阅读说明：本技术 一种壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物及其制备方法和应用 (Chitosan-based comb type amphiphilic temperature-sensitive polymer and preparation method and application thereof ) 是由 全志龙 周双华 杨柏超 于 2020-06-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种具有上临界溶解温度特性的壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物,基于组成及环境温度变化,此壳聚糖基两亲温敏性聚合物在水溶液分散体系中形成粒径在120nm～2000nm范围内可调控的胶束,在30～55℃范围内具有上临界溶解温度的温敏刺激-响应特性,这种具有上临界溶解温度特性的壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物可以作为温敏智能性药物载体应用。本发明还公开了上述壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物的制备方法。(The invention discloses a chitosan-based comb-type amphiphilic temperature-sensitive polymer with an upper critical solution temperature characteristic, based on composition and environmental temperature change, the chitosan-based amphiphilic temperature-sensitive polymer forms micelles with adjustable particle sizes within the range of 120 nm-2000 nm in an aqueous solution dispersion system, and has a temperature-sensitive stimulus-response characteristic of the upper critical solution temperature within the range of 30-55 ℃, and the chitosan-based comb-type amphiphilic temperature-sensitive polymer with the upper critical solution temperature characteristic can be used as a temperature-sensitive intelligent drug carrier. The invention also discloses a preparation method of the chitosan-based comb type amphiphilic temperature-sensitive polymer.)

一种壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及壳聚糖基智能材料技术领域，具体涉及的是一种具有上临界溶解温度特性的壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物及其制备方法和应用。

背景技术

壳聚糖主要来自虾、蟹的外壳，此类材料来源广泛，是自然界唯一大量存在的碱性阳离子多糖，生物毒性小，具有良好的组织相容性、生物可降解性和粘附作用等，在医学、生物学领域得到了深入研究和广泛应用。温敏性壳聚糖基接枝聚合物保留了壳聚糖基体的优良性能，且具有温度刺激-响应的能力。近年的研究发现，通过加入碱性盐、含羟基聚合物或对壳聚糖进行衍生化和接枝反应，可得到具有温度敏感性的壳聚糖基物理凝胶。Chenite等应用多元醇甘油磷酸钠中和壳聚糖反应后，得到了pH值中性且在常温下可长时间保持液态的壳聚糖-甘油磷酸钠复合物，该复合物是一种温敏性凝胶，即在室温或低于室温时可保持液态较长时间，而温度升高到生理体温(37℃)后，化合物发生凝胶化变成水凝胶；被认为有望成为一种可注射的、非肠道非静脉用药物载体，尤其是生物大分子制剂的载体和细胞支架材料(Chenite A,Chaput C,Wang D,Combes C,Buschmann M.D,Hoemann C.D,LerouxJ.C,Atkinson B.L,Binette F,Selmani A.Novel injectable neutral solutions ofchitosan form biodegradable gels in situ[J].Biomaterials,2000,21(21):2155～2161.)。又如专利申请号为201210220246.0的中国专利公开了一种温敏性壳聚糖衍生物-羟戊基壳聚糖及其制备方法，制备了一种具有低临界溶液温度为17℃(2％w_t/v)，而在生理温度37℃时可由液态迅速固化为稳定的凝胶态的壳聚糖基温敏材料。

温敏性聚合物材料的研究较多的集中于具有下临界溶解温度特性的体系，但是见诸报道的具有上临界溶解温度特性的聚合物体系并不多见。基于壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物，即壳聚糖基-g-烷基聚乙二醇且具有上临界溶解温度特性的梳型温敏性聚合物尚未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有上临界溶解温度特性的壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物，当温度在30～55℃的范围变化，该壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物在水溶液中因亲疏水性作用自组装形成胶束，组成和温度的变化影响其胶束的粒径在120nm～2000nm的范围内可调控，并具有上临界溶解温度的温敏刺激-响应特性，这种具有上临界溶解温度特性的壳聚糖基聚合物可以作为温敏智能性药物载体应用，随着温度变化对药物的释放速率和累计释放量进行调控。

本发明的目的还在于提供一种具有上临界溶解温度特性的壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物的制备方法，在常温条件下，以缩合-接枝的反应方式得到了一种具有上临界溶解温度特性的壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物，是以壳聚糖和烷基聚乙二醇缩水甘油醚类化合物为原料制备得到，所述壳聚糖基两亲温敏性聚合物的聚合物链中含有如式I～IV所示特征结构中的至少一种：

