可生物降解脂肪族聚碳酸酯研究硕士研究生论文Word文件下载.docx

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1.6高分子材料用作药物控制释放载体的技术及其分类13

1.6.1高分子药物控制释放系统的概述13

1.6.2药物控制释放系统的载体13

1.6.3药物控制释放系统的优点14

1.6.4药物控制释放系统的分类14

1.6.4.1扩散控制药物释放体系14

1.6.4.2化学控制药物释放体系15

1.6.4.3溶剂活化控制药物释放体系15

1.6.4.4磁性药物控制释放体系[43]15

1.7高分子微球药物控制释放系统的制备方法16

1.8肿瘤靶向性给药系统的研究16

1.8.1靶向性给药系统的优点及分类16

1.8.2叶酸靶向性给药系统的研究16

1.9论文研究内容17

1.9.1利用两种六元环状碳酸酯单体进行开环聚合反应17

1.9.2两亲性聚碳酸酯共聚物的制备及性能研究17

1.9.3肿瘤靶向性共聚物载体的制备17

第2章实验部分18

2.1前言18

2.2实验部分20

2.2.1试剂和仪器20

2.2.2碳酸酯共聚物的合成20

2.2.3共聚物氢化还原反应21

2.2.4氢化还原产物与溴乙酰溴的反应21

2.2.5叶酸与乙二胺的反应21

2.2.6高分子载体与氨基化叶酸的反应21

2.2.7聚合物的体外释药实验22

2.3结果与讨论22

2.3.1结构表征22

2.3.2共聚物的合成27

2.3.2.1引发剂种类及单体摩尔投料比对共聚物摩尔质量的影响27

2.3.2.2引发剂用量、聚合反应时间和温度对共聚物摩尔质量的影响28

2.3.2.3竞聚率的测定30

2.3.2.4共聚物热性能的研究31

2.3.2.5共聚物亲疏水性的研究32

2.3.2.6聚合物的体外释药性能33

2.4参考文献35

第3章肿瘤靶向性的电子顺磁共振成像（EPRI）诊断剂37

3.1引言37

3.2电子顺磁共振成像技术37

3.3电子顺磁共振成像的原理38

3.4电子顺磁共振成像的优势38

3.5电子顺磁共振成像诊断剂39

3.6卟啉和金属卟啉化合物结构特点和功能特性41

3.6.1卟啉及金属卟啉类化合物在医学上的应用41

3.6.2卟啉类化合物在其它方面的应用42

3.6.3金属卟啉化合物作为磁共振成像造影剂的研究42

3.7具体研究内容为：

44

第5章46

5.1前言46

5.2实验部分48

5.2.1试剂和仪器48

5.2.25-Carboxy-1,1,3,3-tetramethylisoindoin-2-yloxyl的合成48

5.2.2.1N-Benzylphthalimide的合成48

5.2.2.22-Benzyl-1,1,3,3-tetramethylisoindoline的合成48

5.2.2.35-Bromo-1,1,3,3-tetramethylisoindoline合成49

5.2.2.4（5-Carboxy-1,1,3,3-tetramethylisoindoin-2-yloxyl）的合成50

5.2.2.55-Carboxy-1,1,3,3-tetramethylisoindolin-2-yloxylN-hydroxysuccinimidylester的合成51

