兩親性聚氨酯的設計合成及其組裝行為研究

秦佳樂，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.南陽師范學院 化學與制藥工程學院，河南 南陽 473061；2.南陽金牛彩印集團有限公司，河南 南陽 473000)

近年來，納米粒子在藥物傳輸體系中的應用引起了人們的普遍關注[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，運載藥物的濃度遠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核中藥物以避免其水解和酶解，從而能夠延長藥物在血液中的循環(huán)時間。但是，當載藥膠束到達靶向部位后，其親水殼層會大大制約其與細胞膜的作用，并延緩藥物的釋放[5]。

為了解決上述問題，人們將環(huán)境響應性斷裂基團引入到核層和殼層之間，發(fā)展了一系列具有環(huán)境響應性能的殼層可脫落型聚合物膠束載體材料，可有望解決長循環(huán)聚合物膠束殼層這一問題，提高藥物的生物利用度[6-7]?？s醛鍵，是一種在酸性pH條件下能夠發(fā)生水解降解的基團[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、觸發(fā)式控制釋放，而且其在pH響應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構可設計性的聚氨酯作為膠束主體材料，通過在聚氨酯的親水鏈段和疏水鏈段之間引入pH響應可斷的縮醛鍵，從而制備出具有pH響應特性的殼層可脫落型聚氨酯膠束，將有效解決長循環(huán)聚合物膠束殼層的延緩藥物釋放問題，提高藥物的生物利用度，其設計與制備具有很大的研究意義。

1 實驗部分

1.1 藥品試劑

異氟爾酮二異氰酸酯IPDI、丁二醇BDO、對羥基苯甲醛HBD、二月桂酸二丁基錫DBTDL、對甲苯磺酸p-TSA(高純試劑，上海阿拉丁化學試劑有限公司)；聚醚二醇N-120(Mn=1000，柏斯托上?；ぎa(chǎn)品公司)；四氫呋喃THF、石油醚(分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司)。

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，通過縮聚反應合成出含有丁二醇(BDO)和異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)單元的聚氨酯預聚物；其次，加入對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，通過縮醛化反應，合成出親疏水段間通過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：通過一鍋縮聚反應法，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無水THF中，通氮氣 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 ℃，氮氣保護下磁力攪拌反應 12h，接著，向上述體系中加入0.08 g對羥基苯甲醛HBD(0.65 mmol)，繼續(xù)反應5h；最后，向體系中加入 0.65 g 聚醚二醇N120 (Mn=1000,0.65 mmol)及催化量對甲苯磺酸p-TSA，并加入15 g的5?分子篩繼續(xù)反應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 THF溶解/乙醚沉淀循環(huán)三次后過濾并真空干燥，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)測定

聚合物N120-acetal-PUB-acetal-N120的CMC值通過焚光分光光度計檢測，以芘作為熒光探針。首先配置芘的標準溶液：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芘的標準溶液。吸取50 μL此標準溶液于一系列25 mL容量瓶中，放置過夜使丙酮揮干。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，使得芘均勻分散其中，并在黑暗中平衡24小時后進行測試。記錄在390 nm發(fā)射波長下334 nm和331 nm處的激發(fā)光強度。以聚合物濃度為橫坐標，I334/I331為縱坐標作圖，切線交點對應的濃度即為膠束的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，通過動態(tài)光散射(DLS)儀器測試其不同放置時間的粒徑變化來測試其穩(wěn)定性。

2 結果與討論

2.1 嵌段聚氨酯N120-acetal-PUB-acetal-N120的結構表征

采用縮聚反應及縮醛化反應，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縮醛鍵接的嵌段型聚氨酯N120-acetal-PUB-acetal-N120，通過核磁1H NMR和紅外FTIR、凝膠滲透色譜GPC手段對產(chǎn)物結構進行了表征。

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)醛基的信號峰，而在5.1左右出現(xiàn)了一個屬于環(huán)縮醛的特征峰，表明聚合物中環(huán)縮醛結構的形成。此外，通過嵌段聚氨酯的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的特征吸收峰，1120 cm-1處為N-120中C-O-C鍵的伸縮振動峰，765和669 cm-1處則為苯環(huán)的C-H振動峰。此外，通過凝膠滲透色譜GPC測試得到該聚合物的分子量為5730(PDI～1.45)，如圖3所示。上述測試結果表明，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構。為了驗證該聚合物在水溶液中的自組裝行為，我們通過芘探針法測定了該聚合物的臨界膠束濃度。通過保持芘的濃度不變，設定芘的最大發(fā)射光波長為397 nm，我們測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)光強度變化。進一步求得334 nm和331 nm處的熒光強度比值I334/I331，并與聚合物濃度的對數(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；而當聚合物濃度進一步增加，在1.0×10-2至0.2 mg/mL區(qū)間內(nèi)，熒光強度比值I334/I331呈線性增長，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，而兩個區(qū)間的切線交點對應的濃度即為臨界膠束濃度CMC值。經(jīng)測定，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構。在高于臨界膠束濃度CMC之上，我們通過直接溶解法制備了該聚合物膠束水溶液。通過動態(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 聚氨酯膠束隨時間變化的粒徑分布DLS圖

通過臨界膠束濃度測試表明，該聚氨酯膠束具有較低的CMC值，這有利于形成結構穩(wěn)定的聚合物膠束。為了進一步研究其形成膠束的穩(wěn)定性，我們測試了該聚合物膠束不同放置時間下的粒徑分布圖。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)。以上結果表明，該聚氨酯膠束具有較好的膠束穩(wěn)定性。

3 總結

本研究通過縮聚和縮醛化反應合成出了親疏水段間通過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構，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。