制备生物聚合物膜的方法和以此方法制备的生物聚合物膜

摘要

本发明记载了一种制备生物聚合物膜的方法，以及以这种方法制得的膜。特别地，本发明的生物聚合物膜包括聚(氨酯-己内酯)，并且可以用于神经和骨骼的再生。

说明书

技术领域

本发明记载了制备生物聚合物膜的方法和以此方法制备的膜。具体 地，本发明的生物聚合物膜含有聚(氨酯-己内酯)，并且可以用于神经和 骨骼的再生。本发明主要涉及医药、化学和组织工程(tissue engineering) 的领域。

背景技术

因为生物可降解的和生物可再吸收的聚合物在环境和生物医药领域 具有广泛应用，例如，植入装置、导管装置，以及其他装置，并且在组 织工程领域也有前景，这些聚合物的发展近年来得到了很多关注(Grad， et.al.2003)。

生物材料已显示出的增长率为每年11％，这证明了对于这类产品的 大量兴趣和需求(Mirtchi，et.al.1989)。

生物可降解的聚氨酯由具有不同的多元醇的脂肪族二异氰酸酯、聚 己二酸亚乙基酯、以及聚(己内酯)、以及增链剂例如二醇、二胺和硫酸 氢盐形成(Hori，et.al.)。

此文献描述了用作生物聚合物(BPU)的聚氨酯的合成、表征和体 外评价，其特别是为生物相容性膜(biocompatible membrane)的形式。

在专利的领域中，一些文献记载了包括聚氨酯的材料及它们的用途。

文献US 5,151,315记载了具有医药用途(优选整形外科用途)的复 合材料，其含有聚己内酯和聚氨酯的混合物。特别地，这个材料含有20％ 至70％b/w的聚酯己内酯聚氨酯、80至30重量％的聚己内酯和一个位 于中心的覆盖物，其具有三层。这些混合物在加热时具有弹性。本发明 与此文献不同之处在于，本发明不包括所述文献中的覆盖物，并且所述 膜是由均一的聚氨酯(例如聚氨酯己内酯)层形成。

文献WO 2005/111110记载了用于组织再生的药物控制释放的无毒 的生物可降解的聚氨酯，其包括由聚氧乙烯化共聚物形成的聚氨酯，特 别是导致获得聚乙二醇-IA-己内酯结合物的三嵌段共聚物， CL-PEG-CL。在链IA中其他氨基酸经由聚异氰酸酯或增链剂而引入， 如果合并的话。本发明与此文献的不同在于本发明不需要天然氨基酸， 并且本发明包括将聚合物溶解在洗脱液(特别是THF)中——这个事实 未记载于所述文献中——形成了本发明的生物相容性膜。

文献US 2008/0262613记载了生物相容的且生物可降解的聚氨酯材 料，其包括聚氨酯的直链部分，或者是含有多元醇、二异氰酸酯和增链 剂的交联聚氨酯。本发明与此文献不同之处在于本发明包括将聚合物溶 解在洗脱液(特别是THF)中——这个事实未记载于所述文献中——以 形成本发明的生物相容性膜。

Hong的文章(2007)记载了基于聚(3-己内酯-共-b-丁内酯)(PCLBL) 的聚氨酯(PCLBL-PU)的合成，并且研究了这个聚合物的降解。本发 明与此文献不同之处在于，本发明额外地包括将聚合物溶解在THF中以 形成旨在用于医药领域的膜，并且不同之处还在于在其式中不含丁内酯。

在研究的文献中没有发现公开或暗示了本发明教导的文献，就这个 方面来说，目前提出的解决方案相对于本领域现有技术具有新颖性和创 造性。

发明内容

一方面，本发明提供了一种用作生物聚合物(BPU)的聚合物的合 成方法，其特别是为生物相容性膜的形式。

本发明的一个目标是提供一种制备生物聚合物膜的方法，其包括下 列步骤：

a)将至少一种多元醇溶解在溶剂中；

b)添加异氰酸酯和催化剂的混合物；

c)去除溶剂；

d)将获得的聚合物溶解在洗脱液中，并调节稠度。

特别地，PU-PCL薄膜借助于20％的PU-PCL在四氢呋喃(THF) 中的溶液制得，将它们倾倒在玻璃板上，在其上放置聚合物溶液，放置 100微米的应变仪，并将薄膜真空干燥，以完全去除溶剂。

