分散聚合法原位包埋抗肿瘤药物复合微球的工艺研究高分子材料与工程.docx

1、分散聚合法原位包埋抗肿瘤药物复合微球的工艺研究高分子材料与工程理工学院毕 业 论 文学生姓名： xx 学 号： xxxx 专 业： 高分子材料与工程 题 目：分散聚合法原位包埋抗肿瘤药物复合微球的工 艺研究 指导教师： xxx（教授） 评阅教师： 2014 年 6 月xx科技大学理工学院毕业论文成绩评定表姓 名xx学 号xx成 绩专 业高分子材料与工程题 目分散聚合法原位包埋抗肿瘤药物复合微球的工艺研究指导教师评语及成绩 指导教师： 年 月 日评阅教师评语及成绩 评阅教师： 年 月 日答辩小组评语及成绩答辩小组组长： 年 月 日答辩委员会意见 答辩委员会主任： 年 月 日 注：该表一式两份，一

2、份归档，一份装入学生毕业设计说明书（论文）中。毕 业 论 文 中 文 摘 要分散聚合法是在20世纪70年代由英国ICI公司最先提出。这种聚合方法合成工艺简单，并且方便与其它有机物在介质中形成包覆来制备复合微球。通过分散聚合包覆来制得的复合微球，在分散剂的存在下，悬浮在有机溶剂中，形成稳定的类似于乳液的分散体系。而对于包药来讲，尽管高分子材料用于抗肿瘤药物载体系统的研究才起步不久，但它给我们带来的应用前景确实令人入胜。因为用具有生物相容性的高分子材料作为药物的载体，那就可以在人体的病灶处有选择性的释放药物，从而极大地提高药物的利用率并降低药物对人体的毒副作用。所以本次课题在甲醇-水介质里，用一步

3、法通过分散聚合直接使用MMA对5-氟尿嘧啶分子进行原位包覆，并在实验中对工艺进行逐步优化，通过本课题所研究的复合微球合成工艺，来提高单体对功能性抗癌药物的包覆率，提高抗癌药物复合微球的合成效率。最终通过紫外-分光光度测试进行了表征，成功地制得了聚甲基丙烯酸甲酯包覆药物分子的复合微球，结果证明了利用分散聚合法包覆抗肿瘤药物的现实可行性，也预示这这种合成工艺会在未来有很大的潜力。关键词 分散聚合 MMA 抗肿瘤药物毕 业 论 文 外 文 摘 要Title Process research of dispersion polymerization in situ package anti tumor

4、 drug microspheresAbstractDispersion polymerization is the 70 in twentieth Century by the British ICI company was first put forward in the. Synthesis of this aggregation method is simple and convenient, and other organic compounds formed in the medium coating to prepare composite microspheres. The p

5、olymer composite microspheres coating prepared dispersion, in the presence of the dispersant, suspended in an organic solvent, to form a stable emulsion dispersion system similar to the. But for the drug, although the system carrier of antitumor drugs used in polymer materials started shortly before

6、, but its application has brought us really fascinating. Because the use of biocompatible properties of polymeric materials as drug carrier, it can release the drug selectivity in lesions in the human body, thereby greatly improving the drug utilization and reduce the side effects of the drugs on hu

7、man. So this topic in methanol water solution by one-step polymerization, by directly using the MMA of 5- fluorouracil molecule in situ coating dispersion, and the technology in the experiment were gradually optimized, the composite microspheres synthesis technology research, to improve the coverage

8、 of functional monomers on the anticancer drugs, improve the synthesis efficiency of anticancer drug microspheres. Finally through the UV spectrophotometric tests were carried out to characterize, composite microspheres with PMMA system successfully coated drug molecules, the results proved the feas

