CN115636915A - 一种共聚物及其修饰物、制备方法、应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种共聚物及其修饰物、制备方法、应用。一种共聚物由响应型双羟基单体、双羟基叔胺单体和双异氰酸酯单体聚合，且用一端具有氨基或羟基的聚乙二醇封端而得到；所述响应型双羟基单体具有可响应还原条件或酸性条件发生断裂的化学键，两端有‑OH基团；所述双羟基叔胺单体含有一个或以上的叔胺基团，两端有‑OH基团；所述的双异氰酸酯单体在两端有异氰酸酯基团。本发明解决了现有抗菌聚合物在体内难以降解的问题，而且其对细菌生长的还原型、酸性微环境高度敏感响应，抗菌效果更优异。

Description

一种共聚物及其修饰物、制备方法、应用

技术领域

本申请涉及抗菌材料领域，具体涉及一种共聚物及其修饰物、制备方法、应用。

背景技术

有害微生物的侵袭是造成生物安全问题的主要原因之一，目前人类普遍使用抗生素来应对细菌感染。抗生素存在全球范围内滥用情况，由于抗生素的滥用，获得了新的耐药机制的耐药病原体的出现和传播，导致了细菌对抗菌药物的耐药性，这持续削弱我们治疗常见感染的能力。尤其令人担忧的是，多重耐药菌和泛耐药菌在全球快速传播，可能导致一些感染无法用抗生素等现有抗微生物药物治疗，这需要我们研发不易诱发细菌耐药的抗菌肽类似物。

生物医用高分子泛指一切应用于诊断、治疗和器官修复与再生等生物医学领域的高分子材料，其应用有助于延长患者寿命、改善人体健康、提高人类生活质量。它是高分子科学的重要组成部分，是与材料、电子、机械、生物和医学等多学科高度交叉的研究领域。其中阳离子高分子相对分子量较大，电荷密度大，更易与表面带有负电荷的细菌接触，抗菌功能位点相对密集，因此有着更高的抗菌强度。这类抗菌剂主要包括季铵盐类聚合物、季鏻盐类聚合物、胍类聚合物和卤胺类聚合物等。这些聚合物具有稳定的化学结构，在生物体内难以降解代谢，可能产生毒性，从而阻碍了抗菌纳米药物在临床上的进一步发展和应用。

由于阳离子抗菌聚合物存在上述不足，本领域一直致力于寻找可以在细菌微环境降解的低毒性有机聚合物，以进一步提高阳离子抗菌聚合物的抗菌效果，减少对正常细胞的侵害。

为此，提出本发明。

发明内容

本发明的主要目的在于提供了一种共聚物及其修饰物、制备方法、应用，解决了现有抗菌聚合物在体内难以降解的问题，而且其对细菌生长的还原型、酸性微环境高度敏感响应，抗菌效果更优异。

为了实现以上目的，本发明提供了以下技术方案。

本发明的第一方面提供了一种共聚物，其由响应型双羟基单体、双羟基叔胺单体和双异氰酸酯单体聚合，且用一端具有氨基或羟基的聚乙二醇封端而得到；

所述响应型双羟基单体具有可响应还原条件或酸性条件发生断裂的化学键，两端有-OH基团；

所述双羟基叔胺单体含有一个或以上的叔胺基团，两端有-OH基团；

所述的双异氰酸酯单体在两端有异氰酸酯基团。

上述共聚物由特定结构的三个单体共聚而成，并且经具有氨基或羟基的聚乙二醇封端，因而具有特定的结构特点，该结构特点可以使其经卤代烷的季胺化修饰后达到体内降解性能好、抗菌性能好的效果。

具体地，上述共聚物的季胺化修饰物的抗菌和体内降解机理主要是：

该共聚物可在水溶液中形成表面带正电的共聚物胶束，吸附在表面带负电的细菌上，随后共聚物上的疏水部分与细菌膜融合，破坏细菌细胞膜，使胞内容物流出从而杀死细菌。而细菌生长的微环境中含有大量的谷胱甘肽，可以进攻共聚物主链中的硫族元素，使二硫键、二硒键等断裂，使共聚物降解为易被代谢的片段；同样的，在细菌微环境的酸性条件下，共聚物主链中的缩醛键会断裂，使共聚物降解。

进一步地，所述响应型双羟基单体和所述双羟基叔胺单体的摩尔数之和，与所述双异氰酸酯单体的摩尔数之比为1～1.2:1～1.2，包括但不限于1:1，1:1.1，1:1.2，1.2:1.1，1.2:1，1.1:1.2等。

进一步地，所述响应型双羟基单体与所述双羟基叔胺单体的摩尔数之比为1：1～4，包括但不限于1:1，1:1.1，1:1.3，1:1.5，1:1.7，1:2，1:2.3，1:2.5，1:3，1:3.3，1:3.5，1:4等。

