专利名称：带烯丙基侧基的聚乙二醇-脂肪族聚(酯-碳酸酯)及其制备方法与用途的制作方法
带烯丙基侧基的聚乙二醇-脂肪族聚(酯-碳酸酯)及其制备方法与用途 技术范围
本发明涉及带烯丙基侧基的聚乙二醇-脂肪族聚(酯-碳酸酯)及其制备 方法与用途，属于生物医用高分子材料领域。
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。可生物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、聚酸酑、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s-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，在聚合物的分子链上引入功能基团的研究尤为活跃，因为带有 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 有耙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；连接具有其它生物活性的分子，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
4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。
有价值的功能侧基包括羧基(COOH)、氨基(顺2)、羟基(OH)、巯基(SH) 等。要合成带这些功能侧基的聚合物， 一般是先合成带有功能基团的单体， 然后迸行聚合或共聚合。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、s-己内酯 衍生物、吗啉二酮衍生物、N-羰基-a-氨基酸酐(NCA)和二氧六环二酮衍生 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，功能性环状脂肪族碳酸酯单体原料易得，合成比较容易，聚合 效率较高，所得聚合物的分子量也比较髙。中国专利CN1323795A披露了 5-苄氧基一三亚甲基碳酸酯的合成方法，中国专利CN1335330A披露了聚 (5-苄氧基一三亚甲基碳酸酯)及其制备方法与用途。概括说来，就是合成 5-节氧基-三亚甲基碳酸酯，将它们聚合，再通过氢化还原得到带侧羟基的 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。该专利中经过保护和脱保护这两个步骤。因而合成过程 复杂，成本较高。中国专利200510107434.2将上述环状碳酸酯单体与脂肪 族环酯单体共聚，改善了聚合物的生物相容性和生物降解性，但依然采用 保护和脱保护的方法进行合成。最近有人(参见B. D. MULLEN, et al.， NewAliphatic Poly(ester-carbonates) Based on 5-Methyl-5-allyloxycarbonyl國l，3曙 dioxan國2画one， Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry, 2003， Vol.41，1978~1991)合成出一种带烯丙基的环状脂肪族碳酸酯单体, 即2-甲基-2-烯丙氧羰基三亚甲基碳酸酯，并将它与丙交酯、s-己内酯共聚 合，获得了相应的共聚物。聚合反应用二价锡作催化剂，聚合产物是一种 脂溶性聚合物，作为生物医用材料使用有其局限性，聚合产物的用途仅限 于双键的环氧化。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种带烯丙基侧基的双亲性嵌段共聚物聚乙 二醇-脂肪族聚(酯-碳酸酯)，它与文献报道的脂溶性脂肪族聚(酯-碳酸酯) 相比，有截然不同的理化性质和用途。
该嵌段共聚物的聚乙二醇嵌段的数均分子量为400 5000;脂肪族聚(酯 -碳酸酯)嵌段是带烯丙基的脂肪族环状碳酸酯单体2-甲基-2-烯丙氧羰基 三亚甲基碳酸酯与脂肪族环酯的无规共聚物；所述的脂肪族环酯单体是丙 交酯、乙交酯和e-己内酯中的一种、两种或三种的混合物，它们之间的比 例不限；所述的带烯丙基的环状脂肪族碳酸酯单体与脂肪族环酯单体的总 的摩尔比为l:99 50:50，所述的单体2-甲基-2-烯丙氧羰基三亚甲基碳酸
