CN102247602A - 一种超分子水凝胶双重药物载体及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种同时负载亲水和疏水药物的超分子水凝胶双重药物载体及其制备方法和应用。该方法包括以下操作步骤：利用聚乙二醇单甲醚对疏水药物进行化学改性，合成出水溶性大分子前药；然后将前药分子与亲水药物物理共混，进一步将该混合溶液与α-环糊精溶液混合后搅拌，室温下静置，得到同时负载亲水和疏水药物的超分子水凝胶双重药物载体。本发明具有操作简单、凝胶强度和凝胶化时间可调、室温成型、不涉及化学交联反应以及有机溶剂的使用、良好的生物相容性和药物的可持续、可控释放等优势，有望在生物医学工程材料领域得到广泛应用。
Description
技术领域
本发明属于生物医学工程材料领域，特别涉及一种可同时负载亲水和疏水药物的超分子水凝胶双重药物载体及其制备方法和应用。
背景技术
两种或多种药物的联合治疗是目前临床上治疗疾病和组织缺损的一种有效方法。该技术实施的关键在于控制药物各自的用量和用药周期。水凝胶作为一类常用的药物载体，具有负载量高、可保护药物免受生物体降解和清除、可持续释放药物等优点，近年来已被用作双重药物载体进行研究。例如，Konishi等将顺铂和阿霉素同时负载于戊二醛交联的明胶基质中，通过两种药物的协同作用达到高效抑制肿瘤细胞的目的(Journal of Controlled Release2005，103：7-19)。Wei等首先将阿霉素负载于聚谷氨酸-聚丙二醇-聚谷氨酸三嵌段共聚物形成的胶束中，然后将该载药胶束与阿司匹林共同包埋于聚乙烯醇水凝胶中，制得对两种药物具有独立控释效果的水凝胶双重药物载体(Biomaterials 2009，30：2606-2613)。Lim等将骨形态发生蛋白-7(BMP-7)和转化生长因子-β2(TGF-β2)共同负载于海藻酸盐水凝胶基质中用于软骨修复研究，所负载的生长因子可长时间持续释放并保持良好的生物活性(JMater Sci：Mater Med 2010，21：2593-2600)。Ruvinov等将类胰岛素样生长因子-1(IGF-1)和肝细胞生长因子(HGF)共同负载于海藻酸盐水凝胶基质中，利用两种生长因子对凝胶基质亲和力的不同设计出具有独立释放行为的水凝胶双重药物载体(Biomaterials 2011，32：565-578)。
然而，上述水凝胶载体所负载的药物多为亲水性药物；且水凝胶载体的形成通常离不开高温或化学交联剂的使用，不利于保持被包埋药物的生物活性以及材料的生物相容性。因此，如何在温和条件下构建可同时负载亲水和疏水药物的水凝胶载体材料便成为当前生物医学工程领域亟待解决的重要课题。迄今为止，通过聚合物与环糊精的主客体相互作用制备同时负载亲水和疏水药物的超分子水凝胶双重药物载体及其应用尚未见报道。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的缺点和不足，本发明的首要目的在于提供一种可同时负载亲水和疏水药物的超分子水凝胶双重药物载体材料的制备方法；本发明首先通过偶联反应将含反应基团的疏水药物修饰于聚乙二醇单甲醚形成前药分子，该前药分子与亲水药物共混后，通过与环糊精的主客体相互作用制备同时负载亲水和疏水药物的超分子结构水凝胶；该凝胶制备条件温和、操作方便、对温度和浓度要求较低、溶胶-凝胶可逆；可负载的疏水及亲水药物范围广泛；凝胶强度可通过聚合物浓度或者环糊精浓度来调节，可作为一类新型可注射水凝胶药物载体应用于亲水和疏水药物的负载和释放。
本发明的另一目的在于提供一种由上述方法制备的超分子水凝胶双重药物载体材料。
本发明的再一目的在于提供上述超分子水凝胶双重药物载体材料在生物医学材料工程领域的应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种超分子水凝胶双重药物载体的制备方法，包括以下操作步骤：
(1)聚乙二醇单甲醚修饰疏水药物的合成：
