專利名稱：仿細胞膜結(jié)構(gòu)共聚物及其制備方法和應用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及仿細胞膜共聚物及其制備方法和作為材料表面仿細胞外層膜結(jié)構(gòu)涂層的應用，具體涉及可交聯(lián)型(甲基)丙烯酸酯類三元共聚物，屬于高分子化學與物理、表面科學及生物醫(yī)用材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
磷酰膽堿是生物細胞外層膜的親水基團，用含磷酰膽堿基團的親水-親油的兩親性聚合物涂覆修飾材料，可在材料表面形成與細胞膜結(jié)構(gòu)相反的自組裝層。修飾后的材料表面在與水接觸時可轉(zhuǎn)變?yōu)榉录毎そY(jié)構(gòu)，會被細胞認為是自體，可獲得優(yōu)良的生物相容性。這類含磷酰膽堿基團聚合物涂層可通過物理吸附或化學鍵合附著于被修飾材料表面。
然而，以物理吸附結(jié)合的兩親性聚合物分子，在體內(nèi)復雜環(huán)境中有可能發(fā)生溶解、降解等作用而流失；另一方面，涂層表面的微觀聚集結(jié)構(gòu)隨自組裝過程的條件及組裝后的環(huán)境因素而發(fā)生某種程度的不可逆結(jié)構(gòu)變化，影響此類材料表面性能及相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)和應用。
為了提高移植材料的生物相容性，一些專利公開了通過表面處理改善材料生物相容性的方法。例如美國專利US 5,648,442使用含永久性正電荷側(cè)基以及可與材料表面有較強附著性能的其它側(cè)基的自由基聚合物對材料表面涂覆來賦予生物相容性。
在提高涂層的結(jié)合穩(wěn)定性方面，Kim等人(K.Kim K，C.Kim，Y.Byun，J.Biomat.Sci.-Polymer Edition，2003，14，887)在甲基丙烯?；砻娼又酆现苽浞€(wěn)定的磷脂單分子層作為血液相容性材料。在聚丙烯腈不對稱膜表面直接反應形成磷脂基團進行仿生表面改性(X.J.Huang，et al.Polymer，2006，47，3141.)，含磷酰膽堿基團的化合物被共價連接在羥基聚合物聚乙烯醇和甲基丙烯酸羥乙酯表面形成穩(wěn)定的單分子涂層[J.A.Hayward，Biomaterials，1986，7，252.)。中國專利申請CN01817377.2介紹了一種涂敷材料表面的方法，包括材料表面的功能化反應及表面聚合涂層的制備。獲得的復合材料具有對于基材的粘合性、耐久性、親水性、潤濕性、生物相容性和滲透性等特性，可用于制造生物醫(yī)學制品如眼用裝置。CN1717464A報道了一種將用帶有醛基的磷酰膽堿化合物接枝到材料表面的改性方法，可明顯提高材料的生物適應性及親水性能。然而，通過表面化學反應來提供親水基團的改性方法，對不同材料及表面形貌物體的改性效果有較大差異，通常較難獲得足夠的表面基團密度。
為利用涂層法工藝簡單，適應性強，改性效果顯著等優(yōu)點，交聯(lián)法被用來提高涂層的結(jié)合穩(wěn)定性。Lewis等人用含有烷氧基硅烷可交聯(lián)基團的四元共聚物來提高涂層的穩(wěn)定性(1、A.L.Lewis，Z.L.Cumming，Biomaterials 2001，22，99；2、J.-P.Xu，J.Ji，W.-D.Chen，D.-Z.Fan，Y.-F.Sun，J.-C.Shen，European Polymer Journal，2004，40，291)。涂層在70～90℃加熱4～9小時，使三甲氧基硅基團與另一組分(側(cè)鏈)的端羥基反應得到交聯(lián)固化的修飾涂層。然而，按照體系能量保持最低的原理，涂層在空氣中加熱，憎水基團將取向遷移到表面，形成疏水表面以降低表面能。這種交聯(lián)的疏水表面結(jié)構(gòu)與細胞外層膜的結(jié)構(gòu)相反，形成反細胞外層膜結(jié)構(gòu)的涂層表面。
