CN101948556A

CN101948556A - 一种pH响应性微凝胶的制备方法

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Publication number: CN101948556A
Application number: CN 201010255935
Authority: CN
Inventors: 申迎华; 李国卿; 树学锋; 刘慧敏; 张爱琴
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2010-08-13
Filing date: 2010-08-13
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2030-08-13
Also published as: CN101948556B

Abstract

一种pH值响应性微凝胶的制备方法，是将甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸和N，N′-双(丙烯酰)胱胺配制成水相溶液，聚氧乙烯基(3)油醚和聚氧乙烯基(10)油醚加入异辛烷中配制成油相溶液，水相溶液滴加至油相溶液中形成微乳液，向60～90℃的微乳液中滴加引发剂水溶液反应得到pH响应性微凝胶乳液。本发明制备得到的微凝胶具有优良的生物相容性，可生物降解，溶胀率大，其水分散液在体积分数2.7％、pH＝7条件下可以发生凝胶化，体积分数为10％的微凝胶水分散液凝胶化后的储能模量可达8×10³，且随剪切角速度变化平稳，适用于软组织的修复。

Description

一种pH响应性微凝胶的制备方法

技术领域

本发明属于高分子材料制备技术领域，涉及一种微凝胶的制备方法，特别是涉及一种pH响应性微凝胶的制备方法。

背景技术

当今社会生活节奏不断加快，生活压力不断增大，腰椎间盘突出症等退行性疾病变得越来越普遍，成为了长期困扰人们的一大健康问题。此类疾病大都需要通过手术等治疗方法来缓解病人的痛苦，然而，这些治疗方法难免会有创伤面大、康复时间长、治疗费用高等一系列问题。为了克服以上缺点，医学界已经开始通过将可注射材料与细胞的混合液注入欲修复部位的微创治疗方法来治疗一些退行性病变。因此，可注射型组织修复材料的合成与制备也受到了极大的关注。

目前使用的可注射组织修复材料大都为可注射的水凝胶材料，包括以天然高分子为基础的水凝胶材料和人工合成高分子水凝胶材料两大类。第一种材料在使用过程中普遍存在降解速度较快和容易引起机体特异性反应等缺点；第二种材料是人工合成的非生物性材料，其中有些材料具有一定的刺激响应性能，在受到外界环境因素改变的影响下，可以发生一定的化学物理变化，从流动态转变为凝胶态，但该类物质大都生物相容性较差。

现在研究较多的是以N-异丙基丙烯酰胺为主的温敏性水凝胶材料。此类材料在人体内不能降解，长期存在会在植入位置形成包囊，从而引起自身免疫紊乱。此外，可注射的水凝胶材料大都是将水凝胶的预聚体或轻度交联的水凝胶注入欲修复部位，存在残留单体不能除去、响应凝胶化所需时间长、体系粘度大容易堵塞针管、使用不便等问题。

针对以上问题，可将智能微凝胶应用于组织修复。智能微凝胶是指粒径在5nm至5μm之间，可以对外部环境变化做出响应，产生相应的物理结构和化学性质变化的一类分子内高度交联的聚合物胶体粒子。pH响应性微凝胶就属于一种智能微凝胶，它可以随环境pH值的变化而发生相转变，这类凝胶大分子网络中具有可解离成离子的基团(羧基、磺酸基或氨基等)，能根据环境pH值变化夺取或释放质子，由于网络中增加了离子，离子强度的变化引起体积的变化。此类微凝胶具有体积小、响应速度快、分散液流动性好等优点，可以在体外事先配制一定浓度的微凝胶分散液，再通过注射方法将分散液注入人体欲修复部位，利用智能微凝胶所具有的响应性能，使其在体内发生由微凝胶分散液到凝胶态的相转变，对受损的软组织进行修复。在相转变过程中，由于微凝胶粒子的溶胀，其体积变大，使得其在注入的封闭组织空间内产生一定的溶胀压力，该压力足够大时，就可以起到暂时替代原有受损组织的作用。

