pH响应性聚氨酯胶束载体的设计合成

赵月琪，李政隆，桂源，何小娜，魏家仁，李炜，桑志培，贾小平，赵旭峰，张叶臻*，程新峰*

科学研究

pH响应性聚氨酯胶束载体的设计合成

赵月琪1，李政隆1，桂源1，何小娜1，魏家仁1，李炜1，桑志培1，贾小平2，赵旭峰2，张叶臻1*，程新峰1*

（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）

采用一锅缩聚反应法，合成出以N-甲基二乙醇胺与异佛尔酮二异氰酸酯预聚物作为疏水PU段、以聚乙二醇单甲醚作为亲水性链段的pH响应性嵌段聚氨酯MPEG-PUM-MPEG。然后采用“沉淀/溶剂蒸发法”制备两亲性聚合物纳米载药胶束，通过激光粒度仪和透射电镜研究了该纳米胶束在不同pH条件下的粒径分布和微观形貌变化，进而探究了该纳米胶束载体的体外药物释放行为。

pH响应性；聚氨酯；胶束；载体

近年来，环境响应性聚合物纳米胶束控释载体在药物输送领域展现出广阔的发展前景[1]。由亲疏水链段自组装成的聚合物胶束结构非常适合用于药物输送，疏水的核可以包载化疗药物，提高载药量，而亲水的壳为其提供保护[2]。在早期研究中，人们合成的聚合物载体材料大多不具备环境响应性，无法满足实际应用需求。鉴于人体病变部位复杂的内部环境特征，具有环境响应控释性能的聚合物载体材料受到国内外研究者的青睐[3,4]。在各种刺激性中，用于抗肿瘤药物输送的pH响应性纳米粒子已被广泛的设计和研究[5,6]。人体正常组织部位pH一般为中性，而炎症部位微环境大多偏弱酸性。因而，利用pH响应性胶束来包载抗肿瘤药物以解决胶束准确到达病变部位并且靶向释放药物的难题[7,8]。

为了更加精确地调节药物释放性能和进一步提高药效，本研究设计了一种基于酸敏叔胺基团的新型pH响应性聚合物纳米胶束控释载体，并研究了该纳米胶束在酸性pH刺激下的粒径、微观形貌变化及其药物控释行为。

1 实验部分

1.1 实验试剂

聚乙二醇单甲醚（MPEG，98%，Mw~2 000），二月桂酸二丁基锡（DBTDL，98%），吲哚美辛（IND，99%）购于上海阿拉丁试剂公司；N-甲基二乙醇胺（MDEA，98%）购于上海安耐吉试剂公司；异氟尔酮二异氰酸酯（IPDI，98%）购于烟台万华化学；石油醚，四氢呋喃（THF）等溶剂（均为分析纯）购于天津科密欧。MDEA和MPEG使用前在110 ℃下真空干燥12 h。四氢呋喃溶剂采用4Å分子筛干燥处理。

1.2 实验步骤

1.2.1 两亲性聚氨酯的合成

将MDEA和IPDI（摩尔比MDEA∶IPDI=1∶1.1）溶解于THF溶剂中，加入催化量DBTDL，于50 ℃下磁力搅拌反应3 h。之后加入稍过量MPEG于50 ℃下继续搅拌反应12 h。产物溶液采用石油醚沉淀，并真空干燥得到白色粉末状聚合物产物。

1.2.2 聚氨酯纳米胶束的制备

聚合物胶束通过“沉淀/溶剂蒸发法”得到：低速磁力搅拌下，将配制好的浓度为5%（wt）的聚氨酯/THF溶液逐滴加入去离子水中，并静置2 h。随后，通过旋蒸方法除去溶液中的THF溶剂，从而制备出聚氨酯胶束溶液。胶束的粒径和形貌通过激光粒度仪和透射电镜进行表征。

1.2.3 聚氨酯纳米胶束的pH响应行为研究

取5 mL上述制备好的聚氨酯胶束溶液，采用加入盐酸的方法调节该胶束溶液的pH至5.0，通过激光粒度仪和透射电镜记录pH刺激响应前后聚氨酯纳米胶束的粒径、分布及微观形貌变化。

1.2.4 纳米胶束的药物释放行为研究

载药纳米胶束的制备：将10 mg疏水性药物IND与100 mg聚氨酯共同溶解于2 mL THF溶剂中，接着采用上述“沉淀/溶剂蒸发法”制备载药纳米胶束，最后过滤除去未包载的药物分子，即得包载有吲哚美辛药物的纳米胶束溶液。

载药纳米胶束的体外药物释放行为：控制摇床温度在37 ℃，取25 mL上述载药胶束封装于透析袋中，在以下2种不同释放介质中进行药物释放实验：（1）PBS缓冲溶液，pH=7.4；（2）醋酸缓冲溶液，pH=5.0。采用紫外分光光度计（设定波长320 nm）实时测定药物的释放情况。

