简论凝胶经RAFT聚合制备PEG聚合物、生物分子复合物与其性能结论

摘要：可逆加成断裂链转移(RAFT)聚合是活性自由基聚合(LRP)的一种,可以运用于广泛的活性端基单体,制备复杂结构聚合物,技术上具有更显著的优势,利用RAFT聚合可以制备预定分子量和分子量分布窄的聚合物。此外,RAFT聚合还可用于各种自由基聚合的方式：溶液,乳浊液和悬浮聚合。在RAFT聚合反应中,通常加入双硫酯衍生物SC(Z)S—R作为链转移试剂,聚合中它与增加链自由基Pn·形成休眠的中间体(SC(Z)S—Pn),限制了增加链自由基之间的不可逆双基终止副反应,使聚合反应得以有效制约。这种休眠的中间体可自身裂解,以对应的硫原子上再释放出新的活性自由基R·,结合单体形成增加链,加成或断裂的速率要比链增加的速率快得多,双硫酯衍生物在活性自由基与休眠自由基之间迅速转移,使分子量分布降低,以而使聚合体现可控/"活性"特点。RAFT聚合是一个通用、容易实现的策略。各种共聚物都可以用RAFT聚合合成,包括无规,接枝,嵌段共聚物。功能聚合物不仅可以选择含功能基团的单体进行聚合得到,也可以通过RAFT试剂在聚合物链的末端的优势,通过化学反应连接上功能基团得到。有很多策略可以把RAFT聚合合成的聚合物末端的硫羰基进行功能改性。这其中包括二硫酯端基的还原成巯基,然后同乙烯基功能分子加成,或同一个新的自由基引发剂加成,形成一个新的大分子引发剂。近几年,运用RAFT聚合策略设计和合成新型高分子材料,例如基因／药物输送材料,生物材料,生物分子-高聚物复合物,有机-无机杂化材料,纳米粒子等等,取得了很大进展。蛋白做为基础的药物直接利用,有一个很显著的缺陷,那就是在体内,蛋白质容易被肾脏排除或由蛋白水解系统所消化,减少他们的治疗效果。把蛋白表面连接水溶性聚合物可以减弱蛋白质药物被免疫系统识别出来,以而增加蛋白质的循环时间。聚乙二醇(polyethylene glycol, PEG)是中性、无毒且具有良好的生物相溶性的高分子聚合物,20世纪70年代,PEG被用共价键连接到蛋白质表面上,这个蛋白质复合物被临床证明毒性很小,体内血浆循环时间有显著延长,同时,通过共价键连接到药用蛋白的PEG也提升了蛋白质溶解度,稳定性和减少蛋白水解速率,即提升治疗效率和蛋白质疗法的安全性。自1990年始,PEG已获美国食品和药物管理局(FDA)批准运用于药物领域。尽管药用蛋白的聚乙二醇化(PEGlated),即提升生物利用度和减少体内的免疫抗原有显著的好处,但还有着着一些固有的限制。传统的蛋白聚乙二醇化技术,需要使PEG在较温和的反应条件下与蛋白质偶联,也就是需将PEG活化,活化历程也就是对PEG链的末端进行改性,需要繁重的合成和纯化历程,没有实用价值。现已经证明,通过共价键连接得到的蛋白质上的聚合物显著降低蛋白的生物活性,其中很重要的影响因素就是聚合物的分子量和分子量分布,RAFT聚合可以得到预定的分子量(MWS)和分子量分布(PDI)狭窄的聚合物,同蛋白复合可以有利于保持蛋白活性,提升治疗效果。除此之外,利用RAFT聚合可以用更多的新单体来合成带功能基团聚合物,也可以很容易地得到端基带有反应功能基团的聚合物,通过化学反应,同蛋白相连,制备聚合物蛋白复合物。PEG除了修饰药用蛋白分子之外,利用PEG分子的亲水性和生物惰性,还可以制备PEG型的水凝胶,用在药物载体和制约释放领域。有些共价键在生物体内广泛有着,例如硫-硫键,在谷胱甘肽(GSH,在哺乳动物生物体内和原核细胞中,谷胱甘肽分布很广))有着下,可以断裂,由此,由硫-硫键连接的聚合物可以很容易的在生物体内被分解成小的片段以而被排出体外。以前不同交联策略(如光聚合或热引发),利用不同交联剂来制备PEG凝胶。然而,由于很难避开的残余有毒交联剂,使它们不能运用在生物医学或药学领域。由此,寻找新一代水凝胶所利用的交联剂就成为非常关键的因素,因为所需的交联剂必须是生物相容的,无毒的,并且要保证交联性能。生物素和卵白素像其他生物亲和对一样,有高亲和力(biotin-idin system, BAS)。生物素-亲和素系统是以生物素和亲和素具有的独特结合特性为基础,二者结合即可偶联抗原抗体等大分子生物活性物质,它们的结合迅速、专一、稳定。