新式生物医学高分子材料之合成、结构表征与特性分析

　　新式生物医学高分子材料之合成、结构表征与特性分析第一章绪论1.1课题背景生物医用高分子材料是生物材料的重要组成部分，其发展经历了从生物相容性和生物惰性材料到具有生物活性的硬组织植入或生物降解性医用材料的过程。这些材料不同程度地满足了生物医学及临床应用。随着社会文明的进步及药剂学、医学以及生物医学工程的发展，组织工程和药物载体应用迫切希望能研究开发一种同时具有生物活性和生物降解性的新一代生物医用材料。这种生物医用材料已成为当前国际上材料前沿领域一个十分活跃的研究方向。药物控制释放法是上世纪60年代发展起来的，经过近半个世纪的时间，药物控制释放无论是从方法上还是从剂型上都有了很大的发展。尤其是高分子药物纳米载体控制释放体系不仅能提高药效、简化给药方式、大大降低药物的毒副作用；而且纳米勒向控制释放体系使药物在预定的部位、按设计的剂量、在需要的时间范围内、以一定的速度在体内缓慢释放，从而达到治疗某种疾病的目的。基因治疗是导入正常基因于特定的细胞(癌细胞)中，对缺损或致病的基因进行修复，或者导入能够表达出具有治疗癌症功能的蛋白质基因，或导入能阻止体内致病基因合成蛋白质的基因片段来组织致病基因发生作用，从而达到治疗的目的。高分子纳米材料和脂质体是基因治疗的理想载体，它具有承载容量大、安全性能高的特点。组织工程是应用生命科学与工程的原理和方法构建一个生物装置，用来维护、增进人体细胞和组织的生长，以恢复受损组织或器官的功能。这些组织包括骨组织、神经组织、血管组织、肌腱组织、角膜组织及肝、胰、肾、泌尿系统使用的组织工程支架材料。它的主要任务是实现受损组织和器官的修复或再建，延长寿命和提高健康水平。这种具有生命力的活体组织或器官能对病损组织或器官进行结构、形态和功能的重建，并达到永久替代。高分子科学的发展为新一代生物医用高分子材料的开发提供了重要物质基础。目前作为骨修复替代和骨组织工程支架材料研究较多的人工合成可降解聚合材料包括脂肪族聚酷、聚氨酷、聚酸軒和氨基酸聚合物。各种聚合材料都具有良好的生物安全性和组织相容性，且降解产物无毒。材料的机械强度和降解速率可根据合成的官能基团种类、数目和合成方法进行调节，因而可按需制备出一定强度和降解速率的骨修复材料。 1.2国内外研究概况1.2.1嵌段共聚物嵌段共聚物是指两种或两种以上性质不同的聚合物链段连在一起而成的结合有多种聚合物优良性质、性能优越的功能聚合物材料。这种聚合物相对分子质量可控、相对分子质量分布窄、分子结构与组成可设计，是高分子科学领域最富有意义且具有挑战性的研究课题之一。嵌段共聚物通常可通过活性阴离子聚合、活性阳离子聚合、基团转移聚合以及活性/可控自由基聚合来制备；也可通过阳离子聚合转化法以及力化学法、缩聚反应、偶合反应或特殊引发剂法来实现。具有特定结构的嵌段聚合物会表现出与简单线形聚合物、以及许多无规共聚物甚至均聚物的混合物不同的性质，可用作热塑弹性体、共混相容剂、界面改性剂等；广泛地应用于生物医药、建筑、化工等各个领域，在理论研究和实际应用中都具有重要的意义。1.2.1.1自组装及其应用近十多年来，（双亲)嵌段共聚物由于能够在不同的条件下通过包埋、氢键、静电、亲/疏水相互作用、范德华力、配位键、溶剂效应、空间效应以及疏水堆积效应等形成高度有序的自组装超分子核-壳纳米结构，从而用于生物医学领域作为药物释放的载体，吸引了广泛的关注[1-3]。这种独特的疏水性内核与亲水性外壳结构特征作为疏水难溶性药物输送的工具，可以显著提高药物溶解度和释放效率、提高治疗剂量；而且药物包裹于核中，可以很好地与体内生物环境隔离开来，有效避免药物在释放过程中降解失活，减少毒副反应。由于胶束粒径很小(通常在100rnn以下)，与病毒尺寸极为接近，进入人体后可躲避体内巨唾细胞或网状内皮系统(ESR)的识别和吞唾，增强对细胞膜或肿瘤部位的渗透能力。嵌段共聚物胶束作为一种热力学和动力学稳定体系具有很高的耐稀释性，因而在体内具有长循环特性，能够有更多机会将药物祀向到肿瘤等组织，达到对肿瘤被动祀向的效果。如果在聚合物亲水基团上接上对肿瘤特异性祀向的基团，还可以达到主动祀向的目的[3]。目前，（嵌段)聚合物胶束已成功地被应用于疏水难溶药物的投送中，并展示出良好的应用前景[4-6]。第二章双刷型嵌段共聚物的合成、表征及热敏自组装行2.1引言 近年来，嵌段共聚物，特别是双亲嵌段共聚物，由于能够在不同的条件下通过嵌入、氧键、静电相互作用、疏水相互作用及范德华力等形成高度有序的自组装超分子纳米结构，从而用于生物医学及药物载体领域，因而吸引了广泛的注意.[56_59]。目前它们正成功地用于疏水药物的释放中，表现出良好的应用前景。聚(N-异丙基丙稀酷胺）（PNIPAM)由于其在水溶液中约32°C左右有趣的热诱导的相分离现象得到了广泛研究[58]。