一种两亲性pH响应嵌段共聚物PEG-b-AAm的合成

赵云飞, 甘学兰, 陈 俊, 郑天野, 王 帆, 于 超

(重庆医科大学 药学院, 重庆 400016)

嵌段共聚物(BlockCopolymer)是将不同性质的聚合物链段相互连接在一起制备而成的特殊聚合物[1]。其中,两亲性嵌段共聚物除了能够将多种链段的优良性质结合在一起,还能使共聚物在溶液中的自组装过程中具备形态多变、形貌丰富以及弱刺激强响应等优势[2-4]。因此,近年来科研人员密切关注嵌段共聚物在高分子材料自组装及药物递送领域的应用[5]。对嵌段聚合物的分子结构与组成设计,分子量的控制已成为高分子研究领域中最富有意义且具有挑战性的研究工作之一[6-7]。

聚乙二醇(PEG)在水中溶解度高,并与许多有机物组分有良好的相溶性,是医药载体的重要原料[8-9]。然而,聚乙二醇无法单独在水溶液中组装成胶束,限制了其在生物及药物递送等领域的应用。甲基丙烯酸丙酯(Allyl Methacrylate)及其聚合物的疏水性较强,是一种重要的有机化学合成原料及聚合物制备中间体。基于此,设想将聚甲基丙烯酸丙酯作为其中一条链段连接在PEG上,有望制备生物相容性良好的两亲性共聚物,并在水溶液中自组装形成胶束,进而用于辅助医药载体的响应中。响应型载体递送系统是一种功能性递送系统,通常在某些特定刺激下释放药物[10]。pH响应载体由于能够在人体内的各种微酸性环境下进行响应性的化学键断裂[11],为响应型载体的构建提供了新的策略[12]。

因此,为给pH响应型载体的制备和开发提供新的思路,本文合成了一种新型的具有酸性响应的共聚物链段前体分子(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),并进一步将其作为第二种链段与甲基丙烯酸丙酯通过可逆加成-断裂链转移聚合(RAFT)反应共聚在与4-甲基4-((苯基碳硫酰基)硫代)戊酸(CPADN)修饰后的PEG(PEG-CPADN,化合物6)中,形成一种具有pH响应的两亲性嵌段共聚物PEG-b-AAm(化合物化合物8),并对PEG-b-AAm在水溶液中的胶束自组装及pH响应能力进行了初步探究。

Scheme 1

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

FEI Tecnai G2 F30 S-TWIN型场发射透射电镜;Bruker Avance III 600 MHz型核磁共振谱仪;Telstar lyoquest-85型真空冷冻干燥机;Agilent 1290 Infinity II Multisampler型液相色谱-三重四级杆串联质谱仪;Thermo fisher Nicolet iS10型红外光谱分析仪。

甲基丙烯酰氯、草酰氯、吡啶、石油醚(bp: 60～90 ℃)、乙酸乙酯、无水NaSO4、正丙醇、二氯甲烷、N,N-二甲基甲酰胺、氯化铵、氯化钠、4,4′偶氮双(4-氰基戊酸)、无水乙醇、偶氮二异丁腈(上海麦克林生化科技有限公司);甲基丙烯酸正丙酯(阿法埃莎化学有限公司);2,5-二羟基-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-乙基碳二亚胺盐酸盐、N-羟基磺基琥珀酰亚胺(西格玛-奥德里奇贸易有限公司);MeO—PEG—COOH(西安瑞禧生物科技有限公司);三乙胺、无水乙醚(成都科隆化学品有限公司);双硫代苯甲酰基二甲醚(日本TCL谷川油化兴业株式会社)。

