胶原改性聚(3－羟基丁酸酯－3－羟基戊酸酯)及其制备方法与应用

摘要

本发明公开了胶原改性聚(3－羟基丁酸酯－3－羟基戊酸酯)及其制备方法与应用。该聚合物含50～90％聚(3－羟基丁酸酯－3－羟基戊酸酯)；5～30％胶原；5～20％部分胺基化的聚丙烯酰胺。其制备方法：以PHBV为基本材料，首先制备成PHBV膜，经紫外光照射后接枝聚丙烯酰胺，使PHBV酰胺化；然后使酰胺化的PHBV发生Hofmann降解反应，生成胺基化PHBV；最后将胺基化PHBV与胶原化学键合制成生物相容性和力学性能良好，PHBV与胶原为层状结构或互穿网络结构的材料。该材料可用于临床医学的组织修复，其制备工艺简单，设备简易，具有良好的应用前景和科学意义。

说明书

技术领域

本发明涉及一种改性生物材料及其制备技术，特别涉及一种兼具良好生物相容性及力学性能的胶原改性聚(3-羟基丁酸酯-3-羟基戊酸酯)及其制备方法。

背景技术

聚(3-羟基丁酸酯-3-羟基戊酸酯)(PHBV)是由微生物合成的天然聚酯类高分子。由于其具有良好的生物相容性、可降解及压电性，使其在药物控释、缝线、人工皮肤、软骨及骨组织工程领域具有广阔的应用前景。但是PHBV亲水性差，细胞在其表面黏附较弱。为此，在PHBV的表面引入功能性基团，从而提高PHBV表面的亲水性及生物活性，进而改善细胞与材料间的相互作用一直是生物医用材料功能化研究的热点。

传统的胶原膜虽然具有较好的生物相容性，但其不稳定，力学性能较差，在体内被吸收过快，限制了其在生物医用材料领域中的应用。用可降解高分子材料构建膜材料，其化学成分、形态、微观结构、机械性能和降解速度等方面均具有可调控性，加工性能良好，已成为生物医用材料界研究的热点。但是可降解高分子材料不含有生物信息，缺乏细胞识别信号，不利于细胞特异性黏附及特异基因的激活。因此，理想的膜材料应不仅具有适宜的力学强度和良好的生物相容性，更要有适宜的吸水率及亲水性和较好细胞黏附性，且降解速率可调，降解产物对人体无毒，无刺激性。制备符合上述要求的膜材料，使其在结构和功能方面实现仿生化是生物医用材料面临的一个难题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种兼具良好生物相容性及力学性能的胶原改性聚(3-羟基丁酸酯-3-羟基戊酸酯)。

本发明的另一目的在于提供上述胶原改性聚(3-羟基丁酸酯-3-羟基戊酸酯)的制备方法。

本发明还有一目的在于提供胶原改性聚(3-羟基丁酸酯-3-羟基戊酸酯)制备生物材料的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种胶原改性聚(3-羟基丁酸酯-3-羟基戊酸酯)，具有如下结构式：

其中，x为2～143；y为62～183；col为胶原。

所述胶原改性聚(3-羟基丁酸酯-3-羟基戊酸酯)在1653cm^-1及1551cm^-1处分别出现了二级酰胺的特征酰胺I带和II带。所述的胶原改性聚(3-羟基丁酸酯-3-羟基戊酸酯)中各成分重量百分比如下：

聚(3-羟基丁酸酯-3-羟基戊酸酯)    50～90％

胶原                             5～30％

部分胺基化的聚丙烯酰胺           5～20％。

胶原改性聚(3-羟基丁酸酯-3-羟基戊酸酯)的制备方法包括如下步骤：

(1)将聚(3-羟基丁酸酯-3-羟基戊酸酯)溶于纯度为99％以上的氯仿、二氯甲烷或碳酸丙二酯溶剂中，并浇注制备聚(3-羟基丁酸酯-3-羟基戊酸酯)膜；聚(3-羟基丁酸酯-3-羟基戊酸酯)重量与溶剂体积比为60～180mg∶1ml；

