一种pH响应性动态壳交联聚合物纳米粒子及其制备方法与流程

本发明属于化工及新材料技术领域，具体涉及一种pH响应性动态壳交联聚合物纳米粒子及其制备方法。

背景技术：

具有环境响应性的智能聚合物纳米粒子，由于在生物医药领域如医学诊断、生物影像和药物传递等方面得到广泛的应用，引起人们极大的研究兴趣。通常，环境响应性的智能聚合物纳米粒子是在具有温度或pH响应性嵌段共聚物胶束的基础上制备的。然而，聚合物胶束稳定性较差，而且常见的刺激响应性嵌段共聚物在结构和响应性等方面也具有局限性，这在很大程度上限制了这种聚合物纳米粒子的实际应用。最近，基于动态共价键构筑剌激响应性纳米粒子作为一种有效的方法引起人们的关注。通过在聚合物纳米粒子的壳层聚合物链上或链之间引入动态共价键可以得到一系列具有环境响应性和适应性的聚合物材料，而且交联键的引入可以显著提高聚合物胶束的稳定性。

动态共价键也可称之为可逆化学键，这种化学键在外部环境的刺激下可发生形成与断裂动态变化。将动态共价键的可逆性质应用于聚合物材料的设计可以保留动态化学键的可逆性，而且相比于非共价键形成的超分子化合物，动态共价键具有更好的化学稳定性。基于这一思想，各种化学组成中含有热响应性的烷氧基胺键、狄尔斯-阿尔德键、酰腙键、硼酸酯键以及二硫键的智能型聚合物纳米粒子被成功制备。中国专利CN201210199661.2报道了一种温度和pH敏感性的壳交联聚合物胶束的制备方法，通过可逆-加成断裂链转移聚合法合成一种具有温度和pH敏感性的两嵌段共聚物，再利用小分子二醛或二酸对自组装形成的聚合物胶束的壳层结构进行部分交联而成。利用小分子交联剂对胶束壳层结构进行部分交联，在保证聚合物胶束稳定的前提下。制备方法具有可行性强、操作简便、可使胶束重复利用等特点。McCormick等人利用pH调控下的氨基与醛基形成亚胺可逆化学键制备了动态壳交联聚合物纳米胶束[Macromolecules, 2011, 44, 1327]。Sumerlin等人通过两步RAFT聚合合成了聚(3-丙烯酰胺基苯硼酸)-b-聚(N-异丙基丙烯酰胺)嵌段共聚物，并利用该嵌段共聚物自组装制备了pH、热、糖三重响应性的聚合物纳米粒子[Chemical Communications, 2008, 21, 2477]。随后，该研究小组制备了另一种聚(N,N-二甲基丙烯酰胺)-b-聚(丙烯酰胺基苯硼酸)嵌段共聚物胶束，利用二醇或三醇对苯硼酸链段的交联反应制备了含有可逆硼酸酯键的星形聚合物纳米粒子[Journal of the American Chemical Society, 2011, 133, 19832]。Wooley等人合成了一种具有苯硼酸基和氨基双官能团的聚(3-丙烯酰胺基苯硼酸)-b-聚(乙二胺丙烯酰胺)，并组装形成动态交联的核壳结构聚合物纳米粒子[Polymer Chemistry, 2012, 3, 3146]。然而，上面提到的专利或文献中聚合物纳米粒子的制备均是首先合成嵌段共聚物，然后利用嵌段共聚物在选择性溶剂中自组装形成聚合物纳米粒子。众所周知，嵌段共聚物在选择性溶剂中的组装只在聚合物浓度较稀(小于1%)的条件下发生，这导致制备壳交联聚合物胶束产量低下。

近年来，聚合诱导自组装方法被广泛研究，并用于聚合物纳米粒子的批量制备。这种方法是利用“一锅法”加入可溶剂化的大分子RAFT（Macro-RAFT）试剂、引发剂和聚合单体，通过异相RAFT聚合原位形成嵌段共聚物并组装形成聚合物纳米粒子，聚合物纳米粒子的浓度可以高达30%。目前，国内外还没有关于利用聚合诱导自组装方法制备pH响应性动态壳交联聚合物纳米粒子的公开文献报道和专利申请。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种pH响应性动态壳交联聚合物纳米粒子的制备方法。

