CN100341484C - 部分可生物降解的温度和pH敏感的水凝胶 - Google Patents

部分可生物降解的温度和pH敏感的水凝胶 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种部分可生物降解的水凝胶，其体积和形状随pH改变和/或温度的改变而变化，所述水凝胶通过紫外辐照包含右旋糖酐-马来酸单酯和N-异丙基丙烯酰胺的组合物制得。

Description

部分可生物降解的温度和pH敏感的水凝胶
本发明至少部分是在美国政府的资助下按照美国商业部PrimeGrant Award第99-27-07400号根据与国家纺织品中心达成的子协议完成的。在本发明中，美国政府具有某些权利。
相关申请的交叉引用
本申请要求2003年1月16日提交的美国临时专利申请号60/440,355的权益。
技术领域
本发明涉及赋予基于多糖的生物材料如基于右旋糖酐的生物材料温度敏感性。
背景技术
由光致交联右旋糖酐-马来酸单酯水凝胶前体生成的可生物降解的水凝胶描述在美国专利号6,476,204中。这些水凝胶是pH敏感的但不是温度敏感的，即，它们的体积和结构不会受温度变化的影响。
温度敏感水凝胶是已知的。在这些当中，最受广泛研究的是聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAAm)水凝胶。这些水凝胶在约33℃时已经表现出一个下部临界会溶温度(LCST)。PNIPAAm水凝胶是不能生物降解的。
发明概述
现已发现，多糖-马来酸单酯前体，例如右旋糖酐-马来酸单酯前体，可以与温度敏感水凝胶前体N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)一起作为共前体，其中多糖-马来酸单酯不仅可以作为水凝胶前体，而且可以作为交联剂，以形成部分可生物降解的巧妙的混合水凝胶，即，随温度升高保水性减少以及随pH增加溶胀比增加的部分可生物降解的水凝胶。这使得(a)当增加到或接近体温时，尤其是当下部临界会溶温度(LCST)被体温所超出时以及(b)当在体内增加水凝胶中的pH时，可以使得包埋药物在体内被释放。因此，本文中这种巧妙的混合水凝胶对温度上升的外部水平或pH增加的外部水平敏感。所述的水凝胶是部分可生物降解的，因为即使聚(N-异丙基酰胺)链不是可生物降解的，但是交聚形成的多糖-马来酸单酯是可生物降解的，这样所述的水凝胶在体内随时间会分解。还发现，通过改变两种类型前体的进料组成比例，所述混合水凝胶的释放性质是可控制的，可以调节LCST到在体温或接近体温。
在本发明的一种实施方案中，本发明涉及一种可部分生物降解的水凝胶，随着pH改变和/或随着温度改变的情况下该水凝胶的形状和体积会改变，这种水凝胶通过下面的方法制得：基于右旋糖酐-马来酸单酯和N-异丙基丙烯酰胺的总数是100％，将包含10-75％重量的右旋糖酐-马来酸单酯和90％-25％重量的N-异丙基丙烯酰胺的组合物中的右旋糖酐-马来酸单酯与N-异丙基丙烯酰胺进行光致交联。
在另一种实施方案中，本发明涉及一种水凝胶形成体系，基于右旋糖酐马来酸单酯和N-异丙基丙烯酰胺的总数是100％，该体系包含10-75％重量的右旋糖酐-马来酸单酯和90-25％重量的N-异丙基丙烯酰胺的一种溶液。
在此使用的术语“水凝胶”是指一种聚合材料，其在水中具有溶胀能力并且在它的结构中能够保持大量的水而不溶解。
在此使用的术语“可生物降解的水凝胶”是指通过交联一种聚合物生成的水凝胶，其中该聚合物在本质上被水和/或被酶降解。在此使用术语“部分可生物降解的水凝胶”，因为尽管所述的右旋糖酐马来酸单酯单元是可生物降解的，而所述的N-异丙基丙烯酰胺单元不是可生物降解的。
