一种脲基嘧啶酮改性明胶可注射自愈合水凝胶及其制备方法与流程

本发明属于可注射水凝胶领域，具体涉及一种基于脲基嘧啶酮改性明胶水凝胶及其制备方法。

背景技术：

可注射水凝胶因其独特的物理交联方式，使得其在保持传统水凝胶一系列基本性能的同时，具有可注射性、剪切变稀、原位凝胶等传统水凝胶不具备的优异性能，因而在药物传输、组织修复、生物传感等领域有着极为广阔的应用前景。而传统共价键交联的水凝胶在制备过程中通常会使用到有毒的催化剂、交联单体，会对生物组织、细胞、药物产生损害，因而限制了其在生物领域的应用。此外，由于共价键的不可逆性，使得共价键交联的水凝胶难以可注射并原位凝胶，难以满足现代临床医学对微创手术的需求。

交联方式对于可注射水凝胶的可注射性、原位凝胶性有关键影响。目前，国内外众多学者专注于研究水凝胶的交联方式来制备可用于生物领域的新型可注射水凝胶，其中交联方式主要分为物理交联和化学交联。sawhney等在1993年将乙烯基酰氯与线性peo两端的羟基反应，将双键引入peo分子链中（macromolecules,1993,26:581-587）。由于未交联的peo具有一定的粘度，因此可以通过注射然后引发双键聚合使其凝胶。griffin等首先制备了两种分别含有巯基和双键的可流动性凝胶，然后通过注射混合，使得巯基跟双键发生michael反应，使其化学交联，从而制备出可注射水凝胶（naturematerials,2015,14:737-744）。zhao等同样制备了两种分别具有醛基和氨基的可流动性水凝胶，然后通过注射混合而凝胶（advancedfunctionalmaterials,2015,25:1352-1359）。由于醛基和氨基的席夫碱反应极为迅速，因此可用于快速凝胶的场合。此外，酶催化酚羟基之间的反应，叠氮和炔的点击反应也被研究用来制备可注射水凝胶。通过双重或多重氢键交联方式制备可注射水凝胶的研究亦有很多，刘文广等利用双重氢键制备出可注射高强度水凝胶（adv.mater.,2015,27,3566-3571）。zeng等利用氢键和四级相互作用成功制备出抗生物污损的新型水凝胶（adv.mater.,2015,27:1294-1299）。meijer等利用脲基嘧啶酮（upy）改性peo制备出基于多重氢键交联的可注射水凝胶（j.am.chem.soc.,2014,136:6969-6977）。过去几十年中，多重氢键多被用来研究自修复材料，近年来以氢键交联的水凝胶成为科研工作者关注的焦点。除氢键外，三价铁离子（fe³⁺）与羧基之间的离子相互作用也被用于水凝胶的交联中（j.am.chem.soc.,2008,130:16166-16167）。zhou等利用fe³⁺与羧基之间的离子相互作用以及共价键成功制备了双交联高强度水凝胶（small,2016,12:4386-4392）。

明胶作为一种天然高分子其侧链拥有丰富的氨基、羧基、羟基等官能团，可被用于多种改性和接枝。本发明利用相互作用极强的四重氢键以及fe³⁺与羧基之间的离子相互作用为水凝胶的交联方式，制备具有可注射、自愈合性能的新型双物理交联水凝胶。fe³⁺与羧基之间的离子相互作用虽然被用于制备高强度水凝胶，但用于制备可注射水凝胶的报道却很少。首先将2-（6-异氰酸酯己胺酰胺）-6-甲基-4-[h]-嘧啶酮（upy-nco）通过异氰酸酯与氨基的亲核反应接枝到明胶分子链侧链中，然后将接枝改性后的明胶（gelatin-upy）溶于水中配制成聚合物溶液并保存在37℃，然后将fecl3水溶液与gelatin-upy溶液混合，并通过涡旋混合器混合均匀制备成水凝胶。制备的明胶-upy-fe水凝胶具有良好的自愈合性能，可注射性能（通过装有gelatin-upy溶液和fecl3水溶液的双筒注射器实施），在药物缓释、组织修复等领域有潜在应用。

技术实现要素：

本发明的首要目的在于针对现有自愈合水凝胶的缺点与不足，提供一种新型基于多重氢键和离子相互作用的自愈合、可注射水凝胶。该水凝胶为多重氢键和离子相互作用双物理交联水凝胶，具有优良的自愈合性，可注射性。

