溫敏性水凝膠是一種水溶性的聚合物體系,可隨著環境溫度的變化改變其自身的親疏水性和凝膠網絡的尺寸及體積,發生溶膠-凝膠或凝膠-溶膠相轉變[1].
由于其臨界凝膠化轉變溫度\\(Tgel\\)接近人體生理環境溫度,且可調控,所以溫敏性水凝膠受到了研究者們的廣泛關注[2-8].溫敏性物理交聯水凝膠在凝膠形成過程中不涉及化學反應,分子鏈間的交聯通過非共價的物理作用力\\(如疏水相互作用、范德華力、氫鍵及鏈段纏結等\\)形成.與化學交聯相比,溫敏性物理交聯水凝膠在無偶聯劑、光輻照、有機溶劑條件下,僅通過改變環境溫度即可發生相變[1,9].因此,溫敏性物理交聯水凝膠在藥物控釋載體、活性細胞封裝、組織修復工程等領域有廣闊的應用前景[10].
典型的生物可降解溫敏性物理交聯水凝膠\\(BT-PCH\\)由可生物降解的疏水性鏈段A和親水性鏈段B構成,為兩親性共聚物[9].BTPCH通過疏水相互作用,保持體系的疏水-親水性平衡.當A鏈段過長時,BTPCH不溶于水;相反,如果B鏈段過長時,BTPCH在升溫時不發生溶膠-凝膠轉變.
A鏈段可為脂肪族聚酯、脂肪族聚碳酸酯、殼聚糖、聚磷腈、多肽等生物可降解聚合物[11].B鏈段通常為聚乙二醇\\(PEG\\)或聚氧化乙烯\\(PEO\\),其末端基-OH可被其他官能團所替代[12].PEG有線型和支化結構,通過嵌段共聚或接枝共聚,可制備二嵌段、三嵌段、多嵌段、多支化等拓撲結構的共聚物體系.
1二嵌段BPCTH體系\\(A-b-B\\)
1997年,Jeong等[13]在《Nature》上首次報道了由單端羥基的PEG引發L-丙交酯的開環聚合所制備的PEG-b-聚左旋丙交酯\\(PLLA\\)二嵌段BPCTH,當溫度升高時,PEG-b-PLLA呈現凝膠-溶膠相轉變.通過調控嵌段共聚物的共聚組成,可改變PEG-b-PLLA的Tgel.對于具有相同PEG嵌段長度的PEG-b-PLLA共聚物,隨著PLLA鏈段長度的增大,臨界凝膠濃度\\(CGC\\)降低,凝膠化窗口變寬;而PLLA嵌段長度相同時,隨著PEG嵌段長度的增加,CGC升高,凝膠化窗口變窄\\(Fig.1a\\).其他二嵌段BPCTH有PEG-b-聚己 內 酯 \\(PCL\\)[14]和PEG-b-聚 乙 丙 交 酯 \\(PL-GA\\)[15].由于這些二嵌段BPCTH在溫度升高時發生凝膠-溶膠相轉變\\(Fig.1a\\),因此限制了其在生物醫學領域的應用.
2三嵌段BPCTH體系
2.1 B-A-B體系
Jeong等[13]首先報道了基于PEG-PLLA-PEG嵌段共聚物的BPCTH.該聚合物采用兩步開環聚合法制備,首先以單端羥基的PEG為引發劑,合成了PEG-b-PLLA兩嵌段共聚物,再以1,6-己二異氰酸酯\\(HM-DI\\)為偶聯劑,反應得到了以PLLA為中心的三嵌段共聚物PEG-PLLA-PEG[15].在45℃水溶液中,該聚合物呈溶膠狀,當溫度降至37 ℃時開始形成凝膠.
Tgel與共聚物組成有關,隨著PLLA鏈段的增長而呈升高趨勢\\(Fig.1b\\).Li等[16]在原有合成方法的基礎上采用鋅粉作為催化劑,替代了具有細胞毒性的辛酸亞錫,并 以已二酰氯為偶聯劑,替 代 了 較 難 水 解 的HMDI偶聯氨酯鍵.當溫 度升 高至34 ℃時,PEG-PLA-PEG體系\\(30%水溶液,相對分子質量為5000-4600-5000\\)發生凝膠-溶膠轉變.