9、ibility of using dispersion polymerization coating of antitumor drug, also indicates that the synthetic technology will have great potential in the future.Key Words Dispersion polymerization MMA Anti tumor drugs目录1 绪论 11.1 前言 11.2 国内外研究进展 31.2.1 抗肿瘤药物的使用 41.3 本课题研究意义和内容 52 实验内容 62.1 实验原料及仪器 62.1.1 实

10、验原料 62.1.2 仪器及型号 62.2 实验步骤 72.2.1 分散聚合制备聚甲基丙烯酸甲酯微球实验步骤 72.2.2 分散聚合法包覆尿嘧啶实验操作步骤 82.3 表征 82.3.1 扫描电镜 82.3.2 粒度分布 82.3.3 紫外-分光光度测试 82.3.1 单体转化率测试 83 结果与讨论 93.1 改变乙醇和水的配比来探究聚合物微球从体系析出的情况 93.2 分散剂对单体所占的质量分数对反应体系的影响 103.2.1 分散剂的用量对反应结果的影响 103.2.2 分散剂的用量对聚甲基丙烯酸甲酯粒径的影响 103.3 改变乙醇和水的配比来探究微球粒度分布 113.4 引发剂对单体聚

11、合转化率的影响 133.5 合成产物的红外光谱图分析 143.6 药物的包覆率 153.7 透射电镜分析 17结论 18致 谢 19参考文献 201 绪论1.1 前言目前就单体聚合包覆工艺的研究和应用往往利用乳液聚合法和悬浮聚合法，并且对于传统的药物包覆也往往通过两步法，既先是通过乳液聚合或者悬浮聚合制备高分子微球，然后再进行包药。但悬浮聚合制备的聚合物微球的粒径可达到100-1000um，但分散性较差；而乳液聚合所制得的微球粒径为0.01-0.8um的颗粒1-5,微球粒径也难以控制，所以能否找到一个合成工艺简单，粒径可控同时又容易与其它功能性有机物、无机物或金属粉末形成包覆的方法，这给科学家

12、们带来了很大的兴趣，其中，通过分散聚合来制备复合微球6被认为是一个很好的选择。近年来，无机或有机纳米级复合材料日益成为国内外研究者研究的重点，其中以原位聚合包覆法来制备聚合物包覆无机粒子、有机粒子或者是分子的合成工艺引起了人们广大的关注。通常制备以无机粒子为核、单体聚合物为壳的复合微球，常常用到的制备方法有乳液聚合法或悬浮聚合法等7，但是这些制备方法有一些缺陷，使得无法制成理想的复合微球。所以近些年来人们纷纷开始探究分散聚合法制备核壳型复合微球的方法。分散聚合法是一种在乳液聚合的基础上发展而来的，此种聚合方法是在20世纪70年代由英国的ICI公司最先提出。此种聚合是涂料工业界为改变丙烯酸脂类和

13、乙烯基类涂料的成膜，过多地依赖于稀溶液多次地涂布现状才得以发展，旨在以有机溶剂为介质的分散相，形成较为稳定的胶态分散体系8-9。分散聚合的稳定机理是将分散剂亦或者称作稳定剂，锚定于粒子的表面上，从而使粒子稳定地分散在介质之中，形成稳定的分散体系。和一般的沉淀聚合的区别所在，分散聚合的合成工艺简单，并且方便与其它有机物在介质形成包覆来制备复合微球10。通过分散聚合包覆来制得的复合微球，析出来的聚合物形成粉末小颗粒，在分散剂的存在下，悬浮在有机溶剂中，形成稳定的类似于乳液的分散体系。所以如果用分散聚合法包覆药物分子，便可以更好地发挥药品的药性11。传统的分散聚合有两大聚合理论，Lok等人则提出接枝