目前合成微凝胶的方法包括溶液聚合、分散聚合、悬浮聚合、乳液聚合、反相微乳液聚合等。相对于其它方法而言，反相微乳液聚合合成的微凝胶粒子粒径较小，大都为纳米级粒子，而且生成的微凝胶粒子粒径分布比较均匀。但是反相微乳液聚合体系中乳化剂含量普遍偏高，通常占总体系质量的10％～20％，后期产物处理过程中不易将其完全除去，使得到的微凝胶在生物医学方面的应用受到了一定的限制。

英国Saunders小组用种子乳液聚合法合成了聚(丙烯酸乙酯/甲基丙烯酸/丁二醇二丙烯酸酯)微凝胶和聚(甲基丙烯酸甲酯/甲基丙烯酸/乙二醇二甲基丙烯酸酯)微凝胶，研究了二者pH响应下的溶胀行为，以及胶态微凝胶分散体的流变性，并得出其微凝胶分散液凝胶化的pH值为6.4，凝胶化适宜的分散液体积分数φ_p≥10％。Saunders的研究中选用的单体和交联剂都不属于可生物降解原料，因此其制得的微凝胶不具有生物降解性，使得合成的微凝胶在实际应用中受到了限制。此外，Saunders的研究中还存在用于注射的微凝胶分散液浓度较高的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种通过改进的反相微乳液聚合法制备可生物降解的pH值响应性微凝胶的制备方法，采用该方法制备的微凝胶分散液可以用作可注射型组织修复材料，以解决传统反相微乳液聚合法存在的乳化剂含量偏大，人工合成的微凝胶不可降解、用于注射的分散液浓度偏高等问题，同时得到一种新的软组织修复材料。

本发明的pH值响应性微凝胶的制备方法包括以下步骤：

1)配制水相溶液

将甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸和N，N′-双(丙烯酰)胱胺加入去离子水中，常温下搅拌配制成均一透明的水相溶液，该水相溶液中的各组分满足以下条件：甲基丙烯酸羟乙酯与甲基丙烯酸的摩尔比为1～4∶1，甲基丙烯酸羟乙酯与甲基丙烯酸的总质量为水相溶液质量的20％～50％，N，N′-双(丙烯酰)胱胺的质量占甲基丙烯酸羟乙酯与甲基丙烯酸总质量的0.5％～4％；

2)配制油相溶液

将聚氧乙烯基(3)油醚和聚氧乙烯基(10)油醚加入异辛烷中，常温下搅拌配制成均一透明的油相溶液，该油相溶液中的各组分满足以下条件：异辛烷的质量为步骤1)配制的水相溶液质量的1～3倍，聚氧乙烯基(3)油醚与聚氧乙烯基(10)油醚的质量比为0.8～1.5∶1，聚氧乙烯基(3)油醚与聚氧乙烯基(10)油醚的总质量占水相溶液与油相溶液总质量的3％～6％；

3)配制微乳液

在常温和持续搅拌条件下，将水相溶液以0.5～1.5mL/min的滴加速度滴加至油相溶液中形成均一透明的微乳液体系，滴加时间30～60min；

4)制备pH响应性微凝胶

搅拌下，将步骤3)中配制的微乳液加热至60～90℃，通氮气30～60min后，滴加引发剂水溶液，保温通氮气条件下继续反应200～360min，自然冷却后得到pH响应性微凝胶乳液。

其中，所述的引发剂水溶液是过硫酸铵、过硫酸钾或偶氮二异丁基脒盐酸盐中任意一种引发剂的水溶液。

过硫酸铵或过硫酸钾的水溶液是将质量为甲基丙烯酸羟乙酯与甲基丙烯酸总质量0.5％～1.5％的过硫酸铵或过硫酸钾加入去离子水中，搅拌使之完全溶解，配制成质量分数为10％～20％的引发剂水溶液。