(2)将步骤(1)制备的聚(3-羟基丁酸酯-3-羟基戊酸酯)膜浸泡于浓度为0.5～5％的引发剂丙酮溶液4～24hr；所述引发剂为二苯甲酮、米氏酮或硫杂蒽酮；引发剂与PHBV的用量比5×10^-4～5×10^-3∶1；

(3)将浸泡了引发剂的聚(3-羟基丁酸酯-3-羟基戊酸酯)膜浸入浓度为5～30％丙烯酰胺的水溶液中，紫外光照射0.5～4hr；

(4)溶剂抽提、蒸馏水浸洗及烘干；

(5)加入碱溶液浸泡20～60分钟后水洗；所述碱溶液为90ml浓度为5～20％的氢氧化钠水溶液与53.8g浓度为6～24％的次氯酸钠或者次溴酸钠的混合溶液。碱溶液的体积与引发剂重量比为100～340ml∶1mg；

(6)加入偶联剂5～30ml后蒸馏水浸洗。偶联剂体积与引发剂的重量比为100～170ml∶1mg；

(7)加入浓度为3～6mg/ml胶原溶液室温放置6～24h后水洗，胶原与引发剂的重量比为600～1000∶1；

(8)在-50～-20℃下冷冻干燥12～24hr，即得本发明的胶原改性聚(3-羟基丁酸酯-3-羟基戊酸酯)材料。

所述聚(3-羟基丁酸酯-3-羟基戊酸酯)为3-羟基戊酸酯的含量为0～70％。所述步骤(4)中溶剂为丙酮。所述步骤(6)中的偶联剂为为甲醛或戊二醛溶液。

胶原改性聚(3-羟基丁酸酯-3-羟基戊酸酯)制备的生物材料，其内部可为层状结构或互穿网络结构；材料的拉伸强度可达4MPa，细胞在其表面的黏附率增加100％，细胞伸出尾足连成一片覆盖在材料表面。

本发明的原理：聚(3-羟基丁酸酯-3-羟基戊酸酯)所含的极性基团仅为酯基，是惰性的高分子，缺乏可与胶原进行化学键合的位点。为此，引入活性基团是制备改性材料的关键。在紫外光作用下，引发剂二苯甲酮等可提取PHBV主链上叔碳的氢原子，从而使PHBV形成大分子自由基，进而引发丙烯酰胺接枝聚合。酰胺化的PHBV还需通过Hofmann降解反应，使酰胺基转化为胺基；PHBV改性接枝的胺基与胶原的胺基是通过偶联剂甲醛等连接，从而使PHBV与胶原之间形成了牢固的化学键合。胶原改性PHBV材料的结构可为层状结构或互穿网络结构，由酰胺化PHBV材料的结构决定。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

(1)本发明改性材料具有层状结构或互穿网络结构，接枝的胶原大分子链使其具有良好的生物活性和生物相容性。

(2)本发明改性材料中引入的胶原大分子是亲水性的，改善了PHBV的疏水性，使改性材料的吸水率得以提高；同时亲疏水性基团的有效分布进一步提高了细胞黏附率。

(3)本发明可以通过改变紫外光照的工艺参数(时间、强度等)及单体含量，调节PHBV与胶原的比例及改性材料的结构。

(4)本发明采用的工艺简单，有利于规模化生产。

附图说明

图1是改性材料的表面全反射图(ATR)。

图2是改性材料的表面光电子能谱图(XPS)。

图3是改性材料的化学结构式。

图4是实施实例1制备的胶原改性PHBV层状结构材料表面SEM图。

图5是实施实例1制备的胶原改性PHBV层状结构材料断面扫描电镜图。

图6是实施实例2制备的胶原改性PHBV网络结构材料的表面扫描电镜图。

图7是实施实例2制备的胶原改性PHBV网络结构材料的断面扫描电镜图。

具体实施方式

为更好理解本发明，下面结合实施例对本发明做进一步地说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表示的范围。