酯的分子结构式是本发明的目的之二是提供这种带烯丙基侧基的双亲性嵌段共聚物聚乙 二醇-脂肪族聚(酯-碳酸酯)的制备方法，即在无水无氧的条件下，以分子
量为400 5000的单端羟基聚乙二醇作为大分子引发剂，加入单体总质量 1/100 1/1000的乙基锌作引发剂，在加热40 100TC和搅拌的条件下聚合 1 10h，并将产物沉淀、过滤、洗涤、真空干燥，得到带烯丙基的环状脂 肪族碳酸酯单体及脂肪族环酯单体与聚乙二醇的嵌段共聚物；
所述的共聚单体为带烯丙基的脂肪族环状碳酸酯单体2-甲基-2-烯丙 氧羰基三亚甲基碳酸酯和环酯单体；环酯单体是丙交酯、乙交酯和e-己内 酯中的一种、两种或三种的混合物，它们之间的比例不限；所述的带烯丙 基的环状脂肪族碳酸酯单体与脂肪族环酯单体的总的摩尔比为1:99 50:50。
本发明的目的之三是提供上述带烯丙基侧基的双亲性嵌段共聚物聚乙 二醇-脂肪族聚(酯-碳酸酯)的应用，利用其分子链上的烯丙基与药物分子、 多肽或蛋白质分子、单糖或多糖分子或者经过修饰的药物分子、多肽或蛋 白质分子、单糖或多糖分子反应，制成这些物质的高分子键合物；或者， 将它们转化为可反应的羧基、氨基、羟基、巯基、环氧基团，进而与药物 分子、多肽或蛋白质分子、单糖或多糖分子或者经过修饰的药物分子、多 肽或蛋白质分子、单糖或多糖分子反应，制成这些物质的高分子键合物。 这些键合物主要用于药物的定向输送和控制释放，特别是高分子前药，也 用作细胞识别和粘附、免疫分析、抗原/抗体的分离和纯化，以及组织工程 支架材料等。
所述药物分子是紫杉醇、阿霉素和其它可与双键、羧基、氨基、羟基、巯基、环氧基团反应的药物分子；短肽是含RGD氨基酸序列的短肽 NH2-RGD-C0NH2、 GRGDY-I2、 GRGDSY-12、 GRGDS和RGDS或其它可与双键、羧 基、氨基、羟基、巯基、环氧基团反应的短肽；糖类是葡萄糖、乳糖和半 乳糖或其它可与双键、羧基、氨基、羟基、巯基、环氧基团反应的糖分子; 蛋白质包括抗原、抗体、酶、病毒和疫苗；其它生物活性物质包括生物素 (biotin)、生物素结合蛋白(Avidin)和叶酸(folic acid)等。
如果待键合分子或经过修饰的待键合分子可以直接与上述聚乙二醇-聚(酯-碳酸酯)上的双键反应，则可直接进行这种反应。例如当待键合分子 含有巯基时，它们可与聚合物的侧双键反应
j-COOCH2CH=CH2 +HS-CH2CH2— - |~~COOCH2CH2CH2-S-CH2CH2—
如果待键合分子或经过修饰的待键合分子不能直接与上述乙二醇-聚 (酯-碳酸酯)上的双键反应，则可先将乙二醇-聚(酯-碳酸酯)上的双键转化 为可与它们反应的基团，如羧基、氨基、羟基、巯基、环氧基团，进而与 待键合分子或经过修饰的待键合分子反应。这些转化反应有
(A)迈克尔(Michael)反应将带侧双键的本发明的所述的聚合物与
巯基乙酸或末端基团为巯基的其它化合物反应，所用溶剂为二氯甲烷或者 四氢呋喃，反应温度为室温，反应时间48 72小时，侧链则转化为羧基或 其它基团。其中两个代表性的反应方程式是
-COOCH2CH=CH2 + HS-CH2COOH -—COOCH2CH2CH2-S-CH2COOH
—COOCH2CH=CH2 +HS-CH2CH2NH2 -—COOCH2CH2CH2-S-CH2CH2NH2(B)侧烯丙基硅烷化将带侧双键的本发明的所述的聚合物溶解在氯仿
或四氢呋喃中，与硅烷化试剂进行氢硅加成反应，将相应的反应基团引入 侧基，如NH2， SH，环氧等。代表性反应方程式为
—COOCH2CH=CH2
—COOCH2CH=CH2
一COOCH,ChNCH,
OCH3
H—Si-CH2CH2CH2-NH2 OCH3_
OCH3 H—Si-CH2CH2CH2-SH OCH3_
CH3 o H—Si-CH2-C")CH2 OCH3
OCH3
-COOCH2CH2CH「Si-CH2CH2CH2-NH2 OCH3
OCH3
—COOCH2CH2CH「Si-CH2CH2CH2-SH OCH3
CH3 o —COOCH2CH2CH2—Si-CH2-cAA:H2 OCH3
(C)侧双键环氧化将带侧双键的本发明的所述的聚合物溶解在氯仿 中，加入氧化剂，在氯仿回流的条件下反应4 8小时，双键完全被氧化且 没有聚合物的主链降解和副反应发生。反应方程式如下
—COOCH2CH=CH2
CHCI3
o
-COOCH2CH—CH2
(D)侧双键羟基化将带侧双键的本发明的所述的聚合物溶于四氢呋 喃，依次加入硼烷的四氢呋喃溶液、蒸馏水、氢氧化钠溶液和双氧水，反 应温度01C，反应时间l 2h。反应的方程式如下
