一種原位凝膠化溫度敏感型液體栓塞材料
——(Ⅰ)制備及性能研究

朱肖杰，朱小敏，孟建文，羅西友，李紅梅，張素文，王傳棟，馮圣玉

(1.山東大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，濟(jì)南 250100；2.山東省藥學(xué)科學(xué)院，濟(jì)南 250101； 3.山東省醫(yī)用高分子材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250101)

1 引 言

血管內(nèi)的介入栓塞治療作為腫瘤的主要治療手段之一，已廣泛應(yīng)用于臨床[1-3]。栓塞治療的效果在很大程度上決定于栓塞材料的選用。目前，最常用的液體栓塞材料為氰丙烯酸酯類粘附性栓塞材料，但其缺點(diǎn)是有將微導(dǎo)管粘附于血管壁的危險(xiǎn)。非粘附性的液體栓塞材料已被不斷開發(fā)并應(yīng)用于腦AVM的栓塞治療，目前應(yīng)用的大多數(shù)非粘附性的液體栓塞材料需要用有機(jī)溶劑作為輸送載體，而有機(jī)溶劑又有一定的血管毒性作用，限制了其在臨床上的廣泛應(yīng)用。因此，選用無(wú)需有機(jī)溶劑的非粘附性液體栓塞材料，是今后液體栓塞材料研究開發(fā)和應(yīng)用的方向[4]。

聚(N-異丙基丙烯酰胺)(PNIP)，其水溶液及水凝膠具有特殊的溫度敏感性，水溶液在304 K左右發(fā)生相分離，相變點(diǎn)的溫度定義為最低臨界溶解溫度(LCST)[5]，利用這種可逆的溫度敏感性，在藥物控制釋放、濃縮分離酶、微生物等活性物質(zhì)、固定化酶等方面有巨大的應(yīng)用前景[6]。

我們?cè)?jīng)成功制備了聚(N-異丙基丙烯酰胺-co-N-正丙基丙烯酰胺)，配以顯影劑溶液得到溫敏栓塞劑[7]；此栓塞劑使用時(shí)聚合物從溶劑中沉淀分離出來(lái)達(dá)到栓塞的目的，但是栓塞劑固含量低，粘度高，顯影劑一般都隨溶劑流失，無(wú)法存留與沉淀后的固體中，適合AVM類的小病灶，但是對(duì)于像肝癌、肺癌、腎癌、動(dòng)靜脈瘺等實(shí)體比較大的腫瘤就不合適，需要栓塞劑的量較大，且沉淀出的固體小且柔軟，栓塞程度較弱，容易再通。針對(duì)此情況，我們研究開發(fā)了新型的原位凝膠化的溫度敏感型液體栓塞材料，栓塞材料原位凝膠化后形成比較大的栓塞體，可快速而有效的對(duì)病灶進(jìn)行栓塞，同時(shí)將顯影劑保留在固化后的凝膠中，達(dá)到術(shù)后顯影的目的，拓展了溫敏液體栓塞劑的適用范圍[8]。

原位凝膠化溫度敏感型液體栓塞材料選擇了兩種具有不同疏水能力的單體，通過(guò)自由基共聚，制備了一系列具有可調(diào)LCST及相變速度的新的溫度響應(yīng)性共聚物聚(NIP-co-BMA)，探討了共聚單體比例對(duì)LCST及相變速度的影響以及原位凝膠化狀態(tài)的影響。通過(guò)調(diào)節(jié)共聚單體的配比，即改變共聚物的親水/疏水平衡，可以達(dá)到控制共聚物的LCST的目的[9]，以得到凝固狀態(tài)良好的聚合物，選擇具有合適的LCST，相變速度和凝膠化狀態(tài)的聚合物，可作為液體栓塞材料治療動(dòng)脈瘤。

利用PNIP類聚合物的溫度敏感性能，可在人體溫度沉淀出固體，達(dá)到栓塞的目的。作為一種新的栓塞材料，PNIP類聚合物具有不需要有機(jī)溶劑、無(wú)毒、非粘附性，固化后柔軟等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，具有很好的應(yīng)用前景。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 試劑及儀器

