CN102731791B

CN102731791B - 温度敏感型嵌段共聚物及其水凝胶和其用途

Info

Publication number: CN102731791B
Application number: CN201110091395.7A
Authority: CN
Inventors: 刘艳; 李馨儒; 王小宁; 周艳霞
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2011-04-13
Filing date: 2011-04-13
Publication date: 2016-04-13
Anticipated expiration: 2031-04-13
Also published as: CN102731791A

Abstract

本发明涉及一种嵌段共聚物及其水凝胶和其用途。本发明的嵌段共聚物为温度敏感的具有溶液-凝胶转变特性的嵌段共聚物。具体为，本发明的嵌段共聚物为由聚(2-烷基-2-噁唑啉)(PAOz)嵌段B与聚酯(PE)嵌段A组成的BAB、ABA型的三嵌段共聚物或包含该三嵌段的共聚物，其水溶液随着温度的升高发生溶液-凝胶相转变，相转变温度为20～80℃，具有良好的生物相容性和生物可降解性。本发明共聚物可为定位注射制剂和药物的控制释放提供适宜的给药系统，也可为酶固定、细胞培养、组织工程、血管栓塞等提供凝胶基质和有效手段，以及为食品、保健品等领域的各种水溶液或水状液体系的凝胶化提供适宜的材料和技术。本发明方法操作简便，产物收率高、纯度高、性质可控，适于大规模生产应用。

Description

温度敏感型嵌段共聚物及其水凝胶和其用途

技术领域

本发明涉及温度敏感型嵌段共聚物及其水凝胶和其用途。

背景技术

某些高分子材料的水溶液随温度的升高而发生相转变，由室温下自由流动的液体状态转变为较高温度(如生理温度)下不流动的固体或半固体状态，形成所谓的高分子水凝胶----温度敏感原位凝胶。近年来，由于其良好的生物相容性、与用药部位尤其是粘膜组织亲和力强、滞留时间长、良好的控制释药性能，温敏型凝胶在生物、医学、药学领域备受关注。凝胶化过程不涉及任何有机溶剂，且固化成型不受病患部位几何形状的限制，温敏型高分子水凝胶是理想的药物控制释放系统和组织工程支架材料。目前专利和文献资料报道的温敏型凝胶的高分子材料主要有两类：一类为泊洛沙姆，即聚氧乙烯(PEO)-聚氧炳烯(PPO)-聚氧乙烯(PEO)三嵌段共聚物PEO-PPO-PEO，主要是泊洛沙姆407，如CN1230108A、CN101444477A、CN101185650A、CN1377706A、CN02109503.5、CN100422268C、CN101342142A、CN1593386A。虽然泊洛沙姆具有良好的生物相容性、安全性和无刺激过敏性，但其不可生物降解，且用量很大，成本高。另一类是以聚乙二醇为亲水链段、可降解聚酯为疏水链段的两亲性嵌段共聚物，如US5702717、US6004573、US6117949、US6201072、US200276431和US2006034889公开了聚酯-聚乙二醇-聚酯、聚乙二醇-聚酯-聚乙二醇，它们具有温敏性质，可形成温敏原位凝胶。而以聚(2-烷基-2-噁唑啉)(PAOz)，例如聚(2-乙基-2-噁唑啉)(PEOz)为亲水链段的嵌段共聚物温敏原位凝胶材料尚未见报道。

发明内容

一方面，本发明的目的是提供一种具有温敏性质的可生物降解的嵌段共聚物。该共聚物具有良好的生物相容性，其制备方法简单，具有随温度变化从溶液到凝胶转变的特性。该嵌段共聚物是由聚(2-烷基-2-噁唑啉)(PAOz)嵌段B与聚酯(PE)嵌段A组成的BAB、ABA型的嵌段共聚物或包含BAB、ABA型嵌段的共聚物。其中，所述的PAOz嵌段的数均分子量为300～20000；PE嵌段的数均分子量为500～10000；PE嵌段的数均分子量与PAOz嵌段的数均分质量的比值为0.3～2.5。优选PAOz嵌段的数均分子量为500～15000；PE嵌段的数均分子量为800～8000；PE嵌段的数均分子量与PAOz嵌段的数均分子量的比值为0.8～2。更优选PAOz嵌段的数均分子量为800～5000；PE嵌段的数均分子量为1000～5000；PE嵌段的数均分子量与PAOz嵌段的数均分子量的比值为1～1.6。

