. However, this study still need to confirm if the initiator can also trigger the polymerization of -butyrolactone. 1H-NMR, 13C-NMR and FT-IR were used to characterize the polymer poly(-hydroxybutyrate) (PHB). The results showed that the initiator could be used to initiate the polymerization of -butyrolactone, which laid the foundation for copolymerization reaction.Research on polymerization process of the random copolymer P(MLABe-co-BL) showed that there is a significant differences in the composition of the copolymers when different ratio of monomers added. Scale of micro polymerization mechanism indicated that the ratio of MLABeand BL is 50/50 (mol/mol), which result in severe transesterification in the polymerization process, tends to random copolymerization. When the ratio is 75/25 (mol/mol), copolymerization products obtained in short time which have moderate molecular weight and narrow distribution width. Therefore, all of the subsequent polymerization experiments take this ration. The hydrophilicity, degradability and solubility of P(MLA-co-BL) and PMLA-co-PHB were between that of P(MLABe-co-BL) and PMLA, which could overcome the shortcomings of PMLA, such as fast degradation and stongly negative charge. In vitro cytotoxicity study found that P(MLABe-co-BL) showed certain cytotoxicity. The result of hemolysis assay suggested that P(MLABe-co-BL) possess good biocompatibility. P(MLA-co-BL) did not inhibit cell growth at low concentrations (0.4 mg/mL or less). A slight inhibition would happen with increasing concentration to 0.8 mg/mL. Accordingly, the block copolymers PMLA-co-PHB with increasing concentration did not exhibit cytotoxicity. In hemolysis test, the concentration of material at 0.2 mg/mL, hemolysis rate of random copolymer is 0.5543 0.05 %, less than that of block copolymer, 3.249 0.04 %. This suggested