本发明属于生物材料化学合成领域，尤其涉及一种光致荧光生物可降解聚膦腈及其制备方法。
背景技术：
生物可降解材料在缝合线、载药基体、细胞支架等医学领域具有广阔的应用前景。近50年来，人们对于生物可降解材料的研究主要集中在脂肪族聚酯如聚乙交酯(pga)、聚丙交酯(pla)以及它们的共聚物聚乙丙交酯(plga)等材料体系。脂肪族聚酯类材料具有良好的生物相容性、支持细胞的贴附与增殖、在机体内可完全降解为对人体无毒害的二氧化碳和水，已经在组织再生、药物运载和控制释放等领域得到了广泛的应用。然而，脂肪族聚酯高分子的降解产物呈酸性，且为本体降解机理，其降解后期由于材料结构崩解所引起的酸性降解产物集中释放，在一定程度上制约了这类高分子材料的应用发展。一份有千名病人参与并长达9年的临床研究报告(bonejointsurgbr，1998，80-b：333-338)显示，聚酯降解所产生酸性产物的积累，在局部造成了明显的炎症反应和排异反应。其它的一些合成有机高分子，例如聚酸酐、聚碳酸酯等，也有类似的担心。此外，聚乳酸及其共聚物等脂肪族聚酯由于缺乏可反应官能团，功能化基团(荧光、核磁)引入困难，难以对支架材料的体内表现给予评价和表征。
聚膦腈是一类主链由交替的磷氮原子组成，每个磷原子带有两个有机官能团侧基的有机-无机杂化高分子。由于侧基种类的多样性，通过两种或两种以上侧基的共取代，可以方便地实现聚膦腈的多性质和多功能化。例如，根据应用需求可同时使聚膦腈材料具备靶向位点识别和药物控制释放功能、调节亲疏水性平衡、催化单元和增溶能力共存等等。化学结构的可设计性和材料功能的多样性，赋予了聚膦腈材料广阔的应用领域和发展空间，其中，生物可降解聚膦腈材料在组织修复、药物载体和基因转染等领域，都表现出了优异的性能和极大的应用前景。除了化学结构设计方面的优势，更重要的是，生物可降解聚膦腈的降解产物具有一定的ph缓冲能力，这一点是绝大多数传统的可降解生物材料所不具有的。
在医学标记、探测、跟踪、成像、诊断等生物医学领域，体内成像已成为热点研究方向之一，而这其中，光致荧光材料表现出明显的应用优势，并逐渐显示出在更多领域如组织工程、药物控制释放和肿瘤靶向治疗等方面的巨大应用潜力。常见的荧光生物可降解材料主要分为两种：无荧光性能的生物可降解高分子与荧光物质如量子点、有机染料结合；或是在生物可降解高分子主链或侧基上共价结合具荧光发光结构的化学官能团。但由于这些荧光材料存在制备过程相对复杂、生物相容性相对不足等问题，人们逐渐将目光转向了具有自荧光特性的一些高分子材料，包括树枝状大分子聚酰胺胺(pamam)和特殊单体共聚制备的聚酯材料。但这些具有自荧光特性的高分子材料，往往并不能满足多种生物医学应用对生物可降解材料的多样性需求，而传统的生物可降解高分子又缺乏有机官能团，不利于光致荧光发色官能团的引入。
由此，聚膦腈在发展新型的光致荧光生物可降解材料方面占据了绝对的优势。首先，聚膦腈的磷氮主链本身已具有一定的光致荧光特性。其次，利用聚膦腈主链的高反应性，可在聚膦腈侧链上引入光致荧光发色官能团，提高聚合物的荧光强度和量子效率。第三，聚膦腈分子具有高的结构设计自由度，除了具有荧光效应的官能团，还可以根据需要引入第二或第三等其它功能基团，调节聚合物的生物可降解性能、生物相容性、细胞亲和性等，从而获得一类具有广泛应用前景的功能性光致荧光聚膦腈生物材料。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种光致荧光生物可降解聚膦腈，其特点在于在聚膦腈侧链上引入具有荧光效应的官能团，并同时引入具有降解性能的氨基酸酯侧基，获得一类可在体内光致显影的、荧光强度和降解速率可调节的、可用于组织再生和药物控释等生物医学领域的功能性聚膦腈生物材料。
本发明的光致荧光生物可降解聚膦腈的化学结构如下式所示：
其中x+y＝2，且x不能为0，n＝50-5000的整数；
r为