式I中，m1、m2和m3分别是整数，且m2不为零，

[(m1+m2)/(m1+m2+m3)]×100％的数值不大于所述壳聚糖的脱乙酰化度，且n1≥4，0≤n1’≤20，n2≥9，0≤n2’≤41，m≥3，0≤m’≤80；

式II中，m1、m2和m3分别是整数，且m2不为零，

[(m1+m2)/(m1+m2+m3)]×100％的数值不大于所述壳聚糖的脱乙酰化度，且n1≥4，0≤n1’≤20，n2≥9，0≤n2’≤41，m≥3，0≤m’≤80，y是不超过3的整数；X^-＝Cl^-,Br^-,I^-,Ac^-,HSO₄ ^-,HSO₃ ^-,NO₃ ^-；

式III中，m1、m2和m3分别是整数，且m2不为零，

[(m1+m2)/(m1+m2+m3)]×100％的数值不大于所述壳聚糖的脱乙酰化度，且n1≥4，n2≥9，m≥3；

式IV中，m1、m2和m3分别是整数，且m2不为零，

[(m1+m2)/(m1+m2+m3)]×100％的数值不大于所述壳聚糖的脱乙酰化度，n1≥4，n2≥9，m≥3，y是不超过3的整数；X^-＝Cl^-,Br^-,I^-,Ac^-,HSO₄ ^-,HSO₃ ^-,NO₃ ^-；

所述壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物的水溶液分散体系具有上临界溶解温度在30～55℃范围内可调控的温敏特性，且所述壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物自组装形成的胶束，其粒径随着温度的变化在120nm～2000nm的范围内可调控。

一种壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、先将壳聚糖溶于水或1wt％醋酸水溶液中，配成0.03wt％～5wt％的壳聚糖溶液；

步骤2、然后在室温搅拌下，向步骤1得到的壳聚糖溶液中加入结构中含-(CH₂CH₂O)_m-OC_n1H_n2和/或含-(CH₂CH₂O)_m’-OC_n1’H_n2’的烷基聚乙二醇缩水甘油醚类化合物，发生接枝反应，得到聚合物链中含有如式I或式III所示特征结构的壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物溶液，依次经过过滤、透析、冷冻干燥后，得目标产物，所述烷基聚乙二醇缩水甘油醚类化合物与所述壳聚糖中-NH₂的物质的量之比R_EP为0.001～2﹕1；

步骤3、进一步将含有式I或式III所示特征结构的壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物溶液质子化，即得到含有式II或式IV所示特征结构的质子化的壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物溶液，依次经过过滤、透析、冷冻干燥后，得到质子化的目标产物。

步骤1中，所述壳聚糖的脱乙酰化度≥60％，所述壳聚糖的粘度为5～1000mPa·s。

步骤1中，所述壳聚糖的脱乙酰化度≥90％，所述壳聚糖的粘度为5～500mPa·s。

步骤2中，加入的所述烷基聚乙二醇缩水甘油醚类化合物先溶于水/异丙醇混合溶剂中，形成烷基聚乙二醇缩水甘油醚类化合物的混合溶液，V_水/V_异丙醇＝3/7～7/3，所述烷基聚乙二醇缩水甘油醚类化合物的混合溶液的浓度为0.005mol/L～0.5mol/L。

步骤3中，所述质子化所用的试剂为盐酸、氢溴酸、氢碘酸、醋酸、硝酸、硫酸和亚硫酸中的至少一种，所述试剂中质子与步骤1的所述壳聚糖中-NH₂的物质的量之比R_p为0.001～1﹕1。

采用上述技术方案后，本发明一种壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物及其质子化聚合物，当温度升高或降低到30～55℃的范围内的临界溶解温度时，该壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物在水溶液中的分散-聚集状态将发生临界变化，宏观表现为聚合物的水溶液由

的临界突越性变化；微观表现为受温度变化影响，此壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物的胶束粒径在120nm～2000nm范围内可调控，具有上临界溶解温度的热敏刺激-响应特性。此类聚合物在温敏性智能药物载体、功能透气性纺织面料及温敏性膜材料中具有潜在的应用价值。

进一步，本发明一种壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物的制备方法，在室温下通过调控壳聚糖的粘度、烷基聚乙二醇缩水甘油醚类化合物的种类、用量，经过接枝缩合反应得到聚合物链结构中含有如式I或式III所示特征结构的壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物；进一步将其质子化得到聚合物链中含有如式II或式IV所示的质子化的壳聚糖基梳型两亲温敏聚合物，制备过程简单、易控，反应不需要加热，符合绿色化学、绿色工艺的行业要求。

