（材料物理与化学专业论文）可生物降解酸度敏感聚合物的合成及作为药物控释载体的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 肿瘤组织、炎症、心肌缺血或胃肠系统中都可能伴随有p h 值降低的现象。 近年来，合成及天然的含有弱酸或弱碱基团的聚合物已经被用于药物的酸度敏 感性控制释放系统。目前主要是依赖弱酸( 羧基) 或弱碱( 氨基) 基团的离子 化或质子化等手段实现酸度敏感性。此外，一些含有酸性条件不稳定基团( 缩 醛、腙基) 的聚合物也可作为酸度敏感聚合物，在中性条件下是稳定的，但在 酸性条件下酸度敏感基团或链段发生断裂并将药物释放出来，但目前此类聚合 物主链均是非降解的。 静电纺丝是一项制备纳米或微米长纤维的技术，制备的纤维膜具有比较大 的孔隙率和比表面积。电纺纤维可以实现药物的局部释放，可以作为一种潜在 的植入型药物释放载体和医疗器械的功能性涂层，但是目前未有静电纺丝制备 酸度敏感聚合物纤维膜的报道，这种酸度敏感聚合物纤维膜具有纤维的一般特 性，同时又具有对局部环境响应的能力。 本课题旨在研究一种新型的含有原酸酯基团的可生物降解酸度敏感聚合 物。首先合成双环原酸酯的原料3 , 9 二亚甲基2 ，4 ，8 ，1 0 四氧螺【5 5 】十一烷 ( d m l r i7 ) ，通过f t i r 、1 h n m r 等验证了d m t u 的结构。通过d m t u 与1 ，1 0 癸二醇和分子量为2 0 0 的聚乙二醇( p e g 2 0 0 ) 反应分别得到酸度敏感链段p o e o ( 含1 ，1 0 癸二醇片段的原酸酯) 和p o e p ( 含p e g 2 0 0 片段的原酸酯) 。f r i r 、 g p c 和1 h n m r 等验证了聚原酸酯链段的结构，结果表明d m t u 与1 ，1 0 - 癸二 醇和p e g 2 0 0 均发生了较完全的反应，反应产物中未发现有反应物的残留。通 过变温f t i r 考察得到p o e d 和p o e p 在1 4 0 c 下均具有良好的稳定性。采用用 p o e d 和p o e p 与d ，l 丙交酯( d ，i ，l a ) 进行熔融开环聚合，得到三嵌段的可生 物降解的酸度敏感聚合物p l a o e d ( 含1 ，1 0 癸二醇片段) 和p l a o e p ( 含p e g 2 0 0 片段) ，f t i r 和1 h n m r 等验证了聚合物的结构，g p c 结果显示聚合物中没有 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 反应物的残留。 以对乙酰氨基酚为模型药物，采用静电纺丝法制备载药聚合物纤维膜。s e m 观察表明聚合物纤维膜多孔，纤维无规排列，形貌规整。聚合物载药纤维膜表 面无药物晶体，表明药物较好地分散在纤维中，实际载药量与理论载药量( 2 o 叭) 接近。以聚( d ，l - 丙交酯) ( p d l l a ) 为对照，研究了纤维在不同酸性条 件下的体外降解和药物释放行为。结果表明在酸性缓冲溶液条件下，载药酸度 敏感聚合物纤维的药物释放量显著增加，含有亲水链段p e g 的酸度敏感聚合物 p l a o e p 载药纤维的药物突释量和持续释放率较高。酸度敏感聚合物载药纤维 在中性缓冲溶液是比较稳定的，但是在酸性环境下，基体聚合物分子量减少量、 纤维的质量损失和形貌变化更加显著。 关键词：酸度敏感聚合物；生物可降解；电纺纤维；原酸酯：药物控制释放 西南交通大学硕士研究生学位论文第m 页 a b s t r a c t ad e c r e a s ei nl o c a lp ho f t e na c c o m p a n i e st u m o rg r o w t h ，i n f l a m m a t i o n ，a n d m y o c a r d i a li s c h e m i ao ri nt h eg a s t r o i n t e s t i n a ls y s t e m s y n t h e t i co rn a t u r a lp o l y m e r s c o n t a i n i n gw e a k l ya c i d i co rb a s i cg r o u p s h a v eb e e nu s e da st h e p h - s e n s i t i v e c o n t r o l l e dr e l e a s es y s t e m sf o rd r u gd e l i v e r y a n dt h er e p o r t e dp h - s e n s i t i v i t yi sb a s e d o nt h ei o n i z a t i o no rp r o t o n a t i o no fw e a k l ya c i d i c ( c u r b o x y l ) o rb a s i c ( a m i n o ) g r o u p s a n o t h e rs t r a t e g yi st oi n c l u d ep h - l a b i l el