专利名称：季铵化壳聚糖-聚己内酯嫁接共聚物及制备方法以及该共聚物制备的网状膜及方法
技术领域：
本发明涉及功能高分子材料和组织工程领域。。
背景技术：
壳聚糖是由氨基葡萄糖通过e -1， 4糖苷键连接起来的一种线型高分子多糖，其化学名为e-(l，4)-2-氨基-脱氧-D-葡萄糖。壳聚糖主要是通过浓碱处理甲壳素而获得。壳聚糖作为一种天然生物高分子，具有好的生物相容性，能够被生物降解，降解产物没有毒性。另外，壳聚糖还有抗细菌、抗微生物性、细胞亲和性、促进伤口愈合等独特的性质。因此，它被广泛用于医药、生物工程、化学工程和组织工程等领域。壳聚糖在应用中面临的一个主要问题是在湿态下的力学性能很差，壳聚糖孔状膜或者纤维网状膜都难以在水合状态下保持基本力学性能和维持其形态结构的稳定性。新的研究指出，壳聚糖-己内酯嫁接共聚物纤维网状膜(YingWan， Hua Wu， BoXiao， Xiaoying Cao, Siqin Dalai， Polymers for Advanced Technologies,2009，印刷中，D0I: 10. 1002/pat. 1332)在湿态下具有足够好的力学强度并具有一定的抗菌性和较好表面反应活性。因此，从力学性能、抗菌性和表面性质考虑这类纤维网状膜适用于伤口治疗和皮肤组织工程支架。
壳聚糖本身的抗菌和抗微生物性质得到了广泛的研究。研究结果指出壳聚糖的抗菌性能源于(l)壳聚糖链上的-,2基团的正电荷与细胞表面脂质体的负电荷相结合，抑制细胞的活动能力，从而抑制细菌的生长；(2)低聚体的壳聚糖能穿过细胞壁而进入细胞内，抑制胞内mRNA的形成，从而抑制细菌的生长。由于壳聚糖骨架上含有易于与其它有机官能团反应的-朋2、-OH基团，不同的壳聚糖衍生物也得到了广泛的研究。
与未进行任何化学改性的壳聚糖相比，季铵化壳聚糖(三甲基化壳聚糖，
4Zhishen Jia， Dongfeng shen， Weiliang Xu， Carbohydrate research 2001，333:1; 二乙基甲基壳聚糖，M. R. Avadi， A. M. M. Sadeghi， A. Tahzibi，Kh. Bayati， M. Pouladzadeh， M. J. Zohuriaan-Mehr， M. Rafiee-Tehrani.European Polymer Journal 2004， 40:1355)由于带有强正电荷的季铵化侧链，具有更加强烈的杀菌和吸附微生物功能。然而，季铵化壳聚糖是水溶或高度溶胀的，而且难于制备成性能优良的交联纤维网状膜。
除了材料本身的抗菌和抗微生物性质之外，将合适的材料加工成纤维网状膜并使之具有梯度结构而且具有透气、保湿、可调节的释放药物功能和适当的降解速率也将直接和显著地影响伤口治疗速度和效果以及后续皮肤组织修复的结果。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题而提供一种季铵化壳聚糖-聚己内酯嫁接共聚物制备方法以及将其加工成梯度结构网状膜的制备技术。在通过嫁接聚己内酯支链和季铵化侧链改性对壳聚糖进行力学增强和抗菌杀菌性能增强的同时，将合成的新嫁接共聚物加工成加载药物并具有特定形态的网状膜。该网状膜的降解速率可调节、释放药物的速率可控制。