所述的聚(2-烷基-2-噁唑啉)(PAOz)嵌段中的烷基包括含有1-6个碳原子的烷基，例如甲基、乙基、正丙基、正丁基，优选甲基、乙基、正丙基，更优选甲基、乙基。

所述的PE嵌段包括聚乳酸、聚己内酯、聚丁内酯、聚戊内酯、聚丙交脂乙交酯。

另一方面，本发明的目的是提供上述的PAOz-PE-PAOz三嵌段(BAB)共聚物的制备方法，其特征在于包括以下过程：

(1)将2-烷基-2-噁唑啉、乙腈、对甲苯磺酸甲酯依次加入到预先干燥并充氮气的反应瓶中。然后置于80℃油浴中，搅拌反应30h。冷却后，向反应瓶中加入KOH的甲醇溶液后，继续反应4h。通过旋转蒸发除去溶剂，残余物用THF溶解，过硅胶柱以除去对甲苯磺酸盐。流出液倒入过量的冷乙醚中沉淀、抽滤，然后真空干燥12h，得到PAOz-OH粉末。

(2)将(1)得到的PAOz-OH溶于精制的氯苯中，在氮气氛下加入聚酯的单体，加入辛酸亚锡，在140℃温度下反应24h。将反应液倒入过量的乙醚中沉淀、过滤，在室温下真空干燥12h，得到二嵌段共聚物PAOz-PE。

(3)将(2)得到的PAOz-PE和4-二甲氨基吡啶溶于二氯甲烷中，并用冰水混合物冷却至0℃，然后将交联剂(如：己二酰氯，二异氰酸酯，等等)的二氯甲烷溶液滴入上述溶液中，回流反应48h；反应后的溶液用水洗涤两次，无水硫酸镁干燥，乙醚中沉淀，真空干燥即得本发明的三嵌段共聚物PAOz-PE-PAOz。

另一方面，本发明的目的是提供上述的PE-PAOz-PE三嵌段(ABA)共聚物的制备方法，其特征在于包括以下过程：

(1)将2-烷基-2-噁唑啉和引发剂1，4-二溴-2-丁烯溶于干燥的丙酮中，在氮气氛下于100℃搅拌回流20h。冷却至室温后，向反应瓶中加入KOH的甲醇溶液后，继续反应4h。过硅胶柱，流出液倒入过量的冷乙醚中沉淀、抽滤，真空干燥24h，得到HO-PAOz-OH粉末。

(2)将(1)得到的HO-PAOz-OH溶于精制的氯苯中，在氮气氛下加入聚酯的单体，加入辛酸亚锡，在140℃温度下反应24h。将反应液倒入过量的乙醚中沉淀、过滤，在室温下真空干燥12h，得到本发明的三嵌段共聚物PE-PAOz-PE。

另一方面，本发明的目的是提供温敏型嵌段共聚物在药物输送系统、组织工程领域、可降解水凝胶以及生物医用高分子材料中的用途。其特征是所述嵌段共聚物溶液与药物、酶、细胞组合形成液体状态组合物，通过温度变化形成凝胶，用于控制药物、酶、及所含物质的释放，或细胞、酶的固定、细胞培养、组织(如角膜、骨、皮肤等)缺损的修复，或用于栓塞，或用于食品、保健品。

另一方面，本发明的目的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包载药物活性成分制备而成的。其中所述药物为蛋白质、多肽或多糖类药物以及小分子药物。

本发明的共聚物在常规条件是固体或粘稠液体，能溶于水形成水溶液。本发明的三嵌段共聚物的水溶液在20～80℃的温度范围内随温度变化具有溶液-凝胶相互转变的性质，其中三嵌段共聚物的含量为5～80％。可通过改变亲水链段和疏水链段的分子量、共聚物溶液的浓度，实现溶液-凝胶相转变温度的可控性。

