专利名称：带侧羧基的脂肪族碳酸酯聚合物及其合成方法与用途的制作方法
技术领域：
本发明涉及带侧羧基的脂肪族碳酸酯单体及其聚合物的合成与用途。
背景技术：
近几十年来，随着高分子科学的迅速发展和现代药学、生物学以及工程学的突飞猛进，生物医用高分子材料的研究得到了迅速发展。其中可生物降解的高分子材料，由于在植入体内后不需二次手术取出，因而在手术缝合线、人造皮肤、人造血管、骨固定及修复和药物控制释放等领域得到了广泛应用。生物可降解的合成高分子主要包括脂肪族聚酯、聚氨基酸、聚磷酸酯、聚酸酐、聚原酸酯、聚碳酸酯等。脂肪族聚酯，例如聚丙交酯(PLA)，聚乙交酯(PGA)，聚ε-己内酯(PCL)，具有低的免疫原性和良好的生物降解性和生物相容性，已经被广泛应用于生物医学和医药领域，如骨折固定，手术缝合线，组织工程支架，药物缓释的载体等。
最近，在聚合物侧链引入功能基团的研究尤为活跃，因为侧链带有功能基团的聚合物在实践中有重要意义。例如，在这些功能基团上连接各种药物形成高分子前药，可实现药物的位置可控释放或持续释放；连接具有靶向功能的分子如抗体和多糖，可使聚合物及其胶束、胶囊具有靶向功能；连接具有其他生物活性的分子，可改善材料的生物相容性和生物活性；通过侧链功能基团的引入还可以改变聚合物的降解速率、物理机械性能、亲水疏水性能等。因而带有功能基团的脂肪族聚酯的研究和应用引起了人们的极大兴趣。
侧链的功能基团主要包括羧基(COOH)、氨基(NH2)、羟基(OH)和巯基(SH)等。要合成带功能侧基的聚合物，一般是先合成带有功能基团的单体，然后进行聚合或共聚合。但由于功能基团的存在，在聚合过程中往往伴随不必要甚至有害的副反应，所以以上功能基团首先要保护起来，聚合之后再脱保护。
目前用来与脂肪族环酯共聚的功能单体，有乙交酯衍生物、ε-己内酯衍生物、吗啉二酮衍生物、N-羰基-α-氨基酸酐(NCA)和二氧六环酮衍生物等。它们中有的合成非常困难、收率很低、成本很高，有的聚合活性很低，共聚物分子量低，所能引入的功能单体有限，因而很难有实际用途。相对说来，功能性脂肪族碳酸酯单体的原料易得，合成比较容易，聚合效率较高，所得聚合物的分子量也比较高。中国专利CN1381452A披露了2-乙氧羰基-2-甲基三亚甲基碳酸酯的合成方法，中国专利CN1384128A披露了聚(2-乙氧羰基-2-甲基三亚甲基碳酸酯)及其制备方法与用途，中国专利CN1384129A披露了聚(2-取代基羰基-2-甲基三亚甲基碳酸酯)及其制备方法与用途。概括说来，就是合成2-乙氧羰基-2-甲基三亚甲基碳酸酯或2-甲氧羰基-2-甲基三亚甲基碳酸酯，将它们聚合，再胺解得到带胺侧基的聚合物。该系列专利仅限于该单体的均聚物，众所周知的事实是均聚的脂肪族碳酸酯在人体内的生物降解性能并不理想，因而它在生物医用方面的应用将是有限的。该专利中使用了甲基或乙基来保护羧基，并且仅限于通过胺解将酯基转化为酰胺基，因而进一步在聚合物上键接药物、抗体或其他生物活性分子比较困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种带侧羧基的脂肪族碳酸酯单体2-甲基-2-苄氧羰基三亚甲基碳酸酯及其合成方法；本发明的另一目的是提供一种带侧羧基的脂肪族碳酸酯聚合物及其合成方法；本发明的第三个目的是提供一种带侧羧基的脂肪族碳酸酯聚合物的用途。
