用于制备可降解聚合物网络的方法

专利名称：用于制备可降解聚合物网络的方法
技术领域：
本发明涉及用于制备可降解聚合物网络的方法。另外，本发明涉及可降解聚合物网络。此外，本发明涉及可降解聚合物网络的应用。
背景技术：
组织工程的多学科领域的发展已产生一组新的组织替代部件和实施策略。在生物材料、干细胞、生长和分化因子、以及仿生环境方面的科学进步已产生在实验室中通过工程化细胞外基质(“支架”)、细胞、和生物活性分子的组合用于制造组织的独特机会。因此，在组织工程中，这些支架材料的物理、化学和生物性能是非常重要的。其上培养细胞的基质的刚性会影响细胞行为。在软组织工程中，支架将机械刺激传递给细胞和组织，并经受体内重复的动态负载。而且在体外，这可能是需要的，因为在细胞培养期间细胞接种的组织工程支架的机械刺激会增强工程化组织的发育以及它们的功能。在此方面，允许细胞粘附和增殖的柔性的和非柔性的、形状稳定的和可再吸收弹性的或非弹性的聚合物网络是特别令人感兴趣的，包括无定形和半晶体聚合物材料。具有这些性能的交联聚合物材料是本发明的目的。聚(碳酸三亚甲基酯)(PTMC)是生物相容的和可生物降解的聚合物，其具有大约_17°C的玻璃化转变温度(Tg)。可以通过在惰性气氛中照射来交联这种无定形和柔性聚合物以形成抗蠕变的和形状稳定的网络。这类弹性聚合物尤其用作软组织工程的支架材料或用作控制释放系统的长效制剂、或用于设计植入物，如抗黏附膜或血管修复术。抗蠕变性和形状稳定性是所期望的性能。在体内，通过表面侵蚀，PTMC较快地降解，而没有释放酸性降解产物。为了扩大这种聚合物的适用性，需要开发具有可调节的较低侵蚀速率的基于碳酸三亚甲基酯(TMC)的材料。聚(D，L-丙交酯)(PDLLA)是生物相容的和可生物降解的聚合物，其用于可吸收缝线、受控药物释放系统、和 组织工程支架的制备。PDLLA是玻璃状的、非晶体脂肪族聚酯，其通过体内本体水解而降解。当照射时，观测到TOLLA分子量降低。(D，L)_丙交酯是可以用来制备I3DLLA的单体。TMC和DLLA的共聚物呈现介于PTMC和TOLLA之间的中间物理性能取决于共聚物的组成，可以调节玻璃化转变温度、弹性模量值、拉伸强度和降解速率。这使得这些聚合物适用于许多生物医学应用。然而，在体温下，玻璃化转变温度低于生理温度的无定形未交联共聚物具有较差的形状稳定性。因此，在交联以后，高压灭菌可以用作由这些共聚物制备的医疗器械的灭菌方法。聚己内酯(PCL)是具有约60°C的低熔点和约_60°C的玻璃化转变温度的可生物降解聚酯。这种聚合物经常用作树脂添加剂用来改善它们的加工特性和它们的最终使用性能(例如，耐冲击性)。聚(L-丙交酯)(PLLA)是源自可再生资源(如玉米淀粉或甘蔗)的可生物降解的、热塑性的、脂肪族聚酯。PLLA是源于L，L-丙交酯(也称为L-丙交酯)聚合反应的产物。PLLA具有50-80°C的玻璃化转变温度和170_200°C的熔化温度。PLLA目前用于多种生物医学应用，如缝线、支架，透析介质和药物递送装置。它还被评价为组织工程的材料。PLLA和TOLLA已被用作用于形成聚合物囊泡的小泡膜的两亲性合成嵌段共聚物的疏水性嵌段。PLLA和TOLLA是石化衍生产物的可持续的替代物，因为由其最终产生它们的丙交酯可以源自农业副产物(如玉米淀粉)或其他富含碳水化合物的物质(如玉米、糖或小麦)的发酵。聚乙二醇(PEG)是具有从工业制造到医药的许多应用的聚醚化合物。它也称为聚环氧乙烷(PEO)或聚氧乙烯(POE)。PEG、PEO或POE是指环氧乙烷的低聚物或聚合物。通过环氧乙烷与水、乙二醇或乙二醇低聚物的相互作用来产生聚乙二醇。上述反应是通过酸性或碱性催化剂来催化的。它是多种轻泻药(例如，包含聚乙二醇的产品)和许多护肤霜的基础。可以对PTMC、无定形和半晶体聚(丙交酯)、PCL和PEO聚合物(当它们交联时)进行高压灭菌的灭菌。对于基于它们各自单体的共聚物情况也是如此。已知高能辐射通过形成自由基、离子、或可以使聚合物交联的激发态引起聚合物结构的化学变化。当照射时，对于一些聚合物，交联占优势，而对于其他聚合物，则断链是主要的。对于生物医学应用而言，Y照射和电子束照射已广泛用于改变聚合物生物材料的表面或本体性能以及用来以低成本方式对它们进行灭菌。Y照射是用于对(聚合物)生物材料灭菌的广泛使用的低成本方法。高能Y射线可以引发自由基反应或离子反应，导致所灭菌材料的表面性能和本体性能的改变。对于一些聚合物，在Y照射期间观测到交联，而对于其他聚合物，照射则导致断链或解链反应和分子量的降低。这些降低的分子量可以限制可吸收的聚合物植入物(如组织工程支架、骨折固定装置或缝合线)的使用寿命(由于机械强度的迅速降低和装置的解体)。而且当植入由可生物降解聚合物制备的药物释放基质时，分子量的降低可以导致早期发生质量损失并影响药物释放特性。Y 照射显著改善PTMC的抗蠕变性和形状稳定性。通过Y照射通过增加PTMC的交联效率，可以防止照射对网络拉伸性能的不利影响。获得的较高的凝胶含量和网络密度将进一步改善抗蠕变性并且还减慢降解和侵蚀。降解是通过聚合物骨架中的键断裂导致的聚合物断链过程。这导致聚合物链长度减小。侵蚀是聚合物基体的质量损失，这可能是由于单体、低聚物、聚合物链或其部分的丧失。侵蚀可以是生物、化学或物理作用的结果。因此，应当清楚的是聚合物降解是聚合物侵蚀过程的一部分。另一种类型的聚合和交联是令人感兴趣的由可降解低聚物制备的大分子单体的游离基聚合和交联。两种过程均已用来在环境温度下有效地制备可吸收性聚合物网络。在现有技术中不断地需要进一步开发用于制备生物相容的和可降解的聚合物网络的方法。

