表面可侵蚀聚氨酯、制备方法及其应用 【技术领域】
本发明涉及一种表面可侵蚀聚氨酯、制备方法及其应用。该表面可侵蚀聚氨酯可以用于制备药物缓释聚合物体系以及具有表面可侵蚀聚氨酯的聚合膜所制成的生物传感器。
背景材料
由于优良的力学性能及于生物的相容性，因而聚氨酯是一种被广泛应用于医药器械领域的高聚物。作为涂料，聚氨酯通常应用于医药器械可概述如下：导管和心脏起搏器的导入管、心脏瓣膜伤愈修饰和可植入体内葡萄糖生物传感器膜的制备等等。可是，当聚氨酯或者这些下列的聚合物(如聚乳酸/聚葡酸、聚羟基乙酸、聚原酸脂、羟丁酸戊脂、聚己酸内酯、有机硅单体、聚对苯二甲酸乙二醇直等)在最近的药物支架涂层的运用评估中，发现这些包括聚氨酯在内的合物可能会引起冠状动脉内膜炎症反应。这一发现已引起人们的足够重视从而表现出有继续改进聚氨酯的性能的必要性，特别是其血液相容性在药物支架涂层应用的重要性(Lamba，N；Woodhouse，KA；Cooper，SL，Chapter 9 Polyurethane in Biomedicalapplications；Polyurethanes in Biomedical Applications.1998；van der Giessen，WJ：Lincoff，AM；Schwartz，RS；van Beusekom，HMM；Serruys，PW；Holmes，DR；Ellis，SG；Topol，EJMarked Inflammatory Sequelae to Implantation of Biodegradable and NonbiodegradablePolymers in Porcine Coronary Arteries；Circulation.1996；94：1690-1697)。
另一方面，在2，2-双噁唑啉修饰的聚己酸内酯的生物降解和生物相容性的研究中，数据表明如让聚合物具有表面侵蚀的性质，即可改善该聚合物的生物相容性。基此本发明提出一个有效的方法，在特定的聚氨酯的主链中引入氨基酸，使其具有表面侵蚀(Surface erosion)的生物降解的特性，从而达到优良生物相容性的聚合物，是本发明的主攻目标(Pulkkinen，M；Malin，M；Bohm，J；Tarvainen，T；Wirth，T；Seppala，J；Jarvinen，K；In vivo implantation of 2，2′-bis(oxazoline)-linkedpoly-e-caprolactone：Proof for enzyme sensitivity surface erosion and biocompatibility.European Journal of Pharmaceutical Science 36(2009)310-319)。
再有本发明人在八十年代中期曾发现氟碳基团引入水溶性高聚物骨架，非极性基团可在极性环境中形成大分子自组装致使高聚物具有特殊的性能，这一原创性的发现被广泛的引证，作者亦作长期深入的研究并发表了一系列文章，其基本概念是在极性骨架上引入非极性基团，从而在大分子间形成自组装缔合结构。分子自组装的研究发展非常迅速，在此不多叙述。基此，本发明人上述新构想是在非极性骨架中引入极性(氨基酸)基团，在非极性环境中，驱使高聚物的表面形成上述表面可侵蚀区域(i.Zhang，Y.X.；Da，A.H.；Bulter，G.B.；Hogen-Esch，T.E.J PolymSci，Polym Chem Ed，1992，30，1383；ii.Zhuang，D.Q.；Guo，J.F.；Zhang，Y.X.MacromolRapid Commun，2002，23，109.；iii.Chen，J.Y.；Jiang，M.；Zhang，Y.X.；Zhou，H.Macromolecules，1999，32，4961；iv.ZL 02150908.5；Fluoropolymer hydrophilic coatingsfor heat exchangers.Zhang，Yun-xiang；Schuetzle，Dennis；Obioha，Chimere N.；Farah，RiadA.Ger.Offen.DE 19946131A1 15 Jun 2000，8 pp.(German))。
【发明内容】
