聚乙二醇-聚肌氨酸双亲水嵌段共聚物及其合成方法

摘要

本发明公开了一种合成聚乙二醇-b-聚肌氨酸新型双亲水嵌段共聚物的方法，是以甲氧基聚乙二醇胺或聚乙二醇二胺为引发剂引发肌氨酸-N-羧酸酐或肌氨酸-N-硫代羧酸酐开环聚合，在0℃至100℃的反应温度下反应12小时至4天，制备聚乙二醇-b-聚肌氨酸嵌段共聚物。本发明所使用的引发剂廉价易制备，具有较高的引发活性，反应收率高（>95%），可在多种溶剂中进行聚合反应，制备所得的产物的嵌段比例可控，聚乙二醇嵌段分子量可在200～10000范围内调节，聚肌氨酸嵌段的分子量可在350～35000范围内调节，产物分子量分布窄，低于1.2。

说明书

技术领域

本发明属于高分子合成领域，具体涉及一种聚乙二醇-聚肌氨酸双亲 水嵌段共聚物的合成方法。

背景技术

聚肽是一类优异的仿生材料，具有极好的生物相容性和生物可降解 性。相比于传统的高分子材料，如聚内酯、聚交酯、聚碳酸酯、聚酸酐、 聚膦腈等，聚肽材料具有很大的优势。聚肽类材料，是由天然的氨基酸所 制得，其原材料来源丰富，不局限于石油资源，并且在体内降解后即得人 体所必需的氨基酸，在体内也不会引起炎症反应，被誉为是生物相容性最 好的材料。

现阶段，已有越来越多的报道开始关注聚肽类材料在生物医学领域的 应用。聚肽类材料被广泛应用于刺激-响应材料（Chem.Soc.Rev.2013，42， 7373-7390）、药物和基因传递（Adv.Healthc.Mater.2012,1,48-78），组织 工程（Adv.Drug Deliv.Rev.2010,62,1479-1485），生物矿化（Prog.Polym. Sci.2007,32,858-875）和纳米自组装（Chem.Commun.2014,50,139-155） 等领域。例如，基于聚肽的两亲性表面活性剂可以有效的制备纳米和微米 尺寸的水/油乳液，其潜在的封装能力在食品、化妆品和药物运送等领域具 有巨大的应用前景（Nature2008,455,85-89）。

目前合成聚肽的主要方法是α-氨基酸N-羧酸酐（NCA）的开环聚合， 该反应具有很高的活性和产率（Angew.Chem.,Int.Ed.2006,45, 5752-5784）。而α-氨基酸N-硫代羧酸酐（NTA）的开环聚合是合成聚肽的 另一种有效方法（J.Macromol.Sci.Part A-Pure Appl.Chem.2008,45, 425-430）。相比于NCA单体，NTA是一类更稳定的单体，对水和热不敏 感，易于储存。同时合成和提纯过程不需要严格的无水无氧操作，更容易 实现大批量的工业化生产。胺基封端的聚乙二醇大分子引发剂是一类常用 的NCA开环聚合引发剂，用于聚醚-聚肽嵌段共聚物的合成。胺基封端的 聚乙二醇大分子引发剂制备方法已有公开报道（J.Am.Chem.Soc.2005, 127,3718-3723;J.Mater.Chem.2011,21,11383–11391），原料廉价易得， 合成方法简便易行。并且聚合反应可以通过单体与引发剂的摩尔比来调节 产物的分子量，聚合反应具有很好的可控性。

