CN103131054A

CN103131054A - 一种高强度水凝胶

Info

Publication number: CN103131054A
Application number: CN2013100780263A
Authority: CN
Inventors: 廖立琼; 范长江; 刘立建
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2013-03-12
Filing date: 2013-03-12
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2033-03-12
Also published as: CN103131054B

Abstract

本发明公开了一类新型高强度水凝胶：以聚电解质（例如：透明质酸、聚谷氨酸、硫酸软骨素和聚赖氨酸）合成第一网络水凝胶，此水凝胶浸泡在双键功能化聚乙二醇水溶液中一段时间后取出，进行交联得到高强度的双网络水凝胶。所合成的高强度水凝胶，具有良好的生物相容性，可以作为组织工程/修复支架材料等，在生物医学材料领域有广泛的用途。

Description

一种高强度水凝胶

技术领域

本发明涉及一类高强度水凝胶的合成，属于高分子材料领域。

背景技术

近几十年中，随着高分子材料在疾病的诊断、治疗以及生物体组织器官的修复或替换等领域表现出广泛的应用前景，其研究也越来越来受到人们的重视。由于水凝胶具有良好的生物相容性被认为是最有潜力的组织工程支架材料，但是通常较低的机械强度严重影响了其在组织工程方面的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高强度水凝胶。

本发明所提供的有优良生物相容性的高强度水凝胶，是以聚电解质合成第一网络水凝胶，第一网络水凝胶浸泡在双键功能化的聚乙二醇水溶液中交联得到的双网络水凝胶。

所述的聚电解质为透明质酸、聚谷氨酸、硫酸软骨素、聚赖氨酸等。

具体的制备过程为：

(1)双键功能化的聚电解质的合成：将聚电解质溶解在磷酸缓冲溶液（PBS，pH 7.4）中，甲基丙烯酸缩水甘油酯溶解在N,N-二甲基甲酰胺中，然后混合均匀，并加入催化剂三乙胺或者二甲氨基吡啶，聚电解质和甲基丙烯酸缩水甘油酯的摩尔比为1：5～100，室温搅拌2～15天；浓缩，透析，冻干，得到双键功能化的聚电解质；

(2)双键功能化的聚乙二醇（PEGDA）合成：将PEG溶解在甲苯中，120～160摄氏度回流1小时以上，冷却到室温，然后加入催化剂碳酸钾或碳酸钠或三乙胺，再加入丙烯酰氯，聚乙二醇和丙烯酰氯的摩尔比为1:2～12，20～60摄氏度下反应5～24小时，抽滤，在过量乙醚中重沉淀，得到PEGDA；

(3)高强度水凝胶的合成：将步骤（1）所得功能化的聚电解质的水溶液与自由基引发剂混合均匀，反应5～30分钟；或者加入光引发剂，紫外光照2-10分钟，得到单网络水凝胶；将此单网络水凝胶在含有光引发剂的PEGDA水溶液中浸泡1-5天，取出后紫外光照2-10分钟，得到高强度水凝胶。

所述的自由基引发剂为过硫酸胺/四甲基二乙胺、偶氮二异丁腈或者过氧化二苯甲酰。

所述的光引发剂为2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮。

所述的聚乙二醇的数均分子量为4000-40000 g/mol。

步骤（3）中，双键功能化的聚电解质水溶液的浓度为0.2%－5% (g/mL)。

步骤（3）中，双键功能化的聚乙二醇水溶液的浓度为5%－30% (g/mL)。

透明质酸和硫酸软骨素是在体内很多组织存在的一种生物材料，在体内可生物降解；聚谷氨酸和聚赖氨酸也是具有良好生物相容性的聚合物。PEG是FDA批准的可用于体内的具有生物惰性的一种生物材料，它在体内不会引起凝血反应，通过肾脏排出体内。采用以上材料合成的高强度水凝胶，其强度比相应的单网络组分具有显著改善，并且具有良好的生物相容性，可以作为生物体组织工程/修复支架材料等，具有有益的技术效果和广泛应用前景。