将干燥的聚乙二醇单甲醚(MPEG)与疏水药物在搅拌条件下溶解于无水二甲基亚砜中，得到溶液；向溶液中加入1，3-二环己基碳二亚胺(DCC)和4-二甲氨基吡啶(DMAP)，5～35℃条件下搅拌反应；反应完成后，将产物过滤，滤液用乙醚沉淀；将所得沉淀重新溶于水，过滤并透析2～3天，冷冻干燥得到前药；
(2)室温条件下，将步骤(1)所得前药配成质量百分比浓度为10～40％的前药溶液，与质量百分比浓度为0.4～8.0％的亲水药物溶液等体积混合，然后向混合溶液中加入与混合溶液等体积的质量百分比浓度为14～20％的α-环糊精溶液，搅拌混合均匀，5～35℃条件下静置，得到超分子水凝胶双重药物载体。
步骤(1)所述聚乙二醇单甲醚的分子量为2000～10000，可选用工业化产品。
步骤(1)所述疏水药物为吲哚美辛(IND)、喜树碱、布洛芬或地塞米松；步骤(2)所述亲水药物为叶酸、维生素B12或阿司匹林。
步骤(1)所述聚乙二醇单甲醚、疏水药物、1，3-二环己基碳二亚胺和4-二甲氨基吡啶的摩尔比为1∶1.1∶1.2∶1.1；所述溶液中每100毫升二甲基亚砜含有10～20克聚乙二醇单甲醚；所述反应的时间为24～48小时。
步骤(2)所述前药溶液是将前药溶解于水或pH为6～9的磷酸盐缓冲溶液中；所述亲水药物溶液是将亲水药物溶解于0.1mol/L的碳酸氢钠溶液中。
步骤(2)所述α-环糊精溶液是将α-环糊精溶解在水或pH为6～9的磷酸盐缓冲溶液中；所述静置的时间为6～12小时。
步骤(1)所述透析是采用截留分子量为500～3000的透析袋进行透析；所述搅拌的速度为300～900转/分钟。
步骤(2)所述搅拌的转速为60～180转/分钟，搅拌时间30～60秒；所述静置的时间为6～12小时。
一种根据上述方法制备的超分子水凝胶双重药物载体。
上述超分子水凝胶双重药物载体在制备可注射药物载体中的用途。
本发明的原理是：聚乙二醇具有良好的水溶性和生物相容性，是少数被美国FDA批准可作为药品和食品添加剂的合成化合物之一。目前临床上已有使用聚乙二醇修饰药物分子以增加药物的水溶性、降低药物的生物毒性、延长药物在体内的循环时间等应用，且相关药物已通过FDA的认证。本发明首先利用偶联反应将疏水药物修饰于聚乙二醇的端基制成前药；本发明适应于含有羟基或羧基等反应基团的一切疏水药物，例如吲哚美辛(羧基)、喜树碱(羟基)、布洛芬(羧基)、地塞米松(羟基)等。该前药分子溶于水后与亲水药物分子物理共混；亲水药物范围广泛，可选用叶酸、维生素B12、阿司匹林等在水或PBS缓冲溶剂中有一定溶解度的药物。然后再通过前药分子的聚乙二醇链段与α-环糊精的主客体组装相互作用进一步得到同时负载亲水和疏水药物的超分子结构水凝胶。水凝胶形成的主要作用力为环糊精组装之后的结晶作用。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及有益效果：
(1)本发明所述方法用途广泛，可负载一切含有反应基团的疏水药物，以及在水或PBS缓冲溶剂中有一定溶解度的亲水药物。
(2)本发明凝胶制备方便快捷，可在室温下成型，条件温和，对浓度及温度要求较低；
(3)本发明凝胶的形成过程不存在化学反应，有效地避免了化学反应及反应副产物的残留；
(4)本发明凝胶的强度和凝胶化时间可通过前药浓度、环糊精浓度来调控，随着前药或者环糊精浓度的增加，凝胶的弹性模量增加，凝胶化时间缩短；
(5)本发明凝胶载体有效地将疏水药物分子负载于水凝胶基质中，且可增加疏水药物在体内的循环时间、降低其生物毒性、提高其生物利用率；
(6)本发明凝胶载体可实现对亲水或疏水药物的持续且可控释放；
(7)由于亲水药物和疏水药物负载于凝胶基质的方式不同，因此该水凝胶可实现两种药物的独立控释；
(8)本发明水凝胶成分简单，生物相容性好，且具备良好的剪切变稀的特性，应用方便快捷，有望作为可注射的药物载体广泛应用于生物医学工程材料领域。
附图说明
图1为超分子凝胶的广角X射线衍射图谱图，其中曲线1为α-环糊精，曲线2为前药A，曲线3为超分子水凝胶双重药物载体材料C。
