CN110551273B - 一种双重刺激响应型聚氨酯胶束的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了双重刺激响应型聚氨酯胶束的制备方法，包括以下步骤：引发剂的制备、封端剂的制备、香草醛缩醛化合物的制备、封端型聚氨酯的制备以及聚氨酯胶束溶液的配制。通过结合原子转移自由基聚合法制备亲水性温敏封端剂、在聚氨酯链中引入两亲性链段自组装成胶束等技术成功制备出封端的pH和温度双重响应型多嵌段聚氨酯胶束。本发明制备的聚氨酯胶束具备优异的生物相容性、生物降解性的基础上，同时具备pH响应特性和温敏特性。
Description
技术领域
本发明属于环境响应性高分子材料制备领域，具体涉及一种双重刺激响应型聚氨酯胶束的制备方法。
背景技术
聚氨酯（PU）是大分子主链结构中含有氨基甲酸酯基团（-NH-COO-）的一类高分子聚合物的统称，一般由硬段和软段两部分组成，硬段是由多异氰酸酯和扩链剂所构成的，软段是由多元醇所构成的。聚氨酯由于具有良好的物理机械性能，可用于制造合成革、弹性体、涂料、泡沫塑料、胶黏剂、防水材料以及阻燃剂等等。除此之外，聚氨酯还具有良好的生物相容性和生物可降解性。
pH响应性，是指因环境pH的变化，聚合物上引入的响应基团通过质子化或者是去质子化作用来使其本身的微观分子结构发生变化，进而导致其体积或分子形态的变化，最终使得胶束所携带的物质得到释放。这种特殊的性质，引起了国内外学者的重视，并制备出一系列具有pH响应性的聚氨酯聚合物，比如西南民族大学赵礼礼等人设计了一种包载三氯生的电荷翻转的pH响应的阳离子抗菌聚氨酯胶束，长春工业大学蔡桂娣利用缩聚反应原理制备了具有pH响应性和荧光性聚氨酯嵌段共聚物，再比如抗生素的使用，抗生素被用来治疗人类身上发生的细菌感染有着极好的治疗效果，一经问世，得到了广泛的使用，甚至是到了滥用的程度，但使用这种具有pH响应性的聚氨酯胶束作为抗生素的载体，使其精确的到达发生细菌感染的部位，达到靶向治疗的效果，从而减少抗生素滥用现象的发生。
温度响应性，是指聚合物对外界环境温度具有可逆响应特性。温度响应型的聚氨酯有两种类型，一种是最低临界溶解温度（LCST）型温度响应性聚氨酯，在胶束状态下，当温度低于某一个LCST值时，整个体系是依靠聚氨酯的亲水基团与水作用所形成的氢键来获得分子间作用力，这使得聚氨酯的链段呈舒展状态，因此此时的溶液呈现澄清状态，但当温度高于这一特定的LCST值时，氢键作用会被削弱，溶液内就会发生相转变，此时聚氨酯链段的舒展性不够好，会在脱水合作用下呈卷曲状态，使得溶液由澄清状态转变为浑浊状态。另一种是最高临界溶解温度(UCST)型温度响应性聚氨酯，它对温度变化所做出的响应特性与前者相反。目前，与温敏性相关的聚氨酯材料也有报道，比如四川大学的科研人员利用聚己内酯二醇为软段，成功合成了含有MDI 和BDO的温度敏感型聚氨酯；在甲烷磺酸催化剂存在下，Haritz Sardon等人成功地利用聚(乙二醇)二醇( Mn＝1500 )、二羟甲基丙酸和异佛尔酮二异氰酸酯合成了一种温敏性聚氨酯材料。目前，pH响应性及温敏性聚氨酯材料已经广泛应用于药物控制释放、生物分离、酶固定化、免疫分析等生物医学领域。