上述的温敏型三嵌段共聚物的水凝胶体系是将共聚物均匀分散或溶解到水介质中，形成自由流动的水状液体系，再通过温度变化形成不流动的凝胶状态。

所述的水介质是含水的液态体系，如纯水、生理盐水、磷酸盐缓冲液、细胞培养液、有机或无机物的水溶液、水乳液或水分散液、组织液、血液、动物或人的体液。

本发明中的“温敏型共聚物”，其“温敏”是指共聚物的水溶液具有随温度变化发生溶液-凝胶转变的性质。

本发明中的“原位凝胶”指具有随温度变化发生溶液-凝胶转变性质的聚合物水溶液或水状液，所述的溶液代表可流动的液体。

本发明中的“水凝胶体系”是指含有共聚物和水的体系，可以是液体或凝胶状态，该体系具有随温度变化发生溶液-凝胶或凝胶-溶液相互转变的性质，即至少存在一个临界溶液-凝胶转变温度。该水凝胶中除了共聚物和水之外，还可以含有其他物质，如盐、药物、酶、细胞等。

上述的共聚物水凝胶体系，其特征是在不同温度下分别以可流动的液体状态和凝胶状态存在，随体系或环境温度的变化发生由液态到凝胶态或由凝胶态到液态的转变。

上述水凝胶的制备是首先把共聚物均匀分散或溶解到水介质中，形成自由流动的水状液体系，再通过温度变化形成不流动的凝胶状态。

本发明中，共聚物温敏水凝胶体系的溶液-凝胶转变温度及凝胶性质与嵌段共聚物的分子结构、分子量、浓度及水凝胶体系中所含的其它物质如盐、药物、大分子物质等有关。可以通过调节共聚物的上述结构因素、浓度和水介质组成调节水凝胶体系的溶液-凝胶转变温度和凝胶强度。较大分子质量的共聚物在较低含量下就具有溶液-凝胶转变性质，但凝胶强度较弱。一般地，浓度越大、分子量越高，越易形成凝胶且强度较大。

本发明中，嵌段共聚物在体内的降解速度可以通过聚酯或聚酸酐的种类和化学组成以及链段的长短等因素来调节。

本发明中所述的嵌段共聚物可以与其它原位凝胶材料如泊洛沙姆、聚乙二醇与聚乳酸嵌段共聚物、聚乙二醇与聚乙交酯丙交酯共聚物、聚乙二醇与壳聚糖的共聚物等混合使用，或与其它高分子材料如羟丙基甲级纤维素、羧甲基纤维素钠、壳聚糖、卡泊姆、明胶等混合使用，或与表面活性剂如吐温20、吐温40、吐温60、吐温80等混合使用，或与醇如丙二醇、甘油、山梨醇、木糖醇、甘露醇等混合使用，制备组合聚合物原位凝胶，以调节药物的释放速率、凝胶温度和凝胶强度。

本发明中的嵌段共聚物能够在体内生物降解，降解产物无毒无害，其水凝胶具有吸水性、通透性和生物相容性，是一类新型的合成高分子温敏水凝胶材料，具有广泛的生物、医学、药学和其它方面的应用。可为定位注射制剂和药物的控制释放提供适宜的给药系统，也可为酶固定、细胞培养、组织工程等提供凝胶基质和有效手段，以及为食品、保健品等领域的各种水溶液或水状液体系的凝胶化提供适宜的材料和技术。本发明方法操作简便，产物收率高、纯度高、性质可控，适于大规模生产应用。

