專利名稱：一種高強(qiáng)度可注射水凝膠及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高強(qiáng)度可注射水凝膠及其制備方法，更具體地說(shuō)，涉及ー種利用聚こニ醇ニ丙烯酸酯(PEGDA)的雙鍵與天然聚合物上偶聯(lián)的巰基發(fā)生Michael加成反應(yīng)，同時(shí)以聚こニ醇與聚己內(nèi)酯(PEG-PCL-PEG)的三嵌段共聚物納米粒子為增強(qiáng)劑而形成的水凝膠，具較高的強(qiáng)度和可注射性。
背景技術(shù)：
水凝膠是ー種能夠在水中溶脹，吸收并保持大量水分而又不能溶解于水的三維聚合物溶脹體。水凝膠是第一種開(kāi)發(fā)出來(lái)被人體使用的生物材料，在與血液、體液及人體組織相接觸吋，表現(xiàn)出良好的生物相容性，它既不影響生命體的代謝過(guò)程，代謝產(chǎn)物又可以通過(guò)水凝膠排出。水凝膠比其它任何合成生物材料都接近活體組織，它在性質(zhì)上類似于細(xì)胞外基質(zhì)部分，吸水后可減少對(duì)周圍組織的摩擦和機(jī)械作用，顯著改善材料的生物學(xué)性能。因此，水凝膠廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥、組織工程等領(lǐng)域。水凝膠是組織工程良好的支架材料，大多無(wú)毒或毒性小，容易加工成型，性質(zhì)類似于許多組織和細(xì)胞外基質(zhì)。很多天然水凝膠和合成水凝膠都可應(yīng)用于組織工程和再生醫(yī)學(xué)[Kopecek J. Hydrogel biomaterials:A smartfuture Biomaterials, 2007，28:5185-5192;Jagur-Grodzinski J. Polymeric gels andhydrogels for biomedical and pharmaceutical applications. Polymers for AdvancedTechnologies, 2010，21:27-47]。水凝膠的形成主要有物理交聯(lián)和化學(xué)交聯(lián)兩種主要途徑。物理交聯(lián)水凝膠的形成可以通過(guò)溫度、離子強(qiáng)度的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以依靠電荷作用、氫鍵作用等途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)，而化學(xué)交聯(lián)水凝膠則通過(guò)共價(jià)鍵形成。水凝膠的分類方法有多種根據(jù)水凝膠網(wǎng)絡(luò)鍵合的不同，可分為物理交聯(lián)水凝膠和化學(xué)交聯(lián)水凝膠；根據(jù)其來(lái)源可分為天然水凝膠和人工合成水凝膠；根據(jù)水凝膠對(duì)外界刺激的響應(yīng)情況可分為普通水凝膠和智能水凝膠；另外還可按照水凝膠是否降解分為可降解性水凝膠和不可降解性水凝膠等。近年來(lái)可注射生物材料得到廣泛研究并將對(duì)藥物釋放和組織工程領(lǐng)域具有重大影響?？勺⑸渌z是ー類原位形成的功能性水凝膠，其快速成型特點(diǎn)使得這類生物材料在臨床方面具有廣闊的應(yīng)用前景。可注射水凝膠在體內(nèi)時(shí)為凝膠狀態(tài)，在體外時(shí)為溶液狀態(tài)，在此狀態(tài)下可以包埋如多肽、蛋白質(zhì)、細(xì)胞等生物活性物質(zhì)，當(dāng)注射到皮下組織或肌肉組織后，由于溫度的變化或化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)的發(fā)生，包含有活性物質(zhì)的溶液迅速轉(zhuǎn)化為凝膠，而后活性物質(zhì)在擴(kuò)散作用和凝膠自身降解作用的雙重推動(dòng)下，從凝膠內(nèi)平穩(wěn)地釋放出來(lái)，達(dá)到長(zhǎng)期釋放的效果。在包埋過(guò)程中，由于不會(huì)涉及有機(jī)溶劑，不會(huì)使得包埋物質(zhì)的活性輕易喪失。