但现有的改性聚氨酯材料并不能在具备优异的生物相容性、生物降解性的基础上同时具备pH响应特性和温敏特性。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种双重刺激响应型聚氨酯胶束的制备方法，要达到以下发明目的：制备的聚氨酯胶束具备优异的生物相容性、生物降解性的基础上，同时具备pH响应特性和温敏特性。
为实现以上发明目的，本发明所采用的技术方案是：
一种双重刺激响应型聚氨酯胶束的制备方法，包括以下步骤：引发剂的制备、封端剂的制备、香草醛缩醛化合物的制备、封端型聚氨酯的制备以及聚氨酯胶束溶液的配制。
所述的引发剂的制备：1，4-丁二醇和三乙胺溶于四氢呋喃中，得到溶液A；2-溴异丁酰溴溶于四氢呋喃中，得到溶液B；将溶液B滴入溶液A中，滴入完成时间控制在20-40min，搅拌反应10-15h；反应结束后，经除杂、萃取、分离纯化得到引发剂。所述的除杂：将反应液过滤，除去沉淀物；将滤液在35-45℃下旋蒸除去THF，得到淡黄色液体；所述的萃取：用CH2Cl2萃取淡黄色液体，蒸馏水洗涤后，旋蒸得粗产物；所述的分离纯化：采用的洗脱剂为CH2Cl2与CH3OH按照体积比20:1的混合液。
所述封端剂的制备：将引发剂、单体甲基丙烯酸二甲氨乙酯、配体甲基二乙烯三胺溶于N,N-二甲基甲酰胺中，将反应溶液在氮气保护下搅拌20-40min；然后，将催化剂溴化亚铜加入反应溶液中，继续在氮气保护下搅拌10-20min；然后，在45-55℃条件下搅拌反应7-9h；反应结束后，将得到的反应液经柱层析分离纯化，得到粗产物；将粗产物透析纯化，得到的透析液经冷冻干燥，得到封端剂。所述柱层析分离纯化：以THF和CH3OH按体积比为20:1的混合液作为冲洗剂；所述透析纯化：透析袋的平均截留分子量为300。
所述香草醛缩醛化合物的制备：将香草醛、三羟甲基乙烷和催化剂溶于四氢呋喃中，在冷凝回流条件下搅拌反应；反应结束后，冷却至室温，经分离纯化，真空干燥，得到香草醛缩醛。所述催化剂为甲苯磺酸水合物；所述冷凝回流：温度为85-95℃；所述反应：反应时间为10-14 h；所述分离纯化：采用柱层析，采用的洗脱剂为石油醚：乙酸乙酯体积比为2:1的混合液。
所述封端型聚氨酯的制备：将六亚甲基二异氰酸酯和香草醛缩醛溶于丙酮中，室温下搅拌反应2-4h，得到的反应液备用；
将封端剂投入丙酮中溶解，并加入反应液中，在室温下搅拌反应22-26h；
反应结束后，对反应液进行透析纯化，最后经冷冻干燥、真空干燥，得到封端型聚氨酯。所述透析：采用的透析袋平均截留分子量为300，透析时间为22-26 h；所述真空干燥：干燥温度为40-50℃。
所述聚氨酯胶束溶液的配制：封端型聚氨酯溶解于DMSO中，通过滤膜滤至透析袋中，在蒸馏水中透析制备出聚氨酯胶束溶液；所述滤膜：孔径大小为0.4-0.5μm；所述透析袋：平均截留分子量为300。
本发明具有的有益效果如下：
1）本发明制备的聚氨酯胶束具备优异的pH响应特性和温敏特性，完善了合成环境响应性聚氨酯胶束的技术体系。
2）本发明合成的pH和温度双重刺激响应的聚氨酯胶束对酸性环境和温度响应特性较好，可作为医学领域上刺激响应释放型药物载体。另外，在肿瘤酸性环境刺激下，可与包载的疏水性药物达到协同治疗效果。
3）本发明所制备的聚合物材料不仅具有良好的pH响应特性和温敏特性，而且还兼顾了优异的生物相容性和生物降解性，为其在生物医学领域的实际应用提供了重要的安全保障，是一种很有前途的“智能”材料。
附图说明
附图1为合成BDO-BiB的反应方程式。
附图2为BDO-BiB的1H NMR谱图。