由于PEG-PLLA-PEG三嵌段BPCTH隨著溫度升高發生凝膠-溶膠轉變,限制了其應用.通過改變疏水嵌段的種類,Park等[17]合成了PEG-PLGA-PEG三嵌段BPCTH\\(相對分子質量750-3500-750\\),隨著溫度的升高,該共聚物發生溶膠-凝膠轉變.其凝膠化機理為:加熱導致膠束核間的疏水相互作用增強,從而引起宏觀的液-液相分離.
PEG、PLGA鏈段長度、PL-GA嵌段的共聚組成 \\(LA/GA摩爾比\\)可顯著影響PEG-PLGA-PEG的凝膠化行為.此外,溶液中的添加劑\\(如NaCl、NaSCN、游離的PEG\\)的存在也影響體系的凝膠化行為.
PEG-PLGA-PEG可用作藥物載體,其水溶液可在較低的溫度下與藥物混合,注射入活體內可原位形成凝膠.但PEG-PLGA-PEG共聚物呈粘糊狀,較難溶解,且溶解時間較長[19].Jeong等[13]、Gong等[20]制備了可快速溶解的PEG-PCL-PEG三嵌段BPCTH,并采用試管翻轉法研究了其相變行為\\(Fig.2\\).結果表明,PEG-PCL-PEG在升溫過程中發生溶膠-凝膠-溶膠相變,相變過程主要取決于共聚物中的PEG/PCL比例、各嵌段相對分子質量以及溶液成分.Ding等[21]在PEG-PPG-PEG\\(Pluronic凝膠\\)基礎上,引入丙烯?；舛说亩替溇廴樗?制備了兩親性的大分子單體.該大分子單體可在水中自組裝形成膠束,并在40℃引發劑作用下生成化學交聯的納米凝膠.當溫度升高時,納米凝膠通過疏水締合作用形成宏觀可見的物理交聯凝膠,為制備BPCTH提供了一種新途徑.
2.2 A-B-A體系
A-B-A型BPCTH的合成過程不需要B-A-B型BPCTH的 偶 聯 步 驟,并 且 具 有 更 寬 的 凝 膠 窗 口\\(Fig.2\\)[3]和較高的凝膠模量[9].這是因為A-B-A型BPCTH有2個疏水嵌段,能夠在不同膠束之間形成架橋,生成膠束網絡結構,而B-A-B型BPCTH在水溶液中只形成規整的膠束.Ding等[22]合成了具有不同基團封端的PLGA-PEG-PLGA,發現其物理凝膠化行為呈現顯著的端基效應.在25℃時,羥基封端的PLGA-PEG-PLGA\\(相對分子質量900-1000-900\\)水溶液以溶膠態存在,對應的乙酸酯和丙酸酯封端的PLGA-PEG-PLGA發生溶膠-凝膠相轉變,而正丁酸酯封端的PLGA-PEG-PL-GA則在水中沉淀\\(Fig.3\\).他們還發現通過改變2種不同相對分子質量\\(相對分子質量分別為1255-1500-1255和1571-1000-1571\\)的PLGA-PEG-PLGA的混合比例,可調節PLGA-PEG-PLGA體系的Tgel[7].
PLA有2個 對 映 體,即PLLA和 聚 右 旋 乳 酸\\(PDLA\\)[23].Fujiwara等[24]報道了以PLLA/PDLA立構復合作為凝膠化驅動力的BPCTH體系,制備了高力學強度的物理凝膠.
PLLA-PEG-PLLA和PD-LA-PEG-PDLA的1∶1混合水溶液在一定溫度下呈溶膠狀態,當溫度升高時呈現溶膠-凝膠轉變,而相同條件下單獨的PLLA-PEG-PLLA或PDLA-PEG-PDLA水溶液沒有發生溫度響應的凝膠化轉變.該BPCTH體系的凝膠機理為:溫度升高引起PEG鏈段脫水和膠束間PLLA/PDLA鏈段交錯,進而通過膠束核層的立體復合結晶化,引起膠束聚集\\(Fig.4\\).
