纳米结构的可生物降解导电聚膦腈支架及其制备方法

摘要

本发明公开一种纳米结构的可生物降解导电聚膦腈支架及其制备方法，其为纳米结构的聚[(甘氨酸乙酯/苯胺低聚体)膦腈]支架，具体为聚[(甘氨酸乙酯/苯胺五聚体)膦腈]支架或聚[(甘氨酸乙酯/苯胺四聚体)膦腈]支架。其具有良好的生物相容性，在生理环境中表现出适当的降解速率，降解产物无毒或者低毒，并且能够被人体的正常代谢排出体外；其电导率能满足刺激神经生长的需要，可应用于神经系统的移植、脊髓损伤的修复；同时，通过聚[(甘氨酸乙酯/苯胺低聚体)膦腈]凝胶化、溶剂置换等步骤使其表面形成纳米结构，拥有更大的比表面积，有利于蛋白吸附，提供更多的细胞膜受体的结合位点。

说明书

技术领域

本发明公开一种医用高分子材料支架，特别是一种纳米结构的可 生物降解导电聚膦腈支架及其制备方法。

背景技术

高分子材料被越来越多地用于生物医学和药学领域，其中尤以可 生物降解高分子材料应用最为广泛，如聚酯、聚原酸酯、聚酸酐、聚 酰胺、聚氰基丙烯酸酯和聚膦腈等。这类材料不仅具备可生物降解性 和生物相容性，还可通过其自身具有的可生物降解重复单元与药物和 目标受纳体产生相互影响，用作引导神经再生的修复架、脉管移植材 料和药物缓释载体等。其中聚膦腈作为一类具有良好的生物相容性、 可生物降解性及易于功能化的新型药物控释材料受到人们的广泛关 注。

黄荣等人在《具有乙氧羰苯氧基、甘氨酸乙酯和甲氧基乙氧基乙 氧基侧链聚膦腈的合成及性能研究》(黄荣等，云南大学学报(自然科 学版)，2011，33(5):573-577)中公开，通过聚二氯膦腈的亲核取代 反应合成了具有乙氧羰苯氧基、甘氨酸乙酯和甲氧基乙氧基乙氧基侧 链的聚膦腈，此聚膦腈具有温度响应性和可生物降解性，在生物医用 材料上具有潜在的应用价值。但是该聚合物的生物导电性能较差，难 以应用于在神经系统移植、脊髓损伤修复等领域。

张青松在其博士论文《生物可降解导电聚膦腈高分子的合成及性 能研究》公开了一种可生物降解导电聚膦腈高分子的合成方法，将苯 胺低聚体(苯胺五聚体)和可降解基团(甘氨酸乙酯)同时接枝于聚 膦腈高分子主链上，合成聚[(甘氨酸乙酯/苯胺五聚体)膦腈]。其具有 良好的生物相容性；在生理环境中可降解，降解产物无毒或者低毒； 同时其电导率为3.2×10^-5S/cm，可应用于周围神经组织工程材料。在 神经系统移植领域，特别是在脊髓损伤修复领域，生物高分子材料的 的表面特性影响骨结合的效果。在同种生物材料的情况下，生物材料 的表面物理特性如颗粒直径、颗粒之间的孔径等，是影响成骨细胞增 殖等生理功能的主要决定因素。但是，该文公开的聚[(甘氨酸乙酯/ 苯胺五聚体)膦腈]难以针对性满足其在神经系统移植、脊髓损伤修复 领域应用的更高要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米结构的可生物降解导电聚膦腈 支架，其具有良好的生物相容性，可生物降解且降解速率可控：在生 理环境中表现出适当的降解速率，降解产物无毒或者低毒，并且能够 被人体的正常代谢排出体外；其电导率能满足刺激神经生长的需要， 可应用于神经系统的移植、脊髓损伤的修复；同时，其为表面形成纳 米结构，即其表面颗粒直径、颗粒之间的孔径为纳米级。

本发明的另一个目的在于提供一种制备纳米结构的可生物降解 导电聚膦腈支架的方法，该方法的制得的聚膦腈支架不仅可生物降 解、电导率能满足刺激神经生长的需要，而且表面形成纳米结构，拥 有更大的比表面积，有利于蛋白吸附，提供更多的细胞膜受体的结合 位点。

