生物可降解三嵌段共聚物PLATMC-PEG-PLATMC的合成、表征及性能研究

杜 旭，王 勤，刘 阳，马丽霞，王传栋

(山东省药学科学院 山东省医用高分子材料重点实验室，山东 济南 250101)



生物可降解三嵌段共聚物PLATMC-PEG-PLATMC的合成、表征及性能研究

杜 旭，王 勤，刘 阳，马丽霞，王传栋*

(山东省药学科学院 山东省医用高分子材料重点实验室，山东 济南 250101)

合成了3种生物可降解三嵌段共聚物聚丙交酯/三亚甲基碳酸酯-聚乙二醇-聚丙交酯/三亚甲基碳酸酯(PLATMC-PEG-PLATMC)，其丙交酯/三亚甲基碳酸酯(LA/TMC，物质的量比)分别为50/50、25/75和10/90，通过核磁共振氢谱和凝胶渗透色谱对其化学结构、分子量及分布进行了表征，并对3种共聚物水凝胶的温敏性能进行了研究。结果表明，3种共聚物水凝胶的相转变温度范围随LA/TMC的减小而扩大；3种共聚物水凝胶的降解速度随LA/TMC的减小而减慢，在LA/TMC为50/50时降解速度最快，10/90时最慢。

生物可降解；三嵌段共聚物；丙交酯；三亚甲基碳酸酯；水凝胶

以聚丙交酯及其共聚物为代表的一系列脂肪族聚酯材料因良好的生物可降解性、生物相容性、物理化学及机械性能而被视为具有巨大应用价值和发展前景的医用高分子材料。早在20世纪70年代，美国强生公司就使用丙交酯乙交酯共聚物开发出目前被广泛应用于外科手术的可吸收手术缝合线[1]。此类材料在药物缓释体系[2]、组织工程支架[3]等方面的研究一直是关注热点。此类材料疏水性强、与人体组织相容性差，所以很多研究将其与多糖类[4-5]、聚乙二醇类[6-8]等亲水性高分子共聚以提高其亲水性；也有很多研究将其与含有功能性基团的小分子[9]或聚甲基丙烯酸钠[10]、聚乙烯亚胺[11]等高分子接枝，使其具有转载基因、蛋白质或特定药物的性能。与聚乙二醇共聚可明显提高聚丙交酯及其共聚物的亲水性，当聚乙二醇含量较高且分子量及组成比例恰当时，共聚物可溶于水形成具有温敏性能的水凝胶[12]，这一性能在医药领域的可注射水凝胶方面具有很好的应用价值和前景，是可降解聚酯材料改性研究的热点之一[13-14]。

作者在此设计合成了具有温敏性能的生物可降解三嵌段共聚物聚丙交酯/三亚甲基碳酸酯-聚乙二醇-聚丙交酯/三亚甲基碳酸酯(PLATMC-PEG-PLATMC)，通过核磁共振氢谱(1HNMR)和凝胶渗透色谱(GPC)对其化学结构、分子量及分布进行了表征，并研究了LA/TMC(物质的量比，下同)对共聚物水凝胶温敏性能和降解性能的影响。

1 实验

1.1 试剂

丙交酯(外消旋，LA)、三亚甲基碳酸酯(TMC)，纯度≥99%，自制；聚乙二醇(PEG)，分子量1 500 g·mol-1，阿法埃莎中国化学有限公司；辛酸亚锡，纯度95%，美国Sigma-Aldrich有限公司；三氯甲烷，色谱纯，美国JT.Baker试剂有限公司；乙醇、二氯甲烷，分析纯，天津广成化学试剂有限公司。

1.2 共聚物的合成

准确称取一定量的PEG(质量分数为30%)置于真空反应瓶中，油浴加热到120 ℃，抽真空0.5 h进行除水处理，待反应瓶冷却至室温后加入质量分数约为0.2%的辛酸亚锡，然后投入一定量的LA与TMC单体，抽真空至70 Pa后在140 ℃油浴中磁力搅拌反应10 h。反应结束后，用二氯甲烷溶解产物，加入正己烷沉淀纯化，反复处理3次后将产物置于40 ℃真空干燥箱中干燥48 h，得到半透明固体，即生物可降解三嵌段共聚物PLATMC-PEG-PLATMC。调节LA/TMC分别为50/50、25/75和10/90得到3种共聚物，分别命名为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。反应式如下：

1.3 共聚物水溶液的制备

分别称取一定质量的共聚物，置于具塞试管中，加入一定量的去离子水，在2 ℃下溶解12 h以上直至共聚物完全溶解，得到质量浓度分别为15%、20%、25%和30%的共聚物水溶液。