可注射水凝膠的另ー優(yōu)勢(shì)是它可通過(guò)注射方法植入體內(nèi)，使流動(dòng)性生物材料溶液可以充滿整個(gè)具有不規(guī)則形狀的受損部位，手術(shù)創(chuàng)傷小且容易操イ乍[Hoffman A b. Hydrogels lor biomedical applications. Advanced Drug DeliveryReviews, 2002, 54:3-12] 0另ー方面，由于DNA重組技術(shù)和其他相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了多肽和蛋白質(zhì)藥物的商品化。但是，多肽和蛋白質(zhì)藥物在腸胃中易被降解，半衰期短，這些缺點(diǎn)都限制了多肽和蛋白質(zhì)藥物的應(yīng)用。而可注射性水凝膠材料作為載體可以均勻地包埋和負(fù)載這些多肽和蛋白質(zhì)藥物，可以直接注入皮下而避免了被腸胃降解，還可以由擴(kuò)散作用進(jìn)入血管、到達(dá)受損部位，達(dá)到治病救人的目的，因此可注射水凝膠得到了進(jìn)ー步的發(fā)展[Sakiyama-Elbert S M ff,Faxel TE,David I G. et al. The effects of soluble growthfactors on embryonic stem cell differentiation inside of fibrin scafiolds. StemCells,2007, 25:2235-2244]。作為ー種高吸水高保水材料，水凝膠被廣泛用于多種領(lǐng)域，但絕大部分利用天然或合成材料制備得到的水凝膠的力學(xué)性能都很差。普通結(jié)構(gòu)的水凝膠往往在較低含水量時(shí)具有一定的力學(xué)性能，而在較高含水量時(shí)(如> 90%)力學(xué)強(qiáng)度顯著下降，甚至在極低壓強(qiáng)下就發(fā)生碎裂。水凝膠在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域因其力學(xué)性能較差而限制了其應(yīng)用。它們的交聯(lián)點(diǎn)分布不規(guī)則和交聯(lián)點(diǎn)之間具有不同的長(zhǎng)度，使壓カ不能均勻地分布在聚合物鏈之間，因而裂紋更易出現(xiàn)，導(dǎo)致了其較差的力學(xué)性能。因此許多研究努力都集中于提高水凝膠的強(qiáng)度，但仍不能滿足使用要求。近年來(lái)，合成具有高強(qiáng)度水凝膠的研究工作吸引了眾多研究者的興趣，并取得一 定進(jìn)展。如Nagayama等人制備出DN水凝膠,他們采用致密交聯(lián)的聚合物為第一網(wǎng)絡(luò)、疏松交聯(lián)的聚合物為第二網(wǎng)絡(luò)將兩種網(wǎng)絡(luò)互穿制備出雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠，此類水凝膠的力學(xué)性能與單ー網(wǎng)絡(luò)水凝膠相比有很大程度的提高[Nakayama A, Kakugo A, Gong J P, OsadaY, Takai M, Erata T, Kawano S. High mechanical strength double—network hydroge丄with bacterial cellulose. Advanced Functional Materials 2004,14:1124-1128]。而Fleury等人制備出可在聚合物鏈上自由滑動(dòng)的“8形”交聯(lián)環(huán)作為可控制交聯(lián)點(diǎn)的拓?fù)湫嗡z，此類水凝膠的拉伸長(zhǎng)度可達(dá)到原始長(zhǎng)度的約20倍，而平衡溶脹度可達(dá)到約500[Fleury G, Schlatter G, Brochon C，Traveiet C,Lapp A, Lindner P, HadziioannouG. Topo丄ogical polymer networks with sliding cross—丄ink points: the ^ slidinggels，，·relationship between their molecular structure and the viscoelastic aswe丄丄 as the swelling properties. Macromolecules 2007,40:535—543]。 