本發(fā)明涉及高分子聚合物技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及聚乙烯醇接枝聚合物、其制備方法與水凝膠及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

響應(yīng)性水凝膠可以通過物理或者化學(xué)法交聯(lián)的高分子制得。這類水凝膠對溫度、pH、光、電以及磁等展現(xiàn)出各種不同高的響應(yīng)，因此在生物醫(yī)藥領(lǐng)域(如組織工程學(xué)、藥物緩釋等)，液相色譜以及生物傳感器領(lǐng)域展現(xiàn)了多種應(yīng)用。

目前，響應(yīng)性高分子材料已經(jīng)有商業(yè)化的應(yīng)用。例如具有最低臨界溶液溫度(LCST)水凝膠已經(jīng)被用來作為藥物載體，實現(xiàn)藥物緩釋；在較低溫度下，LCST水凝膠具有親水性，可以穩(wěn)定地存在于血液中；當(dāng)溫度升高，LCST水凝膠變?yōu)橛H脂性，從而可以穿透細胞膜。

最典型的LCST高分子材料是聚異丙基丙烯酰胺，其濁點溫度大概為32℃，缺乏可調(diào)控性，而且聚異丙基丙烯酰胺不具有pH響應(yīng)性?？紤]到人體的特殊環(huán)境，藥物載體也應(yīng)該具有一定的pH響應(yīng)功能以及生物兼容性，才能更安全地在特定病變細胞中釋放藥物，實現(xiàn)靶向作用。因此合成兼具溫度與pH響應(yīng)的具有生物兼容性的高分子材料對于藥物釋放與輸運具有非常重要的意義。

美國專利(US.Pat.5,514,380)公開了一種聚酰胺-胺的低聚體，同時具有溫度與pH響應(yīng)，可以避免藥物注入身體后的急劇釋放。然而，該類低聚體形成凝膠的pH范圍非常窄(pH范圍7～7.4)，限制了藥物負載環(huán)境；又如專利US.Pat.No.5,476,909發(fā)明了一種具有生物降解性的具有溫度與pH響應(yīng)的三嵌段聚合物，這種共聚物包含疏水性的片段聚乳酸或者聚乙交脂以及親水性的聚乙二醇，其中疏水性片段存在會影響水凝膠作為藥物載體的溶脹能力與溶脹動力學(xué)，導(dǎo)致負載效率低。另外，該聚合物降解后的疏水嵌段由于難以溶于水，會在體內(nèi)積累，有可能對生物體產(chǎn)生副作用。

聚乙烯醇(PVA)是廣泛認可的生物兼容聚合物，美國食品藥物監(jiān)督局已經(jīng)批準了幾例PVA的體內(nèi)應(yīng)用，是比較理想的藥物載體。但純的PVA本身不具有溫度或pH響應(yīng)性，必須對其進行化學(xué)或物理改性，才能實現(xiàn)對環(huán)境刺激的響應(yīng)性。目前最廣泛采用的策略是在PVA中保留或者引入少量醋酸乙烯嵌段，使PVA具有溫度響應(yīng)性。最近，三個氨基酸的衍生物(甘氨酸、丙氨酸與纈氨酸)被用來替代PVA中的羥基，形成了一類氨基酸接枝的PVA溫度響應(yīng)高分子材料。

上述研究均成功地在PVA中引入溫度響應(yīng)基團，尚沒有報道直接在PVA接枝具有溫度以及pH雙響應(yīng)基團的前例。因此，需要提供一種同時具有溫度與pH雙響應(yīng)的聚乙烯醇聚合物。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題在于提供一種同時兼具溫度與pH雙響應(yīng)的聚乙烯醇接枝聚合物。

