一种聚(L-谷氨酸-g-甲基丙烯酸羟乙酯)与羟丙基纤维素-g-丙烯酸共聚水凝胶及制法

摘要

本发明提供了一种聚(L-谷氨酸-g-甲基丙烯酸羟乙酯)与羟丙基纤维素-g-丙烯酸共聚水凝胶及制法。所述的水凝胶为聚(L-谷氨酸-g-甲基丙烯酸羟乙酯)与羟丙基纤维素-g-丙烯酸自由基共聚合成；所述的聚(L-谷氨酸-g-甲基丙烯酸羟乙酯)与羟丙基纤维素-g-丙烯酸质量百分数比为10～90％∶90～10％。得到的水凝胶兼具两种均聚物的特性，同时具有温度和pH敏感性，而且，水凝胶中的聚(L-谷氨酸)部分可以生物降解，从而不会造成材料在体内的积累，可以作为新型的智能型药物释放载体。

说明书

技术领域

本发明涉及一种聚(L-谷氨酸-g-甲基丙烯酸羟乙酯)与羟丙基纤维素-g-丙烯酸共聚水凝胶及制法。

背景技术

智能型高分子水凝胶是在外界环境(温度，pH值，溶液离子强度或电场强度)发生变化时，能做出物理或化学响应，形状、体积和吸水性能发生巨大变化的一类聚合物，由于智能凝胶在环境刺激下的独特响应性，使其在于生物医用材料领域有着广泛的应用前景。其中pH和温度敏感的水凝胶由于和人的生理条件密切相关而受到关注，在生物医学和药学领域应用广泛，如温度敏感型组织工程用水凝胶，pH敏感型靶向药物释放载体等。

羟丙基纤维素(HPC)是一种天然高分子改性材料，对人体无毒无害，可降解，具有良好的生物兼容性，被美国食品，药品管理委员会批准可用于食品药品中。羟丙基纤维素分子中存在一部分疏水官能团，具有疏水作用。温度的变化可影响这些基团的疏水作用以及羟基与水分子间的氢键作用，从而使凝胶结构改变，发生体积变化。它的水溶液在41℃(LCST)左右发生迅速的可逆相转变。在环境温度低于41℃时，聚合物溶解，而当环境温度超过41℃，聚合物迅速从水中沉淀。由于它特有的这一性能，其在生物材料领域有良好的应用前景。

氨基酸是组成生物蛋白的最基本单元，人工合成的聚肽具有与蛋白质相类似的结构，和细胞、组织以及其它生物成分显示出良好的相容性；同时易受酶的作用，降解生成无毒的多肽或氨基酸，因而具有优良的生物降解性；另外控制侧链基团可有效的与生物活性分子作用，同时通过改变材料的亲、疏水性改变降解速度。聚氨基酸的这些特性决定了它在生物材料领域的广泛应用。聚(L-谷氨酸)是一类侧链带有羧基的聚氨基酸，其羧基具有良好的反应活性，便于功能化修饰，具有重要的应用价值。另外，其侧羧基在水溶液中具有pH和离子强度敏感性，使其能够作为智能型的药物释放载体。目前合成聚氨基酸主要由胺基引发α-氨基酸-N-羧酸酐(NCA)开环聚合得到。甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)是一种常用的侧链带官能羟基的单体，它的聚合物具有良好的生物相容性，其水凝胶已被广泛用于隐形眼镜的制造，它与聚(L-谷氨酸)的接枝可以使相应的聚合物具有多官能基团，从而有利于进一步的修饰。

由于外界环境的复杂性，仅仅能对一种外界环境刺激产生响应性的智能高分子体系并不能很好满足现实环境中的需要，因此，制备能对多种外界刺激，尤其是温度和pH变化产生响应性的智能高分子体系有着重要的现实意义和广阔的应用前景。Polymer 48(2007)1718-1728报道了一种以N-异丙基丙烯酰胺和丙烯酸为单体，N，N’-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂的温度和pH敏感型水凝胶，该水凝胶在不同的温度和/或pH时的表现出显著不同的溶胀率。体外药物释放实验表明通过调节环境的温度和pH可以控制所担载药物的释放速率，从而可以达到药物只在某些特定环境下释放的目的。然而，上述水凝胶不能生物降解。

