專利名稱：帶側羧基的脂肪族碳酸酯聚合物及其合成方法與用途的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及帶側羧基的脂肪族碳酸酯單體及其聚合物的合成與用途。
背景技術：
近幾十年來，隨著高分子科學的迅速發(fā)展和現(xiàn)代藥學、生物學以及工程學的突飛猛進，生物醫(yī)用高分子材料的研究得到了迅速發(fā)展。其中可生物降解的高分子材料，由于在植入體內后不需二次手術取出，因而在手術縫合線、人造皮膚、人造血管、骨固定及修復和藥物控制釋放等領域得到了廣泛應用。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-己內酯(PCL)，具有低的免疫原性和良好的生物降解性和生物相容性，已經被廣泛應用于生物醫(yī)學和醫(yī)藥領域，如骨折固定，手術縫合線，組織工程支架，藥物緩釋的載體等。
最近，在聚合物側鏈引入功能基團的研究尤為活躍，因為側鏈帶有功能基團的聚合物在實踐中有重要意義。例如，在這些功能基團上連接各種藥物形成高分子前藥，可實現(xiàn)藥物的位置可控釋放或持續(xù)釋放；連接具有靶向功能的分子如抗體和多糖，可使聚合物及其膠束、膠囊具有靶向功能；連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；通過側鏈功能基團的引入還可以改變聚合物的降解速率、物理機械性能、親水疏水性能等。因而帶有功能基團的脂肪族聚酯的研究和應用引起了人們的極大興趣。
側鏈的功能基團主要包括羧基(COOH)、氨基(NH2)、羥基(OH)和巰基(SH)等。要合成帶功能側基的聚合物，一般是先合成帶有功能基團的單體，然后進行聚合或共聚合。但由于功能基團的存在，在聚合過程中往往伴隨不必要甚至有害的副反應，所以以上功能基團首先要保護起來，聚合之后再脫保護。
目前用來與脂肪族環(huán)酯共聚的功能單體，有乙交酯衍生物、ε-己內酯衍生物、嗎啉二酮衍生物、N-羰基-α-氨基酸酐(NCA)和二氧六環(huán)酮衍生物等。它們中有的合成非常困難、收率很低、成本很高，有的聚合活性很低，共聚物分子量低，所能引入的功能單體有限，因而很難有實際用途。相對說來，功能性脂肪族碳酸酯單體的原料易得，合成比較容易，聚合效率較高，所得聚合物的分子量也比較高。中國專利CN1381452A披露了2-乙氧羰基-2-甲基三亞甲基碳酸酯的合成方法，中國專利CN1384128A披露了聚(2-乙氧羰基-2-甲基三亞甲基碳酸酯)及其制備方法與用途，中國專利CN1384129A披露了聚(2-取代基羰基-2-甲基三亞甲基碳酸酯)及其制備方法與用途。概括說來，就是合成2-乙氧羰基-2-甲基三亞甲基碳酸酯或2-甲氧羰基-2-甲基三亞甲基碳酸酯，將它們聚合，再胺解得到帶胺側基的聚合物。該系列專利僅限于該單體的均聚物，眾所周知的事實是均聚的脂肪族碳酸酯在人體內的生物降解性能并不理想，因而它在生物醫(yī)用方面的應用將是有限的。該專利中使用了甲基或乙基來保護羧基，并且僅限于通過胺解將酯基轉化為酰胺基，因而進一步在聚合物上鍵接藥物、抗體或其他生物活性分子比較困難。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種帶側羧基的脂肪族碳酸酯單體2-甲基-2-芐氧羰基三亞甲基碳酸酯及其合成方法；本發(fā)明的另一目的是提供一種帶側羧基的脂肪族碳酸酯聚合物及其合成方法；本發(fā)明的第三個目的是提供一種帶側羧基的脂肪族碳酸酯聚合物的用途。
