CN101255234B - 一种温度敏感型三嵌段共聚物及其制备方法和用途 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医药用高分子材料领域，具体涉及一种温度敏感的，具有凝胶溶胶转变特性且可生物降解的三嵌段共聚物及其制备方法和用途。该三嵌段共聚物为PEG-PCL-PEG共聚物，其水溶液随着温度升高发生Gel～Sol相转变，相转变温度在40℃～55℃。实验结果表明，本发明PEG-PCL-PEG共聚物具有多种优异特性，为需要使用温度敏感型材料的领域提供一种新的选择。

Description

一种温度敏感型三嵌段共聚物及其制备方法和用途

技术领域

本发明涉及医药用高分子材料领域，具体涉及一种温度敏感的三嵌段共聚物及其制备方法和用途。

背景技术

近年来，可生物降解环境敏感性水凝胶由于其良好的敏感性、生物降解性和生物相容性受到了国内外学者的广泛关注。环境敏感性水凝胶又被称为智能水凝胶，是指自身能感知外界环境(如温度、pH值、光、电、压力等)的变化或刺激，并能产生相应的物理结构和化学性质变化的一类高分子水凝胶。其中，温度敏感性物理水凝胶由于其在药物控制释放系统、细胞包埋和组织修复等领域方面具有广阔的应用前景而备受关注。

目前，文献和专利中报道的随着温度升高具有凝胶-溶胶转变特征的生物医用高分子材料包括：壳聚糖/甘油磷酸、泊洛沙姆(Pluronic)、聚乙二醇-聚乙丙交酯聚乙二醇(PEG-PLGA-PEG)三嵌段共聚物，但目前这些材料由于自身分子结构的原因而存在各种的缺陷。如：泊洛沙姆不可降解且凝胶强度低；壳聚糖/甘油磷酸水凝胶降解速度快，且降解速度难以控制；PEG-PLGA-PEG水凝胶强度低且价格昂贵。

中国专利申请03100434.2公开了一类聚乙二醇(PEG)嵌段修饰的聚己内酯(PCL)共聚物，其中具体公开了由相对分子质量为2000、4000的PCL和相对分子质量为2000、4000的PEG合成的PEG(2000、4000)-PCL(4000、2000)-PEG(2000、4000)两亲性三嵌段共聚物，该发明中公开的聚乙二醇(PEG)嵌段修饰的聚己内酯(PCL)共聚物用有机溶剂配制成溶液，再在水中自组装形成纳米粒子或胶束，该PEG-PCL-PEG纳米粒能够在体内降解，且降解产物无毒无害，该发明所制的PEG-PCL-PEG三嵌段共聚物在水中不溶解，其纳米粒能够在水中分散形成稳定分散液，“是开发疏水性药物长效缓释制剂的优良辅料”。

发明内容：

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种温度敏感的，具有凝胶溶胶转变特性且可生物降解的嵌段共聚物。该嵌段共聚物是用PEG修饰PCL的PEG-PCL-PEG嵌段共聚物，相对分子质量为2000～6000，PCL段的相对分子质量与PEG段的相对分子质量的比值为0.5～1.4。

其中，上述嵌段共聚物中PCL段的总相对分子质量与PEG段的总相对分子质量的比值优选为0.75～1.25，最优为1。

其中，上述嵌段共聚物的相对分子质量优选为2000-5000。

该共聚物的水溶液随温度升高而发生Gel相～Sol相的相转变，在等于或大于临界凝胶浓度时，其水溶液相转变温度在40～55℃。

更优选的，上述嵌段共聚物为E₅₅₀-C₁₁₀₀-E₅₅₀、E₇₅₀-C₁₅₀₀-E₇₅₀、E₁₁₀₀-C₂₂₀₀-E₁₁₀₀；其中E表示PEG链段，C表示PCL链段，下标数值分别表示相应各链段的相对分子质量。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种制备上述PEG-PCL-PEG共聚物的方法。该方法包括下述步骤：

