专利名称：一种具有抗吸附功能的高强度水凝胶及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种水凝胶及制备方法，更具体地说，涉及一种甲基丙烯酰氧乙基磷 酸胆碱和丙烯腈共聚物(PMPC-co-PAN)水凝胶及其制备方法，具有抗大分子蛋白吸附，高 强度和良好耐疲劳性能。
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。因为聚合物链间的物理交联 和化学交联作用而不会溶解于水中，只能溶胀且保持一定的形状，同时，还具有良好的水渗 透性，生物相容性，作为人体植入物可以减少不良反应。因而水凝胶作为优良的生物医用材 料得到广泛应用。但是，其高含水量导致水凝胶较差的机械性能限制了其作为生物材料尤 其是力学器件的应用。文献报道典型水凝胶的断裂能在lO—LlOOJ/m2。人体中的一些软组 织(如肌腱、韧带、半月板软骨等)也是由凝胶物质构成的，此类组织具有柔软、坚韧、抗冲 击等优良特点。如果能制备出与人体软组织力学性能接近且具有良好生物相容性和转基因 功效的软组织类似物，将是一种更好的选择。为了解决水凝胶较差的力学性能这一问题，近期科学家们研制了以下几种高强 度水凝胶双网络(DN)水凝胶，插层无机纳米复合水凝胶(NC)和高分子微球复合水凝 胶(MMC)。但是这些高强度水凝胶不兼具高的抗拉伸和抗压缩功能(Yoshimi Tanaka, Jain Ping Gong, Yoshihito Osada. Novel hydrogels with excellent mechanical performance. Prog. Polym. Sci. 2005 ；30 :1_9.)。同时，这些高强度水凝胶缺乏良好的耐疲 劳性能。丙烯腈，由于其聚合物分子链中氰基之间的强烈分子内及分子间的偶极作用使其 在高强度纤维及塑料中得到广泛应用。但强烈的偶极作用使水分子很难进入到交联的纯聚 丙烯腈网络中，从而凝胶的含水量急剧降低。所以，传统意义上丙烯腈并不常用于水凝胶的 制备。甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱(MPC)由于其良好的生物相容性及良好的抗吸附性能使 其在生物材料中得到了广泛的应用，同时其极强的吸水性使得其在改善水凝胶及线性高分 子亲水性方面能够发挥很好的作用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种以丙烯腈为主体的水凝胶，具体为甲基丙烯酰氧乙基 磷酸胆碱和丙烯腈共聚物(PMPC-co-PAN)，该共聚物除表现出水凝胶的固有特性，还具有很 强的抗拉伸和抗压缩能力，良好的耐疲劳性能、生物相容性和抗大分子蛋白质吸附性能。本发明的目的通过下述技术方案予以实现—种具有抗吸附功能的高强度水凝胶，由甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱、丙烯腈和 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(CH2CH20)n)。
制备本发明水凝胶的方法，按照下述步骤进行将甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱、丙烯腈、交联剂和引发剂溶解在溶剂中，通过引发 剂引发甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱、丙烯腈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抗吸附功能的高强度水凝胶。在本发明的技术方案中，以丙烯腈和甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱作为共聚 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，(CH2CH20)n)，采用热 源或者光源使引发剂提供自由基，再由自由基引发丙烯腈、甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱和 交联剂(如不同数均分子量的聚乙二醇二丙烯酸酯，575-2000)中的双键，使三者几乎 同时引发，发生聚合反应，最终制备的水凝胶材料中，具有聚丙烯腈、聚甲基丙烯酰氧乙基 磷酸胆碱和交联剂三种物质的链段，其中丙烯腈提供骨架中的刚性性能，甲基丙烯酰氧乙 基磷酸胆碱提供强吸水性、良好的生物相容性及抗吸附性能，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，使整个水凝胶材料体现出高强度和抗吸附功能。利用引发剂提供的自由基引发丙烯腈、甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱和交联剂发生 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(Irgacure 2959)、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lh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)。