一种以改性明胶为交联剂的多孔性生物材料及其制备方法
【专利摘要】本发明提供了一种以改性明胶为交联剂的多孔性生物材料及其制备方法，具体包括如下步骤：将丙烯酰胺类单体、甲基丙烯酰胺改性的明胶和无机纳米粘土溶于去离子水中，在惰性气氛中搅拌10~30分钟；加入催化剂，再在惰性气氛中搅拌5~10分钟，然后加入引发剂；于-30~30oC温度下进行自由基聚合反应12~48小时；反应产物浸泡于20oC去离子水中，每隔5~8小时更换一次去离子水，持续48~72小时，最后将其冷冻干燥24~48h，即得到以改性明胶为交联剂的多孔性生物材料。该方法制备工艺简单，条件可控，且制备的多孔性材料同时具有良好的生物相容性、力学性能、大孔性和快速溶胀性等特性，可广泛应用于生物支架、细胞培养、药物控释、组织工程、创伤和烧伤治疗等生物医用材料领域。
【专利说明】一种以改性明胶为交联剂的多孔性生物材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及生物医学材料领域，具体涉及一种以改性明胶为交联剂的多孔性生物材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]多孔性的聚合物材料因其极高的孔隙率和良好的溶胀性而吸引了大量研究者的兴趣。多孔性材料在生物医学、生物技术和制药领域有着不同的应用，尤其是在组织工程作为细胞支架材料的应用格外引人注目。良好的孔隙率和孔径能够为细胞的黏附、生长和繁殖提供更多的空间和更好的流动性。多孔性材料通常可以用如冷冻干燥、致孔剂法、微乳液法、气体搅拌和相分离等技术来制备。丙烯酰胺类单体因其良好的亲水性和反应活性而被用于制备多孔性材料。Fatima等人将丙烯酰胺与丙烯基丙三基醚通过自由基共聚在化学交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺的交联下制备了大孔性的多孔材料。这种多孔性材料虽然具有良好的平衡溶胀度和快速溶胀性，但是由于使用了传统的化学交联剂，多孔材料的机械性能和生物相容性都需要进一步的增强以满足其在生物医用材料领域的应用。
[0003]明胶以其优良的生物相容性，更多被应用于生物医用材料领域。明胶的溶胶凝胶转变温度仅为36°C左右，所以明胶通常需要更强的交联或改性才能防止其在人体体温条件下溶解。常见的化学交联剂包括戊二醛、碳化二胺、京尼平和二异氰酸酯等，这些交联剂都是水溶性的，因为明胶本身仅能溶于水溶液或少量的乙醇溶液中。而胶原的衍生物一般都是通过对其结构上赖氨酸侧链和羟赖氨酸侧链上的氨基基团进行改性得到的。因为其结构中精氨酸侧链中的胍基在弱碱条件下会质子化从而无法发生亲核反应，而组氨酸侧链中的咪唑基团尽管能够发生反应但是只能形成不稳定的产物。甲基丙烯酰胺改性的明胶是将甲基丙烯酸酐与明胶在碱性条件反应，将明胶中游离的氨基基团取代成甲基丙烯酰胺基团，引入了丙烯基双键，使得改性明胶具有了更高的反应活性，能够在引发剂的作用下发生自由基聚合反应。
[0004]甲基丙烯酰胺改性明胶具有良好的生物相容性和反应活性，国内外学者已经有较多相关的研究文献报道。Van Den Bulcke等人用甲基丙烯酸酐对明胶上的伯氨基团改性以接枝上甲基丙烯酰胺基团。所得的改性明胶在光引发剂Irgacure 2959的作用下，通过紫外福照引发聚合形成的水凝胶能够适用于创伤处理。Van Den Bulcke等人(US 6, 458, 361BI)还将甲基丙烯酰胺改性的明胶与带有丙烯基团的多糖共聚制备了一种具有良好的机械性能和生物相容性的生物医用材料。Van Vlierberghe等人将甲基丙烯酰胺改性的明胶作为基础材料来制备多孔性水凝胶以用于组织修复。而明胶基的细胞载体材料则多用冷冻凝胶法制备，冷冻凝胶能够有效地促进人体细胞如成纤维细胞、内皮细胞、口腔细胞等的黏附和生长。也有研究报道将甲基丙烯酰胺改性的明胶与甲基丙烯酰胺改性的壳聚糖结合起来制备多孔性支架材料。Nichol等人利用光铸模法(photopatterning)制备了改性明胶基细胞负载水凝胶，改性明胶的光催化反应活性使其能够很好地在光铸模法下形成3D微尺度的水凝胶或微流体装置，细胞能够在其中有效的粘附、增殖、分化和生长。Hou等人将甲基丙烯酰胺改性明胶与聚轮烷基环糊精通过共聚制备了一种可生物降解性的超分子水凝胶，改性明胶的引入不仅增强了水凝胶的机械性能，还使得水凝胶更有利于细胞的黏附和增殖。氧化还原引发剂如过硫酸铵等可以引发明胶中甲基丙烯酰胺基团的聚合，高能辐射如电子束和伽玛射线也可以起到相似的作用。
