一種兩親性pH響應嵌段共聚物PEG-b-AAm的合成

趙云飛, 甘學蘭, 陳 俊, 鄭天野, 王 帆, 于 超

(重慶醫科大學 藥學院, 重慶 400016)

嵌段共聚物(BlockCopolymer)是將不同性質的聚合物鏈段相互連接在一起制備而成的特殊聚合物[1]。其中,兩親性嵌段共聚物除了能夠將多種鏈段的優良性質結合在一起,還能使共聚物在溶液中的自組裝過程中具備形態多變、形貌豐富以及弱刺激強響應等優勢[2-4]。因此,近年來科研人員密切關注嵌段共聚物在高分子材料自組裝及藥物遞送領域的應用[5]。對嵌段聚合物的分子結構與組成設計,分子量的控制已成為高分子研究領域中最富有意義且具有挑戰性的研究工作之一[6-7]。

聚乙二醇(PEG)在水中溶解度高,并與許多有機物組分有良好的相溶性,是醫藥載體的重要原料[8-9]。然而,聚乙二醇無法單獨在水溶液中組裝成膠束,限制了其在生物及藥物遞送等領域的應用。甲基丙烯酸丙酯(Allyl Methacrylate)及其聚合物的疏水性較強,是一種重要的有機化學合成原料及聚合物制備中間體。基于此,設想將聚甲基丙烯酸丙酯作為其中一條鏈段連接在PEG上,有望制備生物相容性良好的兩親性共聚物,并在水溶液中自組裝形成膠束,進而用于輔助醫藥載體的響應中。響應型載體遞送系統是一種功能性遞送系統,通常在某些特定刺激下釋放藥物[10]。pH響應載體由于能夠在人體內的各種微酸性環境下進行響應性的化學鍵斷裂[11],為響應型載體的構建提供了新的策略[12]。

因此,為給pH響應型載體的制備和開發提供新的思路,本文合成了一種新型的具有酸性響應的共聚物鏈段前體分子(E)-3-((2-氨基乙基)氨甲酰)-6-甲基丙烯酰胺基-2-甲基-6-氧代苯-2-烯酸(Scheme 1,化合物4),并進一步將其作為第二種鏈段與甲基丙烯酸丙酯通過可逆加成-斷裂鏈轉移聚合(RAFT)反應共聚在與4-甲基4-((苯基碳硫酰基)硫代)戊酸(CPADN)修飾后的PEG(PEG-CPADN,化合物6)中,形成一種具有pH響應的兩親性嵌段共聚物PEG-b-AAm(化合物化合物8),并對PEG-b-AAm在水溶液中的膠束自組裝及pH響應能力進行了初步探究。

Scheme 1

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

FEI Tecnai G2 F30 S-TWIN型場發射透射電鏡;Bruker Avance III 600 MHz型核磁共振譜儀;Telstar lyoquest-85型真空冷凍干燥機;Agilent 1290 Infinity II Multisampler型液相色譜-三重四級桿串聯質譜儀;Thermo fisher Nicolet iS10型紅外光譜分析儀。

甲基丙烯酰氯、草酰氯、吡啶、石油醚(bp: 60～90 ℃)、乙酸乙酯、無水NaSO4、正丙醇、二氯甲烷、N,N-二甲基甲酰胺、氯化銨、氯化鈉、4,4′偶氮雙(4-氰基戊酸)、無水乙醇、偶氮二異丁腈(上海麥克林生化科技有限公司);甲基丙烯酸正丙酯(阿法埃莎化學有限公司);2,5-二羥基-4-甲基-2,5-二氧代-3-3呋喃丙酸(阿拉丁生化科技股份有限公司);乙二胺、1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺鹽酸鹽、N-羥基磺基琥珀酰亞胺(西格瑪-奧德里奇貿易有限公司);MeO—PEG—COOH(西安瑞禧生物科技有限公司);三乙胺、無水乙醚(成都科隆化學品有限公司);雙硫代苯甲酰基二甲醚(日本TCL谷川油化興業株式會社)。

1.2 合成

(1) (E)-3-((2-氨基乙基)氨甲酰)-6-甲基丙烯酰胺基-2-甲基-6-氧代苯-2-烯酸(4)的合成

將100 mg 2,5-二羥基-4-甲基-2,5-二氧代-3-3呋喃丙酸,15.0 μL DMF和4.0 mL CH2Cl2加入10.0 mL反應瓶中。取90.0 μL草酰氯分散在0.5 mL CH2Cl2中, 0～5 ℃下滴加至反應瓶中,滴畢反應15 min,室溫反應2 h。減壓濃縮除去溶劑,殘余物重新分散于4.0 mL CH2Cl2中,加入350 mg甲基丙烯酰胺,吡啶10.0 μL,室溫攪拌過夜。加入等體積飽和NH4Cl溶液終止反應,分液,收集有機相,用飽和食鹽水洗滌3次,無水Na2SO4干燥5 h,過濾,濾液旋蒸,得化合物3164 mg,產率70.2%。將3與70.0 μL乙二胺加入5.0 mL DMSO中,N2保護下室溫攪拌反應24 h,得(E)-3-((2-氨基乙基)氨甲酰)-6-甲基丙烯酰胺基-2-甲基-6-氧代苯-2-烯酸(4)。1H NMR(600 MHz, DMSO-d6)δ: 7.57(s, 1H), 6.99(s, 1H), 5.69(s, 1H), 5.33(s, 1H), 3.38～3.50(m, 4H), 2.40～2.55(m, 4H), 1.86(s, 3H), 1.22(s, 3H); HPLC-MS(ESI)m/z: 312.3{M+H]+}。