有鑒于此，本申請?zhí)峁┝艘环N具有式(Ⅰ)結(jié)構(gòu)的聚乙烯醇接枝聚合物，

其中，R為C1～C10的烷基，n為50～350，n₁為1～10。

優(yōu)選的，R為C1～C5的直鏈烷基，n₁為1～3。

優(yōu)選的，所述聚乙烯二醇接枝聚合物的結(jié)構(gòu)式如式(Ⅱ)或式(Ⅲ)所示，

其中，n為50～350。

本申請還提供了一種上述方案所述的聚乙烯醇接枝聚合物的制備方法，包括以下步驟：

將聚乙烯醇、溶劑與活化劑混合，得到活化后的聚乙烯醇；

將所述活化后的聚乙烯醇與具有式(Ⅳ)結(jié)構(gòu)的化合物反應(yīng)，得到聚乙烯醇接枝聚合物；

其中，R為C1～C10的烷基，n₁為1～10。

優(yōu)選的，所述活化劑為羰二咪唑，所述溶劑為二甲基亞砜。

優(yōu)選的，所述具有式(Ⅳ)結(jié)構(gòu)的化合物為N,N-二乙基-1,2-二胺或N,N-二甲基-1,3-二氨基丙烷。

優(yōu)選的，所述反應(yīng)的時間為10～90h。

優(yōu)選的，所述聚乙烯醇與活化劑的摩爾比為1：0.001～1：0.5，所述活化后的聚乙烯醇與所述具有式(Ⅳ)結(jié)構(gòu)的化合物的摩爾比為1：0.001～1：0.5。

本申請還提供了一種水凝膠，由上述方案所述的或上述方案所述的制備方法所制備的聚乙烯醇接枝聚合物與交聯(lián)劑反應(yīng)后得到。

本申請還提供了上述方案所述的水凝膠在藥物載體上的應(yīng)用。

本申請?zhí)峁┝艘环N具有式(Ⅰ)結(jié)構(gòu)的聚乙烯醇接枝聚合物，所述聚乙烯醇接枝聚合物中同時含有氨基甲酸酯基團(-O-NH-CO-)與叔胺基團，其中的氨基甲酸酯基團具有溫度響應(yīng)特性，而所述叔胺基團可以在不同pH下被質(zhì)子化或去質(zhì)子化。因此，本申請?zhí)峁┑木垡蚁┐冀又酆衔锛婢邷囟扰cpH雙響應(yīng)。另一方面，由所述聚乙烯醇接枝聚合物制備得到的水凝膠具有較好的可逆溶脹與退脹性能，且可作為藥物載體，具有較好的藥物緩釋性能。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例1聚乙烯醇接枝氨基甲酸-二乙基-1,2-二胺(PVA-DEEDA-t)的制備過程圖；

圖2為具有不同胺基甲酸-二乙基-1,2-二胺接枝比例的PVA-DEEDA-t系列的核磁圖譜；

圖3為實施例1制備的聚乙烯醇接枝聚合物不同反應(yīng)時間與替代率的關(guān)系曲線圖；

圖4為實施例1制備的不同替代比例的PVA-DEEDA的水溶液的溫度響應(yīng)曲線圖；

圖5為PVA-DEEDA-90h水溶液的溫度與pH響應(yīng)的數(shù)據(jù)曲線圖；

圖6為PVA-DEEDA-90h水凝膠結(jié)構(gòu)式圖與實物圖片；

圖7為PVA-DEEDA-90h水凝膠溶脹與去溶脹過程的曲線圖；

圖8為PVA-DEEDA-90h水凝膠在不同溫度下的羅丹明釋放率曲線圖；

圖9為PVA-DEEDA-90h水凝膠在室溫下不同pH下的羅丹明釋放曲線圖；

圖10為本發(fā)明實施例2聚乙烯醇接枝聚合物的制備過程圖；

圖11為本發(fā)明實施例2制備的聚乙烯醇接枝聚合物的核磁圖譜；

圖12為本發(fā)明實施例1制備的PVA-DEEDA-90h在不同溫度下的核歐佛豪瑟效應(yīng)頻譜核磁譜圖。

具體實施方式

為了進一步理解本發(fā)明，下面結(jié)合實施例對本發(fā)明優(yōu)選實施方案進行描述，但是應(yīng)當(dāng)理解，這些描述只是為進一步說明本發(fā)明的特征和優(yōu)點，而不是對本發(fā)明權(quán)利要求的限制。