发明内容
本发明的一个目标是(除其他以外)提供具有无定形结构和低玻璃化转变温度的柔性的、生物相容的和可降解的聚合物网络，具体地，具有低玻璃化转变温度和可调节降解性能的形状稳定的和抗蠕变材料的可降解聚合物网络。本发明的目的还在于制备具有不同柔韧性、不同弹性模量值以及增加的形状稳定性的聚合物网络，并且允许制备适合通过高压灭菌或热处理来灭菌的材料。
按照本发明，通过包括以下各项的用于制备可降解聚合物网络的方法来实现此目标(除其他以外)a)在20°C至200°C的温度下制备包括以下单体的聚合物组合物环状碳酸酯和/或环状酯和/或直链碳酸酯和/或直链酯和/或环醚和/或直链羟基羧酸；b)添加交联剂，其包含至少一个C-C双键或C-C三键和/或交联自由基引发剂；c)将聚合物组合物(其包含交联剂)加工成所期望的形状；d)通过照射混合物进行交联。聚合物网络是具有将一个聚合物链连接到另一个聚合物链上的键的聚合物。它们可以是共价键或离子键。术语“交联聚合物”还可以用于聚合物网络。聚合物是由通常通过共价化学键连接的重复结构单元组成的大分子(也称为高分子)。由其制备聚合物的化合物称为单体。单体是一种或多种、两种或更多种、三种或更多种环状碳酸酯和/或环状酯和/或环醚和/或直链碳酸酯和/或直链酯和/或直链羟基羧酸。碳酸酯是在碳氢化合物中具有至少一个碳酸酯基-0_C( = 0)-0-(如一个碳酸酯基、两个碳酸酯基、三个碳酸酯基)的碳氢化合物。酯是在碳氢化合物中具有至少一个酯基-C00-(如一个酯基、两个酯基、或三个酯基)的碳氢化合物。羟基羧酸是具有包含第二有机基团羟基(-0H)的羧酸(有机官能团-C00H)的碳氢化合物。环状分子具有环结构，如芳基、或芳环。直链分子是烃链，如烷烃。可以在步骤a)中在惰性气氛下通过单体或单体混合物的反应来制备本发明的聚合物组合物。它可以是氮气、氩气或真空。在机械搅拌下进行反应直至均质化。搅拌直至均质化是搅拌直到形成对于肉眼观察而言均匀的混合物。可以通过任何其他类型的搅拌或混合来进行搅拌。按照本发明的可降解聚合物是可吸收的聚合物和/或可生物降解的聚合物。本发明的聚合物网络可以是无定形、半晶体或晶体。交联剂可以是交联剂或交联助剂。当它仅有助于形成更好的聚合物网络(在没有该试剂的情况下也形成网络)时，该试剂是交联助剂。仅当试剂存在时才形成网络，该试剂是交联剂。更好的网络可以是具有更高凝胶含量的网络、更加抗蠕变的网络、或更有弹性的网络。交联剂包含至少一个C-C双键或C-C三键，如一个以上、两个以上、三个以上、四个以上C-C双键或C-C三键。C-C双键或C-C三键还分别称为SP2-SP2碳-碳键或sp-sp碳-碳键。C-C键应当理解为碳-碳键。本发明的材料的交联可以在高温下(如通过高压灭菌或热处理)对由可降解聚合物网络制造或用其涂覆的装置进行灭菌。自由基引发剂是在一些条件下(如暴露于照射、光、温度变动、或电化学反应)可以产生自由基物质的化学物质。具体类型的自由基引发剂可以是光引发剂、热引发剂或氧化还原引发剂。它们分别是当暴露于光、温度变化或暴露于电化学反应时产生自由基物质的化学物质。照射是将物品暴露于辐射的过程。辐射通常可以是电离辐射，如电子束处理、X射线或Y射线，但此术语也应用于非电离辐射如在可见光、紫外线或红外光谱区中的光辐射，或微波。如果在适当水平下给予，则所有这些形式的辐射可以用来对物体灭菌，即它是用于生产医疗器械和一次性用品(如注射器)，以及用于对食物消毒和灭菌的技术。在步骤a)中的温度范围是20°C至200 V之间，如20 V、25 °C、30 V、35 °C、40 V、45 °C >50 °C >55 °C >60 °C >65 °C >70 °C >75 °C >80 °C >85 °C >90 °C >95 °C >100 °C >105 °C >110 °C、115 °C >120 °C >125 °C >130 °C >135 °C >140 °C >145 °C >150 °C >155 °C >160 °C >165 °C >170 °C、175°C、18(TC、185t、19(rC、195t、20(rC，优选 10(TC 至 20(TC。交联剂是帮助形成聚合物网络的化合物。它们产生将一个聚合物链连接到另一个聚合物链上的键。它们可以是共价键。当通常是指使用交联来促进聚合物的物理性能的差异时，使用术语“交联”。按照本发明，交联剂选自由以下组成的组丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、多丙烯酸酯、多甲基丙烯酸酯、延胡索酸酯、多延胡索酸酯、马来酸酯、多马来酸酯、马来酸酐、衣康酸酯或多衣康酸酯。丙烯酸酯和多丙烯酸酯分别包含一个、和数个丙烯酸酯单元。丙烯酸酯单元包含一个乙烯基和一个酯基。它也称为丙烯酸酯(propenoate)并具有化学式C3H302。甲基丙烯酸盐/酯(CH2 = CMeCOO-)是甲基丙烯酸的盐或酯。甲基丙烯酸酯包含甲基-乙烯基，即，彼此双键键合的两个碳原子直接连接于羰基碳上，并且其中用非末端甲基取代乙烯基。多甲基丙烯酸酯化合物包含数个甲基丙烯酸酯基。延胡索酸酯具有通式(O2CCH = CHCO2)并且可以用烷基或酰基来取代。多延胡索酸酯包含数个延胡索酸酯基。马来酸酯是相应延胡索酸酯的顺式异构体。多马来酸酯包含数个马来酸酯基。