本发明涉及生物医药，更具体地，涉及一种星型聚合物及其制备方法和应用。
背景技术
生物的细胞膜主要是由蛋白质构成的富有弹性的半透性膜，膜厚8-10nm，外侧紧贴细胞壁。其主要功能是选择性地交换物质，吸收营养物质，排出代谢废物，分泌与运输蛋白质。
生物体细胞膜是一个天然障碍，外源核酸分子，包括dna和rna分子，都难以穿透细胞膜阻碍而进入细胞内发挥作用。在细胞转染、基因疗法和转基因应用等领域中，向细胞内导入外源核酸分子包括基因工程质粒时，需要特殊化学试剂或仪器设备制造细胞膜缺口或借助于农杆菌介导等方式。因此一系列核酸特异性纳米材料载体被研发出来，利用细胞的主动内吞作用，用于装载并递送外源核酸分子快速进入细胞。
但是，目前已公开的各种核酸载体分子难以在具备高效的递送效率的同时兼具经济的合成成本。核酸递送效能高、合成复杂、成本昂贵的一类载体适用于高端的生物和医学领域的科研与应用。目前迫切需求合成容易且成本低廉的高效能纳米材料载体，用于农业生产等领域的应用。
技术实现要素：
本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的星型聚合物及其制备方法和应用。
本发明中的重量份的单位可以是本领域常规重量/质量单位。
根据本发明的一个方面，提供一种星型聚合物，其化学结构式为：
其中，r1＝h、ch3、ch2ch3或ch2ch2ch3；
r2＝h、ch3、ch2ch3或ch2ch2ch3；
n1、n2、n3、n4各自独立地取值1～100。
该聚合物载体可组装成50-200nm的纳米粒子，具有很好的水溶性和低毒性特点。并且，溶解过程无需其他任何有机的溶剂，使用方便，不仅能够减少试剂使用种类/用量，而且，能够避免环境污染。此外，其表面带有正电荷，同时，由于其具有很好的水溶性，其能够在水溶液环境中装载外源核酸分子，形成稳定的复合物，快速进入细胞。
根据本发明的另一个方面，还提供一种星型聚合物的制备方法，其包括：
步骤s1、季戊四醇与2-溴异丁烯酰溴混合反应得到星型引发剂；
步骤s2、所述星型引发剂与含氮的丙烯酸酯类单体混合反应即得。
本发明的制备方法，制备过程中所用试剂种类少，试剂价格低廉，且制备工艺过程简单、反应条件建安、易于调控。
在步骤s1中，在一个优选实施方式中，季戊四醇与2-溴异丁烯酰溴混合反应以制备星型引发剂时，先将季戊四醇与缚酸剂的混合物溶于干燥的有机溶剂中得到第一混合液。
其中，缚酸剂可以为三乙胺、研磨碳酸钾或研磨碳酸钠；优选为三乙胺。季戊四醇的浓度为0.01-0.5g/ml。
将2-溴异丁烯酰溴也溶于干燥的有机溶剂中得到第二混合液。其中，2-溴异丁烯酰溴的浓度为0.1-10g/ml。
上述有机溶剂均可以是四氢呋喃、二氯甲烷或三氯甲烷。与季戊四醇相容的有机溶剂和与2-溴异丁烯酰溴相容的有机溶剂的物质种类可以是相同的，也可以是不相同的；优选是同一种物质。
然后，将第二混合液以每分钟10-120滴的速度逐滴滴加到第一混合液中，以使季戊四醇与2-溴异丁烯酰溴混合反应而得到星型引发剂。控制第二混合液滴加到第一混合液中的速度，能够有效地控制季戊四醇与2-溴异丁烯酰溴的反应速度，确保反应效率。
季戊四醇与2-溴异丁烯酰溴分别溶于有机溶剂中后再混合，可以降低反应底物浓度，从而降低反应的速度，减少因反应热而产生的副反应，提高反应产率。
在一个优选实施方式中，季戊四醇与缚酸剂的摩尔比为1:(4-10)。季戊四醇先与缚酸剂混合，可以提高缚酸剂调节反应环境ph的能力，从而使得反应平衡向右移动，提高反应程度。
在一个优选实施方式中，季戊四醇与2-溴异丁烯酰溴的摩尔比为1:(4-20)。按此比例可以提高反应的程度，减少副反应发生。
在一个优选实施方式中，在非氧条件，例如在n2保护下，以及0-5℃条件下，将第二混合液滴加到第一混合液中。此处混合的条件，可以降低反应速度，减少副反应的产生。
在一个优选实施方式中，第二混合液滴加到第一混合液中得到的混合液在0-50℃条件下反应20-50h，即可得到含有星型引发剂的混合液。
