具有钙离子络合和氧化还原双重响应的形状记忆水凝胶及其制备方法与流程

本发明涉及一种水凝胶及其制备方法，更具体的说，涉及一种改性含羧基多糖、丙烯酸酯、亲水热塑性高分子的水凝胶及其制备方法，具有钙离子响应形状记忆性能，氧化还原响应形状记忆性能，并且能够实现以上双重的程序性响应以及形状记忆功能。

背景技术：

水凝胶是以水为分散介质，亲水性而又不溶于水的且能够吸收大量水分 (通常含水量大于总质量的50％)具有交联结构的高分子聚合物材料。作为一种新型形状记忆聚合物，形状记忆水凝胶在一定的条件下改变其初始条件并固定后，通过外界条件(如热、电、光、化学感应等)的刺激，又可恢复其初始形状，具有良好的生物相容性，有利于环境保护和可持续发展。因此，形状记忆水凝胶在生物工程、医学、纺织品材料等很多领域具有一定的应用前景。

但是，目前很多形状记忆水凝胶主要采用热诱导，通过结晶或者玻璃化转变来固定临时形状。但在实际应用中，温度过高会导致生物组织产生不可逆的损伤，因此需要开发新的形状记忆触发方式以适应不同领域的需求。

技术实现要素：

本发明目的在于克服热刺激响应水凝胶在生物应用中的不足，提供一种新的制备方法，合成响应条件温和、生物相容性好，具有钙离子络合和氧化还原双重响应的形状记忆水凝胶。

超分子作用具有可逆性、动态性及刺激响应性强的特点，将超分子作用力引进形状记忆水凝胶，可以利用其对环境的刺激响应性和敏感性，在药物控释、组织架构等领域得到广泛的应用。在多种应用中，最重要的就是药物缓释方面的应用。如将不溶于水的药物、大分子药物、疫苗抗原等负载在形状记忆水凝胶中，然后通过调节水凝胶的结构，在一定的时刻、以合适的速度，将所需剂量的药物释放到人体特定器官或靶组织，甚至靶细胞，实现药物的控制释放。与传统的给药系统如片剂、注射剂、胶囊等相比，该给药方式优点在于：可以长时间维持恒定的血药浓度，避免频繁给药产生的血药浓度“峰谷”现象，降低了药物的毒副作用。

本发明水凝胶通过钙离子络合或氧化还原作用实现形状记忆功能；或者是所述水凝胶依次通过钙离子络合和氧化还原作用实现形状记忆功能。也就是该形状记忆水凝胶能在Ca²⁺或氧化剂作用下固定成确定的形状，并能在还原剂或络合剂作用下恢复形状。由于该类水凝胶的双重响应形状记忆响应条件温和，生物相容性好，可应用于在人体内谷胱甘肽(GSH)等复杂环境作用下包覆药物的控制释放的智能化应用，因此该类水凝胶在生物工程等方面具有广阔的应用前景。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

具有钙离子络合和氧化还原双重响应的形状记忆水凝胶，其特征在于，以质量份数计，由6～30份含巯基的多糖、12～30份亲水热塑性高分子、0.12～5 份丙烯酸酯、0.01～0.08份引发剂溶于50～80份水中，通过引发剂引发丙烯酸酯上的不饱和键发生聚合反应，然后对聚合物在-18℃～60℃范围内进行变温处理得到；

所述形状记忆水凝胶中的羧基能和钙离子试剂中的Ca²⁺发生络合作用，固定水凝胶临时形状，在络合剂的作用下螯合出钙离子，使水凝胶恢复到初始形状；

所述形状记忆水凝胶中的巯基能在氧化剂的作用生成双硫键固定水凝胶临时形状，然后在还原剂的作用下还原为巯基，水凝胶恢复到初始形状；

所述形状记忆水凝胶依次在钙离子试剂和氧化剂的作用下固定水凝胶临时形状，然后依次在还原剂和络合剂的作用下恢复成初始形状。

为进一步实现本发明目的，优选地，所述含巯基的多糖是由含羧基多糖和含氨基的巯基小分子溶解在水中，在室温下，含羧基多糖上的羧基和含氨基的巯基小分子的氨基缩合形成酰胺反应得到；以质量份数计，含羧基多糖、含氨基的巯基小分子和水的质量比为10～25：10～40：40～70。