本发明提供一种纳米结构的可生物降解导电聚膦腈支架，所述支 架为表面形成纳米结构的聚[(甘氨酸乙酯/苯胺低聚体)膦腈]支架。聚 膦腈是由交替的氮、磷原子以交替的单双健构成主链，有机基团为侧 基的高分子，具有良好的生物相容性，其降解产物包括氨基酸、磷酸 盐等无毒无害物质。以聚二氯膦腈为主链，通过亲核取代反应引入甘 氨酸乙酯、苯胺低聚体的支链，即可合成聚[(甘氨酸乙酯/苯胺低聚体) 膦腈]，其具有很好的生物导电性能，具有神经系统移植、修复脊髓 损伤的可行性。

较佳的，所述苯胺低聚体为苯胺五聚体或苯胺四聚体，即所述聚 [(甘氨酸乙酯/苯胺低聚体)膦腈]支架为表面形成纳米结构的聚[(甘氨 酸乙酯/苯胺五聚体)膦腈]支架或聚[(甘氨酸乙酯/苯胺四聚体)膦腈]支 架。其中，由于苯胺四聚体的电导率较苯胺五聚体的电导率低，聚[(甘 氨酸乙酯/苯胺五聚体)膦腈]支架的生物导电性能较[(甘氨酸乙酯/苯 胺四聚体)膦腈]支架更优。

较佳的，所述表面形成纳米结构的聚[(甘氨酸乙酯/苯胺低聚体) 膦腈]支架，由下述步骤制备得到：

A.制备聚[(甘氨酸乙酯/苯胺低聚体)膦腈]的步骤；

B.聚[(甘氨酸乙酯/苯胺低聚体)膦腈]凝胶化的步骤：

将聚[(甘氨酸乙酯/苯胺低聚体)膦腈]溶解于四氢呋喃，再加入 NH₄HCO₃颗粒，在-50℃至-30℃的低温下使其凝胶化；

C.溶剂置换的步骤：

加入超纯水将NH₄HCO₃颗粒置换并滤出，冷冻干燥即制得纳米 结构的聚[(甘氨酸乙酯/苯胺低聚体)膦腈]支架。

其中，制备聚[(甘氨酸乙酯/苯胺低聚体)膦腈]的步骤包括：

a1制备苯胺低聚体的步骤；

a2制备聚二氯膦腈的步骤；

a3合成聚[(甘氨酸乙酯/苯胺低聚体)膦腈]的步骤。

优选的，聚[(甘氨酸乙酯/苯胺低聚体)膦腈]凝胶化的步骤中，加 入的NH₄HCO₃颗粒的粒径为200-300μm以便于聚[(甘氨酸乙酯/苯 胺低聚体)膦腈]支架的表面形成良好的纳米结构，保证其表面平整、 均匀，避免出现微孔断裂。

优选的，聚[(甘氨酸乙酯/苯胺低聚体)膦腈]凝胶化的步骤中，加 入的NH₄HCO₃颗粒与聚[(甘氨酸乙酯/苯胺低聚体)膦腈]的质量比为 8-10:1。

本发明还提供一种制备纳米结构的可生物降解导电聚膦腈支架 的方法，包括下述步骤：

A.制备聚[(甘氨酸乙酯/苯胺低聚体)膦腈]的步骤；

B.聚[(甘氨酸乙酯/苯胺低聚体)膦腈]凝胶化的步骤：

将聚[(甘氨酸乙酯/苯胺低聚体)膦腈]溶解于四氢呋喃，再加入 NH₄HCO₃颗粒，在-50℃至-30℃的低温下使其凝胶化；

C.溶剂置换的步骤：

加入超纯水将NH₄HCO₃颗粒置换并滤出，冷冻干燥即制得纳米 结构的聚[(甘氨酸乙酯/苯胺低聚体)膦腈]支架。

其中，所述制备聚[(甘氨酸乙酯/苯胺低聚体)膦腈]的步骤包括：

a1制备苯胺低聚体的步骤；

a2制备聚二氯膦腈的步骤；

a3合成聚[(甘氨酸乙酯/苯胺低聚体)膦腈]的步骤。

本发明聚[(甘氨酸乙酯/苯胺低聚体)膦腈]的合成方法，首先合成 由可降解基团(甘氨酸乙酯基)单取代的聚[双(甘氨酸乙酯)膦腈]， 在此基础上，将苯胺低聚体(苯胺五聚体、苯胺四聚体)和可降解基 团(甘氨酸乙酯)同时接枝于聚膦腈高分子主链上，合成聚[(甘氨酸 乙酯/苯胺低聚体)膦腈]。接枝的甘氨酸乙酯基于其具有亲水性，能促 进高分子材料的降解，而且能促进细胞的粘附和增殖；接枝的苯胺低 聚体基于其良好的电导率。

