脂肪族聚酯类生物材料亲水性改性的研究进展

作者：王传栋，王晶，王勤，刘阳

【摘要】 主要综述了丙交酯、乙交酯或ε-己内酯与亲水性的聚乙二醇、氨基酸、N-乙烯基吡咯烷酮和聚乙烯醇等亲水性物质进行嵌段或接枝共聚合反应，制备具有亲水性、温敏性或PH敏感性的共聚物。为缓控释药物、组织工程和体内植入器械提供组织相容性好、保持蛋白药物活性、无毒的生物医用材料。

【关键词】 聚乳酸;聚乳酸羟基乙酸;聚己内酯;脂肪族聚酯;亲水性;改性;共聚合;聚乙二醇;氨基酸;N-乙烯基吡咯烷酮;聚乙烯醇

Abstract：To modify hydrophilicity of Aliphatic polyester biomaterials， the copolymerizations of lactide， glycolide or ε-caprolactone with Polyethylene glycol， amino acids，N-vinylpyrrolidone or polyvinyl alcohol are reviewed， and the hydrophilic， thermosensitive or PH-sensitive copolymers are prepared. The copolymers have the characterestics of good tissue compatibility， retained protein drug active and nontoxicity. These biomedical materials are suitable for delayed release system， tissue engineering and implant device in vivo.

Key words：Polylactic acid;Poly(lactide-co-glycolide);Polycaprolactone;Aliphatic polyester;Hydrophilicity;Modification;Copolymerization;Polyethylene glycol;Amino acid;N-ethelen pyrolidone;Polyvinyl alcohol

1 引 言

脂肪族聚酯类生物可降解材料，如聚乳酸、聚羟基乙酸、聚ε-己内酯及其共聚物是目前国内外的研究热点之一，这类材料具有良好生物相容性、无毒性及体内的生物可降解性，已成为医疗领域重要的生物材料之一，尤其是在组织工程、缓控释制剂、医疗器械等方面得到广泛应用，如缝线、骨固定材料(骨钉、骨接板)、骨修复材料、缓控释药物的赋形剂(微球、药棒、凝胶、膜片剂)、组织工程细胞生长支架材料等。作为脂肪族聚酯类生物可降解材料，由于其结构上的疏水性，使其与细胞、组织的亲和性变低，不利于种子细胞在支架中的生长;作为蛋白类药物的释放控制基质，由于在制备微球过程中需要加热和采用有机溶剂，容易引起蛋白药物的失活或变性，因此，在医学上的应用受到一定的限制。针对脂肪族聚酯类材料的疏水性问题，国内外的学者，对其进行了大量的亲水性研究工作，在聚酯主链上接入亲水性基团，或在亲水性材料上接入聚酯类链等，现分述如下。

2 聚乙二醇的共聚合改性

脂肪族类聚酯材料常用的共聚合改性分为嵌段共聚和接枝共聚，疏水性链段，如聚乳酸(PLA)、聚乙交酯(PGA)、聚丙交酯乙交酯(PLGA)和聚ε-己内酯(PCL)，称为A链段;亲水性链段，如聚乙二醇(PEG)、聚氧乙烯(PEO)、单甲氧基封端的聚乙二醇(MPEG)和环氧封端的聚乙二醇(EPEG)，称为B链段。嵌段共聚物分为ABA和BAB结构;接枝共聚物为A-g-B。

聚乳酸类材料的共聚合改性，聚合过程对水分比较敏感，所用的原料及器皿都要进行干燥处理，并且用惰性气体氮气或氩气保护。

温敏型共聚物中亲水性基团PEG、MPEG和EPEG，其分子量一般在2 000以下。共聚物中链节的亲水性PEG>GA>CL>LGA>LA。

2.1 A-B-A型共聚物

PLA-PEO-PLA和 PLGA-PEO-PLGA(LA/GA=1)共聚物[1]采用三异丙基氧铝作催化剂，左旋丙交酯(L-LA)、乙交酯(GA)和PEO(分子量6 000或10 000)进行共聚合反应制备。从平衡吸水率看出，PLA和PLGA在100 min内的吸水率6%～7%，对PLA-PEO-PLA和PLGA-PEO-PLGA共聚物，随着PEO链节比例的增加，其吸水率由70%增加到200%。

