CN102219911B

CN102219911B - 一种可注射聚膦腈/明胶复合水凝胶及其制备方法

Info

Publication number: CN102219911B
Application number: CN201110109276A
Authority: CN
Inventors: 蔡晴; 曹晓艳; 蔡绒; 杨小平; 毛吉富
Original assignee: Beijing University of Chemical Technology
Current assignee: Beijing University of Chemical Technology
Priority date: 2011-04-28
Filing date: 2011-04-28
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2031-04-28
Also published as: CN102219911A

Abstract

本发明公开了一种可注射聚膦腈/明胶复合水凝胶及其制备方法，属于水凝胶技术领域，聚膦腈的化学结构式如下：

x+y＝2，x不为0，n＝10-5000的整数；R为

比例为侧基总数的10～60％；R’为-NHCH₃、

-OR”、-(OCH₂CH₂)_m-OCH₃，比例为侧基总数的40～90％，R”为甲基或乙基，m为1-50的整数。制备方法：首先按以下线路制备聚膦腈

Description

一种可注射聚膦腈/明胶复合水凝胶及其制备方法

技术领域：

本发明涉及一种可注射水凝胶，特别是一种聚膦腈交联明胶复合水凝胶及其制备方法。

背景技术：

可注射水凝胶是一类独特的组织工程材料，是指由水溶液中的聚合物原位交联形成的三维网络结构。与预成型支架相比，可注射水凝胶具有特定的优势，它不需要采用侵入性的埋植手术，通过注射即能填充任意形状和大小的缺损，且易于与细胞和各种生物活性成分混合，很大程度上降低了植入体对机体组织的侵入性伤害。

可注射水凝胶材料，除了为数不多的几种聚醚和聚醚-聚酯嵌段共聚物外，主要是各种天然或半天然的高分子材料，如明胶、壳聚糖、纤维素及它们的衍生物等。它们原位形成水凝胶主要是通过在高分子链之间形成物理交联或共价化学交联而实现。采用化学交联剂交联得到的水凝胶，虽然稳定性高，但往往由于小分子化学试剂的毒性会对细胞和生物活性物质造成不利影响。温敏性的物理交联水凝胶具有在体温环境下能自发形成三维凝胶的特性，是目前临床上应用得最多的一类凝胶支架材料，但其凝胶过程和凝胶稳定性易受环境因素影响。

由于天然高分子和合成高分子在性能上的互补性，将它们进行复合成为目前开发新型组织工程支架材料的主流趋势。但传统的脂肪族聚酯等生物可降解合成高分子，由于一般情况下缺乏可反应性侧基，与天然高分子的相容性差，很难获得均相的复合物以及均质的降解行为。

而聚膦腈是一类具有特殊结构的高分子，其主链由磷氮原子以交替的单、双键连接而成，磷上可带两个有机官能团，改变有机侧基的种类和比例，即可获得具有广泛物理、化学和生物学性能的大量膦腈聚合物。相对于聚酯而言，聚膦腈更容易侧基功能化，赋予聚膦腈可反应性，不仅有利于增强其与其他材料的相互作用，也可明显改善材料的细胞亲和性。因此，设计和制备具有某种功能化侧基的水溶性聚膦腈，将其作为天然大分子的大分子交联剂，无疑是发展一类生物相容性好、综合性能提高的可注射复合水凝胶材料的可行途径。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的可注射水凝胶及其制备方法，其特点在于应用侧基功能化的聚膦腈来交联明胶，克服现有可注射水凝胶材料制备方法的缺点和不足，获得一种可用于组织修复的可原位成型的聚膦腈/明胶复合水凝胶材料。

本发明一种可注射聚膦腈/明胶复合水凝胶，由水溶性聚膦腈交联明胶水溶液而得到，其中与明胶交联的聚膦腈的化学结构式如下式所示：

其中x+y＝2，且x不能为0，n＝10-5000的整数；

R为

中的一种，其比例为侧基总数的10～60％；

R’为-NHCH₃、 -OR”、-(OCH₂CH₂)_m-OCH₃中的一种，其比例为侧基总数的40～90％，R”为甲基或乙基，m为1-50的整数。

以下是聚膦腈合成的常规途径，聚膦腈最大的特点就是侧基结构的可变性，以及由此产生的性能变化。

本发明上述一种可注射聚膦腈/明胶复合水凝胶的制备方法如下：

(1)通过六氯环三磷腈单体在无水无氧条件下，220-280℃开环聚合10-96小时，制备平均分子量为10³-10⁵、聚合度为10～5000的线性聚二氯磷腈，将线性聚二氯磷腈溶于干燥有机溶剂中得溶液A，其中-PNCl₂-单元的浓度为0.1～1摩尔/升。

