四臂星形嵌段共聚物s-PDLLA-b-PEG的合成*

魏芬芬, 林雅铃 , 张安强, 陈秀云, 王炼石

(1. 华南理工大学 材料科学与工程学院,广东 广州 510641; 2. 华南农业大学 资源环境学院,广东 广州 510642)

聚乳酸(PLA)由于其良好的生物相容性、无毒性及生物降解性，在生物医学及药物控制释放等领域得到了广泛研究和应用。但是由于PLA具有很强的疏水性，影响了其在生物医药方面的应用，用聚乙二醇(PEG)对PLA改性得到的嵌段共聚物，可以提高PLA的亲水性。以PEG为亲水嵌段、以PLA等为疏水嵌段的两亲性嵌段共聚物，因其具有较高的负载药物能力，可防止蛋白质的吸附并躲避网状内皮系统的识别与吞噬，以及易通过生理屏障等优点，是目前纳米制药研究领域的关注焦点[1～6]。研究表明[7～9]：与相同分子量的线性聚合物相比，星形聚合物具有较小的流体力学体积和较低的粘度，而其降解速率却比线性聚合物要大，更有利于药物的负载和输送。

Scheme1

魏宏亮等[10]以星形PEG为核，以乳酸为原料，采用直接法合成了多臂星形聚乙二醇-聚乳酸嵌段共聚物。由于直接法合成过程中副反应较多，所合成的星形嵌段共聚物分子量分布较宽，产物结构不易控制。与乳酸的直接聚合相比，以丙交酯开环聚合更为可控，产物纯度高，分子量分布窄，因而更适合合成结构精确可控的嵌段共聚物。

本文以季戊四醇引发D,L-丙交酯开环聚合制得末端为羟基的四臂星形聚乳酸(s-PDLLA);s-PDLLA与羧基封端的聚乙二醇单甲醚(CT-mPEG)完成酯化反应,合成了以季戊四醇为核，以PLA为内部嵌段、PEG为外部嵌段的四臂星形聚(D,L-乳酸)-聚乙二醇嵌段共聚物(s-PDLLA-b-PEG, Scheme 1),其结构经1H NMR, IR和GPC表征。

1 实验部分

1．1 仪器与试剂

Brucker Avance DRX-300型核磁共振仪(CDCl3为溶剂,TMS为内标);Brucker Vector 33型红外光谱仪(KBr压片);Waters 1515-2414型凝胶渗透色谱仪(GPC)。

聚乙二醇单甲醚(mPEG, Mn=750, 1 900),N,N′-二环已基碳酰亚胺(DCC)和4-二甲氨基吡啶(DMAP), Alfa Aesar；辛酸亚锡[Sn(Oct)2]和季戊四醇,Sigma; D,L-丙交酯,自制,用乙酸乙酯重结晶5次,真空干燥保存;其它试剂均为市售分析纯试剂。

1．2 合成

(1) CT-mPEG的合成

在三口烧瓶中加入mPEG(Mn=750) 4.5 g(6 mmol)和丁二酸酐630 mg(6.3 mmol),按总质量的3%加入对甲苯磺酸157 mg(0.91 mmol),氮气保护,搅拌下于70 ℃反应3 h～4 h。粗品用三氯甲烷溶解，依次用稀盐酸(pH 5, 50 mL)和蒸馏水(50 mL)洗涤，蒸除三氯甲烷后真空干燥得无色透明液体CT-mPEG750;1H NMRδ: 4.24(m, d,e′-H), 2.66(d, c-H); IRν: 1 735(C=O), 1 170(C-O), 2 881(CH2) cm-1。

用类似方法以Mn=1 900的mPEG制得CT-mPEG1900。

(2)s-PDLLA的制备[11]

在聚合管中加入D,L-丙交酯2.88 g(20 mmol),季戊四醇272 mg(0.2 mmol)和Sn(Oct)240.4 mg(0.01 mmol),真空封管,磁力搅拌下于135 ℃反应24 h。粗品用二氯甲烷溶解，甲醇沉淀，过滤，滤饼真空烘干得白色粉末s-PDLLA100;1H NMRδ: 5.18(m, b-H), 4.36(s, b′-H), 4.15(s, a-H), 1.56(m, b-CH3); IRν: 2 995(CH3), 2 945(CH), 2 881(CH2), 1 754(C=O) cm-1;表征数据与文献[11，13]值一致，说明s-PDLLA为预期的星形聚乳酸。

D,L-丙交酯20 mmol,分别按r=n(丙交酯) ∶n(季戊四醇)=50 ∶1, 75 ∶1和200 ∶1加入季戊四醇,同法制得s-PDLLAr(r=50, 75, 200)。

