本發(fā)明屬于生物醫(yī)學(xué)材料領(lǐng)域，特別涉及一種具有多重響應(yīng)功能的水凝膠及其制備方法和用途。

背景技術(shù)：

水凝膠是一類由高分子鏈段構(gòu)成，具有三維交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的親水性聚合物。水凝膠能吸收并保持大量水分但不溶于水，且在溶液、生物體中保持結(jié)構(gòu)完整性。由于水凝膠具有較高的水滲透性和良好的生物相容性，而且具有一定強(qiáng)度，表面結(jié)構(gòu)與生物體組織類似，因此在生物材料領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注和應(yīng)用，如隱形眼鏡、藥物緩釋控釋、組織支架構(gòu)建、醫(yī)用敷料等。

根據(jù)水凝膠對(duì)外界條件刺激的響應(yīng)情況，一般分為傳統(tǒng)的普通水凝膠和智能型水凝膠，前者的性能并不會(huì)隨外界環(huán)境的變化而變化，而后者則可在外界刺激(如溫度、ph值、壓力、離子強(qiáng)度等)下發(fā)生響應(yīng)，智能水凝膠這種獨(dú)特的響應(yīng)性使其在蛋白分離、傳感器、藥物傳遞系統(tǒng)等方面都有很好的應(yīng)用前景。一般的響應(yīng)性水凝膠只能對(duì)單一的外界環(huán)境條件刺激發(fā)生響應(yīng)，因此在成型或應(yīng)用上受到限制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有的水凝膠只能對(duì)單一外界刺激發(fā)生響應(yīng)的缺陷，本發(fā)明的首要目的在于提供一種具有多重響應(yīng)功能的水凝膠的制備方法。

本發(fā)明的另一目的在于提供由上述方法制得的具有多重響應(yīng)功能的水凝膠。

本發(fā)明的再一目的在于提供上述水凝膠的用途。

本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種具有多重響應(yīng)功能的水凝膠的制備方法，包括以下步驟：

(1)合成光響應(yīng)與溫度響應(yīng)的基底水凝膠

將水凝膠材料、丙烯酰氯、三乙胺加入到溶劑中，冰浴下反應(yīng)3-15h，在常溫下反應(yīng)3-15h，然后用碳酸氫鈉飽和溶液洗滌反應(yīng)產(chǎn)物，再旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)溶劑得到改性水凝膠材料。

所述的水凝膠材料為泊洛沙姆(poloxamer，聚氧乙烯聚氧丙烯醚嵌段共聚物，商品名是普蘭尼克pluronic)或聚乙二醇中的至少一種；

優(yōu)選地，所述的水凝膠材料為po-eo嵌段共聚物、eo-po嵌段共聚物、peg-2000，peg-4000或peg-6000中的至少一種。

所述的溶劑為二氯甲烷、氯仿、甲醇、甲苯或丙酮中的一種以上。

步驟(1)中，每100ml溶劑中含有0.6～13.0g的水凝膠材料、含有3～6ml的丙烯酰氯、含有3～6ml的三乙胺。

(2)合成氧化還原響應(yīng)部分

將雙硒二醇、丙烯酰氯、三乙胺加入到溶劑中，冰浴下反應(yīng)2-6h，再常溫下反應(yīng)2-6h，然后用碳酸氫鈉飽和溶液洗滌反應(yīng)產(chǎn)物，再旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)溶劑得到帶有碳碳雙鍵的改性雙硒。

所述的雙硒二醇(hoch2ch2sesech2ch2oh)根據(jù)文獻(xiàn)(xiaolongzeng,xiaoyanzhou,mengyili,etal.redoxpoly(ethyleneglycol)-b-poly(l-lactide)micellescontainingdiselenidebondsforeffectivedrugdelivery[j].journalofmaterialsscience.2015,26:234)方法合成。

所述的溶劑為二氯甲烷或甲醇。

步驟(2)中，每100ml溶劑中含有0.5～4.0g的雙硒二醇、含有8～14ml的丙烯酰氯、含有10～15ml的三乙胺。

(3)制備多重響應(yīng)水凝膠

將改性水凝膠材料溶液和改性雙硒溶液混合，再加入光聚合引發(fā)劑，在20-40℃、紫外光照射下生成具有多重響應(yīng)功能的水凝膠。

所述的改性水凝膠材料溶液以水為溶劑，配制成濃度0.3-0.5g/ml；改性雙硒材料溶液以有機(jī)溶劑作為溶劑，配制成濃度0.1-0.4g/ml；所述的有機(jī)溶劑優(yōu)選乙烯基吡咯烷酮、乙醇或甲醇。

