温敏性聚己内酯-聚N-异丙基丙烯酰胺作为抗癌药物载体的制备与药物释放的研究
温度对聚(N-异丙基丙烯酰胺)水凝胶内部结构及性能影响的研究

温度对聚(N-异丙基丙烯酰胺)水凝胶内部结构及性能影响的研究颜明飞;王月鑫;傅敬;周颖梅【摘要】分别在O℃、25℃、60℃的水溶液中通过自由基交联聚合,制备了聚(N-异丙基丙烯酰胺)水凝胶.研究了温度对于水凝胶内部微观结构的影响并分析了内部微观结构与水凝胶性能之间的关系.用扫描电镜(SEM)、红外光谱仪(FT-IR)和差示扫描量热仪(DSC)对制备的凝胶进行表征.结果表明,3种水凝胶具有相同的化学组成和相转变温度,但其内部微观结构有较大差别.通过测试水凝胶的温敏性、溶胀动力学和脉冲响应性发现:改变温度可以有效地改变水凝胶的内部结构,在较高温度下制得的水凝胶具有较高的溶胀率、较快的去溶胀速率和较强的脉冲响应性.【期刊名称】《精细石油化工进展》【年(卷),期】2018(019)005【总页数】5页(P25-29)【关键词】聚(N-异丙基丙烯酰胺);水凝胶;微观结构;温敏性;溶胀动力学;脉冲响应【作者】颜明飞;王月鑫;傅敬;周颖梅【作者单位】徐州工程学院化学化工学院,江苏徐州221018;徐州工程学院化学化工学院,江苏徐州221018;徐州工程学院化学化工学院,江苏徐州221018;徐州工程学院化学化工学院,江苏徐州221018【正文语种】中文温度敏感型水凝胶是指体积随温度变化而变化的聚合物水凝胶,发生相变的温度被称为最低临界转变温度(LCST)[1]。
在许多情况下,环境温度会自然地发生变化,并易于设计控制,因此温敏型水凝胶成为目前最受关注的一种智能水凝胶功能材料。
其中聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)是研究较多的温度敏感性水凝胶之一[2]。
其分子侧链上同时含有亲水性的酰胺基和疏水性的异丙基,在32 ℃左右发生可逆的非连续体积相转变[3]。
PNIPAAm水凝胶的这种特殊的溶胀性能已被用于药物的控制释放[4-5]、酶反应控制[6]和循环吸收剂[7]等领域。
在某些实际应用中,例如靶向给药输送系统、开关阀等,需要水凝胶能够对温度的变化做出快速响应。
还原和温度双重敏感P(NIPAM-AA)纳米凝胶的合成及载药性能

还原和温度双重敏感P(NIPAM-AA)纳米凝胶的合成及载药性能詹园;何培新;孙争光;易盼盼;张伟丽;张玉红;李玉林【摘要】以N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)和丙烯酸(AA)为单体,N,N'-双丙烯酰胱胺(BAC)为交联剂,采用自由基沉淀聚合方法制备了一系列温度和还原敏感聚N-异丙基丙烯酰胺-丙烯酸(PNA)纳米凝胶.利用红外光谱、拉曼光谱、动态光散射、紫外-可见光谱和扫描电子显微镜等方法表征了纳米凝胶的结构、粒径、Zeta电位和形貌等,研究了PNA纳米凝胶对阿霉素盐酸盐(DOX)的负载和释放行为.结果表明,BAC的浓度对PNA纳米凝胶的温敏性和还原敏感性及载药率和药物缓释性能有较大影响.当BAC的浓度为0.32和1.6mmol/L时,PNA纳米凝胶具有很好的载药率,但BAC的浓度为0.32 mmol/L时,纳米凝胶交联密度较低,低温时DOX也能轻易扩散出来,释放4h时,25和37℃的释放率分别为56%和58%,温度控制释放不明显.当BAC的浓度为1.6 mmol/L时,释放4h时,25和37℃及模拟细胞还原微环境下[37℃,二硫苏糖醇(DTT)浓度为4 mmol/L]的释放率分别为56%,61%和77%,可见PNA纳米凝胶有一定的温度和还原敏感性,能很好地控制药物释放,适合作为药物载体.【期刊名称】《高等学校化学学报》【年(卷),期】2015(036)012【总页数】6页(P2563-2568)【关键词】N,N'-双丙烯酰胱胺;自由基沉淀聚合;还原敏感;纳米凝胶【作者】詹园;何培新;孙争光;易盼盼;张伟丽;张玉红;李玉林【作者单位】有机化工新材料湖北省协同创新中心,有机功能分子合成与应用教育部重点实验室,湖北大学化学化工学院,武汉430062;有机化工新材料湖北省协同创新中心,有机功能分子合成与应用教育部重点实验室,湖北大学化学化工学院,武汉430062;有机化工新材料湖北省协同创新中心,有机功能分子合成与应用教育部重点实验室,湖北大学化学化工学院,武汉430062;有机化工新材料湖北省协同创新中心,有机功能分子合成与应用教育部重点实验室,湖北大学化学化工学院,武汉430062;有机化工新材料湖北省协同创新中心,有机功能分子合成与应用教育部重点实验室,湖北大学化学化工学院,武汉430062;有机化工新材料湖北省协同创新中心,有机功能分子合成与应用教育部重点实验室,湖北大学化学化工学院,武汉430062;华东理工大学材料科学与工程学院,超细材料制备与应用教育部重点实验室,上海200237【正文语种】中文【中图分类】O631联系人简介: 张玉红, 女, 博士, 教授, 主要从事功能高分子的制备与表征研究. E-mail:********************.cn李玉林, 男, 博士, 副教授, 主要从事生物医用智能水凝胶及生物活性材料的骨修复研究.E-mail:*****************.cn癌症是对人类威胁最大的疾病之一. 在传统的癌症治疗中, 小分子抗癌药物由于具有缺乏专一选择性、长期使用存在药抗及毒副作用严重等缺点而受到极大限制[1]. 因此, 研究者在癌症治疗中开始寻求载体(如胶束[2,3], 胶囊[4] 和纳米凝胶[5]) 进行药物的靶向输送和控制释放, 实现增溶、增效和减毒. 由于纳米凝胶内部网络结构不仅尺寸可调, 承载能力高, 而且稳定性好和环境刺激响应性(如pH值、离子强度、氧化还原性、光照和温度)快, 因此在生物医学特别是药物控释方面有着重大的潜在应用价值[6~8].谷胱甘肽(GSH)在细胞内、外的含量差别可达100~1000倍, 而且在肿瘤组织细胞微环境中GSH浓度为正常组织的4倍多[9,10]. 利用这些差别, 还原响应型纳米微球逐渐成为药物载体领域研究的热点之一[11]. 研究发现, 具有热敏性的纳米微球可通过对肿瘤部位的局部加热实现药物靶向释放, 从而增强药物的抗肿瘤靶向性, 同时降低其对正常组织的毒副作用[12]. 其中, 通过自由基聚合, N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)可在甲叉双丙烯酰胺(MBA)交联剂作用下形成热敏性PNIPAM纳米水凝胶, 实现了对阿霉素(DOX)的响应性释放[12]. 但PNIPAM纳米水凝胶的非降解性限制了其在生物医药领域的进一步应用.本文以N-异丙基丙烯酰胺为主单体、丙烯酸(AA)为共聚单体, 含二硫键的N,N′-双丙烯酰胱胺(BAC)为交联剂, 采用自由基沉淀聚合法合成具有温度和还原响应性的P(NIPAM-AA)(PNA)纳米凝胶, 并探讨了BAC交联剂浓度对纳米凝胶的粒径和Zeta电位的影响, 研究了PNA纳米凝胶对DOX载药率和药物释放行为的影响. N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM, 纯度>98%), 东京化工有限公司; 丙烯酸(AA, 化学纯, 减压蒸馏)、十二烷基磺酸钠(SDS, 化学纯, 纯度≥86%)、过硫酸钾(KPS, 重结晶处理)和二硫苏糖醇(DTT, 纯度98%), 国药集团化学试剂有限公司; 阿霉素盐酸盐(DOX, 纯度98%), 淄博远洋国际贸易有限公司. N,N′-双丙烯酰胱胺(BAC, 纯度98%), Sigma公司; 其它试剂均为分析纯.Spectrum one型傅里叶变换红外光谱(FTIR)仪, 美国 Perkin-Elmer 公司, KBr 压片, 测试波数范围为 500~4000 cm -1; Invia 型拉曼光谱仪, 法国 Renishaw 公司, He-Ne激光器, 785 nm 激光为光源, 激发功率为 5%, 扫描时间 10 s, 扫描范围350~2500 cm -1; ZS90型激光粒度分析仪, 英国Malvern公司, 将样品溶解在超纯水中(0.5 mg/mL), 超声10 min, 每个样品重复测试3次取平均值; JSM6510LV 型扫描电子显微镜(SEM), 日本电子公司, 将分散好的悬浮液(0.5 mg/mL) 滴在铝箔纸上, 室温干燥, 测试前喷金处理; Lambda 35 CA型紫外-可见光谱(UV-Vis)仪, 美国Perkin-Elmer 公司.参照文献[13]方法, 采用自由基沉淀聚合方法合成不同交联密度的PNA纳米凝胶. 将3.23 mmol NIPAM和一定量的BAC(BAC用量分别为0.16, 0.32, 0.64, 0.80和1.6 mmol/L) 溶于50 mL水中, 同时向溶液中通入N2气. 然后向混合溶液中加入0.358 mmol AA和0.039 mmol SDS. 水浴加热到70 ℃, 通N2气1 h, 加入0.1 mmol KPS(最终溶液浓度: NIPAM为64.6 mmol/L, AA为7.16 mmol/L, SDS为0.78 mmol/L, KPS为2 mmol/L), 在N2气氛中, 于70 ℃搅拌反应7 h. 所得乳液在室温下透析3 d(MWCO: 8000~14000), 得到PNA纳米凝胶, 分别标记为PNA-0.16, PNA-0.32, PNA-0.64, PNA-0.80和PNA-1.60[数字代表所用BAC交联剂的最终浓度(mmol/L)]. 制备过程见Scheme 1.将50 mg PNA纳米凝胶溶于5 mL超纯水中, 加入1 mL 2 mg/mL的DOX水溶液. 在避光下磁力搅拌过夜, 使DOX通过静电作用充分扩散到PNA纳米凝胶中. 将上述混合液放入透析袋中透析48 h, 除去未被包裹的DOX, 收集透析袋外面的溶液, 用紫外-可见光谱间接确定DOX的包裹率. 将透析袋里面的样品冷冻干燥得到PNA/DOX, 确定DOX的载药率(Encapsulation efficiency), 计算公式如下: DOX在 25和37 ℃时的体外释放通过透析法测定. 将2 mg PNA/DOX纳米凝胶分散在1 mL PBS溶液中并转移到的透析袋中, 再将透析袋放入5 mL PBS溶液(pH=7.4, 含有4 mmol/L DTT或不含DTT, 温度为25或37 ℃)中, 以一定的时间间隔从释放体系中取出4 mL溶液进行紫外-可见分光光度法分析, 并补充0.5 mL 新鲜PBS溶液. DOX的累积释放量(Cr) 与时间的关系方程为图1给出PNA/DOX 纳米凝胶、PNA纳米凝胶、DOX及 DOX 和 PNA 凝胶粉末物理混合物的红外光谱图. 从图1可以看出, 当PNA纳米凝胶包裹DOX后, N-异丙基丙烯酰胺的CO和N—H键的吸收峰分别从1646和1549 cm-1红移到了1638和1544 cm-1, 表明DOX和PNA纳米凝胶之间形成了氢键. PNA/DOX纳米凝胶中1730 cm-1处的吸收峰表明DOX包裹在PNA纳米凝胶上(图1谱线a). PNA中的N—H峰在3307 cm-1处(图1谱线b), 当PNA负载DOX后, N—H峰蓝移到3429 cm-1(图1谱线a). 作为对照, 考察PNA纳米凝胶和DOX的物理共混体系(图1谱线d), 可以看出, 在1646和1549 cm-1处出现PNA的N-异丙基丙烯酰胺的CO和N—H键的吸收峰, 在1730 cm-1处出现DOX的吸收峰, PNA和DOX的吸收峰相互不影响, 表明简单的物理共混物未能实现PNA纳米凝胶对DOX的有效包裹[14].由于S—S键的红外吸收峰很难观察到, 利用拉曼光谱法进一步探索PNA的化学结构. 