本發(fā)明屬于可注射水凝膠領域，具體涉及一種基于脲基嘧啶酮改性明膠水凝膠及其制備方法。

背景技術：

可注射水凝膠因其獨特的物理交聯方式，使得其在保持傳統(tǒng)水凝膠一系列基本性能的同時，具有可注射性、剪切變稀、原位凝膠等傳統(tǒng)水凝膠不具備的優(yōu)異性能，因而在藥物傳輸、組織修復、生物傳感等領域有著極為廣闊的應用前景。而傳統(tǒng)共價鍵交聯的水凝膠在制備過程中通常會使用到有毒的催化劑、交聯單體，會對生物組織、細胞、藥物產生損害，因而限制了其在生物領域的應用。此外，由于共價鍵的不可逆性，使得共價鍵交聯的水凝膠難以可注射并原位凝膠，難以滿足現代臨床醫(yī)學對微創(chuàng)手術的需求。

交聯方式對于可注射水凝膠的可注射性、原位凝膠性有關鍵影響。目前，國內外眾多學者專注于研究水凝膠的交聯方式來制備可用于生物領域的新型可注射水凝膠，其中交聯方式主要分為物理交聯和化學交聯。sawhney等在1993年將乙烯基酰氯與線性peo兩端的羥基反應，將雙鍵引入peo分子鏈中（macromolecules,1993,26:581-587）。由于未交聯的peo具有一定的粘度，因此可以通過注射然后引發(fā)雙鍵聚合使其凝膠。griffin等首先制備了兩種分別含有巰基和雙鍵的可流動性凝膠，然后通過注射混合，使得巰基跟雙鍵發(fā)生michael反應，使其化學交聯，從而制備出可注射水凝膠（naturematerials,2015,14:737-744）。zhao等同樣制備了兩種分別具有醛基和氨基的可流動性水凝膠，然后通過注射混合而凝膠（advancedfunctionalmaterials,2015,25:1352-1359）。由于醛基和氨基的席夫堿反應極為迅速，因此可用于快速凝膠的場合。此外，酶催化酚羥基之間的反應，疊氮和炔的點擊反應也被研究用來制備可注射水凝膠。通過雙重或多重氫鍵交聯方式制備可注射水凝膠的研究亦有很多，劉文廣等利用雙重氫鍵制備出可注射高強度水凝膠（adv.mater.,2015,27,3566-3571）。zeng等利用氫鍵和四級相互作用成功制備出抗生物污損的新型水凝膠（adv.mater.,2015,27:1294-1299）。meijer等利用脲基嘧啶酮（upy）改性peo制備出基于多重氫鍵交聯的可注射水凝膠（j.am.chem.soc.,2014,136:6969-6977）。過去幾十年中，多重氫鍵多被用來研究自修復材料，近年來以氫鍵交聯的水凝膠成為科研工作者關注的焦點。除氫鍵外，三價鐵離子（fe³⁺）與羧基之間的離子相互作用也被用于水凝膠的交聯中（j.am.chem.soc.,2008,130:16166-16167）。zhou等利用fe³⁺與羧基之間的離子相互作用以及共價鍵成功制備了雙交聯高強度水凝膠（small,2016,12:4386-4392）。

明膠作為一種天然高分子其側鏈擁有豐富的氨基、羧基、羥基等官能團，可被用于多種改性和接枝。本發(fā)明利用相互作用極強的四重氫鍵以及fe³⁺與羧基之間的離子相互作用為水凝膠的交聯方式，制備具有可注射、自愈合性能的新型雙物理交聯水凝膠。fe³⁺與羧基之間的離子相互作用雖然被用于制備高強度水凝膠，但用于制備可注射水凝膠的報道卻很少。首先將2-（6-異氰酸酯己胺酰胺）-6-甲基-4-[h]-嘧啶酮（upy-nco）通過異氰酸酯與氨基的親核反應接枝到明膠分子鏈側鏈中，然后將接枝改性后的明膠（gelatin-upy）溶于水中配制成聚合物溶液并保存在37℃，然后將fecl3水溶液與gelatin-upy溶液混合，并通過渦旋混合器混合均勻制備成水凝膠。制備的明膠-upy-fe水凝膠具有良好的自愈合性能，可注射性能（通過裝有gelatin-upy溶液和fecl3水溶液的雙筒注射器實施），在藥物緩釋、組織修復等領域有潛在應用。

技術實現要素：

本發(fā)明的首要目的在于針對現有自愈合水凝膠的缺點與不足，提供一種新型基于多重氫鍵和離子相互作用的自愈合、可注射水凝膠。該水凝膠為多重氫鍵和離子相互作用雙物理交聯水凝膠，具有優(yōu)良的自愈合性，可注射性。