帶側羧基的脂肪族碳酸酯單體2-甲基-2-芐氧羰基三亞甲基碳酸酯的結構式為 其中，Bz是芐基，它的合成包括以下三個步驟(1)從2，2-二羥甲基丙酸出發(fā)，將其轉化為2，2-二羥甲基丙酸鹽；(2)2，2-二羥甲基丙酸鹽與芐溴反應得到2-甲基-2-芐氧羰基-1，3-丙二醇；(3)2-甲基-2-芐氧羰基-1，3-丙二醇和氯甲酸乙酯反應，得到2-甲基-2-芐氧羰基三亞甲基碳酸酯，反應催化劑為三乙胺，溶劑為四氫呋喃，反應溫度0℃，反應時間2～8h。
以上三步可用以下反應方程式表示
其中，Bz是芐基。
采用本合成路線，比直接酯化的反應收率要高得多，合成產物2-甲基-2-芐氧羰基三亞甲基碳酸酯的結構通過質子核磁共振譜(1H NMR)證實，見附圖1和附圖2。
用上述合成的2-甲基-2-芐氧羰基三亞甲基碳酸酯單體，通過開環(huán)聚合得到它的均聚物或與脂肪族環(huán)酯的共聚物，具體步驟如下在無水無氧的條件下，向該單體中或它與脂肪族環(huán)酯單體的混合物中加入單體總質量1/100～1/1000的乙基鋅作引發(fā)劑，在80～140℃加熱和攪拌的條件下生成聚(2-甲基-2-芐氧羰基三亞甲基碳酸酯)或者它與脂肪族環(huán)酯的共聚物，聚合時間為12～72h，產物用沉淀劑沉降，過濾，洗滌，真空干燥，上述脂肪族環(huán)酯單體可以是丙交酯(LA)、乙交酯(GA)、ε-己內酯(CL)，或者它們的混合物。
采用催化加氫的方法將上述得到的2-甲基-2-芐氧羰基三亞甲基碳酸酯的均聚物或共聚物中的羧基脫保護，得到帶側羧基的均聚物或共聚物，其方法是將聚合物溶于四氫呋喃和甲醇混合溶劑，體積比9/1至1/9，優(yōu)選5/1至1/2，通入氫氣，氫氣壓力為0.8～1.2MPa，溫度為20～60℃，催化劑為鈀/碳或氫氧化鈀/碳，攪拌反應24～72h，濾去不溶物，用四氫呋喃和甲醇的混合溶劑洗滌后，濃縮，用甲醇沉降，過濾，洗滌，真空干燥。用本方法可將80～100％的芐酯基轉化為羧基，而聚合物得分子主鏈基本上不降解。
本發(fā)明所制備的聚合物主要用作生物醫(yī)用材料，尤其是藥物輸送的載體材料、高分子前藥以及組織工程支架材料。
將前述帶側羧基的共聚物和帶可反應羥基和氨基的藥物溶解在溶劑中，溶劑為二氯甲烷、N，N-二甲基甲酰胺或二甲亞砜其中的一種或兩種以上混合溶劑，DCC的量為反應物的1～5倍當量，反應溫度0～5℃，反應時間10～48h，以二環(huán)己基碳二亞胺(DCC)為催化劑進行反應，即可得到可完全生物降解的高分子前藥；將前述帶側羧基的共聚物溶解在溶劑中，用NHS和DCC活化聚合物的側羧基，然后加入短肽進行反應，即可得到可完全生物降解的含有短肽的生物材料，反應溶劑為二氯甲烷、N，N-二甲基甲酰胺、二甲亞砜或它們的混合溶劑，DCC的量為反應物的1～5倍當量，反應溫度0～20℃，反應時間10～48h。


