聚癸二酸酐-聚乙二醇共聚物的制備與性能研究

離子交換與吸附, 2008, 24(3): 246 ~ 253ION EXCHANGE AND ADSORPTION文章編號: 1001-5493(2008)03-0246-08聚癸二酸酐-聚乙二醇共聚物的制備與性能研究*涂春玲薛璇高釗王征*天津大學(xué)藥物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，天津300072摘要:研究了高真空熔融縮聚法制備聚癸二酸酐_聚乙二醇(PSA-PEG)共聚物，采用紅外光譜(FTIR)、凝膠滲透色譜(GPC)對制備出來(lái)的PSA-PEG共聚物進(jìn)行了結構表征，并進(jìn)行了共聚物性能的測定。將癸二酸預聚物與不同分子量的PEG共聚,研究了聚合物結構組成與性能之間的關(guān)系，并通過(guò)改進(jìn)實(shí)驗方法，得到分子量分布較窄的共聚物(PDI: 1.10), 使制備出的PSA-PEG 6000共聚物數均分子量M.由原來(lái)的7291增加到12281.關(guān)鍵詞:聚癸二酸酐~聚乙二醇共聚物;生物可降解;表面溶蝕;熔融縮聚法中圖分類(lèi)號: 0631文獻標識碼: A1前言聚癸二酸酐是一類(lèi)疏水性較強的生物可降解高分子材料，它具有很多優(yōu)異性能，如良.好的生物相容性、表面溶蝕性、易加工性等"，但當聚癸二酸酐單獨作為藥物載體應用于藥物緩控釋領(lǐng)域時(shí)，它極強的疏水性卻往往限制了它的應用。PEG是一種具有油水雙親性的聚醚，由于它具有生物相容性好、低毒、非免疫原性等特點(diǎn)，PEG已經(jīng)得到了美國Foodand Drug Administration (FDA) 的認可，并且被中、美、英等國家的藥典收載作為藥用輔料。PEG作為藥用輔料在傳統劑型例如片劑、膠囊劑、注射劑、軟膏劑、栓劑、滴丸劑等各種劑型中都有應用，從上個(gè)世紀90年代開(kāi)始，PEG 在新型藥物制劑中的應用研究越來(lái)越多，例如蛋白質(zhì)藥物的PEG修飾2、紫杉醇的PEG修飾技術(shù)可以及脂質(zhì)體的PEG修飾[4等都已經(jīng)進(jìn)入了比較成熟的階段。如果將PEG引入聚癸二酸酐的主鏈，制備成聚癸二酸酐-聚乙二醇共聚物,就能夠達到改善聚癸二酸酐的強疏水性的目的。此類(lèi)共聚物不僅保持了聚癸二酸酐原有的優(yōu)異性能，而且PEG的引入增強了聚癸二酸酐的親水性，使降解速率加快并且可以通過(guò)改變PEG的種類(lèi)或比例來(lái)調節降解時(shí)間5。此外, PEG還能降低吞噬細胞的清除作用，延長(cháng)藥物在體內的循環(huán)時(shí)間，這對于藥物的緩控釋具有重要意義0。Jiang H. L.等I78)用高真空熔融縮聚法合成了PSA-PEG共聚物，他通過(guò)改變PEG的比例制得不同分子量的PEG-PSA共聚物并研究了其性能，并用此PSA-PEG共聚物作為脈沖釋藥中國煤化工收稿日期: 2007年 10月15日項目基金:天津市自然科學(xué)基金(05YFJMC11200); 國家自然科學(xué).MYHCNMHG作者簡(jiǎn)介:王征(1966-), 女博土,副教授.Email: wangzheng2006@ tju.edu.cn第24卷第3期離子交換與吸附●247●系統的隔離層，成功地實(shí)現了蛋白質(zhì)類(lèi)藥物的脈沖式釋放。Gref R.等9)發(fā)現當PSA-PEG共聚物中PEG含量大約為5%時(shí)，用于靜脈注射給藥時(shí)能明顯延長(cháng)藥物在體內的循環(huán)時(shí)間。FuJ.等1011"用高真空熔融縮聚法制備了PSA-PEG共聚物，并用此共聚物作為藥物載體以粉霧劑劑型用于肺部給藥，發(fā)現PEG的引入不僅降低了肺部巨噬細胞的清除率，而且還大大改善了制劑的粉霧化效率。