a、以辛酸亚锡为催化剂，采用MPEG在130-150℃加热条件下引发己内酯(ε-CL)开环聚合，反应3-12小时后得到MPEG-PCL二嵌段共聚物；

b、将步骤a所得MPEG-PCL二嵌段共聚物用二异氰酸酯作交联剂在真空状态下继续反应0.5-2小时，得到PEG-PCL-PEG三嵌段共聚物；

c、将步骤b所得PEG-PCL-PEG三嵌段共聚物材料在氮气保护下冷却至室温，再提纯后得到纯化的三嵌段共聚物，以用于进一步的研究或应用。

其中，上述的制备温度敏感型PEG-PCL-PEG共聚物的方法中所述的二异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯、1，6-己二异氰酸酯、二苯基甲烷-4，4’-二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯中的至少一种。

本发明所要解决的第三个技术问题是提供上述温度敏感型三嵌段共聚物在药物释放控制体系、组织工程领域、可降解水凝胶及生物医用高分子材料中的用途。本发明温度敏感型三嵌段共聚物特别适合用于药物的局部控制释放体系、温度敏感性栓塞材料、可注射且可降解组织工程支架材料等领域。

本发明所要解决的第四个技术问题是提供一种药物组合物。该药物组合物是上述的嵌段共聚物装载药物活性成分制备而成的。

本发明的共聚物在正常条件下是固体或粘稠液体，能够溶解于水中形成水溶液，且其水溶液具有40℃～55℃的临界凝胶转变温度(CGT)。也就是说在其水溶液中，当其浓度等于或大于临界凝胶浓度(CGC)的情况下，当温度升高到临界凝胶温度(CGT)以上时，会发生凝胶向溶胶的相转变行为。

本发明的温度敏感型三嵌段共聚物所制备成的水凝胶的凝胶强度可以在满足上述对临界凝胶温度(CGT)的要求的情况下，通过调整PCL和PEG段的长度和相对含量比例进行调节。一般情况下，采取本领域的常规措施，可增加其凝胶强度，以满足在药物控制释放体系、温度敏感性栓塞材料、以及组织工程支架材料等领域的应用需要。本发明温度敏感型三嵌段共聚物所制备成的水凝胶的降解速度可以在满足上述对临界凝胶温度(CGT)的要求的情况下，通过调整PCL和PEG链段的长度和相对含量比例进行调节，以满足对降解速度有特殊要求的相关应用领域的需要。一般情况下，采取本领域的常规措施可以调节其降解速度，从而达到缓控释的目的。

本发明创造性地提供了具有温度敏感型的PEG-PCL-PEG嵌段共聚物，其具有40℃～55℃的临界凝胶温度(CGT)、降解速度可调、凝胶强度可调、生物相容性好、可能制成粉末保存、制备凝胶不需使用有毒的溶剂等优秀的特性，而这些特性决定了本发明温度敏感型三嵌段共聚物在药物释放控制体系、组织工程领域、可降解水凝胶及生物医用高分子材料等应用领域具有极好的应用前景，为需要使用温度敏感型共聚物的领域提供了一种新的选择。本发明方法操作简便、产物得率高、纯度高、性质可控、适合于大规模生产应用。

附图说明：

图1为二嵌段PCL-PEG共聚物(A)与三嵌段PEG-PCL-PEG共聚物(B)的红外光谱对比图。

图2为PEG-PCL-PEG共聚物的核磁共振图谱。

图3为PEG₇₅₀-PCL₁₅₀₀-PEG₇₅₀水凝胶在50℃(a)和37℃(b)时的状态。

图4为共聚物中PCL的分子量对凝胶溶胶转变相图的影响。

下面结合附图通过具体实施方式进一步描述但不限制本发明。

具体实施方式：

本发明实施例使用的主要试剂和仪器：

己内酯(ε-CL，Alfa Aesar公司，分析纯)

聚乙二醇单甲醚(MPEG，Mn＝550，750，2000，Aldrich公司，分析纯)

辛酸亚锡(Stannous octoate，Sigma公司，分析纯)

异氟尔酮二异氰酸酯(IPDI，Aldrich公司，分析纯)

Varian 400型核磁共振仪(美国Varian公司)