(2)将RH物质溶于干燥有机溶剂中，溶液浓度为0.01-1摩尔/升，向其中加入氢化钠，RH物质与氢化钠的摩尔比为1∶1，于室温下反应12-24小时，制备RH物质的醇钠盐有机溶液B。

(3)当R’为-OR”或-(OCH₂CH₂)_m-OCH₃中的一种时，将R’H物质溶于干燥有机溶剂中，溶液浓度为1-3摩尔/升，向其中加入氢化钠，R’H物质与氢化钠的摩尔比为1∶1，于室温-50℃下反应24-48小时，制备R’H物质的醇钠盐有机溶液C。

(4)当R’H物质为甲胺或咪唑中的一种时，将R’H物质的盐酸盐直接溶于干燥有机溶剂中，溶液浓度为1-3毫摩尔/毫升，向其中加入三乙胺，R’H物质与三乙胺的摩尔比为1∶2，制备溶液D。

(5)将步骤(2)中制得的溶液B滴加入步骤(1)中制得的溶液A，R物质与-PNCl₂-单元的摩尔比为0.2∶1～2∶1，机械搅拌下，在50-70℃反应12-48小时，得反应混合物溶液E。

(6)将步骤(3)中制得的溶液C或步骤(4)中制得的溶液D，滴加入步骤(5)中得到的溶液E，(R+R’)物质与-PNCl₂-单元的摩尔比为4∶1，机械搅拌下，在50-70℃继续反应48-72hr，得反应混合物溶液F。

(7)反应结束后，将溶液F旋转蒸发去除一部分溶剂得到粘稠状液体，将此粘稠液体置于透析袋(截留分子量3500)中，用去离子水透析纯化3天，每6-12小时更换一次去离子水。透析结束后，将透析袋内的溶液冷冻干燥即得R和R’共取代的聚膦腈。

(8)将明胶和步骤(7)制备的聚膦腈分别溶于水或磷酸盐缓冲溶液，溶液浓度0.05-0.3克/毫升，将两者于37℃混合均匀，静置一段时间后获得聚膦腈/明胶复合水凝胶。

本发明中使用的有机溶剂为四氢呋喃、二氧六环、苯、甲苯中的一种或者其混合溶剂。在步骤(1)-(4)中用到的有机溶剂，可以是相同的，也可以是不同的。

本发明的聚膦腈具有水溶性，含有R和R’两种侧基，其中由R提供可用于明胶交联的醛基官能团，由R’赋予聚膦腈以水溶性。

本发明的聚膦腈/明胶复合水凝胶具有可注射原位成型性，凝胶时间长短由R基团含量及聚膦腈与明胶的比例控制，凝胶时间范围可控制在5分钟～12小时。

本发明的聚膦腈/明胶复合水凝胶应用侧基功能化的聚膦腈交联明胶，解决了物理交联明胶水凝胶稳定性差和小分子化学试剂交联明胶水凝胶生物相容性差的不足，可应用于组织工程材料、药物控制释放载体材料等。

以下结合具体实施方式对本发明的内容进行详细说明，但本发明并不限于以下这些实例，在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换和变更，均应包括在本发明的范围内。

具体实施方式

实施例1：

(1)聚二氯磷腈的制备：将10g六氯环三磷腈封于真空玻璃管中，置于250℃反应24小时。待冷却至室温后，用热的干燥石油醚反复洗涤去除未反应的单体及生成的大环磷腈副产物，然后用干燥的苯充分溶解残留物，过滤除去不溶物后，用石油醚沉淀、真空干燥后得聚二氯磷腈待用。