到目前为止，有关聚(L-谷氨酸-g-甲基丙烯酸羟乙酯)与羟丙基纤维素-g-丙烯酸共聚水凝胶的合成并未见报道。

发明内容

针对现有技术的不足，，本发明涉及一种聚(L-谷氨酸-g-甲基丙烯酸羟乙酯)与羟丙基纤维素-g-丙烯酸共聚水凝胶及制法。该水凝胶是可生物降解的pH和温度敏感的水凝胶。将具有pH敏感性的聚(L-谷氨酸-g-甲基丙烯酸羟乙酯)和具有温度敏感性的羟丙基纤维素-g-丙烯酸交联得到的水凝胶，兼具两种均聚物的特性，同时对温度和pH敏感，而且，水凝胶中的聚(L-谷氨酸)部分可以生物降解，从而不会造成材料在体内的积累。这些特性极大地提高了该水凝胶应用范围，使之具有广阔的应用前景。该水凝胶作为一种新型的智能型药物释放载体。

本发明目的之一是提供可生物降解的pH和温度敏感水凝胶，所述的水凝胶为聚(L-谷氨酸-g-甲基丙烯酸羟乙酯)与羟丙基纤维素-g-丙烯酸的共聚水凝胶；所述的聚(L-谷氨酸-g-甲基丙烯酸羟乙酯)与羟丙基纤维素-g-丙烯酸的质量百分数比为10～90％∶90～10％。

本发明目的之二是提供聚(L-谷氨酸-g-甲基丙烯酸羟乙酯)与羟丙基纤维素-g-丙烯酸的共聚水凝胶的制备方法，其步骤和条件如下：

(1)聚(L-谷氨酸-g-甲基丙烯酸羟乙酯)的制备

将粘均分子量为88000的聚(L-谷氨酸)与甲基丙烯酸羟乙酯单体混合溶于二甲基亚砜中，其中，聚(L-谷氨酸)与甲基丙烯酸羟乙酯单体的总质量，克：二甲基亚砜的体积，毫升为1∶20～30，聚(L-谷氨酸)重复单元和甲基丙烯酸羟乙酯单体的物质的量比为100∶1～50，优选100∶10；固体物全部溶解后得到澄清溶液，定义为溶液a；

将N，N’-环己基碳二亚胺和4-二甲胺基吡啶溶于是两者总质量5倍的二甲基亚砜中得到澄清溶液，定义为溶液b，其中，N，N’-环己基碳二亚胺与溶液a中甲基丙烯酸羟乙酯的物质的量比为1～5∶1，4-二甲胺基吡啶与溶液a中甲基丙烯酸羟乙酯的物质的量比为为1∶1～10；将上述溶液b倒入溶液a中，室温反应24-72小时后过滤掉生成的沉淀物，滤液用乙醚沉降，过滤，洗涤，真空干燥，得到聚(L-谷氨酸-g-甲基丙烯酸羟乙酯)；

(2)羟丙基纤维素-g-丙烯酸的制备

将羟丙基纤维素与丙烯酸单体混合溶于氯仿中得到澄清溶液，定义为溶液c；其中，羟丙基纤维素与丙烯酸单体的总质量，克：氯仿的体积，毫升为1∶10～30，羟丙基纤维素的羟基和丙烯酸单体的物质的量比为100∶1～30(优选100∶10)；

将N，N’-环己基碳二亚胺和4-二甲胺基吡啶溶于是两者总质量5倍的氯仿中得到澄清溶液，定义为溶液d，其中，N，N’-环己基碳二亚胺与溶液c中丙烯酸的物质的量比为1～5∶1，4-二甲胺基吡啶与溶液c中丙烯酸的物质的量比为为1∶1～10；将所述的溶液d倒入溶液c中，室温反应24-72小时后过滤掉生成的沉淀物，滤液用乙醚沉降，过滤，洗涤，真空干燥，得到羟丙基纤维素-g-丙烯酸；

