CN103819613B - 一种壳聚糖为主链的盐响应性接枝共聚物的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于高分子材料和生物医学工程领域，具体涉及一种壳聚糖为主链的盐响应性接枝共聚物的制备方法。制备方法是在惰性气体氮气或氩气保护下，利用壳聚糖主链中的羟基或氨基与含溴类化合物进行酯化反应，将羟基或氨基转化为溴基团，并以此为大分子引发剂通过对4-（2-磺基）-1-（4-乙烯基）吡啶三甲胺乙内酯单体的原子转移自由基聚合形成盐响应性聚合物。本发明的壳聚糖为主链的盐响应性的接枝共聚物，同时具有生物降解性、生物相容性、生物活性，并可以在盐溶液中自组装为稳定纳米胶束，因此在药物控制释放载体、软组织工程支架材料、生物智能开关、生物传感器等领域具有广泛的应用。本发明所述合成方法简单易行，原料均可工业化生产，具有很好的推广应用价值。

Description

一种壳聚糖为主链的盐响应性接枝共聚物的制备方法

技术领域

本发明属于高分子材料和生物医学工程领域，具体涉及一种壳聚糖为主链的盐响应性接枝共聚物的制备方法。

背景技术

壳聚糖是自然界储量最为丰富是天然生物高分子材料之一，由甲壳素脱乙酰化得到，具有优异的生物相容性、生物降解性以及生物活性，被称为“第六生命要素”。但壳聚糖的结构相对简单，功能较为单一，溶解性较差，不能满足更高的应用要求，因此需要采用物理化学方法对其进行改性，扩大其功能。董常明(Feng,H.;Dong,C.M.Biomacromolecules,2006,7,3069)、方月娥(Liu,L.;Chen,L.X.;Fang,Y.E.Macromol.RapidCommun. 2006,27,1988)等通过开环聚合制备了支链为聚丙交酯、聚己内酯的壳聚糖接枝共聚物。Bai(Li,N.;Bai,R.B.;Liu,C.K.Langmuir,2005,21,11780)则通过原子转移自由基聚合方法制备了支链为聚丙烯酰胺的壳聚糖接枝共聚物。

环境敏感性聚合物如温度敏感性、pH值敏感性等聚合物能够对外界环境的变化做出响应，并产生相应物理结构以及化学性质变化甚至突变的高分子材料。这类聚合物由于其独特的性能而受到人们的广泛关注。聚4-（2-磺基）-1-（4-乙烯基）吡啶三甲胺乙内酯由于带有一定的电荷，在水溶液中正负电荷的相互吸引力使其处于疏水状态，当加入一定的盐，在离子强度的作用下是电荷之间的吸引力减弱，使其变成亲水物质。利用这一性质，可以在海水淡化、生物降解等有很大的应用。

利用壳聚糖的生物相容性、生物降解性以及生物活性，结合原子转移自由基聚合这种先进的聚合方法，在壳聚糖侧基上引入具有盐响应性聚合物，扩大了壳聚糖的应用领域。

发明内容

本发明的目的在于提供一种壳聚糖为主链的盐响应性接枝共聚物的制备方法。

本发明的目的是将具有盐响应性聚合物作为支链引入到壳聚糖上，使所获得的接枝共聚物同时具有优异的生物相容性、生物降解性、生物活性、盐响应性。本发明用商品化的壳聚糖和4-（2-磺基）-1-（4-乙烯基）吡啶三甲胺乙内酯单体，采用原子转移自由基聚合方法，制备以壳聚糖为主链的具有盐响应性的接枝共聚物。

本发明提出的壳聚糖为主链的双敏感性接枝共聚物的制备方法，具体步骤如下：

（1）2-（4-吡啶）乙基磺酸和等摩尔量的氢氧化钠加入到一定的溶剂A中，在惰性气体的保护下逐滴加入4-乙烯基苯甲基氯，在25-40度下反应48-72小时，反应结束后在沉淀剂B中沉淀，真空烘箱中干燥后，在乙醇中重结晶得到纯净的单体；