这种急突的相转变激发了人们探索其技术应用的热情，于是开发了各种各样的含PNIPAM片段的嵌段共聚物作为药物释放体系用于体外及体内研究应用[59，6]。PEG是一种水溶性的聚合物，具有良好的亲水性、非毒性、生物相容性、无免疫原性，肾脏过滤性及生物降解性[35]，能够形成细胞层，避免蛋白质吸附，以及由此而产生的静脉注射后网状内皮系统所造成的非特异性吸收[61]。因此，PEG成为这些共聚物组合的代表。鉴于药物载体必须具有祀向性和刺激响应性以提高药物的生物利用率，PEG和PNIPAM的组合将会提供药物控制释放体系热响应性能及良好的效率。（：11611等[62]通过原子转移自由基聚合(ATRP)、开环聚合及链接化学的组合合成了PEG-b-PNIPAM-b-聚(S-己内_ABC三嵌段共聚物，研究了它们的热敏自组装行为。Neradovic等[63]*PEG和PNIPAM的热敏嵌段共聚物及聚(N-异丙基两稀酷胺-co-N-(2-经丙基)甲基丙稀酰胺-二乳酸酯）制备了尺寸约50-70nm的纳米粒子，研究了加工及配方因素对纳米粒子尺寸的影响，获得了非常适合于静脉给药后疏水药物祀向释放的纳米粒子。然而，不难发现，这种嵌段聚合物的胶束行为通常与特定的外界条件相关联；当外界条件发生变化时，由于表/界面之间的弱相互作用使胶束具有不稳定性。为了解决这一问题，有必要精心设计合成一种基于共价作用的带有亲水-疏水束缚链的独特结构与性能的类胶束星形嵌段聚合物，以提高胶束的稳定性，并赋予它们特殊的微相分离结构，这无论是在理论上还是应用上都是非常有意义的。通过单电子转移活性自由基聚合制备了由PEG和PNIPAM组成的AB2型双亲嵌段共聚物，揭示了大分子构造对相转变有重要影响。第三章PEG/PANI聚氨酯共聚物.....................55-853.1引言....................55-563.2实验部分....................56-623.3结果与讨论....................62-823.3.1合成的PU样品的FTIR分析....................62-633.3.2微相分离行为....................63-653.3.3表面微观结构....................65-673.3.4热稳定性....................67 3.3.5亲水性研究....................67-693.3.6PU共聚物的降解研究....................69-763.3.7PU共聚物的血液相容性....................76-803.3.8机械性能....................80-823.4本章小结....................82-85第四章高机械性能PMAA/M-g-(PA-b-PEG-b-PA)-g-PNIPAM双刷形嵌段共聚物，PEG/PANIPU共聚物及pH响应的PMAA/M-g-(PA-b-PEG-b-PA)-g-PNIPAM双刷形嵌段共聚物；表面张力、FTIR、NMR和TEM研究结果表明，合成的刷形嵌段共聚物自组装为疏水的PA为内核、热敏性的PNIPAM为壳、亲水的PEG为晕的核-壳-晕球形胶束；DLS和UV-vis测定揭示，刷形嵌段共聚物在不同的微环境中的流体力学半径及透光率具有温度依赖性，其LCST值为34.5-38.0°C，接近人体生理温度。DLS分析揭示，这些胶束具有小于200nm的流体力学直径，其在生理条件下(37°C、pH=7.4或1.4)和LCST温度以上时的胶束尺寸及分布小于或窄于室温下水溶液。大约5.0mgL'低的CMC值说明，制备的刷形共聚物胶束即使在无限稀释的水相和生理介质中也具有高的稳定性。因此，它们可以容易地用于体循环中通过静脉注射注入到大量血液中。MTT实验揭示，本研究共聚物胶束表现出相当低的细胞毒性，用于静脉注射及口服药物释放是安全的。鉴于上述优点，合成的双刷形嵌段聚合物胶束是非常有前途的药物释放载体候选物，可以潜在地用于疏水药物控制释放应用。2)基于不同的扩链剂、PANI含量或苯胺齐聚物以及不同相对分子质量的PEG软段，釆用简单的预聚合方法合成了新颖的PEG/PANI基PU共聚物，对其亲水性、溶胀行为、降解性及血液相容性进行了评价。这些性能与PEG的相对分子质量、硬段类型、团聚体结晶性能及PANI或PANP引入产生的微相分离行为密切相关。溶胀行为与水接触角测定表明，加入掺杂的PANI降低了吸水性能和接触角。随着质子化的PANI含量提高及加入可溶性的PANI*，溶胀比提高，接触角变小，说明具有更好的亲水性。FTIR、SEM、GPC和HINMR结果证明，水解产生的大多数PEG链进入PBS溶液中，而大量棒状PANI由于其疏水性以低交联网络的形式保留在降解残余物中；随着水解时间延长，降解残余物多孔性提高。