圖12-甲基-2-芐氧羰基-1，3-丙二醇的質子核磁共振譜。
圖22-甲基-2-芐氧羰基三亞甲基碳酸酯的質子核磁共振譜。
具體實施例方式
以下結合具體實例對本發(fā)明的技術方案作進一步說明實施例12-甲基-2-芐氧羰基-1，3-丙二醇的合成將9.00g的2，2-二羥甲基丙酸和4.30g的氫氧化鉀溶解在50ml N，N-二甲基甲酰胺中。在100℃條件下，劇烈攪拌1h，使其形成2，2-二羥甲基丙酸鉀鹽。然后將13.80g芐基溴加入到上述溶液中，在100℃條件下，再劇烈攪拌15h。蒸出溶劑，殘留物溶解在200ml乙醚中，用50ml蒸餾水洗滌三次，最后用甲苯重結晶得到2-甲基-2-芐氧羰基-1，3-丙二醇8.95克，產率為60％。其結構由質子核磁共振譜確認，見附圖1。
實施例22-甲基-2-芐氧羰基三亞甲基碳酸酯的合成將10g 2-甲基-2-芐氧羰基-1，3-丙二醇和28.5g氯代甲酸乙酯溶解在600ml四氫呋喃中，用冰水浴冷卻。再把28g三乙胺緩慢加入到上述溶液中，加入過程中保持體系在0℃環(huán)境下。然后在室溫反應10h。過濾掉沉淀物，濾液減壓濃縮，殘留物用四氫呋喃和乙醚重結晶，得到白色晶體9.0g，產率82％。其結構由質子核磁共振譜確認，見附圖2。
實施例3不同比例的2-甲基-2-芐氧羰基三亞甲基碳酸酯與乳酸的共聚物的合成在無水無氧的條件下，取不同比例的2-甲基-2-芐氧羰基三亞甲基碳酸酯與丙交酯單體，加入單體總質量的1/200的乙基鋅作為引發(fā)劑，在100℃下攪拌反應20h，產物用二氯甲烷溶解，甲醇沉降，過濾，洗滌，35℃下真空干燥24h，稱重計算產率，得到不同比例的2-甲基-2-芐氧羰基三亞甲基碳酸酯與乳酸的共聚物。所得聚合結果見表1。
表1.不同比例的2-甲基-2-芐氧羰基三亞甲基碳酸酯與乳酸的共聚物


實施例42-甲基-2-羧基三亞甲基碳酸酯與乳酸的共聚物的合成將0.2g實施例3所獲得的聚合物溶解在30ml四氫呋喃和甲醇(體積比為4比1)中，加入到250ml的反應釜中，再加入氫化還原催化劑氫氧化鈀/碳(氫氧化鈀的質量含量為20％)，加熱50℃，劇烈攪拌反應72h。收集產物，過濾掉不溶的催化劑，并用四氫呋喃和甲醇洗滌三次，用乙醚沉降，過濾，洗滌，35℃下真空干燥24h，即得到2-甲基-2-羧基三亞甲基碳酸酯與乳酸的共聚物。測定脫保護前后的質子核磁共振譜圖中苯環(huán)氫與聚乳酸特征甲基峰的面積比，計算出有80％的芐酯基轉化為羧基。采用凝膠滲透色譜法測定的脫保護前后聚合物的分子量，沒有明顯變化，說明聚合物分子的主鏈在脫保護過程中沒有發(fā)生降解。
實施例52-甲基-2-羧基三亞甲基碳酸酯均聚物的合成將0.2g實施例3所獲得的聚合物溶解在30ml四氫呋喃和甲醇(體積比為5比1)中，加入到250ml的反應釜中，再加入氫化還原催化劑鈀/碳(鈀的質量含量為10％)，加熱50℃，劇烈攪拌反應24h。收集產物，過濾掉不溶的催化劑，并用四氫呋喃和甲醇洗滌三次，用乙醚沉降，過濾，洗滌，35℃下真空干燥24h，即得到2-甲基-2-羧基三亞甲基碳酸酯的均聚物。通過脫保護前后的質子核磁共振譜圖中的比較，發(fā)現(xiàn)苯環(huán)的特征峰完全消失，說明芐酯基已轉化為羧基。采用凝膠滲透色譜法測定的脫保護前后聚合物的分子量，沒有明顯變化，說明聚合物分子的主鏈在脫保護過程中沒有發(fā)生降解。
