基于PEG和多糖的双网络水凝胶及其制备方法与应用与流程

本发明涉及一种双网络水凝胶，具体涉及一种基于PEG和多糖的双网络水凝胶及其制备方法与应用。

背景技术：

水凝胶是一种可以吸收大量水分且具有三维网络结构的软物质。水凝胶因其高吸水性以及良好的生物相容性因而广泛应用于生物医用、农业、工业、环境保护等领域。在生物医用方面，水凝胶已经应用于药物载体、细胞载体、敷料、面膜以及人造眼角膜等。然而对于承重的软骨，肌腱和韧带类软组织来讲，传统的水凝胶不能满足要求。

近年来，具有较高机械性能的双网络凝胶受到了广泛的关注，并成为水凝胶中研究的热点之一。所谓双网络水凝胶(Double-Network Hydrogel)是指凝胶内部包含着两个相互穿插的网络，其中一个是交联度很高的刚性聚合物网络，而另一个是交联度较低的柔性聚合物网络，由于第二网络的低交联度使得网络具有一定的流动性能，通过高分子链段物理交缠点的滑移或者整个网络的变形而有效的吸收断裂能，这样就阻止了裂纹的进一步扩展，从而体现出优良的力学性能。

最常见的双网络凝胶制备通常采用两步聚合法：将第一网络单体、交联剂、分散介质、引发剂溶解于水中，将溶液在模具中于强紫外辐射下，得到高交联度的强聚电解质水凝胶。然后将水凝胶从模具中取出，放入含有第二网络单体、交联剂、引发剂的第二网络预反应溶液中充分溶胀；最后，光引发聚合形成松散交联的第二网络即得到双化学网络凝胶。这种方法复杂，且用时需要2～5天，制备得到的凝胶因每次溶胀性的不同而存在差异性，无法保证其同样的力学性能。由于操作步骤的复杂性，很难构建具有复杂形状的水凝胶。不仅如此，自由基聚合通常涉及到有毒的引发剂和聚丙烯酰胺材料，限制了双网络凝胶在生物医用方面的应用。这些缺点严重限制了双化学网络在生物工程中的应用。

中国专利申请(201410375076.2)公开了一种壳聚糖基双网络水凝胶，该水凝胶为双网络结构，其中第一网络为壳聚糖接枝水凝胶，所述壳聚糖接枝水凝胶由壳聚糖溶液、引发剂、第一单体以及交联剂进行接枝反应而成，第二网络穿插在第一网络的内部，第二网络为由第二单体、交联剂和光引发剂在紫外光照射下聚合而成的水凝胶。该双网络水凝胶在制备过程中仍然涉及到多步反应，不能制备出各种复杂的形状，而且自由基聚合会引入有毒的物质。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于PEG和多糖的双网络水凝胶及其制备方法，本发明提供的双网络水凝胶具有自恢复能力且生物相容性良好。

本发明所提供的化学-物理/化学双网络水凝胶，其由第一化学网络与第二物理/化学网络经氢键相互作用形成；

所述第一化学网络由聚乙二醇衍生物1和聚乙二醇衍生物2经化学反应形成；

所述第二物理/化学网络为下述1)或2)：

1)由多糖或其衍生物经交联形成；

2)由多糖或其衍生物与交联剂相互作用形成。

所述化学-物理/化学双网络水凝胶中，所述第二物理/化学网络与所述第一化学网络之间的质量比可为1：1～50，具体可为1：1～20、1：1～10、1：1～8、1：4或1：8。

所述化学-物理/化学双网络水凝胶中，所述聚乙二醇衍生物1和所述聚乙二醇衍生物2均为式I、式II、式III和式IV中任一种：

各式中，n为2～10000之间的数，具体可为21～56、21、23、43、45或56；

R₁为醚键、乙酰基、酯键、氨酯键、酰胺键或碳原子数为1～30的直链状、支链状或环状的亚烷基，优选为醚键、酯键或酰胺键；

R₂为氨基、羧基、琥珀酰亚胺酯、醛基、巯基、烯基、炔基、丙烯酸酯基、丙烯酰胺基、叠氮基团、环氧基、马来酰胺基团、邻苯二酚基团、酚羟基、环糊精、金刚烷和偶氮苯中任一种，优选为氨基、琥珀酰亚胺酯、巯基、炔基或叠氮基团；