i n k a g e ( s u c ha sa c e t a la n dh y d y n eg r o u p ) i n t h ef o r m u l a t i o nm a t r i c e s ，w h i c ha r ed i s r u p t e du n d e ra c i de n v i r o n m e n tr e s u l t i n gd r u g d e l i v e r ya n ds t a b l ei nn e u t r a lc i r c u m s t a n c e b u tt h e s ep o l y m e r sc o n t a i no n eo rm o r e n o n d e g r a d a b l ec h a i n s e l e c t r o s i n n i n gi sat e c h n o l o g yf o rp r e p a r a t i o nl o n gn a n o - o rm i c r o f i b e r s t h e p o r o u ss t r u c t u r eo ff i b r o u sm a tl e dt oh i g hp o r o s i t ya n dl a r g es u r f a c ea e r a t h el o c a l d e l i v e r ya n d c o n t r o l l a b l er e l e a s e p r o f i l e s m a k ee l e c t r o s p u nu l t r a f r e ef i b e r sa s p o t e n t i a li m p l a n t a b l ed r u gc a r r i e r sa n df u n c t i o n a lc o a t i n g so f m e d i c a ld e v i c e s t h e r e a r ef e wa t t e m p t st of o r ma c i d - l a b i l ee l e c t r o s p u nf i b e r s ，w h o s er e l e a s eb e h a v i o r s r e s p o n dt ot h el o c a le n v i r o n m e n ta n df i b e rc h a r a c t e r i s t i c s i nt h ec u r r e n ts t u d y ，an o v e ls t r a t e g yw a sp r e s e n t e dt os y n t h e s i sb i o d e g r a d a b l e p h s e n s i t i v ep o l y m e r sc o n t a i n i n g o r t h oe s t e r g r o u p s f i r s t l y ， 3 , 9 d i m e t h y l e n e 一2 ，4 ，8 ，1 0 - t e t r a o x a s p i r o 【5 5 】u n d e c a n e ( d m t u ) ，o n e o ft h e i m p o r t a n tc o m p o n e n t so fp o l y ( o l r t h oe s t e r ) ，w a ss y n t h e s i z e da n dc h a n r a c t e r i z e db y f t i ra n d1 h - n m r t h ea c i d l a b i l e s e g m e n t s ，s u c h a s p o e d ( c o n t a i n i n g 1 ，1 0 一d e c a n e d i 0 1 ) a n dp o e p ( c o n t a i n i n gp e g 2 0 0 ) w e r es y n t h e s i z e dt h r o u g hr e a c t i n g d m t uw i t h1 ，1 0 - d e c a n e d i o la n dp o l y ( e t h y l e n eg l y c 0 1 ) f f i r ，g p ca n d1 h n m r c o n f i r m e dt h er e a c t i o nb e t w e e nd m t ua n d1 ，1 0 d e c a n e d i o lo rp e g 2 0 0w i t h o u t r e s i d u a ld m t ua n dd i 0 1 i no r d e rt om a k es u r et h et h e r m o s t a b i l i t yo fp o e da n d p o e pd u r i n gt h ep o l y m e r i z a t i o ns t e p ，f t i