本發(fā)明實施例公開了一種具有式(Ⅰ)結(jié)構(gòu)的聚乙烯醇接枝聚合物，

其中，R為C1～C10的烷基，n為50～350，n₁為1～10。

在上述聚乙烯醇接枝聚合物中，R可以為C1～C10的直鏈烷基，可以是C1～C10的支鏈烷基，上述烷基中也可以含有取代基，對此本申請沒有特別的限制。作為優(yōu)選方案，所述R優(yōu)選為C1～C5的直鏈烷基，更優(yōu)選為甲基或乙基。所述n優(yōu)選為70～300，n₁優(yōu)選為1～3。所述聚乙烯醇接枝聚合物的分子量優(yōu)選為3000～4500。示例的，所述聚乙烯醇接枝聚合物的結(jié)構(gòu)式如式(Ⅱ)或式(Ⅲ)所示，

其中，n為50～350。

本申請還提供了所述聚乙烯醇接枝聚合物的制備方法，包括以下步驟：

將聚乙烯醇、溶劑與活化劑混合，得到活化后的聚乙烯醇；

將所述活化后的聚乙烯醇與具有式(Ⅳ)結(jié)構(gòu)的化合物反應(yīng)，得到聚乙烯醇接枝聚合物；

其中，R為C1～C10的烷基，n₁為1～10。

本申請以聚乙烯醇為原料，制備了含有氨基甲酸酯基團與叔胺基團的聚乙烯醇接枝聚合物。

在制備聚乙烯醇接枝聚合物的過程中，本申請首先將聚乙烯醇進行活化，即將聚乙烯醇、溶劑與活化劑混合，反應(yīng)后得到活化的聚乙烯醇。所述活化劑優(yōu)選為羰二咪唑，所述溶劑優(yōu)選為二甲亞砜。所述聚乙烯醇與所述活化劑的摩爾比優(yōu)選為1：0.001～1：0.5，更優(yōu)選為1:0.5；所述反應(yīng)的時間優(yōu)選為20～30℃。

本申請然后將活化后的聚乙烯醇與具有式(Ⅳ)結(jié)構(gòu)的化合物反應(yīng)，得到聚乙烯醇接枝聚合物；

在上述過程中，所述反應(yīng)的時間優(yōu)選為10～90h，所述活化后的聚乙烯醇與所述具有式(Ⅳ)結(jié)構(gòu)的化合物的摩爾優(yōu)選為1：0.001～1：0.5。本申請優(yōu)選通過控制反應(yīng)時間，可實現(xiàn)聚乙烯醇接枝替代率的控制。在反應(yīng)之后，本申請優(yōu)選將反應(yīng)后的產(chǎn)物與氨水混合，以去除未反應(yīng)的活化劑，并進行了后續(xù)提純。

本申請制備聚乙烯醇接枝聚合物的過程中，活化劑以羰二咪唑，具有式(Ⅳ)結(jié)構(gòu)的化合物以N，N-二乙基-1,2-二胺為例，所述聚乙烯醇接枝聚合物的制備過程具體如圖1所示，所述反應(yīng)時間依次為10h、30h、70h與90h，得到的聚乙烯醇接枝聚合物命名為PVA-DEEDA-10h、PVA-DEEDA-30h、PVA-DEEDA-70h和PVA-DEEDA-90h；若具有(Ⅳ)結(jié)構(gòu)的化合物以N，N-二甲基-1,3-二氨基丙烷為例，所述聚乙烯醇接枝聚合物的制備過程如圖10所示。

本申請?zhí)峁┑慕又垡蚁┐季酆衔锿瑫r具有氨基甲酸酯(-O-NH-CO-)與叔胺基團。其中，氨基甲酸酯基團具有溫度響應(yīng)特性；或者具有pH響應(yīng)特性。

具體的，根據(jù)核磁測試測試以及可見-紫外光透過實驗表明，氨基甲酸酯基團在相變溫度前后表現(xiàn)出明顯的分子結(jié)構(gòu)和聚集狀態(tài)的變化。如圖12所示，以PVA-DEEDA-90h為例子，其在25℃不會出現(xiàn)氨基甲酸酯中的-NH-基團與PVA主鏈的相互左右(兩基團氫-氫距離大于5埃)；然而，當(dāng)溫度升高到55℃，該聚合物中-NH-與PVA發(fā)生了相互明顯的NOE作用；因此，溫度引發(fā)了分子結(jié)構(gòu)的變化，同樣，可見-紫外光透過實驗(圖4與圖5)，表明了高溫引發(fā)了PVA-DEEDA-t系列聚合物的聚集。綜上，本申請?zhí)峁┑木垡蚁┐冀又酆衔锏臏囟软憫?yīng)特性，主要是由于PVA-DEEDA-t聚合物隨著溫度變化發(fā)生了分子結(jié)構(gòu)的變化，致使其分子間發(fā)生了團聚。

