一种表面官能化聚合物物体及其生产方法
本发明的相应工作已经从欧盟第七框架计划FP7/2007-2013获得了拨款协议号为604049的资助。
技术领域
本发明涉及一种表面官能化聚合物物体，所述表面官能化聚合物物体包括聚合本体材料和官能化表面层。本发明还涉及一种通过电纺丝生产表面官能化的多孔物体的方法。
背景技术
通常，聚合物是根据目标应用或其可加工性，而按照其物理或化学本体性质来选择的。然而，相应应用中往往需要聚合物不具有的特定表面特征。例如，在医学应用中可能需要血液相容性。在此，进行表面官能化，所述表面官能化赋予本体材料所需的表面特征。所述官能化必须在使用条件下保持稳定。
在将本体材料加工成装置之后，可以在后处理步骤中对本体材料进行表面改性。后处理方法允许实现多种功能，但涉及附加处理步骤。另一方面，其它方法将表面官能化集成在生产过程中，从而减少了处理步骤的数量，但有可能限制所述方法的灵活性。
许多表面官能化是基于官能化化合物与表面的共价结合。共价官能化通常必须通过涉及附加处理步骤的后处理方法来实现。此外，共价结合所进行的化学反应可能引起材料的表面或本体特征的不期望的变化。在涉及材料生物降解的医学应用的情况下，共价修饰会导致材料进行必要医疗审批的高投资。
还已知的是通过纯物理吸附(例如经由疏水/疏水相互作用)的非共价官能化。然而，长远来看，物理吸附的物质将不可避免地与表面分离。在将诸如RGD肽或蛋白质等亲水性或水溶性化合物粘附至细胞表面的情况下，在生理条件下会在数分钟或数小时内观察到相当快的释放。
在表面或边界表面处聚(D-丙交酯)(PDLA)与聚(L-丙交酯)(PLLA)之间形成立构复合物已被用于调节表面的粗糙度或亲水性(Recent advances in stereocomplexationof enantiomeric PLA-based copolymers and applications,Zibiao Li,Beng HoonTan,Tingting Lin,Chaobin He,Progress in Polymer Science，2016，第62卷，第22-72页)。在一种情况下，报道了基于这种超分子相互作用的表面生物官能化(Polymers 2011，第3卷，820-832)。在此，PLLA电纺丝多孔管的内部经由低聚(D-丙交酯)-接头而被肽官能化，所述低聚(D-丙交酯)-接头与该肽的N末端偶联并与PLLA形成立构复合物。此外，研究了官能化管作为人工神经通道的适用性。
然而，由于以下原因，上述方法对于医疗应用的适用性有限。PLLA的玻璃化转变Tg在50℃与60℃之间。因此，在生理温度下PLLA具有低弹性，并且作为本体材料，其在GPa范围内具有非常高的弹性模量(E模量)。因此，当在生理条件下的医学应用中高弹性、低E模量和高形状稳定性是必不可少的时，PLLA是不合适的。此外，上述使用聚合物(例如PLLA)与官能化物质(例如肽)的混合溶液进行电纺丝的方法可能导致官能化物质在聚合物纳米或微纤维的整个横截面上或多或少的均匀分布。具体地，在低混合比下，只有极小部分的官能化物质位于聚合物纤维的表面上并由此可用于与环境相互作用。然而，在高混合比的官能化物质下，聚合物纤维的物理性质发生强烈的改变。
发明内容
因此，需要克服了上述问题、适用于医学应用中的表面官能化聚合物物体，诸如纤维或膜。该物体的官能化应当在生理条件下稳定。理想地，该物体在使用温度下应具有高弹性和低弹性模量。还需要提供生产此类表面官能化聚合物物体的可行方法。
通过如在独立权利要求中定义的表面官能化聚合物物体及其生产方法至少部分地解决了这些目的。本发明的其它实施方案是从属权利要求的主题。
根据本发明的表面官能化聚合物物体包括以下物质或由以下物质组成：
本体材料，所述本体材料包含共聚物(或该共聚物与其它聚合物的共混物)，所述共聚物含有衍生自第一共聚单体的构成单元和衍生自第二共聚单体的构成单元，所述第一共聚单体选自L-丙交酯和D-丙交酯并形成所述共聚物中的低聚(L-丙交酯)或低聚(D-丙交酯)序列，所述共聚物具有基本上无规的部分嵌段结构，所述结构的(丙交酯-丙交酯)-二联体与(丙交酯-第二共聚单体)-二联体的二联体比率为至少2.0:1，以及
表面层，所述表面层设置在所述本体材料的表面上，所述表面层包含官能化物质和与所述官能化物质共价结合的至少一条聚(D-丙交酯)或聚(L-丙交酯)链，当所述共聚物中存在低聚(L-丙交酯)链段时，所述至少一条链为聚(D-丙交酯)；并且当所述共聚物中存在低聚(D-丙交酯)链段时，所述至少一条链为聚(L-丙交酯)，
其中所述表面层分别经由在官能化物质的聚(D-丙交酯)链与所述共聚物中所包含的低聚(L-丙交酯)序列之间形成的立构复合物或经由在官能化物质的聚(L-丙交酯)链与所述共聚物中所包含的低聚(D-丙交酯)序列之间形成的立构复合物而附接到所述本体材料。
