一種可降解的溫敏型嵌段共聚物及其製備方法
2023-06-18 19:29:56 2
專利名稱：一種可降解的溫敏型嵌段共聚物及其製備方法
—種可降解的溫敏型嵌段共聚物及其製備方法技術領域
本發明屬於生物醫用材料及功能高分子材料的製備技術領域，特別涉及一種可降解的溫敏型嵌段共聚物及其製備方法。
背景技術：
聚乳酸(PLA)及其共聚物是一類生物相容性和生物降解性均優的高分子材料，由於其降解產物為二氧化碳和水，整個降解過程及降解產物對生物體無害，因此被廣泛用於藥物控釋載體、手術縫合線和組織修復等方面的研究。聚N-異丙基丙烯醯胺(PNIPAM)是一種典型的具有溫度響應特性的水溶性聚合物，其水溶液在最低臨界溶解溫度(LCST=32 V ) 時發生溶膠(Sol)-凝膠(Gel)轉變，該溫度與人體溫度接近，且轉變響應迅速。原子轉移自由基聚合(ATRP)是製備嵌段共聚物的一種有效方法。在原子轉移自由基聚合中，體系中的自由基濃度很低，自由基之間的雙基終止反應得到了有效的抑制，可成功實現活性聚合， 故可通過ATRP的方法合成結構規整、分子量和組成可控的嵌段共聚物。Matyjaszewski[1] 與Brittainf2]等人報導了醯胺類的單體進行ATRP聚合，鏈末端活性中心的銅離子容易和單體中的醯胺基團發生鈍化作用降低甚至失去活性，同時氨基也會取代活性鏈末端的滷原子導致單體轉化率很低。選用絡合能力很強的三-(N，N-二甲基氨基乙基)胺(Me6TREN)配體與催化劑滷化亞銅(CuX)進行配合，可增強對ATRP反應的控制能力。
專利CN 102558464A[3]設計製備了一種星型嵌段共聚物POSS_PCL_PNIPAM，並對以此製備的納米膠束進行了載藥研究，證明了這種膠束在藥物釋控方面應用的可能性。但是作為聚合起始物質的POSS-OH為多羥基籠型結構，作為ε -己內酯開環聚合引發點的羥基含量也無法控制，因此星型嵌段共聚物的支鏈數目不受控制；同時，其反應溶劑為二甲基甲醯胺(DMF)，溶劑中的醯胺基團容易造成活性中心的銅原子鈍化，進而影響反應活性。專利CN 101053681Α[4]以MPC為引發劑，經端基修飾後引發NIPAM的ATRP聚合，製備了一種三臂二嵌段星型嵌段共聚物MPC-PNIPAM應用於血管栓塞材料，並對該物質的凝膠速度和細胞毒性進行了說明；但其採用的催化劑為1，4，8，11-四甲基-1，4，8，11-四氮雜環四癸烷 (Me4cyclam)，雖然可以獲得較高的單體轉化率，但也缺乏可控性。以上二者在製備嵌段共聚物之前，都需要製備用以實現星型結構的多官能度分子，前者需要製備P0SS-0H，後兩者則需要製備三官能度的引發劑「三(2-溴代異丁醯氧基)乙胺」(TrisE)。發明內容
本發明的目的是提供一種兼含有可降解聚乳酸(PLA)鏈段和溫敏聚N-異丙基丙烯醯胺(PNIPAM)鏈段的兩嵌段共聚物(PLA-PNIPAM)或三嵌段共聚物 (PNIPAM-PLA-PNIPAM),其可用於靶向藥物控釋和智能溫敏開關材料。
本發明的技術方案為將通過活性開環聚合所得的一端或雙端羥基轉化成烷基滷原子後的聚乳酸(PLA-X、X-PLA-X)為大分子引發劑，引發N-異丙基丙烯醯胺(NIPAM)單體進行原子轉移自由基聚合(ATRP)，製備PLA-PNIPAM或PNIPAM-PLA-PNIPAM直鏈型兩嵌段或三嵌段共聚物。