所述的改性雙硒材料與改性水凝膠材料的質(zhì)量比為1:(10-20)。

所述的混合是指常溫下攪拌12-24h。

所述的光聚合引發(fā)劑優(yōu)選2,2-二甲氧基-2-苯基乙酮。

由上述方法制得的水凝膠對(duì)光和溫度變化能夠做出響應(yīng)，同時(shí)還具有氧化還原響應(yīng)功能。將該水凝膠浸泡在還原性溶液(比如谷胱甘肽溶液)中，由于氧化還原反應(yīng)，水凝膠當(dāng)中的雙硒鍵會(huì)斷裂，從而使凝膠的強(qiáng)度、形態(tài)發(fā)生改變。

由上述方法制得的水凝膠具有溫度響應(yīng)和光響應(yīng)特性，因此一方面可以用于3d打印高效制備復(fù)雜的模型，另一方面可以負(fù)載疏水性或親水性藥物，作為藥物載體使用；由于雙硒鍵的引入使水凝膠具有氧化還原特性，因此能在為靶向藥物載體，用于治療癌癥(癌細(xì)胞聚集部位具有強(qiáng)氧化性，會(huì)使雙硒鍵斷鏈，從而釋放出藥物)。

本發(fā)明的機(jī)理為：

本發(fā)明步驟(1)改性后的水凝膠為長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)，并且在長(zhǎng)鏈末端帶有活潑的化學(xué)基團(tuán)，同樣地，步驟(2)改性后的雙硒化合物鏈段末端也帶有碳碳雙鍵，加入光聚合引發(fā)劑后，引發(fā)劑在365nm的光照環(huán)境能夠產(chǎn)生自由基，從而引發(fā)鏈段反應(yīng)，光輻照度越強(qiáng)，自由基產(chǎn)生的速度和濃度越強(qiáng)，使二者互相交聯(lián)。

最后制得的水凝膠仍然保持溫度敏感特性，即在低溫狀態(tài)下的溶解度比在高溫狀態(tài)下的溶解度大，同樣濃度的水凝膠溶液隨著溫度的降低，粘度降低。同時(shí)，雙硒鍵是一種新型谷胱甘肽敏感的化學(xué)鍵。在高谷胱甘肽還原環(huán)境下會(huì)發(fā)生斷裂，雙硒鍵被還原，含雙硒鍵的高分子會(huì)因其斷裂而降解。

因此，這個(gè)混合水凝膠溶液具有成凝膠前溫度響應(yīng)、光響應(yīng)特性，有利于凝膠化速度的調(diào)節(jié)，而成凝膠后具有氧化還原響應(yīng)特性，對(duì)在藥物載體等領(lǐng)域的應(yīng)用有一定意義和前景。

本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果：

本發(fā)明的水凝膠材料對(duì)溫度、光、氧化還原均有響應(yīng)性，能通過調(diào)節(jié)溫度、本體濃度、光聚合引發(fā)劑濃度、光源實(shí)現(xiàn)快速凝膠化，并且易于成型，具有優(yōu)異的力學(xué)性能和生物相容性，其氧化還原響應(yīng)特性有利于負(fù)載不同的藥物分子并有效釋放。

附圖說明

圖1為實(shí)施例1～5制備的水凝膠材料的彈性模量圖。

圖2為實(shí)施例1～4制備的水凝膠材料氧化還原響應(yīng)后的彈性模量圖。

圖3為實(shí)施例1～4制備的水凝膠材料的細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。

本發(fā)明實(shí)施例中所使用試劑均可從市面采購獲得，主要原料信息如下：

pluronicf-127(eo100-po65-eo100)：購自sigma-aldrich公司

丙烯酰氯：購自schuchardt公司

三乙胺，二氯甲烷，碳酸氫鈉：均購自中國天津大茂化學(xué)試劑廠

2,2-二甲氧基-2-苯基乙酮：購自acros公司

硒粉：購自阿拉丁公司

硼氫化鈉：購自阿拉丁公司

2-溴乙醇：購自阿拉丁公司

實(shí)施例1

水凝膠材料的制備，包括以下步驟：

(1)改性水凝膠材料的制備：12.6gpluronicf-127溶于100ml體積比為二氯甲烷:丙酮＝1:1的混合溶液中，冰浴下逐滴加入3ml丙烯酰氯和3ml三乙胺，冰浴反應(yīng)12h，常溫反應(yīng)12h。反應(yīng)結(jié)束后，用碳酸氫鈉飽和溶液洗滌，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)并在40℃真空干燥24h即可得改性f-127(12g)。

