一种用于表面生物功能化的双亲性聚合物及其制备方法和用途转让专利
申请号 : CN201910834077.1
文献号 : CN112442179B
文献日 : 2021-07-23
发明人 : 喻盈捷 , 杨雷 , 王宇舒 , 游长江 , 李泽浩 , 聂国辉
申请人 : 深圳市第二人民医院
摘要 :
权利要求 :
1.一种双亲性聚合物,其中,所述聚合物由如下原料制备得到:
1 1 2 2
侧链具有反应性基团Y 和X的聚合物、化合物R‑X 、一端具有反应性基团Y 另一端具有
2 2
生物功能性基团的聚乙二醇、和/或一端具有反应性基团Y 另一端具有反应惰性基团R的聚乙二醇;
1 2
其中,Y与Y能够发生反应,使连有生物功能性基团的聚乙二醇、和/或连有反应惰性基
2 1 2
团R的聚乙二醇连接到聚合物的侧链上;X与X发生反应,使R基团连接到聚合物的侧链上;
R是疏水基团;
所述生物功能性基团为能够与蛋白质、多肽、氨基酸序列、DNA、RNA结合的结合子。
2.根据权利要求1所述的双亲性聚合物,其中,所述双亲性聚合物通过一锅法进行制备,所述方法包括:
1 1 2 2
将侧链具有反应性基团Y和X的聚合物与化合物R‑X、一端具有反应性基团Y 另一端具
2 2
有生物功能性基团的聚乙二醇、和/或一端具有反应性基团Y 另一端具有反应惰性基团R的聚乙二醇进行反应,制备得到所述双亲性聚合物。
3.根据权利要求1所述的双亲性聚合物,其中,所述双亲性聚合物可以通过两步法进行制备,所述方法包括:
1 1 2
将侧链具有反应性基团Y 和X的聚合物与化合物R‑X ,进行反应,再将上述产物与一端
2 2
具有反应性基团Y另一端具有生物功能性基团的聚乙二醇、和/或一端具有反应性基团Y另2
一端具有反应惰性基团R的聚乙二醇进行反应,制备得到所述双亲性聚合物;
1 1 2
或者,将侧链具有反应性基团Y 和X的聚合物与一端具有反应性基团Y 另一端具有生
2 2
物功能性基团的聚乙二醇、和/或一端具有反应性基团Y 另一端具有反应惰性基团R的聚乙2
二醇进行反应,再将上述产物与化合物R‑X进行反应,制备得到所述双亲性聚合物。
2
4.根据权利要求1‑3任一项所述的双亲性聚合物,其中,所述一端具有反应性基团Y 另一端具有生物功能性基团的聚乙二醇通过如下方法制备得到:
2 1
将一端具有反应性基团Y另一端具有反应性基团Z的聚乙二醇与一端具有反应性基团
2 2
Z另一端具有生物功能性基团的物质进行反应,制备得到所述一端具有反应性基团Y 另一
1 2
端具有生物功能性基团的聚乙二醇;其中,Z与Z 发生反应,使聚乙二醇与生物功能性基团相连。
5.根据权利要求1所述的双亲性聚合物,其中,所述结合子包括:通过螯合金属离子与寡聚组氨酸链结合的次氮基三乙酸及其衍生物;与亲和素结合的生物素;与HaloTag蛋白结合的连接子;与SNAP蛋白连接的连接子;与CLIP蛋白连接的连接子;
所述结合子还包括:DNA链段、RNA链段以及能与蛋白质结合的氨基酸序列;所述DNA、RNA链段为能够与待检测生物分子互补的核苷酸或脱氧核苷酸序列,或者,所述DNA和RNA链段为能与蛋白质结合的核酸适配体序列。
6.根据权利要求5所述的双亲性聚合物,其中,所述次氮基三乙酸及其衍生物为二次氮基三乙酸、三次氮基三乙酸、四次氮基三乙酸或亚氨基二乙酸及其衍生物;所述与HaloTag蛋白结合的连接子为6‑氯代正己烷;所述与SNAP蛋白连接的连接子为苄基鸟嘌呤;所述与CLIP蛋白连接的连接子为苄基胞嘧啶;
所述能与蛋白质结合的氨基酸序列为能与抗体结合的流感病毒血凝素HA氨基酸序列、FLAG氨基酸序列。
1 2 1 2
7.根据权利要求1‑3任一项所述的双亲性聚合物,其中,所述反应性基团X 、X 、Y 、Y 、
1 2
Z、Z选自羟基、氨基、羧基、醛基、酮基、酯基、巯基、马来酰亚胺、α‑卤代羰基、炔基、烯基、叠
1 2 1 2 1 2
氮基、四嗪基中的至少一种;其中,反应性基团X与X 、Y与Y 、Z与Z互为反应性基团,可以发生反应。
8.根据权利要求1‑3任一项所述的双亲性聚合物,其中,所述聚乙二醇为链状聚乙二醇,重复单元数为1‑600之间的整数。
2
9.根据权利要求1‑3任一项所述的双亲性聚合物,其中,所述反应惰性基团R为C1‑6烷氧基。
10.根据权利要求1‑3任一项所述的双亲性聚合物,其中,所述疏水基团R为C4‑25烷基、C4‑25烯基、C4‑25炔基、C6‑36芳基。
1 1
11.根据权利要求1‑3任一项所述的双亲性聚合物,其中,所述具有反应性基团Y 和X的聚合物具有主链和侧链,所述主链包括碳原子和至少一种杂原子,所述杂原子为氧、氮、硫
1 1
或硅;所述侧链包括反应性基团Y和X。
1 1
12.根据权利要求11所述的双亲性聚合物,其中,所述具有反应性基团Y 和X 的聚合物
1 1
为:具有反应性基团Y和X的聚醚、聚酯、聚酰胺、聚氨酯、聚硫橡胶、聚硅橡胶‑聚酰胺、聚乙烯亚胺、聚氨基酸。
13.根据权利要求12所述的双亲性聚合物,其中,所述聚氨基酸为多聚左旋赖氨酸或多聚右旋赖氨酸。
1 1
