可注射性水凝胶的合成、物理凝胶化及其用于药物缓释载体的研究

论文摘要

在众多生物医用高分子材料中，高分子水凝胶是当今研究热点之一。其中，可注射性水凝胶因其独特的性质有望被广泛应用于药物释放等领域。本博士论文工作针对应用于药物缓释载体的合成高分子的可注射性物理水凝胶而展开。物理凝胶的凝胶化过程由物理交联所致，往往是可逆的。如果一个医用的可注射性水凝胶采取由体温所导致的物理交联的方式，不仅会带来操作上的方便，而且还能够避免化学交联所带来的生物相容性方面的各种潜在问题。从学术研究的角度来看，物理交联所导致的凝胶化涉及到软物质内部的自组装过程，是一个具有挑战意义的凝聚态物理问题。因此，研究合成高分子物理水凝胶以及在药物缓释载体方面的可能应用是一个综合高分子化学、高分子物理和药剂学的交叉学科课题。本论文的研究对象为聚酯／聚醚嵌段共聚物类可注射性物理水凝胶。作为一类新型的很有应用前景的可注射性材料，该材料尚有不少重要的基础问题需要回答，例如：合成高分子的端基对于其物理凝胶化现象是否具有显著影响?物理凝聚化的机理和过程到底如何?此类水凝胶材料对于PEG化药物是否具有同样良好的缓释效果?本论文工作围绕上述问题展开了水凝胶的合成、表征、物理凝胶化性能及其作为药物缓释载体的应用等研究。我们合成和表征了一系列的热敏可逆凝胶化的PLGA-PEG-PLGA三嵌段共聚物及其它们的不同端基衍生物。所合成的大部分PLGA-PEG-PLGA三嵌段共聚物及其大部分衍生物的水溶液具有温度依赖的溶胶—凝胶相转变行为。我们对体系的各种性质进行了表征：采用试管倒置法测试了体系的相图、采用动态流变学方法研究了体系的粘弹性变化、采用动态光散射和核磁共振等方法探测了体系的微观结构等。通过大鼠埋植实验初步验证了所合成材料的生物相容性，并分别在磷酸盐缓冲液和大鼠体内研究了其体外和体内降解行为。研究表明上述物理凝胶化过程可以用来实施药物的包裹和缓释，通过皮下或者肌肉注射的方式成为储库型的局部缓释载体。考虑到目前通过对药物PEG化以延长其在血液中的循环时间是药物缓释系统研究中的一种成功方式，本文首次尝试将PEG化技术与上述物理水凝胶缓释载体技术相结合，合成了PEG化喜树碱作为模型的PEG化药物，并通过体外实验和体内实验成功实施了运用PLGA-PEG-PLGA三嵌段共聚物水凝胶对模型药物的包裹和缓释。本博士论文的主要创新性贡献可以分为以下几个部分：1．发现了该类聚合物的强烈的端基效应。合成和表征了具有端羟基的PLGA-PEG-PLGA和它的不同端基化衍生物，发现了令人惊奇的影响自发物理凝胶化行为的端基效应。具有特定分子量的PLGA-PEG-PLGA三嵌段共聚物的水溶液在我们测试的温度范围内只是以溶液态存在。对应的乙酸酯或丙酸酯封端的衍生物却随着温度变化发生了有趣的溶胶—凝胶相转变，而其正丁酸酯衍生物则在水中发生了沉淀。我们的工作揭示：当两亲性嵌段共聚物的疏水性和亲水性之间拥有一个微妙的平衡时，一个小小的端基不但可以调节纳米结构的微观自组装行为，也可以通过调节其自发物理凝胶化来影响软物质宏观的凝聚态行为。因此，这一研究不但有助于了解物理凝胶化同化学组成之间的关系，也为设计可注射性生物医用材料和智能软物质提供了新的思路。2．考察了影响该类嵌段共聚物物理凝胶化的因素，并初步探讨了其物理凝胶化的机理。当改变分子量时，PLGA-PEG-PLGA三嵌段共聚物本身也可能出现溶胶—凝胶相转变，并发现：PLGA嵌段长度或分子量的改变和烷基端基均能够影响临界胶束浓度（CMC）和临界凝胶浓度（CGC），凝胶窗口可以通过PLGA嵌段分子量或者端基来调节。不论何种情况下，实验均发现，临界胶束浓度远小于临界凝胶浓度；13C NMR确定在溶胶—凝胶相转变过程中完整的胶束结构得以保持。我们推测所对应的物理凝胶化过程是一个分步过程，即，嵌段共聚物先组装形成胶束，然后通过聚集导致溶胶—凝胶相转变，疏水相互作用是其内在的驱动力；我们进一步采用所推测的粗大化机理尝试解释了凝胶区域随温度升高而发生的由透明凝胶到不透明凝胶的转变。