药物科学的目的是向患者有效地输送治疗药物。有目的地输送药物 如将治疗药物局部施用于作用部位比全身输送药物具有许多优点。典型 地，当通过局部给药而将治疗药物局部输送至作用部位时，与全身输送 有关的不利副效应可大大降低。全身给药的治疗药物相对非选择性地分 散于患者全身并代谢，从而就剂量而言降低其治疗有效性，并增加副反 应的可能性。相反，局部施用的治疗药物的有效剂量通常显著低于全身 给药所要求的剂量。伴随局部给药的剂量的降低减少了药物副反应的可 能性。此外，局部给药疗法的药物代谢也降至最小，从而增加其有效性。
尽管比全身输送有利，但治疗药物的局部给药远不理想。局部给药 的最大唯一缺点可能是治疗药物有效输送至待治疗的组织。组织对治疗 药物的吸收通常为一慢过程，因而在组织和含有治疗药物的局部制剂之 间要求较长接触时间。例如，治疗药物溶液的局部给药可能很成问题。 使用含有治疗药物的粘稠溶液、凝胶、软膏、洗剂、膏药和植入物 (insert)是以溶液形式施用治疗剂的常规替换方式。这些替换制剂用 来增加治疗药物和待治疗的组织之间的接触时间，从而增加局部治疗的 有效性。
眼科药物输送存在独特问题。眼药水传统上是将治疗药物局部输送 至眼睛的优选方式。事实上，治疗药物的溶液通常采用这种技术给药。 然而，众所周知施用于眼睛的药物主要通过眼泪排出系统而损失。这种 排出如此有效以致于只有一小部分治疗药物保留下来与眼睛接触任意延 长的时间。因此，经眼药水溶液将治疗药物局部输送至眼睛较为无效且 要求反复治疗。对溶液给药的常用替换方法如使用软膏和洗剂来延长组 织接触并不特别适用于对眼睛的给药。软膏和洗剂从物理上讲难以给药 于眼睛，因而药物剂量难以控制。固体植入物的使用也用来向眼睛输送 治疗药物。尽管该技术保证了药物的缓慢有效释放，但患者常常难以将 植入物放入眼睛的盲管并从中取出。
眼科药物输送的一种替换方法是使用在室温下为液体而在通过与组 织接触受热而转变成凝胶的治疗药物配剂。这些可以液滴输送至眼睛的 配剂易于分散且剂量也易于控制。更显著的是，一旦该液体配剂在眼睛 表面上转变成凝胶，治疗药物的排出就得以延缓而且其在眼睛上的停留 时间就得以延长。这些配剂的胶凝归因于随环境条件(所谓的“起动信 号”)如温度或pH的较小变化而发生溶液-凝胶转变的聚合物组分。在 温度变化时发生溶液-凝胶转变的聚合物常称作“热胶凝聚合物”或“温 度敏感性聚合物”。同样，因pH变化而发生溶液-凝胶转变的聚合物常 称作“pH敏感性聚合物”。
受热时形成凝胶的温度敏感性聚合物在其下部临界会溶温度 (“LCST”)(也称“浊点”)下发生溶液-凝胶转变。凝胶的形成 据信是由于温度敏感性聚合物的一部分聚集形成疏水性微区，这些微区 因该聚合物的亲水部分而保持在水溶液中。尽管在低温下可水溶，但这 类温度敏感性聚合物通常具有某些疏水特性。该聚合物的疏水特性由产 生该聚合物的单体赋予。例如，众所周知聚(N-异丙基丙烯酰胺) (“NIP AAm”)在水溶液中随温度而改变其结构(参见例如Heskins 等人，J.Macromol.Sci.Chem，A2.1141-45，1968)。温度低于NIP AAm 的LCST(即32℃)时，NIP AAm的聚合物链水合形成伸展结构，而 在温度高于LCST时，聚合物链形成排斥水的紧密结构。因此，凝胶形 成是因为NIP AAm聚合物的较为疏水的异丙基的缔合作用。
温度敏感性聚合物业已用作眼科药物输送的载体。例如，环氧乙烷 和环氧丙烷的嵌段共聚物业已在美国专利4，188，373中公开用于此 目的。然而，在该体系中，必须调节该聚合物的浓度以提供期望的溶液 -凝胶转变温度。该体系的缺点是为了达到适于在体温下胶凝的溶液- 凝胶转变温度，聚合物浓度必须相当低。因此，得到具有期望性能的凝 胶的能力因期望的生理适用温度范围而受限制。聚合物浓度必须低又限 制了可由该聚合物体系施给的药物量。
对pH变化敏感的聚合物如聚丙烯酸(“聚AAc”)也已用来就地 形成凝胶，包括用作眼科组合物中的载体。例如，美国专利4,888, 168公开了一种含均聚物聚AAc的组合物，在随后加入酸性组分时形成 凝胶。在这种情况下凝胶的形成是因为伴随羧酸基团在低pH下质子化的 粘度增加。在中性pH的水中，聚AAc的羧基离子化，该聚合物为水包 液体(liquid-in-water)溶液。通过加入酸如柠檬酸将pH降低至4.3- 4.5，导致因聚合物的亲水性降低和疏水性增加而形成凝胶。该体系用作 眼科药物输送载体的不希望有的限制是凝胶形成要求顺序加入两种溶液 (即第一聚AAc溶液和第二酸溶液)。
由于用来提供适于局部药物输送的载体的现有温度敏感性和pH敏 感性聚合物的缺点，研究人员已研究将含有这些组分的无规共聚物用作 局部药物输送的载体。然而，业已证明此类无规共聚物不适于生理应用。 特别是，温度敏感性和pH敏感性单体的无规共聚物在增加pH敏感性单 体含量或比例时迅速失去其温度敏感性。因此，通过使用足以赋予该无 规共聚物以pH敏感性的pH敏感性组分的比例，该比例会损坏加入温度 敏感性组分所追求的温度敏感性。此外，交联此类无规共聚物以形成水 凝胶并未减轻该问题。例如，丙烯酸(“AAc”)和NIP AAm的无规 共聚物的交联水凝胶在用作药物输送的载体时，随着该无规共聚物的 AAc含量增加，药物释放速率将更迅速(Dong and Hoffman，J.Controlled Release 15：141-152，1991)。
同样，人们试图将含有温度敏感性和pH敏感性聚合物的混合物的 水溶液用于眼科药物输送。然而，该类混合物也只取得了有限的成功。 例如美国专利5,252,318涉及温度敏感性和pH敏感性可逆胶凝聚合 物的含水混合物。在生理温度下和在缓冲盐水中，此类物理混合物在用 于药物输送时倾向于随温度敏感性聚合物沉淀和pH敏感性聚合物溶解 而分离。因此，由于药物通过从眼睛排出而损失使此类聚合物混合物大 大无效。
尽管将形成凝胶的聚合物用作局部眼科药物输送的载体有许多优 点，但其使用存在限制。如上所述，这些配剂以溶液输送，因而在形成 凝胶前易于从眼睛中排出。因此，在本领域需要一种简单、剂量可靠、 可局部给药的组合物，它能以不会迅速从治疗部位排出的控制释放方式 输送治疗有效量的药物。此外，本领域需要涉及将此类组合物用于局部 药物输送的方法。本发明满足了这些需要，并提供了其他有关优点。
发明概述
简言之，本发明公开了环境敏感性嵌段和接枝共聚物。此类共聚物 特别用作治疗药物控制释放的载体。在该实施方案中，本发明涉及接枝 共聚物，包含骨架pH敏感性聚合物组分和接枝于其上的侧链温度敏感性 聚合物组分，或骨架温度敏感性聚合物组分和接枝于其上的侧链pH敏感 性聚合物组分。在每一情况中，接枝共聚物具有的下部临界会溶温度 (“LCST”)在生理pH下为20-40℃。
在一个相关实施方案中，公开了包含pH敏感性聚合物组分和与其 相连的温度敏感性聚合物组分的嵌段共聚物。与接枝共聚物一样，本发 明的嵌段共聚物在生理pH下LCST也为20-40℃。
嵌段和接枝共聚物的pH敏感性聚合物组分优选包含来源于可聚合 羧酸(如丙烯酸和甲基丙烯酸)的含羧酸的聚合物组分，且优选是均聚 物或仅含有有限量的共聚单体的共聚物。温度敏感性聚合物组分的LCST 在生理pH下为20-40℃，且可以是均聚物或无规或嵌段共聚物。pH 敏感性或温度敏感性聚合物组分也可轻微交联，产生交联的嵌段和接枝 共聚物水凝胶。
在另一实施方案中，本发明涉及一种用于形成共聚物-药物混合物 的嵌段或接枝共聚物与药用药物的物理混合物。为了局部应用于治疗部 位，该共聚物-药物混合物以悬浮于药用载体中的固体颗粒形式应用。 另外，该共聚物可与药用药物一起溶于药用载体中并以液体共聚物-药 物混合物形式使用。在与治疗部位接触时，该共聚物-药物混合物的共 聚物形成凝胶。因此，本发明还公开了含有悬浮于药用载体中的共聚物 -药物混合物颗粒的组合物，以及含有与药用载体组合的该共聚物和药 物的组合物。在又一实施方案中，公开了用于通过向治疗部位施用该组 合物而将药物局部输送至该部位的方法。
在还一实施方案中，嵌段或接枝共聚物可轻微交联形成水凝胶。合 适的水凝胶包含骨架pH敏感性聚合物组分和接枝于其上的侧链温度敏 感性聚合物组分，或骨架温度敏感性组分和接枝于其上的侧链pH敏感性 组分。此外，还公开了包含与温度敏感性聚合物组分相连的pH敏感性聚 合物组分的嵌段共聚物水凝胶。此类水凝胶可含有一种或多种例如为溶 解或分散形式的药用药物。
本发明又一方面涉及用于普通工业应用的嵌段或接枝共聚物(包括 其水凝胶)，这些工业应用包括润滑剂、增湿剂、组织形成剂(bulk- former)和/或吸收剂。在本发明全文中，该嵌段和接枝共聚物可在宽 pH和温度范围内使用。
本发明的其他方面在参考附图和下列详细说明后将变得清楚。
附图的简要说明
图1说明在磷酸盐缓冲盐水溶液(pH7.4)中，四种具有不同比例 聚(N-异丙基丙烯酰胺)(“NIP AAm”)和聚丙烯酸(“AAc”) 的聚(N-异丙基丙烯酰胺)和聚丙烯酸的嵌段共聚物(“NIP AAm- b-AAc”)的0.2wt％溶液的温度敏感性行为。
图2说明在34℃于磷酸盐缓冲盐水(pH7.4)中，药物(即噻吗 洛尔)从NIP AAm-b-AAc共聚物-药物颗粒中释放与从均聚AAc-药 物颗粒中释放的对比。
图3说明四种具有不同比例的NIP AAm/AAc的NIP AAm-g-AAc 接枝共聚物及其50/50物理混合物的0.2wt％溶液在磷酸盐缓冲盐水溶液 (pH7.4)中的温度敏感性行为。
图4说明在34℃于磷酸盐缓冲盐水(pH7.4)中，噻吗洛尔从这 些NIP AAm-g-AAc接枝共聚物的共聚物-药物颗粒中释放与从NIP AAm和AAc的无规共聚物中释放的对比。
图5说明在37℃于磷酸盐缓冲盐水(pH7.4)中，噻吗洛尔从接 枝共聚物NIP AAm-g-AAc的共聚物-药物颗粒中释放与从NIP AAm和 AAc的无规共聚物中释放的对比。
图6说明在34℃于磷酸盐缓冲盐水(pH7.4)中，噻吗洛尔从不 同NIP AAm-g-AAc接枝共聚物(低聚物分子量2000，51个侧链/骨架； 分子量3300，31个侧链/骨架；分子量5800，18个接枝链/骨架；聚 AAc骨架分子量250000)的共聚物-药物混合物的铸膜(cast film) 中的释放。
图7说明在34℃于磷酸盐缓冲盐水(pH7.4)中，噻吗洛尔从铸 膜(低聚物分子量3300，31个侧链/骨架；聚AAc骨架分子量250000) 中释放的速率和接枝共聚物-噻吗洛尔混合物从该铸膜中溶出的速率。