附图3为BDO-BiB的红外光谱图。
附图4为合成HO-PDMA的反应方程式。
附图5为HO-PDMA的1H NMR谱图。
附图6为HO-PDMA的红外光谱图。
附图7为合成香草醛缩醛化合物的反应方程式。
附图8为香草醛缩醛化合物的1H NMR谱图。
附图9为合成PU-PDMA的路线图。
附图10为PU-PDMA的1H NMR谱图。
附图11为PU-PDMA的红外光谱图。
附图12为浓度为7.5 mg/mL的HO-PDMA-2水溶液紫外透射率随温度的变化曲线。
附图13为浓度为7.5 mg/mL的HO-PDMA-5水溶液紫外透射率随温度的变化曲线。
附图14为浓度为7.5 mg/mL的HO-PDMA-9水溶液紫外透射率随温度的变化曲线。
附图15为20 mg/mL的PU-PDMA有机相溶液（a为PU-PDMA-2溶液，b为PU-PDMA-5溶液，c为PU-PDMA-9溶液）在冷却及加热后的状态对比图。
附图16为7.5 mg/mL的PU-PDMA水相溶液（a为PU-PDMA-2溶液，b为PU-PDMA-5溶液，c为PU-PDMA-9溶液）在冷却及加热后的状态对比图。
附图17为浓度7.5 mg/mL 的PU-PDMA-2胶束溶液在加酸前后测试的紫外透射率随温度的变化曲线对比图。
附图18为浓度7.5 mg/mL 的PU-PDMA-5胶束溶液在加酸前后测试的紫外透射率随温度的变化曲线对比图。
附图19为浓度7.5 mg/mL 的PU-PDMA-9胶束溶液在加酸前后测试的紫外透射率随温度的变化曲线对比图。
附图20为浓度1.3 mg/mL的PU-PDMA-2胶束溶液加酸前后粒径分布曲线对比图。
附图21为浓度1.3 mg/mL的PU-PDMA-5胶束溶液加酸前后粒径分布曲线对比图。
附图22为浓度1.3 mg/mL的PU-PDMA-9胶束溶液加酸前后粒径分布曲线对比图。
具体实施方式
下面结合上述的技术路线和附图对本发明作出详细说明，仅用来对本发明进行具体描述，而不是对本发明保护范围的限制，该领域熟练人员根据上述本发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
实施例1引发剂的制备
1）将0.3 mol 1，4-丁二醇（BDO）和5 mL 三乙胺（TEA）溶于40 mL四氢呋喃中，置于-10℃乙醇浴中搅拌10分钟，得到溶液A。
2）将0.01 mol 2-溴异丁酰溴（BIBB）溶于10 mL四氢呋喃中，置于-10℃的乙醇浴中静置3分钟；得到溶液B。
然后将溶液B缓慢滴入溶液A中，滴入完成时间控制在30分钟左右，搅拌反应12h。
3）反应结束后，过滤除去沉淀物，将滤液在40℃下旋蒸除去THF，得到淡黄色液体。
4）用CH2Cl2萃取淡黄色液体，蒸馏水洗涤三次，无水MgSO4干燥，40℃下旋蒸得淡黄色液体粗产物。
5）对粗产物进行柱层析分离纯化，洗脱剂为CH2Cl2：CH3OH=20:1（v/v）的混合液，在40℃下旋蒸得1.94g淡黄色液体纯产物，即引发剂（BDO-BiB），产率81.2%。
实施例2封端剂（HO-PDMA）的制备
制备分子量为9000的封端剂：
1）将0.0008 mol BDO-BiB、0.05 mol单体甲基丙烯酸二甲氨乙酯(DMAEMA)和0.0008 mol配体甲基二乙烯三胺（PMDETA）溶于10mL N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中，在室温下通入氮气并搅拌30分钟。