that random copolymer may be easier to form micelles in aqueous solution compared to block copolymer. With the increasing of concentration of material, cells turned into brown and settled onto the bottom.The research of nanomicelles formed by PMLA-co-PHB block copolymer used as drug carriers was further studied in this subject. Tryptanthrin severed as a drug model, drug loaded nanosphere was prepared by dialysis method. Entrapment efficiency is 8.35 0.29 %, drug-loaded rate is 2.67 0.2 %, and particle size is 242 nm. The results provided a preliminary experimental basis that PMLA-co-PHB used as Polymer nano drug delivery system. The next step in this work is to develop PMLA-co-PHB as drug carriers, and exploit the application of P(MLA-co-BL) in tissue engineering scaffolds.Keyword: benzyl-malolactone; -hydroxybutyrate; polymeric micelles; polymer drug carrier; degradation 前 言 聚苹果酸（PMLA）是一类新型生物材料，具有生物可降解性、生物相容性、无免疫原性等特点。在水溶液中PMLA主链上的酯键可发生水解或酶促降解，从而生成无毒无害的小分子苹果酸，并参与体内三羧酸循环而被生物体吸收1。聚苹果酸结构规整，具有多个悬挂羧基，可以很好的被修饰或改性形成聚合物前药，应用于药物缓释和组织工程等领域2。但大量羧基的存在使得PMLA亲水性强、降解过快3，用作生物高分子材料存在诸多缺陷，因此，对其进行疏水性修饰，在一定程度上降低其水溶性就显得非常有必要。聚-羟基丁酸酯（PHB）是一种由原核微生物发酵产生的热塑性聚酯，具有良好生物相容性4，但存在易结晶、疏水性强和降解时间长5等缺点。本课题采用PHB改性PMLA，以-苹果酸苄基内酯（MLABe）和-丁内酯（BL）开环共聚达到改性的目的。通过化学方法共聚合成聚苹果酸衍生物很少有报道，除了与聚丙内酯，聚己内酯和聚丙交酯外6，目前仅Guillaume课题组用有机和金属有机催化剂引发-苹果酸苄基内酯和-丁内酯共聚，但金属引发剂和有机催化剂都存在一定的毒性残留7。本实验以阴离子引发剂引发二者开环共聚。在共聚之前，先优化了-苹果酸苄基内酯单体的合成过程。课题组前期的研究已表明引发剂苯甲酸四乙铵能够引发-苹果酸苄基内酯单体开环聚合形成PMLA，但未证实对-丁内酯有同样的引发作用，为-苹果酸苄基内酯和-丁内酯单体能够开环共聚提供实验基础。以阴离子开环的机理引发MLABe和BL开环共聚得到一定分子量的疏水性共聚物P(MLABe-co-BL)和PMLABe-co-PHB，二者氢化苄基后分别得到两亲性的共聚物P(MLA-co-BL)和PMLA-co-PHB。得到的共聚物是生物相容性和生物降解性均良好的两亲性聚羟基脂肪酸酯（PHAs），为其在药物载体、组织工程支架等后续生物医学研究方面奠定了实验基础。1999年Cammas,S.等合成聚羟基脂肪酸酯，其在体内具有良好的生物相容性、水溶性和生物降解性，在氧气充分的情况下，通过三羧酸循环最终降解为水和二氧化碳等小分子无毒物质排出体外2，其在药物缓释体系中有潜在的应用价值。最早在1997年 White, Alan W等8用阴离子引发剂引发聚-羟基丁酸酯与各种-取代基取代的-丙内酯开环共聚，得到了含不同取代基单元的共聚物。