pH响应聚己内酯的合成及其性质的研究

2021-03-18张钰绮初佳琦陈永虎董树国

吉林医药学院学报 2021年2期

张钰绮，初佳琦，陈永虎，于涵，董树国

(吉林医药学院药学院，吉林吉林 132013)

近年来，基于聚合物胶束的药物释放系统，以其特有的优势引起人们的关注。聚合物胶束大多是由两亲性聚合物组装形成，通常形成疏水性内核与亲水性外壳的核壳结构，将疏水性药物包封于疏水性内核中[1]。肿瘤部位因其独特生理结构与代谢特征，使其生理微环境与正常组织不同，具有高压、高温、弱酸性、特定的酶代谢等特征[2]。利用肿瘤内部的酸性环境设计pH响应性聚合物，药物定向释放，增强药物在肿瘤处的血药浓度，降低药物毒副作用及耐药性，达到最佳的疗效[3-5]。

聚己内酯(Polycaprolactone,PCL)是一种由ε-己内酯在催化剂作用下通过开环聚合成聚合物，具有较好的生物相容性、组织通透性、降解性，广泛用于药物载体、生物医用材料等领域[6]。PCL具有疏水性，可用于两亲性聚合物的疏水部分，通过与其他单体共聚，可以制备具有pH响应、温度响应等环境响应性的聚合物，这些具有环境响应性的PCL能够用于抗肿瘤药物的靶向输送[7-8]。

本研究目的在于制备具有pH响应性的PCL。首先利用开环聚合制备PCL，然后以溴异丁酰溴与PCL反应制备大分子引发剂，最后利用电子转移活化再生催化剂原子转移自由基聚合(ARGET ATRP)法成功合成聚合物(PCL-b-PDMAEMA)。通过DLS与Zeta电位的变化表明这种聚合物具有pH响应性，有望在疏水性抗肿瘤药物的控释中具有一定的应用。

1 材料与方法

1.1 试剂与仪器

甲基丙烯酸二甲氨基乙酯，异辛酸亚锡，己内酯，溴异丁酰溴，抗坏血酸钠(98%，阿拉丁试剂公司)；正十二醇，甲醇，四氢呋喃甲苯，二氯甲烷，三乙胺(AR，国药集团化学试剂公司)

HH-1数显恒温水浴锅(上海岩征实验仪器有限公司)；AV-400NMR型核磁共振仪(瑞士Bruker公司)；RF-5301PC型荧光分光光度计(日本岛津公司)。

1.2 合成

1.2.1PCL的合成

合成路线如图1。50 mL烧瓶中加入正十二醇186 mg(1 mmol)，4.5 g己内酯(约40 mmol)，异辛酸亚锡200 μL，甲苯20 mL，抽真空-充氮气3次，120 ℃下反应12 h。产物以冷甲醇沉淀，抽滤，得白色固体。将所得粗产物以四氢呋喃(THF)溶解，冷甲醇沉淀，抽滤，室温下真空干燥，得白色固体2.79 g[9]。

图 1 PCL-b-PDMAEMA合成路线

1.2.2引发剂(PCL-Br)合成

PCL 2.5 g，溶于15 mL无水二氯甲烷中，冰水浴30 min，加入三乙胺240 μL，溴异丁酰溴200 μL，冰水浴中反应2 h，升温至室温后，继续反应24 h，以冷甲醇沉淀。将所得粗产物以THF溶解，以冷甲醇沉淀，抽滤，室温下真空干燥，得白色产物2.0 g[10]。

1.2.3PCL-b-PDMAEMA的合成

在Schlenk管中加入8 mL THF+0.8 mL甲醇混合液，500 mg PCL-Br和500 mg DEAEMA混合物，然后通过3次冷冻—抽真空—解冻—充氮气循环脱氧。在另一支Schlenk管加入10 mg CuBr2，1 mL THF+0.1 mL甲醇混合液，冷冻—抽真空—解冻循环脱氧一次，加入抗坏血酸钠50 mg，搅拌15 min，氮气保护下的五甲基二乙烯三胺为100 μL，继续搅拌15 min。将已脱气的单体/引发剂溶液加入到有催化剂的Schlenk管中。密封Schlenk管，并使混合溶液在25 ℃下聚合16 h。将反应混合物暴露于空气以终止聚合。过滤反应混合物，过氧化铝柱除去催化剂，浓缩，转移至透析袋(MWCO,3500)中，对去离子水透析2 d。冷冻干燥，得白色固体产物[11]。

