基于click 化學(xué)合成生物可降解聚酯基液晶材料

楊靜（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心，廣東 廣州510000）

0 引言

液晶在開發(fā)以來受到制造業(yè)的廣泛關(guān)注，作為介于各向同性液體和各向異性晶體之間的有序流體，其作為“第四態(tài)”物質(zhì)是典型的介晶相。因液晶的特殊狀態(tài)與特殊性質(zhì)，使其不僅具有連續(xù)性還具有一定流動性，同時還具有光學(xué)各向異性以及分子有序性[1]。

1 液晶生物材料

對眾多生物分子體內(nèi)結(jié)構(gòu)分析研究能夠發(fā)現(xiàn)，生物體分子在分子結(jié)構(gòu)水平上通過分子的有序排列組合最終構(gòu)成生物體的細(xì)胞，細(xì)胞的有序排列形成生物體分子的組織及器官。以細(xì)胞膜、蛋白質(zhì)、碳水化合物、視網(wǎng)膜、肌肉等為代表的組織、器官甚至物質(zhì)，其均是由大分子在生物體系水溶液中進(jìn)行有序排列，最終在生物體中形成液晶態(tài)。對于生命體和人體而言，生物大分子的有序化是保證生命的關(guān)鍵因素之一，生物大分子有序排列的液晶態(tài)也是保障生物體新陳代謝、肌體生長發(fā)育的重要因素[2]。

越來越多的研究針對生物結(jié)構(gòu)和液晶態(tài)之間的關(guān)系進(jìn)行了大量研究，并且眾多研究成果均指出液晶態(tài)對生物學(xué)的重要意義。最早在上世紀(jì)50年代N eedham對肌球蛋白的研究中發(fā)現(xiàn)，肌球蛋白不僅呈現(xiàn)液晶六角相排列，而且具有典型的光學(xué)各向異性；對神經(jīng)細(xì)胞進(jìn)行研究也發(fā)現(xiàn)其具有典型液晶性質(zhì)，而且呈現(xiàn)出弱雙折射性特征，研究中還發(fā)現(xiàn)以液晶態(tài)獨(dú)特的偏光特性存在于神經(jīng)細(xì)胞的髓磷脂溶液中。N eedham 在對動物視桿細(xì)胞的研究中發(fā)現(xiàn)，視桿細(xì)胞下陷形成的視片層呈現(xiàn)成層排列的狀態(tài)，屬于典型的液晶態(tài)。在對哺乳動物發(fā)育過程的研究發(fā)現(xiàn)，脂節(jié)軸索的產(chǎn)生與發(fā)育和液晶相變具有類似性，呈現(xiàn)一定的幾何拓?fù)渎?lián)系。生物學(xué)家在對生物膜的研究中提出了流體鑲嵌模型，模型中膜糖蛋白作為溶致液晶結(jié)構(gòu)浸泡于二維脂類雙親分子液體膜當(dāng)中。在已有針對生物膜及生物體的研究中還發(fā)現(xiàn)，正常生物生理狀態(tài)下，生物膜中的多糖、脂類以及蛋白質(zhì)和核酸等生物大分子中含有極性分子能夠形成氫鍵，這導(dǎo)致大分子物質(zhì)能以扁平狀或棒狀的狀態(tài)存在于溶液當(dāng)中，實(shí)際就是典型的液晶態(tài)。在眾多研究中指出，以生物膜脂質(zhì)結(jié)構(gòu)為代表的生物體結(jié)構(gòu)中的分子和結(jié)構(gòu)以液晶有序的方式和狀態(tài)存在。研究液晶態(tài)生物材料及其在生物體內(nèi)的生物學(xué)性能，對指導(dǎo)生物材料的開發(fā)具有重要意義。

生物可降解聚酯類合成高分子材料，如聚乳酸、聚羥基乙酸、聚ε-己內(nèi)酯及其共聚物，除了具備一定的生物相容性和生物可降解性以及降解產(chǎn)物無毒的優(yōu)點(diǎn)，還具有良好的力學(xué)和加工性能，以及結(jié)構(gòu)與性能的可調(diào)控性，已成為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域最重要的生物材料之一，被廣泛應(yīng)用于組織工程、緩控釋藥物載體、骨修復(fù)材料等領(lǐng)域。但單純的生物可降解聚酯因其表面缺乏可特異性與蛋白、細(xì)胞相互作用的功能化基團(tuán)，以及較強(qiáng)的疏水性，材料的生物相容性并不理想。圍繞人工合成材料生物相容性差這一固有問題，學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為應(yīng)對其表面進(jìn)行必要的生物學(xué)修飾[3]。但生物可降解聚酯分子骨架中缺乏可反應(yīng)性位點(diǎn)，這對對其進(jìn)行改性修飾尤其是從分子水平進(jìn)行修飾提出了難題。