r’为氨基酸酯，可以是甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、脯氨酸的甲酯、乙酯、丙酯、异丙酯和丁酯中的两种或更多，其比例为侧基总数的70～95％。
本发明的一种光致荧光生物可降解聚膦腈的制备方法如下：
(1)将等摩尔的柠檬酸和巯基乙胺或半胱氨酸酯放入单口烧瓶，加入适量水使物料完全溶解并混合均匀，将体系减压至-0.1mpa，升温至80℃蒸馏除去溶剂水，随后升温至140℃，继续在真空下除水反应5小时，得到tpca或tpde。
(2)通过六氯环三磷腈单体在无水无氧条件下，220-280℃开环聚合48-192小时，制备平均分子量为103-105、聚合度为50～5000的线性聚二氯磷腈。将线性聚二氯磷腈溶于干燥有机溶剂中得溶液a，其中-pncl2-单元的浓度为0.01-0.25毫摩尔/毫升。
(3)将氨基酸酯盐酸盐溶于干燥有机溶剂中，溶液浓度为0.01-0.25毫摩尔/毫升，向其中加入三乙胺，氨基酸酯盐酸盐与三乙胺的摩尔比为1∶2，回流6小时后减压抽滤，得溶液b。
(4)将步骤(1)中制得的tpca或tpde溶于干燥有机溶剂中，得溶液c，溶液浓度为0.01-0.08毫摩尔/毫升。
(5)将步骤(3)准备的溶液b逐滴加入步骤(2)制备的溶液a，氨基酸酯与-pncl2-单元的摩尔比为0.5∶1-1.0∶1，机械搅拌下，在35-60℃反应12-48hr，得反应混合物溶液d。
(6)将步骤(4)准备的溶液c滴加入步骤(5)得到的溶液e，tpca或tpde与-pncl2-单元的摩尔比为0.4∶1-0.05∶1，补加与tpca或tpde等摩尔的三乙胺后，机械搅拌下，体系继续在35-60℃反应12-48hr，得反应混合物溶液e。
(7)将步骤(3)准备的溶液b逐滴加入步骤(6)制备的溶液e，氨基酸酯与-pncl2-单元的摩尔比为0.7∶1-0.05∶1，机械搅拌下，体系继续在35-60℃反应12-48hr，得反应混合物溶液f。
(8)反应结束后，将反应混合物溶液f过滤，滤液经旋转蒸发去除一部分溶剂后得到粘稠状液体，将此粘稠液体置于透析袋(截留分子量3500)中，用四氢呋喃透析纯化3天，每 6-12小时更换一次溶剂。透析结束后，将透析袋内的溶液自然挥发、真空干燥即得r和r’共取代的聚膦腈。
本发明制备方法步骤(1)中使用的半胱氨酸酯，为半胱氨酸甲酯、乙酯、丙酯、异丙酯和丁酯中的一种。
本发明制备方法步骤(3)中使用的氨基酸酯，为甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、脯氨酸的甲酯、乙酯、丙酯、异丙酯和丁酯中的一种或几种。
本发明制备方法步骤(5)和步骤(7)使用的氨基酸酯，可以相同，也可以不同。
本发明制备方法中使用的干燥有机溶剂为四氢呋喃、二氧六环、苯、甲苯中的一种或者几种的混合溶剂。在步骤(2)-(4)中用到的有机溶剂，可以是相同的，也可以是不同的。
本发明的聚膦腈具有光致荧光性和生物可降解性，含有r和r’两种侧基，其中由r侧基提供光致荧光特性，由r’侧基赋予聚膦腈生物可降解性和细胞亲和性。
本发明制备方法的显著特点是，即使只使用一种氨基酸，r’侧基也采取分步取代的方法，这对保证r基团沿聚膦腈主链的均匀取代，以及p-cl键的完全取代，非常关键。
本发明的光致荧光生物可降解聚膦腈，具有荧光强度和生物可降解速率可调控的鲜明特点，调控的原理在于通过控制r和r’两类侧基的取代比例、以及r和r’侧基官能团的分子结构，使聚合物的物理化学性质在很宽的范围内变化，这对满足不同生物医学应用对生物材料具有不同的使用要求，表现出明显的应用优势。
本发明的光致荧光生物可降解聚膦腈，相比于小分子有机荧光分子，具有不易荧光淬灭，不易被光致漂白、受环境ph值影响小的特点，有利于实现长期的光致荧光显影效果。
