两亲性聚氨酯的设计合成及其组装行为研究

秦佳乐，李奇洋，杨 蕊，乔泽玉，刘 英，高湜茹，常天宇，贾小平，赵旭峰，张叶臻*，程新峰*

(1.南阳师范学院 化学与制药工程学院，河南 南阳 473061；2.南阳金牛彩印集团有限公司，河南 南阳 473000)

近年来，纳米粒子在药物传输体系中的应用引起了人们的普遍关注[1-2]。其中，聚合物胶束作为一种极具潜力的纳米药物传输载体得到了广泛关注和研究[3-4]。胶束的疏水性内核能够包载疏水性药物，如阿霉素(DOX)、紫杉醇(PTX)等，运载药物的浓度远大于药物在水中的饱和浓度。另外，胶束亲水链形成的外壳能保护核中药物以避免其水解和酶解，从而能够延长药物在血液中的循环时间。但是，当载药胶束到达靶向部位后，其亲水壳层会大大制约其与细胞膜的作用，并延缓药物的释放[5]。

为了解决上述问题，人们将环境响应性断裂基团引入到核层和壳层之间，发展了一系列具有环境响应性能的壳层可脱落型聚合物胶束载体材料，可有望解决长循环聚合物胶束壳层这一问题，提高药物的生物利用度[6-7]。缩醛键，是一种在酸性pH条件下能够发生水解降解的基团[8-9]。鉴于人体肿瘤部位的酸性pH环境，若能将缩醛键作为可断裂基团引入到胶束的内外层之间，不仅能够实现载药胶束在肿瘤部位的定点、触发式控制释放，而且其在pH响应下的壳层可脱落特性能够促使药物快速、完全地释放，从而提高药物的生物利用率[10-12]。然而目前，有关含缩醛键的壳层可脱落型胶束研究还较少。

在本研究中，我们将具有良好生物相容性以及灵巧结构可设计性的聚氨酯作为胶束主体材料，通过在聚氨酯的亲水链段和疏水链段之间引入pH响应可断的缩醛键，从而制备出具有pH响应特性的壳层可脱落型聚氨酯胶束，将有效解决长循环聚合物胶束壳层的延缓药物释放问题，提高药物的生物利用度，其设计与制备具有很大的研究意义。

1 实验部分

1.1 药品试剂

异氟尔酮二异氰酸酯IPDI、丁二醇BDO、对羟基苯甲醛HBD、二月桂酸二丁基锡DBTDL、对甲苯磺酸p-TSA(高纯试剂，上海阿拉丁化学试剂有限公司)；聚醚二醇N-120(Mn=1000，柏斯托上海化工产品公司)；四氢呋喃THF、石油醚(分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司)。

1.2 两亲性聚氨酯胶束的制备

1.2.1 两亲性聚氨酯的合成

图1 两亲性嵌段聚氨酯合成路线示意图

首先，通过缩聚反应合成出含有丁二醇(BDO)和异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)单元的聚氨酯预聚物；其次，加入对羟基苯甲醛合成两端含有醛基的疏水PU段；之后以亲水性聚醚二醇(N-120)作为封端剂，通过缩醛化反应，合成出亲疏水段间通过缩醛键连接的两亲性嵌段聚氨酯(如图1所示)。具体步骤如下：通过一锅缩聚反应法，将1.0 g BDO(0.01 mol)和催化量的DBTDL(约15 mg) 于 40 ℃下溶解于30 mL无水THF中，通氮气 30 分钟后，将 2.71 g IPDI(0.012 mol)逐滴加入到上述体系中，滴加完毕后升温至 50 ℃，氮气保护下磁力搅拌反应 12h，接着，向上述体系中加入0.08 g对羟基苯甲醛HBD(0.65 mmol)，继续反应5h；最后，向体系中加入 0.65 g 聚醚二醇N120 (Mn=1000,0.65 mmol)及催化量对甲苯磺酸p-TSA，并加入15 g的5Å分子筛继续反应24h。将产物加入三乙胺中和后在大量的乙醚中沉淀，而后通过 THF溶解/乙醚沉淀循环三次后过滤并真空干燥，得到白色粉末状固体产物聚氨酯(N120-acetal-PUB-acetal-N120)，产率67%。