图2为前药从不同组分浓度的超分子水凝胶的释放曲线图。
图3为叶酸从不同组分浓度的超分子水凝胶的释放曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
将干燥的聚乙二醇单甲醚(MPEG，分子量为2000)与吲哚美辛(IND)在转速为300转/分钟的搅拌条件下溶解于无水二甲基亚砜中，得到溶液(每100毫升二甲基亚砜含有10克聚乙二醇单甲醚)；向溶液中加入1，3-二环己基碳二亚胺(DCC)和4-二甲氨基吡啶(DMAP)，5℃条件下搅拌反应48小时；所述聚乙二醇单甲醚、疏水药物、1，3-二环己基碳二亚胺和4-二甲氨基吡啶的摩尔比为1∶1.1∶1.2∶1.1；反应完成后，将产物过滤，滤液用乙醚沉淀；将所得沉淀重新溶于水，过滤并采用截留分子量为3000的透析袋透析2天，冷冻干燥得到前药A(MPEG-IND)。
实施例2
将干燥的聚乙二醇单甲醚(MPEG，分子量为10000)与吲哚美辛(IND)在转速为900转/分钟的搅拌条件下溶解于无水二甲基亚砜中，得到溶液(每100毫升二甲基亚砜含有20克聚乙二醇单甲醚)；向溶液中加入1，3-二环己基碳二亚胺(DCC)和4-二甲氨基吡啶(DMAP)，35℃条件下搅拌反应24小时；所述聚乙二醇单甲醚、疏水药物、1，3-二环己基碳二亚胺和4-二甲氨基吡啶的摩尔比为1∶1.1∶1.2∶1.1；反应完成后，将产物过滤，滤液用乙醚沉淀；将所得沉淀重新溶于水，过滤并采用截留分子量为500的透析袋透析3天，冷冻干燥得到前药(MPEG-IND)。
实施例3
在室温25℃条件下，将实施例1所得MPEG-IND溶解于pH为6的磷酸盐缓冲溶液中配成质量百分比浓度为8％的前药溶液，与质量百分比浓度为1.0％的叶酸溶液(叶酸溶解于0.1mol/L的碳酸氢钠溶液中得到)等体积混合，然后向混合溶液中加入与混合溶液等体积的质量百分比浓度为14％的α-环糊精溶液(α-环糊精溶解在pH为6的磷酸盐缓冲溶液中得到)，以60转/分钟的速度搅拌60秒，混合均匀，5℃条件下静置12小时，得到同时负载亲水和疏水药物的超分子水凝胶双重药物载体B。
实施例4
在室温25℃条件下，将实施例1所得MPEG-IND溶解于pH为9的磷酸盐缓冲溶液中配成质量百分比浓度为12％的前药溶液，与质量百分比浓度为1.0％的叶酸溶液(叶酸溶解于0.1mol/L的碳酸氢钠溶液中得到)等体积混合，然后向混合溶液中加入与混合溶液等体积的质量百分比浓度为14％的α-环糊精溶液(α-环糊精溶解在pH为9的磷酸盐缓冲溶液中得到)，以180转/分钟的速度搅拌30秒，混合均匀，25℃条件下静置6小时，得到同时负载亲水和疏水药物的超分子水凝胶双重药物载体C。
实施例5
在室温25℃条件下，将实施例1所得MPEG-IND溶解于pH为7的磷酸盐缓冲溶液中配成质量百分比浓度为16％的前药溶液，与质量百分比浓度为1.0％的叶酸溶液(叶酸溶解于0.1mol/L的碳酸氢钠溶液中得到)等体积混合，然后向混合溶液中加入与混合溶液等体积的质量百分比浓度为14％的α-环糊精溶液(α-环糊精溶解在水或pH为7的磷酸盐缓冲溶液中得到)，以100转/分钟的速度搅拌40秒，混合均匀，25℃条件下静置10小时，得到同时负载亲水和疏水药物的超分子水凝胶双重药物载体D。
实施例6
在室温25℃条件下，将实施例1所得MPEG-IND溶解于pH为8的磷酸盐缓冲溶液中配成质量百分比浓度为12％的前药溶液，与质量百分比浓度为1.0％的叶酸溶液(叶酸溶解于0.1mol/L的碳酸氢钠溶液中得到)等体积混合，然后向混合溶液中加入与混合溶液等体积的质量百分比浓度为12％的α-环糊精溶液(α-环糊精溶解在pH为8的磷酸盐缓冲溶液中得到)，以120转/分钟的速度搅拌50秒，混合均匀，35℃条件下静置8小时，得到同时负载亲水和疏水药物的超分子水凝胶双重药物载体E。
实施例7