實施例62-甲基-2-芐氧羰基三亞甲基碳酸酯與ε-己內酯的共聚物的合成在無水無氧的條件下，取0.2g的2-甲基-2-芐氧羰基三亞甲基碳酸酯與0.2g的ε-己內酯單體，加入單體總質量的1/800的乙基鋅作為引發(fā)劑，在90℃下攪拌反應15h，產物用四氫呋喃溶解，甲醇沉降，過濾，洗滌，35℃下真空干燥24h，稱重計算產率，即得到2-甲基-2-芐氧羰基三亞甲基碳酸酯與ε-己內酯的共聚物。
實施例72-甲基-2-羧基三亞甲基碳酸酯與ε-己內酯的共聚物的合成將0.2g實施例6所獲得的聚合物溶解在30ml四氫呋喃和甲醇(體積比為3比1)中，加入到250ml的反應釜中，再加入少量的氫化還原催化劑氫氧化鈀/碳(氫氧化鈀的質量含量為20％)，加熱50℃，劇烈攪拌反應48h。收集產物，過濾掉不溶的催化劑，并用四氫呋喃和甲醇洗滌三次，用乙醚沉降，過濾，洗滌，35℃下真空干燥24h，稱重為0.1g，即得到2-甲基-2-羧基三亞甲基碳酸酯與ε-聚己內酯的共聚物。通過脫保護前后的質子核磁共振譜圖中苯環(huán)氫與ε-聚己內酯特征峰的面積比，可以計算有85％的芐酯基轉化為羧基。凝膠滲透色譜法測定的脫保護前后聚合物的分子量沒有明顯變化，證明聚合物分子的主鏈在脫保護過程中沒有發(fā)生降解。
實施例82-甲基-2-芐氧羰基三亞甲基碳酸酯與丙交酯、乙交酯的共聚物的合成在無水無氧的條件下，稱取0.2g的2-甲基-2-芐氧羰基三亞甲基碳酸酯、0.08g丙交酯和0.02g的乙交酯單體，加入聚合反應瓶，再加入單體總質量的1/1000的乙基鋅作為引發(fā)劑，在90℃下攪拌反應10h，產物用三氯甲烷溶解，甲醇沉降，過濾，洗滌，35℃下真空干燥24h，即得到2-甲基-2-芐氧羰基三亞甲基碳酸酯與丙交酯、乙交酯的共聚物。
實施例92-甲基-2-羧基三亞甲基碳酸酯與丙交酯、乙交酯的共聚物的合成將0.2g實施例8所獲得的聚合物溶解在30ml四氫呋喃和甲醇(體積比為4比1)中，加入到250ml的反應釜中，再加入少量的氫化還原催化劑氫氧化鈀/碳(氫氧化鈀的質量含量為20％)，加熱50℃，劇烈攪拌反應48h。收集產物，過濾掉不溶的催化劑，并用四氫呋喃和甲醇洗滌三次，用乙醚沉降，過濾，洗滌，35℃下真空干燥24h，稱重為0.1g，即得到2-甲基-2-羧基三亞甲基碳酸酯與丙交酯、乙交酯的共聚物。通過脫保護前后的質子核磁共振譜圖中苯環(huán)氫與聚丙交酯特征峰的面積比，可以計算有90％的芐酯基轉化為羧基。凝膠滲透色譜法測定的脫保護前后聚合物的分子量，沒有明顯變化，證明聚合物分子的主鏈在脫保護過程中沒有發(fā)生降解。
實施例10聚(2-甲基-2-羧基三亞甲基碳酸酯-丙交酯)/紫杉醇前藥的制備將2.0g的聚(2-甲基-2-羧基三亞甲基碳酸酯-丙交酯)(由凝膠透過色譜測出它的分子量為50100，由核磁計算出碳酸酯的摩爾含量為30％)溶解在40ml二氯甲烷中，用冰/水浴使之冷卻，另稱取0.01g的紫杉醇溶解在10ml二氯甲烷中。將二者混合，加入等當量的DCC，在0℃攪拌反應48h，過濾掉不溶物，真空濃縮，用大量乙醚沉出，并用甲醇洗滌三次，25℃下真空干燥48h，稱重計算產率。通過對紫杉醇和產物的質子核磁共振譜圖分析，說明紫杉醇已連接到聚合物上，并通過對紫杉醇和聚合物的特征峰的面積分析，計算出有90％的羧基與紫杉醇發(fā)生反應，即聚合物所含羧基總數(shù)的90％接上了紫杉醇。
