一种聚合物微球、制备方法及其载药应用与流程

一种聚合物微球、制备方法及其载药应用
1.领域
2.本发明涉及生物医药技术领域，特别涉及一种聚合物微球、制备方法及其载药应用。
3.背景
4.聚合物微球是指粒径在几纳米到几百微米范围内的球形聚合物粒子，根据粒径的大小又可分为纳米微球和微米微球，没有严格的界限。粒径在 500纳米以下的微球，通常称之为纳米微球(nanosphere)，粒径在几微米到几百微米范围内的微球通常称之为微球(microsphere)。这里，我们所说的微球主要是几微米到几百微米的微球。其制备方法主要有悬浮聚合法、相分离法、喷雾干燥法、溶剂挥发法等。这些方法制备的微球的粒径分布往往较宽，实际应用大大受限。
5.可降解聚合物微球通常是指由天然高分子(如明胶、壳聚糖、白蛋白等)或合成可降解高分子材料(聚己内酯(pcl)、聚乳酸(pla)、聚乳酸
‑
羟基乙酸共聚物(plga)等)组成，在食品、化妆品，特别是生物医学领域(如药物递送系统、栓塞微球等)有着广泛的应用。
6.微流控技术是指在数十到数百微米的微通道内对流体或样品进行精确操纵处理的一种技术，可以用来制备单分散微球。其原理是先将聚合物单体或预聚液、或其溶液在微流控通道内剪切成单分散液滴，而后通过聚合、交联或溶剂交换等技术，将液滴固化成球。特别适合可光照聚合、快速交联固化成型的聚合体系。但上述可降解聚合物的分子量通常在几万到几十万甚至上百万之间，其稍高浓度溶液的粘度较大，难以剪切成液滴。目前其微球的制备大都在低浓度下进行，通常＜5wt.％，制备效率较低。特别是对于pcl、pla或plga等可降解聚合物，由于其缺少合适的可快速交联固化的活性基团，其微球的制备通常是将其低沸点稀溶液在不相溶的连续相中剪切成微米级液滴，而后采用加热、减压蒸馏等技术将低沸点溶剂挥发，聚合物凝聚固化成球，所得微球缺乏交联结构，稳定性、耐溶剂性差。
7.概述
8.第一方面，本公开涉及一种可降解大分子单体，该可降解大分子单体是通过第一分子与第二分子在有机溶剂中反应实现的。
9.第二方面，本公开涉及一种聚合物微球的制备方法，该制备方法是通过制备水包油单乳液液滴，再利用紫外光引发聚合制得。
10.第三方面，本公开涉及一种聚合物微球，该聚合物微球由以下方法制备而成：该制备方法是通过微流控装置制得水包油单乳液液滴，再利用紫外光引发聚合制得；具体包括以下步骤：
11.(1)通过微加工技术制作单乳液毛细管微流控装置，所述微流控装置包括内相通道和外相通道；
12.(2)将上述可降解大分子单体与光引发剂溶于有机溶剂中，得到分散相溶液；
13.(3)将聚乙烯醇(pva)溶解于去离子水中，得到pva水溶液，作为连续相；
14.(4)将分散相和连续相分别注入微流控装置的内外相通道中，通过调节两者的流速，在微通道中形成水包油单乳液液滴，并可调节液滴的大小；
15.(5)将液滴在微流控通道中进行紫外光照引发聚合，再通过洗涤、干燥，进而得到固化的聚合物微球。
16.第四方面，本公开涉及聚合物微球在疏水性药物中的应用，该聚合物微球可用于负载疏水性药物，所述疏水性药物包括紫杉醇、姜黄素或顺铂。
17.附图简要说明
18.图1示出了本公开毛细管微流控装置制备单乳液液滴示意图；
19.图2示出了本发明实施例9中微球的光学显微镜照片；
20.图3示出了本发明实施例10中微球的光学显微镜照片；
21.图4示出了本发明实施例11中微球的光学显微镜照片；
22.图5示出了本发明实施例12中微球的光学显微镜照片；