附图说明

图1和图2 为实施例1所得的功能化的透明质酸和功能化的聚乙二醇的核磁共振氢谱；

图3为实施例1所得HA-PEG水凝胶应力－应变曲线。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做进一步说明。

实施例1：0.5克透明质酸钠（HA）溶解在100 mL磷酸缓冲溶液（PBS，pH 7.4）中，加入50 mL的N,N-二甲基甲酰胺，然后依次加入2.52 g三乙胺和3.54 g甲基丙烯酸缩水甘油酯，室温搅拌5天。浓缩，透析，冻干，得到双键功能化透明质酸（HAGMA）；将2克数均分子量为20000 g/mol的PEG溶解到装有50毫升甲苯的100毫升的圆底烧瓶中，135摄氏度下回流4小时，共沸蒸馏除去微量的水分。待甲苯溶液冷却到室温后，加入0.13克的碳酸钠，在冰浴下搅拌30分钟，再将溶解在10毫升四氢呋喃中的0.1 mL的丙烯酰氯慢慢滴入烧瓶中,冰浴反应30分钟后,于45摄氏度反应过夜。反应完毕后抽滤、浓缩并重沉淀于过量乙醚中，进一步抽滤、干燥得到PEGDA。将2%的HAGMA水溶液中加入光引发剂，将混合体系加入模具中，放置于紫外灯下照射5分钟，得到2%HAGMA单网络水凝胶，然后将其在含有光引发剂的20%的PEGDA水溶液中浸泡2天，取出后紫外光照5分钟后得到HA-PEG高强度水凝胶，该水凝胶断裂应力达到50.13±4.42 MPa，显著高于单组分HA水凝胶（0.025±0.07 MPa）和PEG水凝胶（1.14±0.36 MPa）。

实施例2：0.5克聚谷氨酸钠（PGA）溶解在20 mL磷酸缓冲溶液（PBS，pH 7.4）中，然后依次加入2.52 g二甲氨基吡啶和3.54 g甲基丙烯酸缩水甘油酯，室温搅拌5天。浓缩，透析，冻干，得到双键功能化的聚谷氨酸钠（PGAGMA）；将2克数均分子量为20000 g/mol的PEG溶解到装有50毫升甲苯的100毫升的圆底烧瓶中，135摄氏度下回流4小时，共沸蒸馏除去微量的水分。待甲苯溶液冷却到室温后，加入0.13克的碳酸钠，在冰浴下搅拌30分钟，再将溶解在10毫升四氢呋喃中的0.1 mL的丙烯酰氯慢慢滴入烧瓶中,冰浴反应30分钟后,于45摄氏度反应过夜。反应完毕后抽滤、浓缩并重沉淀于过量乙醚中，进一步抽滤、干燥得到PEGDA。将2%的功能化的聚谷氨酸钠水溶液中加入光引发剂，将混合体系加入模具中，放置于紫外灯下照射5分钟，得到2% PGAGMA单网络水凝胶，然后将其在含有光引发剂的20%的PEGDA水溶液中浸泡2天，取出后紫外光照5分钟后得到PGA-PEG水凝胶，该水凝胶断裂应力达到35.13±3.32 MPa。

