刷状聚乙二醇两亲性共聚物的合成及其对载药的影响研究进展

敬小波，申有青

（浙江大学化学工程与生物工程学系，浙江 杭州 310027）

基于刷状聚乙二醇（PEG）的两亲性共聚物能形成纳米颗粒用于改善药物的水溶性，并能利用通过实体瘤的高通透性和滞留效应（EPR）实现被动靶向肿瘤以提高药物的药效，降低毒副作用，因而受到了广泛的关注和研究[1-4]。PEG是一种线性聚醚，呈电中性，水溶性及生物相容性良好。此外，PEG还具有低的界面自由能和“non-fouling”特性，因而能抑制蛋白吸附，是药物输送领域最常用的亲水聚合物[5-6]。刷状PEG两亲性共聚物是以PEG链为侧链且含有疏水链段的共聚物，与相同组成的直链PEG共聚物相比，刷状PEG空间结构小而紧凑，其载药纳米系统具有独特的体内外性能[7-8]。此外，刷状结构还提供了多样化的立体结构和组成，并可获得其它功能，如pH响应功能[9]和温度响应功能[10]。

本文主要介绍刷状 PEG两亲性共聚物的合成及刷状 PEG结构对共聚物纳米颗粒载药性能的影响，并侧重于刷状PEG与生物可降解的聚酯等形成的两亲性共聚物。

1 刷状PEG两亲性共聚物的合成

如图1所示，根据PEG的接枝点、主链和侧链的产生方式，合成刷状PEG两亲性共聚物的方法主要分为大分子单体法（grafting through）和主链-侧链偶联法（grafting onto）[11-12]。这两种策略均能应用到多种合成技术（如离子聚合、自由基聚合、开环聚合及各种耦合反应），在控制刷状PEG共聚物的结构参数（如化学组成、PEG密度、主链及PEG侧链长度等）方面各有优缺点[13]。

1.1 大分子单体法

大分子单体法是首先合成带可聚合基团的大分子单体，再聚合得到聚合物主链。该方法的优点在于侧链的分子量和分布在聚合前就得到了控制。该方法可以实现100%的接枝率，但是由于位阻作用，聚合物的主链聚合度（即侧链重复单元数）大多不高[7]。用于制备刷状PEG共聚物的大分子单体有的可以直接购买到（如PEGMA），而大多数含特定端基或 PEG链长的大分子单体需要在实验室合成。图2为常见的PEG单体[8]，阴（阳）离子聚合、传统或可控自由基聚合及开环聚合等聚合方法均可以制备刷状PEG共聚物。

图1 刷状PEG两亲性共聚物的合成方法

图2 常见的PEG大分子单体

1.1.1 自由基聚合（FRP）

FRP是引发 PEG大分子单体聚合得到刷状PEG共聚物的常用方法，反应温度通常在 40～80 ℃，常用的引发剂有偶氮类（AIBN和VA- 044）和过氧类（如Na2S2O8和BPO）[8]。该方法的优点是反应条件温和，且适用的单体和溶剂范围很广。应用自由基聚合法可引发多种单体聚合得到各种无规共聚物。如图3所示，作者课题组报道了疏水链为聚己内酯（PCL）、亲水链为PEG的刷状共聚物。实验发现所得的两亲性刷状共聚物的CMC比相同组成的直链PEG-b-PCL小近10倍，形成的胶束在稀释条件下有更高的稳定性[14]。

1.1.2 原子转移自由基聚合（ATRP）

ATRP是以低价过渡态金属络合物催化可逆的卤原子转移的可控活性自由基聚合，常用配体为联吡啶（bpy）、五甲基二乙烯三胺（PMADETA）等。与传统离子活性聚合不同，ATRP法适用的单体范围广、催化剂等原料便宜易得、反应不受水等因素影响且条件温和，非常适合生物应用的聚合物的合成[15]。应用小分子或大分子卤化物为引发剂，可合成各种刷状共聚物结构。如图4(a)所示，本文作者用末端带溴的聚己内酯引发PEGMA聚合，得到近单分散性的刷状共聚物 PCL-pPEGMA。此外，还可以使用多种单体共聚得到多功能性的刷状共聚物[9，16]。

图3 大分子单体法通过FRP合成刷状PEG共聚物

1.1.3 可逆加成断裂链转移聚合（RAFT）

RAFT是可控活性自由基聚合的一种，能方便地制备多样化的规整共聚物[17-18]。RAFT聚合是通过链转移过程进行的，所以需要添加链转移剂（CTA）。RAFT聚合能够制备主链聚合度高、分散性好的刷状PEG共聚物。如图4(b)所示，Davis等[6]应用RAFT法合成分子量高且分布很窄的刷状PEG共聚物，通过酰胺键与蛋白（溶解酵素）相连，比较了不同结构共聚物对蛋白的保护作用。