5.2.3靶向性水溶性磺酸基氨基卟啉的合成52

5.2.3.15-（4-硝基苯）-10,15,20-三苯基卟啉的合成52

5.2.3.25-（4-氨苯基）-10,15,20-三苯基卟啉的合成52

5.2.3.35-（4-氨苯基）-10,15,20-三磺酸钠苯基卟啉53

5.2.4聚丁二酰亚胺（Polysuccinimide,PSI）生物载体的合成53

5.2.5水溶性聚天冬酰胺可生物降解高分子用作肿瘤靶向EPRI诊断剂的制备54

5.2.5.1PHEA-5-（4-氨苯基）-10,15,20-三磺酸钠苯基卟啉的合成54

5.2.5.2PHEA-5-（4-氨苯基）-10,15,20-三磺酸钠苯基卟啉-5-羧酸-异氮杂茚氧化氮自由基的合成54

5.2.6PHEA-5-（4-氨苯基）-10,15,20-三磺酸钠苯基卟啉-5-羧酸-异氮杂茚氧化氮自由基与FeCl3的络合反应55

5.3结果与讨论55

5.3.1结构表征55

5.3.1.1水溶性磺酸基卟啉55

5.3.1.25-（4-硝基苯）-10,15,20-三苯基卟啉55

5.3.1.35-（4-氨苯基）-10,15,20-三苯基卟啉55

5.3.1.45-（4-氨苯基）-10,15,20-三磺酸钠苯基卟啉56

5.3.1.55-Carboxy-1,1,3,3-tetramethylisoindoin-2-yloxyl58

5.3.1.6水溶性聚天冬酰胺可生物降解高分子衍生物59

5.3.1.7肿瘤靶向性电子顺磁共振成像（EPRI）诊断剂62

5.3.1.8聚天冬酰胺衍生物载体的细胞毒性评价69

5.4参考文献：

73

摘要

可生物降解高分子是生物医用材料的重要组成部分，它植入后不需经二次手术取出，在体内不滞留积累，已成为生物医用材料研究中最活跃的领域之一。

可生物降解聚碳酸酯是聚酯高聚物的重要分支，系二元碳酸的相应聚酯，它具有良好的生物相容性，可生物降解性，在手术缝合线，骨固定材料以及药物控制释放系统等领域得到了越来越广泛的应用。

本文从结构、合成、性能方面概述了可生物降解聚碳酸酯研究的新进展。

聚碳酸酯是较理想的生物医用材料，可广泛应用于药物控制释放等领域。

本文以异丙醇铝及辛酸亚锡为引发剂，利用本体开环聚合的方法，合成了一系列9-苯基-2,4,8,10-四氧螺[5,5]十一烷-3-酮（PTC）与三亚甲基碳酸酯（TMC）的碳酸酯共聚物，并用催化剂（10%Pd/C）对共聚物进行氢化还原反应，得到部分侧链含羟基的聚碳酸酯，对聚合物进行了FT-IR、1HNMR、UV、GPC、DSC、WaterContactAngle等结构表征。

重点研究了单体投料比、反应时间、反应温度、引发剂用量以及引发剂种类对共聚物的影响，测定了两单体的竞聚率，并初步研究了共聚物的体外释药性能和体外降解性能。

实验表明，以共聚物为载体的药片具有稳定的释药速率和良好的控制释放性能，还原后的共聚物比还原前具有更好的亲水和体外降解性能，更快的释药速率。

聚天冬酰胺及其衍生物都是可生物降解的水溶性高分子，由于毒性低、无免疫反应、易于化学修饰、在体内可生物降解，且降解产物可被体内吸收等优点，已被用作为血浆扩展剂和药物的载体。

本文拟研制肿瘤靶向性卟啉-异氮杂茚自由基型电子顺磁共振成像（EPRI）诊断剂，以水溶性聚天冬酰胺可生物降解高分子用作肿瘤靶向EPRI诊断剂的载体，卟啉衍生物作为肿瘤靶向基团，5-羧酸异氮杂茚自由基作为造影剂。

将卟啉衍生物和稳定5-羧酸-异氮杂茚氧化氮自由基通过化学反应引入聚天冬酰胺的侧链，从而制备水溶性肿瘤靶向EPRI诊断剂，并对所合成的诊断剂进行FT-IR、1HNMR、UV、DSC等结构表征。

水溶性肿瘤靶向EPRI诊断剂的体外细胞毒性实验表明，对于HeLa细胞，诊断剂均表现出较低的细胞毒性，而且诊断剂对肿瘤细胞具有靶向性，是诊断剂更易富集于肿瘤细胞，呈现对肿瘤细胞具有更高的抑制率。

关键词：

生物材料、可降生物解高分子、药物控制释放、可生物降解聚碳酸酯。

Abstract

Biodegradablepolymerisoneofthemostattractivebiodegradablematerialsinrecentyears.Greatemphaseshavebeenputonmedicalapplicationofbiodegradablepolymers,andrapiddevelopmenthasoccurred,becausetheyeliminatetheneedforsurgicalremovalafterimplantation.

Biodergradablepolycarbonateisoneofbranchesofpolyestersanditiscomposedofrespectivediolsandcarbonicacid.Theyhavebeenusedinthemedicalfields,suchassuture,bonefixinganddrugdeliverysystemsduetotheirgoodbiocompatibilityandbiodegradability.Inthispaper,thetrendsinthedevelopmentofbiodegradablepolycarbonatesformedicalapplicationhavebeenreviewedandemphasizedontheirsynthesisstructuresandproperties.