宮永寬等人(1、Y.-K.Gong，F(xiàn).Mwale，M.R.Wertheimer，F(xiàn).M.Winnik，J.Biomater.Sci.Polymer Edn..2004，15，1423；2、宮永寬，F(xiàn).M.Winnik，化學學報2005，63，643.)用動態(tài)接觸角測量發(fā)現(xiàn)，含磷酰膽堿基團的親水-親油的兩親性聚合物涂層表/界面的組成結(jié)構(gòu)會隨表/界面環(huán)境而發(fā)生顯著變化。在干燥的空氣中形成憎水基團在表面取向的憎水表面；在與水作用過程中，親水基團會遷移取向到固/液界面，取代憎水基團形成親水界(表)面。這種表/界面基團及親/憎水性的變化在一定條件，很大程度上可逆進行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是提供一種可交聯(lián)型親水親油的兩親性三元共聚物；本發(fā)明的另一目的是提供上述兩親性三元共聚物的制備方法；本發(fā)明的還有一個目的是提供上述兩親性三元共聚物在制備仿細胞外層膜結(jié)構(gòu)涂層方面的應用，以為解決通常的兩親聚合物涂層不穩(wěn)定以及四元共聚物形成反仿細胞外層膜結(jié)構(gòu)的問題。
用含可交聯(lián)基團、親水、親油基團的兩親性聚合物涂層，在含水液體中經(jīng)調(diào)控組裝形成仿細胞外層膜結(jié)構(gòu)表面，利用可交聯(lián)基團的縮合反應將調(diào)控形成的仿細胞外層膜結(jié)構(gòu)交聯(lián)固定，獲得穩(wěn)定的親水性表面，達到對材料表面改性的目的。
本發(fā)明的實現(xiàn)過程結(jié)構(gòu)通式(I)表示的三元共聚物， 其中，m、n分別為30～800的正整數(shù)，x為10～200的正整數(shù)；在m、n、x中，m摩爾百分數(shù)為20～70％，n為20～70％，x為9～30％；R1、R2、R3為H或CH3；R4為碳原子數(shù)為4～24的烷烴基；V為丙基三甲氧基硅烷或丙基三乙氧基硅烷；W為2～8個含碳原子鏈連接的親水基團，親水基團是季銨基、磷酰膽堿基團、吡啶鹽、磺酸基、磷酸基、羧酸基或硫酸基。
W為2～8個碳原子鏈連接的磷酰膽堿基團。
上述三元共聚物的制備方法于50～90℃，將引發(fā)劑和親水性單體分批加入到另外兩種單體中進行自由基引發(fā)聚合，反應開始時加入計算量20-50％的引發(fā)劑和親水性單體，然后以20％～80％/小時的速度加入剩余的引發(fā)劑和親水性單體。親水單體、疏水單體與可交聯(lián)基團單體摩爾百分比為20～70∶20～70∶9～30。
上述聚合反應在無水有機溶劑中進行，有機溶劑為含體積比0～30％四氫呋喃的乙醇或異丙醇溶液。
上述三元共聚物可用于制備仿細胞外層膜結(jié)構(gòu)涂層。三元共聚物制備仿細胞外層膜結(jié)構(gòu)涂層采取如下方法進行，將三元共聚物溶于適當?shù)臒o水且不與該聚合物發(fā)生化學反應的有機溶劑(溶解量為每升有機溶劑5-20g三元共聚物)，用浸漬或噴涂方法使聚合物在被修飾材料/器具表面均勻涂覆，真空干燥后得到表面為反細胞外層膜結(jié)構(gòu)的涂層；將這種反細胞外層膜結(jié)構(gòu)的涂層在水中浸泡，進行表面基團取向調(diào)整、三烷氧基硅基團水解及交聯(lián)反應，形成交聯(lián)固定的表面仿細胞外層膜結(jié)構(gòu)的涂層。
涂層處理所用的水中含有重量百分比小于8％的堿金屬無機鹽或/和碳原子數(shù)為1-4的醇。堿金屬無機鹽如NaCl、K2SO4、KNO3等。碳原子數(shù)為1-4的醇可以一元醇，也可以是二元或三元醇，如甲醇、乙醇、正丙醇、乙二醇等。
反細胞外層膜結(jié)構(gòu)的涂層浸泡初期經(jīng)多次浸入-取出處理，能夠加速表面基團遷移取向，較快調(diào)整為仿細胞膜結(jié)構(gòu)。
無水有機溶劑為甲醇、乙醇、異丙醇、四氫呋喃、氯仿或其混合溶劑。
將親水基團固定在涂層表面，用水測定的前進角小于50度。
聚合反應如方程所示反應。
本發(fā)明用含可交聯(lián)基團的親水-親油的兩親性聚合物涂層表面，在空氣中和在含水界面具有不同的表/界面基團，表/界面基團隨環(huán)境可發(fā)生遷移取向的性質(zhì)，在含水介質(zhì)中對涂層表面的自組裝結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，并用交聯(lián)方法將調(diào)整得到的表面仿細胞外層膜結(jié)構(gòu)固定，獲得長期穩(wěn)定的生物相容性表面。