带侧羧基的脂肪族碳酸酯单体2-甲基-2-苄氧羰基三亚甲基碳酸酯的结构式为 其中，Bz是苄基，它的合成包括以下三个步骤(1)从2，2-二羟甲基丙酸出发，将其转化为2，2-二羟甲基丙酸盐；(2)2，2-二羟甲基丙酸盐与苄溴反应得到2-甲基-2-苄氧羰基-1，3-丙二醇；(3)2-甲基-2-苄氧羰基-1，3-丙二醇和氯甲酸乙酯反应，得到2-甲基-2-苄氧羰基三亚甲基碳酸酯，反应催化剂为三乙胺，溶剂为四氢呋喃，反应温度0℃，反应时间2～8h。
以上三步可用以下反应方程式表示
其中，Bz是苄基。
采用本合成路线，比直接酯化的反应收率要高得多，合成产物2-甲基-2-苄氧羰基三亚甲基碳酸酯的结构通过质子核磁共振谱(1H NMR)证实，见附图1和附图2。
用上述合成的2-甲基-2-苄氧羰基三亚甲基碳酸酯单体，通过开环聚合得到它的均聚物或与脂肪族环酯的共聚物，具体步骤如下在无水无氧的条件下，向该单体中或它与脂肪族环酯单体的混合物中加入单体总质量1/100～1/1000的乙基锌作引发剂，在80～140℃加热和搅拌的条件下生成聚(2-甲基-2-苄氧羰基三亚甲基碳酸酯)或者它与脂肪族环酯的共聚物，聚合时间为12～72h，产物用沉淀剂沉降，过滤，洗涤，真空干燥，上述脂肪族环酯单体可以是丙交酯(LA)、乙交酯(GA)、ε-己内酯(CL)，或者它们的混合物。
采用催化加氢的方法将上述得到的2-甲基-2-苄氧羰基三亚甲基碳酸酯的均聚物或共聚物中的羧基脱保护，得到带侧羧基的均聚物或共聚物，其方法是将聚合物溶于四氢呋喃和甲醇混合溶剂，体积比9/1至1/9，优选5/1至1/2，通入氢气，氢气压力为0.8～1.2MPa，温度为20～60℃，催化剂为钯/碳或氢氧化钯/碳，搅拌反应24～72h，滤去不溶物，用四氢呋喃和甲醇的混合溶剂洗涤后，浓缩，用甲醇沉降，过滤，洗涤，真空干燥。用本方法可将80～100％的苄酯基转化为羧基，而聚合物得分子主链基本上不降解。
本发明所制备的聚合物主要用作生物医用材料，尤其是药物输送的载体材料、高分子前药以及组织工程支架材料。
将前述带侧羧基的共聚物和带可反应羟基和氨基的药物溶解在溶剂中，溶剂为二氯甲烷、N，N-二甲基甲酰胺或二甲亚砜其中的一种或两种以上混合溶剂，DCC的量为反应物的1～5倍当量，反应温度0～5℃，反应时间10～48h，以二环己基碳二亚胺(DCC)为催化剂进行反应，即可得到可完全生物降解的高分子前药；将前述带侧羧基的共聚物溶解在溶剂中，用NHS和DCC活化聚合物的侧羧基，然后加入短肽进行反应，即可得到可完全生物降解的含有短肽的生物材料，反应溶剂为二氯甲烷、N，N-二甲基甲酰胺、二甲亚砜或它们的混合溶剂，DCC的量为反应物的1～5倍当量，反应温度0～20℃，反应时间10～48h。
图12-甲基-2-苄氧羰基-1，3-丙二醇的质子核磁共振谱。
图22-甲基-2-苄氧羰基三亚甲基碳酸酯的质子核磁共振谱。
具体实施例方式