本发明基于提供一种新型生物相容性聚氨酯，在这一新型聚合物中引入氨基酸，从而即保持了通常聚氨酯的优良力学性能又可极大的改进其生物相容性.由于氨基酸的引入，这种表面可侵蚀聚氨酯[surface erosion polyurethane(简称SEPU)]具有生物降解的特殊性质。同时，这一聚合物保持了既有相应Tg值和优良伸长率及柔韧性等力学性能，因而这类SEPU高聚物是一个十分有用的生物涂层材料。其应用于可缓冲和可生物降解药物颗粒的保护层及可植入体内的医用器械的生物涂层。
本发明还提供了一种上述新型结构表面可侵蚀聚氨酯的制备方法。
同时本发明还提供了一种上述新型结构表面可侵蚀聚氨酯的用途。用于制备体内手术器械的涂层或制备用于可植入性生物传感器的生物相容性膜。提出了一个如何应用SEPU高聚物去制备可植入体内手术器械涂层的方法以及应用于可植入性生物传感器的生物相容性膜的制备方法。
本发明的这一特殊SEPU高聚物，可用下述化学结构(I)表述：
化学结构式(I)
其中，m为2-10,000，优选是50到5000；
R3为含有基团C2-C20亚烷基(alkylene)或C2-C20亚烯烷基(alkenylene)，优选C2H4到C8H16；
R2为含有C1-C6烷基、C2-C6烯烷基、C2-C6炔基(alkynyl)、C6-C10芳基或-(CH2)2S(CH2)；最佳是C4H9或CH2C6H5；
R1为C2-C20亚烷基、C2-C20亚烯烷基、C2-C20炔基或C1-C8烷氧基；优选是C2H4到C8H16。
本发明的一种上述新型结构聚氨酯的制备方法。是应用缩聚法合成SEPU高聚物，即应用双親电单体和双親核單体酸的盐相缩合而成。常規，线性或多功能基团SEPU高聚物如下述方法在中等温度缩聚而成，等克分子数双親电单体(如双对甲苯磺酸盐的烷基双酯)和双親核单体(如双对硝基苯基烷基碳酸酯)溶解於加入的极性有机溶剂中(如二甲基甲酰胺(Dimethylformamide，简称DMF)，並在室温～80℃，三乙胺、双对甲苯磺酸盐的烷基双酯和双对硝基苯基烷基碳酸酯反应5～18小时，反应仃止后将DMF溶液慢慢滴入乙醚中沉淀出高聚物，再溶於DMF並在乙醚中重复沉淀多次而得到纯SEPU高聚物。所述的三乙胺∶双对甲苯磺酸盐的烷基双酯∶双对硝基苯基烷基碳酸酯的摩尔比为2.0～2.2∶1∶1。
反应式如下：
在表1中則分别列出5个SEPU高聚物(2-Leu-2，2-Leu-3，3-Lue-3，3-Phe-6and 3-Phe-3)的分子量，Tg和力学性能数据，典型的详细合成方法見实施例1至5。高聚物样品序列号中第一个数字表示亚甲基用于准备对硝基苯双碳酸盐的二醇数目。Leu則代表双-亮氨酸(α-Leucine)二酯以及Phe代表双-苯基丙胺酸(α-Phenylalanine)二酯。第二个数字代表了亚甲基用于制备双(α-氨基酸)-α，ω-亚烷基酯的二醇数字.从高聚物科学的常理耒說，高聚物的骨架決定它的物理性質，特定的氨基酸和最佳的二醇中烃基的長度二者相结合，可得到具有Tg(＞37℃)和高伸長率(＞100％)的SEPU高聚物，而这是作为涂层材料用於可植入医疗器械地必备性能。
表一，SEPU性能
样品SEPU MW By GPC Tg℃ 伸长率％ 2-Leu-2 83,000 51 165 2-Leu-3 95,000 45 297 3-Leu-3 124,000 38 411 3-Phe-6 198,000 39 268 3-Phe-3 154,000 44 128
下面用不同应用例子对材料性能要求作些解绎。如以药物淋洗支架中的应用为例，当金属支架装入血管中后，用像气球扩张式方法打开，因而在金属表面的涂层必须同时扩张，可想而知极大的涂层延伸率是十分重要的。另外以可植入体内葡萄糖传感器的应用为例，通常情况是该传感器需要通过弯曲插入的方式插入并留在皮肤下。由此可见由涂层材料制成复盖於传感器表面的膜，必须具有很好柔韧和延伸性。
另一个重要且十分吸引人们关心的特性是，这种SEPU高聚物在保持其高伸长率的同时，又具有高Tg值。由于这些医疗器械必须植入人体内，如药物淋洗支架和植入式葡萄糖传感器，因而涂层材料即SEPU的Tg值高于人体体温(37℃)，可让涂层材料处于玻璃态，而不是橡胶态。从而十分有利于涂层在器械表面的完整性。总的来说，由于SEPU有着上诉所述的优良材料机械性能，使它能在植入式医疗设备，如药物洗脱支架和植入式葡萄糖传感器涂层材料等方面有着广泛的用途。
