一种葡萄糖响应型聚膦腈水凝胶及其制备方法

摘要

本发明涉及一种葡萄糖响应型聚膦腈水凝胶及其制备方法。采用含葡萄糖侧基的聚膦腈与植物凝集素伴刀豆球蛋白A(Concanavalin A，Con A)的相互作用，通过提高葡萄糖侧基的比例和选择合适的第二和第三取代基等手段可获得具有不同交联度和不同含水量的水凝胶体系，该聚膦腈水凝胶体系具有葡萄糖响应性，并具有生物相容性、生物可降解性，可用于对胰岛素的智能释放。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种葡萄糖响应型聚膦腈水凝胶及其制备方法。

背景技术：

糖尿病是以持续高血糖为基本生化特征的一种综合病征，目前主要以药物治疗为主。胰岛素治疗主要是针对患者进餐后高血糖用药，通常表现为用药后降糖效应明显，药效丧失后血糖浓度又升高的现象，而且胰岛素目前只能采取注射方式给药，每天多次的注射给病人的日常生活带来了极大的不便。此外由于个体差异或其他因素的影响，长期胰岛素注射还容易引起低血糖反应、胰岛素抗药性、高胰岛素血症及胰岛素过敏和水肿等副作用。因此，医学界一直都在努力寻找治疗糖尿病的更佳途径。例如，胰岛移植、人工胰腺等的研究，都取得了可喜的成果。能模拟胰腺的智能胰岛素控制释放体系的研究和开发，也是一种潜在的、具有应用前景的糖尿病治疗方法。

长期以来，医学界一直期望能找到理想的药物控制释放载体材料，这些材料能够感知生理环境的变化，调整所携带药物的释放行为，从而达到快速有效治疗疾病并尽量减少药物对人体带来的副作用。研究发现，高分子智能水凝胶在很大程度上可以满足上述要求。目前，文献中报道较多的葡萄糖响应型水凝胶主要有三种响应机制(Advanced Drug Delivery Reviews，2002，54：79—98)：(1)葡萄糖酶—pH响应型水凝胶体系；(2)植物凝集素一含葡萄糖基高分子水凝胶体系；(3)基于苯基硼酸与多羟基物质相互作用的高分子水凝胶体系。

目前用于制备上述葡萄糖响应型水凝胶的高分子主要是聚丙烯酰胺类和聚丙烯酸(酯)类，但是这些材料多是选择不同的单体进行均聚或共聚来调节和控制最终聚合物的性能，因此性能可调或可控范围较窄，难以满足药物释放的需要，达不到药物治疗的最佳效果；而且多数材料的降解性能较差。但是在葡萄糖响应型水凝胶的临床应用中，埋植型基体式药物剂型是比较容易实施的一种方式，为了避免在药物释放完毕后，要进行第二次手术将高分子基体取出，因此聚合物基体的降解性能是一项十分重要的指标。所以，发展生物相容性的可降解高分子凝胶体系用于智能型药物释放是十分必要的。

虽然，生物可降解高分子如聚酯、聚氨基酸、聚酸酐、聚原酸酯和聚碳酸酯等也已广泛用于药物控制释放研究，但由于聚合物分子结构的限制，用于制备水凝胶体系的研究并不多，因此，另一类药物控释材料—聚膦腈正越来越引起人们的兴趣。聚磷腈是指一类主链由磷氮原子以交替的单、双键连接而成的无机主链高分子，其主链中磷原子的两侧很容易引入不同的功能基，从而使高分子功能化以制备不同性能的高分子材料。由于可以在同一条聚合物主链上同时引入两种或两种以上的功能侧基，因此聚膦腈高分子在结构和性能方面的多样性和可调节性是其他聚合物所无法比拟的。而且聚膦腈的降解属于侧链降解机理，即侧链的生物可降解性决定聚膦腈高分子的可降解性，因此聚膦腈在结构上所具有的特殊性，使其作为药物释放载体和组织工程细胞支架材料具有独特的优势。

