CN103450361B - 羧甲基纤维素接枝聚乳酸两亲性聚合物及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了羧甲基纤维素接枝聚乳酸两亲性聚合物及其制备方法与应用。该方法将羧甲基纤维素溶解于离子液体内，形成均一溶液；向所述均一溶液中加入接枝单体L‐丙交酯单体和催化剂辛酸亚锡；控制温度为100℃‐130℃，在磁力搅拌和氮气保护下反应18h‐24h，停止反应，将体系温度降至室温；将反应体系倒入乙醇中产生沉淀，过滤分离沉淀，并用无水乙醇洗涤；所得产物在丙酮中抽提，真空干燥，即得到纯化的羧甲基纤维素接枝聚乳酸两亲性聚合物。利用透析方法于水相中形成羧甲基纤维素接枝聚乳酸两亲性聚合物的自组装纳米球形胶束，其粒径为（30‐150）nm，临界胶束浓度为（0.01‐0.1）g/L，具有良好的抗稀释稳定性。

Description

羧甲基纤维素接枝聚乳酸两亲性聚合物及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及一种两亲性聚合物，特别是涉及一种羧甲基纤维素接枝聚乳酸两亲性聚合物及其自组装纳米胶束的制备方法和应用，属于高分子化学和可再生资源领域。

背景技术

两亲性聚合物因其分子内同时含有亲水链段和疏水链段，其在水溶液中可自组装形成具有壳核结构的纳米胶束。目前，针对聚合物自组装纳米胶束的研究主要集中在合成类嵌段共聚物，然而此类聚合物胶束合成价格相对昂贵、不可再生以及应用于生物医药领域时往往存在生物相容性差，滞留体内存在毒性等问题。基于生物可降解、天然可再生、生物相容性良好的天然高分子两亲性聚合物胶束可克服以上缺点。

羧甲基纤维素（CMC）是一类重要的水溶性纤维素衍生物，属天然高分子聚合物，它具有良好的生物亲和性、生物可降解性，在医药行业通常作为药物辅料使用。但CMC分子内缺少与亲水基团相匹配的疏水基团，导致其疏水能力和表面活性较差，且其在高沸点有机溶剂中的溶解性能较差。目前，对于羧甲基纤维素的疏水化改性大部分于非均相体系中完成。此类体系具有可控性不高、反应不均一、疏水化程度较低等缺点，进而影响了两亲性纤维素衍生物纳米胶束的制备。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种绿色安全的羧甲基纤维素接枝聚乳酸两亲性聚合物的均相合成方法；

本发明另一个目的在于提供具有自缔合性能的羧甲基纤维素接枝聚乳酸两亲性聚合物。

本发明第三个目的在于提供所述羧甲基纤维素接枝聚乳酸两亲性聚合物在形成自组装纳米胶束中的应用。

本发明在离子液体中均相合成两亲性羧甲基纤维素接枝聚乳酸两亲性聚合物，以透析方法引发该两亲性聚合物在水溶液中自组装形成纳米胶束，并将该纳米胶束应用于抗癌药物紫杉醇的高效包载。具体是本发明以羧甲基纤维素为接枝主链，L‐丙交酯为接枝单体，在辛酸亚锡催化作用下，于氯化‐1‐烯丙基‐3‐甲基咪唑为代表的离子液体中均相接枝共聚，L‐丙交酯开环聚合形成聚乳酸，接枝到羧甲基纤维素大分子链上，制备了羧甲基纤维素接枝聚乳酸两亲性聚合物（CMC‐g‐PLLA）。该接枝共聚物在水和有机溶剂（如DMSO）中均表现出优良的溶解性能。通过控制接枝单体的用量、反应温度、时间等实验条件，可有效控制接枝产物的疏水取代比例及接枝链段的长度，对其亲/疏水性质进行精确调控。在水溶液中，该两亲性衍生物可在亲水/疏水作用、范德华力等弱相互作用力推动下自组装形成纳米级胶束。经动态光散射粒径仪、透射电子显微镜、荧光光谱仪等测试分析，发现所形成的胶束为球形颗粒，粒径在30‐150nm，临界胶束浓度在0.01‐0.1g/l的范围内，具有良好的抗稀释稳定性。

本发明的目的通过以下技术方案得以实现：

1、羧甲基纤维素接枝聚乳酸两亲性聚合物的制备方法，包括步骤如下：

1）羧甲基纤维素溶解于离子液体内，氮气保护下，在80‐120℃磁力搅拌下，溶解6‐8h，形成均一溶液；所述离子液体包括1‐丁基‐3‐甲基咪唑氯盐、1‐烯丙基‐3‐甲基咪唑氯盐或1‐(2‐羟乙基)‐3‐甲基咪唑氯盐；

