H-ESO-HEC两亲性聚合物的合成及其自组装纳米胶束在疏水性药物载体中的应用

刘 真 真， 王 兴， 郭 延 柱,2

( 1.大连工业大学 轻工与化学工程学院， 辽宁 大连 116034；2.华南理工大学 制浆造纸工程国家重点实验室， 广东 广州 510640 )

0 引 言

羟乙基纤维素(HEC)是一种白色或淡黄色、无味的粉末状或纤维状的含有大量亲水基团的非离子型聚合物，具有结构稳定、优良的水溶性、分散性、羟基含量多、无毒无害性及生物相容性等优异的特点，在新型生物质基材料中具有广泛的应用前景[1-2]。两亲性纤维素聚合物是一类具有特殊分子结构的纤维素高附加值衍生物，其分子结构中同时含有亲水性链段基团与疏水性链段。典型的亲水性基团包括羟基、羧基等，疏水性基团包括长碳链酯或醚、聚内酯等[3]。由于亲水基团和疏水基团二者之间存在不相容性，导致两亲性纤维素聚合物在水溶液中可通过自组装技术形成具有核壳结构的纳米胶束，其中内核为疏水性，主要由疏水性链段通过链段间的疏水作用力形成，而外壳为亲水性，主要由亲水性链段通过范德华力和分子间氢键相互作用以溶剂化的形式包裹在疏水内核外面，可减少外界环境对疏水性功能分子的接触，保护疏水性功能分子的自身特性[4-6]。两亲性纤维素聚合物同时具备纤维素的特性，如可进行接枝共聚改性、共混改性等，同时具有生物可降解、生物相容性、廉价等优点[7-9]，因此，其自组装纳米胶束在众多领域具有广泛的应用前景，如生物材料、生物成像、环境保护、药物转载及传感等领域[10-11]。

植物油脂是自然界中来源丰富、可再生的天然资源。其中，环氧大豆油(ESO)作为一种新型的生物基环保型高附加值的材料，具有良好的热稳定性、疏水性等特点[12-13]。但环氧大豆油的生产成本的增加，很大程度限制了其应用范围，因此，提高环氧大豆油产品的附加值成为目前急需解决的问题。环氧大豆油分子结构中含有活泼性较强的环氧基，能够开环与聚合物中的羟基等含活泼氢的基团发生接枝反应[14-17]，因此，可将环氧大豆油用于对纤维素接枝改性以改善其疏水性能，同时提高环氧大豆油的生产附加值。

本实验以HEC和ESO为原料，在无水SnCl4的催化作用下于二甲基亚砜(DMSO)溶液中反应制得ESO-HEC，经NaOH水解得到H-ESO-HEC两亲性聚合物。通过改变亲水链段分子质量和疏水链段用量，在水溶液中得到了稳定性好的H-ESO-HEC 自组装纳米胶束，对共聚物的自组装行为进行研究，并初步探索了H-ESO-HEC两亲性共聚物纳米胶束对疏水性抗癌药物的包载效果。

1 实 验

1.1 原料与试剂

HEC，相对分子质量分别为50 000和20 000，阿拉丁试剂有限公司，使用前于45 ℃真空干燥48 h以彻底除去水分；ESO，相对分子质量约为1 000，环氧值为6.6%，阿拉丁试剂有限公司；DMSO、SnCl4(纯度99.0%)、乙酸乙酯(纯度大于99.5%)，国药集团化学试剂有限公司；芘(纯度大于99.9%)，Sigmar公司；PTX、EVO(纯度大于99.9%)，阿拉丁试剂有限公司。普通溶剂如盐酸、氢氧化钠、乙醇等，分析纯，天津科密欧化学试剂有限公司。

1.2 H-ESO-HEC两亲性聚合物的制备

称取1 g HEC缓慢加入至50 mL DMSO中，室温下磁力搅拌2 h得到均一透明的HEC/DMSO溶液。将适量溶于DMSO中的ESO和催化剂无水SnCl4溶液依次加入至HEC/DMSO溶液中，搅拌反应30 min，得到ESO-HEC两亲性聚合物。称取2 g ESO-HEC两亲性聚合物于50 mL 0.6 mol/L的NaOH溶液中，在100 ℃恒温油浴锅中搅拌反应12 h。反应结束后，将产物进行减压旋蒸。蒸馏后的固体经乙酸乙酯浸泡洗涤，除去甘油和未完全水解的油脂。将浸泡后的固体溶于水中，用盐酸调节pH至5～6。溶液经乙酸乙酯萃取后，将乙酸乙酯相用热水洗涤多次，再进行减压旋蒸，将液体经冷冻干燥得到纯化的H-ESO-HEC两亲性聚合物。