（2）将壳聚糖加入反应瓶，并分散溶解在溶剂C中，加入壳聚糖主链上端羟基或氨基摩尔数1～10倍量的缚酸剂D，在0～20℃下滴加端壳聚糖主链上羟基及氨基摩尔数1～5倍量的含溴化合物，滴加时间为20～70分钟，滴加结束后，反应温度为10～40℃，反应时间为10～72小时，经抽滤，沉淀，并真空干燥后，得到溴基封端的壳聚糖大分子引发剂；将所得到的溴基封端壳聚糖大分子引发剂溶于溶剂E，并按照溴基封端壳聚糖大分子引发剂所含端溴基摩尔数10～500倍的量加入步骤（1）得到的单体，在催化剂F作用下，体系在氩气或氮气保护下反应，反应温度为20～100℃，反应时间为2～30小时，除去催化剂后，并经沉淀、真空干燥，即得到所需产物。

本发明中，步骤（1）中所述的溶剂A是甲酰胺、三乙胺或N,N-二甲基甲酰胺中的一种或几种。

本发明中，步骤（1）的沉淀剂B是丙酮或正己烷中的一种。

本发明中，步骤（2）中是所述溶剂C为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二乙基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺或二甲基亚砜中的一种或几种。

本发明中，步骤（2）中所述缚酸剂D为二乙胺、三乙胺、吡啶或乙酸钠中的一种或几种。

本发明中，步骤（2）中溶剂E为苯甲醚、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二乙基甲酰胺或N,N-二甲基乙酰胺中的一种或数种。

本发明中，步骤（2）中所述催化剂F为氯化亚铜/联吡啶、溴化亚铜/联吡啶、氯化亚铜/五甲基二乙烯三胺、溴化亚铜/五甲基二乙烯三胺、氯化亚铜/六甲基三亚乙基四胺或溴化亚铜/六甲基三亚乙基四胺中的一种或几种。

本发明的优点在于：原料来源广泛，所用的壳聚糖、溶剂、催化剂等均可工业化生产，合成方法简单易行。合成的以壳聚糖为主链的两亲性接枝共聚物同时具备盐响应性、生物相容性以及可降解性。共聚物可以在水中自组装为稳定纳米胶束。胶束粒径可以通过调节聚（4-（2-磺基）-1-（4-乙烯基）吡啶三甲胺乙内酯）的长度实现。所得共聚物同时具有生物降解性、生物相容性、生物活性、盐响应性，因而在药物控制释放载体、软组织工程支架材料、生物智能开关、生物传感器等领域具有广泛的应用。

附图说明

图1：实施例1制备的壳聚糖为主链的盐响应性接枝共聚物的结构示意图。

具体实施方式

以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明的范围。

该壳聚糖为主链的盐响应性接枝共聚物的分子结构用傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）和核磁共振分析仪（NMR）测定。自组装所得胶束用透射电镜(TEM)与原子力显微镜(AFM)测定。胶束粒径用动态激光光散射仪(DLS)测定。

实施例1

将2-（4-吡啶）乙基磺酸（9.36g，0.05mol）和2.0g氢氧化钠加入到装有60ml的甲酰胺的反应瓶中，在惰性气体的保护下逐滴加入7.1ml的4-乙烯基苯甲基氯，在25℃下反应60小时，反应结束后在丙酮中沉淀，在真空烘箱中干燥后在乙醇中重结晶得到纯净的单体；

称取壳聚糖5克，用N,N-二甲基甲酰胺分散溶解后，加入三乙胺15克，在0℃下滴加2-溴异丁酰溴30克，20分钟滴完，并在10℃下反应72小时。抽滤除盐后经去离子水沉淀，真空干燥，得溴基封端的壳聚糖大分子引发剂。称取溴基封端壳聚糖大分子引发剂0.5克溶于N,N-二甲基甲酰胺，加入4-（2-磺基）-1-（4-乙烯基）吡啶三甲胺乙内酯3克，再加入引发剂溴化亚铜（80毫克）/六甲基三亚乙基四胺（150毫克），经抽真空-充氮气过程3次，并在氮气保护下于20℃油浴中反应48小时。产物去离子水透析，冷冻干燥，得壳聚糖为主链的盐响应性接枝共聚物。

壳聚糖为主链的盐响应性接枝共聚物的代表性结构式如附图1所示。

实施例2

将2-（4-吡啶）乙基磺酸（5.62g，0.03mol）和1.0g氢氧化钠加入到装有45ml的N,N-二甲基甲酰胺的反应瓶中，在惰性气体的保护下逐滴加入4.5ml的4-乙烯基苯甲基氯，在28℃下反应65小时，反应结束后在正己烷中沉淀，在真空烘箱中干燥后在乙醇中重结晶得到纯净的单体；