Haraguchi ·將具有納米尺度的無(wú)機(jī)分散體分散于聚合物基質(zhì)中制備了納米復(fù)合水凝膠，水凝膠中均勻分散的無(wú)機(jī)組分可以使水凝膠的力學(xué)性能有幾十倍的提高[Haraguchi K, FarnworthR,Ohbayashi A,Takehisa T.Compositional effects on mechanical properties οιnanocomposite hydrogels composed of poly(N, N-dimethylacrylamide)and clay.Macromolecules 2003, 36:5732-5741]。Huang等人在大分子微球表面通過(guò)福照引發(fā)接枝水溶性単體，并以此有微球?yàn)榉稚Ⅲw制備出具有規(guī)整交聯(lián)結(jié)構(gòu)的水凝膠。由于大分子微球充當(dāng)接枝共聚的節(jié)點(diǎn)，同時(shí)在復(fù)合體系內(nèi)均勻分散而得到均勻的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，因此此類復(fù)合水凝膠在力學(xué)性能上有大幅度改善[Huang T,Xu H G, Jiao K X, Zhu L P, Brown H R, Wang HL. A novel hydrogel with high mechanical strength:a macromolecular microspherecomposite hydrogel. Advanced Materials 2007,19:1622-1626]。Tan 等人以混合淀粉酯為原料通過(guò)自組裝方法制備出粒徑分布可控的納米淀粉粒子，并以此納米粒子為交聯(lián)劑合成了聚丙烯酰胺和聚N-異丙基丙烯酰胺水凝膠，研究結(jié)果證實(shí)此類新型水凝膠的去溶脹速率急劇加快，而水凝膠的力學(xué)強(qiáng)度亦有大幅度提高[Tan Y，Xu K，Wang P，Li W，Sunb, Dong L b, High mechanical strength and rapid response rate oi poly(N—isopropy丄acrylamide;hydrogel crosslinked by starch-based nanospheres.Soft Matter2010,6:1467-1471]o可以看出，采用多種策略和方法可以得到具有特殊結(jié)構(gòu)的水凝膠，這些水凝膠在力學(xué)強(qiáng)度以及其他性能上都有了很大程度的提高或改進(jìn)。本發(fā)明采用天然聚合物殼聚糖、明膠等生物相容性好的材料，以納米粒作為增強(qiáng)劑是區(qū)別上述新型水凝膠的關(guān)鍵之處。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于改善天然聚合物水凝膠的力學(xué)性能，提供ー種注射型高強(qiáng)度天然聚合物水凝膠及其制備方法，以納米粒子為增強(qiáng)劑是本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)，在不影響原料混合性能的前提下大幅提高天然聚合物水凝膠的壓縮強(qiáng)度，從而可以克服天然聚合物水凝膠力學(xué)強(qiáng)度低的缺陷。此水凝膠在37°C下凝膠且快速成型，為可注射型水凝膠。所選用的殼聚糖、明膠等天然聚合物和聚己內(nèi)酷、聚こニ醇等合成聚合物生物相容性好，可被生物體吸收降解。
本發(fā)明的一種高強(qiáng)度可注射水凝膠，結(jié)構(gòu)式如下
權(quán)利要求
1.一種高強(qiáng)度可注射水凝膠，其特征是結(jié)構(gòu)式如下
2.如權(quán)利要求I所述的ー種高強(qiáng)度可注射水凝膠，其特征是以納米粒子為增強(qiáng)劑，水凝膠在37°C下快速凝膠成型，可注射，強(qiáng)度達(dá)到IOkPa以上。
