CN102344538A - 嵌段共聚物温敏水凝胶及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种分子结构和分子量可控的共聚物温敏水凝胶及其制备方法，以(2-甲基-2-丙烯酸-2-(2-甲氧基乙氧基)乙酯、甲基丙烯酸-2-羟乙酯为单体，利用原子转移自由基聚合进行制备，使用催化剂氯化亚铜、配体N，N，N’，N”，N”-五甲基二乙基三胺和双官能团引发剂间-2，5-二溴己二酸二乙酯来引发上述两种单体中的一种进行聚合反应，这样以来最终获得产物在分子链的两端分别获得活性中心，继续向其中加入另一种，就会继续在分子链两端的活性中心继续聚合反应。嵌段共聚物作为温敏水凝胶，可应用作血管内栓塞材料。

Description

嵌段共聚物温敏水凝胶及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种共聚物及其制备方法，更具体地说，涉及一种温度敏感型嵌段水凝胶及其制备方法。

背景技术

脑动静脉畸形(AVM)是脑动脉和静脉间的直接交通，即动脉血不经过毛细血管直接进入静脉系统，由于血液动力学的改变产生盗流、静脉压升高从而引起头痛、癫痫甚至颅内出血等一系列临床症状。目前治疗方法主要为显微外科手术、立体定向释放、血管内栓塞治疗，其中血管内栓塞治疗因创伤小，疗效好，能解决传统开颅手术无法解决的问题，逐渐成为治疗脑动静脉畸形的重要手段。

可注射温敏性水凝胶注射入体内后，在不加有机交联剂的情况下，其水溶液在生理温度下原位凝胶，可负载多种治疗剂，且不受植入部位的几何形状限制，是理想的药物释放载体和组织工程支架材料。这类具有低临界溶解温度(LCST)的体系包括天然及改性的天然高分子、聚N-异丙基丙烯酰胺、(2-甲基-2-丙烯酸-2-(2-甲氧基乙氧基)乙酯、聚乙二醇/聚(D，L-乳酸-co-乙醇酸)共聚物等。

在过去相当长的一个时期内，聚N-异丙基丙烯酰胺由于其与人体温度相近的低临界溶解温度(32-34℃)，被广泛作为可注射温敏性水凝胶注，用于血管内栓塞治疗。但是聚N-异丙基丙烯酰胺存在一定的细胞毒性，而且在相转变过程中存在较严重的滞后现象，这些都使得聚N-异丙基丙烯酰胺的应用存在一定的局限。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种分子结构和分子量可控的共聚物温敏水凝胶。

本发明的目的还在于提供一种制备方法。

本发明的目的还在于提供共聚物温敏水凝胶的应用。

嵌段共聚物温敏水凝胶，以(2-甲基-2-丙烯酸-2-(2-甲氧基乙氧基)乙酯、甲基丙烯酸-2-羟乙酯为单体，利用原子转移自由基聚合进行制备，可对共聚物的嵌段结构进行调控。在原子转移自由基聚合中，使用催化剂氯化亚铜(CuCl)、配体N，N，N’，N”，N”-五甲基二乙基三胺(PMDETA)和双官能团引发剂间-2，5-二溴己二酸二乙酯(DEDBA)来引发上述两种单体中的一种进行聚合反应，这样以来最终获得产物在分子链的两端分别获得活性中心，继续向其中加入另一种，就会继续在分子链两端的活性中心继续聚合反应。既可以通过加入单体的用量控制最终产物的分子量，也可以通过单体的加入顺序对共聚物的结构进行调控。

具体来说，可以获得下述两种嵌段共聚物：“(2-甲基-2-丙烯酸-2-(2-甲氧基乙氧基)乙酯-甲基丙烯酸-2-羟乙酯-(2-甲基-2-丙烯酸-2-(2-甲氧基乙氧基)乙酯”、或者“甲基丙烯酸-2-羟乙酯-(2-甲基-2-丙烯酸-2-(2-甲氧基乙氧基)乙酯-甲基丙烯酸-2-羟乙酯”，以A表示“甲基丙烯酸-2-羟乙酯”、以B表示“(2-甲基-2-丙烯酸-2-(2-甲氧基乙氧基)乙酯”，如下述分子式所示：