(2)改性雙硒的制備：根據(jù)文獻(xiàn)合成雙硒二醇產(chǎn)物后，取1g雙硒二醇溶于50ml二氯甲烷溶液中，往反應(yīng)體系中通入氮?dú)鈿怏w半個(gè)小時(shí)，然后冰浴下逐滴加入6ml丙烯酰氯和7ml三乙胺，冰浴反應(yīng)3h，常溫反應(yīng)3h。反應(yīng)結(jié)束后，用碳酸氫鈉飽和溶液洗滌，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)并在40℃真空干燥24h即可得改性雙硒材料(0.64g)。

(3)氧化還原水凝膠的制備：將10g的改性f-127溶于100ml水中，配制成濃度為0.1g/ml的改性f-127溶液，將10g的改性雙硒材料和10g的光聚合引發(fā)劑溶于100ml的乙烯基吡咯烷酮溶液中。將5ml混合后的乙烯基吡咯烷酮溶液與100ml改性f-127溶液充分混合，改性雙硒材料與改性f-127的質(zhì)量比為1:20，然后利用365nm紫外光源照射成型，得到具有多重響應(yīng)功能的水凝膠。

實(shí)施例2

水凝膠材料的制備

將實(shí)施例1步驟(3)中的“將10g的改性雙硒材料和10g的光聚合引發(fā)劑溶于100ml的乙烯基吡咯烷酮溶液中”修改為“將20g的改性雙硒材料和10g的光聚合引發(fā)劑溶于100ml的乙烯基吡咯烷酮溶液中”，其余均與實(shí)施例1相同。此時(shí)最終混合溶液中，改性雙硒材料與改性f-127的質(zhì)量比為1:10。

實(shí)施例3

水凝膠材料的制備

將實(shí)施例1步驟(3)中的“將10g的改性雙硒材料和10g的光聚合引發(fā)劑溶于100ml的乙烯基吡咯烷酮溶液中”修改為“將30g的改性雙硒材料和10g的光聚合引發(fā)劑溶于100ml的乙烯基吡咯烷酮溶液中”，其余均與實(shí)施例1相同。此時(shí)最終混合溶液中，改性雙硒材料與改性f-127的質(zhì)量比為3:20。

實(shí)施例4

水凝膠材料的制備

將實(shí)施例1步驟(3)中的“將10g的改性雙硒材料和10g的光聚合引發(fā)劑溶于100ml的乙烯基吡咯烷酮溶液中”修改為“將40g的改性雙硒材料和10g的光聚合引發(fā)劑溶于100ml的乙烯基吡咯烷酮溶液中”，其余均與實(shí)施例1相同。此時(shí)最終混合溶液中，改性雙硒材料與改性f-127的質(zhì)量比為1:5。

實(shí)施例5

水凝膠材料的制備

(3)將10g的改性f-127溶于100ml水中，配制成濃度為0.1g/ml的改性f-127溶液，將5ml混合后的乙烯基吡咯烷酮溶液與100ml改性f-127溶液充分混合，得到最終混合溶液中，改性雙硒材料與改性f-127的質(zhì)量比為1:20，然后利用365nm紫外光源照射成型。其余均與實(shí)施例1相同。

實(shí)施例1-4都是f127與雙硒的混合，本實(shí)施例是只采用了f127。

實(shí)施例6

水凝膠材料彈性性能的測(cè)試

對(duì)實(shí)施例1～5中的水凝膠材料的彈性性能進(jìn)行測(cè)試。

測(cè)試方法是：將材料放到旋轉(zhuǎn)流變儀的平臺(tái)上，采用平板加樣，樣品直徑1cm，平板間距為0.1mm，測(cè)試溫度為35℃，選擇進(jìn)行頻率掃描，剪切比固定為0.1％，頻率掃描范圍0.1～100rad/s