(2)聚膦腈的制备：

将300毫升干燥的四氢呋喃置于带有机械搅拌器的三口瓶中，随后加入150毫摩尔的4-羟基苯甲醛与150毫摩尔的氢化钠，室温反应24小时后，将其缓慢滴加入500毫升聚二氯磷腈的四氢呋喃溶液(PNCl₂单元浓度为0.15毫摩尔/毫升)中，并加热回流反应48小时。将150毫摩尔甲氧基乙醇与150毫摩尔氢化钠在30℃反应24小时的四氢呋喃溶液200毫升(甲氧基乙醇钠的浓度为0.75毫摩尔/毫升)，滴加入上述溶液中，继续加热回流反应48小时。旋转蒸发去除一部分溶剂得到粘稠状液体，将此粘稠液体置于透析袋(截留分子量3500)中，用去离子水透析纯化3天，每6小时更换一次去离子水。透析结束后，将透析袋内的溶液冷冻干燥即得4-羟基苯甲醛和甲氧乙氧基共取代的聚膦腈1，其中4-羟基苯甲醛取代度～60％，聚合物特性粘数～0.6dl/g(H₂O，30℃)。

(3)水凝胶的制备：

将聚合物1配制成浓度为0.2克/毫升的水溶液，与浓度为0.2克/毫升的明胶水溶液，以1∶1的体积比于37℃混合均匀，静置～5分钟后形成水凝胶。

实施例2：

步骤(1)、(2)同实施例1。

将聚合物1配制成浓度为0.2克/毫升的水溶液，与浓度为0.2克/毫升的明胶水溶液，以1∶2的体积比于37℃混合均匀，静置～15分钟后形成水凝胶。

实施例3：

步骤(1)、(2)同实施例1。

将聚合物1配制成浓度为0.1克/毫升的水溶液，与浓度为0.1克/毫升的明胶水溶液，以1∶1的体积比于37℃混合均匀，静置～10分钟后形成水凝胶。

实施例4：

步骤(1)同实施例1。

(2)聚膦腈的制备：

将300毫升干燥的四氢呋喃置于带有机械搅拌器的三口瓶中，随后加入75毫摩尔的4-羟基苯甲醛与75毫摩尔的氢化钠，室温反应24小时后，将其缓慢滴加入500毫升聚二氯磷腈的四氢呋喃溶液(PNCl₂单元浓度为0.15毫摩尔/毫升)中，并加热回流反应36小时。将225毫摩尔甲氧基乙醇与225毫摩尔氢化钠在30℃反应48小时的四氢呋喃溶液200毫升(甲氧基乙醇钠的浓度为1.125毫摩尔/毫升)，滴加入上述溶液中，继续加热回流反应48小时。旋转蒸发去除一部分溶剂得到粘稠状液体，将此粘稠液体置于透析袋(截留分子量3500)中，用去离子水透析纯化3天，每6小时更换一次去离子水。透析结束后，将透析袋内的溶液冷冻干燥即得4-羟基苯甲醛和甲氧乙氧基共取代的聚膦腈2，其中4-羟基苯甲醛取代度～35％，聚合物特性粘数～0.4dl/g(H₂O，30℃)。

(3)水凝胶的制备：

将聚合物2配制成浓度为0.2克/毫升的水溶液，与浓度为0.2克/毫升的明胶水溶液，以1∶1的体积比于37℃混合均匀，静置～30分钟后形成水凝胶。

实施例5：

步骤(1)、(2)同实施例4。

将聚合物2配制成浓度为0.1克/毫升的水溶液，与浓度为0.1克/毫升的明胶水溶液，以1∶1的体积比于37℃混合均匀，静置～60分钟后形成水凝胶。

实施例6：

步骤(1)同实施例1。

(2)聚膦腈的制备：

将100毫升干燥的四氢呋喃置于带有机械搅拌器的三口瓶中，随后加入15毫摩尔的4-羟基苯甲醛与15毫摩尔的氢化钠，室温反应12小时后，将其缓慢滴加入500毫升聚二氯磷腈的四氢呋喃溶液(PNCl₂单元浓度为0.15毫摩尔/毫升)中，并加热回流反应24小时。将285毫摩尔甲氧基乙醇与285毫摩尔氢化钠在30℃反应48小时的四氢呋喃溶液400毫升(甲氧基乙醇钠的浓度为0.7毫摩尔/毫升)，滴加入上述溶液中，继续加热回流反应72小时。旋转蒸发去除一部分溶剂得到粘稠状液体，将此粘稠液体置于透析袋(截留分子量3500)中，用去离子水透析纯化3天，每6小时更换一次去离子水。透析结束后，将透析袋内的溶液冷冻干燥即得4-羟基苯甲醛和甲氧乙氧基共取代的聚膦腈3，其中4-羟基苯甲醛取代度～10％，聚合物特性粘数～0.3dl/g(H₂O，30℃)。