优选地，所述丙烯酸酯为乙二醇二甲基丙烯酸酯和乙二醇二丙烯酸酯中的一种或两种；所述亲水热塑性高分子为聚乙烯醇、琼脂和明胶中的一种或多种。

优选地，所述含羧基多糖为羧甲基纤维素钠、海藻酸钠和黄原胶中的一种或多种。

优选地，所述含氨基的巯基小分子为巯基乙胺盐酸盐、3-巯基-1-丙胺、2- 氨基苯硫酚和4-氨基苯硫酚中的一种或多种。

优选地，所述引发剂为过硫酸铵和过硫酸钾的一种或两种。

优选地，所述钙离子试剂为CaCl2、CaBr2和Ca(NO3)2中的一种或多种。

优选地，所述络合剂为EDTA和Na2CO3中的一种或两种。

优选地，所述氧化剂为H2O2、溴酸钠、溴酸钾和过硼酸钠中的一种或多种；所述还原剂为DTT和半胱氨酸中的一种或两种。

所述的具有钙离子络合和氧化还原双重响应的形状记忆水凝胶的制备方法，其特征在于：将6～30份含巯基的多糖、12～30份亲水热塑性高分子、0.12～5 份丙烯酸酯、0.01～0.08份引发剂溶于50～80份水中，通过引发剂引发丙烯酸酯上的不饱和键发生聚合反应；然后对聚合物在-18℃～60℃范围内进行变温处理，得到具有钙离子络合和氧化还原双重响应的形状记忆水凝胶。

本发明将化学交联与物理交联相结合的方式，利用丙烯酸酯之间的化学交联和亲水热塑性高分子之间形成的氢键维持水凝胶的初始形状，通过含羧基多糖和钙离子之间络合作用以及动态双硫键的可逆性，制备具有钙离子络合和氧化还原双重响应的形状记忆水凝胶。

本发明制备的水凝胶具有良好的生物相容性和双重形状记忆功能，在生物工程、医学等领域具有一定的应用前景。例如，在药物释放领域中，作为药物载体，通过改变条件使其发生形变，从而达到药物定点释放。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1)本发明水凝胶由广泛存在于生命体中的二硫键化合物以及其他具有良好生物相容性的高分子物质构成，具有优异的生物相容性。同时，本水凝胶可以在人体细胞GSH水平下改变形状，控制药物释放，可被用作细胞内靶向可控释放的药物载体；

2)本发明获得的水凝胶响应条件温和，在非热的条件下实现水凝胶的形状记忆功能，避免了温度过高对生物组织产生不可逆的损伤，有利于实际应用；

3)本发明获得的水凝胶能实现双重响应形状记忆，对比单重响应形状记忆，具有更广泛的应用潜能。

附图说明

图1是本发明实施例1中改性海藻酸钠的核磁共振氢谱图。

图2是实施例1的水凝胶的储能模量(G’)和耗散模量(G”)随角频率(ω) 变化的曲线图。

图3是实施例1的水凝胶在钙离子络合作用下实现形状记忆的过程示意图。

图4是实施例1的水凝胶在氧化还原作用下实现形状记忆的过程示意图。

图5是实施例1的水凝胶在钙离子络合作用和氧化还原程序性双重响应形状记忆的过程示意图。

图6是实施例1所得水凝胶照片。

图7是实施例1所得水凝胶性能测试图片。

具体的施工方式

为更好地理解本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

将1g海藻酸钠，4ml水加入圆底烧瓶中，室温下搅拌溶解4h后，加入1.13g 巯基乙胺盐酸盐，氮气排尽烧瓶里的空气，避光条件下搅拌24h，反应得到改性海藻酸钠。图1为核磁共振仪(IBC Bruker Avance 400，德国)测定的改性海藻酸钠的核磁共振氢谱图。溶剂峰的对应位置为4.79ppm，化学位移4ppm 左右的吸收峰为海藻酸钠上氢的吸收峰，化学位移在2.82ppm，2.90ppm处有两个吸收峰，且积分比为1:1，归属于巯基乙胺中亚甲基上氢的吸收峰，说明巯基乙胺成功得接枝到海藻酸钠上。