目前聚癸二酸酐-聚乙二醇共聚物的研究在國外已經(jīng)引起了科研工作者的關(guān)注，但國內關(guān)于這方面的報道卻很少見(jiàn)。本文采用高真空熔融縮聚法制備了PSA-PEG共聚物。通過(guò)癸二酸(SA) 預聚物與PEG在高真空條件下熔融縮聚制備PSA-PEG共聚物，改變PEG的分子量，制備出一系列分子量不同的PSA-PEG共聚物。通過(guò)改進(jìn)實(shí)驗方法，制備出了分子量相對較高的PSA-PEG共聚物。2實(shí)驗部分2.1原料與試劑癸二酸(AR,天津市大茂化學(xué)試劑廠(chǎng))用無(wú)水乙醇重結晶3次，乙酸酐(AR, 天津市化學(xué)試劑- -廠(chǎng))用分子篩精制，PEG (AR,天津市博迪化工有限公司)，甲苯(天津大學(xué)科威公司)、二氯甲烷(天津大學(xué)科威公司)、石油醚(天津大學(xué)科威公司)用氫化鈣精制，其它未作說(shuō)明的試劑不經(jīng)過(guò)進(jìn)一步 處理而直接使用。2.2癸二酸(SA)預聚物的制備SA預聚物采用SA在乙酸酐中加熱回流的方法制備[12]。稱(chēng)取5g SA,加入到50mL乙酸酐中，氮氣保護下加熱至140C, 回流20min.反應結束后，旋轉蒸發(fā)除去反應生成的小分子產(chǎn)物乙酸和未反應完的乙酸酐。旋蒸剩下的產(chǎn)物用甲苯重結晶，并用石油醚洗滌多次，減壓過(guò)濾，產(chǎn)品在50"C下真空干燥。140PC 。iiH0-C- fCH)-C-0H + HzC-C-0 C CH3 N.保護HsC-C- 0+C-+CH2-C- -0FC-CH3 + Hgc-C-0HFig.1 Preparation of SA Pre-polymer2.3聚癸 二酸酐(PSA) 的制備中國煤化工PSA的制備采用高真空熔融縮聚法12]。取適量.MYHCNMHG的圓底燒瓶中，在攪拌下加熱至180C,待固體粉末全部熔融后開(kāi)始抽真空，保持真空度為4kpa反應●248●Ion Exchange and Adsorption2008年6月90min.反應產(chǎn)物用適量二氯甲烷溶解,用大量的石油醚(石油醚與二氯甲烷體積比為10:1)沉淀，減壓過(guò)濾，得到的產(chǎn)品用石油醚浸泡數小時(shí)，再次減壓過(guò)濾，產(chǎn)品在真空條件下干燥24h。高真空m HgC-CHy180C00m H3C-iofitCH)c-0)C- CH3+H2C-C-CH3Fig.2 Preparation of Poly(sebacic anhydride)2.4聚癸 二酸酐聚乙二醇(PSA-PEG) 共聚物的制備PSA-PEG共聚物采用高真空條件下SA預聚物與PEG熔融縮聚的方法來(lái)制備1)。SA預聚物與PEG的投料比為2:1,反應溫度為175C，具體步驟同于2.3中PSA的制備。0hoft+CH2+C- C-CH3 +HO+CH2-CH2 0)H→mpCH2- -CH2- O)+C+CH2+C OyM175CFig. 3 Preparation of Poly(sebacic anhydride co ethylene glycol)固定SA預聚物與PEG的比例(2:1),改變PEG的分子量,制備出了PSA-PEG 2000、PSA-PEG 4000、PSA-PEG 6000、PSA-PEG 8000-系列共聚物。2.5二次縮 聚法制備PSA-PEG共聚物將已經(jīng)制備出來(lái)的分子量相對較低的PSA經(jīng)二氯甲烷溶解，石油醚沉淀提純(3 次)后與PEG 6000在真空條件下二次熔融縮聚，用以制備分子量相對較高的PSA-PEG 6000共聚物。