14.根据权利要求1‑3任一项所述的双亲性聚合物,其中,所述具有反应性基团Y 和X的聚合物的主链重复单元数为2‑2000之间的整数。
15.根据权利要求1‑3任一项所述的双亲性聚合物,其中,所述双亲性聚合物的侧链包括如下四类侧链:
1 1
1)含有未发生反应的反应性基团Y和X的侧链,即为侧链1,
2)含有基团R的侧链,即为侧链2,
3)含有一端为生物功能性基团的聚乙二醇(‑聚乙二醇‑生物功能性基团)的侧链,侧链
3,
2 2
4)含有一端为反应惰性基团R的聚乙二醇(‑聚乙二醇‑R)的侧链,即为侧链4。
16.根据权利要求15所述的双亲性聚合物,其中,所述双亲性聚合物中,侧链3占侧链3和侧链4总量的摩尔百分比为0.1%‑100%。
17.根据权利要求16所述的双亲性聚合物,其中,所述双亲性聚合物中,侧链3占侧链3和侧链4总量的摩尔百分比为1%‑100%。
18.根据权利要求17所述的双亲性聚合物,其中,所述双亲性聚合物中,侧链3占侧链3和侧链4总量的摩尔百分比为10%‑100%。
19.根据权利要求15所述的双亲性聚合物,其中,所述双亲性聚合物中,侧链3和侧链4的总量占全部侧链总量的摩尔百分比为2%‑98%。
20.根据权利要求19所述的双亲性聚合物,其中,所述双亲性聚合物中,侧链3和侧链4的总量占全部侧链总量的摩尔百分比为5%‑90%。
21.根据权利要求20所述的双亲性聚合物,其中,所述双亲性聚合物中,侧链3和侧链4的总量占全部侧链总量的摩尔百分比为10%‑80%。
22.根据权利要求15所述的双亲性聚合物,其中,所述双亲性聚合物中,侧链2占全部侧链总量的摩尔百分比为2%‑98%。
23.根据权利要求22所述的双亲性聚合物,其中,所述双亲性聚合物中,侧链2占全部侧链总量的摩尔百分比为5%‑90%。
24.根据权利要求23所述的双亲性聚合物,其中,所述双亲性聚合物中,侧链2占全部侧链总量的摩尔百分比为10%‑80%。
25.根据权利要求15所述的双亲性聚合物,其中,所述双亲性聚合物中,侧链2、侧链3和侧链4的总量占全部侧链总量的摩尔百分比为5%‑100%。
26.根据权利要求25所述的双亲性聚合物,其中,所述双亲性聚合物中,侧链2、侧链3和侧链4的总量占全部侧链总量的摩尔百分比为20%‑100%。
27.根据权利要求26所述的双亲性聚合物,其中,所述双亲性聚合物中,侧链2、侧链3和侧链4的总量占全部侧链总量的摩尔百分比为40%‑100%。
28.一种权利要求1所述的双亲性聚合物的制备方法,其中,所述方法包括如下步骤:
1 1 2 2
将侧链具有反应性基团Y和X的聚合物、与化合物R‑X、一端具有反应性基团Y 另一端
2 2
具有生物功能性基团的聚乙二醇、和/或一端具有反应性基团Y 另一端具有反应惰性基团R
1 2
的聚乙二醇进行反应;其中,Y与Y能够发生反应,使连有生物功能性基团聚乙二醇、和/或
2 1 2
的连有反应惰性基团R的聚乙二醇连接到聚合物的侧链上;X 与X发生反应,使R基团连接到聚合物的侧链上。
29.根据权利要求28所述的双亲性聚合物的制备方法,其中,所述双亲性聚合物通过一锅法进行制备,所述方法包括:
1 1 2 2
将侧链具有反应性基团Y和X的聚合物与化合物R‑X、一端具有反应性基团Y 另一端具
2 2
有生物功能性基团的聚乙二醇、和/或一端具有反应性基团Y 另一端具有反应惰性基团R的聚乙二醇进行反应,制备得到所述双亲性聚合物。
30.根据权利要求28所述的双亲性聚合物的制备方法,其中,所述双亲性聚合物可以通过两步法进行制备,所述方法包括:
1 1 2
将侧链具有反应性基团Y 和X的聚合物与化合物R‑X ,进行反应,再将上述产物与一端
2 2
具有反应性基团Y另一端具有生物功能性基团的聚乙二醇、和/或一端具有反应性基团Y另2
一端具有反应惰性基团R的聚乙二醇进行反应,制备得到所述双亲性聚合物;
1 1 2
或者,将侧链具有反应性基团Y 和X的聚合物与一端具有反应性基团Y 另一端具有生
2 2
物功能性基团的聚乙二醇、和/或一端具有反应性基团Y 另一端具有反应惰性基团R的聚乙2
二醇进行反应,再将上述产物与化合物R‑X进行反应,制备得到所述双亲性聚合物。
31.根据权利要求28‑30任一项所述的双亲性聚合物的制备方法,其中,所述一端具有2
反应性基团Y另一端具有生物功能性基团的聚乙二醇通过如下方法制备得到:
2 1
将一端具有反应性基团Y另一端具有反应性基团Z的聚乙二醇与一端具有反应性基团
2 2
Z另一端具有生物功能性基团的物质进行反应,制备得到所述一端具有反应性基团Y 另一
1 2
端具有生物功能性基团的聚乙二醇;其中,Z与Z 发生反应,使聚乙二醇与生物功能性基团相连。
32.根据权利要求28所述的双亲性聚合物的制备方法,其中,所述结合子包括:通过螯合金属离子与寡聚组氨酸链结合的次氮基三乙酸及其衍生物;与亲和素结合的生物素;与HaloTag蛋白结合的连接子;与SNAP蛋白连接的连接子;与CLIP蛋白连接的连接子;
