一種兩親性pH響應(yīng)嵌段共聚物PEG-b-AAm的合成

趙云飛, 甘學(xué)蘭, 陳 俊, 鄭天野, 王 帆, 于 超

(重慶醫(yī)科大學(xué) 藥學(xué)院, 重慶 400016)

嵌段共聚物(BlockCopolymer)是將不同性質(zhì)的聚合物鏈段相互連接在一起制備而成的特殊聚合物[1]。其中,兩親性嵌段共聚物除了能夠?qū)⒍喾N鏈段的優(yōu)良性質(zhì)結(jié)合在一起,還能使共聚物在溶液中的自組裝過程中具備形態(tài)多變、形貌豐富以及弱刺激強響應(yīng)等優(yōu)勢[2-4]。因此,近年來科研人員密切關(guān)注嵌段共聚物在高分子材料自組裝及藥物遞送領(lǐng)域的應(yīng)用[5]。對嵌段聚合物的分子結(jié)構(gòu)與組成設(shè)計,分子量的控制已成為高分子研究領(lǐng)域中最富有意義且具有挑戰(zhàn)性的研究工作之一[6-7]。

聚乙二醇(PEG)在水中溶解度高,并與許多有機物組分有良好的相溶性,是醫(yī)藥載體的重要原料[8-9]。然而,聚乙二醇無法單獨在水溶液中組裝成膠束,限制了其在生物及藥物遞送等領(lǐng)域的應(yīng)用。甲基丙烯酸丙酯(Allyl Methacrylate)及其聚合物的疏水性較強,是一種重要的有機化學(xué)合成原料及聚合物制備中間體?；诖?設(shè)想將聚甲基丙烯酸丙酯作為其中一條鏈段連接在PEG上,有望制備生物相容性良好的兩親性共聚物,并在水溶液中自組裝形成膠束,進而用于輔助醫(yī)藥載體的響應(yīng)中。響應(yīng)型載體遞送系統(tǒng)是一種功能性遞送系統(tǒng),通常在某些特定刺激下釋放藥物[10]。pH響應(yīng)載體由于能夠在人體內(nèi)的各種微酸性環(huán)境下進行響應(yīng)性的化學(xué)鍵斷裂[11],為響應(yīng)型載體的構(gòu)建提供了新的策略[12]。

因此,為給pH響應(yīng)型載體的制備和開發(fā)提供新的思路,本文合成了一種新型的具有酸性響應(yīng)的共聚物鏈段前體分子(E)-3-((2-氨基乙基)氨甲酰)-6-甲基丙烯酰胺基-2-甲基-6-氧代苯-2-烯酸(Scheme 1,化合物4),并進一步將其作為第二種鏈段與甲基丙烯酸丙酯通過可逆加成-斷裂鏈轉(zhuǎn)移聚合(RAFT)反應(yīng)共聚在與4-甲基4-((苯基碳硫?；?硫代)戊酸(CPADN)修飾后的PEG(PEG-CPADN,化合物6)中,形成一種具有pH響應(yīng)的兩親性嵌段共聚物PEG-b-AAm(化合物化合物8),并對PEG-b-AAm在水溶液中的膠束自組裝及pH響應(yīng)能力進行了初步探究。

Scheme 1

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

FEI Tecnai G2 F30 S-TWIN型場發(fā)射透射電鏡;Bruker Avance III 600 MHz型核磁共振譜儀;Telstar lyoquest-85型真空冷凍干燥機;Agilent 1290 Infinity II Multisampler型液相色譜-三重四級桿串聯(lián)質(zhì)譜儀;Thermo fisher Nicolet iS10型紅外光譜分析儀。

甲基丙烯酰氯、草酰氯、吡啶、石油醚(bp: 60～90 ℃)、乙酸乙酯、無水NaSO4、正丙醇、二氯甲烷、N,N-二甲基甲酰胺、氯化銨、氯化鈉、4,4′偶氮雙(4-氰基戊酸)、無水乙醇、偶氮二異丁腈(上海麥克林生化科技有限公司);甲基丙烯酸正丙酯(阿法埃莎化學(xué)有限公司);2,5-二羥基-4-甲基-2,5-二氧代-3-3呋喃丙酸(阿拉丁生化科技股份有限公司);乙二胺、1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺鹽酸鹽、N-羥基磺基琥珀酰亞胺(西格瑪-奧德里奇貿(mào)易有限公司);MeO—PEG—COOH(西安瑞禧生物科技有限公司);三乙胺、無水乙醚(成都科隆化學(xué)品有限公司);雙硫代苯甲酰基二甲醚(日本TCL谷川油化興業(yè)株式會社)。

1.2 合成

(1) (E)-3-((2-氨基乙基)氨甲酰)-6-甲基丙烯酰胺基-2-甲基-6-氧代苯-2-烯酸(4)的合成

將100 mg 2,5-二羥基-4-甲基-2,5-二氧代-3-3呋喃丙酸,15.0 μL DMF和4.0 mL CH2Cl2加入10.0 mL反應(yīng)瓶中。取90.0 μL草酰氯分散在0.5 mL CH2Cl2中, 0～5 ℃下滴加至反應(yīng)瓶中,滴畢反應(yīng)15 min,室溫反應(yīng)2 h。減壓濃縮除去溶劑,殘余物重新分散于4.0 mL CH2Cl2中,加入350 mg甲基丙烯酰胺,吡啶10.0 μL,室溫攪拌過夜。加入等體積飽和NH4Cl溶液終止反應(yīng),分液,收集有機相,用飽和食鹽水洗滌3次,無水Na2SO4干燥5 h,過濾,濾液旋蒸,得化合物3164 mg,產(chǎn)率70.2%。將3與70.0 μL乙二胺加入5.0 mL DMSO中,N2保護下室溫攪拌反應(yīng)24 h,得(E)-3-((2-氨基乙基)氨甲酰)-6-甲基丙烯酰胺基-2-甲基-6-氧代苯-2-烯酸(4)。1H NMR(600 MHz, DMSO-d6)δ: 7.57(s, 1H), 6.99(s, 1H), 5.69(s, 1H), 5.33(s, 1H), 3.38～3.50(m, 4H), 2.40～2.55(m, 4H), 1.86(s, 3H), 1.22(s, 3H); HPLC-MS(ESI)m/z: 312.3{M+H]+}。

