专利名称：一种高强度可注射水凝胶及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种高强度可注射水凝胶及其制备方法，更具体地说，涉及ー种利用聚こニ醇ニ丙烯酸酯(PEGDA)的双键与天然聚合物上偶联的巯基发生Michael加成反应，同时以聚こニ醇与聚己内酯(PEG-PCL-PEG)的三嵌段共聚物纳米粒子为增强剂而形成的水凝胶，具较高的強度和可注射性。
背景技术：
水凝胶是ー种能够在水中溶胀，吸收并保持大量水分而又不能溶解于水的三维聚合物溶胀体。水凝胶是第一种开发出来被人体使用的生物材料，在与血液、体液及人体组织相接触吋，表现出良好的生物相容性，它既不影响生命体的代谢过程，代谢产物又可以通过水凝胶排出。水凝胶比其它任何合成生物材料都接近活体组织，它在性质上类似于细胞外基质部分，吸水后可减少对周围组织的摩擦和机械作用，显著改善材料的生物学性能。因此，水凝胶广泛应用于生物医药、组织工程等领域。水凝胶是组织工程良好的支架材料，大多无毒或毒性小，容易加工成型，性质类似于许多组织和细胞外基质。很多天然水凝胶和合成水凝胶都可应用于组织工程和再生医学[Kopecek J. Hydrogel biomaterials:A smartfuture Biomaterials, 2007，28:5185-5192;Jagur-Grodzinski J. Polymeric gels andhydrogels for biomedical and pharmaceutical applications. Polymers for AdvancedTechnologies, 2010，21:27-47]。水凝胶的形成主要有物理交联和化学交联两种主要途径。物理交联水凝胶的形成可以通过温度、离子强度的变化来实现，也可以依靠电荷作用、氢键作用等途径来实现，而化学交联水凝胶则通过共价键形成。水凝胶的分类方法有多种根据水凝胶网络键合的不同，可分为物理交联水凝胶和化学交联水凝胶；根据其来源可分为天然水凝胶和人工合成水凝胶；根据水凝胶对外界刺激的响应情况可分为普通水凝胶和智能水凝胶；另外还可按照水凝胶是否降解分为可降解性水凝胶和不可降解性水凝胶等。近年来可注射生物材料得到广泛研究并将对药物释放和组织工程领域具有重大影响。可注射水凝胶是ー类原位形成的功能性水凝胶，其快速成型特点使得这类生物材料在临床方面具有广阔的应用前景。可注射水凝胶在体内时为凝胶状态，在体外时为溶液状态，在此状态下可以包埋如多肽、蛋白质、细胞等生物活性物质，当注射到皮下组织或肌肉组织后，由于温度的变化或化学交联反应的发生，包含有活性物质的溶液迅速转化为凝胶，而后活性物质在扩散作用和凝胶自身降解作用的双重推动下，从凝胶内平稳地释放出来，达到长期释放的效果。在包埋过程中，由于不会涉及有机溶剂，不会使得包埋物质的活性轻易丧失。可注射水凝胶的另ー优势是它可通过注射方法植入体内，使流动性生物材料溶液可以充满整个具有不规则形状的受损部位，手术创伤小且容易操イ乍[Hoffman A b. Hydrogels lor biomedical applications. Advanced Drug DeliveryReviews, 2002, 54:3-12] 0另ー方面，由于DNA重组技术和其他相关技术的发展，促进了多肽和蛋白质药物的商品化。但是，多肽和蛋白质药物在肠胃中易被降解，半衰期短，这些缺点都限制了多肽和蛋白质药物的应用。而可注射性水凝胶材料作为载体可以均匀地包埋和负载这些多肽和蛋白质药物，可以直接注入皮下而避免了被肠胃降解，还可以由扩散作用进入血管、到达受损部位，达到治病救人的目的，因此可注射水凝胶得到了进ー步的发展[Sakiyama-Elbert S M ff,Faxel TE,David I G. et al. The effects of soluble growthfactors on embryonic stem cell differentiation inside of fibrin scafiolds. StemCells,2007, 25:2235-2244]。作为ー种高吸水高保水材料，水凝胶被广泛用于多种领域，但绝大部分利用天然或合成材料制备得到的水凝胶的力学性能都很差。