质量损耗的提高及相对分子质量的下降归因于氨基甲酸酯基团中醋键的分裂。加入掺杂的PANI减小了降解速率，但随着PANI含量提高降解速率提高。DSC和AFM分析确认共聚物中存在微相分离，微区尺寸从25到900 run。微相分离程度随着体系组成不同而变化，从而对生物相容性产生影响。体外血液接触试验揭示：水解、红细胞聚集、血小板激活与细胞生存能力或多或少地依赖于少量PANI或可溶性的PANI*加入及PEG和PANI的相对分子质量。在软段中插入PANI或PANI*以及提高PEG的相对分子质量降低了亲水比和血小板粘附或激活，延长了凝血时间。高含量PANI或可溶性PANI*的加入产生80%以上的细胞生存率。因此，PEG/PANI基PU血液相容性提高的关键因素应是软段微区少量PANI或可溶性PANI*的局部环境造成。固化剂和扩链剂也对润湿性、降解行为及血液相容性有不同的影响，特别是在有HDI和TMP存在下，影响更甚。这些性能可以方便地通过调整组成成分、组分比例、软段相对分子质量、固化剂及扩链剂种类加以调控。应力-应变测试揭示这些开发的PU共聚物的机械性能受到PANI/PEG配料比及分子链柔性的影响。因此，可以制备满足各种应用需要的PU共聚物以提供所希望的初性、强度和模量。3)通过原位自由基交联聚合方法构建并开发了一种机械性能和pH敏感性良好的PMAA/M结果确认PMAA网络紧密地覆盖在MAA链之间的非共价相互作用对溶胀性的提高也有着重要影响，氢键和疏水相互作用间的平衡也不能忽略。溶胀动力学研究表明：MAA网络中产生明显高于空白PMAA水凝胶的溶胀速率。M.H.Dufresne，V.P.Sant,N.Kang,D.MaysingerclgclerMicelles:Preparation,CharacterizationandApplicationinDrugDelivery[J].JControlRelease,2005,109(1-3):169-188.[2]C.Allen,Y.Yu,D.Maysinger,A.Eisenberg.Polycaprolactone-b-poly(ethyleneoxide)BlockCopolymerMicellesasaNovelDrugDeliveryVehicleforNeurotrophicAgentsFK506andL-685,818[J].BioconjugateChem，1998,9(5):564-572.[3]H.icellesBasedonPoly(N-isopropylacrylamide)asDrugCarriers[J].ProgPolymSci，2009,34;893-910.[4]I.S.Kim,Y.Jeong,S.H.Kim.Thermo-sensitiveSelf-assembledMicellesPreparedbyCholicAcidandPoly(N-isopropylacryIamide)[J].ArchPharmRes,2000，23(1):87-89.[5]H.Dautzenberg,Y.Gao，M.Hahn.Formation,Structure,andTemperatureBehaviorofPolyelectrolyteplexesbetosensitivePolymers[J].Langmuir,2000,16:9070-9081.[6]M.Oishi，K.Kataoka,Y.Nagasaki.pH-ResponsiveThree-layeredPEGylatedPolyplexMicelleBasedonaLactosylatedABCTriblockCopolymerasaTargetableandEndosome-disruptiveNonviralCeneVector[J].BioconjugateChem，2006,17:677-688.[7]J.Folkman,D.M.Long.TheUseofSiliconeRubberasaCarrierforProlongedDrugTherapy[J].JSurgRes，1964，4:139-149.[8]Z.Tuzar,P.Kratochvil.BlockandGraftCopolymerMicellesin Solution.[J].AdvColloidInterfaceSci1976,6;201-232.[9]L.Gros，H.Ringsdorf，H.Schupp.PolymericAntitumorAgentsonaMolecularandonaCellularLevel?[J].AngeIntEd,1981，20(4):305-325.[10]M.Yokoyama.BlockCopolymersasDrugCarriers[J].CritRevTherDrugCarrierSyst，1992,9:213-248.(责任编辑：gufeng)