在一个优选实施方式中，所得含有星型引发剂的混合液采用蒸馏的方法以去除混合液中的有机溶剂。经蒸馏后的混合液再经萃取处理，所得有机相采用无水硫酸钠干燥，并经旋蒸处理后，在冰乙醚中结晶，即得到星型引发剂。
具体地，萃取时的试剂可采用乙酸乙酯、二氯甲烷、三氯甲烷、乙醚或甲基叔丁基醚，萃取后采用饱和碳酸钠水溶液和去离子水水洗3-5次。含有星型引发剂的混合液经蒸馏、萃取、干燥和结晶后，能够得到高纯度的星型引发剂。
在一个优选实施方式中，所得到的星型引发剂的化学结构式为：
具体地，季戊四醇与2-溴异丁烯酰溴混合反应以制备星型引发剂的过程可表述如下：
在步骤s2中，在一个优选实施方式中，将星型引发剂与含氮的丙烯酸酯类单体混合以反应得到星型聚合物。星型引发剂与含氮的丙烯酸酯类单体通过原子转移自由基聚合形式发生反应，即能够得到星型聚合物。具体地，含氮的丙烯酸酯类单体可以为甲基丙烯酸-n-(叔丁氧羰基)氨基乙酯、甲基丙烯酸二甲氨基乙酯单体、甲基丙烯酸二乙氨基乙酯单体或甲基丙烯酸二丙氨基乙酯单体。
在一个优选实施方式中，星型引发剂与含氮的丙烯酸酯类单体的摩尔比为1:(20-1000)。其摩尔比保持在合适的范围，能够使所得产物具有优良的水溶性，且分子毒性小，提高作为核酸载体的使用安全性。其中，星型引发剂与含氮的丙烯酸酯类单体的摩尔比优选为1:(50-450)；可进一步优选为1:(130-400)。
在一个优选实施方式中，星型引发剂与含氮的丙烯酸酯类单体在催化剂与配体作用下，于60～65℃条件下反应3～7h得到星型聚合物。
具体地，催化剂可采用溴化亚铜、氯化亚铜、碘化亚铜或氯化亚铁；
配体可采用2,2-联吡啶、n,n,n',n,'n”-五甲基二亚乙基三胺、三(2-二甲氨基乙基)胺或1,1,4,7,10,10-六甲基三乙烯四胺。星型引发剂与含氮的丙烯酸酯类单体在催化剂与配体作用下，可构成原子转移自由基聚合体系，从而能由投料比与反应时间精确控制聚合物的重复单元数n。对于含伯胺的丙烯酸酯类单体，使用2,2-联吡啶配体；对与含叔胺或仲胺的丙烯酸酯类单体，使用的是螯合作用更强的n,n,n',n,'n”-五甲基二亚乙基三胺配体。在合理选择配体条件下，能够更有效控制反应速率和反应程度，实现了活性/可控自由基聚合，合成的聚合物分子量分布窄，分子结构可控。
在一个优选实施方式中，星型引发剂与含氮的丙烯酸酯类单体在催化剂与配体作用下时，星型引发剂、含氮的丙烯酸酯类单体、催化剂和配体的摩尔比为1:(20-1000)：(2-80)：(4-160)。星型引发剂与含氮的丙烯酸酯类单体在反应过程中，其与催化剂和配体的相对含量保持在合适的范围，能够进一步提高反应效率，所得产物的聚合度可控，分子量分布窄，产物水溶性好。
其中，星型引发剂、含氮的丙烯酸酯类单体、催化剂和配体的摩尔比优选为1:(40-450)：(2-80)：(4-160)；可进一步优选为1:(130-400)：(2-80)：(4-160)；可进一步优选为1:(130-400)：4：8。
其中，对于含叔丁氧基保护的伯胺单体，反应最优的比例1:133:4:8；对于含仲胺或叔胺的单体，反应最优的比例1:400:4:8。
在一个优选实施方式中，可先将星型引发剂与含氮的丙烯酸酯类单体溶于干燥的第一有机试剂中，冷冻-抽排循环3-5次；然后，在非氧条件下，例如在n2保护下，加入催化剂和配体，再冷冻-抽排循环3-5次。充分混合的星型引发剂、含氮的丙烯酸酯类单体、催化剂和配体再于60～65℃条件下反应3～7h得到星型聚合物。先后经过两个冷冻-抽排循环过程后，可使得反应体系的氧含量降低，减少因催化剂氧化而导致的失活，提高反应产率。其中，第一有机试剂为四氢呋喃、二氯甲烷或三氯甲烷。其中，冷冻-抽排的温度视非氧条件而定；例如，在n2氛围时，冷冻-抽排的温度可为-196℃左右。