1.2.2 聚氨酯胶束的制备

采用“透析法”制备出聚氨酯胶束水溶液，具体操作如下所示：将 0.5 g 聚合物N120-acetal-PUB-acetal-N120溶解于2 mL THF溶剂中，然后逐滴加入到 50 mL 蒸馏水中，上述溶液经透析袋(截留分子量3500 Da)密封后置于500 mL蒸馏水中透析，定期换水，透析两天后即得到聚氨酯胶束水溶液。

1.3 聚氨酯胶束的临界胶束浓度(CMC)测定

聚合物N120-acetal-PUB-acetal-N120的CMC值通过焚光分光光度计检测，以芘作为荧光探针。首先配置芘的标准溶液：称取0.05059g芘于10 mL容量瓶，丙酮定容后吸取1 mL于25 mL容量瓶，定容，即得1.0×10-3mol/L芘的标准溶液。吸取50 μL此标准溶液于一系列25 mL容量瓶中，放置过夜使丙酮挥干。随后配置1 mg/mL的聚合物水溶液，分别吸取5 mL、2.5 mL、1 mL、0.25 mL、0.025 mL、0.005 mL、0.0025 mL于上述含芘的容量瓶中，加蒸馏水定容，即得浓度分别为0.2 mg/mL、0.1 mg/mL、0.04 mg/mL、0.01 mg/mL、1.0×10-3mg/mL、2.0×10-4mg/mL、1.0×10-4mg/mL的聚合物水溶液。超声振荡半小时，使得芘均匀分散其中，并在黑暗中平衡24小时后进行测试。记录在390 nm发射波长下334 nm和331 nm处的激发光强度。以聚合物浓度为横坐标，I334/I331为纵坐标作图，切线交点对应的浓度即为胶束的CMC值。

1.4 聚氨酯胶束的稳定性分析

为了检测上述制备的聚氨酯胶束溶液的稳定性，将聚氨酯胶束溶液室温放置，通过动态光散射(DLS)仪器测试其不同放置时间的粒径变化来测试其稳定性。

2 结果与讨论

2.1 嵌段聚氨酯N120-acetal-PUB-acetal-N120的结构表征

采用缩聚反应及缩醛化反应，合成出了以聚乙二醇衍生物N120作为亲水链、BDO及IPDI缩聚产物作为疏水性聚氨酯链及二者之间通过缩醛键接的嵌段型聚氨酯N120-acetal-PUB-acetal-N120，通过核磁1H NMR和红外FTIR、凝胶渗透色谱GPC手段对产物结构进行了表征。

N120-acetal-PUB-acetal-N120聚合物的核磁数据如下所示：1H NMR (400 MHz,CDCl3):δ (ppm): 0.82-1.91 I[PDI单元：C-(CH3)2,C-CH3,-CH2- ；BDO单元： -O-CH2-CH2； N-120单元：CH3-CH2-C] ，2.85 (-CH2-NHCOO-)，3.41 (N-120单元：CH3O- )，3.48-3.90 (N-120单元：-CH2CH2O- )，4.15(BDO单元：-O-CH2-CH2；CH3-CH2-C-CH2-O-)，5.11(环缩醛：-O-CH-Ar),6.89 and 7.68 (苯环：-CH- )。通过聚合物的核磁数据可以看出，在9.7 ppm左右未出现醛基的信号峰，而在5.1左右出现了一个属于环缩醛的特征峰，表明聚合物中环缩醛结构的形成。此外，通过嵌段聚氨酯的FTIR红外图谱可以看出(图2)，1712和1538 cm-1处出现明显的氨基甲酸酯基团的特征吸收峰，1120 cm-1处为N-120中C-O-C键的伸缩振动峰，765和669 cm-1处则为苯环的C-H振动峰。此外，通过凝胶渗透色谱GPC测试得到该聚合物的分子量为5730(PDI～1.45)，如图3所示。上述测试结果表明，以N-120作为亲水链段，IPDI和BDO作为疏水链段，环缩醛键作为亲疏水段连接点的两亲性嵌段聚氨酯N120-acetal-PUB-acetal-N120被成功合成。