本发明的光致荧光生物可降解聚膦腈具有良好的生物相容性，作为组织工程研究和应用的细胞支架材料，可实现机体内的无损实时监控，并且随着聚合物主链的无规断链降解，具有光致荧光效应的侧基在聚合物中的含量保持相对稳定，从而可实现机体内无损实时监控植入材料的降解和吸收，具有显著的临床应用意义。
以下结合具体实施方式对本发明的内容进行详细说明，但本发明并不限于以下这些实例，在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换和变更，均应包括在本发明的范围内。
具体实施方式
实施例1
(1)聚二氯磷腈的制备：将10g六氯环三磷腈封于真空玻璃管中，置于250℃反应96小时。待冷却至室温后，用热的干燥石油醚反复洗涤去除未反应的单体及生成的大环磷腈副产物，然后用干燥的四氢呋喃充分溶解过滤后得到聚二氯磷腈的四氢呋喃溶液。
(2)tpca的制备：将0.05mol巯基乙胺和等摩尔数的柠檬酸与1ml水混合直至固体完全溶解。抽真空至-0.1mpa，升温至80℃保持40min除水，继续升温至140℃反应5小时得到tpca。
(3)光致荧光生物可降解聚膦腈的制备：氮气保护下，将含有0.1mol丙氨酸乙酯的四氢呋喃溶液加入含有0.1molp-cl的聚二氯磷腈的四氢呋喃溶液中，同时加入0.12mol三乙胺后于35℃磁力搅拌下反应；24小时后向反应体系中加入含有0.01moltpca与0.01mol三乙胺的四氢呋喃溶液，于35℃磁力搅拌继续反应；24小时后向上述中反应体系中加入含有0.05mol甘氨酸乙酯的四氢呋喃溶液，于35℃磁力搅拌继续反应24小时；反应结束后，过滤，滤液浓缩后用3500分子量规格透析袋透析3天，继续浓缩后真空干燥得到目标聚合物，聚[(tpca)0.2(丙氨酸乙酯)1.4(甘氨酸乙酯)0.4膦腈]。其最大激发波长362nm，最大发射波长429nm，绝对量子效率22.25％。将聚合物溶于四氢呋喃浇铸成膜，浸泡于37℃的磷酸盐缓冲溶液(ph7.4)中12周后，失重约20％。
实施例2
步骤(1)、(2)同实施例1。
(3)光致荧光生物可降解聚膦腈的制备：氮气保护下，将含有0.07mol丙氨酸乙酯的四氢呋喃溶液加入含有0.1molp-cl的聚二氯磷腈的四氢呋喃溶液中，同时加入0.12mol三乙胺后于35℃磁力搅拌下反应；24小时后向反应体系中加入含有0.04moltpca和0.04mol三乙胺的四氢呋喃溶液，于35℃磁力搅拌继续反应；24小时后向上述反应体系中加入含有0.05mol甘氨酸乙酯的四氢呋喃溶液，于35℃磁力搅拌继续反应24小时；反应结束后，过滤，滤液浓缩后用3500分子量规格透析袋透析3天，继续浓缩后真空干燥得到目标聚合物，聚[(tpca)0.6(丙氨酸乙酯)1.0(甘氨酸乙酯)0.4膦腈]。其最大激发波长363nm，最大发射波长427nm，绝对量子效率28％。将聚合物溶于四氢呋喃浇铸成膜，浸泡于37℃的磷酸盐缓冲溶液(ph7.4)中12周后，失重约40％。
实施例3
步骤(1)、(2)同实施例1。
(3)光致荧光生物可降解聚膦腈的制备：氮气保护下，将含有0.1mol缬氨酸乙酯的四氢呋喃溶液加入含有0.1molp-cl的聚二氯磷腈的四氢呋喃溶液中，同时加入0.12mol三乙胺后于40℃磁力搅拌下反应；30小时后向反应体系中加入含有0.01moltpca与0.01mol三乙胺的四氢呋喃溶液，于35℃磁力搅拌继续反应；24小时后向上述中反应体系中加入含有0.05mol甘氨酸乙酯的四氢呋喃溶液，于35℃磁力搅拌继续反应24小时；反应结束后，过滤，滤液浓缩后用3500分子量规格透析袋透析3天，继续浓缩后真空干燥得到目标聚合物，聚[(tpca)0.2(缬氨酸乙酯)1.4(甘氨酸乙酯)0.4膦腈]。其最大激发波长360nm，最大发射波长429nm，绝对量子效率22％。将聚合物溶于四氢呋喃浇铸成膜，浸泡于37℃的磷酸盐缓冲溶液(ph7.4)中12周后，失重约15％。