但是有关P(MLA-co-BL)和PMLA-co-PHB的合成、相关性质以及生物学性能（溶解度、降解性、细胞毒性和溶血性等）的研究还很少有报道。另外，无论是无规共聚物P(MLA-co-BL)还是嵌段共聚物PMLA-co-PHB，其结构单元中大量悬挂的羧基单元可以通过酯键、酰胺键或其他共价键的方式键合药物或其它小分子物质形成聚合物前药，另外还可以连接其他多糖、氨基酸和多肽等高分子聚合物形成新型的复合共聚物。嵌段共聚物PMLA-co-PHB同时含有亲水和疏水片段，通过透析法自组装形成胶束包封疏水药物，以提高色胺酮的水溶性。为PMLA-co-PHB的下一步深入研究和应用奠定一定的工作基础。文献回顾1天然药用高分子材料从自然资源中得到的天然聚合物的发现和使用贯穿于整个人类社会的发展历史。考古发现，人类30000年前就已开始使用含有纤维素的亚麻纤维、多糖和其他天然高分子材料9。而来源于动物皮、毛、蚕丝、皮革和蛋白质材料的使用则可追溯到7000年前10。经过近几十年的发展，天然药用高分子材料在药物载体应用中取得了重大的突破，常用的天然高分子载体材料稳定、无毒、成膜性较好，是纳米生物技术研究中的重要载体。天然高分子作为药物载体具有以下优点：（1）分子量大，能使药物在病灶部位停留较长时间；（2）聚合物在一定条件下自身降解达到缓释或控释的目的；（3）可以把一些具有功能性组分通过化学键连接到聚合物粒子表面；（4）生物降解的聚合物载药粒子，在药物释放后，载体材料通过降解成无毒无害的小分子物质排出体外，在人体组织内无积累、无毒副作用。天然高分子聚合物材料通过一系列工艺条件可以得到粒径在10-1000 nm的纳米药物载体11。这种新型药物载体通过功能化修饰后能够实现靶向给药、pH敏感释药、缓释控释和降低药物毒副性等作用，在纳米药物载体方面有了广泛的应用。天然药用高分子聚合物按其化学组成和结构单元可以分为：多糖类（Polysaccharides）、蛋白质类（Proteins）、多肽类（Polypeptides）、聚酯类（Polyesters）和其他类型。1.1多糖类多糖广泛存在于自然界的动物、植物和微生物中，是所有生物组织中存在最多和最重要的组分之一。多糖类天然高分子是糖基间通过苷键连接而成的高分子聚合物，具有良好的水溶性、生物降解性和低免疫原性等性质，除此之外，多糖还表现出具有酶促降解和生物相容性良好的性质，带有很多能够被修饰的羟基和氨基，可以通过共价键作用连接药物、小分子和其他大分子聚合物基团。多糖在抗肿瘤、抗凝血、抗病毒和疫促进等方面发挥着重要的生物活性作用。天然聚合物多糖在靶向治疗结肠部位的疾病有着广泛的应用价值，尤其在口服药用的方面，用作药物载体的多糖类主要包括有：淀粉（Starch）、纤维素（Cellulose）、海藻酸（Alginates）、壳聚糖（Chitosan）、甲壳素（Chitin）、葡萄聚糖（Dextran）和果胶（Pectin）等。多糖作为结肠特定部位的靶向的载药体系，最近有很多相关的研究报道12， Soravoot et al. 等13制备了pH敏感的药物，该药物以溶解度不同的药物，如对乙酰基氨基酚、立痛定和氯苯丙胺等作核，以肠溶性的聚合物丙烯酸树脂L100-55加压得到速释层和以聚合物乙基纤维素得到缓释层。药物在一定的滞留时间后，到达结肠部位后在高pH的条件下速释层能够很快的释放，而加入的乙基纤维素则是防止药物在上消化道中低pH的条件下释放，同时通过减少局部环境对药物的湿度和腐蚀性而增加了药物在高pH条件下的滞留时间而缓慢释放，从而能够达到对特定病变部位的疗效。纤维素Cellulose淀粉14Starch甲壳素Chitin壳聚糖15Chitosan海藻酸Alginates果胶16Pectin图 1 多糖类天然聚合物的结构1.2蛋白质类蛋白质类天然高分子在生物医学和材料科学方面具有独特的功能和潜在的应用。主要是利用动物原料制取胶原（Collagen）17、明胶（Gelatin）18、丝素蛋白（Silk fibroin）、白蛋白（Albumin）19和酶（Enzyme）等（图2）。从天然蛋白制作的纳米粒材料具有生物相容性和易代谢性并有多个氨基、羧基等基团易与药物连接。第一代商业合成的纳米粒产品是白蛋白紫杉醇纳米粒（Abraxane, ABI-008），平均粒径为130 nm，已被FDA批准用于治疗乳腺癌20。