Syntheticpolycarbonatesareidealcandidatesforbiomaterials.Theyarebeinginvestigatedasbiodegradablematerialsforthewideuseindrugdeliverysystemsandavarietyofbiomedicalapplication.InthispaperaseriesofpolymershavebeensynthesizedinbulkusingAluminium-iso-propylateandSn（Oct）2asinitiatorsbythebulkring-openingpolymerizationwithdifferentcycliccarbonates,including2,2-（3-phenyl-2,4-dioxyl-1,5-diyl）trimethylenecarbonate（PTC）andtrimethylenecarbonate（TMC）.AllthecopolymersarecharacterizedbyFT-IR,NMR,UV,GPC,DSC,WatercontactAngle.Theinfluenceofmonomer/catalystmolarratio,reactiontemperatureandtime,anddifferentcatalystsonthepropertiesofcopolymershavebeeninvestigatedandthereactivityratioofthecomonomershavebeendetermined.Invitroreleaseprofilesof5-Fufromcopolymerswerealsoinvestigated,theresultsindicatedthatpolycarbonatepossessedsteadydrugreleaserate.Moerover,partlydeprotectedcopolymershadfasterdrugraleaseratesthanthoseofprotectedcopolymers.Invitrodegradationtestsshowedthatpartlydeprotectedcopolymerspossesthefasterdegradationratesandmorehydrophilicitythantheprotectedcopolymers.

第1章可生物降解脂肪族聚碳酸酯

1.1引言

生物医用材料是指能够对生物体进行诊断、治疗、置换损坏的组织或器官、增进功能的可生物降解高分子材料。

可生物降解高分子材料又可分为天然可生物降解高分子和人工合成可生物降解高分子两大类。

前者主要有天然多糖[1,2]、天然多肽[3,4]等高分子材料，具有良好的生物相容性等优点，但存在来源有限和力学性能较差等缺点，使其在生物医用领域上受到很大的局限性；

人工合成的可生物降解高分子与天然可生物降解高分子相比，具有很丰富的来源、可人为的修饰、调控其结构和物理、化学性能的多变性等优点[5-10]。

脂肪族聚碳酸酯是人工合成的一类可生物降解高分子材料，主链上的酯键在自然环境或生物体内，容易受到进攻降解成二氧化碳和中性的二元醇，是聚酯类高聚物的重要分支。

脂肪族聚碳酸酯因其具有良好的表面溶蚀性、生物相容性、机械加工性能、可生物降解性以及可生物吸收性，被广泛应用于生物医用材料领域。

例如，聚乙醇酸（PGA）和聚乳酸（PLA）及其它们的共聚物PLGA，均具有良好的可生物降解性和组织相容性，在体内、体外均可水解为相应的a-羟基酸，是最早一类作为生物医用材料应用在医学领域上的可生物降解聚碳酸酯[11-15]。

聚乳酸的代谢产物为乳酸，属生物体内正常代谢物，对生物体无毒且不会在体内造成滞留。

因此，聚乳酸作为手术缝合线、骨钉以及药物控制释放载体等生物医用材料，已获得美国FDA的批准[16]。

通常结构的脂肪族聚碳酸酯因分子主链或侧链上不含有亲水性基团，降解速率相对较慢，但在聚碳酸酯的侧链中引入亲水性基团或某些可功能化基团，其亲水性和降解速率将会得到明显提高[17]，而且更有利于药物或靶向性基团的键入，使其在农业、环境、生物医学领域上具有更广阔的应用前景。

1.2可生物降解脂肪族聚碳酸酯的性质

在医学领域中，脂肪族聚碳酸酯因其良好的生物相容性、表面溶蚀性、可生物降解性和无毒性，已经作为生物医用材料得到越来越广泛的应用。

目前，己报道过的许多脂肪族聚碳酸酯的降解速率相对较慢，如聚三亚甲基碳酸酯（PTMC）的降解速率，比聚乳酸和聚己内酯慢得多。

但是，如果在聚碳酸酯侧链上引入亲水性功能基团，其降解速率将会明显提高。

1.2.1聚三亚甲基碳酸酯（PTMC）的物理性能[7-8]

聚三亚甲基碳酸酯（PTMC）是近年来研究较为广泛的一类脂肪族聚碳酸酯，具有良好生物相容性、无毒、较低的玻璃化温度（-20℃左右）、无序或具有少许结晶的可生物降解聚碳酸酯。

