CN102391537B - 一种多层水凝胶及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

一种多层水凝胶及其制备方法与应用，涉及一种高分子水凝胶。提供一种形状结构可控，具有“洋葱”形貌的多层水凝胶及其制备方法与应用。所述具有“洋葱”形貌的多层水凝胶由凝胶核模板和覆盖在凝胶核模板外部的多层膜水凝胶组成。1)将制备凝胶核的材料溶解后，再凝胶化，制得凝胶核模板；2)将凝胶核模板浸渍在交联剂水溶液中，使凝胶核吸附交联剂；3)将吸附交联剂的凝胶核模板浸渍于水溶性高分子溶液中，制得单层膜覆盖的水凝胶；4)重复步骤2)和3)，即得产品。取材广泛，模板形状及大小可任意设计，多层水凝胶的形状也能随需要而设计，每一层凝胶的微观结构都是大孔径网络结构，使其在药物包埋、药物缓释和组织工程中有应用前景。

Description

一种多层水凝胶及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及一种高分子水凝胶，尤其是涉及一种多层水凝胶及其制备方法与应用。

背景技术

高分子水凝胶由于其独特的物理化学性质已经受到了人们极大的关注，多糖类水凝胶由于其无毒性、生物相容性、生物降解性等优点，使其在食品、化妆品、生物医学领域具有独特的优势。

水凝胶按照其制备方法大体可以分为两类，第一类是通过物理的方法，如通过次价键(氢键)交联制备而得的，称之为物理凝胶。第二类是通过化学键交联制备而得的，称之为化学凝胶。化学凝胶由于其分子链之间通过化学键相连，因此比物理凝胶具有更优异的力学性质。水凝胶按照其取材来源可以分为天然高分子水凝胶和合成高分子水凝胶。由于天然高分子水凝胶取材广泛，资源可再生，生物相容性佳及可降解等优势，因此其研究与应用受到越来越广泛的关注。

聚多糖类水凝胶作为天然高分子水凝胶中的一大类，包括壳聚糖、淀粉、海藻酸盐、琼脂糖、透明质酸盐、多肽蛋白质等水凝胶，具有优异的生物相容性和生物降解性，在生物医学工程领域具有广泛的应用。近年来，关于多糖类水凝胶的报道呈现爆炸性趋势，其中以壳聚糖水凝胶的应用最受关注。Alonso等(Calvo P，Vila-Jato J L，Alonso M J，et al.Novelhydrophilic chitosan-polyethylene oxide nanoparticles as protein carriers[J]Journal of AppliedPolymer Science，1997，63(1)：125-132)将壳聚糖/聚氧化乙烯(CS/PEO)混合溶液与聚阴离子(TPP)溶液简单混合，利用共沉淀法，制备出了尺寸在200-1000nm范围的CS/PEO-PPO纳米粒子。此外，他们还研究了这种纳米粒子的载药性，发现该纳米粒子对蛋白质类药物的包埋率达到80％以上，所载药物在体内的释放时间超过了一周。Mumper等(MacLaughlin F C，Mumper R J，Wang J J，et al.Chitosan and depolymerized chitosan oligomers as condensingcarriers for in vivo plasmid delivery[J]Journal of Controlled Release，1998，56(1-3)：259-272)研究了壳聚糖作为基因载体的潜在应用。他们发现，由于壳聚糖的无毒性以及与基因的优异结合能力，使得壳聚糖可以作为一种比较理想的基因载体。经实验结果证实，载有基因的壳聚糖粒子确实被靶向传输进入细胞内。Elder等(Nettles D L，Elder S H，Gilbert J A，et al.PotentialUse of Chitosan as a Cell Scaffold Material for Cartilage Tissue Engineering[J]Tissue engineering，2002，8(6)：1009-1016)将壳聚糖水凝胶经冷冻干燥制备的多孔支架，并将动物的软骨细胞种植其中用于骨组织修复。实验发现，软骨细胞在壳聚糖支架表面生长；并且，通过荧光标记探测到在壳聚糖与软骨细胞周围产生了大量的细胞外基质；这充分说明壳聚糖支架材料在组织修复工程中具有很好的应用价值。