附图说明

图1为实施例1所制得的共聚物的核磁氢谱。

图2为实施例1所制得的共聚物的溶液-凝胶转变相图。

图3为实施例1所制得的共聚物的凝胶的体外释放曲线。

图4为实施例1所制得的共聚物的凝胶对成纤维细胞的增殖作用。

具体实施方式

以下实施例用于进一步详细说明本发明，但绝对不是对本发明范围的限制。

实施例1：聚(2-乙基-2-噁唑啉)-聚乳酸-聚(2-乙基-2-噁唑啉)(PEOz1000-PLA2300-PEOz1000)的合成

在装有搅拌器的三口烧瓶中，加入2-乙基-2-噁唑啉(10g，150mmol)、乙腈(40mL)、对甲苯磺酸甲酯(0.47g)，在80℃的油浴温度下、氮气氛搅拌反应30h。冷却后，加入KOH的甲醇溶液后，继续反应4h。除去溶剂，残余物用THF溶解，过硅胶柱，流出液倒入过量的冷乙醚中沉淀、抽滤，真空干燥12h。将得到PEOz-OH粉末(4g)溶于氯苯(80mL)，在氮气氛下加入D，L-丙交酯(6.3g)和辛酸亚锡(0.63g)，在140℃温度下反应24h。将反应液倒入过量的乙醚中沉淀、过滤，在室温下真空干燥12h。将得到的PEOz-PLA(0.47g)和4-二甲氨基吡啶(0.47g)溶于二氯甲烷中，并用冰水混合物冷却至0℃，然后将交联剂己二酰氯(0.47g)的二氯甲烷溶液滴入上述溶液中，回流反应48h；反应后的溶液用水洗涤两次，无水硫酸镁干燥，乙醚中沉淀，真空干燥即得本发明的三嵌段共聚物PEOz1000-PLA1600-PEOz1000。图1为共聚物的核磁氢谱图。

实施例2：聚(2-甲基-2-噁唑啉)-聚己内酯-聚(2-甲基-2-噁唑啉)(PMOz1200-PCL2000-PMOz1200)的合成

在装有搅拌器的三口烧瓶中，加入2-甲基-2-噁唑啉(15g)、乙腈(40mL)、对甲苯磺酸甲酯(0.47g)，在80℃的油浴温度下、氮气氛搅拌反应30h。冷却后，加入KOH的甲醇溶液后，继续反应4h。除去溶剂，残余物用THF溶解，过硅胶柱，流出液倒入过量的冷乙醚中沉淀、抽滤，真空干燥12h。将得到PMOz-OH粉末(0.47g)溶于氯苯(40mL)，在氮气氛下加入己内酯(0.47g)和辛酸亚锡(0.47g)，在140℃温度下反应24h。将反应液倒入过量的乙醚中沉淀、过滤，在室温下真空干燥12h。将得到的PEOz-PLA(0.47g)和4-二甲氨基吡啶(0.47g)溶于二氯甲烷中，并用冰水混合物冷却至0℃，然后将交联剂1，6-己二异氰酸酯(0.47g)的二氯甲烷溶液滴入上述溶液中，回流反应48h；反应后的溶液用水洗涤两次，无水硫酸镁干燥，乙醚中沉淀，真空干燥即得本发明的三嵌段共聚物PMOz1200-PCL2000-PMOz1200。此外，交联剂二异氰酸酯还包括甲苯二异氰酸酯、异氟尔酮二异氰酸酯、二苯基甲烷-4’，4-二异氰酸酯，等等。

实施例3：聚乳酸-聚(2-乙基-2-噁唑啉)-聚乳酸(PLA900-PEOz3000-PLA900)的合成

将2-乙基-2-噁唑啉(9.9g)和1，4-二溴-2-丁烯(420mg)溶于丙酮(40mL)，在氮气氛下于100℃(搅拌回流20h。冷却至室温后，向反应瓶中加入0.1mol/LKOH的甲醇溶液(40mL)后，继续反应4h。过硅胶柱，流出液倒入过量的冷乙醚中沉淀、抽滤，真空干燥24h。将得到HO-PEOz-OH粉末(2g)溶于氯苯(20mL)，在氮气氛下加入D，L-丙交酯(0.58g)和辛酸亚锡(30mg)，在140℃温度下反应24h。将反应液倒入过量的乙醚中沉淀、过滤，在室温下真空干燥12h，得到本发明的三嵌段共聚物PLA900-PEOz3000-PLA900。