rs p e c t r aw e r ec o l l e c t e du n d e re l e v a t e d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 v 页 t e m p e r a t u r e ss h o w i n gt h a tp o e da n dp o e pw e r es t a b i l i t yu n d e r1 4 0 c t h ef u r t h e r c o p o l y m e r i z a t i o no fd ，i 广l a ( d ，l - l a c t i d e ) w i t hp o e da n dp o e pw a sc o n d u c t e d u n d e r1 4 0 ct oo b t a i nt r i b l o c kc o p o l y m e r so fp l a o e d ( c o n t a i n i n g1 ，1 0 d e c a n e d i 0 1 ) a n dp l a o e p ( c o n t a i n i n gp e g 2 0 0 ) f t i ra n d1 h - n m rr e s u l t sc o n f i r m e dt h e s t r u c t u r eo fp l a o e da n dp l a o e p g p ca n a l y s i si n d i c a t e dt h a to n l yo n ep e a kw a s s h o w ni nt h ee o l p o l y m e ra n dn or e s i d u a lr e a c t a n t b i o d e g r a d a b l ep h - s e n s i t i v ep o l y m e r so fp l a o e d a n dp l a o e pw e r ee l e c t r o s p u n w i t ht h ee n c a p s u l a t i o no fp a r a c e t a m o la sam o d e ld r u g a ss h o w ni nt h es e m m o r p h o l o g i e so fd e e t r o s p u nf i b r o u sm a t s ，f i b r o u sm a tp o s s e s s e dt h ec o m l n o n f e a t u r e o fb e i n gr o u n d - s h a p e d ，r a n d o m l ya r r a y e d , a n dv e r yp o r o u s t h e r en od r u gc r y s t a l s w e r ed e t e c t e do ns u r f a c e so ft h es m o o t hf i b e r , i n d i c a t i n gt h a tt h ed r u gw a sf i n e l y i n c o r p o r a t e di n t ot h ee l e c t r o s p u nf i b e r s l o a d e da m o u n t s o fp a r a c e t a m o lo f1 9 6 _ + 0 2 ，1 9 4 0 2 a n d1 9 5 o 3 w c r cc l o s et ot h et h e o r e t i cv a l u e s ( 2 0 ，w w ) f o ra l l t h ef i b e rs a m p l e s p d l l au s e da sar e f e r e n c es u b s t a n c e ，i nv i t r od e g r a d a b l ea n dd r u gd e l i v e r y b e h a v i o ro ff i b e r sw e r ed i s c u s s e di nd i f f e r e n tp hb u f f e rs o l u t i o n i nv i t r or e l e a s e s t u d ys h o w e dt h a tt h et o t a la m o u n to fd r u gr e l e a s e df r o mp h s e n s i t i v ep o l y m e r i c f i b e r sw a sa c c e l e r a t e da f t e ri n c u b a t i o ni n t oa c i db u f f e rs o l u t i o n s ，a n dt h ea m o u n to f i n i t i a lb u r s tr e l e a s ea n ds u s t a i n e dr e l e a s er a t ew e r