图8说明在34℃于磷酸盐缓冲盐水(pH7.4)中，噻吗洛尔从如 下聚合物-药物混合物的铸膜中的释放：含30％NIP AAm的无规共聚 物；含30％NIP AAm的接枝共聚物，其中NIP AAm分子量为3300； NIP AAm(分子量3300)和均聚AAc(分子量250000)的物理混合 物(30∶70)；和分子量为250000的均聚AAc。
图9说明NIP AAm-BMA共聚低聚物和NIP AAm低聚物的0.2wt ％溶液在蒸馏水中的温度敏感性行为。
图10说明NIP AAm-BMA共聚低聚物和NIP AAm低聚物的 0.2wt％溶液在磷酸盐缓冲盐水(pH7.4)中的温度敏感性行为。
图11说明接枝共聚物(NIP AAm-BMA)-g-AAc、NIP AAm-BMA共聚低聚物和均聚AAc的0.2wt％溶液在磷酸盐缓冲盐水 (pH7.4)中的温度敏感性行为。
图12说明在34℃磷酸盐缓冲盐水(pH7.4)中噻吗洛尔从接枝共 聚物(NIP AAm-BMA)-g-AAc的共聚物-药物颗粒中的释放。
图13说明在34℃磷酸盐缓冲盐水(pH7.4)中噻吗洛尔从不同 NIP AAm-BMA共聚低聚物组成的不同接枝共聚物(NIP AAm- BMA)-g-AAc的共聚物-药物混合物铸膜中的释放。
图14说明本发明的一个代表性接枝共聚物水凝胶的合成。
图15说明代表性接枝共聚物水凝胶的接枝程度。
图16说明代表性接枝共聚物水凝胶的溶胀比(空心圈：0.5％交联 剂，58.97％接枝；实心圈：2.0wt％交联剂，48.41％接枝；空心框： 2.0wt％交联剂，65.27％交联)。
图17说明在34℃磷酸盐缓冲盐水(pH7.4)中噻吗洛尔从几种 (NIP AAm-BMA)-g-AAc接枝共聚物水凝胶的共聚物-药物 混合物铸膜中释放的速率。
图18说明NIP AAm和AAc的无规共聚物(89mol％NIP AAm) 的0.2wt％溶液在pH4.0和pH7.4下的温度敏感性行为。
图19说明市售的环氧乙烷和环氧丙烷的嵌段共聚物 (“EO/PO/EO”)的0.5wt％溶液的温度敏感性行为。
图20说明图19的EO/PO/EO嵌段共聚物接枝于AAc的均聚物骨 架上的接枝共聚物(即EO/PO/EO-g-AAc)的2.5wt％溶液的温度敏 感性行为。
图21说明药物(噻吗洛尔马来酸盐)从不同EO/PO/EO对AAc的 比率(即10∶90，20∶80和30∶70)的EO/PO/EO-g-AAc接枝共 聚物的释放。为了对比，还示出了药物从AAc均聚物以及AAc均聚物和 EO/PO/EO嵌段共聚物的物理混合物的释放。
图22说明药物从EO/PO/EO嵌段共聚物L-122以EO/PO/EO对 AAc之比为10∶90-50∶50接枝到AAc均聚物骨架上的接枝共聚物 中的释放。
图23说明药物从不同EO/PO/EO嵌段共聚物(即L-61，L- 92和L-122)以EO/PO/EO对AAc的比率为30∶70接枝到AAc均 聚物骨架上的接枝共聚物中的释放。
本发明的详细描述
本发明概括涉及环境敏感性嵌段和接枝共聚物。此类共聚物在治疗 药物输送中且更具体地说是在治疗药物的持续控制释放中特别有效。在 该实施方案中，本发明的环境敏感性嵌段和接枝共聚物可与-种或多种 治疗药物物理混合以形成共聚物-药物混合物。然后该混合物可以固体 颗粒形式(下文称作“共聚物-药物颗粒”)通过局部施用而施于治疗 部位上。另外，这些环境敏感性嵌段和接枝共聚物可以与治疗部位接触 时形成凝胶的液体形式给药。如本文所用的术语“治疗部位”指动物体 上或动物体内适于局部施药的任何表面，包括(但不限于)眼睛、开裂 的伤口或烧伤以及粘膜组织(如呼吸道、消化道以及阴道)，且该表面 含有足够的水/离子含量以水合颗粒或接触时胶凝。
更具体地说，本发明的共聚物-药物混合物可以组合物形式施用于 治疗部位，在该组合物中，该共聚物-药物混合物以固体颗粒形式悬浮 于药用载体中。本发明的药用载体必须不引起悬浮于其中的共聚物-药 物颗粒的显著溶解或药物从该颗粒中释放出来。在一个实施方案中，该 共聚物-药物颗粒可悬浮于挥发性载体如碳氟化合物挥发剂 (propellant)中。当与治疗部位如眼睛接触时，该挥发性挥发剂蒸发， 留下颗粒于眼睛表面上。该颗粒然后水合、溶胀并在其发生溶胀和溶解 时从该共聚物-药物颗粒中缓慢释放药物。在另一实施方案中，共聚物 -药物颗粒可悬浮于不挥发性载体中，如蒸馏水或无菌水中。如上所述， 颗粒与治疗部位接触时水合、溶胀并在颗粒溶胀和溶解过程中释放药 物。另外，该共聚物可与药物一起溶于药用载体中并以液体共聚物-药 物混合物形式给药，其共聚物组分在与治疗部位接触时形成凝胶。下面 更详细地讨论与治疗部位接触时发生的物理变化。
正如本发明全文中所使用的，术语“药物”包括在“Federal Food，Drug and Cosmetic Act Requirements relating to Drugs for Human and Animal Use”的21 C.F.R.§201(g)(1)(在此引作参考) 中所作的定义。在该定义中，药物指(a)在正式的United States Pharmacopeia，正式的Homeopathic Pharmacopeia of the United States， 或正式的National Formulary或其任何补编中所公认的产品；和(b) 用于影响人类或其他动物的疾病的诊断、治疗、镇静或预防的产品；和 (c)用来影响人体或其他动物体的结构或任何功能的产品(不是食品)； 和(d)用作上述条款(a)、(b)或(c)所规定的任何产品的组 分的产品，但不包括装置或其零件、部件或配件。水明确包括在这里所 用的术语药物的定义内。术语“化妆品组合物”包括用于皮肤护理、头 发护理、指甲护理的组合物，以及化妆用品、香水和香料。术语“超吸 收剂”指从干燥材料开始吸收约20倍其自身重量的含水流体的水凝胶 (J.Gross，Absorbent Polymer Technology，L.Brannon-Peppas and R.Harland，ed.，Elsevier，New York，New York，1990，P9)(在本文引作参 考)。
如上所述，在本发明的一个实施方案的实践中，嵌段和接枝共聚物 用作输送一种或多种药物的载体。该嵌段和接枝共聚物通过其组成部分 的物理性能完成药物从共聚物-药物混合物中的持续控制释放。具体而 言，本发明的嵌段和接枝共聚物由两种聚合物组分组成：一种温度敏感 性聚合物组分和一种pH敏感性聚合物组分。当与治疗部位接触时，嵌段 和接枝共聚物或水凝胶的pH敏感性聚合物组分或者水合和溶胀，或者塌 陷，从而使药物从共聚物-药物混合物中释放出来。pH敏感性聚合物组 分的水合和溶胀是由吸收治疗部位的水和离子引起的。例如，当pH敏感 性聚合物组分为含羧酸的聚合物(如聚AAc)时，该羧酸基团 (“COOH”)因从治疗部位吸收阳离子(如Na+或K+)而离子化， 从而产生中和的羧酸部分(即COO-Na+)。羧酸基团的离子化伴随着 水的吸收，反过来又导致共聚物-药物混合物的溶胀和胶凝。此外，这 种水合和溶胀使pH敏感性聚合物组分粘附于治疗部位的组织上(即成为 生物粘附(bioadhesive))。与pH敏感性聚合物组分相反，温度敏感 性聚合物组分阻止共聚物-药物混合物的水合和溶胀，从而使药物从该 共聚物-药物混合物中持续控制释放。
正如本文所使用的，本发明的“嵌段共聚物”具有至少一种末端连 接于至少一种pH敏感性聚合物组分的温度敏感性聚合物组分(即端-端 连接)。同样，本发明的“接枝共聚物”具有作骨架聚合物的pH敏感性 聚合物组分和至少一种作侧链聚合物的温度敏感性聚合物组分，或作骨 架聚合物的温度敏感性聚合物组分和至少一种作侧链聚合物的pH敏感 性聚合物组分。
为清楚起见，简单复习一下聚合物的命名将有助于理解本发明。通 常，聚合物是由单体单元的聚合得到的大分子(即分子链)。分子链的 链节为单体单元。例如，聚丙烯酸(聚AAc)是由单体丙烯酸(AAc) 得到的聚合物。更具体地说，聚丙烯酸是“均聚物”，即由单一重复单 元(AAc)组成的聚合物。相反，本发明的聚合物是“共聚物”。共聚 物是含有两个(或多个)不同单体单元的聚合物。共聚物通常可以几种 方式合成。例如，共聚物可由两种不同单体的共聚合而制备。这一方法 产生的共聚物中两种不同单体，通常称为“共聚单体”，可以无规分布 于整个聚合物链中。这些共聚物称作“无规共聚物”。另外，共聚物可 两种均聚物的共价偶联或连接而制备。例如，一种均聚物与第二种不同 均聚物的末端共价偶联提供“嵌段共聚物”。含有均聚物A和均聚物B 的嵌段共聚物可由下式示意表示：
(A)x-L-(B)y
其中(A)x是x个单体A的均聚物，(B)y是由y个单体B组 成的均聚物，而L是合适的共价键。
根据均聚物组分的化学本质，还可制备出另一类型的共聚物。例如， 如上所述，聚AAc是AAc部分的均聚物。因此，聚AAc聚合物链由羧 酸侧基取代。第二种不同均聚物与这些羧酸侧基的一个或多个的共价偶 联得到“接枝共聚物”。实质上是第二种聚合物接枝于第一种之上。因 此，接枝共聚物具有一个“骨架”聚合物，其上共价连接一个或多个“侧 链”聚合物。接枝共聚物的性质可取决于侧链聚合物在骨架聚合物上的 取代程度而显著变化。具有其上连有侧链均聚物B的骨架均聚物A的接 枝共聚物可由下式示意表示：
其中“…AAAAA…”是单体A的均聚物，(B)y是y个单体B 的均聚物，而L是一合适的共价键。
上面讨论的嵌段和接枝共聚物含有A和B的均聚物，它们代表本发 明的温度敏感性聚合物组分和pH敏感性聚合物组分。此外，本发明的嵌 段和接枝共聚物还可由均聚物以外的聚合物得到。例如不是将侧链均聚 物B接枝到骨架均聚物A上，而是可将共聚物CD接枝到均聚物骨架A 上，从而得到接枝共聚物，其中侧链聚合物本身是一种共聚物。在该情 形下，均聚物A对应于pH敏感性聚合物组分，而共聚物CD或者是共 聚单体C和D的无规共聚物，或者是嵌段共聚物，且对应于温度敏感性 聚合物组分。另外，骨架聚合物可以是共聚物CD(代表温度敏感性聚 合物组分)，侧链聚合物是均聚物A(代表pH敏感性聚合物组分)。 对于嵌段共聚物也是如此，即共聚物CD(代表温度敏感性聚合物组分) 可与均聚物A(代表pH敏感性聚合物组分)组合使用。尽管在上述讨 论中pH敏感性聚合物组分通常指均聚物，但pH敏感性聚合物组分本身 也可以是受到某些下文将更详细讨论的限制的共聚物。