实施例4：聚丙交脂乙交酯-聚(2-乙基-2-噁唑啉)-聚丙交脂乙交酯(PLGA900-PEOz3000-PLGA900)的合成

将2-乙基-2-噁唑啉(9.9g)和1，4-二溴-2-丁烯(0.47g)溶于丙酮(40mL)，在氮气氛下于100℃搅拌回流20h。冷却至室温后，向反应瓶中加入0.1mol/LKOH的甲醇溶液(40mL)后，继续反应4h。过硅胶柱，流出液倒入过量的冷乙醚中沉淀、抽滤，真空干燥24h。将得到HO-PEOz-OH粉末(2g)溶于氯苯(20mL)，在氮气氛下加入D，L-丙交酯(1.26g)、乙交酯(0.51g)和辛酸亚锡(30mg)，在140℃温度下反应24h。将反应液倒入过量的乙醚中沉淀、过滤，在室温下真空干燥12h，得到本发明的三嵌段共聚物PLGA900-PEOz3000-PLGA900。

实施例5：溶液-凝胶相互转变相图的制备

采用试管翻转法。当体系处于流动状态时，称为溶液态；当体系处于不流动的半固体或固体状态时，称为凝胶态。将实施例1中得到的聚合物配制5％～24％的系列浓度的水溶液，每升高1℃观察溶液的胶凝情况，并在每个具体温度时，样品保持20min。当聚合物的水溶液在试管翻转时1min内保持不流动的状态，则认为形成凝胶。图2为共聚物的不同浓度的溶液-凝胶转变相图。

实施例6：含药凝胶的制备和体外释放行为

在室温下将实施例1制得的共聚物与药物(降钙素)溶于生理盐水中，配制共聚物的浓度为15mg/100ml的水溶液，将1ml的上述溶液置于10ml的试管中，于37℃的恒温水浴中温育30min，使其完全胶凝。然后向试管中加入4ml磷酸盐缓冲液(pH7.4)作为释放介质，并置于37℃、100rpm的的恒温振荡器中。在预定的时间点取样1ml，并补充相同体积的新鲜释放介质。将取出的释放介质以0.45μm的微孔滤膜过滤，续滤液用高效液相色谱法测定药物的含量，计算累积释药百分数，释放曲线见图3。降钙素在最初的1小时内以较快的速率从凝胶中释放出来，累积释放百分数达到42％。随后，释放速率降低。7天的累积释放百分数为82％。结果表明，本发明的共聚物的水凝胶呈现缓慢释药的特征。

实施例7：本发明的共聚物凝胶对成纤维细胞生长的影响

实验组用含15％的实施例1制得的共聚物和10％FBS的DMEM培养液培养，对照组为用不加实施例1制得的共聚物，仅含10％FBS的DMEM培养液培养，每组6孔。取生长良好的第6-10代人皮肤成纤维细胞HSFCs，调整细胞浓度至2×10⁴个/mL，接种于96孔板，每孔接种100μL细胞悬液。另设调零孔，仅加100μL培养液。在37℃、5％CO₂培养箱中培养。分别于第1、3、5、7天以MTT法观察其增殖情况。每孔加MTT溶液20μL，标准条件下孵育4h，吸弃孔内液体，每孔加三联液(100ml溶液含10gSDS，5mL异丁醇，0.1mL10M的HC1)100μL，混匀后37℃放置过夜，用酶标仪在540nm波长测吸光度值(OD值)，计算细胞相对存活率。图4为实施例1所制得的共聚物的凝胶对成纤维细胞的增殖作用。结果表明，本发明的共聚物的水凝胶对HSFCs的生长具有明显的促进作用。

虽然已利用上述具体的实施方案对本发明进行了描述，但应认识到，本领域的技术人员还可进行各种的改进或改变，而且它们也应在如权利要求书限定的本发明的范围之内。

Claims

1.一种温敏型嵌段共聚物，其特征是该嵌段共聚物由聚(2-烷基-2-噁唑啉)(PAOz)嵌段B和聚酯(PE)嵌段A组成的BAB或ABA型的三嵌段共聚物或包含该三嵌段的共聚物。

2.如权利要求1所述的嵌段共聚物，其特征是所述的PAOz嵌段的数均分子量为300～20000；PE嵌段的数均分子量为500～10000；PE嵌段的数均分子量与PAOz嵌段的数均分子量的比值为0.3～2.5。

3.如权利要求2所述的嵌段共聚物，其特征是PAOz嵌段的数均分子量为500～15000；PE嵌段的数均分子量为800～8000；PE嵌段的数均分子量与PAOz嵌段的数均分子量的比值为0.8～2。

