CN114209644A - 一种磁靶向疏水药物载体水凝胶及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种磁靶向疏水药物载体水凝胶及其制备方法和应用。由异氰酸基团封端的多臂聚乙二醇和负载β‑环糊精的氨基改性磁性纳米粒子的氨基交联形成的交联化合物A；负载β‑环糊精的氨基改性磁性纳米粒子中，醛基修饰的β‑环糊精与氨基改性磁性纳米粒子的部分氨基形成席夫碱，醛基修饰的β‑环糊精连接在氨基改性磁性纳米粒子表面；‑NCO封端的多臂聚乙二醇与负载β‑环糊精的氨基改性磁性纳米粒子表面的剩余氨基反应交联。提供了一种可以靶向给药的磁性药物载体，药物具有缓释的特性。
Description
技术领域
本发明属于高分子材料制备技术领域，具体涉及一种磁靶向疏水药物载体水凝胶及其制备方法和应用。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
磁靶向药物载体是将药物带往靶组织的一些起运载工具作用的物质。发明人发现，现有的磁靶向药物载体仍存在各种各样的缺点，比如，不能很好的控制药物的释放，不能很好的实现靶向给药、药物载体或载体的降解产物对人体的毒性等问题。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种磁靶向疏水药物载体水凝胶及其制备方法和应用。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
一种磁靶向疏水药物载体水凝胶，由异氰酸基团封端多臂聚乙二醇 (n-arm-PEG-NCO)的异氰酸基(-NCO)和负载β-环糊精的氨基改性磁性纳米粒子的氨基交联形成的交联化合物E；
负载β-环糊精的氨基改性磁性纳米粒子中，醛基修饰的β-环糊精与氨基改性磁性纳米粒子的部分氨基形成席夫碱，从而将β-环糊精连接在氨基改性磁性纳米粒子表面； n-arm-PEG-NCO的端-NCO与负载β-环糊精的氨基改性磁性纳米粒子表面的剩余氨基交联。
本发明的水凝胶首先是通过席夫碱反应将β-环糊精负载在磁性粒子上，再通过多臂聚乙二醇的端基-NCO与磁性粒子表面的氨基的缩合交联所得。这两个化学反应均具有较高的活性，可以定量的1:1发生反应，并且反应条件温和(室温甚至更低的温度即可发生)，反应速率较快，同时除了席夫碱反应会产生少量的水外，无其它副产物生成，因此对产物无污染。
其中，聚乙二醇链段在水凝胶中起到缚水的作用；多臂聚乙二醇链段具有多个端基，为多功能度化合物，反应后起到交联的作用；β-环糊精基团的疏水空腔可以结合疏水性药物，起到载药的作用；磁性粒子表面的多个氨基，部分与醛基反应，负载β- 环糊精，剩余的氨基与n-arm-PEG-NCO末端的-NCO反应，形成交联聚合物；纳米粒子的磁性则起到定性输送药物的目的。
环糊精分子空腔可与疏水性药物发生非共价结合，从而实现对高疏水性药物的负载，因此该负载药物的凝胶在体外非常稳定，并可在磁场的作用下，在病变位置富集，在体内酶的作用下，环糊精多糖逐渐发生降解，从而将结合的药物释放出来，达到靶向给药的目的。
在本发明的一些实施方式中，所述多臂聚乙二醇为四臂聚乙二醇。
在本发明的一些实施方式中，-NCO封端四臂聚乙二醇(4-arm-PEG-NCO)的结构式如下所示：
在本发明的一些实施方式中，4-arm-PEG-NCO的分子量为5000～20000g/mol。
在本发明的一些实施方式中，所述醛基修饰的β-环糊精为：单-6-脱氧-醛基-β-环糊精(β-CD-CHO)，结构式如下所示：
在本发明的一些实施方式中，醛基修饰β-环糊精上的-CHO基与氨基改性磁性纳米粒子上的-NH2基的摩尔比为1:2。
在本发明的一些实施方式中，n-arm-PEG-NCO的端-NCO基团与负载β-环糊精的氨基改性磁性纳米粒子上的剩余氨基(-NH2)的摩尔比为1:1。n-arm-PEG-NCO的端 -NCO基团与负载β-环糊精的氨基改性磁性纳米粒子上的剩余的氨基发生交联反应。
在本发明的一些实施方式中，氨基改性Fe3O4纳米粒子的粒径约为25～80nm，表面氨基的含量为2500-3500μmol/g；进一步为3000±300μmol/g。