結(jié)果如圖1所示。從圖1中可以看出，所有實(shí)施例制備的材料彈性模量均大于10³pa，說明改性雙硒材料的加入能顯著提高材料的力學(xué)性能，并且隨著改性雙硒材料與改性f-127質(zhì)量比的提高，彈性模量也隨之提高，即改性雙硒材料可調(diào)節(jié)最終混合材料的力學(xué)性能；而當(dāng)改性雙硒材料與改性f127質(zhì)量比達(dá)到3:20以上時(shí)，改性雙硒材料的含量提高對(duì)彈性模量的影響不大。綜上所述，本發(fā)明的水凝膠具有良好的力學(xué)性能，所制備的模型不易破碎，有助于應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

實(shí)施例7

水凝膠材料的氧化還原性能測(cè)試

配制濃度為0.1mol/l的谷胱甘肽溶液以及ph值7.4的pbs溶液，取實(shí)施例1～4中的水凝膠材料各1g，分別浸泡在10ml的pbs溶液和谷胱甘肽溶液中，在預(yù)先設(shè)定的時(shí)間點(diǎn)取出樣品測(cè)定彈性模量，結(jié)果如圖2所示。

改性雙硒材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大的水凝膠材料在浸泡了相同時(shí)間后，彈性模量的損失越多，并且在谷胱甘肽溶液中浸泡的水凝膠材料比在pbs溶液中浸泡的具有更明顯的彈性模量損失現(xiàn)象，原因?yàn)樗z材料中的雙硒鍵在谷胱甘肽溶液的還原作用下斷開，使水凝膠強(qiáng)度降低。

實(shí)施例8

水凝膠材料的細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)

對(duì)實(shí)施例1～4中的水凝膠材料進(jìn)行3t3小鼠成纖維細(xì)胞的細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方法如下：

(1)材料制備

將材料制備成半徑為2.5mm，高1mm的圓柱體，面積為24孔培養(yǎng)板單個(gè)孔底面面積的十分之一，因此細(xì)胞培養(yǎng)階段利用24孔板進(jìn)行。

(2)細(xì)胞培養(yǎng)及活性檢測(cè)

采用cck-8方法測(cè)定材料對(duì)3t3細(xì)胞的毒性影響。將材料置于3t3(小鼠胚胎成纖維細(xì)胞)細(xì)胞培養(yǎng)環(huán)境后在37℃，5％co2細(xì)胞培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24h后，吸棄完全培養(yǎng)基及水凝膠材料，用滅菌pbs清洗細(xì)胞后，每孔加入500ml含有50mlcck-8試劑的新鮮培養(yǎng)基(cck-8試劑與培養(yǎng)基體積比為1:10)，在置于培養(yǎng)箱中培養(yǎng)2h。最后通過酶標(biāo)儀讀取在450nm波長(zhǎng)處的吸光值，分析材料對(duì)3t3細(xì)胞的毒性影響。

如圖3所示，細(xì)胞與水凝膠材料共培養(yǎng)一段時(shí)間后，由于水凝膠材料毒性的差異從而使不同實(shí)驗(yàn)組的細(xì)胞具有不同的活性。當(dāng)水凝膠中，改性雙硒材料與改性f-127的質(zhì)量比為1:20時(shí)(即實(shí)施例1)，細(xì)胞活性可達(dá)80％以上；當(dāng)改性雙硒材料與改性f-127的質(zhì)量比為1:10時(shí)(即實(shí)施例2)，細(xì)胞活性只有70％以上；并且隨著改性雙硒材料與改性f-127質(zhì)量比的提高，，細(xì)胞活性有所降低。

考慮本發(fā)明中的水凝膠材料的應(yīng)用前景為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，因此細(xì)胞活性是重要的考量標(biāo)準(zhǔn)。所以，改性雙硒材料的安全使用范圍應(yīng)是初始配制改性雙硒材料溶液濃度不高于0.2g/ml，同時(shí)在最終混合材料中，改性雙硒材料與改性f-127的質(zhì)量比為1:(10-20)。

本發(fā)明彈性模量測(cè)試結(jié)果表明，本發(fā)明的水凝膠材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能，且可通過調(diào)節(jié)材料配方對(duì)力學(xué)性能進(jìn)行控制；氧化還原實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，材料成功引入雙硒鍵并具有氧化還原響應(yīng)特性，在藥物控釋領(lǐng)域具有應(yīng)用前景；細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明適當(dāng)配方的材料具有良好的生物相容性。

上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。