CN103146002A - 可注射用聚谷氨酸化学交联水凝胶及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明制备了一种化学交联聚谷氨酸可注射水凝胶，其特征在于首先制备改性聚谷氨酸或聚谷氨酸盐作为第一组分，同时改性多糖高分子（如：海藻酸、羟甲基纤维素、羟丙基纤维素、甲基纤维素、壳聚糖等）、改性多糖混合物、改性合成高分子（如：聚丙烯醇、聚邻羟基丁烯、聚丙烯酸、聚谷氨酸等）、改性明胶、改性胶原蛋白等作为第二组分，将两组分以一定比例混合,通过席夫碱反应，制得化学交联聚谷氨酸可注射水凝胶，成胶时间为10-600s。水凝胶机械性能好、生物相容和生物降解性优良，在组织工程、药物控释、再生医学等领域有广阔的应用前景。

Description

可注射用聚谷氨酸化学交联水凝胶及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种可注射用水凝胶及其制备方法，特别是一种可注射用聚谷氨酸化学交联水凝胶及其制备方法。

背景技术

    水凝胶是指以水为分散介质，由三维网状结构高分子和水溶液组成的交联网络。可注射水凝胶的形成机制是聚合物网络对交联剂、光照、辐射、温度、PH值、离子强度、溶剂交换等产生响应，使聚合物网络间发生化学交联或物理交联而凝胶化。与体外预成型支架相比具有可在体内原位形成，可填充任意形状的缺损，可方便与治疗药物混合，无需外科手术植入，有效减少了病患者的痛苦。随着组织工程与再生医学的发展，可注射水凝胶被广泛应用于组织工程、药物控释、再生医学等领域，日益受到关注。

聚谷氨酸是一种具有良好生物相容性的可降解聚氨基酸，包括聚L-谷氨酸（L-PGA）和聚γ-谷氨酸（γ-PGA）。γ-PGA主要通过微生物发酵法制得，是以α-胺基和γ-羧基之间经酰胺键连接所构成的聚氨基酸，分子量从五万到两百万道尔顿不等。L-PGA主要通过化学合成法制得，是以α-胺基和β-羧基之间经酰胺键连接所构成聚氨基酸，分子量从七万到三十五万道尔顿不等。

聚谷氨酸在生物体内能降解为谷氨酸单体，被机体所吸收，无毒副作用。其分子链上存在大量的游离羧基，便于修饰改性。广泛应用于医药、食品、重金属吸附、农业、缓释剂、药物载体、医用胶黏剂、组织工程等方面。

聚谷氨酸相较于传统凝胶材料优势明显，在体内的降解性能，生物相容性优良，不会引起机体的排异反应，目前，针对聚谷氨酸用于可注射水凝胶的研究不多，聚L-谷氨酸合成难度较大，分子量不高，所以凝胶强度偏低；聚γ-谷氨酸的分子量一般较大，因此降解性能较聚L-谷氨酸略差，本专利通过对聚谷氨酸的改性条件进行研究，把不同改性率的聚谷氨酸与多糖类、合成高分子等通过化学反应形成水凝胶，克服了聚谷氨酸可注射水凝胶机械强度低的问题，并对其成胶时间进行调节。

发明内容

本发明的目的之一在于克服现有技术中存在的问题提供一种以聚谷氨酸及其盐类作为首要组分，以多糖类高分子、多糖混合物、合成高分子、明胶、胶原蛋白等作为第二组分，对两组分进行改性，通过席夫碱反应获得机械性能良好，快速成型的可注射用聚谷氨酸化学交联水凝胶。

本发明的目的之二在于提供该水凝胶的制备方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种可注射用聚谷氨酸化学交联水凝胶，其特征在于该水凝胶以氨基化聚谷氨酸或聚谷氨酸盐作为第一组分，以醛基化多糖高分子、合成高分子、明胶或胶原蛋白作为第二组分，通过席夫碱反应形成肟键作为化学交联位点，得到固含量为1wt%到10wt%，交联度为10%到50%的具有网状交联结构的含水体系。