本发明提出的一种pH响应性动态壳交联聚合物纳米粒子的制备方法在于利用两种嵌段型Macro-RAFT试剂同时调介下的分散聚合，通过聚合诱导自组装方法制备核-壳-冠型聚合物纳米粒子。该纳米粒子的壳层化学结构中含有苯硼酸和缩酮基团，二者在pH调控下可形成可逆硼酸酯键的化学反应。从而，制备出具有pH响应性动态壳交联聚合物纳米粒子。

本发明提出一种pH响应性动态壳交联聚合物纳米粒子的制备方法，具体步骤如下：

(1) 亲水性聚合物的合成

以三硫代碳酸酯为小分子可逆-加成断裂链转移(RAFT)试剂，偶氮二异丁腈(AIBN)为引发剂，通过亲水性单体在有机溶剂中的溶液RAFT聚合，合成分子量可控末端含有三硫代碳酸酯基团的亲水性聚合物；

(2) 亲水性聚合物-b-聚(3-丙烯酰胺基苯硼酸)的合成

以合成的末端含有三硫代碳酸酯基团的亲水性聚合物为Macro-RAFT试剂，AIBN为引发剂，3-丙烯酰胺基苯硼酸为扩链单体，于有机溶剂中通过溶液RAFT聚合，合成含有三硫代碳酸酯基团的亲水性聚合物-b-聚(3-丙烯酰胺基苯硼酸)嵌段共聚物；

(3) 亲水性聚合物-b-聚(2,2-二甲基-5-乙基-1,3-二氧六环)丙烯酸甲酯的合成

以合成的末端含有三硫代碳酸酯基团的亲水性聚合物为Macro-RAFT试剂，AIBN为引发剂，2,2-二甲基-5-乙基-1,3-二氧六环单体为扩链单体，于有机溶剂中通过溶液RAFT聚合，合成含有三硫代碳酸酯基团的亲水性聚合物-b-聚(2,2-二甲基-5-乙基-1,3-二氧六环)丙烯酸甲酯嵌段共聚物；

(4) 分散聚合合成多组分“核-壳-冠”聚合物纳米粒子

以上述方法合成的含有三硫代碳酸酯基团的亲水性聚合物-b-聚(3-丙烯酰胺基苯硼酸)嵌段共聚物和含有三硫代碳酸酯基团的亲水性聚合物-b-聚(2,2-二甲基-5-乙基-1,3-二氧六环)丙烯酸甲酯嵌段共聚物为Macro-RAFT试剂，AIBN为引发剂，选取醇或醇水混合物为分散溶剂，通过两种Macro-RAFT试剂共同调介下的疏水单体分散RAFT聚合，合成亲水性聚合物-b-聚(3-丙烯酰胺基苯硼酸)-b-疏水性聚合物/亲水性聚合物-b-聚(2,2-二甲基-5-乙基-1,3-二氧六环)丙烯酸甲酯-b-疏水性聚合物多组分三嵌段共聚物混合物，由于溶解性的差别，聚合诱导三嵌段共聚物混合物发生原位自组装并形成多组分“核-壳-冠”聚合物纳米粒子；

(5) 动态壳交联“核-壳-冠”聚合物纳米粒子的制备

所述的多组分“核-壳-冠”聚合物纳米粒子中，核”由疏水性聚合物链段组成，“壳”层聚合物侧基中同时含有聚苯硼酸和聚缩酮链段，“冠”层为亲水性聚合物链段，壳层聚缩酮链段在酸性条件下能够发生水解形成双羟基基团，双羟基基团与苯硼酸基团在pH调控下能够形成可逆化学键，因而制备出动态壳交联“核-壳-冠”聚合物纳米粒子。