(3)聚(L-谷氨酸-g-甲基丙烯酸羟乙酯)与羟丙基纤维素-g-丙烯酸的交联反应

按照聚(L-谷氨酸-g-甲基丙烯酸羟乙酯)与羟丙基纤维素-g-丙烯酸的质量百分比为10～90％∶90～10％，将聚(L-谷氨酸-g-甲基丙烯酸羟乙酯)和羟丙基纤维素-g-丙烯酸共同溶于磷酸缓冲溶液中，其中，聚(L-谷氨酸-g-甲基丙烯酸羟乙酯)和羟丙基纤维素-g-丙烯酸的总的质量体积浓度为为10～30％；在上述溶液中加入过硫酸铵，其质量为聚(L-谷氨酸-g-甲基丙烯酸羟乙酯)和羟丙基纤维素-g-丙烯酸总质量的5～20％；再加入四甲基乙二胺，常温共聚反应，其体积，毫升与过硫酸铵质量，克的配比为1∶1；室温条件下，反应物发生交联，继续室温静置24小时后泡入二次水中7天，每天换水至少一次，得到聚(L-谷氨酸-g-甲基丙烯酸羟乙酯)与羟丙基纤维素-g-丙烯酸共聚水凝胶。

本发明得到的聚(L-谷氨酸-g-甲基丙烯酸羟乙酯)与羟丙基纤维素-g-丙烯酸共聚水凝胶，作为一种新型的智能型药物释放载体。

有益效果：本发明得到的聚(L-谷氨酸-g-甲基丙烯酸羟乙酯)与羟丙基纤维素-g-丙烯酸共聚水凝胶，具有pH响应性，其平衡溶胀率随pH之变化而变化。如图1所示，聚(L-谷氨酸-g-甲基丙烯酸羟乙酯)和羟丙基纤维素-g-丙烯酸不同配比的水凝胶在pH较低时平衡溶胀率较小，随pH值升高，平衡溶胀率增大，在中性(pH＝7)时，平衡溶胀率达到最大，随pH继续增加平衡溶胀率再次减小，表明聚(L-谷氨酸-g-甲基丙烯酸羟乙酯)与羟丙基纤维素-g-丙烯酸共聚水凝胶具有pH响应性。

本发明得到的聚(L-谷氨酸-g-甲基丙烯酸羟乙酯)与羟丙基纤维素-g-丙烯酸共聚水凝胶，具有温度响应性，其平衡溶胀率随温度的升高而减小。如图2所示，聚(L-谷氨酸-g-甲基丙烯酸羟乙酯)和羟丙基纤维素-g-丙烯酸不同组成的水凝胶在pH为6.8的缓冲溶液中，从温度25℃至48℃平衡溶胀率逐渐减小，表明聚(L-谷氨酸-g-甲基丙烯酸羟乙酯)与羟丙基纤维素-g-丙烯酸共聚水凝胶具有温度响应性。这些特性大大拓展了水凝胶的应用领域。另外，共聚物中的聚(L-谷氨酸)段能生物降解，且具有良好的生物相容性。因此，这种双敏感性的水凝胶在组织工程和药物释放载体等领域有着广泛的应用前景，尤其适合作为不稳定的蛋白多肽类和核苷酸类药物的载体。

附图说明

附图1为不同配比聚(L-谷氨酸-g-甲基丙烯酸羟乙酯)与羟丙基纤维素-g-丙烯酸共聚水凝胶在不同pH平衡溶胀率曲线。

附图2为不同配比聚(L-谷氨酸-g-甲基丙烯酸羟乙酯)与羟丙基纤维素-g-丙烯酸共聚水凝胶在pH6.8缓冲溶液中不同温度下平衡溶胀率曲线。

具体实施方式

实施例1：聚(L-谷氨酸-g-甲基丙烯酸羟乙酯)的制备

将1.3g聚(L-谷氨酸)(粘均分子量为88000)与0.013g甲基丙烯酸羟乙酯单体混合，溶于30mL二甲基亚砜中，将固体物全部溶解，定义为溶液a。

再将N，N’-环己基碳二亚胺0.02g和4-二甲胺基吡啶0.012g溶于0.16mL二甲基亚砜中，定义为溶液b。将上述溶液b倒入溶液a中，室温反应72小时后过滤掉生成的沉淀物。滤液用300mL乙醚沉降，过滤，用乙醚洗涤三次，室温真空干燥24h，得到聚(L-谷氨酸-g-甲基丙烯酸羟乙酯)。