当保证加热稳定与搅拌均匀，最终产物中n1-n4取值是相同的；反之，其取值也可以是不相同的。n1-n4取值会影响星型聚合物与核酸分子在电荷比，从而会对基因的负载量有一定的影响，但影响较小；在制备过程中优选最终产物中n1-n4取值相同。
在一个具体的实施例中，当含氮的丙烯酸酯类单体采用甲基丙烯酸-n-(叔丁氧羰基)氨基乙酯单体时，星型引发剂、甲基丙烯酸-n-(叔丁氧羰基)氨基乙酯单体、催化剂和配体反应所得的产物在乙醚中沉淀3-5次，再经真空干燥后得到白色产物。将所得白色产物再溶于第二有机试剂中得到混合物，在非氧及0-50℃条件下，再向上述混合物中逐滴滴加有机酸以经过解氨基保护后，搅拌3-5h后，在第三有机试剂中沉淀3-5次，真空干燥处理所得白色固体即为星型聚合物。
其中，第二有机试剂为二氯甲烷、三氯甲烷、四氢呋喃或丁酮。第三有机试剂为乙醚、正己烷或甲基叔丁基醚。有机酸为三氟乙酸、乙酸或丙酸。
具体地，星型引发剂与含氮的丙烯酸酯类单体的反应过程可表述如下：
在一个优选实施方式中，本发明的制备方法包括：
步骤s1、季戊四醇与2-溴异丁烯酰溴混合反应得到星型引发剂；
步骤s2、摩尔比为1:(130-400)的所述星型引发剂与含氮的丙烯酸酯类单体反应即得。
在一个优选实施方式中，本发明的制备方法包括：
步骤s1、摩尔比为1:(4-20)的季戊四醇与2-溴异丁烯酰溴的混合物在0-50℃条件下反应20-50h即得所述星型聚合物；
步骤s2、摩尔比为1:(20-1000)：(2-80)：(4-160)所述星型引发剂、所述含氮的丙烯酸酯类单体、所述催化剂和所述配体混合反应即得。
在一个优选实施方式中，本发明的制备方法包括：
步骤s1、将摩尔比为1:(4-10)的季戊四醇与三乙胺溶于有机溶剂中得第一混合液，将2-溴异丁烯酰溴溶于有机溶剂得到第二混合液，在n2保护和0-5℃条件下将第二混合液逐滴滴加到第一混合液中反应得到所述星型引发剂；
步骤s2、摩尔比为1:(20-1000)：(2-80)：(4-160)所述星型引发剂、所述含氮的丙烯酸酯类单体、所述催化剂和所述配体混合反应即得。
在一个优选实施方式中，本发明的制备方法包括：
步骤s1、将摩尔比为1:(4-10)的季戊四醇与缚酸剂溶于有机溶剂中得第一混合液，将2-溴异丁烯酰溴溶于有机溶剂得到第二混合液，在n2保护和0-5℃条件下将第二混合液逐滴滴加到第一混合液中，并在0-50℃条件下反应20-50h得到所述星型引发剂；
步骤s2、摩尔比为1:(20-1000)的所述星型引发剂与所述含氮的丙烯酸酯类单体混合，冷冻-抽排循环3-5次，添加所述催化剂和所述配体后，再冷冻-抽排循环3-5次，并于60～65℃条件下反应3～7h即得。
根据本发明的另一个方面，还提供一种星型聚合物，其由上述方法制备得到。
根据本发明的另一个方面，还提供一种星型聚合物的应用，星型聚合物作为核酸载体的应用。该星型聚合物优选应用于活体细胞。优选所述星型聚合物与核酸分子在电荷比为(1-32):1条件下形成复合体。
将所述基因载体在载体中氨基数目与核酸磷酸基团数目比(n/p)为(1-32):1的范围水溶液中混合形成稳定的复合体，复合体稳定性可以通过电泳检测，将上述稳定复合体与活体细胞共孵育后，复合体能够快速进入细胞内，从而实现外源核酸分子的生物功能。星型聚合物载体于外源核酸组装的示意图参见图1所示。借助该载体高灵敏度，在100ng/ml-1μg/ml浓度范围内，能快速将核酸分子携带进入细胞，并保证细胞低毒性，细胞存活率超过95％，核酸递送效率随载体浓度增加而增加，在超过最低工作浓度十万倍时(10μg/ml)仍能够保持细胞存活率达85％以上。
本发明的有益效果主要如下：
本发明的星型聚合物具有很好的水溶性，可组装成为100nm的纳米粒子，表面带正电荷；溶解过程无需有机溶剂，避免环境污染；且具有低细胞毒性的优点，使用安全；
本发明星型聚合物的制备方法具有制备简单，重复性好，成本低廉，便于批量生产；
本发明的星型聚合物可应用为一种高效、环保的新型载体，其能够在水溶液环境中装载外源核酸分子，形成稳定的复合物，能够快速进入细胞，发挥外源核酸分子的生物作用；在生物医学和农业领域都具有很高的应用潜力。
