一種原位凝膠化溫度敏感型液體栓塞材料
——(Ⅰ)制備及性能研究

朱肖杰，朱小敏，孟建文，羅西友，李紅梅，張素文，王傳棟，馮圣玉

(1.山東大學化學與化工學院，濟南 250100；2.山東省藥學科學院，濟南 250101； 3.山東省醫用高分子材料重點實驗室，濟南 250101)

1 引 言

血管內的介入栓塞治療作為腫瘤的主要治療手段之一，已廣泛應用于臨床[1-3]。栓塞治療的效果在很大程度上決定于栓塞材料的選用。目前，最常用的液體栓塞材料為氰丙烯酸酯類粘附性栓塞材料，但其缺點是有將微導管粘附于血管壁的危險。非粘附性的液體栓塞材料已被不斷開發并應用于腦AVM的栓塞治療，目前應用的大多數非粘附性的液體栓塞材料需要用有機溶劑作為輸送載體，而有機溶劑又有一定的血管毒性作用，限制了其在臨床上的廣泛應用。因此，選用無需有機溶劑的非粘附性液體栓塞材料，是今后液體栓塞材料研究開發和應用的方向[4]。

聚(N-異丙基丙烯酰胺)(PNIP)，其水溶液及水凝膠具有特殊的溫度敏感性，水溶液在304 K左右發生相分離，相變點的溫度定義為最低臨界溶解溫度(LCST)[5]，利用這種可逆的溫度敏感性，在藥物控制釋放、濃縮分離酶、微生物等活性物質、固定化酶等方面有巨大的應用前景[6]。

我們曾經成功制備了聚(N-異丙基丙烯酰胺-co-N-正丙基丙烯酰胺)，配以顯影劑溶液得到溫敏栓塞劑[7]；此栓塞劑使用時聚合物從溶劑中沉淀分離出來達到栓塞的目的，但是栓塞劑固含量低，粘度高，顯影劑一般都隨溶劑流失，無法存留與沉淀后的固體中，適合AVM類的小病灶，但是對于像肝癌、肺癌、腎癌、動靜脈瘺等實體比較大的腫瘤就不合適，需要栓塞劑的量較大，且沉淀出的固體小且柔軟，栓塞程度較弱，容易再通。針對此情況，我們研究開發了新型的原位凝膠化的溫度敏感型液體栓塞材料，栓塞材料原位凝膠化后形成比較大的栓塞體，可快速而有效的對病灶進行栓塞，同時將顯影劑保留在固化后的凝膠中，達到術后顯影的目的，拓展了溫敏液體栓塞劑的適用范圍[8]。

原位凝膠化溫度敏感型液體栓塞材料選擇了兩種具有不同疏水能力的單體，通過自由基共聚，制備了一系列具有可調LCST及相變速度的新的溫度響應性共聚物聚(NIP-co-BMA)，探討了共聚單體比例對LCST及相變速度的影響以及原位凝膠化狀態的影響。通過調節共聚單體的配比，即改變共聚物的親水/疏水平衡，可以達到控制共聚物的LCST的目的[9]，以得到凝固狀態良好的聚合物，選擇具有合適的LCST，相變速度和凝膠化狀態的聚合物，可作為液體栓塞材料治療動脈瘤。

利用PNIP類聚合物的溫度敏感性能，可在人體溫度沉淀出固體，達到栓塞的目的。作為一種新的栓塞材料，PNIP類聚合物具有不需要有機溶劑、無毒、非粘附性，固化后柔軟等獨特的優點，具有很好的應用前景。

2 實驗部分

2.1 試劑及儀器

異丙胺，工業純，浙江建德建業有機化工有限公司；丙烯酰氯，工業純，海門貝斯特精細化工有限公司；乙酸乙酯，分析純，天津市廣成化學試劑有限公司；正己烷，分析純，天津市廣成化學試劑有限公司；甲基丙烯酸丁酯(BMA)，分析純，天津市博迪化工有限公司；1,4-二氧六環，分析純，天津市大茂化學試劑廠；偶氮二異丁腈(AIBN)，分析純，天津市大茂化學試劑廠；四甲基丙烯酸四乙二醇酯，廣州雙鍵貿易有限公司。

Bruker公司Avance 600核磁共振儀，D2O溶劑；Nicolet 20SX FTIR。

2.2 N-異丙基丙烯酰胺(NIP)的制備[10]及提純

一定量的異丙胺溶于乙酸乙酯中，滴加丙烯酰氯。冰水浴反應4 h，抽濾，濾液減壓蒸餾，收集112℃餾分，為白色固體N-異丙基丙烯酰胺(NIP)。

將蒸餾得到的NIP溶于正己烷中，加熱使之溶解，冷卻后加甲苯，使NIP結晶緩慢析出，析出完全時過濾，重復此操作，即得NIP的重結晶產物。

2.3 聚(NIP-co-BMA)的制備及純化

分別稱取一定量的NIP和BMA，加入1,4-二氧六環，氮氣氛下攪拌溶解，加入引發劑，加熱，冷凝回流條件下反應6 h，在熱水中沉降，得到聚合物。清洗，冷熱水中交替溶解，沉降，過濾，真空烘干，得到白色的聚(NIP-co-BMA)。