发明内容：

本发明的目的是提供一种葡萄糖响应型聚膦腈水凝胶及其制备方法，采用含葡萄糖侧基的聚膦腈与Con A的相互作用，通过提高葡萄糖侧基的比例和选择合适的第二取代基等手段可获得具有不同交联度和不同含水量的水凝胶体系，该聚膦腈水凝胶体系具有葡萄糖响应性，并具有生物相容性、生物可降解性，可用于对胰岛素的智能释放。

本发明所述的葡萄糖响应型聚膦腈水凝胶，由聚膦腈高分子水溶液与植物凝集素伴刀豆球蛋白A(Concanavalin A，Con A)水溶液混合而成，其中聚膦腈高分子的化学结构式如下：

其中x+y≦2且x不能为0，n＝10-5000；

R为葡萄糖基，其比例可为侧基总数的1～100％，最佳比例为5～95％，提供与Con A作用的结合点。

R’为氨基酸酯、甲胺、咪唑、烷氧醚、甲氧基聚乙二醇醚等基团中的任何一种或它们的组合；其比例可为侧基总数的0～99％，最佳比例为5～95％，用以调节聚合物的亲疏水性和生物可降解性等。

上述聚膦腈高分子，根据具体应用的需要，还可以通过投料比控制R和R’的比例，当x+y<2时，适当引入第三种取代基，可以是甲基丙烯酸羟乙酯、烯丙醇、烯丙胺等含不饱和双键的基团，也可以是氨基乙氧基、羟基乙氧基等含有氨基或羟基官能团的基团之一，为水凝胶的形成提供一定程度的化学交联点。该取代基占取代基总量的比例可为1～30％，最佳比例为1～10％。

聚膦腈高分子的制备方法，是先通过1，2：5，6-di-O-异亚丙基-α-D-葡萄糖的碱金属盐与线型聚二氯磷腈在四氢呋喃、二氧六环、苯或甲苯中进行取代反应而制备，反应温度为40-100℃，反应时间为12～84小时，1，2：5，6-di-O-异亚丙基-α-D-葡萄糖的取代比例为1～100％。

随后，加入含有R’基团的化合物与尚未被取代的P—C1继续反应，得到混合取代的聚合物。该聚合物用三氟乙酸溶液脱去葡萄糖的保护基后即得目标聚合物。

当含有R’基团的化合物为含端羟基的化合物，如乙醇、甲氧基乙醇或甲氧基聚乙二醇醚时，其与磷腈主链上P—C1进行亲核取代的反应温度为40-100℃，反应时间为12～84小时。

当含有R’基团的化合物为含端氨基的化合物，如甲胺或氨基酸酯时，其与磷腈主链上P—C1进行亲核取代的反应温度为0-50℃，反应时间为12～84小时。

制备葡萄糖侧基取代聚膦腈的主要原料1，2：5，6-di-O-异亚丙基-α-D-葡萄糖可以购得，也可以通过α-D-葡萄糖与过量丙酮在氯化锌和磷酸催化下反应得到，反应温度20-40℃，反应时间24-48小时。

线性聚二氯磷腈的制备是通过六氯环三磷腈单体在无水无氧条件下，220—280℃开环聚合10-96小时而得，聚合度10～5000，最佳聚合物范围为100～2000，分子量1～20万。

下面是聚膦腈制备过程的一个简单过程示意：

R₁基团可以来自于氨基酸酯、甲氨、咪唑、烷氧醚、甲氧基聚乙二醇醚中的一种或几种；

R₂基团可以来自于甲基丙烯酸羟乙酯、烯丙醇、烯丙胺、氨基乙醇中的一种或几种。

本发明葡萄糖响应型聚膦腈水凝胶的制备方法为：将浓度为0.1～0.5mg/L的聚膦腈高分子水溶液与浓度为0.5～2.0mg/L的植物凝集素伴刀豆球蛋白A(Concanavalin A，Con A)水溶液以1:1的体积比混合均匀、静置5-30分钟，去除未反应的Con A制得。