本发明目的还在于提供所述水凝胶的制备方法。该方法以明胶作为水凝胶聚合物的主链，侧链中通过亲核反应引入可以通过四重氢键交联的脲基嘧啶酮（upy），得到upy改性明胶；同时，基于明胶主链大量的羧酸基团，向配制好的upy改性明胶中加入三价铁离子形成离子交联，制备出多重氢键和离子相互作用双物理交联水凝胶。

本发明方案通过如下技术方案实现。

一种脲基嘧啶酮改性明胶可注射自愈合水凝胶的制备方法，包括如下步骤：

（1）将明胶在加热及搅拌作用下溶于二甲基亚砜中，得到明胶的二甲基亚砜溶液，再加入2-(6-异氰酸酯己胺酰胺)-6-甲基-4-[h]-嘧啶酮，室温下搅拌进行反应；

（2）在步骤（1）反应结束后的溶液中加入过量沉淀剂，将得到的沉淀产物溶于水中形成透析液并进行透析，冷冻干燥，得到脲基嘧啶酮改性明胶；

（3）将得到的脲基嘧啶酮改性明胶溶于蒸馏水中，得到脲基嘧啶酮改性明胶溶液；将脲基嘧啶酮改性明胶溶液与配制好的fecl3溶液混合，并通过涡旋混合器混合均匀，得到所述脲基嘧啶酮改性明胶可注射自愈合水凝胶。

进一步地，步骤（1）中，所述加热的温度为50~70℃。

进一步地，步骤（1）中，得到的明胶的二甲基亚砜溶液中，明胶的质量浓度为4~8%。

进一步地，步骤（1）中，所述2-(6-异氰酸酯己胺酰胺)-6-甲基-4-[h]-嘧啶酮的质量为明胶质量的3~8%。

进一步地，步骤（1）中，所述反应的时间为8~16小时。

进一步地，步骤（2）中，所述沉淀剂包括乙醇或四氢呋喃。

进一步地，步骤（2）中，所述沉淀剂的体积为步骤（1）反应结束后的溶液体积的7~10倍。

进一步地，步骤（2）中，所述透析液的质量浓度为10~20%。

进一步地，步骤（2）中，所述透析的时间为3~7天，且每隔一天换一次水。

进一步地，步骤（2）中，所述冷冻干燥是将透析得到的水溶液在-18℃冷冻3~7小时，再冷冻干燥24~40小时，优选为24~36小时。

进一步地，步骤（3）中，所述脲基嘧啶酮改性明胶溶解于蒸馏水的溶解温度为30~40℃，优选为37℃。

进一步地，步骤（3）中，所述脲基嘧啶酮改性明胶溶液的质量浓度为20~30%。

进一步地，步骤（3）中，所述fecl3溶液的浓度为8～14mm。

进一步地，步骤（3）中，所述脲基嘧啶酮改性明胶溶液与配制好的fecl3溶液混合的体积比为1：1。

进一步地，步骤（3）中，所述涡旋混合器混合的转速为2000～5000r/min，混合的时间为30～90秒。

进一步地，步骤（3）中，所述混合是在30~40℃下进行。

由上述任一项所述制备方法制得的一种脲基嘧啶酮改性明胶可注射自愈合水凝胶。

上述基于多重氢键和离子相互作用制备的可注射自愈合水凝胶，具有优良的自愈合性和可注射性等；通过流变仪分析得知，制备出的水凝胶的储能模量和损耗模量分别为390pa和55pa，且凝胶经破坏后有良好的自愈合性能。

在本发明中，upy接枝量、聚合物浓度对水凝胶的制备及其自愈合性能有重要影响。upy接枝量的增多，所得水凝胶的自愈合性能增强，但是过多的upy接枝量（接枝量>明胶质量的7%时）也会导致聚合物溶解性下降，从而使得水凝胶强度下降；聚合物浓度的增加使得水凝胶材料的强度提高。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

（1）本发明将upy引入到明胶中制备出基于多重氢键的水凝胶，upy带有两个质子供体和受体并能通过四重氢键形成二聚体；同时，将fe³⁺与羧基的离子相互作用引入到明胶水凝胶中，利用明胶本身具有的丰富的羧基进行离子交联；将离子相互作用和多重氢键相互作用相结合，成功制备出双物理交联自愈合水凝胶，在药物缓释、组织修复等领域具有潜在的应用价值；

（2）本发明制备方法所用原料廉价易得、工艺简单、制备条件温和、成本设备要求较低，易于规模化生产及实际应用，具有良好的应用前景；制备的双物理交联水凝胶自修复性能好、可注射。

