基于聚ε-己内酯结构的新型功能化生物可降解聚酯的合成及其性能研究

摘要

近年来，聚ε-己内酯(PCL)以其优越的生物可降解性，良好的生物相容性以及药物通透性受到科学家们的广泛关注。随着生物医用高分子材料以及分子自组装技术的迅速发展，关于将疏水性的PCL和一系列亲水性聚合物之间互相结合形成多种两亲性嵌段共聚物用于体外和体内药物和基因传递的研究越来越深入。目前，针对这类材料的特点设计结构新颖的功能性可生物降解聚酯并通过分子自组装的方式形成具有良好生物相容性、易生物降解性以及多重响应的智能药物载体已逐渐成为当前生物材料领域中的研究热点。
　　 基于上述研究背景及发展趋势，本论文以PCL作为基本的骨架材料，通过对己内酯单体进行衍生化修饰以及多种聚合手段制备了一系列新型的功能性生物可降解聚酯，然后对所得聚合物进行结构改造获得了一系列可用于构建纳米药物以及基因传递系统的生物活性聚酯材料。在实验过程中，对这几类功能性聚酯的合成路线进行了探索，同时，对其中部分聚合物在选择性溶剂下通过分子自组装达到同时装载药物以及基因的能力进行了测定。论文的主要工作分为以下三个部分:
　　 （一）合成可同时运输siRNA和疏水性抗癌药物阿霉素(DOX)的可降解阳离子聚合物聚乙烯亚胺(PEI)-聚己内酯(PCL)胶束(PCL-b-LPEI)。研究表明，PCL-b-LPEI在不同的pH环境下（pH=5.0和pH=7.4）均具有较低的临界聚集浓度，分别为17.2μg/mL和15.9μg/mL，而且在缓冲溶液中可组装成表面带有正电荷的纳米胶束，具有同时负载疏水性药物DOX和siRNA的功能。通过透析法我们可以制备有效包载DOX的聚合物胶束，其载药量为6.8％，而且胶束对于DOX的释放具有pH依赖性，在37℃、pH=7.4的环境下释放DOX的速率要远小于pH=5.0的环境。体外转染实验表明，与市售的转染试剂bPEI(MW=25 KDa)相比，该阳离子胶束具有较低的细胞毒性和较高的转染性能，它能高效运载GFP siRNA进入Hela-GFP细胞（基因沉默效率最高达65％左右），而低分子量的LPEI(MW=2 KDa)的PEI在最高N/P比为40∶1时，对细胞中GFP的表达仍具有较低的抑制效率。此外，通过MTS法测定聚合物载药胶束对HeLa细胞增殖能力的抑制，其结果也表明了该阳离子聚合物胶束可以同时运输疏水性药物和siRNA进入癌细胞且能发挥较好的治疗效果，该生物可降解的阳离子聚酯载药体系有效结合了药物治疗和基因治疗，具有广泛的应用前景。
　　 （二）探讨了以不同方式共价链接DOX的载药聚合物MPEG-b-P(CCL-Ami-DOX)和MPEG-b-P(CCL-Hyd-DOX)的合成路线，这两种聚合物可作为今后共载药胶束的前体聚合物。其反应路线为以4-羟基环己基甲酸乙酯为起始原料，通过化学方法合成了γ位带有羧基官能团的化合物单体γ-甲酸叔丁酯-ε-己内酯(tBuCCL)。然后以聚乙二醇单甲醚(MPEG-5000)为引发剂，以ε-己内酯(ε-CL)和tBuCCL为单体进行“配位-插入”开环聚合(ROP)反应，得到嵌段共聚物MPEG-b-PtBuCCL。经强酸脱除叔丁基，得到疏水链段带有羧基的聚合物MPEG-b-PCCL，然后将阿霉素(DOX)通过酰胺键和腙键两种键连方法与聚合物疏水链段上的羧基连接得到载药聚合物MPEG-b-P(CCL-Ami-DOX)和MPEG-b-P(CCL-Hyd-DOX)，通过核磁共振氢谱确定每一步反应产物结构的正确;通过核磁图谱峰面积关系计算出聚合物的理论分子量;通过凝胶渗透色谱(GPC)测定聚合物多分散系数(PDI)。
　　 （三）探讨了结合开环聚合、原子转移聚合以及点击化学三种合成方式制备末端叶酸修饰的接枝聚合物BnO-BMPCL-g-PPEGMA-FA的合成路线，这种聚合物可作为今后靶向载药胶束的前体聚合物。其反应路线为以1，4-环己二醇为起始原料，通过化学方法合成了γ位为含溴原子取代基的化合物单体γ-（2-溴-2-甲基丙酰氧基）-ε-己内酯(BMCL)。然后以苯甲醇为引发剂，以ε-己内酯(ε-CL)和BMCL为单体进行“配位-插入”开环聚合反应，得到共聚物BnO-BMPCL。继而以聚合物BMCL单元上的溴原子为引发位点，以甲基丙烯酰聚乙二醇单甲醚(MPEGMA)为单体，进行原子转移自由基聚合(ATRP)，得到接枝共聚物BnO-BMPCL-g-PPEGMA-Br，利用叠氮化钠对其链末端的Br原子进行叠氮化，得到BnO-BMPCL-g-PPEGMA-Azide，然后通过点击化学反应将炔丙基叶酸衍生物连接在 BnO-BMPCL-g-PPEGMA-Azide的末端，得到聚合物BnO-BMPCL-g-PPEGMA-FA。通过核磁共振氢谱确定每一步反应产物结构的正确性;通过核磁图谱峰面积关系计算聚合物的理论分子量;利用红外光谱(IR)检测聚合物分子链末端叠氮化的情况以及通过凝胶渗透色谱(GPC)测定聚合物多分散系数(PDI)。