本发明中，步骤(1)所述的三硫代碳酸酯是S-正十二烷基-S’-(2-甲基-2-丙酸基)三硫代碳酸酯、S-乙烷基-S'-（2,2-二甲基-2-丙酸基）三硫代碳酸酯、S,S’-双(2-甲基-2-丙酸基)三硫代碳酸酯中一种或者两种；所述亲水性单体是丙烯酸、N,N-二甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酸、丙烯酰胺、丙烯酸羟乙酯、丙烯酸缩水甘油酯中一种或者两种；步骤(1)，(2)，(3)中所述的有机溶剂是甲苯、四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺、正己烷或二氧六烷中一种或者两种。

本发明中，步骤(4)所述疏水性单体是苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸叔丁酯中一种或者两种；步骤(4)中所述的醇或醇水混合物可以是甲醇、乙醇、丙醇、丁醇或者是醇和水的混合溶剂(醇水比大于70:30)。

本发明中，如权利要求1所述一种pH响应性动态壳交联聚合物纳米粒子，能够高效地包裹各种难溶性药物，适用于抗癌药物的体内传输、基因载体等生物医药领域。

与现有的技术相比，本发明的优点是：1）本发明利用活性聚合与分散聚合相结合的方法，在醇/水相中制备三嵌段共聚物聚合物纳米粒子，不仅聚合物分子量多分散系数小，聚合物纳米粒子的尺寸均一，而且具有良好的环保性；2）本发明通过聚合诱导自组装方法制备聚合物纳米粒子，聚合物纳米粒子相比于传统的聚合物胶束具有良好的稳定性，而且反应产率高，聚合物浓度可以高达30%，相比于传统的通过嵌段共聚合物自组装制备聚合物胶束（聚合物浓度小于1%），具有明显优势；3）本发明制备的聚合物纳米粒子具有“核-壳-冠”结构，“核”能够实现疏水性药物的包裹，“壳”层聚合物可发生动态交联，实现药物分子的可控释放，“冠”层聚合物起到稳定聚合物纳米粒子的作用。而且可发生动态化学反应的基团被同时固定在壳层中，通过控制体系的pH值实现聚合物纳米粒子壳层的动态交联，相比于外交小分子交联剂的方法，本方法更容易实现单个粒子的壳层交联，操作性更强。

附图说明

图1是三嵌段共聚物合成的化学反应式。

图2是聚合诱导自组装方法制备“核-壳-冠”聚合物纳米粒子的合成示意图。

图3是Macro-RAFT试剂的核磁氢谱图。

图4是实例1制备的多组分核-壳-冠聚合物纳米粒子的红外光谱图。

图5是实例1制备的多组分核-壳-冠聚合物纳米粒子的透射电镜图。

图6是实例1制备的多组分核-壳-冠聚合物纳米粒子在不同pH水溶液中的粒径分布图。

图7是实例2制备的多组分核-壳-冠聚合物纳米粒子的透射电镜图。

图8是实例3制备的多组分核-壳-冠聚合物纳米粒子的透射电镜图。

图9是对比例1制备的多组分核-壳-冠聚合物纳米粒子的透射电镜图。

图10是对比例2制备的多组分核-壳-冠聚合物纳米粒子的透射电镜图。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明公开了利用两种嵌段型Macro-RAFT试剂同时调介下的分散聚合，通过聚合诱导自组装方法制备具有核-壳-冠结构pH响应性动态壳交联聚合物纳米粒子及其制备方法。为了进一步说明本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

实施例1：聚N,N-二甲基丙烯酰胺-b-聚(3-丙烯酰胺基苯硼酸)-b-聚苯乙烯/聚N,N-二甲基丙烯酰胺-b-(2,2-二甲基-5-乙基-1,3-二氧六环)丙烯酸甲酯-b-聚苯乙烯“核-壳-冠”聚合物纳米粒子的制备

聚N,N-二甲基丙烯酰胺-b-聚(3-丙烯酰胺基苯硼酸)-b-聚苯乙烯/聚N,N-二甲基丙烯酰胺-b-(2,2-二甲基-5-乙基-1,3-二氧六环)丙烯酸甲酯-b-聚苯乙烯“核-壳-冠”聚合物纳米粒子的合成化学方程式及示意图分别如图1，2所示，合成包括以下步骤：

