CN113045752A - 一种温敏性聚合物及其制备方法以及温敏性水凝胶 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温敏性聚合物及其制备方法，温敏性聚合物为由端氨基化的聚乙二醇引发氧苄基苏氨酸‑N‑羧基环内酸酐、缬氨酸‑N‑羧基环内酸酐开环聚合所得的三嵌段聚合物或三元无规共聚物；其中，聚乙二醇链段含量为45～55wt％，聚氧苄基苏氨酸链段含量为33～37wt％，聚缬氨酸链段含量为12～18wt％。本发明在聚氨基酸类聚合物中引入氧苄基苏氨酸，解决了含强极性酰胺键链段聚合物在常见有机相中难溶的问题，所得聚合物在保留类似聚醚‑聚多肽温敏响应性的同时，更便于在各类有机溶剂中二次加工或改性，具有可观的医用前景。

Description

一种温敏性聚合物及其制备方法以及温敏性水凝胶

技术领域

本发明属于可降解生物医学材料技术领域，特别涉及一种温敏性聚合物及其制备方法，以及利用该温敏性聚合物制备的温敏性水凝胶。

背景技术

水凝胶是一类超亲水的三维网络结构凝胶，能在水中迅速溶胀但是却不溶于水，既具有类似于固体的机械性能，又有类似于液体的交换和传输性能。由于组成结构的亲水性，结构空隙中能吸收并且存储大量的水分，使得水凝胶与生物组织具有很高的相似性，允许某些特定的分子，如盐离子、生长因子、蛋白质和生物活性药物等通过。这些性质使得水凝胶有望用于组织工程、创伤修复、药物缓释和细胞载体等方面，而生物医学工程领域的应用也意味着对水凝胶材料本身的生物相容性、毒副性以及体内降解物可代谢性有了更高的要求。

氨基酸类聚合物因其良好的生物相容性及可降解性，正逐渐成为重要的生物医用材料，其特点在于：由不同种类的氨基酸可制备一系列嵌段、无规、接枝以及环状聚合物。根据氨基酸种类的不同，在侧链可以引入药物或者其他官能团，从而修饰聚合物性质；可通过控制氨基酸序列和组成，让聚合物形成与天然大分子相似的复杂有序的结构。其降解产物为小分子氨基酸，有望用于药物缓释领域；根据侧链结构的不同，氨基酸类聚合物可自发形成稳定的二级结构、三级结构及四级结构，这些人造结构与天然结构类似，具有很好的应用前景。

为获取氨基酸类聚合物的水凝胶材料，可通过聚乙二醇与聚氨基酸共聚的方式。这种改性方式可显著改善多肽的水溶性，使得所得的共聚合物在保留了传统聚氨基酸的生物相容性、低毒性等特点的同时，又具备了良好的溶解性和降解性。由此制备的多肽水凝胶是一类具有充足的含水量、从纳米级到微米级的多孔结构以及适用于细胞基质等特点，可用于软组织修复以及骨骼工程的材料。

目前大多数温敏水凝胶材料的成胶浓度需达到15％～20％，在作为医用植入材料不仅容易因组织液等稀释而造成溶解，也容易因引入过多的外来材料而造成眼部并发症，因此，设计具有较低成胶浓度的高分子材料将更具优势。当水凝胶用于玻璃体内注射给药或作为人工玻璃体时，对水凝胶的透明度有较高要求，而目前绝大多数温敏水凝胶(如PU、PLA等)在成胶后会变得不透明。

与传统的聚酯温敏水凝胶相比，多肽温敏水凝胶具有与人体组织类似的组分和结构，在生物相容性和与细胞之间的相互作用上要优于前者，而多肽链段的多种形式的二级结构和氨基酸种类的多样性，则为构建复杂的、具有多重响应和多层次结构的智能性凝胶体系提供了可能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种在聚氨基酸类聚合物中引入氧苄基苏氨酸，解决了含强极性酰胺键链段聚合物在常见有机相中难溶的问题，所得聚合物在保留类似聚醚-聚多肽温敏响应性的同时，更便于在各类有机溶剂中二次加工或改性的温敏性聚合物及其制备方法，以及利用该温敏性聚合物制备的温敏性水凝胶。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种温敏性聚合物，为由端氨基化的聚乙二醇引发氧苄基苏氨酸-N-羧基环内酸酐、缬氨酸-N-羧基环内酸酐开环聚合所得的三嵌段聚合物或三元无规共聚物；其中，聚乙二醇链段含量为45～55wt％，聚氧苄基苏氨酸链段含量为33～37wt％，聚缬氨酸链段含量为12～18wt％。

