CN102058909A - 聚乙二醇－共聚酯嵌段共聚物防粘连材料及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于高分子材料和医疗技术领域，具体为一种具有防粘连特性的医用高分子材料及其制备方法和应用。该医用高分子材料为由聚乙二醇亲水链段与共聚酯疏水链段连接而成的嵌段聚合物材料的溶液体系，所述共聚酯疏水链段由乙交酯、丙交酯、己内酯、1,4,8–三氧杂螺[4.6]–9–十一烷酮、对二氧六环酮当中两种或两种以上成分共聚而成。其溶液体系具有温敏特性，在体温下自发形成凝胶。将这种材料涂覆在术后创面，具有预防创面粘连的效果。

Description

聚乙二醇－共聚酯嵌段共聚物防粘连材料及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于可降解生物材料和医用植入材料技术领域，具体涉及一种具有防粘连特性的医用高分子材料及其制备方法和应用。 

背景技术

术后粘连是长期困扰外科手术领域的一个重要问题。腹腔术后产生的粘连会导致盆腔疼痛、肠梗阻以及不孕不育等一系列并发症；在肌腱修复手术中，粘连会导致患者运动功能障碍的问题。目前预防术后粘连的方法很多，包括手术方法的改进、术后局部药物的应用、术后局部阻隔材料的应用，以及术后早期适当的活动和后期的锻炼等。其中可降解吸收的阻隔材料由于其优良的组织隔离效果，以及无需二次手术取出材料的便利，在术后预防粘连领域已受到越来越多的关注。

目前常用的可降解的阻隔材料有两类：

一类是可降解的固态薄膜，包括聚乳酸膜、多聚纤维素膜等，其中部分材料已经做成了产品。但是这类材料由于其固体形态的特点，导致了其在微创手术中的应用存在一定困难。更重要的是，薄膜容易粘在带液体的表面，导致了在放置器械的过程中容易粘在操作者的手套以及其它非创面部位，因此实际操作并不方便。

而另一类材料属于水溶液和凝胶，因为它具有一定的流动能力，可以注射和涂覆在手术创面，提高了体内复杂几何形态创面的覆盖率，也增加了材料应用的方便性，因此其作为医疗植入材料的应用越来越受关注。美国麻省理工大学的Kohane等人曾报导化学交联的葡聚糖、海藻酸钠及纤维素衍生物水凝胶应用于术后防粘连，此类化学凝胶需要使用具有一定生物毒性的化学交联引发剂，其生物安全隐患是制约它们进一步应用的一大问题。某些具有温度响应的物理凝胶，由于它们具备在体温下自发成胶的特点，被认为有希望取得临床应用。泊洛沙姆（Poloxamer）便是其中之一，但这种由聚乙二醇（PEG）和聚丙二醇（PPG）组成的嵌段聚合物不能被生物降解，而且凝胶在体内维持的时间特别短（一般小于3天），因此作为预防粘连的阻隔材料的效果并不是十分理想。申请号200910304210.9和201010138739.0的中国专利，提出了由PEG和聚己内酯（PCL）组成的三嵌段共聚物作为温敏的凝胶材料用于术后防粘连，然而这类材料的水溶液并不稳定，由于PCL嵌段的结晶性，导致这类材料的水溶液在室温下亦会自发成胶，在凝胶的制备和存储上带来诸多不便。申请号201010133541.3的中国专利报道了由单甲氧基封端的聚乙二醇（MPEG）和聚乳酸（PLA）组成的两嵌段聚合物温敏凝胶，虽然其溶液稳定性得到了改善，但是大量的PLA嵌段其酸性降解产物乳酸对组织有一定的刺激，会导致局部的酸碱度失衡，从而引发无菌性炎症反应，有可能影响创面的愈合。