本發(fā)明目的還在于提供所述水凝膠的制備方法。該方法以明膠作為水凝膠聚合物的主鏈，側鏈中通過親核反應引入可以通過四重氫鍵交聯的脲基嘧啶酮（upy），得到upy改性明膠；同時，基于明膠主鏈大量的羧酸基團，向配制好的upy改性明膠中加入三價鐵離子形成離子交聯，制備出多重氫鍵和離子相互作用雙物理交聯水凝膠。

本發(fā)明方案通過如下技術方案實現。

一種脲基嘧啶酮改性明膠可注射自愈合水凝膠的制備方法，包括如下步驟：

（1）將明膠在加熱及攪拌作用下溶于二甲基亞砜中，得到明膠的二甲基亞砜溶液，再加入2-(6-異氰酸酯己胺酰胺)-6-甲基-4-[h]-嘧啶酮，室溫下攪拌進行反應；

（2）在步驟（1）反應結束后的溶液中加入過量沉淀劑，將得到的沉淀產物溶于水中形成透析液并進行透析，冷凍干燥，得到脲基嘧啶酮改性明膠；

（3）將得到的脲基嘧啶酮改性明膠溶于蒸餾水中，得到脲基嘧啶酮改性明膠溶液；將脲基嘧啶酮改性明膠溶液與配制好的fecl3溶液混合，并通過渦旋混合器混合均勻，得到所述脲基嘧啶酮改性明膠可注射自愈合水凝膠。

進一步地，步驟（1）中，所述加熱的溫度為50~70℃。

進一步地，步驟（1）中，得到的明膠的二甲基亞砜溶液中，明膠的質量濃度為4~8%。

進一步地，步驟（1）中，所述2-(6-異氰酸酯己胺酰胺)-6-甲基-4-[h]-嘧啶酮的質量為明膠質量的3~8%。

進一步地，步驟（1）中，所述反應的時間為8~16小時。

進一步地，步驟（2）中，所述沉淀劑包括乙醇或四氫呋喃。

進一步地，步驟（2）中，所述沉淀劑的體積為步驟（1）反應結束后的溶液體積的7~10倍。

進一步地，步驟（2）中，所述透析液的質量濃度為10~20%。

進一步地，步驟（2）中，所述透析的時間為3~7天，且每隔一天換一次水。

進一步地，步驟（2）中，所述冷凍干燥是將透析得到的水溶液在-18℃冷凍3~7小時，再冷凍干燥24~40小時，優(yōu)選為24~36小時。

進一步地，步驟（3）中，所述脲基嘧啶酮改性明膠溶解于蒸餾水的溶解溫度為30~40℃，優(yōu)選為37℃。

進一步地，步驟（3）中，所述脲基嘧啶酮改性明膠溶液的質量濃度為20~30%。

進一步地，步驟（3）中，所述fecl3溶液的濃度為8～14mm。

進一步地，步驟（3）中，所述脲基嘧啶酮改性明膠溶液與配制好的fecl3溶液混合的體積比為1：1。

進一步地，步驟（3）中，所述渦旋混合器混合的轉速為2000～5000r/min，混合的時間為30～90秒。

進一步地，步驟（3）中，所述混合是在30~40℃下進行。

由上述任一項所述制備方法制得的一種脲基嘧啶酮改性明膠可注射自愈合水凝膠。

上述基于多重氫鍵和離子相互作用制備的可注射自愈合水凝膠，具有優(yōu)良的自愈合性和可注射性等；通過流變儀分析得知，制備出的水凝膠的儲能模量和損耗模量分別為390pa和55pa，且凝膠經破壞后有良好的自愈合性能。

在本發(fā)明中，upy接枝量、聚合物濃度對水凝膠的制備及其自愈合性能有重要影響。upy接枝量的增多，所得水凝膠的自愈合性能增強，但是過多的upy接枝量（接枝量>明膠質量的7%時）也會導致聚合物溶解性下降，從而使得水凝膠強度下降；聚合物濃度的增加使得水凝膠材料的強度提高。

與現有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點和技術效果：

（1）本發(fā)明將upy引入到明膠中制備出基于多重氫鍵的水凝膠，upy帶有兩個質子供體和受體并能通過四重氫鍵形成二聚體；同時，將fe³⁺與羧基的離子相互作用引入到明膠水凝膠中，利用明膠本身具有的豐富的羧基進行離子交聯；將離子相互作用和多重氫鍵相互作用相結合，成功制備出雙物理交聯自愈合水凝膠，在藥物緩釋、組織修復等領域具有潛在的應用價值；

（2）本發(fā)明制備方法所用原料廉價易得、工藝簡單、制備條件溫和、成本設備要求較低，易于規(guī)?；a及實際應用，具有良好的應用前景；制備的雙物理交聯水凝膠自修復性能好、可注射。