es i g n i f i c a n t l yh i g h e rf o rm a t r i x p o l y m e r sw i t hh y d r o p h i l i ca c i d l a b i l es e g m e n t s i nv i t r od e g r a d a t i o ns t u d yi n d i c a t e d t h a tt h e e l e c t r o s p u nf i b e r sc o n t a i n i n ga c i d - l a b i l es e g m e n t sw e r es t a b l e i nn e u t r a l b u f f e rs o l u t i o n ，b u tt h em o l e c u l a rw e i g h tr e d u c t i o no fm a t r i xp o l y m e r s ，t h e m o r p h o l o g i c a lc h a n g e sa n dm a s sl o s so ff i b r o u sm a t sw e r es i g n i f i c a n t l ye n h a n c e d u n d e ra c i dc i r c u m s t a n c e s k e y w o r d s ：a c i d l a b i l ep o l y m e r ；b i o d e g r a d a b l eb a c k b o n e ；e l e c t r o s p u nf i b e r ；o r t h o 西南交通大学硕士研究生学位论文第v 页 e s t e rg r o u p ；c o n t r o l l e dd r u gr e l e a s e 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密- ，在五年解密后适用本授权书； 2 不保密函使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：弃p 码玻指导老师签名： 日期：2 0 0 8 - 0 6 0 7 j 日期。 。 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 、以原酸酯为酸度敏感基团，分别与聚乙二醇和1 ，1 0 癸二醇反应得到酸 度敏感链段，进而与丙交酯共聚得到生物可降解酸度敏感聚合物，而目前酸度 敏感聚合物是将酸性敏感基团连接在非生物降解聚合物的主链或侧链上； 2 、采用静电纺丝法制备生物可降解的酸度敏感聚合物载药纤维，结合聚合 物的酸度敏感性与纤维的高比表面积等优点，可以作为一种潜在的植入型药物 释放载体和医疗器械的功能性涂层； 3 、聚合物载药纤维的降解和释放结果表明，酸度敏感聚合物纤维具有良好 的生物可降解性和酸度敏感特性，基质聚合物降解和药物释放行为与聚合物的 酸度敏感链段和释放介质相关。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 研究背景 近年来，药物控释系统的研究和临床应用取得了长足的进步，目前的研究 热点主要是生物活性药物在特定的器官、组织、细胞中特定位置发挥作用。局 部给药具有许多潜在的优势，如可减少全身给药所带来的副作用，可减少药物 的使用剂量和数量，以及可维持药物在局部位置的合理剂量等i 。药物控释系 统的一个挑战就是靶向控制释放，根据其机理可以分为被动的和主动的。被动 靶向通常是利用病灶部位与正常组织的脉管系统、p h 、温度差异的特点，而主 动靶向是对药物载体表面进行特定的配体受体的化学修饰【2 】。药物控释系统的 的另一个挑战是药物释放行为，这对治疗的成功与否也起到了非常重要的作用。 预程序式和脉冲式的药物释放特性通常依赖于最初药物释放系统的设计【3 1 ，而 药物释放速率可随着p h 和温度等病理条件的改变而变化，将是一研究热点。 肿瘤组织 4 1 、炎症【5 1 、心肌缺血【6 】或在胃肠系统q a l 5 1 都可能伴随有p h 值降 低的现象。合成及天然的含有弱酸或弱碱基团的聚合物已经被用于药物的酸度 敏感控制释放系统【刀，这主要是通过离子或质子化作用来使得表面带有一定的 电荷【羽。另一种方法就是利用含有酸度敏感基团的聚合物缓释剂型，药物载体 材料在酸性条件下发生显著变化从而将药物释放出来。g u o 等制备含有原酸酯 基团的酸度敏感脂质体，可以作为低p h 下的靶向药物控释载体1 9 。类似地，利 用含有缩醛基团的嵌段聚合物制备包裹阿霉素的微胶束，在酸性环境下，如： 肿瘤组织和细胞内吞过程中形成的内涵体和溶酶体，阿霉素将从微胶束中释放 出来1 1 0 l 。 1 2酸度敏感聚合物 为了提高药物在肿瘤和炎症等酸性部位的有效释放率，促进预防及治疗用 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 生物大分子药物的亚细胞传递，研究者合成了基于不同敏感机制的酸度敏感聚 合物，并用于制备不同的药物剂型。