具體操作過(guò)程如下:稱(chēng)取適量PSA與PEG 6000置于帶有支管的圓底燒瓶中，磁力攪拌下加熱至180"C, 待固體粉末全部熔融后開(kāi)始抽真空，保持真空度為4kpa 反應90min。反應產(chǎn)物用適量二氯甲烷溶解，用大量的石油醚(石油醚與二氯甲烷體積比為10: 1)沉淀，得到的產(chǎn)品用石油醚浸泡數小時(shí)，再次減壓過(guò)濾，產(chǎn)品在直空條件下干燥24h.中國煤化工2.6聚合物表征PYHCNMHGFT-IR分析:千燥的聚合物粉末用KBr壓片，用BIO-RAD 3000型(美國)紅外光譜第24卷第3期離子交換與吸附●249.儀測定。凝膠滲透色譜(GPC);采用GPC-MwA聯(lián)用(BI-MwA/PEEK)，流動(dòng)相為四氫呋喃，聚苯乙烯作為內標，在35'C下測定聚合物分子量及分子量分布。2.7聚合物性質(zhì)測定熔程:聚合物的熔程通過(guò)YRT-3型熔點(diǎn)儀測定，升溫速率為1.5C/min。降解性能:聚合物的降解采用失重法，將裝有100mg預先制備好的聚合物膜的透析袋(截留分子量為14000)置于250mL pH=7.4的磷酸鹽緩沖溶液中，在37"C的恒溫水浴振蕩器中以100r/min 的速度振蕩，每隔-段時(shí)間取出， 干燥，稱(chēng)重，以剩余比重率對降解時(shí)間作降解曲線(xiàn)。3結果與討論3.1 FT-IR表征Fig.4中A、B、C分別為PEG 6000、PSA、PSA-PEG 6000共聚物的紅外譜圖。PSA的FT-IR譜圖中處于1813cm'和1742cm:'處的兩個(gè)強而尖銳的譜帶分別為酐鍵中C=0的反對稱(chēng)伸縮振動(dòng)和對稱(chēng)伸縮振動(dòng)的吸收帶。PSA-PEG6000共聚物的FT-IR譜圖中在1811cm'1和1742cm'處的譜帶為酐鍵中C=0的吸收帶，位于961cm'和1101cm:' 處的譜帶為共聚物中PEG的醚鍵(C-0)的對稱(chēng)伸縮振動(dòng)和反對稱(chēng)收縮振動(dòng)的吸收帶。pM"Bn m61i742Amin rm照YOmy17424000300020001000Fig.4 FT-IR Spectrum of PolymersFig.5 FT-IR Spectrum of PSA-PEG 6000除了采用SA預聚物與PEG在高真空條件下熔中國煤化工3G共聚物之外，本文還采用已制備出來(lái)的PSA與PEG 6000在真:MYHCNMHG出PSA-PEG6000共聚物。Fig. 5中A、B分別為兩種不同方法制備的PSA-PEG 6000共聚物的紅外譜Ion Exchange and Adsorption2008年6月圖，兩種產(chǎn)物的FTIR譜圖幾乎完全相同。3.2聚合物分子量及 分子量分布PSA、PSA-PEG共聚物的分子量以及分子量分布(PDI) 如表1所示。由表1可以看出，雖然聚合物的分子量并不是很高，但PDI值較小，說(shuō)明分子量分布比較均勻，可能是因為此反應副產(chǎn)物較少，而且反應得到的小分子產(chǎn)物在高真空條件下比較容易除去的緣故。為了進(jìn)一步提高共聚物分子量，我們采取將聚合得到的聚酸酐提純后再與PEG進(jìn)行二次共聚，結果發(fā)現，所制備的共聚物的分子量確實(shí)有了較大的提高，如: PSA-PEG 6000的Mn由原來(lái)的7291增加到12281.Table 1 Molecular Weights and PDI of PSA and PSA-CO-PEGSampleMnMwPDIPSA179818701.04PSA-PEG 2000345936271.05PSA-PEG 4000727878181.07PSA-PEG 6000729186041.18PSA-PEG 80001199212477PSA-PEG 6000*1228137131.12PSA-PEG 6000* was synthesized by PSA oligomer and PEG 6000 copolymerization3.3 PSA、 PSA-PEG 共聚物熔程的測定作為藥物載體，有必要測定共聚物熔程，從而更好地進(jìn)行載藥和釋藥。