專利名稱：一種新型多用途陽離子聚合物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及新型陽離子聚合物的合成及其在工業(yè)領(lǐng)域和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng) 域的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
陽離子聚合物是一種帶正電的聚電解質(zhì)，在工業(yè)領(lǐng)域及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中有 著廣泛的應(yīng)用。在造紙工業(yè)中，陽離子聚合物可用作紙張?jiān)鰪?qiáng)劑、廢紙漿脫墨 劑。在建筑方面，可以和水泥砂漿、瀝青、纖維等混合用于道路路基粘結(jié)，增 加路基強(qiáng)度。在水處理中，陽離子聚合物可用作絮凝劑及絡(luò)合劑，除去廢水中 的負(fù)電有機(jī)物及有毒重金屬離子，也可以做成陽離子交換樹脂微球或薄膜用于去離子水的制備；另外水中存在的微生物會導(dǎo)致設(shè)備腐蝕，特別是在冷卻水系 統(tǒng)中，其環(huán)境很適于菌藻類微生物的生長，使在設(shè)備管道中產(chǎn)生沉積物形成污 垢，不僅降低了傳熱效率，而且造成垢下腐蝕，危害極大，在這種水系統(tǒng)中加 入一定量的陽離子聚合物可以破壞微生物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，阻止其新陳代謝，從而 達(dá)到殺菌抑制微生物生長繁殖的目的；陽離子聚合物還兼有粘泥剝離、浮選、 侵蝕和破乳等功能，可用于油田采油過程中的回注水處理中。在織物中添加陽 離子聚合物可以改善織物的性能和外觀，便于織物印染。在涂料中，陽離子聚 合物乳液比陰離子聚合物乳液具有更好的耐水性和機(jī)械性能。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng) 域，陽離子聚合物可以用作基因載體，保護(hù)外源基因免受核酸酶的降解，并促 進(jìn)基因進(jìn)入細(xì)胞及在細(xì)胞內(nèi)的轉(zhuǎn)移；運(yùn)用相同的機(jī)理，陽離子聚合物也可以作 為陰離子蛋白及大分子藥物的載體；將陽離子聚合物做成微球，或?qū)㈥栯x子聚 合物固定在微球表面，可以實(shí)現(xiàn)酶的固定及藥物的高通量篩選以及作為一種新的基因輸送方式即將DNA吸附在微球表面然后進(jìn)行轉(zhuǎn)染。在以上的各種應(yīng)用中尤其以生物醫(yī)療應(yīng)用如基因載體對陽離子聚合物的 要求最高。陽離子聚合物的分子量、分子形狀、電核密度、氨基的種類及布局、 親水性等都對它在這方面的應(yīng)用產(chǎn)生重要的影響。盡管有大量的陽離子聚合物 被合成出來進(jìn)行基因轉(zhuǎn)染方面的研究，但在結(jié)構(gòu)上仍存在著不同的缺陷，從而 造成較高的毒性或較低的效率。有效的基因轉(zhuǎn)染亟待于具有優(yōu)化結(jié)構(gòu)及特性的 陽離子聚合物的合成。發(fā)明內(nèi)容陽離子聚合物基因載體是實(shí)現(xiàn)臨床有效基因治療的希望之一，因?yàn)樗子诤铣杉案男?、無免疫原性、易于規(guī)?；a(chǎn)、能有效保護(hù)DNA免于核酸酶的降 解。迄今為止，有很多陽離子聚合物基因載體進(jìn)行了基因轉(zhuǎn)染方面的研究，從 類型上講包括可降解的及不可降解的；聚烯烴的、聚酯的、聚酰胺的、聚磷酸 酯的、聚碳酸酯的、聚氨酯的、聚脲的及聚磷腈的；天然的、天然改性的及合 成的。這多種多樣的陽離子聚合物中，在基因轉(zhuǎn)染方面其核心結(jié)構(gòu)單位是陽離 子單元。然而在陽離子聚合物的合成中主要被考慮的卻不是這一因素，而是其 它一些輔助因素。本課題組在陽離子聚合物基因載體的轉(zhuǎn)染機(jī)制及陽離子聚合 物基因載體的優(yōu)化結(jié)構(gòu)方面有深入的研究。