實施例11聚(2-甲基-2-羧基三亞甲基碳酸酯-ε-己內酯)/利福平前藥的制備將3.0g的聚(2-甲基-2-羧基三亞甲基碳酸酯-ε-己內酯)(分子量為30000，COOH的摩爾含量為20％)溶解在50ml N，N-二甲基甲酰胺中，用冰/水浴使之冷卻，另稱取0.02g的利福平，溶解在10ml N，N-二甲基甲酰胺中。將二者混合，加入2倍當量的DCC，在0℃攪拌反應48h，過濾掉不溶物，真空濃縮，用大量乙醚沉出，并用甲醇洗滌三次，25℃下真空干燥48h，稱重計算產率。稱取1.0g的前藥，放入50ml含有蛋白酶的Tri-HCl緩沖液(pH＝8.6)中，使聚合物迅速完全降解，通過紫外-可見分光光度計在473nm的吸收強度，計算出利福平的絕對量為0.0044g，進而得出前藥中含有0.44％的利福平。
實施例12聚(2-甲基-2-羧基三亞甲基碳酸酯-丙交酯-乙交酯)/阿霉素前藥的制備將4.0g帶側羧基的聚(2-甲基-2-羧基三亞甲基碳酸酯-丙交酯-乙交酯)(分子量為20000，COOH的摩爾含量為10％)溶解在50ml二甲亞砜中，用冰/水浴使之冷卻，另稱取0.01g的阿霉素，溶解在10ml二甲亞砜中。將二者混合，加入2倍等當量的DCC，在0℃攪拌反應48h，過濾掉不溶物，真空濃縮，用大量乙醚沉出，并用甲醇洗滌三次，25℃下真空干燥48h，稱重計算產率。稱取1.0g的前藥，放入含有蛋白酶的Tri-HCl緩沖液(pH＝8.6)中，使聚合物迅速完全降解，通過紫外-可見分光光度計在483.5nm的吸收強度，計算出阿霉素的絕對量0.0023g，進而得出前藥中含有0.23％的阿霉素。
實施例13聚(2-甲基-2-羧基三亞甲基碳酸酯-丙交酯)與短肽RGD的連接。
將2.0g帶側羧基的聚(2-甲基-2-羧基三亞甲基碳酸酯-丙交酯)(分子量為70900，COOH的摩爾含量為10％)溶解在20ml二氯甲烷中，用冰/水浴使之冷卻，然后加入1.5倍等當量的DCC和NHS，在0℃攪拌反應48h，然后加入0.002g RGD，10℃反應24h，過濾掉不溶物，真空濃縮，用大量乙醚沉出，并用甲醇洗滌三次，25℃下真空干燥48h。
實施例14聚(2-甲基-2-羧基三亞甲基碳酸酯-丙交酯)/紫杉醇超細纖維的制備。
將實施例10制備的0.3g聚(2-甲基-2-羧基三亞甲基碳酸酯-丙交酯)/紫杉醇溶于5ml氯仿及2ml丙酮的混合溶劑中，然后將溶液加入到10ml注射器中，采用由9號針頭制成的直角平口噴絲口。通過靜電紡絲的方法得到聚(2-甲基-2-羧基三亞甲基碳酸酯-丙交酯)/紫杉醇超細纖維。
權利要求
1.一種帶側羧基的脂肪族碳酸酯聚合物，其特征在于它是由單體2-甲基-2-芐氧羰基三亞甲基碳酸酯，具有如下結構 其中，Bz是芐基，通過開環(huán)聚合和脫保護得到的均聚物或與脂肪族環(huán)酯的共聚物。
