温度和pH双重敏感嵌段共聚物及其合成方法和水凝胶体系

摘要

本发明公开了一种温度和pH双重敏感嵌段共聚物及其合成方法和水凝胶体系，是以聚赖氨酸‑聚缬氨酸为疏水性链段、以聚乙二醇单甲醚为亲水性链段构成的聚乙二醇‑聚赖氨酸‑聚缬氨酸三嵌段共聚物，其中，疏水性链段聚赖氨酸‑聚缬氨酸中赖氨酸的含量是22～34wt％，缬氨酸的含量是66～78wt％。所述嵌段共聚物中亲水链段聚乙二醇单甲醚的含量是47～57wt％，疏水性链段聚赖氨酸‑聚缬氨酸的含量是43～53wt％。本发明公开了一种温度和pH双重敏感水凝胶体系具有良好的生物相容性和可降解性能，在生物材料领域具有较大应用价值。

说明书

技术领域

本发明属于生物材料技术领域，具体涉及一种温度和pH双重敏感嵌段共聚物及其合成方法和水凝胶体系。

背景技术

水凝胶能够在生物材料领域成功应用，主要归功于自身的三维交联网络。交联网络的构建成分及自身的固有结构和机械性能对凝胶的物理性能、生物学特性起到关键的作用。聚氨基酸水凝胶作为一类超分子水凝胶，不仅具有传统凝胶含水保湿的优势，同时因为氨基酸种类的多样性、合成过程、自组装过程的可精确操控，可以用来设计和制备成良好定义的材料。相对于以天然材料为来源构建的水凝胶体系，聚氨基酸材料在不影响材料生物化学特性的情况下，在调节材料的力学性能方面具有更好的操作性。

聚氨基酸水凝胶的形成除了与材料本身的亲疏水平衡有关系，还同聚氨基酸链段的二级结构有直接关系，二级结构的不同会显著影响聚合物的自组装形貌。因此，可以通过调整共聚物的亲疏水链段平衡、链段分子量和长度、嵌段拓扑结构、氨基酸种类等，来设计具有特定二级结构和自组装形态的材料，制备具有特殊功能性的聚氨基酸水凝胶，达到控制凝胶转变温度、凝胶模量、降解周期等目的。

具有溶胶-凝胶转变的温敏性的聚氨基酸水凝胶，在室温下是可流动的溶胶溶液，其粘度较低可以通过注射进入人体，直达病灶。这种给药方式简单、安全、病人顺受性强。当载有药物的聚氨基酸水凝胶进入人体等活性组织后，在人体温度的刺激作用下，溶胶会发生相变形成凝胶，滞留在人体注入部位，不容易游走。此外，还可以根据人体内其它环境因素的不同进行精确响应，有利于药物的靶向释放和对特定组织的修复治疗，甚至凝胶体系本身作为消炎药物发挥治疗效果。水凝胶在降解过程中释放出的天然氨基酸小分子被人体吸收或分解，代谢产物对生物体无毒副作用，无免疫原性，显示出良好的生物相容性和生物安全性。

在聚氨基酸链段上接入修饰链段或基团，一般是为了增加体系的亲水性，调节共聚物亲疏水平衡，构建凝胶网络。修饰链段一般为高分子聚合物或长链烷基，修饰基团主要为短链单元或刺激响应性功能基团，可以构建单一或多重刺激响应水凝胶。壳聚糖接枝的聚乙二醇-聚丙氨酸是一种典型的pH和温度双重敏感聚合物(Journal of materials chemistry2011,21(14):5484-5491)，该聚合物的溶胶-凝胶转变温度随着pH的升高而升高，在患处酸性pH的作用下能形成稳固凝胶，在中性pH下保持低粘性的溶胶状态，可用于注射治疗胃溃疡等疾病。

基于多重敏感型的温敏性聚氨基酸水凝胶在药物装载、组织工程应用等方面的重要应用价值，本发明拟以聚乙二醇、聚缬氨酸、聚赖氨酸为组分，通过调控组成和嵌段结构，构建具有pH、温度双响应的聚氨基酸水凝胶。