SEPU的生物降解
本发明应用失重法(gravimetric weight loss method)来表征SEPU高聚物(3-Leu-3)的生物降解特性，并用一种常用的生物降解聚合物聚(L-乳酸-羟基酸)[poly(L-lactic-co-glycolic acid)](简称PLGA)作为参照物，详细实验方法及失重表征数据在实验6中详述。二个不同介质溶液(磷酸缓冲液PBS和胰凝乳蛋白酶Chymotrysin enzyme)作为降解介质，如图1所示，SEPU高聚物的降解速率在胰凝乳蛋白酶溶液中远大于在纯PBS溶液中。这清楚地证明SEPU高聚物的降解历程是一个酶促进的降解历程，而没有明显的水解现象；另一方面，本发明实验数据同样表明，最常用可降解高聚物PLGA，在上述两种介质中其降解速率是基本相同的，这表明其降解历程纯粹是水解而导致PLGA高聚物的降解。
最有效的实验数据来证明SEPU聚合物有表面侵蚀降解的机制是测定残留在金属喋片上被降解过SEPU聚合物的高分子分子量。本发明应用高聚物分子量测定最常用方法，即凝胶渗透色谱法(Gel Permeation Chromatography)(简称GPC)法测定不同时间残留器械表面涂层的重均分子量(MW)大小，在PBS和胰凝乳蛋白酶两种实验溶液中，SEPU聚合物会降解掉15％的重量，可是，在降解后剩下的SEPU聚合物的高分子分子量却无明显的变化，如图2所示，这清楚表明SEPU降解过程是一个一层一层的表面侵蚀过程。与此相反，PLGA的共聚物分子量在实验降解过程中不断的降低，从第21天实验数据表明，即使80％PLGA残留在器械表面，PLGA的分子量仅仅是原有的10％。这一结果证明，PLGA生物降解是一个水解的历程，并和已发表文献相符。
SEPU聚合物的应用
本发明SEPU聚合物其优良的力学性能和其他特性已在前面部分详述，除可应用于生物相容性手术器械，还可用于，如外科手术缝合线、手术螺丝、植入板内固定装置和血管支架。通常热塑性材料加工方法：如挤压法，注射成型、溶液浇制法等方法都可以运用于本材料，从而制造生物降解聚合物涂复的先进医疗器械。
本发明所制造的这种生物相容性和可生物降解新型SEPU高聚物可作为医疗器械的表面涂层材料，表面涂层可以慢慢降解，降解的时间跨度可以从2天到几年，这主要取决于新型SEPU高聚物可作为涂层的厚度。
另外SEPU聚合物可包复涂层用于缓释药物的制备，包括雷帕霉素(rapamycin)及其衍生物，紫杉醇(paclitaxe)及其衍生物，依维莫司(everolimus)，西罗莫司(sirolimus)，他克莫司(tacrolimus)及其它们的衍生物，辛伐他汀(simvastatin)，阿托伐他汀(atorvastatin)，氟伐他汀(fluvastatin)，普伐他汀(pravastatin)，洛伐他汀(lovastatin)，瑞舒伐他汀(rosuvastatin)等等。
除了人工合成的小分子的药之外，其他的生物类药也可以被SEPU聚合物来释放，这些生物类药可以释放输送氧化氮(nitric oxide)，其作用是帮助伤口愈合，这些生物类药包括但不限于：硫醇(nitrosothiols)，硝酸盐和花青素(nitratesand anthocyanins)；腺苷二磷酸腺苷(adenosine and adenosine diphosphate)ADP)and磷酸腺苷(adenosine triphosphate)(ATP)；乙酰胆碱和5羟色胺(acetylcholineand 5-hydroxytryptamine)(serotonin/5-HT)；肾上腺素和去甲肾上腺素(adrenalinand noradrenalin)；鞘氨醇-1-磷酸和溶血磷脂酸(sphingosine-1-phosphate andlysophosphatidic acid)；精氨酸和赖氨酸(arginine and lysine)；P物质和降钙素基因相关肽(substance P and calcium gene-related peptide)(CGRP)，胰岛素，血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor)(VEGF)，and凝血酶(thrombin).SEPU高聚物可应用于上述各类药物所制成不同颗粒大小的缓释药物，这些缓释药物所释放的量是可以在25％到100％之间，其释放药的速度取决于这类药本身的性质和数量。