本發(fā)明的涂層是由上述可交聯(lián)兩親聚合物，與無水、且不與該聚合物發(fā)生化學反應的有機溶劑組成的溶液或分散乳液，經(jīng)浸涂或噴涂于材料表面，真空干燥后得到。本發(fā)明的涂層表面仿細胞外層膜結(jié)構(gòu)的調(diào)控組裝及交聯(lián)穩(wěn)定化方法，由于表面親水基團的結(jié)構(gòu)規(guī)整，具有最佳的親水性能和良好的生物相容性?？蓮V泛用于材料表面的親水化處理和生物醫(yī)用材料表面的生物相容性修飾，獲得優(yōu)異的穩(wěn)定性及生物相容性。聚合物中各組分的含量與投料比的差異小于30％。這種涂層表面仿細胞外層膜結(jié)構(gòu)的調(diào)控組裝及交聯(lián)穩(wěn)定化方法可使體內(nèi)植入器材、藥物控釋體系、分離材料及其他材料的表面親水性能及生物相容性明顯提高，具有廣闊的應用前景。本發(fā)明的涂層表面仿細胞外層膜結(jié)構(gòu)的調(diào)控組裝及交聯(lián)穩(wěn)定化方法，也適用于其它類型含烷氧基硅烷可交聯(lián)基團的親水、親油兩親性聚合物涂層表面親水化處理。


圖1為本發(fā)明MPC、BMA和MPS各組分的摩爾含量為38％，50％和12％可交聯(lián)三元共聚物涂層在水中處理前后的衰減全反射紅外光譜。
具體實施例方式
MPC單體可按文獻報道的方法(Ishihara et al.Polym.J，22(5)，355-360，1990；Umedaet al.Makromol Chem 3457-459，1982)合成。甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨(DMC)，2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)，(甲基)丙烯酸正(C4～C24烷基)酯類，甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(MPS)和甲基丙烯酰氧基丙基三乙氧基硅均可從國內(nèi)生產(chǎn)公司購買或Sigma公司購得。
實施例1取甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅(MPS)單體0.58g，甲基丙烯酸正十八烷基酯(SMA)單體3.3g，在250ml三頸瓶中溶于50ml的異丙醇∶四氫呋喃＝3∶1(V/V)的無水混合溶劑中。甲基丙烯酰氧基乙氧基磷酰膽堿(MPC)3.0g和引發(fā)劑AIBN 0.020g分別溶于40ml的上述混合溶劑。通入氮氣除氧30分鐘后，于70℃先同時加入滴加MPC溶液和AIBN溶液的30％，其余部分于3小時滴加完畢。繼續(xù)于70℃回流冷凝、攪拌反應10小時。產(chǎn)物經(jīng)乙醚沉淀、淋洗，乙腈洗劑。干燥后用1H核磁共振譜測定各組分含量。硅烷基團中(Si-CH2-)質(zhì)子化學位移為～0.7ppm；長鏈烷基中質(zhì)子化學位移為1.3ppm；磷酰膽堿基團中(+N(CH3)3)質(zhì)子化學位移為3.2～3.3ppm。由這些特征峰的面積可計算出共聚物中各組分的含量，MPC、SMA和MPS各組分的摩爾含量為46％，43％和11％。
實施例2取甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅(MPS)單體1.2g和甲基丙烯酸正丁烷基酯(BMA)單體4.2g在250ml三頸瓶中溶于80ml的無水乙醇中。甲基丙烯酰氧基乙氧基磷酰膽堿(MPC)3.0g，引發(fā)劑AIBN 0.030g分別溶于40ml的無水乙醇中。通入氮氣除氧30分鐘后，于60℃先同時加入滴加MPC溶液和AIBN溶液的30％，其余部分于2小時滴加完畢。然后于65℃回流冷凝、攪拌16小時。產(chǎn)物經(jīng)乙醚沉淀、淋洗，乙腈洗劑，干燥后用1H核磁共振譜測得MPC、BMA和MPS各組分的摩爾含量為21％，67％和12％。
實施例3取甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅(MPS)單體0.90g和甲基丙烯酸十二烷基酯(DMA)單體2.6g在250ml三頸瓶中溶于80ml的乙醇∶四氫呋喃＝4∶1的無水混合溶劑中。甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨(DMC)3.5g和引發(fā)劑AIBN 0.030g分別溶于30ml的乙醇∶四氫呋喃＝2∶1的混合溶劑。通入氮氣除氧30分鐘后，先于65℃滴加DMC和AIBN溶液的30％，其余部分于2小時滴加完畢。然后于65℃回流冷凝、攪拌24小時。產(chǎn)物經(jīng)乙醚沉淀、淋洗，乙腈洗劑，干燥后用1H核磁共振譜測得DMC、DMA和MPS各組分的摩爾含量為60％，29％和11％。