马来酸酐(也称为顺式丁烯二酸酐或马来酸酐(toxilic anhydride)或二氢_2，5_ 二氧呋喃)是化学式为C2H2 (CO) 20的有机化合物。衣康酸酯是衣康酸的酯。衣康酸或亚甲基丁二酸是无毒的，并且易于生物降解。衣康酸酯还称作2-亚甲基丁二酸酯并且包含两个酯(-C00-)和sp2(C-C双键)甲基取代(在位置2处)。多衣康酸酯包含数个衣康酸酯基。按照本发明，交联 剂选自由以下组成的组丙烯酸酯官能化的聚(碳酸三亚甲基酯)类低聚物、甲基丙烯酸酯官能化的聚(碳酸三亚甲基酯)类低聚物、延胡索酸酯官能化的聚(碳酸三亚甲基酯)类低聚物、丙烯酸酯官能化的聚(D，L-丙交酯)类低聚物、甲基丙烯酸酯官能化的聚(D，L-丙交酯)类低聚物、延胡索酸酯官能化的聚(D，L-丙交酯)类低聚物、丙烯酸酯官能化的聚(L-丙交酯)类低聚物、甲基丙烯酸酯官能化的聚(L-丙交酯)类低聚物、延胡索酸酯官能化的聚(L-丙交酯)类低聚物、丙烯酸酯官能化的聚(ε -己内酯)类低聚物、甲基丙烯酸酯官能化的聚(ε -己内酯)类低聚物、延胡索酸酯官能化的聚(ε -己内酯)类低聚物、丙烯酸酯官能化的聚(乙二醇)类低聚物、甲基丙烯酸酯官能化的聚(乙二醇)类低聚物、延胡索酸酯官能化的聚(乙二醇)类低聚物、二丙烯酸亚乙酯、二丙烯酸乙二醇酯、二丙烯酸四乙二醇酯、二丙烯酸聚乙二醇酯、三丙烯酸三羟甲基丙烷酯、三甲基丙烯酸三羟甲基丙烷酯、三丙烯酸季戊四醇酯、四丙烯酸季戊四醇酯、二甲基丙烯酸乙二醇酯、二甲基丙烯酸四乙二醇酯、二甲基丙烯酸聚乙二醇酯以及它们的衍生物。甲基丙烯酸甲酯(MMA)是2-甲基丙_2_烯酸甲酯并具有线型化学式C5H802。二丙烯酸亚乙酯具有化学式C8HltlCV三丙烯酸季戊四醇酯(PETA)也称为2-丙烯酸2-(羟甲基)-2_ [[(1-氧代-2-丙烯基)氧基]甲基]-1，3-丙二基酯并具有线型化学式(H2C =CHCO2CH2)3CCH20H。照射包含作为交联剂的三丙烯酸季戊四醇酯的PTMC薄膜使得以这种方式形成的PTMC网络不仅具有非常高的凝胶含量，而且具有极好的弹性体性能在拉伸试验中，试样显示低模量值、和高断裂强度和断裂伸长。当循环加载时，永久变形非常低。另外，以这种方式进行的交联还导致网络的酶侵蚀速率降低。三丙烯酸三羟甲基丙烷酯(TMPTA)具有线型化学式(H2C = CHCO2CH2)3CC2H5。三甲基丙烯酸三羟甲基丙烷酯具有线型化学式[H2C = C(CH3)CO2CH2]3CC2H5。四丙烯酸季戊四醇酯具有化学式(H2C = CHCO2CH2)4C。二甲基丙烯酸乙二醇酯具有化学式 CltlH14O4,也命名为 CH2 = C (CH3) C (O) OCH2CH2OC (O) C (CH3) = CH2,而二甲基丙烯酸四乙二醇酯具有化学式C14H2206。聚乙二醇是环氧乙烷和水的缩聚物，通式为H (OCH2CH2)nOH,其中η是重复的氧化乙烯基的平均数。它们的衍生物是指由任何有机基团和/或烷基、链烯基、炔基、芳基取代的上述交联剂。在一种最优选的实施方式中，步骤b)包含按聚合物组合物的总重量的重量百分比计，0. 01至15wt%,优选O.1 % wt至10% wt,更优选O. 5% wt至8% wt,最优选I % wt至5% wt的交联剂。按照本发明的方法，在步骤a)中的单体获自选自下组的环状碳酸酯碳酸三亚甲基酯、碳酸亚乙酯、二乙二醇双烯丙基碳酸酯、和它们的衍生物。碳酸三亚甲基酯称为1，3_ 二氧杂环己烧_2_丽(I, 3_ 二卩惡烧_2_丽，I, 3-dioxan-2_one)并具有化学式C4H603。化学式为C3H4O3的碳酸亚乙酯称为I，3-二氧杂环戊烷-2-酮(l，3-dioxolan-2-one)。二乙
二醇双烯丙基碳酸酯具有化学式c12h18o7。按照本发明的方法，在步骤a)中的单体获自选自下组的环状酯L_丙交酯、D-丙交酯、D，L-丙交酯、ε -己内酯、二噁烷酮、聚乙二醇、乙交酯、和它们的衍生物。L-丙交酯是左旋丙交酯对映体，D-丙交酯是右旋对映体并且D，L-丙交酯是外消旋混合物。ε -己内酯或简称己内酯是环状酯(内酯家族的一个成员)，具有七元环，具有化学式(CH2) 5C02。二噁烷酮是二噁烷衍生物(羰基代替亚甲基)并具有化学式C4H603。乙交酯，1，4-二噁烷-2，5-二酮，具有化学式C4H404。按照本发明的方法，在步骤a)中的单体获自选自下组的直链碳酸酯碳酸二乙酯或碳酸二苯酯。碳酸二乙酯具有化学式C5HltlO3并且碳酸二苯酯具有化学式C13HltlO315按照本发明的方法，在步骤a)中的单体获自选自下组的直链酯富马酸单乙酯、富马酸二乙酯、对苯二甲酸二甲酯、对苯二甲酸二乙酯。富马酸单乙酯还称作(E)-丁烯二酸二甲酯并具有化学式C6H804。富马酸二乙酯还称作(E)-2-丁烯二酸二乙酯并具有化学式C8H1204。对苯二甲酸二甲酯和对苯二甲酸二乙酯分别具有化学式C12H1404。按照本发明的方法，在步骤a)中的单体获自选自下组的直链醚聚乙二醇和它的衍生物。聚乙二醇(PEG)还被称为聚环氧乙烷(PEO)或聚氧乙烯(POE)，是指环氧乙烷的低聚物或聚合物。它们的衍生物是指在任何位置由烧基、链稀基、块基、酸基、环烧基、环块基取代的单体。取代基可以携带有机基团。具有低玻璃化转变温(Tg)的可吸收聚合物网络和无定形低聚物可以基于碳酸三亚甲基酯(TMC)、D，L-丙交酯(DLLA)、和ε -己内酯(CL)单体以及聚(癸二酸甘油酯)，并已由数个组发展并且显示弹性体性能。