3．首次尝试并成功实施了该类水凝胶对于PEG化药物的包裹和缓释，并发现了PEG化药物对于材料物理凝胶化行为的影响。我们成功实现了喜树碱（CPT）的PEG化，发现PEG化的喜树碱在水中的溶解度大于150 mg／ml，远远大于喜树碱本身在水中的1.3μg／ml的溶解度。所得到的MPEG-CPT是一个两亲性分子，在水中形成了胶束。在上述MPEG-CPT合成的基础上，以及在PLGA-PEG-PLGA三嵌段共聚物的生物相容性和可降解性得到验证的基础上，我们考察了运用嵌段共聚物水凝胶对于MPEG-CPT的包裹，发现MPEG-CPT的加入能够改变体系的粘度和溶胶—凝胶相转变温度，并得到了作为可注射性药物缓释载体体系的合适条件。水凝胶可以在体外缓释PEG化的喜树碱超过了一个月；并对其缓释动力学过程进行了探讨，认为其药物释放由扩散控制和降解控制两个阶段组成。小鼠体内的抗肿瘤实验表明，这一药物缓释体系具有良好的缓释和治疗效果。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 可注射性水凝胶及其主要应用
• 1.2 用于药物缓释载体的天然及半天然的可注射性水凝胶
• 1.2.1 纤维素类
• 1.2.2 壳聚糖类
• 1.2.3 多糖类
• 1.3 用于药物缓释载体的合成高分子的可注射性水凝胶
• 1.3.1 PEO/PPO或PEG/PPG嵌段共聚物
• 1.3.1.1 不可降解的PEO/PPO嵌段共聚物
• 1.3.1.2 可降解的PEG/PPG嵌段共聚物
• 1.3.1.3 可降解的Pluronic或Poloxamer多嵌段共聚物
• 1.3.2 PEG/聚酯嵌段共聚物
• 1.3.2.1 共聚得到聚酯的PEG/聚酯嵌段共聚物
• 1.3.2.2 缩聚得到聚酯的PEG/聚酯嵌段共聚物
• 1.3.3 聚有机磷腈
• 1.4 研究目的
• 参考文献
• 第二章 PLGA-PEG-PLGA嵌段共聚物水溶液物理凝胶化的端基效应
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 原料与试剂
• 2.2.2 PLGA-PEG-PLGA三嵌段共聚物的制备
• 2.2.3 PLGA-PEG-PLGA-diacetate的制备
• 2.2.4 PLGA-PEG-PLGA-dipropionate和PLGA-PEG-PLGA-dibutyrate的制备
• 2.2.5 聚合物结构和性能的表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 热敏凝胶化的PLGA-PEG-PLGA三嵌段共聚物及其衍生物的物理凝胶化的进一步研究
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 原料与试剂
• 3.2.2 PLGA-PEG-PLGA三嵌段共聚物的制备
• 3.2.3 PLGA-PEG-PLGA-diacetate的制备
• 3.2.4 PLGA-PEG-PLGA-dipropionate的制备
• 3.2.5 聚合物结构和性能的表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 合成和表征
• 3.3.2 不同沉淀剂对三嵌段共聚物及其衍生物平均分子量的影响
• 3.3.3 三嵌段共聚物及其衍生物的胶束行为
• 3.3.4 三嵌段共聚物及其衍生物的Sol-Gel相转变
• 3.3.5 动态流变学研究
• 3.3.6 物理凝胶化机理
• 3.3.6.1 聚集的驱动力
• 3.3.6.2 Sol-Gel相转变机理
• 3.3.6.3 透明凝胶到不透明凝胶转变机理
