四臂星形嵌段共聚物s-PDLLA-b-PEG的合成*

魏芬芬, 林雅鈴 , 張安強, 陳秀云, 王煉石

(1. 華南理工大學 材料科學與工程學院,廣東 廣州 510641; 2. 華南農業大學 資源環境學院,廣東 廣州 510642)

聚乳酸(PLA)由于其良好的生物相容性、無毒性及生物降解性，在生物醫學及藥物控制釋放等領域得到了廣泛研究和應用。但是由于PLA具有很強的疏水性，影響了其在生物醫藥方面的應用，用聚乙二醇(PEG)對PLA改性得到的嵌段共聚物，可以提高PLA的親水性。以PEG為親水嵌段、以PLA等為疏水嵌段的兩親性嵌段共聚物，因其具有較高的負載藥物能力，可防止蛋白質的吸附并躲避網狀內皮系統的識別與吞噬，以及易通過生理屏障等優點，是目前納米制藥研究領域的關注焦點[1～6]。研究表明[7～9]：與相同分子量的線性聚合物相比，星形聚合物具有較小的流體力學體積和較低的粘度，而其降解速率卻比線性聚合物要大，更有利于藥物的負載和輸送。

Scheme1

魏宏亮等[10]以星形PEG為核，以乳酸為原料，采用直接法合成了多臂星形聚乙二醇-聚乳酸嵌段共聚物。由于直接法合成過程中副反應較多，所合成的星形嵌段共聚物分子量分布較寬，產物結構不易控制。與乳酸的直接聚合相比，以丙交酯開環聚合更為可控，產物純度高，分子量分布窄，因而更適合合成結構精確可控的嵌段共聚物。

本文以季戊四醇引發D,L-丙交酯開環聚合制得末端為羥基的四臂星形聚乳酸(s-PDLLA);s-PDLLA與羧基封端的聚乙二醇單甲醚(CT-mPEG)完成酯化反應,合成了以季戊四醇為核，以PLA為內部嵌段、PEG為外部嵌段的四臂星形聚(D,L-乳酸)-聚乙二醇嵌段共聚物(s-PDLLA-b-PEG, Scheme 1),其結構經1H NMR, IR和GPC表征。

1 實驗部分

1．1 儀器與試劑

Brucker Avance DRX-300型核磁共振儀(CDCl3為溶劑,TMS為內標);Brucker Vector 33型紅外光譜儀(KBr壓片);Waters 1515-2414型凝膠滲透色譜儀(GPC)。

聚乙二醇單甲醚(mPEG, Mn=750, 1 900),N,N′-二環已基碳酰亞胺(DCC)和4-二甲氨基吡啶(DMAP), Alfa Aesar；辛酸亞錫[Sn(Oct)2]和季戊四醇,Sigma; D,L-丙交酯,自制,用乙酸乙酯重結晶5次,真空干燥保存;其它試劑均為市售分析純試劑。

1．2 合成

(1) CT-mPEG的合成

在三口燒瓶中加入mPEG(Mn=750) 4.5 g(6 mmol)和丁二酸酐630 mg(6.3 mmol),按總質量的3%加入對甲苯磺酸157 mg(0.91 mmol),氮氣保護,攪拌下于70 ℃反應3 h～4 h。粗品用三氯甲烷溶解，依次用稀鹽酸(pH 5, 50 mL)和蒸餾水(50 mL)洗滌，蒸除三氯甲烷后真空干燥得無色透明液體CT-mPEG750;1H NMRδ: 4.24(m, d,e′-H), 2.66(d, c-H); IRν: 1 735(C=O), 1 170(C-O), 2 881(CH2) cm-1。

用類似方法以Mn=1 900的mPEG制得CT-mPEG1900。

(2)s-PDLLA的制備[11]

在聚合管中加入D,L-丙交酯2.88 g(20 mmol),季戊四醇272 mg(0.2 mmol)和Sn(Oct)240.4 mg(0.01 mmol),真空封管,磁力攪拌下于135 ℃反應24 h。粗品用二氯甲烷溶解，甲醇沉淀，過濾，濾餅真空烘干得白色粉末s-PDLLA100;1H NMRδ: 5.18(m, b-H), 4.36(s, b′-H), 4.15(s, a-H), 1.56(m, b-CH3); IRν: 2 995(CH3), 2 945(CH), 2 881(CH2), 1 754(C=O) cm-1;表征數據與文獻[11，13]值一致，說明s-PDLLA為預期的星形聚乳酸。

D,L-丙交酯20 mmol,分別按r=n(丙交酯) ∶n(季戊四醇)=50 ∶1, 75 ∶1和200 ∶1加入季戊四醇,同法制得s-PDLLAr(r=50, 75, 200)。