所述聚乙二醇衍生物1与所述聚乙二醇衍生物2经R₂中的任两种基团进行化学反应形成所述第一化学网络。

所述化学-物理/化学双网络水凝胶中，所述多糖或其衍生物可为琼脂、琼脂糖、海藻酸钠、纤维素、淀粉、透明质酸或它们的衍生物；

所述琼脂糖具体可为常规琼脂糖、低电渗琼脂糖、高强度琼脂糖、低熔点琼脂糖或高电渗琼脂糖，优选高强度琼脂糖；

所述纤维素具体可为乙基纤维素、乙酸纤维素、羟丙甲纤维素、纤维素丙酸或邻苯二甲酸醋酸纤维素，优选乙酸纤维素。

所述化学-物理/化学双网络水凝胶中，2)中，所述相互作用可为静电作用、结晶作用、分子聚集作用、离子作用、氢键作用、链的缠绕作用、自由基聚合、酰胺化反应或者席夫碱反应。

所述化学-物理/化学双网络水凝胶中，所述交联剂可为碱、单价的阴离子、多价的阴离子、金属阴离子、自由基引发剂或者醛类化合物中至少一种，即能与所述多糖或其衍生物相互作用。

所述碱可为有机碱或无机碱；

所述有机碱具体可为三乙胺和/或氨水；

所述无机碱具体可为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氢氧化镁、氢氧化铁、氢氧化亚铁、氢氧化铜和氢氧化亚铜中至少一种；