偶氮二异丁基脒盐酸盐的水溶液是将质量为甲基丙烯酸羟乙酯与甲基丙烯酸总质量0.5％～1.5％的偶氮二异丁基脒盐酸盐加入水中，搅拌使之完全溶解，配制成质量分数为10％～25％的引发剂水溶液。

本发明还可以将得到的微凝胶乳液进一步提纯后得到微凝胶白色固体粉末，其方法是将得到的微凝胶乳液用丙酮破乳，以丙酮洗涤3～6次，得到的沉淀经真空干燥后，加入少量去离子水，装入透析袋，放入去离子水中透析，透析后的微凝胶分散液经过高速离心后得到固态微凝胶胶粒，再经冷冻干燥得到pH值响应型微凝胶白色固体粉末。

其中，所述的真空干燥是在50～60℃、真空度90～120kPa条件下真空干燥6～8小时。

所述的透析是在去离子水中透析3～6周，期间每6～8小时换水一次，以除去未反应的单体、乳化剂和小分子物质。

所述的冷冻干燥是在-50～-60℃、真空度5～10Pa条件下冷冻干燥4～6小时。

本发明制备得到的pH值响应型微凝胶白色固体粉末在使用时，可以根据需要配制成相应浓度的微凝胶水分散液。其方法是称取所需质量的微凝胶固体粉末，向其中加入一定体积的预先调节好pH值的去离子水，超声分散使其混合均匀。使用时，用针筒直接抽取该水分散液即可。去离子水的pH值用0.1mol/L的NaOH或HCl进行调节。

本发明选用美国FDA认证的具有良好生物相容性的甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)和甲基丙烯酸(MAA)为聚合单体，合成微凝胶目标产物，其聚合产物具有优良的生物相容性，不会引起机体不良反应。

本发明选用了目前已普遍应用于化妆品生产的聚氧乙烯油醚类非离子表面活性剂聚氧乙烯基(3)油醚和聚氧乙烯基(10)油醚，并利用其高温下的相转变行为使微乳液体系由水包油体系转变为油包水体系，二者用量仅有5％左右，远远低于常规反相微乳液聚合所需的10％～20％乳化剂用量，减少了产物后期处理的难度和对人体的伤害。

更为重要的是，本发明选用N，N′-双(丙烯酰)胱胺作为制备微凝胶的交联剂，该交联剂中含有S-S键，在人体细胞分泌物谷胱甘肽存在的条件下可以降解为-SH，实现了微凝胶的生物降解。

采用本发明制备方法制成的微凝胶粒径小、颗粒大小较均匀，如图2所示，透射电镜照片显示制得的微凝胶粒子形态呈球形，数均粒径为30nm。

本发明得到的微凝胶分散液在较小的体积分数下就可以发生凝胶化，且微凝胶分散液凝胶化后流变性能良好，适用于软组织的修复。如图4所示，本发明所得微凝胶分散液在体积分数为2.7％，pH＝7时即可发生凝胶化转变。

本发明的到的微凝胶为固体粉末，便于储存，使用时可根据需要配制所需浓度的微凝胶水分散液，体系粘度可以自行控制，有效改善了针头堵塞问题。

本发明制备得到的微凝胶粒子在pH＝7时溶胀倍数较大，如图7所示，微凝胶分散液在pH＝7时的流体力学直径d＝307.4nm，与图2透射电镜照片中数均粒径dc＝30nm相比，其溶胀率q达到1024.7％，其中q值由公式