特别地，反应在反应器中、在恒定的机械搅拌和反应体系温度下进 行。

特别地，添加异氰酸酯任选地包含添加增链剂。在一个优选的实施 方案中，反应体系使用PLLA作为多元醇，HDI作为异氰酸酯，1，4-丁 二醇作为增链剂。

在一个任选的实施方案中，反应体系使用PCL作为多元醇，HDI 作为异氰酸酯。

在第二个方面，本发明提供了一种生物聚合物膜，其能够与生物材 料——例如作为细胞生长基质的生物材料——相互作用。

因此，本发明的一个目标是提供由上文所述的膜制备方法获得的生 物聚合物膜。

根据具体实施方式部分，将可领会和更好地理解本发明的这些目标 和其他目标。

附图说明

图1显示了生物聚合物BPU1的谱图。

图2显示了在本发明生物聚合物膜上的纤维原细胞。

具体实施方式

在这里示出的实施例仅用于举例说明实施本发明的众多方法之一， 而不对本发明的范围进行限定。

溶剂

本发明的溶剂包括非质子类溶剂，例如，但不限于，丙酮或二氯甲 烷。这些溶剂具有主要的偶极矩，并且优选地为通过其负偶极(negative  dipole)带有正电荷的溶剂合物种类，有利于Sn2反应机理。特别地， 本发明使用丙酮来溶解多元醇。

多元醇

本发明的多元醇选自多羟基酸，例如聚丙交酯(polylactide)和聚葡 萄糖苷、聚己二酸亚乙基酯和聚(己内酯)。特别地，在本发明中使用聚 己内酯(PCL)。

异氰酸酯

本发明的异氰酸酯选自芳香族、脂肪族、脂环族和/或多环族异氰酸 酯，可以获得多种多样的具有不同物理和化学特性的化合物。存在多种 二异氰酸酯和三异氰酸酯，例如脂肪族二异氰酸酯。特别地，本发明使 用1，6-己二异氰酸酯(HDI)。特别地，多元醇和HDI的理想用量的计 算是以摩尔比计，异氰酸酯/多元醇的比率在2∶1至0.5∶1之间变化，优 选使用的比率为1.2∶1。

催化剂

本发明的催化剂可以选自本技术领域中已知的催化剂，包括但不限 于二月桂酸二丁基锡(DBTDL)。特别地，本发明使用0.1％的DBTDL。

洗脱液

本发明使用的洗脱液包括但不限于不同类的化合物，例如酮，丙酮、 甲基异丁基酮-MIBK、甲基乙基酮-MEK；醚，四氢呋喃-THF；醇，叔 丁醇-TBA；二氯甲烷、三氯乙烯、二噁烷、乙酸乙酯和乙酸异丁酯。特 别地，本发明使用THF。

THF

四氢呋喃或THF是一种杂环有机化合物，作为洗脱液使用。它是一 种醚，极性的，并且可以由呋喃氢化而获得。本发明使用20％的聚合物 在THF中的溶液来溶解聚合物。

制备生物聚合物膜的方法

制备生物聚合物膜的方法包括以下步骤：

a)将至少一种多元醇溶解在溶剂中；

b)在该溶液中添加一种催化剂；

c)添加一种异氰酸酯；

d)去除溶剂；

e)将获得的聚合物溶解在洗脱液中，并调节稠度。

此反应在反应器中、在恒定的机械搅拌和反应体系温度下进行。

制备薄膜的步骤由以下步骤组成：将获得的聚合物溶解，并在合适 仪器(例如100微米应变仪)的协助下调节其稠度，之后真空干燥以完 全去除溶剂，形成干燥薄膜。

反应器的气氛为一种惰性气氛，以避免试剂的副反应，并且增加聚 合物的产率。特别地，反应在N₂惰性气氛下进行，伴随机械搅拌，并且 反应体系温度恒定。游离NCO的含量是用滴定和红外光谱进行跟踪。

特别地，异氰酸酯/多元醇的摩尔比在2∶1至0.5∶1之间变化，优选使 用的比率为1.2∶1，反应体系PCL/HDI(BPU2)的温度为60℃。

聚氨酯

作为生物材料使用的聚氨酯(PU)具有生物相容性特性，其物理与 化学特性使其能够用于植入装置(例如主动脉内球囊、胸部植入物、血 管成形气球)、导管装置以及其他装置。生物可降解的聚氨酯可以由二 异氰酸酯与不同的多元醇和增链剂形成。本发明形成的聚氨酯的特性取 决于所用的多元醇和二异氰酸酯。

获得的生物聚合物膜

由所述制备生物聚合物膜的方法获得一种生物聚合物膜。特别地， 这些膜的厚度为100μm至5mm。这些膜已被用于用造骨细胞进行的体 内和体外测试，其中证实了此聚合物的生物相容性。特别地，100μm的 PU-PCL薄膜是通过使用Esteriliplus-àde Etileno  Ltda.公司的环氧乙烷灭菌，以便在外科中使用。

