CN102516739A

CN102516739A - 一种多重敏感型水凝胶材料及其制备方法

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Publication number: CN102516739A
Application number: CN2011104143509A
Authority: CN
Inventors: 李帮经; 谭淋; 张晟; 哈伟; 彭树林; 丁立生
Original assignee: Chengdu Institute of Biology of CAS
Current assignee: Chengdu Institute of Biology of CAS
Priority date: 2011-12-13
Filing date: 2011-12-13
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2031-12-13
Also published as: CN102516739B

Abstract

本发明属于高分子化学技术领域，涉及一种多重敏感型水凝胶材料及其制备方法。该水凝胶材料由分别带有环糊精(主体)的聚合物与二茂铁(客体)基团修饰的聚醚pluronic共同组成。其凝胶形成方法是将带有环糊精的聚合物和带有二茂铁基团的聚醚pluronic同时溶解于水溶液中，在一定溶液条件下搅拌分散均匀，致使溶液中存在大量的基于主客体识别的交联网状组织。该凝胶材料可响应环境温度变化、氧化剂、电场的存在、或葡萄糖浓度的变化发生凝胶-溶胶的转变。本发明具有制备方法简单、环保、经济，在生物医药领域具备较大的应用价值。

Description

一种多重敏感型水凝胶材料及其制备方法

技术领域

本发明属于高分子化学技术领域，涉及一种多重敏感型水凝胶材料及其制备方法。

背景技术

水凝胶(hydrogel)是由水和高分子三维网络形成的多元体系。所谓敏感型水凝胶是指能够响应外界环境的刺激(如pH值，光，温度、电、等)，引发自身结构性质(如溶胀、收缩、或溶胶-凝胶(sol-gel)变化)改变的水凝胶体系。这种对外来刺激的响应性使敏感型水凝胶在分子器件、活性物质分离、药物控制释放、仿生等许多领域有着广泛的应用前景。

根据交联类型的不同，高分子水凝胶可分为化学交联水凝胶和物理水凝胶两种。在化学水凝胶中，三维网络结构由化学键交联形成，具有不可逆性，其对外界刺激的响应主要表现为溶胀与收缩应答，依据不同交联方法可细分为交联剂交联水凝胶、辐射交联水凝胶、光引发交联水凝胶等，而且化学交联水凝胶由于化学交联剂的存在通常会影响包埋物质的完整性，交联剂常常为有毒的化合物，在针对体内使用时需先清除。(马晓梅，赵喜安，唐小真，化学通报，2004年第2期，117-123)。物理交联水凝胶是通过非共价键作用形成的三维网络，这些非共价键作用包括静电作用、氢键、范德华力、主客体识别、金属配位等，这类凝胶往往具有可逆性，即随着外界环境条件展现出sol-gel的形态转变。(A.Harada，et al.Angew Chem IntEdit 2007，46，5144-5147；A.M.Jamieson，et al.Macromolecules 2009，42，236-246；S.Y.Dong，etal.Angew Chem Int Edit 2011，50，1905-1909.)与化学水凝胶相比，物理水凝胶除了制备上往往相对简单之外，其响应环境产生的流体力学性质变化使之可以通过注射方法植入体内，在生物医药领域具备更好的应用价值。如Zhang等报道基于D-葡萄糖敏感的水凝胶体系，游离D-葡萄糖的引入可直接竞争半刀豆球蛋白的糖结合位点，使其凝胶内部交联网状组织破坏而发生gel-sol的转变，从而达到对药物分子的缓释控释；Bae等基于氢键作用成功构建含肝素与PEG的复合物，其在选择性溶剂中稳定形成微凝胶，而在还原环境中可使得凝胶组织破坏，从而释放肝素分子，其可作为靶向药物载体；Manakker等则报道基于药物分子胆固醇与环糊精的主客体识别形成一种温敏性水凝胶，其选材为生物相容性好，其可以作为潜在药物传送介质、细胞支架以及组织修复材料。(R.Zhang，et al.React Funct Polym 2006，66，757-767；K.H.Bae，et al.Biomaterials 2008，29，3376-3383；van de Manakker，et al.Macromolecules 2008，41，1766-1773.)