BH3 or B2H6 H202/NaOH
-COOCH2CH=CH2 - -
THF H20
—COOCH2CH2CH2-OH
以上都属于高分子反应，反应的活性和选择性都比较高，相关的官能
9团不需要保护和脱保护。
以上由聚合物的侧双键转化成的羧基、氨基、羟基、巯基和环氧基团， 可以与药物分子、多肽或蛋白质分子、单糖或多糖分子或者与经过修饰的
药物分子、多肽或蛋白质分子、单糖或多糖分子反应，制成这些物质的高 分子键合物。应当根据待键合分子所具有的可反应官能团，选择相应的聚 合物官能团、偶联反应和催化剂。举例如下
(1) 待键合分子含有羟基，则将本发明的所述的聚合物的侧双键转化为 羧基，或者反过来，当待键合分子含有羧基时，则将聚合物的侧双键转化 为羟基，然后以二环己基碳二亚胺(DCC)为脱水剂进行酯化反应。具体反 应条件为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的量为聚合物羟基或羧基摩尔量的1 5倍，反应温度0 25'C，反应时间10 48h。
(2) 与短肽分子键合的方法将本发明得到的带侧羟基的共聚物聚乙二 醇-脂肪族聚(酯-碳酸酯)和生物活性物质溶解在溶剂二氯甲烷、N， N-二甲 基甲酰胺、二甲亚砜或它们的混合物中，以二环己基碳二亚胺(DCC)为催 化剂进行反应。DCC的量为本发明的所述的聚合物羟基摩尔量的1 5倍， 反应温度0 25。C，反应时间10 48h。
(3) 与蛋白质分子的键合待键合分子含有自由氨基时，则将本发明的 所述的聚合物的侧双键转化为羧基，或者反过来，当待键合分子含有羧基 时，则将聚合物的侧双键转化为伯氨基，然后以N-羟基琥珀酰亚胺(NHS) 或1, 1，-羰基二咪唑(CDI)活化羧基，最后，与待键合的伯氨基縮合，形 成酰胺键。反应方程式如下<formula>formula see original document page 11</formula>
(CDI)
有益效果本发明所制备的带烯丙氧侧基的聚乙二醇-脂肪族聚(酯-碳 酸酯)是一种双亲性嵌段共聚物，它具有双亲性聚合物所特有的自组装功 能，在水体系中能够组装成纳米胶束或胶囊，这是亲脂性聚合物所不能做 到的。
本发明制备带烯丙基侧基的聚乙二醇-脂肪族聚(酯-碳酸酯)双亲性嵌 段共聚物的方法，是以端羟基聚乙二醇为大分子引发剂，将带烯丙基侧基 的环状脂肪族碳酸酯单体与环酯单体进行无规开环共聚，使用二乙基锌催 化剂，与二价锡催化剂相比，无毒，聚合活性高，产物分子量高，共聚单 体无规分布。
本发明所合成的聚合物上的侧双键的引入，以及将它们转化为羟基、 羧基、氨基、环氧等的反应，不要求进行保护和脱保护，不造成聚合物主 链的降解。这对脂肪族聚酯的化学改性来说，是难得的优点。
本发明所合成的聚合物上的侧双键，处于烯丙氧基上，并且通过一个 酯桥与聚合物主链相连，因而具有较高的反应活性，后续连接或转化成的 基团，与聚合物主链间都存在相当长的间隔基，因而具有较高的反应活性。
具体实施例方式
实施例l: 2-甲基-2-烯丙氧羰基-1,3-丙二醇的合成基丙酸和4. 30g的氢氧化钾溶解在50ml N， N-二甲基甲酰胺中。在100'C下，剧烈搅拌lh，使其形成2，2-二羟甲基丙酸 钾盐。然后将丙烯溴加入到上述溶液中，在1001C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-烯丙氧羰基-1，3-丙二醇7.9克，产率为68%。其 结构由质子核磁共振谱确认。
实施例2: 2-甲基-2-烯丙氧羰基三亚甲基碳酸酯(单体A)的合成
将10g 2-甲-2-烯丙氧羰基-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01C左右。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9.2g，产率 80%。
实施例3:在聚乙二醇存在下单体A与乳酸的共聚
在无水无氧的条件下，以分子量为5000的甲氧基聚乙二醇(PEG)为 大分子引发剂，取单体A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60X:下搅拌反应2h，产物用三氯甲垸溶解，甲醇沉淀， 过滤，洗涤，35C下真空干燥24h，，得到聚乙二醇与单体A及乳酸的共聚 物。典型的聚合结果见表1.