在本发明有关药物输送的实践中，重要的是接枝和嵌段共聚物在从 室温到刚好高于生理温度的温度范围内发生溶液-凝胶相转变。该溶液 -凝胶或沉淀相转变(本文称作“下部临界会溶温度”或“LCST”) 可通过测定在溶液中的嵌段和接枝共聚物的光密度在特定波长(如 500nm)下随温度的变化而由吸收光谱法确定(Chen等人， Biomaterials 11：625-36，1990)。当加热到其LCST时，嵌段和接枝共聚 物开始凝聚，从而降低光的透射率。共聚物溶液的浊点定义为该溶液达 到其最大不透明度的某一值(如50％)时的温度。(本发明几种代表性 嵌段和接枝共聚物溶液的LCST的测定分别在图1、实施例1B以及图3、 实施例2B中提供)。另外，该相转变温度可通过测定粘度随温度的变化 而确定。当加热至LCST时，嵌段或接枝共聚物溶液的粘度随着发生液 体-凝胶相转变而显著增加。该相转变可定义为该溶液达到其最大粘度 的某一分数(如25％)时的温度。当共聚物溶液的不透明度在达到液体 -凝胶相转温度时不发生显著变化时，优选这类粘度测量。相转变的其 他指示包括测量该嵌段或接枝共聚物的溶胀或塌陷。
在一个实施方案中，本发明的嵌段和接枝共聚物具有的LCST(在 pH4.0-8.0)为20-40℃，优选26-34℃，更优选28-32℃。优选 嵌段和接枝共聚物在pH6.0-8.0，更优选7.0-7.8，最优选在7.4的生理 pH下具有上述LCST。在本发明全文中，嵌段和接枝共聚物的LCST在 通常低于10wt％的水溶液浓度下测定。还应理解的是在上述pH范围内 LCST的测定并不排除在pH更高或更低的生理条件下使用嵌段和接枝共 聚物。例如，胃部的pH很低(pH1)，本发明的嵌段和接枝共聚物适 于经口给药到其中。
在药物输送中，LCST超出20-40℃范围的嵌段和接枝共聚物通 常不适于用于本发明实践中。LCST低于20℃的共聚物除难以给药外， 而且极难溶解，因而在药物输送中无效。LCST高于40℃的共聚物在生 理温度和pH下迅速且完全溶解，因而因在治疗部位停留时间短而不能有 效地延缓药物输送。(本发明的这一方面将从本发明的嵌段和接枝共聚 物的生物粘附性能在下面作更详细的讨论)。
如上所述，本发明的嵌段和接枝共聚物的温度敏感性聚合物组分可 来源于均聚物或共聚物。在任一情况下，该温度敏感性聚合物组分的 LCST范围与本发明的嵌段和接枝共聚物相同(即，对于用作药物输送载 体，在上面确定的pH范围内为20-40℃，优选26-34℃，更优选 28-32℃)。因此，对于药物输送应用，本发明的合适温度敏感性聚合 物具有LCST为20-40℃，且它们各自的嵌段和接枝共聚物具有相同 范围的LCST。在本发明全文中，温度敏感性聚合物的LCST在低于1wt ％，优选0.01-0.5wt％，更优选0.1-0.3wt％的水溶液浓度下测定。
本发明的温度敏感性聚合物可以含有酯、醚、酰胺、醇和酸基团。 这些聚合物可由乙烯基单体如分别提供聚丙烯酰胺和聚(N-异丙基丙 烯酰胺)的丙烯酰胺或N-异丙基丙烯酰胺的聚合而合成，或由丙烯酸 或甲基丙烯酸的酯如分别提供聚丙烯酸丁酯或聚甲基丙烯酸丁酯的丙烯 酸丁酯或甲基丙烯酸丁酯的聚合而合成。同样，环状醚单体如环氧乙烷 的聚合提供聚醚，而乙酸乙烯酯聚合然后水解得到聚醇。合适的酯包括 丙烯酸及其各种衍生物如甲基丙烯酸的酯。合适的醚包括环氧乙烷，环 氧丙烷和乙烯基甲基醚。合适的醇包括丙烯酸羟丙酯和乙烯醇。合适的 酰胺包括N-取代的丙烯酰胺，N-乙烯基吡咯烷酮，N-乙烯基乙酰 胺，N-乙烯基丙酰胺，N-乙烯基丁酰胺和乙基噁唑啉。因此，本发 明的嵌段和接枝共聚物包括含有聚酯、聚醚、聚醇和聚酰胺的温度敏感 性聚合物组分。优选温度敏感性聚合物组分选自聚环氧乙烷和聚环氧丙 烷的嵌段共聚物，环氧乙烷和环氧丙烷的无规共聚物，聚乙烯基甲基醚， 聚丙烯酸羟丙酯，聚乙烯醇，聚(N-取代)丙烯酰胺，聚(N-乙烯 基吡咯烷酮)和聚乙基噁唑啉。优选的温度敏感性聚合物包括聚(N- 取代)丙烯酰胺和聚(N-取代)甲基丙烯酰胺。这些聚丙烯酰胺可来 源于未取代或单-或二-N-取代的丙烯酰胺。这些丙烯酰胺的N-取 代基可以是C1-C10烷基，C3-C6环烷基或C2-C10烷氧基烷基。二 取代的丙烯酰胺可以是环酰胺如环戊基和环己基酰胺衍生物或内酰胺如 己内酰胺。在-个优选实施方案中，温度敏感性聚合物组分是聚(N- 烷基取代)丙烯酰胺。(代表性温度敏感性均聚物-聚N-异丙基丙烯 酰胺(NIP AAm)的合成及性能详细说明于实施例1A1中)。
另外，温度敏感性聚合物可以是天然存在的聚合物(即纤维素及其 衍生物)，它们可经化学改性而提供具有本发明实践所要求的温度敏感 性行为的衍生物。合适的天然存在的聚合物包括纤维素及其衍生物如甲 基纤维素、羟丙基纤维素和羟丙基甲基纤维素。
在一个实施方案中，温度敏感性聚合物组分是由上述单体之一聚合 而得的均聚物。另外，该温度敏感性聚合物组分是无规或嵌段共聚物。 合适的温度敏感性共聚物包括(但不限于)来源于如下单体聚合的共聚 物：丙烯酸羟丙酯和丙烯酰胺或丙烯酸羟乙酯；丙烯酸羟乙酯和双丙酮 丙烯酰胺或N-异丙基丙烯酰胺；N-异丙基丙烯酰胺和甲基丙烯酰胺 或甲基丙烯酸酯；乙烯醇和乙酸乙烯酯或丁酸乙烯酯；以及乙酸乙烯酯 和乙烯基吡咯烷酮。对于均聚物和共聚物温度敏感性聚合物组分，其 LCST可为20-40℃，且可使所产生的嵌段和接枝共聚物的LCST在 相同范围内。(代表性温度敏感性共聚物-聚(N-异丙基丙烯酰胺) 甲基丙烯酸丁酯(NIP AAm-BMA)的合成在实施例3A1中详细说明)。 在一个优选实施方案中，温度敏感性聚合物组分是聚环氧乙烷和聚环氧 丙烷的嵌段共聚物。此类嵌段共聚物可由BASF-Wyandotte Corp.(Wyandotte，Michigan)以商标Pluronics购得，通式为 HO(CH2CH2O)a(CH2CH(CH3)O)b(CH2CH2O)aH，其中b为至 少15，(CH2CH2O)2a占20-90wt％。(具有接枝于聚AAc上的各种 Pluronics的代表性共聚物的合成及性能在实施例6中详细说明)。
如上所述，本发明的接枝和嵌段共聚物的pH敏感性聚合物组分引 起溶解，并赋予该嵌段和接枝共聚物以生物粘附性以及在某些情况下赋 予药物结合特性。本文所用的术语“生物粘附”指共聚物-药物混合物 在该混合物水合和溶胀时粘附到治疗部位的组织上的能力。例如，当治 疗部位是眼睛时，该共聚物-药物混合物与眼睛表面之间的粘附是由该 共聚物的化学官能基团和眼睛表面之间的相互吸引作用引起的。该pH敏 感性聚合物组分的离子性质提供与眼睛表面的粘附作用，从而延长该共 聚物-药物混合物在眼睛表面上的停留时间。
在一个实施方案中，pH敏感性聚合物组分是含羧酸的聚合物，且 可来源于包括如下的可聚合羧酸：丙烯酸、甲基丙烯酸、乙基丙烯酸 (ethacrylic acid)、β-甲基丙烯酸、顺式α-甲基巴豆酸、反式α -甲基巴豆酸、α-丁基巴豆酸、α-苯基丙烯酸、α-苄基丙烯酸、α -环己基丙烯酸、β-苯基丙烯酸、香豆酸和繖形酸。羧甲基纤维素也 是合适的含羧酸聚合物。在一个优选实施方案中，含羧酸的聚合物是聚 AAc。
在另一实施方案中，pH敏感性聚合物组分是含胺、含磷酸盐、含 硫酸盐或含磺酸盐的聚合物组分，或其混合物。在一个优选实施方案中， pH敏感性聚合物组分是含胺或含磷酸盐的聚合物组分。
如上所述，pH敏感性聚合物组分赋予本发明的嵌段和接枝共聚物 以生物粘附性。在含羧酸的聚合物组分情况下，当与治疗部位如眼睛或 其他粘膜组织接触时，羧酸部分电离变成羧酸盐，例如羧酸钠或羧酸钾。 与治疗部位接触时由羧酸转变为羧酸盐导致共聚物-药物混合物的水 合。该混合物在水合时产生生物粘附性。在水合前，羧酸形式也可以是 生物粘附的。电离成羧酸盐引起凝胶溶胀并变粘，但它在进一步水合时 可能失去粘性。同样，含有胺、磷酸盐、硫酸盐和磺酸盐的聚合物组分 也能在与治疗部位接触时电离。具体来说，治疗部位中存在的离子被pH 敏感性聚合物组分吸收，中和其可电离的部分。电离反过来又伴随着吸 收水，从而使pH敏感性聚合物组分，因而也是共聚物-药物混合物，溶 胀并变成生物粘附。
在一个优选实施方案中，pH敏感性聚合物组分为均聚物(如聚 AAc)。在另一实施方案中，pH敏感性聚合物组分为来自两种pH敏感 性单体(如丙烯酸和甲基丙烯酸)或一种pH敏感性单体和一种非pH敏 感性单体的共聚合的共聚物。在每一情况下，共聚单体(即非pH敏感性 单体或不同的pH敏感性单体)的含量必须不会大到抵消该pH敏感性聚 合物组分的生物粘附性。换句话说，pH敏感性聚合物组分应基本由单一 的重复单体单元组成，存在的其他单体单元的量不会显著减小该pH敏感 性聚合物组分的生物粘附性能。典型地，单一的pH敏感性聚合物组分包 含超过90％的相同pH敏感性单体，优选超过95％，更优选超过99％。
pH敏感性聚合物组分的水合不仅赋予该嵌段和接枝共聚物以生物 粘附性，还使其溶胀，从而导致共聚物-药物混合物最大限度溶解。溶 胀和溶解反过来又导致药物释放。对于本发明的嵌段和接枝共聚物，其 溶胀和溶解速率或侵蚀速率由温度敏感性聚合物组分对由pH敏感性聚 合物组分的电离所引起的溶胀的抵抗来控制。
本发明的嵌段和接枝共聚物的pH敏感性聚合物组分还可经由离子 相互作用任选地结合治疗药物。例如，对于为阳离子(即带正电荷)的 治疗药物，pH敏感性聚合物组分(如含羧酸的聚合物组分)的阴离子性 质可离子性地结合阳离子药物。(对于噻吗洛尔-马来酸氢盐-一种阳 离子治疗药物和嵌段共聚物NIP AAm-b-AAc的阴离子聚合物组分 聚AAc，这种相互作用在实施例1C中说明)。
本发明的共聚物-药物混合物可通过物理夹带和/或通过与该嵌段 或接枝共聚物的pH敏感性聚合物组分的相互作用而将药物掺入该嵌段 或接枝共聚物中来制备。这可通过如下方式完成：将该嵌段或接枝共聚 物溶于含有药物的溶液，然后将该共聚物-药物溶液在该共聚物和药物 的非溶剂中沉淀，从而得到共聚物-药物颗粒。(例如，药物噻吗洛尔 -马来酸氢盐和共聚物NIP AAm-b-AAc的颗粒的形成在实施例1C 中说明)。另外，可将该嵌段或接枝共聚物溶于含药物的溶液中，或溶 于一种溶液中，然后往其中加入药物，得到液体共聚物-药物混合物。 这一溶液可进一步浓缩，或可干燥以得到例如一种固态膜。合适的溶剂 包括含水溶剂或非水溶剂。在一个实施方案中，该溶液可含有至少10wt ％非水溶剂，而在另一实施方案中可含有至少99wt％非水溶剂。
至于嵌段和接枝共聚物的合成，此类聚合物通常可由具有适当反应 活性的温度敏感性聚合物组分与具有适当反应活性的pH敏感性聚合物 组分的共价偶联而合成。这两种聚合物组分之间的共价键应在局部给药 后遇到的条件下耐断裂。因此，合适的共价键包括酰胺、酯、醚、硫酯、 硫醚、脲、氨基甲酸乙酯和胺键。此类键来自具有适当反应活性的温度敏 感性聚合物组分与互补的pH敏感性聚合物组分的偶联。例如，酰胺键可 通过将氨基封端的温度敏感性聚合物组分与羧酸改性的pH敏感性聚合 物组分偶联而制备，或通过氨基封端的pH敏感性聚合物组分与羧酸封端 的温度敏感性聚合物组分的偶联而制备。其他键同样可由标准方法制 备。例如，氨基封端的pH敏感性聚合物(聚AAc)和羧酸改性的温度 敏感性聚合物(NIP AAm)的代表性合成分别在实施例1A1和1A2中 详细说明。将这些物质偶联以形成酰胺连接的嵌段共聚物在实施例1A3 中说明。氨基封端的温度敏感性聚合物组分的代表性合成和其与羧酸改 性的pH敏感性聚合物组分共价偶联以产生酰胺连接的接枝共聚物在实 施例2A2中说明。