2 结果与讨论

2.1 聚氨酯MPEG-PUM-MPEG的结构表征

图1 聚氨酯MPEG-PUM-MPEG的核磁氢谱图

采用核磁、红外表征了聚氨酯的结构。图1核磁氢谱显示了聚合物中各组分单元的特征峰归属情况。从红外谱图可以看出（图2），1 718 cm-1和1 548 cm-1归属于氨基甲酸酯基的特征峰，1 465 cm-1和 1 115 cm-1为MPEG中亚甲基、C-O-C 的伸缩振动峰，1 047 cm-1为C-N键伸缩振动峰。

图2 MPEG-PUM-MPEG的红外谱图

此外，利用凝胶渗透色谱（GPC）测得MPEG-PUM-MPEG的数均分子量Mn为9 570，分子量分布宽度PDI为1.15（如图3）。

以上分析结果表明，含有叔胺结构的两亲性嵌段聚氨酯MPEG-PUM-MPEG被成功合成。

图3 MPEG-PUM-MPEG的GPC曲线图

2.2 聚氨酯纳米胶束的pH响应行为研究

利用激光粒度仪和透射电镜（TEM）测试胶束在不同pH条件下的粒径分布和微观形貌变化。

图4 聚氨酯纳米胶束在pH响应前后的粒径分布图；插图：胶束不同pH下的TEM图

如图4所示，当pH从7.4下降到5.0时，纳米胶束的平均粒径从190 nm增加到210 nm，同时TEM图也可看出酸性条件下颗粒明显变大。这是由于聚氨酯中的pH响应基团（叔胺）在酸性条件下将发生质子化，造成颗粒内部电荷排斥而变大。

2.3 聚氨酯纳米胶束的体外药物释放行为研究

选择吲哚美辛IND作为模型药物，研究了聚合物胶束对IND的包裹能力和释放性能。经过紫外-可见分光光度计分析，聚氨酯胶束的载药能力和载药效率分别为21% 和72 %。

图5 载IND纳米胶束在不同pH环境下的药物释放曲线（温度均为37 ℃）

接着，测试了载药纳米胶束的体外药物释放情况。如图5所示，pH=7.4时，20 h后的IND释放量不到16%。而在pH=5.0条件下，20 h后IND释放量接近60%，其释放量是正常生理环境下释放量的4倍，表现出快速的药物释放行为。

2.4 聚氨酯纳米胶束的刺激响应机理及释药机制

首先，对于嵌段聚氨酯MPEG-PUM-MPEG而言，鉴于其链段的两亲特性，其能够在水溶液中通过自组装形成球形胶束结构，其胶束疏水内核可实现对疏水性模型药物的包载，内部药物小分子可通过渗透作用缓慢释放；其次，因聚合物主链上含有叔胺基团，在酸性pH下胶束中叔胺基团发生质子化，胶束内部因相同电荷排斥而溶胀变大，胶束因通透性增加而呈现出加速的药物释放行为。

3 结 论

本文通过一锅缩聚法和沉淀/溶剂蒸发法制备得到新型含酸敏叔胺基团的聚氨酯纳米胶束，分析结果表明，该球形胶束粒径约为190 nm，可实现对疏水性药物吲哚美辛的有效包载，其载药能力和载药效率分别为21% 和72 %。其在酸性条件（pH=6.0）下比在中性条件下（pH=7.4）表现出快速的药物释放行为，20 h的释药量达到60%，是正常中性环境下释放量的4倍，表明该纳米药物载体的pH响应控释性能。

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[8] Z. Wang, X. Deng, J. Ding, et al. Mechanisms of drug release in pH-sensitive micelles for tumour targeted drug delivery system: A review[J]., 2018, 535（1-2）： 253-260.

Preparation and Characterization of pH-responsive Polyurethane Nano Drug Carrier

11111112211

（1. Nanyang Normal University, Henan Nanyang 473061, China; 2. Nanyang Jinniu Color Printing Group Co., Ltd., Henan Nanyang 473000, China）

A pH-responsive polyurethane nano drug carrier based on an amphiphilic block copolymer was designed and synthesized. Through the polycondensation reaction, prepolymer composed of IPDI and MDEA units was synthesized initially. Then the prepolymer was terminated by addition of excessive MPEGto give an amphiphilic block copolymer MPEG-PUM-MPEG. MPEG-PUM-MPEG based nano-micelles were prepared by precipitation/solvent vaporization process. DLS and TEM measurements were used to test the particle size distribution and micro morphology. In addition, their pH-responsive behavior and the drug release behavior of polyurethane nano-micelles under different pH conditions were also investigated in detail.

pH responsiveness; polyurethane; micelle; nano-carrier

河南省高等学校重点科研项目(18A150040); 南阳师范学院博士专项项目(ZX2017013)；南阳师范学院实验室开放项目(SYKF2018001)；

南阳师范学院大学生实践训练创新项目(SPCP2019)；南阳师范学院教学研究项目（2019-JXYJYB-31；2019- JXYJKT-04）。

2019-11-05

赵月琪（1998-），女，河北唐山人，研究方向：应用化学专业。

程新峰 (1986-)，男，河南南阳人，讲师，博士，主要从事功能高分子材料合成及应用研究。

O631.4

A

1004-0935（2020）02-0119-03