可生物降解氨基酸衍生拟聚碳酸酯与聚乙二醇600共混的加速水解研究☆

黄霞1，郑元锁2，高积强3，陈家昌3，李哲3

相关链接：生物可降解材料的应用主要为：组织工程，药物载体，骨固定材料，手术缝合线等方面。药物载体方面的研究主要集中在靶向运输，控制释放等方面。近来对活体以及大分子药物的托载研究成为此领域的研究热点，如对蛋白质等大分子药物准确输送以及控制释放，对活性物质如基因的输送等，要求在输送过程中不损失改变物质的活性。

术语解析：拟聚氨基酸是一种新的氨基酸基聚合物，具有良好的生物相容性。其结构特点为主链上肽键与非肽键交替排列，这样聚氨基酸因重复肽键结构导致的性能缺点得到了有效的改善。

应用要点：本文合成的聚碳酸酯是一种新的拟聚氨基酸，在结构上既有易酶解键也有水解键，试验表明，主链上的碳酸酯键水解性能优于普通聚合物侧链酯键。这种聚碳酸酯合成方法简单，同时因来源于环肽，力学、水解性能均比较好。

1郑州大学材料学院，河南省郑州市 450001；西安交通大学， 2理学院，3材料强度国家重点实验室，陕西省西安市 710049

黄霞☆，女，1978年生，湖北省公安县人，汉族，西安交通大学材料科学与工程学院在读博士，主要从事生物医用高分子材料的研究。
happyhxia@163.com

摘要
目的：为改善可降解生物材料拟聚碳酸酯的水解状况，将亲水的聚乙二醇作为共混组分制备共混试样，观察混合物的热性质和水解率。
方法：①用界面聚合法制备了一种新的拟聚氨基酸－酪氨酸衍生聚碳酸酯，并用溶液共混合法制备了L-酪氨酸衍生聚碳酸酯与相对分子质量为600的聚乙二醇，以不同质量比混合的混合物试样。②用傅里叶红外、核磁共振法表征了混合物的结构；用示差扫描量热法，热重分析表征了混合物的热性质；并将试样置于浓度为1 mol/L的碱液中进行加速水解测试。
结果：随着PEG聚乙二醇质量分数的增加，混合物的玻璃化转变温度逐渐降低；同时降解率随聚乙二醇质量分数的增加而增加，混合物的水解率增大；混合物的水解对降解环境pH值影响较小。
结论：聚乙二醇的引入，有效改善了聚碳酸酯的热性能，同时增加了聚碳酸酯的亲水性，混合物的降解速率明显大于聚碳酸酯。
关键词：生物可降解；L-酪氨酸；拟聚碳酸酯/聚乙二醇；溶液共混；环二肽；水解

黄霞，郑元锁，高积强，陈家昌，李哲.可生物降解氨基酸衍生拟聚碳酸酯与聚乙二醇600共混的加速水解研究[J].中国组织工程研究与临床康复，2008，12(10):1863-1866 [www.zglckf.com/zglckf/ejournal/upfiles/08-10/10k-1863(ps).pdf]

Accelerated hydrolysis of L-tyrosine-derived biodegradable polycarbonate/polyethylene glycol 600 blend samples

AIM:Biodegradable polycarbonate is blended with hydrophilic polyethylene glycol (PEG) to improve the hydrolytic property of biodegradable 'pseudo' polycarbonate. And the thermal property and hydrolytic property of the blends are observed.
METHODS: ①A novel 'pseudo' poly tyrosine derived polycarbonate was synthesized by interfacial polycondensation. L-tyrosine-derived polycarbonate was blended with PEG of 600 molecular mass according to different mass ratios by solution blend method.②Chemical structure of blend polymer was confirmed by nuclear magnetic resonance and fourier transform infrared spectroscopy. The thermal property was determined by differential scanning calorimeter and thermogravimetric analysis; The accelerated hydrolysis of the blend samples was performed in alkaline condition (1 mol/L concentration).
RESULTS: The glass transition temperature decreased with increasing PEG content. The degradation of blends increased with increasing PEG content. The hydrolysis of blend samples showed slight effect on pH value of degradation environment.
CONCLUSION: The thermal property and hydrophilicity of polycarbonate can be improved by introducing PEG. The degradation rate of blend samples is significantly higher than that of polycarbonate.

Huang X, Zheng YS, Gao JQ, Chen JC, Li Z.Accelerated hydrolysis of L-tyrosine-derived biodegradable polycarbonate/polyethylene glycol 600 blend samples.Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu yu Linchuang Kangfu 2008;12(10):1863-1866 [www.zglckf.com/zglckf/ejournal/upfiles/08-10/10k-1863(ps).pdf]

氨基酸衍生聚合物均具有非常好的生物相容性和生物降解性能，是一类非常理想并有良好应用前景的可降解生物材料。部分聚氨基酸已进入了临床使用阶段[1-9]。但因聚氨基酸主链上重复酰胺键结构形成的氢键，导致聚氨基酸的热处理温度较高，同时难溶于一般的有机溶剂，这就为该类聚合物的成型加工造成了