所述单价的阴离子可为氯离子、氟离子、溴离子、碘离子、碳酸氢根、亚硫酸氢根、硝酸根、亚硝酸根、硫氢根、高锰酸根、次氯酸根、氯酸根、偏磷酸根和偏铝酸根中至少一种；

所述氯离子可来自于如下盐中至少一种：氯化钠、氯化钾、氯化钙、氯化镁、氯化铁、氯化亚铁、氯化铜和氯化亚铜；

所述硝酸根可来自于如下盐中至少一种：硝酸钠、硝酸钾、硝酸钙、硝酸镁、硝酸铁、硝酸亚铁、硝酸铜和硝酸亚铜；

所述亚硝酸根可来自于如下盐中至少一种：亚硝酸钠、亚硝酸钾、亚硝酸钙、亚硝酸镁、亚硝酸铁、亚硝酸亚铁、亚硝酸铜和亚硝酸亚铜；

所述高锰酸根来自于如下盐中至少一种：高锰酸钾和高锰酸钠。

所述多价的阴离子为硫酸根、亚硫酸根、过硫酸根、磷酸根、亚磷酸根、硼酸根、柠檬酸根、双氧根和锰酸根离子中至少一种；

所述硫酸根可来自于如下盐中至少一种：硫酸钠、硫酸钾、硫酸钙、硫酸镁、硫酸铁、硫酸亚铁、硫酸铜和硫酸亚铜；

所述磷酸根来可自于如下盐中至少一种：磷酸钠、磷酸钾、磷酸钙、磷酸镁、磷酸铁、磷酸亚铁、磷酸铜、磷酸亚铜、三聚磷酸酯和甘油磷酸钠；

所述亚磷酸根可来自于如下盐中至少一种：亚磷酸钠、亚磷酸钾、亚磷酸钙、亚磷酸镁、亚磷酸铁、亚磷酸亚铁、亚磷酸铜和亚磷酸亚铜；

所述硼酸根可来自于硼砂；

所述柠檬酸根可来自于如下盐中至少一种：柠檬酸钠、柠檬酸钾、柠檬酸钙、柠檬酸镁、柠檬酸铁、柠檬酸亚铁、柠檬酸铜和柠檬酸亚铜。

所述金属阴离子可为Pt(II)、Pd(II)和Mo(VI)中至少一种；

所述自由基引发剂可为如下引发剂中至少一种：安息香醚衍生物、水性苯乙酮衍生物、二苯乙二酮类衍生物、蒽醌类、硫杂蒽酮类、二苯甲酮类、水性二苯乙二酮类衍生物、水溶性蒽醌、水性硫杂蒽酮类、过硫酸盐、偶氮类的一种或多种，其中常见的引发剂为2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮、2-羟基-1,2-二苯基乙酮、2,4,6-(三甲基苯甲酰基)二苯基氧化膦、1-羟基-环己基-苯基甲酮、2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮、异丙基硫杂蒽醌、4-苯甲酰基-4’-甲基-二苯硫醚、2-甲基—1-[4-甲硫基苯基]-2-吗啉基-1-丙酮、4-二甲氨基-苯甲酸乙酯、二苯甲酮、二苯乙二酮或4,4’-二甲胺基二苯甲酮、α-酮戊二酸、蒽醌-2-磺酸钠盐、过硫酸钾、过硫酸铵、偶氮二异丁脒盐酸盐(AIBA)、偶氮二异丁脒唑啉盐酸盐(AIBI)和偶氮二异丁腈；

所述醛类化合物可为戊二醛。

本发明进一步提供了所述化学-物理/化学双网络水凝胶的制备方法，包括如下(1)或(2)的步骤：

(1)

1)配制所述多糖或其衍生物、所述聚乙二醇衍生物1与所述聚乙二醇衍生物2的混合溶液；

2)将所述混合溶液注入至模具中，经冷却即得；

(2)

1)配制所述多糖或其衍生物与所述聚乙二醇衍生物1的混合溶液1；

2)配制所述多糖或其衍生物与所述聚乙二醇衍生物2的混合溶液2；

3)经下述步骤a)或b)即得所述化学-物理/化学双网络水凝胶：

a)将所述混合溶液1和所述混合溶液2注入至模具中，经冷却即得；

b)将所述混合溶液1和所述混合溶液2注入至模具中，经冷却得到第一化学网络水凝胶；将所述第一化学网络水凝胶浸泡于所述交联剂的水溶液中即得。

上述的制备方法中，步骤(2)1)中，所述混合溶液1中，所述多糖或其衍生物的质量-体积浓度可为0.01～1000mg/ml，具体可为10～20mg/ml、10mg/ml或20mg/ml，所述聚乙二醇衍生物1的质量-体积浓度可为0.01～1000mg/ml，具体可为80mg/ml，所述多糖或其衍生物与所述聚乙二醇衍生物1的质量比可为1：0.01～100，具体可为1：4～8、1：4或1：8；

步骤(2)2)中，所述混合溶液2中，所述多糖或其衍生物的质量-体积浓度可为0.01～1000mg/ml，具体可为10～20mg/ml、10mg/ml或20mg/ml，所述聚乙二醇衍生物2的质量-体积浓度可为0.01～1000mg/ml，，具体可为80mg/ml，所述多糖或其衍生物与所述聚乙二醇衍生物2的质量比可为1：0.01～100，具体可为1：4～8、1：4或1：8。

步骤(2)3)b)中，所述交联剂的水溶液的质量分数可为0.0005％～90％，具体可为17％。

上述的制备方法中，步骤(2)3)a)中，所述冷却的时间可为1s～72h，具体可为1h～5h、1h、2h、3h、4h或5h；

步骤(2)3)b)中，所述冷却的时间可为1s～72h，具体可为1h～4h、1h、2h或4h；所述浸泡的时间可为1min～72h，具体可为2h。

本发明提供的具有自恢复能力生物相容性良好的高强化学-物理/化学双网络水凝胶在以下领域具有潜在的应用：

(1)药物缓释材料；

(2)组织工程支架；

(3)医用海绵；

(4)医用内置物；

(5)医用内置物的表面涂层。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明化学-物理/化学双网络凝胶制备过程相对简单，用时短，力学性能优异。