在存在光引发剂下当UV照射时，或通过游离基聚合的热或氧化还原引发，具有(甲基)丙烯酸酯基或延胡索酸酯基的这些相对低分子量聚合物的末端官能化可以形成网络。以这种方式获得的柔性网络的最终拉伸强度和断裂伸长值随着大分子单体分子量和交联之间的分子量的增加而显著增加。按照本发明的方法，在步骤a)中的聚合物组合物包含按总共聚物的摩尔百分比计，40%摩尔至85%摩尔，优选50%摩尔至70%摩尔，更优选60%摩尔至70%摩尔的环状或直链碳酸酯单体含量。碳酸酯可以是碳酸三亚甲基酯。按照本发明的方法，交联自由基引发剂选自下组光引发剂、热引发剂、氧化还原引发剂。自由基引发剂可以是任何可商购引发剂。在本发明的一种更优选的实施方式中，这些方法包括在步骤b)中，按聚合物组合物的总重量的重量百分比计，O. 001 % wt至O. 1% wt,优选O. 005% wt至O. 075% wt,更优选O. 01% wt至O. 05% wt，最优选O. 025% wt的自由基引发剂。在本发明的又另一种优选的实施方式中，步骤b)包含溶剂，该溶剂是丙酮、二氯甲烷、氯仿、四氯化碳、碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、二甲基亚砜、甲苯、苯、四氢呋喃或1，4_ 二噁烷。丙酮具有化学式CH3COCH3, 二氯甲烷具有化学式CH2Cl2,氯仿具有化学式CHCl3,四氯化碳具有化学式CC14。碳酸亚乙酯和碳酸亚丙酯分别是乙二醇或丙二醇和碳酸的酯。它们具有化学式C3H4O3和C4H6O315 二甲基亚砜(DMSO)是化学式为(CH3)2SO的有机硫化合物。苯和甲苯是化学式分别为C6H6和C7H8的芳烃。四氢呋喃(THF)具有化学式C4H8O15 1,4- 二噁烷具有化学式C4H8O2。按照本发明的方法，在步骤d)中的照射是紫外线、可见光、红外、微波、或Y照射。紫外线照射具有I至400nm的波长， 可见光照射具有400至SOOnm的波长，并且红外照射具有O. 8 μ m至300 μ m的波长。微波照射具有300MHz (O. 3GHz)至300GHz的频率。在本发明的一种优选实施方式中，Y照射包括10至150kGy，优选20至120kGy，更优选25至IOOkGy的辐射。KGy是指千戈瑞(辐射的测量单位)。辐射源可以是钴6°、或任何其他Y源。按照本发明的方法，在步骤c)中的聚合物组合物的所期望的形状是在20°C至200°C，优选100°C至180°C，更优选130°C至150°C，最优选140°C的温度下，通过压缩模制、挤出、注射模制或铸造(铸膜，casting)来获得。可以通过压缩模制来获得聚合物薄膜，上述压缩模制是一种模塑方法，其中首先将通常预热的模制材料放入开放的、加热的模腔中。通过顶柱塞或塞构件来闭合模具，施加压力以迫使材料接触所有模具区，同时保持加热和加压直到模制材料固化。挤出是一种方法，其用来产生具有固定横截面形状的物体。将材料推动或拉动通过具有所期望的横截面的模具。相对于其他制造过程，这种过程的两个主要优点是它能够产生非常复杂的横截面和加工脆性材料，这是因为材料仅受到压缩和剪切应力。它还形成具有极好表面光洁度的成品部件。注射模制是用于生产聚合物材料部件的制造过程。将材料送入加热机筒中，混合，并迫使进入模腔，在此它冷却并且硬化成模腔的形状。在设计产品以后，通常用钢或铝来制造模具并加以精密机械加工以形成所期望部件的特点。注射模制广泛用于制造各种各样的部件。铸造(铸膜)可以是通过溶剂浇注。溶剂浇注是通过以下步骤用于形成热塑性物品的过程将阳模浸溃到树脂的溶液或分散液中并抽走溶剂以留下附着于模具上的一层塑料薄膜。按照本发明的方法，在步骤c)中聚合物组合物的所期望的形状是薄膜，该薄膜具有I μ m至1000 μ m的厚度，优选10 μ m至750 μ m，更优选50 μ m至600 μ m。在一种优选实施方式中，聚合物组合物的制备包括开环聚合和/或缩聚。
开环聚合是加成聚合的一种形式，其中聚合物的末端作为反应中心，其中通过增长，另外的环状单体进行连接以形成更大的聚合物链。用引发剂和催化剂对一些环状化合物的处理造成环的裂解，接着聚合，以产生低聚物或聚合物。通常在惰性条件下(氩气、氮气或真空)以及在加热条件下进行反应。缩聚是一种化学缩合，通过连接单体分子并释放小分子(如水)导致聚合物的形成。在一种更优选的实施方式中，在本发明的方法中聚合物组合物的制备是在100°C至160°C的温度下进行，更优选120°C至150°C。按照另一个方面，可以通过本发明的方法来获得可降解聚合物网络。按照本发明的又一个方面，可降解聚合物网络用于涂覆表面，作为用于热绝缘和/或用于抗氧化绝缘的保护层，用于包装材料的制造。按照本发明的又一个方面，可降解聚合物网络用于制备组织工程、细胞培养、或药物递送中的植入物。通过附图和实施例来进一步描述本发明。附图和实施例用来说明本发明而并不旨在限制它的范围。