14、共聚物聚合成核的理论，理论表示聚合反应在均相的体系中进行，引发剂分解之后生成自由基并引发单体进行聚合反应，在稳定剂的存在下，反应体系出现了支链，因为有较长的支链产生，所以使得这些支链互相缠绕在了一起，从而形成原始增长核，之后再不断地从介质里吸收单体并进行聚合，是微球粒径不断变大，直至反应结束12-14。如下图1所示。（图1 接枝共聚物聚结成核机理）而Tseng等人提出了齐聚物沉析理论，认为单体、分散剂、稳定剂和引发剂在反应开始前都溶解在介质中，形成了均相体系。反应体系的温度升高的同时会使得引发剂分解产生自由基，从而引发单体聚合15。当生成的聚合物的链长不断增长，则会引起自身的极性发生相应的变化

15、。聚合物在反应介质中的溶解度会随着分子量增大而逐渐的减小，当聚合物链的分子量达到的临界链长时便会从介质中沉析出来。由于稳定剂的存在，使得相互缠绕形成的核稳定地悬浮在介质之中，这种初级核会不断地吸收反应介质中的单体和自由基，并在核内继续进行聚合反应，粒子的粒径随之不断地增长，最终生成聚合物微球16。（图2 齐聚物沉析理论）鉴于分散聚合的聚合特点，以往的分散聚合制备复合微球往往先对要进行包覆的粒子进行表面改性，然后再将改性后的粒子分散在介质中，与高分子单体进行分散聚合，从而达到对有机或无机粒子的包覆。但至今还没有直接把药物与单体分散在介质中，通过分散聚合法来包覆抗癌药物的例子。1.2 国内外研究进

16、展近些年来，关于制备大、小粒径分布微球的方法主要有分散聚合、溶胀聚合和微悬浮聚合17.其中微悬浮法经Omi等人开发的一种称为SPG技术，可合成几十到几百个微米的微球。但合成工艺复杂，造价昂贵。利用乳液聚合制备复合微球虽然方法简单，但是所得的微球粒子粒径分布较宽，形状不规则，微球粒径也难以控制，壳层中难免会混杂一些杂质，并且在聚合过程之中还需要其它的分离设备和能源消耗。而悬浮聚合也因为所制得的复合微球粒径分布窄的原因，给研究和使用带来了很多的难题。相对而言分散聚合适应性很强，合成工艺简单，聚合物粒径的可以控制，方便与无机物或有机物形成包覆，因而应用领域比较广泛。 分散聚合从它的本质上看属于一种特

17、殊的沉淀聚合，反应体系由引发剂、稳定剂、单体和反应介质构成，在其反应之前为均相体系。从反应开始后，随着反应的不断进行，生成的聚合物链不断变长，从而使其在反应介质中的溶解度逐渐的降低，当聚合物的链达到某个长度后，便会从介质里析出，并会在稳定剂的作用下形成稳定的核。之后单体便会不断地向核内进行扩散聚合，与此同时，介质里的聚合物链不断地被核表面所“捕获”。从而使得粒径逐渐地增大，最终以聚合物微球的形式稳定地分散在介质之中，通过分散聚合可以获得几百纳米到数十个微米的单分散聚合物微球，且此种聚合方法适用于不同类型的单体。 影响微球性能的主要原因可分为两个方面：反应条件以及反应体系的组成，反应条件包括反应

18、各个阶段的温度及搅拌的速度等。分散聚合中常常用到的引发剂有偶氮二异丁腈或过氧化苯甲酰等引发剂，也可以根据反应情况采用混合引发剂，稳定剂是微球制备过程中成核的关键，而常用的稳定剂包括聚乙烯吡咯烷酮或聚乙二醇等；反应体系的组成包括引发剂、稳定剂、单体、分散介质等的浓度及种类。另外分散介质的极性大小可以影响聚合物在反应介质中的溶解度，从而影响聚合物微球的粒径和粒径分布。鉴于分散聚合这些聚合特性，所以能很方便地实现聚合物对粒子的包覆。所以近些年来国内外有较多用分散聚合法包覆二氧化硅的例子。艾德生在乙醇-水介质中，以PVP为稳定剂，对经过MPS改性后的纳米二氧化硅溶胶颗粒进行苯乙烯的分散聚合。并且通过T