4.如权利要求3所述的嵌段共聚物，其特征是PAOz嵌段的数均分子量为800～5000；PE嵌段的数均分子量为1000～5000；PE嵌段的数均分子量与PAOz嵌段的数均分子量的比值为1～1.6。

5.如权利要求1所述的嵌段共聚物，其特征是所述的聚(2-烷基-2-噁唑啉)(PAOz)嵌段中的烷基选自C1-6烷基。

6.如权利要求2所述的嵌段共聚物，其特征是所述的聚(2-烷基-2-噁唑啉)(PAOz)嵌段中的烷基选自C1-6烷基。

7.如权利要求3所述的嵌段共聚物，其特征是所述的聚(2-烷基-2-噁唑啉)(PAOz)嵌段中的烷基选自C1-6烷基。

8.如权利要求4所述的嵌段共聚物，其特征是所述的聚(2-烷基-2-噁唑啉)(PAOz)嵌段中的烷基选自C1-6烷基。

9.如权利要求5-8任一项所述的嵌段共聚物，其特征是所述C1-6烷基选自甲基、乙基、正丙基和正丁基。

10.如权利要求5-8任一项所述的嵌段共聚物，其特征是所述C1-6烷基选自甲基、乙基和正丙基。

11.如权利要求5-8任一项所述的嵌段共聚物，其特征是所述C1-6烷基选自甲基和乙基。

12.如权利要求1-8任一项所述的嵌段共聚物，其特征是所述的PE嵌段选自聚乳酸、聚己内酯、聚丁内酯、聚戊内酯和聚丙交酯乙交酯。

13.如权利要求9所述的嵌段共聚物，其特征是所述的PE嵌段选自聚乳酸、聚己内酯、聚丁内酯、聚戊内酯和聚丙交酯乙交酯。

14.如权利要求10所述的嵌段共聚物，其特征是所述的PE嵌段选自聚乳酸、聚己内酯、聚丁内酯、聚戊内酯和聚丙交酯乙交酯。

15.如权利要求11所述的嵌段共聚物，其特征是所述的PE嵌段选自聚乳酸、聚己内酯、聚丁内酯、聚戊内酯和聚丙交酯乙交酯。

16.一种水凝胶，包含基于水凝胶总重量计含量为5～80重量％的如权利要求1-15任一项所述的嵌段共聚物，其特征是该水凝胶在20～80℃的温度范围内随温度变化具有溶液-凝胶相互转变的性质。

17.如权利要求16的水凝胶，其还含有其它原位凝胶材料，和/或其它高分子材料，和/或表面活性剂，和/或醇类。

18.如权利要求17的水凝胶，其中所述原位凝胶材料选自泊洛沙姆、聚乙二醇与聚乳酸嵌段共聚物、聚乙二醇与聚乙交酯丙交酯共聚物和聚乙二醇与壳聚糖的共聚物。

19.如权利要求17的水凝胶，其中所述其它高分子材料选自羟丙基甲级纤维素、羧甲基纤维素钠、壳聚糖、卡泊姆和明胶。

20.如权利要求17的水凝胶，其中所述表面活性剂选自吐温20、吐温40、吐温60和吐温80。

21.如权利要求17的水凝胶，其中所述醇类选自丙二醇、甘油、山梨醇、木糖醇和甘露醇。

22.如权利要求16-21任一项所述的水凝胶的制备方法，其特征是将所述嵌段共聚物和任选其它的原位凝胶材料均匀分散或溶解到水介质中，形成自由流动的水状液体，再通过温度变化形成不流动的凝胶状态。

23.如权利要求22的制备方法，其特征是所述的水介质是含水的液态体系。

24.如权利要求23的制备方法，其特征是所述的液态体系选自纯水、生理盐水、磷酸盐缓冲液、细胞培养液、有机或无机物的水溶液、水乳液或水分散液、组织液、血液、动物或人的体液。

25.如权利要求16-21任一项所述的水凝胶用于控制药物、酶、或所含物质的释放，或细胞、酶的固定、细胞培养、组织的修复，或用于栓塞，或用于食品、保健品的应用。

26.权利要求25的应用，其中所述药物为蛋白质、多肽或多糖类药物或为小分子药物。