光热pH三响应性聚合物及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种光热pH三响应性聚合物及其制备方法和应用。

背景技术

嵌段共聚物，尤其是两亲性嵌段聚合物，能够在溶液中发生自组装，形成各种不同的形貌，包括囊泡、胶束、蠕虫状以及微凝胶等多种形态学结构。同时，在组装过程中可以实现小分子的负载，结合聚合物自身的刺激响应性使得这类聚合物可以广泛应用于传感、载药等领域，特别是作为药物载体方面的应用最为广泛。近年来随着响应性聚合物制备技术的发展，单一刺激响应性存在无法满足复杂生物医药等应用环境的缺点。因此，多重刺激响应性聚合物自组装颗粒在药物载体方面具有更广泛的应用前景和研发意义。

发明内容

在第一方面，本申请提供了一种光热pH三响应嵌段聚合物，该聚合物具有结构单元A、B和D，以及可选的单元C：

在一些实施方式中，所述单元A与所述单元B的摩尔比为(10～40)：1，例如为10:1、15:1、20:1、25:1、30:1、35:1、40:1或它们之间的任意值。在一些优选实施方式中，所述单元A与所述单元B的摩尔比为(15-25)：1，进一步优选(18-20)：1。

在一些实施方式中，所述单元A与所述单元D的摩尔比为1：(0.5～10)，例如为1:0.5、1:2、1:3.5、1:4、1:6、1:8、1:10或它们之间的任意值。在一些优选实施方式中，所述单元A与所述单元D的摩尔比为1：(0.5～5)。

在一些实施方式中，所述三响应嵌段聚合物的数均分子量为10000～100000，例如为20000、40000、60000、80000、100000或它们之间的任意值。在一些优选实施方式中，所述三响应嵌段聚合物的数均分子量为20000～80000，进一步优选为22759～66366。

在第二方面，本申请提供了一种三响应嵌段聚合物的制备方法，其包括如下步骤：

(1)提供NIPAM与DMA的共聚物PNIPAM-co-PDMA，优选地，共聚物PNIPAM-co-PDMA的Mn为10000～30000，PDI为1.00～2.00；

(2)将所述共聚物PNIPAM-co-PDMA嵌段聚甲基丙烯酸缩水甘油酯(PGMA)，得到聚合物PNIPAM-co-PDMA-b-PGMA；

(3)将聚合物PNIPAM-co-PDMA-b-PGMA中环氧基团与偶氮苯类化合物反应以接枝偶氮基团。

根据一些实施方式，步骤(1)中，所述共聚物通过包括如下步骤的方法制备：使NIPAM和DMA在蓝光照射以及在小分子链转移剂、第一催化剂和碱的存在下发生聚合。

根据一些实施方式，步骤(1)中，所述第一催化剂为伊红Y。

根据一些实施方式，步骤(1)中，所述碱为三乙胺。

根据一些实施方式，步骤(1)中，所述小分子链转移剂为S-正十二烷基-S'-(2-甲基-2-丙酸基)三硫代碳酸酯。

根据一些实施方式，步骤(1)中，所述蓝光的波长为420nm。

根据一些实施方式，步骤(1)中，所述NIPAM和DMA的摩尔比为(10～40)：1，优选(15-25)：1，进一步优选(18-20)：1。

根据一些实施方式，步骤(1)中，所述紫外光照射的时间是12-36小时；

根据一些实施方式，步骤(1)中，所述聚合在DMF溶剂中进行。

根据一些实施方式，步骤(2)中，使PNIPAM-co-PDMA共聚物和甲基丙烯酸缩水甘油酯在红光照射以及第二催化剂存在下反应，从而使聚合物嵌段PGMA。

根据一些实施方式，步骤(2)中，所述第二催化剂是ZnTPP。

根据一些实施方式，步骤(2)中，所述红光的波长为625nm。

根据一些实施方式，步骤(2)中，所述红光照射的时间是12-36小时。

根据一些实施方式，步骤(2)中，所述嵌段在DMF溶剂中进行。

根据一些实施方式，步骤(3)中，所述偶氮苯类化合物为4-羟基偶氮苯。

根据一些实施方式，步骤(3)中，聚合物PNIPAM-co-PDMA-b-PGMA与偶氮苯类化合物的比例为1：(10-500)，例如为1:10、1:50、1:100、1:200、1:300、1:400、1:500或它们之间的任意值。根据一些优选实施方式，步骤(3)中，聚合物PNIPAM-co-PDMA-b-PGMA与偶氮苯类化合物的比例为1：(20-200)，进一步优选为1：(33～187)。

在第三方面，本申请提供了一种球形聚合物微囊，其包括：第一方面所述的三响应嵌段聚合物或第二方面所述的制备方法制备的三响应嵌段聚合物组成的球形颗粒；和包裹在所述球形颗粒内的药物分子。

