CN101805465A - 一种光交联纳米水凝胶及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种光交联纳米水凝胶，其有效组成为紫外光引发叠氮基交联的羧甲基壳聚糖衍生物，其由以下方法制成：取羧甲基壳聚糖的水溶液，按照羧甲基壳聚糖的糖单元与4-叠氮苯甲醛的摩尔比为1∶(0.01～10)加入4-叠氮苯甲醛的有机溶液，于0～30℃避光搅拌混合均匀，在反应生成可光交联的羧甲基壳聚糖两亲性聚合物的同时，该两亲性聚合物会随即自组装成可光交联的纳米粒混合溶液；然后，该纳米粒混合溶液经紫外光辐射引发叠氮基交联，即可。本发明工艺简单，容易操作，不仅通过羧基耦合靶分子或靶分子衍生物可获得光交联的靶向纳米凝胶，而且其在组织工程、生物医学置入物、生物纳米技术和药物传递系统等领域有着潜在的应用价值。

Description

一种光交联纳米水凝胶及其制备方法
技术领域
本发明涉及凝胶材料，特别是涉及一种光交联纳米水凝胶的制备方法。
背景技术
纳米凝胶是一种尺寸介于10～1000纳米的微凝胶。它不仅具有水含量高，生物相容性好和可调节的化学和机械性能，而且高的比表面积可藕合生物大分子，交联网络可包覆治疗分子，可调节的粒径尺寸利于调节其体内分布。这些特性导致纳米水凝胶在组织工程，生物医学置入物，生物纳米技术和药物传递系统有着广泛的应用潜力。纳米凝胶的制备方法虽然比较多，而且不同的方法产生不同粒径和表面结构的凝胶，从而导致不同的用途，但归纳起来，仍可分为物理和化学两种方法。物理方法是利用亲水性合成高分子或天然高分子在交联剂的存在下通过物理方式(如搅拌、超声等方式)作用使分子自聚集或粒子分散获得纳米凝胶。化学法一般是在功能交联剂的存在下采用亲水性或水溶性单体进行非均相聚合制备。
壳聚糖是一种无毒、可生物降解的天然高分子化合物。壳聚糖制成的载药纳米粒，可使大分子顺利通过上皮组织，促进药物的渗透吸收，适当的表面修饰使它对特定器官或病灶具有靶向作用；可延长药物在体内的循环时间，有效地提高药物的利用度，减少副作用[2]。壳聚糖纳米粒还具有缓释、控释、靶向等特点，可降低药物的不良反应，增加药物吸收，提高药物的稳定性和生物利用度等。目前壳聚糖纳米水凝胶的制备方法，有化学交联法和物理交联法两种。化学交联法采用的交联剂，有二元羧酸，或多元羧酸及戊二醛等。如文献(Biomacromolecules，2006；7：3030-6；Angew Chem Int Ed，2007；46：7104-7.)报道了壳聚糖纳米凝胶的制备，分别引入聚乙二醇二羧甲基醚和乙二胺四乙酸为交联剂，在碳二亚胺的催化作用下发生羧胺脱水交联反应制得粒径分别为4～24nm和70～80nm的纳米凝胶。文献(JControl Release，2001；74：317-23.)采用了戊二醛为交联剂，制得了粒径大约为100nm的壳聚糖纳米凝胶。物理交联法制备壳聚糖纳米水凝胶所用的交联剂有各种聚电解质，如聚乙烯亚胺(J Control Release 2007；121：200-7)，三聚磷酸钠(Int J Pharm 2002；249：165-74；Int J Pharm2000；201：51-8；Int J Pharm，2003；250：215-26)，阳离子聚电解质(J Polym Sci PartAPolymChem 2009；47：2105-17)等。