19、EM电镜观察结果并通过NMR光谱分析结果充分说明了胶囊化的成功。而Bourgeat-Lamie和Lang J等人用stober法先合成了二氧化硅颗粒的乙醇溶液，并对其表面进行了改性，进而利用分散聚合法实现了聚苯乙烯对二氧化硅的包覆。邱晓清等以硅烷偶联剂WD-70来改性纳米二氧化硅粒子，将纳米二氧化硅粒子分散在了异丙醇介质中，进而进行St的分散聚合包覆，成功地制备了以纳米二氧化硅为核，PSt为壳的有机/无机复合粒子，并且通过观察复合粒子的形态，发现纳米二氧化硅粒子完全地包覆在了PSt微球中。磁性微球的制备和研究也往往借助分散聚合法，其中，刘学涌等采用分散聚合在乙醇/水的介质下，在有四氧化三铁的条

20、件下，通过苯乙烯与聚苯乙烯单分子单体的共聚，成功制成了平均粒径为5-100um的两亲性高分子磁性复合微球。Takahashi K等深入研究了利用分散聚合制备聚甲基丙烯酸甲酯微球时，体系介质的极性和配比对聚合物微球及其粒径分布的影响。并且成功地制造出理想要求的聚甲基丙烯酸甲酯微球。1.2.1 抗肿瘤药物的使用目前药物治疗是癌症患者的主要治疗方法之一18，但在通常的情况下，放射药物治疗法和化学药物治疗法的选择性不高，并且会在治疗的过程中对人体带来毒副作用，给病人带来心理上和生理上的痛苦19-20，临床医学实践证明，抗肿瘤药物一般为小分子药物，这种小分子的药物的特点是杀死癌细胞的同时也附带着对人体正

21、常细胞的损伤21，此外常规小分子药物有代谢快，半衰期短，疗效不稳定等缺点。所以用具有生物相容性的高分子材料作为药物的载体，那就可以在人体的病灶处有选择性的释放药物，如此可极大地提高药物的利用率并降低药物对人体的毒副作用22。通过把小分子抗肿瘤药物结合在高分子材料上，可使得所制成的的高分子复合微球具有靶向和缓释的作用。目前对抗肿瘤药物研究最多的是5-氟尿嘧啶。几十年来5-氟尿嘧啶始终作为首选，用来治疗胃癌、乳腺癌、直肠癌等多种癌症23，不过由于5-氟尿嘧啶代谢快并且亲脂性低，导致其生物利用度低。为了消除临床应用时存在的恶心和腹泻等副作用，通过高分子材料的聚合包覆5-氟尿嘧啶制得的复合微球，可以克

22、服其吸收差和毒副作用大的缺点。科学研究也表明：小分子的5-氟尿嘧啶与高分子载体结合以后，可具有药效长、毒副作用小、缓释的特点，也能够更好地发挥小分子的药物作用来提高药物的利用率24-25，因而具有很多小分子药物无可相比的优点。尽管高分子材料用于抗肿瘤药物载体系统的研究才起步不久，但它给我们带来的应用前景确实令人入胜。特殊高分子材料向抗肿瘤药物合成工艺的研究，可以对药物的释放可控性提供了一个非常良好的平台。以后的工作也应该着重于设计制备具有生物相容性的高分子材料，探究药物和高分子载体的分子结构关系，以此可提高药效和药物的利用率。1.3 本课题研究意义和内容利用医用高分子作为药物载体，使溶解在介质

