PVA-g-mPEG接枝聚合物的制备及其防药物滥用性能

杨璐，李效文，，李凤和，姚日生

（1 合肥工业大学食品与生物工程学院，安徽 合肥 230009；2 安徽安生生物化工科技有限责任公司，安徽 合肥 230002）

由于阿片类药物的滥用问题日益严重，防滥用制剂（abuse deterrent formulations，ADFs）应运而生。ADFs 主要是通过一系列的改造降低阿片类药物滥用的可取性，具体手段包括添加物理屏障使得药片很难被研磨粉碎、设置化学屏障通过形成黏性凝胶降低药物溶剂提取率、添加拮抗剂或厌恶剂、制成前药等从而消除药物的欣快感。目前市场上批准的ADFs 产品主要是使用超高分子量聚环氧乙烷（PEO）添加物理化学屏障来阻止药物滥用。PEO是一种非离子型、无毒性的亲水性聚合物，分子量在10万～700万之间。当它与水接触时，迅速水化形成黏性凝胶，阻止注射滥用。PEO的熔点在65～70℃之间，玻璃化转变温度在-50～-57℃之间，因此在机械应力作用下发生塑性变形而不是脆性断裂，从而可以避免药片因施加外力发生粉碎。

但超高分子量PEO 的制备条件较为苛刻，催化体系复杂昂贵或危险性高，工艺实现难度大。目前，仅有美国陶氏化学公司等欧美日企业能实现大规模工业生产，因此迫切需要开发新的防滥用材料。通过分子设计可得到具有特殊分子结构和不同优异性能的接枝型聚合物一直是高分子研究的一个热点。如德国化学公司巴斯夫旗下的产品Kollicoat IR是采用自由基聚合先将聚乙酸乙烯酯链通过碳碳键接枝到PEG 骨架上，再水解形成PVA 侧链得到的PVA--PEG 接枝共聚物，因其具有良好的成膜性而广泛应用于普通包衣成膜剂。

鉴于防滥用制剂的所需特性，本文选用了亲水性极强、但几乎不溶于有机溶剂的具有良好生物相容性的聚乙烯醇（PVA）作为接枝主链，通过偶联接枝法合成了聚乙烯醇接枝单甲氧基聚乙二醇（mPEG）聚合物（PVA--mPEG），并以高水溶性药物盐酸二甲双胍作为模型药物，考察了防滥用效果，开发了新的防滥用辅料产品，应用前景广阔。

1 材料和方法

1.1 材料和仪器

单甲氧基聚乙二醇（mPEG，=4000）、聚乙烯 醇（PVA，=84000～89000， 醇 解 度86%～89%）、三氟化硼乙醚溶液（BF-EtO，48%BF，52%EtO）、环氧氯丙烷（ECH，99%），Aladdin 试剂有限公司；盐酸二甲双胍（＞99.9%），广州柏森药业有限公司；微晶纤维素、聚乙烯吡咯烷酮（PVP k30）、硬脂酸镁和二氧化硅，Adamas-beta试剂有限公司；其他试剂均为分析纯或色谱纯。

Nicolet-6700 型傅里叶红外光谱仪（FTIR），美国ThermoNicolet 公司；VNMRS-600 型超导核磁共振波谱仪，美国安捷伦科技公司；DSC-Q2000差热示差扫描量热仪，美国TA 公司；PANalytical X-Pert PRO MPD 型固定靶X 射线衍射仪，荷兰帕纳科公司；ZPJ-4片剂智能四用仪，天津恒创立达公司；LABSOL-DB-CHS高效液相色谱仪，日本岛津公司。

1.2 PVA-g-mPEG的制备

将真空干燥后的50g mPEG 倒入装有机械搅拌器、温度计和回流冷凝管的四口烧瓶中。在50℃下，向烧瓶中加入0.4mL BF-EtO 以及一定量的ECH，升温至60℃反应5h。然后通过旋蒸去除过量的ECH，即得到mPEG 的表氯醇化中间体（mPEG-Cl）。通过滴定法测定mPEG-Cl 的氯原子含量间接测定mPEG的羟基转化率。