阳离子牛血清白蛋白（CBSA）最近被研究作为一种新的siRNA递送体系来治疗转移性肺癌，主要是通过调整溶液pH低于或高于蛋白质的等电点来修饰表面电荷以优化药物递送的控制，CBSA通过静电结合siRNA后可以形成稳定的纳米粒子并保护siRNA免于降解，CBSA也促进了细胞内递送的siRNA在肺部的累积。当用CBSA载Bcl-2 siRNA的纳米粒进入小鼠模型的体内循环中，它表现出高效率的基因沉默效应并诱导癌细胞凋亡和抑制肿瘤生长21。最近也有一些关于PEG化的长循环蛋白纳米粒22、醇溶朊纳米粒23、牛奶蛋白纳米粒24、乳清蛋白纳米粒25、玉米蛋白纳米粒26和弹性蛋白纳米粒27等的研究报道。胶原28（Collagen）明胶29（Gelatin）丝素蛋白30（Silk fibroin）白蛋白31（Albumin）图 2 蛋白质作为载体使用1.3多肽类多肽（peptide）是由几种氨基酸按照一定的排列顺序通过肽键结合而成的介于氨基酸和蛋白质之间的一类化合物，聚多肽（polypeptides），又叫聚氨基酸，是指由一种或几种氨基酸或其衍生物通过聚合反应得到的均聚或共聚物。通过对氨基酸的合理设计，可以得到不同功能的、结构特异的多肽，由于多肽链上氨基酸具有不同的化学结构，多肽可以利用其肽键间氢键作用、静电作用和疏水性作用等，可有效调控其聚集的形态和结构。常见的多肽类聚合物高分子有聚天冬氨酸（Polysucciuimide，PASP）、聚谷氨酸（poly glutamic acid，Y-PGA）、聚组氨酸（poly-L-histidine，PLH）、聚精氨酸（poly-L-arginine，PArg）、聚赖氨酸（polylysine，PL）和谷胱甘肽（glutathione，GSH）等。多肽的研究主要集中在设计、合成用于药物及基因传递等生物医学领域的功能多肽材料，包括穿膜肽、靶向配体、pH敏感型聚多肽胶束、智能型多肽以及核定位信号肽等。在过去的这些年中，穿膜肽在生物医学的应用和研究中得到了极大地关注，基于穿膜肽的多功能嵌合载体发现能够提高对基因的转染效率，通过连接核定位肽可以增加载体对肿瘤细胞的靶向识别能力32。陈卫等研究了pH 敏感性的TAT 肽修饰胶束，包封阿霉素成为载药胶束，粒径20 nm。在pH 7.4 的正常组织中能有效的隐藏TAT 肽，避免其无选择性的透膜进入细胞；而在pH 6.8 的肿瘤组织部位时则暴露出TAT 肽，发挥其进入细胞的能力，介导载药胶束进入肿瘤细胞，使胶束能够克服肿瘤的多药耐药性而实现特异性杀伤肿瘤细胞的目的33。1.3 聚酯类和其他聚酯类可生物降解高分子主链大都由酯键连接而成，在水环境下能够被酶或微生物水解降解、高分子主链断裂、分子量逐渐变小，以至最终成为单体或代谢成二氧化碳和水的一类高分子聚合物34，它分为天然聚酯和人工合成聚酯，主要有芳香族聚酯和脂肪族聚酯两类，目前作为生物材料研究较多的为脂肪族聚酯：聚苹果酸（Poly(-malic acid)，PMLA）、聚乳酸（polylactic acid，PLA）、聚乙交酯（Polyglycolide，PGA）聚-羟基丁酸酯（Poly(-hydroxybutyrate)，PHB）、聚（丙交酯-co-乙交酯） （Poly(lactide-co-glycolide)，PLGA）、聚己内酯（polycaprolactone，PCL）等。除此之外，还有一些含有易被水解的醚键、氨酯键、酰胺键的聚合物，如聚酰胺类：聚谷氨酸（polyglutamic acid，-PGA）、聚天冬氨酸（polyaspartic acid ，PASP）；聚醚类：聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）；聚氨酯类：二苯基甲烷二异氰酸酯（Methylenediphenyl Diisocyanate， MDI）。不同类型高分子的主链键合形式如下（表1）。表1 含有可水解基团的聚合物高分子类型主链的键合形式主要聚合物聚酯PHB、PCL、PLGA聚醚PEG聚酰胺-PGA、PASP聚氨酯MDI聚酯类尤其是脂肪族聚酯类高分子在药物载体方面得到越来越多的研究和应用，它们在体内无毒，无积累，具有良好的生物适应性。2脂肪族聚酯类的研究及应用脂肪族聚酯是自然界存在的或人工合成的可降解生物材料，其主链由脂肪族结构单元通过酯键连接而形成的高分子聚合物35，具有多种悬挂基团，能很好的被修饰。