附图在实施例中，参照附图，其中图1.初始聚合物分子量和照射剂量对在真空中通过Y照射交联的PTMC薄膜的凝胶含量(A)以及在氯仿中 的溶胀比(B)的影响。图2.用于通过Y-照射不同初始分子量的PTMC薄膜所制备的网络的Charlesby-Pinner图(A),以及初始聚合物分子量对断链的福射化学产率相对于交联的比率((G(S)/G(X))以及对可以获得的最大凝胶百分比(1-S)max)的影响(B)。图3.加入PETA对在25kGy下当照射不同初始分子量的PTMC聚合物时形成的PTMC网络的凝胶含量(A)以及在氯仿中的平衡溶胀比(B)的影响。图4.初始分子量、照射剂量、和PETA含量对PTMC薄膜的弹性模量(A)、屈服强度(B)、断裂应力(C)、和永久变形(D)值的影响。图5. Y照射、PETA含量、和乙醇提取对PTMC88 (A)和PTMC443⑶的应力-应变行为的影响(为了清楚起见，将曲线偏移)。图6.在直接或间接接触PTMC网络下培养的成纤维细胞的存活率。在存在5wt%PETA下通过照射不同分子量的PTMC薄膜来制备网络。开始的两个条棒分别表示空白(仅培养基)和阳性对照的细胞存活率。图7.在存在(5wt% )和不存在PETA下Y照射的PTMC443薄膜在胆固醇酯酶(CE)水溶液中的侵蚀。该图显示随时间推移的相对厚度(A)和相对质量(B)以及相对厚度和相对质量之间的关系(C)。图8.共聚物组成和加入PETA对通过Y照射(25kGy) P (TMC-DLLA)共聚物薄膜所形成的网络的凝胶含量(A)和溶胀比(B)的影响。图9.在直接或间接接触未提取的共聚物网络下培养的成纤维细胞的存活率。在25kGy下在存在5wt% PETA下通过照射共聚物薄膜来制备网络。开始的两个条棒分别表示空白(仅培养基，阴性对照)和阳性对照的细胞存活率。图10. SEM显微照片，显示了在培养15天以后，未照射的P (TMC-DLLA)共聚物薄膜(A、C、E、G、I)和通过Y照射包含5% PETA的共聚物薄膜所制备的未提取网络薄膜(B、D、F、H、J)的巨噬细胞介导的侵蚀。图11.在培养14天以后，在不同的未照射的P(TMC-DLLA)共聚物薄膜上㈧，以及在通过Y照射包含5 % PETA的共聚物薄膜所制备的未提取网络薄膜上(B)，巨噬细胞的密度。图12. UV照射时间和初始聚合物分子量对PTMC均聚物薄膜的凝胶含量(A)和在氯仿中的溶胀比(B)的影响，所述PTMC均聚物薄膜包含5wt % PETA和O. 025wt %光引发剂并且暴露于254nm UV光。值表示为平均值土标准偏差，(η = 3)。图13.在循环拉伸试验中光致交联对PTMC聚合物和网络的滞后行为的影响。曲线显示在(PTMCx)以前以及在光致交联以后(在存在PETA和光引发剂下UV曝光(A、B、C)300分钟)，重复(20个循环)施加50%应变于不同分子量的PTMC均聚物上。图D显示在动态负载下光致交联掺合物的行为。图14.光致交联以及与嵌段共聚物掺合对基于PTMC373的网络的体外酶侵蚀作用的影响随时间推移相对质量降低(A)，以及随时间推移相对厚度减小(B)。图15.由PTMC373制备的光致交联多孔支架的SEM显微照片。A和B显示支架的顶视图。纤维的微孔性不于C中。支架的横截面不于D中。图16.显微照片，显示了在细胞接种以后(A、D、G)、以及在hMSC培养5天(B、E、H)和 10 天(C、F、I)以后，在由 PTMC373 (A、B、C)、PTMC373/PTMC-PCL_PTMC (D、E、F)、PTMC373/mPEG-PTMC(G、H、I)制备的3D制造的和光致交联的支架之上/之中的活细胞。每个支架的横截面不于插图中。图17. SEM显微照片，显示了在hMSC培养5天(A、D、G)和10天(顶视图B、E、H,横截面 C、F、I)以后，在由 PTMC373 (A、B、C)、PTMC373/PTMC-PCL_PTMC(D、E、F)、PTMC373/mPEG-PTMC(G、H、I)制备的3D制造的和光致交联的支架之上/之中的hMSC。图18.在3D制造的和光致交联的PTMC类支架中培养的hMSC的葡萄糖消耗和乳
酸生产。图19.合成的双臂PTMC大分子单体(DMAC) (A)、三臂PTMC大分子单体(TMAC) (B)、和直链PTMC聚合物(C)的化学结构。图20.1rgacure 2959光引发剂浓度对通过UV照射PTMC薄膜120分钟所获得的网络的凝胶含量和溶胀比的影响。图21.所使用的照射时间和交联剂对光致交联的PTMC网络的凝胶含量(A)、和溶胀比(B)的影响。在所有PTMC薄膜中，PI/(聚合物中TMC重复单元)比率是1/1000。PTMC-PI薄膜仅包含光引发剂而不包含PTMC大分子单体。对于包含DMAC和TMAC的PTMC薄膜而言，甲基丙烯酸酯/ (聚合物中TMC重复单元)比率是1/50。图22.代表性曲线，显示了直链和光致交联的提取的PTMC网络薄膜的应力-应变行为。在所有PTMC薄膜中，PI/(聚合物中TMC重复单元)比率是1/1000。PTMC-PI薄膜仅包含光引发剂而不包含PTMC大分子单体。对于包含DMAC或TMAC的PTMC薄膜而言，甲基丙烯酸酯/(聚合物中TMC重复单元)比率是1/50。为了清楚起见，将曲线偏移。图23.直链PTMC和UV交联的(120分钟)提取的PTMC网络薄膜(仅包含光引发剂或光引发剂和PTMC大分子单体)的滞后行为。在所有PTMC网络薄膜中，PI/(聚合物中TMC重复单元)比率是1/1000。PTMC-PI网络薄膜仅包含光引发剂而不包含PTMC大分子单体。对于包含DMAC或TMAC的PTMC网络薄膜而言，甲基丙烯酸酯/(聚合物中TMC重复单元)比率是1/50。为了清楚起见，将曲线偏移。图24. SEM(左)和CLSM(右)显微照片，显示了在通过UV照射120分钟交联的PTMC-P1-TMAC(1/50甲基丙烯酸酯/聚合物中TMC重复单元)薄膜上培养28天以后的hMSC。