(3)s-PDLLA-b-PEG的合成

在三口烧瓶中加入s-PDLLA100550 mg(0.05 mmol), CT-mPEG750179 mg(0.21 mmol), DMAP 6 mg(0.05 mmol), DCC 51.5 mg(0.25 mmol),二氯甲烷15 mL，氮气保护,磁力搅拌下于室温反应24 h。粗品挥发二氯甲烷后用丙酮沉析,过滤,滤饼挥发丙酮,用三氯甲烷溶解，依次用稀盐酸(pH 5, 50 mL)和蒸馏水(50 mL)洗涤，蒸除三氯甲烷后真空烘干得白色粉末s-PDLLA100-b-PEG750。

用类似方法制备s-PDLLAr-b-PEG750和s-PDLLAr-b-PEG1900。

2 结果与讨论

本文采用先核后臂的方法合成s-PDLLA-b-PEG，即先合成s-PDLLA，然后在其四个臂末端接上PEG(星形聚乳酸和聚乙二醇单甲醚的末端均为羟基，二者难以反应，本文采用丁二酸酐对聚乙二醇单甲醚进行改性，制备羧基封端聚乙二醇单甲醚)，因此合成s-PDLLA-b-PEG的关键步骤是合成s-PDLLA。

2．1 r对s-PDLLA分子量的影响

s-PDLLAr的GPC曲线均为单峰。r对s-PDLLA分子量的影响见表1。由表1可见，相对分子量分布较窄(PDI=1.1～1.3),相对分子量1×104～4×104，且随着r的增加而上升，分子量范围可基本满足药物负载要求。

表 1 r对s-PDLLA分子量的影响*Table 1 Effect of r on molecular weight of s-PDLLA

*Calcd, NMR和GPC分别表示理论计算值,1H NMR推算值和GPC测试值

2．2 s-PDLLA-b-PEG的结构表征

s-PDLLA, CT-mPEG和s-PDLLA100-b-PEG750的IR和1H NMR谱图见图1和图2。由图1可见，s-PDLLA100-b-PEG750在2 881 cm-1处的吸收峰与s-PDLLA相比明显增强，此峰正是PEG链段中-CH2-的振动吸收峰；1 750 cm-1处的强吸收峰则归属于s-PDLLA酯基单元中C=O的强特征吸收峰，这些证实s-PDLLA与CT-mPEG发生了共聚反应。

ν/cm-1图 1 聚合物的IR谱图Figure 1 IR spectra of polymers

δ图 2 聚合物的1H NMR谱图Figure 2 1H NMR spectra of polymers

图2进一步证实了s-PDLLA100-b-PEG750为聚乳酸-聚乙二醇嵌段共聚物。4.15(s, a-H), 5.18(m, b-H)和1.58(s, b-CH3)与s-PDLLA的特征信号峰一致，差别在于s-PDLLA末端受-OH影响的4.36(m, b′-H)特征峰完全消失，这充分说明s-PDLLA的末端-OH与CT-mPEG末端-COOH发生了反应，s-PDLLA100-b-PEG750中PEG链段的特征峰也与CT-mPEG相符。

相对分子质量的改变也是判断s-PDLLA与CT-mPEG是否发生共聚反应的重要依据。与s-PDLLA100的GPC曲线相比，s-PDLLA100-b-PEG750的GPC曲线出现左移，保留时间缩短，说明所得产物相对分子质量增大，s-PDLLA100与CT-mPEG750发生了反应，且产物的分子量分布仍保持较窄的特征。通过1H NMR峰面积也可以计算嵌段共聚物的相对分子量，由于PLA的每个臂上都只能接一个聚乙二醇单甲醚的链段，根据CT-mPEG的Mn，可以推算出每个臂上的(-CH2CH2O-)单元数，继而b-H和e-H峰面积的比例可以计算出平均每个臂上乳酸单元数，从而得到s-PDLLA与CT-mPEG的Mn，结果见表2。从表2可以看出，PEG的Mn为750时，随着s-PDLLA相对分子量的增大，s-PDLLA与CT-mPEG的相对分子量也增大；PEG的Mn为1 900时，也呈现出同样的趋势；保持s-PDLLA的相对分子量不变，如s-PDLLA50-CT-mPEG1900与s-PDLLA50-CT-mPEG750相比，其相对分子质量明显增大，NMR和GPC测得的结果显示出相同的规律，表明所得产物为聚乳酸-聚乙二醇嵌段共聚物。

表 2 s-PDLLA与CT-mPEG的相对分子质量*Table 2 The molecular weight of s-PDLLA与CT-mPEG

*同表1

3 结论

采用两步法合成了星形聚乳酸-聚乙二醇嵌段共聚物，即首先采用间接法合成四臂星形聚乳酸，继而通过与端羧基聚乙二醇单甲醚进行酯化反应合成星形聚乳酸-聚乙二醇嵌段共聚物。经1H NMR, IR和GPC表征证实所合成的产物为以季戊四醇为核，以聚乳酸为内部嵌段、聚乙二醇为外部嵌段的四臂星形聚(D,L-乳酸)-聚乙二醇嵌段共聚物。

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