进一步地，所述温敏性聚合物为线型聚合物；所述聚乙二醇链段分子量为1000～2000，其端头为单甲醚基；所述聚氧苄基苏氨酸链段每个链节单元都具有一个与氧原子相连的苄基侧链。

本发明的另一个目的是提供一种温敏性聚合物合成方法，所述聚合物通过端氨基引发氨基酸-N-羧基环内酸酐开环制备，具体合成方法如下：

S1、将苏氨酸和苄醇于甲苯溶剂环境中回流反应获取氧苄基苏氨酸苄酯，经草酸捕获得氧苄基苏氨酸苄酯半草酸盐，碱性条件下水解后，再通过阴离子树脂交换和重结晶提纯得氧苄基苏氨酸；

S2、将缬氨酸和S1所得的氧苄基苏氨酸分别与三氯甲基碳酸酯在四氢呋喃溶剂环境下反应，反应完成后分别于石油醚中重结晶，获取氧苄基苏氨酸-N-羧基环内酸酐和缬氨酸-N-羧基环内酸酐；

S3、将单甲醚聚乙二醇的端羟基氨基化处理后，于无水无氧条件下，在强极性溶剂环境中引发S2所得的两种氨基酸环内酸酐次序聚合或无归共聚，反应完成后，将反应相转移至乙醚中重结晶即得所求聚合物。

进一步地，所述强极性溶剂环境为三氯甲烷与N,N-二甲基甲酰胺按体积比1：1的比例混合获得。

本发明还提供一种温敏性水凝胶，为由端氨基化的聚乙二醇引发氧苄基苏氨酸-N-羧基环内酸酐、缬氨酸-N-羧基环内酸酐开环聚合所得的三嵌段聚合物或三元无规共聚物制备得到的水凝胶体系，体系中三嵌段聚合物或三元无规共聚物的浓度为5～15wt％。

本发明的有益效果是：

1、本发明创新性地在聚氨基酸类聚合物中引入氧苄基苏氨酸，解决了含强极性酰胺键链段聚合物在常见有机相中难溶的问题，所得聚合物在保留类似聚醚-聚多肽温敏响应性的同时，更便于在各类有机溶剂中二次加工或改性，具有可观的医用前景。

2、本发明提出的聚乙二醇聚多肽类水凝胶，与传统聚乙二醇聚酯类水凝胶材料相比，其成胶浓度低且溶胶凝胶透明度高。由于其与细胞组织相近的多肽组成，因此具有更好的生物相容性，其丰富的氨基酸侧基为各类官能团的引入提供捷径。此外，多肽链段的多种形式可调控的二级结构和氨基酸种类的多样性，则为构建复杂的、具有多重响应和多层次结构的智能性类生物体系提供了可能。

附图说明

图1为按本发明方法制备的聚乙二醇-聚氧苄基苏氨酸-聚缬氨酸三嵌段聚合物分子结构示意图；

图2为聚乙二醇-聚缬氨酸两嵌段聚合物分子结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明的一种温敏性聚合物，为由端氨基化的聚乙二醇引发氧苄基苏氨酸-N-羧基环内酸酐、缬氨酸-N-羧基环内酸酐开环聚合所得的三嵌段聚合物或三元无规共聚物；其中，聚乙二醇链段含量为45～55wt％，聚氧苄基苏氨酸链段含量为33～37wt％，聚缬氨酸链段含量为12～18wt％。

所述温敏性聚合物为线型聚合物；聚乙二醇链段分子量为1000～2000，其端头为单甲醚基；所述聚氧苄基苏氨酸链段每个链节单元都具有一个与氧原子相连的苄基侧链。

本实施例选用分子量1000的单甲醚聚乙二醇经端氨基化处理后作为引发剂诱导氨基酸环内酸酐开环聚合。所述聚合物通过端氨基引发氨基酸-N-羧基环内酸酐开环制备，具体合成方法如下：

