基于聚乳酸/聚乙二醇两亲性嵌段共聚物的立构复合型温敏性物理水凝胶

摘要

两亲性嵌段共聚物在水溶液可自组装成胶束，并在环境刺激响应下发生相转变形成物理交联水凝胶（简称物理凝胶）。两亲性嵌段共聚物物理凝胶的温度敏感响应相转变特性、力学性能与共聚物嵌段的拓扑结构、化学组成、结晶结构、亲水-疏水之间的平衡以及溶剂环境密切相关。聚左旋乳酸(PLLA)和聚右旋乳酸(PDLA)为典型的对映异构体，并具有多种结晶结构。单独的PLLA或PDLA形成同质结晶(HC)，而共混物或者立构嵌段共聚物中同时存在PDLA和PLLA时可形成立构复合(SC)结晶。因此，通过制备聚乳酸/聚乙二醇(PLA/PEG)物理凝胶，并将PLLA/PDLA立构复合结晶引入凝胶体系中，改变物理凝胶的交联作用点和交联方式，即可调控体系的溶胶-凝胶相转变形式、临界相转变温度、力学性能和药物控制释放速率。
　　本文首先制备了一系列不同PLLA/PDLA比例的CBABC型PLA/PEG五嵌段共聚物，即PDLA-PLLA-PEG-PLLA-PDLA共聚物。通过改变PLA/PEG五嵌段共聚物的立体结构、立构规整度、序列结构，采用试管倒置法、动态光散射(DLS)、流变实验、药物体外释放实验等测试，系统的研究了物理凝胶化、凝胶-溶胶相转变、流变性能、体外降解和药物释放行为，同时利用同步辐射广角X射线衍射(WAXD)和小角X射线散射(SAXS)研究了PLA/PEG五嵌段凝胶体系的结晶结构和微观结构信息。在较高浓度时，PLA/PEG五嵌段共聚物在水溶液中可发生物理凝胶化，并在升温过程中发生凝胶-溶胶相转变。当PLLA/PDLA比例接近1/1时，五嵌段共聚物物理凝胶中疏水链段的结晶结构由HC逐渐转变为SC结晶，并具有较宽的凝胶化区域、较高的凝胶-溶胶相转变温度、较高的疏水链段结晶能力、较大的胶束间平均距离、较高的储能模量、较低降解速率以及较慢的药物释放速率。在凝胶-溶胶相转变过程中，随着温度升高，PLA/PEG五嵌段共聚物凝胶的SC含量和胶束间的平均距离逐渐增大。
　　通过改变PLA/PEG共聚物的嵌段结构，合成了PEG-PDLA二嵌段和PLLA-PEG-PLLA三嵌段共聚物，将两者的胶束溶液共混，制备了可快速凝胶化和具有温敏性凝胶-溶胶相转变行为的物理凝胶。通过改变PEG-PDLA二嵌段共聚物和PLLA-PEG-PLLA三嵌段共聚物中PEG的链段长度，证明了立构复合结晶可促进PLA/PEG物理凝胶中物理交联结构的形成。受SC结晶驱动，部分PLLA-PEG-PLLA三嵌段共聚物的疏水链段可通过分子链交换进入不同的PEG-PDLA胶束，从而在胶束间形成物理交联网络，导致胶束溶液的溶胶-凝胶转变。PEG-PDLA/PLLA-PEG-PLLA混合比例和共聚物中的PEG段长度显著影响胶束溶液的原位凝胶化、溶胶-凝胶相转变温度、疏水链段的结晶结构、凝胶的微观结构与力学性能。当PLLA-PEG-PLLA含量较高及其PEG段较长时，PEG-PDLA/PLLA-PEG-PLLA胶束混合溶液更易于发生原位凝胶化。
　　通过改变PLA/PEG共聚物疏水/亲水链段长度的比值以及共聚物溶液浓度，在PEG-PDLA/PLLA-PEG-PLLA共混物中发现了立构复合结晶驱动的、温度诱导的凝胶-溶胶-凝胶多重相转变的新现象。当共混物处于溶液态时，PEG段具有较强的运动能力;但在凝胶态时，PEG段的运动性能力受限。PEG-PDLA/PLLA-PEG-PLLA共混物的温敏性凝胶-溶胶-凝胶相转变主要受两个因素的协同影响:(1) PEG段和胶束的运动能力增强导致了共混物体系的凝胶-溶胶相转变;(2)随着温度升高，疏水链段之间不断增强的立构复合结晶作用导致共混物在较高温度下溶胶-凝胶相转变。此外，PEG-PDLA/PLLA-PEG-PLLA凝胶可用于包载疏水药物，随着疏水链段含量逐渐增加，其药物释放速率逐渐减慢。
　　另外，研究了PEG和盐离子对PLA/PEG共聚物溶胶-凝胶相转变行为的影响。在PDLA-PEG-PDLA/PLLA-PEG-PLLA共混溶液中，分别加入不同浓度、不同分子量的PEG和不同浓度的NaCl，调控了共混溶液的溶胶-凝胶相转变。当PEG（数均分子量为2000）浓度从0 wt％增加到3 wt％后，三嵌段凝胶体系PDLA-PEG-PDLA/PLLA-PEG-PLLA(8 wt％)的临界溶胶-凝胶相转变温度点（Ts-g）从42℃降低至37℃;溶液中NaCl浓度从0增加到3wt％时，PDLA-PEG-PDLA/PLLA-PEG-PLLA（8wt％）的Ts-g从42℃降低至32℃。WAXD结果表明，加入PEG和NaCl后共混溶液的SC结晶含量提高，并且在升温相变过程中SC结晶含量进一步提高。SAXS结果表明，加入PEG和NaCl后共混溶液的分形维数逐渐增加，胶束团簇变得致密，在溶胶-凝胶相转变过程中仍然保持核-壳胶束结构。当溶液中含有PEG均聚物，游离的PEG可能降低胶束中PEG段在水中的溶解性和运动能力;NaCl的加入可增加共混溶液胶束的疏水性。因此，PEG和NaCl的加入有利于PLLA/PDLA疏水链段的SC结晶和物理交联网络的形成，从而促进胶束溶液的溶胶-凝胶转变。