根据本发明，本体材料包含具有低聚(L-丙交酯)(低聚-LLA)或低聚(D-丙交酯)(低聚-DLA)序列和第二共聚单体的基于丙交酯的共聚物。由于共聚物中存在第二共聚单体，因此可以根据所述物体的目标应用来调节所述共聚物的弹性特性。更具体地，如果例如第二共聚单体是ε-己内酯(CL)，则该共聚单体允许将共聚物的玻璃化转变温度调节为远低于预期应用的使用温度，特别地远低于20℃。以这种方式，可以将共聚物调谐为在室温下有弹性。
此外，当在生产过程中，使具有至少一个共价结合的聚(D-丙交酯)或聚(L-丙交酯)链的官能化分子与包含该共聚物的本体材料接触时，在所述共聚物的低聚-LLA序列与官能化物质的PDLA链之间或者在共聚物的低聚-DLA序列与官能化物质的PLLA链之间的立构复合物将容易地形成。丙交酯(LA)的两种立体异构体之间的成对低聚-LLA/PDLA或低聚-DLA/PLLA形式的立构复合物形成微晶，所述微晶充当本体材料与官能化物质之间的物理(非共价)键。微晶的熔点为180℃或更高，并且在材料将在生理环境中降解的时刻之前一直是稳定的。尽管为非共价键，但是该键的稳定性类似于共价键的稳定性。
根据本发明的表面官能化聚合物物体具有以下特征：
·即使在生理条件下，表面官能化的附接也在宽温度范围内具有高强度和稳定性
·表面官能化可以集成在生产过程中，并且不需要附加处理步骤
·弹性特性(断裂伸长率、弹性模量、形状稳定性)可以通过本体材料的共聚物中的第二共聚单体单元的类型和量来调节。
·可用于各种官能化物质
·生物/水解降解性
·高生物相容性
本发明的另一方面涉及一种生产根据本发明的表面官能化聚合物物体的方法。所述方法包括：
–提供衍生自第一共聚单体和第二共聚单体的共聚物(或所述共聚物与其它聚合物的共混物)的第一溶液，所述第一共聚单体选自L-丙交酯和D-丙交酯并在所述共聚物中形成低聚(L-丙交酯)或低聚(D-丙交酯)序列；
–提供官能化物质的第二溶液，所述官能化物质具有至少一条与其共价结合的聚(D-丙交酯)或聚(L-丙交酯)链；以及
–对所述第一溶液和所述第二溶液进行同轴电纺丝，以产生具有共聚物核心和官能化分子表面层的纤维。
因此，通过从单独的溶液进行同轴电纺丝的方式，能够在单个步骤中产生表面官能化的物体，所述表面官能化的物体在此为包含聚合物纳米纤维或微纤维的多孔支架的形式。在溶剂蒸发后或在将电纺支架退火到高于PLA的Tg(>50℃)之后，将容易地形成本体材料与官能化物质之间的立构复合物。由于官能化物质结合在聚合物纤维的外表面上，因此其极易用于与环境进行相互作用。可以沉积以此方式产生的表面官能化纤维，诸如以形成由所述纤维堆积而成的非织造纤维结构。
本发明的其它实施方案是从属权利要求的主题。
在没有相反指示的情况下，本发明的权利要求书、说明书或附图中公开的本发明的各种实施例可以彼此组合。
附图说明
本发明将通过实施例详细说明。附图示出：
图1根据本发明的实施方案的表面官能化聚合物物体的横截面：A：表面官能化的膜，B：表面官能化的纤维；
图2明胶的PDLA-官能化；
图3同轴电纺丝的拼缀物(patch)的扫描电子显微镜(SEM)图像，所述同轴电纺丝的拼缀物包含作为内核的聚合物共混纤维[95:5w/w[P(LLA-co-CL)67/33]+PDLA-16k]，以及外部的PDLA官能化明胶薄层；
图4电纺共混物[95:5w/w[P(LLA-co-CL)67/33]+PDLA-16k]的ATR-FTIR光谱；以及同轴电纺共混物[95:5w/w[P(LLA-co-CL)67/33]+PDLA-16k]与PDLA官能化明胶的ATR-FTIR光谱；
图5同轴电纺共混物[95:5w/w[P(LLA-co-CL)67/33]+PDLA-16k]与PDLA官能化明胶的WAXS衍射图；
图6在使用样品提取物(样品在细胞培养基中于37℃孵育72小时)和稀释的样品提取物，以载于聚苯乙烯上的细胞培养基中(阴性对照、阳性对照)进行细胞生长48小时后L929细胞的活力；荧光素二乙酸酯和碘化丙啶染色；平均值±标准偏差；
图7L929细胞在用纯培养基(A、B，阴性对照)和样品的72小时处的提取物(E、F；未稀释)；阳性对照(C、D)培养48小时的L929细胞。透射相衬显微术，主放大倍数为10倍(A、C、E)和20倍(B、D、F)；比例尺表示100μm；并且
图8用纯培养基(阴性对照)、样品的72小时处提取物和阳性对照(含1mM CuCl2resp.细胞裂解液的培养基)培养L929细胞48小时后，细胞的细胞外液乳酸脱氢酶(LDH)活性和线粒体活性；平均值±标准偏差，n＝4。
具体实施方式
本发明提供了一种表面官能化聚合物物体。所述物体包含以下物质或由以下物质组成：