以下结合具体实例对本发明的技术方案作进一步说明实施例12-甲基-2-苄氧羰基-1，3-丙二醇的合成将9.00g的2，2-二羟甲基丙酸和4.30g的氢氧化钾溶解在50ml N，N-二甲基甲酰胺中。在100℃条件下，剧烈搅拌1h，使其形成2，2-二羟甲基丙酸钾盐。然后将13.80g苄基溴加入到上述溶液中，在100℃条件下，再剧烈搅拌15h。蒸出溶剂，残留物溶解在200ml乙醚中，用50ml蒸馏水洗涤三次，最后用甲苯重结晶得到2-甲基-2-苄氧羰基-1，3-丙二醇8.95克，产率为60％。其结构由质子核磁共振谱确认，见附图1。
实施例22-甲基-2-苄氧羰基三亚甲基碳酸酯的合成将10g 2-甲基-2-苄氧羰基-1，3-丙二醇和28.5g氯代甲酸乙酯溶解在600ml四氢呋喃中，用冰水浴冷却。再把28g三乙胺缓慢加入到上述溶液中，加入过程中保持体系在0℃环境下。然后在室温反应10h。过滤掉沉淀物，滤液减压浓缩，残留物用四氢呋喃和乙醚重结晶，得到白色晶体9.0g，产率82％。其结构由质子核磁共振谱确认，见附图2。
实施例3不同比例的2-甲基-2-苄氧羰基三亚甲基碳酸酯与乳酸的共聚物的合成在无水无氧的条件下，取不同比例的2-甲基-2-苄氧羰基三亚甲基碳酸酯与丙交酯单体，加入单体总质量的1/200的乙基锌作为引发剂，在100℃下搅拌反应20h，产物用二氯甲烷溶解，甲醇沉降，过滤，洗涤，35℃下真空干燥24h，称重计算产率，得到不同比例的2-甲基-2-苄氧羰基三亚甲基碳酸酯与乳酸的共聚物。所得聚合结果见表1。
表1.不同比例的2-甲基-2-苄氧羰基三亚甲基碳酸酯与乳酸的共聚物
实施例42-甲基-2-羧基三亚甲基碳酸酯与乳酸的共聚物的合成将0.2g实施例3所获得的聚合物溶解在30ml四氢呋喃和甲醇(体积比为4比1)中，加入到250ml的反应釜中，再加入氢化还原催化剂氢氧化钯/碳(氢氧化钯的质量含量为20％)，加热50℃，剧烈搅拌反应72h。收集产物，过滤掉不溶的催化剂，并用四氢呋喃和甲醇洗涤三次，用乙醚沉降，过滤，洗涤，35℃下真空干燥24h，即得到2-甲基-2-羧基三亚甲基碳酸酯与乳酸的共聚物。测定脱保护前后的质子核磁共振谱图中苯环氢与聚乳酸特征甲基峰的面积比，计算出有80％的苄酯基转化为羧基。采用凝胶渗透色谱法测定的脱保护前后聚合物的分子量，没有明显变化，说明聚合物分子的主链在脱保护过程中没有发生降解。
实施例52-甲基-2-羧基三亚甲基碳酸酯均聚物的合成将0.2g实施例3所获得的聚合物溶解在30ml四氢呋喃和甲醇(体积比为5比1)中，加入到250ml的反应釜中，再加入氢化还原催化剂钯/碳(钯的质量含量为10％)，加热50℃，剧烈搅拌反应24h。收集产物，过滤掉不溶的催化剂，并用四氢呋喃和甲醇洗涤三次，用乙醚沉降，过滤，洗涤，35℃下真空干燥24h，即得到2-甲基-2-羧基三亚甲基碳酸酯的均聚物。通过脱保护前后的质子核磁共振谱图中的比较，发现苯环的特征峰完全消失，说明苄酯基已转化为羧基。采用凝胶渗透色谱法测定的脱保护前后聚合物的分子量，没有明显变化，说明聚合物分子的主链在脱保护过程中没有发生降解。