23.图6示出了本发明实施例13中微球的光学显微镜照片；
24.图7示出了是本发明实施例14中微球的光学显微镜照片；
25.图8示出了是本发明实施例15中微球的光学显微镜照片；
26.图9示出了是本发明实施例16中微球的光学显微镜照片；
27.图10示出了是本发明实施例10中微球干燥后的扫描电镜照片；
28.图11示出了本发明实施例11中微球干燥后的扫描电镜照片；
29.图12示出了本发明实施例12中微球干燥后的扫描电镜照片；
30.图13示出了本发明实施例17中微球在不同溶剂以及在不同温度下溶胀后的光学显微镜照片(图a是室温下浸泡于1,2
‑
二氯乙烷1h，图b是室温下浸泡于1,2
‑
二氯乙烷2h，图c是40℃下浸泡于1,2
‑
二氯乙烷6h，图d是40℃下浸泡于1,2
‑ꢀ
二氯乙烷24h；图a是室温下浸泡于n,n
‑
二甲基甲酰胺1h，图b是室温下浸泡于n,n
‑ꢀ
二甲基甲酰胺2h，图c是40℃下浸泡于n,n
‑
二甲基甲酰胺6h，图d是40℃下浸泡于 n,n
‑
二甲基甲酰胺24h)。
31.详述
32.在以下的说明中，包括某些具体的细节以对各个公开的实施方案提供全面的理解。然而，相关领域的技术人员会认识到，不采用一个或多个这些具体的细节，而采用其他方法、部件、材料等的情况下仍实现实施方案。
33.除非本公开中另有要求，在整体说明书和所附的权利要求中，词语“包括”、“包含”、“含有”和“具有”应解释为开放式的、含括式的意义，即“包括但不限于”。
34.在整体说明书中提到的“一实施方案”、“实施方案”、“在另一实施方案中”或“在某些实施方案中”意指在至少一实施方案中包括与该实施方案所述的相关的具体参考要素、结构或特征。因此，在整个说明书中不同位置出现的短语“在一实施方案中”或“在实施方案中”或“在另一实施方案中”或“在某些实施方案中”不必全部指同一实施方案，此外，具体要素、结构或特征可以任何适当的方式在一个或多个实施方案中结合。
35.定义
36.在本公开中，术语“微流控技术”是一种精确控制和处理微流体的技术，利用该技术制备的水凝胶微球具有单分散性好、稳定性高、产量高等优点。光化学反应具有非物理接触、剂量可调、能源清洁、无毒副产物等优势，可实现时间与空间的精确操控，因此被广泛应用于医学水凝胶的构建。
37.本公开所述的微流控技术能够在微通道内精确操控和处理微尺度流体，具有微型
化和集成化的特点。因微流控通道内样品损耗少，混合速率快，流体流速可控等特点，液滴微流控技术在医学研究中有着广泛的应用。液滴微流控技术利用互不相溶的流体相互剪切而形成分散的微米级液滴，并可对液滴的大小和结构实现精准控制。
38.在本公开中，术语“光引发剂”又称光敏剂或光固化剂，是一类能在紫外光区(250～420nm)或可见光区(400～800nm)吸收一定波长的能量，产生自由基、阳离子等，从而引发单体聚合交联固化的化合物。
39.在本公开中，术语“水包油单乳液”是将油性物质以液滴(微米级)的形式分散在水溶性的溶剂中，油为内相，水为连续的外相，形成的水包油 (o/w)乳液。
40.在本公开中，术语“聚乳酸”是一种具有优良生物降解性和生物相容性的高分子材料，广泛用作药物控释载体材料。
41.聚乳酸药物微球或微囊的粒径及分布对给药方式及疗效有很大影响，因此控制微球的粒径及其分布至关重要。
42.在本公开中，术语“聚乙烯醇”化学式为[c2h4o]n，简称pva，外观是白色片状、絮状或粉末状固体，无味，具有良好的生物相容性。
[0043]