综上所述，我们提出了一种由乙交酯、丙交酯、己内酯、对二氧六环酮、1,4,8–三氧杂螺[4.6]–9–十一烷酮中两种或两种以上成分共聚而成的疏水链段，与聚乙二醇（PEG）亲水链段组成的嵌段共聚物。上述材料与单纯使用PCL作为疏水嵌段的共聚物相比解决了PCL结晶带来的溶液稳定性问题，与单纯使用PLA作为疏水嵌段相比减少了降解产物的数量和累积速度，且这种材料依然具有反向温敏特性，在室温或低于室温时可以配置成水溶液，一旦注射到体内迅速形成凝胶，应用方便；另外聚合物的共聚酯的降解速率能够通过改变不同聚酯单体的相对比例来调节，使这类阻隔材料的存在时间变得可控。这些特点表明其在术后预防粘连领域将极具有应用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有温敏性的医用高分子材料，作为术后预防组织粘连的阻隔材料，并提供该材料的制备方法和应用。

本发明提供的防组织粘连高分子材料，要求其一定浓度的水溶液在室温条件下可以呈溶液状态（sol）；温度提高到体温时，能够迅速形成凝胶（gel）且稳定存在，它的凝胶转变特性能够通过分子设计达到可调；其基本组成是具有良好生物相容性的可降解材料，降解速率在一定范围内可以通过改变共聚物组成调节，与不同场合的应用需求相匹配，材料具有良好的生物相容性，没有明显的细胞毒性和溶血行为。

根据以上要求，本发明提供一种由聚乙二醇亲水链段与共聚酯疏水链段连接而成的嵌段聚合物材料的水体系，用于预防术后粘连，所述共聚酯疏水链段由乙交酯、丙交酯、己内酯、1,4,8–三氧杂螺[4.6]–9–十一烷酮、对二氧六环酮当中两种或两种以上成分共聚而成。

本发明中： 

a)  聚乙二醇亲水嵌段占的重量百分比为15%至60%；

b)  共聚聚酯疏水嵌段占的重量百分比为40%至85%； 

c)  聚乙二醇亲水嵌段的分子量可以为500-5000；共聚聚酯疏水嵌段的分子量可以为200-10000。

本发明中，嵌段共聚物亲水链段（记为A）和疏水链段（记为B）的组成方式可以为ABA、BAB或[AB] _n ，n为1-10之间的自然数。

本发明所述的医用防粘连材料，其聚合物溶液的浓度为1%-40%，溶剂除了生理盐水外，还可以是水、磷酸盐缓冲液（PBS）或细胞培养液。该溶液体系具有温度响应性，可在体温下自发形成水凝胶。

本发明所述的医用防粘连材料，其水凝胶可包含改变其凝胶温度、速度和强度的赋形剂。

本发明所述的医用防粘连材料，其溶液体系可进一步负载消炎、镇痛、生长因子等药物。

本发明还提出了这种防粘连材料的制备方法：所述嵌段聚合物通过热缩聚合或者开环聚合得到，催化剂为异辛酸亚锡、氢化钙或锌粉。将聚合物配成浓度为1%-40%的聚合物水体系。溶剂除了生理盐水外，还可以是水、磷酸盐缓冲液（PBS）或细胞培养液。材料中可混入改变其凝胶温度、速度和强度的赋形剂，还可进一步负载消炎、镇痛或生长因子等药物。

本发明所提出的高分子材料的应用场合包括预防手术后导致的肠粘连、腹腔粘连、肌腱粘连、输卵管粘连和输尿管粘连。此类高分子材料与现有的医用防粘连材料相比有以下几个特点：

1、该材料具有物理凝胶化的能力，凝胶化过程受温度控制，不牵涉到任何化学交联反应，降低了生物毒性的风险。该材料在溶胶状态时也有一定的防粘连效果，处于凝胶状态时效果更为显著。

2、此类材料可以溶解于水、生理盐水、磷酸盐缓冲液（PBS）以及各种细胞培养液中。在室温下处于溶液状态，粘度低，具有可注射和涂覆性能；温敏性好，在体内可原位形成凝胶，实际操作和应用非常方便。