实施例3：0.5克硫酸软骨素钠（CS）溶解在50 mL磷酸缓冲溶液（PBS，pH 7.4）中，加入50 mL的N,N-二甲基甲酰胺，然后依次加入2.52 g三乙胺和3.54 g甲基丙烯酸缩水甘油酯，室温搅拌5天。浓缩，透析，冻干，得到双键功能化的硫酸软骨素钠（CSGMA）；将2克数均分子量为20000 g/mol的PEG溶解到装有50毫升甲苯的100毫升的圆底烧瓶中，135摄氏度下回流4小时，共沸蒸馏除去微量的水分。待甲苯溶液冷却到室温后，加入0.13克的碳酸钠，在冰浴下搅拌30分钟，再将溶解在10毫升四氢呋喃中的0.1 mL的丙烯酰氯慢慢滴入烧瓶中,冰浴反应30分钟后,于45摄氏度反应过夜。反应完毕后抽滤、浓缩并重沉淀于过量乙醚中，进一步抽滤、干燥得到PEGDA。将2%的功能化的硫酸软骨素钠水溶液中加入光引发剂，将混合体系加入模具中，放置于紫外灯下照射5分钟，得到2% CSGMA单网络水凝胶，然后将其在含有光引发剂的20%的PEGDA水溶液中浸泡2天，取出后紫外光照5分钟后得到CS-PEG水凝胶，该水凝胶断裂应力达到41.33±5.81 MPa。

实施例4：0.5克聚赖氨酸溶解在50 mL磷酸缓冲溶液（PBS，pH 7.4）中，然后依次加入3.54 g甲基丙烯酸缩水甘油酯，室温搅拌5天。浓缩，透析，冻干，得到双键功能化的聚赖氨酸（PLAGMA）；将2克数均分子量为20000 g/mol的PEG溶解到装有50毫升甲苯的100毫升的圆底烧瓶中，135摄氏度下回流4小时，共沸蒸馏除去微量的水分。待甲苯溶液冷却到室温后，加入0.13克的碳酸钠，在冰浴下搅拌30分钟，再将溶解在10毫升四氢呋喃中的0.1 mL的丙烯酰氯慢慢滴入烧瓶中,冰浴反应30分钟后,于45摄氏度反应过夜。反应完毕后抽滤、浓缩并重沉淀于过量乙醚中，进一步抽滤、干燥得到PEGDA。将2%的功能化的聚赖氨酸水溶液中加入光引发剂，将混合体系加入模具中，放置于紫外灯下照射5分钟，得到2% 聚赖氨酸单网络水凝胶，然后将其在含有光引发剂的20%的PEGDA水溶液中浸泡2天，取出后紫外光照5分钟后得到PLA-PEG水凝胶，该水凝胶断裂应力达到33.21±2.37 MPa。

实施例5：0.5克透明质酸钠溶解在100 mL磷酸缓冲溶液（PBS，pH 7.4）中，加入50 mL的N,N-二甲基甲酰胺，然后依次加入2.52 g三乙胺和3.54 g甲基丙烯酸缩水甘油酯，室温搅拌5天。浓缩，透析，冻干，得到HAGMA；将2克数均分子量为20000 g/mol的PEG溶解到装有50毫升甲苯的100毫升的圆底烧瓶中，135摄氏度下回流4小时，共沸蒸馏除去微量的水分。待甲苯溶液冷却到室温后，加入0.13克的碳酸钠，在冰浴下搅拌30分钟，再将溶解在10毫升四氢呋喃中的0.1 mL的丙烯酰氯慢慢滴入烧瓶中,冰浴反应30分钟后,于45摄氏度反应过夜。反应完毕后抽滤、浓缩并重沉淀于过量乙醚中，进一步抽滤、干燥得到PEGDA。将2%的HAGMA水溶液与过硫酸胺/四甲基二乙胺（APS/TEMED）20 wt%水溶液混合，在37摄氏度反应10分钟，得到单网络水凝胶，将其在含有光引发剂的20%的PEGDA水溶液中浸泡2天，取出后紫外光照5分钟后得到HA-PEG水凝胶，该水凝胶断裂应力达到34.51±4.95 MPa。