1.1.4 开环聚合（ROP）

ROP是指环状单体在引发剂作用下逐步开环转变为线性聚合物的反应，一般情况下反应条件温和。通过ROP得到刷状PEG共聚物，通常先将PEG连接在环状化合物上形成大分子单体，而这些环状化合物多为极性较大的杂环。但由于大分子侧链的空间位阻，使得其侧链重复单元数不高。如图5(a)所示，Wang等[19]先应用Al(OiPr)3引发己内酯（CL）聚合得到聚己内酯（PCL），再引发连接磷酸酯环的PEG单体聚合，得到PCL-b-PPEG刷状聚合物，但其聚合度很低（DP，约4～6），而单体利用率也很低（约12%～15%）。

图4 大分子单体法通过ATRP和RAFT合成刷状PEG共聚物

图5 大分子单体法通过ROP和ROMP合成刷状PEG共聚物

大分子单体法制备刷状 PEG共聚物的聚合方法还很多，如（活性）阴离子聚合、基团转移聚合（GTP）[20]、自由游离基聚合（FRP）[8]、氮氧自由基调控聚合（NMP）[21]等。

1.1.5 开环异位聚合（ROMP）

ROMP是指由钌等金属络合物催化环烯烃聚合的方法，可得到结构规整、组成可控及近单分散性的聚合物[22]。该方法有两大优势：一是侧链上大环状单体产生的空间为链增长反应提供了便利；二是大环的张力为聚合提供了热力学动力[13]。它与点击化学等方法结合，可以制备多种刷状PEG共聚物，且具有良好的生物相容性。如图5(b)所示，Fontaine等[23]先应用端炔基与叠氮的点击反应得到氧杂降冰片烯（ONB）偶联的PEG大分子单体，然后应用ROMP法得到聚合度较高、分子量分布窄的PONB-g-PEG刷状共聚物。

1.2 主链-侧链偶联法

偶联法，即通过化学反应将PEG大分子直接连接到另一聚合物主链上。与大分子单体法不同，该方法首先分别合成聚合物主链和PEG侧链，并分别带有相对应的反应基团。在一定条件下，主链的一系列官能团和 PEG侧链发生偶联反应，得到刷状PEG共聚物。该方法中，共聚物的接枝率易受侧链结构的影响，而短链PEG位阻相对较小，接枝率通常较高。

合成偶联法所需聚合物主链的方法很多，和大分子单体聚合类似，带活性基团的聚合物主链也可以通过小分子的离子聚合、自由基聚合等聚合制备[24-25]。以聚酯为主链的PEG刷两亲共聚物主要是首先通过相应单体的聚合得到侧链含活性基团的聚合物主链，再通过耦合反应接枝PEG侧链。这些疏水的聚合物主链主要有聚己内酯、聚乳酸、聚碳酸酯及聚磷酸酯等[26-28]。如图6(a)所示，Emrick等[29]合成了α-炔丙基-δ-戊内酯，利用 ROP得到侧链含炔丙基的聚戊内酯，再通过端炔基-叠氮点击反应引入PEG侧链；如图6(b)所示，Rieger等[30]合成了γ-丙烯酰氧基-ε-己内酯，通过类似步骤得到聚酯后，经巯基-烯点击反应与PEG-SH偶联，这两种方法都得到了接枝率及主链聚合度高的刷状PEG共聚物。

图6 侧链含炔基和双键的聚酯通过偶联法得到刷状PEG共聚物

图7 (PCL-PAEP)-g-PEG共聚物的合成途径

图8 常用偶联方法

磷酸酯（polyphosphoester）有良好的细胞亲和性和生物相容性，是一类近年来发展很快的生物可降解材料[31]。如图7所示，首先合成了含丙烯基的环状磷酸酯单体（AEP），然后在辛酸亚锡催化下采用PCL—OH引发开环聚合，得到侧链含有烯丙基的两嵌段共聚物。最后采用末端含巯基的PEG与双键进行巯基-烯点击化学反应，得到刷状共聚物PCL-b-(PAEP-g-PEG)，经核磁表征双键峰完全消失，接枝率达到 100%。该聚合物结构可控，分子量分布较窄，且具有良好的生物相容性和缓释能力。