这类酸度敏感聚合物主要有：阴离子聚合 物、阳离子聚合物、含缩醛基团的聚合物、含原酸酯基的聚合物、含腙基的聚 合物。 1 2 1阴离子聚合物 阴离子聚合物主要是聚丙烯酸类，在中性条件下该聚合物为伸展的亲水状 态，在低p h 下聚合物变成疏水球状构象f 1 1 】，呈现出较好的酸度敏感特性。l i n 等采用热引发聚合制备含有羧基和氨基的酸度敏感聚合物用于荧光免疫测定， 聚合物通过羧基和氨基的离子化( 质子化) 实现具有酸度响应的相转变。在p s 5 6 附近，聚合物发生明显的转变，更适合作为免疫测定的载体【1 2 1 。e 1 s a y c d 等 合成了聚丙烯酸类酸度敏感聚合物，在生理学p h 下具有亲水的结构，但是在酸 的刺激下，变成疏水的膜破坏性的状态【1 3 1 。k y r i a k i d e s 等通过红细胞溶血实验研 究发现：对于磷脂双分子层，聚丙基丙烯酸( p p a a ) 在p h6 5 下具有膜破坏 性，而在p h7 4 不具有膜破坏性。在内涵体中将产生膜破坏作用，破坏内涵体 的膜，p p a a 载药后可将药物释放到细胞质。同时细胞实验表明，聚合物可以 提高d n a 类药物在体内的功效【1 4 1 。聚丙烯酸类载体具有良好的生物相容性， 但在体内不易降解，且长时间在体内过多的积累容易引起毒性，这种非生物降 解性限制了它的应用。 1 2 2 阳离子聚合物 聚乙烯亚胺( p e i ) 是阳离子聚合物的典型代表，其作用原理是：在酸性条 件下作为质子海绵，吸入大量的质子，伴随着质子大量的阴离子( 氯离子) 进 入到内涵体( 或溶酶体) 中，离子浓度增大导致渗透压增高，从而破坏内涵体 ( 或溶酶体) 膜，将药物释放到细胞质中【1 5 1 。r o u x 等研究发现含有疏水烷基链 的聚( n 异丙基丙烯酰胺) ( p n i p a m ) 包裹脂质体可以使脂质体具有酸度敏 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 感性，通过体外j 7 7 4 巨噬细胞培养发现：聚合物和脂质体的复合物可以提高阿 糖胞苷( a r a c ) 的细胞毒性。含有酸度敏感聚合物p n i p a m 的脂质体可以增加 a r a c 的体外利用效率【1 6 1 。 1 2 3含缩醛基团的聚合物 用醛基与羟基反应生成缩醛基团是有机化学中保护醛基的有效手段，反应 结束后，使缩醛在酸性条件下重新水解生成醛基。含缩醛基团聚合物主要是利 用在中性条件下缩醛基团是比较稳定的，但是在酸性条件下缩醛基团易发生断 裂。m u r t h y 等利用含有苯甲醛片段的小分子与醇反应得到含有酸度敏感的缩醛 基团的聚合物，又称“加密聚合物”。该加密聚合物利用缩醛基团将亲水的聚乙 二醇( p e g ) 引入到疏水聚合物主链上，在p h7 4 时缩醛基团是稳定的，疏水 聚合物被亲水的p e g 掩盖起来，但是在酸性环境下，缩醛基团断裂，疏水聚合 物失去p e g 保护，内部疏水聚合物的结构呈现出来1 1 7 1 8 1 。g i l l i e s 和f r 6 c h e t 合 成了含有缩醛基团的树枝状聚合物，该聚合物在水中自组装为微胶束，缩醛基 团处于微胶束的外围。在中性条件下微胶束是相对稳定的，但酸性条件下缩醛 基团断裂，失去外层缩醛基团保护的微胶束将内部亲水部分显露出来，导致微 胶束不稳定而将包裹的药物释放出来【埘。 缩醛基团有着良好的酸度敏感性，目前研究的含有缩醛基团的酸度敏感聚 合物载体均是利用缩醛基团连接非生物可降解或难于生物降解的聚合物，由于 该类聚合物在体内的蓄积性限制它的一些应用。 1 2 4 含腙基的聚合物 腙基是由酰肼与羰基反应得到，目前报道的用于药物释放的含腙基的酸度 敏感聚合物主要是利用含有酰肼基的聚合物与药物阿霉素的羰基之间进行反应 得到。腙基团在生理学条件下( p h7 4 ) 是稳定的，但在酸性环境下，聚合物和 药物之间的腙基断裂将药物释放出来。y o o 等将聚l 4 l 酸单甲基聚乙二醇双嵌 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 段共聚物通过化学改性得到含有酰肼基团的聚合物，与阿霉素进一步反应得到 腙基的连接物，该含药的聚合物在水中自组装形成微胶束1 1 9 】。药物在不同的p h 下的释放结果表明，在酸性条件下，腙基容易断裂，将药物阿霉素释放出来。 与纯粹的阿霉素药物相比，通过腙基与聚合物相连的阿霉素具有更高的生物利 用度，是一种潜在的肿瘤化疗药物制剂，同时具有较低的细胞毒性。b a e 等利 用腙基连接聚天氡氨酸和阿霉素，得到含有腙基的两亲聚合物。聚合物自组装 成微胶束的药物释放实验表明微胶束具出明显的酸度依赖性【刎。 腙基是一种有效的酸度敏感基团，含有腙基的聚合物可以作为一种有效的 酸度敏感释药载体。但是由于腙基只能由特定药物和含有酰肼的聚合物之间反 应得到，因此适用的药物有限。 1 2 5 含原酸酯基的聚合物 目前文献报道的聚原酸酯主要有四类1 2 1 】，包括单环的和双环的结构，研究 较多的是聚合物中含有自催化聚乳酸片段的双环原酸酯1 2 2 1 。g u o 等利用双环聚 原酸酯将聚乙二醇和二硬脂酸甘油酯连接起来得到p o d 9 。薄层色谱检测发现， 原酸酯基团在中性条件下可以稳定3h 以上，但在p h5 0 时，原酸酯基团在1h 内完全断裂。