pva不仅具有很好的亲水性，还有增加生物黏合性的性质，能够在制备微球或微囊过程中与聚乳酸分子相互渗透，其疏水片断可渗透至有机溶剂中，有助于聚乳酸乳滴粒径的均一、稳定。
[0044]
在本公开中，术语“二苯甲酮”为白色有光泽的棱形结晶，常用作光引发剂。
[0045]
在本公开中，术语“紫杉醇”是一种天然抗癌药物，分子式为 c
47
h
51
no
14
，在临床上已经广泛用于乳腺癌、卵巢癌和部分头颈癌和肺癌的治疗。紫杉醇作为一个具有抗癌活性的二萜生物碱类化合物，其具有新颖复杂的化学结构、广泛而显著的生物活性、全新独特的作用机制、奇缺的自然资源等优点。
[0046]
在本公开中，术语“姜黄素”是一种天然化合物，具有良好的抗炎和抗癌特性。姜黄素是从姜科、天南星科中的一些植物的根茎中提取的一种二酮类化合物，化学式为c
21
h
20
o6。
[0047]
在本公开中，术语“顺铂”又名顺式
‑
二氯二氨合铂，是一种含铂的抗癌药物，呈橙黄色或黄色结晶性粉末，微溶于水、易溶于二甲基甲酰胺，在水溶液中可逐渐转化成反式和水解。临床上对卵巢癌、前列腺癌、睾丸癌、肺癌、鼻咽癌、食道癌、恶性淋巴瘤、头颈部鳞癌、甲状腺癌及成骨肉瘤等多种实体肿瘤均能显示疗效。
具体实施方式
[0048]
第一方面，本公开涉及一种可降解大分子单体，该可降解大分子单体是通过第一分子与第二分子在有机溶剂中反应实现的。
[0049]
在某些实施方案中，第一分子为两端为羟基的低聚物；第二分子的一端为可与羟基反应的活性基团，活性基团包括异氰酸酯基、酰氯、羧基或环氧，另一端为可聚合双键；第一分子中的羟基与所述第二分子中的活性基团反应，进而得到可降解大分子单体。
[0050]
在某些实施方案中，有机溶剂选自1,2
‑
二氯乙烷、乙醇、乙二醇。
[0051]
在某些实施方案中，有机溶剂选自1,2
‑
二氯乙烷。
[0052]
在某些实施方案中，第一分子与第二分子反应温度为40
‑
80℃，反应时间为1
‑
8h。
[0053]
在某些实施方案中，第一分子选自端羟基聚己内酯(pcl)、左旋、右旋或外消旋聚
乳酸(pla)或聚乳酸
‑
羟基乙酸共聚物(plga)；第二分子的结构式包括但不限于以下结构式的一种或多种：
[0054][0055]
在某些实施方案中，第一分子的分子量为300
‑
5000g/mol。
[0056]
在某些实施方案中，第一分子为端羟基聚乳酸(pla1k)，分子量为 1000g/mol。
[0057]
在某些实施方案中，第二分子为丙烯酸异氰基乙酯(aoi)，结构式为：
[0058][0059]
在某些实施方案中，第一分子与第二分子的摩尔比为≤0.5。
[0060]
在某些实施方案中，第一分子与第二分子的摩尔比为1∶2.2。
[0061]
在某些实施方案中，第一分子与第二分子在1,2
‑
二氯乙烷中40
‑
80℃下反应1
‑
8小时，正己烷中沉淀，干燥得端基为可聚合双键的聚乳酸，以下简称为aoi
‑
pla1k。
[0062]
第二方面，本公开涉及该制备方法是通过制备水包油单乳液液滴，再利用紫外光引发聚合制得。
[0063]
在某些实施方案中，该制备方法是采用微流控装置制得水包油单乳液液滴，包括以下步骤：
[0064]
(1)通过微加工技术制作单乳液毛细管微流控装置，所述微流控装置包括内相通道和外相通道；
[0065]
(2)将权利要求1至3中任一权利要求所述的可降解大分子单体与光引发剂溶于有机溶剂中，得到分散相溶液；
[0066]
(3)将聚乙烯醇(pva)溶解于去离子水中，得到pva水溶液，作为连续相；
