部分可生物降解的溫度和pH敏感的水凝膠的製作方法

2023-08-02 07:38:36

專利名稱：部分可生物降解的溫度和pH敏感的水凝膠的製作方法
技術領域：
本發明涉及賦予基於多糖的生物材料如基於右旋糖酐的生物材料溫度敏感性。
背景技術：
由光致交聯右旋糖酐-馬來酸單酯水凝膠前體生成的可生物降解的水凝膠描述在美國專利號6,476,204中。這些水凝膠是pH敏感的但不是溫度敏感的，即，它們的體積和結構不會受溫度變化的影響。
溫度敏感水凝膠是已知的。在這些當中，最受廣泛研究的是聚(N-異丙基丙烯醯胺)(PNIPAAm)水凝膠。這些水凝膠在約33℃時已經表現出一個下部臨界會溶溫度(LCST)。PNIPAAm水凝膠是不能生物降解的。
發明概述現已發現，多糖-馬來酸單酯前體，例如右旋糖酐-馬來酸單酯前體，可以與溫度敏感水凝膠前體N-異丙基丙烯醯胺(NIPAAm)一起作為共前體，其中多糖-馬來酸單酯不僅可以作為水凝膠前體，而且可以作為交聯劑，以形成部分可生物降解的巧妙的混合水凝膠，即，隨溫度升高保水性減少以及隨pH增加溶脹比增加的部分可生物降解的水凝膠。這使得(a)當增加到或接近體溫時，尤其是當下部臨界會溶溫度(LCST)被體溫所超出時以及(b)當在體內增加水凝膠中的pH時，可以使得包埋藥物在體內被釋放。因此，本文中這種巧妙的混合水凝膠對溫度上升的外部水平或pH增加的外部水平敏感。所述的水凝膠是部分可生物降解的，因為即使聚(N-異丙基醯胺)鏈不是可生物降解的，但是交聚形成的多糖-馬來酸單酯是可生物降解的，這樣所述的水凝膠在體內隨時間會分解。還發現，通過改變兩種類型前體的進料組成比例，所述混合水凝膠的釋放性質是可控制的，可以調節LCST到在體溫或接近體溫。
在本發明的一種實施方案中，本發明涉及一種可部分生物降解的水凝膠，隨著pH改變和/或隨著溫度改變的情況下該水凝膠的形狀和體積會改變，這種水凝膠通過下面的方法製得基於右旋糖酐-馬來酸單酯和N-異丙基丙烯醯胺的總數是100％，將包含10-75％重量的右旋糖酐-馬來酸單酯和90％-25％重量的N-異丙基丙烯醯胺的組合物中的右旋糖酐-馬來酸單酯與N-異丙基丙烯醯胺進行光致交聯。
在另一種實施方案中，本發明涉及一種水凝膠形成體系，基於右旋糖酐馬來酸單酯和N-異丙基丙烯醯胺的總數是100％，該體系包含10-75％重量的右旋糖酐-馬來酸單酯和90-25％重量的N-異丙基丙烯醯胺的一種溶液。
在此使用的術語「水凝膠」是指一種聚合材料，其在水中具有溶脹能力並且在它的結構中能夠保持大量的水而不溶解。
在此使用的術語「可生物降解的水凝膠」是指通過交聯一種聚合物生成的水凝膠，其中該聚合物在本質上被水和/或被酶降解。在此使用術語「部分可生物降解的水凝膠」，因為儘管所述的右旋糖酐馬來酸單酯單元是可生物降解的，而所述的N-異丙基丙烯醯胺單元不是可生物降解的。
在此使用的術語「水凝膠前體」是指聚合物或其它組合物，其通過光致交聯在一種介質的溶液中形成一種水凝膠。
在此使用的術語「光致交聯」是指引起乙烯基鍵破裂並通過使用輻射能引起交聯。
水凝膠的下部臨界會溶溫度(LCST)是吸熱的開始溫度，在此溫度之上，水凝膠崩潰並且水凝膠的體積顯著地縮小。
附圖的簡要說明

圖1是一幅LSCT(℃)對Dex-MA與PNIPAAm重量比的圖，並表示有效實施例的結果。