将p o d 和磷脂酰乙醇胺( d o p e ) 按1 ：9 混合制备脂质体，在酸 性环境下( p h5 5 ) 脂质体在3 0m i n 内发生聚集，并释放大部分包裹物。 1 3聚原酸酯 聚原酸酯( p o l y ( o r t h oe s t e r ) ，p o e ) 是一种人工合成的生物可降解高分子材 料。在生物体内的降解是由原酸酯基团的水解反应引起的，降解最终产物为水 溶性的小分子，容易被生物体所代谢嘲。疏水性的原酸酯如果在制作成基材的 过程中密度均一且不存在空隙，那么因表面张力的作用，水分子就不易进入基 材内部，降解过程主要发生在材料表面，称为“表面溶蚀”【2 4 1 ，如图1 - 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 图1 - 1p o e 表面溶蚀过程 1 3 1 聚原酸酯的种类 1 、第一代聚原酸酯 俗嚏j n r 一) r 畏一c 喇) 吗一；一c 置“ - c k 一 图1 2 第一代聚原酸酯的结构 第一代聚原酸酯的典型结构如图1 2 所示，是由a z a 公司研发，c h o i 和h e l l e r 等为此申请了一系列的专利【2 5 2 9 】。但是目前这类聚原酸酯已经不被使用，主要 是由于缺乏有效控制聚合物溶蚀的手段。原酸酯基团对酸的催化是非常敏感的， 第一代聚原酸酯的水解产物t 丁内酯后迅速开环生成丫羟基丁酸，为了使聚原酸 酯稳定必须添加一种碱性赋形剂来抑制不可控的自催化水解反应。这一类固体 聚原酸酯主要用于烧伤的治疗、麻醉剂和类醇类避孕药的释放，同时也被应用 于整形外科中1 2 。 2 、第二代聚原酸酯 麟x 拣l r 一一f c h 2 ) 。r 乙一c 虻) _ c i - k 一一c h “ 图1 3 第二代聚原酸酯的结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第二代聚原酸酯的典型结构如图1 3 所示，是由斯坦福研究院研发的，是利 用二醇与双烯酮反应得到【观3 1 1 。这类聚原酸酯水解产物是中性的，因此不需要 加入碱性的赋形剂。同时是该聚合物是疏水的，降解时间比较长，为了加快药 物释放，聚合物基体中通常加入酸性赋形剂。该类聚原酸酯已被用来包裹5 氟 尿嘧啶，作为植入器械用于癌症治疗，同时也被用于制备控制胰岛素释放的载 体材料。该类聚合物包裹5 氟尿嘧啶得到聚合物微球，可通过注射给药，实现 微创治疗【3 2 1 。 3 、第三代聚原酸酯 盼跫王 r 辩一c 乜 熨一鹳心k o r 晖坞】! l 一 图1 4 第三代聚原酸酯的结构 第三代聚原酸酯的典型结构如图1 4 所示，是一种粘稠状聚合物，于十九世 纪九十年代的日内瓦大学研究成功。它是一种半固体状态的聚合物，因此不需 要使用溶剂或升高温度即可将药物包裹进来。这种聚合物可以使用一种装有内 径大于0 6 姗针头的特殊注射器直接注射到体内【矧，从而减少创伤。该聚合物 是通过三元醇与原酸酯在无水条件下反应得到的，调整三元醇与原酸酯的比例 可以得到不同分子量和玻璃化转变温度的聚原酸酯1 3 3 ，蚓。该类聚原酸酯的水解 产生一种或多种三元醇的甲酯异构体，进而酯缓慢水解生成酸和醇，因此该类 聚原酸酯不具有自催化作用【3 5 硎。利用该类聚原酸酯包裹酸性药物( 5 氟尿嘧 啶) ，药物对聚原酸酯的催化作用将加速聚合物的降解【3 8 1 。另一方面可加入碱 。 性赋形剂，如醋酸钠或氢氧化镁等，能稳定聚合物主链，延长聚合物存留时间 和药物的持续释放时间f 3 9 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 l _ x 堪小o _ x 赳 图1 5 第四代聚原酸酯的结构 第四代聚原酸酯的典型结构如图1 5 所示，是由日内瓦大学与a p 医药公司 联合开发的【2 2 ，4 0 , 4 1 1 ，也被称为自催化原酸酯。在聚合物主链中中引入聚乳酸片 断，通过乳酸片断的多少可以精确地调节原酸酯基团的降解速率【4 2 1 。聚合物的 降解首先是主链上乳酸二聚体的水解，降解产物中含有端羧基的片断催化原酸 酯基团的水解。原酸酯的水解产生二醇和季戊四醇丙酸酯，季戊四醇丙酸酯最 终水解成季戊四醇和丙酸【4 2 】。 1 4 聚合物电纺纤维 静电纺丝法是一种制备聚合物超细纤维的重要方法，与传统的方法有着明 显的不同，它将聚合物溶液或熔体带上几千至几万伏高压静电，带电的聚合物 液滴在电场力的作用下被拉伸。当电场力足够大时，聚合物液滴可克服表面张 力形成喷射细流。细流在喷射过程中溶剂蒸发或固化，最终落在接收装置上， 形成了类似无纺布状的纤维膜1 4 3 】。 1 4 1静电纺丝装置 静电纺丝基本装置主要由高压电源、贮液器、毛细喷头、接收装置、计量 泵等几个部分组成。高压电源提供高压静电，使待纺溶液和熔融物带电，并在 两极间形成高压静电场。贮液器用于盛装液体，将高压电源的一个电极与金属 喷头相接，这样在液体通过喷头时带电。接收板与另一极相接或直接接地。连 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 接在金属喷头上的电极与接收板间就形成一个静电场。计量泵的作用是将液体 压出喷头并控制出样速率。