优选的，所述聚[(甘氨酸乙酯/苯胺低聚体)膦腈]凝胶化的步骤中， 加入的NH₄HCO₃颗粒的粒径为200-300μm，以便于聚[(甘氨酸乙酯/ 苯胺低聚体)膦腈]支架的表面形成良好的纳米结构，保证其表面平 整、均匀，避免出现微孔断裂。

优选的，聚[(甘氨酸乙酯/苯胺低聚体)膦腈]凝胶化的步骤中，加 入的NH₄HCO₃颗粒与聚[(甘氨酸乙酯/苯胺低聚体)膦腈]的质量比为 8-10:1。

本发明的有益效果有：纳米结构的可生物降解导电聚膦腈支架为 纳米结构的聚[(甘氨酸乙酯/苯胺低聚体)膦腈]支架，其具有良好的生 物相容性，可生物降解且降解速率可控：在生理环境中表现出适当的 降解速率，降解产物无毒或者低毒，并且能够被人体的正常代谢排出 体外；其电导率能满足刺激神经生长的需要，可应用于神经系统的移 植、脊髓损伤的修复；同时，其为表面形成纳米结构，拥有更大的比 表面积，有利于蛋白吸附，提供更多的细胞膜受体的结合位点。

附图说明

图1为本发明的聚[(甘氨酸乙酯/苯胺五聚体)膦腈]支架的红外光 谱图。

图2为本发明的聚[(甘氨酸乙酯/苯胺五聚体)膦腈]支架的核磁共 振氢谱图。

图3为本发明的聚[(甘氨酸乙酯/苯胺五聚体)膦腈]支架的紫外光 谱图。

图4为本发明的聚[(甘氨酸乙酯/苯胺五聚体)膦腈]支架的SEM 形态图(×2000)。

具体实施方式

通过下面给出的本发明的具体实施例和比较实施例可以进一步 清楚地了解本发明，但它们不是对本发明的限定。具体实施例和比较 实施例中没有详细叙述的部分是采用现有技术、公知技术手段和行业 标准获得的。

下面以聚[(甘氨酸乙酯/苯胺五聚体)膦腈]支架为例进行说明，同 样适合于聚[(甘氨酸乙酯/苯胺四聚体)膦腈]支架，区别仅在于：聚[(甘 氨酸乙酯/苯胺四聚体)膦腈]支架的生物导电性能较[(甘氨酸乙酯/苯 胺五聚体)膦腈]支架稍差一些，这是由于苯胺四聚体的电导率较苯胺 五聚体的电导率低缘故导致，但仍可以满足其在神经系统移植、脊髓 损伤修复领域应用的导电性要求。

实施例1

按如下的步骤方法制备纳米结构的可生物降解导电聚膦腈支架： 聚[(甘氨酸乙酯/苯胺五聚体)膦腈](poly(alaine ethylester co-glycine  ethylester)phosphazene，PGAP)支架：

A.制备聚[(甘氨酸乙酯/苯胺五聚体)膦腈]的步骤；

a1制备苯胺五聚体：

取5.4g对苯二胺溶解于1mol/L盐酸400mL和200mL乙醇混合 溶液中，冷却至-11℃后将8.3g苯胺加入。另将11.4g过硫酸铵溶解 于50mL水中，缓慢滴加到上述溶液中。于-4℃搅拌4hr，加入饱和 的草酸溶液终止反应。过滤，蒸馏水洗至中性，40℃真空干燥，得到 氨基封端的苯胺三聚体。

取10g苯胺三聚体和12g二苯胺溶解于200mL DMF和100mL 水的混合溶液中。冷却至-5℃后，加入50mL浓盐酸，搅拌4h，蒸馏 水洗涤至中性。40℃真空干燥。纯化采用硅胶柱层析。收集的产物用 苯肼还原，乙醇重结晶，得全还原态的苯胺五聚体。

a2制备聚二氯膦腈：

将提纯的六氯环三膦腈单体装入聚合管中熔融，开泵抽真空约 3hr后封管。放入250℃的油浴锅中聚合。用石油醚尽量去除单体。 加入干燥的四氢呋喃，磁力搅拌8hr使聚合物完全溶解。所得聚合物 即为聚二氯膦腈的四氢呋喃溶液。

a3合成聚[(甘氨酸乙酯/苯胺五聚体)膦腈]：

将8.0g聚二氯膦腈加入500mL干燥的四氢呋喃，磁力搅拌溶解。 18.0g苯胺五聚体溶解于200mL四氢呋喃后缓慢加入到上述溶液中。 混合物在50℃-60℃下加热反应24h。冷却，备用。