附图说明
图1为根据本发明实施例星型聚合物和外源核酸组装成复合体的示意图；
图2为根据本发明实施例中星型引发剂的核磁谱图；
图3为根据本发明实施例1中星型聚合物p1核磁谱图；
图4为根据本发明实施例1中星型聚合物p1的扫描电镜照片；
图5为根据本发明实施例1中星型聚合物p1水溶液的粒径分布图(a)以及星型聚合物p1表面电荷分布图(b)；
图6为根据本发明实施例2中星型聚合物p2核磁谱图；
图7为根据本发明实施例2中星型聚合物p2的扫描电镜照片；
图8为根据本发明实施例2中星型聚合物p2水溶液的粒径分布图(a)以及星型聚合物p2表面电荷分布图(b)；
图9为星型聚合物载体分子p1与dna质粒，p2与dna质粒在不同n/p下形成载体/dna质粒复合体的电泳检测图；
图10为s2细胞在不同处理下摄取dna质粒48h后，细胞表达gfp质粒基因的示意图。a，b，c，d为细胞与绿色荧光蛋白叠加图。a’，b’，c’，d’为荧光下绿色荧光蛋白成像图。a：对照实验组1中只用无菌水处理细胞内未检测到荧光；b：实验组2中只用质粒dna孵育细胞内几乎检测不到绿色荧光信号；c：实验组3中使用p1/dna复合体孵育细胞后，细胞中表达绿色荧光蛋白图；d：实验组4中使用p2/dna复合体孵育细胞后，细胞表达绿色荧光蛋白图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图，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。
实施例1
本实施例提供一种星型聚合物及其制备方法，该制备方法包括：
(1)星型引发剂的制备
将0.18mmol季戊四醇和1.11mmol三乙胺溶解于干燥的四氢呋喃中，在氮气保护和0℃条件下，按照每分钟60滴的速度逐滴加入溶有1.11mmol2-溴异丁酰溴的四氢呋喃溶液。滴加完毕后，于25℃下搅拌48h。反应结束后，用旋转蒸发仪除去四氢呋喃，所得混合物溶于乙酸乙酯，之后依次用饱和碳酸钠水溶液和去离子水洗三次。用无水硫酸钠干燥有机相，旋蒸后在冰乙醚中结晶，得到50mg白色的结晶状纯净产物即为星型引发剂，产率40％。所制备得到的星型引发剂的化学结构式的核磁谱图见图2。
(2)星型引发剂与含氮的丙烯酸酯类单体的反应
0.034mmol所得引发剂和4.5mmol甲基丙烯酸-n-(叔丁氧羰基)氨基乙酯单体(boc-aema)溶解于2ml干燥的2-丁酮中，进行3～4次冷冻-抽排循环。在氮气保护下，加入0.14mmol溴化亚铜和0.28mmol2,2-联吡啶，再次冷冻抽排后，在65℃下反应7h。反应结束后，在乙醚中沉淀三次，所得固体真空干燥至恒重，得到白色产物约580mg，产率55％。为解产物中氨基的叔丁氧羰基保护，将该产物溶于2ml干燥二氯甲烷中，在氮气保护和室温下，逐滴加入2ml三氟乙酸，继续搅拌3h。反应结束后，用旋转蒸发仪除去三氟乙酸，在乙醚中沉淀三次，所得固体真空干燥至恒重，得到白色聚合物p1。
所得星型聚合物p1的化学结构式为：
其中，甲基丙烯酸-n-(叔丁氧羰基)氨基乙酯可采用如下方法制备：将0.075mol的2-乙醇胺加入150ml三口烧瓶中，加入25ml的1,4-二氧六环溶解。在常温下，将二碳酸二叔丁酯(4.36g，0.02mol)溶于35ml的1,4-二氧六环，将上述溶液按照每分钟60滴的速度，滴加到反应体系中，反应24h。反应完后得到的反应物，减压蒸馏除去溶剂，然后将反应物溶解在50ml去离子水中，用二氯甲烷萃取后，有机相无水硫酸钠干燥后，旋蒸后得到无色油状液体叔丁基(2-羟乙基)氨基甲酸酯2.5g。将12.4mmol叔丁基(2-羟乙基)氨基甲酸酯加入到100ml三口瓶中，加入10ml二氯甲烷溶解后，加入12.4mmol无水碳酸钠、搅拌。在氮气气氛和0℃的条件下，下缓慢滴加12.4mmol的2-甲基丙烯酰氯，缓慢升至室温并搅拌24h。反应完后，过滤除去白色沉淀后，用旋转蒸发仪除去溶剂。用乙醚将粗产物溶解，并用饱和碱液反复洗有机相，最终得到接近无色的有机相。冷冻结晶，随后抽滤，得到无色的晶体单体，即为甲基丙烯酸-n-(叔丁氧羰基)氨基乙酯(boc-aema)。采用此方法制备boc-aema，具有高效和低成本的优点。采用叔丁氧基保护单体中的伯胺，再聚合，随后通过酸解去保护，有利于提高反应效率，促进星型聚合物的生成。