(3)水凝胶的制备：

将聚合物3配制成浓度为0.3克/毫升的水溶液，与浓度为0.2克/毫升的明胶水溶液，以1∶1的体积比于37℃混合均匀，静置～2小时后形成水凝胶。

实施例7：

步骤(1)、(2)同实施例6。

将聚合物3配制成浓度为0.1克/毫升的水溶液，与浓度为0.1克/毫升的明胶水溶液，以1∶1的体积比于37℃混合均匀，静置～6小时后形成水凝胶。

实施例8：

步骤(1)、(2)同实施例6。

将聚合物3配制成浓度为0.05克/毫升的水溶液，与浓度为0.05克/毫升的明胶水溶液，以1∶1的体积比于37℃混合均匀，静置～10小时后形成水凝胶。

实施例9：

步骤(1)同实施例1。

(2)聚膦腈的制备：

将300毫升干燥的四氢呋喃置于带有机械搅拌器的三口瓶中，随后加入75毫摩尔的3-羟基苯甲醛与75毫摩尔的氢化钠，室温反应24小时后，将其缓慢滴加入500毫升聚二氯磷腈的四氢呋喃溶液(PNCl₂单元浓度为0.15毫摩尔/毫升)中，并加热回流反应36小时。将225毫摩尔咪唑盐酸盐与450毫摩尔三乙胺的甲苯溶液200毫升，滴加入上述溶液中，继续在50℃反应48小时。旋转蒸发去除一部分溶剂得到粘稠状液体，将此粘稠液体置于透析袋(截留分子量3500)中，用去离子水透析纯化3天，每6小时更换一次去离子水。透析结束后，将透析袋内的溶液冷冻干燥即得3-羟基苯乙醛和咪唑共取代的聚膦腈4，其中3-羟基苯甲醛取代度～35％，聚合物特性粘数～0.5dl/g(H₂O，30℃)。

(3)水凝胶的制备：

将聚合物4配制成浓度为0.2克/毫升的水溶液，与浓度为0.2克/毫升的明胶水溶液，以1∶1的体积比于37℃混合均匀，静置～50分钟后形成水凝胶。

实施例10：

步骤(1)同实施例1。

(2)聚膦腈的制备：

将300毫升干燥的二氧六环置于带有机械搅拌器的三口瓶中，随后加入75 毫摩尔的4-羟基苯乙醛与75毫摩尔的氢化钠，室温反应24小时后，将其缓慢滴加入500毫升聚二氯磷腈的四氢呋喃溶液(PNCl₂单元浓度为0.15毫摩尔/毫升)中，并加热回流反应36小时。将225毫摩尔甲氧基聚乙二醇(分子量350)与225毫摩尔氢化钠在50℃反应48小时的四氢呋喃溶液300毫升(甲氧基乙醇钠的浓度为0.75毫摩尔/毫升)，滴加入上述溶液中，继续加热回流反应72小时。旋转蒸发去除一部分溶剂得到粘稠状液体，将此粘稠液体置于透析袋(截留分子量3500)中，用去离子水透析纯化3天，每6小时更换一次去离子水。透析结束后，将透析袋内的溶液冷冻干燥即得4-羟基苯乙醛和甲氧基聚乙二醇共取代的聚膦腈5，其中4-羟基苯乙醛取代度～30％，聚合物特性粘数～0.8dl/g(H₂O，30℃)。