通過(guò)聚合物的熔程測定可以粗略進(jìn)行聚合物鑒定。表2顯示了不同聚合物的熔程結果,所測定的PSA熔程與文獻報道值基本上-致,在82"C~84'C之間。而PSA-PEG共聚物的熔程卻有一定程度的降低，這是由于PEG熔點(diǎn)較低所致。通過(guò)FT-IR、GPC以及熔程的測定結果可以證明本文成功的制備了- -系列PSA-PEG共聚物。Table 2 Melting Points of Synthesized PolymersMeling points (C)82.4-84.6PSA- -PEG 200079.0-81.8PSA- PEG 400081.5-84.2PSA- -PEG 600081.6~84.4PSA- -PEG 800081 8~844中國煤化工3.4 PSA、 PSA-PEG 共聚物的溶解度的測定TYHCNMHG本文測定了PSA以及PSA-PEG共聚物在不同溶劑中的溶解性能，并進(jìn)行了比較，發(fā)第24卷第3期離子交換與吸附●251●現PEG的引入使得PSA在水、乙醇、四氫呋喃中的溶解度都有所增加。如表3所示。Table 3 Solubility of PSA and PSA-cO-PEGSolubility (mg/mL)SampleMnH2OC2HsOHCHClTHFPSA17980.0300.342061.60PSA-PEG 200034590.0711.2025044.6PSA-PEG 400072780.0781.402268.60PSA-PEG 600072910.08621012.0PSA-PEG 8000119920.0771.306.50PSA-PEG 6000*122810.0370.309.808.70PSA-PEG 6000* was synthesized by polymerization of PSA oligomer and PEG 6000溶解度測定的結果說(shuō)明了PEG的引入，可有效地增加共聚物在極性溶劑中的溶解度。在水中的溶解度可以提高近2倍，但溶解度卻隨著(zhù)共聚物分子量的增加而減小，如:PSA-PEG 6000的M.為7291時(shí)，溶解度為0.086mg/mL,而Mn為12281 時(shí)，溶解度為0.037mg/mL。這主要是由于PSA聚合度增加了，從而導致了共聚物疏水性增強，降低了在水中的溶解度。3.5 PSA、PSA-PEG共聚物降解速率的測定100 |●PSAPSA、PSA-PEG共聚物的降解速率通過(guò)失重. PSA-PEG6000法在37'C的PBS中測定，如圖6所示。由圖680▲PSA-PEG2000可以看出，PSA降解速率比較緩慢，而PEG的.王60引入則加快了它的降解。特別是剛開(kāi)始降解的階40段，PSA-PEG 6000與PSA-PEG 2000降解速率20要遠遠大于PSA的降解速率，而隨著(zhù)時(shí)間的延0長(cháng)，三者的降解速率趨于平衡。分析原因如下:5070PSA的降解只有酐鍵的降解，而PSA-PEG共聚t(I)物的降解則既有酐鍵的降解又有酯鍵的降解。在Fig.6 Degradation Rate of PSA and降解初期，PEG的親水性使PSA-PEG共聚物中PSA-CO-PEG的酐鍵能更好的與水接觸,因此共聚物中的酐鍵比PSA中的酐鍵降解得快。