一种原位凝胶化温度敏感型液体栓塞材料
——(Ⅰ)制备及性能研究

朱肖杰，朱小敏，孟建文，罗西友，李红梅，张素文，王传栋，冯圣玉

(1.山东大学化学与化工学院，济南 250100；2.山东省药学科学院，济南 250101； 3.山东省医用高分子材料重点实验室，济南 250101)

1 引 言

血管内的介入栓塞治疗作为肿瘤的主要治疗手段之一，已广泛应用于临床[1-3]。栓塞治疗的效果在很大程度上决定于栓塞材料的选用。目前，最常用的液体栓塞材料为氰丙烯酸酯类粘附性栓塞材料，但其缺点是有将微导管粘附于血管壁的危险。非粘附性的液体栓塞材料已被不断开发并应用于脑AVM的栓塞治疗，目前应用的大多数非粘附性的液体栓塞材料需要用有机溶剂作为输送载体，而有机溶剂又有一定的血管毒性作用，限制了其在临床上的广泛应用。因此，选用无需有机溶剂的非粘附性液体栓塞材料，是今后液体栓塞材料研究开发和应用的方向[4]。

聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIP)，其水溶液及水凝胶具有特殊的温度敏感性，水溶液在304 K左右发生相分离，相变点的温度定义为最低临界溶解温度(LCST)[5]，利用这种可逆的温度敏感性，在药物控制释放、浓缩分离酶、微生物等活性物质、固定化酶等方面有巨大的应用前景[6]。

我们曾经成功制备了聚(N-异丙基丙烯酰胺-co-N-正丙基丙烯酰胺)，配以显影剂溶液得到温敏栓塞剂[7]；此栓塞剂使用时聚合物从溶剂中沉淀分离出来达到栓塞的目的，但是栓塞剂固含量低，粘度高，显影剂一般都随溶剂流失，无法存留与沉淀后的固体中，适合AVM类的小病灶，但是对于像肝癌、肺癌、肾癌、动静脉瘘等实体比较大的肿瘤就不合适，需要栓塞剂的量较大，且沉淀出的固体小且柔软，栓塞程度较弱，容易再通。针对此情况，我们研究开发了新型的原位凝胶化的温度敏感型液体栓塞材料，栓塞材料原位凝胶化后形成比较大的栓塞体，可快速而有效的对病灶进行栓塞，同时将显影剂保留在固化后的凝胶中，达到术后显影的目的，拓展了温敏液体栓塞剂的适用范围[8]。

原位凝胶化温度敏感型液体栓塞材料选择了两种具有不同疏水能力的单体，通过自由基共聚，制备了一系列具有可调LCST及相变速度的新的温度响应性共聚物聚(NIP-co-BMA)，探讨了共聚单体比例对LCST及相变速度的影响以及原位凝胶化状态的影响。通过调节共聚单体的配比，即改变共聚物的亲水/疏水平衡，可以达到控制共聚物的LCST的目的[9]，以得到凝固状态良好的聚合物，选择具有合适的LCST，相变速度和凝胶化状态的聚合物，可作为液体栓塞材料治疗动脉瘤。

利用PNIP类聚合物的温度敏感性能，可在人体温度沉淀出固体，达到栓塞的目的。作为一种新的栓塞材料，PNIP类聚合物具有不需要有机溶剂、无毒、非粘附性，固化后柔软等独特的优点，具有很好的应用前景。

2 实验部分

2.1 试剂及仪器

异丙胺，工业纯，浙江建德建业有机化工有限公司；丙烯酰氯，工业纯，海门贝斯特精细化工有限公司；乙酸乙酯，分析纯，天津市广成化学试剂有限公司；正己烷，分析纯，天津市广成化学试剂有限公司；甲基丙烯酸丁酯(BMA)，分析纯，天津市博迪化工有限公司；1,4-二氧六环，分析纯，天津市大茂化学试剂厂；偶氮二异丁腈(AIBN)，分析纯，天津市大茂化学试剂厂；四甲基丙烯酸四乙二醇酯，广州双键贸易有限公司。

Bruker公司Avance 600核磁共振仪，D2O溶剂；Nicolet 20SX FTIR。

2.2 N-异丙基丙烯酰胺(NIP)的制备[10]及提纯

一定量的异丙胺溶于乙酸乙酯中，滴加丙烯酰氯。冰水浴反应4 h，抽滤，滤液减压蒸馏，收集112℃馏分，为白色固体N-异丙基丙烯酰胺(NIP)。

将蒸馏得到的NIP溶于正己烷中，加热使之溶解，冷却后加甲苯，使NIP结晶缓慢析出，析出完全时过滤，重复此操作，即得NIP的重结晶产物。

2.3 聚(NIP-co-BMA)的制备及纯化

分别称取一定量的NIP和BMA，加入1,4-二氧六环，氮气氛下搅拌溶解，加入引发剂，加热，冷凝回流条件下反应6 h，在热水中沉降，得到聚合物。清洗，冷热水中交替溶解，沉降，过滤，真空烘干，得到白色的聚(NIP-co-BMA)。

