锌离子响应高强度水凝胶管及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种具有抗菌和抗炎症功能的锌离子响应的多功能高强度多臂水凝 胶管的制备，具体为一种2-乙烯基-4, 6-二氨基-1，3, 5-三嗪-咪唑共聚物（PVDT-VI)水 水凝胶的制备方法和应用，该水水凝胶能够通过锌离子和咪唑的络合作用固定成多臂水凝 胶管，并且具有抗菌和抗炎症的效果。
【背景技术】
[0002] 高分子水水凝胶由于具有与组织某些相似的性能及良好的生物相容性，在生物医 用领域得到了广泛的研究，然而力学性能的缺陷往往阻碍了他们的实际应用。数年来，针对 水凝胶力学性能差这一问题，很多研究者贡献了许多增强方法，几个具有代表性的是双网 络水凝胶，纳米复合水水凝胶，高分子微球复合水水凝胶，氢键或者是偶极增强水水凝胶， 滑环水水凝胶，四臂聚乙二醇水水凝胶。但是这些方法仅仅赋予水凝胶良好的力学性能，其 在生物领域的应用仍面临着许多问题。近年来，利用三嗪之间的三重氢键作用制备了一系 列的高强水水凝胶，在大幅提升水凝胶力学性能的同时，还可以实现水凝胶表面介导的反 向转染，光致细胞无损脱附，离子刺激细胞无损脱附等生物功能。但是作为外体移植物，其 还缺乏抗菌效果。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种以2-乙烯基-4, 6-二氨基-1，3, 5-三嗪为主体的水 水凝胶，具体为2-乙烯基-4, 6-二氨基-1，3, 5-三嗪、咪唑共聚物（PVDT-co-VI)，该共聚物 除表现出水水凝胶的固有特性，在低浓度的锌离子的作用下可以固定成多臂管的形状，较 之相同尺寸的水凝胶柱子具有更高的弯曲强度和压缩强度，同时还具有抗菌和抗炎症的效 果。
[0004] 本发明的目的通过下述技术方案予以实现：
[0005] 锌离子响应高强度水凝胶管，其中水凝胶由2-乙烯基-4, 6-二氨基-1，3, 5-三 嗪、咪唑和交联剂通过自由基聚合共聚而成，所述交联剂分子的分子链两端带有碳碳双键、 分子链中间为聚乙二醇分子的主链结构，即（CH2CH2O)n。在制备水凝胶之后，将水凝胶卷成 多壁管形状，即将水凝胶卷成具有多层筒壁的圆筒结构。
[0006] 在圆筒结构中，自上而下的圆筒高度为18-25mm，水凝胶形成多个同心圆筒壁，最 内层形成空芯结构，最外层形成圆筒的外壁结构，由内向外由水凝胶形成层状的多个同心 圆筒壁，空芯结构的直径为0. 5 - 1. 5_，外壁结构的直径为8 -12_，同心圆筒壁的厚度为 0. 1-0. 5mm〇
[0007] 在上述结构中优选，自上而下的圆筒高度为20-25mm，空芯结构的直径为0. 8- 1mm，外壁结构的直径为8 -10mm，同心圆筒壁的厚度为0? 1-0? 2mm。
[0008] 制备本发明水水凝胶管的方法，按照下述步骤进行：
[0009] 将2-乙烯基-4, 6-二氨基-1，3, 5-三嗪、咪唑、交联剂和引发剂溶解在溶剂中，通 过引发剂引发2-乙烯基-4, 6-二氨基-1，3, 5-三嗪、咪唑和交联剂分子上的不饱和键，在 绝氧的条件下通过自由基聚合反应制备出具有锌离子响应性高强度水水凝胶；然后将水凝 胶卷成多壁管形状后，将整个水凝胶管浸泡在硫酸锌的水溶液中，以通过锌离子和咪唑的 络合作用固定多壁管形状。
[0010] 在本发明的技术方案中，以2-乙烯基-4, 6-二氨基-1，3, 5-三嗪和咪唑作为 共聚单体，以交联剂交联共聚单体，交联剂分子的分子链两端带有双键、分子链中间为 "氧-碳-碳-氧"单键相连的骨架结构（即聚乙二醇分子的主链结构，（CH2CH2O)n),采用 热源或者光源使引发剂提供自由基，再由自由基引发2-乙烯基-4, 6-二氨基-1，3, 5-三 嗪、咪唑和交联剂中的双键，使三者几乎同时引发，发生聚合反应，最终制备的水水凝胶材 料中，具有聚2-乙烯基-4, 6-二氨基-1，3, 5-三嗪、聚咪唑和交联剂三种物质的链段，其中 2-乙烯基-4, 6-二氨基-1，3, 5-三嗪提供骨架中的力学性能，咪唑提供锌离子响应性，交联 剂中的聚乙二醇结构提供柔性链段，上述三部分协同作用，使整个水水凝胶材料体现出高 强度，抗菌和抗炎症的效果。所述交联剂为聚乙二醇二丙烯酸酯，数均分子量4000-6000。
[0011] 利用引发剂提供的自由基引发2-乙烯基-4, 6-二氨基-1，3, 5-三嗪、咪唑和交 联剂发生反应。其中引发剂可以选择高分子聚合领域中常用的热引发剂，如偶氮二异丁 腈（ABIN)、过氧化苯甲酰（BP0)，或者光引发剂，如1-[4-(2_羟乙氧基）-亚苯基]-2-羟 基-2'，2'-二甲基乙酮（Irgacure2959)、甲基乙烯基酮、安息香。如果选择热引发剂， 则需要首先利用惰性气体（如氮气、氩气或者氦气）排除反应体系中的氧，以避免其的阻聚 作用，然后根据引发剂的活性和用量，将反应体系加热到所用引发剂的引发温度之上并保 持相当长的时间，如Ih以上或者更长（l_5h)，以促使引发剂能够长时间产生足够多的自由 基，引发反应体系持续发生自由基聚合反应，最终制备本发明的水水凝胶。如果选择光引发 剂，则可以选用透明密闭的反应容器，在紫外光照射的条件下引发自由基聚合，由于光引 发效率高于热引发，因根据所选引发剂的活性和用量调整照射时间时，照射时间可短于热 引发的加热时间，如20分钟或者更长（30min-lh)。