3、凝胶转变温度可以通过分子结构进行调整，一般可以控制在室温与人体温度之间。

4、材料的降解速率可以通过改变共聚聚酯单体的相对比例实现精确调控，以满足不同应用场合的需要。

5、材料的生物相容性较好，其降解产物可以被人体排出，毒性低；与单纯使用聚丙交酯作为疏水嵌段的材料相比，酸性产物累积效应相对缓和。

6、材料包含了PEG嵌段，由于PEG具有天然的阻抗细胞和蛋白黏附的性能，因此在阻止粘附生成和发展的效果上，包含PEG的聚酯-聚醚嵌段共聚物有更好的效果。

附图说明

图1为嵌段聚合物，聚己内酯丙交酯–聚乙二醇–聚己内酯丙交酯（PCLA–PEG–PCLA）的合成路线示意图。

图2为嵌段聚合物，聚乙二醇单甲醚–聚己内酯丙交酯（MPEG–PCLA）的合成路线示意图。

图3为MTT法表征添加了不同浓度PCLA–PEG–PCLA共聚物材料的培养液对MC-3T3细胞活力的影响，证实材料具有良好的生物相容性。

图4为不同温度和浓度条件下，采用倒管法测得的PCLA–PEG–PCLA嵌段聚合物生理盐水溶液中的溶胶凝胶转变相图。

图5为该水凝胶在体外降解实验中平均分子量随降解时间的变化曲线（隔4天更换缓冲液，保持pH稳定），说明材料具有可降解性。

图6为样品的生理盐水溶液形成的凝胶，其体外降解产物累积导致pH与时间的关系变化曲线，pH值始终维持在7左右。

图7为预防新西兰兔腹壁-盲肠创伤粘连实验，凝胶没有明显的毒副作用，对创面愈合亦无影响。A：建立创伤模型；B：水凝胶作为阻隔材料；C：术后30天，对照组（无阻隔材料），新西兰兔的盲肠和腹壁发生严重的粘连；D：术后30天，水凝胶治疗组，没有粘连发生，创面愈合良好，凝胶已经降解被吸收。

具体实施方式

实施例1：PCLA–PEG–PCLA嵌段共聚物的合成

在500 ml三口烧瓶中加入28 g PEG（分子量1500），油浴加热到120 oC，搅拌下真空抽气三小时，以去除PEG中残留的水分。为了减少CL单体的挥发，首先降温至80 oC，然后在氩气保护下加入28 g己内酯（CL）和36 g丙交酯(LA)，真空下加热使其完全熔融之后，继续除水一小时。加入15 mg异辛酸亚锡，油浴升温到130℃继续反应12个小时。反应完毕，把初产物溶于冷水（5 oC～8 oC）中，等其完全溶解之后，溶液升温到80 oC，产物发生沉淀，清除上层溶液，重复上述步骤一次，得到初产物，其残余的水通过冷冻干燥除去，收率约为85 ％。

实施例2：聚（己内酯1,4,8–三氧杂螺[4.6]–9–十一烷酮）–聚乙二醇–聚（己内酯1,4,8–三氧杂螺[4.6]–9–十一烷酮）P(CL- TOSUO)-b-PEG-b- P(CL- TOSUO) 的合成

在500 ml三口烧瓶中加入15 g PEG（分子量1500），油浴加热到120 oC，搅拌下真空抽气三小时，以去除PEG中残留的水分。为了减少CL单体的挥发，首先降温至80 oC，然后在氩气保护下加入33 g的己内酯(CL)和10 g的1,4,8–三氧杂螺[4.6]–9–十一烷酮TOSUO，真空下加热使其完全熔融之后，继续除水一小时。加入15 mg异辛酸亚锡，油浴升温到130℃继续反应12个小时。反应完毕，把初产物溶于冷水（5 oC～8 oC）中，等其完全溶解之后，溶液升温到80 oC，产物发生沉淀，清除上层溶液，重复上述步骤一次，得到初产物，其残余的水通过冷冻干燥除去，收率约为80 ％。

实施例3：聚己内酯乙交酯–聚乙二醇–聚己内酯乙交酯（PCGA–PEG–PCGA）嵌段共聚物的合成

在500 ml三口烧瓶中加入14 g PEG（分子量1500），油浴加热到120 oC，搅拌下真空抽气三小时，以去除PEG中残留的水分。为了减少CL单体的挥发，首先降温至80 oC，然后在氩气保护下加入14 g己内酯(CL)和18 g乙交酯(GA)，真空下加热使其完全熔融之后，继续除水一小时。加入15 mg异辛酸亚锡，油浴升温到130℃继续反应12个小时。反应完毕，把初产物溶于冷水（5 oC～8 oC）中，等其完全溶解之后，溶液升温到80 oC，产物发生沉淀，清除上层溶液，重复上述步骤一次，得到初产物，其残余的水通过冷冻干燥除去，收率约为82 ％。