2）将0.0008 mol溴化亚铜（CuBr）加入反应溶液中，继续通入氮气并搅拌15分钟。
3）将上述搅拌后的反应溶液，在50℃油浴中搅拌反应8h。
4）反应结束后，向得到的反应液中加入10 mLTHF和10滴甲醇，变为澄清状。
5）将反应液进行柱层析分离，以除去反应液中的铜离子，以THF和CH3OH按体积比为20:1的混合液作为冲洗剂，45℃下旋蒸得到呈液态的粗产物。
6）将粗产物置于平均截留分子量为300的透析袋中，用蒸馏水透析24 h；将透析液冷冻减压干燥48h，得到4.93 g目标物，即分子量为9000的封端剂，标记为HO-PDMA-9，产率68.5%。
制备分子量为2000的封端剂：制备方法与上述制备分子量为9000的封端剂的方法相同，只改变原料BDO-BiB、单体甲基丙烯酸二甲氨乙酯(DMAEMA)、配体甲基二乙烯三胺（PMDETA）以及催化剂溴化亚铜（CuBr）的用量，进行制备；采用的原料用量为：BDO-BiB0.004mol、DMAEMA0.05 mol、PMDETA0.004 mol、CuBr0.004 mol。
得到的目标物，即分子量为2000的封端剂，标记为HO-PDMA-2，4.68 g，产率65.1%。
制备分子量为5000的封端剂：制备方法与上述制备分子量为9000的封端剂的方法相同，只改变原料BDO-BiB、单体甲基丙烯酸二甲氨乙酯(DMAEMA)、配体甲基二乙烯三胺（PMDETA）以及催化剂溴化亚铜（CuBr）的用量，进行制备；采用的原料用量为：BDO-BiB0.0016 mol、DMAEMA0.05 mol、PMDETA0.0016 mol mol、CuBr0.0016 mol。
得到的目标物，即分子量为5000的封端剂，标记为HO-PDMA-5，质量为5.14g，产率71.39%。
实施例3香草醛缩醛化合物的制备
1）将12 mmol香草醛、15.6 mmol三羟甲基乙烷和0.12 mmol催化剂对甲苯磺酸水合物（p-TsOH）溶于15 mL 四氢呋喃（THF）中，在90℃冷凝回流条件下搅拌反应12h。
2）反应结束后，在40℃下旋蒸除去THF，得到浓缩粗产物。
3）将浓缩液冷却至室温，进行柱层析分离纯化，采用的洗脱剂为石油醚：乙酸乙酯体积比为2:1的混合液，在40℃下旋蒸后经真空干燥，得到2.21 g香草醛缩醛化合物，即香草醛缩醛；产率78.1%。
实施例4封端型聚氨酯（PU-PDMA）的制备
以HO-PDMA-9封端的聚氨酯的制备：
1）将0.001 mol实施例3制备出的香草醛缩醛和0.002 mol六亚甲基二异氰酸酯（HDI）加入4 g丙酮中，室温下搅拌反应3h，得到的反应液备用。
2)将2.52 g实施例2制备出的 HO-PDMA-9溶于5 mL丙酮中，并加入到步骤1）的反应液中，室温下搅拌反应24h。
3）反应结束后，用平均截留分子量为300的透析袋在蒸馏水中透析24h后，将透析液冷冻减压干燥48 h，45℃下真空干燥24h，得到目标产物，即封端型聚氨酯PU-PDMA-9。
以HO-PDMA-2封端的聚氨酯的制备：采用的制备方法与上述以HO-PDMA-9封端的聚氨酯的制备方法相同，只改变封端剂为HO-PDMA-2，封端剂用量为0.56 g；得到的目标产物，即封端型聚氨酯PU-PDMA-2。