2）向所述均一溶液中加入接枝单体L‐丙交酯单体和催化剂辛酸亚锡；所述L‐丙交酯与羧甲基纤维素中基本糖单元的摩尔比例为（2‐4）:1；所述辛酸亚锡用量为L‐丙交酯质量的0.2%‐0.4%；控制温度为100℃‐130℃，在磁力搅拌和氮气保护下反应18h‐24h，停止反应，将体系温度降至室温；

3）将反应体系倒入乙醇中产生沉淀，过滤分离沉淀，并用无水乙醇洗涤；

4）将步骤3）所得产物在丙酮中抽提，真空干燥，即得到纯化的羧甲基纤维素接枝聚乳酸两亲性聚合物。

优选地，所述氯化‐1‐烯丙基‐3‐甲基咪唑离子液体与羧甲基纤维素的质量比为10:（1‐2）。所述无水乙醇洗涤的次数为3‐5次。所述抽提是在丙酮中75℃抽提20‐24h；所述真空干燥是在50℃真空干燥36‐48h。

羧甲基纤维素接枝聚乳酸两亲性聚合物，由上述制备方法制得。

所述羧甲基纤维素接枝聚乳酸两亲性聚合物在形成自组装纳米胶束中的应用：包括如下步骤：

（1）将羧甲基纤维素接枝聚乳酸两亲性聚合物溶解在DMSO溶液中，配置浓度为（1‐20）mg/ml的聚合物DMSO溶液；

（2）按体积比为（0.5‐1）：（8‐10），将聚合物DMSO溶液滴加至去离子水中，混合均匀；

（3）将混合溶液放入截留分子量为6000‐8000的透析袋中，透析48h‐72h，除去DMSO；

（4）透析完毕后，用孔径为0.45μm的微孔滤膜过滤，将溶液转移至具塞管中，得浓度为（0.1‐2）mg/mL的胶束水溶液。

本发明所得到的羧甲基纤维素接枝聚乳酸（CMC‐g‐PLLA）为两亲性的聚合物，其疏水性的聚乳酸侧链和亲水性的羧甲基纤维素主链，为其在水溶液中形成胶束提供了可能。在透析过程中，由于其主侧链亲水性的不同，聚合物大分子逐渐聚集成团，形成微球，其中，疏水的聚乳酸链在微球内部形成疏水核心。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

1）本发明以离子液体为溶剂，于均相体系下，以聚乳酸作为疏水侧链对羧甲基纤维素进行疏水化改性，成功获得了具有自缔合性能的两亲性接枝共聚物。均相反应使得该共聚物的分子结构及性能受到高度可控，能够方便地在水溶液中自组装形成核/壳结构纳米胶束。

2）利用透析方法于水相中形成羧甲基纤维素接枝聚乳酸两亲性聚合物的自组装纳米球形胶束，其粒径为30‐150nm，临界胶束浓度为0.01‐0.1g/L，具有良好的抗稀释稳定性。此纳米胶束对抗癌药物紫杉醇具有较高的转载效率。

3）本发明合成方法为均相反应，工艺安全、简单有效、所使用的反应介质是可回收的绿色溶剂离子液体，是一种“绿色”合成方法，克服了传统异相反应的取代度低缺点，且其完全由生物相容、可降解的材料构成，可用于药物传递、靶向治疗、医学成像等领域。

4）所获得的羧甲基纤维素接枝聚乳酸纳米胶束完全由生物可降解和生物相容性的材料构成，适合应用于生物医用领域和药物载体。两亲性接枝共聚物的整个制备工艺简单易行，不产生有害的有机溶剂，适合大规模生产。

附图说明

图1为实施例1‐3所得羧甲基纤维素接枝聚乳酸两亲性聚合物的红外光谱谱图。

图2‐1、2‐2、2‐3分别为实施例1、2、3的羧甲基纤维素接枝聚乳酸两亲性聚合物的分子量分布图。

图3为实施例1‐3中荧光芘随纳米胶束浓度变化的I₁/I₃值。

图4‐1、4‐2、4‐3分别为实施例1‐3所得羧甲基纤维素接枝聚乳酸两亲性聚合物纳米胶束的透射电镜图。

图5‐1、5‐2、5‐3分别为实施例1‐3羧甲基纤维素接枝聚乳酸两亲性聚合物纳米胶束的粒径分布图。

图6为羧甲基纤维素接枝聚乳酸两亲性聚合物纳米胶束对紫杉醇的包封率图。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对发明作进一步说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