在搅拌下，向四口烧瓶中依次加入80g/L PVA水溶液50g 和5g mPEG-Cl，升温至反应温度后，加入100g/L NaOH 水溶液1.5mL，保温反应10h。反应结束后，先用盐酸调节溶液至中性，再用乙醇索氏提取未反应的侧链mPEG-Cl，得到PVA--mPEG 接枝聚合物粗产物。随后产物使用1000kDa 透析袋透析60h，50℃真空干燥后得到了纯化的PVA--mPEG接枝聚合物。合成路线如图1所示，根据式(1)采用增重法计算接枝率（）。

图1 PVA-g-mPEG接枝聚合物的合成原理

1.3 PVA-g-mPEG负载药物

以盐酸二甲双胍作为模型药物，将PVA-mPEG与药物按质量比3∶2溶解于一定量的二甲基亚砜中，将上述均一溶液缓慢滴加到冰丙酮中，抽滤（保留滤液，待测其中盐酸二甲双胍含量），50℃真空干燥，得到负载药物的PVA--mPEG 絮状物。

根据标准曲线采用高效液相色谱测定滤液中盐酸二甲双胍的含量：C18 柱（5μm，规格4.6mm×250mm），检测波长233nm，流动相为0.01mol/L 磷酸二氢钠水溶液（pH调至3.5）和甲醇以体积比85∶15 混合的溶液，流速1mL/min。进样量20μL。采用式(2)、式(3)计算载药材料的药物包封率（）和载药量（）。

将载药材料与其他辅料分别过80 目筛，按表1 处方量混匀后，进行粉末直接压片。片重(200±3)mg。采用三组不同接枝率的PVA--mPEG样品以及原PVA、mPEG 重复以上操作，总共制得5组片剂。其中mPEG 由于溶解性差异（溶于丙酮）选择熔融分散法载药，即先将盐酸二甲双胍均匀分散于熔融的mPEG 中，干燥后再粉碎压片。

表1 盐酸二甲双胍片剂处方

1.4 分析测试方法

1.4.1 傅里叶红外光谱（FTIR）

通过傅里叶红外光谱仪的ATR 附件进行了原料、mPEG-Cl 中间体和PVA--mPEG 样品的红外检测。扫描范围为500～4000cm，分辨率4cm，扫描次数32 次，使用OMNIC 8.3 软件对所有光谱进行背景吸光度校正。

1.4.2 核磁共振氢谱（H NMR）

采用超导核磁共振波谱仪记录原料PVA、mPEG 和PVA--mPEG 样品的质子核磁共振光谱，以氘代二甲基亚砜（DMSO）为溶剂，四甲基硅烷（TMS）为内标。

1.4.3 差示扫描量热法（DSC）

采用差热示差扫描量热仪研究了原料PVA、mPEG、二者物理混合物（质量比1∶1） 和PVA--mPEG 样品的热性能。升温速率10℃/min，测试温度0～250 ℃。

1.4.4 X射线衍射（XRD）

采用固定靶X射线衍射仪检测PVA和PVA-mPEG的XRD图谱。X射线在40kV和40mA的铜靶下产生，扫描角度为5°～70°，扫描速度为10°/min。

1.4.5 溶胀性能

1.4.6 防滥用性能（水中药物的提取率）

本研究主要考察材料在水中的防滥用性能，将盐酸二甲双胍片置于500ml 纯水中，在37℃、100r/min 下提取药物，分别于20min、40min、60min 时取样，同时补充等量同温介质，采用HPLC法检测药物提取量。

1.4.7 药物体外释放

在符合《中国药典（2015 版）》要求的溶出仪中，采用转篮法100r/min进行盐酸二甲双胍片的体外释放研究，溶出介质分别为500mL的pH 1.2盐酸溶液和pH 6.8 磷酸盐缓冲液，检测温度为37℃。每隔一定时间进行取样，同时补充等量同温的溶出介质。滤液经微孔滤膜处理，采用HPLC 法在233nm波长处测定盐酸二甲双胍的含量。