200SXV型傅里叶红外光谱仪(Nicolet公司)

实施例一本发明PEG-PCL-PEG共聚物的合成

根据上式的合成路线(其中的X，Y分别为大于1的正整数)，在装有搅拌器的三口烧瓶中加入聚乙二醇单甲醚(MPEG)和己内酯(ε-CL)，以辛酸亚锡为催化剂，在130℃、氮气保护的条件下反应6小时，降温至80℃，加入交联剂异氟尔酮二异氰酸酯(IPDI)再反应6小时后得到产物，冷却至室温提纯，烘干。此外，适合的二异氰酸酯还包括：甲苯二异氰酸酯、1，6-己二异氰酸酯、二苯基甲烷-4，4’-二异氰酸酯等。

所得的三嵌段共聚物列于表1。

表1制备得到的PEG-PCL-PEG共聚物

编号

共聚物

PEG/PCLa

总Mna

PEG/PCLb

总Mnb

水溶性c

Gel-Sol

E1

E750-C750-E750

1500/750

2250

1505/707

2212

可溶

Gel-Sol

E2

E750-C1000-E750

1500/1000

2500

1593/1090

2683

可溶

Gel-Sol

E3

E750-C1500-E750

1500/1500

3000

1461/1504

2965

可溶

Gel-Sol

E4

E550-C1100-E550

1100/1100

2200

1060/1070

2130

可溶

Gel-Sol

^a理论值，根据原料的标示计算得到；^b根据¹H-NMR结果得出；

^c在30℃时能否溶于水；^d在水溶液中是否有Gel-Sol相转变行为。

在上述合成的4种共聚物中，E3、E4水溶液在一定的浓度下具有40℃～55℃的临界凝胶温度(CGT)，是符合本发明要求的共聚物。而尤其是以E3的特性最好，最为符合实际使用的要求。

实施例二本发明PEG-PCL-PEG共聚物的验证

1、本发明PEG-PCL-PEG共聚物的表征方法

用傅里叶红外光谱仪(FTIR)(200SXV，Nicolet)，采用KBr压片法对共聚物进行红外光谱分析。¹H-NMR用核磁共振仪(Varian 400，Varian)测量，在400MHZ下，溶剂为CDCl₃，以四甲基硅烷为内标。

2、本发明PEGPCL-PEG共聚物的验证与表征

在本试验中，PEG-PCL-PEG共聚物表示成E_Y-C_2x-E_Y，其中2X和Y分别代表共聚物中PCL和PEG的分子量。傅里叶红外光谱和核磁共振氢谱用来检测共聚物的结构和分子量。

图1是对E₇₅₀-C₇₅₀二嵌段共聚物和E₇₅₀-₁₅₀₀-E₇₅₀三嵌段共聚物的红外光谱的分析比较。从图中可以看出，PEG的特征峰在两图中均出现，在1105cm^-1处的吸收峰是PEG中C-O-C的特征峰。在1734cm^-1处的强吸收峰是反应后得到的二嵌段共聚物中酯键的特征峰，可见二嵌段共聚物成功合成。在B图中，在2250-2270cm^-1处未出现吸收峰，说明交联剂异氟尔酮二异氰酸酯中的-NCO基团已经完全反应掉。而在1525cm^-1处的吸收峰，则是反应后产生的-NHCO-的特征吸收峰。所以，可见PEG-PCL-PEG三嵌段共聚物成功合成。

3、本发明PEG-PCL-PEG三嵌段共聚物的结构和分子量的进一步确定

为了进一步确定PEG-PCL-PEG三嵌段共聚物的结构和分子量，对样品进行了核磁共振氢谱检测，结果见图2。

在图2中，在3.60和3.38ppm处的尖峰分别代表了MPEG中-CH₂CH₂O-和-OCH₃基团的氢原子。而在1.35、1.62、2.30和4.06ppm处的峰则分别代表了PCL中-(CH₂)₃-，-OCCH₂-和-CH₂OOC-基团中的氢原子。在4.20和3.82ppm处两个较弱的峰分别代表了与PCL相连的PEG中-O-CH₂-CH₂-两个亚甲基上的氢原子。在0.96和1.11ppm处的峰则分别代表了IPDI中-CH₃和-CH₂-基团的氢原子。