关于“洋葱”型多层水凝胶的报道比较少。但是，“洋葱”型多层水凝胶在组织工程、药物输送、缓释和酶固定酶化方面具有独特的性能，正成为研究热点。2008年，David等在Nature刊物上(Ladet S，David L，Domard A.Multi-membrane hydrogels[J]Nature，2008，452(7183)：76-79)首次报道了壳聚糖多层水凝胶的制备及其形成机理。他们将壳聚糖溶解在1，2-丙二醇/水(50/50)的混合溶液中，然后在55℃的条件下将水完全蒸发掉得到壳聚糖醇凝胶。然后，将这种醇凝胶反复、交替地在NaOH水溶液和醇水混合溶解中浸渍，便得到层间有空隙的壳聚糖多层水凝胶。这种多层水凝胶具有很高的载药能力和良好的药物缓释性能。此后，Xu等(Dai H J，Li X F，Xu J，et al.Multi-membrane hydrogel fabricated by facile dynamicself-assembly[J].Soft Matter，2009，5(10)：1987-1989)将含有Ca²⁺的海藻酸凝胶“核”浸渍于海藻酸钠溶液中，制到一个带有一层膜覆盖的“鸡蛋”结构模板。然后，将该模板反复在Ca²⁺和海藻酸钠溶液中交替浸渍，制备出具有“洋葱”形貌的海藻酸钠多层水凝胶。研究发现，这种载药后的“洋葱”型多层水凝胶的药物释放呈脉冲式过程。总的来说，目前制备这类多层水凝胶的方法还比较少，制备出的多层水凝胶结构稳定性不高，凝胶力学性能较差，凝胶大小、形状和结构的控制不够成熟。

发明内容

本发明的目的在于提供一种形状结构可控，具有“洋葱”形貌的多层水凝胶及其制备方法与应用。

所述具有“洋葱”形貌的多层水凝胶由凝胶核模板和覆盖在凝胶核模板外部的多层膜水凝胶组成。

所述凝胶核模板的材料可选自壳聚糖、淀粉、海藻酸盐、琼脂糖、透明质酸盐、多肽蛋白质、聚乙二醇、聚酰胺、聚酰胺酸等中的至少一种。

所述覆盖在凝胶核模板外部的多层膜水凝胶的材料可选自壳聚糖、海藻酸盐、琼脂糖、透明质酸盐等水溶性的高分子中的至少一种。

所述具有“洋葱”形貌的多层水凝胶的制备方法包括以下步骤：

1)将制备凝胶核的材料溶解后，再凝胶化，制得凝胶核模板；

2)将凝胶核模板浸渍在交联剂水溶液中，使凝胶核吸附交联剂；

3)将吸附交联剂的凝胶核模板浸渍于水溶性高分子溶液中，制得单层膜覆盖的水凝胶；

4)重复步骤2)和3)，即制得与重复次数一致层数的具有“洋葱”形貌的多层水凝胶。

在步骤1)中，所述凝胶化的具体方法可选自变换温度凝胶化、蒸发溶剂凝胶化、沉淀凝胶化或交联凝胶化等；所述凝胶核模板的直径大小可为0.5μm～5cm，模板的形状可依据需要调节。

在步骤2)中，所述交联剂可选自戊二醛或环氧氯丙烷等；所述交联剂水溶液的质量百分比浓度可为0.01％～20％；所述凝胶核模板浸渍在交联剂水溶液中的时间可为0.1～600min，所述交联剂水溶液的温度可为-5～80℃。

在步骤3)中，所述水溶性高分子溶液的质量百分比浓度可为0.1％～3％；所述将吸附交联剂的凝胶核模板浸渍于水溶性高分子溶液中的时间可为0.1～600min，所述水溶性高分子溶液的温度可为-5～80℃，pH可为2～12；所述单层膜的厚度可为0.1μm～0.5cm。

在步骤4)中，所述层数可为1～20层；其形状通过需求按模板设计的形状来控制，其层间结构和单层的大孔网络结构通过在交联剂中交联时间来调控。

与现有多层水凝胶制备方法相比，本发明所述具有“洋葱”形貌的多层水凝胶取材广泛，模板形状及大小可任意设计，从而使得利用模板制备出来的多层水凝胶的形状也能随需要而设计。