本体材料，所述本体材料包含共聚物(或该共聚物与其它聚合物的共混物)，所述共聚物含有衍生自第一共聚单体的构成单元和衍生自第二共聚单体的构成单元，所述第一共聚单体选自L-丙交酯和D-丙交酯并形成所述共聚物中的低聚(L-丙交酯)或低聚(D-丙交酯)序列，所述共聚物具有基本上无规的部分嵌段结构，所述结构的(丙交酯-丙交酯)-二联体与(丙交酯-第二共聚单体)-二联体的二联体比率为至少2.0:1，以及
表面层，所述表面层设置在所述本体材料的表面上，所述表面层包含官能化物质和与所述官能化物质共价结合的至少一条聚(D-丙交酯)或聚(L-丙交酯)链，当所述共聚物中存在低聚(L-丙交酯)链段时，所述至少一条链为聚(D-丙交酯)；而当所述共聚物中存在低聚(D-丙交酯)链段时，所述至少一条链为来自聚(L-丙交酯)，
其中所述表面层分别经由在官能化物质的聚(D-丙交酯)链与所述共聚物中所包含的低聚(L-丙交酯)序列之间形成的立构复合物或经由在官能化物质的聚(L-丙交酯)链与所述共聚物中所包含的低聚(D-丙交酯)序列之间形成的立构复合物而附接到所述本体材料。
一方面在本体材料中并且另一方面在表面层中的衍生自L-丙交酯的构成单元和衍生自D-丙交酯的构成单元的组合允许在分别存在于本体材料或表面层中的聚(L-丙交酯)(PLLA)序列与存在于表面层或本体材料中的聚(D-丙交酯)(PDLA)互补序列之间形成立构复合物。立构复合物形成稳定的微晶，所述微晶在边界界面处充当物理(非共价)键。
官能化物质
官能化物质是可以赋予本体材料的表面所需特性的化合物。取决于物体的预期用途，典型的所需表面特性包括亲水特性、疏水特性、疏油特性、血液相容特性、(非)细胞毒性特性等。物质是按照这些特性选择的。为了提供具有不同特性的表面，可以在表面层中组合两种或更多种官能化物质。
表面层的官能化物质可以是大分子(高分子量分子)或低分子量分子。通常，大分子的分子量为5kDa或更大。大分子可以是由一个或多个重复单元构建而成的聚合物。该聚合物可以是合成聚合物或生物聚合物，并且可以具有直链、支化或超支化的结构。生物聚合物可以选自蛋白质(诸如明胶、胶原蛋白、层粘连蛋白、纤连蛋白、纤维蛋白原等)、多糖(例如透明质酸、硫酸软骨素、肝素、硫酸乙酰肝素、硫酸角蛋白等)、糖蛋白、蛋白聚糖、多核苷酸，木质素、碳氢化合物等。合成聚合物包括具有官能团作为端基和/或侧基的合成聚合物。合成聚合物的示例包括基于聚乙二醇或聚甘油的体系。同样，低分子量分子可以是合成的有机分子或生物分子。典型的低分子量分子包括药物、短肽(≤20个氨基酸)、染料、标记物等。
官能化物质由至少一条聚丙交酯链(PLLA或PDLA)共价(即经由化学键)官能化。官能化物质的聚丙交酯链的目的是与本体材料中包含的共聚物的低聚丙交酯序列形成立构复合物。因此，官能化物质的聚丙交酯链选自聚(D-丙交酯)和聚(L-丙交酯)，使得丙交酯链包含相对于本体材料的互补异构体。更具体地，当本体材料的共聚物含有衍生自L-丙交酯的构成单元时，官能化物质由聚(D-丙交酯)链官能化。如果本体材料的共聚物含有衍生自D-丙交酯的构成单元，则官能化物质由聚(L-丙交酯)链官能化。
在优选的实施方案中，官能化物质具有两条或更多条与其共价结合的聚(D-丙交酯)或聚(L-丙交酯)链。如果所述物质具有多于一条聚丙交酯链，则表面层与本体材料的附接的稳定性增大。具体地，在大分子作为官能化物质的情况下，优选将所述官能化物质用多条聚丙交酯链共价官能化。
然而，本发明还包括对官能化物质的单一聚丙交酯修饰，特别是在低分子量小分子的情况下。
出于本说明书的目的，术语“聚(L-丙交酯)”或“聚(D-丙交酯)”包括短链，也称为低聚(L-丙交酯)或低聚(D-丙交酯)，以及相应丙交酯的长链。因此，聚(L-丙交酯)或聚(D-丙交酯)可以短至含有三个重复单元。
然而，根据优选实施方案，与官能化物质共价结合的聚(L-丙交酯)或聚(D-丙交酯)链的重均分子量Mw在1kDa至40kDa的范围内，特别地在5kDa至30kDa的范围内，优选地在10kDa至20kDa的范围内。
用聚(L-丙交酯)或聚(D-丙交酯)链对官能化物质进行共价修饰可以通过分别使带有限定亲核端基的PLLA或PDLA与官能化物质的限定亲电官能团特异性反应，或者使带有限定亲电端基的PLLA或PDLA与官能化物质的限定亲核官能团特异性反应来进行。例如，带有末端硫醇基的PDLA与甲基丙烯酸酯官能化的明胶反应，从而通过经由共轭加成将亲核硫醇基特定加成到亲电甲基丙烯酸酯基团上，而在PDLA与明胶之间形成共价键(图1)。硫醇官能化的PDLA可以通过使用双(2-羟乙基)二硫化物作为引发剂进行D,D-二丙交酯的开环聚合，然后用三(正丁基)膦还原所得的PDLA-二硫化物而合成。用甲基丙烯酸酯基团对明胶进行官能化可以通过使明胶中存在的伯胺基团与甲基丙烯酸缩水甘油酯特异性反应来执行。
本体材料
本体材料包含共聚物或由所述共聚物组成，所述共聚物包含衍生自第一共聚单体的构成单元和衍生自第二共聚单体的构成单元。所述第一共聚单体选自L-丙交酯(LLA)和D-丙交酯(DLA)，并在所述共聚物中形成低聚(L-丙交酯)(低聚-LLA)或低聚(D-丙交酯)(低聚-DLA)序列。所述共聚物可以是仅基于第一共聚单体和第二共聚单体的二元共聚物。或者，所述共聚物可以含有一种或多种其它共聚单体。