聚乙二醇是常见的亲水嵌段，具有优异的生物相容性。聚肽嵌段可以 作为亲水嵌段，也可以作为疏水嵌段。亲水的聚肽嵌段主要为聚谷氨酸、 聚天冬氨酸、聚赖氨酸和聚精氨酸，但是无法通过聚合反应直接得到所需 的亲水嵌段，需要通过在侧基上进行保护和脱保护来实现，步骤繁琐。这 些亲疏水性可以通过调节pH，具有刺激响应性，但是聚合物链的带电性限 制了其生物应用。除了上述的离子型亲水性聚肽之外，聚肌氨酸是一类引 人注目的水溶性聚肽，在聚合度小于100时可与水按任意比例互溶，其电 中性、无毒、生物相容等特质使其成为良好的生物材料（Macromolecules 2011,44,6746-6758;ACS Nano2013,7,4715-4732）。聚肌氨酸具有很高的 浊点（>100℃），被认为是可以取代聚乙二醇的有力竞争者 （Macromolecules2012,45,5833-5841）。含有聚肌氨酸嵌段的两亲性嵌段 共聚物已被用于生物医学应用的研究（J.Polym.Sci.,Part A:Polym.Chem. 2013,51,2731-2752）。而目前含有聚肌氨酸嵌段的双亲水嵌段共聚物还未 见报道。因此合成聚乙二醇-b-聚肌氨酸新型双亲水嵌段共聚物意义十分巨 大。

相比于两亲性的嵌段共聚物，双亲水嵌段共聚物在水溶液中通常处于 单分子的无规线团状态，只有在适当的化学（pH、离子强度、络合作用）、 物理（温度、电场、磁场）或者生物化学（酶、配体）刺激作用才会发生 聚集组装的行为，因此通常被用做刺激-响应材料（Chem.Soc.Rev.2005,34, 276-285）。相比于聚乙二醇嵌段，聚肌氨酸嵌段在有机溶剂中溶解性较差， 只能溶解于甲醇，N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、乙腈等极性较 大的有机溶剂（Macromolecules2011,44,6746-6758）。

发明内容

本发明的目的是提供一种聚乙二醇-聚肌氨酸双亲水嵌段共聚物及其 合成方法，该聚乙二醇-聚肌氨酸双亲水嵌段共聚物的分子量分布窄，水 溶性好。

一种聚乙二醇-聚肌氨酸双亲水嵌段共聚物，结构如式（Ⅰ）或式（Ⅱ） 所示：

式（Ⅰ）中，A选自如下链段：

其中*代表取代位置，R¹和R²选自C₁～C₅烷基、苯基或氢原子；

4≤m≤250；

x，y大于0且5≤x+y≤500；

式（Ⅱ）中，B选自如下链段：

其中，*代表取代位置，R³选自C₁～C₅烷基、 苯基或氢原子；

4≤n≤250；

5≤z≤500。

本发明中所述的聚乙二醇和聚肌氨酸都为亲水性的链段，提高了得到 的聚乙二醇-聚肌氨酸双亲水嵌段共聚物的水溶性，此时，在一定的条件 下，得到的嵌段共聚物能够完全溶解于水中，在药物或材料领域具有重要 的应用价值。相比于聚乙二醇嵌段，聚肌氨酸嵌段在有机溶剂中溶剂性较 差，只能溶解于甲醇，N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、乙腈等极 性较大的有机溶剂（Macromolecules2011,44,6746-6758）。因此，利用两 种嵌段在有机溶剂中的溶解性差异，聚乙二醇-聚肌氨酸双亲水嵌段共聚 物可以作为表面活性剂，制备纳米/微米尺寸的水/油乳液，其潜在的封装 能力在食品、化妆品和药物运送等领域具有巨大的应用前景；也可在特定 的有机溶剂中制备胶束，用于封装水溶性的金属离子。

一种所述的聚乙二醇-聚肌氨酸双亲水嵌段共聚物的制备方法，包括 如下步骤：

在胺基封端的聚乙二醇大分子引发剂的作用下，肌氨酸N-羧酸酐单 体或肌氨酸N-硫代羧酸酐单体在溶剂中发生聚合反应，得到所述的聚乙 二醇-聚肌氨酸双亲水嵌段共聚物；

所述胺基封端的聚乙二醇大分子引发剂为甲氧基聚乙二醇胺或聚乙 二醇二胺，所述的甲氧基聚乙二醇胺的结构如式（Ⅲ）～（Ⅴ）所示：

所述的聚乙二醇二胺的结构如式(VI)～(VIII)所示：

所述的m、n、R¹、R²和R³的定义如之前所述。

本发明中，引发剂的活性中心为胺基，两类引发剂结构中的R¹、R²或R³中采用不同取代基时，其性能上不存在显著差异。其中，甲氧基聚 乙二醇胺简称为mPEG-NH₂，聚乙二醇二胺简称为NH₂-PEG-NH₂。