本發(fā)明中所選用的陽離子單體就是 經(jīng)過眾多用之合成的陽離子聚合物的檢驗(yàn)證明為切實(shí)有效的單體，它不僅賦予 了較強(qiáng)的復(fù)合能力，而且賦予了內(nèi)涵體瓦解的能力，由此解決了基因轉(zhuǎn)染中一 個(gè)重要的細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)移步驟。用陽離子聚合物作為基因轉(zhuǎn)染載體，必需考慮兩個(gè) 方面的因素效率和毒性。效率低起不到治療效果，毒性高則在臨床使用中受 到限制。而且這兩個(gè)因素之間還存在更深入的關(guān)系，那就是毒性低不但是進(jìn)行 臨床應(yīng)用的條件，而且會促進(jìn)效率的提高。因?yàn)槎拘缘蜁r(shí)，有更多的活細(xì)胞可供轉(zhuǎn)染，這就意味著會有更多的細(xì)胞進(jìn)行治療性編碼產(chǎn)物的合成。陽離子聚合 物普遍具有細(xì)胞毒性，這一毒性的來源也是其陽離子特性，陽離子性越強(qiáng)，則 毒性越高。因此降低陽離子聚合物的毒性是研究陽離子聚合物基因載體中的一 個(gè)重要內(nèi)容。在這方面的研究中，已經(jīng)普遍認(rèn)同了兩個(gè)可行的方向，那就是進(jìn) 行親水改性及引進(jìn)可降解單元。引進(jìn)可降解單元在實(shí)際操作中面臨著一個(gè)降解 速率難于準(zhǔn)確調(diào)控的缺點(diǎn)，如果降解過慢，聚合物的毒性不會降低，如果降解過快，DNA得不到有效的保護(hù)。引進(jìn)親水改性基團(tuán)時(shí)也面臨著一個(gè)問題，即降 低DNA的保護(hù)能力，因?yàn)橛H水改性基團(tuán)的引進(jìn)屏蔽了陽離子聚合物的電荷，或 者說降低了陽離子聚合物的電核密度。即使是電荷密度最高的聚乙烯亞胺經(jīng)過 長鏈聚乙二醇的改性后，轉(zhuǎn)染效率也大大降低。本發(fā)明在優(yōu)選了陽離子單體的 基礎(chǔ)上，從親水改性降低毒性角度合成了一種新型的陽離子聚合物。本發(fā)明的 特點(diǎn)是，選擇了一個(gè)賦予聚合物復(fù)合特性及內(nèi)涵體破壞特性的陽離子單體，引 入了一個(gè)小的親水性基團(tuán)，從而合成了一個(gè)寬質(zhì)子化范圍、胺基結(jié)構(gòu)多樣、電荷密度適宜的陽離子聚合物。具體來講，該聚合物應(yīng)具有如下特性1)相對高的電荷密度，以便于聚合物具有較強(qiáng)的復(fù)合能力。陽離子特性是陽離子聚合 物在應(yīng)用中體現(xiàn)其作用的根本特性，高的電荷密度有利于聚合物與復(fù)合對象之間產(chǎn)生較強(qiáng)的結(jié)合，如與DNA形成微小的自組裝顆粒，有利于充分的保護(hù)DNA， 并促進(jìn)其在體內(nèi)及細(xì)胞內(nèi)的轉(zhuǎn)移。2)適當(dāng)?shù)挠H水性， 一方面增強(qiáng)復(fù)合物的穩(wěn) 定性及生物相容性，另一方面又不對聚合物本身的電荷產(chǎn)生嚴(yán)重的屏蔽作用。 也就是說，即親水，又保持了高的電核密度。3)寬的質(zhì)子化范圍，以便于使 得復(fù)合物具有酸性響應(yīng)的特性，這種特性對于陽離子聚合物作為基因載體很重 要，因?yàn)樗梢员苊釪NA被溶酶體破壞，即所謂的質(zhì)子海綿效應(yīng)。4)寬的氨 基輪廓，有利于擴(kuò)大聚合物的質(zhì)子化范圍。5)材料易得、合成方法簡便，便于大規(guī)模生產(chǎn)及應(yīng)用。本發(fā)明所要解決的問題之二是選擇或合成適合于合成具有問題之一中所 描述特性的陽離子聚合物的單體，即陽離子性單體、交聯(lián)單體和端鏈親水改性 單體。本發(fā)明所要解決的問題之三是研究具有問題之一中所描述特性的聚合物 采用問題之二中所選擇的單體的制備方法。本發(fā)明所要解決的問題之四是通過模型物質(zhì)研究本發(fā)明中所要請求保護(hù) 的陽離子聚合物的復(fù)合能力。