上述的多糖高分子为：海藻酸（ALG）、羟甲基纤维素（CMC）、羟丙基纤维素（HPMC）、甲基纤维素（MC）和壳聚糖（CS）中的至少一种；所述的合成高分子为：聚乙烯醇、聚乙烯胺、聚丙烯醇、聚邻羟基丁烯、聚丙烯酸或聚谷氨酸。

一种制备上述的可注射用聚谷氨酸化学交联水凝胶的方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：

a.配制聚谷氨酸或聚谷氨酸盐水溶液，加入碳二亚胺活化剂，完全溶解后加入1-羟基苯并三唑(HOBT)或者N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)共同作用活化羧基；活化后加入氨化剂反应0.5-24h进行氨基化；再经透析除去残留的小分子，取出冻干，得到所需的第一组分；所述的碳二亚胺活化剂与HOBT或者NHS的摩尔比为2～10：1；所述的碳二亚胺活化剂与聚谷氨酸或聚谷氨酸盐的摩尔比为1～3：1；所述的氨化剂为己二胺、乙二胺、对苯二胺、己二酸二酰肼、顺丁烯二酰肼或癸二酸二酰肼，氨化剂与聚谷氨酸或聚谷氨酸盐的摩尔比为：0.5-40:1倍； 

b.第二组分制备，分为以下两种情况：

b-1.含有可氧化基团的多糖类高分子、合成高分子的醛基化的方法为：将含有可氧化基团的高分子溶于水中，配制成溶液，加入氧化剂避光反应0.5-48h，所述的氧化剂与待氧化高分子的摩尔比为0.1～2：1，反应结束后透析冻干，得到所需的第二组分；

b-2.不含可氧化基团的高分子的醛基化的方法为：将含有不可氧化基团的高分子溶于水中，配制成溶液，加入碳二亚胺活化剂，与NHS或者HOBT共同作用活化可改性基团，活化后加入含可氧化基团的改性剂进行改性反应0.5-48h，反应结束后透析冻干得到未氧化产物；将未氧化产物配置成水溶液，加入氧化剂避光反应0.5-48h，所述的氧化剂与未氧化产物的摩尔比为0.1～2：1，反应结束后透析冻干，得到所需的第二组分；所述的碳二亚胺活化剂与HOBT或者NHS的摩尔比为2～10：1；所述的碳二亚胺活化剂与不含可氧化基团的高分子的摩尔比为1～3：1；所述的含可氧化基团的改性剂为： 3-氨基-1,2-丙二醇、3-羟基丙胺、1,2-二羟基丙酸或氨甲基乙烯，改性剂与不含可氧化基团的高分子的摩尔比为：1～12：1；

c.成胶：根据固含量的要求，将第一组份和第二组份分别配制成水溶液（顺序换了一下），将两组分混合，其中第一组份的氨基与第二组份的醛基的摩尔比为1:1；通过席夫碱反应获得可注射用聚谷氨酸化学交联水凝胶。

上述的氧化剂为高碘酸钠、重铬酸钾、双氧水或亚硫酸钠。

本发明制得的聚谷氨酸可注射水凝胶成胶速度为10-600s，成胶速度快。采用氨基化聚谷氨酸或聚谷氨酸盐与醛基化高分子通过席夫碱反应形成水凝胶。控制氧化剂含量、氧化时间、成胶组分浓度、固含量等，以调控凝胶成胶速度和机械强度。该发明提供了一种生物相容性优良的新型医用材料，在组织工程、药物控释、再生医学等领域有良好的应用前景。

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明进行详细描述。

实施例一：

称取2gγ-谷氨酸，配制1wt%的水溶液，加入7.68g1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐、3.63g 1-羟基苯并三唑与8.74g己二酸二酰肼反应8h，取出透析冻干。称取2g海藻酸钠，配制1wt%的水溶液，加入1.44g的高碘酸钠，避光反应24h，取出透析冻干。分别将改性γ-谷氨酸与改性海藻酸钠配制成0.5wt%的溶液，等体积混合，获得水凝胶，成胶时间600s，压缩模量为0.24MPa。