在室温25℃条件下，将实施例1所得MPEG-IND溶解于水或pH为9的磷酸盐缓冲溶液中配成质量百分比浓度为12％的前药溶液，与质量百分比浓度为1.0％的叶酸溶液(叶酸溶解于0.1mol/L的碳酸氢钠溶液中得到)等体积混合，然后向混合溶液中加入与混合溶液等体积的质量百分比浓度为16％的α-环糊精溶液(α-环糊精溶解在pH为9的磷酸盐缓冲溶液中得到)，以80转/分钟的速度搅拌55秒，混合均匀，25℃条件下静置11小时，得到同时负载亲水和疏水药物的超分子水凝胶双重药物载体F。
实施例8
在室温35℃条件下，将实施例1所得MPEG-IND溶解于水中配成质量百分比浓度为8％的前药溶液，与质量百分比浓度为1.0％的叶酸溶液(叶酸溶解于0.1mol/L的碳酸氢钠溶液中得到)等体积混合，然后向混合溶液中加入与混合溶液等体积的质量百分比浓度为14％的α-环糊精溶液(α-环糊精溶解在水中得到)，以150转/分钟的速度搅拌30秒，混合均匀，35℃条件下静置6～12小时，得到同时负载亲水和疏水药物的超分子水凝胶双重药物载体。
实施例9
在室温4℃条件下，将实施例1所得MPEG-IND溶解于水中配成质量百分比浓度为8％的前药溶液，与质量百分比浓度为1.0％的叶酸溶液(叶酸溶解于0.1mol/L的碳酸氢钠溶液中得到)等体积混合，然后向混合溶液中加入与混合溶液等体积的质量百分比浓度为14％的α-环糊精溶液(α-环糊精溶解在水中得到)，以160转/分钟的速度搅拌35秒，混合均匀，5℃条件下静置6～12小时，得到同时负载亲水和疏水药物的超分子水凝胶双重药物载体。
实施例10
在室温25℃条件下，将实施例1所得MPEG-IND溶解于pH为6的磷酸盐缓冲溶液中配成质量百分比浓度为12％的前药溶液，与质量百分比浓度为1.0％的叶酸溶液(叶酸溶解于0.1mol/L的碳酸氢钠溶液中得到)等体积混合，然后向混合溶液中加入与混合溶液等体积的质量百分比浓度为14％的α-环糊精溶液(α-环糊精溶解在pH为6的磷酸盐缓冲溶液中得到)，以90转/分钟的速度搅拌45秒，混合均匀，25℃条件下静置9小时，得到同时负载亲水和疏水药物的超分子水凝胶双重药物载体。
实施例11
在室温25℃条件下，将实施例1所得MPEG-IND溶解于pH为8的磷酸盐缓冲溶液中配成质量百分比浓度为40％的前药溶液，与质量百分比浓度为8.0％的叶酸溶液(叶酸溶解于0.1mol/L的碳酸氢钠溶液中得到)等体积混合，然后向混合溶液中加入与混合溶液等体积的质量百分比浓度为14％的α-环糊精溶液(α-环糊精溶解在pH为8的磷酸盐缓冲溶液中得到)，以150转/分钟的速度搅拌30秒，混合均匀，25℃条件下静置11小时，得到同时负载亲水和疏水药物的超分子水凝胶双重药物载体。
实施例12
在室温25℃条件下，将实施例1所得MPEG-IND溶解于水中配成质量百分比浓度为8％的前药溶液，与质量百分比浓度为0.4％的叶酸溶液(叶酸溶解于0.1mol/L的碳酸氢钠溶液中得到)等体积混合，然后向混合溶液中加入与混合溶液等体积的质量百分比浓度为16％的α-环糊精溶液(α-环糊精溶解在水中得到)，以170转/分钟的速度搅拌55秒，混合均匀，25℃条件下静置10小时，得到同时负载亲水和疏水药物的超分子水凝胶双重药物载体。
实施例13
将实施例4得到的同时负载亲水和疏水药物的超分子水凝胶双重药物载体材料C进行广角X射线衍射测定，结果如图1所示：曲线1为α-环糊精，曲线2为前药A，曲线3为超分子水凝胶双重药物载体材料C。由图1可见，超分子水凝胶双重药物载体材料C在2θ＝19.8度处存在明显的结晶峰，此结晶峰对应于α-环糊精穿到聚合物链上形成的“准多轮烷”的结晶峰(Macromolecules 1990，23：2821-2823)。
实施例14
将实施例3、4、5、6、7所得超分子水凝胶双重药物载体材料B、C、D、E、F在磷酸盐缓冲溶液环境下进行体外释放实验。前药和叶酸的释放量用紫外-可见分光光度计分别检测释放液在319nm和365nm波长处的吸光度值确定，释放结果如图2、3所示。该类超分子水凝胶双重药物载体对两种药物的释放速率不同，小分子叶酸的释放速率较快，大分子前药的释放速率较慢；且药物释放速率与前药和α-环糊精的浓度有关，随着前药或α-环糊精浓度的增加，药物的释放周期延长。