1.3 H-ESO-HEC两亲性聚合物纳米胶束的制备

准确称取100 mg H-ESO-HEC两亲性聚合物于10 mL超纯水中，在超声清洗机中超声分散30 min。超声条件：功率75 W，超声2 s停1 s，经0.22 μm 滤头过滤后得到H-ESO-HEC两亲性聚合物的纳米胶束水溶液。

1.4 H-ESO-HEC两亲性聚合物纳米胶束对PTX/EVO的包载

取5 mL质量浓度为2 mg/mL的H-ESO-HEC两亲性聚合物纳米胶束溶液置于10 mL玻璃试管中，搅拌状态下逐滴加入1 mL 0.1 mg/mL的PTX/乙醇溶液，室温下超声30 min，使PTX进入纳米胶束核内。超声结束后将该溶液置于截留分子质量3 000的透析袋内透析48 h，每隔6 h换一次水，以彻底除去乙醇溶液。将所得溶液统一定容至25 mL，过0.8 μm的微孔滤膜除去未包覆的PTX沉淀物。H-ESO-HEC两亲性聚合物纳米胶束对EVO的包载同PTX。

1.5 测定与表征

1.5.1 傅里叶红外光谱(FT-IR)表征

精确称取2 mg样品与200 mg的KBr混合均匀，研磨压片后在Perkin Elmer公司的Frontier-Ⅱ型红外光谱仪上进行扫描，以纯KBr压片作为背景扫描，扫描范围400～4 000 cm-1。

1.5.2 氢核磁共振光谱(1H-NMR)表征

1H-NMR核磁谱图采用AVANCE Bruker Ⅲ 400型核磁共振仪进行测定，样品质量浓度为20 mg/mL，溶剂为D2O-d6，测试内标为三甲基硅烷(TMS)。

1.5.3 热重分析(TGA)

利用TA公司的Q500型热重分析仪对样品的热稳定性进行表征，样品质量为5～10 mg，测试的温度范围为室温至600 ℃，升温速率为10 ℃/min，氮气保护，体积流量为30 mL/min。

1.5.4 临界胶束浓度(CMC)表征

H-ESO-HEC两亲性聚合物的CMC值采用芘荧光探针法进行测定：透析方法配制10 mg/mL的H-ESO-HEC两亲性聚合物纳米胶束水溶液，逐级稀释，制得质量浓度分别为1.0、0.5、0.1、0.05、0.01、0.005、0.001、0.000 1 mg/mL的纳米胶束水溶液，准确移取50 μL的芘/丙酮溶液(浓度6×10-5mol/L)，搅拌下加入至5 mL不同浓度的胶束水溶液中，经漩涡振荡混合器混合均匀，置于超声波清洗机内超声2 h，然后将该溶液置于37 ℃水浴摇床中振荡过夜，待结束后冷却至室温进行测定。

样品的荧光光谱在LS-55型荧光光谱仪上进行测量。测试条件：激发波长339 nm，扫描范围360～550 nm，激发和发射的狭缝宽度分别为10和5 nm。

1.5.5 粒径的测定

H-ESO-HEC两亲性聚合物纳米胶束的粒径采用英国Marvern公司的Nano ZS90型纳米粒度仪进行测量。测量粒径时，胶束的质量浓度为0.1 mg/mL，测试前需将样品置于超声波清洗机内超声分散30 min，用0.22 μm的滤头过滤除去胶束聚集体。每个样品重复测量5次，取平均值，得到平均粒径。

1.5.6 透射电镜(TEM)表征

H-ESO-HEC两亲性聚合物纳米胶束的形貌采用日本电子JEM-2100型透射电子显微镜进行表征。取一滴H-ESO-HEC两亲性聚合物纳米胶束水溶液(质量浓度0.1 mg/mL)置于200目镀碳膜铜网上，用质量分数为2%的磷钨酸溶液染色3 min，50 ℃真空干燥10 min。测试条件：加速电压200 kV。

1.5.7 H-ESO-HEC两亲性聚合物纳米胶束对PTX/EVO包封率的测定

配制质量浓度范围为1.0～4.0 μg/mL的PTX/乙醇溶液，利用紫外可见光分光光度仪测量不同质量浓度PTX溶液在227 nm处的吸光度。吸光度(A)和PTX/乙醇溶液浓度(C)的关系：A=0.156 5C+0.077 1，其中线性相关系数R2=0.982 2。

EVO/乙醇溶液的标准曲线制备方法同PTX，其中EVO的最大吸收波长为224 nm，吸光度和EVO/乙醇溶液浓度(C)的关系：A=0.159C+0.052 7，其中线性相关系数R2=0.997 6。

以H-ESO-HEC两亲性聚合物纳米胶束水溶液做空白对照实验，利用紫外-可见光分光光度计测定包载PTX胶束在227或224 nm处的吸光度，每个样品需测试5次。PTX在H-ESO-HEC两亲性聚合物纳米胶束的包封率采用公式(1)计算。H-ESO-HEC两亲性聚合物纳米胶束对EVO的包载同PTX。