实施例一中合成的各种PEG-PCL-PEG三嵌段共聚物的分子量和PEG与PCL的嵌段比例根据核磁共振氢谱检测来确定，列于表1中。而根据以上红外光谱和核磁共振氢谱的分析的结果，可以得出结论：本发明PEG-PCL-PEG三嵌段共聚物已经成功合成。

实施例三本发明PEG-PCL-PEG共聚物的凝胶溶胶转变特性

在本发明中，采用试管法测试凝胶溶胶转变温度。当体系处于不流动固体状态时，称之为凝胶态(Gel)；当体系处于流动液体状态时，称之为溶胶态(Sol)；当体系处于乳白色悬浊状态时，称之为悬浊态(Sus)；当体系中水相与聚合物相分离时，称之为沉淀态(Prep)。

1、本发明PEG-PCL-PEG共聚物水溶液的制备

称取上述实施例一制备的不同PEG-PCL-PEG共聚物，按不同浓度要求加入到二次蒸馏水(即双蒸水)中充分均匀溶解，定容4ml。在4℃的条件下保存。

2、本发明PEG-PCL-PEG凝胶温度响应特性

图3为PEG₇₅₀-PCL₁₅₀₀-PEG₇₅₀共聚物50％的水溶液分别在50℃和37℃时的状态图。可以发现当温度高于体温(如50℃)时，PEG-PCL-PEG水溶液显透明状态，具有流动性；在温度为37℃时，PEG-PCL-PEG水溶液显透明固体态，失去流动性。温度的变化造成了系统的凝胶-溶胶转变。

3、本发明PEG-PCL-PEG三嵌段共聚物凝胶溶胶转变温度的影响因素实验

本发明PEG-PCL-PEG三嵌段共聚物是一种两亲性的聚合物，它的水溶液随着温度升高表现出特有的凝胶-溶胶转变特性。这种转变主要受到聚合物分子结构中亲水链段和疏水链段比例和长度的影响，同时也受到水凝胶的热历史，测试时的体积，冷藏储存时间以及共聚物溶于水形成凝胶时的温度等因素的影响。

A、化学组成对凝胶溶胶转变的影响

三嵌段共聚物水溶液具有临界凝胶浓度(CGC)和临界凝胶温度(CGT)。当PEG-PCL-PEG三嵌段共聚物水溶液浓度高于临界凝胶浓度时，随着温度的升高，就会由凝胶状态转变为溶胶状态。当体系处于凝胶状态时，温度升高使共聚物中PCL疏水链段的活动性增强，从而使体系转变为溶胶状态。当温度进一步升高，共聚物中的PEG亲水链段开始脱水，使得共聚物不溶于水，导致沉淀的产生。

图4表示共聚物中PCL的分子量对凝胶溶胶转变相图的影响。在图中，PEG的总分子量保持在1500不变，而PCL的分子量分别为750，1000和1500。可以看出当PCL的分子量由750增加到1500，共聚物水溶液的CGT由E1(50％g/ml)的19℃升高到E3(50％g/ml)的54℃，而CGC则由E1的50％降低到E3的35％，同时沉淀温度稍有降低。这是由于在共聚物分子中PCL链段长度增加，其重量比例增大而导致共聚物整体疏水性增强引起的。也就是说，当分子中疏水链段增长，凝胶状态会在更低的浓度产生同时可以保持到更高的温度，疏水链段和亲水链段的比值在1左右时，最能达到本发明的要求。

同时我们还考察了保持共聚物中亲水链段PEG和疏水链段PCL的比例不变，增加总分子量对凝胶溶胶转变相图的影响。实验结果表明当总分子量增加，CGC降低，但是CGT却有所升高。这是由于分子中疏水的PCL分子量增加会导致共聚物整体疏水性增强所致。同时随着聚合物分子量增加，沉淀温度也相应升高，这是因为在整体分子量增加的同时，亲水性的PEG链段增长，使得PEG与水分子结合变强，更难于脱水形成沉淀，总分子量在3000左右及以下时，才能符合本发明的要求。

