含有氨基酸基团的聚(ε-己内酯)合成与表征

冯亚凯，韩 颖，曹宏飞

(1. 天津大学化工学院，天津 300072；2. 天津化学化工协同创新中心，天津 300072)

可降解生物材料作为植入材料和组织工程材料使用时，要求其在人体内特定时间内能够被降解和吸收掉．因此，良好的生物相容性和可降解性是其重要性能．天然氨基酸是构成蛋白质的基本结构单元，可以直接被人体利用合成蛋白质大分子，具有很好的生物相容性[1-2]．笔者研究报道了利用吗啉2，5-二酮合成出含有氨基酸结构的聚合物，发现其具有良好的形状记忆功能和可降解性能，而且其生物相容性很好[3-5]．

聚(ε-己内酯)(poly(ε-caprolactone)，PCL)是由ε-己内酯(CL)单体经过开环聚合而得到的线性脂肪族聚酯．一般情况下含有活泼氢的化合物，例如羟基(—OH)、氨基(—NH2)、水和羧基(—COOH)等，都可以引发 CL开环聚合．PCL重复结构单元上有 5个亚甲基(—CH2—)和 1个酯基(—COO—)，结构比较规整，柔顺性很好，容易结晶，熔点(tm＝59,℃)和玻璃化转变温度(tg＝-60,℃)都很低．PCL具有优良的加工性能、药物通透性和生物相容性等，在医药领域得到了广泛的应用[6-10]．

但是 PCL高憎水性决定了其降解性能非常差，为提供其亲水性和降解性能，笔者研究氨基酸修饰PCL共聚物，通过选择氨基酸达到控制 PCL共聚物性能的目的．将天然氨基酸引入到聚酯分子链中合成出聚酯酰胺[11-14]，其降解产物中的氨基酸可以直接被生物有机体利用或者新陈代谢掉．含有氨基酸残基的酰亚胺类似于蛋白质的肽结构，应该与细胞有良好的亲和性．此外，酰亚胺键之间或与水分子之间可以形成较强的氢键，因此，笔者将4种氨基酸引入到聚(ε-己内酯)(PCL)得到 4种聚酯酰胺，有望改善材料的物理化学性能(如结晶性、亲/疏水性等)、与细胞或组织的亲和力、生物降解性和生物相容性．

1 实验部分

1.1 实验原料与仪器

氨基酸，食品级，上海晶纯实业有限公司；ε-己内酯(ε-caprolactone，CL)，分析纯，上海晶纯实业有限公司；辛酸亚锡、二氧六环，分析纯，天津市光复精细化工研究所；六亚甲基二异氰酸酯(hexamethylene diisocyanate，HDI)，分析纯，天津市江天化工技术有限公司．

AVANCE-III-400M 型液体核磁共振仪，德国Bruker公司；FM40 Easy Drop型水接触角测定仪，德国 KRÜSS有限公司；BIO-RAD-FTS6000红外光谱仪，德国KRÜSS有限公司．

1.2 含有氨基酸残基PCL齐聚物的合成

在 3口烧瓶中，加入物质的量的比分别为 1∶4和 1∶16的 L-谷氨酸钠和 CL单体，以及 Sn(Oct)2(CL和Sn(Oct)2的质量比为100∶1)，抽真空，通氮气，反复 3次．在 140,℃下反应 12,h，用氯仿溶解、盐酸酸化，用蒸馏水反洗2次氯仿相，然后浓缩氯仿相，再用乙醚和石油醚混合溶液(体积比为 1∶1)进行沉淀，抽滤得固体，经真空干燥至恒重．

含有 L-亮氨酸、L-丙氨酸和 L-赖氨酸残基 PCL齐聚物的合成同此方法，合成的齐聚物分别命名为L-Glu-PCL、L-Leu-PCL、L-Ala-PCL 和 L-Lys-PCL．而PCL均聚物的合成则采用水代替氨基酸钠作为引发剂．

1.3 含有氨基酸残基共聚物的合成

称取 3.000,g氨基酸封端的PCL齐聚物于干燥的反应管中，加入 15,mL无水二氧六环将其完全溶解．称取一定量的 HDI(PCL和 HDI物质的量的比为 1∶1)配成二氧六环溶液，通氮气保护，在室温下边搅拌边缓慢滴加 HDI溶液．滴加完后，再缓慢升温到 83,℃，反应 5,h．反应完后，将反应混合物在蒸馏水中沉淀，经真空干燥至恒重．以 L-丙氨酸、L-亮氨酸、L-赖氨酸、L-谷氨酸为原料合成的聚酯酰胺分别命名为 PCL-HDI-Ala、PCL-HDI-Leu、PCL-HDILys和 PCL-HDI-Glu．