主链和侧链的偶联除了通过上述介绍的点击反应（图 8）实现之外，还可以通过酯化或酰胺化反应等实现，但反应条件更为苛刻，且接枝率难以达到100%[32]。

2 刷状 PEG结构对纳米颗粒载药性能的影响

两亲性共聚物在选择性溶剂中的浓度大于临界聚集浓度（CAC）时，决定于其结构和亲水段所占比例，能自组装形成球型、棒型以及囊泡等聚集体[33-35]。这些纳米结构主要通过物理包埋和化学键合两种方法载药：化学键合法制备过程较复杂，只适用于含活泼基团的药物，且可能导致药物的变性；而物理包埋法操作简单，不会改变药物性质和化学结构，不需要聚合物载体及药物带活性基团，是目前制备载药纳米系统最常用的方法。刷状PEG两亲性共聚物有多样化的立体结构和组成，可以得到各种含独特性能的载药纳米体系。

聚合物胶束等载药体系能通过 EPR效应从肿瘤组织超通透的毛细血管中渗透进入肿瘤并富集，这就需要它们在体内有长的循环时间，从而得到更高的药物利用率和疗效[36]。表面疏水性较强或者带电荷的纳米颗粒在体内循环时会与血液中的蛋白发生非特异性结合，从而被网状内皮系统（RES）的巨噬细胞识别并吞噬、清除[2，37]。纳米颗粒的PEG外壳可以在表面形成致密水合层，通过排斥作用减少蛋白对载药颗粒表面的粘附，显著减少巨噬细胞的识别和摄取，使其在血液循环中“隐身”，从而延长体内循环时间，这被称为 PEG的“nonfouling”特性[38-39]。PEG外壳的链段长度和密度都会影响水合层的形成及其对蛋白的排斥作用[40]。如图9所示，以载药胶束为例，在总的 PEG链长相同时，刷状PEG共聚物形成的纳米颗粒空间结构小而紧凑，表面 PEG密度相对更大，从而能更有效减少蛋白吸附、降低血液清除速率[8，40-41]。如 Hildgen等[42-43]分别合成连接聚乳酸的直链 PEG共聚物和刷状PEG共聚物，通过体内外实验发现刷状 PEG共聚物能更有效地抑制蛋白的吸附及巨噬细胞的吞噬，延长体内循环时间。

载药纳米颗粒通过 EPR效应在肿瘤组织中富集，并通过细胞内吞作用进入癌细胞，进而释放药物产生疗效。所以，癌细胞对载药纳米颗粒的摄取速度对于提高药效和药物利用率也非常重要，但是通常难以同时得到慢的血液清除速率和快的癌细胞摄取速率[44]。对于含 PEG亲水外壳的载药纳米颗粒，癌细胞的摄取速度主要取决于载药颗粒的尺寸、形态及表面结构[45]。与直链PEG共聚物相比，刷状PEG共聚物纳米颗粒的结构更复杂多变，在一些情况下能提高癌细胞的摄取速度[46]。如 Zhao等[47]合成连接聚己内酯的刷状PEG共聚物，在水中自组装形成载阿霉素的蠕虫状纳米颗粒，其细胞摄取速率比同组成的直链共聚物胶束有很大提高，但是文章中并没有血浆清除速率比较。

图9 直链和刷状PEG两亲性共聚物形成载药胶束对比

3 结 语

刷状 PEG两亲性共聚物在生物医药等领域有着良好的应用前景，受到国内外研究者的广泛关注。大分子单体法和主链-侧链偶联法是得到刷状 PEG共聚物的主要途径，主要通过可控活性聚合、开环聚合及点击化学等合成方法实现。结构规整的刷状PEG两亲性共聚物具有独特的体内外性能，能降低血浆清除速率，从而提高药物利用率和药效，但更多的合成方法及体内外性能还需进一步探索和研究。

[1]Deng C，Jiang Y J，Cheng R，et al. Biodegradable polymeric micelles for targeted and controlled anticancer drug delivery：Promises，progress and prospects[J]. Nano Today，2012，7（5）：467-480.

[2]Nicolas J，Mura S，Brambilla D，et al. Design，functionalization strategies and biomedical applications of targeted biodegradable/biocompatible polymer-based nanocarriers for drug delivery[J]. Chemical Society Reviews，2013，42（3）：1147-1235.

[3]Mikhail A S，Allen C. Block copolymer micelles for delivery of cancer therapy：Transport at the whole body，tissue and cellular levels[J]. Journal of Controlled Release，2009，138（3）：214-223.

[4]Ding H，Wang X J，Zhang S，et al. Applications of polymeric micelles with tumor targeted in chemotherapy[J]. Journal of Nanoparticle Research，2012，14（11）：1254.

[5]Kwon G S，Kataoka K. Block copolymer micelles as long-circulating drug vehicles[J]. Advanced Drug Delivery Reviews，2012，64：237-245.