实施例6：0.5克透明质酸钠溶解在100 mL磷酸缓冲溶液（PBS，pH 7.4）中，加入50 mL的N,N-二甲基甲酰胺，然后依次加入2.52 g三乙胺和3.54 g甲基丙烯酸缩水甘油酯，室温搅拌5天。浓缩，透析，冻干，得到HAGMA；将2克数均分子量为20000 g/mol的PEG溶解到装有50毫升甲苯的100毫升的圆底烧瓶中，135摄氏度下回流4小时，共沸蒸馏除去微量的水分。待甲苯溶液冷却到室温后，加入0.13克的碳酸钠，在冰浴下搅拌30分钟，再将溶解在10毫升四氢呋喃中的0.1 mL的丙烯酰氯慢慢滴入烧瓶中,冰浴反应30分钟后,于45摄氏度反应过夜。反应完毕后抽滤、浓缩并重沉淀于过量乙醚中，进一步抽滤、干燥得到PEGDA。将1.5%的HAGMA水溶液中加入光引发剂，将混合体系加入模具中，放置于紫外灯下照射5分钟，得到单网络水凝胶，然后将其在含有光引发剂的20%的PEGDA水溶液中浸泡2天，取出后紫外光照5分钟后得到HA-PEG水凝胶，该水凝胶断裂应力达到46.21±6.13 MPa。

实施例7：0.5克透明质酸钠溶解在100 mL磷酸缓冲溶液（PBS，pH 7.4）中，加入50 mL的N,N-二甲基甲酰胺，然后依次加入2.52 g三乙胺和3.54 g甲基丙烯酸缩水甘油酯，室温搅拌5天。浓缩，透析，冻干，得到HAGMA；将2克数均分子量为20000 g/mol的PEG溶解到装有50毫升甲苯的100毫升的圆底烧瓶中，135摄氏度下回流4小时，共沸蒸馏除去微量的水分。待甲苯溶液冷却到室温后，加入0.13克的碳酸钠，在冰浴下搅拌30分钟，再将溶解在10毫升四氢呋喃中的0.1 mL的丙烯酰氯慢慢滴入烧瓶中,冰浴反应30分钟后,于45摄氏度反应过夜。反应完毕后抽滤、浓缩并重沉淀于过量乙醚中，进一步抽滤、干燥得到PEGDA。将1.0%的HAGMA水溶液中加入光引发剂，将混合体系加入模具中，放置于紫外灯下照射5分钟，得到单网络水凝胶，然后将其在含有光引发剂的20%的PEGDA水溶液中浸泡2天，取出后紫外光照5分钟后得到HA-PEG水凝胶,该水凝胶断裂应力达到36.21±3.29 MPa。

实施例8：0.5克透明质酸钠溶解在100 mL磷酸缓冲溶液（PBS，pH 7.4）中，加入50 mL的N,N-二甲基甲酰胺，然后依次加入2.52 g三乙胺和3.54 g甲基丙烯酸缩水甘油酯，室温搅拌5天。浓缩，透析，冻干，得到HAGMA；将2克数均分子量为20000 g/mol的PEG溶解到装有50毫升甲苯的100毫升的圆底烧瓶中，135摄氏度下回流4小时，共沸蒸馏除去微量的水分。待甲苯溶液冷却到室温后，加入0.13克的碳酸钠，在冰浴下搅拌30分钟，再将溶解在10毫升四氢呋喃中的0.1 mL的丙烯酰氯慢慢滴入烧瓶中,冰浴反应30分钟后,于45摄氏度反应过夜。反应完毕后抽滤、浓缩并重沉淀于过量乙醚中，进一步抽滤、干燥得到PEGDA。将1.0%的HAGMA水溶液中加入光引发剂，将混合体系加入模具中，放置于紫外灯下照射5分钟，得到单网络水凝胶，然后将其在含有光引发剂的15%的PEGDA水溶液中浸泡2天，取出后紫外光照5分钟后得到HA-PEG水凝胶,该水凝胶断裂应力达到23.21±1.74 MPa。