圖2是一幅溶脹比對樣品名稱的圖，並表示所述有效實施例的結果。
圖3描述各種樣品的水分保持值對時間的關係，並表示所述有效圖4描述樣品的水吸收值對時間的關係，並表示所述有效實施例的結果。
圖5描述樣品的溶脹對pH的關係，並表示所述有效實施例的結果。
詳細說明在一種實施方案中，所述水凝膠由包含20-65％重量的右旋糖酐-馬來酸單酯和80％-35％重量的N-異丙基丙烯醯胺的組合物中的右旋糖酐-馬來酸單酯(有時稱為Dex-MA)和N-異丙基丙烯醯胺通過光致交聯生成，在另一種實施方案中，所述水凝膠由包含25-40％重量的右旋糖酐-馬來酸單酯和75％-60％重量的N-異丙基丙烯醯胺的組合物中的右旋糖酐-馬來酸單酯(有時稱為Dex-MA)和N-異丙基丙烯醯胺通過光致交聯生成。
所述的N-異丙基丙烯醯胺可以容易地從商業上獲得。
所述的右旋糖酐-馬來酸單酯描述在美國專利號6,476,204中，其全部內容在此引入作為參考，並且所述的右旋糖酐-馬來酸單酯中的右旋糖酐的每個α-D-吡喃葡萄糖基的每個葡萄糖單體被馬來酸取代的平均取代度為0.60-1.6，並且基於右旋糖酐，所述的右旋糖酐-馬來酸單酯的重均分子量為40,000-80,000。
在此使用的術語「取代度」是指在右旋糖酐的α-D-吡喃葡萄糖基部分的葡萄糖單元中，與馬來酸形成酯基的羥基的數目。由於每個葡萄糖單元含有3個羥基，因此最大的取代度是3.0。平均取代度是指基於水凝膠前體分子中所有葡萄糖單元的平均取代度。
在此使用的術語「以右旋糖酐為基準」是指所述重均分子量是指用於製備右旋糖酐-馬來酸單酯的右旋糖酐初始物質的重均分子量，所述的右旋糖酐-馬來酸單酯用於提供右旋糖酐-馬來酸單酯的右旋糖酐部分。本文所述的重均分子量是通過凝膠滲透色譜以單分散的聚苯乙烯作為標準測定得到的。
在-種情況中，所述的右旋糖酐-馬來酸單酯具有0.85-0.95的平均取代度以及65,000-75,000的重均分子量。
所述的右旋糖酐-馬來酸單酯前體容易地通過右旋糖酐與馬來酐在路易斯鹼催化劑存在下反應進行製備。
右旋糖酐與馬來酐的反應優選在一種偶極非質子傳遞溶劑如N，N-二甲基甲醯胺(DMF)中進行。優選在DMF反應溶劑中包括LiCl以增加右旋糖酐在DMF中的溶解度。LiCl通過與DMF形成一種鹽，而增加了右旋糖酐在DMF的溶解度並由此增加了DMF的極性。
所述的路易斯鹼催化劑優選是三乙胺(TEA)。
該反應例如可以在馬來酐與右旋糖酐的羥基的摩爾比為0.3∶1-3.0∶1，三乙胺(TEA)與馬來酐的摩爾比為0.001∶1.0-0.10∶1.0，反應溫度在20℃-80℃以及反應時間為1小時-20小時或更長的情況下進行。
平均取代度為0.85-0.95以及重均分子量為65,000-75,000的右旋糖酐-馬來酸單酯水凝膠前體的製備描述在美國專利號6,476,204的第4欄第13-29行中。通過使用LiCl/二甲基甲醯胺(50wt％)溶劑體系，用每摩爾馬來酐使用0.06摩爾三乙胺代替每摩爾馬來酐使用0.10摩爾三乙胺，以及用16小時的反應時間代替8小時的反應時間，獲得了改進了的美國專利號6,476,204中所述方法。