肌氨酸N-羧酸酐单体（简称为Sar-NCA）和肌氨酸N-硫代羧酸酐单 体（简称为Sar-NTA）的结构式分别如下式（Ⅸ）和（Ⅹ）所示：

其中，所述的肌氨酸N-羧酸酐单体可由肌氨酸与三光气反应制备 （Macromolecules2011,44,6746–6758），单体与引发剂的摩尔比可在一个 较宽的变化范围内变动，通过控制两者的比例，可以改变所述的聚乙二醇 -聚肌氨酸双亲水嵌段共聚物中两种链段的比例，从而进一步影响所述的 聚乙二醇-聚肌氨酸双亲水嵌段共聚物的溶解性能及组装行为；所述肌氨 酸N-羧酸酐单体与胺基封端的聚乙二醇大分子引发剂的摩尔比优选为 5～500：1，进一步优选为5～300：1。

所述肌氨酸N-羧酸酐单体聚合反应温度优选为0℃～80℃，进一步优 选为20℃～100℃。

本发明中，所述的肌氨酸N-硫代羧酸酐单体可由N-乙氧基硫代羰基 肌氨酸与三溴化磷反应制备（J.Macromol.Sci.Part A-Pure Appl.Chem. 2008,45,425-430）。所述肌氨酸N-硫代羧酸酐单体与胺基封端的聚乙二醇 大分子引发剂的摩尔比优选为5～200：1，进一步优选为5～100：1。

所述肌氨酸N-硫代羧酸酐单体聚合反应温度优选为20℃～100℃；进 一步优选为40℃～80℃。

作为优选，所述的溶剂为二氧六环、四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺、 N,N-二甲基乙酰胺、四甲基脲、二甲亚砜、环丁砜、硝基苯、乙腈、N- 甲基吡咯烷酮、二氯甲烷或三氯甲烷。

作为优选，所述的聚合反应的时间为12小时～4天。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：（1）首次将胺基封端的聚乙 二醇大分子引发剂用于对Sar-NCA和Sar-NTA单体的开环聚合，得到了 聚乙二醇-聚肌氨酸新型双亲水嵌段共聚物；而现有技术只将它们用于赖 氨酸等其它种类α-氨基酸N-羧酸酐的开环聚合，其产物为聚醚-聚肽的两 亲性嵌段共聚物，产物性质与本发明的聚乙二醇-b-聚肌氨酸双亲水嵌段共 聚物相距甚远。（2）本发明所用的胺基封端的聚乙二醇大分子引发剂具有 如下特性：（i）制备引发剂的原料廉价易得，制备方法也简单易行；（ii） 引发剂具有较高的活性，反应产率高（>95%）；（iii）引发剂的分子量可 在较大范围内选择，通常在200～10000之间；（iv）制备所得聚肌氨酸嵌 段的分子量可以通过单体与引发剂的摩尔比进行调节，分子量在 350～35000之间；（v）制备所得到的聚乙二醇-b-聚肌氨酸嵌段共聚物的分 子量分布窄（≤1.2）；（vi）聚乙二醇嵌段增强了共聚物的溶解性，可以在 多种溶剂中进行均相聚合。（3）本发明所用的Sar-NTA具有如下特性：性 质稳定，合成过程简单易行，能够长时间保存，可以实现大批量的工业化 生产。（4）本发明所得的产物聚乙二醇-b-聚肌氨酸嵌段共聚物具有良好的 水溶性，生物相容性和生物降解性，无毒，是一种优良的生物材料，可以 作为表面活性剂和封装剂。