所述共聚物具有基本上无规的部分嵌段结构。无规共聚物包括统计上任意分布的重复单元，并且是通过从混合溶液或熔体中共聚共聚单体而获得的。术语“部分嵌段”是指共聚物包含分别为低聚(L-丙交酯)或低聚(D-丙交酯)的一些嵌段序列。因此，共聚物中的低聚(L-丙交酯)或低聚(D-丙交酯)序列可以短至含有三个重复单元的对应丙交酯。共聚物中的低聚(L-丙交酯)或低聚(D-丙交酯)的嵌段序列允许与对应互补链(即附接到官能化物质的聚(D-丙交酯)或聚(L-丙交酯))形成立构复合物。
共聚物中嵌段链段长度的程度可以通过平均二联体比率表示。二联体比率是共聚物链中存在的相同类型的共聚单体的同型二聚体(共聚单体1-共聚单体1)的数量与由两种不同的共聚单体形成的杂二聚体(共聚单体1-共聚单体2)的摩尔比。可以通过1H-NMR(核磁共振)光谱法确定二联体比率。根据本发明，该共聚物的(丙交酯-丙交酯)-二联体与(丙交酯-第二共聚单体)-二联体的二联体比率为至少2.0:1，特别地为至少2.5:1。当二联体比率小于2.0:1时，共聚物中低聚丙交酯嵌段的发生率变低，使得与官能化物质的聚丙交酯链进行的立构复合物形成也变少。优选的二联体比率可以随着第二共聚单体的选择而改变。根据本发明的一个实施方案，该共聚物的第二共聚单体是ε-己内酯，并且优选地丙交酯-丙交酯二联体(LA-LA)与丙交酯-ε-己内酯二联体(LA-CL)的二联体比率为至少2.5:1。
在实施方案中，基于共聚物的总重量，本体材料的共聚物中的L-丙交酯或D-丙交酯的重量含量在55wt％至90wt％的范围内，特别地在56wt％至67wt％的范围内，优选地在60wt％至64wt％的范围内。当共聚物中L-丙交酯或D-丙交酯的重量含量小于55wt％时，则可能阻碍合成过程中低聚丙交酯嵌段的形成，从而导致与表面层的聚丙交酯链形成较少的立构复合物和不良的结合强度。然而，如果共聚物中L-丙交酯或D-丙交酯的重量含量大于90wt％，则共聚物的玻璃化温度Tg将升高，影响是室温下的材料处于玻璃态下，即该材料没有弹性。
在优选的实施方案中，共聚物的第二共聚单体为ε-己内酯，也就是本体材料的共聚物选自聚[(L-丙交酯)-共聚-(ε-己内酯)]和聚[(D-丙交酯)-共聚-(ε-己内酯)]。
基于共聚物的总重量(100wt％)，聚[(L-丙交酯)-共聚-(ε-己内酯)]或聚[D-丙交酯)-共聚-(ε-己内酯)]中ε-己内酯的重量含量可以在25wt％至47wt％的范围内，特别地在33wt％至44wt％的范围内，优选地在36wt％至40wt％的范围内。当共聚物中ε-己内酯的重量含量小于25wt％时，共聚物的玻璃化温度Tg将升高，影响是该材料在室温下处于玻璃态下，即该材料没有弹性。然而，如果共聚物中ε-己内酯的重量含量大于47wt％，则可能会阻碍合成过程中低聚丙交酯嵌段的形成，从而导致在本体共聚物与表面上的官能化物质的聚丙交酯链之间形成很少或不形成立构复合物。
共聚物中ε-己内酯的功能是形成非晶相，所述非晶相的Tg远低于所需的使用温度，特别是室温。出于该目的，基于共聚物中的ε-己内酯的总摩尔量，共聚物的非晶相中存在的ε-己内酯的分数为至少25mol％，优选地在27-33mol％的范围内。
共聚物聚[(L-丙交酯)-共聚-(ε-己内酯)]或聚[(D-丙交酯)-共聚-(ε-己内酯)]可以通过将所需混合比率的共聚单体ε-己内酯与L,L-二丙交酯或ε-己内酯与D,D-二丙交酯的混合物通过开环共聚进行共聚而合成。
在实施方案中，尤其是当共聚物选自聚[(L-丙交酯)-共聚-(ε-己内酯)]和聚[D-丙交酯)-共聚-(ε-己内酯)]时，所述共聚物的重均分子量(Mw)为至少80kDa，优选地为至少100kDa。大于或等于80kDa的高分子量通过增加聚合物链的缠结来增强材料的弹性。就材料特性而言，对第一聚合物组分的分子量的上限值没有特别限制。然而，通过共聚物的标准合成方法可能难以实现大于300kDa的分子量Mw。重均分子量Mw可以通过经通用校准的凝胶渗透色谱法(GPC)来测量。
在本发明的特定实施方案中，本体材料包含共混物或由所述共混物组成，所述共混物包含如上所述的共聚物和第二聚合物组分，所述第二聚合物组分不同于所述共聚物并且选自聚(L-丙交酯)、聚(D-丙交酯)、聚[(L-丙交酯)-共聚-(ε-己内酯)]和聚[(D-丙交酯)-共聚-(ε-己内酯)]，其中所述共聚物和所述第二聚合物经选择为使得所得的聚合物共混物包含衍生自L-丙交酯的构成单元和衍生自D-丙交酯的构成单元的组合。在此类聚合物共混物中，立构复合物不仅形成到表面层上，而且还在本体材料内形成。这些立构复合物形成微晶，所述微晶充当网点从而将聚合物链以物理方式(非共价地)交联并赋予材料高弹性和形状稳定性。