PI相对于聚合物中TMC重复单元的比率是1/1000。在此图中，细胞核染成蓝色并且肌动蛋白细胞骨架染成绿色。图25. SEM显微照片，显示了由直链PTMC制备的薄膜(A、B)、以及由光致交联(120分钟)的提取的薄膜的巨噬细胞介导的侵蚀，所述光致交联(120分钟)的提取的薄膜具有不同比率的甲基丙烯酸酯/(聚合物中TMC重复单元)=PTMC-PI (C、D)、PTMC-P1-TMAC(1/200) (E、F)、PTMC-P1-TMAC(1/100) (G、H)、PTMC-P1-TMAC(1/50)(1、J)网络薄膜。在所有PTMC网络薄膜中，PI/(聚合物中TMC重复单元)比率是1/1000。PTMC-PI网络薄膜仅包含光引发剂而不包含PTMC大分子单体。图26.在由直链PTMC制备的薄膜、以及光致交联(120分钟)的提取的网络薄膜上培养14天以后巨噬细胞的密度，所述光致交联(120分钟)的提取的网络薄膜具有不同比率的甲基丙烯酸酯/(聚合物中TMC重复单元)。在所有PTMC网络薄膜中，PI/(聚合物中TMC重复单元)的比率是1/1000。PTMC-PI薄膜仅包含光引发剂而不包含PTMC大分子单体。
具体实施例方式实施例实施例1材料按原接收状态使用聚合物级碳酸1，3_三亚甲基酯(TMC, BoehringerIngelheim,德国)、和辛酸亚锡(Sigma，美国)。按原接收状态使用三丙烯酸季戊四醇酯(PETA，Aldrich,美国)。溶剂(Merck,德国，或Biosolve,荷兰)具有分析级。聚合物合成在真空下在130°C下，利用辛酸亚锡作为催化剂，通过TMC单体的开环聚合持续3天来合成聚(碳酸I，3-三亚甲基酯)(PTMC)均聚物。为了控制分子量，不同量的己二醇用作引发剂。通过溶解于氯仿并沉淀到乙醇中，用新鲜乙醇洗涤并在室温下在真空下干燥，来纯化聚合物。聚合物表征使用CDCl3 (Merck,德国)，通过质子核磁共振(1H-NMR)光谱仪(300MHz, VarianInnova,美国)来确定单体转化率。通过凝胶渗透色谱法(GPC，Viscotek美国)来确定纯化的聚合物的数均和重均分子量(分别为涵《和D、多分散指数(PDI)和特性粘度([η])。设备配备有串联放置的 ViscoGEL1-guard-0478、ViscoGEL1-MBHMW-3078、和 ViscoGEL1-MBLMW-3078 柱，以及带有折光检测器、粘度检测器、和光散射检测器的TDA302三检测器阵列(TripleDetectorArray)，从而可以测定绝对分子量。在30°C下利用氯仿作为洗脱剂，在1. Oml/分钟的流速下进行所有测定。PTMC薄腊的制各在140 °C下利用厚度为500 μ m的不锈钢模具，使用实验室压制机(FonteijneTHB008，荷兰)来压缩模制纯化的聚合物。在大约25kg/cm2下模制薄膜，然后利用冷水骤冷至室温。为了在存在PETA下交联PTMC薄膜，将纯化的聚合物和PETA(1或5wt%的聚合物)溶解于二氯甲烷以实现良好的混合。在蒸发溶剂以后，以与纯化聚合物相同方式来制备压缩模制的薄膜。这些包含PETA的PTMC薄膜完全溶于氯仿，从而证实了在这些条件下没有发生交联。Y照射、网络形成和网络表 征在真空下将压缩模制的薄膜密封于层压的聚乙烯/聚酰胺袋(Hevel VacuumB. V·，荷兰)中并暴露于来自6°Co源(Isotron B. V·，Ede，荷兰)的25、δ0或IOOkGy Y照射。为了确定平衡溶胀比和凝胶含量，从照射的薄膜中冲切出盘状试样(厚度为500 μ m，直径为IOmm)并放入30mL CHCl3中持续I周，在3天以后更换溶剂一次。这个过程确保溶胶部分的完全去除。然后称重溶胀的凝胶，在室温下在真空下干燥至恒重并再次称重。分别按照方程(I)和(2)，计算凝胶和溶胶部分
凝齡盼0# =显(O %
i德沿 f0)i%) =^l-^-jxlOO(2)其中，md是干燥的(提取的)样品的质量并且m。是溶胀以前试样的质量。按照方程⑶来计算溶胀比(q)。
/ - \
mm—,A1- Vq = l+p K ——2------(3)
KHixPs PJ其中，!113是提取的和溶胀的样品的质量，并且Pjp Pp分别是氯仿(1.48g/cm3)和 PTMC(1. 31g/cm3)的密度。热性能和机械性能通过差示扫描量热法(DSC)来确定不同PTMC薄膜的玻璃化转变温度(Tg)。在O或25kGy下照射包含O或5wt% PETA的薄膜。在利用乙醇来提取溶胶部分以后，还确定包含PETA的照射的薄膜的Tg。利用PerkinElmer PyrislDSC,在-50至200°C的温度范围内，以10°C /分钟的加热速率，来分析样品(5-10mg)。在第一次扫描后，以300°C /分钟将样品骤冷至-50°C并在5分钟以后记录第二次扫描。由第二次扫描确定报告值。铟、铅、和环己烷用作仪器温度校准的标准品。按照ASTM-D882-91，确定熔化压制的和照射的PTMC薄膜的机械性能，重复三次。以50mm/分钟的十字头速度，操作配备有500N测压元件(load cell)的Zwick Z020拉伸测试仪(Ulm，德国)。初始夹头间距离是50mm并施加O. OlN的预加载。试样变形源自夹头间距离；因此，提供的杨氏模量(由应力-应变曲线的初始斜率计算)值仅给出聚合物刚度的指示。为了评估它们在动态负载条件下的行为，在循环试验中，以50mm/分钟，将试样(η=D重复(20χ)伸长至50%应变。在2h恢复期以后，由第21个循环的应力-应变图估计永久变形。在这些实验中，施加0.01N的预加载，形变源自夹头间距离。数值的误差大约为O. 5%应变。按照ASTM1938，使用裤形试样(η = 3)来确定薄膜的撕裂强度。试样的尺寸是75X25X0. 5mm，具有一半通过试样宽度的50mm长度切口。以250mm/分钟的速度进行测量，重复三次。将报告的最大撕裂强度针对试样的厚度进行归一化处理并以N/mm为单位来表