第二方面，上述磁靶向疏水药物载体水凝胶的制备方法，所述方法为：
将氨基改性磁性纳米粒子超声分散到水中，然后加入β-CD-CHO反应后得到溶液F，溶液F与n-arm-PEG-NCO的水溶液混合。
在一个例子中，n-arm-PEG-NCO为4-arm-PEG-NCO时，对应的路线示意如下所示，其中A为氨基改性磁性纳米粒子，B为负载β-环糊精的氨基改性磁性纳米粒子， D为-NCO封端四臂聚乙二醇，E为交联化合物：
氨基改性磁性纳米粒子先负载β-环糊精，再连接多臂聚乙二醇进行交联；若先连接多臂聚乙二醇，则会先发生交联反应，溶液粘度变大，使得粒子表面的氨基不易于醛基反应，导致不易负载β-环糊精，同时部分氨基被掩埋，不能参与反应；先连接β -环糊精，可以保证环糊精与磁性纳米粒子定量反应，避免了磁性纳米粒子上的氨基被交联的聚乙二醇链段掩埋，同时减小了空间位阻的影响。
在本发明的一些实施方式中，所述氨基改性磁性纳米粒子在常温下超声分散在水中。
在本发明的一些实施方式中，所述氨基改性磁性纳米粒子的制备方法为：在超声波下，四水合氯化亚铁和六水合三氯化铁加热溶解在水中得到混合溶液，然后先混合溶液中加入1,6-己二胺，反应后得到氨基改性的磁性纳米粒子。进一步，四水合氯化亚铁和六水合三氯化铁加热溶解的温度为75-85℃；进一步，加入1,6-己二胺后反应的温度为75-85℃。反应后磁分离得到氨基改性磁性纳米粒子。
本发明未采用传统的氨水与磁性纳米粒子反应制备表面氨基化的磁性纳米粒子，而是选择用1,6-己二胺修饰的磁性纳米粒子，这样氨基通过多个亚甲基与粒子连接，使氨基具有更高的自由度，为下一步氨基与醛基的反应提供更大的空间，减少空间位阻的影响。
在本发明的一些实施方式中，氨基改性磁性纳米粒子分散在去离子水中浓度为0.8-1.3g/100mL；进一步为1.0g/100mL。
在本发明的一些实施方式中，氨基改性磁性纳米粒子水溶液中加入单-6-脱氧-醛基-β-环糊精后常温下开始反应，反应的时间为0.5～1.0小时。
在本发明的一些实施方式中，负载β-环糊精的氨基改性磁性纳米粒子溶液(溶液F)降温至8～10℃，然后加入4-arm-PEG-NCO的水溶液，加入后反应的时间为 0.5-1.5min。
在本发明的一些实施方式中，4-arm-PEG-NCO水溶液的浓度为0.15-0.55g/mL。
在本发明的一些实施方式中，加入4-arm-PEG-NCO反应后进行减压处理。减压的目的是除去溶解的气体。
反应后的溶液经过静置后得到水凝胶。
第三方面，上述磁靶向疏水药物载体水凝胶作为药物载体的应用。
第四方面，一种药物，包含上述磁靶向疏水药物载体水凝胶和药物成分，药物成分包裹在药物载体内。
在本发明的一些实施方式中，药物成分为抗菌、消炎、抗癌等药物；进一步，药物的成分包括但不限于阿霉素、紫杉醇和姜黄素，特别可以是强疏水药物，例如陈皮素、橘皮素、姜黄素等。
在本发明的一些实施方式中，药物成分的加入量为药物载体中β-环糊精基团摩尔量的80％～90％。达到最佳的载药效果。
第五方面，一种药物的制备方法，其制备方法包括：将氨基改性磁性纳米粒子常温下超声分散在去离子水中，然后加入β-CD-CHO，反应后，加入含有药物成分的乙醇溶液，反应后，降温处理，然后加入4-arm-PEG-NCO水溶液，反应后得到药物。所述得到的药物在下述的内容中也称为载药水凝胶。
在本发明的一些实施方式中，药物成分在乙醇中的浓度为0.05～0.2g/mL。
在本发明的一些实施方式中，氨基改性磁性纳米粒子与β-CD-CHO反应的条件与载体水凝胶的制备方法的条件相同；降温处理的条件与载体水凝胶的制备方法的条件相同。
所述药物在靶向给药的过程为：载药水凝胶，在磁场作用下，在需要用药部位富集，并在酶作用下，环糊精分解，将药物释放出来，靶向给药的目的。其中，所述酶包括能够用于降解环糊精的酶，如α-淀粉酶。
本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：
(1)本发明提供的药物载体水凝胶中负载了磁性纳米粒子，为磁性基团，可以在磁场控制下进行富集，有助于药物的靶向给药；