羧甲基壳聚糖(CMCS)是壳聚糖的衍生物，是一种两性聚电解质，具有良好的水溶性、生物相容性和可生物降解性，被广泛用于医药载体方面，是近年来研究较多的壳聚糖衍生物之一。壳聚糖中引入羧基在改善壳聚糖的水溶性的同时可耦合生物细胞靶向基团，使羧甲基壳聚糖成为制备纳米水凝胶的极好原材料。然而，相对于壳聚糖，羧甲基壳聚糖纳米水凝胶的制备却尚未见报道。
上述化学交联法制备壳聚糖纳米水凝胶的主要缺陷在于：
(1)对带有胺基的药物或活性分子不能实现原位载药，因为交联剂很容易与药物或活性分子上的胺基发生化学反应。
(2)制备工艺较复杂，有毒的交联剂如戊二醛必须通过透析等方法去除。
(3)采用了价格较高的碳二亚胺做活化剂，增加了成本。
物理交联法虽然可避免化学交联法的一些缺陷，但其稳定性尤其是在人体内部环境中的稳定性不如化学交联法，这会导致纳米凝胶过早破裂，药物或活性剂提前释放。另外，物理交联法获得的纳米凝胶粒径分布较宽，且容易聚集。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：为了解决现有技术中存在的问题，提供一种新型的光交联纳米水凝胶的制备方法，该方法不仅工艺简单，容易操作，而且制备的纳米水凝胶结构均匀，可以实现原位载药，在组织工程，生物医学置入物，生物纳米技术和药物传递系统等领域有着广泛的应用潜力。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
本发明提供的光交联纳米水凝胶，其有效组成为紫外光引发叠氮基交联的羧甲基壳聚糖衍生物，该凝胶由以下方法制成：取羧甲基壳聚糖的水溶液，按照羧甲基壳聚糖的糖单元与4-叠氮苯甲醛的摩尔比为1∶(0.01～10)加入4-叠氮苯甲醛的有机溶液，于0～30℃避光搅拌混合均匀，在反应生成可光交联的羧甲基壳聚糖两亲性聚合物的同时，该两亲性聚合物会随即自组装成可光交联的纳米粒混合溶液；然后，该纳米粒混合溶液经紫外光辐射引发叠氮基交联，即得所述光交联纳米水凝胶。
所述的羧甲基壳聚糖水溶液的重量百分比浓度不大于5％，其中优选浓度为1％～0.01％。
所述4-叠氮苯甲醛的有机溶液可以是乙醇、丙酮或二甲基甲酰胺单组份溶剂的溶液。
所述4-叠氮苯甲醛的有机溶液可以是乙醇与丙酮组成的多组分溶剂的混合溶液，二者重量配比为任意比例。
所述4-叠氮苯甲醛的有机溶液可以是乙醇与二甲基甲酰胺组成的多组分溶剂的混合溶液，二者重量配比为任意比例。
所述的4-叠氮苯甲醛的有机溶液的重量百分比浓度为1％～85％。
本发明提供的上述光交联纳米水凝胶，其用于组织工程、生物医学置入物、生物纳米技术或药物传递系统领域。
本发明采用以下方法制备光交联纳米水凝胶，其步骤包括：
(1)羧甲基壳聚糖的水溶液的制备：将羧甲基取代度为0.1～1.8的羧甲基壳聚糖加入到水中，然后于室温下搅拌均匀；
(2)可光交联的羧甲基壳聚糖纳米粒混合溶液的制备：取羧甲基壳聚糖的水溶液，按照羧甲基壳聚糖的糖单元与4-叠氮苯甲醛的摩尔比为1∶(0.01～10)加入4-叠氮苯甲醛的有机溶液，于0～30℃避光搅拌混合均匀，在反应生成可光交联的羧甲基壳聚糖两亲性聚合物的同时，获得的两亲性聚合物会随即自组装成纳米粒的混合溶液；
(3)光交联纳米水凝胶的制备：将可光交联的羧甲基壳聚糖纳米粒混合溶液经紫外光辐射引发叠氮基交联，即得所述光交联纳米水凝胶；所述的紫外光的波长是200～400nm。
本发明所制备的光交联纳米水凝胶，其用于制备光交联的靶向纳米凝胶；或者，通过上述步骤(1)和(2)制备的可光交联的纳米粒表面羧基耦合靶分子或靶分子衍生物，然后紫外光辐射引发叠氮基交联获得光交联的靶向纳米凝胶。