它具有生物相容性，可降解性和热塑性等，广泛应用于生物医学领域36，如组织工程支架和药物载体等，在药物输送方面，纳米粒、微球、脂质体和胶束是比较常见的纳米药物载体；静电纺丝制备多孔支架材料近来受到人们的极大关注。脂肪族聚酯主要有聚乳酸、聚-己内酯、聚丙交酯、聚-羟基丁酸酯、聚乙交酯、聚乙醇酸、-聚苹果酸以及它们的共聚物，是可通过化学方法合成的具有生物降解性的高分子聚合物的典型类型。Raquez等37研究了聚乳酸（PLA）及其共聚物衍生物聚（丙交酯-co-乙交酯）（PLGA），二者均是生物相容和生物可降解的材料，已在生物医学方面作为药物控释材料和组织工程材料方面广泛使用。2.1 -聚苹果酸的研究及应用聚苹果酸（Poly(-malic acid)，PMLA）是以苹果酸为唯一单体通过酯键连接而成的水溶性脂肪族聚酯，悬挂的羧基是一种较强的亲水基团，这种结构使其具有较强的水溶性和吸水性，PMLA可由生物发酵或化学合成的方法制得，其结构式如下所示： 图4 -聚苹果酸的结构2.1.1 -聚苹果酸及其共聚物的合成研究-聚苹果酸是从自然界的多头绒泡菌、黏菌、环状青霉和出芽短梗霉等中分离得到，对天然聚苹果酸的结构测定发现，其结构高度规整，属于聚-羟基酸型脂肪族聚酯。1996年Sandrine Cammas等38用化学法将其以天冬氨酸为原料经一系列步骤合成出来。目前，生物发酵法制备聚苹果酸已经得到了广泛的研究和应用，然而生物发酵法产生的副产物淀粉、有机酸和有色化合物等不仅会降低聚苹果酸的产量，同时也会使得产物分离过程更为复杂，很难得到高纯度的-聚苹果酸。因此很多相关的研究开始探索用化学合成法合成-聚苹果酸，并通过化学共聚法对其进行改性。开环聚合法（Ring-opening Polymerization，ROP）是化学合成法合成-聚苹果酸用得最多的一种方法，分为内酯开环法和交酯开环法。内酯开环法是以L-天冬氨酸为原料，先合成-苹果酸苄基内酯（4-benzyloxycarbonyl-2-oxetanone，MLABz）单体，该单体在阴离子引发剂的作用下开环聚合形成聚苹果酸苄基酯，然后氢化苄基后得到-聚苹果酸，图5为合成路线。同样，聚苹果衍生物的共聚也使用阴离子开环法聚合，以-苹果酸苄基内酯和其他内酯环6, 39, 40（如，L-丙交酯、4-烷基-丙内酯和-己内酯等）在引发剂下开环共聚，图6为合成路线。或者对内酯环上的，位用烷基、羧基等基团进行取代后形成的不同取代基的内酯41，然后再通过控制单体的不同加入顺序，从而得到无规或是嵌段的共聚物；以所需共聚物亲水/疏水性的强度为要求，通过控制不同单体的比例，可以得到亲水/疏水性不同的无规或嵌段共聚物，合成路线（图7）。图 5 -聚苹果酸的合成路线 图 6 L-丙交酯和-苹果酸苄基酯开环共聚 图 7 不同取代基的内酯环开环共聚得到聚苹果酸衍生物2.1.2 -聚苹果酸及其共聚物在药物载体方面的应用-聚苹果酸侧链含有大量的悬挂羧基，容易引入功能基团或小分子化合物制得PMLA衍生物。药物或其他基团可以通过酯键、酰胺键、腙键、二硫键等与PMLA连接形成大分子前药，通过pH敏感性从而在体内控制药物的释放42，但是良好的水溶性和过快的降解速度在一定程度上限制了聚苹果酸的应用，适当的改性可以改善这些缺点，局部的烷基化使其能够在药物载体和组织工程支架方面发挥更大的应用潜能43, 44。通过化学共聚合可以作为改性PMLA的一种方法，得到满足不同实验要求的PMLA衍生物。最近几年，聚（L-丙内酯-co-苹果酸）（poly(L-lactide-co-malic acid)，PLMA）共聚物作为药物载体或组织工程支架的研究报道比较多，2004年Shenguo Wang等45合成了含有不同比例的-苄基苹果酸酯的聚（L-丙内酯-co-苹果酸苄基酯）（L-poly(l-lactide-co-benzyl malolactonate)，PLBMA），并氢化后除去苄基得到聚（L-丙内酯-co-苹果酸（poly(L-lactide-co-malic acid)，PLMA），把3T3-小鼠成纤维细胞接种到d-PLMA组织工程支架上，发现PLMA膜含有8 %（物质的量）的苹果酸，细胞的粘附性比其他比例形成的共聚物强。2009年Wei Wang等46发现PLMA由于羧基的存在，使其具有很好的亲和引力和血液相容性，并能促进内皮细胞的增长，有望用于血管工程方面。