在本发明的技术方案中，应当根据丙烯腈、甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱、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，以混合均勻反应体系。由于丙烯腈、甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱具有极性， 引发剂和交联剂也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。在制备方案中，单体丙烯腈和单体甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱的质量比为 (6-9) 1。交联剂质量与两种单体(甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱和丙烯腈)的质量和的 比为(1 3)-(3 1)，优选为1 2。引发剂的质量为单体与交联剂总质量的2% 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，浸泡在水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)。本发明提供的一种高强度PMPC-co-PAN水凝胶是以甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱 和丙烯腈为原料，在交联剂和引发剂存在下共聚制成，实现将丙烯腈直接作为水凝胶组分 的应用(不再需要已有技术中的后续水解步骤)，同时综合了甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱 和聚乙二醇的性质，具有很强的抗拉伸和抗压缩能力，具有良好的生物相容性和光学性能， 并具有抗大分子蛋白吸附和良好耐疲劳性能。制备方法简单，产品易于长期保存和长途运
4输。
图1是本发明的水凝胶的抗大分子蛋白吸附性能表征图。图2是本发明的水凝胶在频率恒为0. 5Hz、应变恒为30%的条件下，两万次应力循 环曲线。图3是本发明的水凝胶在频率恒为0. 5Hz、应变恒为30%的条件下，两万次应力循 环过程中，弹性模量的变化示意图。
具体实施例方式下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。将单体丙烯腈(14.4mg，约14.4iU)，甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱(1. 6mg) 和交联剂聚乙二醇二丙烯酸酯(8mg，数均分子量575，约8iU)加入到1. 5ml离心管 中，用177.6iU的二甲基亚砜(DMS0)溶解单体和交联剂后，加入光引发剂Irgacure 2959(0.72mg，l-[4-(2-羟乙氧基)-亚苯基]-2-羟基-2' ,2' -二甲基乙酮)。将含有单 体，交联剂和引发剂的溶剂注入密闭模具中，模具在紫外固化箱中照射20min，以充分引发 自由基聚合。随后打开模具取出凝胶，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。按相同步骤制备凝胶片状物，进行力学性能、光学性能和细胞试验。此凝胶样品命 名为PAN/PMPC-12-9-0. 5。其中进行拉伸力学性能测试的样品的尺寸为20mmX 10mm，厚为 20umo压缩力学性能测试的样品尺寸为直径10mm，高8mm的圆柱。抗吸附性能测试样品尺 寸为直径8. 1mm，厚度0.62mm凝胶片。将得到的凝胶浸入医用酒精，在紫外灯下照射20分 钟灭菌后放入48孔板中，加入500 u 1 DMEM培养基置换医用酒精。凝胶浸入DMEM培养基 24小时后，将凝胶取出。将培养至指数生长期的L929细胞悬液加入到上述凝胶浸提液中。 培养24小时后，将培养基换为含体积分数10%的MTT 5mg/ml的磷酸盐缓冲液的DMEM培养 基，再培养4小时。最后，加入DMS0并置于摇床上摇荡15分钟，用酶标仪读取570nm处吸 光度。未经凝胶浸提液培养过的细胞组作为对照组，测定细胞成活率。改变单体丙烯腈，甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱和交联剂聚乙二醇二丙烯酸酯的质 量，有机溶剂DMS0的体积和光引发剂Irgacure 2959的用量，制备如下水凝胶样品PAN/ PMPC-20-6-0. 5、PAN/PMPC-20-7-0. 5、PAN/PMPC-20-8-0. 5、PAN/PMPC-20-9-0. 5、PAN/ PMPC-15-6-0. 5、PAN/PMPC-15-7-0. 5、PAN/PMPC-15-8-0. 5、PAN/PMPC-15-9-0. 5、PAN/ PMPC-12-6-0. 5、PAN/PMPC-12-7-0. 5 和 PAN/PMPC-12-8-0. 5。采用如下方法测试本发明的甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱和丙烯腈共聚物 (PMPC-co-PAN)水凝胶对大分子蛋白质的吸附性能将直径为8. 1mm，厚度为0. 62mm的凝胶 片浸入lmg/mL的牛血清蛋白磷酸盐缓冲溶液(pH = 7. 4)中，将体系置于培养箱中，37°C下 恒温静置24h直至达到吸附解吸附平衡。静置完毕后，将1ml含考马斯亮蓝G-250染料的 磷酸盐缓冲溶液加入待测溶液中。静置五分钟后，使用紫外-可见分光光度计测量595nm 处吸光度。