專(zhuān)利名稱：部分可生物降解的溫度和pH敏感的水凝膠的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及賦予基于多糖的生物材料如基于右旋糖酐的生物材料溫度敏感性。
背景技術(shù)：
由光致交聯(lián)右旋糖酐-馬來(lái)酸單酯水凝膠前體生成的可生物降解的水凝膠描述在美國(guó)專(zhuān)利號(hào)6,476,204中。這些水凝膠是pH敏感的但不是溫度敏感的，即，它們的體積和結(jié)構(gòu)不會(huì)受溫度變化的影響。
溫度敏感水凝膠是已知的。在這些當(dāng)中，最受廣泛研究的是聚(N-異丙基丙烯酰胺)(PNIPAAm)水凝膠。這些水凝膠在約33℃時(shí)已經(jīng)表現(xiàn)出一個(gè)下部臨界會(huì)溶溫度(LCST)。PNIPAAm水凝膠是不能生物降解的。
發(fā)明概述現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，多糖-馬來(lái)酸單酯前體，例如右旋糖酐-馬來(lái)酸單酯前體，可以與溫度敏感水凝膠前體N-異丙基丙烯酰胺(NIPAAm)一起作為共前體，其中多糖-馬來(lái)酸單酯不僅可以作為水凝膠前體，而且可以作為交聯(lián)劑，以形成部分可生物降解的巧妙的混合水凝膠，即，隨溫度升高保水性減少以及隨pH增加溶脹比增加的部分可生物降解的水凝膠。這使得(a)當(dāng)增加到或接近體溫時(shí)，尤其是當(dāng)下部臨界會(huì)溶溫度(LCST)被體溫所超出時(shí)以及(b)當(dāng)在體內(nèi)增加水凝膠中的pH時(shí)，可以使得包埋藥物在體內(nèi)被釋放。因此，本文中這種巧妙的混合水凝膠對(duì)溫度上升的外部水平或pH增加的外部水平敏感。所述的水凝膠是部分可生物降解的，因?yàn)榧词咕?N-異丙基酰胺)鏈不是可生物降解的，但是交聚形成的多糖-馬來(lái)酸單酯是可生物降解的，這樣所述的水凝膠在體內(nèi)隨時(shí)間會(huì)分解。還發(fā)現(xiàn)，通過(guò)改變兩種類(lèi)型前體的進(jìn)料組成比例，所述混合水凝膠的釋放性質(zhì)是可控制的，可以調(diào)節(jié)LCST到在體溫或接近體溫。
在本發(fā)明的一種實(shí)施方案中，本發(fā)明涉及一種可部分生物降解的水凝膠，隨著pH改變和/或隨著溫度改變的情況下該水凝膠的形狀和體積會(huì)改變，這種水凝膠通過(guò)下面的方法制得基于右旋糖酐-馬來(lái)酸單酯和N-異丙基丙烯酰胺的總數(shù)是100％，將包含10-75％重量的右旋糖酐-馬來(lái)酸單酯和90％-25％重量的N-異丙基丙烯酰胺的組合物中的右旋糖酐-馬來(lái)酸單酯與N-異丙基丙烯酰胺進(jìn)行光致交聯(lián)。
在另一種實(shí)施方案中，本發(fā)明涉及一種水凝膠形成體系，基于右旋糖酐馬來(lái)酸單酯和N-異丙基丙烯酰胺的總數(shù)是100％，該體系包含10-75％重量的右旋糖酐-馬來(lái)酸單酯和90-25％重量的N-異丙基丙烯酰胺的一種溶液。
在此使用的術(shù)語(yǔ)“水凝膠”是指一種聚合材料，其在水中具有溶脹能力并且在它的結(jié)構(gòu)中能夠保持大量的水而不溶解。
在此使用的術(shù)語(yǔ)“可生物降解的水凝膠”是指通過(guò)交聯(lián)一種聚合物生成的水凝膠，其中該聚合物在本質(zhì)上被水和/或被酶降解。在此使用術(shù)語(yǔ)“部分可生物降解的水凝膠”，因?yàn)楸M管所述的右旋糖酐馬來(lái)酸單酯單元是可生物降解的，而所述的N-異丙基丙烯酰胺單元不是可生物降解的。