计算得到。参照专利WO2007/060424A2所述，本发明制得的微凝胶在注入密闭的空间后可以提供较大的溶胀压力，从而可用于修复承重软组织。

附图说明

图1是单体甲基丙烯酸(a)、甲基丙烯酸羟乙酯(b)以及实施例1制备得到的微凝胶固体粉末(c)的红外光谱图。

图2是实施例1制备得到的微凝胶固体粉末分散于丙酮中制得的分散液的透射电镜图。

图3是以实施例1制备得到的微凝胶固体粉末配制的2mg/mL水分散液的透光率随pH值的变化曲线。

图4是实施例1制备得到的微凝胶固体粉末的水分散液的凝胶化转变相图。

图5是以实施例1制备得到的微凝胶固体粉末配制的体积分数为5％的水分散液的凝胶化过程示意图。

图6是以实施例1制备得到的微凝胶固体粉末的不同体积分数水分散液凝胶化后的储能模量随角速度的变化图。

图7是以实施例1制备得到的微凝胶固体粉末配制的2mg/mL水分散液在pH＝7时的粒径强度分布图。

具体实施方式

实施例1

将12.95g甲基丙烯酸羟乙酯、2.05g甲基丙烯酸和0.15gN，N′-双(丙烯酰)胱胺溶于30g去离子水中，用搅拌器以300转/分钟的速度搅拌30分钟，至溶液均一透明，得到微乳液的水相溶液组分。

将3.08g聚氧乙烯基(3)油醚和1.92g聚氧乙烯基(10)油醚置于四口烧瓶中，加入50g异辛烷，用搅拌器以300转/分钟的速度搅拌30分钟，至溶液均一透明，得到微乳液的油相溶液组分。

将配制好的水相溶液通过滴液漏斗滴加至盛有油相溶液的四口烧瓶中，滴加过程中以300转/分钟的速度持续搅拌，控制滴加速度为0.5mL/min，30min滴加完毕，得到均一透明的微乳液体系。

将装有微乳液的四口烧瓶放入集热式恒温加热磁力搅拌器中，四口烧瓶上依次插入氮气管、滴液漏斗、磁力搅拌器和冷凝管，设置搅拌速度为200转/分钟，水浴加热至75℃，向四口烧瓶内持续通入氮气40min后，自滴液漏斗向瓶内滴加1mL质量分数为13％的过硫酸铵水溶液，引发聚合，滴加完毕后，再按以上工艺条件持续反应4小时，然后在室温下静置冷却12小时。

将反应得到的微凝胶乳液用丙酮破乳，并以大量的丙酮洗涤3次，得到的沉淀置于真空干燥器内，在温度50℃、真空度100kPa条件下干燥6小时。在得到的产物中加入少量去离子水，再装入透析袋中，放入去离子水中透析3周，期间每隔6小时换水一次。透析后得到的微凝胶分散液经过高速离心后得到固态微凝胶胶粒，再经过冷冻干燥机于-50℃，真空度10Pa条件下冷冻干燥4小时，最后得到微凝胶白色固体粉末。

图1中a、b、c分别是甲基丙烯酸、甲基丙烯酸羟乙酯以及微凝胶固体粉末的红外光谱图，从图中可以看出，图线a、b、c共有的特征峰出现在3434cm^-1、2957cm^-1、1716cm^-1、1300cm^-1、1174cm^-1处，其中3434cm^-1处的吸收谱带是羟基O-H伸缩振动峰，2957cm^-1处为饱和的C-H键吸收峰，1716cm^-1处的吸收带为羰基C＝O的吸收峰，1300cm^-1处的吸收带则是乙酰氧基的C-O-C伸缩振动峰。同时，图线a、b在1639cm^-1处有吸收峰，此吸收带为双键C＝C的吸收带，而图线c没有，说明在微凝胶中没有C＝C键存在，单体发生了聚合反应，同时可以说明微凝胶含有HEMA和MAA两种结构单元。

图2给出了微凝胶固体粉末产物的透射电镜图，该电镜图的放大倍数为20万倍，照片显示微凝胶粒子的单分散性良好，数均粒径为30nm。

图3给出了质量分数为0.02％的微凝胶水分散液的透光率随pH值的变化曲线。如图3所示，微凝胶显示出了明显的pH响应性能。在pH＜5.6时，透光率较小，此时微凝胶呈收缩状态；pH＝5.6时透光率曲线出现第一次转折，此时微凝胶开始溶胀，随着微凝胶的溶胀，分散液透光率随之增大；pH＝12时，透光率曲线再次出现转折，此时微凝胶溶胀结束；pH＞12后，微凝胶分散液的透光率维持不变，表明微凝胶溶胀达到平衡。