目录

声明

致谢

摘要

试剂、聚合物与测试方法缩写说明

第1章 前言

第2章 文献综述

2．1 物理交联水凝胶概述

2．2 基于两亲性嵌段共聚物的温敏性物理凝胶

2．2．1 二嵌段共聚物凝胶体系

2．2．2 三嵌段共聚物凝胶体系

2．2．3 多嵌段共聚物凝胶体系

2．2．4 接枝和星形共聚物凝胶体系

2．3 立构复合结晶驱动的温敏性物理凝胶

2．3．1 立构复合结晶

2．3．2 立构复合结晶物理凝胶的特点

2．3．3 立构复合结晶物理凝胶的研究进展

2．4 两亲性共聚物物理凝胶的小角散射分析

2．4．1 小角散射基本理论

2．4．2 小角散射数据处理

2．4．3 小角散射理论分析与拟合

2．4．4 小角散射在两亲性共聚物物理凝胶中的应用

2．5 研究思路与研究内容

第3章 基于PLA／PEG立构嵌段共聚物的物理凝胶

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验药品与试剂

3．2．2 PLA／PEG五嵌段共聚物的合成

3．2．3 凝胶制备与凝胶-溶胶相转变

3．2．4 凝胶的酶降解

3．2．5 凝胶的载药与体外释放

3．2．6 测试与表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 立构嵌段共聚物的合成

3．3．2 凝胶的温敏性与凝胶-溶胶相转变

3．3．3 凝胶中疏水链段的结晶结构

3．3．4 凝胶微观结构的SAXS分析

3．3．5 升温过程中凝胶的微观结构演变

3．3．6 凝胶的流变性能

3．3．7 凝胶的体外降解和药物释放行为

3．4 本章小结

第4章 基于PLA／PEG二、三嵌段共聚物混合的物理凝胶

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验药品与试剂

4．2．2 二、三嵌段共聚物合成

4．2．3 共聚物的原位凝胶化与凝胶-溶胶相转变

4．2．4 测试与表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 二、三嵌段共聚物的合成

4．3．2 原位凝胶化与温敏性相转变

4．3．3 二、三嵌段共聚物混合体系在稀溶液中的聚集结构

4．3．4 二、三嵌段共聚物混合体系中疏水链段的结晶结构

4．3．5 原位凝胶化的机理

4．3．6 基于同步辐射SAXS的凝胶微观结构分析

4．3．7 升温过程中凝胶的微观结构演变

4．3．8 二、三嵌段共聚物混合体系的流变行为

4．4 本章小结

第5章 PLA／PEG立构复合物理凝胶的温敏性多重相转变

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 实验药品与试剂

5．2．2 凝胶的制备与温敏性相转变

5．2．3 体外药物释放实验

5．2．4 测试与表征

5．3 结果与讨论

5．3．1 物理凝胶的多重温敏性相转变

5．3．2 多重温敏性相转变的NMR分析

5．3．3 多重温敏性相转变的WAXD分析

5．3．4 多重温敏性相转变的SAXS分析

5．3．5 温敏性凝胶-溶胶-凝胶相转变的机理

5．3．6 温敏性凝胶的体外释放行为

5．4 本章小结

第6章 PEG和NaCl对PLA／PEG物理凝胶溶胶-凝胶相转变的影响

6．1 引言

6．2 实验部分

6．2．1 实验药品与试剂

6．2．2 凝胶制备与温敏性相转变分析

6．2．3 测试与表征

6．3 结果与讨论

6．3．1 温敏性溶胶-凝胶相转变

6．3．2 凝胶的流变行为

6．3．3 PEG和NaCl对PLA／PEG共聚物共混溶液微观结构的影响

6．3．4 升温过程中的微观结构演变

6．3．5 PEG和NaCl影响温敏性溶胶-凝胶转变的机理讨论

6．4 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

作者简介

攻读博士学位期间主要研究成果

攻读博士学位期间参加的学术会议

攻读博士学位所获荣誉