本發明所述的可降解的溫敏型嵌段共聚物為兼含有聚乳酸鏈段和聚N-異丙基丙烯醯胺鏈段的直鏈型兩嵌段共聚物或三嵌段共聚物；所述的兩嵌段共聚物中聚乳酸鏈段為第一鏈段，聚合度為15-83，聚N-異丙基丙烯醯胺鏈段為第二鏈段，聚合度為10-26 ;所述的三嵌段共聚物中聚乳酸鏈段為中間鏈段，聚合度為32-69，聚N-異丙基丙烯醯胺鏈段為雙端鏈段，聚合度為11-24 ;所述的聚乳酸鏈段具有可降解性，聚N-異丙基丙烯醯胺鏈段具有溫敏性。
將上述可降解的溫敏型嵌段共聚物O. Olg-O. 05g溶於Iml DMF中，然後加入 10-20ml去離子水形成溫敏型可降解膠束，該膠束以聚乳酸為內核，聚N-異丙基丙烯醯胺為殼；該膠束隨著溫度升高，粒徑變小，當溫度降低，粒徑增大。
本發明所述的可降解的溫敏型嵌段共聚物的製備方法為以PLA-X或X-PLA-X為大分子引發劑引發N-異丙基丙烯醯胺單體進行原子轉移自由基聚合得到直鏈型兩嵌段共聚物或三嵌段共聚物；X為Br或者Cl ；PLA為聚乳酸，聚合度為12-83。
所述的聚乳酸為聚(D，L-乳酸)、聚(D-乳酸)或者聚(L-乳酸)。
本發明所述的可降解的溫敏型嵌段共聚物的具體製備步驟為
(I)無水無氧，氮氣保護條件下，將l_2g的PLA-X或X-PLA-X、2-4g的N-異丙基丙烯醯胺加入反應瓶中，並加入溶劑二甲基亞碸5-10ml，磁力攪拌使之完全溶解；
(2)第一次使用液氮將體系凍實，抽真空-通氮氣循環3-4次；將體系取出後 25-40°C融凍，第二次液氮凍實後抽真空-通氮氣循環3-4次，氮氣保護下加入與PLA-X或 X-PLA-X等摩爾量的CuX，抽真空-通氮氣循環3-4次；將體系取出後25_40°C融凍，第三次液氮凍實後抽真空-通氮氣循環3-4次，氮氣保護下注射加入CuX摩爾量1-1. 5倍的三-(N，N-二甲基氨基乙基)胺，抽真空-通氮氣循環3-4次後密封體系；
(3)將整個反應體系密封后，磁力攪拌下60-80°C反應5_12h後使用液氮終止反應；混合液在去離子水中沉澱析出，去除未反應的N-異丙基丙烯醯胺單體或N-異丙基丙烯醯胺均聚物；過濾後25-40°C真空乾燥24-48h，得到含有殘留銅鹽催化劑的粗產品；將粗產品溶解在二氯甲烷中，轉移入分液漏鬥後依次用2-5wt%的HCl水溶液萃取2-3次， 去離子水萃取2-3次，收集有機相；減壓濃縮後在乙醇中沉澱析出，去離子水洗滌至無色中性；產物在25-40°C真空乾燥24-48h ;得純化後的PLA-PNIPAM直鏈型兩嵌段共聚物或 PNIPAM-PLA-PNIPAM直鏈型三嵌段共聚物。
NIPAM為丙烯醯胺類單體，在進行ATRP聚合，鏈末端活性中心的銅離子容易和單體中的醯胺基團發生鈍化作用降低甚至失去活性，同時，氨基也會取代活性連末端的滷素原子導致單體轉化率很低。因此為防止其與ATRP聚合活性中心發生絡合，本發明選用絡合能力很強的Me6TREN配體與催化劑CuX配合作為ATRP反應的催化體系，增強了對反應的控制能力。
本發明在CuBr/Me6TREN為催化體系的條件下，考慮到溶劑、催化劑、活性中心的相互影響，在四氫呋喃、DMF、DMSO三種溶劑體系中進行ATRP聚合反應，結果表明只有在DMSO 溶劑中，X-PLA-X才能弓I發NIPAM進行ATRP聚合，分析原因可能在於，以二甲基亞碸為溶劑， 避免了溶劑與活性中心的鈍化作用，同時，DMSO是一種極性非質子溶劑，既能與水互溶，又能溶解大部分聚合物，因此適合製備兩親性嵌段共聚物。CN 102977294 A說明書3/5 頁