另外，本发明的接枝共聚物可由合适的pH敏感性单体与温度敏感 性大单体(macromonomer)的共聚合合成。此种接枝共聚物的代表性 合成在实施例2A1中详细说明。
在一个实施方案中，本发明的共聚物是嵌段共聚物。嵌段共聚物可 通过pH敏感性聚合物组分的末端与温度敏感性聚合物组分的末端共价 偶联而合成。共价键可以是上述键中的任一种，且在一个优选实施方案 中，该键为酰胺键。该嵌段共聚物可通过两种均聚物(例如一种pH敏感 性均聚物和一种温度敏感性均聚物)、一种均聚物和一种共聚物(例如 一种pH敏感性均聚物和一种温度敏感性共聚物或一种pH敏感性共聚物 和一种温度敏感性均聚物)或两种共聚物(例如一种pH敏感性共聚物和 一种温度敏感性共聚物)的偶联来制备。来源于两种均聚物偶联的嵌段 共聚物的代表性实例在实施例1中说明。
在药物输送方面，本发明的合适嵌段共聚物具有20-40℃的 LCST，且来源于LCST为20-40℃的温度敏感性聚合物组分。本发 明的嵌段共聚物优选具有5000-100000(且可高至500000)的平均分 子量，且温度敏感性聚合物组分优选占该嵌段共聚物的至少10-20wt ％。
在另一实施方案中，本发明的共聚物是接枝共聚物。接枝共聚物通 过一种具有适当反应活性的聚合物(或者是pH敏感性聚合物组分或者是 温度敏感性聚合物组分)与骨架聚合物(或者是温度敏感性聚合物组分 或者是pH敏感性聚合物组分)的侧基共价偶联而合成。该共价键可以是 上述键中的任一种，在一个优选实施方案中，该键是酰胺键。该接枝共 聚物可通过两种均聚物(例如一种pH敏感性均聚物和一种温度敏感性均 聚物)、一种均聚物和一种共聚物(例如一种pH敏感性均聚物和一种温 度敏感性共聚物或一种pH敏感性共聚物和一种温度敏感性均聚物)或两 种共聚物(例如一种pH敏感性共聚物和一种温度敏感性共聚物)的偶联 而制备。如上所述，本发明接枝共聚物的温度敏感性聚合物组分可以是 嵌段或无规共聚物，条件是在药物输送方面，该共聚物具有合适的 LCST。同样，pH敏感性聚合物组分优选为均聚物，尽管可以使用嵌段 或无规共聚物，只要该pH敏感性聚合物组分的生物粘附性不显著减小。 在一个优选实施方案中，该接枝共聚物具有pH敏感性均聚物骨架，该骨 架上带有侧链温度敏感性聚合物组分。由两种均聚物偶联得到的接枝共 聚物的代表性合成在实施例2中说明，而由一种侧链温度敏感性共聚物 与pH敏感性均聚物骨架偶联得到的接枝共聚物的代表性合成在实施例3 中说明。在一个优选实施方案中，该接枝共聚物具有聚AAc的pH敏感 性均聚物骨架，该骨架带有接枝于其上的侧链温度敏感性Pluronics(即 环氧乙烷和环氧丙烷的嵌段共聚物)，这在实施例6中公开。
本发明的接枝共聚物具有一个带有一个或多个侧链温度敏感性聚合 物组分的pH敏感性聚合物骨架，或一个带有一个或多个侧链pH敏感性 聚合物组分的温度敏感性聚合物骨架。侧链聚合物组分在骨架聚合物上 的取代程度可由化学偶联反应控制。例如，通过调节待与骨架聚合物反 应的侧基的比例，可控制接枝共聚物产物的性能并使其达到最佳。具有 较高比例温度敏感性聚合物组分的接枝共聚物将具有相对较低的溶解速 率。因此，在pH敏感性和温度敏感性聚合物组分中的平衡可提供最佳的 共聚物，它呈现出对溶解和药物释放的优选温度敏感性行为，以及优选 的生物粘附性以在给药时提供延长的停留时间。
本发明的接枝共聚物优选具有平均分子量为100000-600000，更 优选为250000-500000。在另一实施方案中，本发明的接枝共聚物可 具有平均分子量为50000-1000000。此外，该温度敏感性聚合物组分 优选占该接枝共聚物的至少5-10wt％。
在本发明的另一实施方案中，嵌段和接枝共聚物可轻度交联。这些 嵌段和接枝共聚物称为“水凝胶”。在一个实施方案中，骨架聚合物组 分为带有一个或多个侧链温度敏感性聚合物组分的交联的pH敏感性聚 合物组分。在一个优选实施方案中，该水凝胶来源于交联的pH敏感性聚 合物骨架。另外，嵌段共聚物的pH敏感性聚合物组分可以轻度交联。合 适的交联剂是众所周知的，且包括(但不限于)较“短”交联剂，如亚 甲基双丙烯酰胺和乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA)，以及较“长” 交联剂，如聚乙二醇二甲基丙烯酸酯(PEGDMA)。
嵌段和接枝共聚物的交联水凝胶有效阻止该共聚物的迅速溶解，同 时不会妨碍共聚物胶凝。在某些实施方案中，可优选交联密度足够轻， 以使水凝胶可溶解或易受侵蚀。在其他实施方案中，可优选交联密度足 够大，以使该凝胶为具有永久的三维聚合物网络的永久“化学凝胶”， 它能保持其结构并且不可溶或不易受侵蚀。水凝胶中的交联程度通常通 过记录溶液中交联剂的摩尔浓度与单体的摩尔浓度之比来估计。然而， 因为实际交联仅在交联剂分子与两个不同的聚合物链相连时形成，所以 实际交联的数目仅为存在于该凝胶网络中的交联剂单体数目的一小部 分。本发明的水凝胶是轻度交联的，且含有优选0.001-10wt％。由这 些交联剂分子产生的实际交联程度据信为0.0001-2％实际交联。聚合 反应中交联剂的合适浓度基于总交联单体为0.05-1wt％，优选0.10- 0.50wt％。接枝共聚物水凝胶的合成在实施例4中说明。正如上述嵌段 和接枝共聚物一样，本发明的水凝胶对于治疗药物的输送是有效的载 体。水凝胶共聚物-药物混合物可通过将水凝胶在含有该药物的溶液中 溶胀而制备。水凝胶包括其中溶剂为水的凝胶，以及其中溶剂明显为非 水的凝胶。在一个实施方案中，该溶液可含有至少10wt％的非水溶剂， 而在另一实施方案中，可含有至少99wt％非水溶剂。本发明的水凝胶包 括任何含有pH敏感性和温度敏感性组分的接枝或嵌段共聚物，与所产生 的水凝胶的LCST无关。在本发明的一个实施方案中，水凝胶的LCST 在生理pH下为20-40℃。
本发明的共聚物-药物颗粒可配制成固体颗粒在药用载体中的悬浮 液用于局部给药，且本领域熟练者可使用已知的技术和方法容易地制备 合适的配剂。此类配剂包括，但不局限于，溶液，乳剂和凝胶。该共聚 物-药物颗粒通常在这些配剂中占总悬浮液的0.1-20wt％，优选总悬 浮液的1-10wt％。在本发明实践中，共聚物-药物颗粒的平均粒度小 于约50μm(直径)，优选小于约30μm。直径大于50μm的颗粒可通过 机械研磨或粉碎减小至适当粒度。
如上所述，共聚物-药物颗粒可悬浮于一种药用载体中。在一个实 施方案中，该药用载体可以是一种挥发性载体。挥发性载体用来把共聚 物-药物颗粒的固体颗粒输送到治疗部位并在接触治疗部位时迅速蒸 发，以有效地将颗粒沉积在治疗部位上。合适的挥发性载体包括碳氟化 合物挥发剂(如三氯一氟甲烷和二氯二氟甲烷)且此类挥发剂通常可在 共聚物-药物颗粒量的5-20倍重量范围内存在。共聚物-药物颗粒在 挥发性载体中的悬浮液可通过任何适于有效输送该悬浮液的装置施用到 治疗部位。该悬浮液的有效输送优选包括共聚物-药物颗粒的准确和重 复投药，且包括计量喷雾器和以液滴输送悬浮液的装置(如滴眼器)。
在另一实施方案中，本发明的共聚物-药物颗粒可以颗粒在包括蒸 馏水或无菌水的含水载体中的悬浮液给药。对于眼科给药，这些水性组 合物的渗透压度优选调到身体舒适的生理渗透压度。这些水性组合物的 渗透压度可为约50-400mOsM，优选约100-300mOsM，更优选约 150mOsM。合适的渗透压度可通过加入生理上可接受的物质如糖或其他 非离子化合物而达到。
在还一实施方案中，本发明的共聚物可通过将一种或多种共聚物溶 于药用载体中配制成液体形式给药。在一个实施方案中，该共聚物在这 些配剂中的存在浓度应足够高，以使该配剂在与治疗部位接触时胶凝。 典型地，该共聚物在这些配剂中的合适浓度为该配剂的0.1-20wt％， 优选该配剂的0.5-10wt％。在这些配剂中，药用药物可以可溶或悬浮 形式存在，或与载体结合。当该配剂与治疗部位接触胶凝时，至少一部 分存在于该配剂中的药物截留在该凝胶内。
在又一实施方案中，本发明的共聚物-药物混合物可配制成溶液、 乳剂、凝胶、软膏、片剂、胶囊或栓剂。为此，栓剂可特别适于该共聚 物-药物混合物的直肠给药，而片剂或胶囊形式适于施用于消化道，包 括胃。溶液、乳剂、凝胶和软膏例如优选用于局部皮肤应用。该共聚物 -药物混合物还可用已知技术配制成用于经口或鼻给药。用于普通全身 输送的配剂也在本发明范围内，且易于用已知技术制备。
本发明的嵌段和接枝共聚物与一种或多种聚合物的物理混合物也包 含在本发明范围内，该聚合物包括均聚物(如AAc均聚物)和共聚物(如 EO/PO/EO的无规或嵌段共聚物)。
如上所述，在药物施用中，本发明的接枝和嵌段共聚物优选具有 LCST为20-40℃。然而，这些接枝和嵌段共聚物(及其水凝胶)不限 于仅满足这一要求的嵌段和接枝共聚物。例如，化妆品组合物、伤口绷 带(dressing)、离子电渗疗装置、监测电极、粘合剂、晒黑洗剂、乳 剂、泡沫、栓剂、片剂和输送凝胶可含有LCST正好在上述范围之外的 本发明的嵌段和接枝共聚物。此外，通过其使用以及含有它们的轻泻药 的使用，经鼻、阴道、口、眼、直肠、皮肤或耳的输送可能同样受益。 对于阴道输送，该嵌段或接枝共聚物(或水凝胶)可与杀精子剂、杀卵 剂、抗菌剂、抗真菌剂、前列腺素、甾族或非甾族授精剂组合。
这些嵌段和接枝共聚物(及其水凝胶)也可用来控制反应化学，溶 液组分的分离，离子物种的分离或化学机械功的控制，以及用于控制粘 度或流动。这类共聚物(及水凝胶)还可用来在井套和周围的岩层之间 形成水或气体不可透过的阻挡层。在这类工业装置中，本发明的嵌段和 接枝共聚物(及水凝胶)可在宽温度范围(-20℃-250℃)内使用。 同样，在工业和药物输送应用中，它们还可在宽pH范围(pH0-16) 内使用。
本发明的嵌段和接枝共聚物，特别是其水凝胶，还可通过将该水凝 胶暴露于溶剂或溶液而用作吸收剂，优选用作超吸收剂。在此方面合适 的溶剂或溶液包括(但不限于)尿、粪便、水、血、盐水和离子水溶液。 因此，水凝胶可用作尿布的吸收组分，且优选溶胀率不低于15。嵌段和 接枝共聚物以及其水凝胶还可用来给治疗部位提供水分、保持治疗部位 的水分或提供与治疗部位的水合。
