兩親性聚氨酯的設(shè)計(jì)合成及其組裝行為研究

秦佳樂(lè)，李奇洋，楊 蕊，喬澤玉，劉 英，高湜茹，常天宇，賈小平，趙旭峰，張葉臻*，程新峰*

(1.南陽(yáng)師范學(xué)院 化學(xué)與制藥工程學(xué)院，河南 南陽(yáng) 473061；2.南陽(yáng)金牛彩印集團(tuán)有限公司，河南 南陽(yáng) 473000)

近年來(lái)，納米粒子在藥物傳輸體系中的應(yīng)用引起了人們的普遍關(guān)注[1-2]。其中，聚合物膠束作為一種極具潛力的納米藥物傳輸載體得到了廣泛關(guān)注和研究[3-4]。膠束的疏水性內(nèi)核能夠包載疏水性藥物，如阿霉素(DOX)、紫杉醇(PTX)等，運(yùn)載藥物的濃度遠(yuǎn)大于藥物在水中的飽和濃度。另外，膠束親水鏈形成的外殼能保護(hù)核中藥物以避免其水解和酶解，從而能夠延長(zhǎng)藥物在血液中的循環(huán)時(shí)間。但是，當(dāng)載藥膠束到達(dá)靶向部位后，其親水殼層會(huì)大大制約其與細(xì)胞膜的作用，并延緩藥物的釋放[5]。

為了解決上述問(wèn)題，人們將環(huán)境響應(yīng)性斷裂基團(tuán)引入到核層和殼層之間，發(fā)展了一系列具有環(huán)境響應(yīng)性能的殼層可脫落型聚合物膠束載體材料，可有望解決長(zhǎng)循環(huán)聚合物膠束殼層這一問(wèn)題，提高藥物的生物利用度[6-7]。縮醛鍵，是一種在酸性pH條件下能夠發(fā)生水解降解的基團(tuán)[8-9]。鑒于人體腫瘤部位的酸性pH環(huán)境，若能將縮醛鍵作為可斷裂基團(tuán)引入到膠束的內(nèi)外層之間，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)載藥膠束在腫瘤部位的定點(diǎn)、觸發(fā)式控制釋放，而且其在pH響應(yīng)下的殼層可脫落特性能夠促使藥物快速、完全地釋放，從而提高藥物的生物利用率[10-12]。然而目前，有關(guān)含縮醛鍵的殼層可脫落型膠束研究還較少。

在本研究中，我們將具有良好生物相容性以及靈巧結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性的聚氨酯作為膠束主體材料，通過(guò)在聚氨酯的親水鏈段和疏水鏈段之間引入pH響應(yīng)可斷的縮醛鍵，從而制備出具有pH響應(yīng)特性的殼層可脫落型聚氨酯膠束，將有效解決長(zhǎng)循環(huán)聚合物膠束殼層的延緩藥物釋放問(wèn)題，提高藥物的生物利用度，其設(shè)計(jì)與制備具有很大的研究意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 藥品試劑

異氟爾酮二異氰酸酯IPDI、丁二醇BDO、對(duì)羥基苯甲醛HBD、二月桂酸二丁基錫DBTDL、對(duì)甲苯磺酸p-TSA(高純?cè)噭虾０⒗』瘜W(xué)試劑有限公司)；聚醚二醇N-120(Mn=1000，柏斯托上海化工產(chǎn)品公司)；四氫呋喃THF、石油醚(分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司)。

1.2 兩親性聚氨酯膠束的制備

1.2.1 兩親性聚氨酯的合成

圖1 兩親性嵌段聚氨酯合成路線示意圖

首先，通過(guò)縮聚反應(yīng)合成出含有丁二醇(BDO)和異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)單元的聚氨酯預(yù)聚物；其次，加入對(duì)羥基苯甲醛合成兩端含有醛基的疏水PU段；之后以親水性聚醚二醇(N-120)作為封端劑，通過(guò)縮醛化反應(yīng)，合成出親疏水段間通過(guò)縮醛鍵連接的兩親性嵌段聚氨酯(如圖1所示)。具體步驟如下：通過(guò)一鍋縮聚反應(yīng)法，將1.0 g BDO(0.01 mol)和催化量的DBTDL(約15 mg) 于 40 ℃下溶解于30 mL無(wú)水THF中，通氮?dú)?30 分鐘后，將 2.71 g IPDI(0.012 mol)逐滴加入到上述體系中，滴加完畢后升溫至 50 ℃，氮?dú)獗Ｗo(hù)下磁力攪拌反應(yīng) 12h，接著，向上述體系中加入0.08 g對(duì)羥基苯甲醛HBD(0.65 mmol)，繼續(xù)反應(yīng)5h；最后，向體系中加入 0.65 g 聚醚二醇N120 (Mn=1000,0.65 mmol)及催化量對(duì)甲苯磺酸p-TSA，并加入15 g的5?分子篩繼續(xù)反應(yīng)24h。將產(chǎn)物加入三乙胺中和后在大量的乙醚中沉淀，而后通過(guò) THF溶解/乙醚沉淀循環(huán)三次后過(guò)濾并真空干燥，得到白色粉末狀固體產(chǎn)物聚氨酯(N120-acetal-PUB-acetal-N120)，產(chǎn)率67%。