发明效果：本发明所述的聚膦腈水凝胶是基于含葡萄糖侧基的聚膦腈与Con A的相互作用，通过提高葡萄糖侧基的比例和选择合适的第二取代基等手段可获得具有不同交联度和不同含水量的水凝胶体系，该体系具有葡萄糖响应性，并且具有很好的生物相容性，可以模拟胰腺功能用于对胰岛素的智能释放。

具体实施方式：

实施例1：

(1)聚二氯磷腈的制备：将2g六氯环三磷腈封于真空玻璃管中，置于260℃反应48小时。待冷却至室温后，用热的干燥石油醚反复洗涤去除未反应的单体及生成的大环磷腈副产物，然后用干燥的苯充分溶解残留物，过滤除去不溶物后，用石油醚沉淀、真空干燥后得聚二氯磷腈待用。

(2)1，2：5，6-di-O-异亚丙基-α-D-葡萄糖的制备：将5g无水α-D-葡萄糖和57ml无水丙酮置于带有机械搅拌器的干燥三口瓶中，先后加入3.79g无水氯化锌和85％的磷酸0.23ml，室温反应30小时后，过滤，往滤液中滴加氢氧化钠(25mol/L)溶液直到中性。再过滤，滤液减压蒸馏除去溶剂后得到粘稠液体。粘稠液用氯仿萃取三次，将氯仿萃取液合并用少量水洗涤后，去除溶剂得白色晶体，经氯仿—正己烷(1:2 v/v)重结晶2次，干燥后得纯化的1，2：5，6-di-O-异亚丙基-α-D-葡萄糖。

(3)聚膦腈的制备：

将100ml干燥的四氢呋喃溶液置于带有机械搅拌器的三口瓶中，随后加入10.4g(0.04mol)1，2：5，6-di-O-异亚丙基-α-D-葡萄糖与1.0g(0.043mol)金属纳，室温反应24小时后，将1.16g(0.01mol)聚二氯磷腈的四氢呋喃溶液(100ml)缓慢滴加到上述溶液中，并加热回流反应96小时。离心除去不溶物后，旋转蒸发去除大部分溶剂得到粘稠状液体，将此粘稠液体用去离子水沉淀，得到的沉淀物于40℃下减压干燥。然后将干燥的聚合物置于带有磁力搅拌的单口瓶中，向其中滴加90％的三氟乙酸20ml，搅拌至聚合物完全溶解后继续反应4小时。用过饱和碳酸氢钠溶液中和后，置于透析袋(截留分子量12000)中用去离子水透析纯化3天，旋转蒸发去除水份后于40℃下真空干燥可得100％葡萄糖取代聚膦腈(聚合物1)。

(4)水凝胶的制备：

将聚合物1配制成浓度为0.2g/mL的水溶液，与浓度为2.0g/mL的Con

A水溶液，以1：1的体积比混合均匀，静置5分钟后形成水凝胶。用去离子水萃取除去凝胶中未参与反应的Con A。

实施例2：

步骤(1)、(2)同实施例1

(3)聚膦腈的制备：

将100ml干燥的四氢呋喃溶液置于带有机械搅拌器的三口瓶中，随后加入7.80g(0.03mol)1，2:5，6-di-O-异亚丙基-α-D-葡萄糖与0.75g(0.033mol)金属纳，室温反应24小时。将1.16g(0.01mol)的聚二氯磷腈溶液缓慢滴加到上述溶液中，并回流96小时。然后将甲基乙醇钠的四氢呋喃溶液(100ml)(由0.80ml(0.01mol)甲氧基乙醇和0.25g(0.011mol)金属钠在四氢呋喃中室温反应24小时制备)缓慢滴加到上述溶液中，室温下反应24小时后，升温至50℃继续反应24小时。离心除去不溶物后，旋转蒸发去除大部分溶剂得到粘稠状液体，将此粘稠液体用石油谜沉淀、甲醇透析(透析袋截留分子量12000)纯化3天后，旋转蒸发去除溶剂，于40℃下真空干燥。然后将干燥的聚合物置于带有磁力搅拌的单口瓶中，向其中滴加90％的三氟乙酸20ml，搅拌至聚合物完全溶解后继续反应4小时。用过饱和碳酸氢钠溶液中和后，置于透析袋(截留分子量12000)中用去离子水透析纯化3天，旋转蒸发去除水份后于40℃下真空干燥可得80％葡萄糖和20％甲氧基乙醇共取代聚膦腈(聚合物2)。