PCL-HDI的合成同此方法．

1.4 PCL及其共聚物膜的准备

将 PCL及其共聚物配置成 10%的二氧六环溶液，经浇铸成膜，干燥至恒重备用．

1.5 吸水实验

将聚酯酰胺膜制成10,,mm×15,,mm×1.5,mm样品，每个样品5个平行．经充分干燥，称重作为初始值(mdry)．将样品置入蒸馏水中24,h测定其吸水率(η)，计算式为

式中mwet为吸水样品的质量．

1.6 降解实验

将共聚物膜制成10,mm×15,mm×1.5,mm测试样品，每个样品 5个平行．经充分干燥，然后称重作为原始质量(mi)．然后，将测试样品放入5,mL pH＝7.0的 PBS溶液中，在 37,℃条件下，每隔 4天换 1次PBS溶液．每周取出样品，蒸馏水冲洗3次，用吸水纸将膜表面的水吸干，然后放入真空干燥箱中干燥恒重．质量损失率(ηm)计算式为

式中ml为降解后质量．

2 结果与讨论

2.1 共聚物的FT-IR

共聚物的红外吸收光谱如图1所示．

图1 共聚物的红外吸收光谱Fig.1 FT-infrared absorption spectra of copolymers

图1为 PCL-HDI、PCL-HDI-Ala、PCL-HDI-Glu、PCL-HDI-Lys、PCL-HDI-Leu和 PCL膜的红外吸收光谱．PCL-HDI红外吸收光谱在 3,440,cm-1处较强的吸收峰为—OH和—NCO反应生成—NH—C(O)—O—的吸收峰，2,940,cm-1和 2,870,cm-1处吸收峰分别为CL结构和HDI结构中亚甲基(—CH2—)的反伸缩振动和伸缩振动吸收峰，1,640,cm-1附近为—NH—C(O)—NH—和—NH—C(O)—O—重叠吸收峰．与对照组(PCL-HDI)相比，PCL-HDI-Ala、PCL-HDI-Lys和PCL-HDI-Leu在1,540,cm-1出现小峰是共聚物中酯肽结构NH平面内对称弯曲振动和—NH—C(O)—O—中 NH 重叠峰. Petrova等[15]和 Zhang等[16]也观察到该 1,540,cm-1处弱吸收峰．图 1中曲线 3为 PCL-HDI-Glu的红外吸收光谱，在 1,540,cm-1处的吸收峰很弱，而在 1,640,cm-1处吸收峰较强．L-谷氨酸封端的 PCL齐聚物含有 2个游离的羧基，与—NCO反应生成 —NH—C(O)—NH—的几率大，导致 1,640,cm-1处的吸收峰较强，而1,540,cm-1处的吸收峰较弱．

2.2 共聚物的H-NMR

1PCL-HDI-Ala和 PCL-HDI的1H-NMR图谱如图2所示．

图2 PCL-HDI-Ala(1)和PCL-HDI(2)的1H-NMR图谱Fig.2 1H-NMR spectrum of PCL-HDI-Ala(1)and PCL-HDI(2)

图 2曲线 1中化学位移 δ＝6.40×10-6处标有“c”峰是酰亚胺键(—NH—C＝O)的特征质子共振峰，在 δ＝4.67×10-6处标有“b”峰是 L-丙氨酸残基中与羧基相连碳(—CH—)特征质子共振峰．这两个吸收峰表明L-丙氨酸钠游离氨基引发ε-己内酯开环；化学位移δ＝7.95×10-6处标有“j”峰为HDI与PCL端羟基反应生成的酰亚胺键(—NH—C＝O)的特征质子共振峰．图 2曲线 1、2中在 δ＝4.01×10-6处标有“i”峰是ε-己内酯结构中与酯键相连亚甲基(—CH2—O—C＝O)上的质子共振峰，在 δ＝3.40×10-6是 ε-己内酯结构单元中与端羟基相连的亚甲基(—CH2—OH)上的质子共振峰，这些化学位移与理论一致．