/Jn ο 为了比较，如上所述，还确定了硅氧烷弹性体(Sylgarcf 184，D0WC0rning，美国)薄膜的机械性能。按照制造商的说明，将厚度为大约500 μ m的硅氧烷弹性体薄膜浇注，然后热固化。细胞存活率测定利用直接和间接MTS [3- (4，5- 二甲基噻唑-2基)_5_ (3-羧甲氧基苯基)_2_ (4-磺苯基)-2H-四唑]测定法来评估Y照射的和未提取的PTMC薄膜(包含5wt% PETA)的可能的细胞毒性。简言之，使用96孔板(5000个细胞/孔)和Dulbecco改良的Eagle培养基(DMEM)来培养小鼠皮肤成纤维细胞(NIH3T3细胞系)。在37°C和5% CO2下温育细胞三天。对于间接细胞毒性评估而言，在37°C和5% CO2下将每种薄膜的未提取圆盘(η =3，直径8mm，厚度500 μ m)与500 μ I DMEM2 —起温育24小时以提取任何可浸出成分。在细胞培养3天以后，用包含可浸出物的DMEM培养基更换培养基。在直接细胞毒性测定中，将未提取的圆盘(η = 3)直接放置在培养中的细胞上。在两种测定中，在培养另外两天以后，测量可溶于培养基的甲騰(formazan)的吸光度。仅用DMEM培养基(阴性对照)温育的细胞培养物获得的平均值被标准化为100%细胞存活率。乳胶橡胶(Hilversum RubberFactory, Hilversum,荷兰)用作阳性对照。体外酶停蚀研究使用来自猪胰腺的胆固醇酯酶(CE)来研究Y照射的PTMC薄膜的酶水解。使用包含作为杀菌剂的0.02wt% NaN3(Sigma，美国)的磷酸盐缓冲盐水(PBS，pH = 7. 4)，以20 μ g/mL的浓度，制备CE酶水溶液。将未提取的盘状薄膜(IOmm直径，大约500 μ m厚度，η = 3/时间点)放入包含Iml的酶溶液的小瓶中并在37°C下调节。每两天更换培养基一次。利用PBS(pH7. 4，η = I/时间点)进行没有酶的对照实验。在冲洗和吸干它们的表面以后，在预定时间点，确定湿试样的质量和厚度。在真空下在室温下干燥试样至恒重以后再次进行测量。结果评估了初始聚合物分子量和三丙烯酸季戊四醇酯含量对Y照射交联行为以及对产生的PTMC网络的物理性能的影响。通过改变引发剂浓度(从O至O.1摩尔％ )，合成了分子量为80-450kg/mol的PTMC聚合物(參见表I，针对每种聚合物在索引中给出分子量)。在所有情况下，单体转化率均高于99%。获得的聚合物的分子量低于由单体相对于引发剂比例可以预期的(假设每个羟基引发ー个增长的聚合物链)。这可能是由于由包含杂质(如水)的羟基引发聚合反应。在压缩模制以后，获得略有降低的i值和较高的多分散指数。表I在压缩模制之前和之后，合成的PTMC均聚物的特性。在括号中给出压缩模制
的聚合物的数值。
权利要求
1.一种用于制备可降解聚合物网络的方法，包括 a)通过在20°C至200° C之间的温度下聚合获自环状碳酸酯和/或环状酯和/或环醚和/或直链碳酸酯和/或直链酯和/或直链醚和/或直链羟基羧酸的单体来制备聚合物组合物； b)添加包含至少一个C-C双键或C-C三键的交联剂和/或交联自由基引发剂； c)将所述聚合物组合物加工成所期望的形状； d)通过照射所述混合物进行交联。
2.根据权利要求1所述的方法，所述交联剂选自由丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、多丙烯酸酯、多甲基丙烯酸酯、延胡索酸酯、多延胡索酸酯、马来酸酯、多马来酸酯、马来酸酐、衣康酸酯、多衣康酸酯、或它们的衍生物组成的组。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述交联剂选自下组二丙烯酸亚乙酯、二丙烯酸乙二醇酯、二丙烯酸四乙二醇酯、二丙烯酸聚乙二醇酯、三丙烯酸三羟甲基丙烷酯、三丙烯酸季戊四醇酯、四丙烯酸季戊四醇酯、二甲基丙烯酸乙二醇酯、二甲基丙烯酸四乙二醇酯、二甲基丙烯酸聚乙二醇酯、丙烯酸酯官能化的聚(碳酸三亚甲基酯)类低聚物、甲基丙烯酸酯官能化的聚(碳酸三亚甲基酯)类低聚物、延胡索酸酯官能化的聚(碳酸三亚甲基酯)类低聚物、丙烯酸酯官能化的聚(D，L-丙交酯)类低聚物、甲基丙烯酸酯官能化的聚(D，L-丙交酯)类低聚物、延胡索酸酯官能化的聚(D，L-丙交酯)类低聚物、丙烯酸酯官能化的聚(L-丙交酯)类低聚物、甲基丙烯酸酯官能化的聚(L-丙交酯)类低聚物、延胡索酸酯官能化的聚(L-丙交酯)类低聚物、丙烯酸酯官能化的聚(ε -己内酯)类低聚物、甲基丙烯酸酯官能化的聚(ε -己内酯)类低聚物、延胡索酸酯官能化的聚(ε -己内酯)类低聚物、丙烯酸酯官能化的聚(乙二醇)类低聚物、甲基丙烯酸酯官能化的聚(乙二醇)类低聚物、延胡索酸酯官能化的聚(乙二醇)类低聚物、或它们的衍生物。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中按所述聚合物组合物的总重量的重量百分比计，所述交联剂包含O. 