圖1為本發(fā)明的陽離子聚合物的合成步驟及結(jié)構(gòu)。陽離子單體中的各種氨 基都具有反應(yīng)活性，因此在反應(yīng)過程中有部分伯胺轉(zhuǎn)變?yōu)橹侔罚糠种侔纷優(yōu)?叔胺，部分叔胺變?yōu)榧句@，因此所合成的陽離子聚合物具有一級到四級氨基，并且具有無規(guī)超支化的形態(tài)。圖中的TBAB指的是四丁基溴化銨。圖2為本發(fā)明的陽離子聚合物的質(zhì)子化特性。陽離子聚合物的質(zhì)子化特性 用酸堿滴定的方法確定，陽離子聚合物先用鹽酸將所有的胺基轉(zhuǎn)變?yōu)樗募変@， 然后用氫氧化鈉溶液滴定并測量溶液pH值的變化，由圖中可見本發(fā)明中的陽 離子聚合物不但在pH7. 4 — 11. 0之間可以質(zhì)子化，在pH5. 0 — 7. 4之間也可以 質(zhì)子化，說明本發(fā)明中的陽離子聚合物不但具有生理?xiàng)l件下的復(fù)合能力，而且 復(fù)合物可以在酸性環(huán)境中顯示出繼續(xù)質(zhì)子化，因此具有質(zhì)子海綿效應(yīng)。圖3為本發(fā)明的陽離子聚合物與模型陰離子聚合物的復(fù)合物顆粒的粒徑。 可見本發(fā)明中的陽離子聚合物具有較強(qiáng)的復(fù)合能力，與模型聚合物可以形成不 超過300nm的復(fù)合物顆粒。本發(fā)明中驗(yàn)證復(fù)合能力的模型聚合物是聚丙烯酸。圖中的e是本發(fā)明中的陽離子聚合物與模型陰離子聚合物的質(zhì)量比。圖4為本發(fā)明的陽離子聚合物與模型陰離子聚合物的復(fù)合物懸浮液的穩(wěn) 定性研究。研究復(fù)合物的水穩(wěn)定性采用的分光光度法，因?yàn)槿绻麖?fù)合物顆粒不 穩(wěn)定就會團(tuán)聚沉淀，因此上清液的吸光度將會降低。但從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，本發(fā)明中的陽離子聚合物與模型陰離子聚合物的復(fù)合物的懸浮液的吸光度在7天之內(nèi)幾乎沒有明顯的變化，說明本發(fā)明中的陽離子聚合物的親水性較好。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例一 本發(fā)明中親水性單體縮水甘油乙醚的合成方法1. lO.OmL無水乙醇，27. 0mL干燥的環(huán)氧氯丙烷，0.8g四丁基溴化銨加 入到帶有回流冷凝管及電磁攪拌或機(jī)械攪拌的燒瓶中，升溫到4CTC;2. 分五次每次以等質(zhì)量份數(shù)添加共6. 9g氫氧化鈉，每次之間的間隔以反 應(yīng)變溫和，沒有沸騰跡象為宜；3. 全部添加完后，并且最后一次添加后反應(yīng)變溫和時(shí)，升高溫度至60°C， 反應(yīng)6h;4. 冷卻后過濾反應(yīng)混合物，減壓分餾。 實(shí)施例二本發(fā)明中的新型陽離子聚合物的合成方法1. 20.0mL干燥的氯仿，5.00g干燥的四乙烯五胺，2.45g干燥的環(huán)氧氯 丙烷，1.5g縮水甘油乙醚加入到帶有回流冷凝管及電磁攪拌或機(jī)械攪拌的燒 瓶中，升溫到6(TC，反應(yīng)24h;2. 加入20mL無水乙醇，升高溫度至90。C，分出氯仿；3. 反應(yīng)維持在90"C進(jìn)行24h;4. 濃縮體系至10mL，反應(yīng)混合物倒入燒杯中，在劇烈攪拌的條件下添加20mL乙醚，沉淀聚合物，聚合物再用乙醚洗滌三次，每次洗滌的過程中，攪 動5min后密閉浸泡30min。真空IO(TC干燥24h?？傊景l(fā)明中的陽離子聚合物對各種陰離子聚合物及金屬離子具有較強(qiáng)的 復(fù)合能力，具有瓦解內(nèi)涵體的能力，如果將之配成溶液可用于轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品開發(fā) 及基因治療，如果將之做成微球、或吸附、包埋、固載于各種微球表面，則不 僅可用于基因轉(zhuǎn)染，還可以用于含重金屬離子廢水處理及濕法冶金。另外，如 果將本發(fā)明中的陽離子聚合物做成聚電解質(zhì)復(fù)合膜，則可用于光、電、催化、 藥物控釋等多種用途。