2.4 聚(NIP-co-BMA)水溶液粘度及分子量的測定

用烏氏粘度計在20℃恒溫水浴中測定聚合物水溶液的特性粘數[η]，以公式[η]=kMa計算聚合物的粘均分子量，文獻[11]給出20℃時，k值為14.5×10-2g/ml, a為0.50。

3 結果與討論

3.1 單體和聚合物的表征

3.1.1單體NIP 的IR譜圖和1H-NMR譜圖 圖1為提純后的NIP的紅外光譜， 1618 cm-1處譜帶由C=C伸縮振動產生，1652 cm-1處為C=O伸縮振動峰，即酰胺Ⅰ帶；1549 cm-1處譜帶由酰胺上N-H面內彎曲振動和C-N伸縮振動的組合吸收產生，為酰胺Ⅱ帶；1244 cm-1由C-N-H振動產生，為酰胺Ⅲ帶；2874-2932 cm-1為C-H的伸縮振動峰；3280 cm-1為N-H伸縮振動峰；1365-1400 cm-1處的雙峰是由異丙基-CH(CH3)2上的C-H彎曲振動產生。

圖2為提純后NIP的H-NMR譜圖，表明單體純度達到聚合要求。

圖1NIP紅外光譜

Fig1FTIRspectraofthemonomerNIP

圖2 NIP 1H-NMR譜圖

3.1.2聚(NIP-co- BMA)的紅外、核磁結構表征 聚(NIP-co- BMA)的IR譜圖見圖3，由圖可見，1618 cm-1雙鍵吸收峰消失，1652 cm-1處酰胺Ⅰ帶變寬，表明C=C已經聚合。

聚(NIP-co- BMA)的1H-NMR譜圖核磁共振譜見圖4。對比圖2可見，C=C峰(δ=6.08-6.19)消失，δ=1.49-1.93是聚合物主鏈上的-CH2的峰，δ=0.85是BMA中-CH3的峰，δ=1.06為NIP中-CH3的峰，由此可見，NIP和BMA已經聚合。

3.1.3聚(NIP-co- BMA)的形態表征 圖5a是聚合物溶液在常溫下的狀態，b是聚合物在人體溫度固化后的宏觀狀態。

圖3聚(NIP-co-BMA)的IR譜圖

Fig3FTIRspectraofthecopolymerpoly(NIP-co-BMA)

圖4 聚(NIP-co- BMA)的1H-NMR譜圖

圖5 聚(NIP-co- BMA)在常溫和體溫的形態表征

Fig5Poly(NIP-co-BMA)solutionatbodytemperatureandtheroomtemperature

3.2反應溫度對分子量及產率的影響

單體配比NIP/BMA=98:2，反應時間為6 h，引發劑用量為3×10-3mol/L時，研究了反應溫度對分子量、粘度及產率的影響，結果見表1，溫度太低時，引發劑的活性低，幾乎無法引發反應，當達到合適的反應溫度后，繼續升高，則聚合度降低，因此，分子量下降，符合自由基聚合規律；產率也隨溫度升高而變大，但當溫度高于60℃時，產率基本恒定。

表1反應溫度對分子量及產率的影響

Table1Effectofthereactiongtemperatureonthemolecularweightandtheproductivityofpolymers

No.反應溫度(℃)[η]M(106)產率(%)備注140沉淀時渾濁,無固體2502.382.7057.653605.4614.1891.314703.074.4992.815802.172.24 92.79

3.3 反應時間對分子量及產率的影響

圖6和圖7研究了反應時間對聚合物分子量和產率的影響。單體配比NIP/BMA=98:2，反應溫度為60℃，引發劑用量為3×10-3mol/L，隨著反應時間延長，聚合物分子量和產率都隨之增大，當反應時間為6 h時，分子量和產率基本恒定，說明此時聚合反應基本完成。

圖6 分子量隨時間的變化曲線

圖7 聚合物產率隨時間的變化曲線

Fig7Thecurveofproductivityofpolymerstoreactiontime

3.4 引發劑用量對特性粘數及分子量的影響

表2反映了引發劑濃度對聚合反應的影響。隨著引發劑濃度的提高，聚合物的特性粘數和分子量逐漸降低，符合自由基聚合規律。

表2引發劑用量對特性粘數及分子量的影響

Table2Effectoftheinitiatorontheintrinsicviscosityandthemolecularweightofpolymers

No.C(mol/L)NIP/BMA(molar ratio)I×103(mol/L)[η]M(106)11.098/221.080.5621.098/235.4614.1831.098/265.0612.2041.098/284.7210.5951.098/2104.027.72