实施例4：MPEG–PCLA嵌段共聚物的合成

在500 ml三口烧瓶中加入28 g MPEG（分子量1500），油浴加热到120 oC，搅拌下真空抽气三小时，以去除PEG中残留的水分。为了减少CL单体的挥发，首先降温至80 oC，然后在氩气保护下加入18 g己内酯(CL)和20 g丙交酯(LA)，真空下加热使其完全熔融之后，继续除水一小时。加入15 mg异辛酸亚锡，油浴升温到130℃继续反应12个小时。反应完毕，把初产物溶于冷水（5 oC～8 oC）中，等其完全溶解之后，溶液升温到80 oC，产物发生沉淀，清除上层溶液，重复上述步骤一次，得到初产物，其残余的水通过冷冻干燥除去，收率约为85 ％。我们采用相同的方法制备了一系列不同嵌段组成的PCLA–PEG–PCLA共聚物。

实施例5：聚己内酯丙交酯乙交酯–聚乙二醇–聚己内酯丙交酯乙交酯（PCLGA–PEG–PCLGA）嵌段共聚物的合成

在500 ml三口烧瓶中加入28 g PEG（分子量1500），油浴加热到120 oC，搅拌下真空抽气三小时，以去除PEG中残留的水分。为了减少CL单体的挥发，首先降温至80 oC，然后在氩气保护下加入28 g己内酯(CL)、18 g乙交酯(GA)和18 g丙交酯(LA)，真空下加热使其完全熔融之后，继续除水一小时。加入15 mg异辛酸亚锡，油浴升温到130℃继续反应12个小时。反应完毕，把初产物溶于冷水（5 oC～8 oC）中，等其完全溶解之后，溶液升温到80 oC，产物发生沉淀，清除上层溶液，重复上述步骤一次，得到初产物，其残余的水通过冷冻干燥除去，收率约为80 ％。

实施例6：聚己内酯对二氧环己酮–聚乙二醇–聚己内酯对二氧环己酮P(CL- PDO)-b-PEG-b- P(CL- PDO)嵌段共聚物的合成

在500 ml三口烧瓶中加入28 g PEG（分子量1500），油浴加热到120 oC，搅拌下真空抽气三小时，以去除PEG中残留的水分。为了减少CL单体的挥发，首先降温至80 oC，然后在氩气保护下加入28 g己内酯(CL)和28 g 二氧环己酮(PDO)，真空下加热使其完全熔融之后，继续除水一小时。加入15 mg异辛酸亚锡，油浴升温到130℃继续反应12个小时。反应完毕，把初产物溶于冷水（5 oC～8 oC）中，等其完全溶解之后，溶液升温到80 oC，产物发生沉淀，清除上层溶液，重复上述步骤一次，得到初产物，其残余的水通过冷冻干燥除去，收率约为80 ％。

实施例7：嵌段共聚物的生物相容性实验

为了评价合成的嵌段共聚物材料的生物相容性，我们将聚合物加入培养液中，培养MC-3T3细胞，到采用MTT法表征细胞活力，研究聚合物对细胞有无毒性影响。本实施例中采用的聚合物材料为PCLA–PEG–PCLA，培养液为MEMα (含10 % 胎牛血清)，培养液中聚合物浓度范围0.001-5.0 mg/mL。首先将MC-3T3细胞种植到96孔板上，接种密度10⁴每孔，培养液为MEMα (含10 % 胎牛血清)。在二氧化碳培养箱培养24小时后，细胞贴壁，吸去培养液，置换为一系列含有不同浓度的聚合物的培养液，细胞培养24小时后，原培养液置换为100微升含有0.5 mg/mL MTT染料的培养液，孵育4小时后，再次去除培养液。然后，每个培养板孔中加入200微升的二甲基亚砜，将细胞内被染色形成的紫色物质溶出，用酶标仪测量492 nm处的吸收值。我们将对照组（不含聚合物的培养液）的细胞活力定义为100%，其他各组细胞染色后溶出物吸光度值与对照组相比，作为相对活力值。实验获得了不同浓度材料培养液培养的细胞相对活力值，见附图3。

