自组装聚丙二醇、聚乙二醇和聚(ε-己内酯)热凝胶中纳米尺度形貌与流变学性质的关联：一项小角中子散射研究

《Polymer》：Connecting nanoscale morphology to rheology in self-assembled poly (propylene glycol), poly (ethylene glycol) and poly(ε-caprolactone) thermogels: a SANS investigation

　　

摘要

热凝胶是能够根据温度变化发生溶胶-凝胶转变的水凝胶。它们是一类领先的生物材料，在多种生物医学应用中前景广阔，如药物持续释放以及作为玻璃体替代物用于治疗视网膜脱落。在各种热凝胶聚合物构造中，由聚（乙二醇）（PEG）、聚（丙二醇）（PPG）和聚（己内酯）（PCL）通过氨基甲酸酯键连接而成的多嵌段共聚物（EPCs）显示出巨大的应用潜力。尽管具有这种潜力，但这些聚合物在水中溶解后通过自组装形成的纳米结构仍很大程度上未知。在此，我们利用小角中子散射（SANS）阐明了其中七种结构和分子量（24-74 kDa）不同的构造在溶液中形成的纳米结构，并将其与流变学性质（热凝胶化和粘弹性）相关联。我们的研究发现，EPCs自组装形成椭圆形结构，在25°C下极半径范围为24至43 ?，赤道半径范围为118-190 ?。随着温度升高，这些结构变得不那么各向异性，在50°C时极半径增加到47-57 ?。分子量更高的EPCs表现出更高的聚集倾向，导致形成更大的自组装结构和更强的凝胶，凝胶化起始温度更低。总之，这些结构见解从分子水平上揭示了这些聚合物在溶液中的自组装行为，对生物应用具有潜在的深远意义。

引言

视网膜脱落是发展中国家第五大失明原因，是一种严重的医疗急症。[1], [2] 它发生在视网膜因年龄、糖尿病或外伤等因素与眼的上皮层分离时，导致视力丧失。[1] 玻璃体切除术是一种常见的治疗方法，即将玻璃体替代物插入眼的玻璃体腔内，以便视网膜愈合。目前的标准方法是使用空气、膨胀性气体和硅油，但都存在严重局限性。

水凝胶是由物理或化学交联的聚合物组成的三维网络，由于其机械强度、亲水性和多孔特性，以及能够模拟天然组织并支持细胞生长，是现有玻璃体替代物的理想替代品。[3], [4], [5], [6] 热凝胶是一类独特的聚合物，能够在生理温度下发生溶胶-凝胶转变，由两亲性嵌段共聚物的自组装驱动。它们特别值得关注，因为它们可以在室温下以溶胶状态的液体形式装载和注射，便于给药，然后在生理温度下通过形成物理交联而发生凝胶化，从而可作为持续释放的储存库，或促进组织再生。[7], [8]。

然而，很少有研究探讨热凝胶作为玻璃体替代物的应用，如经典的三嵌段热凝胶Pluronic-F127或WTG-127（甲基纤维素与PEG混合）面临着视网膜毒性和稳定性问题等挑战。[9], [10] 最近，EPC热凝胶作为一种有前景的玻璃体替代材料脱颖而出，因为它们具有良好的凝胶化行为、光学透明度和可注射性。[11], [12], [13] 这些材料由两亲性无规多嵌段共聚物的自组装配制而成，包含聚（乙二醇）（PEG）、聚（丙二醇）（PPG）和聚（ε-己内酯二醇）（PCL二醇）段，通过大分子二醇之间的氨基甲酸酯键连接（方案1）。EPCs表现出显著的热凝胶化特性，某些构造在低至3 wt%的浓度下即可在生理温度范围内凝胶化，并证明了长期生物相容性和促进了类似玻璃体的结构重塑。[1]