在此使用的术语“水凝胶前体”是指聚合物或其它组合物，其通过光致交联在一种介质的溶液中形成一种水凝胶。
在此使用的术语“光致交联”是指引起乙烯基键破裂并通过使用辐射能引起交联。
水凝胶的下部临界会溶温度(LCST)是吸热的开始温度，在此温度之上，水凝胶崩溃并且水凝胶的体积显著地缩小。
附图的简要说明
图1是一幅LSCT(℃)对Dex-MA与PNIPAAm重量比的图，并表示有效实施例的结果。
图2是一幅溶胀比对样品名称的图，并表示所述有效实施例的结果。
图3描述各种样品的水分保持值对时间的关系，并表示所述有效实施例的结果。
图4描述样品的水吸收值对时间的关系，并表示所述有效实施例的结果。
图5描述样品的溶胀对pH的关系，并表示所述有效实施例的结果。
详细说明
在一种实施方案中，所述水凝胶由包含20-65％重量的右旋糖酐-马来酸单酯和80％-35％重量的N-异丙基丙烯酰胺的组合物中的右旋糖酐-马来酸单酯(有时称为Dex-MA)和N-异丙基丙烯酰胺通过光致交联生成，在另一种实施方案中，所述水凝胶由包含25-40％重量的右旋糖酐-马来酸单酯和75％-60％重量的N-异丙基丙烯酰胺的组合物中的右旋糖酐-马来酸单酯(有时称为Dex-MA)和N-异丙基丙烯酰胺通过光致交联生成。
所述的N-异丙基丙烯酰胺可以容易地从商业上获得。
所述的右旋糖酐-马来酸单酯描述在美国专利号6,476,204中，其全部内容在此引入作为参考，并且所述的右旋糖酐-马来酸单酯中的右旋糖酐的每个α-D-吡喃葡萄糖基的每个葡萄糖单体被马来酸取代的平均取代度为0.60-1.6，并且基于右旋糖酐，所述的右旋糖酐-马来酸单酯的重均分子量为40,000-80,000。
在此使用的术语“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单元中，与马来酸形成酯基的羟基的数目。由于每个葡萄糖单元含有3个羟基，因此最大的取代度是3.0。平均取代度是指基于水凝胶前体分子中所有葡萄糖单元的平均取代度。
在此使用的术语“以右旋糖酐为基准”是指所述重均分子量是指用于制备右旋糖酐-马来酸单酯的右旋糖酐初始物质的重均分子量，所述的右旋糖酐-马来酸单酯用于提供右旋糖酐-马来酸单酯的右旋糖酐部分。本文所述的重均分子量是通过凝胶渗透色谱以单分散的聚苯乙烯作为标准测定得到的。
在一种情况中，所述的右旋糖酐-马来酸单酯具有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-马来酸单酯前体容易地通过右旋糖酐与马来酐在路易斯碱催化剂存在下反应进行制备。
右旋糖酐与马来酐的反应优选在一种偶极非质子传递溶剂如N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中进行。优选在DMF反应溶剂中包括LiCl以增加右旋糖酐在DMF中的溶解度。LiCl通过与DMF形成一种盐，而增加了右旋糖酐在DMF的溶解度并由此增加了DMF的极性。
所述的路易斯碱催化剂优选是三乙胺(TEA)。
该反应例如可以在马来酐与右旋糖酐的羟基的摩尔比为0.3∶1-3.0∶1，三乙胺(TEA)与马来酐的摩尔比为0.001∶1.0-0.10∶1.0，反应温度在20℃-80℃以及反应时间为1小时-20小时或更长的情况下进行。
平均取代度为0.85-0.95以及重均分子量为65,000-75,000的右旋糖酐-马来酸单酯水凝胶前体的制备描述在美国专利号6,476,204的第4栏第13-29行中。通过使用LiCl/二甲基甲酰胺(50wt％)溶剂体系，用每摩尔马来酐使用0.06摩尔三乙胺代替每摩尔马来酐使用0.10摩尔三乙胺，以及用16小时的反应时间代替8小时的反应时间，获得了改进了的美国专利号6,476,204中所述方法。