PTMC的结构式如下所示：

PTMC作为一种可生物降解脂肪族聚碳酸酯，它的物理形态取决于高分子聚合物的分子量。

当分子量Mn＜6000g/mol时，PTMC呈粘稠的油状物；

当分子量介于6000～50000g/mol时，PTMC为柔软的塑料，有较好的弹性；

当分子量Mn＞50000g/mol时，其弹性随分子量的增加而增强。

PTMC分子链具有较好的柔顺性，它的拉伸应力和弹性模量均比聚己内酯低得多，但它的断裂伸长比却比聚己内酯高得多。

由于PTMC具有非常柔顺的机械性能以及独特的可生物降解性，可以通过共聚的手段将PTMC结构单元引入到聚合物的主链中，来改变高分子共聚物的机械性能和生物降解性能。

1.2.2聚三亚甲基碳酸酯的可生物降解性

PTMC是一类可生物降解的聚碳酸酯，在体内和体外的降解速率呈现明显的差异。

PTMC在体外的降解速率比PCL低20倍，但是在体内的降解速率却比PCL高得多。

如将PTMC置于磷酸缓冲溶液（pH=7.4）中，恒温（37℃）条件下，降解30个星期，仅导致9%的质量损失率和7%的分子量下降；

但将PTMC植入小鼠体内降解26周后，质量损失率和分子量下降分别达到21%、55%,分析其原因，这可能是酶促降解起到了主要作用，使其降解速率明显加快。

脂肪族聚碳酸酯（PTMC）不仅具有良好的生物相容性和可生物降解性，而且在体温下具有一定弹性。

因此，PTMC作为可生物降解缚扎器件、药物控制释放载体、体内植入和体内支持等生物医用材料，已经在医学领域上得到广泛的应用。

1.3可生物降解脂肪族聚碳酸酯的物理、化学改性

为了改善聚碳酸酯的物理、化学性能，使其在生物医用材料领域得到更加广泛的应用，通常在高分子聚合物的侧链中引入功能化基团、与其它单体的共聚以及与其它高分子材料的共混等途径来实现。

1.3.1可生物降解脂肪族聚碳酸酯的功能化

可生物降解脂肪族聚碳酸酯作为一类生物医用材料，其功能化基团的修饰是倍受人们关注的研究方向之一。

目前，可以通过多种化学方法将氨基、羧基、羟基或巯基引入聚碳酸酯侧链中，例如丙交酯与含有可功能化基团的通过单体本体开环聚合反应，将可功能化的基团引入脂肪族聚碳酸酯的侧链中。

作为可生物降解高分子材料，可功能化侧基的引入有利于键合药物、靶向性基团和其它化学修饰，以及改善材料的生物相容性，使聚合物分子链中同时含有亲水性和疏水性链段，形成两亲性聚合物，提高聚合物的亲水性和降解性。

可功能化基团的引入改变了聚碳酸酯的化学结构，使聚合物的酯键更容易受到水分子的进攻，从而有效地促进了聚碳酸酯的水解。

1.3.2与碳酸酯单体的共聚

通过改变共聚反应时单体的摩尔投料比或类型，可以人为的调控和修饰聚碳酸酯共聚物的结构和性能，从而合成出适合不同用途的可生物降解聚碳酸酯共聚物，扩大其在生物医学领域上的应用范围。

由于酯键的降解速度较快，而碳酸酯得水解速度较慢，因此将两者共聚后可以调节聚合物的降解速率。

目前，聚（酯-碳酸酯）是研究较多的一类碳酸酯共聚物。

1.3.3聚碳酸酯的共混

脂肪族聚碳酸酯与其它可生物降解高分子材料进行共混，可以用来调节聚碳酸酯的物理、化学性能。

将不同的可生物降解或可吸收高分子聚合物与脂肪族聚碳酸酯共混，可以获得多样的、性能各异的生物医用材料。

1.4可生物降解聚碳酸酯的合成

聚碳酸酯一般可由二元醇（酚）与光气进行缩聚、环氧化合物与二氧化碳在有机催化剂作用下的加成反应、环状碳酸酯单体的开环聚合、二元醇与二烷基碳酸酯进行酯交换反应、二元醇直接与二氧化碳或碱金属碳酸酯进行缩聚反应得到。

环氧化合物与二氧化碳的加成反应和环状碳酸酯单体的开环聚合，可用来合成高分子量的脂肪族聚碳酸酯[18-20]。

但通过环氧化合物与二氧化碳的加成反应，得到的脂肪族聚碳酸酯分子主链中不可避免的存在聚醚链段，因此，环状碳酸酯单体的开环聚合是合成高分子量脂肪族聚碳酸酯的重要途径。

