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探讨“Click”化学在生物可降解聚酯基液晶材料合成中的应用

2020-07-01 310 上传者：管理员

摘要：生物可降解聚酯因其生物降解且降解产物无毒以及良好的力学性能和加工性，是生物医学领域目前应用最为广泛的人工合成高分子材料。然而，作为一类合成材料，因分子中缺乏可特异性与蛋白、细胞相互作用的功能化基团，使得这类材料的细胞亲和性和生物相容性并不理想。因此，必须对这类材料进行必要的生物学修饰，以提高材料表面对蛋白吸附、细胞活性的调控。“click”化学因其高产率、高选择性以及对各种官能团和反应条件优异的耐受性等特点被应用到生物可降解聚酯材料的改性修饰等方面。这一研究由于设计在己内酯单体上引入反应位点，从而实现了对生物可降解聚酯分子骨架进行反应位点的修饰。

关键词：
click化学
合成材料
液晶
生物可降解聚酯
高分子化学
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液晶在开发以来受到制造业的广泛关注，作为介于各向同性液体和各向异性晶体之间的有序流体，其作为“第四态”物质是典型的介晶相。因液晶的特殊状态与特殊性质，使其不仅具有连续性还具有一定流动性，同时还具有光学各向异性以及分子有序性[1]。

1、液晶生物材料

对众多生物分子体内结构分析研究能够发现，生物体分子在分子结构水平上通过分子的有序排列组合最终构成生物体的细胞，细胞的有序排列形成生物体分子的组织及器官。以细胞膜、蛋白质、碳水化合物、视网膜、肌肉等为代表的组织、器官甚至物质，其均是由大分子在生物体系水溶液中进行有序排列，最终在生物体中形成液晶态。对于生命体和人体而言，生物大分子的有序化是保证生命的关键因素之一，生物大分子有序排列的液晶态也是保障生物体新陈代谢、肌体生长发育的重要因素[2]。

越来越多的研究针对生物结构和液晶态之间的关系进行了大量研究，并且众多研究成果均指出液晶态对生物学的重要意义。最早在上世纪50年代Needham对肌球蛋白的研究中发现，肌球蛋白不仅呈现液晶六角相排列，而且具有典型的光学各向异性；对神经细胞进行研究也发现其具有典型液晶性质，而且呈现出弱双折射性特征，研究中还发现以液晶态独特的偏光特性存在于神经细胞的髓磷脂溶液中。Needham在对动物视杆细胞的研究中发现，视杆细胞下陷形成的视片层呈现成层排列的状态，属于典型的液晶态。在对哺乳动物发育过程的研究发现，脂节轴索的产生与发育和液晶相变具有类似性，呈现一定的几何拓扑联系。生物学家在对生物膜的研究中提出了流体镶嵌模型，模型中膜糖蛋白作为溶致液晶结构浸泡于二维脂类双亲分子液体膜当中。在已有针对生物膜及生物体的研究中还发现，正常生物生理状态下，生物膜中的多糖、脂类以及蛋白质和核酸等生物大分子中含有极性分子能够形成氢键，这导致大分子物质能以扁平状或棒状的状态存在于溶液当中，实际就是典型的液晶态。在众多研究中指出，以生物膜脂质结构为代表的生物体结构中的分子和结构以液晶有序的方式和状态存在。研究液晶态生物材料及其在生物体内的生物学性能，对指导生物材料的开发具有重要意义。

生物可降解聚酯类合成高分子材料，如聚乳酸、聚羟基乙酸、聚ε-己内酯及其共聚物，除了具备一定的生物相容性和生物可降解性以及降解产物无毒的优点，还具有良好的力学和加工性能，以及结构与性能的可调控性，已成为生物医学领域最重要的生物材料之一，被广泛应用于组织工程、缓控释药物载体、骨修复材料等领域。但单纯的生物可降解聚酯因其表面缺乏可特异性与蛋白、细胞相互作用的功能化基团，以及较强的疏水性，材料的生物相容性并不理想。围绕人工合成材料生物相容性差这一固有问题，学术界普遍认为应对其表面进行必要的生物学修饰[3]。但生物可降解聚酯分子骨架中缺乏可反应性位点，这对对其进行改性修饰尤其是从分子水平进行修饰提出了难题。

2、Click化学

“Click”化学作为革新传统有机化学的又一新型合成技术，又称点击化学或者点击合成。“Click”化学是对反应的形象描述，认为点击化学和反应就像点击鼠标一样简单、高效，对“Click”化学和点击合成的特点进行总结，主要集中在以下几点：（1）“Click”化学反应过程中对氧气和水的敏感度较低，反应条件相对温和；（2）“Click”反应的反应原料比较容易获取，且简单的反应条件也比较容易获得控制；（3）“Click”反应过程和反应后处理不需要使用和处理溶剂，在使用溶剂的时候也一般采用易挥发及易除去的溶剂；（4）“Click”反应后得到的产物后处理简单且容易分离；（5）“Click”反应得到的产物具有性质相对稳定的典型特征。对“Click”反应应用最成熟的典型代表是2001年诺贝尔奖获得者Sharpless，采用Cu(Ⅰ)催化炔基与叠氮基反应，最终以1,3-双偶极Huisgen环加成反应生成单一反式三氮唑[4]。

3、click化学在生物可降解聚酯基液晶材料中的具体应用

“Click”化学及反应自被提出以来科学家应用中发现其具有典型特征，包括高选择性，反应条件、反应原料耐受性以及产物高产率性，因其这些典型特征及优点已经成为材料合成及新材料研发的重要工具[5]，并逐渐被应用到生物可降解聚酯材料的改性修饰等方面。如Krouit等[6]利用“click”化学，通过炔基功能化纤维素与端叠氮基的聚己内酯发生化学反应制备了纤维素-聚己内酯接枝共聚物。董常明等[7]以单端炔基化扇形结构的聚己内酯与单或双端叠氮基化线形结构的聚乙二醇通过“click”化学制备了一种非线性结构的聚己内酯-block-聚乙二醇共聚物，为制备非线型结构的可降解双亲性生物医用高分子提供了一种简单而有效的途径。Jerome等[8]提出由α-氯代己内酯的开环聚合和叠氮化反应，制备线形主链叠氮化聚己内酯，再经过“click”化学，得到聚己内酯-聚乙二醇两亲性接枝共聚物。这一研究由于设计在己内酯单体上引入反应位点，从而实现了对生物可降解聚酯分子骨架进行反应位点的修饰。

4、结语

在生物可降解聚酯分子中引入反应位点仅仅是为了赋予生物可降解聚酯可再次生物学修饰的能力，而如何更好地利用引入的反应位点，真正提高材料的生物相容性并赋予其生物活性，则是对这类材料进行改性修饰的真正目的，也是更好地应用这类材料的前提。

参考文献：

[1]唐敏健,丁珊,周长忍,李立华.液晶态生物材料[J].化学世界,2010.12.756-760.

[2]方一山,朱剑铭.液晶在医学上的应用[J].上海生物医学工程,2006,27(4):242-243.

[7]董常明,华崇,杨阳.非线性结构聚己内酯-嵌段-聚乙二醇的合成方法[P].中国专利,申请号:200810041208.2

杨静.基于click化学合成生物可降解聚酯基液晶材料[J].化工管理,2020(15):14-15.