在实施方案中，聚合物共混物的第二聚合物组分选自PLLA和PDLA。在这种情况下，其重均分子量Mw优选在1kDa至40kDa，优选2kDa至20kDa的范围内。通过将第二聚合物组分的分子量提供为低于40kDa，第二聚合物组分在共混物内的迁移率增大。由于第二聚合物组分的对应PLLA链或PDLA链充当用于在本体材料内形成微晶的成核位点，因此增大的迁移率导致更高的微晶形成速度和更快的结晶传播。另一方面，通过将第二聚合物组分的分子量提供为大于1kDa，增大了本体材料内的立构复合物的大小以及由此其稳定性。
可以通过开环聚合分别使单体L,L-二丙交酯或D,D-二丙交酯均聚来合成第二聚合物组分。如果第二聚合物组分选自聚[(L-丙交酯)-共聚-(ε-己内酯)]或聚[(D-丙交酯)-共聚-(ε-己内酯)]，则其合成可以以与关于聚合物共混物的第一组分所述相同的方式进行。
关于P(LLA-co-CL)或P(DLA-co-CL)当用作第二聚合物组分时的进一步特性，与关于第一组分所述的相同考量适用。
在实施方案中，聚合物共混物包含或由80wt％至99wt％的第一共聚物和1wt％至20wt％的第二聚合物组分组成。更优选地，聚合物共混物包含或由85wt％至97wt％的第一共聚物和3wt％至15wt％的第二聚合物组分组成。甚至更优选地，聚合物共混物包含或由90wt％至95wt％的第一共聚物和5wt％至10wt％的第二聚合物组分组成。通过调节两种组分的混合比，可以根据应用需求调节本体材料的机械特性。此外，当共混物中第二聚合物组分的含量大于20wt％时，如果第二聚合物组分具有低分子量，则材料变脆。此外，低于1wt％且高于20wt％，则断裂伸长率降低。因此，第二聚合物组分的重量含量在1wt％至20wt％的范围内，特别地为约10wt％，赋予了最高的弹性模量值。
根据本发明的优选聚合物共混物选自：包含聚[(L-丙交酯)-共聚-(ε己内酯)]和聚(D-丙交酯)的共混物[P(LLA-co-CL)/PDLA]、包含聚[(D-丙交酯)-共聚-(ε-己内酯)]和聚(L-丙交酯)的共混物[P(DLA-co-CL)/PLLA]，以及包含聚[(L-丙交酯)-共聚-(ε己内酯)]和聚[(D-丙交酯)-共聚-(ε己内酯)]的共混物[P(LLA-co-CL)/P(DLA-co-CL)]。
通过以上述目标混合比混合共聚物和第二聚合物组分，可以容易地制备聚合物共混物。为此目的，可以将单一组分以所需的重量比加入到合适的溶剂中并混合以获得混合的聚合物化合物的溶液。然后可以去除溶剂。或者，可以将单一组分单独溶于合适的溶剂中，之后将溶液混合，然后去除溶剂。如果需要的话，在去除溶剂之前，可以将混合溶液加工成模制物体。在例如但不限于1,1,1,3,3,3-六氟异丙醇或氯仿的合适溶剂中的混合溶液中，不会形成立构复合物，使得容易加工含有聚合物共混物的溶液。仅在去除溶剂之后，才将形成立构复合物，从而由于聚合物共混物中晶畴的形成而赋予材料高的弹性和稳定性。
本体材料的聚合物共混物在室温下是高弹性的，或者甚至是超弹性的。此外，该材料显示出高度的形状稳定性。术语形状稳定性表示释放变形力后初始形状的恢复程度。该共混物优选在25℃下的断裂伸长率在400％至1000％的范围内。断裂伸长率可以通过薄膜和/或电纺毡的单轴拉伸测试来确定。此外，根据本发明的聚合物共混物在25℃下的弹性模量可以在25MPa至150MPa范围内(本体聚合物)。弹性模量可以通过薄膜和/或电纺毡的单轴拉伸测试来确定。
可以通过任何标准的模制技术将聚合物共混物加工成三维物体。例如，由于事实上当共混物溶解时共混物内的立构复合物PLLA/PDLA被裂解，所以可以通过将聚合物共混物溶解在合适的溶剂中，将溶液制成所需的形状，然后去除溶剂来容易地加工该材料。在去除溶剂后，即使在室温下或在高于PLA的Tg(≥50℃)的高温下退火后，也将很容易形成立构复合物，从而产生具有所需三维形状的高弹性物体。
表面官能化聚合物物体
根据本发明的表面官能化聚合物物体可以具有任何形状，并且可以具有多孔或致密(无孔)的结构。
如图1所示，根据本发明的表面官能化聚合物物体10包括本体材料11和设置在本体材料11的表面上的包含官能化物质的表面层12。
例如，物体10可以是具有本体材料11的膜，其中该膜的一侧被表面层12覆盖，如图1A所示。或者，可以在膜(未示出)的两侧上设置表面层12。
在优选实施方案中，本体材料11具有涂覆有表面层12的纤维形式，如图1B所示。纤维的平均纤维直径在0.5μm至10μm的范围内，特别地在1μm至5μm的范围内，优选地在1.3μm至3μm的范围内。可以通过改变电纺丝工艺参数来控制纤维直径。