尽管上述公开总的涉及包含pH敏感性和温度敏感性组分的嵌段和 接枝共聚物，但应认识到可使用对其他环境起动信号敏感的聚合物组 分。因此，正如本发明全文所使用的，环境敏感性聚合物是一种随环境 条件如温度、pH、溶剂或溶剂浓度、离子或离子浓度，光或压力变化而 可逆地发生从主要亲水到主要疏水的变化的聚合物。显示这些变化的物 质和凝胶在本技术领域是已知的。Tanaka，Physical Review Letters 40 (12)：820-823，1978；Tanaka等人，Physical Review Letters 38(14)：771- 774，1978；Tanaka等人，Physical Review Letters 5 45：1636，1980； Ilavsky，Macromolecules 15：782，1982；Hrouz等人，Europ.Polymer J.. 17：361，1981；Ohmine等人，J.Chem.Phys.8：6379，1984；Tanaka等 人，Science 218：462，1982；Ilavsky等人，Polymer Bull.7：107，1982； Gehrke，Responsive Gels：Volume Transitions II；ed K.Dusek， Springer-Verlag，New York，pp.81-114，1993；Li等人，Ann.Rev.Mat. Sci.22：243-277，1992；Galaev等人，Enzyme Microb.Technol.15：354- 366，1993 and Taylor等人，J.Polymer Sci.13：2551-2570，1975(所有 的在此引作参考)。亲水性到疏水性的变化可由光透射率(浊点)的降 低、粘度的变化或溶胀或塌陷来证实。如上所述，如果环境敏感性聚合 物随温度变化而发生变化，则它是温度敏感性聚合物，而如果它随pH变 化而发生变化，则它是pH敏感性聚合物。
因此，在本发明的另一实施方案中，公开了含有对不同起动信号响 应的环境敏感性聚合物组分的嵌段和接枝共聚物。例如，可使用含有两 种不同pH敏感性聚合物组分或两种不同的温度敏感性聚合物组分的嵌 段和接枝共聚物。另外，本发明的嵌段和接枝共聚物可含有例如光敏性 聚合物组分与温度敏感性或pH敏感性聚合物组分的组合，或与不同光敏 性聚合物组分的组合，或与一种对其他起动信号敏感的聚合物组分的组 合。
提供如下实施例用于说明但不限制本发明。
实施例
实施例1
包含温度敏感性和pH敏感性均聚物
组分的环境敏感性嵌段共聚物
在本实施例中，说明包含温度敏感性聚合物组分和pH敏感性聚合 物组分的嵌段共聚物的合成和表征、温度敏感性行为和药物载负及释放 性能。 A.嵌段共聚物NIP AAm-b-AAc的合成和表征
由NIP AAm和AAc的低聚物合成含有温度敏感性聚合物组分 (NIP AAm)和pH敏感性聚合物组分(AAc)的嵌段共聚物(NIP AAm-b-AAc)。该嵌段共聚物通过氨基封端的AAc低聚物与活性 酯羰基封端的NIP AAm低聚物共价偶联得到酰胺连接的嵌段共聚物而 制备(见下面的3.)。在本方法中，将氨基引入AAc低聚物的一端(见 下面的1.)，而活性酯基(N-羟基琥珀酰亚胺基团)引入NIP AAm 低聚物的一端(见下面的2.)。
1.氨基封端的低聚AAc的合成
该氨基封端的低聚AAc通过使用偶氮二异丁腈(AIBN)作引发剂 和2-氨基乙硫醇盐酸盐(AET-HCl)作链转移剂由丙烯酸(AAc) 的自由基聚合而合成。聚合反应使用甲醇作溶剂在60℃下进行。聚合后， 通过在乙醚中沉淀、再溶于与三乙胺混合的二甲基甲酰胺(DMF)中以 除去盐和再在乙醚中沉淀而收集聚合物。通过改变单体与链转移剂的比 例可得到具有不同分子量的氨基封端的低聚AAc。AAc的氨基封端的低 聚物的合成示意如下。
低聚物的分子量由在Hazra等人的Analytical Biochemistry 137：437-43(1984)中公开的端基分析法测定。在该方法中，2，4， 6-三硝基苯磺酸(TNBS)与氨端基反应，测量产物在420nm处的吸 光度。使用具有不同碳数的如下三种不同胺作出校准曲线： H2N(CH2)2COOH、H2N(CH2)3COOH和H2N(CH2)5COOH。 表1总结了AAc聚合合成条件和结果。
表1：AAc的聚合 AAc∶AIBN∶AE    聚合时间     产率      MWa T∶HCl(摩尔)       (h)       (％w/w)
100∶1∶1      3.0        90       15200
100∶1∶2      3.5        73        6600
100∶1∶4    4.0    77    3500
100∶1∶6    4.0    55    2200
100∶1∶8    4.0    56    1500
100∶1∶10   4.0    42    1200 *单体在甲醇中浓度为3.5mol/L，聚合温度60℃； a低聚物的分子量(MW)用TNBS测定。
低聚物的分子量通过改变单体与链转移剂的比率而控制，得到 的分子量范围为1200-15200。从上表中的数据计算出该体系的 链转移常数Cs＝0.62。这些低聚物用于进一步合成嵌段共聚物NIP AAm-b-AAc。
2.NHS活化的低聚NIP AAm的合成
NHS活化的低聚NIP AAm以两步制备。首先，使用AIBN作 引发剂和2-巯基丙酸作链转移剂由自由剂聚合制备羧基封端的 低聚NIP AAm。该聚合使用叔丁醇作溶剂在60℃下进行，且聚合 物通过在乙醚中沉淀而收集。其次，用N-羟基琥珀酰亚胺 (NHS)在活化试剂二环己基碳二亚胺(DCC)存在下在二氯甲 烷中于0-20℃将低聚NIP AAm末端的羧基活化24小时。活化 之后，通过在乙醚中沉淀回收该聚合物(参见Chen and Hoffman， Bioconiugate Chem.4：509-14，1993)。NIP AAm的NHS活化的 低聚物的合成示意如下。 3.嵌段共聚物NIP AAm-b-AAc的合成
NIP AAm-b-AAc的嵌段共聚物通过将低聚AAc的氨端基 与低聚NIP AAm的NHS活化的羧基在60℃下于DMF中反应一 夜偶联而合成。NIP AAm-b-AAc嵌段共聚物的合成示意如 下。
将反应混合物倾入乙酸乙酯中，沉淀出嵌段共聚物产物和未反 应的低聚AAc。未反应的低聚NIP AAm可溶且保留在溶液中。含 产物嵌段共聚物和未反应的低聚AAc的沉淀物然后通过过滤收集 并溶于pH7.4的磷酸盐缓冲液中。加入饱和硫酸铵水溶液使通过过 滤收集的嵌段共聚物沉淀，并用稀盐酸洗涤以除去残留的硫酸铵。 在真空烘箱中干燥嵌段共聚物一夜。表2提供了该嵌段共聚物合成 的结果。
表2：嵌段共聚物NIP AAm-b-AAc的组成
                1       2      3       4 NIP AAm的百分比    76％    58％    43％    24％ 低聚NIP AAm MW    4800     4800    4800    4800 低聚AAc MW        1500     3500    6600    15200
总MW    6300     8300    11400    20000
合成出具有四种不同组成的NIP AAm-b-AAc嵌段共聚 物。这些嵌段共聚物的温度敏感性能如下所述。 B.NIP AAm-b-AAc嵌段共聚物的温度敏感性行为
该嵌段共聚物的相转变行为对于局部药物输送是一个关键性 能。为研究共聚物的相转变行为，使用光谱方法来测定该共聚物溶 液在500nm处的透光率(或吸光度)在恒定升温速率期间随时间 的变化。低于相转变温度(又称LCST或浊点)时，透光率为100 ％。然而，当达到相转变温度时，该聚合物开始凝聚且溶液的透光 率降低，吸光度增加。
如图1中所示，所有如上所述制备的嵌段共聚物呈现在32℃ (比眼睛温度低2℃)附近的浊点(LCST)。然而，仅NIP AAm 含量最高的嵌段共聚物(76wt％)显示较明显的相转变。不同的 嵌段共聚物的共同浊点表明低聚NIP AAm组分的温度敏感性在末 端与其他亲水性聚合物连接后变化很少。 C.NIP AAm-b-AAc嵌段共聚物的药物载负和释放 1.药物载负
通常，在本方法中，将嵌段共聚物NIP AAm-b-AAc和药 物噻吗洛尔马来酸氢盐(噻吗洛尔)溶于溶剂(甲醇)中，得到该 嵌段共聚物和药物的溶液。通过在非溶剂(乙醚)中沉淀来回收该 嵌段共聚物-药物颗粒。例如，使用具有20wt％NIP AAm和总 分子量为19000(低聚NIP AAm为4000，低聚AAc为15000) 的嵌段共聚物来制备示例的嵌段共聚物-药物颗粒。制备0.6g该 共聚物和6.0mg该药物在8ml甲醇中的溶液。将该溶液在800ml 乙醚中沉淀。通过过滤回收沉淀的嵌段共聚物-药物颗粒，用乙醚 洗涤三次并在真空下于室温干燥。回收率为65％，药物含量为1.1wt ％。在一对照实验中，以与上述相同的程序制备均聚物(聚AAc) -药物颗粒，不同的是使用分子量250000的均聚AAc代替嵌段共 聚物NIP AAm-b-AAc。在该实验中，百分回收率为93％， 药物含量为1％。将这些物质研磨成小颗粒(约20-40μ)，用 于下述药物释放研究。
2.药物释放
制备10mg如上制备的具有1.1wt％药物的嵌段共聚物和具有 1％药物的聚AAc在15ml PBS缓冲液(pH7.4)中的溶液。将这 些溶液在药物释放过程中充分搅拌。通过将该缓冲液循环至测量该 药物溶液在294nm处的吸光度随时间的变化的吸光度分光光度计 而测定药物从这些聚合物的释放量。药物释放结果示于图2。
尽管均聚AAc的分子量较高(分子量15000)，但嵌段共聚 物NIP AAm-b-AAc(分子量4000)的药物释放显著较低。 参照上图2，嵌段共聚物的80％药物释放需12分钟，而对均聚 AAc同样程度的药物释放需5分钟。为了对比，接枝共聚物NIP AAm-g-AAc和无规共聚物NIP AAm-AAc的释放数据示于 图5。注意到对于接枝共聚物NIP AAm-g-AAc(20wt％NIP AAm)，80％药物释放在8分钟内达到，而对于无规共聚物NIP AAm-AAc(30wt％NIP AAm)在3分钟内达到。
从嵌段共聚物中释放的速率较低可归因于其温度敏感性组 分，NIP AAm。在34℃，NIP AAm组分凝聚并变为疏水，产生 一种嵌段共聚物-药物混合物凝胶，从而降低溶解速率和药物释放 速率。事实上，已发现该嵌段共聚物在34℃PBS缓冲液(pH7.4) 中不十分可溶但仅溶胀。