困难[10]，而且聚氨基酸合成成本也比较高，批量生产难度较大[11]。鉴于此，Kohn与他的合作者合成了一种新的氨基酸基聚合物，同时提出了一个新的概念――拟聚氨基酸[12-13]。拟聚氨基酸的特点为主链上肽键与非肽键交替排列，从而保证合成聚合物既有氨基酸的良好的生物相容性和可降解性，又避免了聚氨基酸的重复酰胺键带来的缺点。Kohn课题组[14-15]以天然左旋酪氨酸为起始材料合成了一系列联酚单体，并用这些单体合成了系列聚碳酸酯（PC）以及相关的共聚物。
但是以上提到的联酚单体中的亚酰胺部分均为线性结构[16]，即为线性肽。而线性肽具有不易酶解以及口服药效差等缺点。本课题组采用酪氨酸合成的环肽为单体合成了一种新的可降解PC [17]，并比较了其在不同媒介中的水解情况，测试结果表明，在碱性溶液中，PC试样的水解速率明显优于在PBS磷酸缓冲溶液中的情况，而且水解程度与碱溶液的浓度成正比。这说明此种材料的水解率与离子强度成正比。与文献中报道的聚乳酸系列材料相比，作者合成的PC具有生物相容性好（来源于氨基酸），而且降解产物对局部pH值影响小的优点。由于这种PC主链含有芳香结构，导致材料具有较高的玻璃化转变温度（Tg），同时相同条件下的水解率也小于聚乳酸系列产品[18]。为了改善水解状况，作者将亲水的聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）作为共混组分制备了PC/PEG共混试样，通过改善试样亲水性的方法来调控水解速率。PEG本身并不降解，但是相对分子质量小于6 000的PEG可以很容易的通过肾脏等代谢器官被排出体外[19]，不会积累在体内，PEG是被美国药品食品管理局(FDA)批准可内服的无毒的聚合物,具有优良的血液相容性、极好的亲水性、无免疫原性、水溶性等优点而在药学和生物医用材料领域得到广泛应用。本文选择亲水性的PEG，将PC和PEG机械共混后作为试样的基材,通过调节PEG的质量分数可以控制微球的结构和表面形貌，调节微球的降解速度,从而达到对控制释放的要求。

1.1 主要原料 L-酪氨酸（生物试剂，南通东部氨基酸有限公司），乙二醇（分析纯，国药集团化学试剂有限公司），环二肽（实验室自制），三氯甲基碳酸酯(分析纯，海宁中联化学有限公司)，二氯甲烷（分析纯，国药集团化学试剂有限公司），三乙氨（分析纯，国药集团化学试剂有限公司），无水乙醇（分析纯，天津百世化学试剂有限公司），氢氧化钠（分析纯，天津市化学试剂六厂），聚乙烯醇（分析纯，天津巴斯夫化学试剂有限公司），二甲亚砜（分析纯，天津巴斯夫化学试剂有限公司），L-酪氨酸衍生聚碳酸酯（实验室自制），相对分子质量为600的PEG（PEG600，分析纯，上海诚心化工有限公司）。
1.2 水解研究本文采用溶液共混法制备水解试样。在25 mL小烧杯中配置0.1 g/mL的聚碳酸酯/PEG600-二甲亚砜溶液10 mL,搅拌均匀，静置不分层，将溶液倒入9 cm的培养皿中，室温下缓慢挥发溶剂后，得到表面平滑的混合物薄膜，将薄膜切割为2 mm×3 mm，厚约1 mm的矩形试样。
以浓度为1 mol/L的氢氧化钠溶液作为水解媒质，在37 ℃条件下对质量比为90∶10，80∶20，75∶25，1∶1的4种共混物试样进行加速水解测试。水解结束后，用去离子水冲洗，而后冷冻干燥。
1.3 混合物的表征及热性质用傅里叶红外(FT-IR)、核磁共振氢谱核磁共振（1HNMR）法表征了混合物的结构，用示差扫描量热法（DSC），热重分析（TGA）表征了混合物的热性质。

2.1 混合物的表征结果
2.1.1 FT-IR与1HNMR 图1所示为作者合成聚碳酸酯的结构简式。

图2为PC/PEG混合物的红外谱图，1 665 cm-1， 3 214.98 cm-1，1 770.37 cm-1，2 859.56 cm-1分别归属于聚碳酸酯上的HN-C=O、-NH-、-O-C=O以及CH2； 2 922.09 c cm-1，较宽的3 374.60 cm-1分别归属于聚乙二醇中的CH2,CH2-OH。羟基吸收明显减弱，说明二者混合较好产生了分子间作用，各自的红外吸收减弱，导致羟基吸收减弱。随着PEG含量的增加，FT-IR谱图中亚甲基的伸缩振动逐渐加强。由图2可知，混合物的红外谱图，不是两种共混组分的简单叠加，彼此的特征吸收峰相对于原先的单一组分，都发生了位移，这是因为两组分混容效果比较好，产生了分子间作用，使得各自的基团吸收位移吸收强度都发生了变化，这表明两组分具有较好的相容性。
以1∶1质量比混合的PC/PEG混合物的核磁氢谱见图3。9.284 ×10-6归属于聚乙二醇中的端羟基，8.062×10-6归属于聚碳酸酯中的-NH-，（7.231~6.703）×10-6归属于聚碳酸酯主链中的对位取代芳香结构，4.286×10-6，4.042×10-6归属于聚碳酸酯中的CH-C＝O；（3.509~ 3.027）×10-6归属于聚乙二醇中的连接羟基的亚甲基质子；2.643×10-6归属于聚碳酸酯主链上的亚甲基质子。