M. Mozafari等47最近合成和表征了硅酸镁石纳米粒（nanocrystalline forsterite，NF）涂层的聚（L-丙内酯-co-苹果酸）共聚物支架。把冰晶粒子和NF纳米粒以质量比10:1（mg）的比例混合，把混合均匀的二者浸入到液氮中得到ice-NF 杂化纳米粒，然后把纳米粒涂敷到多孔渗水的共聚物支架上得到附加纳米粒的涂层支架，实验发现小鼠骨髓间充质干细胞在该支架上能够很好的附着和生长，表明该纳米粒涂层支架与PMLA支架相比有更好的生物相容性。2.2聚-羟基丁酸酯的研究及应用聚-羟基丁酸酯（Poly (-hydroxybutyrate)，PHB）是原核微生物在营养失衡的情况下合成的一类热塑性聚酯，它属于聚羟基脂肪酸酯（PHA），除具有与生物高分子相同的性质之外，还具有抗凝血性、压电性和光学活性好等特性48。化学合成法是通过内酯开环以酯键的方式相连接，末端具有游离的羟基和羧基，由于其悬挂的甲基是一种疏水性的基团，因此PHB疏水性很强、结构规整、易结晶和易脆等，其在可降解塑料方面具有广阔的应用前景，另外作为药物载体方面的应用研究最近也有很多相关的报道，其结构式如下所示：图 8 聚-羟基丁酸酯的结构2.2.1 聚-羟基丁酸酯的性质及其改性研究PHB的降解相比PMLA相对很慢，降解时间很长。研究表明：PHB在体内通过三羧酸循环的降解至少含有活化因子和降解酶。无论是在有氧和无氧的情况下，PHB的降解产物除了含有-羟基丁酸、乙酰乙酸和少量乙酸等小分子物质外，没有发现生成其他的短链脂肪酸。尤其在氧气充足的情况下，PHB大都被氧化成二氧化碳和水和有少量的-羟基丁酸。 PHB除了具有与其他生物高分子相同的性质之外，还具有光学活性、压电性、无毒性、无刺激性和抗凝血性等，因此可以用作外科伤口止血材料及药物控释体系的载体。另外，PHB也可以在软骨组织工程49、皮肤组织工程50和神经系统组织工程等医学工程中使用。很好的结构规整性致使结晶度高、降解时间长、材料易脆、机械性能差和难加工等，在一定程度上限制了PHB的开发应用。因此，必须对天然的PHB分子进行改性，改变其高度规整的结构特点而克服其不足之处。目前人们已经采取了很多措施对其进行改性，包括生物改性、物理共混和化学改性。生物改性是在细菌发酵的过程中加入其他相似结构的物质，在合成PHB的过程中在其链段上同时也就引入了其他相似链节的羟基脂肪酸单元，如：Jing Han等用嗜盐古菌H.mediterranei ES1分别合成了无规和嵌段的聚（3-羟基丁酸酯-co-3-羟基戊酸酯）（poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate)，PHBV），通过测定玻璃转化温度Tg来判断形成的PHBV是无规共聚物还是嵌段共聚物，在细菌发酵过程中通过调节加入HV（3-羟基戊酸酯）的含量来获得不同组分比例的PHBV共聚物。合成的嵌段共聚物相比PHB，由于HV的加入破坏了PHB分子的结构规整性，使其疏水性增加、结晶度增加、表面粗糙且略带有空隙。实验结果发现其具有很高的血小板粘附性和很好的血液凝固性，认为它具有很好的止血效果51。物理共混是选择合适的共混组分，通过调节不同的组分配比，再根据不同组分的性质采用相适应的加工方法而获得满足多种用途的新型材料。如：PHB/PCL52，PHB/壳聚糖53，PHB/PHB-HV，PHB/PEO54等。化学改性是从分子本身的结构出发，通过用化学合成的方法来改变PHB链节单元的连接方式，通常是两种或两种以上的组分在一定条件下反应，得到的产物以化学键结合的方式形成接枝共聚物、高度顺序的共聚物、嵌段共聚物或交叉互联形式的共聚物，达到改善PHB性能的目的55。由于均聚物有这样那样的缺点，因此选择多种片段聚合，打破均聚物的结构规整性。常见的一种聚合方式为三嵌段共聚物ABA模型，A和B必须热力学不容，共聚物才有稳定可控的性能。 Marc A. Hillmyer 和William B. Tolman报道了一种能够作为热塑性弹性体使用的三嵌段共聚物，先以-己内酯为内酯环的甲基取代物在二醇作为引发剂的条件下合成聚己内酯甲基衍生物片段（Poly(menthide)，PM），然后再加入丙交酯（Lactide，LA）单体聚合后生成PLAPMPLA 三嵌段共聚物，该共聚物具有很好的热塑性，在37 下，pH 7.4中降解发现其性能能够维持一段时间，能够作为生物