温敏性水凝胶是一种水溶性的聚合物体系,可随着环境温度的变化改变其自身的亲疏水性和凝胶网络的尺寸及体积,发生溶胶-凝胶或凝胶-溶胶相转变[1].
由于其临界凝胶化转变温度(Tgel)接近人体生理环境温度,且可调控,所以温敏性水凝胶受到了研究者们的广泛关注[2-8].温敏性物理交联水凝胶在凝胶形成过程中不涉及化学反应,分子链间的交联通过非共价的物理作用力(如疏水相互作用、范德华力、氢键及链段缠结等)形成.与化学交联相比,温敏性物理交联水凝胶在无偶联剂、光辐照、有机溶剂条件下,仅通过改变环境温度即可发生相变[1,9].因此,温敏性物理交联水凝胶在药物控释载体、活性细胞封装、组织修复工程等领域有广阔的应用前景[10].
典型的生物可降解温敏性物理交联水凝胶(BT-PCH)由可生物降解的疏水性链段A和亲水性链段B构成,为两亲性共聚物[9].BTPCH通过疏水相互作用,保持体系的疏水-亲水性平衡.当A链段过长时,BTPCH不溶于水;相反,如果B链段过长时,BTPCH在升温时不发生溶胶-凝胶转变.
A链段可为脂肪族聚酯、脂肪族聚碳酸酯、壳聚糖、聚磷腈、多肽等生物可降解聚合物[11].B链段通常为聚乙二醇(PEG)或聚氧化乙烯(PEO),其末端基-OH可被其他官能团所替代[12].PEG有线型和支化结构,通过嵌段共聚或接枝共聚,可制备二嵌段、三嵌段、多嵌段、多支化等拓扑结构的共聚物体系.
1二嵌段BPCTH体系(A-b-B)
1997年,Jeong等[13]在《Nature》上首次报道了由单端羟基的PEG引发L-丙交酯的开环聚合所制备的PEG-b-聚左旋丙交酯(PLLA)二嵌段BPCTH,当温度升高时,PEG-b-PLLA呈现凝胶-溶胶相转变.通过调控嵌段共聚物的共聚组成,可改变PEG-b-PLLA的Tgel.对于具有相同PEG嵌段长度的PEG-b-PLLA共聚物,随着PLLA链段长度的增大,临界凝胶浓度(CGC)降低,凝胶化窗口变宽;而PLLA嵌段长度相同时,随着PEG嵌段长度的增加,CGC升高,凝胶化窗口变窄(Fig.1a).其他二嵌段BPCTH有PEG-b-聚己 内 酯 (PCL)[14]和PEG-b-聚 乙 丙 交 酯 (PL-GA)[15].由于这些二嵌段BPCTH在温度升高时发生凝胶-溶胶相转变(Fig.1a),因此限制了其在生物医学领域的应用.
2三嵌段BPCTH体系
2.1 B-A-B体系
Jeong等[13]首先报道了基于PEG-PLLA-PEG嵌段共聚物的BPCTH.该聚合物采用两步开环聚合法制备,首先以单端羟基的PEG为引发剂,合成了PEG-b-PLLA两嵌段共聚物,再以1,6-己二异氰酸酯(HM-DI)为偶联剂,反应得到了以PLLA为中心的三嵌段共聚物PEG-PLLA-PEG[15].在45℃水溶液中,该聚合物呈溶胶状,当温度降至37 ℃时开始形成凝胶.
Tgel与共聚物组成有关,随着PLLA链段的增长而呈升高趋势(Fig.1b).Li等[16]在原有合成方法的基础上采用锌粉作为催化剂,替代了具有细胞毒性的辛酸亚锡,并 以已二酰氯为偶联剂,替 代 了 较 难 水 解 的HMDI偶联氨酯键.当温 度升 高至34 ℃时,PEG-PLA-PEG体系(30%水溶液,相对分子质量为5000-4600-5000)发生凝胶-溶胶转变.
由于PEG-PLLA-PEG三嵌段BPCTH随着温度升高发生凝胶-溶胶转变,限制了其应用.通过改变疏水嵌段的种类,Park等[17]合成了PEG-PLGA-PEG三嵌段BPCTH(相对分子质量750-3500-750),随着温度的升高,该共聚物发生溶胶-凝胶转变.其凝胶化机理为:加热导致胶束核间的疏水相互作用增强,从而引起宏观的液-液相分离.
PEG、PLGA链段长度、PL-GA嵌段的共聚组成 (LA/GA摩尔比)可显着影响PEG-PLGA-PEG的凝胶化行为.此外,溶液中的添加剂(如NaCl、NaSCN、游离的PEG)的存在也影响体系的凝胶化行为.