实施例8：嵌段共聚物水凝胶的制备

由于各嵌段聚合物水凝胶的制备原理相同，这里我们仅以(CL/LA)_11.4/8.3–EG_34.1–(CL/LA)_11.4/8.3为例，首先将PCLA–PEG–PCLA溶解于生理盐水中，配成浓度为5 %-40 %的溶液（优选浓度为15 %-25 %），室温下充分搅拌24小时至完全溶解，溶液通过0.22 mm微孔滤膜灭菌，使用时将溶液用注射器慢慢滴到创面上，由于体温作用，在创面上会立刻形成一层凝胶。

实施例9：含赋形剂的共聚物水凝胶的制备

按照实施例八的方法制备了共聚物的生理盐水溶液，然后往溶液中添加纤维蛋白原作为赋形剂，以降低凝胶转变温度，提高凝胶强度。纤维蛋白原的浓度为0.1-5 %（优选浓度1-2 %），室温搅拌2小时以上使赋形剂完全溶解和混和，采用0.22 mm微孔滤膜灭菌。使用时直接将溶液滴到创面上形成凝胶。

实施例10：负载消炎药的共聚物水凝胶的制备

按照实施例八的方法制备了共聚物的生理盐水溶液，然后往溶液中添加消炎药布洛芬，浓度为0.1-5 % （优选浓度为1-2 %），室温下搅拌2小时以上使药物得到充分溶解和混和，采用0.22 mm微孔滤膜灭菌。使用时直接将溶液滴到创面上形成凝胶。

实施例11：医用防粘连效果的检验

本实施例中使用了嵌段聚合物(CL/LA)_11.4/8.3–EG_34.1–(CL/LA)_11.4/8.3制备凝胶，首先按照实施例2的方法，制备了已灭菌的水凝胶材料。实验动物模型采用新西兰兔的腹壁-盲肠损伤模型，新西兰兔麻醉后，沿中心线切开腹腔，在右侧腹腔内壁距离切口1厘米位置外，切去一块3×4厘米见方腹壁肌肉，创面深度约1毫米，然后将对应位置的盲肠用手术刷摩擦，粘膜破坏至渗血（见图7A）。对于凝胶材料组，我们将水凝胶慢慢滴在腹腔壁和盲肠的创面上（图7B），而对照组动物的创面不加处理，手术完成后缝合腹壁肌肉和皮肤。动物正常饲养一个月后处死，打开腹腔检查粘连情况，实验结果表明，对照组的动物，腹壁和盲肠存在严重粘连（图7C）；而使用水凝胶材料的动物，腹壁和盲肠间没有发生粘连，创面愈合良好，凝胶已经完全吸收降解(图7D)。说明这种可降解温敏水凝胶能够有效抑制术后粘连的发生，且生物相容性良好，不影响创面的愈合。

实施例12：含赋形剂的共聚物水凝胶应用于预防肠粘连

按照实施例九的方法制备了含纤维蛋白原（2 wt%）为赋形剂的共聚物的生理盐水溶液，以降低凝胶转变温度，提高凝胶强度。赋形剂完全溶解和混和后，采用0.22 mm微孔滤膜灭菌。实验动物模型采用新西兰兔的腹壁-盲肠损伤模型，新西兰兔麻醉后，沿中心线切开腹腔，在右侧腹腔内壁距离切口1厘米位置外，切去一块3×4厘米见方腹壁肌肉，创面深度约1毫米，然后将对应位置的盲肠用手术刷摩擦，粘膜破坏至渗血。对于凝胶材料组，我们将水凝胶慢慢滴在腹腔壁和盲肠的创面上，而对照组动物的创面不加处理，手术完成后缝合腹壁肌肉和皮肤。动物正常饲养一个月后处死，打开腹腔检查粘连情况，实验结果表明，对照组的动物，腹壁和盲肠存在严重粘连；而使用水凝胶材料的动物，腹壁和盲肠间没有发生粘连，创面愈合良好，凝胶已经完全吸收降解。说明这种可降解温敏水凝胶能够有效抑制术后粘连的发生，且生物相容性良好，不影响创面的愈合。