(1) 聚N,N-二甲基丙烯酰胺的合成

将N,N-二甲基丙烯酰胺单体(10.0 g，0.10 mol)、链转移剂S-乙烷基-S'-(2,2-二甲基-2-丙酸基)三硫代碳酸酯(0.37 g，1.65 mmol)以及引发剂偶氮二异丁腈(0.012 g，7.50 × 10^-2 mmol)溶于将N,N-二甲基丙烯酰胺单体(10.0 g，0.10 mol)、链转移剂S-乙烷基-S'-(2,2-二甲基-2-丙酸基)三硫代碳酸酯(0.37 g，1.65 mmol)以及引发剂偶氮二异丁腈(0.012 g，7.50 × 10^-2 mmol)溶于20 mL二氧六环中，搅拌混合均匀,并使其处于氮气氛下，体系中N,N-二甲基丙烯酰胺单体、链转移剂和引发剂的摩尔比为60:1:0.05，搅拌反应4小时，反应体系的温度为70℃，得到末端含有三硫代碳酸酯基团的聚N,N-二甲基丙烯酰胺，核磁氢谱图如图3A所示；

(2) 聚N,N-二甲基丙烯酰胺-b-聚(3-丙烯酰胺基苯硼酸)的合成

称取步骤(1)所制得的聚N,N-二甲基丙烯酰胺(1.50 g，0.25 mmol)、3-丙烯酰胺基苯硼酸单体(3.34 g，17.50 mmol)、偶氮二异丁腈(4.1 mg，2.50 × 10^-2 mmol)，溶解于20 mL N,N-二甲基甲酰胺/水的混合溶剂中，体系中3-丙烯酰胺基苯硼酸、聚N,N-二甲基丙烯酰胺和引发剂的摩尔比为70:1:0.1，氮气氛下搅拌反应1小时，反应体系的温度为65℃，得到末端含有三硫代碳酸酯基团的聚N,N-二甲基丙烯酰胺-b-聚(3-丙烯酰胺基苯硼酸)嵌段共聚物，核磁氢谱图如图3B所示；

(3) 聚N,N-二甲基丙烯酰胺-b-聚(2,2-二甲基-5-乙基-1,3-二氧六环)丙烯酸甲酯的合成

称取步骤(1)所制得的亲水性聚合物(1.20 g，0.20 mmol)、2,2-二甲基-5-乙基-1,3-二氧六环单体(3.20 g，14.00 mmol)、偶氮二异丁腈(3.3 mg，0.02 mmol)，溶解于20 mL 1,4-二氧六环中，体系中聚(N,N-二甲基丙烯酰胺)、2,2-二甲基-5-乙基-1,3-二氧六环和引发剂的摩尔比为70:1:0.1，氮气氛下搅拌反应1.5小时，反应体系的温度为70℃，得到末端含有三硫代碳酸酯基团的聚N,N-二甲基丙烯酰胺-b-聚(2,2-二甲基-5-乙基-1,3-二氧六环)丙烯酸甲酯嵌段共聚物，核磁氢谱图如图3C所示；

(4) 分散聚合合成多组分“核-壳-冠”聚合物纳米粒子

分别称取0.944 g步骤(2)所制得的聚N,N-二甲基丙烯酰胺-b-聚(3-丙烯酰胺基苯硼酸)嵌段共聚物，约0.08 mmol，0.8 g步骤(3)所制得的聚N,N-二甲基丙烯酰胺-b-聚(2,2-二甲基-5-乙基-1,3-二氧六环)丙烯酸甲酯嵌段共聚物，约0.08 mmol，疏水单体苯乙烯(5.0 g，48 mmol)，偶氮二异丁腈4.5 mg (2.67×10^-2 mmol)，溶解于33.3 g甲醇-水(85/15 v/v)溶剂中，体系中单体、Macro-RAFT试剂和引发剂的摩尔比为1800:3:3:1，单体占溶剂的质量分数为15%，氮气氛下搅拌反应24小时，反应体系的温度为70~80℃，通过聚合诱导自组装过程得到多组分“核-壳-冠”聚合物纳米粒子。反应完毕后，将反应液首先于甲醇中透析，然后于去离子水中透析，除去未反应完的单体及有机溶剂，得到多组分“核-壳-冠”聚合物纳米粒子在水中分散的悬浊液，核-壳-冠”聚合物纳米粒子的红外光谱图和透射电镜(TEM)图，分别如图4、5所示，核-壳-冠”聚合物纳米粒子平均尺寸为34 nm；