3.制備權(quán)利要求I或2所述的水凝膠的方法，其特征是包括以下步驟 (1)將聚こニ醇溶于ニ氯甲烷，其濃度為2.5 X 10_5 5. O X 10_5mol/mL，冰水冷卻，氮?dú)獗Ｗo(hù)下不斷攪拌加入三こ胺和丙烯酰氯，其中加入的三こ胺、丙烯酰氯的摩爾數(shù)分別是聚こニ醇摩爾數(shù)的2 4倍、2 5倍,下反應(yīng)12 24小時(shí)后,將反應(yīng)液過(guò)濾,沉淀,減壓抽濾，最后產(chǎn)物常溫真空干燥，收集備用，此步驟得到聚こニ醇ニ丙烯酸酯； (2)稱取天然聚合物配成濃度為I 10%溶液，其中天然聚合物為殼聚糖或明膠，攪拌形成懸浮液，加入N-羥基苯并三氮唑，攪拌至溶液澄清，然后加入N-こ酰-L-半胱氨酸，隨后加入I-こ基-(3- ニ甲基氨基丙基)碳ニ亞胺，調(diào)節(jié)pH為3 5，室溫?cái)嚢? 5小吋，避光4°C下透析三天，凍干，冷藏保存；加入的N-羥基苯并三氮唑、N-こ酰-L-半胱氨酸、碳ニ亞胺的摩爾數(shù)分別為天然聚合物上氨基摩爾數(shù)的I 3倍、2 4倍和4 8倍，此步驟得到巰基化天然聚合物； (3)將聚己內(nèi)酯和純化的こ酸こ酯加入到反應(yīng)器，加熱溶解后，降溫至20 60°C，加入己ニ異氰酸酯和5 IOmL純化的こ酸こ酯，升溫至70 90°C,然后加入聚こニ醇和5 IOmL純化的こ酸こ酷，繼續(xù)反應(yīng)；加入的己ニ異氰酸酯和聚こニ醇與聚己內(nèi)酯摩爾比分別為2 4倍和2 5倍；然后沉析、抽濾得到聚こニ醇-聚己內(nèi)酯-聚こニ醇的三嵌段共聚物； (4)將三嵌段共聚物溶于ニ氯甲烷，冰水冷卻，氮?dú)獗Ｗo(hù)下加入三こ胺和丙烯酰氯，不斷攪拌，三嵌段共聚物三こ胺丙烯酰氯的摩爾比為I : 2 4 : 2 4 ;氮?dú)獗Ｗo(hù)下反應(yīng)12 24個(gè)小吋，反應(yīng)溫度為20 25°C，將反應(yīng)液過(guò)濾，沉淀，減壓抽濾，最后產(chǎn)物常溫真空干燥，得到丙烯酸化的三嵌段共聚物； (5)稱取100 200mg丙烯酸化的三嵌段共聚物于安培皿中，溶于IOOmLニ氯甲烷，室溫磁力攪拌下，將溶液滴入雙蒸水中；隨著ニ氯甲烷的揮發(fā)，內(nèi)核固化成球，丙烯?；娜抖喂簿畚镒越M裝成納米膠束，離心分離除去大的聚集粒子，凍干，得到納米粒子增強(qiáng)劑； (6)天然聚合物上的巰基、聚こニ醇ニ丙烯酸酯的雙鍵、納米粒子的表面上的雙鍵的摩爾比為I : I 3 O. 5 2. 5，將反應(yīng)混合物進(jìn)行超聲充分?jǐn)嚢瑁ㄟ^(guò)倒置小瓶的方法，測(cè)定凝膠化時(shí)間，每30 60秒倒立小瓶一次，所有樣品均在25 37°C水浴中反應(yīng)30 60分鐘，此步驟后制得高強(qiáng)度水凝膠。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高強(qiáng)度可注射水凝膠及其制備方法，更具體地說(shuō)，涉及一種利用聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)的雙鍵與巰基化天然聚合物上的巰基發(fā)生Michael加成反應(yīng)，同時(shí)以聚乙二醇與聚己內(nèi)酯(PEG-PCL-PEG)的三嵌段共聚物的納米粒子為增強(qiáng)劑而形成的水凝膠，此類水凝膠具有較高的力學(xué)強(qiáng)度，為生物相容性良好且可注射水凝膠和可降解水凝膠，凝膠速率較快。該水凝膠的特點(diǎn)是原料價(jià)廉易得、制備方法簡(jiǎn)單，在生物醫(yī)用領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)C08L89/00GK102718991SQ20121009752
公開(kāi)日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2012年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月5日
發(fā)明者尹玉姬, 李釩 申請(qǐng)人:天津大學(xué)