以HO-PDMA-5封端的聚氨酯的制备：采用的制备方法与上述以HO-PDMA-9封端的聚氨酯的制备方法相同，只改变封端剂为HO-PDMA-5，封端剂用量为1.43g；得到的目标产物，即封端型聚氨酯PU-PDMA-5。
实施例5聚氨酯胶束溶液的配制
1）取100 mg实施例4制成的封端型聚氨酯，完全溶解于4 mLDMSO中，用0. 45 μm的滤膜滤至透析袋中，室温下在蒸馏水中透析24h，得到胶束溶液。采用的透析袋平均截留分子量为300。
2）取适量胶束溶液，分别稀释至浓度为1.3 mg/mL和7.5 mg/mL两种聚氨酯胶束溶液；将上述两种不同浓度的PU-PDMA胶束溶液置于4℃下保存。
依据上述方法，分别制备：浓度为1.3 mg/mL和7.5 mg/mL的PU-PDMA-2 、浓度为1.3 mg/mL和7.5 mg/mL的PU-PDMA-5 、浓度为1.3 mg/mL和7.5 mg/mL的PU-PDMA-9的胶束溶液。
采用1H NMR，FTIR对各合成步骤的产物进行了结构表征，通过紫外可见光分光光度计测定了三种HO-PDMA水溶液及三种PU-PDMA胶束溶液透射率随温度变化而变化的规律（温敏性测试），并利用加酸前后聚氨酯胶束温敏性及粒径的变化测试了三种PU-PDMA胶束的pH响应特性。
由附图中各化合物表征谱图分析确定了各步骤产物合成无误，符合附图中各反应方程式产物的结构特点。 分析图12、13、14可知，这三种亲水性封端剂HO-PDMA（HO-PDMA-2、HO-PDMA-9和HO-PDMA-5）都有LCST型聚合物的特性，都具有较好的温敏响应特性，HO-PDMA-9和HO-PDMA-5的LCST值为42.0℃，HO-PDMA-2的LCST值为46.0℃。由图15可看出三种PU-PDMA在冷却下有絮状沉淀，在加热后变为澄清透明状，由此可知，所制得PU-PDMA能够在有机相中呈现出UCST型聚氨酯的特性；由图16可看出三种PU-PDMA在室温下呈现出均一的澄清透明状，在加热后出现絮状沉淀，由此可知，所制得的PU-PDMA在水相中呈现出LCST型聚氨酯的特性；另外，从图16左侧图中可观察到， PU-PDMA溶液的透明度随着PU上接入HO-PDMA分子量的增加而增加，也即PU-PDMA-9的分散效果最好；分析图17、18、19左侧图得到，三种PU-PDMA胶束溶液的透射率都会随温度升高而降低，并最终呈现出LCST型聚氨酯的特性，PU-PDMA-2、PU-PDMA-5、PU-PDMA-9胶束溶液的LCST值依次为62.0℃、45.0℃、39.0℃，综合来看，本发明制备的三种PU-PDMA都具有较好的温敏响应特性。
由图17、18、19加酸前后对比图可以看出，三种PU-PDMA胶束溶液在加酸后原有的温敏特性消失，并且随温度上升溶液透射率也随之上升，且上升幅度不大，从而说明所制得的PU-PDMA是一种pH值响应型的聚氨酯；另外，由图20、21、2分析得出，1.3 mg/mL的PU-PDMA-2、PU-PDMA-5和PU-PDMA-9胶束溶液加酸前的平均粒径为3412 nm、1481 nm和653 nm，加酸后平均粒径依次为2368 nm、672 nm和446 nm ，从而进一步说明三种PU-PDMA胶束溶液都具有较好的pH响应特性。
通过对上述数据的比较得出PU-PDMA-9胶束溶液的LCST值最低，温敏响应特性最好，平均粒径最小，并且也具备良好的pH响应特性，因此所制得PU-PDMA-9的综合性能最好。