本发明的技术方案是
一种季铵化壳聚糖-聚己内酯嫁接共聚物，该聚己内酯支链嫁接在壳聚糖 C-6 位上 ，2- 羟基 -3- 甲铵丙基氯(N-[ (2_hydroxy-3-trimethylammonium)propyl]chloride,縮写为HTPC)侧链连接在壳聚糖C-2位上。
优选地，聚己内酯支链取代度为5-25%，聚己内酯支链占嫁接共聚物的重量含量为21-55wt%; HTPC侧链的取代度为27-86%。
该季铵化壳聚糖-聚己内酯嫁接共聚物的制备方法为(l)将分子量为5xl04 6xl05，脱乙酰度大于96%的壳聚糖粉末加入二甲基甲酰胺中，按壳聚糖单元中-丽2与邻苯二甲酸酐摩尔比为1:2 1:3投料于100~120。C反应8~12h，去除反应介质后将反应产物在乙醇中沉淀，收集沉淀用水、乙醇分别洗涤并干燥后制备成邻苯二甲酰壳聚糖；
5(2) 将邻苯二甲酰壳聚糖与己内酯按重量比1:1 1:5加入甲苯中在氮气保护下于100~120。C共聚24~36 h，制备得到邻苯二甲酰壳聚糖-聚己内酯嫁接共聚物；
(3) 将邻苯二甲酰壳聚糖-聚己内酯嫁接共聚物用丙酮除去均聚物后用液氮磨加工成细粉，该嫁接共聚物在氮气保护下于90~120°C经水合肼去氨基保护得到壳聚糖-聚己内酯嫁接共聚物；
(4) 将壳聚糖-聚己内酯嫁接共聚物细粉和縮水甘油三甲胺氯(glycidyltrimethyla画nium chloride)按摩尔比1:1 1:4在水相中于70~90。C反应12~18h，然后经5倍于反应体积的冷丙酮(冰水浴)和热乙醇萃取(索氏萃取器)处理并干燥后得到季铵化壳聚糖-聚己内酯嫁接共聚物。
进一步地，所述季铵化壳聚糖-聚己内酯嫁接共聚物制备的网状膜具有梯度结构，膜的顶面为微孔(孔径范围2-40^im)形态、底面为大孔(孔径范围110-250(im)形态，而且各层在组装过程中自然链接为整体。
进一步地，所述季铵化壳聚糖-聚己内酯嫁接共聚物网状膜的制备方法为将季铵化壳聚糖-聚己内酯嫁接共聚物溶解于浓度为0. 5 1. 0%的乙酸溶液中，在溶液中加入3 5wt。/。的磺胺嘧啶银，利用超声匀浆机制备成浓度为1~2. 5wtM的嫁接共聚物溶液；利用电-湿纺技术将嫁接共聚物溶液纺成微米纤维网状膜。
更进一步地，所述加载药物的季铵化壳聚糖-聚己内酯嫁接共聚物网状膜，其特征在于将抗菌或杀菌药物在网状膜加工成型之前与季铵化壳聚糖-聚己内酯嫁接共聚物溶液充分混匀，使用电-湿纺技术并通过控制沉淀液浓度或调控样品接收盘离液面的距离将加载药物的混合溶液加工成层状梯度结构网状膜。膜的顶面为微孔(孔径范围2-40^im)形态、底面为大孔(孔径范围110 250pm)形态，而且各层在组装过程中自然链接为整体。
上述载药物的季铵化壳聚糖-聚己内酯嫁接共聚物梯度结构网状膜的具体制备方法如下
将季铵化壳聚糖-聚己内酯嫁接共聚物粉末溶于乙酸水溶液，在溶液中加入定量药物后利用匀浆机制备成均匀的浓溶液，除气后移至电-湿纺设备的喷管中在高压直流电作用下连续喷入沉淀池内的接收盘中叠成梯度结构
6网状膜。膜在沉淀池内存放8h后取出分别用70%和80%乙醇将网状膜各浸 洗8h，再用99. 5%乙醇浸泡过夜，空气干燥后浸入5M的Na2C03溶液3h，用蒸 馏水洗至中性，空气干燥后真空干燥。