1.2.2 聚氨酯膠束的制備

采用“透析法”制備出聚氨酯膠束水溶液，具體操作如下所示：將 0.5 g 聚合物N120-acetal-PUB-acetal-N120溶解于2 mL THF溶劑中，然后逐滴加入到 50 mL 蒸餾水中，上述溶液經(jīng)透析袋(截留分子量3500 Da)密封后置于500 mL蒸餾水中透析，定期換水，透析兩天后即得到聚氨酯膠束水溶液。

1.3 聚氨酯膠束的臨界膠束濃度(CMC)測(cè)定

聚合物N120-acetal-PUB-acetal-N120的CMC值通過(guò)焚光分光光度計(jì)檢測(cè)，以芘作為熒光探針。首先配置芘的標(biāo)準(zhǔn)溶液：稱取0.05059g芘于10 mL容量瓶，丙酮定容后吸取1 mL于25 mL容量瓶，定容，即得1.0×10-3mol/L芘的標(biāo)準(zhǔn)溶液。吸取50 μL此標(biāo)準(zhǔn)溶液于一系列25 mL容量瓶中，放置過(guò)夜使丙酮揮干。隨后配置1 mg/mL的聚合物水溶液，分別吸取5 mL、2.5 mL、1 mL、0.25 mL、0.025 mL、0.005 mL、0.0025 mL于上述含芘的容量瓶中，加蒸餾水定容，即得濃度分別為0.2 mg/mL、0.1 mg/mL、0.04 mg/mL、0.01 mg/mL、1.0×10-3mg/mL、2.0×10-4mg/mL、1.0×10-4mg/mL的聚合物水溶液。超聲振蕩半小時(shí)，使得芘均勻分散其中，并在黑暗中平衡24小時(shí)后進(jìn)行測(cè)試。記錄在390 nm發(fā)射波長(zhǎng)下334 nm和331 nm處的激發(fā)光強(qiáng)度。以聚合物濃度為橫坐標(biāo)，I334/I331為縱坐標(biāo)作圖，切線交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的濃度即為膠束的CMC值。

1.4 聚氨酯膠束的穩(wěn)定性分析

為了檢測(cè)上述制備的聚氨酯膠束溶液的穩(wěn)定性，將聚氨酯膠束溶液室溫放置，通過(guò)動(dòng)態(tài)光散射(DLS)儀器測(cè)試其不同放置時(shí)間的粒徑變化來(lái)測(cè)試其穩(wěn)定性。

2 結(jié)果與討論

2.1 嵌段聚氨酯N120-acetal-PUB-acetal-N120的結(jié)構(gòu)表征

采用縮聚反應(yīng)及縮醛化反應(yīng)，合成出了以聚乙二醇衍生物N120作為親水鏈、BDO及IPDI縮聚產(chǎn)物作為疏水性聚氨酯鏈及二者之間通過(guò)縮醛鍵接的嵌段型聚氨酯N120-acetal-PUB-acetal-N120，通過(guò)核磁1H NMR和紅外FTIR、凝膠滲透色譜GPC手段對(duì)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。

N120-acetal-PUB-acetal-N120聚合物的核磁數(shù)據(jù)如下所示：1H NMR (400 MHz,CDCl3):δ (ppm): 0.82-1.91 I[PDI單元：C-(CH3)2,C-CH3,-CH2- ；BDO單元： -O-CH2-CH2； N-120單元：CH3-CH2-C] ，2.85 (-CH2-NHCOO-)，3.41 (N-120單元：CH3O- )，3.48-3.90 (N-120單元：-CH2CH2O- )，4.15(BDO單元：-O-CH2-CH2；CH3-CH2-C-CH2-O-)，5.11(環(huán)縮醛：-O-CH-Ar),6.89 and 7.68 (苯環(huán)：-CH- )。通過(guò)聚合物的核磁數(shù)據(jù)可以看出，在9.7 ppm左右未出現(xiàn)醛基的信號(hào)峰，而在5.1左右出現(xiàn)了一個(gè)屬于環(huán)縮醛的特征峰，表明聚合物中環(huán)縮醛結(jié)構(gòu)的形成。此外，通過(guò)嵌段聚氨酯的FTIR紅外圖譜可以看出(圖2)，1712和1538 cm-1處出現(xiàn)明顯的氨基甲酸酯基團(tuán)的特征吸收峰，1120 cm-1處為N-120中C-O-C鍵的伸縮振動(dòng)峰，765和669 cm-1處則為苯環(huán)的C-H振動(dòng)峰。此外，通過(guò)凝膠滲透色譜GPC測(cè)試得到該聚合物的分子量為5730(PDI～1.45)，如圖3所示。上述測(cè)試結(jié)果表明，以N-120作為親水鏈段，IPDI和BDO作為疏水鏈段，環(huán)縮醛鍵作為親疏水段連接點(diǎn)的兩親性嵌段聚氨酯N120-acetal-PUB-acetal-N120被成功合成。

