一种基于醛基与氨基反应合成双仿生聚合物的方法与流程

本发明属于材料表面科学和生物医用高分子材料技术领域，具体涉及一种基于醛基与氨基反应合成双仿生聚合物的方法。

背景技术：

材料用于生物体内时易非特异性吸附蛋白，激活补体分子及免疫系统，从而引起凝血、免疫及炎症反应，以致其性能显著降低，甚至失效。这是由于材料生物相容性较差的缘故，因而，生物相容性研究已成为生物材料研究领域中的首要问题。材料表面是材料与生物体接触的媒介，表面的电荷、亲/疏水性、化学组成、形貌等是影响材料与生物体之间界面相互作用的重要因素，是决定材料生物相容性是否优异的主要因素。因此，提高材料表面的生物相容性是解决这一科学问题的关键。将良好生物相容性的物质引入到材料表面改性是改善材料与生物体之间的相互作用，提高材料生物相容性简便而有效的途径。材料表面的生物相容性改性是生物材料研究领域中一个永恒的主题，具有重要的学术意义和巨大的应用前景。

近年来，将具有良好血液相容性的内皮细胞、白蛋白、肝素和聚乙二醇引入到材料表面，可以明显改善其生物相容性，特别是显著提高其血液相容性。但是，这些方法依然存在一些问题。例如：内皮细胞与材料表面的相互作用较差，抗血液冲击能力不佳、易脱落。白蛋白与体内活性组分在材料表面竞争吸附，导致吸附在材料表面的白蛋白含量降低，甚至变性。肝素易水解，致使其活性明显下降，以致诱导出血、血小板减少症等并发症。在猛烈呼吸过程中，聚乙二醇因超氧阴离子和过氧化氢而被氧化，其表面也有不同程度生物污染。

磷酰胆碱(phosphorylcholine，PC)是组成细胞膜基本单元卵磷脂的亲水端基，是细胞外层膜中的外层官能团，同时带有正、负异种电荷，具有较强的结合水的能力和亲水性能，这种结构和组成的表面与生理环境相互作用不仅不会吸附和沉积蛋白质，也不会引发血小板激活、导致凝血等不良反应，具有良好生物相容性。近几年来的研究表明，采用磷酰胆碱基团及其聚合物在材料表面构建具有仿细胞外层膜结构，可以显著改善材料的血液相容性。

物理涂覆包括浸涂、旋涂和滴涂等方式，因其具有工艺简单、操作方便和条件温和的优点，是构建仿细胞外层膜结构获得优异生物相容性表面的理想手段。然而，磷酰胆碱基团的亲水性较强，物理涂覆在材料表面的磷酰胆碱聚合物涂层在复杂的生理环境中容易发生溶解、降解，甚至脱落。因而，需要将可交联或共价键基团引入到磷酰胆碱聚合物中，经过化学反应将该聚合物涂层交联或共价键合在材料表面。这无疑增加了这类磷酰胆碱聚合物合成及应用对表面要求的难度，也使得该技术的处理过程冗长复杂。因此，迫切需要研究开发使用简单、适用面广的表面改性方法。

最近，美国Messersmith课题组将仿蚌类(Mussel)粘附蛋白成分多巴胺(Dopamine)与PEG结合，赋予水溶性聚合物在材料表面优异的粘附性能，获得了具有良好抗生物污染的稳定涂层。该涂层中的多巴胺基团除具有π-π堆积等多种非共价键作用之外，还易氧化聚合形成粘附性聚多巴胺(PDA)，可与包括金属、玻璃和塑料在内的多种基材产生耐水的强粘附作用。此外，多巴胺涂层可通过迈克尔加成或席夫碱反应接枝具有生物功能的分子。这种仿蚌类粘附的表面修饰方法可以弥补目前物理涂覆必须经过复杂的化学处理才能获得稳定涂层的局限性，简化材料表面改性的条件及过程。