发明内容

本发明的目的是基于聚醚、聚赖氨酸、聚缬氨酸，提供一种温度和pH双重敏感嵌段共聚物及其合成方法和水凝胶体系。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种温度和pH双重敏感嵌段共聚物，是以聚赖氨酸-聚缬氨酸为疏水性链段、以聚乙二醇单甲醚为亲水性链段构成的聚乙二醇-聚赖氨酸-聚缬氨酸三嵌段共聚物，其中，疏水性链段聚赖氨酸-聚缬氨酸中赖氨酸的含量是22～34wt％，缬氨酸的含量是66～78wt％。

进一步地，所述嵌段共聚物中亲水链段聚乙二醇单甲醚的含量是47～57wt％，疏水性链段聚赖氨酸-聚缬氨酸的含量是43～53wt％。

为了达到更好的效果，进一步地，所述嵌段共聚物中亲水链段聚乙二醇单甲醚的含量是49～54wt％，疏水性链段聚赖氨酸-聚缬氨酸的含量是46～51wt％。

进一步地，所述亲水性链段聚乙二醇单甲醚的数均分子量为500～5000，优选为1000-2000。

本发明还一种温度和pH双重敏感嵌段共聚物的合成方法，包括以下步骤：

S1：按比例称取以下材料：

引发剂：端氨基聚乙二醇单甲醚；

溶剂：三氯甲烷/N，N-二甲基甲酰胺混合溶剂；

反应原料：N-羧基-α-氨基-L苄氧羰基赖氨酸环内酸酐单体和N-羧基-α-氨基-L-缬氨酸环内酸酐单体；

S2：将称取的引发剂加入带有磁力搅拌的反应容器中，并将反应容器减压抽成真空，随后每个X小时通入高纯氩气置换体系，如此反复若干次；

S3：向反应容器中加入称量的三氯甲烷/N，N-二甲基甲酰胺混合溶剂，使端氨基聚乙二醇单甲醚溶解，混合溶剂中，三氯甲烷与N，N-二甲基甲酰胺的体积比为2：1；

S4：待端氨基聚乙二醇单甲醚完全溶解后，加入称量的N-羧基-α-氨基-L-苄氧羰基赖氨酸环内酸酐单体，然后将反应容器置于一定温度的油浴中，使混合单体进行开环聚合反应；

S5：向反应容器中加入称量的N-羧基-α-氨基-L-缬氨酸环内酸酐，继续进行开环聚合反应；

S6：将S5的反应产物进行溶解/沉淀处理，然后过滤，并在真空烘箱中干燥至恒重，得聚乙二醇单甲醚-聚苄氧羰基赖氨酸-聚缬氨酸共聚物。

S7：按比例称取以下材料：

反应物：S6所得的聚乙二醇单甲醚-聚苄氧羰基赖氨酸-聚缬氨酸共聚物，以及溴化氢乙酸溶液；

溶剂：三氟乙酸；

S8：将聚乙二醇单甲醚-聚苄氧羰基赖氨酸-聚缬氨酸共聚物加入带有搅拌子的反应容器中，加入三氟乙酸，开启搅拌，使聚乙二醇单甲醚-聚苄氧羰基赖氨酸-聚缬氨酸共聚物完全溶解。

S9：置冰浴反应条件，向反应容器中加入溴化氢乙酸溶液，进行脱保护反应；

S10：将S9所得反应产物用冰冻乙醚进行溶解处理，然后过滤，并在真空烘箱中干燥至恒重，得聚乙二醇单甲醚-聚赖氨酸-聚缬氨酸三嵌段共聚物。

上述温度和pH双重敏感嵌段共聚物的合成方法中，所述S1中各材料的重量份数为：端氨基聚乙二醇单甲醚X、溴化氢乙酸溶液A～B。

上述温度和pH双重敏感嵌段共聚物的合成方法中，所述S7中各材料的重量份数为：聚乙二醇单甲醚-聚苄氧羰基赖氨酸-聚缬氨酸共聚物X、N-羧基-α-氨基-L苄氧羰基赖氨酸环内酸酐单体A～B、N-羧基-α-氨基-L-缬氨酸环内酸酐单体C～D。