在更宏观的尺度上，根据本发明的表面官能化聚合物物体可以具有由图1B所示的表面官能化纤维形成的多孔非织造结构。通常，通过改变上述电纺丝工艺参数，可以将平均孔径控制在几百纳米至几百微米的范围内。在示例中，平均孔径在1μm至200μm的范围内。由于其多孔性，非织造物体具有关于聚合物共混物所述的实质上高的弹性(断裂伸长率)，但是具有较低的E-模量，通常为几MPa的量级。在实施方案中，物体在25℃下的断裂伸长率在250％至850％的范围内，特别地在350％至700％的范围内。在其它实施方案中，物体在25℃下的弹性模量在0.3MPa至5MPa的范围内，特别地在0.5MPa至1.5MPa的范围内。
生产表面官能化聚合物物体的方法
在实施方案中，可以通过两步程序来生产表面官能化聚合物物体，所述两步程序包括应用常规的模制技术(诸如浇铸或电纺丝)将本体材料模制成任何所需的形状(膜、纤维等)；之后用由聚(D-丙交酯)或聚(L-丙交酯)共价修饰的官能化物质的溶液对所述本体材料进行表面官能化。表面官能化可通过诸如滴落、喷涂、浸涂等任何技术来完善。溶剂的存在将使聚合物链具有足够的迁移率，以允许形成限定的立构复合物。
然而，在有利的实施方案中，根据本发明的表面官能化聚合物物体是通过如用于形成如图1A所示的表面官能化纤维一样的同轴电纺丝生产的。
所述方法包括以下步骤：
-提供衍生自第一共聚单体和第二共聚单体的共聚物(或所述共聚物与不同聚合物的共混物)的第一溶液，所述第一共聚单体选自L-丙交酯和D-丙交酯并在所述共聚物中形成低聚(L-丙交酯)或低聚(D-丙交酯)序列；
-提供官能化物质的第二溶液，所述官能化物质具有至少一条与其共价结合的聚(D-丙交酯)或聚(L-丙交酯)链；以及
-对第一溶液和第二溶液进行同轴电纺丝，以生产出具有共聚物(或其与不同聚合物的共混物)核心和官能化物质表面层(鞘)的纤维。
在第一步骤中，可以使用能够溶解共聚物(或其共混物)的任何溶剂或溶剂混合物。在一个示例中，溶剂是六氟异丙醇(HFIP)。用于溶解官能化物质的溶剂可以与用于共聚物的溶剂相同或为不同的溶剂。
在电纺丝步骤中，纤维由共聚物或其共混物形成。电纺丝设备包括用于存储第一溶液和第二溶液的单独的贮存器(通常是注射器)。两个贮存器都流体连接至同轴针，使得第一溶液与内管连接并且第二溶液与圆形外管连接。收集器被定位为与针尖相距预定距离并充当目标。在针与收集器之间施加电压。在同轴电纺丝过程中，聚合物溶液被挤压通过针头，由电压充电，并在电场中朝收集器加速。
可以将表面官能化的聚合物纤维沉积在收集器上。收集器的形状决定了该过程中形成的物体的形状。例如，收集器可以是简单的平板。在这种情况下，形成扁平的非织造纤维结构。然而，为了产生更复杂的形状，收集器可以具有这样的形状，所述形状充当用于待形成物体的形状的模具。此外，收集器可以是静态的，使得不会发生相对于针尖的运动。在实施方案中，收集器可以相对于针尖在一个、两个或三个方向上可移动，和/或可旋转，从而允许通过移动收集器来形成复杂的三维结构。
在同轴电纺丝过程中有各种工艺参数可以经改变以控制纤维的特性。工艺参数包括大气湿度、施加至针和收集器的电压、针与收集器之间的距离、聚合物溶液的聚合物浓度、聚合物溶液的溶剂、聚合物溶液通过针的流速、针尖的形状、收集器的旋转速度等。
在优选的实施方案中，选择电纺丝过程中的工艺参数，以便实现溶剂的快速蒸发。在其它实施方案中，选择电纺丝过程中的工艺参数以控制立构复合物的形成。在其它实施方式中，选择电纺丝过程中的工艺参数以使由于熵松弛(entropic relaxation)而引起的纺丝纤维及其形成的结构的收缩最小化。
在使纤维沉积之后，可以优选在60℃至120℃范围内的温度下对由此形成的物体进行热处理。热处理有助于形成立构复合物并增大结晶度。
工作实施例
通过一个具体的工作实施例来进一步解释本发明。在此，将基于丙交酯的共聚物共混物用明胶作为官能化物质进行官能化。通过同轴电纺丝生产明胶官能化的纤维，并对其细胞毒性进行进一步分析。
制备PDLA官能化的明胶
将明胶通过与甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)反应，之后共价偶联低分子量PDLA-硫醇(Mn＝15kg·mol-1)而官能化，如图2所示。通过以下方式来合成PDLA-硫醇：使用双(2-羟乙基)二硫化物作为引发剂进行D,D-丙交酯的开环聚合，之后用三(正丁基)膦将所得的PDLA-二硫化物还原为PDLA-硫醇。
合成甲基丙烯酸缩水甘油酯官能化的明胶(GMA-明胶)的典型方案如下：
将明胶(A型，来自猪皮，低内毒素含量，约290bloom，约312μmol NH2/g(TNBS测定)，30.1g)在pH 9.6的碳酸盐/碳酸氢盐缓冲液(50mM)中的10wt％溶液在50℃在1000mL圆底烧瓶中磁力搅拌，直至完全溶解(约1小时)。滴加甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)(31.5mL，32.8g，0.23mmol)，并将所得混合物在50℃下搅拌3小时。在缓慢搅拌下使产物在7倍体积的过量乙醇中沉淀，并浸泡过夜，过滤，并用乙醇洗涤。将沉淀的明胶切成小块，并在40℃减压干燥。GMA-明胶的产量通常在27-28g的范围内。GMA-明胶的TNBS测定通常赋予160-175μmol甲基丙烯酸酯基团/g(50-55％的官能度＝45-50％的残余NH2基团)。