異丙胺，工業(yè)純，浙江建德建業(yè)有機(jī)化工有限公司；丙烯酰氯，工業(yè)純，海門貝斯特精細(xì)化工有限公司；乙酸乙酯，分析純，天津市廣成化學(xué)試劑有限公司；正己烷，分析純，天津市廣成化學(xué)試劑有限公司；甲基丙烯酸丁酯(BMA)，分析純，天津市博迪化工有限公司；1,4-二氧六環(huán)，分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠；偶氮二異丁腈(AIBN)，分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠；四甲基丙烯酸四乙二醇酯，廣州雙鍵貿(mào)易有限公司。

Bruker公司Avance 600核磁共振儀，D2O溶劑；Nicolet 20SX FTIR。

2.2 N-異丙基丙烯酰胺(NIP)的制備[10]及提純

一定量的異丙胺溶于乙酸乙酯中，滴加丙烯酰氯。冰水浴反應(yīng)4 h，抽濾，濾液減壓蒸餾，收集112℃餾分，為白色固體N-異丙基丙烯酰胺(NIP)。

將蒸餾得到的NIP溶于正己烷中，加熱使之溶解，冷卻后加甲苯，使NIP結(jié)晶緩慢析出，析出完全時(shí)過(guò)濾，重復(fù)此操作，即得NIP的重結(jié)晶產(chǎn)物。

2.3 聚(NIP-co-BMA)的制備及純化

分別稱取一定量的NIP和BMA，加入1,4-二氧六環(huán)，氮?dú)夥障聰嚢枞芙?，加入引發(fā)劑，加熱，冷凝回流條件下反應(yīng)6 h，在熱水中沉降，得到聚合物。清洗，冷熱水中交替溶解，沉降，過(guò)濾，真空烘干，得到白色的聚(NIP-co-BMA)。

2.4 聚(NIP-co-BMA)水溶液粘度及分子量的測(cè)定

用烏氏粘度計(jì)在20℃恒溫水浴中測(cè)定聚合物水溶液的特性粘數(shù)[η]，以公式[η]=kMa計(jì)算聚合物的粘均分子量，文獻(xiàn)[11]給出20℃時(shí)，k值為14.5×10-2g/ml, a為0.50。

3 結(jié)果與討論

3.1 單體和聚合物的表征

3.1.1單體NIP 的IR譜圖和1H-NMR譜圖 圖1為提純后的NIP的紅外光譜， 1618 cm-1處譜帶由C=C伸縮振動(dòng)產(chǎn)生，1652 cm-1處為C=O伸縮振動(dòng)峰，即酰胺Ⅰ帶；1549 cm-1處譜帶由酰胺上N-H面內(nèi)彎曲振動(dòng)和C-N伸縮振動(dòng)的組合吸收產(chǎn)生，為酰胺Ⅱ帶；1244 cm-1由C-N-H振動(dòng)產(chǎn)生，為酰胺Ⅲ帶；2874-2932 cm-1為C-H的伸縮振動(dòng)峰；3280 cm-1為N-H伸縮振動(dòng)峰；1365-1400 cm-1處的雙峰是由異丙基-CH(CH3)2上的C-H彎曲振動(dòng)產(chǎn)生。

圖2為提純后NIP的H-NMR譜圖，表明單體純度達(dá)到聚合要求。

圖1NIP紅外光譜

Fig1FTIRspectraofthemonomerNIP

圖2 NIP 1H-NMR譜圖

3.1.2聚(NIP-co- BMA)的紅外、核磁結(jié)構(gòu)表征 聚(NIP-co- BMA)的IR譜圖見圖3，由圖可見，1618 cm-1雙鍵吸收峰消失，1652 cm-1處酰胺Ⅰ帶變寬，表明C=C已經(jīng)聚合。

聚(NIP-co- BMA)的1H-NMR譜圖核磁共振譜見圖4。對(duì)比圖2可見，C=C峰(δ=6.08-6.19)消失，δ=1.49-1.93是聚合物主鏈上的-CH2的峰，δ=0.85是BMA中-CH3的峰，δ=1.06為NIP中-CH3的峰，由此可見，NIP和BMA已經(jīng)聚合。

3.1.3聚(NIP-co- BMA)的形態(tài)表征 圖5a是聚合物溶液在常溫下的狀態(tài)，b是聚合物在人體溫度固化后的宏觀狀態(tài)。

圖3聚(NIP-co-BMA)的IR譜圖

Fig3FTIRspectraofthecopolymerpoly(NIP-co-BMA)