图2 聚氨酯N120-acetal-PUB-acetal-N120的红外FTIR谱图

图3 聚氨酯N120-acetal-PUB-acetal-N120的凝胶渗透色谱GPC谱图

2.2 聚氨酯胶束的临界胶束浓度(CMC)

图4 水溶液中芘的荧光强度比值I334/I331随聚合物浓度变化曲线

鉴于该嵌段聚氨酯共聚物的两亲特性，其在水溶液中能够自组装成胶束状聚集体结构。为了验证该聚合物在水溶液中的自组装行为，我们通过芘探针法测定了该聚合物的临界胶束浓度。通过保持芘的浓度不变，设定芘的最大发射光波长为397 nm，我们测定了一系列不同浓度的聚合物水溶液在334 nm和331 nm处的激发光强度变化。进一步求得334 nm和331 nm处的荧光强度比值I334/I331，并与聚合物浓度的对数作图，得到如图4所示的曲线。由图得知，在低浓度范围内，即1.0×10-4至1.0×10-2mg/mL区间内，随聚合物浓度增加， I334/I331比值略有增长；而当聚合物浓度进一步增加，在1.0×10-2至0.2 mg/mL区间内，荧光强度比值I334/I331呈线性增长，表明在该区间浓度范围内聚合物发生了胶束化自组装行为，而两个区间的切线交点对应的浓度即为临界胶束浓度CMC值。经测定，嵌段聚氨酯N120-acetal-PUB-acetal-N120的CMC值约为0.011 mg/mL，表明该聚合物在较低的浓度下即可发生胶束化自组装行为。

2.3 聚氨酯胶束的表征

鉴于嵌段聚氨酯的两亲特性，其能够在水溶液中自组装为胶束型聚集体结构。在高于临界胶束浓度CMC之上，我们通过直接溶解法制备了该聚合物胶束水溶液。通过动态光散射DLS和原子力显微镜AFM表征了该胶束的粒径分布及微观形貌，如图5、图6所示。

图5 聚氨酯胶束的粒径分布DLS图

图6 聚氨酯胶束的AFM图

由DLS粒径分布图可以看出，聚氨酯胶束粒径约为190 nm，分布宽度为0.189。从其AFM图片可以看出，胶束颗粒呈球形，粒径约为178 nm，基本与DLS数据一致。鉴于该嵌段聚氨酯的胶束化自组装特性，其疏水胶束内核可用于包载化疗药物，亲水性外壳起到稳定胶束聚集体作用，因此可作为包载疏水性药物的纳米载体材料。

2.4 聚氨酯胶束的稳定性

图7 聚氨酯胶束随时间变化的粒径分布DLS图

通过临界胶束浓度测试表明，该聚氨酯胶束具有较低的CMC值，这有利于形成结构稳定的聚合物胶束。为了进一步研究其形成胶束的稳定性，我们测试了该聚合物胶束不同放置时间下的粒径分布图。如图8所示，放置9天后，聚合物胶束的粒径分布变化比较小，粒径在190～230 nm范围内变化，分布宽度范围为0.189～0.255；22天后，粒径增大到390 nm左右，粒径分布变宽(0.322)。以上结果表明，该聚氨酯胶束具有较好的胶束稳定性。

3 总结

本研究通过缩聚和缩醛化反应合成出了亲疏水段间通过缩醛键连接的两亲性嵌段聚氨酯N120-acetal-PUB-acetal-N120。研究发现，该聚合物胶束临界胶束浓度为0.011 mg/mL，表明该聚合物在较低浓度下即可发生胶束化自组装行为。动态光散射DLS和原子力显微镜AFM分析表明，该聚合物能够在水溶液中自组装成球形胶束结构，粒径约为190 nm。此外，该胶束还具有较好的组装稳定性。综上所述，我们成功制备了缩醛键接嵌段聚氨酯胶束，该纳米胶束有望成为一类新型的纳米药物载体材料。