對于聚乙烯醇接枝聚合物的pH響應(yīng)功能，主要是由于叔胺基團可以在不同pH下被質(zhì)子化或去質(zhì)子化；對于叔胺基團，其理論的pK_a值為10.75；原則上，當(dāng)pH小于這個值時，叔胺基團就會被質(zhì)子化，變得完全解離于水中；而pH增大，可以限制叔胺基團的解離，加強PVA-DEEDA-t的整體框架的親水-疏水平衡。

本申請還提供了一種水凝膠，所述水凝膠由上述方案所述的或上述方案所述的制備方法所制備的聚乙烯醇接枝聚合物與交聯(lián)劑反應(yīng)后得到。

在水凝膠形成過程中，所述交聯(lián)劑為本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的交聯(lián)劑，對此本申請沒有特別的限制，示例的，所述交聯(lián)劑優(yōu)選為硼砂。所述聚乙烯醇接枝聚合物與交聯(lián)劑的質(zhì)量比優(yōu)選為1:0.1～1:0.4，所述反應(yīng)的時間優(yōu)選為1～3min。所述聚乙烯醇接枝聚合物以PVA-DEEDA-90t為例，所述水凝膠的結(jié)構(gòu)式與實物照片如圖6所示。

本申請?zhí)峁┑乃z具有較好的溶脹與退溶脹性，且在藥物緩釋等領(lǐng)域能夠得到很好的應(yīng)用；當(dāng)?shù)陀谔囟ǚ€(wěn)定溫度時，水凝膠負載的藥物可實現(xiàn)緩慢釋放且釋放率達到95％以上，高于濁點溫度時，釋放動力學(xué)急劇加快，且釋放只有50％左右；在酸性環(huán)境下，所述水凝膠可實現(xiàn)藥物完全釋放，且完全溶解。本發(fā)明所合成的凝膠藥物載體全部為親水片段，可逐漸被人體代謝，不會在體內(nèi)積累產(chǎn)生副作用；相對于以往基于PVA聚合物的乙酸酯類溫度響應(yīng)高分子，本發(fā)明的PVA-DEEDA系列聚合物不易水解，從而溫度響應(yīng)功能具有更好的耐久性。

為了進一步理解本發(fā)明，下面結(jié)合實施例對本發(fā)明提供的聚乙烯醇接枝聚合物的制備方法與水凝膠進行詳細說明，本發(fā)明的保護范圍不受以下實施例的限制。

實施例1

將5g的聚乙烯醇加入到200mL的二甲亞砜溶劑中，待充分溶解后，再加入9.2g的羰二咪唑，室溫下(20～30℃)攪拌0.5h，得到活化的聚乙烯醇；

將活化后的聚乙烯醇緩慢地加入8mL的N,N-二乙基-1,2-二胺(用時10min)，在室溫下分別攪拌10h、30h、70h與90h，得到具有不同氨基甲酸-二乙基-二胺基取代比例的聚乙烯醇接枝聚合物；

反應(yīng)完成后，將得到的聚乙烯醇接枝聚合物加入50mL20％氨水，攪拌0.5h以便去除未反應(yīng)的羰二咪唑；隨后，通過加入大量丙酮，產(chǎn)物以白色沉淀形式沉淀出來，過濾，收集，為了進一步純化產(chǎn)物，采用透析方式，將產(chǎn)物對水透析48h。

圖1為本發(fā)明聚乙烯醇接枝氨基甲酸-二乙基-1,2-二胺(PVA-DEEDA-t)的制備過程圖；

圖2為具有不同胺基甲酸-二乙基-1,2-二胺接枝比例的PVA-DEEDA-t系列的核磁圖譜，根據(jù)圖2可知，本申請的聚乙烯醇接枝聚合物能夠成功制備。

通過反應(yīng)時間，可以控制聚乙烯醇接枝的替代率，其值定義為：

$\frac{n}{n_o}\×100\%$

其中，n為胺基甲酸-二乙基-1,2-二胺基團的摩爾數(shù)，n₀為原聚乙烯醇的羥基的摩爾數(shù)；圖3為不同反應(yīng)時間與替代率的關(guān)系曲線圖，由圖3可知，通過控制反應(yīng)時間，可以將替代率控制在5％～20％之間；若反應(yīng)時間更長，無法再明顯的增加替代率。