附图说明

图1为实施例4中NH₂-PEG3400-NH₂催化Sar-NTA聚合产物的氢核 磁谱图。

具体实施方式

以下结合具体实施将对本发明进行进一步的说明。

所得聚肽的分子量分别采用核磁计算和SEC测定。核磁在Bruker  Avance DMX500（¹H:500MHz）仪器上测定，用氘代二甲亚砜或者氘代 三氟乙酸作为溶剂，四甲基硅烷作为内标。数均分子量通过已知分子量的 聚乙二醇主链信号和聚肌氨酸主链信号的积分比计算得到。聚合物的相对 分子量及分子量分布在凝胶渗透色谱（Waters1515Isocratic高效液相色谱 泵、PLgel5μm MIEXD-C色谱柱和Wyatt Optilab DSP）中测定，含0.05mol/L  LiBr的DMF作为流动相，60℃，流速为1.0mL/min。胶束的水合半径采 用粒径分析仪（Zetasizer Nano Series,Malvern Instruments）进行测试。

实施例1

在反应瓶中加入0.395g（3.4mmol）的Sar-NCA，用1.5mL N,N-二甲 基甲酰胺溶解，再加入0.31mL mPEG200-NH₂的DMF溶液（0.022 mol/L,0.0068mmol），Sar-NCA与mPEG200-NH₂的摩尔比为500:1，密封 后置于40℃油浴中反应24小时，反应后将混合物倒入含乙醚中沉淀、过 滤，将所得的聚合物真空干燥，得到聚肽，收率为95%。所得聚合物核磁 数均分子量为33.9KDa，分子量分布为1.2。

实施例2

其他聚合条件与实施例1相同，所不同的是用mPEG5000-NH₂为引发 剂引发Sar-NCA开环聚合，溶剂为N,N-二甲基乙酰胺，Sar-NCA与 mPEG5000-NH₂的摩尔比为5:1，0℃恒温槽中反应4天，所得聚肽收率为 90%。所得聚合物核磁数均分子量为5.4KDa，分子量分布为1.1。

实施例3

其他聚合条件与实施例1相同，所不同的是用NH₂-PEG10000-NH₂为 引发剂引发Sar-NCA开环聚合，溶剂为N-甲基吡咯烷酮，Sar-NCA与 NH₂-PEG10000-NH₂的摩尔比为100:1，80℃恒温槽中反应12h，所得聚肽 收率为100%。所得聚合物核磁数均分子量为17.1KDa，分子量分布为 1.2，。

实施例4

其他聚合条件与实施例1相同，所不同的是用mPEG750-NH₂为引发 剂引发Sar-NTA开环聚合，溶剂为二氧六环，Sar-NTA与mPEG750-NH₂的摩尔比为80:1，60℃恒温槽中反应3天，所得聚肽收率为99%。所得聚 合物核磁数均分子量为6.5KDa，SEC数均分子量为8.1KDa，分子量分 布为1.2。产物的氢核磁图谱如图1所示。图1中各信号峰可按下式（Ⅺ） 得到归属，可清楚看到聚乙二醇和聚肌氨酸的特征结构，说明聚合产物是 聚乙二醇-b-聚肌氨酸嵌段共聚物。将该产物配置成1.5mmol的水溶液， 加入5vol.%的CH₂Cl₂，剧烈震动摇匀3min，可以形成稳定的乳液。DLS 测试表明，清液中存在平均粒径为166nm(PDI=0.213)的纳米颗粒。

实施例5

其他聚合条件与实施例1相同，所不同的是用mPEG2000-NH₂为引发 剂引发Sar-NTA开环聚合，溶剂为乙腈，Sar-NTA与mPEG2000-NH₂的摩 尔比为5:1，20℃恒温槽中反应24h，所得聚肽收率为100%。所得聚合物 核磁数均分子量为2.4KDa，SEC数均分子量为4.0KDa，分子量分布为 1.1，。

实施例6

其他聚合条件与实施例1相同，所不同的是用NH₂-PEG3400-NH₂为 引发剂引发Sar-NTA开环聚合，溶剂为四氢呋喃，Sar-NTA与 NH₂-PEG3400-NH₂的摩尔比为200:1，100℃恒温槽中反应2天，所得聚肽 收率为98%。所得聚合物核磁数均分子量为17.6KDa，SEC数均分子量 为24.2KDa，分子量分布为1.2。