图2表明通过使用嵌段共聚物作基质，甚至对于总分子量仅为 19000和仅有20wt％NIP AAm组分的嵌段共聚物，与均聚AAc 相比得到降低的药物释放速率。
实施例2
包含温度敏感性和pH敏感性
均聚物组分的环境敏感性接枝共聚物
在该实施例中，说明包含温度敏感性均聚物组分和pH敏感性 均聚物组分的接枝共聚物的合成和表征、温度敏感性行为和药物载 负及药物释放性能。由于接枝共聚物的本质，两种普通的实施方案 是可能的。该接枝共聚物可具有pH敏感性聚合物骨架，该骨架带 有一个或多个侧链温度敏感性聚合物组分。另外，该接枝共聚物可 具有温度敏感性聚合物骨架，该骨架带有一个或多个侧链pH敏感 性聚合物组分。该实施例涉及一种带有pH敏感性均聚物骨架的接 枝共聚物，该骨架带有侧链温度敏感性均聚物组分。 A.接枝共聚物NIP AAm-g-AAc的合成和表征
包含温度敏感性均聚物组分(NIP AAm)和pH敏感性均聚 物组分(AAc)的接枝共聚物(NIP AAm-g-AAc)由两种方 法合成。由AAc与NIP AAm大单体共聚和由低聚NIP AAm与聚 AAc结合而合成接枝共聚物。
1.大单体共聚法
丙烯酸和合适的NIP AAm大单体的共聚导致形成齿状接枝共 聚物，具有带低聚NIP AAm侧链的聚AAc骨架。适于与丙烯酸共 聚的NIP AAm大单体由如下所述的氨基封端的低聚NIP AAm制 备。
a.氨基封端的低聚NIP AAm的合成及其相应大单体
由NIP AAm在甲醇溶液(2.5M NIP AAm)中进行自由基聚 合而合成低聚NIP AAm，分别使用AIBN和AET-HCl作引发 剂和链转移剂。聚合在60C下进行22小时。两个代表性合成的结 果示于下表3。
表3：NIP AAm的聚合 NIP AAm∶AIBN∶AET-HCl    产率      MWa
     100∶1∶12       59.7      3300
     100∶1∶8b      68.5      2200 a用氢氧化钠由电导滴定法测定分子量。 b单体溶液的pH在聚合前调至1.0。
NIP AAm大单体可由氨基封端的低聚NIP AAm与乙烯基吖 内酯反应而制备。在一个代表性合成中，将5.0g(2.27mmol)氨 基封端的低聚NIP AAm(MW2200)和0.94g(6.79mmol)乙 烯基吖内酯在120ml四氢呋喃中的溶液在40℃下搅拌16小时。将 反应混合物在1000ml乙醚中沉淀，过滤收集所产生的沉淀。分离 产物，产率82％。大单体NIP AAm的合成示意如下。 NIP AAm大单体 b.共聚合反应
接枝共聚物NIP AAm-g-AAc通过AAc与如上所述制备 的NIP AAm大单体共聚而制备。在一个代表性聚合中，单体浓度 在甲醇中为12％(W/V)，AIBN为引发剂。聚合反应在60℃ 下进行1.5小时。共聚物产物通过在甲乙酮中沉淀而收集，并通过 在四氢呋喃中再沉淀而进一步提纯。两个代表性合成的结果示于下 表4。
表4：AAc与NIP AAm大单体的共聚
进料                        共聚物 WAAc/WNIP AAm    产率      WAAc/WNIP AAm    MAAc/MNIP AAm 60/40               68          55/45              97/3 80/20               66          72/28              99/1 由共聚方法合成接枝共聚物NIP AAm-g-AAc示意如下。
2.结合方法    NIPAAm大单体    聚(NIPAAm-g-AAc)
通过氨基封端的低聚NIPAAm的氨基与聚丙烯酸骨架上的羧 基反应合成接枝共聚物NIPAAm-g-AAc。在一个代表性反应 中，在室温下于甲醇中用二环己基碳二亚胺处理聚丙烯酸(MW 250,000)和氨基封端的低聚NIPAAm(MW3300)24小时而形 成酰胺键。接枝共聚物产物通过在甲基乙基酮中沉淀而分离，并通 过在四氢呋喃中再沉淀而进一步纯化。结合的结果示如下表5。
表5：NIPAAm与聚AAc的结合
进料中的NIPAAm        共聚物中的NIPAAma
mol％  wt％    产率     mol％     wt％
0.5    20      83       0.5       19
0.7    25      78       0.7       24
0.9    30      93       0.9       29
2.1    50      91       2.0       49
aNIPAAm的组成由聚AAc组分的反滴定测定。
通过结合方法合成接枝共聚物NIPAAm-g-AAc示意如 下。 N-低聚NIP AAm聚(NIP AAm-g-AAc) B.接枝共聚物的温度敏感性行为
通过共聚和结合而制备的接枝共聚物的热敏性显示同样的温 度敏感性。通过直接同20-50％NIP AAm结合制备的接枝共聚 物在30-35℃之间出现相分离并且最适于作为药物输送的载体。 接枝共聚物NIPAAm-g-AAc的温度敏感性行为示如图3。接 枝共聚物组合物在32℃附近开始相分离，其对温度的响应因骨架 COO-Na+部分的影响而相当宽。 C.接枝共聚物的药物载负和释放 1.药物载负
接枝共聚物的药物载负通常如实施例1C1所述进行。将0.5g 接枝共聚物与5.0mg噻吗洛尔马来酸盐于8ml甲醇中的溶液在 800ml乙醚中沉淀。得到平均直径2-3mm的接枝共聚物的白色 球状颗粒。百分回收率为92％且载负的药物为1wt％。将材料磨 成约20-40μ的颗粒用于药物释放实验。
2.药物释放
制备40mg接枝共聚物NIPAAm-g-AAc/噻吗洛尔混合物 在40ml PBS缓冲液中的悬浮液。如在实施例1C2中所述，通过测 量该溶液的吸光度来测定药物从该复合物中的释放量随时间的变 化。在34和37下的药物释放结果分别示于图4和5。
如图4所示，在34℃下药物从接枝共聚物的释放低于从具有 相同组成的无规共聚物颗粒的释放。释放介质的温度增加到37℃ (图5)降低了从接枝共聚物的释放速率但未降低从无规共聚物的 释放速率。结果表明接枝链的疏水性增加使药物释放变慢。
另外，将共聚物-药物混合物浇注在玻璃片上可同时测定共聚 物溶解和药物释放。在该方法中，将共聚物-药物混合物浇注到玻 璃片上，形成薄膜。涂覆的玻璃片然后悬浮于合适的介质如磷酸盐 缓冲盐水(pH7.4)或蒸馏水中。也可控制药物释放到介质中的温 度，以研究温度对溶解和药物释放的影响。该方法便于通过如上所 述测量介质吸光度随时间的变化来测定释放的药物，同时可通过测 量浇注到悬挂的玻璃片上的薄膜重量来测定共聚物-药物混合物 的溶解量。
由在玻璃片上浇注的薄膜法测定的接枝共聚物-噻吗洛尔混 合物的药物释放和溶解结果示于图6和7。图6说明用于如上所述 制备的接枝共聚物中的低聚NIPAAm的MW对药物释放的影响， 而图7说明接枝共聚物NIPAAm-g-AAc(30wt％NIPAAm) 的释放和溶解速率的差别。
图8比较了聚合物结构对噻吗洛尔从不同聚合物-药物铸膜 中释放的速率的影响。将噻吗洛尔从均聚AAc(分子量250000) 中释放的速率与各自含30wt％NIPAAm的不同聚合物-药物混 合物(即无规共聚物，接枝共聚物及均聚NIPAAm与均聚AAc的 物理混合物)相比较。结果表明从无规共聚物中的释放在约5分钟 内基本完全，而从接枝共聚物中的释放时间最长，几乎全部释放要 花约20分钟。药物从均聚NIPAAm和均聚AAc的物理混合物中的 释放与从均聚AAc中的释放速率相当，说明温度敏感性和pH敏感 性均聚物的物理混合物不比仅使用pH敏感性均聚物更有效，且显 著不如相应的接枝共聚物有效。
实施例3 包含温度敏感性共聚物和pH敏感性 均聚物组分的环境敏感性接枝共聚物
在本实施例中，说明包含温度敏感性共聚物组分和pH敏感性 均聚物组分的接枝共聚物的合成及表征、温度敏感性行为和药物载 负及药物释放性能。两个普通实施方案是可能的。该接枝共聚物可 具有pH敏感性聚合物骨架，该骨架带有一个或多个侧链温度敏感 性聚合物组分。另外，该接枝共聚物可具有温度敏感性聚合物骨 架，该骨架带有一个或多个侧链pH敏感性聚合物组分。该实施例 涉及一种具有带侧链温度敏感性共聚物组分的pH敏感性均聚物骨 架的接枝共聚物。 A接枝共聚物NIP AAm-BMA-g-AAc的合成及表征
由NIP AAm-BMA和AAc的低聚物合成包含温度敏感性共 聚物组分(NIP AAm-BMA)和pH敏感性均聚物组分(AAc) 的接枝共聚物(NIP AAm-BMA-g-AAc)。通过将氨基封 端的NIP AAm-BMA低聚物(见下面的1.)共价偶联到聚AAc 骨架(见下面的3.)上的一个或多个羧基上合成接枝共聚物。
1.氨基封端的共聚低聚(NIP AAm-BMA)的合成
NIP AAm与更为疏水的单体的共聚产生LCST(浊点)低于 均聚物聚NIP AAm的共聚物。较低LCST的共聚低聚物通过NIP AAm与更为疏水的共聚单体甲基丙烯酸丁酯(BMA)在链转移试 剂2-氨基乙硫醇盐酸盐(AET-HCl)存在下共聚合得到氨基 封端的共聚低聚物NIP AAm-BMA而合成。然后将该共聚低聚 物接枝于聚AAc上。
在一个代表性合成中，加入3mol％BMA和97mol％NIP AAm，单体与引发剂(AIBN)与链转移剂(AET-HCl)的摩 尔比为100∶1∶5。使用40ml DMF作溶剂并在60℃下聚合1小时。 由此形成的共聚低聚物通过在乙醚中沉淀而回收。产率为45％， 由蒸气压渗透法(VPO)测得的该共聚低聚物的数均分子量为 3100。在该共聚低聚物中BMA组成经1H-NMR测量为4mol％。 该共聚低聚物NIP AAm-BMA的合成示意如下。
2.共聚低聚物NIP AAm-BMA的LCST的测定
该共聚低聚物的LCST在500nm处由光谱法测定，使用如实 施例1B中所述在纯水或PBS缓冲液(pH7.4)中的0.2％聚合物 溶液。结果分别示如图9和10中。
参照图9和10，该共聚低聚物在30℃纯水中显示相转变，比 低聚NIP AAm低约4℃，而且还保留了同样明显的响应。在PBS 缓冲液中，该共聚低聚物出现甚至更低的相转变，为24℃，比低 聚NIP AAm低约5℃。该共聚低聚物在PBS中的相转变较在水中 的低据信是由于盐的作用。BMA共聚单体单元引入低聚NIP AAm中提供LCST(浊点)较低聚NIP AAm低的共聚低聚物NIP AAm-BMA。共聚低聚物NIP AAm-BMA与低聚物NIP AAm 相比LCST的4-5℃的差异在本发明的接枝共聚物的温度敏感性 聚合物组分中提供了增加的通用性。