温敏型PLGA-PEG-PLGA共聚物ReGel○R[2] 以辛酸亚锡作催化剂，聚乙二醇PEG1000，丙交酯(D，L-LA)和GA[D，L-LA/GA=3/1(mol)]共聚合反应制备。用PEG1450，D，L-LA/GA摩尔比4:1合成ReGel○R-2。ReGel○R的低临界溶解温度(LCST)为13.6℃，ReGel○R-2的LCST为30℃。ReGel○R对难溶性药物有较明显的增溶作用，环孢素A和紫杉醇的溶解性分别增加400倍和2000倍，紫杉醇的温敏凝胶剂OncoGel○R正在进行Ⅱ期临床研究。

温敏型PCL-PEG-PCL(PCEC)聚合物[3]用辛酸亚锡作催化剂，PEG和ε-己内酯(ε-CL)进行开环共聚合制备。当共聚物PCL/PEG比例在0.5～2.0时，水溶液具有温度响应的溶胶-凝胶转变;当PCL/PEG比值达到2.5时，共聚物的疏水性增加，不溶于水。随着共聚物分子量的增加，聚合物的临界凝胶温度下降。对PCL1000-PEG1000-PCL1000进行研究，当PCEC水溶液浓度>15%时，显示可逆的溶胶-凝胶相转变。当溶液浓度为20%时，10℃下为溶胶，37℃下为凝胶，50℃下又变成溶胶。

使用乳酸锌作催化剂，PEG引发ε-CL和D，L-LA进行开环聚合反应，制备PCLA-PEG- PCLA共聚物[4]。当CL/LA =0.79/0.21，随着共聚物中PEG链节分子量的增加，共聚物释放5-Fu的速率加快。这是因为PEG链节分子量的增加，聚合物的水润湿性、溶胀性增加，促进了药物的传递。当PEG分子量相同时，随着CL/LA比例的增加，释放量增大。

可注射P(CLGA)PEGP(CLGA)温敏水凝胶[5]，使用PEG(Mn =1 540)、GA、εCL和辛酸亚锡进行开环聚合反应制备。当GA/CL比值相同，随着PEG/P(CL-GA)比例的增加，亲水性增强，凝胶化温度升高。当PEG/P(CL-GA)比值相同，GA/CL比例由0.08增加到0.11，共聚物的凝胶化温度升高;当GA/CL比例下降，凝胶化温度降低。

2.2 BAB型聚合物

BAB聚合物，采用两步法合成，首先用单甲氧基封端的PEG(MPEG)与LA、GA或εCL制备两嵌段共聚物，然后用六次亚甲基二异氰酸酯(HMDI)进行偶联反应，制备PEG链在两端的共聚物。

PEG-PLGA-PEG共聚物(PELGE)[6]，首先用D，L-LA、GA、MPEG和辛酸亚锡进行共聚合反应，制备PEG-PLGA二嵌段共聚物。然后将PEG-PLGA与HMDI进行偶联反应，在甲苯中60 °C下反应12 h，回流6 h，得到PELGE聚合物。随着MPEG含量增加，共聚物PELGE的表面能增加，表面能越大，表面的亲水性越强。

温敏PEG-PCL-PEG (PECE)共聚物[7]，首先使用辛酸亚锡为催化剂，MPEG引发εCL开环聚合反应，获得PEG-PCL二嵌段共聚物。然后将PEG-PCL与HMDI 80℃下反应6 h，得两亲性的PECE。共聚物水溶液具有温度依赖性的溶胶-凝胶转变(低转变)和凝胶-溶胶转变(高转变)。当PEG的分子量相同时，PCL嵌段分子量由2 000增加到2 200时，LCST由35℃下降到31℃。当PEG/PCL比值不变，共聚物分子量由3 300增加到4 500时，水溶液的浓度为30%时，LCST由31℃上升到38℃，最高临界凝胶温度由45℃升高到51℃。

PEG-PLA-PEG共聚物[8]，将MPEG(Mn=5 000)、LA和辛酸亚锡在甲苯溶液中反应，制备PEG-PLA，然后与HMDI的甲苯混合物在60℃加热10 h，140℃加热回流制备。