实施例62-甲基-2-苄氧羰基三亚甲基碳酸酯与ε-己内酯的共聚物的合成在无水无氧的条件下，取0.2g的2-甲基-2-苄氧羰基三亚甲基碳酸酯与0.2g的ε-己内酯单体，加入单体总质量的1/800的乙基锌作为引发剂，在90℃下搅拌反应15h，产物用四氢呋喃溶解，甲醇沉降，过滤，洗涤，35℃下真空干燥24h，称重计算产率，即得到2-甲基-2-苄氧羰基三亚甲基碳酸酯与ε-己内酯的共聚物。
实施例72-甲基-2-羧基三亚甲基碳酸酯与ε-己内酯的共聚物的合成将0.2g实施例6所获得的聚合物溶解在30ml四氢呋喃和甲醇(体积比为3比1)中，加入到250ml的反应釜中，再加入少量的氢化还原催化剂氢氧化钯/碳(氢氧化钯的质量含量为20％)，加热50℃，剧烈搅拌反应48h。收集产物，过滤掉不溶的催化剂，并用四氢呋喃和甲醇洗涤三次，用乙醚沉降，过滤，洗涤，35℃下真空干燥24h，称重为0.1g，即得到2-甲基-2-羧基三亚甲基碳酸酯与ε-聚己内酯的共聚物。通过脱保护前后的质子核磁共振谱图中苯环氢与ε-聚己内酯特征峰的面积比，可以计算有85％的苄酯基转化为羧基。凝胶渗透色谱法测定的脱保护前后聚合物的分子量没有明显变化，证明聚合物分子的主链在脱保护过程中没有发生降解。
实施例82-甲基-2-苄氧羰基三亚甲基碳酸酯与丙交酯、乙交酯的共聚物的合成在无水无氧的条件下，称取0.2g的2-甲基-2-苄氧羰基三亚甲基碳酸酯、0.08g丙交酯和0.02g的乙交酯单体，加入聚合反应瓶，再加入单体总质量的1/1000的乙基锌作为引发剂，在90℃下搅拌反应10h，产物用三氯甲烷溶解，甲醇沉降，过滤，洗涤，35℃下真空干燥24h，即得到2-甲基-2-苄氧羰基三亚甲基碳酸酯与丙交酯、乙交酯的共聚物。
实施例92-甲基-2-羧基三亚甲基碳酸酯与丙交酯、乙交酯的共聚物的合成将0.2g实施例8所获得的聚合物溶解在30ml四氢呋喃和甲醇(体积比为4比1)中，加入到250ml的反应釜中，再加入少量的氢化还原催化剂氢氧化钯/碳(氢氧化钯的质量含量为20％)，加热50℃，剧烈搅拌反应48h。收集产物，过滤掉不溶的催化剂，并用四氢呋喃和甲醇洗涤三次，用乙醚沉降，过滤，洗涤，35℃下真空干燥24h，称重为0.1g，即得到2-甲基-2-羧基三亚甲基碳酸酯与丙交酯、乙交酯的共聚物。通过脱保护前后的质子核磁共振谱图中苯环氢与聚丙交酯特征峰的面积比，可以计算有90％的苄酯基转化为羧基。凝胶渗透色谱法测定的脱保护前后聚合物的分子量，没有明显变化，证明聚合物分子的主链在脱保护过程中没有发生降解。
实施例10聚(2-甲基-2-羧基三亚甲基碳酸酯-丙交酯)/紫杉醇前药的制备将2.0g的聚(2-甲基-2-羧基三亚甲基碳酸酯-丙交酯)(由凝胶透过色谱测出它的分子量为50100，由核磁计算出碳酸酯的摩尔含量为30％)溶解在40ml二氯甲烷中，用冰/水浴使之冷却，另称取0.01g的紫杉醇溶解在10ml二氯甲烷中。将二者混合，加入等当量的DCC，在0℃搅拌反应48h，过滤掉不溶物，真空浓缩，用大量乙醚沉出，并用甲醇洗涤三次，25℃下真空干燥48h，称重计算产率。通过对紫杉醇和产物的质子核磁共振谱图分析，说明紫杉醇已连接到聚合物上，并通过对紫杉醇和聚合物的特征峰的面积分析，计算出有90％的羧基与紫杉醇发生反应，即聚合物所含羧基总数的90％接上了紫杉醇。