式(1)ABA型嵌段共聚物结构式

式(2)BAB型嵌段共聚物结构式

嵌段共聚物温敏水凝胶的制备方法，以(2-甲基-2-丙烯酸-2-(2-甲氧基乙氧基)乙酯、甲基丙烯酸-2-羟乙酯为单体，按照下述步骤进行：

(1)先将单体和催化剂氯化亚铜溶解在溶剂中，在除氧和除湿的条件下，再将配体N，N，N’，N”，N”-五甲基二乙基三胺和双官能团引发剂间-2，5-二溴己二酸二乙酯加入体系中，进行原子转移自由基聚合反应；

(2)继续维持体系的除氧和除湿环境，加入另一单体，继续进行反应；

(3)反应完成后用液氮冷冻终止反应，即得到嵌段共聚物温敏水凝胶。

在进行原子转移自由基聚合时，催化剂氯化亚铜和配体N，N，N′，N″，N″-五甲基二乙烯基三胺(PMDETA)的摩尔比在(1-1.5)∶(1-1.5)；催化剂氯化亚铜和双官能团引发剂间-2，5-二溴己二酸二乙酯的摩尔比在(1.5-2)∶(1-1.5)。在反应时，可以通过增加单体用量、延长反应时间的方式提高单体的聚合度n，可以根据单体和引发剂的摩尔比例计算理论聚合度，在聚合反应后根据核磁共振谱图中聚合前双键、聚合后单键两处的积分面积计算聚合度：[聚合后单键峰积分面积/(聚合前双键峰积分面积+聚合后单键峰积分面积)]×理论聚合度。一般而言，甲基丙烯酸-2-羟乙酯的聚合度为20-80，(2-甲基-2-丙烯酸-2-(2-甲氧基乙氧基)乙酯的聚合度为150-360。

在本发明的技术方案所述步骤(1)中，反应时间优选至少4小时，更加优选4-24小时；反应温度优选40-80℃，更加优选60-80℃。所述步骤(2)中，聚合时的反应温度可以是室温(即20-25℃)，也可根据该聚合反应的需要适宜提高温度至30℃以上，优选30-60℃，更加优选40-50℃；反应时间至少20小时，更加优选20-24小时。为保证聚合的效果，整个反应系统需要除氧和除湿，因此需要通入惰性气体(例如氮气、氦气、氩气)进行排氧并维持在聚合过程中系统的无氧；还可以选择Schlenk反应管，在加入反应物后，用液氮冷冻，脱气，然后溶解通氮气，反复冻融三次，以除去反应体系中的氧气和水份。原子转移自由基聚合反应后，反应体系中一般留有非反应产物组份，因此需要进行提纯，故可选择将反应产物蒸发溶剂后在去离子水中透析(即提纯，例如选择用Cellu SepH1透析袋，截留分子量3500)，冻干即得所得产物。

由于聚(2-甲基-2-丙烯酸-2-(2-甲氧基乙氧基)乙酯的低临界溶解温度(LCST)在26℃左右，而且PME0₂MA的共聚物凝胶毒性较小，生物相容性优异，因此可应用作血管内栓塞材料。采用原子转移自由基聚合技术，制备结构和分子量可控的共聚物PME0₂MA-PHEMA温敏性水凝胶，综合上述两种聚合物的凝胶性能，在低温情况下可将所得到的聚合物粉末溶于去离子水中，形成可注射水凝胶，可应用作血管内栓塞材料。