1.4 表征

采用德国Bruker公司 Avance 400 MHz型核磁共振仪，以氘代三氯甲烷为溶剂，测定共聚物的核磁共振氢谱；采用美国Waters 2414型凝胶渗透色谱仪(GPC)测定共聚物的分子量(Mn)及分子量分布系数(Ip)，三氯甲烷作为流动相，聚苯乙烯为标准品，测试温度为30 ℃，流动相流速为1.0 mL·min-1；采用上海雷磁PHS-3C型酸度计配备E-201-C复合电极测定溶液pH值；采用试管倒置法[15]测定共聚物水凝胶的溶胶-凝胶相转变温度。

1.5 性能研究

(1)温敏性能：分别将质量浓度为15%、20%、25%、30%的共聚物水溶液置于恒温水浴中，平衡10 min以上，倒置观察流动情况，以判定是否形成凝胶，以研究共聚物水凝胶的温敏性能。

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(2)降解性能：将1.5 g质量浓度为30%的共聚物水凝胶浸于10 mL磷酸盐缓冲溶液(pH=7.4)中，于37 ℃恒温箱中静置一定时间后测定降解液的pH值及分子量，以研究共聚物水凝胶的降解性能。

2 结果与讨论

2.1 结构表征

图1是三嵌段共聚物PLATMC-PEG-PLATMC(LA/TMC=50/50)的核磁共振氢谱。

从图1可以看到，δ4.9～5.2处为丙交酯单元次甲基质子峰，此部分质子峰发生裂分，δ4.9处为与三亚甲基碳酸酯相邻的次甲基质子峰，δ5.2附近为丙交酯主链的质子峰；δ4.2～4.3附近为三亚甲基碳酸酯单元靠近氧原子的2个亚甲基质子峰；δ3.6～3.7处为聚乙二醇链段上的亚甲基质子峰；δ2.0附近为三亚甲基碳酸酯单元最中间的亚甲基质子峰；δ1.5～1.6处为丙交酯单元中的甲基质子峰。

表1是三嵌段共聚物的核磁共振氢谱和凝胶渗透色谱数据。

从表1可以看到，3种共聚物的PEG质量分数均在30%左右，LA/TMC也与设计值基本一致，表明单体共聚反应较完全，反应条件适宜；3种共聚物的Ip值均在1.60左右，分布系数较低，表明共聚物分子量分布较均匀，单体都反应充分。

图1 PLATMC-PEG-PLATMC(LA/TMC=50/50) 的核磁共振氢谱Fig.1 1HNMR spectrum of PLATMC-PEG-PLATMC (LA/TMC=50/50)

表1 三嵌段共聚物的结构表征

Tab.1 The structural characterization of triblock copolymers

共聚物PEG质量分数/%设计值实测值LA/TMC设计值实测值Mng·mol-1Ip共聚物Ⅰ3029.450/5048.3/51.772521.63共聚物Ⅱ3030.325/7525.5/74.575421.57共聚物Ⅲ3029.310/909.7/90.374841.60

注：PEG质量分数及LA/TMC由1HNMR峰值积分计算得到，Mn及Ip由GPC测定得到。

2.2 共聚物水凝胶的温敏性能

图2是3种共聚物水凝胶的溶胶-凝胶相转变图。

从图2可以看出，3种共聚物可以形成凝胶的温度范围均随着共聚物水溶液质量浓度的增大而扩大，但不同LA/TMC的共聚物形成凝胶的温度范围明显不同。对于LA/TMC为50/50的共聚物Ⅰ和LA/TMC为25/75的共聚物Ⅱ，在共聚物水溶液质量浓度为15%时，均无法随温度变化形成凝胶，低温时为溶胶状态，温度升高后则脱水沉淀；LA/TMC为10/90的共聚物Ⅲ在共聚物水溶液质量浓度为15%时，在较窄温度范围内(34～37.5 ℃)可形成凝胶；当共聚物水溶液质量浓度为20%和25%时，3种共聚物均可形成凝胶，相转变温度范围随LA/TMC的减小而扩大；当共聚物水溶液质量浓度达到30%时，3种共聚物的凝胶相转变温度上限均为42.5 ℃，下限分别为6.5 ℃、7.5 ℃和8.0 ℃，差别非常小。这表明，3种共聚物形成凝胶的温度范围随着LA/TMC的减小逐渐扩大，但共聚物水溶液质量浓度达到一定值后，其相转变温度范围差异不大。