但由于酯鍵降解速率比酐鍵要慢得多，因此隨著(zhù)降解的進(jìn)行，酯鍵緩慢的降解速率則抵消了PEG的親水性加快降解速率的作用，使PSA、PSA-PEG6000、PSA-PEG 2000 三者的降解速率趨于平衡。州“中國煤化工肇解曲線(xiàn)接近線(xiàn)性，呈現較為平穩的降解性能，這主要與它的溶JY8cNMH2能從表面一層一層(layer by layer)侵入，從而導致降解產(chǎn)生。而PSA-PEG共聚物則由于PEG的親水●252●Ion Exchange and Adsorption2008年6月性，使水分子很容易進(jìn)入共聚物內部而導致最初降解速度較快。3.6 PSA-PEG 共聚物包載水難溶性藥物時(shí)可能形成的膠束結構預測通過(guò)高真空熔融縮聚法所制備的PSA-PEG共聚物有4種結構，它們分別是PSA-PEG二嵌段共聚物、PSA-PEG-PSA三嵌段共聚物、PEG-PSA-PEG三嵌段共聚物以及PEG-PSA無(wú)規共聚物。當采用前3種共聚物作為難溶性藥物的載體時(shí)，可能會(huì )形成3種不同的膠束結構，如圖7所示。PSA-PEG二嵌段共聚物形成膠束的原理類(lèi)似于表面活性劑形成膠束(micelles)的原理。在水溶液中，PSA與疏水性藥物通過(guò)疏水相互作用凝聚成內核，而親水性的PEG則分布在膠束表面朝向水相。對于PSA-PEG-PSA或者PEG-PSA-PEG三嵌段共聚物則如圖b、c所示。PSA鏈段由于疏水相互作用將難溶藥物包裹形成疏水內核，而親水鏈段PEG則分布在表面朝向水相。此類(lèi)可生物降解共聚物載體有望提高難溶藥物的溶解性及控制釋放作用。PSA-PEG共聚物對水難溶性藥物的載藥及釋藥機制的研究正在進(jìn)行中。?Fig. 7 Proposed Micelles Structure Formed by PSA-cO-PEG and Drug Loading Solid CirclesDenote Hydrophilic PEG, Lines Denote Hydrophobic PSA, Solid CirclesDenote Pooly Water-soluble Drugs: (由) micelles structure formed by PSA-PEG block copolymer, (b) micelles structureformed by PEG-PSA _PEG tri-block polymer; (C) micelles structure formed by PSA-PEG-PSA tri-block polymer4結論本文采用高真空熔融縮聚法制備了PSA、PSA-PEG共聚物，并通過(guò)改變PEG的分子量，制備出了一系列性質(zhì)不同的PSA-PEG共聚物。通過(guò)對文獻中實(shí)驗方法的改進(jìn)，采用PSA與PEG 6000在真空條件下二次熔融縮聚的方法,制備出了分子量相對較高的共聚物。IR證實(shí)了PSA中酐鍵的存在和PSA-PEG共聚物中酐鍵和醚鍵的存在.GPC測定結果表明，通過(guò)改進(jìn)的方法可以制備較高分子量的共聚物(M。 為12281), 而且所制備的共聚物具有分布窄的特點(diǎn)(PDI 平均值為1.10)。 共聚物的熔程波中國煤化工明聚合物具有較規整的結構和純度。共聚物在不同溶劑中溶解性MYHCNMHG聚物在水中、乙醇中、四氫呋喃中的溶解度都要比單純PSA大。通過(guò)失重法測定了PSA、PSA-PEG 6000第24卷第3期離子交換與吸附●253●和PSA-PEG 2000的降解性能，實(shí)驗證明，PEG的引入大大加快了PSA的降解速率。參考文獻[1] Kumar N., Langer R. 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