(3)水凝胶的制备：

将聚合物5配制成浓度为0.2克/毫升的水溶液，与浓度为0.2克/毫升的明胶水溶液，以1∶1的体积比于37℃混合均匀，静置～60分钟后形成水凝胶。

实施例11：

步骤(1)同实施例1。

(2)聚膦腈的制备：

将300毫升干燥的二氧六环置于带有机械搅拌器的三口瓶中，随后加入75毫摩尔的2-羟基苯乙醛与75毫摩尔的氢化钠，室温反应24小时后，将其缓慢滴加入500毫升聚二氯磷腈的四氢呋喃溶液(PNCl₂单元浓度为0.15毫摩尔/毫升)中，并加热回流反应36小时。将225毫摩尔甲胺盐酸盐与450毫摩尔三乙胺的苯溶液200毫升，滴加入上述溶液中，继续在50℃反应24小时。旋转蒸发去除一部分溶剂得到粘稠状液体，将此粘稠液体置于透析袋(截留分子量3500)中，用去离子水透析纯化3天，每6小时更换一次去离子水。透析结束后，将透析袋内的溶液冷冻干燥即得2-羟基苯乙醛和甲胺共取代的聚膦腈6，其中2-羟基苯乙醛取代度～25％，聚合物特性粘数～0.4dl/g(H₂O，30℃)。

(3)水凝胶的制备：

将聚合物6配制成浓度为0.2克/毫升的水溶液，与浓度为0.2克/毫升的明胶水溶液，以1∶1的体积比于37℃混合均匀，静置～150分钟后形成水凝胶。

Claims

1.一种可注射聚膦腈/明胶复合水凝胶，由水溶性聚膦腈交联明胶水溶液而得到，其特征在于，其中与明胶交联的聚膦腈的化学结构式如下式所示：

其中x+y=2，且x、y均不能为0，n=10-5000的整数；

R为

中的一种，其比例为侧基总数的10～60％；

R’为-NHCH₃、

-OR”、-(OCH₂CH₂)_m-OCH₃中的一种，其比例为侧基总数的40～90％，R”为甲基或乙基，m为1-50的整数。

2.权利要求1的一种可注射聚膦腈/明胶复合水凝胶的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）通过六氯环三膦腈单体在无水无氧条件下，220-280℃开环聚合10-96小时，制备平均分子量为10³-10⁵、聚合度为10～5000的线性聚二氯膦腈，将线性聚二氯膦腈溶于干燥有机溶剂中得溶液A，其中-PNCl₂-单元的浓度为0.1~1摩尔/升；

（2）将RH物质溶于干燥有机溶剂中，溶液浓度为0.01-1摩尔/升，向其中加入氢化钠，RH物质与氢化钠的摩尔比为1:1，于室温下反应12-24小时，制备RH物质的醇钠盐有机溶液B；

（3）当R’为-OR”或-(OCH₂CH₂)_m-OCH₃中的一种时，将R’H物质溶于干燥有机溶剂中，溶液浓度为1-3摩尔/升，向其中加入氢化钠，R’H物质与氢化钠的摩尔比为1:1，于室温-50℃下反应24-48小时，制备R’H物质的醇钠盐有机溶液C；

（4）当R’H物质为甲胺或咪唑中的一种时，将R’H物质的盐酸盐直接溶于干燥有机溶剂中，溶液浓度为1-3毫摩尔/毫升，向其中加入三乙胺，R’H物质与三乙胺的摩尔比为1:2，制备溶液D；

（5）将步骤（2）中制得的溶液B滴加入步骤（1）中制得的溶液A，R物质与-PNCl₂-单元的摩尔比为0.2:1~2:1，机械搅拌下，在50-70℃反应12-48小时，得反应混合物溶液E；

（6）将步骤（3）中制得的溶液C或步骤（4）中制得的溶液D，滴加入步骤（5）中得到的溶液E，（R+R’）物质与-PNCl₂-单元的摩尔比为4:1，机械搅拌下，在50-70℃继续反应48-72小时，得反应混合物溶液F；

（7）反应结束后，将溶液F旋转蒸发去除一部分溶剂得到粘稠状液体，将此粘稠液体置于透析袋中，用去离子水透析纯化3天，每6-12小时更换一次去离子水，透析结束后，将透析袋内的溶液冷冻干燥即得R和R’共取代的聚膦腈；

（8）将明胶和步骤（7）制备的聚膦腈分别溶于水或磷酸盐缓冲溶液，溶液浓度0.05-0.3克/毫升，将两者于37℃混合均匀，静置一段时间后获得聚膦腈/明胶复合水凝胶。

3.按照权利要求2的方法，其特征在于，有机溶剂为四氢呋喃、二氧六环、苯、甲苯中的一种或者其混合溶剂。