实施例13：负载消炎药的共聚物水凝胶应用于预防肠粘连

按照实施例十的方法制备了负载有消炎药布洛芬（1 wt%）的共聚物的生理盐水溶液，室温下搅拌2小时以上使药物得到充分溶解和混和，采用0.22 mm微孔滤膜灭菌。实验动物模型采用新西兰兔的腹壁-盲肠损伤模型，新西兰兔麻醉后，沿中心线切开腹腔，在右侧腹腔内壁距离切口1厘米位置外，切去一块3×4厘米见方腹壁肌肉，创面深度约1毫米，然后将对应位置的盲肠用手术刷摩擦，粘膜破坏至渗血。对于载药凝胶材料组，我们将水凝胶慢慢滴在腹腔壁和盲肠的创面上，而对照组动物的创面不加处理，手术完成后缝合腹壁肌肉和皮肤。动物正常饲养一个月后处死，打开腹腔检查粘连情况，实验结果表明，对照组的动物，腹壁和盲肠存在严重粘连；而使用水凝胶材料的动物，腹壁和盲肠间没有发生粘连，创面愈合良好，凝胶已经完全吸收降解。说明这种可降解温敏水凝胶能够有效抑制术后粘连的发生，且生物相容性良好，不影响创面的愈合。

Claims (12)

1.一种具有防粘连特性的医用高分子材料，其特征在于：为由聚乙二醇亲水链段与共聚酯疏水链段连接而成的嵌段聚合物材料的溶液体系，所述共聚酯疏水链段由乙交酯、丙交酯、己内酯、1,4,8–三氧杂螺[4.6]–9–十一烷酮、对二氧六环酮当中两种或两种以上成分共聚而成。

2.根据权利要求1所述的具有防粘连特性的医用高分子材料，其特征在于：

聚乙二醇亲水链段占的重量百分比为15%至60%；

共聚酯疏水链段占的重量百分比为40%至85%；

聚乙二醇亲水链段的分子量为500-5000；共聚酯疏水链段的分子量为200-10000。

3.根据权利要求1所述的具有防粘连特性的医用高分子材料，其特征在于嵌段共聚物亲水链段（记为A）和疏水链段（记为B）的组成方式为ABA、BAB或[AB] _n ，n为1-10之间的自然数；其组成是ABA或AB时，A段为一端由甲氧基封端的聚乙二醇。

4.根据权利要求1所述的具有防粘连特性的医用高分子材料，其特征在于溶液体系中嵌段聚合物的重量浓度为1%-40%。

5.根据权利要求1所述的具有防粘连特性的医用高分子材料，其特征在于溶液体系的溶剂为生理盐水、水、磷酸盐缓冲液或细胞培养液。

6.根据权利要求1所述的具有防粘连特性的医用高分子材料，其特征在于溶液体系具有温度响应性，可在体温下自发形成水凝胶。

7.根据权利要求1所述的具有防粘连特性的医用高分子材料，其特征在于所述的水凝胶包含改变其凝胶温度、速度和强度的赋形剂。

8.根据权利要求1所述的具有防粘连特性的医用高分子材料，其特征在于还负载有消炎、镇痛或生长因子类药物。

9.如权利要求1—8之一所述的具有防粘连特性的医用高分子材料的制备方法，其特征在于：通过热缩聚合或者开环聚合得到聚乙二醇亲水链段与共聚酯疏水链段连接而成的嵌段聚合物，并将其配成浓度为1%-40%的聚合物溶液体系。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：开环聚合采用的催化剂为异辛酸亚锡、氢化钙或锌粉。

11.如权利要求1—8之一所述的具有防粘连特性的医用高分子材料在预防手术后导致的组织粘连方面的应用。

12.根据权利要求11所述的应用，其特征在于所述的组织粘连为肠粘连、腹腔粘连、肌腱粘连、输卵管粘连或输尿管粘连。

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