2 结果与讨论

PVA--mPEG 接枝聚合物的合成主要分两步进行，如图1所示。首先，修饰mPEG 的末端单羟基：采用三氟化硼乙醚络合物BF-EtO 作为路易斯酸催化剂，环氧氯丙烷ECH 质子化作用产生的氧鎓离子与mPEG 的末端羟基进行反应，得到mPEG末端羟基被置换为氯代醇醚结构的关键中间体mPEG-Cl，为接枝反应提供反应性功能基。优选该法制备mPEG-Cl，反应在熔融体系中进行，避免使用有机溶剂，工艺简单且成本低。由于mPEG与mPEG-Cl溶解性能相似，传统的分离方法使得二者难以完全分离，而mPEG的增溶作用会促进PVA 的分散，因此在后续接枝物的纯化过程中再分离未修饰成功的mPEG。然后在NaOH 溶液的碱性条件下，mPEG-Cl 中间体的氯代醇醚结构与PVA 的羟基发生醚化接枝反应制备PVA--mPEG接枝聚合物，并利用乙醇抽提纯化接枝物。

2.1 ECH投料量对mPEG-Cl合成反应的影响

鉴于Lin 等修饰的PEG 分子量较低，本研究选用的mPEG 分子量相对较大，因此着力研究了ECH 与mPEG 的投料摩尔比对合成mPEG-Cl 的影响，结果如图2 所示。结果表明，随着(ECH)∶(mPEG）比例的增加，mPEG 的羟基转化率先增加随后出现饱和。这可以用浓度效应来解释：起初过量的ECH 可以增加反应概率，有利于提高反应的转化率。但随着投料比的进一步增加，mPEG的浓度相对降低，转化率并没有随之继续增加，为节约成本，选择(ECH)∶(mPEG)=1∶4 为最佳投料比。

图2 不同ECH物质的量投料比对mPEG-Cl合成的影响

2.2 温度对合成PVA-g-mPEG接枝率的影响

由于mPEG-Cl 中间体与PVA 的醚化接枝对于反应温度比较敏感，本文着力研究了反应温度对合成PVA--mPEG 接枝率的影响，关系曲线如图3所示。结果表明，PVA--mPEG 的接枝率随着反应温度的升高先升高再降低，并在80℃出现峰值，接枝率最高为120.48%。当反应温度较低时，分子活化能较高，参与反应的碳氯键不容易断裂，导致醚化程度较低；而当反应温度过高时，碱性条件下的PVA 更容易发生皂化反应产生高温凝胶化，致使参与反应的羟基数目大大降低，影响醚化接枝反应。综上，最佳反应温度为80℃。

图3 不同反应温度对PVA-g-mPEG接枝聚合物接枝率的影响

将在不同温度（90℃、70℃、80℃）下反应得到的三组不同接枝率的接枝聚合物分别命名为PVA--mPEG-1、PVA--mPEG-2、PVA--mPEG-3。

2.3 PVA-g-mPEG的结构表征

原料mPEG、PVA、中间体mPEG-Cl以及接枝聚合物PVA--mPEG 的红外光谱如图4 所示。由图可见，中间体mPEG-Cl 的谱图在波数740cm处出现了C—Cl 键的特征峰，由于反应属于端基反应，C—Cl 键的含量较少，谱图中C—Cl 键的振动强度也较弱。在PVA--mPEG 接枝聚合物的红外光谱中可观察到原料PVA 和mPEG 的主要特征带。PVA--mPEG 接枝聚合物在3326cm处出现了羟基的伸缩振动峰，在1095cm处非常强的特征峰则归因于醚键C—O—C的伸缩振动，表明mPEG接枝到PVA 主链上。同时，mPEG-Cl 的C—Cl 键特征峰在接枝物中未出现，表明接枝聚合反应中C—Cl基团已被完全消耗掉。因此，进一步证实了mPEG通过化学反应与PVA共价连接起来。

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图4 原料及合成产物的FTIR谱图

三组不同接枝率的PVA--mPEG 接枝聚合物的H NMR光谱如图5所示。接枝聚合物在PVA（a=CH，b=OH，c=CH）和mPEG-Cl（d=CH，e=CH）处都有主要的质子峰，表明接枝反应成功，这与FTIR 分析一致。此外发现随着接枝率的增加，侧链mPEG上的单甲氧基上的质子峰信号也在不断增强，表明有更多的mPEG接枝到主链PVA上。