(2)本发明化学-物理/化学双网络凝胶能够通过原位形成，可以在任何磨具中被制备成为任意形状。

(3)本发明化学-物理/化学双网络凝胶中物理网络具有可逆性，自恢复性和抗疲劳性；当施加在凝胶上的载荷去除后，物理网络能够快速的恢复并重组，从而恢复其机械性能。

(4)本发明化学-物理/化学双网络凝胶具有非常优秀的生物相容性。

(5)本发明化学-物理/化学双网络凝胶能够支持细胞的生长。

附图说明

图1是本发明实施例1制备的双网络水凝胶在玻璃全力按压下的图片。

图2是本发明实施例制备的双网络水凝胶可以制备成为各种形状的图片。

具体实施方式

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实施例1、

(1)称取高强度琼脂糖200mg溶于10mLPBS缓冲溶液中，加热到120℃后冷却到50℃，分别取5mL向其中加入400mg四臂聚乙二醇氨基(如式II所示，其中，n为56，R₁为醚键，R₂为氨基)和400mg四臂聚乙二醇琥珀酰亚胺酯(如式II所示，其中，n为56，R₁为酯键，R₂为琥珀酰亚胺酯)得到混合溶液1和混合溶液2；分别用双管注射器的一只吸取一种混合溶液，然后注入玻璃模具中，待冷却3小时到室温，得到化学-物理双网络水凝胶。

将得到的化学-物理双网络水凝胶进行测试，压缩强度为28MPa，压缩形变率为97％以上。

本实施例制备的凝胶压缩后，在加热到100℃下2小时可恢复至原压缩强度，如图1所示将得到的双网络水凝胶在玻璃全力按压下的情况，撤销玻璃后凝胶立刻恢复到其原来的高度。

实施例2、

称取常规琼脂糖200mg溶于10mLPBS缓冲溶液中，加热到100℃后冷却到50℃，分别取5mL向其中加入400mg四臂聚乙二醇炔基(如式II所示，其中，n为56，R₁为醚键，R₂为炔基)和400mg四臂羧基叠氮(如式II所示，其中，n为56，R₁为醚键，R₂为叠氮)得到混合溶液1和混合溶液2；分别用双管注射器的一只吸取一种混合溶液，然后注入模具中，待冷却2小时到室温，得到化学-物理双网络水凝胶。

采用不同的模具可以得到不同形状的水凝胶，如图2所示，可以制备三叶草形状和雪花形状的水凝胶。

实施例3、

称取低熔点琼脂糖200mg溶于10mLPBS缓冲溶液中，加热到80℃后冷却到50℃，分别取5mL向其中加入400mg四臂聚乙二醇巯基(如式II所示，其中，n为56，R₁为醚键，R₂为巯基)和400mg四臂聚乙二醇琥珀酰亚胺酯(如式II所示，其中，n为56，R₁为酯键，R₂为琥珀酰亚胺酯)得到混合溶液1和混合溶液2；分别用双管注射器的一只吸取一种混合溶液，然后注入模具中，待冷却4小时到室温，得到化学-物理双网络水凝胶。

将得到的化学-物理双网络水凝胶进行测试，压缩强度为38MPa，压缩形变率为98％以上。凝胶压缩后，在加热到60℃下2小时可恢复至原压缩强度。

实施例4、

称取高强度琼脂糖200mg溶于10mLPBS缓冲溶液中，加热到120℃后冷却到50℃，分别取5mL向其中加入400mg六臂聚乙二醇巯基(如式III所示，其中，n为43，R₁为醚键，R₂为巯基)和400mg六臂聚乙二醇琥珀酰亚胺酯(如式III所示，其中，n为43，R₁为醚键，R₂为琥珀酰亚胺酯)得到混合溶液1和混合溶液2；分别用双管注射器的一只吸取一种混合溶液，然后注入模具中，待冷却1小时到室温，得到化学-物理双网络水凝胶。