圖4 聚(NIP-co- BMA)的1H-NMR譜圖

圖5 聚(NIP-co- BMA)在常溫和體溫的形態(tài)表征

Fig5Poly(NIP-co-BMA)solutionatbodytemperatureandtheroomtemperature

3.2反應(yīng)溫度對(duì)分子量及產(chǎn)率的影響

單體配比NIP/BMA=98:2，反應(yīng)時(shí)間為6 h，引發(fā)劑用量為3×10-3mol/L時(shí)，研究了反應(yīng)溫度對(duì)分子量、粘度及產(chǎn)率的影響，結(jié)果見表1，溫度太低時(shí)，引發(fā)劑的活性低，幾乎無(wú)法引發(fā)反應(yīng)，當(dāng)達(dá)到合適的反應(yīng)溫度后，繼續(xù)升高，則聚合度降低，因此，分子量下降，符合自由基聚合規(guī)律；產(chǎn)率也隨溫度升高而變大，但當(dāng)溫度高于60℃時(shí)，產(chǎn)率基本恒定。

表1反應(yīng)溫度對(duì)分子量及產(chǎn)率的影響

Table1Effectofthereactiongtemperatureonthemolecularweightandtheproductivityofpolymers

No.反應(yīng)溫度(℃)[η]M(106)產(chǎn)率(%)備注140沉淀時(shí)渾濁,無(wú)固體2502.382.7057.653605.4614.1891.314703.074.4992.815802.172.24 92.79

3.3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)分子量及產(chǎn)率的影響

圖6和圖7研究了反應(yīng)時(shí)間對(duì)聚合物分子量和產(chǎn)率的影響。單體配比NIP/BMA=98:2，反應(yīng)溫度為60℃，引發(fā)劑用量為3×10-3mol/L，隨著反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，聚合物分子量和產(chǎn)率都隨之增大，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為6 h時(shí)，分子量和產(chǎn)率基本恒定，說(shuō)明此時(shí)聚合反應(yīng)基本完成。

圖6 分子量隨時(shí)間的變化曲線

圖7 聚合物產(chǎn)率隨時(shí)間的變化曲線

Fig7Thecurveofproductivityofpolymerstoreactiontime

3.4 引發(fā)劑用量對(duì)特性粘數(shù)及分子量的影響

表2反映了引發(fā)劑濃度對(duì)聚合反應(yīng)的影響。隨著引發(fā)劑濃度的提高，聚合物的特性粘數(shù)和分子量逐漸降低，符合自由基聚合規(guī)律。

表2引發(fā)劑用量對(duì)特性粘數(shù)及分子量的影響

Table2Effectoftheinitiatorontheintrinsicviscosityandthemolecularweightofpolymers

No.C(mol/L)NIP/BMA(molar ratio)I×103(mol/L)[η]M(106)11.098/221.080.5621.098/235.4614.1831.098/265.0612.2041.098/284.7210.5951.098/2104.027.72

3.5 單體配比對(duì)聚合物的相變溫度及相變時(shí)間的影響

表3反應(yīng)了單體配比對(duì)聚合物的相變溫度及相變時(shí)間的影響。聚合物的LCST隨著聚合物中BMA含量的增加呈規(guī)律性降低。因?yàn)楣簿蹎误wN上烷基取代基的體積越大，所得凝膠的LCST越低[12]。

考慮到聚合物作為栓塞材料的實(shí)際應(yīng)用，選擇在36℃(人體溫度)測(cè)定相變時(shí)間。在30 s以內(nèi)，聚合物從水溶液中完全沉析出來(lái)，變成固體；測(cè)定相變的可逆性時(shí)，聚合物溶液在36℃固化1 min，測(cè)定在20℃冷卻時(shí)的時(shí)間。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著聚合物中BMA含量的增加，聚合物從溶液狀態(tài)到固體的轉(zhuǎn)變時(shí)間逐漸變小，所有的聚合物都在30 s內(nèi)完成相變；從固化狀態(tài)到溶液的可逆變化，則是隨著聚合物中BMA含量的增加，時(shí)間逐漸延長(zhǎng)，BMA含量為8%的共聚物的相變時(shí)間大于6 min。