实施例11聚(2-甲基-2-羧基三亚甲基碳酸酯-ε-己内酯)/利福平前药的制备将3.0g的聚(2-甲基-2-羧基三亚甲基碳酸酯-ε-己内酯)(分子量为30000，COOH的摩尔含量为20％)溶解在50ml N，N-二甲基甲酰胺中，用冰/水浴使之冷却，另称取0.02g的利福平，溶解在10ml N，N-二甲基甲酰胺中。将二者混合，加入2倍当量的DCC，在0℃搅拌反应48h，过滤掉不溶物，真空浓缩，用大量乙醚沉出，并用甲醇洗涤三次，25℃下真空干燥48h，称重计算产率。称取1.0g的前药，放入50ml含有蛋白酶的Tri-HCl缓冲液(pH＝8.6)中，使聚合物迅速完全降解，通过紫外-可见分光光度计在473nm的吸收强度，计算出利福平的绝对量为0.0044g，进而得出前药中含有0.44％的利福平。
实施例12聚(2-甲基-2-羧基三亚甲基碳酸酯-丙交酯-乙交酯)/阿霉素前药的制备将4.0g带侧羧基的聚(2-甲基-2-羧基三亚甲基碳酸酯-丙交酯-乙交酯)(分子量为20000，COOH的摩尔含量为10％)溶解在50ml二甲亚砜中，用冰/水浴使之冷却，另称取0.01g的阿霉素，溶解在10ml二甲亚砜中。将二者混合，加入2倍等当量的DCC，在0℃搅拌反应48h，过滤掉不溶物，真空浓缩，用大量乙醚沉出，并用甲醇洗涤三次，25℃下真空干燥48h，称重计算产率。称取1.0g的前药，放入含有蛋白酶的Tri-HCl缓冲液(pH＝8.6)中，使聚合物迅速完全降解，通过紫外-可见分光光度计在483.5nm的吸收强度，计算出阿霉素的绝对量0.0023g，进而得出前药中含有0.23％的阿霉素。
实施例13聚(2-甲基-2-羧基三亚甲基碳酸酯-丙交酯)与短肽RGD的连接。
将2.0g带侧羧基的聚(2-甲基-2-羧基三亚甲基碳酸酯-丙交酯)(分子量为70900，COOH的摩尔含量为10％)溶解在20ml二氯甲烷中，用冰/水浴使之冷却，然后加入1.5倍等当量的DCC和NHS，在0℃搅拌反应48h，然后加入0.002g RGD，10℃反应24h，过滤掉不溶物，真空浓缩，用大量乙醚沉出，并用甲醇洗涤三次，25℃下真空干燥48h。
实施例14聚(2-甲基-2-羧基三亚甲基碳酸酯-丙交酯)/紫杉醇超细纤维的制备。
将实施例10制备的0.3g聚(2-甲基-2-羧基三亚甲基碳酸酯-丙交酯)/紫杉醇溶于5ml氯仿及2ml丙酮的混合溶剂中，然后将溶液加入到10ml注射器中，采用由9号针头制成的直角平口喷丝口。通过静电纺丝的方法得到聚(2-甲基-2-羧基三亚甲基碳酸酯-丙交酯)/紫杉醇超细纤维。
权利要求
1.一种带侧羧基的脂肪族碳酸酯聚合物，其特征在于它是由单体2-甲基-2-苄氧羰基三亚甲基碳酸酯，具有如下结构 其中，Bz是苄基，通过开环聚合和脱保护得到的均聚物或与脂肪族环酯的共聚物。
2.如权利要求1所述的单体2-甲基-2-苄氧羰基三亚甲基碳酸酯的合成方法，其特征在于从2，2-二羟甲基丙酸出发，将其转化为2，2-二羟甲基丙酸盐；再与苄溴反应得到2-甲基-2-苄氧羰基-1，3-丙二醇；再以三乙胺为催化剂，四氢呋喃作溶剂，0℃的条件下和氯甲酸乙酯反应，得到2-甲基-2-苄氧羰基三亚甲基碳酸酯。