目录

声明

摘要

第一章 前言

第一节 聚合物胶束用于抗肿瘤药物及基因传递简介

1．1．1 纳米载药胶束

1．1．2 载药胶束的肿瘤靶向性

1．1．3 用于基因传递的聚合物

第二节 聚己内酯的合成

1．2．1 阳离子开环聚合

1．2．2 阴离子开环聚合

1．2．3 “配位-插入’’开环聚合

1．2．4 酶催化开环聚合

第三节 聚己内酯的衍生聚合物

1．3．1 ε-己内酯的α位修饰

1．3．2 ε-己内酯的γ位修饰

1．3．3 ε-己内酯的ε位修饰

第四节 原子转移自由基聚合

1．4．1 ATRP的反应机理简介

1．4．2 ATRP的反应体系研究

1．4．3 ATRP在高分子合成中的应用

第五节 研究课题的提出及方案设计

第二章 生物可降解阳离子聚酯的制备及其同时运载siRNA和阿霉素的性能研究

第一节 引言

第二节 实验试剂与仪器

2．2．1 主要实验材料

2．2．2 实验主要仪器

第三节 实验部分

2．3．1 实验准备工作

2．3．2 聚合物的合成

2．3．3 阿霉素标准曲线的绘制

2．3．4 PCL-b-LPEI临界胶束浓度的测定

2．3．5 装载疏水性药物的阳离子聚合物胶束的制备

2．3．6 阳离子聚合物胶束／siRNA复合物的制备

2．3．7 凝胶电泳阻滞实验

2．3．8 阳离子聚合物胶束的细胞毒性实验

2．3．9 阳离子聚合物胶束运输GFP siRNA的体外转染

2．3．10 阳离子聚合物胶束装载阿霉素及抗癌细胞活性实验

第四节 实验的结果与讨论

2．4．1 生物可降解的阳离子聚酯PCL-b-LPEI的合成及结构表征

2．4．2 阳离子聚合物胶束PCL-b-LPEI的制备及性质表征

2．4．3 凝胶电泳阻滞实验测定PCL-b-LPEI与siRNA的结合能力

2．4．4 阳离子聚合物胶束的细胞毒性

2．4．5 阳离子聚合物胶束运输GFP siRNA沉默GFP的表达

2．4．6 阳离子聚合物胶束装载DOX及抗癌细胞活性实验

第五节 本章小结

第三章 开环聚合法合成功能化聚己内酯嵌段共聚载药材料

第一节 引言

第二节 实验试剂与仪器

3．2．1 实验主要试剂和材料

2．2 实验主要仪器

第三节 实验部分

3．3．1 实验准备工作

3．3．2 单体γ-甲酸叔丁酯-ε-己内酯(tBuCCL)的合成

3．3．3 聚合反应

3．3．4 聚合物与药物的连接

3．3．5 单体及聚合物的表征

第四节 实验结果与讨论

3．4．1 4-酮环己基甲酸乙酯的合成

3．4．2 4-酮环己基甲酸的合成

3．4．3 4-酮环己基甲酸叔丁酯的合成

3．4．4 γ-甲酸叔丁酯-ε-己内酯的合成

3．4．5 聚合物MPEG-b-PtBuCCL结构的确定及分子量的计算

3．4．6 聚合物MPEG-b-PtBuCCL强酸脱除叔丁基条件的确定

3．4．7 聚合物MPEG-b-PCCL-15k-1：1的表征

3．4．8 聚合物MPEG-b-PCCL与阿霉素通过酰胺键连接

3．4．9 聚合物MPEG-b-PCCL与阿霉素通过腙键连接

第五节 小结

第四章 开环聚合法与原子转移自由基聚合法合成功能化接枝共聚载药材料

第一节 引言

第二节 实验试剂与仪器

4．2．1 实验主要试剂

4．2．2 实验主要仪器

第三节 实验部分

4．3．1 实验准备工作

4．3．2 单体γ-(2-溴-2-甲基丙酰氧基)-ε-己内酯(BMCL)的合成

4．3．3 聚合反应

4．3．4 聚合物与叶酸的连接

4．3．5 单体及聚合物的表征

第四节 结果与讨论

4．4．1 2-溴-2-甲基丙酸-4’-羟基环己基酯的合成

4．4．2 2-溴-2-甲基丙酸-4’-酮环己基酯的合成

4．4．3 γ-(2-溴-2-甲基丙酰氧基)-ε-己内酯的合成

4．4．4 聚酯BnO-BMPCL的合成及分子量计算

4．4．5 接枝聚合物BnO-BMPCL-g-PPEGMA-Br

4．4．6 聚合物BnO-BMPCL-g-PPEGMA-Azide的合成

4．4．7 炔丙基叶酸的合成

4．4．8 聚合物BnO-BMPCL-g-PPEGMA-FA的合成

第五节 小结

全文总结

参考文献

致谢

个人简历及在学期间的研究成果