图5 PVA-g-mPEG的1H NMR谱图

2.4 DSC分析

图6 显示了原料PVA、mPEG、二者物理混合物以及三组不同接枝率的PVA--mPEG 接枝聚合物的DSC图谱，可见原PVA和mPEG的熔融峰温度分别为194.5℃和57.5℃；而采用溶剂共混法制备的PVA/mPEG 共混物的熔融峰温度分别在194.5℃和57.2℃，与两个原料的熔融峰有所对应；接枝物的mPEG熔融峰温度均低于纯mPEG，同时峰形变钝，与简单的物理混合物有明显的不同，进一步表明了mPEG是通过化学键连接在PVA主链上，因此在熔融过程中会受到主链的束缚。随着接枝率的升高，结晶熔融温度升高，这是因为PVA含量相对降低，束缚作用减弱；PVA 熔融峰温度升高则是其结晶更加完善所致，mPEG的引入使得PVA链段运动阻力减小而有利于其结晶。另外，由于本研究采用称重法计算接枝率，接枝率的大小反映了接枝物体系mPEG含量的多少，通过化学键固定在PVA主链上的mPEG其实只占PVA重复单元的很少一部分，其对主链PVA 的结构改变相差较小，由此不同组成的接枝物中PVA的结晶熔融峰变化不大。

图6 原料、物理混合物及合成产物的DSC谱图

2.5 XRD分析

图7 为原料PVA 以及三组不同接枝率的PVA--mPEG接枝聚合物的XRD图谱。由图可见，PVA在2为19.58°处出现较为尖锐的衍射峰，反映了半结晶PVA的（101）晶面；在2为11.63°、22.63°和40.64°处出现较弱的衍射峰。而PVA--mPEG接枝聚合物的图谱显示，相比于原PVA，主晶相的衍射峰变得更为尖锐，表明接枝聚合物的结晶度有所增加。这是由于mPEG具有增塑作用，侧链的引入使得PVA链段运动阻力减小，有利于PVA链段规整排列从而使其结晶更加完善。这与PVA--mPEG接枝聚合物的DSC分析结果相吻合。

图7 原PVA及合成产物的XRD谱图

2.6 PVA-g-mPEG的溶胀性能

三组不同接枝率的PVA--mPEG 聚合物凝胶在水中的溶胀曲线如图8 所示。由图可知，PVA--mPEG系列接枝物都具有良好的溶胀性能，并且凝胶的溶胀率随着侧链mPEG含量的增加，平衡溶胀率呈现减小的趋势。虽然原PVA 是一种亲水性聚合物，分子链上含有大量的羟基，羟基可以与水分子发生氢键缔合作用从而结合大量水分子，在冷水和热水中均能较快地溶胀、溶解。但是，PVA--mPEG 接枝聚合物中PVA 结晶度随着侧链mPEG的引入而增加，同时因结晶形成的物理交联点数量也随之增加；前者致PVA 链段亲水性能下降，后者使得“交联”结构更为致密；两者均使得吸水溶胀受限，进而导致平衡溶胀率有所降低。

图8 PVA-g-mPEG接枝聚合物在水中的溶胀曲线

2.7 PVA-g-mPEG载药及防滥用评价

由于阿片类药物受到管控，选择了一种高水溶性的活性药物盐酸二甲双胍作为模型药物，评价了PVA--mPEG 接枝聚合物的载药效果和防滥用效果（药物在水中的提取率）。由于PVA--mPEG接枝聚合物不溶于大部分有机溶剂，选择二甲基亚砜作为良溶剂溶解接枝物与药物，选择丙酮作为不良溶剂，将药物成功负载到接枝聚合物凝胶里，制备了3种不同接枝率的载药聚合物凝胶样品，载药凝胶的药物包封率及载药量的计算结果列于表2中。结果发现3种不同接枝率的载药凝胶的包封率及载药量差别不大，但相对于原PVA都有所增加。结合PVA 熔融峰温度有所升高，分析可能的原因是侧链mPEG的引入使得PVA结晶更加完善，结晶形成了物理交联点而更容易产生凝胶化，由此增加了载药量和包封率。