所述结合子还包括:DNA链段、RNA链段以及能与蛋白质结合的氨基酸序列;所述DNA、RNA链段为能够与待检测生物分子互补的核苷酸或脱氧核苷酸序列,或者,所述DNA和RNA链段为能与蛋白质结合的核酸适配体序列。
33.根据权利要求32所述的双亲性聚合物的制备方法,其中,所述次氮基三乙酸及其衍生物为二次氮基三乙酸、三次氮基三乙酸、四次氮基三乙酸或亚氨基二乙酸及其衍生物;所述与HaloTag蛋白结合的连接子为6‑氯代正己烷;所述与SNAP蛋白连接的连接子为苄基鸟嘌呤;所述与CLIP蛋白连接的连接子为苄基胞嘧啶;
所述能与蛋白质结合的氨基酸序列为能与抗体结合的流感病毒血凝素HA氨基酸序列、FLAG氨基酸序列。
34.根据权利要求28‑30任一项所述的双亲性聚合物的制备方法,其中,所述反应性基
1 2 1 2 1 2
团X 、X 、Y 、Y、Z、Z 选自羟基、氨基、羧基、醛基、酮基、酯基、巯基、马来酰亚胺、α‑卤代羰
1 2 1 2 1 2
基、炔基、烯基、叠氮基、四嗪基中的至少一种;其中,反应性基团X 与X、Y 与Y 、Z与Z互为反应性基团,可以发生反应。
35.根据权利要求28‑30任一项所述的双亲性聚合物的制备方法,其中,所述聚乙二醇为链状聚乙二醇,重复单元数为1‑600之间的整数。
36.根据权利要求28‑30任一项所述的双亲性聚合物的制备方法,其中,所述反应惰性2
基团R为C1‑6烷氧基。
37.根据权利要求28‑30任一项所述的双亲性聚合物的制备方法,其中,所述疏水基团R为C4‑25烷基、C4‑25烯基、C4‑25炔基、C6‑36芳基。
38.根据权利要求28‑30任一项所述的双亲性聚合物的制备方法,其中,所述具有反应
1 1
性基团Y和X的聚合物具有主链和侧链,所述主链包括碳原子和至少一种杂原子,所述杂原
1 1
子为氧、氮、硫或硅;所述侧链包括反应性基团Y和X。
1
39.根据权利要求38所述的双亲性聚合物的制备方法,其中,所述具有反应性基团Y 和
1 1 1
X的聚合物为:具有反应性基团Y和X的聚醚、聚酯、聚酰胺、聚氨酯、聚硫橡胶、聚硅橡胶‑聚酰胺、聚乙烯亚胺、聚氨基酸。
40.根据权利要求39所述的双亲性聚合物的制备方法,其中,所述聚氨基酸为多聚左旋赖氨酸或多聚右旋赖氨酸。
41.根据权利要求28‑30任一项所述的双亲性聚合物的制备方法,其中,所述具有反应
1 1
性基团Y和X的聚合物的主链重复单元数为2‑2000之间的整数。
42.根据权利要求28‑30任一项所述的双亲性聚合物的制备方法,其中,所述双亲性聚合物的侧链包括如下四类侧链:
1 1
1)含有未发生反应的反应性基团Y和X的侧链,即为侧链1,
2)含有基团R的侧链,即为侧链2,
3)含有一端为生物功能性基团的聚乙二醇(‑聚乙二醇‑生物功能性基团)的侧链,侧链
3,
2 2
4)含有一端为反应惰性基团R的聚乙二醇(‑聚乙二醇‑R)的侧链,即为侧链4。
43.根据权利要求42所述的双亲性聚合物的制备方法,其中,所述双亲性聚合物中,侧链3占侧链3和侧链4总量的摩尔百分比为0.1%‑100%。
44.根据权利要求43所述的双亲性聚合物的制备方法,其中,所述双亲性聚合物中,侧链3占侧链3和侧链4总量的摩尔百分比为1%‑100%。
45.根据权利要求44所述的双亲性聚合物的制备方法,其中,所述双亲性聚合物中,侧链3占侧链3和侧链4总量的摩尔百分比为10%‑100%。
46.根据权利要求42所述的双亲性聚合物,其中,所述双亲性聚合物中,侧链3和侧链4的总量占全部侧链总量的摩尔百分比为2%‑98%。
47.根据权利要求46所述的双亲性聚合物的制备方法,其中,所述双亲性聚合物中,侧链3和侧链4的总量占全部侧链总量的摩尔百分比为5%‑90%。
48.根据权利要求47所述的双亲性聚合物的制备方法,其中,所述双亲性聚合物中,侧链3和侧链4的总量占全部侧链总量的摩尔百分比为10%‑80%。
49.根据权利要求42所述的双亲性聚合物的制备方法,其中,所述双亲性聚合物中,侧链2占全部侧链总量的摩尔百分比为2%‑98%。
50.根据权利要求49所述的双亲性聚合物的制备方法,其中,所述双亲性聚合物中,侧链2占全部侧链总量的摩尔百分比为5%‑90%。
51.根据权利要求50所述的双亲性聚合物的制备方法,其中,所述双亲性聚合物中,侧链2占全部侧链总量的摩尔百分比为10%‑80%。
52.根据权利要求42所述的双亲性聚合物的制备方法,其中,所述双亲性聚合物中,侧链2、侧链3和侧链4的总量占全部侧链总量的摩尔百分比为5%‑100%。
53.根据权利要求52所述的双亲性聚合物的制备方法,其中,所述双亲性聚合物中,侧链2、侧链3和侧链4的总量占全部侧链总量的摩尔百分比为20%‑100%。
54.根据权利要求53所述的双亲性聚合物的制备方法,其中,所述双亲性聚合物中,侧链2、侧链3和侧链4的总量占全部侧链总量的摩尔百分比为40%‑100%。
55.一种权利要求1所述的双亲性聚合物,其中,所述聚合物的结构如式I所示:式I
所述聚合物含有主链和侧链,所述主链含有碳原子和至少一种杂原子,所述侧链中至少部分侧链分别含有A基团、B基团和/或D基团;
所述A基团为‑X‑R,其中X为连接基团,R为疏水基团;