图2 3种共聚物水凝胶的溶胶-凝胶相转变图Fig.2 Sol-gel phase transition diagrams of three kinds of copolymer hydrogels

PLATMC-PEG-PLATMC是一种两亲性三嵌段共聚物，PLATMC为疏水链段，PEG为亲水链段，溶于水后自组装形成外壳亲水、内核疏水的胶束。随着温度的升高，疏水性的PLATMC链段逐渐向外扩散与周围胶束发生桥连作用，构成互穿网络结构形成水凝胶；当温度升至一定值后，共聚物链段发生收缩，网络结构被破坏，凝胶脱水沉淀[10]。共聚物水凝胶的相转变温度范围随LA/TMC减小而扩大可能是因为，当LA/TMC为10/90时，PLATMC链段中TMC链段较长，共聚物桥连作用稳定，易形成凝胶；当LA/TMC为50/50时，LA与TMC物质的量相同，PLATMC中LA和TMC链段都很短，相互发生的桥连作用较弱，因此形成凝胶的条件较苛刻，只能在较窄的温度范围内和较高的质量浓度下形成凝胶；当LA/TMC为25/75时，TMC链段长度介于共聚物Ⅲ和共聚物Ⅰ之间，因而形成凝胶的温度范围也介于两者之间。但是当共聚物水溶液质量浓度增大到一定值(30%)时，共聚物在溶液中排布密集，非常容易发生聚集和桥连作用，因此形成凝胶的温度范围相差不大，尤其在温度上限(42.5 ℃)时共聚物分子链会发生强烈的收缩作用，脱水沉淀，所以无论共聚物中LA/TMC为何值，在此温度下均会发生相转变。

2.3 共聚物水凝胶的降解性能

PLATMC-PEG-PLATMC的PLATMC链段降解后产生酸性基团，会使降解液pH值发生变化，降解越快，产生的酸性物质越多，其pH值变化越明显。因此，本实验通过测定降解液pH值研究共聚物水凝胶的降解性能。3种共聚物水凝胶在pH值为7.4的PBS缓冲溶液中，37 ℃恒温静置2 d、4 d、7 d、14 d和21 d后，测定降解液pH值，结果见图3。

图3 3种共聚物水凝胶降解液pH值随降解时间的变化情况Fig.3 The pH values of degradation solution vs degradation time for three kinds of copolymer hydrogels

从图3可以看到，共聚物Ⅰ的降解液pH值随降解时间的变化最大，共聚物Ⅱ次之，共聚物Ⅲ最小。

采用GPC测定降解21 d的共聚物水凝胶的分子量，并与初始分子量进行对比，结果见图4。

图4 3种共聚物水凝胶降解前后分子量变化情况Fig.4 The variation of Mn of three kinds of copolymer hydrogels before and after degradation

从图4可以看到，共聚物Ⅰ的分子量降低最多，与降解液pH值的变化趋势一致。

因此，可以推断3种共聚物水凝胶的降解速度随LA/TMC的减小而减慢，LA/TMC为50/50的共聚物水凝胶的降解速度最快，10/90的降解速度最慢。这可能是由于，一方面，PTMC在体外的降解速度比消旋结构的PLA要快，所以PLATMC链段中TMC含量越高，其降解速度越慢[12]；另一方面，PLATMC链段中LA与TMC的无规度越高，分子链越容易断裂，降解速度越快，而LA/TMC为50/50时，LA与TMC等量共聚形成的链段无规度最高，25/75时次之，10/90时最低。

3 结论

设计合成了3种PEG质量分数为30%，LA/TMC分别为50/50、25/75和10/90的生物可降解三嵌段共聚物PLATMC-PEG-PLATMC。1HNMR和GPC结果表明，合成的3种共聚物与设计结构相符，原料反应充分，分子量分布比较均匀。共聚物水溶液在一定温度和质量浓度下可形成具有温敏效应的水凝胶，其相转变温度范围随着LA/TMC的减小而扩大，共聚物水凝胶的降解速度随LA/TMC的减小而减慢。

[1] HORTON C E,ADAMSON J E,MLADICK R A,et al.Vicryl synthetic absorbable sutures[J].American Surgeon,1974,40(12):729-731.

[2] BESSA P C,CASAL M,REIS R L.Bone morphogenetic proteins in tissue engineering:the road from laboratory to clinic,Part Ⅱ(BMP delivery)[J].Journal of Tissue Engineering and Regenerative Medicine,2008,2(2/3):81-96.

[3] LI S,VERT M.The Encyclopedia of Controlled Drug Delivery[M].Newyork USA:Wiley,1999:71-93.