图2谱线a和b分别为纯BAC及PNA 纳米凝胶的拉曼光谱图. 从图2谱线b 可以看出, PNA 纳米凝胶在512 cm-1处存在S—S键的伸缩振动吸收峰[15,16], 说明BAC确实交联了N-异丙基丙烯酰胺和丙烯酸的聚合物, 但由于PNA凝胶中含有的S—S较少, 相对于BAC的拉曼光谱(图2谱线b), 其吸收峰强度较弱.一般认为, DOX包载到纳米凝胶中是通过两者之间的静电相互作用, 而粒径和Zeta 电位是影响PNA纳米凝胶载药率的关键因素, 因此研究了BAC的浓度对流体动力学尺寸、Zeta电位和药物包载率性能的影响. 由图3(A)可见, 交联剂BAC的浓度从0.16提高到1.6 mmol/L, 纳米凝胶都有很好的温度敏感. 交联剂较少时, 敏感性较好, 当交联剂达到一定值时, 敏感性基本不变. 这可能是因为低温时纳米凝胶处于充分的溶胀状态, 交联剂较少时, 交联密度低, 网络结构松散, 粒径较大. 随着BAC浓度的增加, 交联密度增大, 网络结构紧密, 粒径较小, 但温度为37 ℃时, 凝胶处于收缩状态, 交联密度对粒径的影响不大, 所以粒径变化不大. 从图3(B)可以看出, 随着BAC浓度从0.16 mmol/L到1.6 mmol/L, 纳米凝胶的Zeta电位从(-4.7±0.47) mV减小到(-17±0.55) mV, 这是因为随着交联密度的增大, 纳米凝胶的体积变小, 比表面积变大, 亲水基团(—COOH)在凝胶外层排布更紧密, Zeta电位随之变强. 选择热敏性好(PNA-0.32) 和Zeta电位最强(PNA-1.6)的2个体系研究了纳米凝胶的药物包载行为. 根据式(1) 可计算出, PNA-1.6 和PNA-0.32的载药率分别是64.9%和53.5%, 说明交联密度增大(粒径减小) 和Zeta电位降低有利于体系对阳离子DOX药物的装载.利用SEM可以直接观察PNA-1.6和PNA/DOX-1.6 纳米凝胶的形态. PNA 纳米凝胶包载药物DOX前后的SEM照片见图4. 可以看出, PNA和PNA/DOX 纳米凝胶都呈现单分散的纳米颗粒, 其粒径在160~180 nm之间, 与DLS测定的尺寸(约200 nm, 25 ℃时) 相比偏小, 这是因为DLS表征的是溶液状态的PNA和PNA/DOX的尺寸, 在水溶液中, 凝胶吸水膨胀, 而SEM照片反映的是材料干燥状态下的形貌. 利用SmileView(JEOL日本电子)软件分析比较PNA复合DOX前后的SEM照片, 发现PNA/DOX纳米凝胶的尺寸比PNA稍大[分别为(167±13) nm, (160 ±16) nm], 这可能是因为DOX占据了PNA空腔所致.纳米凝胶在25和37 ℃下的体外释放行为如图5所示. 由图5(A)可以看出,PNA/DOX-0.32具有很好的缓释效果, 但对DOX体外释放的温敏效应不明显, 25和37 ℃释放率差别不大. 这可能是因为BAC浓度为0.32 mmol/L时, 纳米凝胶交联密度低, 网络松散, 25 ℃时药物也能够轻易扩散出来, 所以PNA/DOX-0.32不适合做温敏性载体来研究温度控制药物释放. 当BAC浓度增大至1.6 mmol/L时, DOX释放的温敏效应明显增加. 在模拟细胞内的还原环境下[PBS(pH=7.4)的缓冲溶液含有4 mmol/L DTT]探索了PNA/DOX-1.6的释放, 可以看出, 释放9 h后,还原环境中累计释放达到(81±13)%, 而非还原环境中累计释放只有(63±2)% [图5(B)]. PNA/DOX-1.6显示的氧化还原敏感性非常重要, 当PNA/DOX-1.6细胞内化后, 可以导致很高的药物释放值.通过自由基沉淀聚合方法制备PNA纳米凝胶及PNA/DOX纳米凝胶的过程如Scheme 1所示. 首先, 将NIPAM和BAC水溶液与AA水溶液在SDS作为表面活性剂存在下混合. 在N2气保护下升温到70 ℃, 加入KPS引发聚合. 透析纯化和冷冻干燥后, 得到PNA纳米凝胶. PNIPAM的特殊性质赋予了纳米凝胶温敏性, 在PNIPAM中引入AA以调节对阳离子药物的静电作用, 二硫键交联剂(BAC) 的引入赋予纳米凝胶还原敏感性, 表面活性剂(SDS) 的存在有利于制备单分散性纳米颗粒. DOX加载到PNA纳米凝胶是通过两者之间的静电相互作用结合的. 加热时, PNA 链收缩, PNA/DOX纳米凝胶体积变小, DOX被挤出, 导致DOX加速释放.PNA/DOX纳米凝胶置于模拟细胞内的还原环境中时, S—S 键被含有—SH的化合物(DTT)还原成—SH而打断, 球形结构的完整性被破坏, 导致DOX加速释放.通过自由基沉淀聚合方法, 以N-异丙基丙烯酰胺为主单体, 丙烯酸为共聚单体和含二硫键的交联剂N,N′-双丙烯酰胱胺为交联剂, 制备了不同交联密度PNA纳米凝胶. 所制备的PNA-1.6纳米凝胶具有较好的单分散性和较高的载药率. 体外释放结果表明, 升高温度使PNA链收缩挤压和加入还原剂二硫苏糖醇(DTT) 使BAC中二硫键被还原致使纳米凝胶坍塌, 加速DOX的释放. 该温度和氧化还原双重响应性纳米凝胶作为药物载体有相当好的生物医学应用前景.† Supported by the National Nature Science Foundation ofChina(No.51203047), the Key Laboratory for the Synthesis and Application of Organic Functional Molecules, Ministry of Education, China(No.2014-KL-004), the Shanghai Municipal Natural Science Foundation,China(No.15ZR1408500) and 111 Project, China(No.B14018).【相关文献】[1] Hu X. L., Xie Z. G., Huang Y. B., Jing X. B., Acta Polymerica Sinica, 2013, (6), 733—749(胡秀丽, 谢志刚, 黄宇彬, 景遐斌. 高分子学报, 2013, (6), 733—749)[2] Ma G. L., Zhao S. X., Jin X., Chen M. M., Zhang Z. P., Song C. X., Chem. J. ChineseUniversities, 2012, 33(8), 1854—1859(马桂蕾, 赵顺新, 金旭, 陈旼旼, 张政朴, 宋存先. 高等学校化学学报, 2012, 33(8), 1854 —1859)[3] Zhen X. M., Jiang T., He F., Acta Polymerica Sinica, 2011, (8), 1237—1243(郑晓明, 蒋涛, 贺枫. 高分子学报, 2011, (8), 1237—1243)[4] de Cock L. J., de Koker S., de Geest B. G., Grooten J., Vervaet C., Remon J. P., Sukhorukov G. B., Antipina M. N., Angew Chem. Int. Ed., 2010, 49, 6954—6973[5] Shi F. H., Ding J. X., Xiao C. S., Zhuang X. L., He C. L., Chen L., Chen X. S., J. Mater Chem., 2012, 22, 14168—14179[6] Hashimoto Y., Mukai S. A., Sawada S. I., Sasaki Y., Akiyoshi K., Biomaterials, 2015, 37, 107—115[7] Lee J. H., Yeo Y., Chem. Eng. Sci., 2015, 125, 75—84[8] Kabanov A. V., Vinogradov S. V., Angew Chem. Int. Ed., 2009, 48, 5418—5429[9] Cheng R., Feng F., Meng F. H., Deng C., Feijen J., Zhong Z. Y., J. Controlled Release, 2011, 152, 2—12[10] Russo A., Degraff W., Friedman N., Mitchell J. B., Cancer Res., 1986, 46, 2845—2848[11] Maciel D., Figueira P., Xiao S. L., Hu D., Shi X. Y., Rodrigues J., Tomas H., Li Y. L., Biomacromolecules, 2013, 14, 3140—3146[12] Xiong W., Wang W., Wang Y., Zhao Y. B., Chen H. B., Xu H. B., Yang X. L., Colloid Surface B, 2011, 84, 447—453[13] Su S. H., Wang H., Liu X. G., Wu Y., Nie G. J., Biomaterials, 2013, 34, 3523—3533[14] Fan T. F., Li M. J., Wu X. M., Li M., Wu Y., Colloid Surface B, 2011, 88, 593—600[15] Niu G. G., Yang Y., Zhang H. B., Yang J., Song L., Kashim M., Yang Z., Cao H., Zheng Y.D., Zhu S. Q., Yang H., Acta Biomaterialia, 2009, 5, 1056—1063[16] Aliyar H. A., Hamilton P. D., Ravi N., Biomacromolecules, 2005, 6, 204—211。
温敏性PCL_PEG_PCL水凝胶的合成_表征及蛋白药物释放_苗博龙