本申請研究了具有不同胺基甲酸脂-二乙基-1,2-二胺基團替代率的聚乙烯醇[PVA-DEEDA-t(其中t為10,30,70與90，代表反應(yīng)時間)]的溫度響應(yīng)性能。將PVA-DEEDA-t溶于純水中配置為2.5wt％的溶液，通過紫外可見光譜，研究上述溶液在不同溫度下的透過率，實驗結(jié)果如圖4所示，圖4為不同替代比例(即反應(yīng)時間不同)的PVA-DEEDA的水溶液的溫度響應(yīng)曲線圖，透過率降低到50％以下的溫度點為濁點，由圖4可知，隨著替代率的升高，濁點溫度下降。

本申請以高替代率的PVA-DEEDA-90h為例，研究了其pH響應(yīng)性能，如圖5所示，圖5為PVA-DEEDA-90h水溶液的溫度與pH響應(yīng)的數(shù)據(jù)曲線圖，由圖5可知，在酸性條件下，PVA-DEEDA-90h不具有溫度響應(yīng)，而在堿性條件下，溫度響應(yīng)變得更加明顯。

實施例2

將上述實施例制備的PVA-DEEDA-90h與硼砂以摩爾比1:0.4反應(yīng)，得到PVA-DEEDA-90h水凝膠。如圖6所示，圖6為PVA-DEEDA-90h水凝膠結(jié)構(gòu)式(圖6a)與實物圖片(圖6b)。

如圖7所示，圖7為PVA-DEEDA-90h水凝膠溶脹與去溶脹過程的曲線圖，由圖7可知，該水凝膠展現(xiàn)出較好的可逆溶脹與退脹性能，溶脹后，水吸附量是原重量的1.25倍。

以羅丹明作為模型藥物，研究上述水凝膠在藥物緩釋方面的應(yīng)用，具體研究了該水凝膠的藥物釋放動力學(xué)，如圖8與圖9所示，圖8為PVA-DEEDA-90h水凝膠在不同溫度下的羅丹明釋放率曲線圖，圖9為PVA-DEEDA-90h水凝膠在室溫下(23℃)不同pH下的羅丹明釋放曲線圖。

由圖8可知，PVA-DEEDA-90h水凝膠在4℃以及35℃可實現(xiàn)所負載藥物的長時間的緩釋，且釋放大于95％，而在55℃時，初始出現(xiàn)非常劇烈的藥物釋放，而后，可能由于LCST溫度響應(yīng)效應(yīng)，PVA-DEEDA-90h水凝膠形成了疏水層，從而導(dǎo)致藥物無法繼續(xù)釋放，其釋放率只有50％左右。由圖9可知，該水凝膠在酸性下釋放動力學(xué)與比率高于堿性條件下。

實施例3

將5g的聚乙烯醇加入到200mL的二甲亞砜溶劑中，待充分溶解后，再加入9.2g的羰二咪唑，室溫下(20～30℃)攪拌3h，得到活化的聚乙烯醇；

將活化后的聚乙烯醇緩慢地加入9mL的N,N-二甲基-1,3-二氨基丙烷(用時10min)，在室溫下分別攪拌20h，得到聚乙烯醇接枝聚合物；

反應(yīng)完成后，將得到的聚乙烯醇接枝聚合物加入50mL20％氨水，攪拌0.5h以便去除未反應(yīng)的羰二咪唑；隨后，通過加入大量丙酮，產(chǎn)物以白色沉淀形式沉淀出來，過濾，收集，為了進一步純化產(chǎn)物，采用透析方式，將產(chǎn)物對水透析48小時。

如圖10所示，圖10為本發(fā)明聚乙烯醇接枝聚合物的制備過程圖；圖11為本實施例制備的聚乙烯醇接枝聚合物的核磁圖譜，根據(jù)圖11可知，本實施例的聚乙烯醇接枝聚合物能夠成功制備。

以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對本發(fā)明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)。

對所公開的實施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。