(5) pH调控“核-壳-冠”聚合物纳米粒子的动态壳交联

将步骤(4)制得的聚合物纳米粒子置于单口瓶中，然后加入无机酸调节体系pH值至1.0，体系于50℃下搅拌反应12 h，使核-壳-冠”聚合物纳米粒子中壳层的缩酮基团水解形成双羟基基团。将新得到的核-壳-冠”聚合物纳米粒子悬浊液稀释至1.0 mg/mL，然后逐滴加入醋酸或三乙胺调节体系的pH值，即得到一种动态壳交联的聚合物纳米粒子，其中pH在3.8~7.0之间，聚合物纳米粒子发生壳交联，pH＞7.0或pH＜3.8时，壳层发生解交联，如图6所示。

实施例2：

其他条件与实例1相同，不同之处将甲醇-水(85/15 v/v)溶剂的量调整为50.0 g，单体占溶剂的质量分数为10%。红外光谱、核磁氢谱、透射电镜及纳米粒度仪证明成功制备动态壳交联聚合物纳米粒子，其中制备的平均尺寸为26 nm的“核-壳-冠”聚合物纳米粒子TEM图片如图7所示。

实施例3：

其他条件与实例1相同，不同之处将甲醇-水(85/15 v/v)溶剂的量调整为25.0 g，单体占溶剂的质量分数为20%。红外光谱、核磁氢谱、透射电镜及纳米粒度仪证明成功制备动态壳交联聚合物纳米粒子，其中制备的平均尺寸为37 nm的“核-壳-冠”聚合物纳米粒子TEM图片如图8所示。

实施例4：

其他条件与实例1相同，不同之处体系中单体、Macro-RAFT试剂和引发剂的摩尔比为1200:3:3:1，红外光谱、核磁氢谱、透射电镜及纳米粒度仪证明成功制备动态壳交联聚合物纳米粒子。

实施例5：

其他条件与实例1相同，不同之处体系中单体、Macro-RAFT试剂和引发剂的摩尔比为2400:3:3:1，红外光谱、核磁氢谱、透射电镜及纳米粒度仪证明成功制备动态壳交联聚合物纳米粒子。

对比例1：

其他条件与实例1相同，步骤(4)中选取单一的聚N,N-二甲基丙烯酰胺-b-聚(3-丙烯酰胺基苯硼酸)嵌段共聚物为Macro-RAFT试剂，单体、Macro-RAFT试剂和引发剂的摩尔比为1800:3:1，所制备的平均尺寸为43 nm的“核-壳-冠”聚合物纳米粒子TEM图片如图9所示，纳米粒度仪表征显示壳层中只含有苯硼酸基团的“核-壳-冠”聚合物纳米粒子，不具备动态壳交联特征。

对比例2：

其他条件与实例1相同，步骤(4)中选取单一的聚N,N-二甲基丙烯酰胺-b-聚(2,2-二甲基-5-乙基-1,3-二氧六环)丙烯酸甲酯嵌段共聚物为Macro-RAFT试剂，单体、Macro-RAFT试剂和引发剂的摩尔比为1800:3:1，所制备平均尺寸为28 nm的“核-壳-冠”聚合物纳米粒子TEM图片如图10所示，纳米粒度仪表征显示壳层中只含有苯硼酸基团的“核-壳-冠”聚合物纳米粒子，不具备动态壳交联特征。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。