[4] WU Y,ZHENG Y L,YANG W L,et al.Synthesis and characterization of a novel amphiphilic chitosan-polylactide graft copolymer[J].Carbohydrate Polymers,2005,59(2):165-171.

[5] YAO F L,CHEN W,WANG H,et al.A study on cytocompatible poly(chitosan-g-L-lactic acid)[J].Polymer,2003,44(21):6435-6441.

[6] CLAPPER J D,SKEIE J M,MULLINGS R F,et al.Development and characterization of photopolymerizable biodegradable materials from PEG-PLA-PEG block macromonomers[J].Polymer,2007,48(22):6554-6564.

[7] PARK T G,YOO H S.Dexamethasone nano-aggregates composed of PEG-PLA-PEG triblock copolymers for anti-proliferation of smooth muscle cells[J].International Journal of Pharmaceutics,2006,32(1/2):169-173.

[8] YU L,ZHANG Z,DING J.Influence of LA and GA sequence in the PLGA block on the properties of thermogelling PLGA-PEG-PLGA block copolymers[J].Biomacromolecules,2011,12(4):1290-1297.

[9] MARRACHE S,DHAR S.Engineering of blended nanoparticle pl-atform for delivery of mitochondria-acting therapeutics[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,2012,109(40):16288-16293.

[10] XU F J,YANG X C,LI C Y,et al.Functionalized polylactide film surfacesviasurface-initiated ATRP[J].Macromolecules,2011,44(7):2371-2377.

[11] GASPAR V M,GONCALVES C,de MELO-DIOGO D,et al.Poly(2-ethyl-2-oxazoline)-PLA-g-PEI amphiphilic triblock micelles for co-delivery of minicircle DNA and chemotherapeutics[J].Journal of Controlled Release,2014,189:90-104.

[12] WANG Q,WANG C D,DU X,et al.Synthesis,thermosensitive gelation and degradation study of a biodegradable triblock copolymer[J].Journal of Macromolecular Science,Part A:Pure and Applied Chemistry,2013,50(2):200-207.

[13] LEE D S,SHIM M S,KIM S W,et al.Novel thermoreversible gelation of biodegradable PLGA-block-PEO-block-PLGA triblock copolymers in aqueous solution[J].Macromolecular Rapid Communications,2001,22(8):587-592.

[14] HUYNH C T,NGUYEN M K,LEE D S.Injectable block copolymer hydrogels:achievements and future challenges for biomedical applications[J].Macromolecules,2011,44(17):6629-6636.

[15] PEGO A P,POOT A A,GRIJPMA D W,et al.Invitrodegradation of trimethylene carbonate based (Co)polymers[J].Macromolecular Bioscience,2002,2(9):411-419.

Synthesis,Characterization and Property of Biodegradable Triblock Copolymer PLATMC-PEG-PLATMC

DU Xu,WANG Qin,LIU Yang,MA Li-xia,WANG Chuan-dong*

(ShandongAcademyofPharmaceuticalSciences,ShandongProvincialKeyLaboratoryofBiomedicalPolymers,Jinan250101,China)

ThreekindsofbiodegradabletriblockcopolymersPLATMC-PEG-PLATMCweresynthesized,andtheirLA/TMC(lactide/trimethylenecarbonate)molarratioswere50/50,25/75and10/90,respectively.Thechemicalstructure,molecularweightanddistributionofthecopolymerswerecharacterizedby1HNMRandgelpermeationchromatography(GPC).Thethermosensitivitiesofthreekindsofcopolymerhydrogelswerestudied.Resultsindicatedthat,thephasetransitiontemperaturerangeofthreekindsofcopolymerhydrogelsincreased,whilethedegradationspeeddecreasedwithdecreasingofLA/TMCmolarratio.ThedegradationrateofthecopolymerhydrogelwithLA/TMCmolarratioof50/50wasthefastest,andthatof10/90wastheslowest.

biodegradation;triblockcopolymer;lactide(LA);trimethylenecarbonate(TMC);hydrogel

2016-11-24

杜旭(1980-)，女，山东济南人，博士，高级工程师，研究方向：功能高分子，E-mail:duxu19@126.com；通讯作者：王传栋，研究员，E-mail:wcdmpc@sina.com。

10.3969/j.issn.1672-5425.2017.04.013

O631

A

1672-5425(2017)04-0054-04

杜旭，王勤，刘阳，等.生物可降解三嵌段共聚物PLATMC-PEG-PLATMC的合成、表征及性能研究[J].化学与生物工程，2017，34(4)：54-57，62.