说明书附图

图1是实施例1中制备(2-甲基-2-丙烯酸-2-(2-甲氧基乙氧基)乙酯均聚物的核磁共振谱图。

图2是实施例1中制备ABA型嵌段共聚物的核磁共振谱图，其中以A表示“甲基丙烯酸-2-羟乙酯”、以B表示“(2-甲基-2-丙烯酸-2-(2-甲氧基乙氧基)乙酯”。

图3是实施例1中制备甲基丙烯酸-2-羟乙酯均聚物的核磁共振谱图。

图4是实施例1中制备BAB型嵌段共聚物的核磁共振谱图，其中以A表示“甲基丙烯酸-2-羟乙酯”、以B表示“(2-甲基-2-丙烯酸-2-(2-甲氧基乙氧基)乙酯”。

图5是利用本发明的材料进行栓塞实验的示意图，其中a为栓塞前血管造影，b为利用本发明的材料(ABA型、BAB型水凝胶)栓塞后血管造影，c为栓塞一个月后造影，d为栓塞两月后造影。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案

实施例1：

ABA型嵌段共聚物合成：

将单体(2-甲基-2-丙烯酸-2-(2-甲氧基乙氧基)乙酯(ME0₂MA)(1876ml，10mmol，理论聚合度：400)和催化剂氯化亚铜(CuCl)(4.9mg，0.05mmol)溶解于6mL乙醇中，用液氮冷冻，脱气，然后溶解通氮气，如此反复冻融三次，以除去反应体系中的氧气。将双官能引发剂间-2，5-二溴己二酸二乙酯(DEDBA)(9.1mg，0.025mmol)和配体N，N，N’，N”，N”-五甲基二乙基三胺(PMDETA)(11μL，0.05mmol)加入Schlenk管中，用2mL乙醇溶解。在氮气保护下用注射器转移到反应容器中。反应混合物经过反复冻融三次后，恢复到室温，真空密封，在60℃水浴中搅拌反应4小时。

在第一步反应结束后，用注射器取出一定量的反应混合物，由反应混合物的¹HNMR谱图(说明书附图1，仪器为400MHz高分辨超导核磁共振仪Varian UNITY plus-400)确定的反应转化率，由未反应的MeO₂MA单体C＝C双键氢的特征峰a(δ6.0)，b(δ5.6)和MeO₂MA侧链末端的甲基-CH₃的特征峰c(δ3.2)的积分面积计算得到MEO₂MA的反应转化率为85％。然后向反应体系中通氮气，用注射器加入2ml甲基丙烯酸-2-羟乙酯(HEMA)(0.116mL，1.25mmol，每个链锻的理论聚合度为50)的乙醇溶液。经过三次冻融，真空密闭反应器，常温反应24h。反应完成后用液氮冷冻终止反应。蒸发溶剂后溶于去离子水中，用Cellu SepH1透析袋(截留分子量3500)在去离子水中透析除去未反应的单体，8小时换一次水，透析5天后冻干，得到白色的聚合物粉末。由聚合物的¹H NMR谱图(说明书附图2)确定聚合物中MEO2MA和HEMA的链段比值。由PHEMA的特征峰羟基OH的氢f(δ4.9)和MeO₂MA侧链末端的甲基-CH₃的特征峰c(δ3.2)积分面积计算得到MEO₂MA和HEMA的链段比值为7∶1.得到的聚合物为PHEMA₂₄-PMEO₂MA₃₄₀-PHEMA₂₄.

用同样的方法和加料比合成BAB型三嵌段共聚物。由¹HNMR谱图(说明书附图3和4)中未反应的HEMA单体C＝C双键氢的特征峰d(δ6.037)，e(δ5.659)和PHEMA的特征峰羟基OH的氢f(δ4.9)积分面积计算得到MEO₂MA的反应转化率为76％。由PHEMA的特征峰羟基OH的氢f(δ4.9)和MeO₂MA侧链末端的甲基-CH₃的特征峰c(δ3.2)积分面积计算得到MEO₂MA和HEMA的链段比值为8∶1.得到的聚合物为PMEO₂MA₁₅₀-PHEMA₃₈-PMEO₂MA₁₅₀。.

