CN102731981B

CN102731981B - 一种温度敏感性可注射混合水凝胶

Info

Publication number: CN102731981B
Application number: CN201210179021.5A
Authority: CN
Inventors: 索进平; 邹鹏; 聂磊; 封水彬
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2012-06-01
Filing date: 2012-06-01
Publication date: 2014-08-27
Anticipated expiration: 2032-06-01
Also published as: CN102731981A

Abstract

本发明涉及两种不同分子量大小的可生物降解性星形聚乙丙交酯（PLGA）-聚乙二醇单甲醚（mPEG）共聚物以不同比例混合而成的水凝胶。一种为PLGA嵌段质量分数在40%至66.6%的星形PLGA-mPEG共聚物，另一种为PLGA嵌段质量分数在75%至90%的星形PLGA-mPEG共聚物，将两者不具备温敏性的共聚物以不同比例混合，该共聚物混合物溶液在室温或室温以下以可自由流动的液态存在，在人体温度下快速转变为不可流动的乳白色物理交联水凝胶，表现为可逆溶胶-凝胶转变行为；或者将PLGA嵌段质量分数在66.6-75%之间的两种具有温敏性的星形共聚物以任意比例混合，该共聚物混合物溶液也具有溶胶-凝胶转变行为。该阴道凝胶可应用于药物释放、细胞培养与组织工程领域。

Description

一种温度敏感性可注射混合水凝胶

技术领域

本发明属于可生物降解高分子材料技术领域，涉及一种星形温敏性可注射混合水凝胶。它是以两种不具有温度敏感性的或者两种都具有温度敏感性的星形聚乙丙交酯（PLGA）-聚乙二醇单甲醚（mPEG）嵌段共聚物溶液以一定比例混合，该混合共聚物在低温下形成的一定浓度的溶液，在室温及室温以下为自由流动的液态溶胶，而在人体温度下为不能流动的半固态水凝胶，表现为溶胶-凝胶的可逆热转变性能。本发明可以用于药物控制释放、细胞培养与组织工程系统。

背景技术

温度敏感性水凝胶是一种亲水的聚合物网络，其在凝胶形成过程中不涉及化学反应，分子链间的交联通过分子间相互作用力(范德华力、疏水相互作用及氢键等)形成。通过改变温度就可以影响并改变这些疏水相互作用以及氢键作用，在水中经过简单的可逆性相转变(溶胶-凝胶转变)即可形成水凝胶。温度敏感性水凝胶的制备过程简单，且不需要有机溶剂，将更有利于药物的传递、细胞的培养及组织工程领域的应用。

近20年来应用于药物的传递、细胞的培养及组织工程领域的温度敏感性聚合物发展迅速，主要可分为四类：天然高分子（甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、壳聚糖等）、N-异丙基丙烯酰胺的一类共聚物、聚氧化乙烯-聚氧化丙烯-聚氧化乙烯（PEO-PPO-PEO）共聚物及聚乙二醇/聚酯共聚物。一些温敏型嵌段共聚物已经商业化，譬如PEO-PPO-PEO嵌段共聚物(商品名为Poloxamers或Pluronics)，其水溶液能够在加热或降温条件下发生可逆性溶胶-凝胶转变，但其具有体内不能生物降解、包覆药物通过扩散机制释放而表现出释药时间不够持久等缺点，影响了其进一步应用（Wenzel J G Wet al.,J Controlled Release,2002,85:51-59）。

目前研究较多的温敏型嵌段共聚物大多由聚乙二醇（PEG）和可生物降解聚酯如聚乳酸（PLA）、聚己内酯（PCL）、聚乙丙交酯（PLGA）等组成。丁建东小组在PLGA-PEG-PLGA热敏性三元嵌段共聚物方面作了大量的工作（Lin Yu et al.,Angew.Chem.Int.Ed.2006,45:2232–2235；ZigangYang et al.,Macromol.Rapid Commun.2008,29:751–756；L Yu et al.,Journal of Polymer Science:Part A:Polymer Chemistry,2007,45:1122-1133）。他们以辛酸亚锡为催化剂通过开环聚合的方式合成了PLGA-PEG-PLGA三元嵌段共聚物及带有不同端基的衍生物，认为疏水相互作用是促使发生溶胶-凝胶转变的主要驱动力，并采用逾渗理论解释了其转变机理及研究了蛋白质类药物的控制释放规律。但该三元嵌段共聚物载药时由于相对较低的25wt%的共聚物浓度，其载药量也有限。