本发明所制备具有“洋葱”形貌的多层水凝胶的每一层凝胶的微观结构都是大孔径网络结构，这种结构的存在，使其在药物包埋、药物缓释和组织工程中有着很好的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例5的壳聚糖水凝胶层厚随戊二醛水溶液浓度变化曲线。在图1中，横坐标为戊二醛浓度(wt％)，纵坐标为层厚(μm)。

图2为本发明实施例6的壳聚糖水凝胶层厚随在壳聚糖中浸渍时间变化点线图。在图2中，横坐标为时间(min)，纵坐标为层厚(μm)。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明作进一步的说明。

实施例1

用1ml的注射器将3wt％的壳聚糖醋酸溶液滴加入1mol/L的NaOH溶液中，凝胶化10min，得到直径为3～4mm的球状凝胶核。将球状凝胶核表面残留的NaOH用蒸馏水洗净后，浸渍于70℃、1wt％的戊二醛溶液中5min。将其取出后，用蒸馏水洗净表面的戊二醛再浸渍于70℃、pH＝6的0.5wt％壳聚糖醋酸水溶液中3min。按照上述步骤，再继续将其在戊二醛和壳聚糖水溶溶液中交替重复浸渍3次，即可得到具有4层膜的壳聚糖多层水凝胶。其形貌利用数码相机在光学显微镜目镜中拍照观察。

实施例2

用1ml注射器将加热溶解的壳聚糖/琼脂糖/2wt％HAc(3∶1∶96)混合溶液滴加到环己烷中，不断搅拌，凝胶化10min，得到直径2～3mm的壳聚糖/琼脂糖球状凝胶核。将壳聚糖/琼脂糖球状凝胶核浸渍在80℃的1wt％的戊二醛溶液中5min。将其取出后，用蒸馏水洗净表面的戊二醛再将其在室温下浸渍pH＝2的1wt％的壳聚糖醋酸水溶液中2min，然后将其取出用蒸馏水洗净表面的壳聚糖后再浸渍于70℃的1wt％的戊二醛水溶液中5min进一步交联，得到具有单层膜的壳聚糖水凝胶，其形貌利用数码相机在光学显微镜目镜中拍照观察。

实施例3

用1ml注射器将加热溶解的3wt％琼脂糖水溶液滴加到环己烷中，不断搅拌，凝胶化1min，得到直径1～2mm的琼脂糖凝胶球状凝胶核。将琼脂糖凝胶球状凝胶核浸渍在80℃的2wt％的环氧氯丙烷溶液中2min。将其取出后，用蒸馏水洗净表面的环氧氯丙烷再将其在室温下浸渍于pH＝12的0.5wt％的海藻酸钠水溶液中3min，按照这种方法，将模板在环氧氯丙烷和海藻酸钠水溶溶液中交替重复浸渍4次，得到具有4层膜的类似“洋葱”结构的多层海藻酸钠水凝胶，其形貌利用数码相机在光学显微镜目镜中拍照观察。

实施例4

将加热熔融的2wt％的琼脂糖水溶液趁热浇铸于尺寸为(长∶宽∶高＝5∶1∶0.4cm)板状铝质磨具中，待冷却凝胶化后，将其脱模得到板状模板。将制得的模板浸渍在70℃的1wt％的戊二醛水溶液中5min。将模板取出后，用蒸馏水洗净表面的戊二醛再将其在室温下浸渍于中pH＝4的0.5wt％的壳聚糖醋酸水溶液3min，按照这种方法，将模板在戊二醛和壳聚糖水溶溶液中交替重复浸渍六次，得到具有六层膜的板状壳聚糖多层水凝胶，然后利用数码相机在光学显微镜目镜中拍照。

