聚合物混合介孔二氧化硅的葡萄糖响应材料及其制备方法

本发明专利属于高分子材料技术领域的一种响应材料，具体涉及一种聚合物混合介孔二氧化硅的葡萄糖响应材料及其制备方法。

背景技术：

糖尿病是一种以高血糖为特征的疾病，据国际糖尿病联盟统计，截至2019年，世界上约有4.63亿糖尿病患者，平均来说，每11个成年人当中就有一个糖尿病患者。糖尿病难以根治，现如今主流的治疗是通过持续的外部输入胰岛素控制血糖浓度从而减小糖尿病对患者健康造成的影响。其中，频繁定期注射胰岛素的方法最为常用，但这种注射的方式不仅容易造成感染、组织损伤和神经损伤等，也使得患者不愿意接受治疗；同时，注射胰岛素需要更准确的控制剂量，否则可能造成低血糖的危险。

近年来，葡萄糖响应的胰岛素释放体系取得了较大进展。该体系由于具有葡萄糖响应性，模仿人胰岛的工作方式，能够随着血糖浓度的变化自动的调整胰岛素的释放量，有望有效地预防低血糖的发生率并减少注射的次数。当然，此类胰岛素控释系统也存在一些问题，如在生理ph下往往难以实现胰岛素的正常释放，材料的生物相容性与安全性等。

技术实现要素：

本发明提供了一种聚合物混合介孔二氧化硅的葡萄糖响应材料，该材料具有葡萄糖响应性能，在不同的葡萄糖浓度下具有不同的胰岛素释放速率，采用了pka较低的3-氟-4羧基苯硼酸，使其在生理ph下可行。

本发明采用生物相容性良好的介孔二氧化硅作为胰岛素载体，具有良好的载药能力，采用将高分子包覆于负载有胰岛素的介孔二氧化硅表面的方法，使其具有葡萄糖响应能力。

本发明由以下技术方案实现：

一、一种聚合物混合介孔二氧化硅的葡萄糖响应材料

所述的葡萄糖响应材料主要由聚合物和苯硼酸修饰的介孔二氧化硅混合制得。

所述的聚合物为带有二羟基和疏水基的高分子化合物。

所述的疏水基为烃基。

所述的介孔二氧化硅含有内孔结构，介孔二氧化硅表面修饰有氨基和苯硼酸基团，介孔二氧化硅中负载有胰岛素。

所述的苯硼酸为3-氟-4-羧基苯硼酸。

所述的介孔二氧化硅的孔径在2nm-50nm。

二、一种聚合物混合介孔二氧化硅的葡萄糖响应材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)先向十六烷基三甲基溴化铵的水溶液中加入三甲苯和氢氧化钠溶液，再加入正硅酸乙酯于80℃反应4h反应得到悬浊液a，将悬浊液a依次经离心、洗涤、冷冻干燥和煅烧后得到介孔二氧化硅固体；

2)将介孔二氧化硅固体超声分散于3-氨丙基三乙氧基硅烷的甲苯溶液中于110℃反应12h，得到悬浊液b，将悬浊液b依次经离心、洗涤和冷冻干燥后得到氨基化的介孔二氧化硅固体；

3)将氨基化的介孔二氧化硅固体分散于经1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐和n-羟基琥珀酰亚胺活化30min的3-氟-4-羧基苯硼酸的溶液中，常温反应4h，得到悬浊液c，将悬浊液c依次经离心、洗涤和冷冻干燥得到苯硼酸修饰的介孔二氧化硅固体；

4)向过硫酸盐水溶液中加入n-丙烯酰胺基葡萄糖与n-异丙基丙烯酰胺得到混合溶液，向混合溶液中通入氮气除氧，然后于60℃～80℃下反应5h反应得到无色透明溶液，再将无色透明溶液用丙酮沉淀，最后将沉淀洗涤和冷冻干燥后得到聚(n-异丙基丙烯酰胺-co-n-丙烯酰胺基葡萄糖)；

5)将苯硼酸修饰的介孔二氧化硅固体与胰岛素溶液混合后，常温搅拌24h后，再加入聚(n-异丙基丙烯酰胺-co-n-丙烯酰胺基葡萄糖)继续搅拌12h，得到混合物，将混合物离心洗涤后得到聚合物混合介孔二氧化硅的葡萄糖响应材料。