上述温度和pH双重敏感嵌段共聚物的合成方法中，所述S4、S5中混合单体进行开环聚合反应时，油浴温度均为20～40℃，优选为25～35℃，进一步优选为25～30℃。。

上述温度和pH双重敏感嵌段共聚物的合成方法中，所述S4、S5中混合单体进行开环聚合反应时，反应时间均为12～36h，优选为16～36h，进一步优选为20～24h。

上述温度和pH双重敏感嵌段共聚物的合成方法中，所述S9中进行脱保护反应时，反应时间为4～7h，优选6h。

本发明的温度和pH双重敏感水凝胶体系，由上述温度和pH双重敏感嵌段共聚物制备而成，该温度和pH双重敏感水凝胶体系中温度和pH双重敏感嵌段共聚物的浓度为1～10wt％，优选为3～6wt％。

在本发明中，聚乙二醇-聚赖氨酸-聚缬氨酸三嵌段共聚物的合成按照“胺基”机理，在不需要催化剂的条件下，以端氨基聚乙二醇单甲醚为引发剂，引发N-羧基-α-氨基-L苄氧羰基赖氨酸环内酸酐、N-羧基-α-氨基-L-缬氨酸环内酸酐单体发生开环聚合，制得聚乙二醇单甲醚-聚苄氧羰基赖氨酸-聚缬氨酸共聚物，进一步对得到的聚乙二醇单甲醚-聚苄氧羰基赖氨酸-聚缬氨酸共聚物体系进行脱保护反应，分别脱去赖氨酸链段和谷氨酸链段上的苄 氧羰基保护基团最后获得聚乙二醇单甲醚-聚赖氨酸-聚缬氨酸共聚物。

本发明的有益效果是：

1、本发明中的水凝胶具有pH、温度双敏感的特性，在较宽的pH范围内(比如pH 3～8之间)都显示良好的溶胶-凝胶温敏转变性能，且转变温度在人体温度附近，从而使得该凝胶在人体内不同的pH环境下都能应用。

2、本发明中的水凝胶的溶胶-凝胶转变温度随pH的降低而升高，具备一定的pH响应的功能。

3、本发明提供的温度和pH双重敏感水凝胶体系，总体而言具有良好的生物相容性和可降解性能，在生物材料领域具有较大应用价值。

附图说明

图1为实施例1不同浓度温度和pH双重敏感水凝胶体系的溶胶-凝胶转变相图；

图2为实施例1浓度为5wt％温度和pH双重敏感水凝胶体系在不同pH条件下凝胶转变相图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结和附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种温度和pH双重敏感嵌段共聚物，是以聚赖氨酸-聚缬氨酸为疏水性链段、以聚乙二醇单甲醚(mPEG)为亲水性链段构成的聚乙二醇-聚赖氨酸-聚缬氨酸三嵌段共聚物，其中，疏水性链段聚赖氨酸-聚缬氨酸中赖氨酸的含量是27wt％，缬氨酸的含量是73wt％。