(4)水凝胶的制备：

将聚合物2配制成浓度为0.25g/mL的水溶液，与浓度为1.6g/mL的Con A水溶液，以1：1的体积比混合均匀，静置10分钟后形成水凝胶。用去离子水萃取除去凝胶中未参与反应的Con A。

实施例3：

步骤(1)、(2)同实施例1

(3)聚膦腈的制备：

将100ml干燥的四氢呋喃溶液置于带有机械搅拌器的三口瓶中，随后加入5.20g(0.02mol)1，2:5，6-di-O-异亚丙基-α-D-葡萄糖与0.50g(0.022mol)金属纳，室温反应24小时。将1.16g(0.01mol)的聚二氯磷腈溶液缓慢滴加到上述溶液中，并回流96小时。然后将甲基乙醇钠的四氢呋喃溶液(100ml)(由1.60ml(0.02mol)甲氧基乙醇和0.50g(0.022mol)金属钠在四氢呋喃中室温反应24小时制备)缓慢滴加到上述溶液中，室温下反应24小时后，升温至50℃继续反应24小时。离心除去不溶物后，旋转蒸发去除大部分溶剂得到粘稠状液体，将此粘稠液体用石油谜沉淀、甲醇透析(透析袋截留分子量12000)纯化3天后，旋转蒸发去除溶剂，于40℃下真空干燥。然后将干燥的聚合物置于带有磁力搅拌的单口瓶中，向其中滴加90％的三氟乙酸20ml，搅拌至聚合物完全溶解后继续反应4小时。用过饱和碳酸氢钠溶液中和后，置于透析袋(截留分子量12000)中用去离子水透析纯化3天，旋转蒸发去除水份后于40℃下真空干燥可得50％葡萄糖和50％甲氧基乙醇共取代聚膦腈(聚合物3)。

(4)水凝胶的制备：

将聚合物3配制成浓度为0.3g/mL的水溶液，与浓度为1.6g/mL的ConA水溶液，以1：1的体积比混合均匀，静置10分钟后形成水凝胶。用去离子水萃取除去凝胶中未参与反应的Con A。

实施例4：

步骤(1)、(2)同实施例1

(3)聚膦腈的制备：

将100ml干燥的四氢呋喃溶液置于带有机械搅拌器的三口瓶中，随后加入2.60g(0.01mol)1，2:5，6-di-O-异亚丙基-α-D-葡萄糖与0.25g(0.011mol)金属纳，室温反应24小时。将1.16g(0.01mol)的聚二氯磷腈溶液缓慢滴加到上述溶液中，并回流96小时。然后将甲基乙醇钠的四氢呋喃溶液(100ml)(由2.40ml(0.03mol)甲氧基乙醇和0.75g(0.011mol)金属钠在四氢呋喃中室温反应24小时制备)缓慢滴加到上述溶液中，室温下反应24小时后，升温至50℃继续反应24小时。离心除去不溶物后，旋转蒸发去除大部分溶剂得到粘稠状液体，将此粘稠液体用石油谜沉淀、甲醇透析(透析袋截留分子量12000)纯化3天后，旋转蒸发去除溶剂，于40℃下真空干燥。然后将干燥的聚合物置于带有磁力搅拌的单口瓶中，向其中滴加90％的三氟乙酸20ml，搅拌至聚合物完全溶解后继续反应4小时。用过饱和碳酸氢钠溶液中和后，置于透析袋(截留分子量12000)中用去离子水透析纯化3天，旋转蒸发去除水份后于40℃下真空干燥可得30％葡萄糖和70％甲氧基乙醇共取代聚膦腈(聚合物4)。