目前，单一的温度敏感性共聚物凝胶或多或少在性能及应用方面有缺陷，国内外学者开始将研究重点放在另一个方向：两种或多种温敏性共聚物共混而成的合金制备成性能更优良的温敏性凝胶。丁建东等在Biomacromolecules上发表了关于由PLGA-PEG-PLGA三元线性嵌段共聚物制备的温敏性混合凝胶的研究论文，对在整个研究温度范围内的一种完全溶于水和另一种在水中完全沉淀的两种不同分子量的共聚物混合，研究了不同混合比例的溶胶-凝胶转变行为、凝胶形态、体内及体外的降解行为、材料毒性、生物相容性及蛋白质类药物的释放行为（Lin Yu etal.,biomacromolecules,2010,11:2169-2178）。凌沛学等在CN 101502676A公开了一种注射用聚甲基丙烯酸甲酯和交联透明质酸混合凝胶及其制备方法。该混合凝胶可用于制备美容或医疗用途的注射剂，是一种高效，持久的塑形材料，具有副作用少、过敏反应发生率低的优点，但是PMMA属于肌体不可吸收的合成材料，可能使肌体产生排异反应。凌沛学等又在CN101502678A公开了一种注射用混合凝胶及其制备方法。该混合凝胶有聚天冬氨酸类化合物凝胶颗粒、交联透明质酸凝胶颗粒和透明质酸或其盐溶液组成。该混合凝胶可用于局部注射治疗关节炎，三者的混合物成为一种有效的隔离、润滑垫，可长时间的存在于关节腔，使损伤的软骨获得充分的修复，消除炎症产生的根源，但是该混合高分子材料生物降解性相对较差，待软骨修复完成后，如何取出该材料会是一个难题。

根据我们的文献调研，星形PLGA-mPEG嵌段共聚物的温敏性可完全生物降解的混合凝胶还没有文献及专利报道。星形PLGA-mPEG嵌段共聚物中PLGA嵌段是疏水性的聚酯，具有优异的生物降解性、生物相容性和血液相容性，PLGA嵌段结晶性较强，为疏水性。PEG嵌段具有亲水性，独特的生物相容性，无毒性，无抗原性和免疫原性，溶于水和许多有机溶剂，通过共聚合成的星形嵌段共聚物，可以将PEG的优良特性转移到此共聚物，改善其亲水性和降解性。另外，其水溶液经历一种可逆的溶胶-凝胶转变，在室温下形成自由流动的溶胶，而在体温下形成明显的凝胶，这一特性为载药系统采取皮下注射的方式或采用阴道喷入提供了可行性，减轻了某些载药系统通过外科手术植入的方式对患者造成的痛苦。

发明内容

本发明的目的在于提供一种温度敏感性可注射混合水凝胶,该混合水凝胶在水溶液及各种人体模拟液中能够均匀分散药物、基因与细胞，其溶液在室温或室温以下以自由流动的液体形式存在，在体温下以不能自由流动的凝胶形式存在。

本发明提供的一种温度敏感性可注射混合水凝胶，其特征在于，它由共聚物混合物及模拟液组成，其中，共聚物混合物在混合水凝胶中的质量百分比含量为10-45wt wt%，所述共聚物混合物由至少两种星形聚乙丙交酯PLGA-聚乙二醇单甲醚mPEG嵌段构成；

所述共聚物混合物为二种类型，第一种类型的共聚物混合物由PLGA嵌段质量分数在40%至66.6%的星形PLGA-mPEG共聚物，以及PLGA嵌段质量分数在75%至90%的星形PLGA-mPEG共聚物构成，其中PLGA嵌段质量分数在75%至90%的星形PLGA-mPEG共聚物占混合共聚物总质量分数的10-75%；

第二种类型的共聚物混合物由PLGA嵌段质量分数在66.6-75%之间的一种星形聚乙丙交酯PLGA-聚乙二醇单甲醚mPEG嵌段共聚物组成，或者其中任意两种或多种共聚物任意比例混合组成。

与其它单一的药物控释载体相比，本发明提出的可降解温敏性星形嵌段共聚物混合水凝胶具有如下特点：

（1）和单一的两亲性星形嵌段共聚物稀溶液一样，由于含有亲水嵌段和疏水嵌段，故仍然能够由疏水相互作用自组装成纳米级别的胶束，胶束粒径20-50nm范围内。

（2）混合水凝胶较单一的星形嵌段共聚物水凝胶具有更宽的溶胶-凝胶转变温度范围，即10-70℃的任意凝胶温度转变点。

（3）星形嵌段共聚物混合水凝胶完全由合成高分子材料组成，以生物相容性良好的嵌段共聚而成，细胞毒性低，生物相容性好，不会产生排异反应，对人体无毒害作用。

（4）混合水凝胶不带电荷，其降解行为主要为酯键的水解，产物为小分子乳酸、乙醇酸及聚乙二醇单甲醚，前两者通过三羧酸循环代谢成二氧化碳及水排出，后者经肾脏由尿液排出，对人体安全无毒。

