酶法合成可生物降解高分子材料.pdf

锄 膏 料 砖 I研 够随 国外 医学 生物 医学 工程分册，。J I 1 b 9 7 年 第 2 0 卷 第 6 期 、二 7 f 酶法合成可生物降解高分子材料 兰 童 崔 铭 玉 综 述 王 彭 延 审 第一军 医大学化学教研 室(5 1 0 5 1 5)中国医学科学院生物医学工程研究所(3 0 0 1 9 2)；f c 摘要简要介绍 7可生物降解 高分子材料在生物医学领域的重要意义和用途，以及 传统开发方法；重点评述 7这一领域研究的新分支 酶法合成可生物 降解高分子 材料的新进展。关键词可生物降解高分子生物医用 酶促合成 1 引 言 在生物医学高分子的研 究中，随着可生 物降解高分子材料研究工作 的不断深入，人 们对 生物 降解高分子材料 的认识 也逐步 加 深，开发它的途径也变得多样。真正的生物降解高分子是在有水存在的 环境下，能被酶或微生物促进水解降解、高分 子主链断裂、分子量逐渐变小以至最终成为 单体或代谢成C O。和H O。当前生物材料研 究中的一个重要趋势是发展可降解聚合物新 的应用。其最广泛的应用是作为药物控制体 系的载体材料和体内短期植入物。当用生物 降解高分子作为载体的长效药物植入体内，在药物释放完之后也不需要再经手术将其取 出，这可以减少用药者的痛苦和麻烦。因此生 物降解高分子是抗癌、青光眼、心脏病、高血 压、止痛、避孕等长期服用药物的理想载体。目前作为药物载体被广泛研究的生物降解性 高分子有聚乳酸、乳酸一 己内酯共聚物、乙交 酯一 丙交酯共聚物和 己内酯一 聚醚共聚物等脂 肪族聚酯类高分子，此外还有海藻酸盐、甲壳 素、纤维素衍 生物等天然高聚物。生物降解高分子在生物医用领域的另一 重要应用是作为体 内短期植入物，如用生物 可吸收的聚乳酸、胶朊制成的手术缝合线，可 以免除手术后再拆线的痛苦和麻烦。用聚孔 酸制成的骨钉、骨 固定板，可以在骨折痊愈后 不需再行手术取出，从而可大大减轻病人的 痛苦，在一定程度上也可以缓和医院床 位紧 张的矛盾，对个人和社会都具有重要的意义。用生物 降解高分子材料制成 胃肠道吻合套，可 以改革现行手术的缝 合或铆合过程，从而 防止现行手术中经常发生的出血、针孔泄漏、吻合 口狭 窄和粘连等手术问题，还 可大大缩 短手术时间。用生物可降解可吸收材料作为 神经修复和青光眼手术材料的研究亦是国际 上近年来竞相研究的重要课题。对于生物降解高分子，最重要的指标是 生物降解速度。降解速度可以通过共聚的方 法来调节和控制“。此外，通过催化剂的选 择和聚合条件的控制制备具有一定分子量和 一定强度的聚合物，也是研 究生物降解高分 子的一个重要方面。而形状结构和成型加工 的设计是生物降解高分子的功能能否真正得 到应用的重要保证。传统开发可生物降解高分子材料的方法 有天然高分子的改造、化学合成 以及微生物 发酵生产法等。(1)天然高分子改造法：自然界中存在大 量的多糖类高分子，如淀粉、纤维素、甲壳紊、3 25 维普资讯 http:/ 国外医学生物医学工程分册 1 9 9 7 年第 2 O 卷第 6期 透 明质酸、海藻酸等等，都能被生物降解 通 过化学修饰和共聚等方法，对这些天然高分 子进行改性可以合成可生物降解的高分子材 料，如用改性 甲壳素制造的手术缝台线和 人 造皮肤，改性淀粉制造的农用薄膜等。(2)化学合成法：模拟天然高分子的化学 结构，从简单的小分子 出发制备分子链上连 有酯基、酰胺 基、肽基 的聚合物，这些高分子 化台物结构单元 中含有 易被生物降解的化学 结构或是在高分子链中嵌入易生物降解的链 段。(3)微 生物发酵生产法。许多微 生物 如 P s e u d o mo n a s 能以某些有机物(如 C 6 c 1 2 的 烷烃及直链有机酸)为碳源，通过代谢分泌出 聚酯或聚糖类高分子(如聚羟基烷酸等)。传统可生物降解高分子的开发方法虽然 各有特点，并且有些已投入小规模的应用，但 它们各 自的缺点也是显而易见的。