附图说明

图1为实施例1制备的水凝胶的应变扫描流变图；

图2为实施例1制备的水凝胶在1000%的大应变破坏后水凝胶储能模量和损耗模量回复流变图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

实施例1

一种脲基嘧啶酮改性明胶可注射自愈合水凝胶的制备，包括如下步骤：

（1）将2.0g明胶在50℃加热搅拌的条件下溶于40ml二甲基亚砜（dmso）中，待明胶完全溶解后，停止加热，将该溶液冷却至室温，称取0.1g2-(6-异氰酸酯己胺酰胺)-6-甲基-4-[h]-嘧啶酮（upy-nco）（明胶质量的5%）加入到该溶液中，室温搅拌反应12小时；

（2）将反应液逐滴滴加到8倍量（体积倍率）的无水乙醇中，使聚合物沉淀，并减压抽滤得到upy改性明胶（gelatin-upy）；将gelatin-upy溶于20ml去离子水中，并加入1000ml去离子水透析3天（每隔一天换一次水），将溶剂dmso除去；透析完成后，将透析后的聚合物溶液放于-18℃的冰箱中冷冻5小时，然后真空干燥36小时，得到纯净的聚合物gelatin-upy；

（3）将纯净的聚合物gelatin-upy在37℃的条件下溶于去离子水中配制成20%的溶液，同时配制10mm的fecl3溶液，将3ml的fecl3溶液加入到等体积的gelatin-upy溶液中，同时用斡旋混合器在2000r/min的转速下混合30秒，制得所述脲基嘧啶酮改性明胶可注射自愈合水凝胶。

图1为制得的水凝胶的应变扫描流变图，由图1可知，得到水凝胶的储能模量（g’）为395pa，损耗模量（g’’）为56pa。

图2为制备的水凝胶在1000%的大应变破坏后水凝胶储能模量和损耗模量回复流变图，由图2可知，在1000%的剪切应变破坏后，储能模量和损耗模量均能恢复到原有值，反映出良好的自愈合性能。

实施例2

一种脲基嘧啶酮改性明胶可注射自愈合水凝胶的制备，包括如下步骤：

（1）将4.0g明胶在60℃加热搅拌的条件下溶于50mldmso中，待明胶完全溶解后，停止加热，将该溶液冷却至室温，称取0.3gupy-nco（明胶质量的7.5%）加入到该溶液中，室温搅拌反应8小时；

（2）将反应液逐滴滴加到8倍量（体积倍率）的无水乙醇中，使聚合物沉淀，并减压抽滤得到改性聚合物gelatin-upy，将gelatin-upy溶于20ml去离子水中，并加入1000ml去离子水透析5天（每隔一天换一次水），将溶剂dmso除去；透析完成后，将透析后的聚合物溶液放于-18℃的冰箱中冷冻5小时，然后真空干燥36小时得到纯净的聚合物gelatin-upy；

（3）将纯净的聚合物gelatin-upy在40℃的条件下溶于去离子水中配制成20%的溶液，同时配制10mm的fecl3溶液，将3ml的fecl3溶液加入到等体积的gelatin-upy溶液中，同时用斡旋混合器在2000r/min的转速下混合30秒，制得所述脲基嘧啶酮改性明胶可注射自愈合水凝胶。

得到水凝胶的储能模量为340pa，损耗模量为48pa；在1000%的剪切应变破坏后，储能模量和损耗模量均能恢复到原有值，反映出良好的自愈合性能。

实施例3

一种脲基嘧啶酮改性明胶可注射自愈合水凝胶的制备，包括如下步骤：

（1）将4.0g明胶在50℃加热搅拌的条件下溶于60mldmso中，待明胶完全溶解后，停止加热，将该溶液冷却至室温，称取0.2gupy-nco（明胶质量的5%）加入到该溶液中，室温搅拌反应12小时；

（2）将反应液逐滴滴加到8倍量（体积倍率）的无水乙醇中，使聚合物沉淀，并减压抽滤得到改性聚合物gelatin-upy，将gelatin-upy溶于40ml去离子水中，并加入1000ml去离子水透析6天（每隔一天换一次水），将溶剂dmso除去；透析完成后，将透析后的聚合物溶液放于-18℃的冰箱中冷冻6小时，然后真空干燥36小时得到纯净的聚合物gelatin-upy；

（3）将纯净的聚合物gelatin-upy在37℃的条件下溶于去离子水中配制成20%的溶液，同时配制10mm的fecl3溶液，将3ml的fecl3溶液加入到等体积的gelatin-upy溶液中，同时用斡旋混合器在2000r/min的转速下混合40秒，制得所述脲基嘧啶酮改性明胶可注射自愈合水凝胶。