进一步地，所述发生断裂的化学键为二硫键、二硒键、缩醛中的一种或几种。

进一步地，所述响应型双羟基单体选自以下化合物中的一种或几种：

进一步地，所述双羟基叔胺单体选自以下化合物的一种或几种：

进一步地，所述双异氰酸酯单体选自以下化合物中的一种或两种：

进一步地，所述一端具有氨基或羟基的聚乙二醇为一端具有氨基或羟基，另一端具有甲基的聚乙二醇；优选为具有羟基的聚乙二醇，更优选为mPEG5000-OH。

进一步地，所述共聚物为以下中的一种：

以上各分子式中的x和y独立的选自以下比例:x与y的摩尔比值为0.5～0.8：0.2～0.5，包括但不限于0.5：0.2，0.5：0.3，0.5：0.4，0.5：0.5，0.6：0.2，0.6：0.3，0.6：0.4，0.6：0.5，0.7：0.2，0.7：0.3，0.7：0.4，0.7：0.5，0.8：0.2，0.8：0.3，0.8：0.4，0.8：0.5等，其中优选为0.8：0.2。另外，需要注意的是，本文中分子式中的“r”代表random，表示该聚合物为无规共聚物。

本发明的第二方面提供了上述共聚物的制备方法，其包括：

使所述响应型双羟基单体、双羟基叔胺单体和双异氰酸酯单体于有机溶剂中进行聚合反应，然后用一端具有氨基或羟基的聚乙二醇进行封端反应。

有机溶剂指利于三个单体溶解，能利于反应进行的溶剂，包括但不限于二甲基甲酰胺(DMF)或二甲基亚砜(DMSO)，选溶剂为DMF。

本发明的第三方面提供了一种共聚物的修饰物，其为卤代烷与上文所述的共聚物中的叔胺基团发生烷基化反应而得。

如上文所述，该共聚物的修饰物在抗菌和体内降解方面显示出优异的性能。进一步地，所述卤代烷为单溴代或单碘代直链烷烃，碳数在1-18个之间，优选为溴丁烷、溴戊烷、溴己烷、溴庚烷、溴辛烷、溴壬烷、溴癸烷、1-溴十一烷或1-溴十二烷。

进一步地，共聚物的修饰物为以下中的一种：

以上各分子式中的x和y独立的选自以下比例:x与y的摩尔比值为0.5～0.8：0.2～0.5，优选为0.8：0.2。

本发明的第四方面提供了上文所述的共聚物的修饰物的制备方法，其特征在于，包括：使所述共聚物与卤代烷在有机溶剂中进行烷基化反应。

烷基化反应通常在有机溶剂中进行，例如二甲基甲酰胺(DMF)或二甲基亚砜(DMSO)。

本发明的第五方面提供了上文所述的共聚物的修饰物的抗菌用途，优选在环境消毒、伤口消毒与皮肤感染的治疗方面的应用。

在实际应用中，本发明对修饰物的使用方法和用量没有特别限制，例如在环境消毒、伤口消毒与皮肤感染等方面可以以溶液的形式使用，例如典型的纳米溶液，共聚物的修饰物能在细菌高谷胱甘肽与低pH值的微环境中降解。

综上，与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

(1)本发明提供的共聚物季胺化后的的修饰物抗菌效果较好，有抑制细菌生物膜形成的能力，且生物相容性好，对哺乳动物细胞的毒性低。

(2)本发明提供的共聚物季胺化后的修饰物具有细菌微环境敏感响应，在细菌生长部位完成抗菌功效后可降解，进一步降低对机体的毒性且对环境友好。

(3)本发明提供了相应的制备方法，工艺流程简单，原料成本低廉，产物稳定性高。

上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本申请的具体实施方式。

附图说明

通过阅读对下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在全部附图中，用相同的附图标号表示相同的部件。在附图中：

图1为实施例1式Ⅰ共聚物的¹H NMR；

图2为实施例2式Ⅱ共聚物的¹H NMR；

图3为实施例3式Ⅲ共聚物的¹H NMR；

图4为实施例4式Ⅳ共聚物的¹H NMR；

图5为实施例5式Ⅴ共聚物的¹H NMR；

图6为实施例6式Ⅵ共聚物的¹H NMR；

图7为实施例7式Ⅶ共聚物的¹H NMR；

图8为实施例3式Ⅲ共聚物制备的纳米粒的粒径图；

图9为实施例4式Ⅳ共聚物制备的纳米粒的粒径图。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本申请的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本申请的保护范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请；本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