附图说明

图1为实施例1中壳聚糖和壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物的¹HNMR；其中，曲线b为壳聚糖的¹HNMR谱线，曲线a为壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物的¹HNMR谱线；

图2为实施例1中制备得到壳聚糖基梳型两亲性温敏性聚合物的水溶液的透过率和粒径随温度的变化关系图；

图3为实施例2中所得的具有上临界溶解温度特性的壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物载药体系在不同温度下的药物释放曲线图。

具体实施方式

一种壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物，是以壳聚糖和烷基聚乙二醇缩水甘油醚类化合物为原料制备得到，所述壳聚糖基两亲温敏性聚合物的聚合物链中含有如式I～IV所示特征结构中的至少一种：

式I中，m1、m2和m3分别是整数，且m2不为零，

[(m1+m2)/(m1+m2+m3)]×100％的数值不大于所述壳聚糖的脱乙酰化度，且n1≥4，0≤n1’≤20，n2≥9，0≤n2’≤41，m≥3，0≤m’≤80；

式II中，m1、m2和m3分别是整数，且m2不为零，

[(m1+m2)/(m1+m2+m3)]×100％的数值不大于所述壳聚糖的脱乙酰化度，且n1≥4，0≤n1’≤20，n2≥9，0≤n2’≤41，m≥3，0≤m’≤80，y是不超过3的整数；X^-＝Cl^-,Br^-,I^-,Ac^-,HSO₄ ^-,HSO₃ ^-,NO₃ ^-；

式III中，m1、m2和m3分别是整数，且m2不为零，

[(m1+m2)/(m1+m2+m3)]×100％的数值不大于所述壳聚糖的脱乙酰化度，且n1≥4，n2≥9，m≥3；

式IV中，m1、m2和m3分别是整数，且m2不为零，

[(m1+m2)/(m1+m2+m3)]×100％的数值不大于所述壳聚糖的脱乙酰化度，n1≥4，n2≥9，m≥3，y是不超过3的整数；X^-＝Cl^-,Br^-,I^-,Ac^-,HSO₄ ^-,HSO₃ ^-,NO₃ ^-。

为了进一步阐述本发明的技术方案，下面介绍具体实施例。

一、壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物的制备

实施例1

步骤1、先将0.78g壳聚糖(脱乙酰度为90％、粘度为20mPa·s，含葡萄糖胺结构单元约4.4mmol)溶于水，搅拌使之溶解后滤除不溶物得到100g、浓度为0.78wt％的壳聚糖溶液；

步骤2、然后取4.4mmol十二烷基聚乙二醇缩水甘油醚(结构中含-(CH₂CH₂O)_m-OC_n1H_n2，其中m＝8～10，n1＝12，n2＝25)溶于50mL水/异丙醇混合溶剂(V_水/V_异丙醇＝5/5)中，得十二烷基聚乙二醇缩水甘油醚的混合溶液，在搅拌下将十二烷基聚乙二醇缩水甘油醚的混合溶液加入到壳聚糖溶液中(R_EP约为1：1)，室温下反应48h后将生成的溶液过滤、透析、冷冻干燥，得到含式III所示特征结构的壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物。

该壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物中，m＝8～10，n1＝12，n2＝25，具有上临界溶解温度在39～46℃范围内可调控的温敏特性，且受温度变化影响，该壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物的胶束粒径在200nm～1200nm的范围内可调控。

实施例2

步骤1、将1.2g壳聚糖(脱乙酰度为92％、粘度为25mPa·s，其中含葡萄糖胺结构单元约6.9mmol)溶于水中，搅拌使之溶解后滤除不溶物，得到100g、浓度为1.2wt％的壳聚糖溶液；

步骤2、然后取3.5mmol十三烷基聚乙二醇缩水甘油醚(结构中含-(CH₂CH₂O)_m-OC_n1H_n2，其中m＝3～8，n1＝13，n2＝27)溶于20mL水/异丙醇混合溶剂(V_水/V_异丙醇＝3/7)中，得到十三烷基聚乙二醇缩水甘油醚的混合溶液，在搅拌下将其加入到壳聚糖溶液中(R_EP约为0.5：1)，室温下反应40h后将生成的溶液过滤、透析、冷冻干燥，得到含式III所示特征结构的壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物。

该壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物中，m＝3～8，n1＝13，n2＝27，具有上临界溶解温度在36～45℃范围内可调控的温敏特性。

实施例3

步骤1、取1.6g壳聚糖(脱乙酰度为70％、粘度为8mPa·s，其中含葡萄糖胺结构单元约6.9mmol)溶于1wt％醋酸水溶液中，搅拌使壳聚糖完全溶解后滤除不溶物，得到200g、浓度为0.8wt％的壳聚糖溶液；

步骤2、然后取2.8mmol十二烷基聚乙二醇缩水甘油醚(结构中含-(CH₂CH₂O)_m’-OC_n1’H_n2’，其中m’＝8，n1’＝12，n2’＝25)和5.6mmol的十八烷基聚乙二醇缩水甘油醚(结构中含-(CH₂CH₂O)_m-OC_n1H_n2，其中m＝25，n1＝18，n2＝37)溶于30mL水/异丙醇混合溶剂(V_水/V_异丙醇＝5/5)中，得到两种混合的烷基聚乙二醇缩水甘油醚的混合溶液，在搅拌下将其加入到壳聚糖溶液中(R_EP约为1.2﹕1)，室温下反应60h，过滤、透析后得到壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物溶液；

步骤3、进一步在壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物溶液中加入3.5mmol的盐酸(R_p约为0.5﹕1)，继续搅拌0.5h使溶液质子化，过滤、透析、冷冻干燥，得到含式II和式IV所示特征结构的质子化的壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物。

该质子化的壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物中，m＝25，n1＝18，n2＝37，m’＝8，n1’＝12，n2’＝25，X＝Cl^-，y是不超过3的整数，具有上临界溶解温度在37～48℃范围可调控内的温敏特性。

实施例4

步骤1、将0.8g壳聚糖(脱乙酰度为80％、粘度为25mPa·s，其中含葡萄糖胺结构单元约4mmol)溶于1wt％醋酸水溶液中，搅拌使壳聚糖完全溶解后滤除不溶物，得到300g、浓度为0.27wt％的壳聚糖溶液；

步骤2、然后取0.2mmol十八烷基聚乙二醇缩水甘油醚(结构中含-(CH₂CH₂O)_m-OC_n1H_n2，其中m＝3，n1＝18，n2＝37)和0.4mmol的十二烷基聚乙二醇缩水甘油醚(结构中含-(CH₂CH₂O)_m’-OC_n1’H_n2’，其中m’＝30，n1’＝12，n2’＝25)溶于45mL水/异丙醇混合溶剂(V_水/V_异丙醇＝3/7)中，得到烷基聚乙二醇缩水甘油醚的混合溶液，然后在搅拌下将其加入到壳聚糖溶液中(R_EP约为0.15﹕1)，室温下反应60h后，将生成的溶液过滤、透析后冷冻干燥，得到含式I所示特征结构的壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物。

该壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物中，m＝3，n1＝18，n2＝37，m’＝30，n1’＝12，n2’＝25，具有上临界溶解温度在43～52℃范围内可调控的温敏特性。

实施例5

步骤1、将0.5g壳聚糖(脱乙酰度为80％、粘度为500mPa·s，其中含葡萄糖胺结构单元约2.5mmol)溶于水溶液，搅拌使之完全溶解后将溶液过滤，得到400g、浓度为0.125wt％的壳聚糖溶液；

步骤2、然后取4.5mmol十二烷基聚乙二醇缩水甘油醚(结构中含-(CH₂CH₂O)_m-OC_n1H_n2，其中m＝15～20，n1＝12，n2＝25)溶于30mL水/异丙醇混合溶剂(V_水/V_异丙醇＝6/4)中，得到十二烷基聚乙二醇缩水甘油醚的混合溶液，然后将其加入到壳聚糖溶液中(R_EP约为1.8﹕1)，室温下反应24h，过滤、透析得到壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物溶液；

步骤3、进一步在壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物溶液中加入1.25mmol的硫酸(R_p约为1:1)，继续搅拌反应0.5h，使溶液质子化，过滤、透析后冷冻干燥，得到含式II或式IV所示特征结构的质子化的壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物。

该质子化的壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物中，m＝15～20，n1＝12，n2＝25，m’＝15～20，n1’＝12，n2’＝25，X＝HSO₄ ^-，y是不超过3的整数，具有上临界溶解温度在37～44℃范围内可调控的温敏特性。