实施例4
步骤(1)、(2)同实施例1。
(3)光致荧光生物可降解聚膦腈的制备：氮气保护下，将含有0.07mol亮氨酸丁酯的四氢呋喃溶液加入含有0.1molp-cl的聚二氯磷腈的四氢呋喃溶液中，同时加入0.12mol三乙胺后于40℃磁力搅拌下反应；24小时后向反应体系中加入含有0.04moltpca与0.04mol三乙胺的四氢呋喃溶液，于35℃磁力搅拌继续反应；24小时后向上述中反应体系中加入含有0.05mol甘氨酸乙酯的四氢呋喃溶液，于35℃磁力搅拌继续反应24小时；反应结束后，过滤，滤液浓缩后用3500分子量规格透析袋透析3天，继续浓缩后真空干燥得到目标聚合物，聚[(tpca)0.6(亮氨酸丁酯)1.0(甘氨酸乙酯)0.4膦腈]。其荧光性质与例2相似。将聚合物溶于四氢呋喃浇铸成膜，浸泡于37℃的磷酸盐缓冲溶液(ph7.4)中12周后，失重约30％。
实施例5
步骤(1)同实施例(1)。
(2)tpde的制备：将0.05mol半胱氨酸乙酯和等摩尔数的柠檬酸与1ml水混合直至完全溶解。抽真空至-0.1mpa，升温至80℃保持40min除水，继续升温至140℃反应5小时得到tpde。
(3)光致荧光生物可降解聚膦腈的制备：氮气保护下，将含有0.1mol丙氨酸乙酯的四氢呋喃溶液加入含有0.1molp-cl的聚二氯磷腈的四氢呋喃溶液中，同时加入0.12mol三乙胺后于35℃磁力搅拌下反应；24小时后向反应体系中加入含有0.01moltpde与0.01mol三乙胺的四氢呋喃溶液，于35℃磁力搅拌继续反应；24小时后向上述中反应体系中加入含有0.05mol甘氨酸乙酯的四氢呋喃溶液，于35℃磁力搅拌继续反应24小时；反应结束后，过滤， 滤液浓缩后用3500分子量规格透析袋透析3天，继续浓缩后真空干燥得到目标聚合物，聚[(tpde)0.2(丙氨酸乙酯)1.4(甘氨酸乙酯)0.4膦腈]。其最大激发波长346nm，最大发射波长438nm，绝对量子效率22％。将聚合物溶于四氢呋喃浇铸成膜，浸泡于37℃的磷酸盐缓冲溶液(ph7.4)中12周后，失重约20％。
实施例6
步骤(1)同实施例(1)。
步骤(2)同实施例(5)。
(3)光致荧光生物可降解聚膦腈的制备：氮气保护下，将含有0.07mol丙氨酸乙酯的四氢呋喃溶液加入含有0.1molp-cl的聚二氯磷腈的四氢呋喃溶液中，同时加入0.12mol三乙胺后于35℃磁力搅拌下反应；24小时后向反应体系中加入含有0.04moltpde与0.04mol三乙胺的四氢呋喃溶液，于35℃磁力搅拌继续反应；24小时后向上述中反应体系中加入含有0.05mol甘氨酸乙酯的四氢呋喃溶液，于35℃磁力搅拌继续反应24小时；反应结束后，过滤，滤液浓缩后用3500分子量规格透析袋透析3天，继续浓缩后真空干燥得到目标聚合物，聚[(tpde)0.6(丙氨酸乙酯)1.0(甘氨酸乙酯)0.4膦腈]。其最大激发波长347nm，最大发射波长439nm，绝对量子效率29％。将聚合物溶于四氢呋喃浇铸成膜，浸泡于37℃的磷酸盐缓冲溶液(ph7.4)中12周后，失重约40％。
实施例7
步骤(1)同实施例(1)。
步骤(2)同实施例(5)。
(3)光致荧光生物可降解聚膦腈的制备：氮气保护下，将含有0.06mol苯丙氨酸乙酯的四氢呋喃溶液加入含有0.1molp-cl的聚二氯磷腈的四氢呋喃溶液中，同时加入0.12mol三乙胺后于60℃磁力搅拌下反应；24小时后向反应体系中加入含有0.01moltpde与0.01mol三乙胺的四氢呋喃溶液，于35℃磁力搅拌继续反应；24小时后向上述中反应体系中加入含有0.1mol甘氨酸乙酯的四氢呋喃溶液，于35℃磁力搅拌继续反应24小时；反应结束后，过滤，滤液浓缩后用3500分子量规格透析袋透析3天，继续浓缩后真空干燥得到目标聚合物，聚[(tpde)0.2(苯丙氨酸乙酯)0.8(甘氨酸乙酯)1.0膦腈]。其荧光性质与例5相似。将聚合物溶于四氢呋喃浇铸成膜，浸泡于37℃的磷酸盐缓冲溶液(ph7.4)中12周后，失重约10％。