S1、将苏氨酸和苄醇于甲苯溶剂环境中回流反应获取氧苄基苏氨酸苄酯，经草酸捕获得氧苄基苏氨酸苄酯半草酸盐，碱性条件下水解后，再通过阴离子树脂交换和重结晶提纯得氧苄基苏氨酸；具体包括以下子步骤：

S11、将400ml甲苯、200ml苄醇、23.8g(0.2mol)L-苏氨酸、49.4g(0.26mol)对甲苯磺酸一水合物称取于1000ml两口烧瓶中，放入A300的搅拌子后，接分水管在氮气保护下。130℃剧烈搅拌反应24h后(可观测到分水管中在甲苯的液面下收集到约26ml水)，将反应瓶在氩气保护下待其自然冷却，可观测到有以大量白色物沉于烧瓶底部；

S12、将冷却后的反应液用300ml的乙酸乙酯稀释(可观测到白色的沉淀物消失)，再向其滴加浓度为0.5M的Na₂CO₃溶液，直至其PH＝9。将混合液移入1000ml的分液漏斗中，静置分层(上层为有机相，下层为水相)，分液得油相，再将所得的水相用200ml的乙酸乙酯反萃取一次，再将两次所得是油相用无水硫酸镁干燥、过滤。

S13、称取24g草酸溶于120ml的甲醇中，再将其倒入步骤S12所得过滤液中，静置2h后，可观测到大量的白色沉淀产生。将此沉淀过滤至无水乙醇中，热致溶解后冷冻重结晶，重复执行2～3次，将所得产物(此时形态比较蓬松)转移到样品袋中，将其放入真空烘箱中，常温干燥；

S14、将步骤S13中所得干燥后产物39g加入于300ml乙酸乙酯中(观测到该盐不溶于乙酸乙酯中，形成白色浑浊液)，伴随搅拌逐渐加入1M的Na2CO3水溶液，直至其混合液Ph＝9后停止，静止一会儿后可观测到分层现象(上层为有机相，下层为水相)。分离后用无水硫酸镁干燥有机相，过滤，旋蒸浓缩。量取200ml甲醇稀释浓缩液，再加入120ml1M的NaOH水溶液，静止2小时后旋蒸去除甲醇、乙酸乙酯，得离子交换样品。

S15、使用1M的乙酸溶液洗脱经步骤S14中制备所得样品吸附后的阴离子交换树脂。将洗脱液旋蒸浓缩至溶液浑浊后加热使其再次澄清，然后在4℃下冷却重结晶，可得白色的结晶物。用-20℃的乙醇洗涤后，干燥得到白色颗粒产物，即得氧苄基苏氨酸。

S2、无水无氧条件下，将缬氨酸和S1所得的氧苄基苏氨酸分别与三氯甲基碳酸酯在四氢呋喃溶剂环境下50℃回流反应2h，将反应液过滤到提前冷藏的石油醚中，-20℃冷冻重结晶24h，获取氧苄基苏氨酸-N-羧基环内酸酐和缬氨酸-N-羧基环内酸酐；

S3、将单甲醚聚乙二醇的端羟基氨基化处理后，于无水无氧条件下，在强极性溶剂环境中引发S2所得的两种氨基酸环内酸酐次序聚合或无归共聚，反应完成后，将反应相转移至乙醚中重结晶即得所求聚合物。本实施例中取100ml单口圆底烧瓶数个，加入搅拌子，放置于恒温磁力搅拌器上，分别加入1g(1mmol)端氨基化的单甲醚聚乙二醇。将反应瓶用玻璃管和橡胶管连接后，氩气置换反应体系数次。然后通过注射器于各反应瓶瓶口橡胶管处加入新鲜蒸馏的三氯甲烷的DMF的体积比2：1的混合溶液12ml。待固体完全溶解后，保持40℃下磁力搅拌，根据实验设计方案按不同次序、剂量、时间加入两种氨基酸-N-羧基环内酸酐进行开环聚合反应。反应完毕后，大量乙醚冷冻沉淀，过滤干燥。