其中，乙酸水溶解浓度为0.5 1.0%;季铵化壳聚糖-聚己内酯嫁接共聚 物溶液的浓度为1~2. 5wt%;加载的药物为磺胺嘧啶银，加载量为3 5wt%; 喷口与沉淀池液面的距离为5 20cm，喷口与沉淀池地线之间的直流电压为 5~15千伏;沉淀池内沉淀液为60 70%乙醇；沉淀池内样品接收盘可移动范 围为0-15cm;纤维平均直径为2. 2-9pm;网状膜厚度为500^im 3mm，网状 膜平面尺寸由样品接收盘尺寸决定；网状膜具有梯度结构，顶面为微孔形 态(孔径范围2 40 、底面为大孔形态(孔径范围U0~250|Lim)。磺胺嘧啶 银在网状膜内的最后含量为0. 04 0. 12 mg/cm2。
本发明的优点为通过壳聚糖与己内酯嫁接共聚所得的嫁接共聚物力 学性能优良；通过将壳聚糖-聚己内酯进一步季铵化所得材料具有更好的加 工性能和优良的抗菌性能；通过加载磺胺嘧啶银所得的季铵化壳聚糖-聚己 内酯嫁接共聚物梯度结构网状膜具有良好的透气和保湿性以及增强的抗菌 和杀菌性能；纤维表面亲水性强；网状膜的降解速率可调节；网状膜内药 物释放速率可控制。
图1为季铵化壳聚糖-聚己内酯嫁接共聚物的化学结构式。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步具体说明。 实施例1
将分子量为5. 2xl05，脱乙酰度为96. 4%的10g壳聚糖粉末分散在200ml 二甲基甲酰胺中，将27.6g邻苯二甲酸酐加入，于120。C反应8h。去除邻 苯二甲酸酐后加入500ml无水乙醇，所收集沉淀物用水、乙醇洗涤干燥后 制备成100%氨基保护的邻苯二甲酰壳聚糖。
将2. 0g邻苯二甲酰壳聚糖用高纯氮气在反应器中处理30min后加入2. 0
7g己内酯和4 ml甲苯，另加入相当于己内酯单体lmoP/。的2-乙基己酸亚锡， 氮气保护下100。C反应24小时。反应产物在索氏萃取器用丙酮萃取24 h后得 到邻苯二甲酰壳聚糖-聚己内酯嫁接共聚物。将2. Og邻苯二甲酰壳聚糖-聚 己内酯嫁接共聚物分散在20ml二甲基甲酰胺中，加入4ml水合肼于100。C反 应2h，沉淀物用水、乙醇分别洗涤干燥后制备成完全去氨基保护的壳聚糖-聚己内酯嫁接共聚物1.41g，聚己内酯含量26.7wt9&。季铵化壳聚糖-聚己内
酯嫁接共聚物的化学结构式见图l。
将3. Og壳聚糖-聚己内酯嫁接共聚物细粉与6. 6ml縮水甘油三甲胺氯 在30 ml水相中于85 °C反应12h，用5倍于反应体积的冷丙酮(冰水浴) 沉淀、在索氏萃取器中用乙醇萃取处理后得到季铵化壳聚糖-聚己内酯嫁接 共聚物4. 36g，季铵化侧链取代度36. 8%。
将季铵化壳聚糖-聚己内酯嫁接共聚物粉末溶于1. 0%乙酸水溶液制备 成1. 5wt。/。待纺溶液并加入4wty。磺胺嘧啶银，用匀浆机混匀除气后加载到电 -湿纺设备的喷管中施予10千伏直流电压，将载药溶液喷入沉淀池并纺成 梯度结构网状膜。取出网状膜分别用70%和80%乙醇将其各洗8 h，再用99. 5% 乙醇浸泡过夜，空气干燥后浸入5 M Na2C03溶液3h，用蒸馏水洗至中性，空 气干燥后真空干燥。网状膜平均厚度1647|nm,平面尺寸为10cmxlOcm，顶 面平均孔径27fim，底面平均孔径104pm。纤维平均直径为5. 2pm。网状膜 载药量平均值为0. 084 mg/cm3。