除了生物素-亲和素系统以外,利用环糊精同胆固醇之间的相互作用,也可以制备PEG凝胶,作为药物载体运用在生物医学领域。基于以上考虑,我们尝试利用RAFT聚合反应来制备聚(丙烯酸(聚乙二醇)酯)聚合物,并利用其容易端基功能化的特点,同药用蛋白相连,起到延长药用蛋白在体内的循环时间,降低酶解速率,提升疗效的作用。其次,就是利用PEG端基的功能基团,同生物分子连接,制备凝胶,期望能作为药物制约释放的载体利用。首先我们设计合成了三种不同结构的RAFT试剂,即生物分子没有反应活性的RAFT试剂,单官能团RAFT试剂和双官能团RAFT试剂,然后通过RAFT聚合制备了分子端基和中间带有可同蛋白质反应的活性基团的不同结构和不同分子量的聚(丙烯酸(聚乙二醇)酯)(poly(PEGMA)s),将其同蛋白质经过胺基偶联到蛋白质表面,得到了系列poly(PEGMA)蛋白质复合物,分别用凝胶色谱(GPS),聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE),核磁共振(NMR),紫外-可见色谱(UV-visible),三硝基苯磺酸(TNBS)等策略对所得复合物进行了表征。与传统的聚乙二醇化试剂相比,制备的聚乙二醇化试剂具有梳状结构,提升了其在蛋白质表面反应的选择性,由此,制备的聚(丙烯酸(聚乙二醇)酯)蛋白质复合物的生物活性远远大于传统的聚乙二醇化蛋白的生物活性。用不同分子量的丙烯酸(聚乙二醇)酯为单体制备了相同分子量但是侧枝长短不同的聚合物,并用它们同蛋白质连接制得复合物,所得复合物的生物活性如预期的一样,分子量较高的单体制备的聚合物,同蛋白质结合后有更多的生物活性。不同结构聚(丙烯酸(聚乙二醇)酯)聚合物同蛋白质结合的实验表明,聚合物的立体结构有利于保持蛋白质的生物活性。除了探讨聚(丙烯酸(聚乙二醇)酯)聚合物蛋白质复合物的生物活性外,还利用生物素同卵白素交联和胆固醇同环糊精相互作用制备了不同结构的可生物降解的PEG凝胶。一是成功合成了含有二硫键的聚乙二醇低聚物,通过端羟基的生物素化,生成了两端带有生物素的聚乙二醇低聚物,加入卵白素,通过生物素-卵白素的相互作用交联形成水凝胶。所形成的水凝胶在二硫苏糖醇(DTT)作用下分解,使凝胶解体。二是制备了一个含有环糊精的三臂化合物和一个含有胆固醇的三臂化合物,利用环糊精同胆固醇之间的相互作用,制备了凝胶,再利用硫-硫键的可生物降解特点,加入二硫苏糖醇使凝胶分解,希望能作为药物载体运用在生物医学领域。上面陈述的探讨证明,RAFT聚合策略可以方便的得到端基或中间带有活性基团的聚合物,用于聚合物蛋白复合物的制备,这种策略比传统的药用蛋白聚乙二醇化策略有显著的优势,避开聚乙二醇分高聚物的改性活化和繁琐的提纯历程,得到的梳状聚合物蛋白复合物的生物活性显著提升,如果运用于临床,可以显著提升蛋白药物的疗效。利用生物素同卵白素交联和胆固醇同环糊精相互作用制备的PEG凝胶,不仅生成了可生物降解的水凝胶,避开了有毒有害交联剂的运用,还在PEG直链中引入硫硫键,由于硫硫键的多少可以人为制约,由此,此种凝胶的生降解速率也可以根据需要而转变,以而进一步增加了聚合物在生物体内降解历程的可控性,在药物载体和制约释放领域,运用前景十分广阔。关键词：RAFT聚合论文聚乙二醇化论文生物活性论文生物降解论文凝胶论文

摘要11-15

ABSTRACT15-20

第一章 绪论20-57

1.1 前言20-22

1.2 RAFT聚合原理22-24

1.3 RAFT试剂的设计及作用24-25

1.4 RAFT聚合的运用25-26

1.4.1 嵌段或枝化共聚物的合成25-26

1.4.2 多臂聚合物的合成26

1.5 药用蛋白的PEG修饰26-32

1.5.1 PEG的生理特性26-27

1.5.2 PEG修饰药用蛋白的策略27-32

1.5.3 PEG饰药用蛋白运用前景32

1.6 PEG水凝胶32-34

1.7 本论文探讨内容及作用34-37

的形成及其解离115-116

4.4 小结116-117