除非另有说明，本发明中所采用的百分数均为重量百分数，本发明所述的比例，均为质量比例。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种双重刺激响应型聚氨酯胶束的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：引发剂的制备、封端剂的制备、香草醛缩醛化合物的制备、封端型聚氨酯的制备以及聚氨酯胶束溶液的配制；
所述的引发剂的制备：1，4-丁二醇和三乙胺溶于四氢呋喃中，得到溶液A；2-溴异丁酰溴溶于四氢呋喃中，得到溶液B；将溶液B滴入溶液A中，滴入完成时间控制在20-40min，搅拌反应10-15h；反应结束后，经除杂、萃取、分离纯化得到引发剂；
所述封端剂的制备：将引发剂、单体甲基丙烯酸二甲氨乙酯、配体甲基二乙烯三胺溶于N,N-二甲基甲酰胺中，将反应溶液在氮气保护下搅拌20-40min；然后，将催化剂溴化亚铜加入反应溶液中，继续在氮气保护下搅拌10-20min；然后，在45-55℃条件下搅拌反应7-9h；反应结束后，将得到的反应液经柱层析分离纯化，得到粗产物；将粗产物透析纯化，得到的透析液经冷冻干燥，得到封端剂；
所述封端型聚氨酯的制备：将六亚甲基二异氰酸酯和香草醛缩醛溶于丙酮中，室温下搅拌反应2-4h，得到的反应液备用；
将封端剂投入丙酮中溶解，并加入反应液中，在室温下搅拌反应22-26h；
反应结束后，对反应液进行透析纯化，最后经冷冻干燥、真空干燥，得到封端型聚氨酯。
2.根据权利要求1所述的一种双重刺激响应型聚氨酯胶束的制备方法，其特征在于：所述的除杂：将反应液过滤，除去沉淀物；将滤液在35-45℃下旋蒸除去THF，得到淡黄色液体；所述的萃取：用CH2Cl2萃取淡黄色液体，蒸馏水洗涤后，旋蒸得粗产物；所述的分离纯化：采用的洗脱剂为CH2Cl2 与CH3OH按照体积比20:1的混合液。
3.根据权利要求1所述的一种双重刺激响应型聚氨酯胶束的制备方法，其特征在于：所述柱层析分离纯化：以THF和CH3OH按体积比为20:1的混合液作为冲洗剂；所述透析纯化：透析袋的平均截留分子量为300。
4.根据权利要求1所述的一种双重刺激响应型聚氨酯胶束的制备方法，其特征在于：所述香草醛缩醛化合物的制备：将香草醛、三羟甲基乙烷和催化剂溶于四氢呋喃中，在冷凝回流条件下搅拌反应；反应结束后，冷却至室温，经分离纯化，真空干燥，得到香草醛缩醛。
5.根据权利要求4所述的一种双重刺激响应型聚氨酯胶束的制备方法，其特征在于：所述催化剂为甲苯磺酸水合物；所述冷凝回流：温度为85-95℃；所述反应：反应时间为10-14h；所述分离纯化：采用柱层析，采用的洗脱剂为石油醚：乙酸乙酯体积比为2:1的混合液。
6.根据权利要求1所述的一种双重刺激响应型聚氨酯胶束的制备方法，其特征在于：所述透析：采用的透析袋平均截留分子量为300，透析时间为22-26 h；所述真空干燥：干燥温度为40-50℃。
7.根据权利要求1所述的一种双重刺激响应型聚氨酯胶束的制备方法，其特征在于：所述聚氨酯胶束溶液的配制：封端型聚氨酯溶解于DMSO中，通过滤膜滤至透析袋中，在蒸馏水中透析制备出聚氨酯胶束溶液；所述滤膜：孔径大小为0.4-0.5μm；所述透析袋：平均截留分子量为300。
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