一种高强度可降解水凝胶及其制备方法与流程

本发明属于水凝胶技术领域，更加具体地说，涉及一种高强度可降解水凝胶的制备，具体为一种n-丙烯酰甘氨酸-甲基丙烯酰化明胶(p(acg/gelma))水凝胶的制备，该水凝胶利用甲基丙烯酰化明胶交联聚n-丙烯酰甘氨酸，综合了甲基丙烯酰化明胶的可降解性和聚n-丙烯酰甘氨酸水凝胶的高强度，该凝胶同时具有高强特性和可降解性。

背景技术：

在过去的十年间，得益于如双网络水凝胶、纳米复合水凝胶、超分子水凝胶等高强水凝胶体系的快速发展，水凝胶已不仅仅限于是一种“软而湿”的材料。同时，由于高强水凝胶仍然保有水凝胶含水量高的特性，也就是说高强度水凝胶与传统水凝胶相同可在药物和细胞传递时提供有益的富水环境，这使高强度水凝胶在组织工程方面的应用仍然保有一定的优势。(gkioni,k.；leeuwenburgh,s.c.g.；douglas,t.e.l.；mikos,a.g.；jansen,j.a.mineralizationofhydrogelsforboneregeneration.tissueeng.,partb,2010,16,577-585.)不仅如此，由于对高强水凝胶研究的不断深入，水凝胶在硬组织修复方面的应用已经实现。(xu,b.；zheng,p.；gao,f.；wang,w.；zhang,h.；zhang,x.；feng,x.；liu.w.amineralizedhighstrengthandtoughhydrogelforskullboneregeneration.adv.funct.mater.,2017,27,1604327.)然而，高强水凝胶一般被应用于支撑材料，其不可降解性极大地限制了其细胞或药物传递的有效性。因此，不可降解性在某种程度上限制了高强水凝胶在组织工程方面的应用。

不久前，我们通过合成并聚合一种侧链上有一个氨基和一个羧基的单体n-丙烯酰甘氨酸(acg)，制备了聚n-丙烯酰甘氨酸(pacg)超分子水凝胶。(gao,f.；zhang,y.；li,y.；xu,b.；cao,z.；liu,w.seacucumber-inspiredautolytichydrogelsexhibitingtunablehighmechanicalperformances,repairability,andreusability.acsappl.mater.interfaces,2016,8,8956-8966.)由于在不同ph值下pacg水凝胶中存在羧基氢键动态的形成与破坏过程，pacg水凝胶在酸性条件下可形成稳定且高强的水凝胶网络，在中性或碱性条件下可缓慢解离。然而，由于其降解性和高强性无法在同一条件下实现，因此严格来说，pacg水凝胶并不是真正意义上的高强可降解水凝胶。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高强度可降解水凝胶及其制备方法，以n-丙烯酰甘氨酸为主体的高强可降解水凝胶，具体为n-丙烯酰甘氨酸-甲基丙烯酰化明胶(p(acg/gelma))水凝胶，该材料同时拥有高强特性和可降解性，即利用甲基丙烯酰化明胶(gelma)交联n-丙烯酰甘氨酸(acg)可形成高强且可降解的水凝胶。单纯acg聚合物容易在水中和/或碱性条件进行解离或者降解，但在本发明中两者共聚之后的水凝胶在碱性条件下(接近人体体内环境的ph值条件下，如7—8)稳定存在并保持水凝胶形状，表现出达到mpa的拉伸和压缩强度，且表现出持续缓慢降解。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：

一种高强度可降解水凝胶及其制备方法，将单体n-丙烯酰甘氨酸、甲基丙烯酰化明胶以及引发剂均匀分散在水中，而后在无氧条件下通过引发剂的作用引发n-丙烯酰甘氨酸和甲基丙烯酰化明胶上的碳碳不饱和键进行自由基聚合反应，以实现单体n-丙烯酰甘氨酸和甲基丙烯酰化明胶的共聚，形成具有高强特性和可降解性的水凝胶。