1 2 1 1 2 2
所述B基团为‑Y‑L‑PEG‑L ‑Z‑R ,所述D基团为‑Y‑L ‑PEG‑L‑R ,其中,Y为连接基团,
1 1 2 2
PEG为聚乙二醇链段,R 为生物功能性基团,L 、L为直键或间隔基团,R 为反应惰性基团,Z为连接基团或不存在,所述生物功能性基团为能够与蛋白质、多肽、氨基酸序列、DNA、RNA结合的结合子。
56.根据权利要求55所述的双亲性聚合物,其中,所述X、Y为如下基团:
3 4
‑CO‑NH‑、‑O‑、‑CO‑O‑、‑S‑S‑、‑RRC=N‑、 、 、叠氮基与炔基发生点击反应得到的连接基团、四嗪与双键发生点击反应得到的连接基团中的任意一种,上述基团的顺序可颠倒;
3 4
其中,R、R彼此独立地选自H、C1‑6烷基。
57.根据权利要求55所述的双亲性聚合物,其中,所述聚乙二醇的重复单元数为1‑600之间的整数。
58.根据权利要求55所述的双亲性聚合物,其中,所述结合子包括:通过螯合金属离子与寡聚组氨酸链结合的次氮基三乙酸及其衍生物;与亲和素结合的生物素;与HaloTag蛋白结合的连接子;与SNAP蛋白连接的连接子;与CLIP蛋白连接的连接子;
所述结合子还包括:DNA链段、RNA链段以及能与蛋白质结合的氨基酸序列;所述DNA、RNA链段为能够与待检测生物分子互补的核苷酸或脱氧核苷酸序列,或者,所述DNA和RNA链段为能与蛋白质结合的核酸适配体序列。
59.根据权利要求55所述的双亲性聚合物,其中,所述次氮基三乙酸及其衍生物为二次氮基三乙酸、三次氮基三乙酸、四次氮基三乙酸或亚氨基二乙酸及其衍生物;所述与HaloTag蛋白结合的连接子为6‑氯代正己烷;所述与SNAP蛋白连接的连接子为苄基鸟嘌呤;
所述与CLIP蛋白连接的连接子为苄基胞嘧啶;
所述能与蛋白质结合的氨基酸序列为能与抗体结合的流感病毒血凝素HA氨基酸序列、FLAG氨基酸序列。
1 2 2 1
60.根据权利要求55所述的双亲性聚合物,其中,L、L为直键或可以将反应基团Y 、X 引入聚乙二醇链段的间隔基团。
2
61.根据权利要求55所述的双亲性聚合物,其中,所述R为C1‑6烷氧基。
62.根据权利要求55所述的双亲性聚合物,其中,所述R为C4‑25烷基、C4‑25烯基、C4‑25炔基,C6‑36芳基。
63.根据权利要求55所述的双亲性聚合物,其中,所述聚合物的主链中除碳原子外,还含有氧、氮、硫、硅至少一种杂原子;所述主链结构中包括聚醚主链、聚酯主链、聚酰胺主链、聚氨酯主链、聚硫橡胶主链、聚硅橡胶‑聚酰胺主链、聚乙烯亚胺主链、聚氨基酸主链结构的至少一种。
64.根据权利要求63所述的双亲性聚合物,其中,所述聚氨基酸为多聚左旋赖氨酸,以及人工合成的多聚右旋赖氨酸。
65.根据权利要求55所述的双亲性聚合物,其中,所述聚合物中,含有B基团的侧链占含有B基团和D基团的侧链总量的摩尔百分比为0.1%‑100%。
66.根据权利要求65所述的双亲性聚合物,其中,所述聚合物中,含有B基团的侧链占含有B基团和D基团的侧链总量的摩尔百分比为1%‑100%。
67.根据权利要求66所述的双亲性聚合物,其中,所述聚合物中,含有B基团的侧链占含有B基团和D基团的侧链总量的摩尔百分比为10%‑100%。
68.根据权利要求55所述的双亲性聚合物,其中,所述聚合物中,含有B基团和/或D基团的侧链数占侧链总量的百分比为2%‑98%。
69.根据权利要求68所述的双亲性聚合物,其中,所述聚合物中,含有B基团和/或D基团的侧链数占侧链总量的百分比为5%‑90%。
70.根据权利要求69所述的双亲性聚合物,其中,所述聚合物中,含有B基团和/或D基团的侧链数占侧链总量的百分比为10%‑80%。
71.根据权利要求55所述的双亲性聚合物,其中,所述聚合物中,含有A基团的侧链数占全部侧链总量的百分比为2%‑98%。
72.根据权利要求71所述的双亲性聚合物,其中,所述聚合物中,含有A基团的侧链数占全部侧链总量的百分比为5%‑90%。
73.根据权利要求72所述的双亲性聚合物,其中,所述聚合物中,含有A基团的侧链数占全部侧链总量的百分比为10%‑80%。
74.根据权利要求55所述的双亲性聚合物,其中,所述聚合物中,含有A基团的侧链数与含有B基团和/或D基团的侧链数之和占全部侧链总量的百分比为5%‑100%。
75.根据权利要求74所述的双亲性聚合物,其中,所述聚合物中,含有A基团的侧链数与含有B基团和/或D基团的侧链数之和占全部侧链总量的百分比为20%‑100%。
76.根据权利要求75所述的双亲性聚合物,其中,所述聚合物中,含有A基团的侧链数与含有B基团和/或D基团的侧链数之和占全部侧链总量的百分比为40%‑100%。
77.权利要求1‑27、55‑76中任一项所述的双亲性聚合物的用途,其用于对表面疏水性基材进行改性和生物功能化处理。
78.一种对表面疏水性基材进行改性处理的方法,所述方法包括如下步骤:将待处理的表面疏水性基材与权利要求1‑27、55‑76中任一项所述的双亲性聚合物接触,实现对表面疏水性基材的改性处理。
