基于聚(L-谷氨酸酯)温度敏感型水凝胶的制备和生物医学应用

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高分子水凝胶具有和生物组织相似的物理化学性质,所以在生物医学领域得到广泛的关注。特别是温度敏感型高分子水凝胶,其操作简单,制备过程不需要引入有机溶剂,安全性高,倍受研究者的青睐。但是传统的聚酯类温度敏感型水凝胶一方面成胶浓度高,另一方面降解后累积酸效应明显,会对担载药物或者细胞产生不良影响,再者构成水凝胶的高分子材料难以修饰,不利于水凝胶的生物功能化,所以具有一定的局限性。为了解决这些问题,我们从设计材料的角度出发,制备了凝胶性能优异的聚(L-谷氨酸酯)温度敏感型水凝胶,详细研究了成胶机理以及凝胶性质的影响因素,评价了凝胶在体内的生物可降解性以及组织相容性,并以紫杉醇和小鼠成纤维细胞L929为模型分别在药物包埋肿瘤治疗以及细胞培养两方面做了相应研究。具体如下:  1)通过开环聚合制备了四种含有不同疏水侧基(甲基、乙基、丙基和丁基)的聚乙二醇-聚(γ-烷基-L-谷氨酸酯)嵌段聚合物。这四种聚合物的磷酸缓冲溶液(PBS)都会随着温度的升高而发生溶液-凝胶转变,凝胶转变温度随着侧基疏水性增强和聚合物浓度的降低而升高。其中,聚乙二醇-聚(γ-甲基-L-谷氨酸酯)(PEG-PMLG)和聚乙二醇-聚(γ-乙基-L-谷氨酸酯)(PEG-PELG)的凝胶转变温度明显低于聚乙二醇-聚(γ-丙基-L-谷氨酸酯)(PEG-PPLG)和聚乙二醇-聚(γ-丁基-L-谷氨酸酯)(PEG-PBLG),这是因为前者具有较多的β折叠结构,有利于聚合物之间的聚集。对于β折叠含量相近的PEG-PMLG和PEG-PELG,由于乙基具有更强的疏水性,所以PEG-PELG的凝胶转变温度比较低。聚乙二醇-聚(γ-烷基-L-谷氨酸酯)嵌段聚合物在体外具有良好的细胞相容性,形成的水凝胶在蛋白酶K存在的条件下可以加速降解。这种聚氨基酸酯水凝胶在体内可以快速的成胶,有望作为可注射材料在药物传递和组织工程上得到应用。  2)通过开环聚合制备了一系列聚乙二醇和聚(γ-乙基-L-谷氨酸酯)(PELG-PEG-PELG)三嵌段聚合物,并以此共聚物为模型,研究其作为紫杉醇载体在原位肿瘤治疗方面的应用。这种聚合物的水溶液可以随着温度的升高发生凝胶转变,其凝胶转变温度随着疏水链段长度的增加或者亲水链段长度的降低而降低。温度升高时,PEG链段的部分脱水和聚(L-谷氨酸酯)链段β折叠结构的增多是凝胶形成的主要驱动力。这种三嵌段聚合物水凝胶在大鼠皮下三周可以被完全降解,且具有良好的组织相容性。紫杉醇和聚合物的水溶液混合,注射到体内可以形成原位的药物释放位点。抗肿瘤实验结果表明载药凝胶组在治疗的21天内具有最好的肿瘤生长抑制效果,同时不会对小鼠的各个脏器产生副作用。因此,这种温度敏感型可注射水凝胶作为药物载体在原位肿瘤治疗上具有广阔的应用前景。  3)通过开环聚合制备了含有可功能化基团的聚乙二醇-聚(γ-炔丙基-L-谷氨酸酯)嵌段聚合物PEG-PPLG,并以此共聚物为模型,研究了功能化水凝胶的构建以及在细胞培养方面的应用。这种聚合物的PBS溶液可以随着温度的升高发生凝胶转变。PEG-PPLG水凝胶在体内三周可以被完全降解,且不会引发组织的炎症反应。由于PEG-PPLG中存在可以修饰的炔基基团,可以进一步键合生物活性分子或功能基团。我们通过click反应将生物活性分子半乳糖和生物素键合到聚合物的侧链上,制备了两种聚合物P-Gal和P-Biotin。功能化的聚合物水溶液也可以在体温附近发生凝胶转变。细胞实验表明这两种聚合物在体外具有良好的细胞相容性,形成的凝胶在体内的降解过程和PEG-PPLG凝胶相同,且同样具有良好的组织相容性。实验表明,引入的生物功能分子对于促进材料的细胞黏附性能也会受到生物分子亲疏水性的影响。相比于由较为疏水的生物素修饰的P-Biotin凝胶,亲水性的半乳糖修饰的P-Gal凝胶表现了更好的细胞表面粘附性能。  温度敏感型聚(L谷氨酸酯)水凝胶具有简便的可操作性和可修饰性,以及良好的生物可降解性和组织相容性,所以在生物医用领域具有广阔的应用前景。
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