实施例9：0.5克透明质酸钠溶解在100 mL磷酸缓冲溶液（PBS，pH 7.4）中，加入50 mL的N,N-二甲基甲酰胺，然后依次加入2.52 g三乙胺和3.54 g甲基丙烯酸缩水甘油酯，室温搅拌5天。浓缩，透析，冻干，得到HAGMA；将2克PEG20000溶解到装有50毫升甲苯的100毫升的圆底烧瓶中，135摄氏度下回流4小时，共沸蒸馏除去微量的水分。待甲苯溶液冷却到室温后，加入0.13克的碳酸钠，在冰浴下搅拌30分钟，再将溶解在10毫升四氢呋喃中的0.1 mL的丙烯酰氯慢慢滴入烧瓶中,冰浴反应30分钟后,于45摄氏度反应过夜。反应完毕后抽滤、浓缩并重沉淀于过量乙醚中，进一步抽滤、干燥得到PEGDA。将1.0%的HAGMA水溶液中加入光引发剂，将混合体系加入模具中，放置于紫外灯下照射5分钟，得到单网络水凝胶，然后将其在含有光引发剂的10%的PEGDA水溶液中浸泡2天，取出后紫外光照5分钟后得到HA-PEG水凝胶,该水凝胶断裂应力达到18.71±1.88 MPa。

实施例10：0.5克透明质酸钠溶解在100 mL磷酸缓冲溶液（PBS，pH 7.4）中，加入50 mL的N,N-二甲基甲酰胺，然后依次加入2.52 g三乙胺和3.54 g甲基丙烯酸缩水甘油酯，室温搅拌5天。浓缩，透析，冻干，得到HAGMA；将2克数均分子量为20000 g/mol的PEG溶解到装有50毫升甲苯的100毫升的圆底烧瓶中，135摄氏度下回流4小时，共沸蒸馏除去微量的水分。待甲苯溶液冷却到室温后，加入0.13克的碳酸钠，在冰浴下搅拌30分钟，再将溶解在10毫升四氢呋喃中的0.1 mL的丙烯酰氯慢慢滴入烧瓶中,冰浴反应30分钟后,于45摄氏度反应过夜。反应完毕后抽滤、浓缩并重沉淀于过量乙醚中，进一步抽滤、干燥得到PEGDA。将2%的HAGMA水溶液中加入光引发剂，将混合体系加入模具中，放置于紫外灯下照射5分钟，得到单网络水凝胶，然后将其在含有光引发剂的15%的PEGDA水溶液中浸泡2天，取出后紫外光照5分钟后得到HA-PEG水凝胶,该水凝胶断裂应力达到28.71±3.71 MPa。

实施例11：0.5克透明质酸钠溶解在100 mL磷酸缓冲溶液（PBS，pH 7.4）中，加入50 mL的N,N-二甲基甲酰胺，然后依次加入2.52 g三乙胺和3.54 g甲基丙烯酸缩水甘油酯，室温搅拌5天。浓缩，透析，冻干，得到HAGMA；将2克数均分子量为20000 g/mol的PEG溶解到装有50毫升甲苯的100毫升的圆底烧瓶中，135摄氏度下回流4小时，共沸蒸馏除去微量的水分。待甲苯溶液冷却到室温后，加入0.13克的碳酸钠，在冰浴下搅拌30分钟，再将溶解在10毫升四氢呋喃中的0.1 mL的丙烯酰氯慢慢滴入烧瓶中,冰浴反应30分钟后,于45摄氏度反应过夜。反应完毕后抽滤、浓缩并重沉淀于过量乙醚中，进一步抽滤、干燥得到PEGDA。将2%的HAGMA水溶液中加入光引发剂，将混合体系加入模具中，放置于紫外灯下照射5分钟，得到单网络水凝胶，然后将其在含有光引发剂的10%的PEGDA水溶液中浸泡2天，取出后紫外光照5分钟后得到HA-PEG水凝胶,该水凝胶断裂应力达到21.47±2.90 MPa。