目前，常见的sol-gel可逆的物理水凝胶主要为温敏性、pH敏感性及葡萄糖敏感性三种。如三嵌段共聚物聚乙二醇-聚己内酯-聚乙二醇(PEG-PCL-PEG，PECE)基于嵌段的亲水疏水性平衡，在一定浓度下，发生温敏性的sol-gel-sol相转变，达到对亲水性蛋白药物的释放；又如共聚物聚氨酯-聚己内酯-聚乙二醇-聚己内酯-聚氨酯(PAE-PCL-PEG-PCL-PAE)基于PAE链段胺基上N原子的可离子化以及PCL/PEG链段的亲水疏水性平衡使其具备pH/温度双重敏感性能，当其环境的pH值或温度较低时，氮原子的离子化或PCL/PEG链段的亲水性更强使得共聚物溶解性更好，从而为sol状态，进而基于sol-gel-sol的转变来达到对胰岛素的控制释放；Kim等报道了基于葡萄糖敏感的水凝胶体系，当游离葡萄糖小分子的引入发生半刀豆球蛋白糖结合位点的竞争性行为，使其凝胶组织内部孔径变大而发生gel-sol的转变，以达到对胰岛素的协调释放。(J.J.Kim，et al.J Control Release 2001，77，39-47；D.Q.Wu，et al.Biomacromolecules 2008，9，1155-1162；C.Y.Gong，et al.Int J Pharm 2009，365，89-99；D.S.Lee，et al.J Control Release 2009，137，20-24.)。

但是，目前sol-gel可逆物理水凝胶的一个主要不足之处是：其相应的因素较为单一，如对于氧化剂敏感、电敏感等的可逆水凝胶体系报道相对较少。(T.Ohkubo，et al.J Am Chem Soc2004，126，12282-12283；Y.Takeoka，et al.Adv Mater 2007，19，2807-2812；Y.J.Zhang，et al.Macromolecules 2011，44，2245-2252.)特别是在医疗应用中，往往要求凝胶体系能针对体内的多种不同变化做出响应、释放药物，而当前多重响应的sol-gel可逆水凝胶绝大部分仅具备pH和温度双重响应性，不能满足实际应用的需求。

发明内容

针对现有技术的水凝胶制备方法的研究现状和不足，本发明的目的是提供一种同时具备热敏、氧化剂敏感、葡萄糖及电敏感等多重敏感性的，可发生sol-gel可逆转变的物理水凝胶。该体系制备方法极为简单，环境响应性优越，生物医药领域潜在应用价值巨大。

本发明提供的多重敏感型水凝胶，其具体技术方案如下：

利用环糊精与二茂铁基团之间特殊的响应式识别性能，构筑了如图1所示的聚合物水凝胶。首先，凝胶中含有带环糊精(主体)基团的聚合物；同时，凝胶中还含有带二茂铁(客体)基团修饰的聚醚pluronic。这时，整个水凝胶体系同时含有两种可逆交联结构：1)可随电场、氧化剂发生包结或解包结的环糊精与二茂铁可逆交联；2)可随温度变化产生可逆胶束变化的pluronic交联。当任何一种外界刺激瓦解其中一种交联结构时，该体系即可发生凝胶-溶胶的转变。当凝胶体系中固定有葡萄糖氧化酶GOD时，外界环境中存在的葡萄糖可与GOD反应生成过氧化氢，刺激环糊精与二茂铁交联结构瓦解，从而也导致体系产生gel-sol转变.

上述所说的聚合物为分子量为5000-500000之间的共聚物或均聚物，可为海藻酸、羧甲基化魔芋葡甘聚糖、聚丙烯酸-聚甲基丙烯酸共聚物、聚赖氨酸、聚乳酸。

上述所说的聚醚pluronic长链为分子量2000-20000的聚丙二醇-聚乙二醇-聚丙二醇的三嵌段共聚物，可为F127、F610、P65、P123。

上述所说的主体组分为含有6个或更多的吡喃葡萄糖分子形成的环状低聚糖；所述的客体组分可为二茂铁类衍生物。

上述所说的酶分子可为水溶性的葡萄糖氧化酶。

上述所说的多重敏感性水凝胶可通过以下操作步骤进行制备：

(1)将带有环糊精的聚合物和带有二茂铁基团的聚醚pluronic同时溶解于水溶液中，在一定溶液条件下搅拌分散均匀，随后可引入1-10mg/mL水溶性酶分子，继续搅拌3h-3d，致使溶液中存在大量的基于主客体识别的交联网状组织。其中带有环糊精(主体)的聚合物在溶剂中的重量浓度为0.1％-10％，带有二茂铁(客体)的聚醚在溶剂中的重量浓度为1％-50％，而主客体之间摩尔量为1×10^-3-0.1mmol，其两者之间摩尔比可在1∶5-5∶1。