称取壳聚糖5克，用N,N-二甲基甲酰胺分散溶解后，加入二乙胺20克，在5℃下滴加2-溴丙酰溴40克，30分钟滴完，并在15℃下反应60小时。抽滤除盐后经去离子水沉淀，真空干燥，得溴基封端的壳聚糖大分子引发剂。称取溴基封端壳聚糖大分子引发剂0.5克溶于N,N-二甲基乙酰胺，加入4-（2-磺基）-1-（4-乙烯基）吡啶三甲胺乙内酯4克，再加入引发剂氯化亚铜（90毫克）/联吡啶（160毫克），经抽真空-充氮气过程3次，并在氮气保护下于40℃油浴中反应36小时。产物去离子水透析，冷冻干燥，得壳聚糖为主链的盐响应性接枝共聚物。

实施例3

将2-（4-吡啶）乙基磺酸（7.16g，0.04mol）和1.6g氢氧化钠加入到装有50ml的甲酰胺的反应瓶中，在惰性气体的保护下逐滴加入6.5ml的4-乙烯基苯甲基氯，在25℃下反应72小时，反应结束后在丙酮中沉淀，在真空烘箱中干燥后在乙醇中重结晶得到纯净的单体；

称取壳聚糖5克，用N,N-二甲基乙酰胺分散溶解后，加入吡啶18克，在8℃下滴加2-溴异丁酰溴36克，40分钟滴完，并在20℃下反应48小时。抽滤除盐后经去离子水沉淀，真空干燥，得溴基封端的壳聚糖大分子引发剂。称取溴基封端壳聚糖大分子引发剂0.5克溶于N,N-二乙基甲酰胺，加入4-（2-磺基）-1-（4-乙烯基）吡啶三甲胺乙内酯6克，再加入引发剂溴化亚铜（100毫克）/联吡啶（180毫克），经抽真空-充氮气过程3次，并在氮气保护下于50℃油浴中反应10小时。产物去离子水透析，冷冻干燥，得壳聚糖为主链的盐响应性接枝共聚物。

实施例4

将2-（4-吡啶）乙基磺酸（6.36g，0.034mol）和1.36g氢氧化钠加入到装有53ml的三乙胺的反应瓶中，在惰性气体的保护下逐滴加入6.0ml的4-乙烯基苯甲基氯，在25℃下反应60小时，反应结束后在丙酮中沉淀，在真空烘箱中干燥后在乙醇中重结晶得到纯净的单体；

称取壳聚糖5克，用二甲基亚砜分散溶解后，加入二乙胺26克，在10℃下滴加2-溴丙酰溴45克，50分钟滴完，并在30℃下反应36小时。抽滤除盐后经去离子水沉淀，真空干燥，得溴基封端的壳聚糖大分子引发剂。称取溴基封端壳聚糖大分子引发剂0.5克溶于苯甲醚，加入4-（2-磺基）-1-（4-乙烯基）吡啶三甲胺乙内酯6.8克，再加入引发剂溴化亚铜（110毫克）/五甲基二乙烯三胺（150毫克），经抽真空-充氮气过程3次，并在氮气保护下于60℃油浴中反应6小时。产物去离子水透析，冷冻干燥，得壳聚糖为主链的盐响应性接枝共聚物。

实施例5

将2-（4-吡啶）乙基磺酸（8.24g，0.044mol）和1.76g氢氧化钠加入到装有50ml的三乙胺的反应瓶中，在惰性气体的保护下逐滴加入6.7ml的4-乙烯基苯甲基氯，在30℃下反应54小时，反应结束后在丙酮中沉淀，在真空烘箱中干燥后在乙醇中重结晶得到纯净的单体；

称取壳聚糖5克，用N,N-二乙基甲酰胺分散溶解后，加入乙酸钠32克，在12℃下滴加2-溴异丁酰溴48克，60分钟滴完，并在35℃下反应24小时。抽滤除盐后经去离子水沉淀，真空干燥，得溴基封端的壳聚糖大分子引发剂。称取溴基封端壳聚糖大分子引发剂0.5克溶于N,N-二甲基甲酰胺，加入4-（2-磺基）-1-（4-乙烯基）吡啶三甲胺乙内酯7.6克，再加入引发剂氯化亚铜（148毫克）/六甲基三亚乙基四胺（162毫克），经抽真空-充氮气过程3次，并在氮气保护下于80℃油浴中反应3小时。产物去离子水透析，冷冻干燥，得壳聚糖为主链的盐响应性接枝共聚物。