本發明結合了聚N-異丙基丙烯醯胺(PNIPAM)的溫度響應特性與聚乳酸(PLA) 的生物相容性及可降解特性，通過活性開環聚合與原子轉移自由基聚合技術，製備了兼含有溫敏鏈段PNIPAM和可降解鏈段PLA的直鏈型兩嵌段或三嵌段共聚物PLA-PNIPAM或 PNIPAM-PLA-PNIPAM。由於活性開環聚合與ATRP聚合具有良好的可控性，所得共聚物分子量可控，鏈結構規整，鏈段組成可調，且具有溫度響應、生物可降解及生物相容的特性。由於同時具有兩親性和溫敏性，該共聚物可以在水中形成穩定的溫敏膠束，可用於靶向藥物控釋，即通過PLA嵌段與PNIPAM鏈段的協調實現載體的溫度響應和藥物的控制釋放。
圖 I 為實施例 I 製備的 PNIPAM-PLA-PNIPAM、Br-PLA-Br, HO-PLA-OH、NIPAM 的 IR 對比譜圖。
圖2為實施例I製備的Br-PLA-Br的1H-NMR譜圖。
圖3為實施例I製備的PNIPAM-PLA-PNIPAM的1H-NMR譜圖。
圖4為實施例I製備的HO-PLA-OH和實施例2製備的PLA-OH的IR對比譜圖。
具體實施方式
實施例I
I)大分子HO-PLA-OH的製備
採用外消旋丙交酯(D，L-Lactide)開環聚合物製備端羥基聚乳酸PLA-0H， 以1，4_ 丁二醇(1，4-BD)為擴鏈劑，製備雙端羥基聚乳酸H0-PLA-0H，其中辛酸亞錫 [Sn(Oct)2]為催化劑。D，L-丙交酯粗品在乙酸乙酯中重結晶3次，熔點測試125±1°C以保證D，L-丙交酯的純度。甲苯加鈉(Na)絲攪拌除水後蒸餾精製。
聚合過程中，取35g經過重結晶純化的D，L-丙交酯，加入經過高溫火焰處理除水的反應瓶，抽真空-通氮氣(排空氣)處理3次以上，密封體系；磁力攪拌，油浴140°C 使D，L-丙交酯完全溶解；量取2g催化劑Sn (Oct) 2配製成O. 05mol/L的甲苯溶液，並將 O. 6g的1，4-BD溶解其中，混合均勻，後用注射器全部加入體系中；恆溫140°C反應5h後結束反應；在90°C用丙酮回流、溶解聚合產物，並在大量去離子水中析出，得乳白色粘稠狀 HO-PLA-OH ;溶解、沉析步驟重複3遍對HO-PLA-OH進行純化，以獲得設計分子量的窄分布產品；真空40°C乾燥48h後得乳白色固體聚乳酸31. 19g，產率為89. 0%。
2)大分子引發劑Br-PLA-Br的製備
利用HO-PLA-OH的端羥基與2_溴丙醯溴發生酯化反應生成末端帶溴原子的聚乳酸大分子引發劑Br-PLA-Br。2-溴丙醯溴減壓蒸餾精製。
該反應中，按摩爾比為n|5基n tK :n2_s_漠=1:2:5的比例將31g雙端輕基聚乳酸、 2g吡啶以及120ml 二氯甲烷溶劑加入到250ml三口燒瓶中；冰水浴(4°C )，通氮氣，磁力攪拌，使聚乳酸完全溶解；用二氯甲烷按5:1的體積比例稀釋2-溴丙醯溴，隨後滴加到反應體系中，滴加速度為I滴/秒；反應在氮氣保護下進行24h。反應結束後，產物分別用l%(wt) 的NaOH、l% (wt)的HCl溶液，以及去離子水清洗，分液後，產物倒入乙醇中沉澱析出，後將沉澱置於40°C真空烘箱中乾燥24h，最終得到Br-PLA-Br為26. 05g，產率為83. 6%。
IR測試譜圖如圖I所示；採用美國Nicolet Nexus FT-IR670型傅立葉變換紅外5光譜儀測定。
1H-NMR測試如圖2所示，端基分析產物的端基溴(-Br)含量為1.639，即每條 HO-PLA-OH平均含有I. 639個端羥基，理論為2. O。採用瑞士 BRUKER(布魯克)公司生產的 ARX-600型超導核磁共振波譜儀進行測試，內標TMS (四甲基矽烷)，溶劑為⑶Cl3。
3) PNIPAM-PLA-PNIPAM 的製備