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

将100 mg 2,5-二羟基-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反应瓶中。取90.0 μL草酰氯分散在0.5 mL CH2Cl2中, 0～5 ℃下滴加至反应瓶中,滴毕反应15 min,室温反应2 h。减压浓缩除去溶剂,残余物重新分散于4.0 mL CH2Cl2中,加入350 mg甲基丙烯酰胺,吡啶10.0 μL,室温搅拌过夜。加入等体积饱和NH4Cl溶液终止反应,分液,收集有机相,用饱和食盐水洗涤3次,无水Na2SO4干燥5 h,过滤,滤液旋蒸,得化合物3164 mg,产率70.2%。将3与70.0 μL乙二胺加入5.0 mL DMSO中,N2保护下室温搅拌反应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-乙基碳二亚胺盐酸盐77.6 mg,N-羟基磺基琥珀酰亚胺46.0 mg溶解于10.0 mL CH2Cl2中,搅拌活化2～3 h,称取MeO-PEG-COOH 100 mg溶解于10.0 mL CH2Cl2中,缓慢滴加入反应瓶中;室温反应过夜后,将溶液滴入50.0 mL 乙醚中4 ℃重结晶,收集底层固体产物PEG-CPADN(6) 254 mg,产率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保护下70 ℃反应24 h,后减压浓缩除去DMF,将产物溶解于5.0 mL蒸馏水中,用超纯水透析24 h,冻干,得PEG-b-AAm(8) 10.3 mg,产率20.6%， 核磁共振氢谱图如图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、亚甲基)。

1.3 化合物8的自组装及酸性响应性能评价方法

自组装:取少量化合物8粉末,溶解于1.0 mL去离子水中,室温放置0.5 h后,使用TEM拍摄胶束的电镜图。

酸性响应:取1.0 mL自组装后的化合物8胶束溶液,用醋酸钠缓冲液(pH 5.5)稀释,并放置在EP管中。通过TEM监测降解,并在0 h、 4 h、 6 h和12 h后拍摄胶束的电镜图。

2 结果与讨论

2.1 化合物8的分子量表征

除化学结构外,为验证化合物8成功聚合为高分子化合物,使用凝胶渗透色谱对化合物8的分子量进行了探究。从图2可知,化合物8分子量约为10000左右。核磁共振氢谱结果表明了一种新型的嵌段共聚物化合物8被成功合成。

Slice Log MW

2.2 自组装性能表征

随着化合物8进入到水相,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-烯酸链段(AAm)逐渐向内蜷缩,形成疏水内核,而易溶于水的PEG链段仍然能充分延展,形成胶束的外壳[13]。因此,利用嵌段共聚物化合物8的两亲性,进行自组装,就可获得化合物8的聚合物胶束。从下面的负染TEM图中(图3)可以明显地观察到粒径100～200 nm的聚合物胶束的形成。

图3 8在水中自组装后的负染TEM图

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2.3 化合物8的pH响应能力表征

在pH为5.5的醋酸钠缓冲液中,化合物8的崩解表现出了持续性的、时间依赖的模式(图4)。在0 h时(图4 a),化合物8在溶液中表现为形状较为200 nm的规整球形;4 h后(图4 b),胶束边缘逐渐趋于不稳定的状态,粒径仍然约为200 nm左右;6 h时(图4 c),胶束由于内核作用力的减弱,进一步崩解并形成了一些粒径1000 nm左右的不规则形状的聚集体;最终,在12 h时(图4 d),胶束边缘发生了破裂,表明化合物8发生了崩解。

图4 8在pH=5.5的醋酸钠缓冲液中的崩解TEM图: a:0 h; b:4 h; c:6 h; d:12 h

本研究合成了一种具有pH响应能力的共聚物单体链段(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,并将其与甲基丙烯酸丙酯通过RAFT反应共聚在PEG上,制备得到了一定嵌段比的嵌段共聚物PEG-b-AAm。而由于PEG-b-AAm具有两亲性及pH响应能力,易在形成胶束后再次响应性崩解,因此可作为纳米递送载体的辅助分子,帮助载体更好地释放,展现出了应用于医药化工领域的良好前景。