01至15wt%,优选O. l%wt至10%wt,更优选O. 5%wt至8%wt,最优选l%wt至5%wt的交联剂。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中在步骤a)中的所述单体获自选自下组的环状碳酸酯碳酸三亚甲基酯、碳酸亚乙酯、二乙二醇双烯丙基碳酸酯、和它们的衍生物。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中在步骤a)中的所 述单体获自选自下组的环状酯L-丙交酯、D-丙交酯、D, L-丙交酯、 ε -己内酯、二噁烷酮、乙交酯、和它们的衍生物。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中在步骤a)中的所述单体获自选自下组的直链碳酸酯碳酸二乙酯或碳酸二苯酯。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中在步骤a)中的所述单体获自选自下组的直链酯富马酸单乙酯、富马酸二乙酯、对苯二甲酸二甲酯、对苯二甲酸二乙酯。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中在步骤a)中的所述单体获自选自下组的直链醚聚乙二醇。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中按总共聚物的摩尔百分比计，在步骤a)中的所述聚合物组合物包含40%摩尔至85%摩尔，优选50%摩尔至70%摩尔，更优选60%摩尔至70%摩尔的环状或直链碳酸酯含量。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中所述交联自由基引发剂选自下组光引发剂、热引发剂、氧化还原引发剂。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中按所述聚合物组合物的总重量的重量百分比计，步骤b)进一步包含O. 001%wt至O. l%wt,优选O. 005%wt至O. 075%wt,更优选O. 01%wt至O. 05%wt，最优选O. 025%wt的所述交联自由基引发剂。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中步骤b)包含溶剂，所述溶剂是丙酮、二氯甲烷、氯仿、四氯化碳、碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、二甲基亚砜、甲苯、苯、四氢呋喃或I, 4- 二噁烷。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其中在步骤d)中的所述照射是紫外线、可见光、红外、微波、或Y照射。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述Y照射包括10至150kGy，优选20至120kGy，更优选25至IOOkGy的辐射。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的方法，其中在20°C至200°C的温度下，通过压缩模制、挤出模制、注射模制或铸造，来获得在步骤d)中的所述聚合物组合物的所述期望的形状。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的方法，其中在步骤c)中的所述期望的形状是薄膜，所述薄膜具有I μ m至1000 μ m,优选10 μ m至750 μ m,更优选50 μ m至600 μ m的厚度。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的方法，其中所述聚合物组合物的制备包括开环聚合和/或缩聚。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的方法，其中在100°C至160° C之间、更优选120° C至150° C的温度下，制备所述聚合物组合物。
20.一种可降解聚合物网络，可以通过根据权利要求1至19中任一项所述的方法来获得。
21.一种根据权利要求20所述的可降解聚合物网络的应用，用于涂覆表面，作为用于热绝缘和/或用于抗氧化绝缘的保护层，用于包装材料的制造。
22.一种根据权利要求20所述的可降解聚合物网络的应用，用于制备组织工程、细胞培养、或药物递送中的植入物。
全文摘要
本发明涉及用于制备可降解聚合物网络的方法。用于制备可降解聚合物网络的方法包括a)在20℃至200℃之间的温度下制备聚合物组合物，其包含环状碳酸酯的单体和/或环状酯的单体和/或直链碳酸酯的单体和/或直链酯的单体和/或环醚的单体和/或直链羟基羧酸的单体；b)添加交联剂，其包含至少一个C-C双键或C-C三键，和/或交联自由基引发剂；c)将聚合物组合物(其包含交联剂)加工成所期望的形状；d)通过照射混合物进行交联。另外，本发明涉及可降解聚合物网络。此外，本发明涉及可降解聚合物网络的应用。
文档编号C08J5/18GK103038269SQ201080068305
公开日2013年4月10日 申请日期2010年5月26日 优先权日2010年5月26日
发明者迪尔克·怀伯·格里普玛, 扬·费延, 埃尔汉·巴特 申请人:特温特大学