在低温(＜20℃)下，将所得到的聚合物粉末溶于去离子水中，配成10wt％的聚合物溶液作为可注射水凝胶进行体内栓塞实验。由微管倒置法和流变性能测试，测定水凝胶的凝胶效果。测得该比例的聚合物水溶液可以形成独立的凝胶，流变性能测试中，剪切储存模量可达到16-30Pa.，凝胶效果良好。

为了便于操作，我们直接以猪脑的ReM为AVM的畸形血管团，咽升动脉为供血动脉，颈内动脉为引流静脉建立猪脑AVM模型。

选用家猪作为实验动物，共10头，体重25～30Kg，性别不限。术前12小时禁食，术前30分钟肌注盐酸阿托品0.5mg。开通静脉通道，应用咪唑安定0.10mg/Kg静脉团注，盐酸氯胺酮2mg/Kg静脉注射诱导麻醉，然后以1％盐酸氯胺酮葡萄糖溶液静脉滴注维持动物在麻醉状态。

解剖右侧隐动脉，放置4F/5F血管鞘，应用4F/5F椎动脉导管和0.035in泥鳅导丝，注射60％泛影葡胺行颈总动脉(6ml，4ml/s)造影。Prowler14微导管(Cordis)经咽升动脉超选择性进入ReM，栓塞材料以碘海醇作为对比剂(300mgI/ml)并120℃高温灭菌。一侧注入溶胶，另一侧注入生理盐水作为对照，注入速度60～100s/ml。注入过程中进行血管造影，直到栓塞满意为止。

如说明书附图5所示，对比栓塞前后血管造影可知，栓塞一个月后造影，ReM栓塞满意，残余ReM由吻合动脉和吻合支供血，栓塞两月后造影，ReM栓塞满意，残余ReM由吻合动脉和吻合支供血。

ABA型嵌段共聚物可注射水凝胶在相转变后能形成大块凝胶，弥散效果较好，栓塞效果较好。BAB型嵌段共聚物可注射水凝胶在相转变后能形成大块凝胶，弥散效果最理想，栓塞效果最好。

实施例2

ABA型嵌段共聚物合成：

将单体(2-甲基-2-丙烯酸-2-(2-甲氧基乙氧基)乙酯(MEO₂MA)(187ml，10mmol，理论聚合度：400)和催化剂氯化亚铜(CuCl)(4.9mg，0.05mmol)溶解于6mL乙醇中，用液氮冷冻，脱气，然后溶解通氮气，如此反复冻融三次，以除去反应体系中的氧气。将双官能引发剂DEDBA(9.1mg，0.025mmol)和配体N，N，N′，N″，N″-五甲基二乙基三胺(PMDETA)(11μL，0.05mmol)加入Schlenk管中，用2mL乙醇溶解。在氮气保护下用注射器转移到反应容器中。反应混合物经过反复冻融三次后，恢复到室温，真空密封，在60℃水浴中搅拌反应4小时。

在第一步反应结束后，用注射器取出一定量的反应混合物，利用和实施例1相同的方法确定其反应转化率为89％。然后向反应体系中通氮气，用注射器加入2ml甲基丙烯酸-2-羟乙酯(HEMA)(0.232mL，2.5mmol，每个链锻的理论聚合度为100)的乙醇溶液。经过三次冻融，真空密闭反应器，常温反应24h。反应完成后用液氮冷冻终止反应。蒸发溶剂后溶于去离子水中，用Cellu SepH1透析袋(截留分子量3500)在去离子水中透析除去未反应的单体，8小时换一次水，透析5天后冻干，得到白色的聚合物粉末。采用和实施例1相同的聚合物¹HNMR谱图确定嵌段聚合物中MEO2MA和HEMA的链段比值为5∶1，得到的聚合物为PHEMA₃₆-PMEO₂MA₃₅₆-PHEMA₃₆。

用同样的方法和加料比合成BAB型三嵌段共聚物。采用聚合物¹H NMR谱图中未反应的HEMA单体C＝C双键氢的特征峰、PHEMA的特征峰羟基OH的氢积分面积计算得到MEO₂MA的反应转化率为75％。由PHEMA的特征峰羟基OH的氢和MeO₂MA侧链末端的甲基-CH₃的特征峰积分面积计算得到MEO₂MA和HEMA的链段比值为4.5∶1，得到的聚合物为PMEO₂MA₁₆₉-PHEMA₇₅-PMEO₂MA₁₆₉。