具体所需要的药物在被SEPU聚合物包复中的数量取决于药本身对某种特定疾病所需要的治疗剂量。具体的药物量同时取决于病人自身的状况，如：年龄、本身身体状况、免疫系统、病情的状况和其他的情况。举个例子，对本发明来说，所需要的用量可以从1个微克到100毫克，或者从5个微克到1个毫克，或者从10个微克到500个微克。
SEPU高聚物还有一个很大的应用领域，作为涂层材料可应用于生物传感器。由于SEPU优良的生物相容性，它可以用作作为生物传感器的界面层的最外一层的材料，即是本发明上述部分所提及的膜的制备，用来增加生物传感器的生物相容性直接接触。另一方面，SEPU的优良的机械性能成为替代传统的聚氨酯作为抵抗层材料的理想选择。
在此再作一点补充，如前所述，本发明SEPU高聚物作为涂层材料，从宏观上说可制成不同厚度的膜，并可一层又一层的被侵蚀而生物降解。从微观上说，即分子结构来看，这里存在大分子之间的缔结区域，而此区域，有可被人体内酶所辨别，因而本发明具科学及应用价值。
【附图说明】
图1是SEPU和PLGA在磷酸缓冲液(PBS)和胰凝乳蛋白酶(Chymotrypsinenzyme)两种溶液的生物降解的速度
图2是在磷酸缓冲液(PBS)和胰凝乳蛋白酶(Chymotrypsin enzyme)两种溶液中降解后所剩余SEPU和PLGA的凝胶渗透色谱测定的重均分子量(GPCMW)随时间变化
【具体实施方式】
以下实施例有助与理解本发明，但不限于本发明的内容。
实施例1
在此列出SEPU(2-Leu-2)詳细制备方法。2-Leu-2由化学结构式(I)来表示：R2＝C2H4；R3＝C4H9；R4＝C2H4。
在室温，三乙胺(0.071mole)慢慢地滴入双对甲苯酸磺盐的双亮氨酸1，2-双乙烯酯(di-p-toluenesulfonic acid salt ofbis-(L-leucine)-1，2-ethylene diester)(0.032mole)和双对硝基苯基1，2乙烯碳酸酯(di-p-nitrophenyl 1，2-ethylenecarbonate)(0.032mole)的二甲基甲酰胺(Dimethylformamide)(简称DMF)(16.91mL)溶液中，然后將温度升至80℃並搅拌18小时，待冷却至室溫用DMF將粘性反应液稀释至浓度l0wt％，滴入乙醚中析出2-Leu-2。按此法重复三次，最后將高聚物溶於丙酮(150mL，10％w/v)，再在1.5L乙醚中纯化。
产物分析结果：合成产量60％；GPC所得分子量为83，000(m大约为241)。1H核磁共振结果证实R2＝C2H4；R3＝C4H9；R4＝C3H6。
实施例2
在此列出SEPU(2-Leu-3)詳细制备方法。2-Leu-3由化学结构式(I)来表示：R2＝C2H4；R3＝C4H9；R4＝C3H6。
在室温三乙胺(0.071mole)双对甲苯磺酸盐的双亮氨酸-1，3-丙烯双酯(di-p-toluenesulfonic acid salt of bis-(L-leucine)-1，3-propylene diester)(0.032mole)和双对硝基苯基1，2-乙烯碳酸酯(di-p-nitrophenyl 1，2-ethylene carbonate)(0.032mole)的DMF(16.91mL)溶液中，然后將温度升至80℃並搅拌18小时，待冷却至室溫用DMF將粘性反应液稀释至浓度10wt％，滴入乙醚中析出2-Leu-3，按此法重复三次，最后將高聚物溶於丙酮(150mL 10％w/v)，再在1.5L乙醚中纯化。
产物分析结果：合成产量65％；GPC所得分子量为95,000(m大约为275)。1H核磁共振结果证实R2＝C2H4；R3＝C4H9；R4＝C3H6。
实施例3
在此列出SEPU(3-Leu-3)詳细制备方法。3-Leu-3由化学结构式(I)来表示：R2＝C3H6；R3＝C4H9；R4＝C3H6。
