一种用作骨修复材料的自矿化温度敏感水凝胶及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001] 本发明属于高分子功能材料领域，具体涉及一种可用于骨修复的自矿化温度敏感 水凝胶。
【背景技术】
[0002] 水凝胶是水溶胀的聚合物网络，在涂层、化妆品、药物递送、组织工程和传感等领 域广泛应用。刺激相应嵌段共聚物是制备溶液/凝胶（sol-gel)转换形成水凝胶的主 要途径，最常见的是刺激相应嵌段-亲水嵌段-刺激相应嵌段组成的ABA型三嵌段共聚 物。《JournaloftheAmericanChemicalSociety》杂志 2012 年 7 月 13 日发表的文章 "EfficientFormationofMulticompartmentHydrogelsbyStepwiseSelf-Assembly ofThermoresponsiveABCTriblockTerpolymers" 指出线型ABA型结构的分子容易形成 分子环（"loop"）构象，所形成的凝胶力学性能较差，应用前景不佳。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种基于磷酸化星型嵌段共聚物的自矿化温度敏感水凝 胶骨修复材料，一方面克服了ABA线型嵌段共聚物水凝胶力学性能差的缺点，另一方面加 速骨修复材料诱导成骨过程。
[0004] 具体地说，本发明是通过如下技术方案实现的：
[0005] -种用作骨修复材料的自矿化温度敏感水凝胶，由水溶液中的磷酸化星型嵌段共 聚物发生物理性交联形成，所述聚合物以磷酸化的亲水聚合物嵌段为内段，温度敏感聚合 物嵌段为外段，构成由中心发散的内外层的星型分子结构。
[0006] 上述结构的水凝胶，由于形成了星型结构，所有臂往外伸展，容易和周边的其他星 型分子形成物理缠结，所形成的凝胶力学性能更好。
[0007]同时，上述的水凝胶在结构基团上采用了磷酸化的亲水聚合物嵌段，其在体液和 人体环境中可以有效吸收矿物离子形成羟基磷灰石，促进骨的形成和修复，具有广泛的医 学用途。
[0008] 本发明水凝胶所用的聚合物，由4个臂组成中心向外发散的4臂星型聚合物的分 子结构。
[0009] 作为一种具体的工艺实现，本发明公开了一种典型可用的4臂星型聚合物，
[0010] 其基本结构单元如下结构式所示
[0011] 由于本发明水凝胶基本结构单元的结构特性，本发明还公开了所述自矿化温度敏 感水凝胶在骨修复中的应用，具体的应用形式包括两种，一种是作为药物或辅助药物制剂 加入在体液中浸泡形成磷灰石矿物；另一种是作为辅料，通过悬浮间充质干细胞形成负载 细胞的凝胶支架。
[0012] 上述的第一种用途有助于骨损伤的修复，第二种用途则使得细胞在材料上具有正 常的黏附和增殖行为，可用于任何所需的医学应用。
【附图说明】
[0013] 图1是本发明所述星型嵌段共聚物Star-PAA(PEA)-PNIPAM的流变性质。弹性模 量G'和损耗模量G"随温度变化曲线，Star-PAA(PEA)-PNIPAM浓度分别为0. 5, 1. 0, 1. 5和 2.Owt% 〇
[0014] 图2是Star-PAA(PEA)-PNIPAM凝胶在模拟体液SBF浸泡8周（b)和未浸泡（a) 的扫描电镜图片（标尺l〇〇ym)。左上角为放大图，标尺500nm。
[0015] 图3是Star-PAA(PEA) -PNIPAM水凝胶矿化前后和羟基磷灰石粉末的XRD。
[0016] 图4是CCK-8测定BMSCs在凝胶内增殖，以比孔板表面为对照。
[0017] 图5是SD大鼠背部注射Star-PAA(PEA) -PNIPAM溶液一周剃毛后照片（a)和表皮 切开后照片（be)。凝胶被皮下组织包裹。
[0018]图6为大鼠皮下注射后一周（abc)、四周（def)和八周（ghi)后组织样品的H&E染 色图片。adg为凝胶和周边组织（X40)，beh为凝胶与纤维膜界面处（X100)，cfi为凝胶 内部（X400)。