进一步地，前述嵌段共聚物中亲水链段聚乙二醇单甲醚的含量是51wt％，疏水性链段聚赖氨酸-聚缬氨酸的含量是49wt％。

本实施例前述亲水性链段聚乙二醇单甲醚的数均分子量为1000。

进一步地，前述亲水性链段聚乙二醇单甲醚的数均分子量还可以为500、2000或5000。

本实施例的温度和pH双重敏感嵌段共聚物的合成方法包括以下步骤：

S1：按比例称取以下材料：

引发剂：端氨基聚乙二醇单甲醚，数均分子量为1000，质量为1.00g；

溶剂：三氯甲烷/N，N-二甲基甲酰胺混合溶剂6ml，其中，三氯甲烷与N，N-二甲基甲酰胺的体积比为2：1；

反应原料：N-羧基-α-氨基-L苄氧羰基赖氨酸环内酸酐单体0.612g，N-羧基-α-氨基-L- 缬氨酸环内酸酐单体1.001g；

S2：将称取的引发剂加入带有磁力搅拌的反应容器中，并将反应容器减压抽成真空，随后每隔半小时通入高纯氩气置换体系，如此反复若干次；

S3：向反应容器中加入称量的三氯甲烷/N，N-二甲基甲酰胺混合溶剂，使端氨基聚乙二醇单甲醚溶解；

S4：待端氨基聚乙二醇单甲醚完全溶解后，加入称量的N-羧基-α-氨基-L-苄氧羰基赖氨酸环内酸酐单体，然后将反应容器置于25℃的油浴中，使混合单体进行开环聚合反应；

S5：待反应进行24h后，向反应容器中加入称量的N-羧基-α-氨基-L-缬氨酸环内酸酐，继续进行开环聚合反应；

S6：待反应进行24h后，将S5的反应产物进行溶解/沉淀处理，然后过滤，并在真空烘箱中干燥至恒重，得聚乙二醇单甲醚-聚苄氧羰基赖氨酸-聚缬氨酸共聚物。

S7：按比例称取以下材料：

反应物：S6所得的聚乙二醇单甲醚-聚苄氧羰基赖氨酸-聚缬氨酸共聚物1g，以及浓度33％的溴化氢乙酸溶液2ml；

溶剂：三氟乙酸10ml；

S8：将聚乙二醇单甲醚-聚苄氧羰基赖氨酸-聚缬氨酸共聚物加入带有搅拌子的反应容器中，加入三氟乙酸，开启搅拌，使聚乙二醇单甲醚-聚苄氧羰基赖氨酸-聚缬氨酸共聚物完全溶解。

S9：置冰浴反应条件，向反应容器中加入溴化氢乙酸溶液，进行脱保护反应；

S10：待反应进行6h后，将S9所得反应产物用冰冻乙醚进行溶解处理，然后过滤，并在真空烘箱中干燥至恒重，得聚乙二醇单甲醚-聚赖氨酸-聚缬氨酸三嵌段共聚物。

进一步地，所述S4、S5中混合单体进行开环聚合反应时，油浴温度还可以为：20℃、30℃、35℃、40℃。

进一步地，所述S4、S5中混合单体进行开环聚合反应时，反应时间还可以为12h、16h、36h、48h。

进一步地，所述S9中进行脱保护反应时，反应时间还可以为4h、5h、7h。

本实施例的温度和pH双重敏感水凝胶体系，由温度和pH双重敏感嵌段共聚物制备而成，该温度和pH双重敏感水凝胶体系中温度和pH双重敏感嵌段共聚物的浓度为5wt％。

进一步地，所述的温度和pH双重敏感水凝胶体系中温度和pH双重敏感嵌段共聚物的浓度为：1wt％、3wt％、6wt％、10wt％。

实施例2

一种温度和pH双重敏感嵌段共聚物，是以聚赖氨酸-聚缬氨酸为疏水性链段、以聚乙二醇单甲醚(mPEG)为亲水性链段构成的聚乙二醇-聚赖氨酸-聚缬氨酸三嵌段共聚物，其中，疏水性链段聚赖氨酸-聚缬氨酸中赖氨酸的含量是34wt％，缬氨酸的含量是66wt％。