(4)水凝胶的制备：

将聚合物4配制成浓度为0.4g/mL的水溶液，与浓度为1.2g/mL的ConA水溶液，以1：1的体积比混合均匀，静置20分钟后形成水凝胶。用去离子水萃取除去凝胶中未参与反应的Con A。

实施例5：

步骤(1)、(2)同实施例1

(3)聚膦腈的制备：

将100ml干燥的四氢呋喃溶液置于带有机械搅拌器的三口瓶中，随后加入7.80g(0.03mol)1，2:5，6-di-O-异亚丙基-α-D-葡萄糖与0.75g(0.033mol)金属纳，室温反应24小时。将1.16g(0.01mol)的聚二氯磷腈溶液缓慢滴加到上述溶液中，并回流96小时。然后将甘氨酸乙酯的四氢呋喃溶液(由1.38g(0.01mol)甘氨酸乙酯盐酸盐和1.38ml(0.01mol)三乙胺在四氢呋喃溶液中回流6小时后过滤除去三乙胺盐酸盐得到)和1.38ml(0.01mol)三乙胺在0℃下缓慢滴加到上述溶液中，冰浴中反应6小时后，于室温下继续反应18小时。离心除去不溶物后，旋转蒸发去除大部分溶剂和未反应的三乙胺得到粘稠状液体，将此粘稠液体用去离子水沉淀，得到的沉淀物于40℃下减压干燥。然后将干燥的聚合物置于带有磁力搅拌的单口瓶中，向其中滴加90％的三氟乙酸20ml，搅拌至聚合物完全溶解后继续反应4小时。用过饱和碳酸氢钠溶液中和后，置于透析袋(截留分子量12000)中用去离子水透析纯化3天，旋转蒸发去除水份后于40℃下真空干燥可得80％葡萄糖和20％甘氨酸乙酯共取代聚膦腈(聚合物5)。

(4)水凝胶的制备：

将聚合物5配制成浓度为0.25g/mL的水溶液，与浓度为1.6g/mL的Con A水溶液，以1：1的体积比混合均匀，静置10分钟后形成水凝胶。用去离子水萃取除去凝胶中未参与反应的Con A。

实施例6：

步骤(1)、(2)同实施例1

(3)聚膦腈的制备：

将100ml干燥的四氢呋喃溶液置于带有机械搅拌器的三口瓶中，随后加入5.20g(0.02mol)1，2:5，6-di-O-异亚丙基-α-D-葡萄糖与0.50g(0.022mol)金属纳，室温反应24小时。将1.16g(0.01mol)的聚二氯磷腈溶液缓慢滴加到上述溶液中，并回流96小时。然后将甘氨酸乙酯的四氢呋喃溶液(由2.76g(0.02mol)甘氨酸乙酯盐酸盐和2.76ml(0.02mol)三乙胺在四氢呋喃溶液中回流6小时后过滤除去三乙胺盐酸盐得到)和2.76ml(0.02mol)三乙胺在0℃下缓慢滴加到上述溶液中，冰浴中反应6小时后，于室温下继续反应18小时。离心除去不溶物后，旋转蒸发去除大部分溶剂和未反应的三乙胺得到粘稠状液体，将此粘稠液体用去离子水沉淀，得到的沉淀物于40℃下减压干燥。然后将干燥的聚合物置于带有磁力搅拌的单口瓶中，向其中滴加90％的三氟乙酸20ml，搅拌至聚合物完全溶解后继续反应4小时。用过饱和碳酸氢钠溶液中和后，置于透析袋(截留分子量12000)中用去离子水透析纯化3天，旋转蒸发去除水份后于40℃下真空干燥可得50％葡萄糖和50％甘氨酸乙酯共取代聚膦腈(聚合物6)。

(4)水凝胶的制备：

将聚合物6配制成浓度为0.3g/mL的水溶液，与浓度为1.6g/mL的ConA水溶液，以1：1的体积比混合均匀，静置10分钟后形成水凝胶。用去离子水萃取除去凝胶中未参与反应的Con A。