其抗菌和杀菌性能是用光谱方法测定，其具体步骤为将lOmmxlOmm 方块样品浸入10ml吸光值为0. 23的含金葡萄球菌培养液中于37。C连续培 养24h，于6h、 12h、 18 h和24h测得的吸光值的平均值分别为0. 17、 0. 15、 0. 08和0. 02;将10 mmx10 mm方块样品浸入10 ml吸光值为0. 21的含大 肠杆菌培养液中于37。C连续培养24h，于6h、 12h、 18h和24h测得的吸光 值的平均值分别为0.21、 0.16、 0. 11和0.08。
将直径为1.5cm样品，浸入IO ml磷酸盐缓冲溶液(PBS)中，在摇动温 箱内于37°C释放药物。50wt9&和100wt。/o释放量对应的时间分别约为6天(平 均值)和22 (平均值)天。
从上述测定方法中证实季铵化壳聚糖-聚己内酯嫁接共聚物梯度结构
8网状膜对金葡萄球菌或大肠杆菌具有非常显著的抗菌和杀菌作用。
实施例2
将分子量为5. 2xl05，脱乙酰度为96. 4%的10g壳聚糖粉末与18. 4g邻 苯二甲酸酐在200ml 二甲基甲酰胺中反应，经与实施例一相同的方法制备 成100%氨基保护的邻苯二甲酰壳聚糖。
将2.0g邻苯二甲酰壳聚糖用高纯氮气在反应器中处理30min后加入 4. Og己内酯和6ml甲苯，另加入相当于己内酯单体lmoiy。的2-乙基己酸亚 锡，经与实施例一相同的方法制备得到壳聚糖-聚己内酯嫁接共聚物1. 63g， 聚己内酯含量34. 6wt%。
将3. 0g壳聚糖-聚己内酯嫁接共聚物细粉和8. 5ml縮水甘油三甲胺氯加 入到35ml水相中经与实施例一相同的方法得到季铵化壳聚糖-聚己内酯嫁 接共聚物4. 87g，季铵化侧链取代度57. 4%。其季铵化壳聚糖-聚己内酯嫁接 共聚物的化学结构式见图l。
将季铵化壳聚糖-聚己内酯嫁接共聚物粉末溶于0. 8%乙酸水溶液制备 成1. 5wt9&待纺溶液并加入5w"^磺胺嘧啶银，用匀浆机混匀除气后加载到电 -湿纺设备的喷管中施予10千伏直流电压，经与实施例一相同的方法得到 梯度结构网状膜。网状膜平均厚度1976(im，平面尺寸为10cmx8cm，顶面平 均孔径21网，底面平均孔径117pm。纤维平均直径为4.3pm。网状膜载药 量平均值为0. 11mg/cm2。
其抗菌和杀菌性能是用光谱方法测定，其具体步骤为将lOmmxlOmm 方块样品浸入10ml吸光值为0. 27的含金葡萄球菌培养液中于37°C连续培 养24h，于6h、 12h、 18h和24h测得的吸光值的平均值分别为0. 14、 0.09、 0. 06和0. 02;将lOmmxlO 方块样品浸入10ml吸光值为0. 25的含大肠杆 菌培养液中于37°C连续培养24h，于6h、 12h、 18h和24h测得的吸光值的 平均值分别为0. 19、 0. 14、 0. 08和0. 06。
将直径为1.5cm样品，浸入IO ml磷酸盐缓冲溶液(PBS)中，在摇动温 箱内于37°C释放药物。50wt。/。和100wty。释放量对应的时间分别约为5天(平 均值)和28(平均值)天。
从上述测定方法中证实季铵化壳聚糖-聚己内酯嫁接共聚物梯度结构
9网状膜对金葡萄球菌或大肠杆菌具有非常显著的抗菌和杀菌作用。