在此使用的術(shù)語(yǔ)“水凝膠前體”是指聚合物或其它組合物，其通過(guò)光致交聯(lián)在一種介質(zhì)的溶液中形成一種水凝膠。
在此使用的術(shù)語(yǔ)“光致交聯(lián)”是指引起乙烯基鍵破裂并通過(guò)使用輻射能引起交聯(lián)。
水凝膠的下部臨界會(huì)溶溫度(LCST)是吸熱的開(kāi)始溫度，在此溫度之上，水凝膠崩潰并且水凝膠的體積顯著地縮小。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明

圖1是一幅LSCT(℃)對(duì)Dex-MA與PNIPAAm重量比的圖，并表示有效實(shí)施例的結(jié)果。
圖2是一幅溶脹比對(duì)樣品名稱的圖，并表示所述有效實(shí)施例的結(jié)果。
圖3描述各種樣品的水分保持值對(duì)時(shí)間的關(guān)系，并表示所述有效圖4描述樣品的水吸收值對(duì)時(shí)間的關(guān)系，并表示所述有效實(shí)施例的結(jié)果。
圖5描述樣品的溶脹對(duì)pH的關(guān)系，并表示所述有效實(shí)施例的結(jié)果。
詳細(xì)說(shuō)明在一種實(shí)施方案中，所述水凝膠由包含20-65％重量的右旋糖酐-馬來(lái)酸單酯和80％-35％重量的N-異丙基丙烯酰胺的組合物中的右旋糖酐-馬來(lái)酸單酯(有時(shí)稱為Dex-MA)和N-異丙基丙烯酰胺通過(guò)光致交聯(lián)生成，在另一種實(shí)施方案中，所述水凝膠由包含25-40％重量的右旋糖酐-馬來(lái)酸單酯和75％-60％重量的N-異丙基丙烯酰胺的組合物中的右旋糖酐-馬來(lái)酸單酯(有時(shí)稱為Dex-MA)和N-異丙基丙烯酰胺通過(guò)光致交聯(lián)生成。
所述的N-異丙基丙烯酰胺可以容易地從商業(yè)上獲得。
所述的右旋糖酐-馬來(lái)酸單酯描述在美國(guó)專(zhuān)利號(hào)6,476,204中，其全部?jī)?nèi)容在此引入作為參考，并且所述的右旋糖酐-馬來(lái)酸單酯中的右旋糖酐的每個(gè)α-D-吡喃葡萄糖基的每個(gè)葡萄糖單體被馬來(lái)酸取代的平均取代度為0.60-1.6，并且基于右旋糖酐，所述的右旋糖酐-馬來(lái)酸單酯的重均分子量為40,000-80,000。
在此使用的術(shù)語(yǔ)“取代度”是指在右旋糖酐的α-D-吡喃葡萄糖基部分的葡萄糖單元中，與馬來(lái)酸形成酯基的羥基的數(shù)目。由于每個(gè)葡萄糖單元含有3個(gè)羥基，因此最大的取代度是3.0。平均取代度是指基于水凝膠前體分子中所有葡萄糖單元的平均取代度。
在此使用的術(shù)語(yǔ)“以右旋糖酐為基準(zhǔn)”是指所述重均分子量是指用于制備右旋糖酐-馬來(lái)酸單酯的右旋糖酐初始物質(zhì)的重均分子量，所述的右旋糖酐-馬來(lái)酸單酯用于提供右旋糖酐-馬來(lái)酸單酯的右旋糖酐部分。本文所述的重均分子量是通過(guò)凝膠滲透色譜以單分散的聚苯乙烯作為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定得到的。
在-種情況中，所述的右旋糖酐-馬來(lái)酸單酯具有0.85-0.95的平均取代度以及65,000-75,000的重均分子量。
所述的右旋糖酐-馬來(lái)酸單酯前體容易地通過(guò)右旋糖酐與馬來(lái)酐在路易斯堿催化劑存在下反應(yīng)進(jìn)行制備。
右旋糖酐與馬來(lái)酐的反應(yīng)優(yōu)選在一種偶極非質(zhì)子傳遞溶劑如N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中進(jìn)行。優(yōu)選在DMF反應(yīng)溶劑中包括LiCl以增加右旋糖酐在DMF中的溶解度。LiCl通過(guò)與DMF形成一種鹽，而增加了右旋糖酐在DMF的溶解度并由此增加了DMF的極性。