現在，我們著手於由右旋糖酐-馬來酸單酯和N-異丙基丙烯醯胺水凝膠前體製備所述的水凝膠。可以如下進行此製備將所述的水凝膠前體以合適重量比溶於蒸餾水中，得到上述濃度，以製備10-30％(w/v)濃度的溶液，然後向該溶液中加入例如在質子溶劑如N-甲基吡咯烷酮、四氫呋喃、二甲基甲醯胺或二甲亞碸中的溶液中的光致引發劑如2，2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮，即DMPAP(例如，用量為2-10％(w/w)的水凝膠前體)，然後通過紫外輻照例如在室溫下進行光致交聯5-30小時。然後，優選將未反應的化學物質從所得水凝膠中濾掉。水凝膠的乾燥優選如下進行將水凝膠浸漬在熱水(50℃)中2小時，獲得收縮，接著在60℃的真空烘箱中乾燥部分收縮的水凝膠5-15小時，例如過夜。
本發明的水凝膠是溫度敏感的，即溫度增加會造成收縮和失水。
本發明的水凝膠是pH敏感的，即，水凝膠的溶脹比隨pH增加而增加。所用術語「溶脹比」的定義在美國專利號6,476,204中闡述。
在此所使用的水凝膠與美國專利號6,476,204中的水凝膠具有相同的目的。溫度和pH敏感性以及通過改變進料組成改變那些的能力允許更多控制。
本發明水凝膠的下部臨界會溶溫度(LCST)隨右旋糖酐-馬來酸單酯水凝膠前體百分比的增加而增加。當此處的水凝膠用於人體生物醫學應用時，它們優選具有小於或接近(例如，在2℃內)體溫的LCST。
本發明通過實驗，和從實驗中獲得的結果和結論得到證實，它們都在題為「可生物降解的以及智能水凝膠的設計和合成」的文稿中闡述，其是美國臨時專利申請號60/440,355的一部分，後者全部在此引入作為參考。
本發明通過下列實施例進行說明實施例I-V對於每一實施例，所述的右旋糖酐馬來酸單酯如下配製在90℃下，在氮氣中，將2.0g重均分子量為69,800的具有5％分枝的右旋糖酐(從Sigma化學公司處獲得)溶解在LiCl/二甲基甲醯胺(50wt％)溶劑體系中。右旋糖酐明顯溶解後，將溶液冷卻至60℃，然後加入三乙胺，三乙胺加入量相當於6mol％的馬來酐。溶液攪拌15分鐘。然後，向該溶液中緩慢地加入3.63g馬來酐。反應在60℃和氮氣中進行16小時。用冷異丙醇析出反應產物，過濾，用異丙醇洗滌若干次，然後在室溫下在真空烘箱中乾燥。獲得0.9取代度的右旋糖酐-馬來酸水凝膠前體，即，在每個右旋糖酐葡萄糖環中，0.9羥基與蘋果酸形成酯基。
將在下表1中列出的各種重量比的右旋糖酐-馬來酸水凝膠前體(Dex-MA)和N-異丙基丙烯醯胺水凝膠前體(NIPAAm)溶於蒸餾水中，以製備20％(w/v)濃度的溶液。首先將光致引發劑，2，2-二甲氧基2-苯基苯乙酮(5％(w/w)的水凝膠前體)溶於N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，然後與所述水凝膠前體的溶液混合。使用可攜式長波UV燈(365nm，8W)在室溫下照射該所得的均勻透明混合物22小時。首先，在室溫下將所得的水凝膠浸於四氫呋喃(THF)中12小時。在此期間，定期用新鮮THF替換THF以便濾出未反應的化學物質。然後，將該水凝膠進一步用蒸餾水提純至少48小時，每數小時替換蒸餾水以便使純化後的水凝膠達到平衡以進行表徵。前體和其它化學物質的進料組成列於下表1中，其中樣品全部用DMN標記(D＝右旋糖酐，M＝馬來酐以及N＝NIPAAm)，樣品DMN1、DMN2、DMN3、DMN4和DMN5分別構成實施例I、II、III、IV和V，NIPAAm是N-異丙基丙烯醯胺水凝膠前體，Dextran-MA是右旋糖酐-馬來酸單酯水凝膠前體以及NMP是N-甲基吡咯烷酮，百分轉化率是由單體合成的凝膠的重量百分比。