所述靶分子或靶分子衍生物可以是特异性的配体，或高度特异性抗体，或者是至少一种特异性的配体与至少一种高度特异性抗体。
所述特异性的配体为：叶酸及其衍生物、转铁蛋白、麦胚凝集素、半乳糖及其衍生物、甘露糖及其衍生物中的一种。
所述高度特异性抗体为：肺内皮细胞抗体34A、急性髓系白血病细胞CD33抗体、抗人表皮生长因子受体2的单克隆抗体Mabs或抗B细胞淋巴瘤的单克隆抗体LL2。
本发明采用无毒、可生降解且水溶性良好的羧甲基壳聚糖与光交联剂4-叠氮苯甲醛在室温或室温以下反应生成可光交联的羧甲基壳聚糖，然后，该混合溶液经紫外光辐射引发叠氮基交联制得光交联纳米水凝胶，其与现有技术相比具有以下的主要优点：
(1)在纳米粒形成之前，羧甲基壳聚糖与光交联剂4-叠氮苯甲醛通过充分混合，能发生反应生成可光交联的羧甲基壳聚糖，避免了纳米粒形成后加入交联剂导致的交联不均匀或不完全。
(2)在光交联反应发生之前，通过室温搅拌或超声处理，可光交联的羧甲基壳聚糖可自组装形成纳米粒，不需要加入乳化剂等其他其他物质。
(3)通过紫外光引发交联能锁定交联前纳米粒的形态，获得的纳米水凝胶不仅具有均匀的形态结构，而且具有很高的稳定性。
(4)采用这种光交联方式可以在制备过程中实现药物或活性物质的原位负载，方便剂型成型，作为药物或活性物质的缓控释载体具有潜在的应用价值；而且整个制备过程可在室温或室温以下进行，非常适合热不稳定药物的负载与剂型的成型。
(5)纳米凝胶表面的羧基通过耦合靶分子或靶分子衍生物，可获得光交联的靶向纳米凝胶。
(6)工艺简单，容易操作，适于工业化生产。
附图说明
图1为本发明制备的光交联后的纳米水凝胶的透射电镜图。
图2为本发明制备的光交联前的纳米粒的透射电镜图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1：
将羧甲基取代度为0.8、重量百分比浓度为0.05％的羧甲基壳聚糖水溶液与光交联剂4-叠氮苯甲醛的乙醇溶液按照摩尔比(羧甲基壳聚糖的糖单元与4-叠氮苯甲醛的摩尔比)为1∶1.2于室温下避光搅拌混合均匀，获得平均粒径为150nm可光交联的羧甲基壳聚糖纳米粒混合溶液(图2)。然后，该混合溶液经紫外灯光(20w，253.7nm)辐射引发叠氮基交联、透析去除乙醇即得平均粒径为218nm光交联纳米水凝胶(图1)。
实施例2：
将羧甲基取代度为1.0、重量百分比浓度为0.01％的羧甲基壳聚糖水溶液与光交联剂4-叠氮苯甲醛的乙醇按照摩尔比(羧甲基壳聚糖的糖单元与4-叠氮苯甲醛的摩尔比)为1∶1.0于室温下避光搅拌混合均匀，获得平均粒径为175nm可光交联的羧甲基壳聚糖纳米粒混合溶液。然后，该混合溶液经紫外灯光(20w，253.7nm)辐射引发叠氮基交联、透析去除乙醇即得平均粒径为245nm光交联纳米水凝胶。
实施例3：
将羧甲基取代度为1.2、重量百分比浓度为0.08％的羧甲基壳聚糖水溶液与光交联剂4-叠氮苯甲醛的乙醇按照摩尔比(羧甲基壳聚糖的糖单元与4-叠氮苯甲醛的摩尔比)为1∶0.8于室温下避光搅拌混合均匀，获得平均粒径为192nm可光交联的羧甲基壳聚糖纳米混合溶液。然后，该混合溶液经紫外灯光(20w，253.7nm)辐射引发叠氮基交联、透析去除乙醇即得平均粒径为256nm光交联纳米水凝胶。
实施例4：