Vo.l302009年12月 CHEM I CAL J OURNAL OF CH I NESE UN I VERSI T I E S 2508~2513温敏性PCL-PEG-PCL水凝胶的合成、表征及蛋白药物释放苗博龙,马桂蕾,宋存先(中国医学科学院、北京协和医学院生物医学工程研究所,天津300192)摘要 考察了温敏性PCL-PEG-PCL水凝胶中聚乙二醇(PE G)及聚己内酯(PCL)不同嵌段组成对其溶胶-凝胶相转变温度以及亲水性药物(牛血清白蛋白,BS A)释放速率的影响.采用开环聚合法,以辛酸亚锡为催化剂、PEG1500/PEG1000为引发剂,与己内酯单体发生开环共聚,合成了一系列具有不同PEG和PCL嵌段长度的PCL-PEG-PCL型三嵌段共聚物.通过核磁共振氢谱及凝胶渗透色谱对其组成、结构及分子量进行了表征.共聚物的溶胶-凝胶相变温度由翻转试管法测定.利用透射电镜、核磁共振氢谱及荧光探针技术证实了该材料在水溶液中胶束的形成.以BSA为模型蛋白药物,制备载药水凝胶,利用m icroBCA法测定药物在释放介质中的浓度,研究其体外释放行为.实验结果表明,共聚物的溶胶-凝胶相变温度与PCL及PEG嵌段长度紧密相关,即在给定共聚物浓度情况下,固定PEG嵌段长度而增加PCL嵌段长度,会导致相变温度降低;而固定PCL嵌段长度而增加PEG嵌段长度,其相变温度相应升高.水凝胶中蛋白药物的释放速率与疏水的PCL嵌段长度无关,而与亲水的PEG嵌段长度密切相关,即PEG嵌段越长,蛋白药物释放越快.关键词 PCL-PEG-PCL共聚物;温度敏感;水凝胶;凝胶相变温度;蛋白药物释放中图分类号 O631.1+1 文献标识码 A 文章编号 0251-0790(2009)12-2508-06近年来,由于生物技术的快速发展和人类基因组测序的完成,大量可用于治疗疾病的蛋白类药物的发展前景广阔.于是蛋白药物在体内经肝脏代谢可导致其血浆半衰期较短,目前临床上把皮下注射作为其主要的给药方式.但这种方法的最大缺陷在于需要频繁注射以确保药物疗效[1,2].因此,有必要设计并合成出一种新型材料作为蛋白药物的缓释给药体系,使得药物活性免受外界条件影响,保持理想的疗效,提高蛋白药物的临床应用价值.温敏性水凝胶是一种亲水的聚合物网络,对其大量的研究发现,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)即可形成水凝胶.因此温敏性水凝胶的制备过程更为简单,且不需要有机溶剂,将更有利于蛋白类药物的传递[3].目前一些研究表明,温敏性PLGA/PEG水凝胶具有比较理想的凝胶特性,可在温度低于30 时装载蛋白药物,在体温条件下发生溶胶-凝胶相变,并由于其良好的生物可降解性和安全性而受到广泛的关注.但这种给药体系仍存在一些尚未解决的问题,如载药时须在较低温度下操作,且蛋白药物的缓释周期较短(仅为7d),给临床应用带来了不便和局限.另外,从材料角度看,提高疏水的PLGA嵌段长度会引起蛋白药物的聚集[4].众所周知,聚己内酯(PCL)是一种被广泛研究的可生物降解的结晶聚合物,共聚物可呈粉末状形态,相比于其它材料在临床使用时更易于处理,而且,聚己内酯具有良好的生物相容性、低毒性、疏水性且药物通透性好;而聚乙二醇(PEG)也由于其良好的理化性质,如低毒性、低免疫原性及低抗原性等,已得到美国食品药品监督管理局的批准用于人体内使用[5,6].基于上述优点,PCL和PEG的共聚物被认为安全无毒、生物相容性好且生物降解速度可调,在生物医用材料领域具有广阔的应用前景.收稿日期:2009-03-18.基金项目:教育部博士点新教师基金(批准号:200800231138)资助.联系人简介:宋存先,女,研究员,主要从事医用高分子材料和药物缓控释放的研究.E-m ai:l scx i an@to m.co mHw ang 等[7]合成了温敏性PEG -PCL-PEG 型水凝胶;Gong 等[8]考察了PEG-PCL -PEG 型水凝胶在昆明鼠体内凝胶的形成、体外药物的释放及材料的细胞毒性.尽管PEG-PCL -PEG 型共聚物具有良好的应用前景,但其合成及纯化过程较为繁琐.本文采用一步开环共聚法合成了温敏性PCL -PEG-PCL 型可降解水凝胶共聚物,减少了己二异氰酸酯偶联步骤,合成方法更为简单,且具有理想的理化性质;同时着重探讨了不同疏水嵌段(PCL)及亲水嵌段(PEG )长度及组成对水凝胶温敏性能及药物释放行为的影响,以期筛选出适合作为蛋白类药物缓控释的新型给药载体.1 实验部分1.1 试剂与仪器己内酯单体( -CL )购自A l d irich 公司,在氮气保护下,经氢化钙减压蒸馏除水;聚乙二醇(PEG,M w =1000,1500)购自Fluka 公司;辛酸亚锡[Sn(O ct)2,分析纯]、牛血清白蛋白(BSA )和Plur onic F127均购自S ig m a 公司;芘(Pyrene ,分析纯)购自天津阳光允能生物技术开发有限公司;二氯甲烷和石油醚均为分析纯.B r uker AM 300核磁共振仪;W aters ALC /GPC 244GPC 仪;H itach i F4500荧光光谱仪;J EOL JE M-100S 透射电镜(TE M );Spectra Plus 384(M o lecularD ev ices)紫外-可见分光光度仪.1.2 合 成分别将干燥的PEG (M w =1000,1500)和 -CL 按不同比例加入到封管中,用注射器加入一滴Sn(O ct)2,抽真空,通氮气,置换5次,排尽管中氧气.喷枪封管后,置于120 油浴中搅拌反应24h .反应结束后,将产物溶于二氯甲烷中,用石油醚沉淀纯化2次,真空干燥过夜,密封后于4 冷藏保存.具体合成路线见Sche m e 1.Sch e m e 1 Syn thetic rou te of PCL -PEG-PCL1.3 1H NMR 和GPC 测试在25 下,核磁共振氢谱(1H NMR)由Bruker AM 300核磁共振仪测定,溶剂为CDC l 3,TM S 为内标.在35 下,凝胶渗透色谱(GPC )由W aters ALC /GPC 244GPC 仪测定,溶剂为THF,流速为1 0mL /m i n ,PS 为标准物.1.4 So-l gel 转变相图测定材料的So-l gel 转变相图采用翻转试管法测定.在室温下,分别将一定量的不同材料置于4mL 试管中,加入1mL 双蒸水,完全溶解,浸没到恒温水浴中,每步升温速率为1 /10m in ,达到指定温度后稳定20m i n ,根据流动(So l)-不流动(Ge l)的原则进行判断,绘制So-l gel 转变相图,精确度为 1 [7,9].1.5 胶束的形成将1滴含有质量分数为0 1%磷钨酸的纳米粒混悬液置于包有碳膜的铜网上,然后用电镜观察[10].将材料配制成一系列浓度(0 1~1 10-6g /L),以芘(6 0 10-7m o l/L)为荧光探针,固定发射波长 em =390nm,利用H itach i F4500荧光光谱仪测定荧光强度,通过计算得到该材料的临界胶束浓度(c m c)[11,12].为证实共聚物可在水中形成核-壳结构的胶束,采用Bruker AM 300核磁共振仪测定其1H NMR 谱,溶剂为CDC l 3和D 2O,T M S 为内标.1.6 体外药物释放实验以p H =7 4的PBS 缓冲液作为释放介质,在37 的恒温空气浴振荡器中进行凝胶的体外药物释放实验.包药过程如下:将材料(0 25mg )置于10mL 试管中,加入1mL 双蒸水,完全溶解后,加入一定量的BSA,混合均匀.释放过程如下:将试管置于37 的振荡培养箱中,形成凝胶状态,加入5mL 释放液(PBS,p H =7 4),恒温振荡(60r /m in).定时取样时,将释放液全部取出用于测定药物释放量,2509 N o .12苗博龙等:温敏性PCL -PEG-PCL 水凝胶的合成、表征及蛋白药物释放并补充上新鲜的空白PBS 液.采用m icroBC A 法测定牛血清白蛋白(BSA )在凝胶中的释放速率,工作曲线为 =(A -0 0082)/0 0014,计算并绘制药物累积释放曲线图,质量浓度单位为mg /mL .2 结果与讨论2.1 材料的1H NMR 和GPC 表征以辛酸亚锡为催化剂,分别以PEG1500和PEG1000为引发剂,与 -CL 发生开环共聚反应.所得材料的物理参数列于表1.Tab le 1 Physica l para m e ters of th e syn thesized PCL-PEG-PCL tr i b lock copoly m ersSa m p l ePCL-PEG-PCL a n (EG )/n (CL)a M n a M n b PD I b A1(CL)7 0-(EG )22 7-(CL)7 01 6800-1000-80026501 1A2(CL)9 8-(EG )22 7-(CL)9 81 31120-1000-112034001 3B1(CL)11 0-(EG )34 1-(CL)11 01 61250-1500-125041001 2B2(CL)11 8-(EG )34 1-(CL)11 81 41350-1500-135043501 3 a .C al cu lated fro m 1H NM R of EG(4H,3 63)and CL(2H,4 04);b .cal cu l ated fro m GPC.图1是材料的300MH z 1H NMR 谱.各吸收峰对应的质子归属如下: 3 63(图1峰e)为PEG 链段上的 C H 2C H 2 的特征峰, 4 04(图1中峰d), 2 36(图1峰a), 1 68(图1峰b)及 1 36(图1峰c)则分别对应PCL 链段上的 C H 2 质子.由于PEG 链段分子量已知,因此PCL 链段的分子量可通过PEG 嵌段中 C H 2C H 2 基团的特征峰e 与PCL 嵌段中 C H 2 基团的特征峰d 的峰强度比值计算得出.Fig .1 1H N M R of triblock copo l y m er i n CDC l3F i g .2 TE M i m age of 0 1%sa m p l e A2i n water2.2 材料胶束的形成图2为温敏性PCL-PEG-PCL 三嵌段共聚物的透射电镜(TE M )照片,可见共聚物在溶液中形成了胶束.Fig .3 1H N MR of triblock copo l y m er i n D 2O (A)and CDC l 3(B )图3(A )和(B)分别为共聚物在D 2O 和CDC l 3中的1H NMR 谱,可确证PCL-PEG-PCL 三嵌段共聚物在水中形成了具有核-壳结构的胶束.这是由于PCL 和PEG 嵌段均溶于CDC l 3,二者以液态形式存在,不形成胶束,因此二者的质子特征峰在CDC l 3中全部出现[图3(B )].在D 2O 中[图3(A )],PCL 嵌段不溶形成胶束的内核,而PEG 嵌段溶解形成胶束的外壳,所以PCL 嵌段特征峰(图1a ,b ,c ,d)全部消失,而PEG 嵌段特征峰(图1e)则得到保留[13].图4是以芘为荧光探针的样品B1水溶液的荧光光谱图,可见共聚物的质量浓度依次增加(自下而上,范围是1 10-6~0 1g /L),荧光强度也依次增加.当质量浓度增加到一定值时,荧光光谱的最大吸收峰发生红移,即从333 5nm 处转移到335 5nm 处.这说明芘先是分配到疏水区域,其最2510高等学校化学学报 V o.l 30Fig .4 Fluorescen t s p ec tra of sa m p l e B1solution大吸收峰位于333 5nm.随着胶束的形成,芘从水环境中转移到胶束的疏水内核中,其最大吸收峰位于335 5nm,这一荧光红移现象进一步证明了样品在水中胶束的形成.将333 5和335 5n m 处荧光激发光谱强度之比与溶液质量浓度对数作图,可得到样品A1,A2,B1和B2的临界胶束浓度(c m c)分别为5 10-4,3 10-4,6 0 10-4及3 0 10-4g /L [11].证明当亲水嵌段长度一致时,疏水嵌段越长,材料在水中越易胶束化,即c m c 值越小.以上3种方法证实了PCL -PEG-PCL 三嵌段共聚物可在水中形成具有核-壳结构胶束的能力,为凝胶的胶束机理研究提供了实验依据.2.3 材料的So-l gel 转变相图PCL -PEG-PCL 型三嵌段共聚物在水中均呈现可逆的温敏性So -l ge l 相变能力.温敏凝胶的So -l gel F i g .5 So-l ge l tran sition phase diagra m转变相图可以反映凝胶转变温度和浓度之间的关系.图5是利用翻转试管法测定的4种材料的So-l gel 转变相图.在考察的温度范围(20~55 )内,所有的水凝胶均呈3种基本的物理形态,即溶胶、凝胶以及浑浊的沉淀(图6).随着温度的变化,共聚物由溶胶状态[图6(A )]转变为水凝胶状态[图6(B)],并最终形成沉淀状态[图6(C )].温敏性PCL-PEG-PCL 型共聚物由疏水的PCL 嵌段和亲水的PEG 嵌段组成,其中PCL 嵌段起到交联形成的作用,而PEG 嵌段则发挥使共聚物分子保留于水中的作用.