Sol-gel transition and degradation study of L/DL-poly(Ala)-poloxamine-L/DL-poly(Ala) triblock copolymer

Abstract

온도, pH, 빛, 자기장 등에 대한 반응으로 변화를 나타내는 자극 민감성 고분자에 대한 광범위한 연구가 이루어져 왔다. 그 중에서도 가역적인 온도성 젤은 최근 십 년간 독특한 졸-겔 상 전이 메커니즘과 생체 의료의 응용 물질로서 지난 수년간 중요한 주제가 되어 왔다. 외과적 수술 없이 약물 전달 저장고나 조직 공학 지지체는 약물이나 세포를 포함하고 있는 고분자 수용액의 일반적인 주사 투여를 기반으로 해서 발전하고 있다. 미셀의 쌓임/응집, 고분자 블록 상에서의 상 섞임, 미셀 간의 가교 모델 등이 전이에 대한 메커니즘으로서 제시되고 있다. 고분자 수용액에서 가역적인 온도겔화 거동을 보이기 위해서는 고분자는 친수성과 소수성 사이의 미세한 균형이 있어야 한다. 폴리프로필렌 옥시드와 부틸렌 옥시드의 폴리에스터, 폴리(락티드-co-글리콜리드)의 폴리에스터, 폴리카보네이트, 폴리포스파진, 폴리사카라이드 등은 소수성 블록으로 쓰이고 있으며, 폴리(에틸렌 글리콜)은 그들의 생체적합성 때문에 친수성 블록으로 가장 넓게 사용되고 있다. 최근에 생체물질을 기반으로 한 폴리펩티드가 무작정 코일, β-병풍구조, α-나선구조 등 독특한 2차 구조가 아미노산이나 폴리펩티드의 분자량에 의존하기 때문에 큰 관심을 끌고 있다. 이러한 이차 구조는 폴리펩티드 시스템이 겔 상이 나타날 때 매우 낮은 임계 겔 농도를 보여주고 있고 겔의 높은 강도를 이끌어낸다. 우리는 수용액 상에서 가역적 온도겔화를 보이는 폴리(알라닌)이 양끝에 씌워져 있는 폴리((프로필렌 글리콜)-폴리(에틸렌 글리콜)-폴리(프로필렌 글리콜)) (PA-PLX-PA) 에 대한 것을 보고하고자 한다. 원편광 이색성 분광(分光) 분석, 적외선 분광기, 13C-NMR 스펙트럼은 온도가 증가함에 따라 폴리펩티드의 β-병풍구조 배좌형태가 중요하게 증가하며 폴리(에틸렌 글리콜)의 수화가 일어난다는 것을 보여준다 PA(폴리 알라닌) 분자량이나 L-Ala/DL-Ala(L-알라닌/ DL-알라닌)의 비율이 증가함에 따라 졸-겔 전이 온도는 감소함을 보였다. 졸-겔 전이 온도는 PLX (폴리(프로필렌 글리콜)-폴리(에틸렌 글리콜)-폴리(프로필렌 글리콜)) 의 길이가 증가함에 따라 함께 증가하였다. PA-PLX-PA는 인산완충용액에서 15일 동안 안정했으며, 반면에 쥐의 피하에서는 상당하게 분해되었다. In-vitro(생체 외) 고분자의 효소적인 분해는 엘라스타제가 고분자를 효과적으로 분해함을 보여 주었으며, PA-PLX-PA에서 L-Ala(L-알라닌)의 함량이 증가함에 따라 분해 속도도 증가하였다. In-situ에서 형성된 겔은 전형적인 PLX (F-127 겔)보다 상당히 긴 지속성을 보여주었으며 이는 PA-PLX-PA가 주사 가능한 생체 물질로서 상당히 유망하다는 것을 제시한다.;Reverse thermal gelation has been an important topic during the last decade for the unique sol-to-gel phase transition mechanism and potential biomedical applications of the materials. Without physical surgery, drug delivery depots or tissue engineering scaffolds can be generated based on the conventional syringe injection of a polymer aqueous solution containing drug or cells. Micellar packing/aggregation, phase mixing of between the polymer blocks, and intermolecular bridge model etc. have been suggested as a mechanism of the gelation. For a polymer aqueous solution to show the reverse thermal gelation behaviour, the polymer should have a delicate balance between hydrophilicity and hydrophobicity. Poly(propylene oxide) and poly(butylenes oxide), poly(lactide-co-glycolide), polycarbonates, polyphosphazenes, polysaccharides, etc have been used for hydrophobic block, and poly(ethylene glycol)s have been most widely used for hydrophilic blocks. Recently, polypeptide-based biomaterials are drawing attention due to their unique secondary structure such as random coils, β-sheets, and α-helixes depending on the amino acids or molecular weight of the polypeptide. Such a secondary structure makes the polypeptide system show a very low critical gel concentration above which a gel phase appears, and high strength of the gel. However, the reverse thermal gelling systems based on the synthetic polypeptide are rather limited except for a de Novo designed hair-pin polypeptide (MAX). The strong hydrogen bonding and rather rigid character of the polypeptide makes the peptide-based biomaterials undergo gel-to-sol transition (gel-melting) instead of sol-to-gel transition (reverse thermal gelation) as the temperature increases. Here, we are reporting a β-sheet extension model for the reverse thermal gelation of the poly(alanine) end capped poly(ethylene glycol)-poly(propylene glycol)-poly(ethylene glycol) (PA-PLX-PA). The mechanism of sol-to-gel transition was investigated using FTIR, circular dichroism spectroscopy, 13C-NMR spectroscopy, transmission electron microscopy, florescence spectroscopy, and dynamic light scattering. Structure-property relationship of the sol-to-gel transition of the PA-PLX-PA aqueous solutions was investigated by varying PA length, PLX length, and L-Ala/DL-Ala ratio. The degradation of the PA-PLX-PA was investigated under the in vitro (phosphate buffer saline) and in vivo (subcutaneous layer of rats) conditions.