将羧甲基取代度为1.0、重量百分比浓度为0.2％的羧甲基壳聚糖水溶液与光交联剂4-叠氮苯甲醛的N，N-二甲基甲酰溶液按照摩尔比(羧甲基壳聚糖的糖单元与4-叠氮苯甲醛的摩尔比)为1∶0.05混合均匀，获得平均粒径为158nm可光交联的羧甲基壳聚糖纳米混合溶液。然后，该混合溶液经紫外灯光(20w，253.7nm)辐射引发叠氮基交联、透析去除N，N-二甲基甲酰即得平均粒径为220nm光交联纳米水凝胶。
实施例5：
将羧甲基取代度为1.0、重量百分比浓度为0.05％的羧甲基壳聚糖水溶液与光交联剂4-叠氮苯甲醛的乙醇∶丙酮(体积比1∶1)的混合溶液按照摩尔比(羧甲基壳聚糖的糖单元与4-叠氮苯甲醛的摩尔比)为1∶0.8混合均匀，获得平均粒径为160nm可光交联的羧甲基壳聚糖纳米混合溶液。然后，该混合溶液经紫外灯光(20w，253.7nm)辐射引发叠氮基交联、透析去除乙醇和丙酮即得平均粒径为225nm光交联纳米水凝胶。
实施例6：
将羧甲基取代度为1.0、重量百分比浓度为0.05％的羧甲基壳聚糖水溶液与光交联剂4-叠氮苯甲醛的乙醇溶液按照摩尔比(羧甲基壳聚糖的糖单元与4-叠氮苯甲醛的摩尔比)为1∶0.05混合均匀，获得平均粒径为172nm可光交联的羧甲基壳聚糖纳米混合溶液。将此混合溶液加入γ-羧基乙二胺化叶酸和1-乙基-3-(3-二甲胺丙基)碳二亚胺反应12h，其中，γ-羧基乙二胺化叶酸与羧甲基的摩尔比尔为1∶1，未反应的胺化叶酸透析除去，即得叶酸化的羧甲基壳聚糖纳米混合溶液。然后，该混合溶液经紫外灯光(20w，253.7nm)辐射引发叠氮基交联即得平均粒径为220nm叶酸化的光交联靶向纳米水凝胶。
实施例7：
将羧甲基取代度为1.0、重量百分比浓度为0.01％的羧甲基壳聚糖水溶液与光交联剂4-叠氮苯甲醛的N，N-二甲基甲酰溶液按照摩尔比(羧甲基壳聚糖的糖单元与4-叠氮苯甲醛的摩尔比)为1∶0.5混合均匀，获得平均粒径为168nm可光交联的羧甲基壳聚糖纳米混合溶液。该混合溶液经紫外灯光(20w，253.7nm)辐射引发叠氮基交联即得平均粒径为230nm光交联纳米水凝胶。将此纳米水凝胶溶液加入γ-羧基乙二胺化叶酸和1-乙基-3-(3-二甲胺丙基)碳二亚胺反应12h，其中，γ-羧基乙二胺化叶酸与羧甲基的摩尔比尔为1∶1，未反应的胺化叶酸透析除去，即得平均粒径为224nm叶酸化的光交联靶向纳米水凝胶。
实施例8：
将羧甲基取代度为1.0、重量百分比浓度为0.05％的羧甲基壳聚糖水溶液与光交联剂4-叠氮苯甲醛的N，N-二甲基甲酰溶液按照摩尔比(羧甲基壳聚糖的糖单元与4-叠氮苯甲醛的摩尔比)为1∶0.05混合均匀，获得平均粒径为156nm可光交联的羧甲基壳聚糖纳米混合溶液。将此混合溶液加入急性髓系白血病细胞CD33抗体和1-乙基-3-(3-二甲胺丙基)碳二亚胺反应12h，其中，CD33抗体与羧甲基的摩尔比尔为1∶1，即得平均粒径为220nm表面CD33抗体化的羧甲基壳聚糖纳米混合溶液。然后，该混合溶液经紫外灯光(20w，253.7nm)辐射引发叠氮基交联即得平均粒径为212nm表面CD33抗体化的光交联靶向纳米水凝胶。
实施例9：
将羧甲基取代度为1.0、重量百分比浓度为0.04％的羧甲基壳聚糖水溶液与光交联剂4-叠氮苯甲醛的N，N-二甲基甲酰溶液按照摩尔比(羧甲基壳聚糖的糖单元与4-叠氮苯甲醛的摩尔比)为1∶0.5混合均匀，获得平均粒径为165nm可光交联的羧甲基壳聚糖纳米混合溶液。该混合溶液经紫外灯光(20w，253.7nm)辐射引发叠氮基交联即得平均粒径为250nm光交联纳米水凝胶。将此纳米水凝胶溶液加入急性髓系白血病细胞CD33抗体和1-乙基-3-(3-二甲胺丙基)碳二亚胺反应12h，其中，CD33抗体与羧甲基的摩尔比尔为1∶1，即得平均粒径为242nm表面CD33抗体化的光交联靶向纳米水凝胶。