将15.6g甘氨酸乙酯盐酸盐，200mL干燥的四氢呋喃以及18.0mL 三乙胺共混，配置接枝混合液备用。

将上述c2中接枝混合液加入上述c1中的聚二氯膦腈的混合溶液 中，反应体系在0℃下继续反应6h，然后在室温下反应24h。最后在 50℃下回流反应12h。将所得溶液先在石油醚中沉淀数次，用乙醇为 溶剂反复索氏提取。

B.聚[(甘氨酸乙酯/苯胺五聚体)膦腈]凝胶化的步骤：

采用液-液相分离技术制备支架。取一定量的聚[(甘氨酸乙酯/苯 胺五聚体)膦腈]溶解在50℃的四氢呋喃中获得5％(w/v)的澄清溶液， 迅速倒入烧杯中，并加入9倍的NH₄HCO₃与PGAP聚合物质量比， 粒径：200-300μm。搅拌均匀后迅速放入-40℃低温冰箱保持2h使之 凝胶化。

C.溶剂置换的步骤：

将凝胶化PGAP溶液样品取出，放入4℃超纯水中使溶剂和 NH₄HCO₃颗粒置换和滤出，冷冻干燥得到支架即制得纳米结构的聚 [(甘氨酸乙酯/苯胺五聚体)膦腈]支架。

纳米结构的可生物降解导电聚[(甘氨酸乙酯/苯胺五聚体)膦腈]支 架的表征和性能测试：

(1)红外谱图分析

图1为合成的聚[(甘氨酸乙酯/苯胺五聚体)膦腈]支架的红外谱 图。1236cm^-1和822cm^-1处分别属于聚膦腈P＝N的伸缩振动和面内弯 曲振动，1744cm^-1和1122cm^-1分别属于甘氨酸乙酯C＝O和C-O-C的 伸缩振动，2983cm^-1处较大的吸收带为N-H的红外吸收。

(2)核磁共振谱图分析

图2为合成的聚[(甘氨酸乙酯/苯胺五聚体)膦腈]支架的核磁共振 氢谱图。δ＝1.2ppm为甘氨酸乙酯的甲基质子的特征吸收。δ＝3.8ppm 为-N-CH2-CO-亚甲基的吸收，δ＝4.3ppm为亚甲基-O-CH2-CH3质子 的吸收。δ＝6.8～7.3为苯胺五聚体上苯环质子。由红外光谱分析和 核磁共振谱图分析表明，聚合物为甘氨酸乙酯、苯胺五聚体混合取代 的PGAP。

(3)紫外光谱分析

图3为合成的聚[(甘氨酸乙酯/苯胺五聚体)膦腈]支架的紫外光谱 图。还原态的PGAP聚合物的紫外可见光谱上只在310nm出现一个 吸收峰，随着氧化反应的进行，在600nm处出现了一个新的吸收峰。 PGAP的紫外光谱说明PGAP聚合物与苯胺五聚体一样能被化学氧 化，能进行质子酸掺杂，有着较好的氧化和掺杂性能。

(4)电导率测量

采用四点探针法，测定了合成的聚[(甘氨酸乙酯/苯胺五聚体)膦 腈]支架的电导率为3.2×10^-5S/cm，比苯胺五聚体的电导率(10^-3S/cm) 低。生物电为微电流，生物组织或器官的电压一般低于150mV，同 时，电流的变化电流的变化范围在0.6μA～400μA之间。应用于神 经修复的平均电压为100mv，当100mv电压加到材料上时，将产生1 μA-100μA的电流，这是生物电的电流。因此，合成的PGAP电导 率能满足刺激神经生长的需要。

(5)微观形态SEM观察

图4为合成的聚[(甘氨酸乙酯/苯胺五聚体)膦腈]支架在扫描电镜 SEM下的形态图(×2000)。在低倍镜下，PGAP支架表面平整，均 匀，未出现微孔及断裂，表面无颗粒状物质等。

实施例2

该实施例的过程与实施例1基本相同，其合成工艺参数的调整详 见表1。

实施例3

该实施例的过程与实施例1基本相同，其合成工艺参数的调整详 见表1。

比较例1

该实施例的过程与实施例1基本相同，其合成工艺参数的调整详 见表1。

比较例2

该实施例的过程与实施例1基本相同，其合成工艺参数的调整详 见表1。

表1 PGAP凝胶化的工艺参数及PGAP的SEM微观形态图

以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限 定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化， 仍属本发明所涵盖的范围。