同时，测定不同已知浓度蛋白溶液在考马斯亮蓝染料存在下的595nm吸光度，从 而做出浓度_吸光度标准线性曲线。将吸附试验中测得的吸光度代入标准曲线方程，得到吸附后溶液蛋白浓度。将浸泡凝胶前后，溶液中所含牛血清蛋白量的差值作为凝胶表面蛋 白的吸附量。测试结果表明本发明的水凝胶具有良好的抗大分子蛋白吸附的功能(如说明 书附图1所示)。利用如下方法检测本发明的甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱和丙烯腈共聚物 (PMPC-co-PAN)水凝胶的疲劳性能在水环境浸泡下，采用压力探头以2秒为一周期进行恒 定30%应变，两万次无间歇应力循环实验。结果显示，在两万次无间歇循环实验中，材料的 弹性模量未发生显著变化，材料无损坏(详见说明书附图2和3)。为说明本发明的共聚水凝胶具有比单一组分更好的性能，故分别选择两种单体进 行聚合，再进行相同条件下的性能测试。(1)将单体甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱(20mg)和交联剂聚乙二醇二丙烯酸酯 (10mg)加入到1.5ml离心管中，用200 yl的DMS0溶解单体和交联剂后，加入光引发剂 Irgacure 2959(0. 9mg)。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 固化箱中照射20min，以引发自由基聚合。随后打开模具取出凝胶，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。此凝胶样品命名为cr-MPC，强度非常弱，不能 定义为高强度水凝胶。(2)将单体丙烯腈(26. 7mg)和交联剂聚乙二醇二丙烯酸酯(13. 3mg)加入 到1.5ml离心管中，用160 ill的DMS0溶解单体和交联剂后，加入光引发剂Irgacure 2959(1. 2mg)。将含有单体，交联剂和引发剂的溶剂注入密闭模具中，模具在紫外固化箱中 照射20min，以引发自由基聚合。随后打开模具取出凝胶，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。此凝胶样品命名为cr-PAN，含水量过低，不能称为传统 意义的水凝胶。各个不同组分制备的水凝胶样品性能参数详见下表。可见本发明提供的 PMPC-co-PAN水凝胶整体上呈现出三个组成链段的优良性质，具有很强的抗拉伸和抗压缩 能力，良好的生物相容性和光学性能，并具有抗大分子蛋白吸附和良好耐疲劳性能。将光引发体系变为热引发体系，用ABIN为引发剂，以氮气去除体系中的氧，其余 条件同PAN/PMPC-12-9-0. 5的制备条件，进行热引发的聚合，制备出PMPC-co-PAN水凝胶A ； 换用其他分子量的聚乙二醇二丙烯酸酯(Mn分别为800、1500和2000)，采用光引发剂甲基 乙烯基酮引发聚合，其余条件同PAN/PMPC-12-9-0. 5的制备条件，制备出PMPC-co-PAN水凝 胶B ；改变交联剂和单体总质量的比例，采用Irgacure 2959进行光引发聚合，条件同PAN/ PMPC-12-9-0. 5，制备出PMPC-co-PAN水凝胶C。经测试，水凝胶A、B和C都表现能变现出 和表1所示基本一致或者相似的各项性能参数，具有很强的抗拉伸和抗压缩能力，良好的 生物相容性和光学性能，并具有抗大分子蛋白吸附和良好耐疲劳性能。以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况 下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均 落入本发明的保护范围。表1水凝胶样品的各项性能参数
水凝胶样品含水量(％)透光率(％)拉伸强度(MPa)断裂伸长率(％)cr-PAN40.2NANANAPAN/PMPC--20-■6.■0..563.196.1±0.61.20±0.10128.7±24.7PAN/PMPC--20-■7.■0..560.491.9±0.21.70±0.05195.2±18.9PAN/PMPC--20-■8.■0..560.390.3±1.72.00±0.10216.7±7.4PAN/PMPC--20-■9.■0..560.187.4±1.33.50±0.02234.3±32.8PAN/PMPC--15-■6.■0..575.794.6±0.20.46±0.03145.2±22.1PAN/PMPC--15-■7.■0..575.990.7±1.00.70±0.01179.9±27.7PAN/PMPC--15-■8.■0..575.089.7±1.01.02±0.21176.8±16.8PAN/PMPC--15-■9.■0..575.687.4±1.41.08±0.11210.2±41.9PAN/PMPC--12-■6.■0..583.393.9±0.90.19±0.02200.1±11.5PAN/PMPC--12-■7.■0..582.390.1±1.00.43±0.01212.2±22.2PAN/PMPC--12-■8.■0..581.789.8±1.10.50±0.01240.2±11.7PAN/PMPC--12-■9.■0..581.487.2±0.70.6±0.01255.2±31.1cr-PMPC91.4NANANA
水凝胶样品
杨氏模量 (kPa)
细胞成活率 (%)
压缩