79.根据权利要求78所述的方法,其中,所述接触是将待处理的表面疏水性基材与上述的双亲性聚合物的分散液接触;所述分散液是改性聚合物的水溶液、有机溶液或有机溶剂和水形成的混合溶液。
80.根据权利要求79所述的方法,其中,所述双亲性聚合物的水溶液、有机溶液或有机溶剂和水形成的混合溶液中双亲性聚合物的浓度为小于1000g/L。
81.权利要求78‑80任一项所述的对表面疏水性基材进行改性处理得到的制品。
82.根据权利要求81所述的制品,其中,所述表面疏水性基材包括可生物降解材料和非降解材料,所述可生物降解材料包括聚乳酸、聚酯、聚己内酯、聚乳酸‑聚酯共聚物、聚乳酸‑聚己内酯共聚物;
所述非生物降解材料包括烯类和二烯类聚合物、聚苯乙烯、聚卤代乙烯、聚偏四氟乙烯、聚醚、聚酯、聚酰胺、聚氨酯、聚硫橡胶、聚硅橡胶和硅烷基聚合物。
83.根据权利要求81所述的制品,其中,所述表面疏水性基材通过对亲水性基材的表面改性获得。
说明书 :
一种用于表面生物功能化的双亲性聚合物及其制备方法和
用途
技术领域
背景技术
二维和三维生物医学材料已用于再生医学组织工程,形成了巨大的医疗技术市场。生物医
学材料在各方面的应用对其生物相容性(biocompatibility,即保持生物分子的活性和低
的细胞毒性)和生物功能化(biofunctionality)提出了多样化的要求。生物功能化是在生
物相容性基材上固载具有生理活性的功能单元,使材料具有生物功能性。这些功能单元包
括有机小分子化合物、糖类分子、核糖核酸或脱氧核糖核酸、以及蛋白质等。其中,蛋白质是
生命活动的中心物质,是生物医学材料生物功能化的重点。蛋白质极不均匀的微观性质(包
括局部正负电荷特性、亲疏水性、成氢键性能等),使其易被各种固相基底材料(如玻璃、金
属、金属氧化物、半导体、塑料等)非特异性吸附。当材料与生物体系接触时,蛋白质自发吸
附于材料表面形成蛋白冠,引起蛋白质三级结构坍塌,使蛋白质功能失活。当蛋白质吸附于
纳米材料时,引起其表面性质的改变,使纳米材料如纳米颗粒在组织器官中聚集,产生生物
毒性。因此,生物医学材料迫切需要解决蛋白质在基材上非特异性吸附失活的问题。
出多样化的生物功能性材料。
磺酸酯(分子量5‑30kDa)共价连接到基材表面。具体方式有N‑羟基琥珀酰亚胺(NHS)、1‑乙
基‑3‑[3‑二甲基氨基丙基]碳化二亚胺盐酸化物(EDC)或异氰酸酯(NCO)偶联反应、炔基‑叠
氮化物“点击化学”偶联、巯基‑马来酰亚胺偶联、光致巯基‑烯烃偶联以及蛋白质与等离子
活化表面的偶联,也可以对基材表面原位进行聚合反应修饰,其他还包括基于贻贝粘附蛋
白的多巴胺修饰、和使用高分子覆盖等方式。对于疏水性的基底材料,常用人工高分子(如
F‑127)和天然生物大分子如白蛋白对表面进行覆盖的方式进行生物相容性改
造。 F‑127代表了一类聚环氧乙烷‑聚环氧丙烷‑聚环氧乙烷(PEO‑PPO‑PEO)三嵌
段聚合物材料,其中聚环氧丙烷(PPO)相对于聚环氧乙烷(PEO)更具疏水性,用以覆盖疏水
性表面。使用双亲性嵌段聚合物对疏水性基材进行生物功能化具有其局限性:(1)合成不同
嵌段共聚物时需要从头设定各嵌段的比例,对共聚比例的任何调整需要重新合成;(2)嵌段
部分的种类固定,难以根据基材的性质进行灵活更改;(3)嵌段共聚反应的条件比较苛刻,
通常使用高纯度有机溶剂和高温反应条件。为避免生物功能化基元的官能团参与并干扰嵌
段反应,需要对引入的生物功能化基元进行保护,聚合完成后再脱保护。这些不足限制了嵌
段聚合物对表面疏水性基材进行多样性生物功能化的应用。
发明内容
聚合物含有生物功能性基团,其能够有效保持生物分子特别是蛋白质的活性,并具有低的
细胞毒性,满足生物医学材料生物功能化多样性的需求。
具有生物功能性基团的聚乙二醇、任选地一端具有反应性基团Y 另一端具有反应惰性基团
2
R的聚乙二醇;
应惰性基团R的聚乙二醇连接到聚合物的侧链上;X与X 发生反应,使R基团连接到聚合物
的侧链上。
二乙酸(IDA)及其衍生物;与亲和素结合的生物素;与HaloTag蛋白结合的连接子(HaloTag
Ligand(HTL)),如6‑氯代正己烷;与SNAP蛋白结合的连接子,如苄基鸟嘌呤
(Benzylguanine,BG);与CLIP蛋白结合的连接子,如苄基胞嘧啶(Benzylcytosine,BC);
段为能够与待检测生物分子互补的核苷酸或脱氧核苷酸序列,本发明所述DNA和RNA链段还
可以是能与蛋白质结合的核酸适配体序列。
一端具有生物功能性基团的聚乙二醇、以及任选地一端具有反应性基团Y另一端具有反应
2
惰性基团R的聚乙二醇进行反应,制备得到所述双亲性聚合物。
一端具有反应性基团Y另一端具有生物功能性基团的聚乙二醇、以及任选地一端具有反应
2 2
性基团Y另一端具有反应惰性基团R的聚乙二醇进行反应,制备得到所述双亲性聚合物;
有生物功能性基团的聚乙二醇、以及任选地一端具有反应性基团Y 另一端具有反应惰性基
2 2
团R的聚乙二醇进行反应,再将上述产物与化合物R‑X进行反应,制备得到所述双亲性聚合