[6]Liu Y K，Li M，Wang D X，et al. PolyPEGylation of protein using semitelechelic and mid-functional poly(PEGMA)s synthesized by RAFT polymerization[J]. Australian Journal of Chemistry，2011，64（12）：1602-1610.

[7]Lee H I，Pietrasik J，Sheiko S S，et al. Stimuli-responsive molecular brushes[J]. Progress in Polymer Science，2010，35（1-2）：24-44.

[8]Neugebauer D. Graft copolymers with poly(ethylene oxide)segments[J]. Polymer International，2007，56（12）：1469-1498.

[9]Shen Y Q，Zhan Y H，Tang J B，et al. Multifunctioning pH-responsive nanoparticles from hierarchical self-assembly of polymer brush for cancer drug delivery[J]. AIChE Journal，2008，54（11）：2979-2989.

[10]Lutz J F，Hoth A. Preparation of ideal PEG analogues with a tunable thermosensitivity by controlled radical copolymerization of 2-(2-methoxyethoxy)ethyl methacrylate and oligo(ethylene glycol)methacrylate[J]. Macromolecules，2006，39（2）：893-896.

[11]Chen YM. Shaped hairy polymer nanoobjects[J]. Macromolecules，2012，45（6）：2619-2631.

[12]Azzaroni O. Polymer brushes here，there，and everywhere：Recent advances in their practical applications and emerging opportunities in multiple research fields[J]. Journal of Polymer Science Part A：Polymer Chemistry，2012，50（16）：3225-3258.

[13]Sheiko S S，Sumerlin B S，Matyjaszewski K. Cylindrical molecular brushes：Synthesis，characterization，and properties[J]. Progress in Polymer Science，2008，33（7）：759-785.

[14]Xu P S，Tang H D，Li S Y，et al. Enhanced stability of core-surface cross-linked micelles fabricated from amphiphilic brush copolymers[J]. Biomacromolecules，2004，5（5）：1736-1744.

[15]Siegwart D J，Oh J K，Matyjaszewski K. ATRP in the design of functional materials for biomedical applications[J]. Progress in Polymer Science，2012，37（1）：18-37.

[16]Barbey R，Lavanant L，Paripovic D，et al. Polymer brushes via surface-initiated controlled radical polymerization：Synthesis，characterization，properties，and applications[J]. Chemical Reviews，2009，109（11）：5437-5527.

[17]Moad G. The emergence of RAFT polymerization[J]. Australian Journal of Chemistry，2006，59（10）：661-662.

[18]Boyer C，Bulmus V，Davis T P，et al. Bioapplications of RAFT polymerization[J]. Chemical Reviews，2009，109（11）：5402-5436.

[19]Du J Z，Chen D P，Wang Y C，et al. Synthesis and micellization of amphiphilic brush-coil block copolymer based on poly(epsilon-caprolactone) and PEGylated polyphosphoester[J].Biomacromolecules，2006，7（6）：1898-1903.

[20]Hadjiyannakou S C，Vamvakaki M，Patrickios C S. Synthesis，characterization and evaluation of amphiphilic diblock copolymer emulsifiers based on methoxy hexa(ethylene glycol) methacrylate and benzyl methacrylate[J]. Polymer，2004，45（11）：3681-3692.

[21]Andruzzi L，Senaratne W，Hexemer A，et al. Oligo(ethylene glycol) containing polymer brushes as bioselective surfaces[J].Langmuir，2005，21（6）：2495-2504.

[22]Johnson J A，Lu Y Y，Burts A O，et al. Drug-loaded，bivalent-bottle-brush polymers by graft-through ROMP[J].Macromolecules，2010，43（24）：10326-10335.

[23]Le D，Montembault V，Soutif J C，et al. Synthesis of well-defined omega-Oxanorbornenyl Poly(ethylene oxide) macromonomers via click chemistry and their ring-opening metathesis polymerization[J].Macromolecules，2010，43（13）：5611-5617.

[24]Zhang K，Lackey M A，Wu Y，et al. Universal cyclic polymer templates[J]. Journal of the American Chemical Society，2011，133（18）：6906-6909.

[25]Gao H F，Matyjaszewski K. Synthesis of molecular brushes by“grafting onto” method：Combination of ATRP and click reactions[J].Journal of the American Chemical Society，2007，129（20）：6633-6639.

[26]Bakkour Y，Lackey M A，Wu Y，et al. Brush-like amphiphilic copolymers based on polylactide and poly(ethylene glycol)：Synthesis，self-assembly and evaluation as drug carrier[J].Polymer，2013，54（7）：1746-1754.