得到水凝胶的储能模量为400pa，损耗模量为58pa；在1000%的剪切应变破坏后，储能模量和损耗模量均能恢复到原有值，反映出良好的自愈合性能。

实施例4

一种脲基嘧啶酮改性明胶可注射自愈合水凝胶的制备，包括如下步骤：

（1）将2.0g明胶在50℃加热搅拌的条件下溶于40mldmso中，待明胶完全溶解后，停止加热，将该溶液冷却至室温，称取0.1gupy-nco（明胶质量的5%）加入到该溶液中，室温搅拌反应8小时；

（2）将反应液逐滴滴加到9倍量（体积倍率）的四氢呋喃中，使聚合物沉淀，并减压抽滤得到改性聚合物gelatin-upy，将gelatin-upy溶于20ml去离子水中，并加入1000ml去离子水透析7天（每隔一天换一次水），将溶剂dmso除去；透析完成后，将透析后的聚合物溶液放于-18℃的冰箱中冷冻7小时，然后真空干燥40小时得到纯净的聚合物gelatin-upy；

（3）将gelatin-upy在40℃的条件下溶于去离子水中配制成25%的溶液，同时配制10mm的fecl3溶液，将3ml的fecl3溶液加入到等体积的gelatin-upy溶液中，同时用斡旋混合器在4000r/min的转速下混合30秒，制得所述脲基嘧啶酮改性明胶可注射自愈合水凝胶。

得到水凝胶的储能模量为430pa，损耗模量为60pa；在1000%的剪切应变破坏后，储能模量和损耗模量均能恢复到原有值，反映出良好的自愈合性能。

实施例5

一种脲基嘧啶酮改性明胶可注射自愈合水凝胶的制备，包括如下步骤：

（1）将2.0g明胶在70℃加热搅拌的条件下溶于40mldmso中，待明胶完全溶解后，停止加热，将该溶液冷却至室温，称取0.1gupy-nco（明胶质量的5%）加入到该溶液中，室温搅拌反应12小时；

（2）将反应液逐滴滴加到8倍量（体积倍率）的无水乙醇中，使聚合物沉淀，并减压抽滤得到改性聚合物gelatin-upy，将明gelatin-upy溶于20ml去离子水中，并加入1000ml去离子水透析5天（每隔一天换一次水），将溶剂dmso除去；透析完成后，将透析后的聚合物溶液放于-18℃的冰箱中冷冻5小时，然后真空干燥36小时得到纯净的聚合物gelatin-upy；

（3）将gelatin-upy在37℃的条件下溶于去离子水中配制成20%的溶液，同时配制12mm的fecl3溶液，将3ml的fecl3溶液加入到等体积的gelatin-upy溶液中，同时用斡旋混合器在2000r/min的转速下混合90秒，制得所述脲基嘧啶酮改性明胶可注射自愈合水凝胶。

得到水凝胶的储能模量为395pa，损耗模量为48pa；在1000%的剪切应变破坏后，储能模量和损耗模量均能恢复到原有值，反映出良好的自愈合性能。

实施例6

一种脲基嘧啶酮改性明胶可注射自愈合水凝胶的制备，包括如下步骤：

（1）将2.0g明胶在60℃加热搅拌的条件下溶于40mldmso中，待明胶完全溶解后，停止加热，将该溶液冷却至室温，称取0.14gupy-nco（明胶质量的7%）加入到该溶液中，室温搅拌反应12小时；

（2）将反应液逐滴滴加到9倍量（体积倍率）的四氢呋喃中，使聚合物沉淀，并减压抽滤得到改性聚合物gelatin-upy，将gelatin-upy溶于20ml去离子水中，并加入1000ml去离子水透析3天（每隔一天换一次水），将溶剂dmso除去；透析完成后，将透析后的聚合物溶液放于-18℃的冰箱中冷冻5小时，然后真空干燥36小时得到纯净的聚合物gelatin-upy；

（3）将gelatin-upy在37℃的条件下溶于去离子水中配制成24%的溶液，同时配制8mm的fecl3溶液，将3ml的fecl3溶液加入到等体积的gelatin-upy溶液中，同时用斡旋混合器在4000r/min的转速下混合30秒，制得所述脲基嘧啶酮改性明胶可注射自愈合水凝胶。

得到水凝胶的储能模量为355pa，损耗模量为46pa；在1000%的剪切应变破坏后，储能模量和损耗模量均能恢复到原有值，反映出良好的自愈合性能。