實施例4取甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅(MPS)單體1.50g，和甲基丙烯酸十二烷基酯(DMA)單體2.8g在250ml三頸瓶中溶于80ml的乙醇∶四氫呋喃＝3∶1的無水混合溶劑中。2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)2.0g和引發(fā)劑AIBN 0.025g分別溶于20ml的乙醇∶四氫呋喃＝2∶1的混合溶劑。通入氮氣除氧30分鐘后，先于65℃滴加AMPS和AIBN溶液的30％，其余部分于1小時滴加完畢。然后于65℃回流冷凝、攪拌24小時。產(chǎn)物經(jīng)乙醚沉淀、淋洗，乙腈洗劑，干燥后用1H核磁共振譜測得AMPS、DMA和MPS各組分的摩爾含量為43％，30％和27％。
實施例5取0.30克實施例1的兩親性可交聯(lián)聚合物(MPC、SMA和MPS各組分的摩爾含量為46％，43％和11％)，溶于40ml含乙醇70％、四氫呋喃30％的無水混合溶劑(v/v)中。將表面清潔的蓋玻片浸入溶液后緩慢取出，溶劑揮發(fā)后重復上述涂覆過程2次。室溫下真空干燥2小時，測得水在涂層表面的前進角為84度。將涂層在20℃水中處理24小時。在最初的1小時內(nèi)，間隔2分鐘將式樣從水中取出后再浸入，重復30次。干燥后測得水在涂層表面的前進角為8～10度(前進角測量方法參見文獻宮永寬，F(xiàn).M.Winnik，化學學報2005，63，643.)。
在20℃水中處理后使干燥的涂層表面與水的接觸的前進角由處理前的84度降低到8～10度；同時衰減全反射紅外光譜方法監(jiān)測到涂層在水中處理前后顯著的紅外吸收變化(圖1)，表明三甲氧基硅基團發(fā)生了水解交聯(lián)反應。
實施例6取0.40克實施例1的兩親性可交聯(lián)聚合物(MPC、SMA和MPS各組分的摩爾含量為46％，43％和11％)，溶于40ml含乙醇70％、四氫呋喃30％的無水混合溶劑(v/v)中。將表面清潔的蓋玻片浸入溶液后緩慢取出，溶劑揮發(fā)后重復上述涂覆過程2次。室溫下真空干燥2小時，測得水在涂層表面的前進角為84度。將涂層在50℃水中處理6小時，干燥后測得水在涂層表面的前進角為40～45度。
實施例7取0.30克實施例2的兩親性可交聯(lián)聚合物(MPC、BMA和MPS各組分的摩爾含量為21％，67％和12％)，溶于30ml含乙醇90％、四氫呋喃10％的無水混合溶劑(v/v)中。將表面清潔的蓋玻片浸入溶液后緩慢取出，溶劑揮發(fā)后重復上述涂覆過程2次。室溫下真空干燥2小時，測得水在涂層表面的前進角為86度。將涂層在40℃含NaCl 3％的水溶液中處理6小時后干燥，測得水在涂層表面的前進角為36～38度。
實施例8取0.30克實施例2的兩親性可交聯(lián)聚合物(MPC、BMA和MPS各組分的摩爾含量為21％，67％和12％)，溶于30ml含乙醇90％、四氫呋喃10％的無水混合溶劑(v/v)中。將表面清潔的蓋玻片浸入溶液后緩慢取出，溶劑揮發(fā)后重復上述涂覆過程2次。室溫下真空干燥2小時，測得水在涂層表面的前進角為86度。將涂層在20℃水中處理6小時后干燥，測得水在涂層表面的前進角為16～18度。
實施例9取0.40克實施例2的兩親性可交聯(lián)聚合物(MPC、BMA和MPS各組分的摩爾含量為21％，67％和12％)，溶于30ml無水甲醇中。將表面清潔的蓋玻片浸入溶液后緩慢取出，溶劑揮發(fā)后重復上述涂覆過程2次。室溫下真空干燥2小時，測得水在涂層表面的前進角為86度。將涂層在20℃水中處理20小時。在最初的1小時內(nèi)，間隔2分鐘將式樣從水中取出后再浸入，重復30次。干燥后測得水在涂層表面的前進角為20～22度。
實施例10取0.50克實施例3的兩親性可交聯(lián)聚合物(DMC、DMA和MPS各組分的摩爾含量為60％，29％和11％)，溶于30ml無水甲醇中。將表面清潔的蓋玻片浸入溶液后緩慢取出，溶劑揮發(fā)后重復上述涂覆過程2次。室溫下真空干燥2小時，測得水在涂層表面的前進角為81度。將涂層在20℃水中處理20小時后干燥，測得水在涂層表面的前進角為15～18度。