所述步骤4)中，n-丙烯酰胺基葡萄糖与n-异丙基丙烯酰胺的摩尔比为(1:10)-(1:1)。

所述步骤5)中，苯硼酸修饰的介孔二氧化硅固体与聚(n-异丙基丙烯酰胺-co-n-丙烯酰胺基葡萄糖)的质量比为(1:1)-(5:1)。

本发明的有益效果：

本发明材料的血液相容性良好，在溶血实验中几乎没有溶血现象发生；本发明材料能够达到14.7％的负载率和85.9％的包封率；本发明材料的葡萄糖响应性能良好，在生理ph的环境下，材料在不同浓度的葡萄糖溶液中胰岛素的累积释药量表现出了明显的差别；

本发明材料通过在聚合物中引入疏水基，使得原本没有葡萄糖响应性能的材料产生良好的葡萄糖响应释药性能。

附图说明

图1为本发明实施例1的ms-fcpba的溶血测试图；

图2为本发明实施例1在不同糖浓度下的胰岛素累积释放曲线图；

图3为本发明实施例2在不同糖浓度下的胰岛素累积释放曲线图；

图4为对比例1在不同糖浓度下的胰岛素累积释放曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做更详尽的说明，但本发明不局限于此，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

实施例1：

将0.5g十六烷基三甲基溴化铵(ctab)溶解于240ml水中并连续搅拌，然后滴加浓度为1mol/l的naoh水溶液3.5ml和3.5ml三甲苯溶液，剧烈搅拌并升温至80℃保持30min后，再加入2.5ml正硅酸乙酯(teos)于80℃并继续反应4h，随后，在4000rpm的离心速度下离心10min得到白色沉淀，用水洗涤3遍白色沉淀后冷冻干燥24h，再将于600℃下煅烧6h得到介孔二氧化硅固体。

38μl3-氨丙基三乙氧基硅烷(aptes)溶于20ml无水甲苯中得到3-氨丙基三乙氧基硅烷的甲苯溶液，将50mg介孔二氧化硅固体超声分散在3-氨丙基三乙氧基硅烷的甲苯溶液中，并在110℃下回流反应12h，离心得到白色沉淀，用水洗涤三遍后冷冻干燥24h，得到氨基化的介孔二氧化硅。

将100mg氨基化的介孔二氧化硅超声分散在40ml二甲基亚砜(dmso)中得到氨基化介孔二氧化硅的分散体系，然后称取3-氟-4-羧基苯硼酸(fcpba)66.2mg，1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐(edc·hcl)276.0mg和n-羟基琥珀酰亚胺(nhs)82.9mg溶解于10mldmso中，搅拌活化30min得到经1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐和n-羟基琥珀酰亚胺活化的3-氟-4-羧基苯硼酸的溶液，接着将经1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐和n-羟基琥珀酰亚胺活化的3-氟-4-羧基苯硼酸的溶液缓慢滴加到氨基化的介孔二氧化硅的分散体系中，常温继续反应4h得到反应液，将反应液离心得到白色沉淀，将白色沉淀用水洗涤三遍后冷冻干燥24h，得到苯硼酸修饰的介孔二氧化硅(ms-fcpba)。

称取45.6mg过硫酸铵(aps)溶于10ml水中，取1mlaps溶液用水稀释至10ml，分别称取77.7mgn-丙烯酰氨基葡萄糖(aga)和75.5mgn-异丙基丙烯酰胺(nipam)溶于aps溶液中，待溶解完全后通氮气除氧5min后，于70℃下反应5h，得到无色透明溶液，将无色透明溶液滴入100ml丙酮中后以离心速率4000rpm进行离心10min，然后倒去上清液得到沉淀，将沉淀经真空干燥24h得到淡黄色固体即为聚(n-异丙基丙烯酰胺-co-n-丙烯酰胺基葡萄糖)(p(aga-co-nipam))。

称取15mgp(aga-co-nipam)加入1mlpbs标准缓冲液中搅拌溶解得到聚合物溶液，然后，称取15mgms-fcpba超声分散于3ml浓度为1mg/ml的胰岛素溶液中，搅拌24h后将其加入聚合物溶液中，再搅拌12h后离心，离心的速率为15000rpm，离心的时间为10min，离心后取上清液，通过测试上清液中胰岛素浓度计算胰岛素的负载率为14.7％和包封率为85.9％，然后用pbs标准缓冲液洗离心后的沉淀三遍，再经冷冻干燥24h得到聚合物混合介孔二氧化硅的葡萄糖响应材料。

本发明的聚合物混合介孔二氧化硅的葡萄糖响应材料能够达到14.7％的负载率和85.9％的包封率，这归结于介孔二氧化硅较大的比表面积和孔容。其中，负载率为体系中胰岛素的质量与体系质量之比，包封率为体系中胰岛素的质量与胰岛素的投料量之比。