在较低温度时,亲水的PEG 嵌段和水分子之间形成的氢键起主要作用,导致共聚物溶于水中;当温度升高时,氢键作用减弱,疏水的PCL 嵌段间的疏水作用力增强,从而发生So-l gel 相变[14].如图5所示,共聚物的嵌段组成对相变温度影响显著.当材料质量分数为15%~30%时,随着PCL 嵌段长度分别由分子量1120(B1)增大到1250(B2),或由800(A1)增大到1000(A 2),共聚物的凝胶相变温度规律地下降.这说明在固定PEG 嵌段长度的条件下,增大PCL 嵌段的长度会提高共聚物中该嵌段的疏水性,增强其聚集趋势,使共聚物在水溶液中更早地形成水凝胶.而共聚物B1的So -l ge l 相变温度高于共聚物A2,则表明当疏水PCL 嵌段长度相近时,增大PEG 嵌段长度,共聚物的亲水性会得到提高.F i g .6 Op tical i m ages of s a m p le A l(A)C l ear s o,l 25 ;(B)opaque ge,l 31 ;(C )preci p itati on,47 .进一步观察到共聚物B1和B2(PEG 分子量为1500)的凝胶窗口由两部分组成,在温度相对较低下呈透明凝胶状态,而在温度相对较高下呈不透明凝胶状态.根据Yu 等[15]的报道,凝胶相变的发生是由于胶束的聚集,而驱动胶束聚集的原因是胶束间的疏水相互作用.2511 N o .12 苗博龙等:温敏性PCL -PEG-PCL 水凝胶的合成、表征及蛋白药物释放综上所述,我们认为共聚物的凝胶过程可能包括如下4个步骤:(1)两亲性共聚物在水中通过自组装形成胶束,此时体系呈澄清的溶胶状态[图7(A )];(2)随着温度的升高,胶束间的疏水相互作用增强,胶束由不均一的介观胶束网络进一步聚集形成宏观的凝胶.相比于共聚物A1和A2,共聚物B1和B2中亲水的PEG 嵌段较大,不易发生大规模的胶束聚集,而是形成相对 稀疏 的胶束网络,即透明凝胶[图7(B)];(3)随着温度进一步升高,胶束网络会发生糙化(Coarsening effect),形成相对 致密 的胶束簇.当胶束簇尺寸或胶束簇间隔的大小进入可见光波长范围内时,便形成了肉眼可见的不透明凝胶[图7(C )];(4)当温度过高时,由于共聚物的疏水性过大,导致胶束结构破坏,从而形成浑浊的沉淀[图7(D)].Fig .7 O p tica l i m ages of copoly m er B1solution s i n the test tube at tested te m peratures(A)C lear s o,l 25 ;(B )transparent ge,l 34 ;(C )opaque ge,l 37 ;(D)preci p itati on ,51 .另外,当材料的质量分数在15%~30%范围时,这4种材料So -l ge l 相变温度位于23~37 区间,符合人体37 模拟药物缓释及保持蛋白药物活性的要求.2.4 材料的体外药物释放图8所示为模型蛋白药物BS A 在合成的PCL-PEG-PCL 型温敏水凝胶及对照用Plur onic F127中的F i g .8 Cu m u l ative release p rofile of B SAfro m hyd roge ls 体外释放曲线.由图8可见,Pl u ron ic F127在1d内将全部药物释放完毕,而本文合成的材料对于BSA 的释放时间分别达到18d 和32d ,起到了对蛋白药物的控制释放的作用.在图8中,药物在前24h 的释放速率较高,自24h 起释放速率有所减缓且趋于平稳.这主要是因为PCL -PEG-PCL 共聚物在水中形成了胶束,疏水性的PCL 嵌段形成胶束的内核,而亲水性的PEG形成胶束的外壳.亲水性药物BSA 会分布在亲水性PEG 区域,并与胶束最外层负责连接PEG 与PCL的C O 基团形成氢键.当外层的作用位点饱和时,水凝胶中游离药物的含量增加.此时,游离的BSA 分子更易以较高的速率从凝胶的亲水通道扩散并释放出去.当游离药物释放完毕时,其余的结合药物便会以较低的速率释放[14].另外,从图8还可观察到,在PEG 嵌段长度一定的情况下,PCL 嵌段的长度对于药物释放速率无明显影响,但PEG 嵌段的长度直接决定了药物释放的速率(如材料A1,A2与B1).综上可以得到如下结论:(1)由于疏水的PCL 嵌段居于胶束的内部,不与BSA 分子发生作用,故其嵌段长度对药物释放速率影响不大;(2)亲水性嵌段PEG 处于胶束外部,直接与亲水性药物BSA 发生相互作用.随着增加PEG 嵌段的长度,聚合物中PEG 区域的亲水性提高,从而使BSA 与PEG 嵌段之间的相互作用加强,进而减缓药物释放速率.这充分解释了A1和A2亲水药物释放速率高于B1和B2的现象.值得注意的是,尽管Pluronic F127中的PEG 含量远高于本文合成的材料,但其凝胶的机械性能较差,其结构在1d 内全部破坏,这直接导致了药物的快速释放;而PCL -PEG-PCL 水凝胶则在30d 内仍保持了完整的结构.以上事实证明,共聚物中合理的PEG 嵌段长度和良好的凝胶机械性能是保证达到药物缓控释效果的关键.2512高等学校化学学报 V o.l 30参 考 文 献[1] Sanders L.M..E ur .J .Drug M etab Phar m acok i net[J ],1990,15(2):95 102[2] S i ngh S.,W ebs t er D . C.,S i ngh J ..I n tern ati ona l Journal of Phar m aceuti cs[J],2007,341:68 77[3] Ru e-lGari py E.,L eroux J . C..E urop ean Journ al of Phar m aceuti cs and B i ophar m aceuti cs[J ],2004,58(2):409 426[4] Yu T.,S i ngh J ..I n ternati onal Journal ofPhar m aceuti cs [J],2009,365:34 43[5] Rich t er A .W.,Ak erb l o m E..In t .Arch .A ll ergy App.l I mm uno.l [J ],1983,70(2):124 131[6] M arcotte N .,Pol k A.,Goosen M.F ..J .Phar m.Sc.i [J ],1990,79(5):407 410[7] Hw angM.J .,Suh J .M.,B ae Y.H.,et a l ..B i o m acro m olecu les[J],2005,6:885 890[8] Gong C.Y .,Sh i S.,Dong P .W.,et a l ..In ternati onal J ournal of Phar maceu tics[J],2009,365:89 99[9] Loh X .J .,G oh S.H.,L i J ..B i omacro m ol ecu l es[J ],2007,8:585 593[10] G eH.X.,Hu Y.,J i ang X .Q .,et al ..Jou rnal of Ph ar m aceu tical Sciences[J],2002,91(6):1463 1473[11] W il h el m M.,Zhao C.L .,W ang Y . C.,et a l ..M acro m olecu les[J],1991,24:1033 1040[12] LI N H ao(林浩),TI AN Hu a -Yu(田华雨),SUN J i ng -Ru (孙敬茹),et al ..Ch e m.J .Ch i nes e Un i versiti es (高等学校化学学报)[J],2006,27(7):1385 1388[13] Ryu J .G.,J eong Y.I .,K i m I .S .,e t al ..Internati onal Jou rnal of Ph ar m aceu tics[J],2000,200(2):231 242[14] Q iao M.X.,C hen D .W.,H ao T.N.,et a l ..In ternati onal Journal ofPhar m aceu ti cs [J],2007,345(1/2):116 124[15] Yu L .,Chang G.T.,Zh ang H.,et a l ..Jou r n al of Po l y m er S ci en ce PartA:Poly m er Che m istry[J],2007,45(6):1122 1133Synthesis ,Characterization and Protei n Drug Release ofTe mperature -Sensitive PCL-PEG-PCL H ydrogelM I A O Bo -Long ,MA Gu-i Le,i SONG Cun-X ian*(Ch i nese A cade my of M edical Sciences&Pek ing Un i on M edical C olle ge ,Instit u te ofB io m edical E n g ineer i ng,T ianjin 300192,Ch i na)Abst ract The effect o f PEG and PCL co m position of ther m osensitive PCL -PEG-PCL hydr ogels on So -l ge l transition te m perat u re and release rate o f bov i n e serum al b u m i n (BSA )w ere i n vesti g ated .A series of ther m o -sensitive PCL -PEG -PCL triblock copoly m ers w ith different PEG and PCL block leng ths w ere synthesized vi a ring -open i n g po ly m erizati o n of -CL using PEG1500/PEG1000as the i n itiator and Sn(Oct)2as the catalys.t Their co m position ,str ucture ,and m olecular w eigh tw ere characterized via 1H NMR and GPC techniques .The So-l gel transiti o n te m perature w as deter m i n ed w it h the test tube inverti n g m ethod .TE M,1H NMR,and fl u o rescence probe technique w ere e m ployed to identify fo r m ation of m ice lles of the tri b lock copo l y m ers in a -queous solution .BSA w as used as a m odel pr o te i n drug .H ydroge ls o f these PCL -PEG-PCL tr i b