实施例1

制备本胶原改性PHBV材料的过程包括如下步骤：(1)将0.06gPHBV溶于1ml氯仿溶液中，溶液浇注制备PHBV膜；(2)将步骤(1)制备的PHBV膜浸泡于浓度为0.5％的引发剂二苯甲酮丙酮溶液4hr；(3)将浸泡了引发剂的PHBV膜浸入浓度为5％丙烯酰胺的水溶液中，紫外光照射0.5hr；(4)丙酮抽提48hr、蒸馏水浸洗并于60℃烘干；(5)加入10ml浓度为5％氢氧化钠与浓度为6％的次氯酸钠的混合碱溶液，浸泡20分钟后水洗；(6)加入5ml甲醛室温浸泡后水洗；(7)加入浓度为3mg/mlI型牛胶原溶液10ml室温放置6hr后水浸洗；(8)-50℃冷冻干燥12hr，即得本发明的改性材料。

如图1所示，ATR分析证实胶原改性PHBV材料不但出现了PHBV特有的羰基伸缩振动峰，同时使胶原的酰胺I带和II带分别移到1653cm^-1及1551cm^-1处，出现了二级酰胺的特征峰，说明胶原大分子的胺基与改性PHBV发生了化学键合。如图2所示，XPS则进一步说明了胶原改性PHBV材料表面化学元素的含量，其中氮元素的含量为15％，与碳元素含量的比为0.2∶1。根据以上的分析，提出了胶原改性PHBV的化学结构式如图3所示。图4和图5分别是实施实例1制备的胶原改性PHBV材料的表面及断面扫描电镜图。胶原改性PHBV材料经冷冻干燥处理后，表面形成了不规则的孔洞结构，使原来光滑的PHBV变得粗糙。从断面的SEM图中可见，胶原与PHBV呈明显的层状分布，但两者间键合良好。紧密结构为PHBV，疏松结构为接枝的胶原大分子。这种层状结构改性材料包含如下组分：

PHBV                      90％

胶原                      5％

部分胺基化的聚丙烯酰胺    5％

各组分均为重量百分比。

实施例2

制备本胶原改性PHBV材料的过程包括如下步骤：(1)将0.06gPHBV溶于0.3ml二氯甲烷溶液中，溶液浇注制备PHBV膜；(2)将步骤(1)制备的PHBV膜浸泡于浓度为5％的引发剂米氏酮丙酮溶液24hr；(3)将浸泡了引发剂的PHBV膜浸入浓度为30％丙烯酰胺的水溶液中，紫外光照射4hr；(4)丙酮抽提48hr、蒸馏水浸洗并于60℃烘干；(5)加入30ml浓度为20％氢氧化钠与浓度为24％的次氯酸钠的混合碱溶液，浸泡60分钟后水洗；(6)加入30ml甲醛室温浸泡后水洗；(7)加入浓度为6mg/mlI型牛胶原溶液30ml室温放置24hr后水浸洗；(8)-20℃冷冻干燥24hr，即得本发明的改性材料。

图6和图7分别是实施实例2制备的胶原改性PHBV材料的表面及断面扫描电镜图。胶原改性PHBV材料表面为大小不一的孔洞，其断面的孔洞结构为引入的胶原经冷冻干燥处理形成的，早先密实结构的PHBV材料不再存在，取而代之的是胶原贯穿于PHBV基材中的互穿网络结构。这种互穿网络结构改性材料包含如下组分：

PHBV                      50％

胶原                      30％

部分胺基化的聚丙烯酰胺    20％

各组分均为重量百分比。

实施例3

制备本胶原改性PHBV材料的过程包括如下步骤：(1)将0.06gPHBV溶于0.6ml碳酸丙二酯溶液中，溶液浇注制备PHBV膜；(2)将步骤(1)制备的PHBV膜浸泡于浓度为1％的引发剂硫杂蒽酮丙酮溶液8hr；(3)将浸泡了引发剂的PHBV膜浸入浓度为10％丙烯酰胺的水溶液中，紫外光照射1hr；(4)丙酮抽提48hr、蒸馏水浸洗并于60℃烘干；(5)加入15ml浓度为10％氢氧化钠与浓度为12％的次溴酸钠的混合碱溶液，浸泡30分钟后水洗；(6)加入10ml戊二醛室温浸泡后水洗；(7)加入浓度为3mg/mlI型牛胶原溶液20ml室温放置12hr后水浸洗；(8)-50℃冷冻干燥24hr，即得本发明的改性材料。

经这种方法制备的层状结构改性材料包含如下组分：

PHBV                      85％

胶原                      10％

部分胺基化的聚丙烯酰胺    5％

各组分均为重量百分比。