【具体实施方式】
[0019] 为了说明本发明技术方案的具体实现，以4臂星型聚合物为例，本发明公开了其 具体的制备工艺和应用效果。
[0020] 在下述制备过程中，各成分的用量和反应时间选择旨在实现反应效率的最优化， 降低原料浪费，本领域技术人员可以理解，如下所示反应条件并非限制性的，更改各成分的 用量和反应条件同样能保证本发明反应的顺利进行，只是产率略有变化。
[0021] 本发明的水凝胶所采用的聚合物是采用原子转移自由基聚合方法得到星型嵌段 共聚物，其化学反应原理为通过制备星型多官能的引发剂，先引发亲水单体或可转化成亲 水的单体聚合得到大分子引发剂，后引发温度敏感单体聚合得到星型嵌段共聚物，最后进 行磷酸化改性内段。
[0022] 所称的4臂星型聚合物，化学结构如下所示：
[0023]
[0024] 上述聚合物的合成过程详述如下：
[0025] (1)多官能的星型引发剂的合成
[0026] 以四官能引发剂4Br的合成为例，季戊四醇（lg，7. 34mmol)和无水三乙胺（7. 5mL， 53. 96mmol)加入到无水15mL四氢咲喃中，于冰水浴中搅拌溶解。取2-溴-2-甲基丙酰溴 BiBB(5. 95mL，48. 14mmol)溶解于15mL四氢呋喃中，逐滴加入，立即形成大量白色絮状物。 滴加完毕后，加入4-二甲氨基吡啶（5mg，0. (Mlmmol)，并转移到室温反应24h。反应接受后 过滤去除白色针状沉淀，滤液蒸干，加入适量N，N-二甲基甲酰胺溶解，转移到透析袋（MffCO =8000-14000)中透析两天，过滤析出的白色沉淀，冻干，得到5. 21g，产率97%。
[0027] 上述化学反应过程如下化学反应式I所涵盖：
[0028]
[0029] (2)大分子引发剂的合成
[0030] 四双官能引发剂48414.61^，0.02臟〇1)、溶剂苯甲醚（2.781^，40%(^七8厶）、配 体N，N，N'，N"，N"_五甲基二亚乙基三胺PMDETA(33yL，0. 16mmol)和单体丙烯酸叔丁酯 tBA(6. 96mL，48mmol)加入到带三通阀门的茄形反应瓶中，搅拌溶解，移入-20°C低温反应 槽中。用水栗（真空度〇.〇9MPa)将反应瓶抽真空，随后充入氮气，重复3次，接着以针头将 氮气通入液面下，鼓泡20min。逆着氮气流，加入新制CuBr(23mg，0. 16mmol)，并将反应瓶密 封。移入65°C油浴中反应24h。加入亚铜后，溶液从无色变成亮绿色，随着反应逐渐加深。
[0031] 反应完成后，加入四氢呋喃终止反应，敞口搅拌过夜。得到的溶液过Al2O3柱去除 催化剂，并旋蒸浓缩。浓缩液滴入甲醇/水（l:lv/V)的混合沉淀剂，得到白色发粘固体，干 燥后收得白色固体4. 0g，即Star-PtBA-Br。
[0032] 上述化学反应过程如下化学反应式II所涵盖：
[0033]
[0034]⑶共聚物Star-PtBA-PNIPAM的合成
[0035]带三通阀门的茄形反应瓶中，大分子引发剂Star-PtBA-Br(lg，0.005mmol)，第二 单体^异丙基丙烯酰胺见?411(4.568,40臟〇1)，配体三（2-二甲氨基乙基）胺_6了1^， 99% )Me6TREN(109yL，0. 4mmol)溶解于7. 6mL溶剂N，N-二甲基丙烯酰胺中，移入-20°C低 温反应槽中。用水栗（真空度〇.〇9MPa)将反应瓶抽真空，随后充入氮气，重复3次，接着以 针头将氮气通入液面下，鼓泡20min。逆着氮气流，加入新制CuCl(40mg，40mmol)，并将反应 瓶密封。移入35°C油浴中反应48h。
[0036] 加入DMF终止聚合，敞口搅拌过夜。得到的溶液移入透析袋中（MffCO = 8000-14000)，袋内加入适量水稀释溶液，透析三天，除去杂质。样品冻干收得2g。<