1.3 结构表征

样品的核磁共振氢谱(1H NMR)的测试。将试样溶于氘代氯仿或重水中，四甲基硅烷作为内标，在AV-400 NMR核磁共振谱仪上测定。样品的分子量及其分布采用Waters 1414型凝胶渗透色谱(Gel Permeation Chromatography,GPC)，将聚苯乙烯为内标物，使用THF为流动相，流速为1.0 mL/min，测试温度为35 ℃[11]。

1.4 胶束粒径与Zeta电位的测定

配制浓度为0.5 g/L的聚合物水溶液，使用0.45 μm的针式滤膜过滤，滤液在Zetasizer Nano ZS90粒度仪上进行测定。

1.5 临界胶束浓度的测定

测定波长范围300～470 nm的荧光光谱，激发波长337 nm。记录波长分别为374 nm和385 nm处发射峰的荧光强度I1、I3，以I1/I3的值为纵坐标，聚合物浓度的对数为横坐标作图，并计算临界胶束浓度(CMC)。

2 结果与讨论

2.1 PCL-b-PDMAEMA的表征

图2A为PCL的核磁共振波谱。核磁共振峰的归属：4.05 ppm(2H,t,e)、2.30 ppm(2H,t,a)、1.65 ppm(4H,t,b+d)、1.36 ppm(2H,t,e)，证明成功制备出PCL(PCL)。由3.73 ppm(-CH3)处核磁共振的峰面积与4.05 ppm(-CH2O-)的峰面积比值计算PCL的重复单元数为32。图2B中在化学位移1.92 ppm出现-C(CH3)2的特征峰，表明在PCL的端基连接了-(CH3)2-CBr基团。在图2C中，化学位移4.04 ppm(i)(-OCH2-)，2.27 ppm(k)(-N(CH3)2)处的核磁共振峰面积增加，在2.55 ppm(l)(-CH2N-)、1.04 ppm(g)(-CH2)、0.87 ppm(h)(-CH3)处出现新的核磁共振波谱峰，表明在所得聚合物中出现PDMAEMA链段。由2.55 ppm(l)(-CH2N-)的峰面积与1.65 ppm(4H,t,b+d)的峰面积比较计算PDMAEMA的重复单元数，结果见表1。

图 2 PCL(A)、PCL-Br(B)和PCL-b-PDMAEMA(C)的核磁共振波谱图

表 1 PCL及PCL-b-PDMAEMA的分子量及其分布

GPC是测定聚合物分子量及分子量分布的常用方法。图3为PCL与PCL-b-PDMAEMA的GPC图。由图3可见，与PCL相比，PCL-b-PDMAEMA的保留时间变短，表明分子量增加。GPC洗脱曲线呈现单峰，表明PCL与单体DMAEMA发生共聚生成嵌段共聚物，而不是PCL与PDMAEMA形成的混合物。

图 3 PCL,PCL-b-PDMAEMA的GPC图

2.2 胶束的表征

采用DLS测定不同pH下聚合物胶束的粒径，如图4所示，pH 4.0时Dh为225.2 nm，pH 10.0时Dh为164.7 nm，粒径的变化表明聚合物具有pH响应性。胶束粒径变化原因为，PDMAEMA在弱酸性条件下可以电离而带有正电荷从而使聚合物舒展，而在弱碱性条件下PDMAEMA去质子化而使聚合物收缩。

不同pH下Zeta电位的变化可以反映出PCL-b-PDMAEMA的pH响应性。由图5可见，pH值从4.0更改为10.0时，样品的Zeta电位从32.5 mV变为0.25 mV，pH在6.0～8.0的范围内，Zeta电位的变化较为明显。这种变化是由于PDMAEMA链段在弱酸性条件下质子化，使胶束带正电荷，Zeta电位较大，而在弱碱性条件下去质子化，使得Zeta电位降低。

A：pH=4.0;B:pH=10.0

图 5 PCL32-b-PDMAEMA36在不同pH下的Zeta电位

2.3 CMC

CMC是评价聚合物能够形成稳定胶束的重要指标。PCL32-b-PDMAEMA36的CMC以芘为荧光探针，以337 nm为激发波长，测定发射波长为374 nm(I1)和385 nm(I3)处的荧光强度，根据I1/I3的值随浓度的变化确定CMC。如图6所示，PCL32-b-PDMAEMA36的CMC的结果为0.01 g/L。较小的CMC浓度表明聚合物能够在较低浓度下形成稳定的胶束。