2.3 A-g-B型聚合物

使用环氧封端的聚乙二醇甲基醚(n=3)、L-LA和催化剂AlEt3·0.5H2O进行接枝共聚合反应得到PLLA-g-PEG[9]。接枝PEG到PLLA对降低结晶度非常有效，当产品的接枝率达到28.6%时，共聚物就没有结晶性。

温敏型PLGA-g-PEG接枝共聚物[10]，用环氧封端的聚乙二醇(EPEG)、MPEG，甲苯恒沸蒸馏，除去残留水分，加入D，L-LA、GA和辛酸亚锡，120℃下反应24 h制备。PLGA-g-PEG水溶液室温以下是溶胶，根据聚合物浓度的不同，在25～30℃范围内发生溶胶-凝胶转变，凝胶相一直保持到45℃，高于45℃，又发生凝胶-溶胶转变，形成溶胶。在大鼠皮下注射聚合物水溶液(29%)，凝胶呈圆形，而不是分散的片型，表明溶胶在体内快速凝胶化，材料可用作原位凝胶形成装置。

2.4 星形聚合物

星核相连的为亲水基团PEO，末端为疏水性PLGA链节的星形共聚物[11]：将4臂或8臂的多臂聚氧乙烯、AlEt3、L-LA和GA在甲苯溶液中，70℃下反应72～96 h，得4臂或8臂的PEObPLGA星形嵌段共聚物。体外降解性能研究表明，与线形ABA三嵌段共聚物的快速侵蚀相比，共聚物在初始的2～3周内降解缓慢、质量损失较少，这是因为共聚物中PEO-PLGA键的断裂较少，3周后星形聚合物的降解速度加快。

星核相连的为疏水基团PLLA，末端为亲水性PEO链节的星形共聚物[12]：首先用MPEG(Mn=2 000)、琥珀酸酐、4-二甲基氨基吡啶(DMAP)和三乙胺溶于二氧杂环己烷中，室温下反应24 h，制备羧基封端的单甲氧基聚氧乙烯(CMPEO)。然后将二季戊四醇、L-LA和辛酸亚锡，在125℃下聚合24 h，得六臂星形聚乳酸6sPLLA。再将6sPLLA、CMPEO、二环己基碳二亚胺和DMAP溶于无水二氯甲烷中，室温反应24小时，得6sPLLA-b-PEO六臂嵌段共聚物。共聚物中PLLA和PEO是相互作用的，PLLA和PEO段结晶度通过支化臂数量和每段的臂长来调节。

3 氨基酸的共聚合改性

聚乳酸类材料的氨基酸改性是先将氨基酸制成吗啉二酮衍生物环体或N-羧酸酐，再与丙交酯、含活性端基的聚丙交酯、PLA-PEG或乳酸亚硫酸酯酐进行共聚合反应，或几种单体直接进行共聚合反应。氨基酸的共聚合过程所用的原料和仪器同样需要干燥，玻璃器皿要进行硅烷化处理(110°C，24 h)，氮气或氩气保护。

3.1 吗啉二酮衍生物环体的共聚合改性

3.1.1 赖氨酸

采用N(羰基苄氧基)L赖氨酸和D-丙氨酸合成3[N(羰基苄氧基)L赖氨酰基]6甲基2，5吗啉二酮环体[13]，在辛酸亚锡催化下与LLA进行开环共聚合反应，脱除苄氧基保护基，得到乳酸-赖氨酸共聚物[P(LA-Lys)]。体外降解试验表明，当共聚物和PLA的分子量均下降到起始分子量的50%时，所用的时间分别为5周和15周，共聚物的快速降解，是赖氨酸的亲水性和对PLA的结晶度破坏所致。

3.1.2 天冬氨酸

乙醇酸-天冬氨酸共聚物P(Glc-Asp)的合成方法[14]，首先，由天冬氨酸、乙醇酸为原料合成吗啉二酮衍生物(3S)-3-[(苄氧羰基)甲基]吗啉-2，5-二酮，然后在辛酸亚锡催化下进行开环聚合。脱除苄氧基保护基后，得P(Glc-Asp)。共聚物中含有大量羧基，在水中能完全溶解。