所述的路易斯堿催化劑優(yōu)選是三乙胺(TEA)。
該反應(yīng)例如可以在馬來(lái)酐與右旋糖酐的羥基的摩爾比為0.3∶1-3.0∶1，三乙胺(TEA)與馬來(lái)酐的摩爾比為0.001∶1.0-0.10∶1.0，反應(yīng)溫度在20℃-80℃以及反應(yīng)時(shí)間為1小時(shí)-20小時(shí)或更長(zhǎng)的情況下進(jìn)行。
平均取代度為0.85-0.95以及重均分子量為65,000-75,000的右旋糖酐-馬來(lái)酸單酯水凝膠前體的制備描述在美國(guó)專(zhuān)利號(hào)6,476,204的第4欄第13-29行中。通過(guò)使用LiCl/二甲基甲酰胺(50wt％)溶劑體系，用每摩爾馬來(lái)酐使用0.06摩爾三乙胺代替每摩爾馬來(lái)酐使用0.10摩爾三乙胺，以及用16小時(shí)的反應(yīng)時(shí)間代替8小時(shí)的反應(yīng)時(shí)間，獲得了改進(jìn)了的美國(guó)專(zhuān)利號(hào)6,476,204中所述方法。
現(xiàn)在，我們著手于由右旋糖酐-馬來(lái)酸單酯和N-異丙基丙烯酰胺水凝膠前體制備所述的水凝膠。可以如下進(jìn)行此制備將所述的水凝膠前體以合適重量比溶于蒸餾水中，得到上述濃度，以制備10-30％(w/v)濃度的溶液，然后向該溶液中加入例如在質(zhì)子溶劑如N-甲基吡咯烷酮、四氫呋喃、二甲基甲酰胺或二甲亞砜中的溶液中的光致引發(fā)劑如2，2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮，即DMPAP(例如，用量為2-10％(w/w)的水凝膠前體)，然后通過(guò)紫外輻照例如在室溫下進(jìn)行光致交聯(lián)5-30小時(shí)。然后，優(yōu)選將未反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)從所得水凝膠中濾掉。水凝膠的干燥優(yōu)選如下進(jìn)行將水凝膠浸漬在熱水(50℃)中2小時(shí)，獲得收縮，接著在60℃的真空烘箱中干燥部分收縮的水凝膠5-15小時(shí)，例如過(guò)夜。
本發(fā)明的水凝膠是溫度敏感的，即溫度增加會(huì)造成收縮和失水。
本發(fā)明的水凝膠是pH敏感的，即，水凝膠的溶脹比隨pH增加而增加。所用術(shù)語(yǔ)“溶脹比”的定義在美國(guó)專(zhuān)利號(hào)6,476,204中闡述。
在此所使用的水凝膠與美國(guó)專(zhuān)利號(hào)6,476,204中的水凝膠具有相同的目的。溫度和pH敏感性以及通過(guò)改變進(jìn)料組成改變那些的能力允許更多控制。
本發(fā)明水凝膠的下部臨界會(huì)溶溫度(LCST)隨右旋糖酐-馬來(lái)酸單酯水凝膠前體百分比的增加而增加。當(dāng)此處的水凝膠用于人體生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用時(shí)，它們優(yōu)選具有小于或接近(例如，在2℃內(nèi))體溫的LCST。
本發(fā)明通過(guò)實(shí)驗(yàn)，和從實(shí)驗(yàn)中獲得的結(jié)果和結(jié)論得到證實(shí)，它們都在題為“可生物降解的以及智能水凝膠的設(shè)計(jì)和合成”的文稿中闡述，其是美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?0/440,355的一部分，后者全部在此引入作為參考。