[0005]本发明的目的是针对现有技术存在的不足和缺陷，以甲基丙烯酰胺改性的明胶为交联剂，通过与丙烯酰胺类单体的自由基共聚反应，同时结合纳米材料的特性和冷冻聚合的技术，制备了具有大孔性(孔径范围2(Γ200μπι)、快速溶胀性、良好生物相容性和高机械性能的多孔性生物材料。本发明中的甲基丙烯酰胺改性的明胶的每一条分子链上都有多个丙烯基团可以参与自由基聚合反应。因此，当其与丙烯酰胺类单体共聚制备多孔生物材料时，改性明胶在反应体系中可以起到交联剂的作用。而与传统的化学交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺相比，改性明胶一方面具有良好的生物相容性，能够提高多孔生物材料的生物相容性以适用于生物医用材料领域；另一方面改性明胶是一种大分子的交联剂，在多孔生物材料中不仅形成了共价交联，还形成了高分子的互穿和缠结，能够较大程度地提高多孔生物材料的力学性能。此外，本发明为了进一步提高多孔生物材料的机械性能而弓I入无机纳米粘土，改性明胶由于氨基被取代使其与纳米粘土的相容性提高，同时二者还存在协同作用，可显著地提高材料的机械性能和热稳定性。本发明在制备过程中结合冷冻聚合的技术，使得所制备的多孔性生物材料具有了快速溶胀的特性。目前为止，尚未见关于以改性明胶为交联剂制备多孔性生物材料的专利报道。
【发明内容】
本发明的目的在于制备一种具有优异机械性能和良好生物相容性的多孔性生物材料，同时还具有大孔性和快速溶胀等性能，能够广泛适用于生物医用材料领域。为达到以上目的，本发明采用了以下技术方案:
(1)将丙烯酰胺类单体、改性明胶和无机纳米粘土分别溶于去离子水中，其中丙烯酰胺类单体的质量百分比为(5?10)%，甲基丙烯酰胺改性的明胶的质量百分比为(0.5?5)%，无机纳米粘土的质量百分比为((Γ5)%，然后在惰性气氛中搅拌5?30分钟；
(2)加入催化剂，在惰性气氛中搅拌5?10分钟后，再加入引发剂得到混合溶液，其中催化剂的加入量为丙烯酰胺类单体质量的(0.f 2)%，引发剂的加入量为丙烯酰胺类单体质量的(0.Γ?)%；
(3)将上述混合溶液在温度为-3(T30°C，搅拌速度为30(T600 rpm的条件下进行自由基聚合反应12?48小时；
(4)反应产物在室温下浸泡于去离子水中，每隔51小时更换一次去离子水，持续48^72小时，最后将其冷冻干燥2Γ48小时，制得以改性明胶为交联剂的多孔性生物材料。
[0006]在上述技术方案中，所述丙烯酰胺类单体为丙烯酰胺、N，N-二甲基丙烯酰胺或N-异丙基丙烯酰胺等含有丙烯基的水溶性有机单体。
[0007]在上述技术方案中，所述的改性明胶为甲基丙烯酰胺改性的明胶，其氨基取代度为(20?90)%。
[0008]在上述技术方案中，所述的无机纳米粘土为人工合成锂藻土 Laponite RDS。
[0009]在上述技术方案中，所述的催化剂为N，N, N, N-四甲基乙二胺或亚硫酸氢钠。
[0010]在上述技术方案中，所述引发剂为过硫酸钾或过硫酸铵。
[0011]在上述技术方案中，所述多孔性生物材料可用于生物支架、细胞培养、药物控释、组织工程、创伤和烧伤治疗等生物材料领域。
[0012]本发明与已有技术相比，具有多方面的积极效果和优点，具体可归纳概括如下:
(1)本发明以一种改性的天然高分子作为交联剂，替代了传统自由基聚合反应中所使用的化学交联剂，有效的提高了多孔材料的生物相容性；
(2)本发明结合了冷冻聚合的技术，赋予了多孔材料快速溶胀的特性；
(3)本发明结合了纳米复合材料的技术，引入的无机纳米粘土能够与改性明胶形成协同作用，极大的提高多孔材料的机械性能；
本发明的制备工艺简单，易于控制，无需特殊设备，成本低廉；
本发明还具有一些其他方面的优点。
【具体实施方式】
[0013]下面给出本发明的三个实施例，通过实施例对本发明进行具体描述。有必要在此指出的是，实施例只用于对本发明进行进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容做出一些非本质的改进和调整。
[0014]实施例1
将0.2 g氨基取代度为35 %的甲基丙烯酰胺改性的明胶加入到20 mL的具塞玻璃瓶中，再加入1.0 g丙烯酰胺单体和10 mL去离子水，通入氮气，搅拌15分钟直至形成均匀透明的溶液。随后加入100 μ L质量百分比浓度10 %的N，N，N’，N’-四甲基乙二胺溶液，混合均匀后继续通入氮气5分钟，再加入200 μ L质量百分比浓度4 %的过硫酸铵溶液，然后迅速密封，置于20 °C水浴中反应12小时后，将反应物取出，浸泡于20 °C去离子水中48小时，每隔8小时换一次去离子水，然后冷冻干燥24小时，即得到生物相容性良好的多孔性生物材料。