图1和图2分别显示了上述实施例1中所制备的光交联后与光交联前的光交联靶向纳米水凝胶的透射电镜图。

Claims (10)

1.一种光交联纳米水凝胶，其特征是该凝胶的有效组成为紫外光引发叠氮基交联的羧甲基壳聚糖衍生物，该凝胶由以下方法制成：取羧甲基壳聚糖的水溶液，按照羧甲基壳聚糖的糖单元与4-叠氮苯甲醛的摩尔比为1∶(0.01～10)加入4-叠氮苯甲醛的有机溶液，于0～30℃避光搅拌混合均匀，在反应生成可光交联的羧甲基壳聚糖两亲性聚合物的同时，该两亲性聚合物会随即自组装成可光交联的纳米粒混合溶液；然后，该纳米粒混合溶液经紫外光辐射引发叠氮基交联，即得所述光交联纳米水凝胶。
2.根据权利要求1所述的光交联纳米水凝胶，其特征在于所述的羧甲基壳聚糖水溶液的重量百分比浓度不大于5％，其中优选浓度为1％～0.01％。
3.根据权利要求1所述的光交联纳米水凝胶，其特征在于所述4-叠氮苯甲醛的有机溶液是乙醇、丙酮或二甲基甲酰胺单组份溶剂的溶液。
4.根据权利要求1所述的光交联纳米水凝胶，其特征在于所述4-叠氮苯甲醛的有机溶液是乙醇与丙酮组成的多组分溶剂的混合溶液，二者重量配比为任意比例。
5.根据权利要求1所述的光交联纳米水凝胶，其特征在于所述4-叠氮苯甲醛的有机溶液是乙醇与二甲基甲酰胺组成的多组分溶剂的混合溶液，二者重量配比为任意比例。
6.根据权利要求1所述的光交联纳米水凝胶，其特征在于所述的4-叠氮苯甲醛的有机溶液的重量百分比浓度为1％～85％。
7.一种光交联纳米水凝胶的制备方法，其特征是采用以下方法制备光交联纳米水凝胶，其步骤包括：
(1)羧甲基壳聚糖的水溶液的制备：将羧甲基取代度为0.1～1.8的羧甲基壳聚糖加入到水中，然后于室温下搅拌均匀；
(2)可光交联的羧甲基壳聚糖纳米粒混合溶液的制备：取羧甲基壳聚糖的水溶液，按照羧甲基壳聚糖的糖单元与4-叠氮苯甲醛的摩尔比为1∶(0.01～10)加入4-叠氮苯甲醛的有机溶液，于0～30℃避光搅拌混合均匀，在反应生成可光交联的羧甲基壳聚糖两亲性聚合物的同时，获得的两亲性聚合物会随即自组装成纳米粒的混合溶液；
(3)光交联纳米水凝胶的制备：将可光交联的羧甲基壳聚糖纳米粒混合溶液经紫外光辐射引发叠氮基交联，即得所述光交联纳米水凝胶；所述的紫外光的波长是200～400nm。
8.一种光交联纳米水凝胶的用途，其特征在于：将权利要求7所述方法制备的光交联纳米水凝胶用于组织工程、生物医学置入物、生物纳米技术或药物传递系统领域。
9.一种光交联纳米水凝胶的用途，其特征在于：将权利要求7所述方法制备的光交联纳米水凝胶用于制备光交联的靶向纳米凝胶；或者，通过步骤(1)和(2)制备的可光交联的纳米粒表面羧基耦合靶分子或靶分子衍生物，然后紫外光辐射引发叠氮基交联获得光交联的靶向纳米凝胶。
10.根据权利要求9所述的用途，其特征在于：所述靶分子或靶分子衍生物为特异性的配体，或高度特异性抗体，或者是至少一种特异性的配体与至少一种高度特异性抗体；
所述特异性的配体为：叶酸及其衍生物、转铁蛋白、麦胚凝集素、半乳糖及其衍生物、甘露糖及其衍生物中的一种；
所述高度特异性抗体为：肺内皮细胞抗体34A、急性髓系白血病细胞CD33抗体、抗人表皮生长因子受体2的单克隆抗体Mabs或抗B细胞淋巴瘤的单克隆抗体LL2。
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