用含有细胞外层膜成分磷酰胆碱和蚌类粘附蛋白成分多巴胺的双仿生聚合物改性材料表面，聚合物中的多巴胺侧基从水溶液中可粘附到包括聚四氟乙烯在内的多种材料表面，磷酰胆碱侧基则在涂层表面自动形成仿细胞外层膜结构，显著提高了基底材料的生物相容性。该技术为氧化石墨烯的生物相容性提供了值得探索的可能性。然而，多巴胺单体中的酚羟基是自由基聚合的阻聚剂，因而保护酚羟基是这类单体聚合的必要过程，也是多巴胺类聚合物合成的难点。为此，利用氨基与羧基反应将多巴胺接枝到含有羧基的磷酰胆碱聚合物上，可略去酚羟基的保护过程。但这种方法制备的双仿生聚合物中多巴胺的接枝率仅为4％，使得该聚合物涂层粘附力较低易脱落。虽然用活性酯单体途径合成了多巴胺含量高且可控的双仿生聚合物，但该活性酯单体需要在无水环境制备，而且其分离提纯极其困难。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于醛基与氨基反应合成双仿生聚合物的方法。本发明的制备方法简单、条件温和，接枝率可控，邻二酚羟基具有仿蚌类粘附蛋白多巴胺的粘附作用，磷酰胆碱具有仿细胞外层膜结构的抗污性能，该聚合物具有双重仿生的特征，有望在材料表面修饰领域具有广阔的应用前景。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于醛基与氨基反应合成双仿生聚合物的方法，包括以下步骤：

步骤一、在氮气保护下，将含有磷酰胆碱基团的乙烯基单体和含有氨基的乙烯基单体在引发剂的作用下进行自由基聚合反应，含有磷酰胆碱基团的乙烯基单体和含有氨基的乙烯基单体的摩尔比为3:7～9:1；反应结束后，浓缩反应液，用透析袋透析；最后，将透析后的样品冷冻干燥，得到含有氨基的磷酰胆碱聚合物；

步骤二、将步骤一中所述含有氨基的磷酰胆碱聚合物溶于极性溶剂中，得到聚合物溶液；然后，在氮气保护下，将所述聚合物溶液加热至20℃～50℃，然后向聚合物溶液中加入3,4-二羟基苯甲醛，3,4-二羟基苯甲醛的摩尔量为含有氨基的磷酰胆碱聚合物中氨基摩尔量的10％～120％；在保温搅拌条件下利用醛基与氨基反应进行接枝；再用硼氢化钠还原后，用透析袋在pH值为3～4的盐酸水溶液中透析反应产物，最后，将透析后的反应产物冷冻干燥，即可得到双仿生聚合物。

步骤一中，含有磷酰胆碱基团的乙烯基单体和含有氨基的乙烯基单体分别为甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱和2-氨乙基甲基丙烯酸酯盐酸盐。

步骤一中，所述引发剂为偶氮二异丁腈。

步骤一中，所述聚合反应溶剂为乙醇和四氢呋喃混合溶液。

步骤一中，自由基聚合反应的温度为60℃～80℃，时间为12h～24h。

步骤二中，极性溶剂为水、甲醇或乙醇。

步骤二中，接枝反应的时间为10h～24h。

步骤二中，硼氢化钠的用量为含有氨基的磷酰胆碱聚合物质量的20％～200％，反应时间为2h～4h。

透析袋截留分子量为6000～8000。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明将含有氨基的磷酰胆碱聚合物溶于极性溶剂中，得到聚合物溶液。然后，在氮气保护下，将所述聚合物溶液加热至20℃～50℃，然后向聚合物溶液中加入3,4-二羟基苯甲醛，在保温搅拌条件下利用醛基与氨基反应进行接枝。再用硼氢化钠还原后，用透析袋在pH值为3～4的盐酸水溶液中透析反应产物，最后，将透析后的反应产物冷冻干燥，即可得到双仿生聚合物。相较于现阶段制备双仿生聚合物的方法只有两种，第一种是利用活性酯；第二种是环氧与氨基开环接枝多巴胺制备。第一种方法反应活性也较高，对溶剂要求较高，反应条件较为苛刻；第二种方法反应条件比较简单，但是反应活性较低，接枝率不高。本发明的制备方法简单、条件温和，接枝率可控，邻二酚羟基具有仿蚌类粘附蛋白多巴胺的粘附作用，磷酰胆碱具有仿细胞外层膜结构的抗污性能，该聚合物具有双重仿生的特征，有望在材料表面修饰领域具有广阔的应用前景。本发明的制备方法简单、条件温和，为获得双仿生聚合物提供了一种新的途径。采用本发明方法制备的双仿生聚合物在体内植入材料，组织工程，药物缓释及生物传感器等领域具有广阔的应用前景。

【附图说明】

图1为本发明实施例1的双仿生聚合物的合成路线图。

图2为本发明实施例1制备的双仿生聚合物的氢核磁谱图。

【具体实施方式】

本发明一种基于醛基与氨基反应合成双仿生聚合物的方法，包括以下步骤：

步骤一、在氮气保护下，将含有磷酰胆碱基团的乙烯基单体和含有氨基的乙烯基单体在引发剂的作用下进行自由基聚合反应，；反应结束后，浓缩反应液，用透析袋透析；最后，将透析后的样品冷冻干燥，得到含有氨基的磷酰胆碱聚合物；