(2) PEG-CPADN(6)的合成

取4-甲基4-((苯基碳硫酰基)硫代)戊酸250 mg, 1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺鹽酸鹽77.6 mg,N-羥基磺基琥珀酰亞胺46.0 mg溶解于10.0 mL CH2Cl2中,攪拌活化2～3 h,稱取MeO-PEG-COOH 100 mg溶解于10.0 mL CH2Cl2中,緩慢滴加入反應(yīng)瓶中;室溫反應(yīng)過夜后,將溶液滴入50.0 mL 乙醚中4 ℃重結(jié)晶,收集底層固體產(chǎn)物PEG-CPADN(6) 254 mg,產(chǎn)率72.6%; IRν: 1100, 1170, 1544, 1635, 2850, 3375。

(3) PEG-b-AAm(8)的合成

取化合物650.0 mg,甲基丙烯酸丙酯9.61 mg, 化合物423.3 mg,AIBN 0.85 mg,溶解于15.0 mL干燥后的DMF中,N2保護下70 ℃反應(yīng)24 h,后減壓濃縮除去DMF,將產(chǎn)物溶解于5.0 mL蒸餾水中,用超純水透析24 h,凍干,得PEG-b-AAm(8) 10.3 mg,產(chǎn)率20.6%， 核磁共振氫譜圖如圖1所示。1H NMR(600 MHz, DMSO-d6)δ: 5.61～5.68(聚合物中O=C—NH), 3.62～3.64(聚合物中PEG片段),3.33(—CH2—CH2—), 2.50～2.51(聚合物中甲基、亞甲基)。

1.3 化合物8的自組裝及酸性響應(yīng)性能評價方法

自組裝:取少量化合物8粉末,溶解于1.0 mL去離子水中,室溫放置0.5 h后,使用TEM拍攝膠束的電鏡圖。

酸性響應(yīng):取1.0 mL自組裝后的化合物8膠束溶液,用醋酸鈉緩沖液(pH 5.5)稀釋,并放置在EP管中。通過TEM監(jiān)測降解,并在0 h、 4 h、 6 h和12 h后拍攝膠束的電鏡圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 化合物8的分子量表征

除化學(xué)結(jié)構(gòu)外,為驗證化合物8成功聚合為高分子化合物,使用凝膠滲透色譜對化合物8的分子量進行了探究。從圖2可知,化合物8分子量約為10000左右。核磁共振氫譜結(jié)果表明了一種新型的嵌段共聚物化合物8被成功合成。

Slice Log MW

2.2 自組裝性能表征

隨著化合物8進入到水相,不溶于水的甲基丙烯酸丙酯及(E)-3-((2-氨基乙基)氨甲酰)-6-甲基丙烯酰胺基-2-甲基-6-氧代苯-2-烯酸鏈段(AAm)逐漸向內(nèi)蜷縮,形成疏水內(nèi)核,而易溶于水的PEG鏈段仍然能充分延展,形成膠束的外殼[13]。因此,利用嵌段共聚物化合物8的兩親性,進行自組裝,就可獲得化合物8的聚合物膠束。從下面的負染TEM圖中(圖3)可以明顯地觀察到粒徑100～200 nm的聚合物膠束的形成。

圖3 8在水中自組裝后的負染TEM圖

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2.3 化合物8的pH響應(yīng)能力表征

在pH為5.5的醋酸鈉緩沖液中,化合物8的崩解表現(xiàn)出了持續(xù)性的、時間依賴的模式(圖4)。在0 h時(圖4 a),化合物8在溶液中表現(xiàn)為形狀較為200 nm的規(guī)整球形;4 h后(圖4 b),膠束邊緣逐漸趨于不穩(wěn)定的狀態(tài),粒徑仍然約為200 nm左右;6 h時(圖4 c),膠束由于內(nèi)核作用力的減弱,進一步崩解并形成了一些粒徑1000 nm左右的不規(guī)則形狀的聚集體;最終,在12 h時(圖4 d),膠束邊緣發(fā)生了破裂,表明化合物8發(fā)生了崩解。

圖4 8在pH=5.5的醋酸鈉緩沖液中的崩解TEM圖: a:0 h; b:4 h; c:6 h; d:12 h

本研究合成了一種具有pH響應(yīng)能力的共聚物單體鏈段(E)-3-((2-氨基乙基)氨甲酰)-6-甲基丙烯酰胺基-2-甲基-6-氧代苯-2-烯酸,并將其與甲基丙烯酸丙酯通過RAFT反應(yīng)共聚在PEG上,制備得到了一定嵌段比的嵌段共聚物PEG-b-AAm。而由于PEG-b-AAm具有兩親性及pH響應(yīng)能力,易在形成膠束后再次響應(yīng)性崩解,因此可作為納米遞送載體的輔助分子,幫助載體更好地釋放,展現(xiàn)出了應(yīng)用于醫(yī)藥化工領(lǐng)域的良好前景。