将0.5g改性海藻酸钠、1g聚乙烯醇、0.01g乙二醇二甲基丙烯酸酯溶解在 6.5ml蒸馏水的血清瓶中，加入130μL苏丹红染色剂，搅拌均匀至无气泡，加入2mg过硫酸铵作为引发剂，引发乙二醇二甲基丙烯酸酯发生聚合反应。混合物在60℃下搅拌30min，冷却至室温。用注射器将水凝胶注入直径1mm，长度8cm的硅胶管内，置于-18℃冰箱内冷冻6h，取出水凝胶置于20℃下解冻，放置1h。如此冷冻-解冻循环4次，制得直径为1mm，吸水溶胀而不溶于水的，具有一定弹性的水凝胶。

采用德国ThermoFisher公司HAAKE MARS III型流变仪测定凝胶的模量，测试区半径为35mm，平板间距为0.5mm，扫描频率范围为0.1～100rad/s。图 2为水凝胶的储能模量(G’)和耗散模量(G”)随角频率(ω)变化的曲线图。可以看出，在整个频率范围内，储能模量G’始终大于耗散模量G”，这表明水凝胶表现出弹性的本质。

对本实施例所得样品做形状记忆测试：

将水凝胶在0.8N外力作用下弯成‘U’形，保持外力不变在2mol/L CaCl2溶液中浸泡5s，撤去外力后水凝胶形状固定，再将‘U’形水凝胶置于2mol/L EDTA溶液中，水凝胶回到直线形。形变过程如图3所示，水凝胶由初始形态固定为‘U’形并最终还原为初始形态，说明该水凝胶具有良好的钙离子响应形状记忆性能。

将水凝胶在0.8N外力作用下弯成直角形，保持外力不变在1mol/L H2O2溶液中浸泡3min，撤去外力后水凝胶形状固定，再将直角形水凝胶置于1mol/L DTT溶液中，水凝胶回到直线形。形变过程如图4所示，水凝胶由初始形态固定为直角形并最终还原为初始形态，说明该水凝胶具有较好的氧化还原响应形状记忆性能。

将水凝胶在0.8N外力作用下弯成‘U’形，保持外力不变在2mol/L CaCl2溶液中浸泡30s，撤去外力后水凝胶形状固定，再将水凝胶的另一处弯成‘U’形，保持外力不变，在1mol/L H2O2溶液中浸泡3min，撤去外力后水凝胶固定为‘S’形，将固定后的水凝胶置于1mol/L DTT溶液中，水凝胶回到‘U’形，再将该水凝胶置于2mol/L EDTA溶液中，水凝胶回到直线形。形变过程如图5 所示，水凝胶由初始形态固定为‘S’形并最终还原为初始形态，说明该水凝胶具有钙离子络合、氧化还原程序性双重响应形状记忆功能。

图6是实施例1所得水凝胶照片。图7是实施例1所得水凝胶性能测试图片。

本发明的水凝胶可用作药物控制释放药物载体。由于人体细胞内GSH水平(约10mmol/L)远高于细胞外(约2mmol/L)，谷胱甘肽(GSH)能通过氧化还原反应使二硫键发生断裂。因此，二硫键能够在细胞外较稳定存在，而一旦进入细胞后会发生断裂。利用此特性，本发明的水凝胶可用做药物载体，在体外包覆药物，通过氧化剂作用，固定成一定形状。人体内GSH作为还原剂，将水凝胶的双硫键还原为硫醇，改变药物载体形状，从而实现药物智能化、可自调式达释放。