然而，尽管这些结果前景乐观，但这些聚合物在溶液中自组装后形成的纳米结构仍不清楚，进而这些形态如何决定不同的凝胶化特性，以及通过合成方案中的微小变化获得的不同构造如何导致不同的生物结果，仍然难以理解。本研究试图阐明制备条件（合成持续时间、催化剂种类）如何影响分子量和聚合物的其他特性，同时保持固定的PEG：PPG：PCL二醇比，以及这些结构差异如何影响两亲性构造的超分子自组装和热凝胶化行为。小角中子散射和流变学的结合使得探索合成条件与自组装形态和凝胶化行为之间的关系成为可能。这种基础理解是建立规则的第一步，这些规则可以成功地指导下一代玻璃体替代物的设计。

章节摘要

材料

聚乙烯醇（PEG, M_n = 2050 g·mol^-1），聚丙烯二醇（PPG, M_n = 2000 g·mol^-1），聚己内酯二醇（PCL二醇 M_n = 1250和2000 g·mol^-1），1,6-己二异氰酸酯（HMDI, 98%），辛酸亚锡双二月桂酸酯（DBTL）（95%），二乙基二硫代氨基甲酸锌（ZDTC, 97%）和无水甲苯（经4 ?分子筛干燥）购自Sigma-Aldrich（美国密苏里州）。乙醚和绝对乙醇由VWR Chemicals（美国宾夕法尼亚州）提供。异丙醇

聚（PEG-PPG-PCL氨基甲酸酯）（EPCs）的合成

4.00 g PEG（M_n 2,050 g·mol?1），1.00 g PPG（M_n 2,000 g·mol?1）和0.050 g PCL二醇（M_n为2,000 g·mol^-1，除了E的M_n为1250 g·mol^-1）（表1）溶解在30 mL无水甲苯中，对于所有构造均为固定的4:1:0.05重量比。各构造之间变化的参数为反应时间、催化剂种类和PCL二醇嵌段长度（表1）。大分子单体在旋转蒸发器上使用30 mL进行了两轮共沸蒸馏

结果与讨论

合成了七种EPC共聚物，包含PEG、PPG和PCL二醇段，重量比为4:1:0.05，使用1,6-己二异氰酸酯（HMDI）作为偶联剂，在大分子单体之间形成氨基甲酸酯键（-NHCOO-）（方案1，表1）。通过¹H NMR分析确认了聚合反应（图S1）。分子量通过积分GPC光谱中的峰获得（图S2）。几种色谱图显示较宽或有肩峰分布，因此表1中的M_n值

结论

本研究探讨了七种有前景的热凝胶（EPC）的超分子结构和凝胶化，这些热凝胶可作为视网膜脱落后的玻璃体替代物。所有共聚物的大分子单体进料组成相同，固定为4:1:0.05的重量比（PEG：PPG：PCL二醇），合成条件（主要是反应时间）有所变化，导致分子量从24 kDa到74 kDa不等。七种构造表现出不同的宏观和纳米结构特性（聚集

CRediT作者贡献声明

Jason Y. C Lim：写作 – 审阅与编辑、可视化、监督、方法学、形式分析。Xian Jun Loh：写作 – 审阅与编辑、监督、资源、方法学、资金获取、概念构思。Najet Mahmoudi：写作 – 审阅与编辑、方法学。Wenjing Zhu：写作 – 审阅与编辑、可视化。Lionel Porcar：写作 – 审阅与编辑、方法学。Jasmin Omar：写作 – 初稿、可视化、方法学、调查、形式分析、数据

利益冲突声明

? 作者声明，他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文所报道的工作。

致谢

JO感谢英国医学研究理事会（MRC）博士生培训计划、伦敦国王学院（KCL）和A*STAR提供博士学位奖学金。感谢ILL（DOI: 10.5291/ILL-DATA.9-11-1941）和ISIS（https://doi.org/10.5286/ISIS.E.RB2000184）提供束流时间。本工作受益于SasView应用程序的使用，该应用程序最初是在NSF拨款DMR-0520547下开发的。SasView包含的代码由欧盟"地平线2020"研究和创新计划资助开发

Jasmin Omar|Qianyu Lin|Wenjing Zhu|Lionel Porcar|Najet Mahmoudi|Jason Y.C. Lim|Xian Jun Loh|Cécile A. Dreiss

伦敦国王学院药学研究所，Stamford Street 150号，伦敦SE1 9NH，英国