90%应变下 凝胶应力 (MPa)
卸载荷后凝 胶状态
cr-PANNANANANAPAN/PMPC--20-■6.-0..51073.3±161.9101.2%10.1±0.4恢复PAN/PMPC--20-■7.-0..5936.7±41.699.8%13.9±1.4恢复PAN/PMPC--20-■8.-0..51530.0±122.9102.1%15.1±0.4恢复PAN/PMPC--20-■9.-0..52830.0±320.5100.5%17.6±0.3恢复PAN/PMPC--15-■6.-0..5393.3±15.3101.8%7.5±1.2恢复PAN/PMPC--15-■7.-0..5393.3±45.199.8%10.7±0.6恢复PAN/PMPC--15-■8.-0..5573.3±15.3103.8%11.4±0.5恢复PAN/PMPC--15-■9.-0..5646.7±11.5102.4%12.3±0.4恢复PAN/PMPC--12-■6.-0..5101.0±12.6103.2%4.5±0.8恢复PAN/PMPC--12-■7.-0..5120.0±13.999.7%6.5±0.4恢复PAN/PMPC--12-■8.-0..5108.0±14.2100.6%6.8±0.1恢复PAN/PMPC--12-■9.-0..5210.0±11.5103.5%7.8±0.2恢复cr-PMPCNANA0.02±0.002于20%应变 处断裂NA :cr-PAN和cr_PMPC样品的部分数据没有提供，原因在于cr_PAN样品极其类似 与塑料，不能称为传统意义上的水凝胶；以及cr-MPC水凝胶的极度软弱，不便于测量。PAN/PMPC-X-Y-Z :X表示所有单体及交联剂在溶剂中的质量体积浓度(mg/ U 1), Y 表示丙烯腈与甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱的质量比，Z表示交联剂质量与单体质量和的比。
权利要求
一种具有抗吸附功能的高强度水凝胶，其特征在于，由甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱、丙烯腈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。
2.根据权利要求1所述的一种具有抗吸附功能的高强度水凝胶，其特征在于，所述交 联剂为聚乙二醇二丙烯酸酯。
3.根据权利要求2所述的一种具有抗吸附功能的高强度水凝胶，其特征在于，所述交 联剂聚乙二醇二丙烯酸酯的数均分子量为500-2000。
4.一种制备具有抗吸附功能的高强度水凝胶的方法，其特征在于，按照下述步骤进行 将甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱、丙烯腈、交联剂和引发剂溶解在溶剂中，通过引发剂引发甲 基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱、丙烯腈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抗吸附功能的高强度水凝胶；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。
5.根据权利要求4所述的一种制备具有抗吸附功能的高强度水凝胶的方法，其特征在 于，单体丙烯腈和单体甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱的质量比为(6-9) 1;交联剂质量与两 种单体质量和的比为(1 3)-(3 1)；引发剂的质量为单体与交联剂总质量的2% 3%。
6.根据权利要求5所述的一种制备具有抗吸附功能的高强度水凝胶的方法，其特征在 于，交联剂质量与两种单体质量和的比为1 2。
7.根据权利要求4所述的一种制备具有抗吸附功能的高强度水凝胶的方法，其特征在 于，所述溶剂为二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、四氢呋喃或者二甲基亚砜；所述引发剂为偶 氮偶氮二异丁腈、过氧化苯甲酰、1-[4_(2-羟乙氧基)-亚苯基]-2-羟基-2'，2' -二甲 基乙酮、甲基乙烯基酮或者安息香。
8.根据权利要求4所述的一种制备具有抗吸附功能的高强度水凝胶的方法，其特征在 于，所述交联剂为聚乙二醇二丙烯酸酯。
9.根据权利要求8所述的一种制备具有抗吸附功能的高强度水凝胶的方法，其特征在 于，所述交联剂聚乙二醇二丙烯酸酯的数均分子量为500-2000。
全文摘要
本发明公开了一种具有抗吸附功能的高强度水凝胶及其制备方法，它以丙烯腈和甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱为原料，在交联剂和引发剂存在下共聚制成，单体丙烯腈和甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱的质量比为6-9∶1。本发明的水凝胶具有很强的抗拉伸和抗压缩能力，具有良好的生物相容性和光学性能。并且该水凝胶表面具有抗大分子蛋白吸附和良好耐疲劳性能。其制备方法简单，产品易于长期保存和长途运输。
文档编号C08F220/48GK101979419SQ20101052447
公开日2011年2月23日 申请日期2010年10月28日 优先权日2010年10月28日
发明者刘文广, 白涛 申请人:天津大学