雖然立構復合結構的BPCTH體系的力學強度比一般三嵌段BPCTH較高\\(37℃、10%水溶液,儲能模量約900Pa\\)[24],但其力學強度尚無法達到注射植入材料的要求,所以必須提高BPCTH的力學強度.Abebe等[5]將相對分子質量為800-2000-800和800-3350-800的PLA-PEG-PLA預混合,改變原有膠束的單一 結 構,制 備 了 立 構 混 合 膠 束. 該BPCTH在4℃~80℃較寬的溫度范圍內呈現相變溫度可控的溶膠-凝膠轉變,其20%水溶液在37 ℃發生凝膠化轉變時最大儲能模量達到6000Pa.
3多嵌段BPCTH體系
由于三嵌段BPCTH體系總相對分子質量較低,導致其宏觀上較差的力學性能.Lee等[25]合成了具有交替PEG和PLLA鏈段的\\(PEG-PLLA\\)n多嵌段共聚物,使聚合物的相對分子質量增加\\(5800~7800\\),在相對較低濃度下聚合物水溶液呈現瞬時溫度響應的溶膠-凝膠轉變.他們發現當\\(PEG-PLLA\\)n中PLLA嵌段的相對分子質量超過1500或多嵌段共聚物總相對分子質量超過7800時,\\(PEG-PLLA\\)n將不溶于水.此外,Jeong等[26]研究了立體化學結構對多嵌段BPCTH凝膠化行為的影響,相對于無定形的\\(PEG-PDLLA\\)n多嵌段共聚物,立構規整的\\(PEG-PLLA\\)n多嵌段共聚物水溶液具有更低的臨界凝膠濃度和溶膠-凝膠轉變溫度、更寬的凝膠化區域、更高的凝膠儲能模量.
Chung等[3]制備了基于Pluronic凝膠的\\(PDLA-PEG-PPG-PEG-PDLA\\)n/\\(PLLA-PEG-PPG-PEG-PLLA\\)n多嵌段立體復合凝膠,經HMDI偶聯,共聚物總相對分子質量達到5×104以上,凝膠最大儲能模量高達16.4kPa\\(17.5%水溶液,37 ℃\\).該BPCTH體系在溫度升高時自發形成立構復合結晶,為膠束之間的聚集提供了額外的物理交聯點,從而大幅增加了凝膠的強度.
4接枝共聚BPCTH體系
B-A-B型嵌段共聚物通常采用兩步法合成,加入的偶聯劑HMDI要求在嚴格無水條件下反應.另外,因嵌段共聚物的線型拓撲結構,通常相對分子質量較低.研究者普遍認為基體聚合物的總相對分子質量越大,凝膠的力學強度越高[25],接枝共聚是提高凝膠化聚合物相對分子質量和凝膠力學強度的一種有效途徑[27].早期研究的接枝共聚BPCTH有PEG-g-PL-GA[27]、PLGA-g-PEG[28,29],其臨界凝膠濃度在16%~25%之間.
PEG-g-PLGA共聚物的主鏈為親水性的PEG,所形成凝膠的降解時間為7d左右,而PLGA-g-PEG共聚物主鏈為疏水性的PLGA,形成的凝膠降解時間相對較長.Cho等[30]將氨基酸酯\\(異亮氨酸乙酯、雙甘肽丙烯酯\\)和PEG隨機地接枝到聚磷腈主鏈上,通過改變親/疏水官能團的比例、PEG側鏈長度和聚合物溶液的濃度,得到相變溫度可控的BPCTH,其共聚物水溶液在較低濃度下\\(6%~10%\\)即可形成凝膠.