实施例2：聚(L-谷氨酸-g-甲基丙烯酸羟乙酯)的制备

将1.3g聚(L-谷氨酸)(粘均分子量为88000)与0.656g甲基丙烯酸羟乙酯单体混合，溶于30mL二甲基亚砜中，将固体物全部溶解，定义为溶液a。再将N，N’-环己基碳二亚胺1.04g和4-二甲胺基吡啶0.615g溶于8.25mL二甲基亚砜中，定义为溶液b。将上述溶液b倒入溶液a中，室温反应72小时后过滤掉生成的沉淀物。滤液用300mL乙醚沉降，过滤，用乙醚洗涤三次，室温真空干燥24h，得到聚(L-谷氨酸-g-甲基丙烯酸羟乙酯)。

实施例3：聚(L-谷氨酸-g-甲基丙烯酸羟乙酯)的制备

将1.3g聚(L-谷氨酸)(粘均分子量为88000)与0.13g甲基丙烯酸羟乙酯单体混合，溶于30mL二甲基亚砜中，将固体物全部溶解，定义为溶液a。再将N，N’-环己基碳二亚胺0.2g和4-二甲胺基吡啶0.12g溶于1.6mL二甲基亚砜中，定义为溶液b。将上述溶液b倒入溶液a中，室温反应72小时后过滤掉生成的沉淀物。滤液用300mL乙醚沉降，过滤，用乙醚洗涤三次，室温真空干燥24h，得到聚(L-谷氨酸-g-甲基丙烯酸羟乙酯)。

实施例4：羟丙基纤维素-g-丙烯酸的制备

将1.0g羟丙基纤维素与0.01g丙烯酸单体混合，溶于30mL氯仿中，将固体物全部溶解，定义为溶液a。再将N，N’-环己基碳二亚胺0.028g和4-二甲胺基吡啶0.0016g溶于0.15mL氯仿中，定义为溶液b。将上述溶液b倒入溶液a中，室温反应72小时后过滤掉生成的沉淀物。滤液用300mL乙醚沉降，过滤，用乙醚洗涤三次，室温真空干燥24h，得到聚羟丙基纤维素-g-丙烯酸。

实施例5：羟丙基纤维素-g-丙烯酸的制备

将1.0g羟丙基纤维素与0.29g丙烯酸单体混合，溶于30mL氯仿中，将固体物全部溶解，定义为溶液a。再将N，N’-环己基碳二亚胺0.84g和4-二甲胺基吡啶0.25g溶于4.5mL氯仿中，定义为溶液b。将上述溶液b倒入溶液a中，室温反应72小时后过滤掉生成的沉淀物。滤液用300mL乙醚沉降，过滤，用乙醚洗涤三次，室温真空干燥24h，得到聚羟丙基纤维素-g-丙烯酸。

实施例6：羟丙基纤维素-g-丙烯酸的制备

将1.0g羟丙基纤维素与0.1g丙烯酸单体混合，溶于30mL氯仿中，将固体物全部溶解，定义为溶液a。再将N，N’-环己基碳二亚胺0.28g和4-二甲胺基吡啶0.016g溶于1.5mL氯仿中，定义为溶液b。将上述溶液b倒入溶液a中，室温反应72小时后过滤掉生成的沉淀物。滤液用300mL乙醚沉降，过滤，用乙醚洗涤三次，室温真空干燥24h，得到聚羟丙基纤维素-g-丙烯酸。