其中，含有磷酰胆碱基团的乙烯基单体和含有氨基的乙烯基单体分别为甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱和2-氨乙基甲基丙烯酸酯盐酸盐，所述引发剂为偶氮二异丁腈，所述聚合反应溶剂为乙醇和四氢呋喃混合溶液。含有磷酰胆碱基团的乙烯基单体和含有氨基的乙烯基单体的摩尔比为3:7～9:1。自由基聚合反应的温度为60℃～80℃，时间为12h～24h。

步骤二、将步骤一中所述含有氨基的磷酰胆碱聚合物溶于极性溶剂中，得到聚合物溶液。然后，在氮气保护下，将所述聚合物溶液加热至20℃～50℃，然后向聚合物溶液中加入3,4-二羟基苯甲醛，在保温搅拌条件下利用醛基与氨基反应进行接枝。反应结束后用透析袋在pH值为3～4的盐酸水溶液中透析反应产物，最后，将透析后的反应产物冷冻干燥，即可得到双仿生聚合物。

其中，极性溶剂均为水、甲醇或乙醇。3,4-二羟基苯甲醛的摩尔量为含有氨基的磷酰胆碱聚合物中氨基摩尔量的10％～120％。接枝反应的时间为10h～24h。硼氢化钠的用量为0.1g～1g(含有氨基的磷酰胆碱聚合物0.5g时)，反应时间为2h～4h。透析袋截留分子量为6000～8000。

下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

实施例1

本实施例包括以下步骤：

步骤一、称取8mmol 2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酰胆碱和2mmol 2-氨乙基甲基丙烯酸酯盐酸盐，用乙醇和四氢呋喃混合溶剂溶解混合均匀，将0.1mmol偶氮二异丁腈用四氢呋喃溶解得到引发剂溶液，在N₂保护，70℃搅拌条件下，向三颈瓶中加入单体的混合溶液，预热30min后，加入引发剂溶液继续反应24h，反应结束后，浓缩反应液，用截留分子量为6000～8000D的透析袋透析；最后，将透析后的样品在-50℃下冷冻干燥，即可得到含有氨基的磷酰胆碱聚合物；核磁测试结果表明，该聚合物中氨基的摩尔含量约为18％；

步骤二、将0.5g步骤一中所述含有氨基的磷酰胆碱聚合物溶于20mL甲醇中得到聚合物溶液，在N₂保护，30℃搅拌条件下，向三颈瓶中加入所述聚合物溶液，预热30min，再加入0.15g 3,4-二羟基苯甲醛，保温搅拌反应12h。然后再加入0.3gNaBH₄还原3h，反应结束后，浓缩反应液，用截留分子量为6000～8000D的透析袋在pH值为3～4的盐酸水溶液中透析浓缩后的反应液，将透析后的样品在-50℃下冷冻干燥，即可得到双仿生聚合物。

用400MHz核磁共振仪以D₂O为溶剂测试本实施例制备的双仿生聚合物的氢核磁(见图2)，在5ppm～6.5ppm处未见出峰，表明所得聚合物中没有残余单体，并成功合成了该聚合物，以3.28ppm处为-N⁺(CH₃)₃特征峰，0.9ppm～2.2ppm处为主链上亚甲基和侧链甲基的峰，6.8ppm～7.2ppm处为多巴胺基团上的苯环的峰计算聚合物组成，该双仿生聚合物中多巴胺基团的摩尔含量约为16％。

实施例2

本实施例包括以下步骤：

步骤一、称取7mmol 2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酰胆碱和3mmol 2-氨乙基甲基丙烯酸酯盐酸盐，用乙醇和四氢呋喃混合溶剂溶解混合均匀，将0.1mmol偶氮二异丁腈用四氢呋喃溶解得到引发剂溶液，在N₂保护，60℃搅拌条件下，向三颈瓶中加入单体的混合溶液，预热30min后，加入引发剂溶液继续反应24h，反应结束后，浓缩反应液，用截留分子量为6000～8000D的透析袋透析；最后，将透析后的样品在-50℃下冷冻干燥，即可得到含有氨基的磷酰胆碱聚合物；核磁测试结果表明，该聚合物中氨基的摩尔含量约为28％；