所制备得到的星型聚合物载体的化学结构式的核磁谱图见图3，其扫描电镜图见图4，其表面电荷分布图见图5的b图，星型聚合物载体水溶液中星型聚合物载体分子的粒径分布图见图5的a图。由图中可以看出，p1在水中可通过自组装形成尺寸为50nm左右的微球，且表面带正电。合适的纳米尺寸与表面电荷可以有利于实现生物体内的基因传递。
实施例2
本实施例提供一种星型聚合物及其制备方法，该制备方法包括：
(1)星型引发剂的制备
星型引发剂可采用与实施例1相同的方法制备得到。
(2)星型引发剂与含氮的丙烯酸酯类单体的反应
将0.055mmol引发剂和22mmol单体甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(dmaema)溶解于8ml干燥的四氢呋喃中，进行3～4次冷冻-抽排循环。在氮气保护下，加入0.22mmol溴化亚铜和0.44mmoln,n,n',n,'n”-五甲基二亚乙基三胺，再次冷冻抽排后，在60℃下反应7h。反应结束后，在乙醚中沉淀三次，所得固体真空干燥至恒重，得到约2.4g白色的聚合物p2，产率40％。
所得星型聚合物p2的化学结构式为：
所制备得到的星型聚合物载体的化学结构式的核磁谱图见图6，其扫描电镜图见图7，其表面电荷分布图见图8的b图，星型聚合物载体水溶液中星型聚合物载体分子的粒径分布图见图8的a图。由图中可以看出，p2在水中可通过自组装形成尺寸为90nm左右的微球，且表面带正电。合适的纳米尺寸与表面电荷可以有利于实现生物体内的基因传递。
试验例1
取该质粒dna(gfp质粒pegfp-n1，购自clontech)100ng，与p1或p2按照n/p比为1:1、2:1、4:1的比例分别混合，涡旋震荡3-4次，使dna与两种载体充分结合，自由组装形成不同n/p下的p1/dna，p2/dna复合体，并单取100ngdna作为对照，用电泳检测复合体电荷量及稳定性。结果如图9所示，经琼脂糖凝胶电泳检测发现单独质粒dna清晰可见2000bp大小的片段；而加入载体后，各个n/p处理中，dna电泳中的条带被成功阻滞，表明p1、p2能够结合dna形成电中性分子，该分子在电场力作用下不在发生迁移。静电吸附作用下形成的p1/dna、p2/dna复合体表现稳定，在电场力作用下保持稳定的复合体状态。
试验例2
以上述实例中的p1和p2装载绿色荧光蛋白(greenfluorescentprotein,gfp)的质粒dna，转染活体昆虫细胞，从而说明本发明所述星型阳离子聚合物的使用方法。设置实验组1：无菌水，实验组2：单独质粒dna溶液，实验组3：p1/dna溶液，实验组4：p2/dna溶液。按照分组，将等体积的四组处理溶液分别与昆虫s2细胞孵育48h。荧光显微镜下检测质粒dna中绿色荧光蛋白基因的表达结果，结果见图10：实验组1中无菌水处理后细胞中未检测到绿色荧光；实验组2质粒dna处理后细胞中检测到微弱的绿色荧光信号，表明单独质粒能够进入细胞内表达的效率很低；实验组3、实验组4中细胞中均检测到强绿色荧光信号，说明载体p1、p2能够高效递送外源核酸分子例如质粒dna进入细胞中并实现表达绿色荧光蛋白的高效表达。细胞内绿色荧光蛋白强度比较：实验组4>实验组3>实验组2>实验组1。实验表明，p1和p2均可作为核酸载体，且p2递送作用优于p1。
最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。