(2) PEG-CPADN(6)的合成

取4-甲基4-((苯基碳硫酰基)硫代)戊酸250 mg, 1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺鹽酸鹽77.6 mg,N-羥基磺基琥珀酰亞胺46.0 mg溶解于10.0 mL CH2Cl2中,攪拌活化2～3 h,稱取MeO-PEG-COOH 100 mg溶解于10.0 mL CH2Cl2中,緩慢滴加入反應瓶中;室溫反應過夜后,將溶液滴入50.0 mL 乙醚中4 ℃重結晶,收集底層固體產物PEG-CPADN(6) 254 mg,產率72.6%; IRν: 1100, 1170, 1544, 1635, 2850, 3375。

(3) PEG-b-AAm(8)的合成

取化合物650.0 mg,甲基丙烯酸丙酯9.61 mg, 化合物423.3 mg,AIBN 0.85 mg,溶解于15.0 mL干燥后的DMF中,N2保護下70 ℃反應24 h,后減壓濃縮除去DMF,將產物溶解于5.0 mL蒸餾水中,用超純水透析24 h,凍干,得PEG-b-AAm(8) 10.3 mg,產率20.6%， 核磁共振氫譜圖如圖1所示。1H NMR(600 MHz, DMSO-d6)δ: 5.61～5.68(聚合物中O=C—NH), 3.62～3.64(聚合物中PEG片段),3.33(—CH2—CH2—), 2.50～2.51(聚合物中甲基、亞甲基)。

1.3 化合物8的自組裝及酸性響應性能評價方法

自組裝:取少量化合物8粉末,溶解于1.0 mL去離子水中,室溫放置0.5 h后,使用TEM拍攝膠束的電鏡圖。

酸性響應:取1.0 mL自組裝后的化合物8膠束溶液,用醋酸鈉緩沖液(pH 5.5)稀釋,并放置在EP管中。通過TEM監測降解,并在0 h、 4 h、 6 h和12 h后拍攝膠束的電鏡圖。

2 結果與討論

2.1 化合物8的分子量表征

除化學結構外,為驗證化合物8成功聚合為高分子化合物,使用凝膠滲透色譜對化合物8的分子量進行了探究。從圖2可知,化合物8分子量約為10000左右。核磁共振氫譜結果表明了一種新型的嵌段共聚物化合物8被成功合成。

Slice Log MW

2.2 自組裝性能表征

隨著化合物8進入到水相,不溶于水的甲基丙烯酸丙酯及(E)-3-((2-氨基乙基)氨甲酰)-6-甲基丙烯酰胺基-2-甲基-6-氧代苯-2-烯酸鏈段(AAm)逐漸向內蜷縮,形成疏水內核,而易溶于水的PEG鏈段仍然能充分延展,形成膠束的外殼[13]。因此,利用嵌段共聚物化合物8的兩親性,進行自組裝,就可獲得化合物8的聚合物膠束。從下面的負染TEM圖中(圖3)可以明顯地觀察到粒徑100～200 nm的聚合物膠束的形成。

圖3 8在水中自組裝后的負染TEM圖

δ

2.3 化合物8的pH響應能力表征

在pH為5.5的醋酸鈉緩沖液中,化合物8的崩解表現出了持續性的、時間依賴的模式(圖4)。在0 h時(圖4 a),化合物8在溶液中表現為形狀較為200 nm的規整球形;4 h后(圖4 b),膠束邊緣逐漸趨于不穩定的狀態,粒徑仍然約為200 nm左右;6 h時(圖4 c),膠束由于內核作用力的減弱,進一步崩解并形成了一些粒徑1000 nm左右的不規則形狀的聚集體;最終,在12 h時(圖4 d),膠束邊緣發生了破裂,表明化合物8發生了崩解。

圖4 8在pH=5.5的醋酸鈉緩沖液中的崩解TEM圖: a:0 h; b:4 h; c:6 h; d:12 h

本研究合成了一種具有pH響應能力的共聚物單體鏈段(E)-3-((2-氨基乙基)氨甲酰)-6-甲基丙烯酰胺基-2-甲基-6-氧代苯-2-烯酸,并將其與甲基丙烯酸丙酯通過RAFT反應共聚在PEG上,制備得到了一定嵌段比的嵌段共聚物PEG-b-AAm。而由于PEG-b-AAm具有兩親性及pH響應能力,易在形成膠束后再次響應性崩解,因此可作為納米遞送載體的輔助分子,幫助載體更好地釋放,展現出了應用于醫藥化工領域的良好前景。