3.共聚低聚NIP AAm-BMA-g-AAc的接枝共聚物的合 成
共聚低聚〔NIP AAm-BMA〕-g-AAc的接枝共聚物通 过氨基封端的共聚低聚物NIP AAm-BMA的氨基与聚AAc骨架 上的羧基反应而合成。在室温二环己基碳二亚胺(DCC)存在24 小时下形成酰胺键。用于该反应的聚AAc与共聚低聚物之重量比 为1，即50/50(wt/wt)，从50/50变化到95/5(wt/wt)。通 过在四氢呋喃(THF)中沉淀而回收该接枝共聚物，产率75-90 ％。
表6：接枝共聚物合成结果
样品号    进料中共聚    产率    共聚物中共聚
     低聚物，wt％          低聚物a wt％
1         50       91        45.5
2         20       80        19.0
3         30       77        28.0
4         10       74        8.9
5         5        82        4.5 a接枝共聚物中共聚低聚物的组成由聚AAc组分的反滴定测定。
接枝共聚物(NIP AAm-BMA)-g-AAc的合成示意如 下。 B.接枝其聚物的温度敏感性行为
如实施例1B中所述测定接枝共聚物NIPAAm-BMA-g- AAc的相转变行为。接枝共聚物(NIP AAm-BMA)-g-AAc、 共聚低聚物NIP AAm-BMA和均聚丙烯酸的相转变数据示于图 11。参考图11，接枝共聚物在PBS中在28开始相转变，在34 ℃相转变几乎完成。通过引入疏水性共聚单体单元(BMA)到低 聚NIPAAm中，如上所述的接枝共聚物的热诱导相转变温度明显 降低。在眼睛温度(34℃)，接枝共聚低聚物链变得足够疏水而 明显降低药物释放速率。 C.接枝共聚物的药物载负和释放
1.药物载负
通常如实施例1C1中所述进行接枝共聚物的药物载负。将0.5g 接枝共聚物和5.0mg噻吗洛尔-马来酸盐于8ml甲醇中的溶液在 800ml乙醚中沉淀，得到平均直径为2-3mm的接枝共聚物的白 色球形颗粒。百分回收率为92％，载负的药物为1wt％。将材料 研磨成约10-20μ的颗粒用于药物释放实验。
2.药物释放
制备40mg接枝共聚物(NIPAAm-BMA)-g-AAc/药 物混合物于40ml PBS缓冲液中的悬浮液。如上实施例1C2所述， 通过测量溶液吸光度来确定从混合物中释放的药物量随时间的变 化。药物释放结果示于图12中。为了对比，接枝共聚物NIPAAm -g-AAc和无规共聚物NIPAAm-AAc的药物释放数据示于图 5。
参考图5和12，药物从接枝共聚物聚(〔NIPAAm-BMA〕 -g-AAc)中完全释放需80到90分钟，而从以纯低聚NIPAAm 作接枝组分的接枝共聚物中完全释放仅需约20分钟。结论为接枝 的低聚物越疏水，释放速率越低。同聚丙烯酸相比，通过提高接枝 共聚物的疏水性，明显降低药物的释放速率。含有少于20wt％的 共聚低聚物的接枝共聚物易受侵蚀，其药物释放速率降低。含有大 于20wt％的共聚低聚物的接枝共聚物也明显降低其药物释放速 率，但这些接枝共聚物不易受侵蚀。
药物从浇注在玻璃片上的共聚物-药物混合物薄膜中的释放 示于图13。图13比较噻吗洛尔从不同共聚低聚物NIPAAm-BMA 和均聚AAc含量的接枝共聚物〔NIPAAm-BMA〕-g-AAc 的药物复合物铸膜中的释放速率。所示数据比较了由分子量为 250000的均聚AAc和分子量为3100的共聚低聚物NIPAAm- BMA得到的共聚物在34℃下药物释放到磷酸盐缓冲盐水 (pH7.4)中的情况。均聚AAc参照物的分子量为250000。
将疏水性组分单元BMA引入到低聚NIPAAm中降低热诱导 的相转变温度。如图13所示，在生理温度和pH下，共聚低聚物 链NIPAAm-BMA将疏水性赋予接枝共聚物，同均聚AAc相比， 该疏水性足以明显降低药物释放速率。然而，含有20％或更多的 共聚低聚物NIPAAm-BMA的接枝共聚物太疏水，因而其在上述 药物释放条件下不易侵蚀。含有低于20％共聚低聚物NIPAAm- BMA(即5％和10％共聚低聚物)的接枝共聚物确实侵蚀并同均 聚AAc相比提供较长时间的药物释放。而且，侧链温度敏感性聚 合物组分含量较低的这些接枝共聚物维持足以使其不仅对药物释 放有效，而且对在治疗部位延长的停留时间有效的生物粘附性能。 因此，共聚低聚物NIPAAm-BMA含量为5-20％的接枝共聚 物〔NIPAAm-BMA〕-g-AAc适于持续释放的药物输送， 且优选共聚低聚物含量为10-15％的接枝共聚物。
实施例4
包含温度敏感性和pH敏感性
均聚物组分的环境敏感性水凝胶
在本实施例中，说明包含含羧酸的聚合物骨架和侧链温度敏感 性聚合物组分的轻度交联的接枝共聚物的合成和表征、溶胀以及药 物载负和释放性能。该交联的含羧酸的聚合物在温度敏感性聚合物 接枝后制备。 A.交联水凝胶NIPAAm-g-AAc的合成及表征
使用在蒸馏水中的固定量的引发剂过硫酸铵和不同量的交联 剂乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA)由AAc单体溶液(40wt％ AAc单体)制备一系列水凝胶。EGDMA的浓度基于总AAc单体 为0.3wt％、0.5wt％、1.0wt％和2.0wt％。在一个代表性合成 中，该溶液用氮气去氧，并注入两玻璃板间的1.5mm空间中。聚 合在60℃下进行17小时。所得水凝胶板通过悬浮在乙醇浴中48 小时而洗涤。通过用木塞钻孔器(直径15mm)切割该凝胶板而得 到圆片形水凝胶，然后在空气中干燥48小时并在真空下干燥24小 时。
为了将温度敏感性聚合物组分接枝到pH敏感性交联水凝胶 上，将上述制得的干燥凝胶于含不同量的分子量为3300g/mol的氨 基封端的NIPAAm的甲醇溶液(溶液浓度从0.65克/升到32.89克 /升)中溶胀。该溶胀在室温下进行48小时。从凝胶的平衡溶胀体 积算出该凝胶吸收的氨基封端的NIPAAm。然后通过将该水凝胶 浸入含过量三倍(相对于该氨基封端的NIPAAm)的偶联剂二环 己基碳二亚胺(DCC)的甲醇溶液中而将该水凝胶吸收的氨基封 端的NIPAAm接枝(共价偶联)于聚AAc骨架上。该偶联在室温 下进行48小时。用甲醇洗涤所产生的接枝水凝胶，并在空气中干 燥48小时，在真空下干燥24小时。该接枝共聚物水凝胶的合成示 意于图14中。接枝程度通过比较纯聚AAc水凝胶和产品接枝水凝 胶的干重而确定。接枝度图示于图15。
通常，接枝百分数随溶液中氨基封端的NIPAAm的浓度而线 性增加，当交联密度下降时起始接枝反应速率较高。对所有样品都 达到一个接枝率平台。 B.接枝水凝胶的溶胀
为测定如上所述制备的接枝水凝胶的溶胀特性，将接枝水凝胶 圆片在0.05M含0.15M氯化钠的磷酸盐缓冲溶液(pH7.4)中于 34℃下保温放置。使用Lab-Line水摇浴控制温度。在一个代表 性测定中，将接枝水凝胶的溶液在150rpm下振摇并通过在不同时 间称重样品来测量水凝胶的溶胀重量。从缓冲液中取出水凝胶并用 称量纸吸掉粘附的水后测量重量。溶胀比以溶胀重量/干重 (Wt/Wo)测定并示于图16中。
在高交联密度下，接枝于聚AAc上的NIPAAm量越大，起始 溶胀速率越慢。较慢的溶胀速率可能是因为NIPAAm侧链使接枝 水凝胶的疏水性增加。在低交联密度下，吸收速率更快，而接枝对 这些速率的影响不太重要。 C.接枝水凝胶的药物载负和释放
1.药物载负
通过将该水凝胶在药物-甲醇溶液中于室温溶胀24小时而将 噻吗洛尔马来酸氢盐载负于该接枝共聚物水凝胶中。该药物载负的 水凝胶在空气中干燥24小时，在真空下干燥24小时。测得药物载 负为该干燥共聚物水凝胶的2wt％。
2.药物释放
通常用实施例1C2中所述的方法测定接枝共聚物水凝胶的药 物释放。起始药物释放速率取决于接枝率和接枝链的长度。接枝率 越高和/或接枝链长度越短，水凝胶释放药物越慢。接枝共聚物水 凝胶的药物释放示于图17。如图17所示，接枝程度越大或低聚 NIPAAm侧链的分子量越低，药物从水凝胶中释放的速率越慢。
实施例5
从NIPAAm和AAc的共聚得到的无规共聚物
为了与本发明的环境敏感性嵌段和接枝共聚物对照，该实施例 说明从N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)和丙烯酸(AAc)聚合 而得的无规共聚物的合成，表征、温度敏感性行为和药物载负与释 放性能。 A.NIPAAm和AAc的无规共聚物的合成和表征
通过标准的自由基聚合方法共聚N-异丙基丙烯酰胺和丙烯 酸而合成无规共聚物。通过改变NIPAAm单体在聚合反应中的摩 尔百分数制备不同的无规共聚物。该无规共聚物的合成示意如下。     该无规共聚物的合成结果和温度敏感性行为总结于表7。
表7：无规共聚物的合成及温度敏感性性能
INIPAAm           FNIPAAma              LCST
(在单体中)聚合时间转化率(在共聚物中)Mwb   (℃)
mol％    (h)   (wt.％) wt％  mo1％(×10-5)pH4.0    pH7.4
100     20.0    76.3   100   100     -      30.7    32.6
92       2.3    55.0    93    89     -      32.2    64.1
85       2.3    45.0    88    82     -      34.6    ＞95
72       4.0    41.0    79    71    2.01    38.1    ＞95
49       3.0    35.7    67    56    2.01    61.0    ＞95
30       3.0    26.7    57    46    2.01    ＞95    ＞95
10       4.0    18.3    46    35    1.75    ＞95    ＞95
7        6.0    41.2    38    28    1.75    ＞95    ＞95
3        6.5    59.5    33    24    1.70    ＞95    ＞95
＊单体浓度〔NIPAAm+AAc〕＝8.0％(重量/体积)；引 发剂浓度〔AIBN〕＝0.02％(重量/体积)；溶剂为甲醇；聚合 温度为60℃；