1.4.1环状碳酸酯单体的开环聚合

环状碳酸酯单体在开环聚合反应过程中，具有热效应低、聚合速度快、在较短的时间内得到高分子量聚合物等优点[21]。

因此，开环聚合是制备高分子量脂肪族聚碳酸酯的最主要方法。

根据环状碳酸酯单体环的大小，在聚合反应中一般采用五元或六元的环状碳酸酯单体进行开环聚合，制备脂肪族聚碳酸酯。

但五元环状碳酸酯单体，在聚合反应的过程中会出现脱二氧化碳，如碳酸乙烯酯[22]和1,2-碳酸丙烯酯环状碳酸酯[23]，而二氧化碳的脱去使脂肪族聚碳酸酯分子的主链中存在聚醚链段。

因此，一般采用六元环状碳酸酯单体通过开环聚合反应来制备脂肪族聚碳酸酯。

1.4.2环状碳酸酯单体的合成

六元环碳酸酯单体的合成方法很多，一般采取在低温反应的条件下，以相应的二元醇（如1，3-丙二醇）和氯甲酸乙酯为原料，三乙胺为催化剂，来制备环状碳酸酯单体[24]。

此种合成方法所得产物纯度高，产率较高，而且后处理简单，因此，该方法已成为合成六元环状碳酸酯单体最常用的方法。

Scheme1-1Synthiticrouteofthecycliccarbonate

1.4.3环状碳酸酯单体开环聚合的引发剂

能够引发环状碳酸酯单体进行开环聚合反应的引发剂很多，根据不同的引发剂种类，环状碳酸酯单体又可以按照不同机理进行开环聚合。

除聚合机理外，单体的纯度、聚合反应的条件和取代基以及取代基的位置等关键因素对聚合物分子量也有很大的影响[25-28]。

用阳离子引发六元环碳酸酯开环聚合时，反应过程中伴随着脱二氧化碳现象，导致聚合物分子的主链中存在聚醚链段[29]。

如采用BF3OEt2、BCl3、BBr3作为催化剂，引发六元环状碳酸酯单体TMC和DTC进行本体开环共聚时，所得到的聚碳酸酯共聚物分子的主链中存在聚醚链段的结构单元[30]。

和阳离子开环聚合相比，采用阴离子引发环状碳酸酯单体进行开环聚合时，没有脱二氧化碳现象产生。

如利用锡类化合物引发TMC进行本体开环聚合反应时，没有出现脱二氧化碳现象，所得高分子聚合物的摩尔质量为2.5×

105g/mol。

因此，阴离子引发六元环状碳酸酯单体进行本体开环聚合反应，是目前制备聚碳酸酯的常用方法之一[29-30]。

1.5可生物降解的脂肪族聚碳酸酯在生物医学上的应用

1.5.1作为药物控制释放载体或介质[31-34]

可生物降解脂肪族聚碳酸酯作为药物控制释放载体或介质的研究中，根据药物在载体中的载药形式不同，可以将其制备成微球、微粒、微胶囊、膜及片剂等不同形式的药物控制释放体系。

可生物降解高分子用作药物控制释放载体或介质，药物释放完毕后，作为载体的高分子材料不必从活体中取出。

并且利用可生物降解高分子材料制备药物缓释胶囊，能有效地拓宽给药途径，可以让药物以一定剂量在一定时间内持续释放，从而使血药浓度保持相对平稳，减小给药剂量和给药频率，最大程度降低药物对肠胃的刺激性，以及减少药物对生物体特别是肝、肾的毒副作用。

1.5.2作为骨科固定及组织修复材料[35-38]

采用不锈钢作为骨折的内固定材料，需待骨折愈合后进行二次手术取出，不仅增加病人的痛苦，而且延长治疗时间。

而采用可生物降解脂肪族聚碳酸酯材料作为骨折的内固定材料，创伤愈合后无需二次手术取出。

聚碳酸酯在作为骨科固定以及组织修复材料领域，包括两个方面的要求，一是要求植入的可生物降解高分子材料在创伤愈合过程中能够缓慢降解，待创伤愈合后不需二次手术取出，这类材料主要用于骨折内固定材料；

另一类要求可生物降解高分子材料，在相当长一段时间内缓慢降解，并保持一定的机械性能，通过在材料上培养组织细胞，让其生长成软骨、肝、血管、神经和皮肤等组织或器官，这类材料主要用于组织修复材料。

1.5.3作为外科医用缝合线[39]

聚乳酸及其共聚物由于具有良好的生物相容性和可生物