最近,Tian等[31]將 單 端 羥 基 封 端 的 聚 乙 二 醇\\(mPEG\\)和甘氨酸乙酯\\(GlyEE\\)接枝到聚磷腈主鏈,添加α-環糊精,得到了可降解的溫敏性超分子水凝膠\\(最大相對分子質量為9.1×105\\),該凝膠以聚集的α-環糊精/PEG包合配合物側鏈為物理交聯點,以未被環糊精包合的PEG側鏈為親水鏈段,在特定溫度下可在短時間內發生凝膠-溶膠相轉變.
10%水溶液的接枝共聚物發生凝膠化后的最大儲能模量達18kPa,高出一般線型三嵌段共聚物BPCTH 2個數量級.這些結果表明,接枝共聚可以克服凝膠體系的相對分子質量限制,大大提高了BPCTH的力學強度.
5星形共聚BPCTH體系如上所述,多嵌段和接枝共聚物BPCTH凝膠的力學性能有所改善.與相同相對分子質量和共聚組分的線型共聚物相比,星形共聚物具有較小的流體力學半徑和較低的溶液黏度[32],在水溶液中可形成單分子膠束,其分支結構可加快膠束聚集物理交聯凝膠化過程[33].
Hiemstra等[34,35]報道了具有立構復合結構的星形PEG-b-\\(PLLA\\)8和PEG-b-\\(PDLA\\)8的BPCTH體系,通過流變學研 究 了PEG-b-\\(PLLA\\)8/PEG-b-\\(PDLA\\)8體 系 與PLLA-PEG-PLLA/PDLA-PEG-PDLA體系溶液性質的差異.結果表明,凝膠狀態下星形PEG-b-\\(PLLA\\)8/PEG-b-\\(PDLA\\)8混合體系比線 型PLLA-PEG-PLLA/PDLA-PEG-PDLA體 系 具有更高的交聯密度,因此立構復合的星形共聚物物理凝膠具有更高的彈性模量\\(10%水溶液,約7000Pa\\).
Nagahama等[36]制 備 了 八 臂 星 形PEG-b-\\(PLLA-PEG\\)8/PEG-b-\\(PDLA-PEG\\)8共混BPCTH體系\\(相對分子質量約為2.8×104\\).1∶1立構混合的星形共聚物水溶液在室溫下呈溶膠狀態,當溫度升高時瞬間形成凝膠,所制得凝膠在37℃時具有較高的儲能模量\\(約10kPa1PEG鏈段的長度外,共聚物的拓撲化學結構、相對分子質量及立體復合結晶等因素也顯著影響BPCTH的凝膠化和凝膠的物理性能.
6總結
本文綜述了生物可降解、溫敏性物理交聯水凝膠的制備方法、凝膠化行為與機理,以及影響凝膠性質的因素,為 制 備 新 的BPCTH材 料 提 供 了 重 要 思 路.
BPCTH聚合物必須具有親水-疏水平衡的分子結構,除了疏水/親水嵌段相對分子質量比率,疏水/親水嵌段長度也同樣影響聚合物的親水-疏水平衡.改變溶液中不同親/疏水共聚物的混合比例,能顯著影響體系的凝膠化行為與凝膠性能.聚合物的拓撲結構也是影響凝膠化和凝膠性能的重要因素,二嵌段共聚物隨溫度升高發生凝膠-溶膠相變,而三嵌段共聚物則可能發生溶膠-凝膠相變或溶膠-凝膠-溶膠可逆相變.采用多嵌段、接枝或星形拓撲結構,可顯著提高聚合物的相對分子質量,從而在宏觀上調控凝膠性能.疏水嵌段的化學結構也影響BPCTH的凝膠化,例如PEG-PLLA-PEG在溫度升高時發生凝膠-溶膠轉變,而PEG-PCL-PEG發生溶膠-凝膠-溶膠轉變.
BPCTH聚合物鏈的末端官能團對凝膠體系產生顯著的端基效應,影響體系的凝膠化行為.通過疏水鏈段之間的相互作用\\(如立構 復 合 結 晶 化\\)可 構 筑 具 有 新 的 凝 膠 機 理 的BPCTH體系,并可提高凝膠材料的力學性能,縮短凝膠化時間.
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