实施例3
将分子量为5. 2xl05，脱乙酰度为96. 4%的10g壳聚糖粉末与23g邻苯 二甲酸酐在200ml 二甲基甲酰胺中反应，经与实施例一相同的方法制备成 100%氨基保护的邻苯二甲酰壳聚糖。
将2.0g邻苯二甲酰壳聚糖用高纯氮气在反应器中处理30min后加入 4.0g己内酯和6ml甲苯，另加入相当于己内酯单体lmol。/()的2-乙基己酸亚 锡，经与实施例一相同的方法制备得到壳聚糖-聚己内酯嫁接共聚物1. 58g， 聚己内酯含量33. 7wt%。
将3. Og壳聚糖-聚己内酯嫁接共聚物细粉和IO ml縮水甘油三甲胺氯加 入到40ml水相中经与实施例一相同的方法得到季铵化壳聚糖-聚己内酯嫁 接共聚物5.36g，季铵化侧链取代度67. 2%。其季铵化壳聚糖-聚己内酯嫁接 共聚物的化学结构式见图l。
将季铵化壳聚糖-聚己内酯嫁接共聚物粉末溶于0. 5%乙酸水溶液制备 成1. 5讨％待纺溶液并加入3wt。/。磺胺嘧啶银，用匀浆机混匀除气后加载到电 -湿纺设备的喷管中施予15千伏直流电压，经与实施例一相同的方法得到 梯度结构网状膜。网状膜平均厚度2141pm，平面尺寸为8cmx8cm，顶面平 均孔径31]Lun,底面平均孔径117(nm。纤维平均直径为6. lpin。网状膜载药 量平均值为0. 54 mg/cm2。
其抗菌和杀菌性能是用光谱方法测定，其具体步骤为将lOmmxlOmm 方块样品浸入10ml吸光值为0. 24的含金葡萄球菌培养液中于37°C连续培 养24h，于6h、 12h、 18h和24h测得的吸光值的平均值分别为0.21、 0.15、 0. 09和0. 04;将lOmmxlOmm方块样品浸入10ml吸光值为0. 26的含大肠杆 菌培养液中于37。C连续培养24h，于6h、 12h、 18h和24h测得的吸光值的 平均值分别为0. 22、 0. 19、 0. 14和0. 09。
将直径为1.5cm样品，浸入10ml磷酸盐缓冲溶液(PBS)中，在摇动温 箱内于37°C释放药物。50wty。和100wtQ/。释放量对应的时间分别约为3天(平 均值)和19天(平均值)。
从上述测定方法中证实季铵化壳聚糖-聚己内酯嫁接共聚物梯度结构
10网状膜对金葡萄球菌或大肠杆菌具有非常显著的抗菌和杀菌作用。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非 限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技 术人员应当理解，
权利要求
1. 一种季铵化壳聚糖-聚己内酯嫁接共聚物，其特征在于，聚己内酯支链嫁接在壳聚糖C-6位上，2-羟基-3-甲铵丙基氯(N-[(2-hydroxy-3-trimethylammonium)propyl]chloride，缩写为HTPC)侧链连接在壳聚糖C-2位上。
2. 根据权利要求1所述的季铵化壳聚糖-聚己内酯嫁接共聚物，其特征 在于，聚己内酯支链取代度为5-25%，聚己内酯支链占嫁接共聚物的重量含 量为21-55wt%; HTPC侧链的取代度为27-86%。