现在，我们着手于由右旋糖酐-马来酸单酯和N-异丙基丙烯酰胺水凝胶前体制备所述的水凝胶。可以如下进行此制备：将所述的水凝胶前体以合适重量比溶于蒸馏水中，得到上述浓度，以制备10-30％(w/v)浓度的溶液，然后向该溶液中加入例如在质子溶剂如N-甲基吡咯烷酮、四氢呋喃、二甲基甲酰胺或二甲亚砜中的溶液中的光致引发剂如2，2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮，即DMPAP(例如，用量为2-10％(w/w)的水凝胶前体)，然后通过紫外辐照例如在室温下进行光致交联5-30小时。然后，优选将未反应的化学物质从所得水凝胶中滤掉。水凝胶的干燥优选如下进行：将水凝胶浸渍在热水(50℃)中2小时，获得收缩，接着在60℃的真空烘箱中干燥部分收缩的水凝胶5-15小时，例如过夜。
本发明的水凝胶是温度敏感的，即温度增加会造成收缩和失水。
本发明的水凝胶是pH敏感的，即，水凝胶的溶胀比随pH增加而增加。所用术语“溶胀比”的定义在美国专利号6,476,204中阐述。
在此所使用的水凝胶与美国专利号6,476,204中的水凝胶具有相同的目的。温度和pH敏感性以及通过改变进料组成改变那些的能力允许更多控制。
本发明水凝胶的下部临界会溶温度(LCST)随右旋糖酐-马来酸单酯水凝胶前体百分比的增加而增加。当此处的水凝胶用于人体生物医学应用时，它们优选具有小于或接近(例如，在2℃内)体温的LCST。
本发明通过实验，和从实验中获得的结果和结论得到证实，它们都在题为“可生物降解的以及智能水凝胶的设计和合成”的文稿中阐述，其是美国临时专利申请号60/440,355的一部分，后者全部在此引入作为参考。
本发明通过下列实施例进行说明：
实施例I-V
对于每一实施例，所述的右旋糖酐马来酸单酯如下配制：在90℃下，在氮气中，将2.0g重均分子量为69,800的具有5％分枝的右旋糖酐(从Sigma化学公司处获得)溶解在LiCl/二甲基甲酰胺(50wt％)溶剂体系中。右旋糖酐明显溶解后，将溶液冷却至60℃，然后加入三乙胺，三乙胺加入量相当于6mol％的马来酐。溶液搅拌15分钟。然后，向该溶液中缓慢地加入3.63g马来酐。反应在60℃和氮气中进行16小时。用冷异丙醇析出反应产物，过滤，用异丙醇洗涤若干次，然后在室温下在真空烘箱中干燥。获得0.9取代度的右旋糖酐-马来酸水凝胶前体，即，在每个右旋糖酐葡萄糖环中，0.9羟基与苹果酸形成酯基。
将在下表1中列出的各种重量比的右旋糖酐-马来酸水凝胶前体(Dex-MA)和N-异丙基丙烯酰胺水凝胶前体(NIPAAm)溶于蒸馏水中，以制备20％(w/v)浓度的溶液。首先将光致引发剂，2，2-二甲氧基2-苯基苯乙酮(5％(w/w)的水凝胶前体)溶于N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，然后与所述水凝胶前体的溶液混合。使用便携式长波UV灯(365nm，8W)在室温下照射该所得的均匀透明混合物22小时。首先，在室温下将所得的水凝胶浸于四氢呋喃(THF)中12小时。在此期间，定期用新鲜THF替换THF以便滤出未反应的化学物质。然后，将该水凝胶进一步用蒸馏水提纯至少48小时，每数小时替换蒸馏水以便使纯化后的水凝胶达到平衡以进行表征。前体和其它化学物质的进料组成列于下表1中，其中样品全部用DMN标记(D＝右旋糖酐，M＝马来酐以及N＝NIPAAm)，样品DMN1、DMN2、DMN3、DMN4和DMN5分别构成实施例I、II、III、IV和V，NIPAAm是N-异丙基丙烯酰胺水凝胶前体，Dextran-MA是右旋糖酐-马来酸单酯水凝胶前体以及NMP是N-甲基吡咯烷酮，百分转化率是由单体合成的凝胶的重量百分比。