(2)敏感性检测可以过改变温度(5℃-100℃之间)、加入氧化剂(过氧化氢、次氯酸钠)、通直流电(1.5-6V)、加入葡萄糖中的一个或一个以上条件在一定时间内都可以观测到凝胶溶胶的转变。

在上述基于主客体识别的多重敏感水凝胶体系的制备方法中，只需要在带有环糊精的聚合物和带有二茂铁基团的聚醚pluronic同时溶解于水溶液中，在一定溶液条件下搅拌分散均匀，随后也可加入一定量水溶性酶分子，继续搅拌3h-3d，即可得到基于主客体识别的交联网状组织体系。在进行gel检测时，也只需要简单改变环境条件(如改变温度、加入氧化剂、葡萄糖或通直流电等)，就能够很直观地观测到其凝胶溶胶的特异性转变。综上所述其制备方法操作步骤十分简单，同时操作工艺也十分容易掌握，其在生物医药领域具备可观的潜在应用价值。

附图说明

图1是本发明多重敏感水凝胶体系的微观结构示意图。

图2是本发明多重敏感水凝胶体系sol-gel转变示意图。

具体实施方式

在以下各实施案例中，通过改变环境条件，可得到附图2所示的sol-gel转变过程。具体发明实施案例不限于此，具体实施方式可根据发明的内容设计成其他形式。

在以下各实施案例中，溶液百分比浓度，除特别说明外，均为重量百分比浓度。

实施例1：

称量30mg的羧甲基魔芋葡甘聚糖接枝β-环糊精(CKGM-g-β-CD，接枝率为15.6％)配制成3％的溶液，加入相应量的聚醚P65两端接二茂铁甲酸分子产品(P65-Fc，转化率为82.3％)，使其浓度为22％。CKGM-g-β-CD以及P65-Fc两者混合(β-CD∶Fc＝1∶1)在室温下搅拌分散12h，即可得到多重敏感的水凝胶体系。此体系可随温度变化发生溶胶-凝胶-溶胶(sol-gel-sol)的可逆性转变。其中，在22-85℃之间处于gel状态。另外，在体系处于gel状态下时加入0.1mL次氯酸钠，可发现体系在5h后响应这一刺激，转变为sol状态。

实施例2：

称量20mg的聚丙烯酸-聚甲基丙烯酸共聚物接枝β-环糊精(PAA-co-PMAA-g-β-CD，接枝率为13.6％)配制成8％的溶液，加入相应量的聚醚P65两端接二茂铁甲酸分子产品(P65-Fc，转化率为73.5％)，使其浓度为16％。PAA-co-PMAA-g-β-CD以及F610-Fc两者混合(β-CD∶Fc＝2∶1)在10℃下搅拌分散24h，即可得到多重敏感的水凝胶体系。此体系可随温度变化发生溶胶-凝胶-溶胶(sol-gel-sol)的可逆性转变。其中，在25-73℃之间处于gel状态。另外，在体系处于gel状态下时加入0.05mL过氧化氢，可发现体系在3h后响应这一刺激转变为sol状态。若将gel状态下的PAA-co-PMAA-g-β-CD/F65-Fc插入电极通6.0v的直流电，可在20h后观测到体系由gel转变为sol。

实施例3：

称量50mg的海藻酸钠接枝β-环糊精(Alg-g-β-CD，接枝率为20.1％)配制成5％的溶液，加入相应量的聚醚F127两端接二茂铁乙酸分子产品(F127-Fc，转化率为50.5％)，使其浓度为20％。将Alg-g-β-CD和F127-Fc溶液，以及10mg/mL的葡萄糖氧化酶GOD混合(β-CD∶Fc＝1∶3)，在4℃下搅拌分散24h，即可得到多重敏感的水凝胶体系。此体系可随温度变化发生溶胶-凝胶-溶胶(sol-gel-sol)的可逆性转变。其中，在20-95℃之间处于gel状态。在体系处于gel状态下时加入0.05mL过氧化物((NH₄)Ce(NO₃)₆)，可发现体系在10h后响应这一刺激转变为sol状态。此外，在体系处于gel状态时加入0.1mL饱和葡萄糖溶液，可发现体系在3d后响应这一刺激转变为sol状态。