3. —种权利要求1所述的季铵化壳聚糖-聚己内酯嫁接共聚物的合成方 法，其特征在于包括以下步骤(1) 将分子量为5xl04 6x105，脱乙酰度大于96%的壳聚糖粉末加入二 甲基甲酰胺中，按壳聚糖单元中-NH2与邻苯二甲酸酐摩尔比为1:2 1:3投 料于100~120°C反应8~12h，去除反应介质后将反应产物在乙醇中沉淀，收 集沉淀用水、乙醇分别洗涤并干燥后制备成邻苯二甲酰壳聚糖；(2) 将邻苯二甲酰壳聚糖与己内酯按重量比1:1 1:5加入甲苯中在氮 气保护下于K)0 120。C共聚24 36 h，制备得到邻苯二甲酰壳聚糖-聚己内 酯嫁接共聚物；(3) 将邻苯二甲酰壳聚糖-聚己内酯嫁接共聚物用丙酮除去均聚物后用 液氮磨加工成细粉，该嫁接共聚物在氮气保护下于90~120°C经水合肼去氨 基保护得到壳聚糖-聚己内酯嫁接共聚物；(4) 将壳聚糖-聚己内酯嫁接共聚物细粉和縮水甘油三甲胺氯 (glycidyltrimethylammonium chloride)按摩尔比1:1 1:4在7jC相中于 70 90°C反应12~18h，然后经5倍于反应体积的冷丙酮(冰水浴)和热乙醇 萃取(索氏萃取器)处理并干燥后得到季铵化壳聚糖-聚己内酯嫁接共聚物。
4. 一种用权利要求1所述的季铵化壳聚糖-聚己内酯嫁接共聚物制备的 网状膜，其特征在于，所述网状膜具有梯度结构，膜的顶面为微孔(孔径范 围2-40iam)形态、底面为大孔(孔径范围110-250nm)形态，而且各层在组装 过程中自然链接为整体。
5. —种权利要求4所述季铵化壳聚糖-聚己内酯嫁接共聚物网状膜的制备方法，其特征在于，将季铵化壳聚糖-聚己内酯嫁接共聚物溶解于浓度为0.5 1.0%的乙酸溶液中，在溶液中加入3 5wty。的磺胺嘧啶银，利用超声匀浆机制备成浓度为1 2. 5wty。的嫁接共聚物溶液；利用电-湿纺技术将嫁接共聚物溶液纺成微米纤维网状膜。
6. 根据权利要求3至5中任意一项所述加载药物的季铵化壳聚糖-聚己内酯嫁接共聚物网状膜，其特征在于；将抗菌或杀菌药物在网状膜加工成型之前与季铵化壳聚糖-聚己内酯嫁接共聚物溶液充分混匀，使用电-湿纺技术并通过控制沉淀液浓度或调控样品接收盘离液面的距离将加载药物的混合溶液加工成层状梯度结构网状膜。膜的顶面为微孔(孔径范围2 40pm)形态、底面为大孔(孔径范围110 250)um)形态，而且各层在组装过程中自然链接为整体。
全文摘要
本发明公开了一种季铵化壳聚糖-聚己内酯嫁接共聚物及制备方法以及该共聚物制备的网状膜及方法，所述季铵化壳聚糖-聚己内酯嫁接共聚物的聚己内酯支链嫁接在壳聚糖C-6位上，2-羟基-3-甲铵丙基氯侧链连接在壳聚糖C-2位上，所获得嫁接共聚物材料经溶液混合的方式加载选定的药物后利用电-湿纺技术组装成具有梯度结构的网状膜。该膜具有良好的力学性能、可调节的孔结构、生物降解性、保湿和透气性、抗菌和杀菌能力以及药物控制释放能力。该膜的材料合成和加工制备过程简便、嫁接共聚物材料结构以及膜结构可调、药物释放率可控、所使用原材料主要为天然生物材料而且来源丰富。该膜可用于不同程度的皮肤损伤的治疗以及后续皮肤组织修复的组织工程支架。
文档编号C08B37/00GK101486774SQ200910060840
公开日2009年7月22日 申请日期2009年2月24日 优先权日2009年2月24日
发明者影 万, 卢小玲 申请人:华中科技大学