2.4 聚(NIP-co-BMA)水溶液粘度及分子量的测定

用乌氏粘度计在20℃恒温水浴中测定聚合物水溶液的特性粘数[η]，以公式[η]=kMa计算聚合物的粘均分子量，文献[11]给出20℃时，k值为14.5×10-2g/ml, a为0.50。

3 结果与讨论

3.1 单体和聚合物的表征

3.1.1单体NIP 的IR谱图和1H-NMR谱图 图1为提纯后的NIP的红外光谱， 1618 cm-1处谱带由C=C伸缩振动产生，1652 cm-1处为C=O伸缩振动峰，即酰胺Ⅰ带；1549 cm-1处谱带由酰胺上N-H面内弯曲振动和C-N伸缩振动的组合吸收产生，为酰胺Ⅱ带；1244 cm-1由C-N-H振动产生，为酰胺Ⅲ带；2874-2932 cm-1为C-H的伸缩振动峰；3280 cm-1为N-H伸缩振动峰；1365-1400 cm-1处的双峰是由异丙基-CH(CH3)2上的C-H弯曲振动产生。

图2为提纯后NIP的H-NMR谱图，表明单体纯度达到聚合要求。

图1NIP红外光谱

Fig1FTIRspectraofthemonomerNIP

图2 NIP 1H-NMR谱图

3.1.2聚(NIP-co- BMA)的红外、核磁结构表征 聚(NIP-co- BMA)的IR谱图见图3，由图可见，1618 cm-1双键吸收峰消失，1652 cm-1处酰胺Ⅰ带变宽，表明C=C已经聚合。

聚(NIP-co- BMA)的1H-NMR谱图核磁共振谱见图4。对比图2可见，C=C峰(δ=6.08-6.19)消失，δ=1.49-1.93是聚合物主链上的-CH2的峰，δ=0.85是BMA中-CH3的峰，δ=1.06为NIP中-CH3的峰，由此可见，NIP和BMA已经聚合。

3.1.3聚(NIP-co- BMA)的形态表征 图5a是聚合物溶液在常温下的状态，b是聚合物在人体温度固化后的宏观状态。

图3聚(NIP-co-BMA)的IR谱图

Fig3FTIRspectraofthecopolymerpoly(NIP-co-BMA)

图4 聚(NIP-co- BMA)的1H-NMR谱图

图5 聚(NIP-co- BMA)在常温和体温的形态表征

Fig5Poly(NIP-co-BMA)solutionatbodytemperatureandtheroomtemperature

3.2反应温度对分子量及产率的影响

单体配比NIP/BMA=98:2，反应时间为6 h，引发剂用量为3×10-3mol/L时，研究了反应温度对分子量、粘度及产率的影响，结果见表1，温度太低时，引发剂的活性低，几乎无法引发反应，当达到合适的反应温度后，继续升高，则聚合度降低，因此，分子量下降，符合自由基聚合规律；产率也随温度升高而变大，但当温度高于60℃时，产率基本恒定。

表1反应温度对分子量及产率的影响

Table1Effectofthereactiongtemperatureonthemolecularweightandtheproductivityofpolymers

No.反应温度(℃)[η]M(106)产率(%)备注140沉淀时浑浊,无固体2502.382.7057.653605.4614.1891.314703.074.4992.815802.172.24 92.79

3.3 反应时间对分子量及产率的影响

图6和图7研究了反应时间对聚合物分子量和产率的影响。单体配比NIP/BMA=98:2，反应温度为60℃，引发剂用量为3×10-3mol/L，随着反应时间延长，聚合物分子量和产率都随之增大，当反应时间为6 h时，分子量和产率基本恒定，说明此时聚合反应基本完成。

图6 分子量随时间的变化曲线

图7 聚合物产率随时间的变化曲线

Fig7Thecurveofproductivityofpolymerstoreactiontime

3.4 引发剂用量对特性粘数及分子量的影响

表2反映了引发剂浓度对聚合反应的影响。随着引发剂浓度的提高，聚合物的特性粘数和分子量逐渐降低，符合自由基聚合规律。

表2引发剂用量对特性粘数及分子量的影响

Table2Effectoftheinitiatorontheintrinsicviscosityandthemolecularweightofpolymers

No.C(mol/L)NIP/BMA(molar ratio)I×103(mol/L)[η]M(106)11.098/221.080.5621.098/235.4614.1831.098/265.0612.2041.098/284.7210.5951.098/2104.027.72