在上述技术方案中，n-丙烯酰甘氨酸和甲基丙烯酰化明胶的质量比为(10—15)：1，优选(10—12)：1。

在上述技术方案中，固含量为20—30％，优选20—25％，固含量为两种单体n-丙烯酰甘氨酸和甲基丙烯酰化明胶的质量之和/(两种单体和水的质量之和)。

在上述技术方案中，n-丙烯酰甘氨酸(acg)是一种侧基上含有一个氨基和一个羧基的单体，一方面可在聚合后形成氢键，另一方面可在钙离子作用下形成离子交联网络，甲基丙烯酰化明胶(gelma)是一种带有甲基丙烯酰基的单体，可化学交联聚合物，稳定聚合物网络。由于明胶的胶原酶可降解性和甲基丙烯酰基的可聚合性，甲基丙烯酰化明胶(gelma)可在引发剂的作用下化学交联聚合物同时可在胶原酶作用下降解。

上述水凝胶的制备方法中，引发剂用量为两种单体质量之和的1％—5％，优选1—3％，可选用如偶氮二异丁腈(abin)、过氧化苯甲酰(bpo)等热引发剂，也可选用如1-[4-(2-羟乙氧基)-亚苯基]-2-羟基-2′,2′-二甲基乙酮(irgacure2959)、甲基乙烯基酮、安息香等光引发剂。但需要注意的是，若选用热引发剂，为避免阻聚作用，必须在反应体系中通入惰性气体以去除氧气，同时为使引发剂能够长时间产生足够多的自由基，使引发反应体系持续发生自由基聚合反应，必须将反应体系加热到所用引发剂的引发温度之上并保持1h以上或者更长(1-5h)时间；若选用光引发剂，则必须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，照射时间可选用20分钟或者更长(30min-1h)。

与现有技术相比，本发明提供的一种高强可降解水凝胶是以n-丙烯酰甘氨酸和甲基丙烯酰化明胶为原料，在引发剂存在条件下共聚制成。由于凝胶网络中存在n-丙烯酰甘氨酸分子间氢键形成的物理交联作用和甲基丙烯酰化明胶的化学交联作用，这种水凝胶具有良好的力学性能。同时，由于甲基丙烯酰化明胶可在胶原酶的作用下降解，且聚n-丙烯酰甘氨酸可在中性或碱性条件下解离，这种水凝胶可在胶原酶溶液中降解。

附图说明

图1是本发明的p(acg/gelma)水凝胶的红外谱图。

图2是本发明的p(acg/gelma)水凝胶在不同条件下的平衡含水量。

图3是本发明的p(acg/gelma)水凝胶在不同条件下的扫描电镜照片。

图4是本发明的p(acg/gelma)水凝胶的降解过程测试曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。本发明实施例中使用药品和仪器均为市售的常规药品和设备，n-丙烯酰甘氨酸(acg)是以丙烯酰氯和甘氨酸为原料依据参考文献制备，这里不再赘述，可具体参考文献gao,f.；zhang,y.；li,y.；xu,b.；cao,z.；liu,w.seacucumber-inspiredautolytichydrogelsexhibitingtunablehighmechanicalperformances,repairability,andreusability.acsappl.mater.interfaces,2016,8,8956-8966。甲基丙烯酰化明胶是以甲基丙烯酸酐和明胶为原料进行制备，依据参考文献(resmi,r.；unnikrishnan,s.；krishnan,l.k.；krishnan,v.k.synthesisandcharacterizationofsilvernanoparticleincorporatedgelatin-hydroxypropylmethacrylatehydrogelsforwounddressingapplications.j.appl.polym.sci.2017,134,44529)制备，通过对明胶进行化学改性得到甲基丙烯酰化明胶(gelma)。