实施例二：

称取4gγ-谷氨酸，配制10wt%的水溶液，加入1.64gN, N-二异丙基碳二亚胺、2.42g1-羟基苯并三唑与8.74g 己二酸二酰肼反应1h，取出透析冻干。称取4g壳聚糖，配制10%的水溶液，加入2.88g的高碘酸钠，避光反应12h，取出透析冻干。分别将改性γ-谷氨酸与改性壳聚糖配制成10wt%的水溶液，等体积混合，获得水凝胶，成胶时间574s，压缩模量为0.19MPa。

实施例三：

称取5gL-谷氨酸，配制5wt%的水溶液，加入19.2g1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐、24.2gN-羟基琥珀酰亚胺与43.7g癸二酸二酰肼反应6h，取出透析冻干。称取5gMC，配制5%的水溶液，加入1.09g的高碘酸钠，避光反应36h，取出透析冻干。分别将改性L-谷氨酸与改性甲基纤维素配制成2wt%的水溶液，等体积混合，获得水凝胶，成胶时间477s，压缩模量为1.13MPa。

实施例四：

称取5gL-谷氨酸，配制20wt%的水溶液，加入6.4g二环己基碳二亚胺、12.1g1-羟基苯并三唑与43.7g己二胺反应0.5h，取出透析冻干。称取5g羟丙基甲基纤维素，配制20%的水溶液，加入1.09g的高碘酸钠，避光反应0.5h，取出透析冻干。分别将改性L-谷氨酸与改性羟丙基甲基纤维素配制成10wt%的水溶液，等体积混合，获得水凝胶，成胶时间11s，压缩模量为1.54MPa。

实施例五：

称取5g聚γ-谷氨酸钠，配制5wt%的水溶液，加入19.2g1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐、12.1g1-羟基苯并三唑与43.7g 己二酸二酰肼反应24h，取出透析冻干。称取5g羟丙基甲基纤维素，配制10%的水溶液，加入10.9g的高碘酸钠，避光反应48h，取出透析冻干。分别将改性聚γ-谷氨酸钠与改性羟丙基甲基纤维素配制成7wt%的水溶液，等体积混合，获得水凝胶，成胶时间10s，压缩模量为3.74MPa。

实施例六：

称取2gγ-谷氨酸，配制5wt%的水溶液，加入19.2g1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐、12.1g1-羟基苯并三唑与43.7g 己二酸二酰肼反应6h，取出透析冻干。称取2g海藻酸钠和甲基纤维素混合物,配制10wt%的水溶液，加入20.9g的高碘酸钠，避光反应48h，取出透析冻干。分别将改性γ-谷氨酸与改性多糖混合物配制成7wt%的水溶液，等体积混合，获得水凝胶，成胶时间78s，压缩模量为2.44 MPa。

实施例七：

称取1gL-谷氨酸，配制1wt%的水溶液，加入2.69g1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐、2.42g1-羟基苯并三唑与8.74g 己二酸二酰肼反应1h，取出透析冻干。称取2g聚丙烯酸，配制1wt%的水溶液，加入24.8g1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐、12.1g1-羟基苯并三唑活化羧基，加入6.4g3-羟基丙胺反应24h，取出透析冻干。将改性聚丙烯酸配成5wt%的水溶液，加入10.9g的高碘酸钠，避光反应48h，取出透析冻干。分别将改性L-谷氨酸与二次改性的聚丙烯酸配制成0.5wt%的水溶液，等体积混合，获得水凝胶，成胶时间40s，压缩模量为3.56MPa。

实施例八：

称取1gγ-谷氨酸，配制1wt%的水溶液，加入5.56g1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐、2.89gN-羟基琥珀酰亚胺。与7,49g3-氨基-1,2-丙二醇反应12h，取出透析冻干。将3-氨基-1,2-丙二醇改性后的γ-谷氨酸配成5wt%的水溶液，加入21.3g的高碘酸钠，避光反应48h，取出透析冻干。称取1gL-谷氨酸，配制1wt%的水溶液，加入8.84g1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐、2.42g1-羟基苯并三唑与1.33g 己二酸二酰肼反应0.5h，取出透析冻干。分别将醛基化γ-谷氨酸与酰肼化L-谷氨酸配制成0.5wt%的水溶液，等体积混合，获得水凝胶，成胶时间930s，压缩模量为0.24MPa。