附圖說明

圖1為實施例1制備的水凝膠的應變掃描流變圖；

圖2為實施例1制備的水凝膠在1000%的大應變破壞后水凝膠儲能模量和損耗模量回復流變圖。

具體實施方式

下面結合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。其他任何未背離本發(fā)明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內。

實施例1

一種脲基嘧啶酮改性明膠可注射自愈合水凝膠的制備，包括如下步驟：

（1）將2.0g明膠在50℃加熱攪拌的條件下溶于40ml二甲基亞砜（dmso）中，待明膠完全溶解后，停止加熱，將該溶液冷卻至室溫，稱取0.1g2-(6-異氰酸酯己胺酰胺)-6-甲基-4-[h]-嘧啶酮（upy-nco）（明膠質量的5%）加入到該溶液中，室溫攪拌反應12小時；

（2）將反應液逐滴滴加到8倍量（體積倍率）的無水乙醇中，使聚合物沉淀，并減壓抽濾得到upy改性明膠（gelatin-upy）；將gelatin-upy溶于20ml去離子水中，并加入1000ml去離子水透析3天（每隔一天換一次水），將溶劑dmso除去；透析完成后，將透析后的聚合物溶液放于-18℃的冰箱中冷凍5小時，然后真空干燥36小時，得到純凈的聚合物gelatin-upy；

（3）將純凈的聚合物gelatin-upy在37℃的條件下溶于去離子水中配制成20%的溶液，同時配制10mm的fecl3溶液，將3ml的fecl3溶液加入到等體積的gelatin-upy溶液中，同時用斡旋混合器在2000r/min的轉速下混合30秒，制得所述脲基嘧啶酮改性明膠可注射自愈合水凝膠。

圖1為制得的水凝膠的應變掃描流變圖，由圖1可知，得到水凝膠的儲能模量（g’）為395pa，損耗模量（g’’）為56pa。

圖2為制備的水凝膠在1000%的大應變破壞后水凝膠儲能模量和損耗模量回復流變圖，由圖2可知，在1000%的剪切應變破壞后，儲能模量和損耗模量均能恢復到原有值，反映出良好的自愈合性能。

實施例2

一種脲基嘧啶酮改性明膠可注射自愈合水凝膠的制備，包括如下步驟：

（1）將4.0g明膠在60℃加熱攪拌的條件下溶于50mldmso中，待明膠完全溶解后，停止加熱，將該溶液冷卻至室溫，稱取0.3gupy-nco（明膠質量的7.5%）加入到該溶液中，室溫攪拌反應8小時；

（2）將反應液逐滴滴加到8倍量（體積倍率）的無水乙醇中，使聚合物沉淀，并減壓抽濾得到改性聚合物gelatin-upy，將gelatin-upy溶于20ml去離子水中，并加入1000ml去離子水透析5天（每隔一天換一次水），將溶劑dmso除去；透析完成后，將透析后的聚合物溶液放于-18℃的冰箱中冷凍5小時，然后真空干燥36小時得到純凈的聚合物gelatin-upy；

（3）將純凈的聚合物gelatin-upy在40℃的條件下溶于去離子水中配制成20%的溶液，同時配制10mm的fecl3溶液，將3ml的fecl3溶液加入到等體積的gelatin-upy溶液中，同時用斡旋混合器在2000r/min的轉速下混合30秒，制得所述脲基嘧啶酮改性明膠可注射自愈合水凝膠。

得到水凝膠的儲能模量為340pa，損耗模量為48pa；在1000%的剪切應變破壞后，儲能模量和損耗模量均能恢復到原有值，反映出良好的自愈合性能。

實施例3

一種脲基嘧啶酮改性明膠可注射自愈合水凝膠的制備，包括如下步驟：

（1）將4.0g明膠在50℃加熱攪拌的條件下溶于60mldmso中，待明膠完全溶解后，停止加熱，將該溶液冷卻至室溫，稱取0.2gupy-nco（明膠質量的5%）加入到該溶液中，室溫攪拌反應12小時；

（2）將反應液逐滴滴加到8倍量（體積倍率）的無水乙醇中，使聚合物沉淀，并減壓抽濾得到改性聚合物gelatin-upy，將gelatin-upy溶于40ml去離子水中，并加入1000ml去離子水透析6天（每隔一天換一次水），將溶劑dmso除去；透析完成后，將透析后的聚合物溶液放于-18℃的冰箱中冷凍6小時，然后真空干燥36小時得到純凈的聚合物gelatin-upy；