实施例8
(1)聚二氯磷腈的制备：将10g六氯环三磷腈封于真空玻璃管中，置于250℃反应96小时。待冷却至室温后，用热的干燥石油醚反复洗涤去除未反应的单体及生成的大环磷腈副产物，然后用干燥的甲苯充分溶解过滤后得到聚二氯磷腈的甲苯溶液。
步骤(2)同实施例(1)。
(3)光致荧光生物可降解聚膦腈的制备：氮气保护下，将含有0.1mol丙氨酸乙酯的甲苯溶液加入含有0.1molp-cl的聚二氯磷腈的甲苯溶液中，同时加入0.12mol三乙胺后于30℃磁力搅拌下反应；24小时后向反应体系中加入含有0.01moltpca和0.01mol三乙胺的甲苯溶液，于30℃磁力搅拌继续反应；24小时后向上述中反应体系中加入含有0.05mol甘氨酸乙酯的甲苯溶液，于30℃磁力搅拌继续反应24小时；反应结束后，过滤，滤液浓缩后用3500分子量规格透析袋透析3天，继续浓缩后真空干燥得到目标聚合物，聚[(tpca)0.2(丙氨酸乙酯)1.4(甘氨酸乙酯)0.4膦腈]。其荧光性质与降解性质与实施例1相似。
实施例9
步骤(1)、(2)同实施例1。
(3)光致荧光生物可降解聚膦腈的制备：氮气保护下，将含有0.1mol异亮氨酸乙酯的四氢呋喃溶液加入含有0.1molp-cl的聚二氯磷腈的四氢呋喃的溶液中，同时加入0.12mol三乙胺后于35℃磁力搅拌下反应；24小时后向反应体系中加入含有0.01moltpca与0.01mol三乙胺的四氢呋喃溶液，于35℃磁力搅拌继续反应；24小时后向上述中反应体系中加入含有0.05mol丙氨酸乙酯的四氢呋喃溶液，于40℃磁力搅拌继续反应36小时；反应结束后，过滤，滤液浓缩后用3500分子量规格透析袋透析3天，继续浓缩后真空干燥得到目标聚合物，聚[(tpca)0.2(异亮氨酸乙酯)1.4(丙氨酸乙酯)0.4膦腈]。其荧光性质与实施例1相似。将聚合物溶于四氢呋喃浇铸成膜，浸泡于37℃的磷酸盐缓冲溶液(ph7.4)中12周后，失重约15％。
实施例10
步骤(1)、(2)同实施例1。
(3)光致荧光生物可降解聚膦腈的制备：氮气保护下，将含有0.07mol蛋氨酸乙酯的四氢呋喃溶液加入含有0.1molp-cl的聚二氯磷腈的四氢呋喃溶液中，同时加入0.12mol三乙胺后于35℃磁力搅拌下反应；24小时后向反应体系中加入含有0.04moltpca和0.04mol三乙胺的四氢呋喃溶液，于35℃磁力搅拌继续反应；24小时后向上述中反应体系中加入含有0.05mol丙氨酸乙酯的四氢呋喃溶液，于40℃磁力搅拌继续反应36小时；反应结束后，过滤，滤液浓缩后用3500分子量规格透析袋透析3天，继续浓缩后真空干燥得到目标聚合物，聚[(tpca)0.6(蛋氨酸乙酯)1.0(丙氨酸乙酯)0.4膦腈]。其荧光性质与实施例2相似。将聚合物溶于四氢呋喃浇铸成膜，浸泡于37℃的磷酸盐缓冲溶液(ph7.4)中12周后，失重约25％。
实施例11
步骤(1)同实施例(8)。
步骤(2)同实施例(5)。
(3)光致荧光生物可降解聚膦腈的制备：氮气保护下，将含有0.07mol色氨酸乙酯的甲苯溶液加入含有0.1molp-cl的聚二氯磷腈的甲苯溶液中，同时加入0.12mol三乙胺后于40℃磁力搅拌下反应；24小时后向反应体系中加入含有0.04moltpde与0.04mol三乙胺的甲苯溶液，于35℃磁力搅拌继续反应；24小时后向上述中反应体系中加入含有0.7mol丙氨酸乙酯的甲苯溶液，于40℃磁力搅拌继续反应36小时；反应结束后，过滤，滤液浓缩后用3500分子量规格透析袋透析3天，继续浓缩后真空干燥得到目标聚合物，聚[(tpde)0.2(色氨酸乙酯)0.8(丙氨酸乙酯)1.0膦腈]。其荧光性质与实施例6相似。将聚合物溶于四氢呋喃浇铸成膜，浸泡于37℃的磷酸盐缓冲溶液(ph7.4)中12周后，失重约25％。