[0015]实施例2
将0.2 g氨基取代度为60 %的甲基丙烯酰胺改性的明胶和0.2 g无机纳米粘土Laponite加入到20 mL的具塞玻璃瓶中，再加入1.0 g丙烯酰胺单体和10 mL去离子水，通入氮气，搅拌30分钟直至形成均匀透明的溶液。随后加入100 UL质量百分比浓度10%的N，N，N’，N’ -四甲基乙二胺溶液，混合均匀后继续通入氮气5分钟，再加入200 μ L质量百分比浓度4 %的过硫酸铵溶液，然后迅速密封，置于-20 °C冰箱中反应24小时后，将反应物取出，浸泡于20 °C去离子水中48小时,每隔8小时换一次去离子水,然后冷冻干燥24小时，即得到良好生物相容性和快速溶胀性的多孔性生物材料。
[0016]实施例3
将0.1 g氨基取代度为90 %的甲基丙烯酰胺改性的明胶和0.1 g无机纳米粘土Laponite加入到20 mL的具塞玻璃瓶中，再加入1.0 g N-异丙基丙烯酰胺单体和10 mL去离子水，通入氮气，搅拌20分钟直至形成均匀透明的溶液。随后加入100 μ L质量百分比浓度10 %的N，N, N, N-四甲基乙二胺溶液，混合均匀后继续通入氮气5分钟，再加入200 μ L质量百分比浓度4 %的过硫酸铵溶液，然后迅速密封，置于-30 °C冰箱中反应24小时后，将反应物取出，浸泡于20 °C去离子水中48小时，每隔8小时换一次去离子水，然后冷冻干燥24小时，即得到温敏性和快速溶胀性的多孔性生物材料。
[0017]实施例4
将0.2 g氨基取代度为75 %的甲基丙烯酰胺改性的明胶加入到20 mL的具塞玻璃瓶中，再加入0.5 g N-异丙基丙烯酰胺单体和10 mL去离子水，通入氮气，搅拌15分钟直至形成均匀透明的溶液。随后加入50 μ L质量百分比浓度10 %的N，N, N, N-四甲基乙二胺溶液，混合均匀后继续通入氮气5分钟，再加入100 UL质量百分比浓度4 %的过硫酸铵溶液，然后迅速密封，置于-10 °C冰箱中反应48小时后，将反应物取出，浸泡于20 °C去离子水中72小时，每隔5小时换一次去离子水，然后冷冻干燥24小时，即得到温敏性和快速溶胀性的多孔性生物材料。
【权利要求】
1.一种以改性明胶为交联剂的多孔性生物材料及其制备方法，其特征是制备方法包括了以下步骤: (1)将丙烯酰胺类单体、改性明胶和无机纳米粘土分别溶于去离子水中，其中丙烯酰胺类单体的质量百分比浓度为(5?10)%，甲基丙烯酰胺改性的明胶的质量百分比浓度为(0.5?5)%，无机纳米粘土的质量百分比浓度为((Γ5)%，然后在惰性气氛中搅拌5?30分钟； (2)加入催化剂，在惰性气氛中搅拌5?10分钟后，再加入引发剂得到混合溶液，其中催化剂的加入量为丙烯酰胺类单体质量的(0.f 2)%，引发剂的加入量为丙烯酰胺类单体质量的(0.Γ?)%； (3)将上述混合溶液在温度为-3(T30°C，搅拌速度为30(T600 rpm的条件下进行自由基聚合反应12?48小时； (4)反应产物在室温下浸泡于去离子水中，每隔51小时更换一次去离子水，持续48?72小时，然后将其冷冻干燥2Γ48小时，制得多孔性生物材料。
2.根据权利要求1所述的多孔性生物材料及其制备方法，其特征是所述丙烯酰胺类单体为丙烯酰胺、N, N- 二甲基丙烯酰胺或N-异丙基丙烯酰胺等含有丙烯基的水溶性有机单体。
3.根据权利要求1所述的多孔性生物材料及其制备方法，其特征是所述的改性明胶为甲基丙烯酰胺改性的明胶，其氨基取代度为(2(Γ90)%。
4.根据权利要求1所述的多孔性生物材料及其制备方法，其特征是所述的无机纳米粘土为人工合成锂藻土 Laponite RDS。
5.根据权利要求1所述的多孔性生物材料及其制备方法，其特征是所述的催化剂为N, N, N, N-四甲基乙二胺或亚硫酸氢钠。
6.根据权利要求1所述的多孔性生物材料及其制备方法，其特征是所述引发剂为过硫酸钾或过硫酸铵。
7.根据权利要求1所述的多孔性生物材料及其制备方法，其特征是所述多孔性生物材料可用于生物支架、细胞培养、药物控释、组织工程、创伤和烧伤治疗等生物医用材料领域。
【文档编号】C08F220/54GK104356319SQ201410606294
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年11月3日 优先权日:2014年11月3日
【发明者】林炜, 李昌朋, 穆畅道, 王春华 申请人:四川大学