以Br-PLA-Br為大分子引發劑，CuBr/Me6TREN作為催化體系，引發NIPAM進行ATRP 聚合製備PNIPAM-PLA-PNIPAM。NIPAM粗品經過正己烷做溶劑，甲苯做沉澱劑進行結晶純化 3-4次，室溫條件下真空乾燥至恆重。溶劑二甲基亞碸(DMSO)精製。
聚合過程中，高溫火焰處理反應瓶除水，抽真空-通氮氣循環3次除氧氣；在氮氣保護下將質量均為Ig的Br-PLA-Br、NIPAM單體加入50ml的反應瓶，並加入5ml溶劑DMS0， 磁力攪拌使Br-PLA-Br完全溶解；第一次使用液氮將體系凍實,抽真空_通氮氣循環3次; 將體系取出後40°C第一次融凍，第二次液氮凍實後抽真空-通氮氣循環3次，N2保護下加入 46mg的CuBr，抽真空-通氮氣循環3次；將體系取出後第二次40°C融凍，第三次液氮凍實後抽真空-通氮氣循環3次，氮氣保護下注射加入與CuBr等摩爾量的Me6TREN,抽真空-通氮氣循環3次後密封體系；整個反應體系密封、磁力攪拌80°C反應12h後使用液氮終止反應。產物在去離子水中沉澱析出，去除未反應的NIPAM單體或PNIPAM均聚物；過濾後40°C 真空乾燥24h，最終得到的PNIPAM-PLA-PNIPAM為I. 73g，產率為86. 5%。
將I. 73g產物溶解在50ml 二氯甲烷中，轉移入分液漏鬥後依次用5wt%的HCl水溶液萃取2次，去離子水萃取2次，收集有機相；減壓濃縮後在50ml乙醇中沉澱析出，並洗滌至無色中性；產物在40°C真空乾燥24h ;得I. 23g純化後的PNIPAM-PLA-PNIPAM直鏈型三嵌段共聚物。最終產率為61.5%。
IR測試譜圖如圖I中所示；採用美國Nicolet Nexus FT-IR670型傅立葉變換紅外光譜儀測定。
1H-NMR測試如圖3所示，分析產物組成為PNIPAM^-PLAfPNIPAMg。採用瑞士 BRUKER(布魯克)公司生產的ARX-600型超導核磁共振波譜儀進行測試，內標TMS (四甲基矽烷)，溶劑為⑶Cl3。
4) PNIPAM9-PLA17-PNIPAM9 膠束的製備
將O. 05g的PNIPAM9-PLA17-PNIPAM9溶於Iml溶劑THF中，攪拌條件下加入IOml去離子水，形成以PLA為內核，PNIPAM為殼的溫敏型膠束，該膠束隨著溫度升高，粒徑變小，當溫度降低，粒徑增大。DSC測試其凝膠溶膠Sol-Gel轉變溫度為33. 4°C。
DSC測試加熱過程中共聚物PNIPAM-PLA-PNIPAM溫敏膠束溶液的熱效應採用 Q100DSC型差示掃描量熱儀測定。共聚物水溶液的濃度為10wt%，將待測樣品3mg放入坩堝中，在氮氣保護下，溫度從25°C升溫至40°C，升溫速率為1°C /min。
實施例2
I)大分子PLA-OH的製備
大分子PLA-OH的製備過程中，除將1，4-丁二醇改用為單端羥基的丙醇，用量為Ig 以外，其他過程均與HO-PLA-OH的製備過程相同；
IR譜圖採用美國Nicolet Nexus FT-IR670型傅立葉變換紅外光譜儀測定，並與 HO-PLA-OH的IR譜圖進行對比，如圖4所示。
2)第2)、3)、4)步操作均與實施例的2)、3)、4)步驟相同。
權利要求
1.一種可降解的溫敏型嵌段共聚物，其特徵在於，該嵌段共聚物為兼含有聚乳酸鏈段和聚N-異丙基丙烯醯胺鏈段的直鏈型兩嵌段共聚物或三嵌段共聚物；所述的兩嵌段共聚物中聚乳酸鏈段為第一鏈段，聚合度為15-83，聚N-異丙基丙烯醯胺鏈段為第二鏈段，聚合度為10-26 ;所述的三嵌段共聚物中聚乳酸鏈段為中間鏈段，聚合度為32-69，聚N-異丙基丙烯醯胺鏈段為雙端鏈段，聚合度為11-24 ;所述的聚乳酸鏈段具有可降解性，聚N-異丙基丙烯醯胺鏈段具有溫敏性。