本發(fā)明通過(guò)下列實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明實(shí)施例I-V對(duì)于每一實(shí)施例，所述的右旋糖酐馬來(lái)酸單酯如下配制在90℃下，在氮?dú)庵?，?.0g重均分子量為69,800的具有5％分枝的右旋糖酐(從Sigma化學(xué)公司處獲得)溶解在LiCl/二甲基甲酰胺(50wt％)溶劑體系中。右旋糖酐明顯溶解后，將溶液冷卻至60℃，然后加入三乙胺，三乙胺加入量相當(dāng)于6mol％的馬來(lái)酐。溶液攪拌15分鐘。然后，向該溶液中緩慢地加入3.63g馬來(lái)酐。反應(yīng)在60℃和氮?dú)庵羞M(jìn)行16小時(shí)。用冷異丙醇析出反應(yīng)產(chǎn)物，過(guò)濾，用異丙醇洗滌若干次，然后在室溫下在真空烘箱中干燥。獲得0.9取代度的右旋糖酐-馬來(lái)酸水凝膠前體，即，在每個(gè)右旋糖酐葡萄糖環(huán)中，0.9羥基與蘋(píng)果酸形成酯基。
將在下表1中列出的各種重量比的右旋糖酐-馬來(lái)酸水凝膠前體(Dex-MA)和N-異丙基丙烯酰胺水凝膠前體(NIPAAm)溶于蒸餾水中，以制備20％(w/v)濃度的溶液。首先將光致引發(fā)劑，2，2-二甲氧基2-苯基苯乙酮(5％(w/w)的水凝膠前體)溶于N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，然后與所述水凝膠前體的溶液混合。使用便攜式長(zhǎng)波UV燈(365nm，8W)在室溫下照射該所得的均勻透明混合物22小時(shí)。首先，在室溫下將所得的水凝膠浸于四氫呋喃(THF)中12小時(shí)。在此期間，定期用新鮮THF替換THF以便濾出未反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)。然后，將該水凝膠進(jìn)一步用蒸餾水提純至少48小時(shí)，每數(shù)小時(shí)替換蒸餾水以便使純化后的水凝膠達(dá)到平衡以進(jìn)行表征。前體和其它化學(xué)物質(zhì)的進(jìn)料組成列于下表1中，其中樣品全部用DMN標(biāo)記(D＝右旋糖酐，M＝馬來(lái)酐以及N＝NIPAAm)，樣品DMN1、DMN2、DMN3、DMN4和DMN5分別構(gòu)成實(shí)施例I、II、III、IV和V，NIPAAm是N-異丙基丙烯酰胺水凝膠前體，Dextran-MA是右旋糖酐-馬來(lái)酸單酯水凝膠前體以及NMP是N-甲基吡咯烷酮，百分轉(zhuǎn)化率是由單體合成的凝膠的重量百分比。
表1

雖然獲得了DMN5，但是并沒(méi)有對(duì)DMN5進(jìn)行隨后表征，因?yàn)镈MN5在水介質(zhì)中快速崩解和/或分解，DMN5通常在24小時(shí)內(nèi)崩解和/或分解。
為了進(jìn)行比較，如Zhang，X.Z.，等人，J.Colloid Interface Sci246，105-111(2002)所述合成和提純了10O％的聚(N-異丙基丙烯酰胺)水凝膠。簡(jiǎn)單地說(shuō)，在2.0mg交聯(lián)劑即N，N′-甲基二丙烯酰胺存在下，將100mg NIPAAm溶于1.2ml水中，使用過(guò)硫酸銨作為引發(fā)劑以及使用N，N，N′，N′-四甲基乙二胺作為催化劑；在室溫下進(jìn)行聚合反應(yīng)50分鐘。