取大鼠血并用标准pbs缓冲液洗涤三次得到体积约2ml红细胞，将其稀释50倍后得到红细胞分散液，然后配置浓度为20、40、80、160、320、640μg/ml的ms-fcpba的分散液各0.8ml，设置标准pbs缓冲液和纯净水分别作为阴性对照组和阳性对照组；之后分别向阴性对照组、阳性对照组和不同浓度的ms-fcpba的分散液中分别加入0.2ml红细胞的分散液，混合均匀后于37℃培养1h，然后离心取上清液在545nm处进行吸光度测试。

图1为ms-fcpba的溶血结果，从左到右依次为阴性对照组、浓度为20、40、80、160、320、640μg/ml的ms-fcpba的分散液和阳性对照组，其中，阴性对照组溶血率为0％，阳性对照组为100％；其中，浓度为20、40、80、160、320、640μg/ml的ms-fcpba的分散液的溶血率中的一些数据低于阴性对照组可能是因为实验过程中，离心后仍然残留少许颗粒于上清液中导致吸光度减弱。总体来看，在0.64mg/ml的浓度范围内，该材料几乎没有导致溶血现象的发生，证明其血液相容性良好。

图2为实施例1在不同糖浓度下(0g/l，1g/l和4g/l)的胰岛素释放结果，图中可见，在ph＝7.4，温度为25℃，经过12小时，聚合物混合介孔二氧化硅的葡萄糖响应材料在4g/l(高血糖浓度)，1g/l(正常血糖浓度)环境下表现出明显的累积释药量差异，聚合物混合介孔二氧化硅的葡萄糖响应材料在4g/l的糖浓度溶液中12h内释放出胰岛素约占总含量的33％。

实施例2：

按照与实施例1相同的方式制备ms-fcpba和p(aga-co-nipam)。

称取20mgp(aga-co-nipam)加入1mlpbs标准缓冲液中搅拌溶解得到聚合物溶液，然后，称取50mgms-fcpba超声分散于2.5ml浓度为4mg/ml胰岛素溶液中搅拌24h后将其加入聚合物溶液中，再搅拌12h后离心，离心的速率为15000rpm，离心的时间为10min，然后用pbs标准缓冲液洗离心后的沉淀三遍，再经冷冻干燥24h得到聚合物混合介孔二氧化硅的葡萄糖响应材料。

图3为实施例2在不同糖浓度下(0g/l，1g/l和4g/l)的胰岛素释放结果，图中可见，在ph7.4，37℃，经过12小时，聚合物混合介孔二氧化硅的葡萄糖响应材料在4g/l(高血糖浓度)，1g/l(正常血糖浓度)环境下表现出明显的累积释药量差异，聚合物混合介孔二氧化硅的葡萄糖响应材料在4g/l的糖浓度溶液中12h内释放出胰岛素约占总含量的37％。

对比例1：

按照与实施例1相同的方式制备ms-fcpba。

称取46.4mg(0.2mmol)aps溶于10ml水中，待溶解完全后，取1mlaps(0.02mmol)溶液并用水稀释至10ml得到0.002mmol/ml的aps溶液，然后称取77.5mg(0.33mmol)aga溶解于0.002mmol/ml的aps溶液中，随后加入46μl(0.67mmol)丙烯酸(aac)，待混合均匀后通氮气除氧5min，于70℃下反应5h得到无色透明溶液，将该溶液滴入在高速搅拌中的100ml乙醇中，然后以离心速率4000rpm进行离心10min，倒去上清液，将所得固体沉淀用乙醇洗涤三遍后真空干燥24h得到聚(丙烯酸-co-n-丙烯酰胺基葡萄糖)即p(aac-co-aga)。

称取20mgp(aac-co-aga)加入1mlpbs标准缓冲液中搅拌溶解得到聚合物溶液，然后，称取50mgms-fcpba超声分散于2.5ml浓度为4mg/ml的胰岛素溶液中，搅拌24h后将其加入聚合物溶液中，再搅拌12h后离心，离心的速率为15000rpm，离心的时间为10min，然后用pbs标准缓冲液洗离心后的沉淀三遍，再经冷冻干燥24h得到胰岛素释放材料。

如图4为对比例1在不同糖浓度下(0g/l，1g/l和4g/l)的胰岛素释放结果，可以观察到与实施例2相比，该材料几乎没有表现出葡萄糖响应释药性能，这种葡萄糖响应性能的差异来源于聚合物的差异，对比例1没有使用疏水单体，导致其较差的葡萄糖响应释药性能。