合成PDLA官能化的明胶(PDLA-明胶)的典型方案如下：
在500mL圆底烧瓶中装入GMA-明胶(切成0.5cm大小的小块；5.00g；约0.84mmol的甲基丙烯酸酯基团)。加入HFIP(210mL)，并将混合物在48℃下剧烈搅拌3天，直到明胶团块溶解并获得浑浊的匀浆。将新鲜制备的PDLA-硫醇(10.0g，约0.63mmol的硫醇基)在HFIP(50mL)中的溶液加入到该混合物中，并在48℃下继续剧烈搅拌22小时。然后将反应混合物缓慢倒入剧烈搅拌的CHCl3(2000mL)中。在倾析上清液后，向沉淀的浆液中加入水(200-250mL)，并将所得混合物在48℃(>400rpm)下剧烈搅拌数小时，同时让残留的有机溶剂蒸发并在48℃继续搅拌过夜，以提供乳状溶液。通过离心使过量的PDLA(未与明胶共价结合)沉淀，将上清液冻干，之后减压干燥来获得产物。PDLA-明胶的产量通常为约5g。通过1H-NMR光谱确定官能化程度，通常约30％的甲基丙烯酸酯基团与PDLA-硫醇反应。
合成PDLA-二硫化物的典型方案如下：
在氩气气氛下，向500mL Schlenk烧瓶中装入D,D-二丙交酯(100.0g，639.8mmol)，并将其置于133℃的预热油浴中。将丙交酯磁力搅拌直至获得无色熔体。经由注射器加入双(2-羟乙基)二硫化物(505mg，3.27mmol)，并在133℃下继续搅拌混合物5分钟，然后滴加Sn(oct)2在无水THF中的稀溶液(112mg，0.278mmol，例如约5.05mL的THF溶液，浓度＝22.3mg/mL)，并将所得混合物在133℃下搅拌1小时，在此期间熔体变得高度粘稠并固化。使粗产物冷却至室温，溶于400mL氯仿中(在50℃下24小时)，并沉淀到10倍过量的甲醇中。然后将获得的沉淀物在60℃下减压干燥。PDLA-二硫化物的产量通常为约95g，并且通过1H-NMR测定的数均分子量(Mn)经分析为约30kg·mol-1(通过经通用校准的GPC测定的为25kg·mol-1)。
合成PDLA-硫醇的典型方案如下：
在氩气氛下，向500mL Schlenk烧瓶中装入PDLA-二硫化物(25.0g，0.82mmol)和氯仿(400mL)。将反应混合物磁力搅拌约1小时，直到获得澄清溶液。经由注射器加入5.0mL的三(正丁基)膦，并在室温下继续搅拌1小时。然后将含有粗产物的溶液沉淀到10倍过量的冷正己烷中。将获得的沉淀物在60℃下减压干燥。PDLA-硫醇的产量通常为约24-25g，并且通过1H-NMR测定的数均分子量(Mn)经分析为约15kg·mol-1(通过经通用校准的GPC测定的为17kg·mol-1)。
制备共聚物共混物组分P(LLA-co-CL)67/33和PDLA-16k]并表征对应的共混物95:5w/w
通过2-乙基己酸锡(II)(Sn(oct)2)催化的熔体中ε-己内酯与L,L-二丙交酯的混合物的开环聚合来如下执行共聚物[P(LLA-co-CL)67/33]的合成：在氩气氛下向500mL火焰干燥的三颈烧瓶(配备有磁力搅拌棒、橡胶隔片、PTFE阀和玻璃塞)装入L,L-二丙交酯(60.0g，416mmol)和通过蒸馏纯化的ε-己内酯(40.0g，350mmol)。将反应容器置于预热的油浴(140℃)中，并将混合物磁力搅拌直至完全熔融/溶解。然后滴加Sn(oct)2在无水THF中的稀溶液(5.6mL，浓度为22.28mg/mL Sn(oct)2)，并将所得混合物在140℃搅拌53小时以变成高度粘稠的聚合物熔体。从反应容器的中段取出一部分约10g的粗产物进行分析。然后将反应容器从油浴中移出并将剩余的粗产物冷却至室温，溶于氯仿(浓度＝50g/L)中，之后在10倍过量的甲醇中沉淀。将沉淀物在60℃减压干燥。纯化的共聚物的产量为69g。通过1H-NMR光谱测定，通过比较与丙交酯有关的CH部分的峰积分(5.06-5.20ppm)和与ε-己内酯有关的CH2部分的峰积分(4.02-4.15ppm)得出共聚物中的摩尔共聚单体比为LLA:CL＝67/33。由于在纯化之前从粗产物中取出了一部分，所以纯化后的共聚物的LA/CL比不同于合成中采用的单体的摩尔比(LA/CL＝70/30)，这是因为粗聚合产物表现出LA单元和CL单元的不均匀分布，分别在反应容器中段有更多的富含LA的共聚物，而在反应容器壁附近有更多的富含CL的共聚物。纯化的产物(在溶解和沉淀后)显示出LA单元和CL单元的均匀分布。通过对1H-NMR光谱中与LA-LA二联体(5.13-5.20ppm)和与LA-CL二联体(5.07-5.13ppm)相关的信号进行积分且通过比较积分强度，确定LA-LA/LA-CL的二联体比率(DR)＝3.0:1。