物。
酯基、巯基、马来酰亚胺、α‑卤代羰基、炔基、烯基、叠氮基、四嗪基。其中,反应性基团X 与X、
1 2
Y与Y互为反应性基团,可以发生反应。
合反应得到醚连接基团,或者马来酰亚胺与巯基进行加成反应,或者巯基与α‑卤代羰基发
生的取代反应,或者氨基与酯基反应得到酰胺连接基团,或者炔基与叠氮基发生点击反应
得到连接基团,或者烯基与四嗪基发生点击反应得到连接基团。
催化的叠氮化物‑炔环加成反应(SPAAC反应,炔基位于张力环的中间)。烯基与四嗪基发生
点击反应是本领域中已知的反应,例如环烯烃与四嗪基发生环加成反应。
时,X 为羧基、羟基中的至少一种;当X 为巯基时,X为马来酰亚胺、α‑卤代羰基中的至少一
1 2 1 2 2
种;当X为炔基时,X为叠氮基;当X为烯基时,X为四嗪基。反之也成立,例如当X 为氨基时,
1
X为羧基、醛基、酮基、酯基中的至少一种。
时,Y 为羧基、羟基中的至少一种;当Y 为巯基时,Y为马来酰亚胺、α‑卤代羰基中的至少一
1 2 1 2 2
种;当Y为炔基时,Y为叠氮基;当Y为烯基时,Y为四嗪基。反之也成立,例如当Y 为氨基时,
1
Y为羧基、醛基、酮基、酯基中的至少一种。
基团Z 另一端具有生物功能性基团的物质进行反应,制备得到所述一端具有反应性基团Y
1 2
另一端具有生物功能性基团的聚乙二醇;其中,Z 与Z发生反应,使聚乙二醇与生物功能性
基团相连。
任意的间隔基团进行连接,这依赖于采用的本领域的常规方法将反应性基团Y 、Z引入到聚
2 1
乙二醇的两端。在聚乙二醇与反应性基团Y、Z 之间的间隔基团可以是任意的,只要不影响
制备本发明双亲性聚合物,所述间隔基团例如为C1‑12烷基、酯基、酰胺基、酮基等。
基、马来酰亚胺、α‑卤代羰基、炔基、烯基、叠氮基、四嗪基。其中,反应性基团Z 与Z互为反应
性基团,可以发生反应。
合反应得到醚连接基团,或者马来酰亚胺与巯基进行加成反应,或者巯基与α‑卤代羰基发
生的取代反应,或者氨基与酯基反应得到酰胺连接基团,或者炔基与叠氮基发生点击反应
得到连接基团,或者烯基与四嗪基发生点击反应得到连接基团。
时,Z 为羧基、羟基中的至少一种;当Z 为巯基时,Z为马来酰亚胺、α‑卤代羰基中的至少一
1 2 1 2 2
种;当Z为炔基时,Z为叠氮基;当Z为烯基时,Z为四嗪基。反之也成立,例如当Z为氨基时,
1
Z为羧基、醛基、酮基、酯基中的至少一种。
以为一端具有反应性基团Z另一端具有生物功能性基团的寡聚乙二醇,如二聚乙二醇。
乙二醇可以商购,也可以采用本领域的常规方法进行制备。在聚乙二醇与反应性基团Y 、反
2
应惰性基团R 之间可以直接连接,即作为封端基团,也可以通过任意的间隔基团进行连接,
2 2
这依赖于采用的本领域的常规方法将反应性基团Y 、反应惰性基团R 引入到聚乙二醇的两
2 2
端。在聚乙二醇与反应性基团Y、反应惰性基团R 之间的间隔基团可以是任意的,只要不影
响制备本发明双亲性聚合物。
1 1 1 1 1 1
基团Y 和X ,优选侧链的端基包括反应性基团Y 和X。所述具有反应性基团Y 和X的聚合物
1 1
例如为:具有反应性基团Y和X的聚醚、聚酯、聚酰胺、聚氨酯、聚硫橡胶、聚硅橡胶‑聚酰胺、
聚乙烯亚胺、聚氨基酸等;作为实例,所述聚氨基酸为多聚左旋赖氨酸,以及人工合成的多
聚右旋赖氨酸等。
或不同。当所述反应性基团X、Y 相同时,上述反应性基团部分与具有反应性基团的聚乙二
2 1 1
醇反应,部分与化合物R‑X 反应。当所述反应性基团X 、Y不同时,可以使其中一种反应性基
2
团与具有反应性基团的聚乙二醇反应,使另一种反应性基团与化合物R‑X反应。
到酰胺连接基团,或者羟基与羧基在偶联剂存在下缩合反应得到酯连接基团。所述偶联剂
例如为碳二亚胺衍生物,选自1‑乙基‑3‑(3‑二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐,或N,N‑二环
己基碳二亚胺,加入量与反应物的摩尔比为1至1000,优选1至500,更优选1至100。
一端具有生物功能性基团的聚乙二醇、任选地一端具有反应性基团Y 另一端具有反应惰性
2 1 2
基团R的聚乙二醇进行反应;其中,Y 与Y能够发生反应,使连有生物功能性基团聚乙二醇
2 1 2
以及任选的连有反应惰性基团R 的聚乙二醇连接到聚合物的侧链上;X 与X发生反应,使R
基团连接到聚合物的侧链上。
团,PEG为聚乙二醇链段,R为生物功能性基团,L 、L 为直键或间隔基团,R 为反应惰性基
团,Z为连接基团或不存在。
3 4
一种,上述基团的顺序可颠倒,例如‑CO‑NH‑代表‑CO‑NH‑或‑NH‑CO‑;其中,R、R 相同或不
同,彼此独立地选自H、C1‑6烷基;
其中,R 选自H、C1‑6烷基,虚线代表C3‑10
碳环;
化合物R‑X中的反应性基团X 进行反应。所述反应性基团X 、X 例如选自羟基、氨基、羧基、
醛基、酮基、酯基、巯基、马来酰亚胺、α‑卤代羰基、炔基、烯基、叠氮基、四嗪基中的至少一
种。例如将聚合物侧链上的氨基与R‑COOH反应得到‑NH‑CO‑。