实施例7：聚(L-谷氨酸-g-甲基丙烯酸羟乙酯)与羟丙基纤维素-g-丙烯酸共聚水凝胶的制备

将0.36g聚(L-谷氨酸-g-甲基丙烯酸羟乙酯)(粘均分子量为88000)，甲基丙烯酸羟乙酯占谷氨酸重复单元摩尔数的0.1)与0.04g羟丙基纤维素-g-丙烯酸(丙烯酸占羟丙基纤维素羟基物质的量的0.1)共同溶于4mL的0.1M的pH＝7.4的磷酸缓冲溶液中。加入过硫酸铵20mg，四甲基乙二胺20μL将继续室温静置24小时后泡入二次水中7天，每天换水至少一次，得到聚(L-谷氨酸)共聚羟丙基纤维素水凝胶。

实施例8：聚(L-谷氨酸-g-甲基丙烯酸羟乙酯)与羟丙基纤维素-g-丙烯酸共聚水凝胶的制备

将0.28g聚(L-谷氨酸-g-甲基丙烯酸羟乙酯)(粘均分子量为88000)，甲基丙烯酸羟乙酯占谷氨酸重复单元摩尔数的0.1)与0.12g羟丙基纤维素-g-丙烯酸(丙烯酸占羟丙基纤维素羟基物质的量的0.1)共同溶于4mL的0.1M的pH＝7.4的磷酸缓冲溶液中。加入过硫酸铵20mg，四甲基乙二胺20μL将继续室温静置24小时后泡入二次水中7天，每天换水至少一次，得到聚(L-谷氨酸)共聚羟丙基纤维素水凝胶。

实施例9：聚(L-谷氨酸-g-甲基丙烯酸羟乙酯)与羟丙基纤维素-g-丙烯酸共聚水凝胶的制备

将0.2g聚(L-谷氨酸-g-甲基丙烯酸羟乙酯)(粘均分子量为88000)，甲基丙烯酸羟乙酯占谷氨酸重复单元摩尔数的0.1)与0.2g羟丙基纤维素-g-丙烯酸(丙烯酸占羟丙基纤维素羟基物质的量的0.1)共同溶于4mL的0.1M的pH＝7.4的磷酸缓冲溶液中。加入过硫酸铵20mg，四甲基乙二胺20μL将继续室温静置24小时后泡入二次水中7天，每天换水至少一次，得到聚(L-谷氨酸)共聚羟丙基纤维素水凝胶。

实施例10：聚(L-谷氨酸-g-甲基丙烯酸羟乙酯)与羟丙基纤维素-g-丙烯酸共聚水凝胶的制备

将0.12g聚(L-谷氨酸-g-甲基丙烯酸羟乙酯)(粘均分子量为88000)，甲基丙烯酸羟乙酯占谷氨酸重复单元摩尔数的0.1)与0.28g羟丙基纤维素-g-丙烯酸(丙烯酸占羟丙基纤维素羟基物质的量的0.1)共同溶于4mL的0.1M的pH＝7.4的磷酸缓冲溶液中。加入过硫酸铵20mg，四甲基乙二胺20μL将继续室温静置24小时后泡入二次水中7天，每天换水至少一次，得到聚(L-谷氨酸)共聚羟丙基纤维素水凝胶。

实施例11：聚(L-谷氨酸-g-甲基丙烯酸羟乙酯)与羟丙基纤维素-g-丙烯酸共聚水凝胶的制备

将0.04g聚(L-谷氨酸-g-甲基丙烯酸羟乙酯)(粘均分子量为88000)，甲基丙烯酸羟乙酯占谷氨酸重复单元摩尔数的0.1)与0.36g羟丙基纤维素-g-丙烯酸(丙烯酸占羟丙基纤维素羟基物质的量的0.1)共同溶于4mL的0.1M的pH＝7.4的磷酸缓冲溶液中。加入过硫酸铵20mg，四甲基乙二胺20μL将继续室温静置24小时后泡入二次水中7天，每天换水至少一次，得到聚(L-谷氨酸)共聚羟丙基纤维素水凝胶。