图4给出了微凝胶固体粉末水分散液的凝胶化转变相图。如图所示，微凝胶水分散液凝胶化的最小体积分数为0.27％，且微凝胶水分散液凝胶化所需的pH值与人体内环境pH值相近，有应用于人体的潜力。

图5给出了微凝胶固体粉末配制的体积分数5％的水分散液的凝胶化过程示意图。图片显示了微凝胶分散液在相同质量分数、不同pH条件下的状态：pH值在5.5以下，分散液呈流动态；pH值为6～12.6的范围内，分散液呈现凝胶态，且倒置不发生流动；pH＝12.8时，分散液恢复流动态。以上状态表明微凝胶分散液有较宽的凝胶态pH范围，体内环境pH值发生小范围波动时不会影响其修复效果。

图6给出了以微凝胶固体粉末配制的不同体积分数水分散液凝胶化以后的储能模量随角速度的变化图。如图所示，微凝胶分散液体积分数为10％时，储能模量G′的数值达到8×10³Pa，力学性能良好；同时微凝胶水分散液的储能模量随角速度的变化呈现较平稳的变化趋势，表现出非牛顿流体特性，具有类固态的特征，因此，微凝胶水分散液凝胶化后具有很好的力学性能，可以承受人体活动时对软组织的力学要求，有应用于组织修复的潜力。

图7是以实施例1制备得到的微凝胶固体粉末配制的质量分数为0.02％的微凝胶水分散液在pH＝7时的粒径强度分布图。如图所示，微凝胶粒子在该pH条件下的流体力学直径为307.4nm，分布指数为0.288。

实施例2

将12.33g甲基丙烯酸羟乙酯、10.35g甲基丙烯酸和0.34gN，N′-双(丙烯酰)胱胺溶于57g去离子水中，用搅拌器以400转/分钟的速度搅拌20分钟，至溶液均一透明，得到微乳液的水相溶液组分。

将3.1g聚氧乙烯基(3)油醚和3.88g聚氧乙烯基(10)油醚置于四口烧瓶中，加入60g异辛烷，用搅拌器以400转/分钟的速度搅拌20分钟，至溶液均一透明，得到微乳液的油相溶液组分。

将配制好的水相溶液通过滴液漏斗滴加至盛有油相溶液的四口烧瓶中，滴加过程中以400转/分钟的速度持续搅拌，控制滴加速度为1mL/min，20min滴加完毕，得到均一透明的微乳液体系。

将装有微乳液的四口烧瓶放入集热式恒温加热磁力搅拌器中，四口烧瓶上依次插入氮气管、滴液漏斗、磁力搅拌器和冷凝管，设置搅拌速度为350转/分钟，水浴加热至80℃，向四口烧瓶内持续通入氮气60min后，自滴液漏斗向瓶内滴加1mL质量分数为15％的过硫酸钾水溶液，引发聚合，滴加完毕后，再按以上工艺条件持续反应2小时，然后在室温下静置冷却10小时。

将反应得到的微凝胶乳液用丙酮破乳，并以大量的丙酮洗涤5次，得到的沉淀置于真空干燥器内，在温度55℃、真空度95kPa条件下干燥8小时，在得到的产物中加入少量去离子水，再装入透析袋中，放入去离子水中透析5周，期间每6小时换水一次。透析后得到的微凝胶分散液经过高速离心后得到固态微凝胶胶粒，再经过冷冻干燥机于-55℃，真空度8Pa条件下冷冻干燥5小时，最后得到微凝胶白色固体粉末。

实施例3

将14.5g甲基丙烯酸羟乙酯、8.5g甲基丙烯酸和0.65gN，N′-双(丙烯酰)胱胺溶于70g去离子水中，用搅拌器以350转/分钟的速度搅拌20分钟，至溶液均一透明，得到微乳液的水相溶液组分。