23、里的药物单体与高分子单体同时进行分散聚合，并通过改变反应条件以及引发剂和稳定剂的用量来改变粒径，制得理想的复合微球，利用以上方法制得的药物，当其进入人体时，会以一定速度释放，因此有效地减少了抗癌药物对人体给药次数，提高了药物的利用率。所以通过分散聚合来进行抗癌药物包覆工艺的研究可以解决很多现实生活中药物包覆的合成问题，和药物使用问题。通过复合微球可以将多种药物输送到人体的病灶部位并持续一段时间，所以这种粒径的粒子作为药物的载体在研究应用越来越受到人们的重视。本课题将利用分散聚合的特点，以甲基丙烯酸甲酯（MMA）作为单体，在甲醇-水介质里，用一步法通过分散聚合直接对5-氟尿嘧啶进行原位包覆。通过

24、本课题所研究的复合微球合成工艺，来提高单体对功能性抗癌药物的包覆率，提高抗癌药物复合微球的合成效率，同时也降低5-氟尿嘧啶对人体的毒副作用。本次课题欲采用甲基丙烯酸甲酯（MMA）为单体，偶氮二异丁氰（AIBN） 或过氧二苯甲酰（BPO）为引发剂，BPO稳定剂，在乙醇-水混合溶剂中，以原位分散聚合法实现对5-氟尿嘧啶（由于此药的价格昂贵，且不容易从市场买到，故使用尿嘧啶作为模型药来代替5-氟尿嘧啶）的包覆，通过调节反应原料的配比、分散剂、引发剂、单体以及反应条件来改变聚合物微球的粒径和包覆效果，从而达到合成理想的粒径分布的聚合物微球。本课题主要进行以下几个方面的研究工作：1通过改变乙醇和水的配比

25、来探究聚合物微球从体系的析出情况。2通过改变PVP在MMA所占的质量分数，来研究微球粒径以及粒度分布的变化。3影响药物的包覆率的条件因素。4引发剂对单体转化率的影响。2 实验内容2.1 实验原料及仪器2.1.1 实验原料试验原料及规格如下：表 1 实验原料和规格原料名称规 格生产厂家聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)分析纯天津市博迪化工有限公司过氧化苯甲酰（BPO）分析纯天津市博迪化工有限公司甲基丙烯酸甲酯(MMA)分析纯天津市永大化学试剂开发中心尿嘧啶分析纯阿拉丁有限公司无水乙醇分析纯天津市永大化学试剂开发中心蒸馏水化学纯取自实验室2.1.2 仪器及型号表 2 主要仪器 型号 生产厂家仪器名称型号厂

26、家电热恒温水浴锅HH11上海东星建材设备有限公司真空干燥箱（不锈钢内胆）DZ1BC天津泰斯特仪器有限公司电子分析天平AUY220 日本岛津激光粒度分布仪BT-9300S 丹东市百特仪器有限公司扫描电镜S-800-I 日本日立公司离心机LDL5A北京医用离心机厂紫外-可见分光光度计UV_2501PC 日本岛津公司 2.1.3 其它实验仪器表 2 主要仪器 型号仪器名称型号四口瓶250ml烧杯350ml烧杯2100ml烧杯1200ml蒸发皿4 搅拌棒 2.2 实验步骤2.2.1 分散聚合制备聚甲基丙烯酸甲酯微球实验步骤本次试验为了能够制备出理想的甲基丙烯酸甲酯包覆尿嘧啶的复合微球，首先是探究了以分

27、散聚合法制备单纯的聚甲基丙烯酸甲酯微球。由于从天津市永大化学试剂开发中心购买的瓶装甲基丙烯酸甲酯中含有阻聚剂，这使得反应的聚合以及转化率都收到了大的影响，所以在实验反应开始之前，我们先对已经购买的甲基丙烯酸甲酯进行减压蒸馏，以求得到最为纯净的单体药品。实验装置如下图。首先搭好本次实验装置，并打开电热恒温水浴锅把温度加热到60度并保温恒热。取无水乙醇于200ml的烧杯中，再向其中加入蒸馏水。用电子分析天平称取聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)，并把其加入无水乙醇水反应介质之中，用玻璃棒搅拌使PVP充分地溶解在反应体系，之后将溶有PVP的反应介质加入四口瓶中，打开搅拌器并插入温度计。称取过一定量的氧化苯甲