權(quán)利要求
1.一種具有高電荷密度、寬質(zhì)子化范圍以及具有良好親水性的新型超支化陽離子聚合物，其特征在于它是由分子量在580以下含乙撐二胺結(jié)構(gòu)單元的齊聚物與環(huán)氧氯丙烷交聯(lián)劑和分子量在500以下的親水改性單體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而形成的超支化聚合物。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超支化陽離子聚合物，其特征在于環(huán)氧氯丙烷交聯(lián)劑結(jié)構(gòu)單元的 質(zhì)量含量為0.5-50 wt%。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超支化陽離子聚合物，其特征在于親水改性單體為一元醇的縮水 甘油醚、環(huán)氧一元醇或環(huán)氧多元醇，其中一元醇為從甲醇到葵醇之間的直鏈一元醇或支 鏈一元醇，多元醇為分子量小于500的直鏈或支鏈的二元醇或三元醇。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超支化陽離子聚合物，其特征在于親水改性單體結(jié)構(gòu)單元的質(zhì) 量含量為0.5-50 wt%。
5. 據(jù)權(quán)利要求l所述的，其特征在于所得超支化聚合物的特性粘度為0.02-2.0。
6. —種制備如權(quán)利要求l-5所述超支化陽離子聚合物的方法，其特征在于首先將各種單體 一起混合于合適的非質(zhì)子溶劑中，非質(zhì)子溶劑為二氯甲垸、三氯甲垸或四氯化碳，在 40—60。C反應(yīng)10—40h;蒸出非質(zhì)子溶劑，然后加入醇類溶劑如乙醇，升高溫度至80 一110'C，反應(yīng)繼續(xù)在該溫度范圍內(nèi)進(jìn)行24—48h;或在加醇類溶劑之前不蒸出非質(zhì)子 溶劑，而是在加入醇類溶劑后通過升高溫度，邊反應(yīng)邊分出非質(zhì)子溶劑；最后濃縮反應(yīng) 液，在良好攪拌的條件下加入乙醚以沉淀聚合物，聚合物用乙醚在攪拌條件下洗滌三次， 于50—10(TC真空條件下干燥。
7. —種如權(quán)利要求l-5所述的超支化陽離子聚合物的應(yīng)用形式，其特征在于可以直接將該 陽離子聚合物配成水溶液使用，也可以先將該陽離子聚合物通過共價(jià)鍵或離子鍵固定于 電中性或負(fù)電性微球表面，使用該陽離子微球的懸液。
8. —種如權(quán)利要求7所述的超支化陽離子聚合物的應(yīng)用形式，其特征在于超支化陽離子聚合物具體應(yīng)用本范圍為基因轉(zhuǎn)染、蛋白藥物輸送、酶固定化、含重金屬離子廢水處理、 重金屬離子回收、聚電解質(zhì)復(fù)合膜制備。
全文摘要
本發(fā)明是一種新型多用途陽離子聚合物，本發(fā)明的特點(diǎn)是，選擇了一個(gè)賦予聚合物復(fù)合特性及內(nèi)涵體破壞特性的陽離子單體，引入了一個(gè)小的親水性基團(tuán)，從而合成了一個(gè)寬質(zhì)子化范圍、胺基結(jié)構(gòu)多樣、電荷密度適宜的陽離子聚合物。本發(fā)明中的陽離子聚合物對各種陰離子聚合物及金屬離子具有較強(qiáng)的復(fù)合能力，具有瓦解內(nèi)涵體的能力，如果將之配成溶液可用于轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品開發(fā)及基因治療。
文檔編號C12N11/00GK101402738SQ20081014452
公開日2009年4月8日 申請日期2008年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月23日
發(fā)明者吳傳保, 鄧先模, 郝建原 申請人:中國科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)有限公司