一端具有反应性基团Y的聚乙二醇进行反应,所述反应性基团Y、Y例如选自羟基、氨基、羧
基、醛基、酮基、酯基、巯基、马来酰亚胺、α‑卤代羰基、炔基、烯基、叠氮基、四嗪基中的至少
一种。例如将聚合物侧链上的氨基与一端为琥珀酰亚胺酯基的聚乙二醇反应得到‑NH‑CO‑。
亚氨基二乙酸(IDA)及其衍生物;与亲和素结合的生物素;与HaloTag蛋白结合的连接子
(HaloTag Ligand(HTL)),如6‑氯代正己烷;与SNAP蛋白连接的连接子,如苄基鸟嘌呤
(Benzylguanine,BG);与CLIP蛋白连接的连接子,如苄基胞嘧啶(Benzylcytosine,BC);
RNA链段为能够与待检测生物分子互补的核苷酸或脱氧核苷酸序列,本发明所述DNA和RNA
链段还可以是能与蛋白质结合的核酸适配体序列。
3 4
一种,上述基团的顺序可颠倒,例如‑CO‑NH‑代表‑CO‑NH‑或‑NH‑CO‑;其中,R、R 相同或不
同,彼此独立地选自H、C1‑6烷基;
2
基、四嗪基)与一端具有反应性基团Z (例如羟基、氨基、羧基、醛基、酮基、酯基、巯基、马来
酰亚胺、α‑卤代羰基、炔基、烯基、叠氮基、四嗪基)和一端为生物功能性基团的物质进行反
应而形成。
聚硫橡胶主链、聚硅橡胶‑聚酰胺主链、聚乙烯亚胺主链、聚氨基酸主链等结构的至少一种;
100%。
性聚合物的分散液接触。所述分散液可以是改性聚合物的水溶液、有机溶液或有机溶剂和
水形成的混合溶液。
述混合溶液中,有机溶剂和水的体积比没有特别的限定,例如为1‑99:99‑1,例如为10‑90:
90‑10。
值为7.4。
聚二甲基硅氧烷。
有巯基的化合物为C4‑25烷基硫醇、C4‑25烯基硫醇、C4‑25炔基硫醇和巯基取代的芳基。
金、氧化锡等;无机氧化物如石英、玻璃、ITO玻璃等;硅酸盐、铝硅酸盐如云母、碳化硅等;所
述有机材料包括经表面氧化处理的聚醚、聚砜、聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚偏四氟乙烯和硅烷
基聚合物等,如聚二甲基硅氧烷;所述表面氧化处理包括等离子处理和电晕放电处理。
氧基硅烷、二乙基二甲氧基硅烷;所述硅烷可选地包含芳香基。
一或者它们的组合。
环戊‑1‑烯基、1‑环戊‑2‑烯基、1‑环戊‑3‑烯基、环己基、1‑环己‑1‑烯基、1‑环己‑2‑烯基、1‑
环己‑3‑烯基、环己二烯基、环庚基、环辛基、环壬基、环癸基、环十一烷基、环十二烷基等。
基醚、环氧乙烷数为9‑12的聚氧乙烯醚基等。
基、酯基、巯基、马来酰亚胺、α‑卤代羰基、炔基、烯基、叠氮基、四嗪基。
及后来经修饰的那些氨基酸,例如羟基脯氨酸、γ‑羧基谷氨酸、硒代半胱氨酸和O‑磷酸丝
氨酸。氨基酸类似物指具有与自然存在的氨基酸相同的基本化学结构,即与氢、羧基、氨基
和R基团结合的α碳的化合物,例如高丝氨酸、正亮氨酸、甲硫氨酸亚砜、甲硫氨酸甲基锍。此
类类似物具有经修饰的R基团(例如,正亮氨酸)或经修饰的肽骨架,但是保持了与自然存在
的氨基酸相同的基本化学结构。可特别使用的一种氨基酸为瓜氨酸,这是精氨酸的衍生物
并且牵涉于肝脏中尿的形成。氨基酸模拟物指结构与氨基酸的一般化学结构不同,但是以
类似于自然存在的氨基酸的方式起作用的化学化合物。术语“非天然氨基酸”旨在表示上述
20种自然存在的氨基酸的“D”型立体化学形式。应进一步理解,术语非天然氨基酸包括天然
氨基酸的同源物或其D型异构体及天然氨基酸经合成修饰的形式。经合成修饰的形式包括
但不限于侧链缩短或加长多达2个碳原子的氨基酸,包含经任选取代的芳基的氨基酸和包
含卤化基团,优选卤化烷基和芳基的氨基酸并且还包括经N取代的氨基酸,例如N‑甲基‑丙
氨酸。氨基酸或肽可通过氨基酸或肽的末端胺或末端羧酸与连接子/间隔基或细胞结合剂
连接。氨基酸也可通过侧链活性基团,例如但不限于半胱氨酸的硫醇基、赖氨酸的ε胺或丝
氨酸或苏氨酸的侧链羟基与连接子/间隔基或细胞结合剂连接。另外,合成修饰的氨基酸还
可以从α碳引入反应性基团,例如,叠氮基、炔基、羰基、醛基、烯基、四嗪基的任意一种。
接,并且可在药物偶联物的合成完成之后通过选择性实现其去除的化学或其它条件去除。
物用于对疏水性材料进行一步法表面处理,避免了现有技术多步法的繁琐和低效率,能对
各种结构的疏水表面进行高效率的界面修饰。所述双亲性聚合物具有如下优势:(1)使用双
亲功能高分子仅需要对疏水材料一步覆盖,即可获得稳定的生物功能性化表面,实现生物
功能化材料的高效制备。(2)双亲性功能高分子能够通过侧链修饰灵活调节亲水性基团、疏
水性基团的数量和种类,满足对不同性质基材进行生物功能化的需要。(3)还能够通过双亲
性功能高分子的侧链修饰,引入不同的生物功能性基团,实现对基材生物功能化的多样性,
拓展不同生物医学应用。
附图说明
具体实施方式
凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
N,N‑二甲基甲酰胺(分析纯,北京化工厂)中得到溶液(二)。