（3）將純凈的聚合物gelatin-upy在37℃的條件下溶于去離子水中配制成20%的溶液，同時配制10mm的fecl3溶液，將3ml的fecl3溶液加入到等體積的gelatin-upy溶液中，同時用斡旋混合器在2000r/min的轉速下混合40秒，制得所述脲基嘧啶酮改性明膠可注射自愈合水凝膠。

得到水凝膠的儲能模量為400pa，損耗模量為58pa；在1000%的剪切應變破壞后，儲能模量和損耗模量均能恢復到原有值，反映出良好的自愈合性能。

實施例4

一種脲基嘧啶酮改性明膠可注射自愈合水凝膠的制備，包括如下步驟：

（1）將2.0g明膠在50℃加熱攪拌的條件下溶于40mldmso中，待明膠完全溶解后，停止加熱，將該溶液冷卻至室溫，稱取0.1gupy-nco（明膠質量的5%）加入到該溶液中，室溫攪拌反應8小時；

（2）將反應液逐滴滴加到9倍量（體積倍率）的四氫呋喃中，使聚合物沉淀，并減壓抽濾得到改性聚合物gelatin-upy，將gelatin-upy溶于20ml去離子水中，并加入1000ml去離子水透析7天（每隔一天換一次水），將溶劑dmso除去；透析完成后，將透析后的聚合物溶液放于-18℃的冰箱中冷凍7小時，然后真空干燥40小時得到純凈的聚合物gelatin-upy；

（3）將gelatin-upy在40℃的條件下溶于去離子水中配制成25%的溶液，同時配制10mm的fecl3溶液，將3ml的fecl3溶液加入到等體積的gelatin-upy溶液中，同時用斡旋混合器在4000r/min的轉速下混合30秒，制得所述脲基嘧啶酮改性明膠可注射自愈合水凝膠。

得到水凝膠的儲能模量為430pa，損耗模量為60pa；在1000%的剪切應變破壞后，儲能模量和損耗模量均能恢復到原有值，反映出良好的自愈合性能。

實施例5

一種脲基嘧啶酮改性明膠可注射自愈合水凝膠的制備，包括如下步驟：

（1）將2.0g明膠在70℃加熱攪拌的條件下溶于40mldmso中，待明膠完全溶解后，停止加熱，將該溶液冷卻至室溫，稱取0.1gupy-nco（明膠質量的5%）加入到該溶液中，室溫攪拌反應12小時；

（2）將反應液逐滴滴加到8倍量（體積倍率）的無水乙醇中，使聚合物沉淀，并減壓抽濾得到改性聚合物gelatin-upy，將明gelatin-upy溶于20ml去離子水中，并加入1000ml去離子水透析5天（每隔一天換一次水），將溶劑dmso除去；透析完成后，將透析后的聚合物溶液放于-18℃的冰箱中冷凍5小時，然后真空干燥36小時得到純凈的聚合物gelatin-upy；

（3）將gelatin-upy在37℃的條件下溶于去離子水中配制成20%的溶液，同時配制12mm的fecl3溶液，將3ml的fecl3溶液加入到等體積的gelatin-upy溶液中，同時用斡旋混合器在2000r/min的轉速下混合90秒，制得所述脲基嘧啶酮改性明膠可注射自愈合水凝膠。

得到水凝膠的儲能模量為395pa，損耗模量為48pa；在1000%的剪切應變破壞后，儲能模量和損耗模量均能恢復到原有值，反映出良好的自愈合性能。

實施例6

一種脲基嘧啶酮改性明膠可注射自愈合水凝膠的制備，包括如下步驟：

（1）將2.0g明膠在60℃加熱攪拌的條件下溶于40mldmso中，待明膠完全溶解后，停止加熱，將該溶液冷卻至室溫，稱取0.14gupy-nco（明膠質量的7%）加入到該溶液中，室溫攪拌反應12小時；

（2）將反應液逐滴滴加到9倍量（體積倍率）的四氫呋喃中，使聚合物沉淀，并減壓抽濾得到改性聚合物gelatin-upy，將gelatin-upy溶于20ml去離子水中，并加入1000ml去離子水透析3天（每隔一天換一次水），將溶劑dmso除去；透析完成后，將透析后的聚合物溶液放于-18℃的冰箱中冷凍5小時，然后真空干燥36小時得到純凈的聚合物gelatin-upy；

（3）將gelatin-upy在37℃的條件下溶于去離子水中配制成24%的溶液，同時配制8mm的fecl3溶液，將3ml的fecl3溶液加入到等體積的gelatin-upy溶液中，同時用斡旋混合器在4000r/min的轉速下混合30秒，制得所述脲基嘧啶酮改性明膠可注射自愈合水凝膠。

得到水凝膠的儲能模量為355pa，損耗模量為46pa；在1000%的剪切應變破壞后，儲能模量和損耗模量均能恢復到原有值，反映出良好的自愈合性能。