28、酰（BPO）固体颗粒，加入蒸馏好的甲基丙酸甲酯液体中，用玻璃棒搅拌使白色的BPO固体颗粒充分溶解于单体中，之后加入到四口瓶里并加快搅拌速率，通氮气保护30分钟。之后将温度调升至80度，聚合反应正式开始。2.2.2 分散聚合法包覆尿嘧啶实验操作步骤电热恒温水浴锅把温度加热到60度并保温恒热。用量筒称量一定量的蒸馏水倒入100ml的烧杯中，再向其中加入尿嘧啶，充分搅拌后加入四口瓶里并打开搅拌器。随后在烧杯中加入无水乙醇，并再向其中加入一定量的蒸馏水。称取聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)，并把其加入无水乙醇水反应介质里，用玻璃棒搅拌使PVP充分地溶解在反应体系，之后等四口瓶里的尿嘧啶充分溶解于蒸馏水后，再

29、将溶有PVP的反应介质也加入到四口瓶中。称取过一定量的氧化苯甲酰（BPO）固体颗粒，加入蒸馏好的甲基丙酸甲酯液体中，用玻璃棒搅拌使白色的BPO固体颗粒充分溶解于单体中，之后加入到四口瓶里并加快搅拌速率，通氮气保护30分钟。之后将温度调升至80度，反应开始后每隔10分钟观察反应体系的变化，并将变化记录到实验记录本上。反应6个小时后反应停止，把四口瓶里乳白色液体倒入200ml的烧杯中，在室温下自然冷却。之后将其倒入离心机中进行离心，把离心所得到的白色固体倒入蒸发皿中进行真空干燥。2.3 表征2.3.1 扫描电镜测试样品的1HNMR谱在Bruker Advances-400MHz型核磁共振仪上测定，

30、CDCl3或D2O为溶剂，TMS为内标。2.3.2 激光粒度分布仪激光粒度用BT-9300S型测定。测定时取出少量的复合微球固体粉末于50ml的烧杯中，用蒸馏水将其稀释到特定的浓度后进行测试。2.3.3 紫外-分光光度测试配制一系列不同含量的标准溶液，选择合适的标准溶剂浓度，在相同的条件下测定一系列的标准溶液的吸光度，做A-c曲线，既标准曲线，并测得标准溶液最大吸收波长，然后通过电脑得到线性回归方程。2.3.4 单体转化率测试分别测量不同组的实验样品的最终转化率，并对每组实验的各个阶段取样品测量各个阶段的转化率。3 结果与讨论3.1 改变乙醇和水的配比来探究聚合物微球从体系析出的情况不同的乙醇

31、和水的比例可直接影响反应体系的极性，而生成的聚合物的链长不断增长，则会引起自身的极性发生相应的变化。那么聚合物在反应介质中的溶解度会随着分子量增大而逐渐的减小，所以当乙醇与水的比例发生变化时，相应的会影响聚合物从反应介质中的析出时间。本次课题通过5组实验，通过改变无水乙醇和水的比例，来研究与讨论聚合物微球从介质中析出的时间。表3.1 醇/水比对微球析出时间的影响序号乙醇水从澄清到乳白时间180g20g2个小时260g40g1.5个小时350g50g40分钟440g60g25分钟535g65g8分钟注明：本五组实验所使用其它药品的量相同：引发剂0.25g、单体15g、单体15g通过五组实验的结果表明，在乙醇/水的体系中，随着无水乙醇在其中所占的比例的增加，也相应使反应介质的平均链长增加，从而改变了反应介质的极性，这就增加了聚合物微球在反应介质中的溶解性，只有当微球的粒径增加到一定范围时，才会从介质里析出，使反应体系出。而当