Sigma‑aldrich公司)。使用振荡器振荡均匀,室温下震荡过夜,反应20小时,加入100μL
20mM三羟甲基氨基甲烷缓冲液(Tris缓冲液),继续震荡30分钟用于终止反应。将所得反应
液转移至截止分子量为14kDa的半透膜中,用2升去离子水进行透析48小时。所得溶液冷冻
处理后置于冻干机中制得19mg冻干粉,‑20℃下密封存放。
疏水性成分的侧链数用m表示,R为油酸。
其溶于100μL N,N‑二甲基甲酰胺中得到溶液(二)。制得37mg白色冻干粉末。
10mg两端分别修饰琥珀酰亚胺酯和甲氧基的聚乙二醇(NHS‑PEG2k‑OMe,聚乙二醇平均分子
量2000Da,购自美国Nanocs公司),将其溶于100μL N,N‑二甲基甲酰胺(分析纯,北京化工
厂)中得到溶液(二)。制得36mg白色冻干粉末。
NTA60。
溶于100μL N,N‑二甲基甲酰胺中得到溶液(二)。制得28mg白色冻干粉末。
N,N‑二甲基甲酰胺中得到溶液(三)。制得白色冻干粉末。
溶于100μL N,N‑二甲基甲酰胺中得到溶液(二)。制得冻干粉末。
两端分别为琥珀酰亚胺酯和甲氧基的聚乙二醇(NHS‑PEG2k‑OMe,聚乙二醇平均分子量
2000Da,购自美国Nanocs公司),将其溶于100μL N,N‑二甲基甲酰胺中得到溶液(二)。制得
冻干粉末。
购自北京化工厂)中得到溶液(二)。
得到溶液(三)。
入28mg 1‑乙基‑3‑(‑3‑二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐。震荡过夜12小时,加入100μL
10mM半胱氨酸HEPES缓冲液30分钟用于终止反应。将所得反应液转移至截止分子量为14kDa
的半透膜中,用2升去离子水进行透析48小时。所得溶液冷冻处理后置于冻干机中制得57mg
冻干粉,‑20℃下密封存放。
的互补DNA序列为5'‑CCT CTCACC CAC CAT TCA TC‑3'。
(购自Promega公司,商品代码 ‑O2‑amineligand)(HTL‑PEG2‑NH2),将其溶于无
水200μL N,N‑二甲基甲酰胺(分析纯,购自北京化工厂),加入4μL三乙胺(分析纯,购自北京
化工厂),氮气保护室温下反应4小时,加入去离子水30分钟,终止反应。置于真空烘箱中,60
℃除去有机溶剂。用G200硅胶层析板分离反应产物,流动相为二氯甲烷:甲醇(95:5体积
比),Rf值0.32处收集产物条带,二氯甲烷洗脱硅胶,蒸干溶剂,得到54mg油状物COOH‑
PEG2k‑HTL,将其溶于200μL N,N‑二甲基甲酰胺,‑20℃保存备用。
基甲酰胺中,加入88μL上述制备的COOH‑PEG2k‑HTL的N,N‑二甲基甲酰胺溶液,得到溶液
(二)。
荡均匀,并震荡过夜12小时,加入100μL去离子水30分钟用于终止反应。将所得反应液转移
至截止分子量为14kDa的半透膜中,用2升去离子水进行透析48小时。所得溶液冷冻处理后
置于冻干机中制得29mg冻干粉。‑20℃下密封存放。
OMe30‑PEG2k‑HTL30。
上自组装形成的疏水表面,流动相按照GE Healthcare公司HBS‑EP缓冲液的标准配制
(0.01M HEPES pH7.4,0.15M NaCl,3mM EDTA,0.005%体积比P20)。
动注射进样(样品pH值保持为7.5),图1中进样次序为:(1)1mg/mL双亲性高分子溶液、(2)
200mM乙二胺四乙酸(EDTA)、(3)10mM NiCl2、(4)200mM咪唑、(5)500nM六聚组氨酸链重组绿
色荧光蛋白(GFP‑H6)和(6)200mM咪唑,结果如图1所示。咪唑洗脱显示了六聚组氨酸链重组
绿色荧光蛋白的位点特异性固载。
感片HPA上依次自动注射进样(样品pH值保持为7.5),图2中进样次序为:(1)1mg/mL双亲性
高分子溶液、(2)100nM链霉亲和素(SAV,购自南京金斯瑞生物科技有限公司)、(3)HBS缓冲
液、(4)100nM生物素修饰牛血清蛋白(BSA‑BT,购自陕西瑞禧生物科技有限公司)。检测结果
如图2所示,显示实施例8的双亲聚合物将疏水性基底生物功能化,能活性固载链霉亲和素
以及后续结合生物素修饰的目标蛋白。对照实验中将(3)HBS缓冲液换成了100nM生物素,由
于这一步生物素对链霉亲和素的提前覆盖,对照实验中后续的生物素修饰牛血清蛋白物无
固载信号,说明双亲高分子上固载的链霉亲和素被100nM生物素将结合位点完全占据,从而
失去进一步结合生物素修饰牛血清蛋白的能力。
依次自动注射进样(样品pH值保持为7.5),图3中进样次序为:(1)1mg/mL双亲性聚合物溶
液、(2)1μM DNA序列5'‑CCT CTCACC CAC CAT TCA TC‑3'(与实施例9接枝修饰的DNA序列互
补)、(3)100mM盐酸、(4)1μM DNA序列5'‑CCT CTC ACC CAC CAT TCA TC‑3'。结果如图3所
示,检测结果显示实施例9的双亲聚合物将疏水性基底生物功能化,能重复固载互补的DNA
序列。
护范围之内。