Claims (3)

1.一种可注射用聚谷氨酸化学交联水凝胶，其特征在于该水凝胶以氨基化聚谷氨酸或聚谷氨酸盐作为第一组分，以醛基化多糖高分子、合成高分子、明胶或胶原蛋白作为第二组分，通过席夫碱反应形成肟键作为化学交联位点，得到固含量为1wt%到10wt%，交联度为10%到50%的具有网状交联结构的含水体系。

2.根据权利要求1所述的可注射用聚谷氨酸化学交联水凝胶，其特征在于所述的多糖高分子为：海藻酸（ALG）、羟甲基纤维素（CMC）、羟丙基纤维素（HPMC）、甲基纤维素（MC）和壳聚糖（CS）中的至少一种；所述的合成高分子为：聚乙烯醇、聚乙烯胺、聚丙烯醇、聚邻羟基丁烯、聚丙烯酸或聚谷氨酸。

3.一种制备根据权利要求1或2所述的可注射用聚谷氨酸化学交联水凝胶的方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：

a.配制聚谷氨酸或聚谷氨酸盐水溶液，加入碳二亚胺活化剂，完全溶解后加入1-羟基苯并三唑(HOBT)或者N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)共同作用活化羧基；活化后加入氨化剂反应0.5-24h进行氨基化；再经透析除去残留的小分子，取出冻干，得到所需的第一组分；所述的碳二亚胺活化剂与HOBT或者NHS的摩尔比为2～10：1；所述的碳二亚胺活化剂与聚谷氨酸或聚谷氨酸盐的摩尔比为1～3：1；所述的氨化剂为己二胺、乙二胺、对苯二胺、己二酸二酰肼、顺丁烯二酰肼或癸二酸二酰肼，氨化剂与聚谷氨酸或聚谷氨酸盐的摩尔比为：0.5-40:1倍； 

b.第二组分制备，分为以下两种情况：

b-1.含有可氧化基团的多糖类高分子、合成高分子的醛基化的方法为：将含有可氧化基团的高分子溶于水中，配制成溶液，加入氧化剂避光反应0.5-48h，所述的氧化剂与待氧化高分子的摩尔比为0.1～2：1，反应结束后透析冻干，得到所需的第二组分；

b-2.不含可氧化基团的高分子的醛基化的方法为：将含有不可氧化基团的高分子溶于水中，配制成溶液，加入碳二亚胺活化剂，与NHS或者HOBT共同作用活化可改性基团，活化后加入含可氧化基团的改性剂进行改性反应0.5-48h，反应结束后透析冻干得到未氧化产物；将未氧化产物配置成水溶液，加入氧化剂避光反应0.5-48h，所述的氧化剂与未氧化产物的摩尔比为0.1～2：1，反应结束后透析冻干，得到所需的第二组分；所述的碳二亚胺活化剂与HOBT或者NHS的摩尔比为2～10：1；所述的碳二亚胺活化剂与不含可氧化基团的高分子的摩尔比为1～3：1；所述的含可氧化基团的改性剂为： 3-氨基-1,2-丙二醇、3-羟基丙胺、1,2-二羟基丙酸或氨甲基乙烯，改性剂与不含可氧化基团的高分子的摩尔比为：1～12：1；

c.成胶：根据固含量的要求，将第一组份和第二组份分别配制成水溶液（顺序换了一下），将两组分混合，其中第一组份的氨基与第二组份的醛基的摩尔比为1:1；通过席夫碱反应获得可注射用聚谷氨酸化学交联水凝胶。

4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述的氧化剂为高碘酸钠、重铬酸钾、双氧水或亚硫酸钠。