lock copo l y -m ers l o aded w ith BSA w ere prepared for in vitro release st u dy ,and BSA concentration in t h e released sa m ple w as deter m i n ed w ith m icro BC A m ethod .The effect of PCL and PEG block lengths on So-l gel transiti o n te m per -ature and release rate of BS A w as a lso discussed .The results obta i n ed i n d icated that t h e So-l gel transiti o n te m -perature of copo ly m ers w as related to block l e ngths o fPCL and PEG ,increasing the PCL length at a fi x ed PEG centra l b l o ck led to a lo w er transition te m perature at a g iven copo l y m er concentrati o n ,w hile w ith the enhance -m ent o f the PEG leng th at a si m ilar hydr ophobic PCL length,the transiti o n te m perature i n creases .And the pro tein re lease rate w as i n dependent o f the hydrophob ic PCL leng th ,w hereas the longer PEG length ,the lo w er pro tein release rate .K eywords PCL -PEG -PCL copo ly m er ;Te mperature -sensitive ;H ydroge;l So-l gel transiti o n te m perature ;Con tro lled re lease of pr o te i n dr ug(Ed .:H,J ,Z)2513 N o .12 苗博龙等:温敏性PCL -PEG-PCL 水凝胶的合成、表征及蛋白药物释放。
RAFT聚合制备温敏性PNIPAM聚合物

I1)认识R A FT'聚合原理和聚N -异丙基丙烯酞胺的性能特点。
2)把握R A FT 聚合制备聚N -异丙基丙烯酰胺的办法。
3)把握温敏性测试办法。
2.试验原理聚N -异丙基丙烯酰胺(PN I P AM )是一种能够簇拥在水溶液中,对环境温度的变幻能够做出响应的温敏性高分子材料。
因为PN I P AM 具有亲水性的酞胺键和疏水性的异丙基,使得其具有低温亲水/高温疏水的特性—当温度低于其低临界溶解温度(LCST )时,因为酰胺键与水分子之间形成氢键,使得聚合物溶于水;当温度高于LCST 时,氢键作用变弱,异丙基的疏水作用相对增加,疏水缔合作用占领主导,聚合物在水中产生沉淀。
对于线型的PN I P AM ,在水溶液中表现为温度依靠的浑浊和透亮 的可逆变幻;而交联型的PN I P AM 水凝胶则表现为室温溶胀,在相变点32℃附近不到1℃的窗口内,其体积收缩百倍。
除了水凝胶溶胀体积的可逆变幻外,PN I P AM 水凝胶的其他性质,如互相作用参数、模量、折光率、介电常数等也会在相变点附近发生突变,并且突变都具有温度可逆性。
可逆加成一断裂链转移自由基聚合(R A FT )是1998年进展起来的一种可控活性自由基聚合办法,这种活性自由基聚合具有广泛的适用单体、很强的分子设计能力,被认为是目前最具工业化应用前景的一种活性自由基聚合办法。
所谓R A FT 聚合,就是在传统自由基聚合体系中加入一种R A FT 试剂作为链转移剂,通过增长自由基与链转移剂之间的可逆链转移反应,来控制聚合体系中增长自由基浓度,保持低的自由基浓度,达到活i 幽可控聚合的目的。
用于R A FT 聚合的链转移剂通常是一些有机含硫化合物(Z 一C(=S)S 一R),如二硫代羧酸酯、三硫代碳酸酯、二硫代氨基甲酸酯、黄原酸酯等及其衍生物。
从反应机理来看,链转移剂(如双硫酯)分子结构中含有Z 基团和R 基团,Z 基团应是能够活化自由基对C=S 加成的基团,如芳基、烷基等;R 基团应当是活泼的自由基离去基团,断键后生成的R ’自由基能够有效地再引发聚合反应,如异丙苯基、苄基、腈基异丙基等。
温敏性聚(N-异丙基丙烯酰胺)-b-聚(L-谷氨酸)的合成与表征

温敏性聚(N-异丙基丙烯酰胺)-b-聚(L-谷氨酸)的合成与表征吴瑕; 刘大军; 王琪; 李荣; 王薇【期刊名称】《《长春理工大学学报(自然科学版)》》【年(卷),期】2019(042)005【总页数】6页(P128-133)【关键词】聚(N-异丙基丙烯酰胺); 聚(L-谷氨酸); ATRP; 胶束【作者】吴瑕; 刘大军; 王琪; 李荣; 王薇【作者单位】长春理工大学化学与环境工程学院长春 130022【正文语种】中文【中图分类】O657.72如今,癌症已经成为威胁人类健康的严重疾病之一。
传统抗癌药物因为是小分子,存在稳定性差、代谢快、缺乏选择性、药物利用率低、毒副作用大等问题。
将药物与适当的纳米载体相结合,可以使其更好的发挥作用[1]。
纳米载体指能有效负载和传递药物及影像探针的纳米粒子,具有较大的比表面积、表面可功能化的特点[2]。
由于实体瘤具有“高渗透和强滞留效应”,纳米载体相比于正常组织更容易聚集在肿瘤组织附近,实现对肿瘤的被动靶向[3]。
高分子胶束是一种常见的纳米药物载体,由两亲性分子在一定条件下自组装形成,具有亲水的外壳和疏水的内核,广泛应用于疏水性药物传送[4]。
然而,传统的高分子胶束不具有肿瘤主动靶向功能,无法对外界环境变化做出响应。
近年来,具有pH敏感性、温度敏感性、还原响应性等环境刺激响应的胶束作为药物载体已被报道[5-7]。
聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)是目前研究最广泛的温敏性聚合物之一,它的水溶液在32℃左右发生迅速的可逆相转变[8]。
由于和人体生理温度接近,因此被广泛地用于生物医用材料领域。
N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)聚合浓度的改变、聚合过程中引入其它聚合物等行为都可能对温敏材料的温敏行为产生影响[9-11]。
选用具有温度敏感的NIPAM单体、通过ATRP法得到聚合物PNIPAM。
脱去PNIPAM的叔丁氧羰基保护基得到大分子引发剂,引发γ-苯甲基-L-谷氨酸-N-内羧酸酐单体(BLG-NCA)进行开环聚合,成功得到聚合度不同的嵌段聚合物PNIPAM100-b-PLGA20、PNIPAM60-b-PLGA20。
温敏型可注射水凝胶的制备研究

温敏型可注射水凝胶的制备研究29卷6期2010年12月中国生物医学工程ChineseJournalofBiomedicalEngineeringV01.29No.6December2010温敏型可注射水凝胶的制备研究刘玲秀胡帼颖刘欣顾汉卿(天津医科大学生物医学工程系,天津300070)(天津市泌尿外科研究所,天津300211)摘要:为得到应用于软组织重建的新型可注射组织工程支架材料,将经交联合成的HA交联凝胶(XLHA),分别与降解性能不同的两种温敏型材料聚N.异丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)凝胶和甲基纤维素(MC),在常温下共混合成XLHA—PNIPAAm与XLHA—MC可注射水凝胶,分析XLHA—PNIPAAm与XLHA—MC水凝胶的可注射性能,耐酶解性能,温敏性能和化学结构,并进行溶血试验与细胞毒性试验评价可注射凝胶的生物相容性.研究获得了XLHA—PNIPAAm的可注射水凝胶的制备条件,并证实了分别将不可降解材料PNIPAAm 与可降解材料MC和HA共混均能有效延缓HA的降解,且PNIPAAm延缓HA降解的效果更为显着.辐照剂量为5kGy,MBAAm/NIPAAm(M/M)=0.015,NIPAAm单体浓度为3%,制备的PNIPAAm与XLHA共混制备的XLHA—PNIPAAm可注射凝胶的耐酶解性能最佳.差示扫描量热仪(DSC)检测显示XLHA—PNIPAAm的温敏性较为稳定.两种复合凝胶的细胞毒性和溶血试验均合格,且XLHA—PNIPAAm水凝胶的生物相容性要好于XLHA.MC凝胶. 关键词:透明质酸;聚N一异丙基丙烯酰胺;甲基纤维素;可注射凝胶;组织工程中图分类号R3l8.O8文献标识码A文章编号0258-8021(2010)06-0901-08 StudyonPreparationofTemperature-SensitiveInjectableHydrogelLIULing.XiuHUGuo.YingLIUXinGUHan—Qing'. (BiomedicalErtgineeringCollege,TianjinMedicalUniversity,Tianjin300070,China) (TianjinInstituteofUrologicalSurgery,Tianjin30021l,China)Abstract:Inordertogetasortofnewscaffoldmaterialforsofttissuereconstruction,weprepare dXLHAPNIPAAmandXLHA-MCinjectablehydrogelsbyblendingcrosslinkedHA(XLHA)andt wotemperature?sensitivematerials,poly(N-isopropylacrylamide)(PNIPAAm)andMethylcellulose(MC) withdifferentdegradability,respectively.Theinjectablility,enzymaticbiodegradability,temperature—sensitivity,structurecytotoxicityandhemolysisofthemweretested.ThepreparationformulaofXLHA—PNIPAAminjectablehydrogelwasobtained,anditwasverifiedthataddingnon—degradablematerialPNIPAAmcouldpostponethedegradation ofHAmoreeffectivelythanthatofthedegradablematerialMC.PNIPAAm,preparedwith5k Gydoseradiation,MBAAm/NIPAAm(M/M)=0.015.monomerconcentration=3%.producedXLH A.PNIPAAmwiththeslowestenzymaticdegradationrate.DSC(DifferentialScanningCalorimetry)detection revealedthattemperature?sensitivityoftheXLHA—PNIPAAmwasmorestablethanthatofXLHA-MC.Twocomposite hydrogelswerequalifiedincytotoxicityandhemolysistests,andthebiocompatibilityofXL HA.PNIPAAmhydrogelwasbetterthanthatofXLHA—MChydroge1.Keywords:hyaluronan;poly(N—isopropylacrylamide);methylcellulose;injectablehydrogel;tissueengineeringdoi:10.3969/j.issn.0258?8021.2010.06.018收稿Et期:2010-04-23,修回日期:2010~6-12基金项目:国家重点基础研究发展(973)计划(2009CB930000)通讯作者.E-mail:**************中国生物医学工程引言软组织的修复和功能重建是现代医学面临的一大难题.