表2 不同基质载药材料的药物包封率及载药量

药物滥用者可通过水中提取药物后静脉注射实现滥用，将5组片剂分别置于500mL纯水中进行药物提取，评估了PVA--mPEG 的防滥用潜力，结果见图9。结果表明，对于PVA 与mPEG 两组对照片剂来说，20min 内药物在水中的提取率分别为58.9%与97.9%，且PVA 组片剂在40min 时药物可被提取87.6%。而三组样品片剂在水中的药物提取率都很低（小于30%），20min 时仅有28.3%、20.8%和12.9%的药物可分别从PVA--mPEG-1、PVA-mPEG-2 和PVA--mPEG-3 三 组片剂中被提取。随着时间的进一步延长，有65.3%、44.0%和38.8%的药物在60min 后分别从三组样品片剂中提取出来。这些结果表明，PVA--mPEG 接枝聚合物这一材料可以适度抵抗通过静脉途径的药物滥用，因为只有一部分药物可以通过传统方法被提取，主要是因为当PVA--mPEG 载药聚合物与水接触时，可以形成黏性凝胶，进而导致注射器针头堵塞以阻止静脉注射滥用。随着接枝率的升高，接枝物显示出更强的防滥用特性。这可能是因为随着接枝物支链数量的增加，载药凝胶的亲水性降低，被包裹其中的药物也随之更难释放；也可能是因为随着接枝率的升高，载药凝胶的黏性也有所增大，也会阻碍药物在水中的提取。

图9 不同载药基质的盐酸二甲双胍片在水中的药物提取率

2.8 PVA-g-mPEG负载药物体外释放

分别在500mL pH 1.2的盐酸溶液和pH 6.8的磷酸盐缓冲液中进行了5组片剂的体外溶出研究，药物释放曲线如图10所示。结果显示，PVA与mPEG两组对照片剂基本在40min时就释放完全，由于二者均是亲水性聚合物，在水中可以快速溶解，因此药物很容易释放。而对于三组不同接枝率的样品片剂，发现在酸性介质中释放2h 时，随着接枝率的升高，药物释放有所降低，分别为96.0%、75.4%和29.1%。表明当接枝率达到一定程度时，聚合物材料有一定抵抗胃酸的能力，适合于对胃部刺激较大的阿片类药物。而在pH 6.8磷酸盐缓冲液中，两组对照片剂基本也在40min时释放完全。三组样品片剂相对于对照片剂来说出现了不同程度的缓释效果，以PVA--mPEG-2 组为例，药物在3h 时才释放80%以上。产生这一现象的原因可能是，当片剂与水接触时，接枝聚合物快速水化溶胀，基体形成凝胶，药物溶解后通过聚合物溶胀形成的通道逐渐扩散出去。另一方面，随着接枝率的升高，聚合物分子量逐渐增加导致凝胶侵蚀减慢，药物释放行为相对延长，同时由于载药凝胶所捕获的药物也更多，释放量也随之有所减少。

图10 不同载药基质的盐酸二甲双胍片分别在pH 1.2及pH 6.8溶液中的药物释放

3 结论

（1）以PVA、mPEG 和ECH 为原料，先修饰mPEG的末端单羟基得到氯代醇醚结构，再与PVA上的羟基发生醚化反应合成PVA--mPEG 接枝聚合物，接枝率最高可达120.48%。反应温度在80℃以下时，接枝率随温度的升高而增加，进一步升高温度致使接枝率不升反降的主要可能原因是PVA的高温凝胶化。

（2）支链mPEG的引入具有增塑作用而有利于PVA 链段规整排列结晶；接枝聚合物溶液因此结晶构成的物理交联点而凝胶化，致使接枝聚合物具有防滥用特性，且药物包封率及载药量相对于原PVA有所增加。

（3）以水溶性药物盐酸二甲双胍为模型，随着接枝率的升高（43.44%，81.23%，120.48%），20min 时水中药物提取率降低（28.3%、20.8%，12.9%），接枝聚合物的防滥用特性增强，揭示了这种新型的PVA--mPEG 接枝聚合物作为药用辅料在类似盐酸基阿片类药物防滥用制剂中的应用潜力。

符号说明

——载药材料的载药量，%

——载药材料的药物包封率，%

——PVA--mPEG接枝聚合物的接枝率，%

，m——PVA--mPEG 接枝聚合物的初始质量和时间时溶胀的质量，g

，——PVA 初始质量和PVA--mPEG 接枝聚合物的质量，g

——PVA--mPEG 接枝聚合物在水中的溶胀率，%

，，——载药材料含药量、投药量和载药材料的质量，g