步骤二、将0.5g步骤一中所述含有氨基的磷酰胆碱聚合物溶于20mL乙醇中得到聚合物溶液，在N₂保护，25℃搅拌条件下，向三颈瓶中加入所述聚合物溶液，预热30min，再加入0.2g 3,4-二羟基苯甲醛，保温搅拌反应15h。然后再加入0.1gNaBH₄还原4h，反应结束后，浓缩反应液，用截留分子量为6000～8000D的透析袋在pH值为3～4的盐酸水溶液中透析浓缩后的反应液，将透析后的样品在-50℃下冷冻干燥，即可得到双仿生聚合物。

实施例3

本实施例包括以下步骤：

步骤一、称取6mmol 2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酰胆碱和4mmol 2-氨乙基甲基丙烯酸酯盐酸盐，用乙醇和四氢呋喃混合溶剂溶解混合均匀，将0.1mmol偶氮二异丁腈用四氢呋喃溶解得到引发剂溶液，在N₂保护，80℃搅拌条件下，向三颈瓶中加入单体的混合溶液，预热30min后，加入引发剂溶液继续反应24h，反应结束后，浓缩反应液，用截留分子量为6000～8000D的透析袋透析；最后，将透析后的样品在-50℃下冷冻干燥，即可得到含有氨基的磷酰胆碱聚合物；核磁测试结果表明，该聚合物中氨基的摩尔含量约为39％；

步骤二、将0.5g步骤一中所述含有氨基的磷酰胆碱聚合物溶于20mL蒸馏水中得到聚合物溶液，在N₂保护，20℃搅拌条件下，向三颈瓶中加入所述聚合物溶液，预热30min，再加入0.4g 3,4-二羟基苯甲醛，保温搅拌反应24h。然后再加入1gNaBH₄还原2h，反应结束后，浓缩反应液，用截留分子量为6000～8000D的透析袋在pH值为3～4的盐酸水溶液中透析浓缩后的反应液，将透析后的样品在-50℃下冷冻干燥，即可得到双仿生聚合物。

实施例4

本实施例包括以下步骤：

步骤一、称取9mmol 2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酰胆碱和1mmol 2-氨乙基甲基丙烯酸酯盐酸盐，用乙醇和四氢呋喃混合溶剂溶解混合均匀，将0.1mmol偶氮二异丁腈用四氢呋喃溶解得到引发剂溶液，在N₂保护，65℃搅拌条件下，向三颈瓶中加入单体的混合溶液，预热30min后，加入引发剂溶液继续反应24h，反应结束后，浓缩反应液，用截留分子量为6000～8000D的透析袋透析；最后，将透析后的样品在-50℃下冷冻干燥，即可得到含有氨基的磷酰胆碱聚合物；核磁测试结果表明，该聚合物中氨基的摩尔含量约为9％；

步骤二、将0.5g步骤一中所述含有氨基的磷酰胆碱聚合物溶于20mL甲醇中得到聚合物溶液，在N₂保护，40℃搅拌条件下，向三颈瓶中加入所述聚合物溶液，预热30min，再加入0.2g 3,4-二羟基苯甲醛，保温搅拌反应15h。然后再加入0.4gNaBH₄还原3h，反应结束后，浓缩反应液，用截留分子量为6000～8000D的透析袋在pH值为3～4的盐酸水溶液中透析浓缩后的反应液，将透析后的样品在-50℃下冷冻干燥，即可得到双仿生聚合物。

实施例5

本实施例包括以下步骤：

步骤一、称取5mmol 2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酰胆碱和5mmol 2-氨乙基甲基丙烯酸酯盐酸盐，用乙醇和四氢呋喃混合溶剂溶解混合均匀，将0.1mmol偶氮二异丁腈用四氢呋喃溶解得到引发剂溶液，在N₂保护，75℃搅拌条件下，向三颈瓶中加入单体的混合溶液，预热30min后，加入引发剂溶液继续反应24h，反应结束后，浓缩反应液，用截留分子量为6000～8000D的透析袋透析；最后，将透析后的样品在-50℃下冷冻干燥，即可得到含有氨基的磷酰胆碱聚合物；核磁测试结果表明，该聚合物中氨基的摩尔含量约为48％；

步骤二、将0.5g步骤一中所述含有氨基的磷酰胆碱聚合物溶于20mL乙醇中得到聚合物溶液，在N₂保护，50℃搅拌条件下，向三颈瓶中加入所述聚合物溶液，预热30min，再加入0.5g 3,4-二羟基苯甲醛，保温搅拌反应10h。然后再加入0.8gNaBH₄还原2.4h，反应结束后，浓缩反应液，用截留分子量为6000～8000D的透析袋在pH值为3～4的盐酸水溶液中透析浓缩后的反应液，将透析后的样品在-50℃下冷冻干燥，即可得到双仿生聚合物。