圖2 聚氨酯N120-acetal-PUB-acetal-N120的紅外FTIR譜圖

圖3 聚氨酯N120-acetal-PUB-acetal-N120的凝膠滲透色譜GPC譜圖

2.2 聚氨酯膠束的臨界膠束濃度(CMC)

圖4 水溶液中芘的熒光強(qiáng)度比值I334/I331隨聚合物濃度變化曲線

鑒于該嵌段聚氨酯共聚物的兩親特性，其在水溶液中能夠自組裝成膠束狀聚集體結(jié)構(gòu)。為了驗(yàn)證該聚合物在水溶液中的自組裝行為，我們通過(guò)芘探針?lè)y(cè)定了該聚合物的臨界膠束濃度。通過(guò)保持芘的濃度不變，設(shè)定芘的最大發(fā)射光波長(zhǎng)為397 nm，我們測(cè)定了一系列不同濃度的聚合物水溶液在334 nm和331 nm處的激發(fā)光強(qiáng)度變化。進(jìn)一步求得334 nm和331 nm處的熒光強(qiáng)度比值I334/I331，并與聚合物濃度的對(duì)數(shù)作圖，得到如圖4所示的曲線。由圖得知，在低濃度范圍內(nèi)，即1.0×10-4至1.0×10-2mg/mL區(qū)間內(nèi)，隨聚合物濃度增加， I334/I331比值略有增長(zhǎng)；而當(dāng)聚合物濃度進(jìn)一步增加，在1.0×10-2至0.2 mg/mL區(qū)間內(nèi)，熒光強(qiáng)度比值I334/I331呈線性增長(zhǎng)，表明在該區(qū)間濃度范圍內(nèi)聚合物發(fā)生了膠束化自組裝行為，而兩個(gè)區(qū)間的切線交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的濃度即為臨界膠束濃度CMC值。經(jīng)測(cè)定，嵌段聚氨酯N120-acetal-PUB-acetal-N120的CMC值約為0.011 mg/mL，表明該聚合物在較低的濃度下即可發(fā)生膠束化自組裝行為。

2.3 聚氨酯膠束的表征

鑒于嵌段聚氨酯的兩親特性，其能夠在水溶液中自組裝為膠束型聚集體結(jié)構(gòu)。在高于臨界膠束濃度CMC之上，我們通過(guò)直接溶解法制備了該聚合物膠束水溶液。通過(guò)動(dòng)態(tài)光散射DLS和原子力顯微鏡AFM表征了該膠束的粒徑分布及微觀形貌，如圖5、圖6所示。

圖5 聚氨酯膠束的粒徑分布DLS圖

圖6 聚氨酯膠束的AFM圖

由DLS粒徑分布圖可以看出，聚氨酯膠束粒徑約為190 nm，分布寬度為0.189。從其AFM圖片可以看出，膠束顆粒呈球形，粒徑約為178 nm，基本與DLS數(shù)據(jù)一致。鑒于該嵌段聚氨酯的膠束化自組裝特性，其疏水膠束內(nèi)核可用于包載化療藥物，親水性外殼起到穩(wěn)定膠束聚集體作用，因此可作為包載疏水性藥物的納米載體材料。

2.4 聚氨酯膠束的穩(wěn)定性

圖7 聚氨酯膠束隨時(shí)間變化的粒徑分布DLS圖

通過(guò)臨界膠束濃度測(cè)試表明，該聚氨酯膠束具有較低的CMC值，這有利于形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的聚合物膠束。為了進(jìn)一步研究其形成膠束的穩(wěn)定性，我們測(cè)試了該聚合物膠束不同放置時(shí)間下的粒徑分布圖。如圖8所示，放置9天后，聚合物膠束的粒徑分布變化比較小，粒徑在190～230 nm范圍內(nèi)變化，分布寬度范圍為0.189～0.255；22天后，粒徑增大到390 nm左右，粒徑分布變寬(0.322)。以上結(jié)果表明，該聚氨酯膠束具有較好的膠束穩(wěn)定性。

3 總結(jié)

本研究通過(guò)縮聚和縮醛化反應(yīng)合成出了親疏水段間通過(guò)縮醛鍵連接的兩親性嵌段聚氨酯N120-acetal-PUB-acetal-N120。研究發(fā)現(xiàn)，該聚合物膠束臨界膠束濃度為0.011 mg/mL，表明該聚合物在較低濃度下即可發(fā)生膠束化自組裝行為。動(dòng)態(tài)光散射DLS和原子力顯微鏡AFM分析表明，該聚合物能夠在水溶液中自組裝成球形膠束結(jié)構(gòu)，粒徑約為190 nm。此外，該膠束還具有較好的組裝穩(wěn)定性。綜上所述，我們成功制備了縮醛鍵接嵌段聚氨酯膠束，該納米膠束有望成為一類新型的納米藥物載體材料。