实施例6

将2-（4-吡啶）乙基磺酸（4.65g，0.25mol）和1.0g氢氧化钠加入到装有30ml的甲酰胺的反应瓶中，在惰性气体的保护下逐滴加入3.5ml的4-乙烯基苯甲基氯，在40℃下反应48小时，反应结束后在丙酮中沉淀，在真空烘箱中干燥后在乙醇中重结晶得到纯净的单体；

称取壳聚糖5克，用N,N-二甲基甲酰胺分散溶解后，加入三乙胺30克，在15℃下滴加2-溴异丁酰溴50克，70分钟滴完，并在40℃下反应18小时。抽滤除盐后经去离子水沉淀，真空干燥，得溴基封端的壳聚糖大分子引发剂。称取溴基封端壳聚糖大分子引发剂0.5克溶于苯甲醚，加入4-（2-磺基）-1-（4-乙烯基）吡啶三甲胺乙内酯8克，再加入引发剂氯化亚铜（160毫克）/五甲基二乙烯三胺（180毫克），经抽真空-充氮气过程3次，并在氮气保护下于100℃油浴中反应2小时。产物去离子水透析，冷冻干燥，得壳聚糖为主链的盐响应性接枝共聚物。

Claims (6)

1.一种壳聚糖为主链的盐响应性接枝共聚物的制备方法，其特征在于具体步骤如下：

（1）2-（4-吡啶）乙基磺酸和等摩尔量的氢氧化钠加入到溶剂A中，在惰性气体的保护下逐滴加入4-乙烯基苯甲基氯，在25-40摄氏度下反应48-72小时，反应结束后在沉淀剂B中沉淀，真空烘箱中干燥后，在乙醇中重结晶得到纯净的单体；

（2）将壳聚糖加入反应瓶，并分散溶解在溶剂C中，加入壳聚糖主链上端羟基或氨基摩尔数1～10倍量的缚酸剂D，在0～20℃下滴加端壳聚糖主链上羟基及氨基摩尔数1～5倍量的含溴化合物，滴加时间为20～70分钟，滴加结束后，反应温度为10～40℃，反应时间为10～72小时，经抽滤，沉淀，并真空干燥后，得到溴基封端的壳聚糖大分子引发剂；将所得到的溴基封端壳聚糖大分子引发剂溶于溶剂E，并按照溴基封端壳聚糖大分子引发剂所含端溴基摩尔数10～500倍的量加入步骤（1）得到的单体，在催化剂F作用下，体系在氩气或氮气保护下反应，反应温度为20～100℃，反应时间为2～30小时，除去催化剂F后，并经沉淀、真空干燥，即得到所需产物；所述催化剂F为氯化亚铜/联吡啶、溴化亚铜/联吡啶、氯化亚铜/五甲基二乙烯三胺、溴化亚铜/五甲基二乙烯三胺、氯化亚铜/六甲基三亚乙基四胺或溴化亚铜/六甲基三亚乙基四胺中的一种或几种，所述含溴化合物为２-溴丙酰溴或２-溴异丁酰溴。

2.根据权利要求1所述的壳聚糖为主链的盐响应性接枝共聚物的制备方法，其特征步骤（1）中所述的溶剂A是甲酰胺、三乙胺或N,N-二甲基甲酰胺中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的壳聚糖为主链的盐响应性接枝共聚物的制备方法，其特征步骤（1）的沉淀剂B是丙酮或正己烷中的一种。

4.根据权利要求1所述的壳聚糖为主链的盐响应性接枝共聚物的制备方法，其特征步骤（2）中是所述溶剂C为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二乙基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺或二甲基亚砜中的一种或几种。

5.根据权利要求1所述的壳聚糖为主链的盐响应性接枝共聚物的制备方法，其特征步骤（2）中所述缚酸剂D为二乙胺、三乙胺、吡啶或乙酸钠中的一种或几种。

6.根据权利要求1所述的壳聚糖为主链的盐响应性接枝共聚物的制备方法，其特征步骤（2）中溶剂E为苯甲醚、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二乙基甲酰胺或N,N-二甲基乙酰胺中的一种或数种。