實施例11取0.50克實施例4的兩親性可交聯(lián)聚合物(AMPS、DMA和MPS各組分的摩爾含量為43％，30％和27％)，溶于30ml無水乙醇中。將表面清潔的蓋玻片浸入溶液后緩慢取出，溶劑揮發(fā)后重復上述涂覆過程2次。室溫下真空干燥2小時，測得水在涂層表面的前進角為83度。將涂層在含7％乙醇的水中20℃處理24小時后干燥，測得水在涂層表面的前進角為22～25度。
權(quán)利要求
1.結(jié)構(gòu)通式(I)表示的三元共聚物， 其中，m、n分別為30～800的正整數(shù)，x為10～200的正整數(shù)；在m、n、x中，m摩爾百分數(shù)為20～70％，n為20～70％，x為9～30％；R1、R2、R3為H或CH3；R4為碳原子數(shù)為4～24的烷烴基；V為丙基三甲氧基硅烷或丙基三乙氧基硅烷；W為2～8個含碳原子鏈連接的親水基團，親水基團是季銨基、磷酰膽堿基團、吡啶鹽、磺酸基、磷酸基、羧酸基或硫酸基。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三元共聚物，其特征在于W為2～8個碳原子鏈連接的磷酰膽堿基團。
3.制備權(quán)利要求1所述的三元共聚物的制備方法，于50～90℃，將引發(fā)劑和親水性單體分批加入到另外兩種單體中進行自由基引發(fā)聚合，反應開始時加入計算量20-50％的引發(fā)劑和親水性單體，然后以20％～80％/小時的速度加入剩余的引發(fā)劑和親水性單體。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，聚合反應在無水有機溶劑中進行，有機溶劑為含體積比0～30％四氫呋喃的乙醇或異丙醇溶液。
5.權(quán)利要求1所述的三元共聚物用于制備仿細胞外層膜結(jié)構(gòu)涂層。
6.權(quán)利要求5所述的三元共聚物制備仿細胞外層膜結(jié)構(gòu)涂層采取如下方法進行，將三元共聚物溶于適當?shù)臒o水且不與該聚合物發(fā)生化學反應的有機溶劑，用浸漬或噴涂方法使聚合物在被修飾材料/器具表面均勻涂覆，真空干燥后得到表面為反細胞外層膜結(jié)構(gòu)的涂層；將這種反細胞外層膜結(jié)構(gòu)的涂層在水中浸泡，進行表面基團取向調(diào)整、三烷氧基硅基團水解及交聯(lián)反應，形成交聯(lián)固定的表面仿細胞外層膜結(jié)構(gòu)的涂層。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述制備仿細胞外層膜結(jié)構(gòu)涂層的方法，其特征在于涂層處理所用的水中含有重量百分比小于8％的堿金屬無機鹽或/和碳原子數(shù)為1-4的醇。
8.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述制備仿細胞外層膜結(jié)構(gòu)涂層的方法，其特征在于反細胞外層膜結(jié)構(gòu)的涂層浸泡初期經(jīng)多次浸入-取出處理，加速表面基團遷移取向。
9.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的三元共聚物制備仿細胞外層膜結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于無水有機溶劑為甲醇、乙醇、異丙醇、四氫呋喃、氯仿或其混合溶劑。
10.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的方法，其特征是將親水基團固定在涂層表面，用水測定的前進角小于50度。
全文摘要
結(jié)構(gòu)通式(I)表示的三元共聚物，其中，m、n分別為30～800的正整數(shù)，x為10～200的下整數(shù)；在m、n、x中，m摩爾百分數(shù)為20～70％，n為20～70％，x為9～30％；R
文檔編號C08J7/12GK1916040SQ200610105049
公開日2007年2月21日 申請日期2006年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月25日
發(fā)明者宮永寬, 楊珊, 宮銘, 馬佳妮, 張世平 申請人:西北大學