(1)

2 结果与讨论

2.1 H-ESO-HEC的合成

大豆油是世界上产量最丰富的可再生植物油之一，其结构中的双键可以发生加成、氧化和聚合等反应。其中，ESO是对大豆油结构中的双键进行环氧化反应得到的一种高附加值的商业化产物，被广泛应用于聚氯乙烯塑料、涂料、新型高分子材料和橡胶等工业领域[18-19]。本实验HEC为亲水主链，ESO为疏水单体，DMSO为反应溶剂，在催化剂无水SnCl4的作用下，合成ESO-HEC两亲性聚合物，经氢氧化钠水解后制得一系列羟乙基纤维素接枝环氧大豆油两亲性聚合物(H-ESO-HEC)。其结构和合成路线如图1所示。通过改变疏水单体用量和HEC的分子质量，对H-ESO-HEC两亲性聚合物中的亲水/疏水基团比例、疏水链段链长、溶解性能进行调控，为后续研究聚合物结构与自组装组行为之间的关系提供实验基础。

图1 H-ESO-HEC两亲性聚合物的合成路线

2.2 H-ESO-HEC的FT-IR分析

图2为HEC、H-ESO-HEC两亲性聚合物的FT-IR谱图。在3 400、2 902、1 644、1 368、1 144和1 059 cm-1处的吸收峰均为HEC的吸收峰，依次对应于HEC羟基的伸缩振动峰、亚甲基和次甲基中C—H的伸缩振动峰、吸收水的弯曲振动峰、甲基、亚甲基中C—H的弯曲振动峰和HEC糖苷键C—O—C中C—O醚键的伸缩振动峰[20]。与HEC的FT-IR谱图相比，疏水改性得到的H-ESO-HEC聚合物FT-IR谱图在2 931和1 748 cm-1处出现了2个新的吸收峰。在2 931 cm-1处的吸收峰为脂肪酸链上C—H的伸缩振动峰，1 748 cm-1处为酯羰基的伸缩振动峰。结果表明，ESO已成功地接枝到HEC的分子链上。

图2 HEC与H-ESO-HEC的FT-IR光谱图

2.3 H-ESO-HEC的1H-NMR分析

图3为HEC和H-ESO-HEC两亲性聚合物的1H-NMR光谱图。从图中可以看出，HEC糖环上各个氢原子信号峰的化学位移在3.31～4.49，其中，HEC基本糖单元上H1、H2、H3、H4、H5和H6各个氢原子的信号峰分别位于4.49、3.61、3.69、3.31、3.88和3.57处。与HEC谱图相比，H-ESO-HEC谱图化学位移0.92、1.32～1.58、3.19和2.88附近出现新的吸收峰，其中0.92(a)处的吸收峰为—(CH2)n—CH3中—CH3的氢原子信号峰，1.32～1.58(b)处的吸收峰为—CH2—氢原子信号峰；3.19(c)处的吸收峰为CH—OH中次甲基氢原子的信号峰，2.88(d)处为CH2—COOH中亚甲基的氢原子的信号峰。结果表明，ESO已成功接枝到HEC大分子链上。

图3 HEC与H-ESO-HEC的1H-NMR光谱图

2.4 H-ESO-HEC的热稳定性能分析

图4为HEC和H-ESO-HEC两亲性聚合物的TGA和DTGA图。从TGA图中可以看出，HEC的初始降解温度为165.9 ℃，H-ESO-HEC-Ⅴ和H-ESO-HEC-Ⅹ的初始降解温度分别为186.5和168.4 ℃。H-ESO-HEC两亲性聚合物有2个热降解过程，分别约在240和450 ℃。从DTGA图中可以看出，HEC的最大热降解温度为230.8 ℃，H-ESO-HEC-Ⅴ和H-ESO-HEC-Ⅹ最大热降解温度分别为236.5和247.6 ℃。与HEC相比，H-ESO-HEC-Ⅴ和H-ESO-HEC-Ⅹ两亲性聚合物的热稳定性能有所提高，在质量损失率为65%时，HEC的热降解温度为237.4 ℃，而H-ESO-HEC-Ⅴ和H-ESO-HEC-Ⅹ的热降解温度均为447.5 ℃。结果表明，HEC经ESO疏水化改性后热稳定性能有所提高。