[0067]
(4)将分散相和连续相分别注入微流控装置的内外相通道中，通过调节两者的流速，在微通道中形成水包油单乳液液滴，并可调节液滴的大小；
[0068]
(5)将液滴在微流控通道中进行紫外光照引发聚合，再通过洗涤、干燥，进而得到固化的聚合物微球。
[0069]
其中：本公开通过在微流控装置中制备微球，能够提供一种单分散高弹性水凝胶微球。通过微流控装置制备的微球明显优于在反应釜中制得的微球。通过反应釜制备的微球粒径分布不均一，粒径分布会很宽，从几微米到几千微米都有。因此，需要通过筛网分筛来获得目标粒径的微球。相比较而言，利用反应釜制备的方法工序要多，收率低很多，成本高，产生的三废多。
[0070]
在某些实施方案中，步骤(1)中，内相微通道的喷嘴内径为10
‑
200μm。
[0071]
在某些实施方案中，步骤(2)中，可降解大分子单体的质量百分含量为5
‑
40％；光引发剂选自二苯甲酮、安息香二甲醚、2
‑
羟基
‑2‑
甲基
‑1‑
苯基
ꢀ‑1‑
丙酮等油溶性光引发剂中的一种或几种；光引发剂的质量百分含量为 0.5
‑
3％。
[0072]
在某些实施方案中，光引发剂选自二苯甲酮。
[0073]
在某些实施方案中，步骤(3)中，pva水溶液中pva的质量百分含量为1
‑
10％。
[0074]
在某些实施方案中，步骤(4)中，分散相的流速为0.05
‑
2ml/h，连续相的流速为1
‑
10ml/h。
[0075]
在某些实施方案中，步骤(1)
‑
(5)微球制备过程均在室温下进行。
[0076]
第三方面，本公开涉及一种聚合物微球，该聚合物微球由以下方法制备而成：通过微流控装置制得水包油单乳液液滴，再利用紫外光引发聚合制得；具体包括以下步骤：
[0077]
(1)通过微加工技术制作单乳液毛细管微流控装置，所述微流控装置包括内相通道和外相通道；
[0078]
(2)将上述可降解大分子单体与光引发剂溶于有机溶剂中，得到分散相溶液；
[0079]
(3)将聚乙烯醇(pva)溶解于去离子水中，得到pva水溶液，作为连续相；
[0080]
(4)将分散相和连续相分别注入微流控装置的内外相通道中，通过调节两者的流速，在微通道中形成水包油单乳液液滴，并可调节液滴的大小；
[0081]
(5)将液滴在微流控通道中进行紫外光照引发聚合，再通过洗涤、干燥，进而得到固化的聚合物微球。
[0082]
第四方面，本公开涉及聚合物微球在疏水性药物中的应用，该聚合物微球可用于负载疏水性药物，所述疏水性药物包括紫杉醇、姜黄素或顺铂。紫杉醇、姜黄素和顺铂均是不溶于水或难溶水的药物。
[0083]
下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0084]
实施例1
[0085]
端基为可聚合碳碳双键的低分子量聚合物的制备：
[0086]
首先，取0.05mol干燥后的第一分子(pla)于三口烧瓶中，加入0.11mol 第二分子，其中：第二分子的结构式为：
[0087][0088]
然后往三口烧瓶中加入50ml干燥后的1,2
‑
二氯乙烷作为溶剂，紧接着加入0.0004mol二月桂酸二丁基锡(dbtl)作为催化剂，并加入适量对羟基苯甲醚(mehq)作为阻聚剂。随后将三口烧瓶置于70℃油浴锅中反应约7h。反应结束，旋蒸，除去1,2
‑
二氯乙烷，随即用乙醚稀释旋蒸后所得到的产物，然后在低温循环泵(约
‑
10℃)中用正己烷进行搅拌沉淀，得到白色粘稠状沉淀物，除去上清液后再用乙醚进行溶解，低温下正己烷中沉淀，最后旋蒸得到最终产物。