表3單體配比對(duì)聚合物的相變溫度及相變時(shí)間的影響

Table3TheeffectofthemonomerratioontheLCSTandphasetransitiontimeofpolymers

No.C(mol/L)NIP/BMA(molar ratio)LCST(℃)液體—固體(s)固體—液體(s)11.092/826.770.5-5>36021.095/530.531-612731.098/232.552-76841.099/135.293-103151.0100/036.536-3012

聚合物中存在親水/疏水平衡，-NHCO-為親水基團(tuán)，而-CH(CH3)2和- CH2CH2CH2CH3為疏水基團(tuán)，溫度升高，親水基團(tuán)與水分子形成的氫鍵作用減弱，疏水基團(tuán)間的相互作用加強(qiáng)，高分子鏈通過(guò)疏水作用互相聚集，發(fā)生相變，聚合物從溶液狀態(tài)變?yōu)槟z狀態(tài)。在聚合物結(jié)構(gòu)中引入疏水性更強(qiáng)的- CH2CH2CH2CH3基團(tuán)，降低了整個(gè)凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的親水/疏水比，親水基團(tuán)與水分子形成氫鍵數(shù)目減少，故需要較少的能量即可以破壞這些氫鍵，聚合物鏈更易聚集，因此，相變更容易發(fā)生，LCST也相應(yīng)降低。

3.6 鹽溶液對(duì)聚(NIP-co-BMA)的LCST的影響

將聚合物溶于一定濃度的NaCl溶液中，測(cè)定聚合物的LCST(見圖8)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著NaCl溶液濃度的增加，聚合物的LCST逐漸降低，這是因?yàn)槿芤后w系中的鹽離子的存在，使自由水變成了鹽離子的水化水，削弱了共聚物與水分子之間的氫鍵，破壞了溫敏物分子表面的水化層，導(dǎo)致了其疏水性增加[9]。

圖8鹽溶液濃度對(duì)聚合物L(fēng)CST的影響樣品：1:92/8；2:95/5； 3:98/2； 4:99/1； 5:100/0;Sample: 1:92/8；2:95/5； 3:98/2； 4:99/1； 5:100/0

Fig8TheeffectofthesaltconcentrationontheLCSTofthepolymersolution

3.7 顯影劑碘海醇對(duì)聚(NIP-co-BMA)的相轉(zhuǎn)變時(shí)間以及產(chǎn)品粘度的影響

在不影響聚合物沉淀栓塞的前提下，將顯影劑碘海醇溶于聚合物的溶液中，測(cè)得相變時(shí)間和粘度，見表4，由此可以看出，隨著顯影劑的加入，聚合物的沉淀時(shí)間延長(zhǎng)，同時(shí)粘度略有增大。

表4顯影劑對(duì)相變時(shí)間和粘度的影響

Table4Theeffectoftheeikonogenonthephasetransitiontimeandtheviscocityofpolymers

No.NIP/BMA(molar ratio)時(shí)間N(s)時(shí)間H(s)粘度N(mpa﹒s)粘度H(mpa﹒s)192/85925 56295/56112658398/27122760499/1101825575100/030482761

N表示不含顯影劑，H表示含顯影劑

4 結(jié)論

(1)在聚合過(guò)程中，粘度和分子量隨反應(yīng)溫度的升高而升高，當(dāng)達(dá)到最佳溫度后，則呈下降趨勢(shì)；隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，分子量和產(chǎn)率逐漸增大并趨于穩(wěn)定；隨著引發(fā)劑濃度的提高，聚合物的特性粘數(shù)和分子量逐漸降低；隨著BMA單體濃度的增加，聚合物的LCST逐漸降低，聚合物從溶液狀態(tài)到固體的轉(zhuǎn)變時(shí)間逐漸變小，從固體到溶液狀態(tài)的轉(zhuǎn)變時(shí)間逐漸延長(zhǎng)；當(dāng)反應(yīng)溫度為60℃，反應(yīng)時(shí)間為6 h，引發(fā)劑濃度為3×10-3-6×10-3mol/L時(shí)，單體配比NIP/BMA=98/2—95/5時(shí)，所得聚合物的粘度范圍約55～60 mpa·s，能順利通過(guò)導(dǎo)管，達(dá)到栓塞治療動(dòng)脈瘤的目的。

(2)隨著鹽溶液濃度的增加，聚合物的LCST逐漸降低。顯影劑的加入，使沉淀時(shí)間延長(zhǎng)，同時(shí)使粘度增加。