实施例2

将2g羧甲基纤维素钠，12ml水加入圆底烧瓶中，室温下搅拌溶解4h后，加入1.25g 3-巯基-1-丙胺，氮气排尽烧瓶里的空气，避光条件下搅拌36h，反应得到改性羧甲基纤维素钠。

将0.5g改性羧甲基纤维素钠、0.5g琼脂、0.01g乙二醇二丙烯酸酯溶解在 7ml蒸馏水的血清瓶中，加入140μL苏丹红染色剂，搅拌均匀至无气泡，加入0.5mg过硫酸铵，作为引发剂，引发乙二醇二丙烯酸酯发生聚合反应。混合物在65℃下搅拌30min，冷却至室温。用注射器将水凝胶注入直径1mm，长度8cm的硅胶管内，制得直径为1mm，吸水溶胀而不溶于水的，具有一定弹性的水凝胶。水凝胶的储能模量(G’)和耗散模量(G”)随角频率(ω)变化的曲线与附图2类似。对本实施例所得样品做形状记忆测试：

将水凝胶在1.5N外力作用下弯成‘U’形，保持外力不变在1mol/L CaBr2溶液中浸泡5s，撤去外力后水凝胶形状固定，再将‘U’形水凝胶置于1mol/L Na2CO3溶液中，水凝胶回到直线形。形变过程与实施例1附图3类似。

将水凝胶在1.5N外力作用下弯成直角形，保持外力不变在2.2mol/L溴酸钠溶液中浸泡3min，撤去外力后水凝胶形状固定，再将直角形水凝胶置于 1mol/L DTT溶液中，水凝胶回到直线形。形变过程与实施例1附图4类似。

将水凝胶在1.5N外力作用下弯成‘U’形，保持外力不变在1mol/L CaBr2溶液中浸泡30s，撤去外力后水凝胶形状固定，再将水凝胶的另一处弯成‘U’形，保持外力不变，在1mol/L溴酸钠溶液中浸泡3min，撤去外力后水凝胶固定为‘S’形，将固定后的水凝胶置于1mol/L DTT溶液中，水凝胶回到‘U’形，再将该水凝胶置于2mol/L Na2CO3溶液中，水凝胶回到直线形。形变过程与实施例1附图5类似。本实施的应用前景与实施例1类似。

实施例3

将4g海藻酸钠，15ml水加入圆底烧瓶中，室温下搅拌溶解4h后，加入 1.65g 2-氨基苯硫酚，氮气排尽烧瓶里的空气，避光条件下搅拌36h，反应得到改性海藻酸钠。

将1g改性海藻酸钠、1.5g聚乙烯醇、0.02g乙二醇二甲基丙烯酸酯溶解在 10ml蒸馏水的血清瓶中，加入200μL苏丹红染色剂，搅拌均匀至无气泡，加入1.5mg过硫酸铵，作为引发剂，引发乙二醇二甲基丙烯酸酯发生聚合反应。混合物在85℃下搅拌30min，冷却至室温。用注射器将水凝胶注入直径1mm，长度8cm的硅胶管内，置于-18℃冰箱内冷冻6h，取出水凝胶置于30℃下解冻，放置6h。如此冷冻-解冻循环5次，制得直径为1mm，吸水溶胀而不溶于水的，具有一定弹性的水凝胶。水凝胶的储能模量(G’)和耗散模量(G”)随角频率(ω) 变化的曲线与附图3类似。对本实施例所得样品做形状记忆测试：

将水凝胶在0.7N外力作用下弯成‘U’形，保持外力不变在3mol/L CaCl2溶液中浸泡5s，撤去外力后水凝胶形状固定，再将‘U’形水凝胶置于1mol/L EDTA溶液中，水凝胶回到直线形。形变过程与实施例1附图3类似。