将得到的化学-物理双网络水凝胶进行测试，压缩强度为43MPa，压缩形变率为98％以上。凝胶压缩后，在加热到100℃下2小时可恢复至原压缩强度。

实施例5、

称取常规琼脂糖200mg溶于10mL PBS缓冲溶液中，加热到100℃后冷却到50℃，分别取5mL向其中加入400mg六臂聚乙二醇炔基(如式III所示，其中，n为23，R₁为酯键，R₂为炔基)和400mg六臂羧基叠氮(如式III所示，其中，n为23，R₁为醚键，R₂为叠氮)得到混合溶液1和混合溶液2；分别用双管注射器的一只吸取一种混合溶液，然后注入模具中，待冷却2小时到室温，得到化学-物理双网络水凝胶。

将得到的化学-物理双网络水凝胶进行测试，压缩强度为45MPa，压缩形变率为99％以上。凝胶压缩后，在加热到80℃下2小时可恢复至原压缩强度。

实施例6、

称取低熔点琼脂糖200mg溶于10mL PBS缓冲溶液中，加热到80℃后冷却到50℃，分别取5mL向其中加入400mg六臂聚乙二醇巯基(如式III所示，其中，n为23，R₁为醚键，R₂为巯基)和400mg六臂聚乙二醇琥珀酰亚胺酯(如式III所示，其中，n为23，R₁为酯键，R₂为琥珀酰亚胺酯)得到混合溶液1和混合溶液2；分别用双管注射器的一只吸取一种混合溶液，然后注入模具中，待冷却2小时到室温，得到化学-物理双网络水凝胶。

将得到的化学-物理双网络水凝胶进行测试，压缩强度为56MPa，压缩形变率为96％以上。凝胶压缩后，在加热到60℃下2小时可恢复至原压缩强度。

实施例7、

称取高强度琼脂糖200mg溶于10mL PBS缓冲溶液中，加热到120℃后冷却到50℃，分别取5mL向其中加入400mg八臂聚乙二醇巯基(如式IV所示，其中，n为45，R₁为醚键，R₂为巯基)和400mg八臂聚乙二醇琥珀酰亚胺酯(如式IV所示，其中，n为45，R₁为酰胺键，R₂为琥珀酰亚胺酯)得到混合溶液1和混合溶液2；分别用双管注射器的一只吸取一种混合溶液，然后注入模具中，待冷却5小时到室温，得到化学-物理双网络水凝胶。

将得到的化学-物理双网络水凝胶进行测试，压缩强度为43MPa，压缩形变率为98％以上。凝胶压缩后，在加热到100℃下2小时可恢复至原压缩强度。

实施例8、

称取常规琼脂糖200mg溶于10mL PBS缓冲溶液中，加热到100℃后冷却到50℃，分别取5mL向其中加入400mg八臂聚乙二醇炔基(如式IV所示，其中，n为21，R₁为醚键，R₂为炔基)和400mg八臂羧基叠氮(如式IV所示，其中，n为21，R₁为醚键，R₂为叠氮)得到混合溶液1和混合溶液2；分别用双管注射器的一只吸取一种混合溶液，然后注入模具中，待冷却5小时到室温，得到化学-物理双网络水凝胶。

将得到的化学-物理双网络水凝胶进行测试，压缩强度为35MPa，压缩形变率为99％以上。凝胶压缩后，在加热到80℃下2小时可恢复至原压缩强度。

实施例9、

称取低熔点琼脂糖200mg溶于10mL PBS缓冲溶液中，加热到80℃后冷却到50℃，分别取5mL向其中加入400mg八臂聚乙二醇巯基(如式IV所示，其中，n为21，R₁为醚键，R₂为巯基)和400mg八臂聚乙二醇琥珀酰亚胺酯(如式IV所示，其中，n为21，R₁为碳酸酯键，R₂为琥珀酰亚胺酯)得到混合溶液1和混合溶液2；分别用双管注射器的一只吸取一种混合溶液，然后注入模具中，待冷却4小时到室温，得到化学-物理双网络水凝胶。

将得到的化学-物理双网络水凝胶进行测试，压缩强度为46MPa，压缩形变率为97％以上。凝胶压缩后，在加热到60℃下2小时可恢复至原压缩强度。

实施例10、

(1)称取高强度海藻酸钠100mg溶于10mLPBS缓冲溶液中，分别取5mL向其中加入400mg四臂聚乙二醇巯基(如式II所示，其中，n为21，R₁为醚键，R₂为巯基)和400mg四臂聚乙二醇琥珀酰亚胺酯(如式II所示，其中，n为21，R₁为酯键，R₂为琥珀酰亚胺酯)得到混合溶液1和混合溶液2；分别用双管注射器的一只吸取一种混合溶液，然后注入模具中，待冷却4小时到室温，得到第一化学网络水凝胶。