实施例12：0.5克透明质酸钠溶解在100 mL磷酸缓冲溶液（PBS，pH 7.4）中，加入50 mL的N,N-二甲基甲酰胺，然后依次加入2.52 g三乙胺和3.54 g甲基丙烯酸缩水甘油酯，室温搅拌5天。浓缩，透析，冻干，得到HAGMA；将2克数均分子量为20000 g/mol的PEG溶解到装有50毫升甲苯的100毫升的圆底烧瓶中，135摄氏度下回流4小时，共沸蒸馏除去微量的水分。待甲苯溶液冷却到室温后，加入0.13克的碳酸钠，在冰浴下搅拌30分钟，再将溶解在10毫升四氢呋喃中的0.1 mL的丙烯酰氯慢慢滴入烧瓶中,冰浴反应30分钟后,于45摄氏度反应过夜。反应完毕后抽滤、浓缩并重沉淀于过量乙醚中，进一步抽滤、干燥得到PEGDA。将2.5%的HAGMA水溶液中加入光引发剂，将混合体系加入模具中，放置于紫外灯下照射5分钟，得到单网络水凝胶，然后将其在含有光引发剂的20%的PEGDA水溶液中浸泡2天，取出后紫外光照5分钟后得到取出后紫外光照5分钟后得到HA-PEG水凝胶,该水凝胶断裂应力达到10.77±1.84 MPa。

Claims

1.一种高强度水凝胶，是以聚电解质合成第一网络水凝胶，第一网络水凝胶浸泡在双键功能化的聚乙二醇水溶液中交联得到的双网络水凝胶。

2.权利要求1所述的高强度水凝胶，其特征在于，所述的聚电解质为透明质酸、聚谷氨酸、硫酸软骨素或聚赖氨酸。

3.权利要求1所述的高强度水凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)双键功能化的聚电解质的合成：将聚电解质溶解在磷酸缓冲溶液中，甲基丙烯酸缩水甘油酯溶解在N,N-二甲基甲酰胺中，然后混合均匀，并加入催化剂三乙胺或者二甲氨基吡啶，聚电解质和甲基丙烯酸缩水甘油酯的摩尔比为1：5～100，室温搅拌2～15天；浓缩，透析，冻干，得到双键功能化的聚电解质；

(2)双键功能化的聚乙二醇合成：将PEG溶解在甲苯中，120～160摄氏度回流1小时以上，冷却到室温，然后加入催化剂碳酸钾或碳酸钠或三乙胺，再加入丙烯酰氯，聚乙二醇和丙烯酰氯的摩尔比为1:2～12，20～60摄氏度下反应5～24小时，抽滤，在过量乙醚中重沉淀，得到PEGDA；

(3)高强度水凝胶的合成：将步骤（1）所得功能化的聚电解质的水溶液与自由基聚合引发剂混合均匀，反应5～30分钟；或者加入光聚合引发剂，紫外光照2-10分钟，得到单网络水凝胶；将此单网络水凝胶在含有光引发剂的PEGDA水溶液中浸泡1-5天，取出后紫外光照2-10分钟，得到高强度水凝胶。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述的聚电解质为透明质酸、聚谷氨酸、硫酸软骨素或聚赖氨酸。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述的自由基引发剂为过硫酸胺/四甲基二乙胺、偶氮二异丁腈或者过氧化二苯甲酰。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述的光引发剂为2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮。

7.根据权利要求3所述的高强度水凝胶的合成方法，其特征在于：聚乙二醇的数均分子量为4000-40000 g/mol。

8.根据权利要求3所述的高强度水凝胶的合成方法，其特征在于：双键功能化的聚电解质水溶液的浓度为0.2%－5% (g/mL)。

9.根据权利要求3所述的高强度水凝胶的合成方法，其特征在于：双键功能化的聚乙二醇水溶液的浓度为5%－30% (g/mL)。

10.权利要求1所述的高强度水凝胶在作为生物体组织工程材料上的用途。