[0012] 在本发明的技术方案中，应当根据2-乙烯基-4, 6-二氨基-1，3, 5-三嗪、咪唑选 择使用的引发剂、交联剂的溶解性，选择能够完全溶解上述四种物质或者能够与上述四种 物质完全互溶的溶剂，以混合均匀反应体系。由于2-乙烯基-4, 6-二氨基-1，3, 5-三嗪、 咪唑有极性，引发剂和交联剂也要能够溶解在极性溶剂中，因此可选择有机溶剂中的极性 溶剂，如二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、四氢呋喃、二甲基亚砜。
[0013] 在制备方案中，单体2-乙烯基-4, 6-二氨基-1，3, 5-三嗪、咪唑的质量比为 (4-1. 5) :1，交联剂质量占两种单体质量和的30%，引发剂的质量为单体与交联剂总质量 的3%。在反应结束后，从反应容器中取出共聚物，去除未参加反应的单体、引发剂、交联剂 和溶剂后，浸泡在去离子水中中直至达到溶胀平衡（如浸泡7天，每隔12h更换一次水，达 到溶胀平衡）。然后将所得水凝胶卷成多臂管的形状，浸泡在5 -IOmM的ZnS(VK溶液中 20- 24小时固定形状。
[0014] 本发明提供的一种高强度PVDT-C0-PVI多臂水凝胶管是以2-乙烯基-4, 6-二 氨基-1，3, 5-三嗪和咪唑为原料，在交联剂和引发剂存在下共聚制成，实现2-乙烯 基-4, 6-二氨基-1，3, 5-三嗪增强作用，由咪唑和锌离子的络合固定作用所制备的多臂水 凝胶管具有很强的抗弯曲和抗压缩能力的同时兼具抗菌和抗炎症的效果。产品制备方法简 单，产品易于长期保存和长途运输。
【附图说明】
[0015] 图1是本发明水凝胶在5mM的ZnSO4水溶液中固定成多臂管形状的实物图。
[0016] 图2是本发明水凝胶及其原料的红外光谱图，其中A是交联剂聚乙二醇二丙烯酸 酯所形成的凝胶，B是单体2-乙烯基-4, 6-二氨基-1，3, 5-三嗪和交联剂聚乙二醇二丙烯 酸酯所形成的凝胶，C是单体乙烯基咪唑和交联剂聚乙二醇二丙烯酸酯所形成的凝胶，D是 单体2-乙烯基-4, 6-二氨基-1，3, 5-三嗪，乙烯基咪唑和交联剂聚乙二醇二丙烯酸酯所形 成的凝胶。
[0017] 图3是本发明水凝胶的俯视图，其中a为外壁结构的直径，b为空芯结构的直径，c 为同心圆筒壁的厚度。
[0018] 图4是本发明水凝胶的正视图，其中a为外壁结构的直径，d为圆筒高度。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
[0020] 将单体 2-乙烯基-4, 6-二氨基-1，3, 5-三嗪（98mg，TokyoKaseiKogyo)，咪 P坐（42,约42yl，sigma)，和交联剂聚乙二醇二丙稀酸酯（25mg，数均分子量4000，sigma) 加入到1.5ml离心管中，用750yl的二甲基亚砜（DMSO)溶解单体和交联剂后，加入光 引发剂Irgacure2959(5mg，l-[4-(2-羟乙氧基）-亚苯基]-2-羟基-2'，2'-二甲基 乙酮，sigma)。将含有单体，交联剂和引发剂的溶剂注入密闭模具中，模具在紫外固化箱 (XL-1000UV，SpectronicsCorporation)中照射30min，以充分引发自由基聚合。随后打开 模具取出水凝胶，用去离子水反复冲洗数次，并浸泡7天，每隔12h更换上述去离子水。然 后将所得水凝胶卷成多臂管的形状，浸泡在5mM的ZnSO4溶液中24小时固定形状后，产品 如附图1所示。
[0021] 使用红外光谱对原料和产物进行表征，如附图2所示，A是交联剂聚乙二醇二丙烯 酸酯所形成的凝胶，B是单体2-乙烯基-4, 6-二氨基-1，3, 5-三嗪和交联剂聚乙二醇二丙 烯酸酯所形成的凝胶，C是单体乙烯基咪唑和交联剂聚乙二醇二丙烯酸酯所形成的凝胶，D 是单体2-乙烯基-4, 6-二氨基-1，3, 5-三嗪，乙烯基咪唑和交联剂聚乙二醇二丙烯酸酯所 形成的凝胶。A中2877,1736,1461和IlOOcm1处分别是聚乙二醇二丙烯酸酯中CH2，C= 0 和C-O-C的振动峰。B中3299和1631cm1处是2-乙烯基-4, 6-二氨基-1，3, 5-三嗪中NH2 所形成氢键的振动峰。C中3100cm1处是乙烯基咪唑中咪唑的特征峰。上述所有特征峰均 在D中出现，说明凝胶的成功合成。