(2)本发明提供的药物载体水凝胶内部含有环糊精分子,由于环糊精空腔可以与疏水性药物进行主客体作用，从而实现对疏水性药物的负载，该药物负载比较稳定，不受水凝胶的溶胀的影响；
(3)本发明提供的药物载体水凝胶对疏水药物的负载量取决于水凝胶中环糊精的含量，可以通过调节环糊精的用量来控制水凝胶的载药量。
(4)本发明提供的药物载体水凝胶，只有在酶的作用下环糊精分解才能释放出药物，而环糊精属于多糖，人体中酶的存在下可以降解吸收，因此具有良好的实际应用之价值。
(5)本发明提供的水凝胶或载药水凝胶进行冷冻干燥，得到相应的海绵材料，该海绵材料在去离子水中浸泡，又可重新得到水凝胶或载药水凝胶，有利于进行存储。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1：实施例1～3制备的水凝胶的磁滞回曲线图。
图2：实施例1制备的水凝胶G1冷冻干燥后的SEM照片。
图3：实施例1制备的载药(姜黄素)水凝胶在含有α-淀粉酶和不含α-淀粉酶的 PBS溶液中药物释放曲线图。
图4：实施例2制备的载药(姜黄素)水凝胶在含有α-淀粉酶和不含α-淀粉酶的 PBS溶液中药物释放曲线图。
图5：实施例3制备的载药(姜黄素)水凝胶在含有α-淀粉酶和不含α-淀粉酶的 PBS溶液中药物释放曲线图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本发明中，磁性纳米粒子的制备方法按照文献(Lei Yang等.Preparation ofnovel hydrophobic magnetic Fe3O4/waterborne polyurethanenanocomposites.Journal of Applied Polymer Science,2020,137(15):48546)所述。并且在其中一种例子中，具体制备方法如下：将0.54g四水合氯化亚铁和1.42g六水合三氯化铁固体，在80℃下，溶解在 160mL去离子水中。
氨基改性磁性纳米粒子的制备方法为：在超声波下，将1,6-己二胺加入到上述溶液中搅拌1.5h，将混合物的反应温度保持在80℃充分反应。待反应结束后，通过磁分离将氨基改性的磁性纳米粒子从反应体系中分离出来，用去离子水和乙醇洗涤三次，并在真空条件下干燥12h。
下面结合实施例对本发明进一步说明
实施例1
水凝胶的制备：将0.2g氨基改性磁性纳米粒子(-NH2含量为3.0mmol/g)常温下超声分散在20mL去离子水中，搅拌下加入0.346g单-6-脱氧-醛基-β-环糊精，继续常温下搅拌下反应0.5小时，降温至8℃，然后与30mL(0.25g/mL)-NCO封端四臂聚乙二醇(数均分子量10000g/mol)的水溶液混合，快速搅拌均匀1分钟，适当减压去除溶解的气体，缓慢倒入模具，常温下静置24小时，得水凝胶G1。
载药水凝胶的制备：将0.2g氨基改性磁性纳米粒子(-NH2含量为3.0mmol/g)常温下超声分散在20mL去离子水中，搅拌下加入0.346g单-6-脱氧-醛基-β-环糊精，继续常温下搅拌下反应0.5小时，搅拌下滴加姜黄素的乙醇溶液(0.10g姜黄素溶于1.5mL 乙醇中)，滴加完毕继续搅拌10分钟，然后降温至8℃，与30mL(0.25g/mL)-NCO封端四臂聚乙二醇(数均分子量10000g/mol)的水溶液混合，快速搅拌均匀1分钟，适当减压去除溶解的气体，缓慢倒入模具，常温下静置24小时，得载药水凝胶GR1。
实施例2
水凝胶的制备：将0.2g氨基改性磁性纳米粒子(-NH2含量为3.0mmol/g)常温下超声分散在20mL去离子水中，搅拌下加入0.346g单-6-脱氧-醛基-β-环糊精，继续常温下搅拌下反应0.5小时，降温至10℃，然后与51mL(0.22g/mL)-NCO封端四臂聚乙二醇(数均分子量15000g/mol)的水溶液混合，快速搅拌均匀1分钟，适当减压去除溶解的气体，缓慢倒入模具，常温下静置28小时，得水凝胶G2。