用β-苄酯保护天冬氨酸的吗啉二酮单体(BMD)、L-LA和辛酸亚锡催化聚合制备了聚(L-乳酸-乙醇酸-β-苄基-天冬氨酸)[P(LLA-BMD)]共聚物[15]。BMD与L-LA以很大的比例进行共聚，由于吗啉二酮的亲水性较强，可以通过调节两者比例，获得具有适当亲水性的材料。对P(LLA-BMD)]的体外降解性能研究表明[16]，与PLGA作对照，PLGA吸水性为4%，P(LLA-BMD)吸水性为20%。P(LLA-BMD)链上，存在大量氨基，使得聚合物亲水性更强。聚合物分子量降低，共聚物链变短，水分子更容易进入聚合物链，导致吸水性的增加。

使用乙醇酸(Glc) 和苄基保护的天冬氨酸Asp(OBzl)合成环羧肽吗啉二酮衍生物cyclo[GlcAsp(OBzl)][17]，然后在辛酸亚锡催化下，与DLLA进行开环聚合，得到Poly{[Glc-Asp(OBzl)]-DL-LA)}共聚物。用三氟甲磺酸-苯甲硫醚/三氟醋酸脱保护基，得到poly[(Glc-Asp)-DL-LA](PGD-DL-LA)。PGD-DL-LA与MPEG在4-二甲基氨基吡啶、二环己基碳化二亚胺和二氯甲烷存在下发生接枝反应，得到PGD-DL-LA-g-PEG共聚物。共聚物的水溶液具有溶胶-凝胶转变特性，特定PEG链长和组成的共聚物水溶液(20%)，在33℃发生瞬间凝胶。在不改变水凝胶的物理机械强度的情况下，调节PEG的链长和聚合物的组成可以调节共聚物的溶胶-凝胶温度从33℃到51℃。

3.1.3 丝氨酸

聚(乙醇酸L丝氨酸)，聚(乙醇酸L丝氨酸L乳酸)或聚(乙醇酸L丝氨酸己内酯)[18]，首先用丝氨酸、醋酸合成3苄氧基L丝氨酸吗啉2，5二酮环体。然后，用辛酸亚锡作催化剂，进行开环均聚合，或与LLA、εCL开环共聚合。这些聚合物含有活性功能基团-丝氨酸链上的羟基。丝氨酸活性基团与丙烯酰氯反应，连接上功能化的丙烯酸酯基团，光聚合形成交联的凝胶。

用乙交酯和O苄基L丝氨酸制备N溴乙酰基-苄基丝氨酸[19]，在碳酸氢钠和二甲基甲酰胺存在下成环反应，60℃反应36 h，得环缩肽cyclo[Glc-Ser(OBzl)]。然后与LA在辛酸亚锡下进行开环聚合，得浅黄色固体poly{[Glc-Ser(OBzl)]-LA}。用三氟甲磺酸-苯甲硫醚/三氟醋酸在0 °C脱保护基，得白色P[(Glc-Ser)-LA]固体。在P[(Glc-Ser)-LA]含羟基的侧链上，由辛酸亚锡作催化剂，丙交酯进行开环接枝聚合，得到梳型PLA聚合物。

3.1.4 半胱氨酸

先用对甲氧苄基氯(MBzl-Cl)来保护半胱氨酸的巯基[20]，合成吗啉二酮衍生物环体Cyclo[Glc-Cys(MBzl)]，然后用辛酸亚锡作催化剂，与LA共聚合得到P{LA-[Glc-Cys(MBzl)]}。脱保护基后，得到P[LA-(Glc-Cys)]。对材料的接触角研究表明，PLA接触角为75°，当共聚物中半胱氨酸摩尔比由3%增加到12.5%时，接触角由72°下降到67°，随着(Glc-Cys)单元的含量增加，共聚物的接触角降低，材料的润湿性增加。

3.2 N-羧酸酐的共聚合反应

3.2.1 赖氨酸

采用N苄氧基羰基L赖氨酸(εNcbzLLys)和二(三氯甲基)碳酸酯制备εN苄氧基羰基L赖氨酸N羧酸酐(εNcbz LLysNCA)[21]，与PCL和二异丙基胺基锂在低温70℃～-40℃反应制备PCLgP(NZLys)，去保护基，得到聚ε己内酯g聚L赖氨酸(PCLgPLL)。由于聚赖氨酸侧链伯胺的质子化作用，PCLg PLL是一种多碱的水溶性物质，pKa为10.2。