（5）通过调整各组成中聚乙二醇单甲醚所占的质量分数及分子量大小、丙交酯与乙交酯的物质的量比例及混合共聚物的浓度或两种组成的比例等因素来任意控制混合水凝胶的溶胶-凝胶转变温度、降解速率及释药速率。

（6）混合水凝胶中的星形嵌段共聚物对疏水性药物有较明显的增溶作用，提高了药物在共聚物溶液中的溶解性。

（7）混合水凝胶应用范围广泛及给药方式多样。其可作为抗癌药、消炎药、骨生长因子、避孕药等的载体，以治疗各种疾病；还可在体外进行细胞培养及促进体内软骨修复生长与术后粘连预防等组织工程领域。

附图说明

图1是温敏性的混合水凝胶的相图；

图2是两种具有温敏性的混合水凝胶于不同浓度下随温度升高的流变曲线；

图3是两种不具有温敏性的混合水凝胶于不同浓度下随温度升高的流变曲线。

具体实施方式

本发明的混合水凝胶由两种星形聚乙丙交酯（PLGA）-聚乙二醇单甲醚（mPEG）嵌段共聚物混合物及模拟液组成，包括两种不同亲水嵌段和疏水嵌段长度的同类星形PLGA-mPEG共聚物，具体为：

（1）混合水凝胶中，一种为PLGA嵌段质量分数在40%至66.6%的星形PLGA-mPEG共聚物，因其亲水性嵌段mPEG含量过大而其溶液随温度的升高一直表现为较好的溶解性，即没有溶胶-凝胶转变现象，另一种为PLGA嵌段质量分数在75%至90%的星形PLGA-mPEG共聚物，因其疏水性嵌段PLGA含量过大而其难于溶解成溶液，以沉淀形式存在，也没有溶胶-凝胶转变现象，将两者以不同比例混合，该一定浓度的共聚物混合物溶液在室温或室温以下以可自由流动的液态存在，在人体温度下快速转变为不可流动的乳白色物理交联水凝胶。表现为可逆溶胶-凝胶转变行为；

（2）将PLGA嵌段质量分数在66.6-75%之间的任意两种同时具有溶胶-凝胶转变行为的星形共聚物以任意比例混合，发现一定浓度（15-40wt%）的该共聚物混合物溶液也具有溶胶-凝胶转变行为，且转变温度在这两种纯的共聚物对应浓度的溶液的转变温度之间。

本发明提出的混合水凝胶，对于混合水凝胶类型（1），较高PLGA嵌段含量的星形共聚物占混合共聚物总质量分数的10-75%，更优的质量分数为25-50%。

本发明提出的混合水凝胶，对于混合水凝胶类型（2），较高PLGA嵌段含量的星形共聚物占混合共聚物总质量分数的0-100%，更优的质量分数也为0-100%。

本发明提出的混合水凝胶，其制备方法包括以下步骤：称取上述界定质量分数范围下适当质量比例的不同PLGA嵌段含量的两种星形共聚物，加入适量水或各种人体模拟液，于凝胶化温度下剧烈搅拌至凝胶状，立即放入3-5℃的冰箱冷却、完全溶解。

本发明提出的混合水凝胶，其溶液只有在10-45wt%的浓度下才表现出溶胶-凝胶转变特性。当浓度过高时，其在室温及室温以下以不能流动的凝胶态形式存在，随着温度的提高只能发生凝胶-沉淀的转变；当浓度过低时，其随着温度的提高只能发生冷溶胶-热溶胶-沉淀的转变，不经过凝胶形态过程，故上述两种情形都不适合药物的包覆、细胞的培养及组织工程的应用。而当共聚物浓度为10-45wt%时，其随着温度的提高能够发生溶胶-凝胶转变特性，具体转变现象为冷溶胶（低温）-凝胶（体温）-热溶胶（较高温度）-沉淀（更高温度），故在这一浓度范围内的混合水凝胶便于注射操作，更为合适浓度为15-40wt%。