2.3 共聚物亲水性能

不同聚合物膜的水接触角数据如表 1所示．不同聚合物材料的吸水率如图3所示．

由表 1可知，与 PCL均聚物相比，PCL齐聚物经 HDI扩链以后，静态接触角减小．含有氨基酸残基的聚酯酰胺静态接触角都明显降低，且都比PCLHDI接触角小．含有不同氨基酸残基聚酯酰胺的水接触角由大到小的顺序为：PCL-HDI-Leu＞PCLHDI-Ala＞PCL-HDI-Glu＞PCL-HDI-Lys．含有 L-赖氨酸残基的 PCL-HDI-Lys接触角最小，为 58.7°，这是因为聚合物中酰亚胺键亲水性的原因，酰亚胺与水分子之间能形成很强的氢键作用，使得聚合物膜的亲水性得到改善．含有L-亮氨酸残基聚合物PCLHDI-Leu的接触角比 PCL-HDI-Ala大，L-亮氨酸支链疏水基团导致其亲水性较差．L-谷氨酸和 L-赖氨酸侧基分布含有羧基和氨基，所形成的聚合物具有较高的亲水性，所以接触角较低．

表1 不同聚合物膜的水接触角Tab.1 Water contact angel of different copolymer films

图3 不同聚合物材料的吸水率Fig.3 Water uptake of different copolymer films

图 3为 PCL、PCL-HDI和含有不同酯肽结构聚酯酰胺的吸水率．众所周知，PCL为疏水性材料，吸水率仅为 0.015%，由 HDI扩链的 PCL共聚物膜亲水性有所提高，吸水率为 0.03%．而氨基酸共聚物的亲水性都有所改善，吸水率得到了提高．含有不同氨基酸残基聚酯酰胺膜的吸水率由强到弱的顺序为：PCL-HDI-Lys＞PCL-HDI-Glu＞PCL-HDI-Ala＞PCL-HDI-Leu，其中，以含有 L-赖氨酸残基聚酯酰胺的吸水率最强，达到了 0.42%，其次是含有 L-谷氨酸残基聚酯酰胺，吸水率为 0.055%．而含有 L-丙氨酸和 L-亮氨酸残基聚酯酰胺的吸水率则较低．这和接触角结果是一致的，主要是聚酯酰胺中极性基团—C(O)—NH—的作用．

2.4 水降解实验结果与讨论

降解实验中聚酯酰胺的质量损失如图4所示．

图4 降解实验中聚酯酰胺的质量损失Fig.4 Mass loss of poly(ester-amide)s during degradation tests

聚酯中的酯键可以被水降解，但是 PCL降解速率非常缓慢．从图 4中的曲线可看出，PCL均聚物的质量几乎没有发生变化，其降解速度比较缓慢．而含有HDI结构的PCL共聚物在实验前5周内也没有发生变化，在第6周质量减少了0.31%，第7周减少了 0.99%，降解速率有所提高．含有不同氨基酸残基的聚合物降解速率有很大的差别，其中降解速率由快到慢的顺序为：PCL-HDI-Lys＞PCL-HDI-Glu＞PCL-HDI-Ala＞PCL-HDI-Leu．含有 L-亮氨酸和 L-丙氨酸残基的 PCL共聚物降解速率与对照组(PCLHDI)相比，没有明显改善．含有 L-谷氨酸和 L-赖氨酸的聚酯酰胺与L-亮氨酸和L-丙氨酸的聚酯酰胺相比，降解速率较高．含有 L-赖氨酸的降解速率比含有 L-谷氨酸的聚酯酰胺高，降解实验结果和其亲水性是一致的．PCL降解初期为酯键水解反应，在水的作用下，酯键发生断裂，导致其相对分子质量缓慢下降，但失重不明显，这一阶段所持续时间的长短取决于聚合物的初始相对分子质量和它的化学结构．而当 PCL相对分子质量降至 5,000以后，分子链断裂速度加快，才能观察到材料明显失重．通过引入不同结构氨基酸，得到亲水性不同的材料，从而影响其降解速率．

3 结 语

选择不同氨基酸封端的PCL齐聚物为大分子单体，HDI为扩链剂，合成了含有不同氨基酸残基聚酯酰胺．这些聚酯酰胺中含有酰胺键，与水有很强的作用．含有不同氨基酸残基聚酯酰胺的亲水性由强到弱的顺序为：PCL-HDI-Lys＞PCL-HDI-Glu＞PCLHDI-Ala＞PCL-HDI-Leu，在PBS溶液中的降解速率顺序与亲水性一致．含有 L-赖氨酸残基的聚酯酰胺亲水性最高，降解速率最快．.

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