3.5 单体配比对聚合物的相变温度及相变时间的影响

表3反应了单体配比对聚合物的相变温度及相变时间的影响。聚合物的LCST随着聚合物中BMA含量的增加呈规律性降低。因为共聚单体N上烷基取代基的体积越大，所得凝胶的LCST越低[12]。

考虑到聚合物作为栓塞材料的实际应用，选择在36℃(人体温度)测定相变时间。在30 s以内，聚合物从水溶液中完全沉析出来，变成固体；测定相变的可逆性时，聚合物溶液在36℃固化1 min，测定在20℃冷却时的时间。结果发现，随着聚合物中BMA含量的增加，聚合物从溶液状态到固体的转变时间逐渐变小，所有的聚合物都在30 s内完成相变；从固化状态到溶液的可逆变化，则是随着聚合物中BMA含量的增加，时间逐渐延长，BMA含量为8%的共聚物的相变时间大于6 min。

表3单体配比对聚合物的相变温度及相变时间的影响

Table3TheeffectofthemonomerratioontheLCSTandphasetransitiontimeofpolymers

No.C(mol/L)NIP/BMA(molar ratio)LCST(℃)液体—固体(s)固体—液体(s)11.092/826.770.5-5>36021.095/530.531-612731.098/232.552-76841.099/135.293-103151.0100/036.536-3012

聚合物中存在亲水/疏水平衡，-NHCO-为亲水基团，而-CH(CH3)2和- CH2CH2CH2CH3为疏水基团，温度升高，亲水基团与水分子形成的氢键作用减弱，疏水基团间的相互作用加强，高分子链通过疏水作用互相聚集，发生相变，聚合物从溶液状态变为凝胶状态。在聚合物结构中引入疏水性更强的- CH2CH2CH2CH3基团，降低了整个凝胶网络结构的亲水/疏水比，亲水基团与水分子形成氢键数目减少，故需要较少的能量即可以破坏这些氢键，聚合物链更易聚集，因此，相变更容易发生，LCST也相应降低。

3.6 盐溶液对聚(NIP-co-BMA)的LCST的影响

将聚合物溶于一定浓度的NaCl溶液中，测定聚合物的LCST(见图8)，结果发现，随着NaCl溶液浓度的增加，聚合物的LCST逐渐降低，这是因为溶液体系中的盐离子的存在，使自由水变成了盐离子的水化水，削弱了共聚物与水分子之间的氢键，破坏了温敏物分子表面的水化层，导致了其疏水性增加[9]。

图8盐溶液浓度对聚合物LCST的影响样品：1:92/8；2:95/5； 3:98/2； 4:99/1； 5:100/0;Sample: 1:92/8；2:95/5； 3:98/2； 4:99/1； 5:100/0

Fig8TheeffectofthesaltconcentrationontheLCSTofthepolymersolution

3.7 显影剂碘海醇对聚(NIP-co-BMA)的相转变时间以及产品粘度的影响

在不影响聚合物沉淀栓塞的前提下，将显影剂碘海醇溶于聚合物的溶液中，测得相变时间和粘度，见表4，由此可以看出，随着显影剂的加入，聚合物的沉淀时间延长，同时粘度略有增大。

表4显影剂对相变时间和粘度的影响

Table4Theeffectoftheeikonogenonthephasetransitiontimeandtheviscocityofpolymers

No.NIP/BMA(molar ratio)时间N(s)时间H(s)粘度N(mpa﹒s)粘度H(mpa﹒s)192/85925 56295/56112658398/27122760499/1101825575100/030482761

N表示不含显影剂，H表示含显影剂

4 结论

(1)在聚合过程中，粘度和分子量随反应温度的升高而升高，当达到最佳温度后，则呈下降趋势；随着反应时间的延长，分子量和产率逐渐增大并趋于稳定；随着引发剂浓度的提高，聚合物的特性粘数和分子量逐渐降低；随着BMA单体浓度的增加，聚合物的LCST逐渐降低，聚合物从溶液状态到固体的转变时间逐渐变小，从固体到溶液状态的转变时间逐渐延长；当反应温度为60℃，反应时间为6 h，引发剂浓度为3×10-3-6×10-3mol/L时，单体配比NIP/BMA=98/2—95/5时，所得聚合物的粘度范围约55～60 mpa·s，能顺利通过导管，达到栓塞治疗动脉瘤的目的。

(2)随着盐溶液浓度的增加，聚合物的LCST逐渐降低。显影剂的加入，使沉淀时间延长，同时使粘度增加。