用乳酸在氯化铜催化下与亚硫酰氯反应制备乳酸亚硫酸酯酐(LAAS)[22]，然后与εNcbzLLysNCA在三乙胺引发下聚合，50℃反应72 h，得聚(D，L乳酸bL赖氨酸)P(LALys)。

将LAAS、NcbzLLysNCA、MPEGNH2 (1:1:1)和二氧杂环己烷混合，50℃下反应72 h，得到白色固体PELAcbzLys，脱保护基，得到乳酸乙二醇赖氨酸共聚物(PELALys)[23]。共聚物PELALys溶于水、甲醇和乙醇，略溶于丙酮、DMSO、二氧杂环己烷，不溶于二氯甲烷和三氯甲烷。

3.2.2 天冬氨酸

使用β苄基L天冬氨酸[Asp(OBzl)]与二(三氯甲基)碳酸酯，四氢呋喃作溶剂，40℃反应2 h，制备β苄基L天冬氨酸N羧酸酐[Asp(OBzl)NCA]，然后与PLLAPEOPLLA在二氧杂环己烷中40℃反应24 h，得到 PLLA PEO PAsp(OBzl)三元共聚物[24]。用HBr/HOAc脱除苄基，得乳酸-乙二醇天冬氨酸三元共聚物PLLAPEOPAsp。细胞种植试验表明，PLLAPEO PAsp/PLGA(25/75)混合物细胞生长的支持特性比PLGA(75/25)要好。

用特丁基氧基羰基(Boc)保护氨基乙醇的氨基，引发乳酸的聚合，脱保护得到氨基封端的聚乳酸PLA-NH2，然后与Asp(OBzl)-NCA在40℃下聚合24 h，溶剂为氯仿，得到PAsp(OBzl)bPLA，脱保护基，得PAspbPLA[25]。PAspbPLA二嵌段共聚物在水中形成胶束，疏水性PLA为核，亲水性、PH敏感的PAsp为壳。壳层覆盖具有活性的、PH敏感的羧基，能与特殊的导引配基进行化学修饰，显示PH敏感的智能特性。

3.2.3 谷氨酸

采用LLA与MPEG，在辛酸亚锡存在下，开环聚合制备PEGPLAOH，与N叔丁氧基羰基L苯丙氨酸(PheBOC)反应，制备PEGPLANH2，与N羧酸酐γ苄基L谷氨酸(BGLNCA) 30℃反应72 h，得到PEGPLAPBGL[26]。氢化催化脱保护基，得PEGPLAPGL。在PEGPLAPGL侧链的活性羧基与N羟基琥珀酰亚胺NHS反应，然后接枝上RGD，得到PEGPLAPGL/RGD。含有PEG PLAPGL/RGD基质，能改进细胞粘附和扩展能力，促进人软骨细胞的增殖。

3.3 直接共聚合

在不使用催化剂的情况下，直接将天冬氨酸、LLA和GA进行共聚合反应，温度控制在180℃，2.5 h后，减压到400 Pa，降温到160℃，反应21 h，得到天冬氨酸-乳酸共聚物(PAL)或聚天冬氨酸-乳酸-乙醇酸共聚物(PALG)[27]。体外降解试验表明，随着共聚物中Asp比例增加，聚合物重量损失增加。当Asp/LA(或LA+GA)比例相同时，PALG降解速率比PAL快，表明亲水性的GA加快了聚合物水解。对于PAL1/12共聚物水溶液，开始时亲水性的Asp基团使共聚物溶于水，聚合物进一步降解，引起了Asp链节的解离，聚合物中疏水的LA链段逐渐增加，上清液出现浑浊，达到一定的量后出现沉淀，取沉淀分析，重均分子量是初始值80%，Asp/LA比列升为1/17.2。