通过差示扫描量热法(DSC，第2次加热循环)确定纯化的共聚物的玻璃化转变温度(Tg)为-10℃。通过经通用校准的凝胶渗透色谱法(GPC)测定出该共聚物的重均分子量(Mw)为145±7kg·mol-1。
通过2-乙基己酸锡(II)(Sn(oct)2)催化的熔体中D,D-二丙交酯的开环聚合来如下执行PDLA-16K的合成：
在氩气气氛下，在500mL火焰干燥的Schlenk烧瓶(配备有磁力搅拌棒、NS29橡胶隔片和PTFE阀)中装入D,D-二丙交酯(20g，138.7mmol)。将反应容器置于预热的油浴(135℃)中，并将混合物磁力搅拌直至完全熔融。通过注射器将无水1-己醇(188mg，1.84mmol)滴加到搅拌的二丙交酯熔体中。5分钟后，滴加Sn(oct)2在无水THF中的稀溶液(1.0mL，浓度为22.28mg/mL Sn(oct)2)，并将所得混合物在135℃下搅拌1小时以变成在反应结束时固化的高度粘稠的聚合物熔体。将反应容器从油浴中移出并将粗产物冷却至室温，溶于氯仿(250g/L)中，之后在10倍过量的冷甲醇中沉淀。将沉淀物在60℃减压干燥。纯化的PDLA-16K的产量为18g，通过GPC(通用校准)测定的重均分子量为16±2kg·mol-1。
为了表征本体聚合物共混物[P(LLA-co-CL)67/33+PDLA-16K 95:5w/w]的物理特性，如下制备溶液流延膜(solution-casted film)：将570mg P(LLA-co-CL)67/33与30mgPDLA-16K的混合物加入到12mL的氯仿中。使用热混合器将混合物在58℃和700rpm下搅拌2小时。将所得溶液冷却至室温，并倒入PTFE蒸发皿中。将该蒸发皿用铝箔紧密覆盖，并在通风橱中放置几天以蒸发掉溶剂，之后在60℃减压干燥过夜。获得的聚合物共混膜的厚度为95±7μm。
通过单轴拉伸测试来表征该膜，以确定本体聚合物共混物的机械特性。该材料表现出弹性模量为E＝26±2MPa，拉伸强度为σ最大＝24±5，并且断裂伸长率为εb＝889±83％。通过广角度x射线散射(WAXS)测定出聚合物共混物膜的总结晶度为24.9±0.3％，并且在2θ＝12°和21°处检测到了来源于[P(LLA-co-CL)67/33和PDLA-16K的低聚LLA链段的立构复合物的微晶的特定信号(以及在2θ＝17°和19°处对应于低聚LLA均聚物结晶的信号)。
通过同轴电纺丝制备表面官能化的聚合物纤维毡(拼缀物)
通过在室温下进行磁力搅拌来制备8％重量/体积(w/v)的聚合物共混物[95:5w/w的P(LLA-co-CL)67/33和PDLA-16k]在六氟异丙醇中的第一溶液。因此，制备了1％w/v的PDLA-明胶在六氟异丙醇中的第二溶液。将两种溶液同时进行同轴电纺丝。表1中汇总了纺丝参数。
表1：[95:5w/w P(LLA-co-CL)67/33+PDLA-16k]和PDLA-明胶的同轴电纺丝参数。
HFIP：六氟异丙醇；C：浓度；V：电压；D：针与收集器之间的距离；
所得产物为电纺纤维的多孔非织造拼缀物，如根据扫描电子显微镜(SEM)图像(图3)确定的，所述电纺纤维表现出的平均纤维直径为1.4±0.3μm。根据图1B所示的结构，所述纤维具有基于丙交酯的聚合物共混物[95:5w/w的P(LLA-co-CL)67/33和PDLA-16k]核心和外部的官能化物质(PDLA-明胶)薄层。
通过衰减全反射傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR)分析所述拼缀物。在图4中描绘了同轴电纺官能化材料与未官能化的电纺纯聚合物共混物[95:5w/w P(LLA-co-CL)67/33+PDLA-16K]的ATR-FTIR光谱比较。在约1645cm-1和1540cm-1处的附加小条带对应于蛋白质(明胶)的酰胺I和酰胺II羰基振动，因此证明了聚合物纤维表面上明胶的存在。
此类同轴电纺拼缀物的广角度X射线散射(WAXS)图案在图5中示出。2θ＝12°(以箭头标记的)处的信号确认了低聚LLA/PDLA立构复合物的存在。
细胞毒性测试
如上所述生产的同轴电纺拼缀物通过了根据DIN EN ISO 10993-5和10993-12的细胞毒性测试(间接测试)。将拼缀物样品在细胞培养基中于37℃孵育72小时，并将提取物用于培养L929细胞(小鼠成纤维细胞)。将聚苯乙烯用于阴性和阳性对照测试中。
如图6所示，细胞保持高活力。此外，如在透射相差显微镜中观察到的，细胞几乎没有形态变化(图7)。没有测量到明显的乳酸脱氢酶(LDH)释放(图8，上部)和高线粒体活性(图8，下部)。
总的来说，数据证实了所述同轴电纺拼缀物适用于医疗应用。