(2)然后将20g氯化钙溶解于100mL的水中，配置成交联剂溶液。将第一化学网络水凝胶浸泡在氯化钙溶液中2小时，凝胶由透明转变为不透明的化学-物理双网络水凝胶。

将得到的化学-物理双网络水凝胶进行测试，压缩强度为53MPa，压缩形变率为98％以上。凝胶压缩后，放置2小时可恢复至原拉伸强度，且凝胶在完全疲劳后放置6小时可完全恢复形状和力学强度。

实施例11、

(1)称取海藻酸钠100mg溶于10mL PBS缓冲溶液中，分别取5mL向其中加入400mg六臂聚乙二醇炔基(如式III所示，其中，n为21，R₁为醚键，R₂为炔基)和400mg六臂聚乙二醇叠氮(如式III所示，其中，n为21，R₁为醚键，R₂为叠氮)得到混合溶液1和混合溶液2；分别用双管注射器的一只吸取一种混合溶液，然后注入模具中，待冷却2小时到室温，得到第一化学网络水凝胶。

(2)然后将20g氯化钙溶解于100mL的水中，配置成交联剂溶液。将第一化学网络水凝胶浸泡在氯化钙溶液中2小时，凝胶由透明转变为不透明的化学-物理双网络水凝胶。

将得到的化学-物理双网络水凝胶进行测试，压缩强度为65MPa，压缩形变率为99％以上。凝胶压缩后，放置5小时可恢复至原拉伸强度，且凝胶在完全疲劳后放置10小时可完全恢复形状和力学强度。

实施例12、

(1)称取海藻酸钠100mg溶于10mLPBS缓冲溶液中，分别取5mL向其中加入400mg八臂聚乙二醇巯基(如式IV所示，其中，n为21，R₁为醚键，R₂为巯基)和400mg八臂聚乙二醇琥珀酰亚胺酯(如式IV所示，其中，n为21，R₁为酯键，R₂为琥珀酰亚胺酯)得到混合溶液1和混合溶液2；分别用双管注射器的一只吸取一种混合溶液，然后注入模具中，待冷却1小时到室温，得到第一化学网络水凝胶。

(2)然后将20g氯化钙溶解于100mL的水中，配置成交联剂溶液。将第一化学网络水凝胶浸泡在氯化钙溶液中2小时，凝胶由透明转变为不透明的化学-物理双网络水凝胶。

将得到的化学-物理双网络水凝胶进行测试，压缩强度为46MPa，压缩形变率为98％以上。凝胶压缩后，放置1小时可恢复至原拉伸强度，且凝胶在完全疲劳后放置6小时可完全恢复形状和力学强度。

实施例13、

(1)称取壳聚糖100mg溶于10mLPBS缓冲溶液中，分别取5mL向其中加入400mg八臂聚乙二醇炔基(如式IV所示，其中，n为21，R₁为醚键，R₂为炔基)和400mg八臂聚乙二醇叠氮(如式IV所示，其中，n为21，R₁为酯键，R₂为叠氮)得到混合溶液1和混合溶液2；分别用双管注射器的一只吸取一种混合溶液，然后注入模具中，待冷却1小时到室温，得到第一化学网络水凝胶。

(2)然后将20g戊二醛溶解于100mL的水中，配置成交联剂溶液。将第一化学网络水凝胶浸泡在戊二醛溶液中2小时，凝胶由透明转变为不透明的化学-化学双网络水凝胶。

将得到的化学-化学双网络水凝胶进行测试，压缩强度为66MPa，压缩形变率为98％以上。凝胶压缩后，放置2小时可恢复至原拉伸强度，且凝胶在完全疲劳后放置4小时可完全恢复形状和力学强度。