表l.在聚乙二醇存在下单体A与乳酸的共聚
序号单体A (摩尔)丙交酯 (摩尔)重量收率 (%)Mw (104)PDI
10. 100. 90892. 041. 18
12实施例4:侧双键羟基化
将带侧双键的聚合物2. 7g(0. 13 mmol)在O"C溶于300ml THF,向其中 加入硼垸的四氢呋喃溶液3mmo1， 01C反应2小时。然后加入25ml水，25ml NaOH溶液(3N)和25ml H202(30%)。反应进行1小时后，再加入300ml水， 溶剂旋转蒸发除去，聚合物在水中沉淀出来，除去水，251C下真空干燥至 恒重，得到白色的聚合物粉末。
实施例5:侧双键与巯基的反应
将带侧双键的聚合物0.5 g (0.025 mmol)溶于20ml二氯甲烷，向其 中加入等摩尔的巯基乙酸，反应在室温下进行48小时，真空浓缩，用大量 乙醚沉出，并用甲醇洗涤三次，251C下真空干燥至恒重，得到侧链含有羧 基的聚合物。
实施例6:带羟基的聚合物与生物素(biotin)的连接
将0. 32g (0. 016 mmol)实施例5得到的聚合物溶于10ml N, N-二甲基 甲酰胺，溶液用冰水冷却，然后加入22mg (0.09 mmol)的生物素，再加 入21mg (0. lmmol) 二环己基碳二亚胺(DCC),在0'C搅拌反应48h，过滤 掉不溶物，真空浓縮，用大量乙醚沉出，并用甲醇洗涤三次，251C下真空 干燥至恒重。
实施例7:带羧基的聚合物与紫杉醇键合
将0. 6g (0. 03 mmol)带实施例6得到的聚合物溶解在20ml N， N-二甲 基甲酰胺中，用冰/水浴使之冷却，然后加入等当量的三乙胺和二环己基碳 二亚胺(DCC)，在(TC搅拌反应24h，然后加入20mg紫杉醇，室温反应24 h，过滤掉不溶物，真空浓縮，用大量乙醚沉出，并用N，N-二甲基甲酰胺洗涤三次，251C下真空干燥至恒重。
实施例8:带羟基的聚合物与叶酸(folic acid)的连接
将0. 40g (0. 020 mmol)实施例5得到的聚合物溶于10ml N， N-二甲基 甲酰胺，溶液用冰水冷却，然后加入32mg (0.074 mmol)的叶酸，随后 加入21mg (0. l咖ol) 二环己基碳二亚胺(DCC)，在OIC搅拌反应24h， 过滤掉不溶物，真空浓縮，用大量乙醚沉出，并用甲醇洗涤三次，251C下 真空干燥至恒重。
实施例9:带羧基的聚合物与短肽RGD的连接
将0.5g (0.025 mmol)实施例6得到的聚合物溶解在20ml N，N-二甲 基甲酰胺中，用冰/水浴使之冷却，然后加入等当量的三乙胺和氯甲酸对硝 基苄酯，在O"C搅拌反应24h，然后加入20mg (0.058咖ol) RGD，室温 反应24h，过滤掉不溶物，真空浓縮，用大量乙醚沉出，并用N，N-二甲基 甲酰胺洗涤三次，25'C下真空干燥至恒重。 实施例10:带羧基的聚合物与葡萄糖的连接
将0. lg实施例6得到的聚合物(28.6 nmol C00H)溶解于2ml DMSO， 加入含有6. 5mg CDI的DMSO溶液中，在60C下搅拌24h后加入氨基功能 化了的葡萄糖(16.9mg，57. 1^imol)和2ml DMSO混合溶液，601C下搅拌24h， 然后冷却至室温，真空浓縮，用大量甲醇沉淀，产物用乙醇洗三次，25"C 下真空干燥至恒重。
实施例11:带羧基的聚合物与乳糖的连接