使用差示掃描量熱法(TA2920 Modulated DSC，TA Instruments，USA)測(cè)定水凝膠樣品的LCST性質(zhì)。在室溫下，將所有樣品浸漬在蒸餾水中至少2天以達(dá)到溶脹狀態(tài)。將約10mg溶脹樣品放在一個(gè)密封鋁盤(pán)中，然后用密封鋁蓋密封。在干燥氮?dú)夥罩?，?5ml/分鐘的流速和3℃/分鐘的加熱速率下，對(duì)溶脹水凝膠樣品從25到55℃進(jìn)行熱分析。如上所述測(cè)得的水凝膠樣品的LCST列于圖1中，其中圖1描述了LCST是Dex-MA與PNIPAAm重量比的函數(shù)。所述數(shù)據(jù)表明，與純PNIPAAm(約35℃)相比，所有樣品具有更高的LCST，并且隨著Dex-MA百分比的增加，LCST也增加(PNIPAAm的LCST＝約35℃，DMN1的LCST＝35.9；DMN2的LCST＝36.5；DMN3的LCST＝38.1℃；以及DMN4的LCST＝39.1℃)。這種觀察到的LCST隨Dex-MA百分比的增加而增加還與焓值減少有關(guān)(DMN1的ΔH＝0.61mJ/mg，至DMN4的ΔH＝0.14mJ/mg)。
水凝膠樣品的內(nèi)部形態(tài)按照如下方法進(jìn)行測(cè)定樣品在室溫下在蒸餾水中達(dá)到其最大溶脹比后，將其在液氮中快速冷凍，然后在-42℃下在真空中在Vertis冷凍干燥機(jī)(Gardiner，NY)中凍干3天，直到全部水分升華為止。將冷凍干燥樣品每個(gè)在液N2溫度下小心打碎，用掃描電子顯微鏡(Hitachi S4500SEM，Mountain View，CA)研究所得碎片的內(nèi)部形態(tài)。在進(jìn)行SEM觀察前，將樣品固定在鋁樁上并鍍金。在每種情況下都觀察到蜂窩狀結(jié)構(gòu)，但是孔隙結(jié)構(gòu)從不規(guī)則圓形和在PNIPAAm中具有波浪形薄壁的疏松淺孔變化為非常清晰的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，在混合水凝膠中具有獨(dú)特的銳角(sharp distinctive angles)和4-7元環(huán)剛性壁孔。每單位面積的平均孔徑和孔數(shù)在下表2中給出。
表2

如表2所示，孔徑隨Dex-MA含量增加而減少。
在室溫下的最大溶脹比如下測(cè)定將樣品浸漬在蒸餾水中48小時(shí)，然后測(cè)定其重量。每一樣品測(cè)定三次。在此使用的術(shù)語(yǔ)“溶脹比”是指溶脹凝膠中水的重量與凝膠在溶脹前的干重的比值。在室溫下獲得的最大溶脹比在圖2中給出。如圖2所示，所述水凝膠的最大溶脹比隨Dex-MA含量增加而減少。
通過(guò)50℃的重量分析來(lái)確定溫度響應(yīng)動(dòng)力學(xué)。選擇溫度高于水凝膠的LCST，這樣在短時(shí)間內(nèi)可以獲得顯著的體積和水含量的變化。在測(cè)定前，將水凝膠樣品在室溫下浸漬在蒸餾水中24h。然后，將樣品轉(zhuǎn)入到一個(gè)50℃蒸餾水槽中。以規(guī)則的時(shí)間間隔記錄凝膠的重量變化。測(cè)定水分保持值以表示水凝膠的溫度敏感性。測(cè)得的水分保持值列于圖3中。水分保持(WR)定義為100×[(Wt-Wd)/Ws，其中Wt是水凝膠在給定時(shí)間間隔時(shí)的重量，其它符號(hào)與室溫下溶脹比的定義相同。所述數(shù)據(jù)表明，將PNIPAAm摻入到基于右旋糖酐的水凝膠中，獲得了之前不存在的熱敏性能。熱敏性能的等級(jí)隨Dex-MA與PIPAAm前體的組成比而改變。盡管摻入Dex-MA可以預(yù)見(jiàn)到熱敏程度減少，但是在DMN2、IMN3和DMN4中卻觀察到相反的結(jié)果。樣品DMNl被認(rèn)為是一個(gè)例外，因?yàn)闅馀菰诒砻嫔闲纬闪艘粋€(gè)密集的表層，其防止了水分流失，也許是因?yàn)镈ex-MA含量不夠。