2.根據權利要求I所述的可降解的溫敏型嵌段共聚物，其特徵在於，將權利要求I所述的可降解的溫敏型嵌段共聚物0. Olg-O. 05g溶於Iml DMF中，然後加入10_20ml去離子水形成溫敏型可降解膠束，該膠束以聚乳酸為內核，聚N-異丙基丙烯醯胺為殼；該膠束隨著溫度升高，粒徑變小，當溫度降低，粒徑增大。
3.根據權利要求I所述的可降解的溫敏型嵌段共聚物的製備方法，其特徵在於，以PLA-X或X-PLA-X為大分子引發劑引發N-異丙基丙烯醯胺單體進行原子轉移自由基聚合得到直鏈型兩嵌段共聚物或三嵌段共聚物；X為Br或者Cl ；PLA為聚乳酸，聚合度為12-83。
4.根據權利要求3所述的可降解的溫敏型嵌段共聚物的製備方法，其特徵在於，所述的聚乳酸為聚(D，L-乳酸)、聚(D-乳酸)或者聚(L-乳酸)。
5.根據權利要求3所述的可降解的溫敏型嵌段共聚物的製備方法，其特徵在於，其具體製備步驟為 (1)無水無氧，氮氣保護條件下，將l_2g的PLA-X或X-PLA-X、2-4g的N-異丙基丙烯醯胺加入反應瓶中，並加入溶劑二甲基亞碸5-10ml，磁力攪拌使之完全溶解； (2)第一次使用液氮將體系凍實，抽真空-通氮氣循環3-4次；將體系取出後25-40°C融凍，第二次液氮凍實後抽真空-通氮氣循環3-4次，氮氣保護下加入與PLA-X或X-PLA-X等摩爾量的CuX，抽真空-通氮氣循環3-4次；將體系取出後25-40°C融凍，第三次液氮凍實後抽真空-通氮氣循環3-4次，氮氣保護下注射加入CuX摩爾量1-1. 5倍的三-(N，N- 二甲基氨基乙基)胺，抽真空-通氮氣循環3-4次後密封體系； (3)將整個反應體系密封后，磁力攪拌下60-80°C反應5-12h後使用液氮終止反應；混合液在去離子水中沉澱析出，去除未反應的N-異丙基丙烯醯胺單體或N-異丙基丙烯醯胺均聚物；過濾後25-40°C真空乾燥24-48h，得到含有殘留銅鹽催化劑的粗產品；將粗產品溶解在二氯甲烷中，轉移入分液漏鬥後依次用2-5wt%的HCl水溶液萃取2-3次，去離子水萃取2-3次，收集有機相；減壓濃縮後在乙醇中沉澱析出，去離子水洗滌至無色中性；產物在25-40 °C真空乾燥24-48h ；得純化後的PLA-PNIPAM直鏈型兩嵌段共聚物或PNIPAM-PLA-PNIPAM直鏈型三嵌段共聚物。
全文摘要
本發明公開了屬於生物醫用材料及功能高分子材料製備技術領域的一種可降解的溫敏型嵌段共聚物及其製備方法。本發明結合了聚N-異丙基丙烯醯胺(PNIPAM)的溫度響應特性與聚乳酸(PLA)的生物相容性及可降解特性，通過活性開環聚合與原子轉移自由基聚合技術，製備了兼含有溫敏鏈段PNIPAM和可降解鏈段PLA的直鏈型兩嵌段或三嵌段共聚物PLA-PNIPAM或PNIPAM-PLA-PNIPAM。由於活性開環聚合與ATRP聚合具有良好的可控性，所得共聚物分子量可控，鏈結構規整，鏈段組成可調，且具有溫度響應、生物可降解及生物相容的特性。由於同時具有兩親性和溫敏性，該共聚物可以在水中形成穩定的溫敏膠束，可用於靶向藥物控釋，即通過PLA嵌段與PNIPAM鏈段的協調實現載體的溫度響應和藥物的控制釋放。
文檔編號C08F293/00GK102977294SQ201210500780
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月29日 優先權日2012年11月29日
發明者石淑先, 雷壘, 夏宇正, 陳曉農 申請人:北京化工大學