实施例1-优选实施方案

聚合物的制备

此部分描述了用不同的多元醇合成聚氨酯生物材料，目标在于比较 这些试剂赋予所合成的生物PU的特性。在合成中使用的材料为：1，6- 己二异氰酸酯(HDI)、聚(己内酯)二醇(PCL)、增链剂1，4-丁二醇和 催化剂二月桂酸二丁基锡(DBTDL)。所有的反应在N₂惰性气氛下进 行，伴随机械搅拌，所用的NCO/OH摩尔比为1.2。PCL/HDI(BPU) 体系的温度保持在60℃。反应中游离NCO的含量通过用N-二丁基胺滴 定和红外光谱(IV)进行跟踪，其中在与二异氰酸酯NCO(≈2270cm^-1) 相关的光谱带中有下降。BPU的摩尔质量为120359g/mol，IP为1.5， 这个数据是由凝胶渗透色谱(GPC)测得的，如文献所述。合成的生物 PU也由IV表征。BPU的光谱展现出表征聚氨酯C＝O拉伸的1731cm^-1的光谱带。在1530cm^-1，观察到表征聚氨酯C-N和N-H的光谱带，在 3383cm^-1光谱展现出N-H的特征谱带。在约2940cm^-1，观察到表征C-H 拉伸的光谱带。这些归属符合文献中所述。为了检验在水性介质(蒸馏 水，pH 6.3)中的降解，将BPU试样置于150mL的蒸馏水中，并放置 15天。在BPU中，在8天内pH下降到5.0。这个结果表明了BPU缓慢 而稳定地降解，其原因在于它源自多元醇己内酯，其中内酯基团比酯基 团更能抵抗水解。

由1，6-己二异氰酸酯(HDI)、多元醇即聚(己内酯)二醇合成的聚氨 酯(PU)可以用作细胞生长基质。聚氨酯的形成反应伴随着二异氰酸酯 基团随着时间的消耗，并且其用IV和GPC技术表征，测得的平均摩尔 质量为120,359g/mol。研究了合成的PU在水性介质中的降解，注意到 降解过程在第8天开始。也使用小鼠的纤维原细胞(NIH3T3)进行了初 步的体外评价。

材料

在合成中使用的材料为1，6-己二异氰酸酯(HDI)、多元醇即聚(己 内酯)二醇(PCL，Mn为2000g/mol)、以及催化剂二月桂酸二丁基锡 (DBTDL)。反应在60℃在N2惰性气氛下进行，伴随机械搅拌，并且 NCO/OH的摩尔比为1.2。反应中游离NCO的含量通过用N-二丁基胺 滴定和使用Perkin Elmer Instruments Spectrum One FT-IR光谱仪的红 外光谱进行跟踪，其中在与二异氰酸酯NCO(≈2270cm-1)相关的光谱 带中有下降。凝胶渗透色谱(GPC)分析是以1515isocratic HPLC pump 使用折射率检测器Waters Instruments 2412，以THF作为洗脱液进行。 为了检验在水性介质(蒸馏水，pH 6.3)中的降解，将BPU(2.8956g) 试样置于150mL的蒸馏水中，并放置16天。通过检测介质中pH随着 时间的变化而进行降解试验，使用以Quimis校准溶液pH 4.01和6.86 校准过的Digimed DM-20pHmeter进行测试。对于体外评价，将0.5x105 纤维原细胞(NIH3T3)置于BPU表面上的培养基，在补充有10％胎牛 血清和抗生素的D-MEM培养基中，在含有5％的CO₂的潮湿环境下培 养。通过将这些物种在甲醇中固定并将其用苏木精和曙红(HE)染色来 检验细胞粘附性。

结果和讨论

由PCL(BPU)获得的聚氨酯的摩尔质量为120.359g/mol，多分散 性为1.5。用红外光谱法(FT-IR)对BPU表征，其光谱展现出表征聚氨 酯C＝O拉伸的1731cm^-1的光谱带。在1530cm^-1，观察到与聚氨酯基团 C-N和N-H相关的光谱带，并且在约3383cm^-1光谱展现出表征基团N-H 的光谱带(图1)，与文献中的数据相符。降解试验显示介质的pH在第 8天开始下降，到达数值5.0。用HE方法着色，证实聚合物支持NIH3T3 纤维原细胞的粘附和增殖(图2)。由于它们只可在粘附于表面时增殖， 借此从细胞外基质分泌继续其计划的蛋白质。

通过使用红外技术，可以证实期望的聚氨酯的结构组成，所述聚氨 酯已经由光谱带的归属与文献中的数据相比而证实。在水性介质中的降 解试验表明BPU缓慢且稳定地降解，其原因在于它源自己内酯多元醇， 其中内酯基团具有一定的耐水解性。在聚合物表面的细胞粘附可以通过 将纤维原细胞用苏木精和曙红染色来证实。

因此，本发明涉及一种基于聚(氨酯-己内酯)的聚合材料PU-PCL， 用于神经和骨骼的再生。此聚合物是由前文记载的制备方法获得的。将 获得的聚合物溶解在THF中形成厚度为100μm的薄膜，该薄膜用于体 内试验以及用于体外试验的圆盘。体内试验在一组Wistar小鼠上进行， 将一片聚合物嵌入小鼠背部、坐骨神经、肌肉和骨组织。进行时间跟踪 以评价可能的发炎反应。体外试验是用造骨细胞进行，其证实了聚合物 的生物相容性。

本领域技术人员将理解本文中所给出的知识，并且可以前述实施方 案或其他的变化方案重现本发明，这些方案都包括在所附权利要求范围 内。