医用可注射性热致物理水凝胶的结构研究

Concentrated aqueous solutions of some amphiphilic block copolymers undergo a sol-gel transition upon heating. If the transition temperature lies between room temperature and body temperature, the sol can mix with drugs or cells conveniently and the mixture is able to be injected into the body; the sol is transformed into a hydrogel free of any chemical reaction in vivo. Block copolymers composed of poly(ethylene glycol) (PEG) and biodegradable polyesters such as poly(lactide-co-glycolide) (PLGA) have been found to exhibit such an amazing property under appropriate molecular parameters such as block lengths, which paves a way to a new class of biomedical polymers. Nevertheless, insufficient insight of the underlying mechanism of physical gelling significantly limits the further development of a repeatable biomaterial towards clinical applications. Meanwhile, the mechanism, especially the corresponding mesoscale structure affords a fundamental topic in Matter Science. The applied grant is aimed at exploring the underlying mechanism. Computer simulations and experimental observations will be combined to detect the process of physical gelling. The emphasis will be the corresponding structural studies, in particular, how the physical crosslinking points form in the “percolated micelle network”, which might be very helpful for guidance of molecular design of injectable thermogels.

部分两亲性嵌段共聚物在水中的浓溶液可以随升高温度发生可逆的溶胶-凝胶转变。如果相转变温度介于室温和体温之间，就可以低温混合药物、细胞等，并且可以注射；而注射后自发形成凝胶，体内的凝胶化过程不依赖于化学反应。近年来的研究发现，由常见的亲水性的聚乙二醇（PEG）和疏水性的可降解脂肪族聚酯（PLGA等）这些适宜用于人体的聚合物所组成的嵌段共聚物在某些嵌段长度等条件下具备上述特性，为研发新型医用材料开辟了新的重要的途径。但是，其物理凝胶化机制尚不清楚，尤其是热致水凝胶的内部结构不甚明了，导致缺乏相应分子设计的指导性原则，这严重影响了该类材料的产业化进程，也提供了一个有关高分子软物质研究的重要基础课题。本申请项目拟通过计算机模拟和实验观察，综合考察该类物理凝胶的形成过程，揭示其内部结构、尤其是该类水凝胶的“逾渗胶束网络”的物理交联点如何生成，并在此基础上总结可热致凝胶化的共聚物分子设计的规律。

两亲性嵌段共聚物在水中很容易形成胶束，但是很难自发形成物理水凝胶，尤其显见电中性的无明显相互吸引基团的物质随温度上升而形成宏观凝胶。项目采用开环聚合合成了系列聚酯-聚醚嵌段共聚物，部分组分在水中随升温呈现可逆的溶胶-凝胶转变，随后综合运用高分子物理实验和理论模拟揭示了相应的物理凝胶化机理，提出了半秃胶束的概念，发现热致胶凝的内在机制是平头胶束升温后变为半秃胶束，然后半秃胶束的核发生缔合，并借助疏水通道作为物理交联点，最终形成了逾渗胶束网络。进一步指出了呈现热致物理凝胶化的分子设计的普适原理。在物理凝胶化机理探讨的基础上，探究了聚合物的分子量分布对热致胶凝的影响，发现了其中的协同效应；并进一步提出了block blends的策略，显著拓宽了可热致凝胶化的聚合物成分范围，提高了sol-gel相转变温度的可调节性。相转变温度介于室温和体温之间，就可以低温混合药物、细胞等，并且可以注射，而注射后自发形成凝胶，体内的凝胶化过程不依赖于化学反应。发表SCI论文6篇，其中在高分子学科的权威国际专业期刊Macromolecules上发表第一标注的论文4篇，在中国国内的高分子学报发表一篇相关的综述；拓展了热致水凝胶的部分医学应用，在新一代可降解医用水凝胶材料方面形成了一些核心技术，申请发明专利6项，含一项国际专利；培养了数位具有高分子化学和物理、生物医用材料方面科学综合能力的青年人才，被复旦大学评为首届十佳“三好”研究生导学团队；项目负责人应邀多次在国内外学术会议作大会报告和邀请报告；项目组成员也多次参与全国高分子年会等进行学术交流。丁建东教授团队由于热致水凝胶的工作获得日内瓦国际发明金奖，所指导的学生团队获得第十二届“挑战杯”中国大学生创业计划大赛金奖。项目提供了一个有关高分子软物质多层次自组装的新的认识，也为研发新型医用材料开辟了新的重要的途径。