本发明提出的混合水凝胶可以通过与紫杉醇、地塞米松、吲哚美辛、雌孕激素、基因、多肽及各种蛋白质等以混合的方式包埋，还可应用于各种细胞的体外培养及组织工程（如术后腹壁与盲肠的粘连防止）。混合水凝胶的溶剂为模拟PBS缓冲液、体液、细胞培养液、阴道液、组织培养液及水溶液。复合药物的释放速率可通过调整聚乙二醇单甲醚所占的质量分数、丙交酯与乙交酯的物质的量比例、共聚物的浓度及混合比例等因素来控制。凝胶的载药量没有严格的限制，除非载药量影响共聚物溶液的溶胶-凝胶转变行为。给药途径可以是载药的星形共聚物水凝胶的皮下注射、阴道喷入或患处涂抹。

本发明提出的混合水凝胶的单个组分为星形PLGA-mPEG嵌段共聚物，其中疏水嵌段PLGA的含量为55-85wt%，亲水嵌段mPEG的含量为15-45wt%；更为合适的组成为，疏水嵌段PLGA的含量为60-75wt%，亲水嵌段mPEG的含量为25-40wt%。

本发明提出的混合水凝胶的单个组分为星形PLGA-mPEG嵌段共聚物，其疏水PLGA嵌段中，丙交酯含量为0-100mol%，乙交酯含量为0-100mol%；更为合适的组成为，丙交酯含量为20-100mol%，乙交酯含量为0-80mol%。

本发明提出的混合水凝胶的单个组分为星形PLGA-mPEG嵌段共聚物，其亲水嵌段mPEG的数均分子量为350-1000，更为合适的分子量为350-750。

下面通过实例对混合水凝胶进行说明。本发明不仅仅局限以下实施例。

实施例1-8

星形聚乙丙交酯-聚乙二醇单甲醚共聚物水凝胶的各组成见下表所示：

实施例9

将实施例2、3、4、6、7与8的两种或多种具有溶胶-凝胶转变行为的星形嵌段共聚物任意比例(0-100wt%)混合（如0:3,1:2,1:1,2:1及3:0），加入适量模拟液，于凝胶化温度下剧烈搅拌至凝胶状，立即放入3-5℃的冰箱冷却、充分溶解，得到温敏性的可注射混合水凝胶。图2是混合水凝胶于不同浓度下随温度升高的流变曲线。

实施例10

将实施例1和5的两种不具有溶胶-凝胶转变行为（一种为沉淀，另一种为溶解状态）的星形嵌段共聚物任意比例混合，加入适量模拟液，于凝胶化温度下剧烈搅拌，立即放入3-5℃的冰箱冷却、充分溶解，发现实施例1中的共聚物在混合物中的质量百分比在10-75%的混合凝胶具有温敏性，特别是实施例1中的共聚物在混合物中的质量百分比在25-50%的混合凝胶其它比例的混合液不具有温敏性。具有温敏性的混合液可作为可注射混合水凝胶。图3是这两种共聚物混合水凝胶于不同浓度下随温度升高的流变曲线。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种温度敏感性可注射混合水凝胶，其特征在于，它由共聚物混合物及人体模拟液组成，其中，共聚物混合物在混合水凝胶中的质量百分比含量为10-45wt%；

第二种类型的共聚物混合物由PLGA嵌段质量分数为wt%的两种或多种星形聚乙丙交酯PLGA-聚乙二醇单甲醚mPEG嵌段共聚物任意比例混合组成，其中，66.6<wt%<75%。

2.根据权利要求1所述的温度敏感性可注射混合水凝胶，其特征在于，第一种类型的共聚物，PLGA嵌段质量分数在75%至90%的星形PLGA-mPEG共聚物占混合共聚物总质量分数的25-50%。

3.根据权利要求1或2所述的温度敏感性可注射混合水凝胶，其特征在于，星形PLGA-mPEG嵌段共聚物的疏水PLGA嵌段中，丙交酯含量为0-100mol%，乙交酯含量为0-100mol%。

4.根据权利要求1或2所述的温度敏感性可注射混合水凝胶，其特征在于，星形PLGA-mPEG嵌段共聚物的疏水PLGA嵌段中，丙交酯含量为20-100mol%，乙交酯含量为0-80mol%。

5.根据权利要求1或2所述的温度敏感性可注射混合水凝胶，其特征在于，星形PLGA-mPEG嵌段共聚物中，其亲水嵌段mPEG的数均分子量为350-1000。

6.根据权利要求1或2所述的温度敏感性可注射混合水凝胶，其特征在于，星形PLGA-mPEG嵌段共聚物中，其亲水嵌段mPEG的数均分子量为350-750。