2.1.2 热性质以及相容性研究热行为是衡量高分子材料的主要指标之一，尤其是玻璃化转变温度Tg，决定着材料的使用温度和柔性。对于共混合体系，热性能是体系均一与否的主要判断依据，对于二组分高分子共聚物来说，如果其组分间是相容的，则体系应该显示出一个随组成变化而变化的Tg，如果组分间为部分相容，则体系通常也会显示出两个Tg，只是两个Tg更靠近些或向相反的方向移动[20-21]。
本文结果显示，随着PEG质量分数的增大，混合物的玻璃化转变温度逐渐降低,当混合物中PEG质量分数达到70％时，玻璃化温度低至63.39 ℃，而单独聚碳酸酯的玻璃化温度，高达150 ℃的。玻璃化温度的降低，使得混合物更易于加工处理，而各比例混合物在热降解质量损失最大时温度均在350 ℃以上，这样就为材料的进一步热成型处理提供了较大的空间。
同时在4种质量比的DSC曲线上，只观察到一个明显的玻璃化温度，这再次说明聚碳酸酯于聚乙二醇的相容性较好，与前面的结构测试结果一致。
2.2 试样的水解研究
2.2.1 质量损失不同比例混合物在水解过程中，质量损失均为孵化(水解)时间的函数。如图4所示，PEG质量分数为5％的混合物经历相同降解时间，质量损失最小，而且在整个降解过程中，质量损失趋势线的斜率没有大的变化，说明降解比较缓慢平稳；PEG质量分数为30％的试样在最初3 d的水解中表现较为缓慢、平稳，第7~11天，水解趋势线斜率陡增，第12~18天，曲线斜率减小，到18天以后又归于平缓，出现这种现象的原因可能是，第7~11天PEG由于碱性溶液的侵蚀，逐渐脱离混合试样，出现突释，所以这个时期的质量损失表现的比较明显；到18 d以后，PEG基本完全脱离，水解基本仍是PC基体的水解，所以水解情况又趋于平缓。PEG质量分数为50%的试样，在孵化初期就表现出比较急剧的水解，质量损失曲线斜率较大，第12天以后趋于平缓，第16天以后斜率再次增大，前期质量损失明显增加仍为PEG分子的剥离所致，后期的剧烈水解是因为PEG分子的引入，混合试样的亲水性增强，吸水率大，碱液得以更快的进攻PC主题，使得质量损失增大。PEG质量分数为70％的混合试样，整体水解比较平稳，因为混合试样中，只含30％的PC，所以水解整体情况主要取决于PEG的脱离率。

2.2.2 pH值变化图5为各混合试样对孵化环境局部pH值的影响。
在孵化过程中，pH值均减小，这说明混合物水解释放了酸性降解产物，但是可以看到，各混合试样对所处孵化环境的pH值的影响是比较小的，pH变化最大的质量分数为70%PEG的情况在长达552 h的时间内对局部pH值的改变小于1.7，而根据文献中报道PLGA在150 h内使降解环境的pH减小3.5，相比而言，这一PC/PEG混合物具有局部pH值影响小的优点。因为有资料表明，聚乳酸，PLGA以及它们的共聚物在降解过程中都产生了较多的酸性降解产物，用这些材料作为生物移植材料容易引起移植位置的病变。而本文制备混合物对局部pH值影响小的有点可以使它有更多的生物移植应用。

由图6可以看出，图中的5个试样在孵化不同时间达到基本相似孵化效果，但是由于混合试样中PEG质量分数的多少而经历了不同的时间。显而易见，随着PEG质量分数的增加，达到相同的孵化效果所用时间逐渐减少，说明水解率随PEG质量分数的增加而增大，这与前面的质量损失实验结果也是一致的。这是因为PEG质量分数量的增加，增加了混合物的亲水性，水渗透加快，水解率自然有所增加。

本文制备了天然左旋酪氨酸衍生聚碳酸酯与PEG600不同质量比的共混物，并对共混物的结构以及热性能进行了表征。随着PEG质量分数的增加，共混物的玻璃化转变温度逐渐降低。对共混合物的加速水解研究表明，PEG质量分数的增加有效增加了混合物的水解率，同时也使得PC的Tg大幅度降低，这为混合物的成型加工热处理提供了有利条件。混合物的水解对降解环境pH值影响较小，这一性质使得这一共混物有可能成为更为理想的生物移植材料，取代那些因为降解产物偏酸而导致移植位置产生病变的生物材料。

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