载药水凝胶的制备：将0.2g氨基改性磁性纳米粒子(-NH2含量为3.0mmol/g)常温下超声分散在20mL去离子水中，搅拌下加入0.346g单-6-脱氧-醛基-β-环糊精，继续常温下搅拌下反应0.5小时，搅拌下滴加姜黄素的乙醇溶液(0.10g姜黄素溶于1.5mL 乙醇中)，滴加完毕继续搅拌10分钟，然后降温至10℃，与45mL(0.25g/mL)-NCO 封端四臂聚乙二醇(数均分子量15000g/mol)的水溶液混合，快速搅拌均匀1分钟，适当减压去除溶解的气体，缓慢倒入模具，常温下静置24小时，得载药水凝胶GR2。
实施例3
水凝胶的制备：将0.2g氨基改性磁性纳米粒子(-NH2含量为3.0mmol/g)常温下超声分散在20mL去离子水中，搅拌下加入0.346g单-6-脱氧-醛基-β-环糊精，继续常温下搅拌下反应0.5小时，降温至10℃，然后与8mL(0.47g/mL)-NCO封端四臂聚乙二醇(数均分子量5000g/mol)的水溶液混合，快速搅拌均匀1分钟，适当减压去除溶解的气体，缓慢倒入模具，常温下静置28小时，得水凝胶G3。
载药水凝胶的制备：将0.2g氨基改性磁性纳米粒子(-NH2含量为3.0mmol/g)常温下超声分散在20mL去离子水中，搅拌下加入0.346g单-6-脱氧-醛基-β-环糊精，继续常温下搅拌下反应0.5小时，搅拌下滴加姜黄素的乙醇溶液(0.10g姜黄素溶于1.5mL 乙醇中)，滴加完毕继续搅拌10分钟，然后降温至10℃，与15mL(0.25g/mL)-NCO 封端四臂聚乙二醇(数均分子量5000g/mol)的水溶液混合，快速搅拌均匀1分钟，适当减压去除溶解的气体，缓慢倒入模具，常温下静置24小时，得载药水凝胶GR3。
分析与说明
以下方法用于所有实施例，除非另外说明
破裂强度：采用质构仪测试(美国Brookfield公司CT3质构分析仪)，将凝胶裁成直径12mm、高10mm的圆柱体，采用直径12mm的探头逐渐加压，记录凝胶破碎时的压力，进而计算出破裂强度；
磁响应性能：采用振动样品磁强计(VSM；美国lakeshore公司Lakeshore 7307)分析水凝胶的磁性能；
载药水凝胶的体外释放：将载有药物的水凝胶分别浸没在50mL含有α-淀粉酶和不含α-淀粉酶的PBS(pH＝7.4)溶液中，置于转速为35r/min的摇床上，调节温度至 37℃，每隔6h，取出2mL含释放药物的溶液，同时加入2mL不含药物的溶液，溶液中的药物含量可以通过紫外-可见分光光度计于特定波长处测得，根据标准曲线计算药物的累计释放量；
实施例1-3制备的水凝胶的破裂强度如表1所示，因为水凝胶的破裂强度顺序为G2<G1<G3，而样品的交联度顺序为G2<G1<G3，这说明破裂强度与交联度一致，在固含量近似的基础上，凝胶的强度主要是由凝胶中聚合物的交联度所控制的。整体上实施例1-3制备的水凝胶均表现出良好的破裂强度，这是因为所是使用的四臂聚乙二醇和氨基改性磁性纳米粒子均为多官能度的，交联效果较好。
表1.实施例1-3制备的水凝胶的性能
| 水凝胶 | 固含量 | 破裂强度(KPa) |
| G1 | 0.159 | 7.6 |
| G2 | 0.164 | 5.8 |
| G3 | 0.151 | 9.8 |
水凝胶的磁滞回曲线如图1所示，其中G1、G2、G3分别代表Fe3O4纳米粒子的含量为0.40％、0.28％、0.70％制得的水凝胶，从图1中可以发现，水凝胶呈现出超顺磁的特征，水凝胶的饱和磁化强度随着Fe3O4纳米粒子含量的升高而升高，说明制备的水凝胶具有较灵敏的磁响应性能。这是由于在磁场作用下，每个磁化粒子具有相同的磁感线方向，相互叠加和传递，因此使水凝胶具有导磁现象。与此同时，Fe3O4纳米粒子含量高的水凝胶其磁化粒子也更多，从而表现出更高的磁化强度，因此可以通过控制Fe3O4纳米粒子在水凝胶中的含量来控制水凝胶的磁性能。
冻干后的水凝胶G1的SEM图片(图2)显示样品呈现出蜂窝状结构，类似海绵，说明具有较高的空隙率，具有良好的吸水性能，同时该样品主体成分为聚乙二醇链段，为亲水链段，所以制备水凝胶具有良好的保水性能。