在第四方面，本申请提供了第一方面所述的三响应嵌段聚合物或第二方面所述的制备方法制备的三响应嵌段聚合物在药物递送中的应用。

本发明提供的光、热、pH三响应嵌段聚合物可以在水溶液中自组装成球形颗粒，以包裹染料和药物。该聚合物响应温度接近人体温度，可在紫外光照和加热条件下实现药物靶向和控释。这种双响应嵌段共聚物在智能给药方面具有巨大的潜力。

附图说明

图1是光、热、pH三响应嵌段聚合物的工艺流程示意图。

图2是实施例1中不同NIPAM:DMA投料比共聚聚合物溶液的DSC测试曲线图。

图3是实施例2中PNIPAM-co-PDMA-b-PGMA核磁共振谱图。

图4是实施例2中PNIPAM-co-PDMA-b-PGMA的GPC曲线图。

图5是实施例3中PNIPAM-co-PDMA-b-PGMA嵌段聚合物的XPS图谱：(a)全扫描谱图(b)C 1s谱图；(c)N 1s谱图；(d)O 1s谱图。

图6是实施例3中傅里叶-红外吸收光谱：(a)PNIPAM-co-PDMA,(b)PNIPAM-co-PDMA-b-PGMA,(c)PNIPAM-co-PDMA-b-PGMA-g-Azo.图。

图7是实施例3中PNIPAM-co-PDMA核磁共振谱图。

图8是实施例3中PNIPAM-co-PDMA-b-PGMA-g-Azo核磁共振谱图。

图9是实施例4中不同聚合物用量自组装后颗粒的SEM(a-h)与TEM(i-l)图像：5mg(样品1，a，e，i)；10mg(样品2，b，f，j)；15mg(样品3，c，g，k)；20mg(样品4，d，h，l)。

图10是实施例4中不同分子量聚合物自组装后颗粒的SEM(a-h)与TEM(i-l)图像：Mn＝22,759(样品5，a，e，i)；Mn＝36,706(样品6，b，f，j)；Mn＝56,930(样品2，c，g，k)；Mn＝66,366(样品7，d，h，l)。

图11是实施例4中聚合物颗粒在光照和加热条件下的EY释放曲线图。

图12是实施例5中不同聚合物用量包覆姜黄素的聚合物颗粒的TEM(a-c)图像与粒度分析(d-f)：5mg(样品1，a，d)；10mg(样品2，b，e)；15mg(样品3，c，f)。

图13是实施例5中包覆姜黄素聚合物颗粒的光响应、温度响应(a)和pH响应(b)图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例和附图，对本发明进行进一步的详细说明。

根据本发明的实施方式，首先使用伊红Y作为催化剂，在420nm蓝光下合成PNIPAM-co-PDMA共聚物，调节NIPAM与DMA的比例至19：1时，得到响应温度为38.09℃的聚合物，略高于人体正常温度，有利于用于人体药物靶向释放。以此为大分子引发剂，使用ZnTPP为催化剂，在625nm红光下嵌段PGMA，使聚合物含有环氧官能团和自组装能力，将偶氮苯光响应基团接枝到环氧上，得到PNIPAM-co-PDMA-b-PGMA-g-Azo光、热、pH三响应聚合物。使用伊红Y作为负载物，与嵌段聚合物在水中自组装，得到粒径大小可调的球形聚合物颗粒，从TEM中可以看到核壳结构，在50℃水浴和380nm紫外辐照下，Eosin可以从颗粒中释放。将负载物换为姜黄素，可以实现温度、pH和光响应三重药物释放效果。实验流程图如图1所示。

实施例1PNIPAM-co-PDMA合成

向石英瓶中加入NIPAM(0.5375g，4.75mmol)、DDMAT(25μmol)、DMA(25.76μL，0.25mmol)、TEA(25μmol)、EosinY(10μmol)和DMF(3mL)，加入磁子后使用翻口螺纹橡胶塞将石英管密封，用氮气鼓泡吹扫溶液15min排空氧气，将反应溶液放入光反应器中用380nm紫外LED光源搅拌(500r/min)辐照24h。反应后用截留分子量为3500的透析袋透析24h，每隔8小时换一次去离子水。将透析液预冻后冷冻干燥48h得到白色絮状固体。根据实验需要调整NIPAM：DMA的物质的量投料比分别为200：0、195：5、190：10、185：15和180：20。取0.2g产物溶于10mL去离子水中用于DSC测试表征其响应温度，测试温度为25℃升至50℃，升温速率2℃/min。测试结果参见图2。