将水凝胶在0.7N外力作用下弯成直角形，保持外力不变在2.2mol/L溴酸钾溶液中浸泡3min，撤去外力后水凝胶形状固定，再将直角形水凝胶置于 1mol/L半胱氨酸溶液中，水凝胶回到直线形。形变过程与实施例1附图4类似。

将水凝胶在0.7N外力作用下弯成‘U’形，保持外力不变在1mol/L CaCl2溶液中浸泡30s，撤去外力后水凝胶形状固定，再将水凝胶的另一处弯成‘U’形，保持外力不变，在2mol/L溴酸钾溶液中浸泡3min，撤去外力后水凝胶固定为‘S’形，将固定后的水凝胶置于1mol/L半胱氨酸溶液中，水凝胶回到‘U’形，再将该水凝胶置于2mol/L EDTA溶液中，水凝胶回到直线形。形变过程与实施例1附图5类似。本实施的应用前景与实施例1类似。

实施例4

将1g海藻酸钠，7ml水加入圆底烧瓶中，室温下搅拌溶解4h后，加入0. 5256g 2-氨基苯硫酚，氮气排尽烧瓶里的空气，避光条件下搅拌24h，反应得到改性海藻酸钠。

将0.5g改性海藻酸钠、1g聚乙烯醇、0.01g乙二醇二丙烯酸酯溶解在8ml 蒸馏水的血清瓶中，加入160μL苏丹红染色剂，搅拌均匀至无气泡，加入1mg 过硫酸铵，作为引发剂，引发乙二醇二丙烯酸酯发生聚合反应。混合物在60℃下搅拌30min，冷却至室温。用注射器将水凝胶注入直径1mm，长度8cm的硅胶管内，置于-18℃冰箱内冷冻6h，取出水凝胶置于20℃下解冻，放置1h。如此冷冻-解冻循环4次，制得直径为1mm，吸水溶胀而不溶于水的，具有一定弹性的水凝胶。水凝胶的储能模量(G’)和耗散模量(G”)随角频率(ω)变化的曲线与附图2类似。对本实施例所得样品做形状记忆测试：

将水凝胶在2.5N外力作用下弯成‘U’形，保持外力不变在1mol/L Ca(NO3)2溶液中浸泡5s，撤去外力后水凝胶形状固定，再将‘U’形水凝胶置于2.2mol/L EDTA溶液中，水凝胶回到直线形。形变过程与实施例1附图3 类似。

将水凝胶在2.5N外力作用下弯成直角形，保持外力不变在1mol/L过硼酸钠溶液中浸泡3min，撤去外力后水凝胶形状固定，再将直角形水凝胶置于1mol/L DTT溶液中，水凝胶回到直线形。形变过程与实施例1附图4类似。

将水凝胶在2.5N外力作用下弯成‘U’形，保持外力不变在2mol/L Ca(NO3)2溶液中浸泡30s，撤去外力后水凝胶形状固定，再将水凝胶的另一处弯成‘U’形，保持外力不变，在1mol/L过硼酸钠溶液中浸泡3min，撤去外力后水凝胶固定为‘S’形，将固定后的水凝胶置于1mol/L DTT溶液中，水凝胶回到‘U’形，再将该水凝胶置于2mol/L EDTA溶液中，水凝胶回到直线形。形变过程与实施例1附图5类似。本实施的应用前景与实施例1类似。

实施例5

将2g黄原胶，10ml水加入圆底烧瓶中，室温下搅拌溶解4h后，加入1.12g 4-氨基苯硫酚，氮气排尽烧瓶里的空气，避光条件下搅拌36h，反应得到改性黄原胶。

将0.5g改性黄原胶、0.8g琼脂、0.02g乙二醇二甲基丙烯酸酯溶解在6ml 蒸馏水的血清瓶中，加入120μL苏丹红染色剂，搅拌均匀至无气泡，加入1mg 过硫酸铵，作为引发剂，引发乙二醇二甲基丙烯酸酯发生聚合反应。混合物在 65℃下搅拌30min，冷却至室温。用注射器将水凝胶注入直径1mm，长度8cm 的硅胶管内，制得直径为1mm，吸水溶胀而不溶于水的，具有一定弹性的水凝胶。水凝胶的储能模量(G’)和耗散模量(G”)随角频率(ω)变化的曲线与附图2类似。对本实施例所得样品做形状记忆测试：