[0089]
实施例2
[0090]
按照实施例1的方法制备可聚合碳碳双键的低分子量聚合物，区别在于，第一分子选自pcl，第二分子的结构式为：
[0091][0092]
实施例3
[0093]
按照实施例1的方法制备可聚合碳碳双键的低分子量聚合物，区别在于，第一分子选自plga，第二分子的结构式为：
[0094][0095]
实施例4
[0096]
按照实施例1的方法制备可聚合碳碳双键的低分子量聚合物，区别在于，第一分子选自plga，第二分子的结构式为：
[0097][0098]
实施例5
[0099]
按照实施例1的方法制备可聚合碳碳双键的低分子量聚合物，区别在于，第一分子选自pla，第二分子的结构式为：
[0100][0101]
实施例6
[0102]
按照实施例1的方法制备可聚合碳碳双键的低分子量聚合物，区别在于，第一分子选自pcl，第二分子的结构式为：
[0103][0104]
实施例7
[0105]
按照实施例1的方法制备可聚合碳碳双键的低分子量聚合物，区别在于，第一分子选自pla，第二分子的结构式为：
[0106][0107]
实施例8
[0108]
按照实施例1的方法制备可聚合碳碳双键的低分子量聚合物，区别在于，第一分子选自plga，第二分子的结构式为：
[0109][0110]
实施例9
[0111]
基于端基为可聚合碳碳双键的低分子量可降解聚合物制备单分散微球的微流控制备方法：
[0112]
首先，使用拉针仪将玻璃毛细圆管经拉针仪拉细烧断，再用烧针器将毛细管的尖端直径截至实验所需的喷嘴直径，将尖端内径截至所需直径进口毛细管、方管、玻璃收集管和针头在载玻片上同轴排列，进行组装。将实施例1中制备的低分子量可降解聚合物与光引发剂二苯甲酮同时溶于 1,2
‑
二氯乙烷中，溶液中低分子量可降解聚合物的质量分数为5wt.％，光引发剂的质量分数为0.5wt.％。将以上各物质混合均匀后，作为分散相。连续相中聚乙烯醇的质量分数为6wt.％。将分散相和连续相注入微流控装置的通道中，流速分别为0.2ml/h和6ml/h，喷嘴内径为20μm，利用连续相对分散相的剪切力以及界面张力，得到单乳液液滴，最后经过紫外光照聚合得到低分子量可降解聚合物微球，用去离子水充分洗涤后干燥。
[0113]
本发明利用毛细管微流控装置来制备单乳液液滴(其原理示意图见图 1)，即利用油相流体作为连续相来剪切水相使其分散在油相中形成微液滴。本发明利用自制的玻璃毛细管设计制作适合于产生水凝胶微球的微流控装置。其制作方法简单，所产生的水凝胶微球具有尺寸可控、单分散性好的优点。
[0114]
实施例10
[0115]
按照实施例9的方法制备低分子量可降解聚合物微球，区别在于，溶液中低分子量可降解聚合物的质量分数为10wt.％。
[0116]
实施例11
[0117]
按照实施例9的方法制备低分子量可降解聚合物微球，区别在于，溶液中低分子量可降解聚合物的质量分数为20wt.％。
[0118]
实施例12
[0119]
按照实施例9的方法制备低分子量可降解聚合物微球，区别在于，溶液中低分子量可降解聚合物的质量分数为30wt.％。
[0120]
实施例13
[0121]
按照实施例9的方法制备低分子量可降解聚合物微球，区别在于，溶液中低分子量可降解聚合物的质量分数为40wt.％。
[0122]
实施例14
[0123]
一种负载非水溶性药物的单分散可降解聚合物微球的制备方法：
[0124]
将实施例1中合成的低分子量可降解聚合物溶于1,2