电纺装置可以有多种类型，根据接收装置分，主要 为平板式，饲和圆筒式【4 6 , 4 7 1 两种类型，另外还有三角板式、双平行板式、双环 式等等【船】。 静电纺丝的基本过程是：由高压电源( 一般为1 0 1 0 0k v ) 产生高压静电场， 聚合物溶液( 或熔体) 在高压静电场下，由于表面张力的作用在毛细管尖端形 成一个半球形的小液滴。处在电场中的小液滴表面产生感应电荷，电荷间的相 互排斥产生了一个与表面张力方向相反的力，随着电场强度的增加，小液滴就 会发生形变，变成一个锥形，通常称之为泰勒锥1 4 9 】。一旦静电压超过临界电压 时，聚合物溶液( 或熔体) 就从泰勒锥的顶端喷射出一条带电的喷流。喷流在 高度拉伸力的作用下不断伸长变细形成了超细纤维。电纺纤维在喷射过程中干 燥、固化，最终无规地落在接收装置上形成纤维膜或其它形状的纤维结构物。 整个装置如图1 6 所示：。 图1 6 电纺丝实验装置图 0 1 4 2 电纺纤维的优点 由于电纺丝技术特殊的原理与工艺，制得纤维直径一般在数十纳米到微米 之间。静电纺丝可以直接形成超细纤维膜，这些纤维膜的特点是具有很大的比 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 表面积。正是由于这样的特性，使得该纤维在过滤、组织工程、超敏感传感器 等方面具有很大的潜在应用前景【4 ”2 1 。 b o g n i t z k i 等对聚乙烯毗咯烷酮聚乳酸( p l a ) 进行了电纠5 3 1 ，得到平均直 径为1 脚的纤维。除了对高分子溶液进行电纺以外，也开展了熔融高分子的电 纺研究。l a r r o n d o 等对聚乙烯和聚丙烯熔体进行了电纺，得到了直径在0 5 。1 1 # i n 之间的超细纤维和直径在1 0 - 3 0 胛之间的粗纤维【5 4 j 。l a r r o n d o 等利用真空静 电纺丝技术得到了聚乙烯、聚丙烯、聚酯等的纳米纤维1 5 5 , 5 6 。 1 4 3静电纺丝在药物控释中的应用 电纺丝做为药物释放载体为载体材料的选择提供了很大的弹性空间，无论 是否生物可降解的材料都能用于通过扩散或支架降解控制药物释放的体系。由 于材料选择的空间比较大，采用不同的电纺丝技术可以得到不同的载药方式： 表层分布、共混、纤维包裹药物( 同轴共纺或乳液电纺) 等。 药物释放载体必须满足一些要求，使用可生物降解材料可以避免使用后的 再次手术取出。与主要依赖扩散机制调控药物释放的非生物降解材料相比，可 生物降解材料作为药物载体的释放制剂更加复杂。一般来说，药物释放需要控 制在一定的药物浓度下，使用可生物降解材料，药物可以通过扩散和材料降解 两种途径释放出来。但在某些情况下会导药物浓度过高，产生毒性。因此，使 用可生物降解材料需特别注意调控聚合物降解速率来调节药物释放行为。 c h e w 等研究了b s a 稳定的厣神经生长因子在e 己内酯和乙基磷酸乙酯共 聚物中的释放特性【5 7 1 。由于共聚物主链相对疏水，降解速度较慢，三个月内质 量减少了约7 。由于聚合物基体降解是比较缓慢，因此卢神经生长因子主要是 通过扩散来实现药物释放的。k c n a w y 等【5 8 】考察了盐酸四环素从三种不同的聚合 物( p l a 、乙酸乙烯酯与乙烯的共聚物，以及两种聚合物1 ：1 的混合物) 电纺 纤维中的释放特性。电纺溶液是药物与聚合物溶解于氯仿和甲醇的混合溶液中， 药物均匀分散在电纺纤维中，结果表明三种聚合物纤维中，p e v a 载药纤维的释 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页。 放速率最高。 电纺纤维具有较高的比表面积，可以实现高的载药量，可以满足防止腹部 粘连的隔离和药物释放要求。b o l g e n 等利用老鼠实验研究了装载抗生素的聚己 内酯( p c l ) 电纺纤维防止腹部粘连的能力。首先将溶于氯仿d m f ( 3 0 ：7 0 ) 混合溶剂中的p c l 电纺成纤维膜，然后将纤维膜放入抗生素溶液中使之表面吸 附抗生素。体外释放结果表明最初3h 内释放约8 0 的药物，1 8h 后完全释放， 这种快速的药物释放有利于治疗发生在术后几小时内的感染【5 9 1 。 z h a n g 等利用p l a 装载抗生素药物美福仙( m e f o x i n ) ，分别制备电纺纤维 膜和溶剂挥发薄膜【鲫。c u i 等使用电纺纤维作为载体，通过改变纤维直径和载 药量来控制药物的释放和聚合物纤维的降解【6 1 】。b r e w s t e r 等研究非生物降解且 非水溶性聚合物包载难溶于水的药物，用于伤口治疗，收集到不同形貌和药物 含量的电纺纤维膜显示出不同的药物释放特性1 6 2 】。 抗癌药物的靶向控制释放是药物释放领域的一个重大研究课题。电纺纤维 膜可以克服其它药物剂型( 如微胶囊、脂质体) 载药量不足的缺点。x u 掣6 3 】 将抗癌药物b c n u 和p e g - p l l a 同时溶解于氯仿中进行电纺，得到载有b c n u 的p e g p iia 纤维膜。利用带有e d x 附件的环境扫描电镜证明了药物均匀地 7 分散到相对平滑的纤维膜中，载药量分别为5w t 和3 0w t 。药物的突释量随 载药量的增加而增加。