实施例6

本实施例包括以下步骤：

步骤一、称取4mmol 2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酰胆碱和6mmol 2-氨乙基甲基丙烯酸酯盐酸盐，用乙醇和四氢呋喃混合溶剂溶解混合均匀，将0.1mmol偶氮二异丁腈用四氢呋喃溶解得到引发剂溶液，在N₂保护，70℃搅拌条件下，向三颈瓶中加入单体的混合溶液，预热30min后，加入引发剂溶液继续反应24h，反应结束后，浓缩反应液，用截留分子量为6000～8000D的透析袋透析；最后，将透析后的样品在-50℃下冷冻干燥，即可得到含有氨基的磷酰胆碱聚合物；核磁测试结果表明，该聚合物中氨基的摩尔含量约为59％；

步骤二、将0.5g步骤一中所述含有氨基的磷酰胆碱聚合物溶于20mL蒸馏水中得到聚合物溶液，在N₂保护，35℃搅拌条件下，向三颈瓶中加入所述聚合物溶液，预热30min，再加入0.7g 3,4-二羟基苯甲醛，保温搅拌反应14h。然后再加入0.9gNaBH₄还原2.1h，反应结束后，浓缩反应液，用截留分子量为6000～8000D的透析袋在pH值为3～4的盐酸水溶液中透析浓缩后的反应液，将透析后的样品在-50℃下冷冻干燥，即可得到双仿生聚合物。

实施例7

本实施例包括以下步骤：

步骤一、称取3mmol 2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酰胆碱和7mmol 2-氨乙基甲基丙烯酸酯盐酸盐，用乙醇和四氢呋喃混合溶剂溶解混合均匀，将0.1mmol偶氮二异丁腈用四氢呋喃溶解得到引发剂溶液，在N₂保护，76℃搅拌条件下，向三颈瓶中加入单体的混合溶液，预热30min后，加入引发剂溶液继续反应24h，反应结束后，浓缩反应液，用截留分子量为6000～8000D的透析袋透析；最后，将透析后的样品在-50℃下冷冻干燥，即可得到含有氨基的磷酰胆碱聚合物；核磁测试结果表明，该聚合物中氨基的摩尔含量约为71％；

步骤二、将0.5g步骤一中所述含有氨基的磷酰胆碱聚合物溶于20mL甲醇中得到聚合物溶液，在N₂保护，45℃搅拌条件下，向三颈瓶中加入所述聚合物溶液，预热30min，再加入0.6g 3,4-二羟基苯甲醛，保温搅拌反应19h。然后再加入0.7gNaBH₄还原3h，反应结束后，浓缩反应液，用截留分子量为6000～8000D的透析袋在pH值为3～4的盐酸水溶液中透析浓缩后的反应液，将透析后的样品在-50℃下冷冻干燥，即可得到双仿生聚合物。

实施例8

本实施例包括以下步骤：

步骤一、称取4.5mmol 2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酰胆碱和5.5mmol 2-氨乙基甲基丙烯酸酯盐酸盐，用乙醇和四氢呋喃混合溶剂溶解混合均匀，将0.1mmol偶氮二异丁腈用四氢呋喃溶解得到引发剂溶液，在N₂保护，68℃搅拌条件下，向三颈瓶中加入单体的混合溶液，预热30min后，加入引发剂溶液继续反应24h，反应结束后，浓缩反应液，用截留分子量为6000～8000D的透析袋透析；最后，将透析后的样品在-50℃下冷冻干燥，即可得到含有氨基的磷酰胆碱聚合物；核磁测试结果表明，该聚合物中氨基的摩尔含量约为56％；

步骤二、将0.5g步骤一中所述含有氨基的磷酰胆碱聚合物溶于20mL甲醇中得到聚合物溶液，在N₂保护，32℃搅拌条件下，向三颈瓶中加入所述聚合物溶液，预热30min，再加入0.7g 3,4-二羟基苯甲醛，保温搅拌反应11h。然后再加入0.2gNaBH₄还原3.5h，反应结束后，浓缩反应液，用截留分子量为6000～8000D的透析袋在pH值为3～4的盐酸水溶液中透析浓缩后的反应液，将透析后的样品在-50℃下冷冻干燥，即可得到双仿生聚合物。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何限制，凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。