将可注射水凝胶作为组织工程支架材料,实现体内的软组织重建,有望为细胞的新陈代谢提供良好的传输通道和的丰富水环境.此外,可注射水凝胶在体内与修复组织之间嵌合连接好,可塑性好,且能够实现原位注射达到微创目的,操作简单方便,近年来成为了组织工程领域的新热点卜.透明质酸(hyaluronan,HA)是广泛分布在软结缔组织细胞外基质中的主要蛋白多糖,具有良好的相容性和黏弹性,能促进机体软组织的修复与再生,因此,利用透明质酸作为支架材料是组织工程领域重要的研究内容,也是软组织重建的重要发展方向.然而,透明质酸应用于组织工程支架有降解速度快,体内停留时间短,机械强度低等不足,需进行交联改性,以提高其机械强度并减缓其在组织中的降解速度,更好地满足软组织重建的需求-4.就构建组织工程支架的可注射凝胶而言,材料的热力学可逆性至关重要,即常温下材料流动性较强,利于注射,而体温下材料固化,形成支架.透明质酸虽是促进组织生长的生物材料,但不具备热力学可逆性.N一异丙基丙烯酰胺(N-isopropylacrylamide, NIPAAm)交联后形成的水凝胶聚N.异丙基丙烯酰胺(poly(N?-isopropylacrylamide),PNIPAAm)则是一种典型的热缩温敏性材料,已被广泛应用于生物医学领域,如酶的固定,释放药物的温控开关功能等.我们的前期工作已经证实了PNIPAAm水凝胶是一种良好的热缩温敏性材料,其相转变温度大约为32℃,且具备良好的生物相容性.甲基纤维素(methylcellulose,MC)是一种非离子纤维素醚,在一定的甲基取代度范围内具有水溶性,其水溶液在温度升高到一定温度后,溶液将会发生完全可逆溶胶一凝胶相转变.这种温敏型MC水凝胶具有许多优越性能:高含水量,与组织相似的弹性和较好的生物相容性,在组织工程,药物释放等领域中有着许多潜在应用.国外已有报道将其与HA的结合作为治疗脊髓损伤的药物释放的可注射凝胶体系,凝胶除了能迅速凝胶化,还具有可降解,生物相容性好等优点.综上,为同时发挥HA的理化,生物学特性和PNIPAAm与MC的温敏特性,以期应用于软组织的组织工程重建,本研究尝试将HA与不可降解温敏型材料PNIPAAm制备出XLHA.PNIPAAm可注水射凝胶,并与文献[8]中的HAMC进行可注射性能,降解性能与生物相容性初步评价的比较.1材料与方法1.1材料采用的HA相对分子质量大约为1.8x10.Da;丁二醇缩水甘油醚(1,4-Butanedioldiglyeidylether, BDDE,购自于Aldrich),浓度为95%一97%; NIPAAm,分析纯,日本KOHJIN公司;N,N.亚甲基双丙烯酰胺(N,N-Methylenebisacrylamide, MBAAm),分析纯;甲基纤维素(methylcellnlose, MC),A15PREMLV,美国陶氏化学公司,原料均未经过其他处理.Co603,辐射源,天津市技术物理研究所.1.2方法1.2.1交联透明质酸衍生物的制备室温条件下,将HA粉末溶解于0.2MNaOH溶液中,配置成10%HA溶液.均匀搅拌30min,静置2h使其充分溶胀.取一定量的HA凝胶,按BDDE/HA(M/M)=1:1,加入BDDE,常温搅拌30min,充分混匀,将体系置于50℃水浴中反应6h,反应结束后,加人一定浓度的HC1溶液中和溶胀处理,形成4%的HA—BDDE水凝胶即XLHA凝胶.1.2.2聚N一异丙基丙烯酰胺的制备配制一系列浓度(1,3,5,8,10和15wt%)的NIPAAm水溶液,将交联剂MBAAm按MBAAm/ NIPAAm(M/M)=0,0.0075,0.015溶解在NIPAAm水溶液中,搅拌均匀,通氮气30min,封口. 常温下Co60源释放的射线辐照,剂量率为1kGy/h,总剂量大小分别为5,20和30kGy.将辐射制备的PNIPAAm水凝胶取出,浸于40℃水浴中,待凝胶均匀收缩后取出,25cI=水浴溶胀,反复漂洗去除单体,冷冻干燥.1.2.3PNIPAAm水凝胶的溶胀率测定用称重法测定PNIPAAm水凝胶在不同温度下的平衡溶胀率(SwellingRatio,SR).称取一定质量(Wd)干态凝胶,在25℃和37℃下将其浸泡于过量的磷酸盐缓冲溶液(PBS)中,溶胀24h,取滤纸吸于凝胶表面的水分,称重(Ws),依公式1计算25℃和37℃下凝胶的平衡溶胀率.6期刘玲秀等:温敏型可注射水凝胶的制备研究SR=×100%(1)1.2.4XLHA.PNIPAAm可注射水凝胶的制备将XLHA凝胶通过2.5mL的针管以恒定推进力匀化3遍.将PNIPAAm凝胶于37℃下充分溶胀,于室温下以恒定推进力通过2.5mL的针管匀化5遍.室温下,将上述两种匀化后的凝胶按质量比1:1搅拌30rain使其共混,静置3h.1.2.5XLHA.MC可注射水凝胶的制备以HA2%,MC7%配制XLHA—MC.将4%的XLHA与14%的MC凝胶分别进行匀化后,按质量比1:1共混搅拌30min,得到XLHA—MC可注射水凝胶.1.2.6可注射性能测试称取2gXLHA—PNIPAAm凝胶与XLHA-MC凝胶分别装入2.5mL的医用注射针管,针头为12#. 以一定推进力(首次l0N,每次增大5N)推压针管10S,称量挤出的凝胶质量并记录.计算切应力与凝胶流速,绘制切应力-速率曲线.1.2.7体外降解实验37℃,15mL离心管装入2mL500UHAse溶液,1g凝胶注射人管底.培养1,2,4,7,10和14d 时,加9mL无水乙醇,与降解产物摇晃均匀,离心, 弃上清液.产物冷冻干燥,用式(2)量化降解程度: 降解率%=×100%(2)wa(o)是初始的聚合物干重,Wd(t)为时间为t时的聚合物干重.1.2.8傅立叶红外光谱(FTIR)检测将HA,XLHA,NIPAAm,PNIPAAm,XLHA—PNIPAAm,MC,XLHA-MC真空冷冻干燥后研磨粉碎,以KBr压片,采用傅立叶红外光谱仪(FTIR)进行红外光谱分析.1.2.9DSC检测用差示扫描量热仪(DifferentialScanning Calorimetry,DSC)对充分溶胀的凝胶样品(10mg) 进行扫描分析,升温范围为2O℃~5O℃,升温速率为2cI=/min.1.2.10细胞毒性实验取凝胶2.0g,加10mLRPMI1640培养液于37℃浸提72h.使用L929细胞,采用琼脂覆盖法, 中性红染色后光镜观察每皿材料周围和材料下脱色区的范围及细胞的崩解情况.材料细胞毒性的大小以区域指标z和细胞溶解指标£表示.1.2.11溶血实验取凝胶5g,加10mL生理盐水,置于(37±1)℃的恒温水浴锅中保温30min,加稀释过的抗凝兔血0.4mL,轻轻振荡混匀,恒温水浴60min.吸出管内液体(无固形物),离心1000r/min,10min,得清亮上清液.722分光光度计调试波长为545 nm,参比为生理盐水,测上清液的吸光度(opticaldensity,OD)并记录结果.计算材料的溶血率.2结果与讨论2.1PNIPAAm的制备目前PNIPAAm凝胶主要用化学方法合成,但产物中残余引发剂的清除是个比较棘手的问题. 我们采用辐射法合成PNIPAAm凝胶,操作简单,交联度可控,不需要添加引发剂等,有效克服了残留引发剂对生物相容性的不良作用.本课题组在以往研究中将NIPAAm的水溶液经^y辐照合成PNIPAAm水凝胶,采用的辐射条件为辐射剂量5—8kGy,辐射剂量率为700Gy/h,单体浓度为3%.本实验中采用的剂量率增至1kGy/h,所需的剂量为5kGy,得到的凝胶弹性和硬度与上述报道接近.2.2PNIPAAm的溶胀特性在其它制备条件不变的情况下,随着辐射剂量的增加,PNIPAAm凝胶的粘性减少,脆性增加;凝胶的溶胀率减少.以5kGy组来分析单体浓度及交联剂含量对凝胶溶胀率的影响,其中,单体浓度为1% 所获得辐射产物由于交联度太低,25cc与37℃下均呈流质态,不符合本实验要求,未测其溶胀率.析水率(SR析)定义为凝胶25℃与37℃下的溶胀率之差,SR析=SR:℃一SR,℃.数值上等同于单位质量的干态凝胶于25℃下充分溶胀后置于37℃环境中所析出的水的质量.溶胀率测试结果如图1所示.25℃下的凝胶的溶胀率直观地反应了凝胶辐射交联情况.从形态上观察,凝胶随交联剂含量,单体浓度,辐射剂量增大而粘性减弱,脆性增强,长链分子形成的网络结构越发结实密集,即凝胶的交联程度增加.人体体温下(37oC)凝胶的溶胀特性是考察的重点.由图1分析可知,凝胶的溶胀率随着辐射剂量交联剂含量的增大而呈现减小的趋势.凝胶的溶胀率的最大值出现在NIPAAm单体浓度3%~8%时.析水率的大小初步反映凝胶对温度的敏感中国生物医学工程29卷摹褂当臻单体浓度/%图15kGy剂量组的溶胀特性.I交联剂含量:A,B,C分别代表MBAAm/NIPAAm(M/M)=0,0.0075,0.015)Fi窖.1Swellingratioofhydrogels(5kGy).(A:MABAAm/NIPAAm(M/M)=0,B:MABAAm /NIPAAm(M/M)=0.0075,C:MABAAm/NIPAAm(M/M)=0.015)程度.为保证注射后凝胶在体内不过多的析出水而破坏人体组织的等渗环境,考虑将室温下注射的凝胶的含水量控制在37℃下的溶胀率所能达到的含水量水平.2.3XLHA-PNIPAAm的可注射性普遍来讲,随着辐照剂量的增加,凝胶的粘性较弱,脆性增加.20kGy与30kGy组辐照合成PNIPAAm均较脆,按本实验方法难以进行匀化.5kGy条件下合成的PNIPAAm,随单体浓度和辐照时间的变化,产物形态差异较大,注射性能结果如表1所示.表15kGy剂量制备的XLHA-PNIPAAm的各组凝胶25℃下的形态及注射性能Tab.1Themorphologyandinjectalityofhydrogelswith5 kGyDoseat25~C注:A,B,C分别代表MBAAm/NIPAAm(M/M):0,0.0075,0.015 25cI=条件下,可注射凝胶XLHA.PNIPAAm与XLHA—MC的可注射性能结果如图2所示.由表1与图2可知,图中各组复合凝胶均具备一定的可注射性.其中XLHA.PNIPAAm(B.5%)的可注射凝胶注射性能最佳.切应力大于500kPa图2可注射水凝胶25℃经12#针头注射时流速随剪切应力的变化Fig.2Therelationbetweenthevelocityof hydrogelsandshearstress(at25℃J时,凝胶能顺利通过12#针头.本实验的可注射凝胶属于非牛顿流体中的假塑性流体,其特点是切应力小于某一数值时,凝胶不能流动,大于.后凝胶才开始流动;且粘度随着剪切速率的增加而减小,即体现"剪切变稀"的特性.由上图可看出,XLHA—PNIPAAm(B一5%)的剪切变稀效果最明显.可注射凝胶的这种特性与凝胶里HA的成分有密切关系.