同样也检测了载有b c n u 的p e g p u a 纤维的药物释放 对老鼠神经胶质瘤c 6 细胞生长的影响，而未载药的p e g p u a 纤维对细胞生 长没有任何影响。载药纤维在7 2h 内表现出明显的抗癌活性，而自由药物在4 8 h 后已经失去了抗癌活性。因此，将药物包载到聚合物纤维中可以抑制药物分解， 保持药物活性，同时通过不同的载药量可以有效的控制药物的释放量。 药物释放体系除用于治疗某些疾病外，也可以用于生物活性剂( 蛋白、d n a ) 的控制释放。尺寸和形貌接近于细胞外基质的电纺纤维，可以促进细胞的粘附 和增殖。空间和时间可控的生物活性剂的释放可以增强支架促进细胞粘附、增 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 殖和分化的能力。j i a n g 等使用同轴共纺设备制备p c l 为壳，含有右旋糖苷的 b s a 为核的生物可降解核壳纤维i 删。可以通过调整内层溶液的比例来控制b s a 的装载量和释放率。较高的内层溶液流速可以得到较高b s a 含量的纤维，同时 可以加速b s a 的释放。壳中添加p e g 可以加快b s a 的释放。通过改变内部溶 液流速及壳中p e g 的含量可以实现b s a 的释放周期为一周到一个月。l i a n g 等 将d n a 载入到p l g a 的支架中1 6 5 1 ，质粒包载到p e l a 的三嵌段共聚物中形成 d n a 微胶柬。微胶囊和p l g a 溶解于d m f 中电纺制备含有d n a 纳米粒的p l g a 纤维。d n a 首先包裹在p e l a 中是为了防止电纺过程中的降解。体外释放结果 表明7 天后d n a 的释放量为2 0 。 1 5课题的来源、目的、研究内容及创新 1 5 1课题的来源 本课题来源于国家自然科学基金项目( 3 0 5 7 0 5 0 1 ) “可生物降解聚合物为载 体的亚细胞水平蛋白和基因传递系统 和教育部博士点基金( 2 0 0 5 0 6 1 3 0 2 5 ) “酸 度敏感聚合物为载体的亚细胞水平药物传递系统”。 1 5 2 本课题的研究意义、目的 材料的可生物降解性是材料作为药物控释载体的一个重要因素。合成及天 然的阳离子和阴离子酸度敏感聚合物已经用于药物的控制释放系统，并显示出 良好的酸度敏感性质，其酸度敏感性主要是来源于羧基和氨基的离子化或质子 化作用，但往往受到非降解或难降解性带来的限制。缩醛基团具有明显的酸度 敏感性质，但是目前文献报道的含缩醛基团的酸度敏感聚合物均是结合的非生 物降解聚合物，同时缩醛基团分解后生成醛基具有一定的毒性。腙基具有良好 的酸度敏感性质，但是对药物得结构有一定的要求，限制了它的广泛使用。因 此需要合成一种具有较好的酸度敏感性，同时又具有良好的生物可降解性的聚 合物，并作为作为药物释放载体。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 静电纺丝由于容易实施，电纺纤维膜具有相对较高的比较表面积，通过调 整纤维的直径和载药量可以控制药物释放量。同时与微胶束和脂质体相比，静 电纺丝可以制备高载药量的电纺纤维膜，是一种很具应用潜力的药物释放载体。 本课题将具有酸度敏感性质的聚原酸酯i 2 x l i 3j ) x 至4p l a 主链上形成酸度敏感 聚合物并用于药物释放载体。所选用的p l a 已通过f d a 批准用于药物载体和 植入医疗器械，具有良好的生物相容性和可降解( 溶蚀) 性、降解速度和药物 释放速度可调以及易加工成型等优异性能。合成的可生物降解聚合物载体具有 可完全生物降解、低毒等优点，药物控制释放体系中将具有广阔的应用前景， 可解决了目前大部分酸度敏感性非降解或难降解的问题。 同时利用病灶部位存在的酸度梯度，制备生物可降解的酸度敏感聚合物载 药纤维，也可以作为一种潜在的植入型药物释放载体和医疗器械的功能涂层闸， 载药纤维在生理学环境下( p h7 p 7 4 ) 相对稳定，但是在酸性环境下( p h 4 5 6 5 ) 下原酸酯基团断裂，加速聚合物的降解，药物逐渐释放出来，同时调 整聚合物载体的不同亲疏水性质，可得到满足药物释放要求的可生物降解酸度 敏感聚合物。 1 5 3 课题的研究内容 本课题研究的主要内容是生物可降解酸度敏感聚合物药物载体的合成、载 药静电纺丝纤维的制备、药物释放和载体降解行为的研究。利用3 , 9 二亚甲基 2 ，4 ，8 ，1 0 四氧螺【5 5 】十一烷( d m t u ) 与1 ，1 0 癸二醇或p e g 2 0 0 加成得到不同 亲疏水性的酸度敏感聚合物聚原酸酯链段，然后分别与d ，l l a 共聚得到可生物 降解的酸度敏感聚合物。利用合成的可生物降解酸度敏感聚合物制备载药电纺 纤维，考察聚合物纤维在不同的p h 值下的降解性能及药物释放特性。具体研究 工作分以下几个方面： 1 、d m t u 制备和表征。通过查阅参考文献，根据文献中的方法制备了 d m t u ，使用f t i r 、1 h n m r 及毛细管测熔点法等表征d m t u 及合成中间体的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 结构； 2 、d m t u 分别与1 ，1 0 癸二醇、p e g