图3、图4、图5分为为实施例1-实施例3的载药水凝胶在是否含有α-淀粉酶的 PBS溶液中的药物释放情况。可以发现，在不含α-淀粉酶的PBS溶液中，载药水凝胶负载的药物几乎没有释放。而在含有α-淀粉酶的PBS溶液中，药物成分随着时间变化逐渐被释放出来，在72小时后其药物成分释放量能够达到～90％。这是因为被环糊精所包覆的药物成分不会随着水凝胶的溶胀而释放，而是在酶的作用下使环糊精分子(多糖)降解，破坏内部的空腔而将药物成分释放出来。这说该发明所制备的载药水凝胶释放稳定，只有在酶的作用下药物成分才会得到释放，随着时间得不断延长逐渐被人体中的酶所降解吸收，从而达到了药物成分缓释的目的。
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，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)
1.一种磁靶向疏水药物载体水凝胶，其特征在于：由异氰酸基团封端多臂聚乙二醇的端-NCO基和负载β-环糊精的氨基改性磁性纳米粒子的氨基交联形成的交联化合物E；
负载β-环糊精的氨基改性磁性纳米粒子中，醛基修饰的β-环糊精与氨基改性磁性纳米粒子的部分氨基形成席夫碱，将β-环糊精基团连接在氨基改性磁性纳米粒子表面；-NCO封端多臂聚乙二醇的端-NCO基与负载β-环糊精的氨基改性磁性纳米粒子表面的剩余氨基反应交联。
2.如权利要求1所述的磁靶向疏水药物载体水凝胶，其特征在于：所述多臂聚乙二醇为四臂聚乙二醇。
3.如权利要求2所述的磁靶向疏水药物载体水凝胶，其特征在于：-NCO封端的四臂聚乙二醇的结构式如下所示：
4.如权利要求3所述的磁靶向疏水药物载体水凝胶，其特征在于：4-arm-PEG-NCO的分子量为5000～20000g/mol。
5.如权利要求1所述的磁靶向疏水药物载体水凝胶，其特征在于：所述醛基修饰的β-环糊精为：单-6-脱氧-醛基-β-环糊精，结构式如下所示：
或，醛基修饰的β-环糊精上的-CHO基与氨基改性磁性纳米粒子上的-NH2基的摩尔比为1:2。
6.如权利要求1所述的磁靶向疏水药物载体水凝胶，其特征在于：-NCO封端多臂聚乙二醇的端-NCO基团与负载β-环糊精的氨基改性磁性纳米粒子上的剩余的氨基的摩尔比为1:1；
或，氨基改性Fe3O4纳米粒子的粒径约为25～80nm，表面氨基的含量为2500-3500μmol/g。
7.权利要求1-6任一所述的磁靶向疏水药物载体水凝胶的制备方法，其特征在于：将氨基改性磁性纳米粒子超声分散在水中，然后加入单-6-脱氧-醛基-β-环糊精反应后得到溶液F，所述溶液F与-NCO封端多臂聚乙二醇水溶液混合；
进一步，所述氨基改性磁性纳米粒子在常温下分散于水中；
进一步，氨基改性磁性纳米粒子分散在去离子水中浓度为0.8-1.3g/100mL；
进一步，氨基改性磁性纳米粒子水溶液中加入单-6-脱氧-醛基-β-环糊精后常温下开始反应，反应的时间为0.5～1.0小时；
进一步，溶液F降温至8～10℃，然后加入-NCO封端多臂聚乙二醇水溶液，加入后反应的时间为0.5-1.5min；
进一步，-NCO封端多臂聚乙二醇水溶液的浓度为0.15-0.55g/mL。
8.权利要求1-6任一所述的磁靶向疏水药物载体水凝胶作为药物载体的应用。
9.一种药物，其特征在于：包含权利要求1-7任一所述的磁靶向疏水药物载体水凝胶和药物成分，药物成分包裹在药物载体内；
优选的，药物成分为抗菌、消炎、抗癌药物；
优选的，所述药物中还包含乙醇，药物在乙醇中的浓度为0.05～0.2g/mL；
优选的，药物成分的加入量为药物载体中β-CD基团摩尔量的80％～90％。
10.一种药物的制备方法，其特征在于：所述方法包括：将氨基改性磁性纳米粒子超声分散在去离子水中，然后加入单-6-脱氧-醛基-β-环糊精，反应后，加入含有药物成分的乙醇溶液，反应后，降温处理，然后加入-NCO封端多臂聚乙二醇水溶液，反应后得到药物。所述得到的药物在下述的内容中也称为载药水凝胶；
优选的，药物成分在乙醇中的浓度为0.05～0.2g/mL。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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