3.如权利要求1所述带侧羧基的脂肪族碳酸酯聚合物，其特征在于其中2-甲基-2-苄氧羰基三亚甲基碳酸酯的质量含量为1～100％，脂肪族环酯为丙交酯、乙交酯和ε-己内酯中的一种、两种或三种。
4.如权利要求1所述的开环聚合方法，其特征是在含有2-甲基-2-苄氧羰基三亚甲基碳酸酯单体和脂肪族环酯单体的反应器中，加入单体总质量1/100～1/1000的引发剂乙基锌，在加热和搅拌的条件下进行聚合，聚合时间为2～48h，温度为50～140℃，产物用沉淀剂沉降，过滤，洗涤，真空干燥。
5.权利要求1所述的脱保护方法，包括以下步骤(1)将权利要求4所制备的聚合物溶于四氢呋喃和甲醇的混合溶剂中，其中四氢呋喃和甲醇的体积比为9/1～1/3；(2)加入钯/碳或氢氧化钯/碳催化剂，其中钯的质量含量为5～20％，催化剂中钯与待脱除苄基的摩尔比为1～100％；(3)通入氢气，氢气压力保持在0.8～1.2MPa，温度为20～60℃，搅拌反应24～72h；(4)滤去不溶物，用四氢呋喃和甲醇的混合溶剂洗涤，浓缩，用甲醇沉降，过滤，洗涤，真空干燥。
6.权利要求3所述聚合物，可用作药物输送的载体材料，制备载药的微球、胶囊、纤维或纤维毡。
7.权利要求3所述聚合物，可用于制备高分子前体药物，其方法如下将权利要求3所述共聚物和带有可反应羟基或氨基的药物溶解在溶剂中，以二环己基碳二亚胺(DCC)为催化剂进行酯化或酰胺化反应，得到可完全生物降解的高分子前体药物；其中反应溶剂为二氯甲烷、N，N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜或它们的混合物，反应温度0～5℃，反应时间10～48h。
8.权利要求3所述聚合物，可用于制备带有短肽侧链的可生物降解材料，其方法如下将权利要求3所述聚合物溶解在溶剂中，用N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)和二环己基羰二亚氨(DCC)活化聚合物的侧羧基，然后加入短肽进行反应，得到可生物降解的含有短肽的生物材料；其中反应溶剂为二氯甲烷、N，N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜或它们的混合物，反应温度0～5℃，反应时间10～48h。
全文摘要
本发明从2，2－二羟甲基丙酸出发，合成2－甲基－2－苄氧羰基三亚甲基碳酸酯(见附图)，进而进行开环聚合或与脂肪族环酯单体开环共聚，并催化加氢脱保护，得到带侧羧基的脂肪族聚碳酸酯或脂肪族环酯与碳酸酯的共聚物。该聚合物兼具脂肪族聚酯和碳酸酯的优点，可生物降解，降解产物无毒。利用功能性侧羧基的反应，可以将药物、活性短肽连接到聚合物上，改善聚合物的生物相容性和生物活性，从而可能在药物控制释放、高分子前药和组织工程等领域获得实际应用。
文档编号C08G64/20GK1746207SQ20051010743
公开日2006年3月15日 申请日期2005年9月30日 优先权日2005年9月30日
发明者景遐斌, 谢志刚, 关会立, 陈学思, 吕常海 申请人:中国科学院长春应用化学研究所