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 PLGA-PEG-PLGA嵌段共聚物的体内外降解以及生物相容性
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 原料、试剂与动物
• 4.2.2 PLGA-PEG-PLGA三嵌段共聚物的制备
• 4.2.3 PLGA-PEG-PLGA三嵌段共聚物的表征
• 4.2.4 PLGA-PEG-PLGA三嵌段共聚物水溶液的相图测试
• 4.2.5 PLGA-PEG-PLGA三嵌段共聚物的体外降解
• 4.2.6 PLGA-PEG-PLGA三嵌段共聚物体外的生物相容性
• 4.2.7 PLGA-PEG-PLGA三嵌段共聚物体内凝胶的形成和降解
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 合成和表征
• 4.3.2 PLGA-PEG-PLGA三嵌段共聚物水溶液相图
• 4.3.3 PLGA-PEG-PLGA三嵌段共聚物的体外降解
• 4.3.4 PLGA-PEG-PLGA三嵌段共聚物体外生物相容性的初步考察
• 4.3.5 PLGA-PEG-PLGA三嵌段共聚物体内降解和体内生物相容性的初步考察
• 4.3.6 PLGA-PEG-PLGA三嵌段共聚物降解初期动力学行为的数学描述
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 可注射的PLGA-PEG-PLGA物理水凝胶作为PEG化药物的缓释载体的研究
• 第一节 MPEG-CPT的合成、表征及其体内外的抗肿瘤活性
• 5.1.1 喜树碱与PEG化药物简介
• 5.1.2 实验部分
• 5.1.2.1 原料、试剂与动物
• 5.1.2.2 MPEG-acid的合成
• 5.1.2.3 MPEG-CPT的合成
• 5.1.2.4 MPEG-CPT的表征
• 5.1.2.5 MPEG-CPT的体外抗肿瘤活性
• 5.1.2.6 MPEG-CPT抗小鼠S-180肉瘤活性
• 5.1.3 结果与讨论
• 5.1.3.1 合成和表征
• 5.1.3.2 MPEG-CPT的水相行为
• 5.1.3.3 MPEG-CPT的体外抗肿瘤活性
• 5.1.3.4 MPEG-CPT抗小鼠S-180肉瘤活性
• 5.1.4 小结
• 参考文献
• 第二节 MPEG-CPT在可注射的PLGA-PEG-PLGA嵌段共聚物中的缓释行为及抗小鼠S-180瘤活性
• 5.2.1 前言
• 5.2.2 实验部分
• 5.2.2.1 材料和动物
• 5.2.2.2 CPT在PLGA-PEG-PLGA三嵌段共聚物水溶液中的溶解性
• 5.2.2.3 MPEG添加物对PLGA-PEG-PLGA三嵌段共聚物水溶液的Sol-Gel相转变的影响
• 5.2.2.4 制备PLGA-PEG-PLGA三嵌段共聚物载药的水溶液
• 5.2.2.5 体外缓释MPEG-CPT
• 5.2.2.6 小鼠体内MPEG-CPT的缓释和抗S-180肉瘤活性
• 5.2.3 结果与讨论
• 5.2.3.1 CPT在PLGA-PEG-PLGA三嵌段共聚物水溶液中的溶解性
• 5.2.3.2 MPEG添加物对PLGA-PEG-PLGA三嵌段共聚物水溶液的Sol-Gel相转变的影响
• 5.2.3.3 PLGA-PEG-PLGA三嵌段共聚物载药水溶液的制备及其可注射性
• 5.2.3.4 体外缓释MPEG-CPT
• 5.2.3.5 小鼠体内MPEG-CPT的缓释和抗S-180肉瘤活性
• 5.2.4 小节
• 参考文献
• 第六章 全文总结
• 6.1本论文工作的主要结论及意义:
• 6.2 本论文的创新之处
• 6.3 本论文的不足和展望
• 个人简历
• 攻读博士期间科研成果
• 致谢