                                        表1
    DMN1DMN3DMN4701301.010.00.5     样品鉴定DMN2
    DMN5401601.010.00.5   NIPAAm(mg)Dextran-MA(mg)H2O(mL)光致引发剂(mg)NMP(ml)转化率(％)     160401.010.00.548.6     130701.010.00.554.7     1001001.010.00.558.6
虽然获得了DMN5，但是并没有对DMN5进行随后表征，因为DMN5在水介质中快速崩解和/或分解，DMN5通常在24小时内崩解和/或分解。
为了进行比较，如Zhang，X.Z.，等人，J.Colloid Interface Sci246，105-111(2002)所述合成和提纯了100％的聚(N-异丙基丙烯酰胺)水凝胶。简单地说，在2.0mg交联剂即N，N′-甲基二丙烯酰胺存在下，将100mg NIPAAm溶于1.2ml水中，使用过硫酸铵作为引发剂以及使用N，N，N′，N′-四甲基乙二胺作为催化剂；在室温下进行聚合反应50分钟。
使用差示扫描量热法(TA2920 Modulated DSC，TA Instruments，USA)测定水凝胶样品的LCST性质。在室温下，将所有样品浸渍在蒸馏水中至少2天以达到溶胀状态。将约10mg溶胀样品放在一个密封铝盘中，然后用密封铝盖密封。在干燥氮气氛中，在25ml/分钟的流速和3℃/分钟的加热速率下，对溶胀水凝胶样品从25到55℃进行热分析。如上所述测得的水凝胶样品的LCST列于图1中，其中图1描述了LCST是Dex-MA与PNIPAAm重量比的函数。所述数据表明，与纯PNIPAAm(约35℃)相比，所有样品具有更高的LCST，并且随着Dex-MA百分比的增加，LCST也增加(PNIPAAm的LCST＝约35℃，DMN1的LCST＝35.9；DMN2的LCST＝36.5；DMN3的LCST＝38.1℃；以及DMN4的LCST＝39.1℃)。这种观察到的LCST随Dex-MA百分比的增加而增加还与焓值减少有关(DMN1的ΔH＝0.61mJ/mg，至DMN4的ΔH＝0.14mJ/mg)。
水凝胶样品的内部形态按照如下方法进行测定：样品在室温下在蒸馏水中达到其最大溶胀比后，将其在液氮中快速冷冻，然后在-42℃下在真空中在Vertis冷冻干燥机(Gardiner，NY)中冻干3天，直到全部水分升华为止。将冷冻干燥样品每个在液N2温度下小心打碎，用扫描电子显微镜(Hitachi S4500SEM，Mountain View，CA)研究所得碎片的内部形态。在进行SEM观察前，将样品固定在铝桩上并镀金。在每种情况下都观察到蜂窝状结构，但是孔隙结构从不规则圆形和在PNIPAAm中具有波浪形薄壁的疏松浅孔变化为非常清晰的蜂窝状结构，在混合水凝胶中具有独特的锐角(sharp distinctive angles)和4-7元环刚性壁孔。每单位面积的平均孔径和孔数在下表2中给出。
                                     表2
    PNIPAAm     DMN1     DMN2     DMN3     DMN4
  孔径(μm)每400μm2的孔数     15±51.8     13±52.4     10±44.0     6±211.1     3±144.4
如表2所示，孔径随Dex-MA含量增加而减少。