普通结构的水凝胶往往在较低含水量时具有一定的力学性能，而在较高含水量时(如> 90%)力学强度显著下降，甚至在极低压强下就发生碎裂。水凝胶在医学领域因其力学性能较差而限制了其应用。它们的交联点分布不规则和交联点之间具有不同的长度，使压カ不能均匀地分布在聚合物链之间，因而裂纹更易出现，导致了其较差的力学性能。因此许多研究努力都集中于提高水凝胶的强度，但仍不能满足使用要求。近年来，合成具有高強度水凝胶的研究工作吸引了众多研究者的兴趣，并取得一 定进展。如Nagayama等人制备出DN水凝胶,他们采用致密交联的聚合物为第一网络、疏松交联的聚合物为第二网络将两种网络互穿制备出双网络水凝胶，此类水凝胶的力学性能与单ー网络水凝胶相比有很大程度的提高[Nakayama A, Kakugo A, Gong J P, OsadaY, Takai M, Erata T, Kawano S. High mechanical strength double—network hydroge丄with bacterial cellulose. Advanced Functional Materials 2004,14:1124-1128]。而Fleury等人制备出可在聚合物链上自由滑动的“8形”交联环作为可控制交联点的拓扑形水凝胶，此类水凝胶的拉伸长度可达到原始长度的约20倍，而平衡溶胀度可达到约500[Fleury G, Schlatter G, Brochon C，Traveiet C,Lapp A, Lindner P, HadziioannouG. Topo丄ogical polymer networks with sliding cross—丄ink points: the ^ slidinggels，，·relationship between their molecular structure and the viscoelastic aswe丄丄 as the swelling properties. Macromolecules 2007,40:535—543]。 Haraguchi ·将具有纳米尺度的无机分散体分散于聚合物基质中制备了纳米复合水凝胶，水凝胶中均勻分散的无机组分可以使水凝胶的力学性能有几十倍的提高[Haraguchi K, FarnworthR,Ohbayashi A,Takehisa T.Compositional effects on mechanical properties οιnanocomposite hydrogels composed of poly(N, N-dimethylacrylamide)and clay.Macromolecules 2003, 36:5732-5741]。Huang等人在大分子微球表面通过福照引发接枝水溶性単体，并以此有微球为分散体制备出具有规整交联结构的水凝胶。由于大分子微球充当接枝共聚的节点，同时在复合体系内均匀分散而得到均匀的交联结构，因此此类复合水凝胶在力学性能上有大幅度改善[Huang T,Xu H G, Jiao K X, Zhu L P, Brown H R, Wang HL. A novel hydrogel with high mechanical strength:a macromolecular microspherecomposite hydrogel. Advanced Materials 2007,19:1622-1626]。Tan 等人以混合淀粉酯为原料通过自组装方法制备出粒径分布可控的纳米淀粉粒子，并以此纳米粒子为交联剂合成了聚丙烯酰胺和聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶，研究结果证实此类新型水凝胶的去溶胀速率急剧加快，而水凝胶的力学強度亦有大幅度提高[Tan Y，Xu K，Wang P，Li W，Sunb, Dong L b, High mechanical strength and rapid response rate oi poly(N—isopropy丄acrylamide;hydrogel crosslinked by starch-based nanospheres.Soft Matter2010,6:1467-1471]o可以看出，采用多种策略和方法可以得到具有特殊结构的水凝胶，这些水凝胶在力学强度以及其他性能上都有了很大程度的提高或改进。本发明采用天然聚合物壳聚糖、明胶等生物相容性好的材料，以纳米粒作为增强剂是区别上述新型水凝胶的关键之处。