将0. 5g实施例6得到的聚合物(30^imol C00H)溶解于2ml DMS0，聚 加入含有68mgCDI的DMS0溶液中，60'C下搅拌24后，加入氨基功能化了的乳糖(20mg)和2ml DMSO混合溶液，60"C下搅拌24h，然后冷却至室温， 真空浓縮，用大量甲醇沉淀，产物用乙醇洗三次，251C下真空干燥至恒重。
权利要求
1.一种带烯丙基侧基的聚乙二醇-脂肪族聚(酯-碳酸酯)，它是在聚乙二醇存在下，将带烯丙基的脂肪族环状碳酸酯单体与脂肪族环酯单体进行开环共聚得到的聚乙二醇与脂肪族聚(酯-碳酸酯)的嵌段共聚物；其中聚乙二醇嵌段的数均分子量为400～5000；脂肪族聚(酯-碳酸酯)嵌段为带烯丙基的脂肪族环状碳酸酯单体为2-甲基-2-烯丙氧羰基三亚甲基碳酸酯和脂肪族环酯的无规共聚物；所述的脂肪族环酯单体是丙交酯、乙交酯和ε-己内酯中的一种、两种或三种的混合物，它们之间的比例不限；所述的带烯丙基的环状脂肪族碳酸酯单体与脂肪族环酯单体的总的摩尔比为1∶99～50∶50；所述的单体2-甲基-2-烯丙氧羰基三亚甲基碳酸酯的分子结构式是
2.权利要求1所述的带烯丙基侧基的聚乙二醇-脂肪族聚(酯-碳酸酯)的制备方法，其特征在于在无水无氧的条件下，以分子量 为400 5000的单端羟基聚乙二醇作为大分子引发剂，加入单体总质 量1/100 1/1000的乙基锌作引发剂，在加热40 100"C和搅拌的条 件下聚合1 10h，并将产物沉淀、过滤、洗涤、真空干燥，得到不 饱和环状脂肪族碳酸酯单体及脂肪族环酯单体与聚乙二醇的嵌段共 聚物；其中的共聚单体为带烯丙基的脂肪族环状碳酸酯单体2-甲基 -2-烯丙氧羰基三亚申基碳酸酯和环酯；单体2-甲基-2-烯丙氧羰基 三亚甲基碳酸酯的结构式是环酯单体是丙交酯、乙交酯和e-己内酯中的一种、两种或三种的 混合物，它们之间的比例不限；所述的带烯丙基的环状脂肪族碳酸酯单体与脂肪族环酯单体的 总的摩尔比为l:99 50:50。
3.如权利要求1所述带烯丙基侧基的聚乙二醇-脂肪族聚(酯-碳酸酯)的应用，其特征在于，利用其分子链上的烯丙基，与药物分 子、多肽或蛋白质分子、单糖或多糖分子或者经过修饰的药物分子、 多肽或蛋白质分子、单糖或多糖分子反应，制成这些物质的高分子键 合物；或者，将侧双键转化为可反应的羧基、氨基、羟基、巯基、环 氧基团，进而与药物分子、多肽或蛋白质分子、单糖或多糖分子或者 经过修饰的药物分子、多肽或蛋白质分子、单糖或多糖分子反应，制 成这些物质的高分子键合物。
全文摘要
本发明涉及一种带烯丙基侧基的聚乙二醇-脂肪族聚(酯-碳酸酯)及其制备方法与应用，属于生物医用高分子材料领域。在端羟基聚乙二醇存在下，将带烯丙基的脂肪族环状碳酸酯与环酯单体进行开环共聚，得到侧基含有烯丙基聚乙二醇-脂肪族聚(酯-碳酸酯)。该类聚合物是双亲性嵌段共聚物，且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。利用功能性侧基-双键及其功能化，可以将药物、活性短肽或其它具有生物活性的分子连接到聚合物上，改善聚合物的生物相容性和生物活性，因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C08G63/00GK101591432SQ20091014585
公开日2009年12月2日 申请日期2006年12月29日 优先权日2006年12月29日
发明者吕常海, 庄秀丽, 景遐斌, 全 石, 胡秀丽, 谢志刚, 陈学思 申请人:中国科学院长春应用化学研究所