袁靖军等研究了HA的流变学特性,发现HA溶液的粘度随剪切速率的增加而减小,具有明显的"剪切变稀"特性.37℃下PNIPAAm凝胶的溶胀率的大小可能直接反映XLHA-PNIPAAm凝胶的可注射性.可注射实验也证实了37℃下,辐射剂量为5kGy,单体浓度为5%,MBAAm/NIPAAm(肘/):0.0075条件下6期刘玲秀等:温敏型可注射水凝胶的制备研究的PNIPAAm与XLHA共混得到的可注射凝胶溶胀率最高,且可注射性最佳.同样的,将凝胶置于37℃环境下并对其进行了可注射性能实验.研究发现,所有的XLHA—PNIPAAm凝胶组均呈现白色固体小颗粒状,不具备可注射性能.这说明,XLHA-PNIPAAm凝胶在生理温度下流动性小,满足我们可注射水凝胶体内下固化成组织工程支架的要求.2.4体外降解实验将HA,XLHA分别与前面可注射性实验中筛选出的PNIPAAm凝胶以1:1(w/w)共混做体外酶降解实验,14d内各组凝胶中HA的降解情况所得结果如图3所示.图3失重法稠得凝胶中透明质酸的降解翠随时间的变化Fig.3ThedegradationofHAinhydrogels determinedbythechangeofdrymassovertime由图3分析可知,各组凝胶在前4d降解速率较大,之后逐渐缓慢.在500U透明质酸酶环境下,未交联的HA在4d时已经完全降解,HA—PNIPAAm共混凝胶在7d时降解率大约为80%左右,在14d时几乎完全降解,其中HA—PNIPAAm(c. 5%)组降解最慢.而XLHA—PNIPAAm各组的降解速率显着低于HA—PNIPAAm和HA组,其中XLHA. PNIPAAm(c一5%)降解最慢,14d时降解率仅为37.5%,远远低于单纯的XLHA组(84%).因此,PNIPAAm的加入能延缓HA的降解,且其中PNIPAAm(C-5%)延缓降解作用最明显;而交联改性能更大程度地延缓HA的降解,故将HA交联并与PNIPAAm共混是延缓HA降解的有效方法.上述耐酶解性能最佳的XLHA.PNIPAAm(C.5%)与XLHA—MC的凝胶的降解性能如图4所示.由图4可知,3组凝胶的整体降解率排序如下:XLHA>XLHA—MC>XLHA—PNIPAAm,说明透明质酸与温敏性材料PNIPAAm,MC共混,凝胶的降解速图4可注射凝胶整体随时间的降解情况Fig.4Degradationofinjectablehydroge~overtime率减慢,且XLHA—PNIPAAm凝胶降解速率最慢.这与共混材料的降解性能有关,MC是一种降解性材料,XLHA.MC两组分均发生降解;而PNIPAAm是一种非降解性材料,故XLHA—PNIPAAm只有XLHA组分发生降解.2.5红外光谱分析HAXLHANIPAAm,PNIPAAm,XLHA-PNIPAAm的红外光谱图,如图5所示.图5各单体及聚合物凝胶的FITR图谱.(1为HA;2为HA?BDDE;3为NIPAAm;4为PNIPAAm;5为XLHA- PNIPAAm;6为MC;7为XLHA—MC)Fig.5FITRspectrumofmonomersandpolymers.(1isHA;2isHA-BDDE;3isNIPAAm;4isPNIPAAm;5isXLHA-PNIPAAm;6isMC;7isXLHA-MC)由图5可知,HA.BDDE在3400cm处的一OH振动峰比HA增强,说明交联后HA的OH缔合度提高.HA—BDDE反应条件为碱性,交联产物在中国生物医学工程1050cm~,603cm处的醚键吸收峰有不同程度的增强,说明R—O—R的结构比例增加.但是由于BDDE分子内存在大量的醚键,因此1050em~,603 cm处的醚键吸收峰增强较大,所以交联反应导致的HA化学结构变化在红外光谱上并不明显.由图5分析可知,PNIPAAm在3400~3470cm为一NH伸缩振动峰;1655cm处为酰胺中羰基C—O的伸缩振动峰,1538cm处为仲酰胺吸收峰,l458cm处为一CH3一cH2的吸收峰.聚合物双键吸收峰(1618cm~,1407cm~,992cm~,919cm)等消失;聚合后分子链增长,所有震动吸收增强,特别是3433cm~,655cmN—H振动吸收峰变宽,但强度变化不大.这与以往报道¨.."中化学合成的PNIPAA凝胶的红外光谱结果基本一致. XLHA-PNIPAAm可注射凝胶,两组分结构并观察到未发生明显变化.XLHA—MC可注射凝胶,两组分结构并未观察到发生明显变化.2.6DSC检测结果PNIPAAM及其与HA及XLHA复合凝胶的DSC检测结果如图6所示.图6PNIPAAm,HA-PNIPAAm与XLHA- PNIPAAm的DSC图Fig.6DSCofPNIPAAm,HA-PIPAAm,XLHA-PNIPAAm从图6可看出,HA与XLHA的加入,凝胶的LCST并无显着性变化.按本研究的方法获得复合凝胶的两组分HA(XLHA)与PNIPAAm之间或许存在轻微的氢键,但氢键的作用还不足以改变PNIPAAm中亲水/疏水比例,以致来影响PNIPAAm 的LCST.MC与XLHA.MC的DSC检测结果如图7所示.图7MC,HA-MC与XLHA-MC的DSC图Fig.7DSCofMC.HA-MC.XLItA?MC由图7可以看出,本研究中测得的MC的LCST为67.5℃左右,而XLHA-MC在温度范围内并未检测到明显的吸热峰.说明HA(XLHA)的加入对MC 的LCST影响非常大.可能是共混凝胶的中(HA) XLHA的比例较大,严重破坏了MC中亲水/疏水比例,使得(HA)XLHA—MC水凝胶在我们的检测温度范围内不具备温敏性.由上述分析可知,本研究中采用的两种温敏性材料PNIPAAm与MC中,PNIPAAm的温敏性受外界影响小,较稳定.2.7细胞毒性试验细胞和材料接触培养24h后细胞形态与生长情况倒置显微镜下观察如图8所示.材料的细胞毒性的大小以着色区域指标z和细胞溶解指标表示,见表2.据图7与表2可知材料XLHA-PNIPAAm(浓度为5%;剂量为5kGy,剂量率为1kGy/h;MBAAm/ HA(M/M)=0.0075)的细胞毒性为0.3级,XLHA—MC的细胞毒性为1.3级;依据国家标准二者细胞毒性试验合格,XLHA.PNIPAAm的细胞毒性显着6期刘玲秀等:温敏型可注射水凝胶的制备研究(b)图8可注射凝胶琼脂覆盖法实验接种24h光镜下观察(400×).XLHA.MC(c)(a)阴性对照;(b)XLHA-PNIPAAm;Fig.8Theinjectablehydrogelsoberservedundermicroscopeafter24hwithagaroverlaytest{ 400×)?(a)Negative;(b)XLHA?PNIPAAm;{e)XLHA-MC表2可注射凝胶的细胞毒性结果Tab.2Resultsofcytotoxicityofinjectablehydrogels低于XLHA—MC.2.8溶血试验可注射凝胶溶血试验结果如表3所示,溶血率见图9.表3可注射凝胶的溶血试验结果Tab.3Resultsofhemolyticofinjectablehydrogels.I/一XLHAXLHA—PNIPAAmXLHA.MC受试样品图9可注射凝胶的溶血率Fig.9Hemolyticrateofthehydrogels由上述结果可知,XLHA-PNIPAAm与XLHA—MC凝胶的溶血率均小于5%,依据国家标准¨溶血试验合格.其中XLHA.PNIPAAm组凝胶的溶血率要低于XLHA—MC组凝胶.3结论本研究成功得到了XLHA-PNIPAAm可注射凝胶的制备条件,并证实了不可降解温敏性材料PNIPAAm与可降解温敏性料MC的加入均能有效延缓透明质酸的降解.辐照剂量为5kGy,MBAAm/ NIPAAm(M/M)=O.015,NIPAAm单体浓度为3%制备的PNIPAAm与XLHA共混制备的XLHA- PNIPAAm可注射凝胶的耐酶解性能最佳,且优于XLHA—MC.PNIPAAm的温敏性较稳定,受XLHA的影响小;而MC的温敏性受环境的影响较大,本实验中XLHA的加入会显着削弱MC的温敏性.两种温敏型材料与XLHA制备得到的复合凝胶细胞毒性和溶血试验均合格,其XLHA—PNIPAAm 的溶血率与细胞毒性均低于XLHA-MC凝胶组.研究初步发现,PNIPAAm在37℃下的溶胀率对凝胶的可注射性和降解性有直接的关系,溶胀率越低,越能延缓透明质酸的降解,凝胶却越难注射.后续研究中,将对凝胶的温敏性,流变学性质和凝胶组分XLHA与PNIPAAm的分子间相互作用做进一步的分析研究.5432●O述脊目嚣I中国生物医学工程29卷参考文献[2][3][4][5][6]LeeKY,MooneyDJ.Hydrogelsfortissueengineering[J]. ChemRev,2OO1,101(7):1869—1879.GutowskaA,JeongB,JasionowskiM.Injectablegelsfortissueengineering[J].AnatRec,2001,263(4):342—349. GraySD,TitzeIR,ChanR,eta1.V ocalfoldproteoglycansand theirinfluenceonbiomechanics[J].Laryngoscope,1999,109 (6):845—854.LaurentTC.Thechemistry,biologyandmedicalapplicationsof hyaluronananditsDerivatives[M].London:PortlandPress Ltd.1998.205—217.IchikawaH,ArimotoM,FukumofiY.Designofmierocapsules withhydrogelasamembranecomponentandtheirpreparationby aspoutedbed[j].PowderTechnology,2003,130(1—3): 189—192.张琰.新型温敏性微凝胶的制备与表征[D].合肥:安徽大学,2002.[7][8]【9][1O][11][12][13]张莉.温度敏感性水凝胶的辐射合成及其对细胞培养和脱附的研究[D】.天津:天津医科大学,2007.GuptaD,TatorCH,ShoichetMS.Fast—gellinginjectableblend ofhyaluronanandmethylcelluloseforintrathecal,localized deliverytotheinjuredspinalcord[J].Biomaterials,2006,27 (11):2370—2379.袁靖军,徐政,顾其胜.透明质酸溶液的流变性能初步研究[J].上海生物医学工程杂志,2003,24(3):15—18.V argheseJM,IsmailYA,LeeCK,eta1.Thermoresponsivehydrogelsbasedonpay(N—isopropylacrylamide)/ehondroitin sulfate[J].Senso~andActuatorsB:Chemical,2008,135 (1):336—341.李志军.聚N.异丙基丙烯酰胺共聚物及其互穿网络的制备及性能研究[D】.上海:上海大学,2006.GB/T16886.4-1997医疗器械生物学评价一第5部分:细胞毒性试验[S].北京:中国标准出版社,1999.GB/T16886.1—2003医疗器械生物学评价一第4部分:血液相互作用试验选择[S].北京:中国标准出版社,2003.。
温度敏感性材料基本原理及其应用
N-异丙基丙稀酷胺(NIPAM)是温敏型凝胶PNIPAM的最主要的组成部分。
NIPAM单体分子式为C6H11N0,常温下为白色片状晶体,溶点为60℃分子量为113.18。