将5.45g聚氧乙烯基(3)油醚和4.2g聚氧乙烯基(10)油醚置于四口烧瓶中，加入100g异辛烷，用搅拌器以350转/分钟的速度搅拌20分钟，至溶液均一透明，得到微乳液的油相溶液组分。

将配制好的水相溶液通过滴液漏斗滴加至盛有油相溶液的四口烧瓶中，滴加过程中以400转/分钟的速度持续搅拌，控制滴加速度为0.5mL/min，30min滴加完毕，得到均一透明的微乳液体系。

将装有微乳液的四口烧瓶放入集热式恒温加热磁力搅拌器中，四口烧瓶上依次插入氮气管、滴液漏斗、磁力搅拌器和冷凝管，设置搅拌速度为200转/分钟，水浴加热至85℃，向四口烧瓶内持续通入氮气40min后，自滴液漏斗向瓶内滴加1mL质量分数为25％的偶氮二异丁基脒盐酸盐的水溶液，引发聚合，滴加完毕后，再按以上工艺条件持续反应4小时，然后在室温下静置冷却10小时。

将反应得到的微凝胶乳液用丙酮破乳，并以大量的丙酮洗涤4次，得到的沉淀置于真空干燥器内，在温度60℃、真空度115kPa条件下干燥7小时，在得到的产物中加入少量去离子水，再装入透析袋中，放入去离子水中透析6周，期间每8小时换水一次。透析后得到的微凝胶分散液经过高速离心后得到固态微凝胶胶粒，再经过冷冻干燥机于-60℃，真空度15Pa条件下冷冻干燥6小时，最后得到微凝胶白色固体粉末。

Claims

1.一种pH值响应性微凝胶的制备方法，包括以下步骤：

1)配制水相溶液

2)配制油相溶液

3)配制微乳液

4)制备pH响应性微凝胶

搅拌下，将步骤3)中配制的微乳液加热至60～90℃，通氮气30～60min后，滴加入引发剂水溶液，保温通氮气条件下继续反应200～360min，自然冷却后得到pH响应性微凝胶乳液。

2.根据权利要求1所述的pH值响应性微凝胶的制备方法，其特征是所述的引发剂水溶液是过硫酸铵、过硫酸钾或偶氮二异丁基脒盐酸盐中任意一种引发剂的水溶液。

3.根据权利要求2所述的pH值响应性微凝胶的制备方法，其特征是所述的过硫酸铵或过硫酸钾水溶液是将质量为甲基丙烯酸羟乙酯与甲基丙烯酸总质量0.5％～1.5％的过硫酸铵或过硫酸钾加入去离子水中，搅拌使之完全溶解，配制成质量分数10％～20％的引发剂水溶液。

4.根据权利要求2所述的pH值响应性微凝胶的制备方法，其特征是所述的偶氮二异丁基脒盐酸盐水溶液是将质量为甲基丙烯酸羟乙酯与甲基丙烯酸总质量0.5％～1.5％的偶氮二异丁基脒盐酸盐加入水中，搅拌使之完全溶解，配制成质量分数10％～25％的引发剂水溶液。

5.根据权利要求1所述的pH值响应性微凝胶的制备方法，其特征是将得到的微凝胶乳液用丙酮破乳，以丙酮洗涤3～6次，得到的沉淀经真空干燥后，加入少量去离子水，装入透析袋，放入去离子水中透析，透析后的微凝胶分散液经高速离心后得到固态微凝胶胶粒，再经冷冻干燥得到pH值响应型微凝胶白色固体粉末。

6.根据权利要求5所述的pH值响应性微凝胶的制备方法，其特征是所述的真空干燥是在50～60℃、真空度90～120kPa条件下真空干燥6～8小时。

7.根据权利要求5所述的pH值响应性微凝胶的制备方法，其特征是所述的透析是在去离子水中透析3～6周，期间每6～8小时换水一次。

8.根据权利要求5所述的pH值响应性微凝胶的制备方法，其特征是所述的冷冻干燥是在-50～-60℃、真空度5～10Pa条件下冷冻干燥4～6小时。