表1

雖然獲得了DMN5，但是並沒有對DMN5進行隨後表徵，因為DMN5在水介質中快速崩解和/或分解，DMN5通常在24小時內崩解和/或分解。
為了進行比較，如Zhang，X.Z.，等人，J.Colloid Interface Sci246，105-111(2002)所述合成和提純了10O％的聚(N-異丙基丙烯醯胺)水凝膠。簡單地說，在2.0mg交聯劑即N，N′-甲基二丙烯醯胺存在下，將100mg NIPAAm溶於1.2ml水中，使用過硫酸銨作為引發劑以及使用N，N，N′，N′-四甲基乙二胺作為催化劑；在室溫下進行聚合反應50分鐘。
使用差示掃描量熱法(TA2920 Modulated DSC，TA Instruments，USA)測定水凝膠樣品的LCST性質。在室溫下，將所有樣品浸漬在蒸餾水中至少2天以達到溶脹狀態。將約10mg溶脹樣品放在一個密封鋁盤中，然後用密封鋁蓋密封。在乾燥氮氣氛中，在25ml/分鐘的流速和3℃/分鐘的加熱速率下，對溶脹水凝膠樣品從25到55℃進行熱分析。如上所述測得的水凝膠樣品的LCST列於圖1中，其中圖1描述了LCST是Dex-MA與PNIPAAm重量比的函數。所述數據表明，與純PNIPAAm(約35℃)相比，所有樣品具有更高的LCST，並且隨著Dex-MA百分比的增加，LCST也增加(PNIPAAm的LCST＝約35℃，DMN1的LCST＝35.9；DMN2的LCST＝36.5；DMN3的LCST＝38.1℃；以及DMN4的LCST＝39.1℃)。這種觀察到的LCST隨Dex-MA百分比的增加而增加還與焓值減少有關(DMN1的ΔH＝0.61mJ/mg，至DMN4的ΔH＝0.14mJ/mg)。
水凝膠樣品的內部形態按照如下方法進行測定樣品在室溫下在蒸餾水中達到其最大溶脹比後，將其在液氮中快速冷凍，然後在-42℃下在真空中在Vertis冷凍乾燥機(Gardiner，NY)中凍幹3天，直到全部水分升華為止。將冷凍乾燥樣品每個在液N2溫度下小心打碎，用掃描電子顯微鏡(Hitachi S4500SEM，Mountain View，CA)研究所得碎片的內部形態。在進行SEM觀察前，將樣品固定在鋁樁上並鍍金。在每種情況下都觀察到蜂窩狀結構，但是孔隙結構從不規則圓形和在PNIPAAm中具有波浪形薄壁的疏鬆淺孔變化為非常清晰的蜂窩狀結構，在混合水凝膠中具有獨特的銳角(sharp distinctive angles)和4-7元環剛性壁孔。每單位面積的平均孔徑和孔數在下表2中給出。
表2

如表2所示，孔徑隨Dex-MA含量增加而減少。
在室溫下的最大溶脹比如下測定將樣品浸漬在蒸餾水中48小時，然後測定其重量。每一樣品測定三次。在此使用的術語「溶脹比」是指溶脹凝膠中水的重量與凝膠在溶脹前的乾重的比值。在室溫下獲得的最大溶脹比在圖2中給出。如圖2所示，所述水凝膠的最大溶脹比隨Dex-MA含量增加而減少。