PEG-PLGA-PEG可用作药物载体,其水溶液可在较低的温度下与药物混合,注射入活体内可原位形成凝胶.但PEG-PLGA-PEG共聚物呈粘糊状,较难溶解,且溶解时间较长[19].Jeong等[13]、Gong等[20]制备了可快速溶解的PEG-PCL-PEG三嵌段BPCTH,并采用试管翻转法研究了其相变行为(Fig.2).结果表明,PEG-PCL-PEG在升温过程中发生溶胶-凝胶-溶胶相变,相变过程主要取决于共聚物中的PEG/PCL比例、各嵌段相对分子质量以及溶液成分.Ding等[21]在PEG-PPG-PEG(Pluronic凝胶)基础上,引入丙烯酰基封端的短链聚乳酸,制备了两亲性的大分子单体.该大分子单体可在水中自组装形成胶束,并在40℃引发剂作用下生成化学交联的纳米凝胶.当温度升高时,纳米凝胶通过疏水缔合作用形成宏观可见的物理交联凝胶,为制备BPCTH提供了一种新途径.
2.2 A-B-A体系
A-B-A型BPCTH的合成过程不需要B-A-B型BPCTH的 偶 联 步 骤,并 且 具 有 更 宽 的 凝 胶 窗 口(Fig.2)[3]和较高的凝胶模量[9].这是因为A-B-A型BPCTH有2个疏水嵌段,能够在不同胶束之间形成架桥,生成胶束网络结构,而B-A-B型BPCTH在水溶液中只形成规整的胶束.Ding等[22]合成了具有不同基团封端的PLGA-PEG-PLGA,发现其物理凝胶化行为呈现显着的端基效应.在25℃时,羟基封端的PLGA-PEG-PLGA(相对分子质量900-1000-900)水溶液以溶胶态存在,对应的乙酸酯和丙酸酯封端的PLGA-PEG-PLGA发生溶胶-凝胶相转变,而正丁酸酯封端的PLGA-PEG-PL-GA则在水中沉淀(Fig.3).他们还发现通过改变2种不同相对分子质量(相对分子质量分别为1255-1500-1255和1571-1000-1571)的PLGA-PEG-PLGA的混合比例,可调节PLGA-PEG-PLGA体系的Tgel[7].
PLA有2个 对 映 体,即PLLA和 聚 右 旋 乳 酸(PDLA)[23].Fujiwara等[24]报道了以PLLA/PDLA立构复合作为凝胶化驱动力的BPCTH体系,制备了高力学强度的物理凝胶.
PLLA-PEG-PLLA和PD-LA-PEG-PDLA的1∶1混合水溶液在一定温度下呈溶胶状态,当温度升高时呈现溶胶-凝胶转变,而相同条件下单独的PLLA-PEG-PLLA或PDLA-PEG-PDLA水溶液没有发生温度响应的凝胶化转变.该BPCTH体系的凝胶机理为:温度升高引起PEG链段脱水和胶束间PLLA/PDLA链段交错,进而通过胶束核层的立体复合结晶化,引起胶束聚集(Fig.4).
虽然立构复合结构的BPCTH体系的力学强度比一般三嵌段BPCTH较高(37℃、10%水溶液,储能模量约900Pa)[24],但其力学强度尚无法达到注射植入材料的要求,所以必须提高BPCTH的力学强度.Abebe等[5]将相对分子质量为800-2000-800和800-3350-800的PLA-PEG-PLA预混合,改变原有胶束的单一 结 构,制 备 了 立 构 混 合 胶 束. 该BPCTH在4℃~80℃较宽的温度范围内呈现相变温度可控的溶胶-凝胶转变,其20%水溶液在37 ℃发生凝胶化转变时最大储能模量达到6000Pa.
3多嵌段BPCTH体系
由于三嵌段BPCTH体系总相对分子质量较低,导致其宏观上较差的力学性能.Lee等[25]合成了具有交替PEG和PLLA链段的(PEG-PLLA)n多嵌段共聚物,使聚合物的相对分子质量增加(5800~7800),在相对较低浓度下聚合物水溶液呈现瞬时温度响应的溶胶-凝胶转变.他们发现当(PEG-PLLA)n中PLLA嵌段的相对分子质量超过1500或多嵌段共聚物总相对分子质量超过7800时,(PEG-PLLA)n将不溶于水.此外,Jeong等[26]研究了立体化学结构对多嵌段BPCTH凝胶化行为的影响,相对于无定形的(PEG-PDLLA)n多嵌段共聚物,立构规整的(PEG-PLLA)n多嵌段共聚物水溶液具有更低的临界凝胶浓度和溶胶-凝胶转变温度、更宽的凝胶化区域、更高的凝胶储能模量.
Chung等[3]制备了基于Pluronic凝胶的(PDLA-PEG-PPG-PEG-PDLA)n/(PLLA-PEG-PPG-PEG-PLLA)n多嵌段立体复合凝胶,经HMDI偶联,共聚物总相对分子质量达到5×104以上,凝胶最大储能模量高达16.4kPa(17.5%水溶液,37 ℃).该BPCTH体系在温度升高时自发形成立构复合结晶,为胶束之间的聚集提供了额外的物理交联点,从而大幅增加了凝胶的强度.