在室温下的最大溶胀比如下测定：将样品浸渍在蒸馏水中48小时，然后测定其重量。每一样品测定三次。在此使用的术语“溶胀比”是指溶胀凝胶中水的重量与凝胶在溶胀前的干重的比值。在室温下获得的最大溶胀比在图2中给出。如图2所示，所述水凝胶的最大溶胀比随Dex-MA含量增加而减少。
通过50℃的重量分析来确定温度响应动力学。选择温度高于水凝胶的LCST，这样在短时间内可以获得显著的体积和水含量的变化。在测定前，将水凝胶样品在室温下浸渍在蒸馏水中24h。然后，将样品转入到一个50℃蒸馏水槽中。以规则的时间间隔记录凝胶的重量变化。测定水分保持值以表示水凝胶的温度敏感性。测得的水分保持值列于图3中。水分保持(WR)定义为100×[(Wt-Wd)/Ws，其中Wt是水凝胶在给定时间间隔时的重量，其它符号与室温下溶胀比的定义相同。所述数据表明，将PNIPAAm掺入到基于右旋糖酐的水凝胶中，获得了之前不存在的热敏性能。热敏性能的等级随Dex-MA与PIPAAm前体的组成比而改变。尽管掺入Dex-MA可以预见到热敏程度减少，但是在DMN2、DMN3和DMN4中却观察到相反的结果。样品DMN1被认为是一个例外，因为气泡在表面上形成了一个密集的表层，其防止了水分流失，也许是因为Dex-MA含量不够。
所述水凝胶的溶胀动力学用水分吸收(WU)来定义，其定义为100×[(Wt-Wd)/Ws其中所述符号的含义与上面相同。按照如下进行测试：首先，将溶胀凝胶样品在热水(50℃)中浸渍2h，然后收缩的水凝胶在真空烘箱中在60℃进一步干燥过夜，直到凝胶重量恒定为止。然后，在22℃通过重量分析测定干凝胶的溶胀动力学。以规则的时间间隔将样品从热水中取出。用湿滤纸擦掉表面上的水后，记录凝胶重量。然后，测定水分吸收。结果表示在图4中。如图4所示，如果Dex-MA含量高(DMN3和DMN4)，那么水凝胶没有达到最大水分吸收就在水中快速崩解。对于其它样品，随着Dex-MA百分比增加，水分吸收速度也增加。
将水凝胶浸渍在pH值为3、7和10的缓冲溶液中，测定水凝胶的pH敏感性。在预定时间间隔移去浸渍水凝胶，洗涤，用湿滤纸擦去表面水，称重，直到观察到稳定的重量。溶胀比(如上所定义并如上所述测定)结果在图5中给出。所述数据表明，溶胀比随pH增加而增加。
所述数据证实了温度敏感性和pH敏感性，并且可以将相转变温度(LCST)调节到接近体温。
改变
以上改变对本领域熟练技术人员是显然的。因此，本发明的范围由权利要求书定义。

Claims (5)

1.一种水凝胶，其形状和体积随pH改变和/或随温度改变而改变，这种水凝胶如下形成：以右旋糖酐-马来酸单酯和N-异丙基丙烯酰胺的总数是100％，将包含10-75％重量的右旋糖酐-马来酸单酯和90％-25％重量的N-异丙基丙烯酰胺的组合物中的右旋糖酐-马来酐单酯与N-异丙基丙烯酰胺进行光致交联。
2.权利要求1的水凝胶，其由右旋糖酐-马来酸单酯和N-异丙基丙烯酰胺在一种包含20-65％重量的右旋糖酐-马来酸单酯和80-35％重量的N-异丙基丙烯酰胺的组合物中通过光致交联制备。
3.权利要求2的水凝胶，其中以右旋糖酐为基准，所述的右旋糖酐-马来酸单酯具有0.85-0.95的平均取代度以及65,000-75,000的重均分子量。
4.一种制备水凝胶的方法，其中包括以下步骤：以右旋糖酐-马来酸单酯和N-异丙基丙烯酰胺的总数是100％，将包含10-75％重量的右旋糖酐-马来酸单酯和90％-25％重量的N-异丙基丙烯酰胺的组合物中的右旋糖酐-马来酐单酯与N-异丙基丙烯酰胺进行光致交联。
5.权利要求4的方法，其中所述组合物中包含20-65％重量的右旋糖酐-马来酸单酯和80-35％重量的N-异丙基丙烯酰胺。
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