将单体n-丙烯酰甘氨酸(230.8mg)，甲基丙烯酰化明胶(19.2mg)加入到4ml离心管中，用750μl的去离子水于40℃水浴中完全溶解后加入2.5μl光引发剂irgacure-1173(2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮,98％,sigma)。而后，将含有单体和引发剂的溶剂注入模具中(内径1mm，外径1.8mm)，在紫外固化箱(xl-1000uv，spectronicscorporation)中照射40min充分引发自由基聚合。聚合完成后，将凝胶从模具中取出后用去离子水反复冲洗以去除其中未反应的单体和杂质。将得到的水凝胶置于去离子水中直至溶胀平衡。

利用傅里叶变换红外光谱仪(ftir,spectrum100ftirspectrometer,perkinelmerinc.,usa)测定干燥的p(acg/gelma)水凝胶粉末。1542cm^-1、1647cm^-1和1730cm^-1处的特征峰分别为聚n-丙烯酰甘氨酸中氨基的n-h弯曲振动特征吸收峰和氨基和羧基中c＝o拉伸振动特征吸收峰，详见说明书附图1。

为测定上述水凝胶在酸性、碱性、pbs以及钙离子溶液中的溶胀情况，将上述水凝胶分别浸入ph＝3的酸性(水)溶液、ph＝8的碱性(水)溶液、ph＝7.4的pbs(水)溶液以及0.5m的氯化钙水溶液中直至溶胀平衡，测定水凝胶的平衡含水量，其中溶液ph由氯化氢水溶液和氢氧化钠水溶液调节。将达到溶胀平衡的水凝胶表面的水分吸去，称重，得到水凝胶的湿重(wwet)。而后，将水凝胶在65℃烘箱中烘干24小时以上后测量水凝胶的干重(wdry)。最终，水凝胶的平衡含水量(ewc)通过下式计算：

由数据可见，水凝胶在ph＝8以下的条件下可维持形状，详见说明书附图2。

将上述在不同条件下溶胀平衡的p(acg/gelma)水凝胶在液氨中骤冷后冻干，利用场发射扫描电子显微镜(fe-sem,s4800,hitachiltd.,japan)对凝胶表面形貌进行观察。可见随着ph值上升，水凝胶的尺寸以及孔洞尺寸上升，详见说明书附图3。

用于压缩性能测试的样品的尺寸为直径4mm，高6mm，压缩速率为10mmmin^-1。用于拉伸性能测试的样品的尺寸为长10mm，宽2mm，厚度0.5mm，拉伸速率为50mmmin^-1。测试结果表明，水凝胶表现出了良好的力学性能，详见下表所示，经测试复合水凝胶的拉伸强度为0.75—0.8mpa，压缩强度为4.8—5.6mpa。

将提前冻干称重的水凝胶浸入4mlpbs溶液(ph值为7.4)中，恒温37℃下向其中加入60μl浓度为1mgml^-1的胶原酶水溶液，胶原酶水溶液的配制参考文献liu,y.；yang,j.；zhang,p.；liu,c.；wang,w.；liu,w.znoquantumdotsembeddedcollagen/polyanioncompositehydrogelswithintegratedfunctionsofdegradationtracking/inhibitionandgenedelivery.j.mater.chem.,2012,22,512-519。而后在一定时间点取出水凝胶，冻干并测定其重量。水凝胶的剩余质量百分比由wt/wo×100％计算，其中wt为各时间点是水凝胶的质量，wo为水凝胶的初始重量。可见水凝胶在溶液中缓慢降解，降解过程持续6周，详见说明书附图4。

在本发明中两种单体共聚之后的水凝胶在碱性条件下(接近人体体内环境的ph值条件下，如7—8)稳定存在并保持水凝胶形状，表现出达到mpa的拉伸和压缩强度，且表现出持续缓慢降解性能，即本发明的水凝胶在制备生物材料中的应用。

根据本发明内容记载的工艺参数进行制备方法的调整，均可实现p(acg/gelma)水凝胶的制备，且表现出与实施例基本一致的性能。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。