4接枝共聚BPCTH体系
B-A-B型嵌段共聚物通常采用两步法合成,加入的偶联剂HMDI要求在严格无水条件下反应.另外,因嵌段共聚物的线型拓扑结构,通常相对分子质量较低.研究者普遍认为基体聚合物的总相对分子质量越大,凝胶的力学强度越高[25],接枝共聚是提高凝胶化聚合物相对分子质量和凝胶力学强度的一种有效途径[27].早期研究的接枝共聚BPCTH有PEG-g-PL-GA[27]、PLGA-g-PEG[28,29],其临界凝胶浓度在16%~25%之间.
PEG-g-PLGA共聚物的主链为亲水性的PEG,所形成凝胶的降解时间为7d左右,而PLGA-g-PEG共聚物主链为疏水性的PLGA,形成的凝胶降解时间相对较长.Cho等[30]将氨基酸酯(异亮氨酸乙酯、双甘肽丙烯酯)和PEG随机地接枝到聚磷腈主链上,通过改变亲/疏水官能团的比例、PEG侧链长度和聚合物溶液的浓度,得到相变温度可控的BPCTH,其共聚物水溶液在较低浓度下(6%~10%)即可形成凝胶.
最近,Tian等[31]将 单 端 羟 基 封 端 的 聚 乙 二 醇(mPEG)和甘氨酸乙酯(GlyEE)接枝到聚磷腈主链,添加α-环糊精,得到了可降解的温敏性超分子水凝胶(最大相对分子质量为9.1×105),该凝胶以聚集的α-环糊精/PEG包合配合物侧链为物理交联点,以未被环糊精包合的PEG侧链为亲水链段,在特定温度下可在短时间内发生凝胶-溶胶相转变.
10%水溶液的接枝共聚物发生凝胶化后的最大储能模量达18kPa,高出一般线型三嵌段共聚物BPCTH 2个数量级.这些结果表明,接枝共聚可以克服凝胶体系的相对分子质量限制,大大提高了BPCTH的力学强度.
5星形共聚BPCTH体系如上所述,多嵌段和接枝共聚物BPCTH凝胶的力学性能有所改善.与相同相对分子质量和共聚组分的线型共聚物相比,星形共聚物具有较小的流体力学半径和较低的溶液黏度[32],在水溶液中可形成单分子胶束,其分支结构可加快胶束聚集物理交联凝胶化过程[33].
Hiemstra等[34,35]报道了具有立构复合结构的星形PEG-b-(PLLA)8和PEG-b-(PDLA)8的BPCTH体系,通过流变学研 究 了PEG-b-(PLLA)8/PEG-b-(PDLA)8体 系 与PLLA-PEG-PLLA/PDLA-PEG-PDLA体系溶液性质的差异.结果表明,凝胶状态下星形PEG-b-(PLLA)8/PEG-b-(PDLA)8混合体系比线 型PLLA-PEG-PLLA/PDLA-PEG-PDLA体 系 具有更高的交联密度,因此立构复合的星形共聚物物理凝胶具有更高的弹性模量(10%水溶液,约7000Pa).
Nagahama等[36]制 备 了 八 臂 星 形PEG-b-(PLLA-PEG)8/PEG-b-(PDLA-PEG)8共混BPCTH体系(相对分子质量约为2.8×104).1∶1立构混合的星形共聚物水溶液在室温下呈溶胶状态,当温度升高时瞬间形成凝胶,所制得凝胶在37℃时具有较高的储能模量(约10kPa1PEG链段的长度外,共聚物的拓扑化学结构、相对分子质量及立体复合结晶等因素也显着影响BPCTH的凝胶化和凝胶的物理性能.
6总结
本文综述了生物可降解、温敏性物理交联水凝胶的制备方法、凝胶化行为与机理,以及影响凝胶性质的因素,为 制 备 新 的BPCTH材 料 提 供 了 重 要 思 路.
BPCTH聚合物必须具有亲水-疏水平衡的分子结构,除了疏水/亲水嵌段相对分子质量比率,疏水/亲水嵌段长度也同样影响聚合物的亲水-疏水平衡.改变溶液中不同亲/疏水共聚物的混合比例,能显着影响体系的凝胶化行为与凝胶性能.聚合物的拓扑结构也是影响凝胶化和凝胶性能的重要因素,二嵌段共聚物随温度升高发生凝胶-溶胶相变,而三嵌段共聚物则可能发生溶胶-凝胶相变或溶胶-凝胶-溶胶可逆相变.采用多嵌段、接枝或星形拓扑结构,可显着提高聚合物的相对分子质量,从而在宏观上调控凝胶性能.疏水嵌段的化学结构也影响BPCTH的凝胶化,例如PEG-PLLA-PEG在温度升高时发生凝胶-溶胶转变,而PEG-PCL-PEG发生溶胶-凝胶-溶胶转变.
BPCTH聚合物链的末端官能团对凝胶体系产生显着的端基效应,影响体系的凝胶化行为.通过疏水链段之间的相互作用(如立构 复 合 结 晶 化)可 构 筑 具 有 新 的 凝 胶 机 理 的BPCTH体系,并可提高凝胶材料的力学性能,缩短凝胶化时间.
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