天然高分 子改造法 虽然原料来源充足，但一般不 易加 工成型，大多受热融化前 已开始分解，只能通 过溶液 法加，而且 产量小，限制 了它 们的应 用 化学合成法反应条件苛刻(如需高温、低 压等条件)、副产品多，有时需使用有毒的催 化荆，且工艺复杂、成本较高，有些 产品 的生 物相容性又不太好；利用微生物发酵生产法，产物 的分离有一定困难，且仍有一些副产品。因此国际上近几年来已开始探索新 的方法开 发可生物降解高分子化台物。2 开发可生物降解材料的新方法一酶促台 成法 用酶法合成可生物降解高分子材料，实 际上得益于非水酶学的发展。酶在有机介质 中表现出与其在水溶液中不同的性 质，并拥 有催化一些特殊反应的能力，从而显现 出许 多水相 中所没有 的特点 ，如何提高非极性 底物和产物 的溶解度、热力学平衡 向合成的 方 向移动等 而当将酶法应用于合成可生物 降解高分子材料时，它又具备 了不同于 化学 3 26 法和微生物法的特点。酶对底物的高度专一 性使聚合过程无副产物，产物 易分离，酶可回 收再利用，催化反应的条件温和(一般在常温 常压下反应)，从而降低了产品的成本；利用 酶 的立体专 一性特点，还能合成一些传统方 法很难得到 的产 品，如具有光学 活性的可生 物降解的高分子化台物等。用酶促合成法开发的可生物降解高分子 材料生物可降解性能很好都是 完全可生 物 降解的，它们主要包括聚 酯类、聚糖类、聚 酰胺类等等。2 1 聚酯类 可生物降解高分子的酶促合成 2 1 1 利用线性单体 的缩台反应 反应的模式 主要如下所示，其中 A和 B 各代表一种具有反应性 的功能基 团，如羟基 和羧基、羧基和酰氯等。醛 a n AB 七A B手 酶 b-n AA+n B B -(-AAB B 手 Kl i b a n o v等人 在 1 9 8 7年就开 始了这 方面的尝试工作。它们利用 A n i g e r 脂肪酶 在甲苯中以 1，6 一 己二醇和 2，3 一 二溴代丁二 酸二一(2 一 氯代乙醇)酯为单体，聚台成(+)聚 己二醇一 2，3 一 二溴代丁二酸酯，得到的聚合物 虽然分子量不太(只有 8 0 0 D)，但得到的寡聚 物 有光学 活性，生物 相窑 性好，更重 要的是 Kl i v b a n o v的工 作为以后 的酶促聚合方法提 供 了一个开端。1 9 8 8 年 Mo r r o w等人 利用 P o r c i n e p a n c r e a t 脂肪 酶为催化剂，以乙醚 为溶剂，从消旋体 的单体得到了反式构象 的 聚 合 物(图 1)，分 子 量 7 9 0 0 D，光 学 纯 度 9 5 以上，而且反应条件温和。G a o n k a r 等 采用一种新 的二酯 双(2，3 一 丁烷 二酮单 肟)脂肪酸二酯，反应活性很高，在脂肪酶催 化下与一级 二醇缩合，由于此缩合反应是 不 可逆反应(如 图 2)，因此反应彻底，产物的分 子量 高达 9 2 0 0 D，并且 有 良好 的生物 相容 性，只是 活性底物二酯合成较复杂。作者也讨 论 了催化反应的介质对 聚合的影 响，认为极 维普资讯 http:/ 国外医学生物医学工程分册 1 9 9 7年第 2 0 卷第 6期 性太强的溶剂对聚合反应不利，因为随着聚 合的进行，聚合物聚合度增加，聚合物的极性 也逐渐降低，在强极性溶剂中的溶 聚度会逐 渐 降低，在强极性溶剂 中的溶解度会逐渐降 低，不利于聚合的进行。因此他认为聚合反应 在极性较弱的溶剂(如异丙醚)中发 生。Yu Y e n L i n k o的研究小组n 一 近期 以双(2，2，2 一 三氟代)烷基二酸乙酯和脂肪二醇为单体，严 格控制两种单体的等摩尔比，在 M m ie c h e i 脂肪 酶的催化下合成具 有生物相容性 的聚 酯。为了提高产物的聚合度，它们设计了一种 新的方法，在聚合过程中引入真空状态，将聚 合反应产物之一的 2，2，2 一 氟代乙醇除去，使 平衡大大 向聚合方 向移动，得到了高分子量 的聚酯，分子量达到 4 6，4 0 0(图 3)。i Q lI Q I()C h C C H 2 0一 C C H2 一C HC HC 一C一0一C H2 一C C h+H O一(C )一O H O (一)+o -C I-h o H 乙奠。