2 Click化學(xué)

“Click”化學(xué)作為革新傳統(tǒng)有機(jī)化學(xué)的又一新型合成技術(shù)，又稱點(diǎn)擊化學(xué)或者點(diǎn)擊合成?！癈lick”化學(xué)是對反應(yīng)的形象描述，認(rèn)為點(diǎn)擊化學(xué)和反應(yīng)就像點(diǎn)擊鼠標(biāo)一樣簡單、高效，對“Click”化學(xué)和點(diǎn)擊合成的特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，主要集中在以下幾點(diǎn)：（1）“Click”化學(xué)反應(yīng)過程中對氧氣和水的敏感度較低，反應(yīng)條件相對溫和；（2）“Click”反應(yīng)的反應(yīng)原料比較容易獲取，且簡單的反應(yīng)條件也比較容易獲得控制；（3）“Click”反應(yīng)過程和反應(yīng)后處理不需要使用和處理溶劑，在使用溶劑的時候也一般采用易揮發(fā)及易除去的溶劑；（4）“Click”反應(yīng)后得到的產(chǎn)物后處理簡單且容易分離；（5）“Click”反應(yīng)得到的產(chǎn)物具有性質(zhì)相對穩(wěn)定的典型特征。對“Click”反應(yīng)應(yīng)用最成熟的典型代表是2001 年諾貝爾獎獲得者Sharpless，采用Cu(Ⅰ)催化炔基與疊氮基反應(yīng)，最終以1，3-雙偶極Huisgen 環(huán)加成反應(yīng)生成單一反式三氮唑[4]。

3 click 化學(xué)在生物可降解聚酯基液晶材料中的具體應(yīng)用

“Click”化學(xué)及反應(yīng)自被提出以來科學(xué)家應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)其具有典型特征，包括高選擇性，反應(yīng)條件、反應(yīng)原料耐受性以及產(chǎn)物高產(chǎn)率性，因其這些典型特征及優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)成為材料合成及新材料研發(fā)的重要工具[5]，并逐漸被應(yīng)用到生物可降解聚酯材料的改性修飾等方面。如Krouit等[6]利用“click”化學(xué)，通過炔基功能化纖維素與端疊氮基的聚己內(nèi)酯發(fā)生化學(xué)反應(yīng)制備了纖維素-聚己內(nèi)酯接枝共聚物。董常明等[7]以單端炔基化扇形結(jié)構(gòu)的聚己內(nèi)酯與單或雙端疊氮基化線形結(jié)構(gòu)的聚乙二醇通過“click”化學(xué)制備了一種非線性結(jié)構(gòu)的聚己內(nèi)酯-block-聚乙二醇共聚物，為制備非線型結(jié)構(gòu)的可降解雙親性生物醫(yī)用高分子提供了一種簡單而有效的途徑。Jerome等[8]提出由α-氯代己內(nèi)酯的開環(huán)聚合和疊氮化反應(yīng)，制備線形主鏈疊氮化聚己內(nèi)酯，再經(jīng)過“click”化學(xué)，得到聚己內(nèi)酯-聚乙二醇兩親性接枝共聚物。這一研究由于設(shè)計在己內(nèi)酯單體上引入反應(yīng)位點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了對生物可降解聚酯分子骨架進(jìn)行反應(yīng)位點(diǎn)的修飾。

4 結(jié)語

在生物可降解聚酯分子中引入反應(yīng)位點(diǎn)僅僅是為了賦予生物可降解聚酯可再次生物學(xué)修飾的能力，而如何更好地利用引入的反應(yīng)位點(diǎn)，真正提高材料的生物相容性并賦予其生物活性，則是對這類材料進(jìn)行改性修飾的真正目的，也是更好地應(yīng)用這類材料的前提。