在本申请实施例的描述中，术语“几个”、“多个”指的是两个以上(包括两个)。

实施例1式Ⅰ共聚物

称取单体1(0.7712g，5mmol)，单体8(0.5958g，5mmol)，单体15(1.6819g，10mmol)溶于10mL超干DMF，氮气保护，室温反应16h，再向反应体系中加入mPEG₅₀₀₀-OH(5g，1mmol)，氮气保护，50℃反应6h。将反应后的液体加入截留分子量为8000的透析袋透析24h，冻干得产物，即为式Ⅰ所示共聚物，其中x和y的比值为1：1。¹H NMR(300MHz，氘代DMSO)谱图如图1所示。

实施例2式Ⅱ共聚物

称取单体1(185.1mg，1.2mmol)，单体8(572mg，4.8mmol)，单体14(1.5g，6.6mmol)溶于10mL超干DMF，氮气保护，室温反应过夜，再向反应体系中加入mPEG₅₀₀₀-OH(6g，1.2mmol)，氮气保护，50℃反应8h。将反应后的液体加入截留分子量为8000的透析袋透析24h，冻干得产物，即为式Ⅱ所示共聚物，其中x和y的比值为4：1。¹H NMR(300MHz，氘代DMSO)谱图如图2所示。

实施例3式Ⅲ共聚物

称取单体1(154.2mg，1mmol)，单体10(596.9mg，2mmol)，单体14(746.6mg，3.3mmol)溶于5mL超干DMF，氮气保护，室温反应过夜，再向反应体系中加入mPEG5000-OH(6g，1.2mmol)，氮气保护，50℃反应12h。将反应后的液体加入截留分子量为8000的透析袋透析24h，冻干得产物，即为式Ⅲ所示共聚物，其中x和y的比值为2：1。¹H NMR(300MHz，氘代DMSO)谱图如图3所示。

实施例4式Ⅳ共聚物

称取式Ⅰ共聚物500mg溶于5mL超干DMF中，加入300μL溴己烷，氮气保护，50℃反应24h。反应结束后用截留分子量为12000的透析袋透析24h，冻干得产物，即为式Ⅳ所示共聚物。¹H NMR(300MHz，氘代DMSO)谱图如图4所示。

实施例5式Ⅴ共聚物

称取式Ⅰ共聚物500mg溶于5mL超干DMF中，加入400μL 1-溴十二烷，氮气保护，50℃反应24h。反应结束后用截留分子量为12000的透析袋透析24h，冻干得产物，即为式Ⅴ所示共聚物。¹HNMR(300MHz，氘代DMSO)谱图如图5所示。

实施例6式Ⅵ共聚物

称取式Ⅱ共聚物500mg溶于5mL超干DMF中，加入400μL溴己烷，氮气保护，50℃反应24h。反应结束后用截留分子量为12000的透析袋透析24h，冻干得产物，即为式Ⅵ所示共聚物。¹H NMR(300MHz，氘代DMSO)谱图如图6所示。

实施例7式Ⅶ共聚物

称取式Ⅱ共聚物500mg溶于5mL超干DMF中，加入500μL溴辛烷，氮气保护，50℃反应16h。反应结束后用截留分子量为12000的透析袋透析24h，冻干得产物，即为式Ⅶ所示共聚物。¹H NMR(300MHz，氘代DMSO)谱图如图7所示。

实施例8制备式Ⅲ共聚物的纳米粒

称取实施例3制备的式Ⅲ可降解共聚物30mg，用1mL DMSO溶解制备共聚物溶液。取10mL去离子水加入25mL小瓶内置于磁力搅拌器上，转速600转/min，用1ml滴管缓慢滴加共聚物溶液于小瓶中。滴加完毕后，用截留分子量为8000的透析袋透析4h，重复三次，透析液用220μm滤膜推滤，制备得到纳米胶束体系。使用动态光散射仪(DLS)测定其粒径，检测结果如图8所示，其平均粒径(zaverage)为129.1nm，聚合物分散指数(Polymer dispersityindex，PDI)为0.145。

实施例9制备式Ⅳ共聚物的纳米粒

称取实施例4制备的式Ⅳ可降解共聚物20mg，用1mL THF溶解制备共聚物溶液，在超声下迅速加入到含有10mL去离子水的小瓶中，再超声3min。混合液用截留分子量为8000的透析袋透析12h，透析液用220μm滤膜推滤，制备得到纳米胶束体系。使用动态光散射仪(DLS)测定其粒径，检测结果如图9所示，其平均粒径(zaverage)为265.5nm，聚合物分散指数(Polymer dispersity index，PDI)为0.195。