(3)s-PDLLA-b-PEG的合成

在三口燒瓶中加入s-PDLLA100550 mg(0.05 mmol), CT-mPEG750179 mg(0.21 mmol), DMAP 6 mg(0.05 mmol), DCC 51.5 mg(0.25 mmol),二氯甲烷15 mL，氮氣保護,磁力攪拌下于室溫反應24 h。粗品揮發二氯甲烷后用丙酮沉析,過濾,濾餅揮發丙酮,用三氯甲烷溶解，依次用稀鹽酸(pH 5, 50 mL)和蒸餾水(50 mL)洗滌，蒸除三氯甲烷后真空烘干得白色粉末s-PDLLA100-b-PEG750。

用類似方法制備s-PDLLAr-b-PEG750和s-PDLLAr-b-PEG1900。

2 結果與討論

本文采用先核后臂的方法合成s-PDLLA-b-PEG，即先合成s-PDLLA，然后在其四個臂末端接上PEG(星形聚乳酸和聚乙二醇單甲醚的末端均為羥基，二者難以反應，本文采用丁二酸酐對聚乙二醇單甲醚進行改性，制備羧基封端聚乙二醇單甲醚)，因此合成s-PDLLA-b-PEG的關鍵步驟是合成s-PDLLA。

2．1 r對s-PDLLA分子量的影響

s-PDLLAr的GPC曲線均為單峰。r對s-PDLLA分子量的影響見表1。由表1可見，相對分子量分布較窄(PDI=1.1～1.3),相對分子量1×104～4×104，且隨著r的增加而上升，分子量范圍可基本滿足藥物負載要求。

表 1 r對s-PDLLA分子量的影響*Table 1 Effect of r on molecular weight of s-PDLLA

*Calcd, NMR和GPC分別表示理論計算值,1H NMR推算值和GPC測試值

2．2 s-PDLLA-b-PEG的結構表征

s-PDLLA, CT-mPEG和s-PDLLA100-b-PEG750的IR和1H NMR譜圖見圖1和圖2。由圖1可見，s-PDLLA100-b-PEG750在2 881 cm-1處的吸收峰與s-PDLLA相比明顯增強，此峰正是PEG鏈段中-CH2-的振動吸收峰；1 750 cm-1處的強吸收峰則歸屬于s-PDLLA酯基單元中C=O的強特征吸收峰，這些證實s-PDLLA與CT-mPEG發生了共聚反應。

ν/cm-1圖 1 聚合物的IR譜圖Figure 1 IR spectra of polymers

δ圖 2 聚合物的1H NMR譜圖Figure 2 1H NMR spectra of polymers

圖2進一步證實了s-PDLLA100-b-PEG750為聚乳酸-聚乙二醇嵌段共聚物。4.15(s, a-H), 5.18(m, b-H)和1.58(s, b-CH3)與s-PDLLA的特征信號峰一致，差別在于s-PDLLA末端受-OH影響的4.36(m, b′-H)特征峰完全消失，這充分說明s-PDLLA的末端-OH與CT-mPEG末端-COOH發生了反應，s-PDLLA100-b-PEG750中PEG鏈段的特征峰也與CT-mPEG相符。

相對分子質量的改變也是判斷s-PDLLA與CT-mPEG是否發生共聚反應的重要依據。與s-PDLLA100的GPC曲線相比，s-PDLLA100-b-PEG750的GPC曲線出現左移，保留時間縮短，說明所得產物相對分子質量增大，s-PDLLA100與CT-mPEG750發生了反應，且產物的分子量分布仍保持較窄的特征。通過1H NMR峰面積也可以計算嵌段共聚物的相對分子量，由于PLA的每個臂上都只能接一個聚乙二醇單甲醚的鏈段，根據CT-mPEG的Mn，可以推算出每個臂上的(-CH2CH2O-)單元數，繼而b-H和e-H峰面積的比例可以計算出平均每個臂上乳酸單元數，從而得到s-PDLLA與CT-mPEG的Mn，結果見表2。從表2可以看出，PEG的Mn為750時，隨著s-PDLLA相對分子量的增大，s-PDLLA與CT-mPEG的相對分子量也增大；PEG的Mn為1 900時，也呈現出同樣的趨勢；保持s-PDLLA的相對分子量不變，如s-PDLLA50-CT-mPEG1900與s-PDLLA50-CT-mPEG750相比，其相對分子質量明顯增大，NMR和GPC測得的結果顯示出相同的規律，表明所得產物為聚乳酸-聚乙二醇嵌段共聚物。

表 2 s-PDLLA與CT-mPEG的相對分子質量*Table 2 The molecular weight of s-PDLLA與CT-mPEG

*同表1

3 結論

采用兩步法合成了星形聚乳酸-聚乙二醇嵌段共聚物，即首先采用間接法合成四臂星形聚乳酸，繼而通過與端羧基聚乙二醇單甲醚進行酯化反應合成星形聚乳酸-聚乙二醇嵌段共聚物。經1H NMR, IR和GPC表征證實所合成的產物為以季戊四醇為核，以聚乳酸為內部嵌段、聚乙二醇為外部嵌段的四臂星形聚(D,L-乳酸)-聚乙二醇嵌段共聚物。

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