CC H C I-hC一0一(C H2)寸n 田 1 脂肪奠催化合成(一)p 由(h I|诅 n o 一3，4一啊_ d i p 咖)H，C、a、=0 0 0 0=C ，L 0 q-HOC 一RC 一O H C=N一0一C一(c r h)e一0一N=C 。一 I bc 、C肼H脯3奠I 有 机 榴 H3 C OH、c：=oC 0 一l 一 c m)一 C 一 0 一 O H+l 一 =N 十一-c 一(-一 一 一 R c H 对 +一 rG H，C c H 衄，n=3，4 8 R=(c H=)I-|U cB cH一8 一 c 一 c H：一 l c。一 衄：一 c n+H 0 一 c 一。H M“e b e 腑 二荤t 鳙囊产臼+C F 3 一C t hOH 反应进墨中可真空囊击)田 3双(2，2，2 三代)烷基二tr-,l l l 庸脯t二N t 的奠促合成 3 2 7 维普资讯 http:/ 国外 医学生物 医学工 程分 册 1 9 9 7年第 2 O卷第 6 期 2 I 2 利用 内酯的开环聚合 反应模式如下：口 夫 H 0 (C H s)_ c _ o 0 0 H O一(c I-I,)开环聚合 在化学合 成法 中是司 空 见惯 的，但利用酶法进行开环 聚合反应只是近两 年的事，日本 的 K o b a y a s h i D o 等人采用 非溶 剂体 系(反应底 物同时 作为溶剂)，用 P s e u d o mo n o s f l u o r e s c e n s脂肪 酶 催化 己 内酯 的开环聚合，得到 了较高分子量的聚合物，数 均分子量达 7 0 0 0 D 吉林大学曹淑桂等用 P s e u d o mo n o s f l u o r e s c e n s 脂肪酶和 Ca n d i d a 掰一 。一 H 0H 有 棚 七 OC 王 五 t c y l i n d r a c e a脂肪酶 在 6 O 条 件下 催化 E _ 已 内酯、丁 内酯、E _ 壬 内酯等，在不需要任 何 其它附加条件下(如底物活化)合成了聚酯，分子量达 2 5 0 0 0 D，并且 在同样反应条 件下 比较 了酶促线性 聚合和开环聚合反应，确定 了开环聚合反应 的最佳条件，并提 出了开环 聚合反应可能的机制，认为它不同于一般的 线性聚合，而是一个有水分子参与的过程。最 近，有人利用环状二酸酐的开环与线性二醇 聚合(图 4)，反 应 在 甲苯 中进 行，用 P s e u d o mo n s f l u o r e s c e n s脂肪酶作催化剂，反 应 条 件 温 和，但 聚 酯分子量较低(Mn约为 3 O 0 O D)，这可能是 由于酸酐极性太强限制了 酶 活力的充分发挥。另外作者认为只有含 8 个碳以上的脂肪二醇才能发生聚合反应。o o+c B cm o 一 一(c地)一昱：一。一 C I I2 一 c n 。总的来说，由于酶促合成聚 酯类高分子 化合物具有单体原料的易褥性(可直接通过 微生物发酵得到)、聚合物良好的生物可降解 性等优点，酶促合成 聚酯类可生物 降解高分 子化合物已经越来越引起研究者们的注意。2 2 聚糖酯类可生物降解化台物的酶促合 成 Q l 一 1 I c h I 1 舢 由于天然多糖类作为可生物降解材料有 不尽人意之处，因而改性天然多糖类 就成为 人们关注的焦点之一。利用生物方法开发这 类高分子化合物当然也不会例外。酶法开发 的主要途径实际上大多是在聚酯链上引入糖 基 以增强聚合物的生物可降解性能。主要合 成模式如下：o人 啪 一 伽：。H 一 8 一。一 恤 帅 (clb)I+肛 伽 (c 上 0 (一 帅 维普资讯 http:/ 国外医学生物医学工程分册 1 9 9 7 年第 2 o 卷第 6期 式 中糖作为二醇的单位，如果用化学方法聚 合，需要将有些羟基保护起来以避免副反应，聚合完毕后，再脱保 护，反应过程复杂，还有 异构体 生成0 。而用酶法合成不需要基团保 护(酶优先催化 6位羟基酯化)，反应条件温 和。