实施例10抗菌性能测试

测试实施例4式Ⅳ共聚物、例5式Ⅴ共聚物、例6式Ⅵ、例7式Ⅶ共聚物的抗菌性能。

将处于对数生长期的金黄色葡萄球菌(ATCC6538)或大肠杆菌(ATCC8099)在MH培养基中稀释至每毫升3×10⁵菌落形成单位(CFU)作为工作悬浮液。在MH培养基中，通过在96孔板中进行两次连续稀释，将制备的纳米溶液(利用实施例9的方法将实施例4式Ⅳ共聚物、例5式Ⅴ共聚物、例6式Ⅵ共聚物、例7式Ⅶ共聚物制得纳米粒溶液)稀释至所需浓度(12.5-500μg/mL)。然后，将等体积的细菌悬浮液(100μL)添加到每个孔中，在37℃下培养。18小时后，在酶标仪上记录600nm处的OD值。以不含细菌的MH培养基为空白，以含细菌悬浮液的MH培养基为阳性对照。细菌存活率的计算公式如下：

细菌存活率为0的孔中浓度最小的一个孔代表的浓度确立为最小抑菌浓度(MIC)。MIC测定后，将5μL无可见细菌生长的孔内混合液涂在LB琼脂平板上，该平板在37℃下培养。18小时后，通过目视观察细菌的活性，没有细菌生长的平板中，浓度最低的那个平板代表的浓度确立为最小杀菌浓度(MBC)。

实施例4式Ⅳ共聚物、例5式Ⅴ共聚物、例6式Ⅵ、例7式Ⅶ共聚物的抗菌性能如表1所示。

表1不同共聚物的抗菌性能

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本申请的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本申请并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (14)

1.一种共聚物，其特征在于，其由响应型双羟基单体、双羟基叔胺单体和双异氰酸酯单体聚合，且用一端具有氨基或羟基的聚乙二醇封端而得到；

所述响应型双羟基单体具有可响应还原条件或酸性条件发生断裂的化学键，两端有-OH基团；

所述双羟基叔胺单体含有一个或以上的叔胺基团，两端有-OH基团；

所述的双异氰酸酯单体在两端有异氰酸酯基团。

2.如权利要求1所述的共聚物，其特征在于，所述响应型双羟基单体和所述双羟基叔胺单体的摩尔数之和，与所述双异氰酸酯单体的摩尔数之比为1～1.2：1～1.2；所述响应型双羟基单体与所述双羟基叔胺单体的摩尔数之比为1：1～4。

3.如权利要求1所述的共聚物，其特征在于，所述发生断裂的化学键为二硫键、二硒键、缩醛中的一种或几种。

4.如权利要求1所述的共聚物，其特征在于，所述响应型双羟基单体选自以下化合物中的一种或几种：

5.如权利要求1所述的共聚物，其特征在于，所述双羟基叔胺单体选自以下化合物的一种或几种：

6.如权利要求1所述的共聚物，其特征在于，所述双异氰酸酯单体选自以下化合物中的一种或两种：

7.如权利要求1所述的共聚物，其特征在于，所述一端具有氨基或羟基的聚乙二醇为一端具有氨基或羟基，另一端具有甲基的聚乙二醇；优选为具有羟基的聚乙二醇，更优选为mPEG5000-OH。

8.如权利要求1所述的共聚物，其特征在于，所述共聚物为以下中的一种：

以上各分子式中的x和y独立的选自以下比例:x与y的摩尔比值为0.5～0.8：0.2～0.5，优选为0.8：0.2。

9.权利要求1-8任一项所述的共聚物的制备方法，其特征在于，包括：

使所述响应型双羟基单体、双羟基叔胺单体和双异氰酸酯单体于有机溶剂中进行聚合反应，然后用一端具有氨基或羟基的聚乙二醇进行封端反应。

10.一种共聚物的修饰物，其特征在于，其为卤代烷与权利要求1-8任一项所述的共聚物中的叔胺基团发生烷基化反应而得。

11.根据权利要求10所述的共聚物的修饰物，其特征在于，所述卤代烷为单溴代或单碘代直链烷烃，碳数在1-18个之间，优选为溴丁烷、溴戊烷、溴己烷、溴庚烷、溴辛烷、溴壬烷、溴癸烷、1-溴十一烷或1-溴十二烷。

12.根据权利要求10所述的共聚物的修饰物，其特征在于，其为以下中的一种：

以上各分子式中的x和y独立的选自以下比例:x与y的摩尔比值为0.5～0.8：0.2～0.5，优选为0.8：0.2。

13.权利要求10-12任一项所述的共聚物的修饰物的制备方法，其特征在于，包括：使所述共聚物与卤代烷在有机溶剂中进行烷基化反应。

14.权利要求10-12任一项所述的共聚物的修饰物的抗菌用途，优选在制备用于环境消毒、伤口消毒与皮肤感染的治疗的药剂方面的应用。

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