它含有不饱和C=C双键,在水溶液中可以打开进行自由基聚合从而得到高分子量的聚合物。
NIPAM及聚合物的结构式如图1所示。
图1 N-异丙基丙烯酰胺单体及其聚合物的结构式NIPAM单体聚合后得到聚N-异丙基丙稀醜胺(PNIPAM),聚合物大分子侧链上同时存在着亲水性的醜胺基和疏水性的异丙基两部分。
一般而言,在常温下,亲水基团与水分子之间由于强烈的氧键作用力,使PNIPAM分子链溶于水。
随着温度的升高,部分氢键作用力逐渐减弱,而PNIPAM 高分子链中的疏水作用力不断增强[4]。
当达到一定温度时,在疏水基团的相互作用下,高分子链互相聚集,发生体积相转变,并吸收热量;但当水溶液温度降低时,它又能够可逆地恢复到原来的状态而发生溶胀。
这一相变温度称为低临界溶解温度(Low Critical Solution Temperature,LCST),也称为低相变温度或池点温度。
PNIPAM不管以线型还是交联形式存在,都会在低临界溶解温度处体积收缩发生相转变,展现出温度敏感性能。
在LCST附近,PNIPAM凝胶的其他性质如折射率、介电常数、表面能等也会发生突变,同时也具有可逆性[5]。
1.2.2 PNIPAM类温敏性高分子凝胶的温敏机理大多数研究者认为,PNIPAM具有温敏性能与其物质的结构有关。
PNIPAM分子内具有一定比例的疏水性的异丙基和亲水性的酰胺基。
在温度低于LCST时,PNIPAM高分子链中酰胺基与周围水分子间存在着强烈的氢键作用力(亲水作用力),使高分子链与溶剂具有较好的亲和性,此时PNIPAM高分子链呈现出伸展状态,即在LCST以下吸水溶胀。
温度上升,当温度升高至LCST 以上时,水分子与酰胺基之间的亲水作用力减弱,PNIPAM分子链中异丙基间的疏水作用力得以加强,当温度升高至LCST以上时,PNIPAM高分子链中的疏水作用逐渐加强并起主导作用,使得高分子链通过疏水作用互相聚集,形成疏水层,导致水分子排出发生相转变,此时高分子链由疏松的线团结构转变为紧密的胶粒状,产生温敏性。
pnipaam温敏原理
pnipaam温敏原理PNIPAM(Poly(N-isopropylacrylamide))是一种温敏性聚合物,具有独特的温敏响应性质。
它的温敏性原理是在低温下具有良好的溶胀性,而在高温下疏水性上升,从而使其聚集成胶束或沉淀。
本文将详细介绍PNIPAM的温敏原理。
首先,N-异丙基基团是PNIPAM温敏响应性的关键因素之一、N-异丙基基团的存在导致了PNIPAM在低温下具有良好的水溶性和溶胀性。
这是因为N-异丙基基团的存在使PNIPAM链段具有较大的柔性和高度弯曲。
在较低的温度下,水分子能够更好地与PNIPAM链段结合形成氢键,从而增强聚合物与水的相互作用力,使聚合物分子链变得溶胀。
其次,酰胺基也是PNIPAM温敏性的重要组成部分。
在高温下,酰胺基中的氨基会与周围的水分子形成更多的氢键,使聚合物分子链由溶胀态向疏水态转变。
这是因为高温会破坏水分子与聚合物链的相互作用力,使聚合物分子链更有可能与其他聚合物分子链或溶剂分子相互聚集。
当温度发生变化时,PNIPAM的温敏性使其能够呈现不同的物理状态。
在低温下,PNIPAM具有良好的溶胀性,溶解在水中的PNIPAM呈现出单链形态。
当温度升高时,PNIPAM分子链开始紧密地聚集在一起,形成胶束结构。
当温度进一步升高超过PNIPAM的临界溶解温度(LCST),PNIPAM开始从溶液中沉淀出来,形成固体形态。
PNIPAM的LCST通常介于32℃到35℃之间,因此可以根据这个特性来设计和应用PNIPAM材料。
例如,可调控PNIPAM溶液的温度可以使PNIPAM从溶液中沉淀出来,从而实现颗粒的分离和纯化。
此外,温敏PNIPAM胶束被广泛用于药物传递和细胞靶向。
当PNIPAM胶束进入体内后,温度的变化可以导致胶束的聚集和解聚,实现药物的控释。
此外,由于细胞内外温度的差异,PNIPAM胶束也可以在体内实现靶向释放。
除了在生物医学领域的应用外,PNIPAM还被广泛用于智能材料和仿生材料的研究中。
水凝胶的制备及其研究进展
水凝胶的制备及其应用进展摘要水凝胶是一类具有广泛应用的聚合物材料,它在水中能够吸收大量水分而溶胀,并在溶胀之后能够继续保持其原有结构而不被溶解。
由于其特殊的结构和性能,水凝胶自人们发现以来,一直被人们广为研究。
本文综述了近些年国内外在水凝胶制备和在生物医药、环境保护等方面的一些研究进展,并对水凝胶的应用前景做了一些展望。
关键词水凝胶药物释放壳聚糖染料吸附凝胶按照分散相介质的不同而分为水凝胶(hydro-gel)、醇凝胶(alcogel)和气凝胶(aerogel)等。
水凝胶的分散相介质是水,它是由水溶性分子经过交联后形成的,能够在水中溶胀并且保持大量水分而不溶解的胶态物质。
它在水中能够吸收大量的水分显著溶胀,并在显著溶胀之后能够继续保持其原有结构而不被溶解。
[1]正因为水凝胶的这种特性,水凝胶能够对外界环境,如温度、pH、电场、磁场等条件变化做出响应。
近年来,对水凝胶的研究逐渐深入。
水凝胶的应用也越来越广泛,不仅在载药缓释、环境保护方面有很大用途,而且在喷墨打印等方面也有越来越大的作用。
一、水凝胶的制备(一)PVA水凝胶的制备上世纪50年代,日本科学家曾根康夫最早注意到聚乙烯醇(PVA)水溶液的凝胶化现象。
由于PVA水凝胶除了具备一般水凝胶的性能外,具有毒性低、机械性能优良(高弹性模量和高机械强度)、高吸水量和生物相容性好等优点,因而倍受青睐。
PVA水凝胶在生物医学和工业方面的用途非常广泛[2]。
龚桂胜,钟玉鹏[3]等人利用冷冻-解冻法制备了不同类型高浓度聚乙烯醇(PVA)水凝胶,研究了PVA水凝胶的溶胀率、拉伸强度和流变特性。
他们发现不同类型的高浓度 PVA 水凝胶的力学性能相差较大,高分子量的 PVA 水凝胶的拉伸强度较低;这与低浓度的水凝胶相反。
徐冰函[4]首先制备PVA水凝胶,再以PVA 水凝胶作为载体利用反复冷冻的方法成功制备含有二甲基砜的PVA水凝胶。
实验制备的MSM/PVA水凝胶具有优良的理化性能,并且可以用于人工敷料的制备。
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温 敏 性 聚 己 内酯一 聚 N一 异 丙 基 丙烯 酰胺 作 为 抗 癌 药 物 载 体 的 制 备 与 药 物 释 放 的 研 究
酰胺 。
子 聚合 材料 对 紫杉 醇 的释 放 具 有 温度 敏 感性 , 有 望在
抗 癌 药 物 的控 制 释 放 领 域 得 到 广 泛 应 用 。
关键 词 : 温敏性 ; 聚 己 内酯一 聚 N一 异丙基丙 烯酰胺 ;
两亲 性 ; 核 壳 结构 ; 紫杉 醇 ; 控 制 释放
核 壳结构 能 够 稳 定 地 载 药 ,在 温 度 为 1 5 ℃的 D MF
中, 1 2 h 内释 放 了 3 7 的 药物, 而在 温 度 为 3 8 ℃ 的 D MF中 , 1 2 h药物 释放 量 为 8 1 . 4 。这种 两亲性 大分
本 文通 过 R AF T方 法制 备 出 以 卟啉 为 核 , 分子 量 分 布 较窄、 具 有 良好 的 温 敏 性 能且 在 溶 液 中能 形 成 稳 定 胶 束 的两 亲性 二嵌 段 聚合 物 聚 己 内酯一 聚 N 一 异 丙 基 丙 烯
的疏水 性 , 以及 与 相 容性 差 , 限制 了其 在 临床 中 的应 用 。
学 试剂 有 限公 司提 供 , 未 经 进一 步纯 化 。
2 . 2 样 品合成
参照文献 [ 4 ] 合 成 Me s o 一 5 、 1 0 、 1 5 、 2 O 一 四( 对 羟 基 苯基) 卟 啉 。参 照 文 献 [ 5 ] 合 成 四( 2 一 羟 乙基 ) 苯 基 卟 啉 。参 照 文 献 [ 6 , 7 ] 合 成 苄 基 三 硫 代 碳 酸 酯 基 丙 酸
S n Oc t 2 (Al d r i c h) ;己 内 酯 ( £ 一 c a p r o l a c t o n e ,
a l d r i c h ) , 减压 蒸馏 后 使 用 ; 甲苯、 C H C 1 。 、 正 己 烷 分别 用C a l。干燥 、 蒸馏 得到 ; 四氢 呋喃 ( T HF ) 用钠 粒 回流 除水 , 蒸 馏后 使 用 ; N 一 异丙 基丙烯酰胺 ( NI P AAm) 用 正 己烷重 结 晶后 使 用 ; B S P A在 2 5 。 C下 , 抽 真 空 干 燥 1 2 h后 使用 ; 参 照文 献 合 成 得 到 的 卟啉 、 四( 2 - 羟 乙基 ) 苯基 卟啉 、 D MAP在 1 0 0 ℃下真 空干燥 1 2 h后使 用 ; 溴 代 乙醇 ( Al d r i c h ) 。其 它 试 剂 和 溶 液 均 为 国 药 集 团化
中图分类 号 : O6 3 1 文献 标识 码 : A 文章 编号 : 1 O 0 1 — 9 7 3 1 ( 2 0 1 3 ) 0 3 — 0 4 3 5 - 0 7
2 实 验
2 . 1 原 料 和 试 剂
l 引 言
近年来 , 卟啉及 其 衍 生 物 广 泛 地 应 用 在 电致 发 光
聚 N一 异 丙基 丙烯 酰胺 。用 F T I R、 H NM R、 GP C、
有 生物 可降 解性 的智 能 高 分 子 , 将 小 分 子 药 物 通 过 胶
束包 裹运 输 到体 内癌 变 病 灶 部 位进 行靶 向治 疗 , 同 时
不伤 害正 常人 体 细胞 。
T E M、 分 子 荧光 、 变温 紫外 、 粒 度 分布 等手 段 对 聚合 物
径为 1 0 0 n m 左 右 的 胶 束 。这 种 内部 亲脂 外部 亲 水 的
现相对 较 晚 的活 性 可 控 自由基 聚合 方 法 , 但 是 由 于它 适 用 的单体 范 围 较广 、 反 应 条 件 温 和且 易 于 引 入 各 种
官能 团, 所 以在 目前 活性 可 控 聚 合 方 法 中应 用 最 广 。
材料 、 光 电子器 件 、 药物缓 释 和肿 瘤 的光 动态 治 疗等 不
同领域 , 因此设 计 和 合 成 以 卟 啉 为核 的聚 合 物 和 树 枝
状 高分 子受 到越 来越 多研 究 者 的关 注 。以卟 啉衍 生 物
为 内核 , 通 过高 分子 功能 化 , 用 聚合 物外 壳 防 止 卟啉 内 核 的 自猝灭 , 从 而 有 望 高效 地 把 高 浓 度 的光 敏 药 物 递 送 到病 灶部 位l 1 ] 。 同时 , 聚 己内酯 、 聚乳 酸 等作 为生 物 降解高 分子 , 以其 优 异 的生物 降解性 、 生物 相容 性 和 可 生 物 吸收性 , 在 生 物 医 药领 域 中 的药 物 控 制 释 放 方 面 得 到深 入 的研 究 。但 是 , 较 高 的 结 晶 度 和 聚 合 物 主链
王 昊 , 周 志 平 , 戴 晓晖
( 1 . 江 苏大 学 材料科 学 与工 程学 院 ; 江苏 镇 江 2 1 2 0 1 3 ; 2 .江苏 大学 化 学化 工学 院 , 江 苏 镇江 2 1 2 0 1 3 )
摘 要 : 以 卟啉 衍 生物 为 内核 , 采 用 可 逆 加 成一 断 裂 链 转移 ( R AF T) 聚 合 法合 成 了温 度 敏 感 性 聚 己 内酯一
传统 嵌段 共 聚物 的合成 依 赖于 与传 统 的 自由基 聚 合链 两端 的官 能 团 的 聚 合 物 的耦 合 , 它 的缺 点 是 很 难
控制最 终 产 品的结 构 和分子 量 。R AF T 聚合虽 然 是 出
进行 了表 征 , 并 以紫杉 醇为模 型 药物 分子 , 进 行 了药物 释 放 测试 。 结果表 明 , 聚合物 自组装后 , 形成 了平 均直