发明内容
本发明的目的在于改善天然聚合物水凝胶的力学性能，提供ー种注射型高強度天然聚合物水凝胶及其制备方法，以纳米粒子为增强剂是本发明的创新点，在不影响原料混合性能的前提下大幅提高天然聚合物水凝胶的压缩强度，从而可以克服天然聚合物水凝胶力学強度低的缺陷。此水凝胶在37°C下凝胶且快速成型，为可注射型水凝胶。所选用的壳聚糖、明胶等天然聚合物和聚己内酷、聚こニ醇等合成聚合物生物相容性好，可被生物体吸收降解。
本发明的一种高强度可注射水凝胶，结构式如下
权利要求
1.一种高强度可注射水凝胶，其特征是结构式如下
2.如权利要求I所述的ー种高强度可注射水凝胶，其特征是以纳米粒子为增强剂，水凝胶在37°C下快速凝胶成型，可注射，强度达到IOkPa以上。
3.制备权利要求I或2所述的水凝胶的方法，其特征是包括以下步骤 (1)将聚こニ醇溶于ニ氯甲烷，其浓度为2.5 X 10_5 5. O X 10_5mol/mL，冰水冷却，氮气保护下不断搅拌加入三こ胺和丙烯酰氯，其中加入的三こ胺、丙烯酰氯的摩尔数分别是聚こニ醇摩尔数的2 4倍、2 5倍,下反应12 24小时后,将反应液过滤,沉淀,减压抽滤，最后产物常温真空干燥，收集备用，此步骤得到聚こニ醇ニ丙烯酸酯； (2)称取天然聚合物配成浓度为I 10%溶液，其中天然聚合物为壳聚糖或明胶，搅拌形成悬浮液，加入N-羟基苯并三氮唑，搅拌至溶液澄清，然后加入N-こ酰-L-半胱氨酸，随后加入I-こ基-(3- ニ甲基氨基丙基)碳ニ亚胺，调节pH为3 5，室温搅拌3 5小吋，避光4°C下透析三天，冻干，冷藏保存；加入的N-羟基苯并三氮唑、N-こ酰-L-半胱氨酸、碳ニ亚胺的摩尔数分别为天然聚合物上氨基摩尔数的I 3倍、2 4倍和4 8倍，此步骤得到巯基化天然聚合物； (3)将聚己内酯和纯化的こ酸こ酯加入到反应器，加热溶解后，降温至20 60°C，加入己ニ异氰酸酯和5 IOmL纯化的こ酸こ酯，升温至70 90°C,然后加入聚こニ醇和5 IOmL纯化的こ酸こ酷，继续反应；加入的己ニ异氰酸酯和聚こニ醇与聚己内酯摩尔比分别为2 4倍和2 5倍；然后沉析、抽滤得到聚こニ醇-聚己内酯-聚こニ醇的三嵌段共聚物； (4)将三嵌段共聚物溶于ニ氯甲烷，冰水冷却，氮气保护下加入三こ胺和丙烯酰氯，不断搅拌，三嵌段共聚物三こ胺丙烯酰氯的摩尔比为I : 2 4 : 2 4 ;氮气保护下反应12 24个小吋，反应温度为20 25°C，将反应液过滤，沉淀，减压抽滤，最后产物常温真空干燥，得到丙烯酸化的三嵌段共聚物； (5)称取100 200mg丙烯酸化的三嵌段共聚物于安培皿中，溶于IOOmLニ氯甲烷，室温磁力搅拌下，将溶液滴入双蒸水中；随着ニ氯甲烷的挥发，内核固化成球，丙烯酰化的三嵌段共聚物自组装成纳米胶束，离心分离除去大的聚集粒子，冻干，得到纳米粒子增强剂； (6)天然聚合物上的巯基、聚こニ醇ニ丙烯酸酯的双键、纳米粒子的表面上的双键的摩尔比为I : I 3 O. 5 2. 5，将反应混合物进行超声充分搅拌，通过倒置小瓶的方法，测定凝胶化时间，每30 60秒倒立小瓶一次，所有样品均在25 37°C水浴中反应30 60分钟，此步骤后制得高強度水凝胶。
全文摘要
本发明涉及一种高强度可注射水凝胶及其制备方法，更具体地说，涉及一种利用聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)的双键与巯基化天然聚合物上的巯基发生Michael加成反应，同时以聚乙二醇与聚己内酯(PEG-PCL-PEG)的三嵌段共聚物的纳米粒子为增强剂而形成的水凝胶，此类水凝胶具有较高的力学强度，为生物相容性良好且可注射水凝胶和可降解水凝胶，凝胶速率较快。该水凝胶的特点是原料价廉易得、制备方法简单，在生物医用领域具有良好的应用前景。
文档编号C08L89/00GK102718991SQ20121009752
公开日2012年10月10日 申请日期2012年4月5日 优先权日2012年4月5日
发明者尹玉姬, 李钒 申请人:天津大学