实施例4：

称量50mg的聚赖氨酸接枝γ-环糊精(PLL-g-γ-CD，接枝率为15.7％)配制成10％的溶液，加入相应量的聚醚P123两端接二茂铁甲酸分子产品(P123-Fc，转化率为73.5％)，使其浓度为18％。PLL-g-γ-CD& P123-Fc两者混合(β-CD∶Fc＝4∶1)在室温下搅拌分散20h，即可得到多重敏感的水凝胶体系。此体系可随温度变化发生溶胶-凝胶-溶胶(sol-gel-sol)的可逆性转变。其中，在35-60℃之间处于gel状态。另外，在体系处于gel状态时加入0.1mL次氯酸钠，可发现体系在5h后响应这一刺激，转变为sol状态。

实施例5：

称量30mg的聚乳酸接枝二茂铁分子(PLA-g-γ-CD，接枝率为83.6％)配制成3％的溶液，加入相应量的聚醚F610两端接二茂铁甲酸分子产品(F610-Fc，转化率为82.3％)，使其浓度为20％。PLA-g-β-CD&F610-Fc在室温下搅拌分散24h，使得β-环糊精与二茂铁分子通过主客体识别形成具有大量交联的网状组织体系，在sol-gel检测前放置于冰箱4℃下保存。上述体系热敏性检测可观测到sol-gel-sol的可逆性转变，且在20-95℃之间处于gel状态。当在体系中加入2mg/mL的葡萄糖氧化酶GOD，搅拌分散均匀，然后加入0.2mL葡萄糖溶液(该浓度下30-75℃体系处于gel状态)，可在10d后观测到gel-sol的不可逆转变。此外在体系gel状态下插入电极通1.5-6.0v的直流电，可在4h后观测到gel-sol的不可逆转变。

Claims

1.一种多重敏感型水凝胶材料，其特征在于：由环糊精修饰的聚合物以及二茂铁修饰的聚醚pluronic长链组成。

2.根据权利要求1所述的多重敏感型水凝胶材料，其特征是：所述的环糊精修饰的聚合物为线状或支状的分子，其分子量在5000-500000之间，环糊精修饰在聚合物的侧链或长链末端。

3.根据权利要求2所述的多重敏感型水凝胶材料，其特征是：所述的环糊精修饰的聚合物为共聚物或均聚物。

4.根据权利要求3所述的多重敏感型水凝胶材料，其特征是：所述的环糊精修饰的聚合物为海藻酸或羧甲基化魔芋葡甘聚糖或聚丙烯酸-聚甲基丙烯酸共聚物或聚赖氨酸或聚乳酸或壳聚糖。

5.根据权利要求1所述的多重敏感型水凝胶材料，其特征在于：所述的聚醚pluronic长链，其分子量在2000-80000之间，其结构为聚丙二醇-聚乙二醇-聚丙二醇的三嵌段共聚物。

6.根据权利要求5所述的多重敏感型水凝胶材料，其特征在于：所述的聚醚pluronic长链为F127或F610或P65或P123。

7.根据权利要求1所述的多重敏感型水凝胶材料，其特征在于：所述的环糊精为6个或更多的吡喃葡萄糖分子形成的环状低聚糖及其衍生物的总称。

8.权利要求1所述的多重敏感型水凝胶材料的使用方法为：通过改变温度、加入氧化剂、通电或加入葡萄糖和葡萄糖氧化酶中的一个或一个以上条件，使该凝胶材料发生凝胶溶胶转变。

9.根据权利要求8所述的多重敏感型水凝胶材料的使用方法，其特征在于：所述的温度为5-100℃；氧化剂为过氧化氢或次氯酸钠；通电为直流电1.5-50V；葡萄糖以及葡萄糖氧化酶重量浓度分别为0.01％-10％。

10.权利要求1所述的多重敏感型水凝胶材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将带有环糊精的聚合物溶解于水溶液中，重量浓度为0.1％-10％；将带有二茂铁基团的聚醚pluronic溶于水中，配制成重量浓度为1％-50％的水溶液。

(2)将上述两种水溶液混合搅拌，环糊精与二茂铁之间摩尔比在1∶5-5∶1，搅拌温度在0-50℃之间，pH值在5.0-9.0之间，搅拌时间在3h-3d之间，即可得到敏感型水凝胶材料。