Do r d i c k r“：利 用蔗糖 作 为羟基 供体，2，2，2-三氟代乙醇 丁二酸酯 为酰基供体，蛋 白 酶作催化剂催化合成糖酯，产物是水溶性的，聚合度达到 3 0。R e t wi s c h和 D o r d i c k用这种 方法将棉子糖与己二酸聚合，反应的位置选 择 性好(只酰化 1位和 6位的羟基)，分子量 达到 1 3 8 0 0 D，得到的聚酯生物相窖性好，能 被各种脂肪酶和蛋白酶所降解。2 3 酶促合成法与化学合成法的结合使用 酶促合成法具有优异的位置及立体选择 性，而化学聚合则能有效 的提高聚合物 的分 子量，因此，为了提高聚合的效率，现在 有的 研究者已开始将目光转向酶促与化学方法联 合使用来合成可生物降解的高分子材料。它 们的基本思路是：利用酶的选择性来催化一 个选择性的步骤，合成能聚合的单体或寡聚 体，然后利用化学方法聚合，得到生物相窖性 很好的高分子化合物。P a t i l=-利用蔗糖和丙烯酸乙酯 为单体，以蛋 白酶为催化剂，在吡啶中合成了丙烯酸 蔗糖酯，分子量达 9 1 0 0 0 D，聚合物高度无定 形并且是水溶性的。这种聚丙烯酸蔗糖酯能 被脂肪酶和蛋白酶所降解释放出蔗糖。Ma r g o l i n等人 利 用 P e s e u d e mo n a$脂 肪酶 催 化酰化外消旋 的脂肪 醇和胺，合成有光学活 性的丙烯酸衍生物，然后利用自由基聚合反 应合成高分子聚合物，产物旋光纯度 9 8 以 上，分子量达到 4 D。3 结语 可生物降解高分子材料在 医学上的应用 越来越广泛，医学的迅速发展需越来越多的 新型生物材料来满足临床的需要，因此合成 可降解聚合物的研究有待进一步深入。利用 酶法开发可生物降解高分子材料，作为一种 新型的、有广阔前景的方法，必将会发挥其应 有的价值。参考文献 1 G r i j p ma D W e t a 1 P o l y me r 1 9 9 0)3 1：2 2 0 2 2 Ke n l e y R A，e t a 1 M a c r o m o l e c u l e s 1 9 8 7 2 O l 2 3 9 8 3 Zh u KJ，e t a 1 J Po l y m S c i P a r t Cl P o l y m Le t t 1 9 8 6 I 2 4：3 3 1 1 4 Fu k u z s k i H，e t a 1 P o l y m e r 1 9 9 0l 3 1 2 0 0 6 5 曹淑 挂 化学通 报 1 9 9 5 5：5 6 M a r g ol i n A L，e t a 1 Te t r a h e d r o n Le t t 1 9 8 7)2 8：16 07 7 Wa l l a c e J S e t a 1 J Po l y m S c i P a r t A：P o l y m C h e m 1 9 8 9 2 7：2 5 5 3 8 At h a wa l e V D e t a 1 B i o ma t e n o l L e t t 1 9 9 4 l 1 6 (2)：1 4 9 9 Li n k o Y Y e t a 1 Te e h n o l l 9 9 5 l l 7t 5 0 6 1 0 Ko b a y s hi S，e t a 1 Ma k r o mo l Ch e m Ra p i d C o mmu n 1 9 9 3 1 4：8 4 1 1 1 P a t ti D R，e t a 1 B i o t e c h n o l B i o e n g 1 9 9 1 l 3 7：63 9 1 2 Pa t i l D R，e t a 1 M a c r o mo l e c u l e s 1 9 9 1 l 2 4：3 4 6 2 1 3 Ma r g o l i nA L e t a 1 J Am Ch e m S o c1 9 9 1 I 1 1 3：46 9 3 (收稿 日期：1 9 9 7 8 1 8)3 29 维普资讯 http:/