[27]Zhao X.Y，Poon Z，Engler A C，et al. Enhanced stability of polymeric micelles based on postfunctionalized poly(ethylene glycol)-b-poly(gamma-propargyl L-glutamate)：The substituent effect[J]. Biomacromolecules，2012，13（5）：315-1322.

[28]Zhang K，Wang Y，Zhu W P，et al. Synthesis，characterization，and micellization of PCL-g-PEG copolymers by combination of ROP and "Click" chemistry via “Graft onto” method[J]. Journal of Polymer Science Part A：Polymer Chemistry，2012，50（10）：2045-2052.

[29]Parrish B，Breitenkamp R B，Emrick T. PEG- and peptide-grafted aliphatic polyesters by click chemistry[J]. Journal of the American Chemical Society，2005，127（20）：7404-7410.

[30]Rieger J，Van Butsele K，Lecomte P，et al. Versatile functionalization and grafting of poly(epsilon-caprolactone) by Michael-type addition[J]. Chemical Communications，2005（2）：274-276.

[31]Wang Y C，Yuan Y Y，Du J Z，et al. Recent progress in polyphosphoesters：From controlled synthesis to biomedical applications[J]. Macromolecular Bioscience，2009，9（12）：1154-1164.

[32]Huang S W，Zhuo R X. Recent advances in polyphosphoester and polyphosphoramidate-based biomaterials[J]. Phosphorus Sulfur and Silicon and the Related Elements，2008，183（2-3）：340-348.

[33]Moffitt M，Khougaz K，Eisenberg A. Micellization of ionic block copolymers[J]. Accounts of Chemical Research，1996，29（2）：95-102.

[34]Rapoport N. Physical stimuli-responsive polymeric micelles for anti-cancer drug delivery[J]. Progress in Polymer Science，2007，32（8-9）：962-990.

[35]Blanazs A，Armes S P，Ryan A J. Self-assembled block copolymer aggregates：From micelles to vesicles and their biological applications[J]. Macromolecular Rapid Communications，2009，30（4-5）：267-277.

[36]Sun Q H，Radosz M，Shen Y Q. Challenges in design of translational nanocarriers[J]. Journal of Controlled Release，2012，164（2）：156-169.

[37]Owens D E，Peppas N A. Opsonization，biodistribution，and pharmacokinetics of polymeric nanoparticles[J]. International Journal of Pharmaceutics，2006，307（1）：93-102.

[38]Photos P J，Bacakova L，Discher B，et al. Polymer vesicles in vivo：correlations with PEG molecular weight[J]. Journal of Controlled Release，2003，90（3）：323-334.

[39]Gabizon A A. Stealth liposomes and tumor targeting：One step further in the quest for the magic bullet[J]. Clinical Cancer Research，2001，7（2）：223-225.

[40]Norde W. Surface modifications to influence adhesion of biological cells and adsorption of globular proteins[J]. Surface Chemistry in Biomedical and Environmental Science，2006，228：159-176.

[41]Qiu L Y，Bae Y H. Polymer architecture and drug delivery[J].Pharmaceutical Research，2006，23（1）：1-30.

[42]Sant S，Poulin S，Hildgen P. Effect of polymer architecture on surface properties，plasma protein adsorption，and cellular interactions of pegylated nanoparticles[J]. Journal of Biomedical Materials Research Part A，2008，87A（4）：885-895.

[43]Essa S，Rabanel J M，Hildgen P. Characterization of rhodamine loaded PEG-g-PLA nanoparticles (NPs)：Effect of poly(ethylene glycol) grafting density[J]. International Journal of Pharmaceutics，2011，411（1-2）：178-187.

[44]Cuong N V，Hsieh M F，Chen Y T，et al. Synthesis and characterization of PEG-PCL-PEG triblock copolymers as carriers of doxorubicin for the treatment of breast cancer[J]. Journal of Applied Polymer Science，2010，117（6）：3694-3703.

[45]Hu Y，Xie J W，Tong Y W，et al. Effect of PEG conformation and particle size on the cellular uptake efficiency of nanoparticles with the HepG2 cells[J]. Journal of Controlled Release，2007，118（1）：7-17.

[46]Wu Q G，Du F，Luo Y，et al. Poly(ethylene glycol)shell-sheddable nanomicelle prodrug of camptothecin with enhanced cellular uptake[J]. Colloids and Surfaces B-Biointerfaces，2013，105：294-302.

[47]Zhao P，Liu L X，Feng X Q，et al. Molecular nanoworm with PCL core and PEO shell as a non-spherical carrier for drug delivery[J].Macromolecular Rapid Communications，2012，33（16）：1351-1355.