精确称取10g氯化‐1‐烯丙基‐3‐甲基咪唑离子液体（AmimCl）置于50ml三口烧瓶内，于80℃油浴下加热溶解，搅拌条件下加入1g羧甲基纤维素，通入氮气，80℃下搅拌8h，待羧甲基纤维素溶解后，升温至120℃。待温度稳定后，加入反应单体丙交酯L‐LA（丙交酯与羧甲基纤维基本糖单元的摩尔比例为2:1）和辛酸亚锡（对应丙交酯的质量百分比为0.2%），氮气保护，磁力搅拌下（1000rpm）反应24h。终止反应，将体系温度降至室温。将反应器中的混合物倒入250ml乙醇中使之沉淀，将沉淀过滤，并用无水乙醇洗涤5次，除去未反应的丙交酯，剩余的催化剂和离子液体。将产物在丙酮中75℃抽提24h，在50℃真空干燥36h即得到纯化的接枝产物（羧甲基纤维素接枝聚乳酸两亲性聚合物）。所得产物与溴化钾以1:100的比例精磨压片，测量其红外光谱谱图。如图1所示，与CMC相比，羧甲基纤维素接枝聚乳酸两亲性聚合物的红外谱图中，在2988cm^‐1、1749cm^‐1、1456cm^‐1、1383cm^‐1和1215cm^‐1出现了四处新的吸收峰，其中2988cm^‐1，1456cm^‐1和1383cm^‐1处的吸收峰，分别属于甲基CH的伸缩振动、甲基的不对称弯曲振动和对称弯曲振动，1749cm^‐1处为酯键羰基的伸缩振动，这些峰都来自侧链PLA的官能团，说明聚乳酸成功接枝到CMC的分子链上。

取20mg得到的纯化的接枝产物溶解于1mlDMSO溶液中，得浓度为20mg/ml的共聚物/DMSO溶液。准确移取1ml该溶液缓慢滴加至9ml去离子水中，旋涡振荡使其混合均匀。然后将该溶液放入截留分子量为7000的透析袋内，透析48h，并定期换水，彻底除去DMSO。透析完毕后，经0.45μm的微孔滤膜过滤，将该溶液转移至具塞管中，得浓度为2mg/ml的胶束水溶液，然后可以进一步稀释得到不同浓度的胶束水溶液。

实施例2

精确称取10g氯化‐1‐烯丙基‐3‐甲基咪唑离子液体（AmimCl）（也可以用1‐丁基‐3‐甲基咪唑氯盐或1‐(2‐羟乙基)‐3‐甲基咪唑氯盐）置于50ml三口烧瓶内，于120℃油浴下加热溶解，搅拌条件下加入2g羧甲基纤维素，通入氮气，120℃下搅拌6h，待羧甲基纤维素溶解后，升温至120℃。待温度稳定后，加入反应单体丙交酯L‐LA（丙交酯与羧甲基纤维基本糖单元的摩尔比例为3:1）和辛酸亚锡（对应丙交酯的质量百分比为0.3%），氮气保护，磁力搅拌下（1000rpm）反应20h。终止反应，将体系温度降至室温。将反应器中的混合物倒入250ml乙醇中使之沉淀，将沉淀过滤，并用无水乙醇洗涤4次，除去未反应的丙交酯，剩余的催化剂和离子液体。将产物在丙酮中75℃抽提24h，在50℃真空干燥48h即得到纯化的接枝产物。所得产物与溴化钾以1:100的比例精磨压片，测量其红外光谱谱图（如图1所示）。结果与实施例1相似，说明聚乳酸成功接枝到CMC的分子链上。

取4mg得到的纯化的接枝产物溶解于1mlDMSO溶液中，得浓度为4mg/ml的共聚物/DMSO溶液。准确移取0.5ml该溶液缓慢滴加至9ml去离子水中，旋涡振荡使其混合均匀。然后将该溶液放入截留分子量为8000的透析袋内，透析72h，并定期换水，彻底除去DMSO。透析完毕后，经0.45μm的微孔滤膜过滤，将该溶液转移至具塞管中，得浓度为2mg/ml的胶束水溶液，然后可以进一步稀释得到不同浓度的胶束水溶液。