‑
二氯乙烷中，再加入光引发剂二苯甲酮，其中低分子量可降解聚合物的质量分数为10wt.％，光引发剂的质量分数为0.5wt.％。往溶液中加入疏水性药物紫杉醇(以下简称为ptx)，其中ptx的质量百分含量占低分子量可降解聚合物和ptx 总质量的10wt.％。将上述溶液混合均匀后作为分散相。连续相中聚乙烯醇的质量百分含量为1wt.％。将分散相和连续相注入微流控装置的通道中，调
节分散相和连续相的流速，得到单乳液液滴，最后经过紫外光照聚合得到负载ptx的低分子量可降解聚合物微球，用去离子水充分洗涤后干燥。
[0125]
实施例15
[0126]
按照实施例14的方法制备负载ptx的低分子量可降解聚合物微球，区别在于，溶液中ptx的质量百分含量占低分子量可降解聚合物和ptx总质量的20wt.％。
[0127]
实施例16
[0128]
按照实施例14的方法制备负载ptx的低分子量可降解聚合物微球，区别在于，溶液中ptx的质量百分含量占低分子量可降解聚合物和ptx总质量的30wt.％。
[0129]
实施例17
[0130]
取适量实施例10中所制备得到的微球，分别于室温下浸泡于1,2
‑
二氯乙烷以及n,n
‑
二甲基甲酰胺中，待其溶胀平衡后，置于40℃下，观察微球的形态。从图13可以看出，将实施例10中制备得到的微球分别浸泡在1,2
‑ꢀ
二氯乙烷以及n,n
‑
二甲基甲酰胺中，随着时间的增加，微球的粒径大小几乎不变，以及微球在1,2
‑
二氯乙烷和n,n
‑
二甲基甲酰胺中的分散性没有明显的变化；同时随着温度增加到40℃后，微球在这两种溶剂中的粒径和分散性也没有明显的变化；维持在40℃下后，继续增加浸泡时间，依然能够保持微球在溶剂中的粒径和分散性不变。也就是说，本发明实施例10制备的微球在1,2
‑
二氯乙烷以及n,n
‑
二甲基甲酰胺中的稳定性较好。
[0131]
综上，从图2
‑
12中可以看出，本发明制备的聚合物微球粒径大小均一，粒径范围为50
‑
900μm。当其用于负载疏水性药物时，能够提供较好的给药方式和疗效。并且所制备的微球具有较好的稳定性，耐溶剂性。
[0132]
其次，本发明所提供改性低分子量聚合物的高浓度溶液仍具备低黏度和良好的流动性，可用于高内相浓度(可高达40wt.％)条件下高效率制备其单分散微球。本发明微球制备过程中能够在微流控内剪切成球就说明具有较低的粘度，粘度大了无法成球。载药量是如实施例14
‑
16所述，直接加入到内相，液滴固化，药物被包裹在球内，因紫杉醇为疏水药物，后期水洗基本很少洗脱。载药量与加入到内相的紫杉醇的多少有关。这与透明质酸钠微球后期吸附盐酸阿霉素不同。
[0133]
综上所述：
[0134]
(1)本发明提供了一种端基为可聚合碳碳双键的低分子量可降解聚合物，其制备方法简单。
[0135]
(2)本发明提供了一种将端基为可聚合碳碳双键的低分子量可降解聚合物与光引发剂以及非水溶性药物溶于有机溶剂中作为分散相，pva水溶液为连续相，利用微流控技术得到单乳液液滴，通过紫外光照引发液滴进行简单的自由基聚合制备载药微球的方法。
[0136]
(3)在分散相浓度较高的条件下利用微流控方法高效地制备聚合物微球，为基于聚合物微球的高效制备以及负载疏水性抗癌药物开辟了一条新的路径。
[0137]
从前述中可以理解，尽管为了示例性说明的目的描述了本公开的具体实施方案，但是在不偏离本公开的精神和范围的条件下，本领域所述技术人员可以作出各种变形或改进、这些变形或修改都应落入本公开所附权利要求的范围。