实施例6

步骤1、将1.2g壳聚糖(脱乙酰度为90％、粘度为20mPa·s，其中含葡萄糖胺结构单元约6.7mmol)溶于水中，搅拌使壳聚糖完全溶解后滤除不溶物，得到200g、浓度为0.6wt％的壳聚糖溶液；

步骤2、然后取4.6mmol十八烷基聚乙二醇缩水甘油醚(结构中含-(CH₂CH₂O)_m-OC_n1H_n2，其中m＝15～30，n1＝18，n2＝37)和2.8mmol八烷基聚乙二醇缩水甘油醚(结构式中含-(CH₂CH₂O)_m’-OC_n1’H_n2’，其中m’＝5～10，n1’＝8，n2’＝17)溶于40mL水/异丙醇混合溶剂(V_水/V_异丙醇＝3/7)中，得到两种烷基聚乙二醇缩水甘油醚的混合溶液，然后在搅拌下将其加入到壳聚糖溶液中(R_EP约为1.1：1)，在室温下反应30h后，将生成的溶液过滤、透析后冷冻干燥，得到含式I和式III所示特征结构的壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物。

该壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物中，m＝15～30，n1＝18，n2＝37，m’＝5～10，n1’＝8，n2’＝17，具有上临界溶解温度在38～47℃范围内可调控的温敏特性。

二、该壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物的核磁表征

实施例1制备得到的壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物(以下简称为梳型两亲温敏性聚合物)的¹HNMR如图1所示：

谱线(b)位于1.7ppm的讯号峰，是壳聚糖环中NH₂(f)的特征峰；位于2.9ppm的讯号峰，是壳聚糖环上2号位H(g)的特征峰；位于3.4～3.6ppm的讯号峰，是壳聚糖环上3～6号位H(h)的特征峰。

谱线(a)位于0.7ppm和1.0ppm的讯号峰分别是梳型两亲温敏性聚合物烷基链中CH₃(i)和CH₂(j)的特征峰；位于1.8ppm的讯号峰，是梳型两亲温敏性聚合物中NH₂(f)的特征峰；位于2.7～3.7ppm的讯号峰是壳聚糖糖环上2～6号位H(h’)和聚乙二醇链段中CH₂(h)的特征峰，与该壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物的结构设计相吻合。

三、壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物的的温敏特性

将实施例1得到的壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物配制成浓度为4mg/mL的水分散体系，进行温敏刺激-响应性检测，结果如图2所示，伴随温度从30～60℃范围的变化，水溶液分散体系中聚合物胶束粒径从1157nm左右减小到120nm左右，尤其在39～46℃的温度范围内粒径呈现骤降趋势，其上临界溶解温度约为42.5℃。当水溶液分散体系的温度低于42.5℃时，水溶液分散体系宏观上呈现乳浊不透明状，表明体系中的聚合物呈聚集状态；当水溶液分散体系的温度大于42.5℃时，聚合物的水溶液分散体系浊度下降、呈现透明状态，表明聚合物在此温度下呈现溶解分散状态。

由此，制备得到的该壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物具有上临界溶解温度在39～46℃内可调控的温敏特性，且受温度变化影响，该壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物的胶束粒径在200nm～1200nm的范围内可调控。

四、具有上临界溶解温度特性的壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物的温敏释药性

图3是实施例2所合成的具有上临界溶解温度特性的壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物包载药物模板酮洛芬在不同温度下的药物释放曲线，从图3中可以看出，聚合物释放酮洛芬的速率受温度影响较大：在25℃、37℃、42℃的环境下，其起始释放率分别是8％、17％、33％；包载酮洛芬药物的聚合物在42℃下，释放速率很快，10h时药物累积释放量达到90％，15h的药物基本释放完全，累积释放率达到98％。在25℃和37℃时，15h药物的累积释放率分别是45％、71％，20～40h释放速率较慢并趋于稳定。

可以想象，在人体病变温度下(≥37℃)酮洛芬的释放速率和累积释放量都要比人体的正常生理温度(≤37℃)和室温环境下要大。因此，该具有上临界溶解温度特性的壳聚糖基聚合物可以作为温敏智能性药物载体应用。

该壳聚糖基梳型两亲温敏性聚合物在智能型水泥基材料助剂、温敏性药物载体、功能透气性纺织面料及温敏性膜材料中具有潜在的应用价值。

上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。