(a) TGA

(b) DTGA

图4 HEC与H-ESO-HEC的TGA和DTGA图

Fig.4 TGA and DTGA curves of HEC and H-ESO-HEC copolymers

2.5 H-ESO-HEC纳米胶束的CMC值分析

H-ESO-HEC两亲性聚合物纳米胶束的CMC值采用芘荧光探针技术来测定，以339 nm为激发波长，在360～550 nm扫描样品溶液的荧光激发光谱，绘制荧光光谱中的第1发射峰与第3发射峰的强度比随共聚物质量浓度变化的曲线，转折点即为共聚物的CMC值。图5为H-ESO-HEC 两亲性聚合物CMC值的测量曲线。由图可得，H-ESO-HEC-Ⅴ聚合物的CMC值为336 μg/mL，H-ESO-HEC-Ⅹ聚合物的CMC值为292 μg/mL。说明随着聚合物中ESO单体用量的增加，H-ESO-HEC聚合物的疏水能力增强，聚合物形成的纳米胶束溶液更加稳定，CMC值降低。

图5 发射峰强度比随H-ESO-HEC聚合物质量浓度的变化曲线

Fig.5 Plots of the intensity ratio of pyrene emission spectra in water as a function of the log concentration of H-ESO-HEC copolymers

2.6 H-ESO-HEC纳米胶束的DLS和TEM分析

图6为H-ESO-HEC两亲性聚合物自组装纳米胶束的DLS分布图和TEM图。从TEM图中可以看出，H-ESO-HEC聚合物在水溶液中自组装形成纳米级球形胶束，胶束大小相近，边缘光滑，分布均匀，粒径约为40 nm。从表1中可以看出，随着ESO单体用量由1∶1增加至1∶5，聚合物胶束的粒径变小，说明随着疏水单体用量增加，H-ESO-HEC聚合物的疏水能力增强，有利于聚合物形成更紧密的胶束，粒径较小。在相同疏水单体用量的条件下，H-ESO-HEC-Ⅹ聚合物的粒径为97 nm，H-ESO-HEC-Ⅴ聚合物的粒径为102 nm。说明聚合物中亲水链段HEC的分子质量比较高时，得到的胶束粒径较低。此外，DLS测得聚合物的纳米胶束粒径在97～221 nm，明显高于TEM测得的胶束粒径。这可能是由于TEM测定的是胶束在干燥状态下的粒径，而DLS测定的是胶束水系粒径，在水系状态下胶束易润胀，导致粒径增大。

(a) DLS

(b) TEM

图6 H-ESO-HEC-V聚合物自组装纳米胶束的DLS和TEM图

Fig.6 The size histogram of H-ESO-HEC-V nano- micelles determined by DLS and TEM

2.7 H-ESO-HEC纳米胶束包载PTX/EVO

由表1可以看出，H-ESO-HEC两亲性聚合物纳米胶束在包载药物前平均粒径为97～221 nm，包载PTX后平均粒径为152～302 nm，包载EVO后平均粒径为142～286 nm，说明包载药物后聚合物胶束的粒径会增加。对于以相对分子质量为50 000的HEC作为起始物得到的H-ESO-HEC，随着ESO单体用量由1∶1增加至1∶5，其自组装纳米胶束对PTX的包封率由27.9%增大至61.7%，对EVO的包封率由25.2%增大56.7%。说明随着单体用量增加，聚合物的疏水能力增强，对疏水药物的包载效果更好，且H-ESO-HEC 聚合物对PTX的包载效果要比EVO好。H-ESO-HEC-Ⅴ聚合物对PTX和EVO的包封率分别为69.1%和62.9%，H-ESO-HEC-Ⅹ 聚合物对PTX和EVO的包封率分别为61.7%和56.7%。说明在ESO单体用量相同的条件下，高分子质量HEC合成的H-ESO-HEC 聚合物胶束对疏水药物的包载能力更强。

表1 H-ESO-HEC纳米胶束对抗癌药物的包封率

3 结 论

以HEC和ESO为原料，在无水SnCl4的催化作用下于DMSO介质中反应得到ESO-HEC，经氢氧化钠水解后得到一系列H-ESO-HEC两亲性聚合物。在水溶液中利用超声辅助溶解法制得H-ESO-HEC两亲性聚合物自组装纳米胶束。通过芘荧光探针法测定H-ESO-HEC聚合物的CMC值，CMC值随共聚物中疏水单体ESO用量的增加而减小。FT-IR和1H-NMR结果表明ESO已成功地接枝到HEC分子链中。TGA结果表明经疏水改性后HEC的热稳定性能有所提高。TEM和DLS结果表明，H-ESO-HEC聚合物自组装纳米胶束的粒径范围为97～221 nm，为均一的球形颗粒。粒径大小随疏水链段含量和链长的增加而降低。一系列的H-ESO-HEC聚合物自组装纳米胶束对PTX、EVO的包封率范围分别为27.9%～69.1%和25.2%～62.9%，在包载PTX、EVO后的胶束粒径范围分别为152～302 nm和142～286 nm，表明H-ESO-HEC聚合物纳米胶束在包载疏水药物后胶束内核增大，导致胶束粒径均增大。