进一步地，前述嵌段共聚物中亲水链段聚乙二醇单甲醚的含量是57wt％，疏水性链段聚赖氨酸-聚缬氨酸的含量是43wt％。

进一步地，前述亲水性链段聚乙二醇单甲醚的数均分子量为3500。

本实施例的温度和pH双重敏感嵌段共聚物的合成方法与实施例1相同。

本实施例的温度和pH双重敏感水凝胶体系，由温度和pH双重敏感嵌段共聚物制备而成，该温度和pH双重敏感水凝胶体系中温度和pH双重敏感嵌段共聚物的浓度为4wt％。

实施例3

一种温度和pH双重敏感嵌段共聚物，是以聚赖氨酸-聚缬氨酸为疏水性链段、以聚乙二醇单甲醚(mPEG)为亲水性链段构成的聚乙二醇-聚赖氨酸-聚缬氨酸三嵌段共聚物，其中，疏水性链段聚赖氨酸-聚缬氨酸中赖氨酸的含量是22wt％，缬氨酸的含量是78wt％。

进一步地，前述嵌段共聚物中亲水链段聚乙二醇单甲醚的含量是47wt％，疏水性链段聚赖氨酸-聚缬氨酸的含量是53wt％。

进一步地，前述亲水性链段聚乙二醇单甲醚的数均分子量为3000。

本实施例的温度和pH双重敏感嵌段共聚物的合成方法与实施例1相同。

本实施例的温度和pH双重敏感水凝胶体系，由温度和pH双重敏感嵌段共聚物制备而成，该温度和pH双重敏感水凝胶体系中温度和pH双重敏感嵌段共聚物的浓度为9wt％。

实施例4

一种温度和pH双重敏感嵌段共聚物，是以聚赖氨酸-聚缬氨酸为疏水性链段、以聚乙二醇单甲醚(mPEG)为亲水性链段构成的聚乙二醇-聚赖氨酸-聚缬氨酸三嵌段共聚物，其中，疏水性链段聚赖氨酸-聚缬氨酸中赖氨酸的含量是30wt％，缬氨酸的含量是70wt％。

进一步地，前述嵌段共聚物中亲水链段聚乙二醇单甲醚的含量是53wt％，疏水性链段聚赖氨酸-聚缬氨酸的含量是46wt％。

进一步地，前述亲水性链段聚乙二醇单甲醚的数均分子量为5000。

本实施例的温度和pH双重敏感嵌段共聚物的合成方法与实施例1相同。

本实施例的温度和pH双重敏感水凝胶体系，由温度和pH双重敏感嵌段共聚物制备而成，该温度和pH双重敏感水凝胶体系中温度和pH双重敏感嵌段共聚物的浓度为7.5wt％。

实施例5

一种温度和pH双重敏感嵌段共聚物，是以聚赖氨酸-聚缬氨酸为疏水性链段、以聚乙 二醇单甲醚(mPEG)为亲水性链段构成的聚乙二醇-聚赖氨酸-聚缬氨酸三嵌段共聚物，其中，疏水性链段聚赖氨酸-聚缬氨酸中赖氨酸的含量是25wt％，缬氨酸的含量是75wt％。