实施例15
将实施例14所得数据用Peppas方程拟合，结果如表1所示。由表1结果可知，超分子水凝胶双重药物载体对前药的体外释放属non-Fickian扩散模式，前药的释放表现出一种不规则的扩散，受到体系的溶胀或者降解的影响；凝胶载体对叶酸的释放基本为Fickian扩散模型，药物分子通过分子扩散实现释放，基本不受凝胶降解的影响。两种药物的释放速率和释放机理不同。
表1 药物体外释放实验数据拟合结果
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种超分子水凝胶双重药物载体的制备方法，其特征在于包括以下操作步骤：
(1)聚乙二醇单甲醚修饰疏水药物的合成：
将干燥的聚乙二醇单甲醚与疏水药物在搅拌条件下溶解于无水二甲基亚砜中，得到溶液；向溶液中加入1，3-二环己基碳二亚胺和4-二甲氨基吡啶，5～35℃条件下搅拌反应；反应完成后，将产物过滤，滤液用乙醚沉淀；将所得沉淀重新溶于水，过滤并透析2～3天，冷冻干燥得到前药；
(2)室温条件下，将步骤(1)所得前药配成质量百分比浓度为8～40％的前药溶液，与质量百分比浓度为0.4～8.0％的亲水药物溶液等体积混合，然后向混合溶液中加入与混合溶液等体积的质量百分比浓度为12～16％的α-环糊精溶液，搅拌混合均匀，5～35℃条件下静置，得到超分子水凝胶双重药物载体。
2.根据权利要求1所述的一种超分子水凝胶双重药物载体的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述聚乙二醇单甲醚的分子量为2000～10000。
3.根据权利要求1所述的一种超分子水凝胶双重药物载体的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述疏水药物为吲哚美辛、喜树碱、布洛芬或地塞米松；步骤(2)所述亲水药物为叶酸、维生素B12或阿司匹林。
4.根据权利要求1所述的一种超分子水凝胶双重药物载体的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述聚乙二醇单甲醚、疏水药物、1，3-二环己基碳二亚胺和4-二甲氨基吡啶的摩尔比为1∶1.1∶1.2∶1.1；所述溶液中每100毫升二甲基亚砜含有10～20克聚乙二醇单甲醚；所述反应的时间为24～48小时。
5.根据权利要求1所述的一种超分子水凝胶双重药物载体的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述前药溶液是将前药溶解于水或pH为6～9的磷酸盐缓冲溶液中；所述亲水药物溶液是将亲水药物溶解于0.1mol/L的碳酸氢钠溶液中。
6.根据权利要求1所述的一种超分子水凝胶双重药物载体的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述α-环糊精溶液是将α-环糊精溶解在水或pH为6～9的磷酸盐缓冲溶液中；所述静置的时间为6～12小时。
7.根据权利要求1所述的一种超分子水凝胶双重药物载体的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述透析是采用截留分子量为500～3000的透析袋进行透析；所述搅拌的速度为300～900转/分钟。
8.根据权利要求1所述的一种超分子水凝胶双重药物载体的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述搅拌的速度为60～180转/分钟，搅拌时间30～60秒；所述静置的时间为6～12小时。
9.一种根据权利要求1～8任一项所述方法制备的超分子水凝胶双重药物载体。
10.根据权利要求9所述的超分子水凝胶双重药物载体在制备可注射药物载体中的用途。
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