实施例7：

步骤(1)、(2)同实施例1

(3)聚膦腈的制备：

将100ml干燥的四氢呋喃溶液置于带有机械搅拌器的三口瓶中，随后加入2.60g(0.01mol)1，2:5，6-di-O-异亚丙基-α-D-葡萄糖与0.25g(0.011mol)金属纳，室温反应24小时。将1.16g(0.01mol)的聚二氯磷腈溶液缓慢滴加到上述溶液中，并回流96小时。然后将甘氨酸乙酯的四氢呋喃溶液(由4.14g(0.03mol)甘氨酸乙酯盐酸盐和4.14ml(0.03mol)三乙胺在四氢呋喃溶液中回流6小时后过滤除去三乙胺盐酸盐得到)和4.14ml(0.03mol)三乙胺在0℃下缓慢滴加到上述溶液中，冰浴中反应6小时后，于室温下继续反应18小时。离心除去不溶物后，旋转蒸发去除大部分溶剂和未反应的三乙胺得到粘稠状液体，将此粘稠液体用去离子水沉淀，得到的沉淀物于40℃下减压干燥。然后将干燥的聚合物置于带有磁力搅拌的单口瓶中，向其中滴加90％的三氟乙酸20ml，搅拌至聚合物完全溶解后继续反应4小时。用过饱和碳酸氢钠溶液中和后，置于透析袋(截留分子量12000)中用去离子水透析纯化3天，旋转蒸发去除水份后于40℃下真空干燥可得30％葡萄糖和70％甘氨酸乙酯共取代聚膦腈(聚合物7)。

(4)水凝胶的制备：

将聚合物7配制成浓度为0.4g/mL的水溶液，与浓度为1.2g/mL的Con

A水溶液，以1：1的体积比混合均匀，静置20分钟后形成水凝胶。用去离子水萃取除去凝胶中未参与反应的Con A。

实施例8：

步骤(1)、(2)同实施例1

(3)聚膦腈的制备：

将0.30g叔丁氧羰基保护的乙醇胺溶解于30ml干燥的四氢呋喃中，加入0.05g金属钠，室温反应24小时后，与1.16g(0.01mol)的聚二氯磷腈四氢呋喃溶液100ml混合，回流反应6小时后，将预先制备的1，2:5，6-di-O-异亚丙基-α-D-葡萄糖醇钠干燥的四氢呋喃溶液100ml(由5.20g(0.02mol)1，2:5，6-di-O-异亚丙基-α-D-葡萄糖与0.50g(0.022mol)金属纳室温反应24小时制备)加入上述溶液中，并回流96小时。然后将甲基乙醇钠的四氢呋喃溶液(100ml)(由1.60ml(0.02mol)甲氧基乙醇和0.50g(0.022mol)金属钠在四氢呋喃中室温反应24小时制备)缓慢滴加到上述溶液中，室温下反应24小时后，升温至50℃继续反应24小时。离心除去不溶物后，旋转蒸发去除大部分溶剂得到粘稠状液体，将此粘稠液体用石油谜沉淀、甲醇透析(透析袋截留分子量12000)纯化3天后，旋转蒸发去除溶剂，于40℃下真空干燥。然后将干燥的聚合物置于带有磁力搅拌的单口瓶中，向其中滴加90％的三氟乙酸20ml，搅拌至聚合物完全溶解后继续反应4小时。用过饱和碳酸氢钠溶液中和后，置于透析袋(截留分子量12000)中用去离子水透析纯化3天，旋转蒸发去除水份后于40℃下真空干燥可得约5％乙醇胺、50％葡萄糖和45％甲氧基乙醇共取代聚膦腈(聚合物8)。

(4)水凝胶的制备：

将聚合物8配制成浓度为0.2g/mL的水溶液与浓度为0.16g/mL的ConA水溶液，以1：1的体积比混合均匀，静置10分钟后形成水凝胶。用0.5％戊二醛溶液浸泡1小时。用去离子水萃取除去凝胶中未参与反应的Con A和戊二醛。