由此可见，PEG-PCL-PEG三嵌段共聚物的凝胶溶胶转变相图不仅受到分子内亲水疏水链段比例的影响，也部分受到亲水疏水链段长度的影响。

另外，除了共聚物的化学组成外，许多其他因素(如热历史)都对水凝胶体系的溶胶凝胶转变温度有着一定影响。通过对上述参数的微调，可将本发明PEG-PCL-PEG三嵌段共聚物形成的水凝胶系统的凝胶溶胶转变温度可以在一个比较确定范围内调节，这对于将本发明PEG-PCL-PEG共聚物的水凝胶用于制备可精确调控的可注射药物控制释放系统的应用有很大的帮助。

实施例四本发明PEG-PCL-PEG药物复合物的制备和缓释行为

将PEG₇₅₀-PCL₁₅₀₀-PEG₇₅₀和水溶性药物(VB₁₂和牛血清白蛋白BSA)共同溶解于生理盐水(或葡萄糖注射液)中，在5ml的试管中、50℃下配制成40g/100ml或50g/100ml的水溶液，体积为2ml，接着将体系降温至37℃，形成凝胶；然后向试管中加入pH＝7.2、温度37℃、pH7.4的磷酸盐缓冲溶液，检测水溶性药物的释放行为。结果表明，水溶性药物能慢慢释放。

将PEG₇₅₀-PCL₁₅₀₀-PEG₇₅₀与水溶性药物(VB₁₂和BSA)一起溶解于生理盐水(或葡萄糖注射液)中，在50℃下配制成40g/100ml或50g/100ml的水溶液，皮下注射入小鼠体内，30秒钟后，在小鼠皮下形成凝胶块，一定时间后该凝胶块消失。实验结果表明，本发明PEG-PCL-PEG三嵌段共聚物能够在体内生物降解，且降解产物无毒无害，是一种优良的药物释放载体，是开发水溶性药物缓释制剂和局部释放制剂的新载体。

上述实施例结果表明，本发明PEG-PCL-PEG嵌段共聚物具有40℃～55℃的临界凝胶温度(CGT)、降解速度可调、凝胶强度可调、生物相容性好、可能以粉末形式保存、制备凝胶不需要用有毒的溶剂等优异特性，而这些特性决定了本发明温度敏感型三嵌段共聚物在药物释放控制体系、组织工程领域、可降解水凝胶及生物医用高分子材料等应用领域具有极好的应用前景，为需要使用温度敏感型共聚物的领域提供了一种新的选择。

Claims (5)

1.PEG-PCL-PEG嵌段共聚物在制备温度敏感型药物释放控制体系、温度敏感型可降解水凝胶或温度敏感型组织工程材料中的用途，所述PEG-PCL-PEG嵌段共聚物的相对分子质量为2000～6000，其中PCL的总相对分子质量与PEG的总相对分子质量的比值为0.75～1.25。

2.根据权利要求1所述的用途，其特征在于：所述PEG-PCL-PEG嵌段共聚物的水溶液随温度升高而发生Gel-Sol转变，在等于或大于临界凝胶浓度时，其水溶液的Gel-Sol转变温度在40℃～55℃。

3.根据权利要求1或2所述的用途，其特征在于：所述的嵌段共聚物为E₅₅₀-C₁₁₀₀-E₅₅₀、E₇₅₀-C₁₅₀₀-E₇₅₀或E₁₁₀₀-C₂₂₀₀-E₁₁₀₀；其中的E表示PEG链段，其中的C表示PCL链段，下标数字分别表示相应链段的相对分子质量。

4.PEG-PCL-PEG嵌段共聚物，其特征在于：所述的嵌段共聚物为E₇₅₀-C₁₅₀₀-E₇₅₀；其中的E表示PEG链段，其中的C表示PCL链段，下标数字分别表示相应链段的相对分子质量。

5.一种药物组合物，其特征在于：它是由权利要求4所述的嵌段共聚物装载药物活性成分制备而成的。 

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