实施例3

精确称取10g氯化‐1‐烯丙基‐3‐甲基咪唑离子液体（AmimCl）（也可以用1‐丁基‐3‐甲基咪唑氯盐或1‐(2‐羟乙基)‐3‐甲基咪唑氯盐）置于50ml三口烧瓶内，于100℃油浴下加热溶解，搅拌条件下加入1g羧甲基纤维素，通入氮气，100℃下搅拌7h，待羧甲基纤维素溶解后，升温至130℃。待温度稳定后，加入反应单体丙交酯L‐LA（丙交酯与羧甲基纤维基本糖单元的摩尔比例为4:1）和辛酸亚锡（对应丙交酯的质量百分比为0.4%），氮气保护，磁力搅拌下（1000rpm）反应18h。终止反应，将体系温度降至室温。将反应器中的混合物倒入250ml乙醇中使之沉淀，将沉淀过滤，并用无水乙醇洗涤5次，除去未反应的丙交酯，剩余的催化剂和离子液体。将产物在丙酮中75℃抽提24h，在50℃真空干燥40h即得到纯化的接枝产物。所得产物与溴化钾以1:100的比例精磨压片，测量其红外光谱谱图（如图1所示）。结果与实施例1相似，说明聚乳酸成功接枝到CMC的分子链上。

取1mg得到的纯化的接枝产物溶解于1mlDMSO溶液中，得浓度为20mg/ml的共聚物/DMSO溶液。准确移取1ml该溶液缓慢滴加至10ml去离子水中，旋涡振荡使其混合均匀。然后将该溶液放入截留分子量为6000的透析袋内，透析48h，并定期换水，彻底除去DMSO。透析完毕后，经0.45μm的微孔滤膜过滤，将该溶液转移至具塞管中，得浓度为2mg/ml的胶束水溶液，然后可以进一步稀释得到不同浓度的胶束水溶液。

实施例4

选取实施例1‐3中得到的纯化两亲性产物于凝胶渗透色谱仪上测量其分子量及其分子量分布，具体测试条件为：流动相为5mM磷酸钠缓冲液(pH7.5)和0.02NNaCl的混合液，流速为0.5mL/min，柱温为30℃，聚合物浓度为0.5mg/ml。图2为羧甲基纤维素接枝聚乳酸两亲性共聚物的分子量分布图。如图2‐1所示，实施例1得到的羧甲基纤维素接枝聚乳酸两亲性聚合物的重均分子量为43820，多分散性为1.279；如图2‐2所示，实施例2得到的羧甲基纤维素接枝聚乳酸两亲性聚合物的重均分子量为51230，多分散性为1.108；如图2‐3所示，实施例3得到的羧甲基纤维素接枝聚乳酸两亲性聚合物的重均分子量为70320，多分散性为1.604。

应用实施例1

分别取5ml实施例1、2、3所得的胶束水溶液，加入50ul浓度为6.0×10^‐5M芘/丙酮溶液，使得芘在胶束水溶液中的最终浓度为6.0×10^‐7M。然后超声振荡1h，使丙酮挥发掉。使用荧光光谱仪扫描样品的发射光谱，测定条件为：290nm激发，扫描范围为355‐500nm，狭缝宽度为2.5nm。根据不同浓度样品的荧光谱图中I₁/I₃比值对浓度的对数值做图，曲线的折点对应的浓度值即为样品的临界胶束浓度。如图3所示，实施例1得到的羧甲基纤维素接枝聚乳酸两亲性聚合物（CMC‐g‐PLLA两亲性产物）的临界胶束浓度值为0.097g/l；实施例2得到的CMC‐g‐PLLA两亲性产物的临界胶束浓度值为0.082g/l；实施例3得到的CMC‐g‐PLLA两亲性产物的临界胶束浓度值为0.052g/l。

应用实施例2

分别选取实施例1‐3中的羧甲基纤维素接枝聚乳酸两亲性聚合物，配制浓度为0.1mg/ml的胶束水溶液，取一滴滴在200目铜网上，2%磷钨酸染色3min，在50℃的真空干燥箱中干燥10min，除去水分，在透射电镜仪上观察，加速电压为100kV。如图4‐1、4‐2和4‐3所示，TEM结果表明CMC‐g‐PLLA两亲性聚合物在水溶液中自组装形成的纳米胶束为规则球形，均匀分布，且胶束粒径大小与两亲性产物中疏水链段PLLA的含量成反比。