在低温(＜20℃)下，将所得到的聚合物粉末溶于去离子水中，配成10wt％的聚合物溶液作为可注射水凝胶进行体内栓塞实验。由微管倒置法和流变性能测试，测定水凝胶的凝胶效果。测得该比例的聚合物水溶液可以形成独立的凝胶，流变性能测试中，剪切储存模量可达到16-30Pa.，凝胶效果良好。采用实施例1中的方法进行栓塞实验，对比栓塞前后血管造影可知，ABA型嵌段共聚物可注射水凝胶在相转变后能形成大块凝胶，弥散效果较好，栓塞效果较好。BAB型嵌段共聚物可注射水凝胶在相转变后能形成大块凝胶，弥散效果较为理想，栓塞效果较好。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.嵌段共聚物温敏水凝胶，其特征在于，以(2-甲基-2-丙烯酸-2-(2-甲氧基乙氧基)乙酯、甲基丙烯酸-2-羟乙酯为单体，利用原子转移自由基聚合进行制备，使用催化剂氯化亚铜、配体N，N，N’，N”，N”-五甲基二乙基三胺和双官能团引发剂间-2，5-二溴己二酸二乙酯来引发上述两种单体中的一种进行聚合反应，这样以来最终获得产物在分子链的两端分别获得活性中心，继续向其中加入另一种单体，就会继续在分子链两端的活性中心继续聚合反应，以形成下述两种分子式所示的嵌段共聚物之一：

式(1)

式(2)

2.根据权利要求1所述的嵌段共聚物温敏水凝胶，其特征在于，甲基丙烯酸-2-羟乙酯的聚合度为20-80，(2-甲基-2-丙烯酸-2-(2-甲氧基乙氧基)乙酯的聚合度为150-360。

3.一种制备如权利要求1所述的嵌段共聚物温敏水凝胶的方法，其特征在于，按照下述步骤进行：

(1)先将单体和催化剂氯化亚铜溶解在溶剂中，在除氧和除湿的条件下，再将配体N，N，N’，N”，N”-五甲基二乙基三胺和双官能团引发剂间-2，5-二溴己二酸二乙酯加入体系中，进行原子转移自由基聚合反应；

(2)继续维持体系的除氧和除湿环境，加入另一单体，继续进行反应；

(3)反应完成后用液氮冷冻终止反应，即得到嵌段共聚物温敏水凝胶。

4.根据权利要求3所述的一种制备嵌段共聚物温敏水凝胶的方法，其特征在于，催化剂氯化亚铜和配体N，N，N′，N″，N″-五甲基二乙烯基三胺的摩尔比在(1-1.5)∶(1-1.5)；催化剂氯化亚铜和双官能团引发剂间-2，5-二溴己二酸二乙酯的摩尔比在(1.5-2)∶(1-1.5)。

5.根据权利要求3所述的一种制备嵌段共聚物温敏水凝胶的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，反应时间至少4小时，反应温度为40-80℃。

6.根据权利要求5所述的一种制备嵌段共聚物温敏水凝胶的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，反应时间为4-24小时；反应温度为60-80℃。

7.根据权利要求3所述的一种制备嵌段共聚物温敏水凝胶的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，聚合时的反应温度为20-25℃或者30℃以上；反应时间至少20小时。

8.根据权利要求7所述的一种制备嵌段共聚物温敏水凝胶的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，聚合时的反应温度为30-60℃；反应时间为20-24小时。

9.根据权利要求3所述的一种制备嵌段共聚物温敏水凝胶的方法，其特征在于，甲基丙烯酸-2-羟乙酯的聚合度为20-80，(2-甲基-2-丙烯酸-2-(2-甲氧基乙氧基)乙酯的聚合度为150-360。

10.如权利要求1所述的嵌段共聚物温敏水凝胶作为血管内栓塞材料的应用。

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