实施例5

用1ml注射器将加热溶解的壳聚糖/琼脂糖/2wt％HAc(1∶1∶98)液滴加到环己烷中，不断搅拌，凝胶化2min，得到直径2～3mm的壳聚糖/琼脂糖凝胶球状凝胶核。选择大小一致的壳聚糖/琼脂糖凝胶球状凝胶核在80℃分别浸渍于质量浓度为0.2％、0.4％、0.6％、0.8％、1％、2％、3％、4％、6％、8％、10％的一系列戊二醛水溶液中3min。将这些壳聚糖/琼脂糖凝胶球状凝胶核同时取出后，用蒸馏水洗净表面残留的戊二醛，再将他们在室温下分别浸渍于pH＝6的0.5wt％的壳聚糖醋酸水溶液中3min。将他们同时取出，用蒸馏水洗净表面的壳聚糖后再浸渍于80℃的2wt％的戊二醛水溶液中3min进一步交联，得到具有不同层厚的一系列单层膜的壳聚糖水凝胶。绘制壳聚糖单层膜厚度随戊二醛溶液浓度变化的点线图(参见图1)。

实施例6

用1ml注射器将加热溶解的壳聚糖/琼脂糖/2wt％HAc(1∶1∶98)滴加到环己烷中，不断搅拌，凝胶化2min，得到直径2～3mm的壳聚糖/琼脂糖凝胶球状凝胶核。选择大小一致的壳聚糖/琼脂糖凝胶球状凝胶核在80℃分别浸渍于2wt％的戊二醛水溶中3min。将这些壳聚糖/琼脂糖凝胶球状凝胶核模板同时取出后用蒸馏水洗净表面的戊二醛，再将他们在室温下分别浸渍pH＝6的0.5wt％的壳聚糖醋酸水溶液中1min、2min、3min、4min、5min、6min、8min、10min、12min、15min、20min。最后将他们取出用蒸馏水洗净表面的壳聚糖后再分别浸渍于80℃的2wt％的戊二醛水溶液中3min进一步交联，得到具有不同层厚的一系列单层膜的壳聚糖水凝胶。绘制壳聚糖单层膜厚度随在壳聚糖中浸渍时间变化的点线图(参见图2)。

Claims (5)

1.一种多层水凝胶，其特征在于由凝胶核模板和覆盖在凝胶核模板外部的多层膜水凝胶组成；

所述凝胶核模板的材料选自壳聚糖、淀粉、海藻酸盐、琼脂糖、透明质酸盐、多肽蛋白质、聚乙二醇、聚酰胺、聚酰胺酸中的至少一种；

所述覆盖在凝胶核模板外部的多层膜水凝胶的材料选自壳聚糖、琼脂糖、透明质酸盐水溶性的高分子中的至少一种；

所述一种多层水凝胶由以下方法制备：

1）将制备凝胶核的材料溶解后，再凝胶化，制得凝胶核模板；

2）将凝胶核模板浸渍在交联剂水溶液中，使凝胶核吸附交联剂；所述交联剂选自戊二醛或环氧氯丙烷；所述交联剂水溶液的质量百分比浓度为0.01%～20%；

3）将吸附交联剂的凝胶核模板浸渍于水溶性高分子溶液中，制得单层膜覆盖的水凝胶；所述水溶性高分子溶液的质量百分比浓度为0.1%～3%；所述将吸附交联剂的凝胶核模板浸渍于水溶性高分子溶液中的时间为0.1～600min，所述水溶性高分子溶液的温度为-5～80℃，pH为2～12；所述单层膜的厚度为0.1μm～0.5cm；

4）重复步骤2）和3），即制得与重复次数一致层数的具有“洋葱”形貌的多层水凝胶。

2.如权利要求1所述一种多层水凝胶，其特征在于在步骤1）中，所述凝胶化的具体方法选自变换温度凝胶化、蒸发溶剂凝胶化、沉淀凝胶化或交联凝胶化。

3.如权利要求1所述一种多层水凝胶，其特征在于在步骤1）中，所述凝胶核模板的直径大小为0.5μm～5cm。

4.如权利要求1所述一种多层水凝胶，其特征在于在步骤1）中，所述凝胶核模板浸渍在交联剂水溶液中的时间为0.1～600min，所述交联剂水溶液的温度为-5～80℃。

5.如权利要求1所述一种多层水凝胶，其特征在于在步骤4）中，所述层数为1～20层。

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