所述水凝膠的溶脹動(dòng)力學(xué)用水分吸收(WU)來(lái)定義，其定義為100×[(Wt-Wd)/Ws其中所述符號(hào)的含義與上面相同。按照如下進(jìn)行測(cè)試首先，將溶脹凝膠樣品在熱水(50℃)中浸漬2h，然后收縮的水凝膠在真空烘箱中在60℃進(jìn)一步干燥過(guò)夜，直到凝膠重量恒定為止。然后，在22℃通過(guò)重量分析測(cè)定干凝膠的溶脹動(dòng)力學(xué)。以規(guī)則的時(shí)間間隔將樣品從熱水中取出。用濕濾紙擦掉表面上的水后，記錄凝膠重量。然后，測(cè)定水分吸收。結(jié)果表示在圖4中。如圖4所示，如果Dex-MA含量高(DMN3和DMN4)，那么水凝膠沒(méi)有達(dá)到最大水分吸收就在水中快速崩解。對(duì)于其它樣品，隨著Dex-MA百分比增加，水分吸收速度也增加。
將水凝膠浸漬在pH值為3、7和10的緩沖溶液中，測(cè)定水凝膠的pH敏感性。在預(yù)定時(shí)間間隔移去浸漬水凝膠，洗滌，用濕濾紙擦去表面水，稱重，直到觀察到穩(wěn)定的重量。溶脹比(如上所定義并如上所述測(cè)定)結(jié)果在圖5中給出。所述數(shù)據(jù)表明，溶脹比隨pH增加而增加。
所述數(shù)據(jù)證實(shí)了溫度敏感性和pH敏感性，并且可以將相轉(zhuǎn)變溫度(LCST)調(diào)節(jié)到接近體溫。
改變以上改變對(duì)本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員是顯然的。因此，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求書(shū)定義。
權(quán)利要求
1.一種水凝膠，其形狀和體積隨pH改變和/或隨溫度改變而改變，這種水凝膠如下形成以右旋糖酐-馬來(lái)酸單酯和N-異丙基丙烯酰胺的總數(shù)是100％，將包含10-75％重量的右旋糖酐-馬來(lái)酸單酯和90％-25％重量的N-異丙基丙烯酰胺的組合物中的右旋糖酐-馬來(lái)酐單酯與N-異丙基丙烯酰胺進(jìn)行光致交聯(lián)。
2.權(quán)利要求1的方法，其由右旋糖酐-馬來(lái)酸單酯和N-異丙基丙烯酰胺在一種包含20-65％重量的右旋糖酐-馬來(lái)酸單酯和80-35％重量的N-異丙基丙烯酰胺的組合物中通過(guò)光致交聯(lián)制備。
3.權(quán)利要求2的水凝膠，其中以右旋糖酐為基準(zhǔn)，所述的右旋糖酐-馬來(lái)酸單酯具有0.85-0.95的平均取代度以及65,000-75,000的重均分子量。
4.權(quán)利要求3的水凝膠，其具有小于或接近體溫的下部臨界會(huì)溶溫度。
5.一種水凝膠形成體系，基于右旋糖酐-馬來(lái)酸單酯和N-異丙基丙烯酰胺的總數(shù)是100％，該體系包含10-75％重量的右旋糖酐-馬來(lái)酸單酯和90-25％重量的N-異丙基丙烯酰胺的一種溶液。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種部分可生物降解的水凝膠，其體積和形狀隨pH改變和/或溫度的改變而變化，所述水凝膠通過(guò)紫外輻照包含右旋糖酐－馬來(lái)酸單酯和N－異丙基丙烯酰胺的組合物制得。
文檔編號(hào)C08G63/08GK1735406SQ200380108426
公開(kāi)日2006年2月15日 申請(qǐng)日期2003年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月16日
發(fā)明者C·－C·楚, X·－Z·張 申請(qǐng)人:康乃爾研究基金會(huì)有限公司