3.5 單體配比對聚合物的相變溫度及相變時間的影響

表3反應了單體配比對聚合物的相變溫度及相變時間的影響。聚合物的LCST隨著聚合物中BMA含量的增加呈規律性降低。因為共聚單體N上烷基取代基的體積越大，所得凝膠的LCST越低[12]。

考慮到聚合物作為栓塞材料的實際應用，選擇在36℃(人體溫度)測定相變時間。在30 s以內，聚合物從水溶液中完全沉析出來，變成固體；測定相變的可逆性時，聚合物溶液在36℃固化1 min，測定在20℃冷卻時的時間。結果發現，隨著聚合物中BMA含量的增加，聚合物從溶液狀態到固體的轉變時間逐漸變小，所有的聚合物都在30 s內完成相變；從固化狀態到溶液的可逆變化，則是隨著聚合物中BMA含量的增加，時間逐漸延長，BMA含量為8%的共聚物的相變時間大于6 min。

表3單體配比對聚合物的相變溫度及相變時間的影響

Table3TheeffectofthemonomerratioontheLCSTandphasetransitiontimeofpolymers

No.C(mol/L)NIP/BMA(molar ratio)LCST(℃)液體—固體(s)固體—液體(s)11.092/826.770.5-5>36021.095/530.531-612731.098/232.552-76841.099/135.293-103151.0100/036.536-3012

聚合物中存在親水/疏水平衡，-NHCO-為親水基團，而-CH(CH3)2和- CH2CH2CH2CH3為疏水基團，溫度升高，親水基團與水分子形成的氫鍵作用減弱，疏水基團間的相互作用加強，高分子鏈通過疏水作用互相聚集，發生相變，聚合物從溶液狀態變為凝膠狀態。在聚合物結構中引入疏水性更強的- CH2CH2CH2CH3基團，降低了整個凝膠網絡結構的親水/疏水比，親水基團與水分子形成氫鍵數目減少，故需要較少的能量即可以破壞這些氫鍵，聚合物鏈更易聚集，因此，相變更容易發生，LCST也相應降低。

3.6 鹽溶液對聚(NIP-co-BMA)的LCST的影響

將聚合物溶于一定濃度的NaCl溶液中，測定聚合物的LCST(見圖8)，結果發現，隨著NaCl溶液濃度的增加，聚合物的LCST逐漸降低，這是因為溶液體系中的鹽離子的存在，使自由水變成了鹽離子的水化水，削弱了共聚物與水分子之間的氫鍵，破壞了溫敏物分子表面的水化層，導致了其疏水性增加[9]。

圖8鹽溶液濃度對聚合物LCST的影響樣品：1:92/8；2:95/5； 3:98/2； 4:99/1； 5:100/0;Sample: 1:92/8；2:95/5； 3:98/2； 4:99/1； 5:100/0

Fig8TheeffectofthesaltconcentrationontheLCSTofthepolymersolution

3.7 顯影劑碘海醇對聚(NIP-co-BMA)的相轉變時間以及產品粘度的影響

在不影響聚合物沉淀栓塞的前提下，將顯影劑碘海醇溶于聚合物的溶液中，測得相變時間和粘度，見表4，由此可以看出，隨著顯影劑的加入，聚合物的沉淀時間延長，同時粘度略有增大。

表4顯影劑對相變時間和粘度的影響

Table4Theeffectoftheeikonogenonthephasetransitiontimeandtheviscocityofpolymers

No.NIP/BMA(molar ratio)時間N(s)時間H(s)粘度N(mpa﹒s)粘度H(mpa﹒s)192/85925 56295/56112658398/27122760499/1101825575100/030482761

N表示不含顯影劑，H表示含顯影劑

4 結論

(1)在聚合過程中，粘度和分子量隨反應溫度的升高而升高，當達到最佳溫度后，則呈下降趨勢；隨著反應時間的延長，分子量和產率逐漸增大并趨于穩定；隨著引發劑濃度的提高，聚合物的特性粘數和分子量逐漸降低；隨著BMA單體濃度的增加，聚合物的LCST逐漸降低，聚合物從溶液狀態到固體的轉變時間逐漸變小，從固體到溶液狀態的轉變時間逐漸延長；當反應溫度為60℃，反應時間為6 h，引發劑濃度為3×10-3-6×10-3mol/L時，單體配比NIP/BMA=98/2—95/5時，所得聚合物的粘度范圍約55～60 mpa·s，能順利通過導管，達到栓塞治療動脈瘤的目的。

(2)隨著鹽溶液濃度的增加，聚合物的LCST逐漸降低。顯影劑的加入，使沉淀時間延長，同時使粘度增加。