进一步地，前述嵌段共聚物中亲水链段聚乙二醇单甲醚的含量是49wt％，疏水性链段聚赖氨酸-聚缬氨酸的含量是51wt％。

进一步地，前述亲水性链段聚乙二醇单甲醚的数均分子量为1500。

本实施例的温度和pH双重敏感嵌段共聚物的合成方法与实施例1相同。

本实施例的温度和pH双重敏感水凝胶体系，由温度和pH双重敏感嵌段共聚物制备而成，该温度和pH双重敏感水凝胶体系中温度和pH双重敏感嵌段共聚物的浓度为3wt％。

实施例6

一种温度和pH双重敏感嵌段共聚物，其组分与实施例1相同。

本实施例的温度和pH双重敏感嵌段共聚物的合成方法包括以下步骤：

S1：按比例称取以下材料：

引发剂：端氨基聚乙二醇单甲醚，数均分子量为1000，质量为1.00g；

溶剂：三氯甲烷/N，N-二甲基甲酰胺混合溶剂6ml，其中，三氯甲烷与N，N-二甲基甲酰胺的体积比为2：1；

反应原料：N-羧基-α-氨基-L苄氧羰基赖氨酸环内酸酐单体0.612g，N-羧基-α-氨基-L-缬氨酸环内酸酐单体1.001g；

S2：将称取的引发剂加入带有磁力搅拌的反应容器中，并将反应容器减压抽成真空，随后每隔半小时通入高纯氩气置换体系，如此反复若干次；

S3：向反应容器中加入称量的三氯甲烷/N，N-二甲基甲酰胺混合溶剂，使端氨基聚乙二醇单甲醚溶解；

S4：待端氨基聚乙二醇单甲醚完全溶解后，加入称量的N-羧基-α-氨基-L-苄氧羰基赖氨酸环内酸酐单体，然后将反应容器置于35℃的油浴中，使混合单体进行开环聚合反应；

S5：待反应进行16h后，向反应容器中加入称量的N-羧基-α-氨基-L-缬氨酸环内酸酐，继续进行开环聚合反应；

S6：待反应进行16h后，将S5的反应产物进行溶解/沉淀处理，然后过滤，并在真空烘箱中干燥至恒重，得聚乙二醇单甲醚-聚苄氧羰基赖氨酸-聚缬氨酸共聚物。

S7：按比例称取以下材料：

反应物：S6所得的聚乙二醇单甲醚-聚苄氧羰基赖氨酸-聚缬氨酸共聚物1g，以及浓度33％的溴化氢乙酸溶液2ml；

溶剂：三氟乙酸10ml；

S8：将聚乙二醇单甲醚-聚苄氧羰基赖氨酸-聚缬氨酸共聚物加入带有搅拌子的反应容器中，加入三氟乙酸，开启搅拌，使聚乙二醇单甲醚-聚苄氧羰基赖氨酸-聚缬氨酸共聚物完全溶解。

S9：置冰浴反应条件，向反应容器中加入溴化氢乙酸溶液，进行脱保护反应；

S10：待反应进行4h后，将S9所得反应产物用冰冻乙醚进行溶解处理，然后过滤，并在真空烘箱中干燥至恒重，得聚乙二醇单甲醚-聚赖氨酸-聚缬氨酸三嵌段共聚物。

进一步地，所述S4、S5中混合单体进行开环聚合反应时，油浴温度还可以为：20℃、25℃、30℃、40℃。

进一步地，所述S4、S5中混合单体进行开环聚合反应时，反应时间还可以为12h、20h、24h、36h。

进一步地，所述S9中进行脱保护反应时，反应时间还可以为5h、6h、7h。

本实施例的温度和pH双重敏感水凝胶体系，由温度和pH双重敏感嵌段共聚物制备而成，该温度和pH双重敏感水凝胶体系中温度和pH双重敏感嵌段共聚物的浓度为5wt％。

进一步地，所述的温度和pH双重敏感水凝胶体系中温度和pH双重敏感嵌段共聚物的浓度为：1wt％、3wt％、6wt％、10wt％。

实验验证：下面通过实验验证本发明的温度和pH双重敏感水凝胶体系的性能。

取实施例1制得温度和pH双重敏感嵌段共聚物为原料，配置浓度为3wt％、4wt％、5wt％、6wt％的温度和pH双重敏感水凝胶体系，并分别测定其溶胶-凝胶热转变行为，得到溶胶-凝胶转变相图，如图1所示。由图中可以看出，当温度和pH双重敏感嵌段共聚物浓度为5wt％、6wt％时，两种温度和pH双重敏感水凝胶体系在室温或室温以下为可流动的液体，而在人体温度时则以稳定的凝胶态存在。

取实施例1制得的浓度为5wt％温度和pH双重敏感水凝胶体系，并分别测定在pH值3-8.5区间的溶胶-凝胶转变行为，得到溶胶-凝胶转变相图，如图2所示。由图中可以看出，当温度和pH双重敏感水凝胶体系在pH值为3-8.5范围时，温度和pH双重敏感水凝胶体系在室温或室温以下为可流动的液体，而在人体温度时则以稳定的凝胶态存在。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。