将水凝胶在1.5N外力作用下弯成‘U’形，保持外力不变在1mol/L CaCl2溶液中浸泡5s，撤去外力后水凝胶形状固定，再将‘U’形水凝胶置于1mol/L Na2CO3溶液中，水凝胶回到直线形。形变过程与实施例1附图3类似。

将水凝胶在1.5N外力作用下弯成直角形，保持外力不变在2.2mol/L溴酸钠中浸泡3min，撤去外力后水凝胶形状固定，再将直角形水凝胶置于1mol/L DTT溶液中，水凝胶回到直线形。形变过程与实施例1附图4类似。

将水凝胶在1.5N外力作用下弯成‘U’形，保持外力不变在1mol/L CaCl2溶液中浸泡30s，撤去外力后水凝胶形状固定，再将水凝胶的另一处弯成‘U’形，保持外力不变，在1mol/L溴酸钠中浸泡3min，撤去外力后水凝胶固定为‘S’形，将固定后的水凝胶置于1mol/L DTT溶液中，水凝胶回到‘U’形，再将该水凝胶置于2mol/L Na2CO3溶液中，水凝胶回到直线形。形变过程与实施例1附图5类似。本实施的应用前景与实施例1类似。

实施例6

将3.5g海藻酸钠，20ml水加入圆底烧瓶中，室温下搅拌溶解4h后，加入 2.12g 2-氨基苯硫酚，氮气排尽烧瓶里的空气，避光条件下搅拌36h，反应得到改性海藻酸钠。

将1g改性海藻酸钠、1.45g聚乙烯醇、0.01g乙二醇二丙烯酸酯溶解在10ml 蒸馏水的血清瓶中，加入200μL苏丹红染色剂，搅拌均匀至无气泡，加入1.5 mg过硫酸铵，作为引发剂，引发乙二醇二丙烯酸酯发生聚合反应。混合物在 85℃下搅拌30min，冷却至室温。用注射器将水凝胶注入直径1mm，长度8cm 的硅胶管内，置于-18℃冰箱内冷冻6h，取出水凝胶置于28℃下解冻，放置6h。如此冷冻-解冻循环5次，制得直径为1mm，吸水溶胀而不溶于水的，具有一定弹性的水凝胶。水凝胶的储能模量(G’)和耗散模量(G”)随角频率(ω)变化的曲线与附图2类似。对本实施例所得样品做形状记忆测试：

将水凝胶在1N外力作用下弯成‘U’形，保持外力不变在3mol/L Ca(NO3)2溶液中浸泡5s，撤去外力后水凝胶形状固定，再将‘U’形水凝胶置于1mol/L EDTA溶液中，水凝胶回到直线形。形变过程与实施例1附图3类似。

将水凝胶在1N外力作用下弯成直角形，保持外力不变在1.2mol/L溴酸钾溶液中浸泡3min，撤去外力后水凝胶形状固定，再将直角形水凝胶置于1mol/L 半胱氨酸溶液中，水凝胶回到直线形。形变过程与实施例1附图4类似。

将水凝胶在1N外力作用下弯成‘U’形，保持外力不变在1mol/L Ca(NO3)2溶液中浸泡30s，撤去外力后水凝胶形状固定，再将水凝胶的另一处弯成‘U’形，保持外力不变，在1.2mol/L溴酸钾溶液中浸泡3min，撤去外力后水凝胶固定为‘S’形，将固定后的水凝胶置于1mol/L半胱氨酸溶液中，水凝胶回到‘U’形，再将该水凝胶置于2mol/L EDTA溶液中，水凝胶回到直线形。形变过程与实施例1附图5类似。本实施的应用前景与实施例1类似。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。