通過50℃的重量分析來確定溫度響應動力學。選擇溫度高於水凝膠的LCST，這樣在短時間內可以獲得顯著的體積和水含量的變化。在測定前，將水凝膠樣品在室溫下浸漬在蒸餾水中24h。然後，將樣品轉入到一個50℃蒸餾水槽中。以規則的時間間隔記錄凝膠的重量變化。測定水分保持值以表示水凝膠的溫度敏感性。測得的水分保持值列於圖3中。水分保持(WR)定義為100×[(Wt-Wd)/Ws，其中Wt是水凝膠在給定時間間隔時的重量，其它符號與室溫下溶脹比的定義相同。所述數據表明，將PNIPAAm摻入到基於右旋糖酐的水凝膠中，獲得了之前不存在的熱敏性能。熱敏性能的等級隨Dex-MA與PIPAAm前體的組成比而改變。儘管摻入Dex-MA可以預見到熱敏程度減少，但是在DMN2、IMN3和DMN4中卻觀察到相反的結果。樣品DMNl被認為是一個例外，因為氣泡在表面上形成了一個密集的表層，其防止了水分流失，也許是因為Dex-MA含量不夠。
所述水凝膠的溶脹動力學用水分吸收(WU)來定義，其定義為100×[(Wt-Wd)/Ws其中所述符號的含義與上面相同。按照如下進行測試首先，將溶脹凝膠樣品在熱水(50℃)中浸漬2h，然後收縮的水凝膠在真空烘箱中在60℃進一步乾燥過夜，直到凝膠重量恆定為止。然後，在22℃通過重量分析測定幹凝膠的溶脹動力學。以規則的時間間隔將樣品從熱水中取出。用溼濾紙擦掉表面上的水後，記錄凝膠重量。然後，測定水分吸收。結果表示在圖4中。如圖4所示，如果Dex-MA含量高(DMN3和DMN4)，那麼水凝膠沒有達到最大水分吸收就在水中快速崩解。對於其它樣品，隨著Dex-MA百分比增加，水分吸收速度也增加。
將水凝膠浸漬在pH值為3、7和10的緩衝溶液中，測定水凝膠的pH敏感性。在預定時間間隔移去浸漬水凝膠，洗滌，用溼濾紙擦去表面水，稱重，直到觀察到穩定的重量。溶脹比(如上所定義並如上所述測定)結果在圖5中給出。所述數據表明，溶脹比隨pH增加而增加。
所述數據證實了溫度敏感性和pH敏感性，並且可以將相轉變溫度(LCST)調節到接近體溫。
改變以上改變對本領域熟練技術人員是顯然的。因此，本發明的範圍由權利要求書定義。
權利要求
1.一種水凝膠，其形狀和體積隨pH改變和/或隨溫度改變而改變，這種水凝膠如下形成以右旋糖酐-馬來酸單酯和N-異丙基丙烯醯胺的總數是100％，將包含10-75％重量的右旋糖酐-馬來酸單酯和90％-25％重量的N-異丙基丙烯醯胺的組合物中的右旋糖酐-馬來酐單酯與N-異丙基丙烯醯胺進行光致交聯。
2.權利要求1的方法，其由右旋糖酐-馬來酸單酯和N-異丙基丙烯醯胺在一種包含20-65％重量的右旋糖酐-馬來酸單酯和80-35％重量的N-異丙基丙烯醯胺的組合物中通過光致交聯製備。
3.權利要求2的水凝膠，其中以右旋糖酐為基準，所述的右旋糖酐-馬來酸單酯具有0.85-0.95的平均取代度以及65,000-75,000的重均分子量。
4.權利要求3的水凝膠，其具有小於或接近體溫的下部臨界會溶溫度。
5.一種水凝膠形成體系，基於右旋糖酐-馬來酸單酯和N-異丙基丙烯醯胺的總數是100％，該體系包含10-75％重量的右旋糖酐-馬來酸單酯和90-25％重量的N-異丙基丙烯醯胺的一種溶液。
全文摘要
本發明公開了一種部分可生物降解的水凝膠，其體積和形狀隨pH改變和/或溫度的改變而變化，所述水凝膠通過紫外輻照包含右旋糖酐－馬來酸單酯和N－異丙基丙烯醯胺的組合物製得。
文檔編號C08G63/08GK1735406SQ200380108426
公開日2006年2月15日 申請日期2003年12月3日 優先權日2003年1月16日
發明者C·－C·楚, X·－Z·張 申請人:康乃爾研究基金會有限公司