应用实施例3

选取实施例1‐3中的羧甲基纤维素接枝聚乳酸两亲性聚合物，配制浓度为0.1mg/ml的胶束水溶液，在ZetasizerNano动态光散射仪上测量胶束的平均粒径及其分布，测试前超声30min。如图5‐1所示，实施例1得到的CMC‐g‐PLLA自组装纳米胶束的数均粒径为91.3nm；如图5‐2所示，实施例2得到的CMC‐g‐PLLA自组装纳米胶束的数均粒径为45.2nm；如图5‐3所示，实施例3得到的自组装纳米胶束的数均粒径为32.4nm。提高CMC‐g‐PLLA聚合物中疏水链段PLLA的含量将会降低其自组装纳米胶束的平均粒径。

应用实施例4

选取实施例1中的羧甲基纤维素接枝聚乳酸两亲性聚合物，按照应用实施例1的方法配制浓度为2mg/ml的胶束水溶液，利用透析方法实现胶束对抗癌药物紫杉醇的包载，取5mlMCC‐g‐PLA胶束水溶液（2mg/ml）于10ml玻璃试管中，搅拌状态下缓慢加入500μlPTX/甲醇（浓度为1mg/ml）溶液，室温下超声30mi。随后将该溶液置于截留分子量为3000的透析袋内，透析48h除去甲醇。所得溶液统一定容至10ml，过0.8μm的微孔滤膜除去未包覆的PTX沉淀物。以空白胶束作为对照，利用紫外‐可见光分光光度计测定包载PTX胶束在227nm处的吸光度，利用其标准曲线计算PTX在胶束中的包封率。如图6所示，实施例1得到的CMC‐g‐PLLA自组装纳米胶束对PTX的包封率为73.2%；实施例2得到的CMC‐g‐PLLA自组装纳米胶束对PTX的包封率为77.1%；实施例3得到的CMC‐g‐PLLA自组装纳米胶束对PTX的包封率为85.1%。提高CMC‐g‐PLLA聚合物中疏水链段PLLA的含量将会增加其对PTX的包封率值。

Claims (6)

1.羧甲基纤维素接枝聚乳酸两亲性聚合物的制备方法，其特征在于包括步骤如下：

1)羧甲基纤维素溶解于离子液体内，氮气保护下，在80‐120℃磁力搅拌下，溶解6‐8h，形成均一溶液；所述离子液体包括1‐丁基‐3‐甲基咪唑氯盐、1‐烯丙基‐3‐甲基咪唑氯盐或1‐(2‐羟乙基)‐3‐甲基咪唑氯盐；

2)向所述均一溶液中加入接枝单体L‐丙交酯单体和催化剂辛酸亚锡；所述L‐丙交酯与羧甲基纤维素中基本糖单元的摩尔比例为(2‐4):1；所述辛酸亚锡用量为L‐丙交酯质量的0.2％‐0.4％；控制温度为100℃‐130℃，在磁力搅拌和氮气保护下反应18h‐24h，停止反应，将体系温度降至室温；

3)将反应体系倒入乙醇中产生沉淀，过滤分离沉淀，并用无水乙醇洗涤；

4)将步骤3)所得产物在丙酮中抽提，真空干燥，即得到纯化的羧甲基纤维素接枝聚乳酸两亲性聚合物。

2.根据权利要求1所述的羧甲基纤维素接枝聚乳酸两亲性聚合物的制备方法，其特征在于：所述1‐烯丙基‐3‐甲基咪唑氯盐与羧甲基纤维素的质量比为10:(1‐2)。

3.根据权利要求1所述的羧甲基纤维素接枝聚乳酸两亲性聚合物的制备方法，其特征在于：所述无水乙醇洗涤的次数为3‐5次。

4.根据权利要求1所述的羧甲基纤维素接枝聚乳酸两亲性聚合物的制备方法，其特征在于：所述抽提是在丙酮中75℃抽提20h‐24h；所述真空干燥是50℃真空干燥(36‐48)h。

5.羧甲基纤维素接枝聚乳酸两亲性聚合物，其特征在于：其由权利要求1‐4任一项所述制备方法制得。

6.权利要求5所述羧甲基纤维素接枝聚乳酸两亲性聚合物在形成自组装纳米胶束中的应用：其特征在于包括如下步骤：

(1)将羧甲基纤维素接枝聚乳酸两亲性聚合物溶解在DMSO溶液中，配制浓度为(1‐20)mg/ml的聚合物DMSO溶液；

(2)按体积比为(0.5‐1)：(8‐10)，将聚合物DMSO溶液滴加至去离子水中，混合均匀；

(3)将混合溶液放入截留分子量为6000‐8000的透析袋中，透析48h‐72h，除去DMSO；

(4)透析完毕后，用孔径为0.45μm的微孔滤膜过滤，将溶液转移至具塞管中，得浓度为(0.1‐2)mg/mL的胶束水溶液。