4 其它水溶性聚合物共聚合改性

4.1 聚乙烯吡咯烷酮

用甲基丙烯酸羟乙酯HEMA做引发剂，在辛酸亚锡催化下进行LA的开环聚合反应，制备末端为双键的功能化聚乳酸大分子单体(PLA—HEMA)，然后与N乙烯基吡咯烷酮(NVP)，在偶氮二异丁腈引发下进行自由基溶液共聚，合成了具有亲水性PVPPHEMAgPLA的接枝共聚物[28]。共聚物薄膜的接触角测定表明，随着NVP用量增大，表面接触角下降，且明显低于相应的PLA膜，接枝共聚物的亲水性随NVP用量增加而提高。

以端羟基聚乳酸和ε溴代丙酰溴为原料，制备了溴端基聚乳酸;再以其为大分子引发剂，以溴化亚铜/2，2'联吡啶为催化体系进行NVP的原子转移自由基聚合，得到两亲性嵌段共聚物PVPPLAPVP[29]。两亲性嵌段共聚物在水中形成球状胶束，为一壳多核的结构，PVP链段在水中形成舒展的壳，起稳定胶束作用，而PLA的疏水作用相互聚集成核。

在辛酸亚锡催化下，用PEG和LA进行开环聚合，制备PLAPEGPLA，然后与丙烯酰氯反应，得到丙烯酸酯封端的PLAPEGPLA生物交联剂，然后以生物交联剂、PLAHEMA和NVP为原料，偶氮二异丁腈为引发剂，合成了新型可生物降解两亲性交联共聚物[30]。在固定交联剂用量时，随PLAHEMA/NVP比值的增大，共聚物膜的表面接触角明显升高，亲水性随LAHEMA用量增加而下降。

4.2 聚乙烯醇

用辛酸亚锡作催化剂，聚乙烯醇骨架与LA和GA进行接枝共聚合反应，130℃反应3 h，得到PVAgPLA或PVAgPLGA梳型聚合物[31-32]。侧链PLGA的分子量与主链PVA的投料量相关，PVA投料比例低， 引发聚合反应的中心较少，得到分子量较高的接枝共聚物 (HMWPVAgPLGA)，侧链PLGA约64个重复单元;增加PVA的投料比，PVAOH数量多，接枝到PVA上的PLGA链就短，得到分子量相对低的共聚物LMWPVAgPLGA，PLGA的链长约6个二聚体。PVA主链分子量增加，PLGA侧链的数量增多，导致聚合物的Mw相应增加。

腐蚀和降解试验表明，HMWPVAgPLGA与线性高分子量的PLGA相比，由于HMWPVAgPLGA开始水解键的解离不明显，质量损失有明显的初始延迟期，然后表现出与高分子量PLGA相同的降解速率。LMW PVAgPLGA降解和腐蚀变化是较明显的，没有初始延迟期，侧链的解离处于恒定速率。短的PLGA链能快速解离并溶于水，能从降解装置上快速转移，避免酸性累积，适用于敏感蛋白质类药物的释放系统。

5 马来酸酐及有机二胺共聚合改性

用聚乳酸、马来酸酐和过氧化二苯甲酰，100℃下反应20 h，得到改性的聚乳酸(MPLA)[33]，马来酸酐是一种在生物体内可正常代谢的多官能团物质。马来酸酐用其双键接枝到PLA分子上，分子中的酸酐键将会增大材料的亲水性。对大鼠成骨细胞在PLA、MPLA表面能粘附性能进行研究表明[34]，MPLA的粘附力比PLA大，说明MPLA是一种性能较好的成骨细胞支撑材料。

将MPLA中的酸酐基团与乙二胺中的NH2发生N酰化反应，得到EMPLA[35]。然后将成骨细胞接种在EMPLA上的细胞形态表现较成熟[36]，细胞增殖力较强，使细胞更快地分化成熟。EMPLA中丰富的NH2和COOH，提高了材料的亲水性，它增强了成骨细胞的黏附和生长。

将马来酸酐与乙二醇溶在甲苯中，加入对甲基苯磺酸，真空下100℃反应24 h，得亚乙基马来酸酯预聚物PEMA(马来酸乙二醇共聚物)。将预聚物和LA在辛酸亚锡的催化下，真空下160℃共聚合反应48 h，得亚乙基马来酸酯-乳酸共聚物PEMLA[37]。PEMLA吸水率约30%，PLA吸水率21%， PEMLA的亲水性和弹性都增加。