在室温三乙胺(0.071mole)慢慢地滴入双对甲苯磺酸盐的双亮氨酸-1，3-丙烯双酯(di-p-toluenesulfonic acid salt of bis-(L-Leucine)-1，3-propylene diester(0.032mole)和双对硝基苯基1，3-丙烯碳酸酯(di-p-nitrophenyl 1，3-propylenecarbonate)(0.032mole)的DMF(16.91mL)溶液中，然后將温度升至80℃並搅拌18小时，待冷却至室溫用DMF將粘性反应液稀释至浓度10wt％，滴入乙醚中析出3-Leu-3.按此法重复三次，最后將高聚物溶於丙酮(150mL 10％w/v)，再在1.5L乙醚中纯化。
产物分析结果：合成产量68％；GPC所得分子量为124,000(m大约为332)。1H核磁共振结果证实R2＝C3H6；R3＝C4H9；R4＝C3H6。
实施例4
在此列出SEPU(3-Phe-6)詳细制备方法。3-Phe-6由化学结构式(I)来表示：R2＝C3H6；R3＝C7H7；R4＝C6H12。
在室温三乙胺(0.071mole)慢慢地滴入双对甲苯酸磺盐的双-(苯丙氨酸)-1，6-1，6hexylene双酯(di-p-toluenesulfonic acid salt ofbis-(Phenylalanine)-1，6-1，6-hexylene diester)(0.032mole)和双对硝基苯基1，3-丙烯碳酸酯(di-p-nitrophenyl 1，3-propylene carbonate)(0.032mole)在DMF(16.91mL)溶液中，然后將温度升至80℃並搅拌18小时，待冷却至室溫用DMF將粘性反应液稀释至浓度10wt％，滴入乙醚中析出3-Phe-6，按此法重复三次，最后將高聚物溶於丙酮(150mL 10％w/v)，再在1.5L乙醚中纯化。
产物分析结果：合成产量80％；GPC所得分子量为198,000(m大约为441)。1H核磁共振结果证实R2＝C3H6；R3＝C7H7；R4＝C6H12。
实施例5
在此列出SEPU(3-Phe-3)詳细制备方法。3-Phe-6由化学结构式(I)来表示：R2＝C3H6；R3＝C7H7；R4＝C3H6。
在室温三乙胺(0.071mole)慢慢地滴入双对甲苯酸磺盐的双-(苯丙氨酸)-1，3-丙烯双酯(di-p-toluenesulfonic acid salt of bis-(Phenylalanine)-1，3-propylenediester)(0.032mole)和双对硝基苯基1，3-丙烯碳酸酯(di-p-nitrophenyl1，3-propylene carbonate)(0.032mole)在DMF(16.91mL)溶液中，然后將温度升至80℃並搅拌18小时，待冷却至室溫用DMF將粘性反应液稀释至浓度l0wt％，滴入乙醚中析出3-Phe-3，按此法重复三次，最后將高聚物溶於丙酮(150mL 10％w/v)，再在1.5L乙醚中纯化。
产物分析结果：合成产量75％；GPC所得分子量为154,000(m大约为378)。1H核磁共振结果证实R2＝C3H6；R3＝C7H7；R4＝C3H6。
实施例6
本实施例在此详述了詳细的实验方法用来测定SEPU(3-Lue-3)的生物降解速度。
用10％重量的SEPU酒精溶液涂到不锈钢的碟片上，每一小块的碟片大约20毫克，碟片在室温空气干燥过夜，然后真空40℃过夜干燥。取三个碟片放在容量15毫升的锥形管中。1.5毫升的溶液(磷酸缓冲液PBS或胰凝乳蛋白酶Chymotrysin enzyme)加到每个试管中，胰凝乳蛋白酶的浓度是17单位/毫升。管子孵育在摇床孵化器(125转)在37℃，胰凝乳蛋白酶和PBS的溶液，每48小时更换一次。分别在第7天，第14天，第21天，第28天取样，每次随机从胰凝乳蛋白酶和PBS组抽取3个有聚合物的碟片样本，用于测量失重％(weight loss)。取出的碟片在蒸馏水里冲3次，然后对样品进行真空干燥(65℃下，48小时)。48小时后，待样品冷却到室温，不锈钢碟片称重，按下述表式計算，並取三个計算值的平均值作为失重的百分比。
失重(％)＝{1-(Wi-Wo)/(W1-Wo)}x 100
式中Wo为喋片重量，W1为起始样品重量包括喋片重量，Wi为不同取样时间残留样品重量包括喋片重量。
另外再補充一点，如附图1和2所描述的结果，观察到SEPU聚合物涂於不銹鋼喋片表面在二种介质中涂层都没有脱落和龟裂的現象出現，表明首先涂层是一层又一层的降解，其次SEPU涂料和PU涂料有仝样的粘结力，但对照样品就有龟裂出現。说明SEPU可应用于可缓释和可生物降解药物颗粒的保护层及可植入体内介入型医疗器械的涂层。