实施例2PNIPAM-co-PDMA-b-PGMA合成

向玻璃瓶中加入P(NIPAM-co-DMAA)(0.1326g，0.01mmol，[NIPAM]：[DMA]＝190：10，Mn＝13,261，PDI＝1.33)，GMA(695μL，5mmol)，ZnTPP(0.5μmol)，DMF(3mL)和DMSO(5mmol，内标)，加入磁子后使用翻口螺纹橡胶塞将玻璃瓶密封，用氮气鼓泡吹扫溶液15min排空氧气，将反应溶液放在625nm红色灯带下搅拌(500r/min)辐照24h。反应结束后用在高速搅拌的乙醇中陈化，在10000r/min的离心机中离心10min收集沉淀，将沉淀在40℃的真空烘箱中干燥1h，得到PNIPAM-co-PDMA-b-PGMA，其核磁谱图参见图3。根据实验需要调整GMA的投入量。用GPC分析分子量与分子量分布，测试结果参见图4。单体转化率通过核磁共振H谱中DMSO和乙烯基特征峰的比值变化确定。

实施例3PNIPAM-co-PDMA-b-PGMA-g-Azo合成

向玻璃瓶中加入P(NIPAM-co-DMAA)-b-PGMA(0.3871g，0.01mmol)，DMF(10mL)和4-羟基偶氮苯(0.177g)，加入磁子后使用翻口螺纹橡胶塞将玻璃瓶密封，用氮气鼓泡吹扫溶液15min排空氧气，在60℃油浴锅中500r/min搅拌12h。反应结束后用在高速搅拌的乙醇中陈化，在10000r/min的离心机中离心10min收集沉淀，将沉淀在40℃的真空烘箱中干燥24h，得到接枝偶氮基团的嵌段聚合物。根据P(NIPAM-co-DMAA)-b-PGMA不同调整4-羟基偶氮苯用量，具体计算方式如下：根据P(NIPAM-co-DMAA)-b-PGMA与其大分子引发剂P(NIPAM-co-DMAA)数均分子量之差除以GMA的相对分子量只差估算出每条链上实际的GMA重复单元数量，再乘以P(NIPAM-co-DMAA)-b-PGMA的投入物质的量，大概估算体系中环氧基团的物质的量，实际投入4-羟基偶氮苯物质的量确定为环氧基团物质的量的二分之一。接枝偶氮基团的嵌段聚合物经XPS测试嵌段含N元素证明嵌段成功，测试结果参见图5、图6、图7和图8是接枝偶氮基团的嵌段聚合物的红外谱图和氢谱，红外谱图中1726为GMA的C＝O峰，1606为偶氮苯苯环的C＝C峰。

实施例4聚合物自组装

在1mLTHF中溶解10mg P(NIPAM-co-DMAA)-b-PGMAAzo和1mg伊红Y，在500r/min搅拌下滴入10mL去离子水，加水时速度均匀，时间控制在半分钟左右，继续搅拌6h。根据需要，调整不同试验因素。

表1中汇总了制备自组装颗粒的不同实验条件。

表1不同实验条件制备自组装颗粒

通过固含量和聚合度调节聚合物包覆伊红Y颗粒粒径大小的TEM和SEM参见图9和图10。

颗粒响应释放伊红Y测试

将本实施例获得的颗粒分散液作为原液分为三份，第一份作为空白对照，第二份在水浴锅中50℃加热3h，第三份放入石英瓶中，在380nm紫外灯下辐照3h。将所有样品用220nm水性滤头过滤，将滤液用去离子水稀释四倍，测试在514nm波段的吸光度值。结果见下表2。在UV和加热条件下，伊红Y被释放的释放速率如图11所示。

表2.伊红Y从嵌段自组装胶束中释放出来.

实施例5聚合物自组装(姜黄素)

在1mL THF中溶解10mg P(NIPAM-co-DMAA)-b-PGMAAzo和1mg姜黄素，在500r/min搅拌下滴入10mL去离子水，加水时速度均匀，时间控制在半分钟左右，继续搅拌6h。制备得到自组装颗粒。不同聚合物用量包覆姜黄素的聚合物颗粒的TEM参见图12。

温度响应性实验：将样品原液作为空白对照，于50℃加热，实验样品经220nm水系滤膜过滤，稀释，进行紫外可见分光光度计测试，测定样品溶液在最大吸收峰波长425nm处的吸光度值。

光响应性实验：将样品原液作为空白对照，于石英管内380nm紫外灯辐照。实验样品经220nm水系滤膜过滤，稀释，进行紫外可见分光光度计测试，测定样品溶液在最大吸收峰波长425nm处的吸光度值。

pH响应性实验：首先采用醋酸与氢氧化钠溶液配制一系列不同pH值的缓冲溶液，将0.5mL样品悬浊液滴入5mL缓冲溶液，组分相同未进行组装的样品采用相同处理方式作为对照组。所有样品充分混合后经220nm水系滤膜过滤，稀释，进行紫外可见分光光度计测试，测定样品溶液在425nm波长处的吸光度值。

在UV、加热和碱性条件下，姜黄素被释放的释放速率如图13所示。

本发明提供的聚合物响应温度接近人体温度，可在紫外光照和加热条件下实现药物靶向和控释。这种三响应嵌段共聚物在智能给药方面具有巨大的潜力。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。