所述强极性溶剂环境为三氯甲烷与N,N-二甲基甲酰胺按体积比1：1的比例混合获得。

对比例1：在步骤S3中仅加入缬氨酸-N-羧基环内酸酐进行开环聚合反应，制备获得聚乙二醇-聚缬氨酸两嵌段聚合物，作为本实施例的对照组，如图2所示。本实施例及对比例1所得聚合物的水溶液均能在较低浓度(5～15wt％)下具有随温度升高由溶胶转变为凝胶的性能，且在转变前后维持较高透明度。但本实施例中所得某一种或多种含氧苄基苏氨酸聚合物(如聚乙二醇-聚氧苄基苏氨酸-聚缬氨酸三嵌段聚合物)可溶解于多种常见有机溶剂(四氢呋喃、丙酮、氯仿等)，而对比例1中所得聚乙二醇-聚缬氨酸两嵌段聚合物有机溶解性极差。

本发明的聚合物在二氯甲烷、氯仿、四氢呋喃、丙酮、甲醇、乙醇等有机溶剂中的溶解性可由其所含二种氨基酸的含量和比例进行调节。

本发明的温敏性水凝胶，为由端氨基化的聚乙二醇引发氧苄基苏氨酸-N-羧基环内酸酐、缬氨酸-N-羧基环内酸酐开环聚合所得的三嵌段聚合物或三元无规共聚物制备得到的水凝胶体系，体系中三嵌段聚合物或三元无规共聚物的浓度为5～15wt％。该温敏性水凝胶具有在接近人体体温范围随温度升高由液态溶胶转变为半固态凝胶的特性。该温敏性水凝胶由溶胶至凝胶转变过程前后均保持高透明度。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种温敏性聚合物，其特征在于，为由端氨基化的聚乙二醇引发氧苄基苏氨酸-N-羧基环内酸酐、缬氨酸-N-羧基环内酸酐开环聚合所得的三嵌段聚合物或三元无规共聚物；其中，聚乙二醇链段含量为45～55wt％，聚氧苄基苏氨酸链段含量为33～37wt％，聚缬氨酸链段含量为12～18wt％。

2.根据权利要求1所述的一种温敏性聚合物，其特征在于，所述温敏性聚合物为线型聚合物。

3.根据权利要求1所述的一种温敏性聚合物，其特征在于，所述聚乙二醇链段分子量为1000～2000，其端头为单甲醚基。

4.根据权利要求1所述的一种温敏性聚合物，其特征在于，所述聚氧苄基苏氨酸链段每个链节单元都具有一个与氧原子相连的苄基侧链。

5.如权利要求1～4任意一项所述的温敏性聚合物合成方法，其特征在于，所述聚合物通过端氨基引发氨基酸-N-羧基环内酸酐开环制备，具体合成方法如下：

S1、将苏氨酸和苄醇于甲苯溶剂环境中回流反应获取氧苄基苏氨酸苄酯，经草酸捕获得氧苄基苏氨酸苄酯半草酸盐，碱性条件下水解后，再通过阴离子树脂交换和重结晶提纯得氧苄基苏氨酸；

S2、将缬氨酸和S1所得的氧苄基苏氨酸分别与三氯甲基碳酸酯在四氢呋喃溶剂环境下反应，反应完成后分别于石油醚中重结晶，获取氧苄基苏氨酸-N-羧基环内酸酐和缬氨酸-N-羧基环内酸酐；

S3、将单甲醚聚乙二醇的端羟基氨基化处理后，于无水无氧条件下，在强极性溶剂环境中引发S2所得的两种氨基酸环内酸酐次序聚合或无归共聚，反应完成后，将反应相转移至乙醚中重结晶即得所求聚合物。

6.根据权利要求5所述的温敏性聚合物合成方法，其特征在于，所述强极性溶剂环境为三氯甲烷与N,N-二甲基甲酰胺按体积比1：1的比例混合获得。

7.一种温敏性水凝胶，其特征在于，为由端氨基化的聚乙二醇引发氧苄基苏氨酸-N-羧基环内酸酐、缬氨酸-N-羧基环内酸酐开环聚合所得的三嵌段聚合物或三元无规共聚物制备得到的水凝胶体系，体系中三嵌段聚合物或三元无规共聚物的浓度为5～15wt％。

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