2.如權利要求1所述的單體2-甲基-2-芐氧羰基三亞甲基碳酸酯的合成方法，其特征在于從2，2-二羥甲基丙酸出發(fā)，將其轉化為2，2-二羥甲基丙酸鹽；再與芐溴反應得到2-甲基-2-芐氧羰基-1，3-丙二醇；再以三乙胺為催化劑，四氫呋喃作溶劑，0℃的條件下和氯甲酸乙酯反應，得到2-甲基-2-芐氧羰基三亞甲基碳酸酯。
3.如權利要求1所述帶側羧基的脂肪族碳酸酯聚合物，其特征在于其中2-甲基-2-芐氧羰基三亞甲基碳酸酯的質量含量為1～100％，脂肪族環(huán)酯為丙交酯、乙交酯和ε-己內酯中的一種、兩種或三種。
4.如權利要求1所述的開環(huán)聚合方法，其特征是在含有2-甲基-2-芐氧羰基三亞甲基碳酸酯單體和脂肪族環(huán)酯單體的反應器中，加入單體總質量1/100～1/1000的引發(fā)劑乙基鋅，在加熱和攪拌的條件下進行聚合，聚合時間為2～48h，溫度為50～140℃，產物用沉淀劑沉降，過濾，洗滌，真空干燥。
5.權利要求1所述的脫保護方法，包括以下步驟(1)將權利要求4所制備的聚合物溶于四氫呋喃和甲醇的混合溶劑中，其中四氫呋喃和甲醇的體積比為9/1～1/3；(2)加入鈀/碳或氫氧化鈀/碳催化劑，其中鈀的質量含量為5～20％，催化劑中鈀與待脫除芐基的摩爾比為1～100％；(3)通入氫氣，氫氣壓力保持在0.8～1.2MPa，溫度為20～60℃，攪拌反應24～72h；(4)濾去不溶物，用四氫呋喃和甲醇的混合溶劑洗滌，濃縮，用甲醇沉降，過濾，洗滌，真空干燥。
6.權利要求3所述聚合物，可用作藥物輸送的載體材料，制備載藥的微球、膠囊、纖維或纖維氈。
7.權利要求3所述聚合物，可用于制備高分子前體藥物，其方法如下將權利要求3所述共聚物和帶有可反應羥基或氨基的藥物溶解在溶劑中，以二環(huán)己基碳二亞胺(DCC)為催化劑進行酯化或酰胺化反應，得到可完全生物降解的高分子前體藥物；其中反應溶劑為二氯甲烷、N，N-二甲基甲酰胺、二甲基亞砜或它們的混合物，反應溫度0～5℃，反應時間10～48h。
8.權利要求3所述聚合物，可用于制備帶有短肽側鏈的可生物降解材料，其方法如下將權利要求3所述聚合物溶解在溶劑中，用N-羥基琥珀酰亞胺(NHS)和二環(huán)己基羰二亞氨(DCC)活化聚合物的側羧基，然后加入短肽進行反應，得到可生物降解的含有短肽的生物材料；其中反應溶劑為二氯甲烷、N，N-二甲基甲酰胺、二甲基亞砜或它們的混合物，反應溫度0～5℃，反應時間10～48h。
全文摘要
本發(fā)明從2，2－二羥甲基丙酸出發(fā)，合成2－甲基－2－芐氧羰基三亞甲基碳酸酯(見附圖)，進而進行開環(huán)聚合或與脂肪族環(huán)酯單體開環(huán)共聚，并催化加氫脫保護，得到帶側羧基的脂肪族聚碳酸酯或脂肪族環(huán)酯與碳酸酯的共聚物。該聚合物兼具脂肪族聚酯和碳酸酯的優(yōu)點，可生物降解，降解產物無毒。利用功能性側羧基的反應，可以將藥物、活性短肽連接到聚合物上，改善聚合物的生物相容性和生物活性，從而可能在藥物控制釋放、高分子前藥和組織工程等領域獲得實際應用。
文檔編號C08G64/20GK1746207SQ20051010743
公開日2006年3月15日 申請日期2005年9月30日 優(yōu)先權日2005年9月30日
發(fā)明者景遐斌, 謝志剛, 關會立, 陳學思, 呂常海 申請人:中國科學院長春應用化學研究所