a用0.1N NaOH电导滴定法检测AAc单体单元的羧基而测定 共聚物中NIPAAm的组成；
b共聚物的分子量用GPC确定，该测量中以聚丙烯酰胺为标 准，水为洗脱剂。 B.无规共聚物的温度敏感性行为
通常用实施例1B中所述的方法研究上述制得的无规共聚物的 温度敏感性行为。无规共聚物的LCST概括在表7中，而包含89mol ％NIPAAm的无规共聚物的温度敏感性行为示于图18中。结果表 明AAc大于约10mol％的NIPAAm和AAc的无规共聚物在生理 pH(7.4)或生理温度(34℃)下不发生热相转变。如图18所示， 该无规共聚物在pH4.0、31℃和pH7.4、64℃发生明显相转变。
上述无规共聚物在本发明实践中是无效的，因为存在于该无规 共聚物中以达到所需的温度敏感性的AAc的摩尔百分数将该共聚 物的生物粘附性降低到对持续释放药物有效以下的程度。此外，对 于那些发生相转变的无规共聚物，相转变所要求的温度或pH在正 好生理条件之外。 C.无规共聚物的药物载负和释放
1.药物载负
通常无规共聚物-药物混合物如实施例1C1中所述的方法制 备。
通过将0.5g聚合物和5mg噻吗洛尔(进料比为1wt％)溶于 10ml甲醇，然后在500ml乙醚中沉淀，制备无规共聚物-药物颗 粒。沉淀物在真空下干燥一夜。通过将颗粒溶解形成溶液，然后用 分光光度法测量药物溶液在294nm处的吸光度来测定颗粒中的药 物含量。如上所述制备的无规共聚物和如实施例3所述制备的接枝 共聚物的药物载负结果列于表8中。
表8无规共聚物和接枝共聚物的药物载负对比     聚合物      无规共聚物     接枝共聚物 NIPAAm在共聚物中的wt％    26    32   39  20     30     50 加入的聚合物(g)    0.5   0.5  0.5  0.5    0.5    0.5 加入的药物(mg)    5.0   5.0  5.0  5.0    5.0    5.0 聚合物回收率(％w/w)    94    94   94  74     90     90 负载的药物(mg/g聚合物)    9.4   9.2  9.1  9.9    10.0   10.8 2.药物释放
通常如实施例1C2所述测定无规共聚物-药物颗粒的药物释 放。各种无规共聚物在34和37的药物释放结果与类似组成的 接枝共聚物的比较分别示于图4和5中。结果表明34℃时无规共 聚物的药物释放速率是接枝共聚物的大约两倍。对于无规共聚物， 药物在10分钟内完全释放。37℃的结果定性地与34℃的结果相 似，但药物的完全释放需约24分钟。
实施例6
包含温度敏感性共聚物和pH敏感性均
聚物组分的环境敏感性接枝共聚物
在本实施例中说明包含温度敏感性共聚物和pH敏感性均聚物 组分的接枝共聚物的合成和表征、温度敏感性行为和药物载负和药 物释放性能。具体地说，温度敏感性共聚物组分为环氧乙烷和环氧 丙烷的嵌段共聚物(“EO/PO/EO”)，而pH敏感性均聚物组分 为均聚丙烯酸。该丙烯酸均聚物用作该接枝共聚物的骨架。 A.接枝共聚物EO/PO/EO-g-AAc的合成和表征
1.氨基封端的嵌段共聚物EO/PO/EO的合成
嵌段共聚物EO/PO/EO作为表面活性剂从BASF- Wyandotte公司(Wyandotte，Michigan)买到，其商标为 Pluronic。该种EO/PO/EO嵌段共聚物的结构一般如下： 其中比例a∶b∶a的变化如下表9示：
表9
嵌段共聚物EO/PO/EO
Pluronic   EO/PO/EO比例    总分子量(平均)
L-61             4/30/4          2,000
L-81             7/38/7          2,750
L-92           10/50/10          3,650
L-122          13/69/13          5,000
PluronicL-1 22的LCST通过测量吸光度随温度的变化而 测得。具体地说，制备0.5wt％的L-122溶液(PBS缓冲液， pH7.4)，测量其在15℃到30℃温度下的吸光度(在500nm处)。 该L-122溶液的LCST为26℃，该实验结果示于图19。
上述嵌段共聚物EO/PO/EO然后经两步反应衍生得到活性端 氨基。首先将20g L-122(4mmol)与1.0g(5mmol)氯甲 酸4-硝基苯基酯在三乙胺存在下于氯代甲烷中室温反应4小时， 得到甲酸4-硝基苯基酯化衍生中间体。该中间体用石油醚萃取三 次回收，得到14g产物，产率为72wt％。在第二步中，将10g (2mmol)中间体与0.36g(6mmol)二氨基乙烷在二氯甲烷中 室温反应一夜。用石油醚萃取三次回收氨基封端的L-1 22衍生 物，在蒸馏水中以截止分子量为3500的膜渗析三天，并将水蒸发 得产物(8.8g，产率88wt％)。该氨基封端的衍生物的官能度经 滴定测定为0.91±0.1。
其它的嵌段共聚物EO/PO/EO同样经下示反应路线衍生得到 活性氨端基：
2.接枝共聚物EO/PO/EO-g-AAc的合成
通过将衍生的嵌段共聚物EO/PO/EO的活性端氨基偶联于 AAc的均聚物骨架上制备接枝共聚物EO/PO/EO-g-AAc。具 体而言，氨基封端的EO/PO/EO衍生物的氨基和AAc的羧基之间 在二环己基碳二亚胺(DCC)存在下的反应形成酰胺键。该反应 在甲醇(100ml)中于室温进行24小时，嵌段共聚物EO/PO/EO 与DCC的摩尔比为2∶1。接枝共聚物EO/PO/EO-g-AAc的合 成示意如下：
通过在THF或乙醚中沉淀从反应溶液中回收所产生的接枝共 聚物。该接枝共聚物的表征使用具有waters 500、103和104 Ultrastyrene柱的GPC进行，以DMF作流动相，温度为40℃， 洗脱速率为0.7ml/分钟。
接枝共聚物以不同的组分比例制备，并使用如表10所示的各 种嵌段共聚物EO/PO/EO。
表10
       嵌段共聚物EO/PO/EO和聚AAc的接枝共聚物 Pluronic     Pluronic/聚AAc     收率(％) L-61            10/90(wt％)            79 L-61            20/80(wt％)            55 L-61            30/70(wt％)            86 L-92            30/70(wt％)            94 L-122           10/90(wt％)            80 L-122           20/80(wt％)            80 L-122           30/70(wt％)            68 L-122           40/60(wt％)            78 L-122        50/50(wt％)        65 B.接枝共聚物EO/PO/EO-g-AAc的温度敏感性行为
本实施例的接枝共聚物EO/PO/EO在约32℃形成半透明凝 胶。因此，其溶液-凝胶转变温度的测定不使用LCST吸光度测量， 而是通过用下述方法测量粘度随温度的变化而测定。
称重含搅拌棒的闪烁管，并将2.8g含0.76％NaCl和1.25％ NaOH的水溶液加入其中。接着，加入0.125g L-122-30/70 (wt％)接枝共聚物，然后加入1.2g 0.76％NaCl溶液。通过将 该溶液在冰浴中搅拌约2小时而溶解L-122-30/70(wt％) 接枝共聚物，然后将闪烁管在冰箱中保持一夜。往该溶液中加入足 量1N NaOH，得到pH7.2。往其中加0.05g 8.5％NaCl，并加 入足量水使溶液重5.0g。所得溶液含有2.5wt％L-122-30/70 (wt％)接枝共聚物，pH为7.2。
然后用装有CP-52锭子的Brookfield DV III RV粘度计在 25℃-40℃的不同温度下测量该溶液的粘度。通过将水从恒温水 浴循环通过粘度计杯的夹套来控制温度。将约0.6ml溶液放入该粘 度杯中。在固定温度下于0.1rpm(剪切速率0.2/秒)下测量粘度3 分钟。记录3分钟结束后的粘度值，将这些测量结果示于图20中。 正如该技术所测定的，L-122-30/70(wt％)接枝共聚物的 LCST在最大粘度的25％处为32。 C.接枝共聚物EO/PO/EO-g-AAc的药物载负和释放
通过如实施例1C2所述在玻璃圆片上浇注-层共聚物-药物 混合物(含5wt％噻吗洛尔马来酸盐)的薄膜来测定该共聚物-药 物混合物的药物载负和释放。在这些实验中，薄膜厚度约为150μ， 直径约为0.54-0.58mm，各膜的重量约为5mg。将涂覆的玻璃 圆片悬浮于34℃的PBS缓冲液(pH7.4)中，测定药物释放量随 时间的变化。该实验的结果示于图21、22和23中。
具体而言，图21说明不同比率EO/PO/EO与AAc(即接枝 30％L-61的70％AAc，接枝20％L-61的80％AAc和接 枝10％L-61的90％AAc)的接枝共聚物EO/PO/EO-g- AAc的药物释放。为了对比，也将药物从AAc的均聚物(即100 ％AAc)以及80％AAc均聚物和20％L-61的物理混合物中的 释放示于图21。在本实施例中，EO/PO/EO和AAc的接枝共聚物 与单独的AAc均聚物和其与L-61的物理混合物相比显示明显延 迟的药物释放曲线。此外，当L-61含量为20％(或更高时)， 与AAc相比，完全药物释放延迟到1小时以上。
图22说明使用L-122作嵌段共聚物EO/PO/EO的接枝共聚 物的药物释放。在本实验中，使用比例在90％AAc/10％L-122 至50％AAc/50％L-122内变化的接枝共聚物L-122-g- AAc。当30％(或更多)L-122接枝于AAc上时，完全释放药 物的时间大于4小时。
最后，图23说明与不同嵌段共聚物EO/PO/EO-即L-61， L-92和L-122的使用有关的药物释放性能。测试70％AAc 与30％L-61、L-92或L-122的接枝共聚物。当接枝于AAc 骨架时，嵌段共聚物L-122产生4小时以上的延长药物时间。此 外，温度敏感性聚合物(如PluronicL-122)与本发明共聚物 -药物混合物的物理混合物在某些情况下可延长药物从其中的释 放，且也在本发明范围之内。
从前述可以理解，尽管本文为了说明而描述了本发明的具体实 施方案，但在不背离本发明的要旨和范围的条件下可作各种修改。 因此本发明除受所附权利要求限制外不受限制。