CN103251551A - 一种可注射性氧化石墨烯/石墨烯复合水凝胶及其制备方法 - Google Patents
一种可注射性氧化石墨烯/石墨烯复合水凝胶及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种可注射性氧化石墨烯/石墨烯复合水凝胶及其制备方法，该复合水凝胶由水溶性氧化石墨/石墨烯溶液与药物溶液、α-环糊精水溶液混合静置而成。本复合水凝胶具有可注射性，其整体力学性能略好于本体水凝胶，喜树碱在复合氧化石墨烯水凝胶的装载量最高可达到50ug/mL，在石墨烯水凝胶的装载量最高可达到70ug/mL，几乎所有在溶液中混合的药物的量都可以装载到水凝胶中，而且复合水凝胶比本体水凝胶更能控制药物缓慢平稳的释放。
Description
技术领域
本发明属于新材料技术领域，具体涉及一种载药可注射性复合水凝胶及其制备方法。
背景技术
目前，很多疾病的治疗主要通过药物完成。在药物治疗中，过低的药物浓度不能起到治疗作用；过高的药物浓度则会产生副作用，甚至会损害正常的组织器官。目前使用的普通药物制剂中，当药物被吸收进人体，仅少部分的药物能被有效利用，大部分药物是分散在人身体全身各处，造成利用率低、治疗效果不明显等缺点。药物的溶度随着人体的新陈代谢逐渐降低，这就需要多次给药，给患者带来不便。
随着药物传递体系的出现和发展，利用药物载体控制药物在人体中的释放速率、时间以及地点是提高药物的疗效、降低和减少药物的毒副作用及减少给药次数的一种有效方式。理想的药物载体应具有很好的生物相容性、生物可降解性、理化及生物稳定性和极低的毒性，且有较高的载药性。目前用作药物载体的材料很多，包括水凝胶、微球、膜、功能化粒子。其中，可注射型生物材料通过注射的方法植入体内，具有微创性的特点，在药物传递领域有着广泛的应用前景。
水凝胶前驱物为溶液状态，极易注射，在体内可快速成型，是一类最常见的可注射型生物材料。水凝胶的结构兼有固体和液体双重特性的性质，这种结构可以实现药物在孔隙中的装载，并通过扩散、渗透、降解等方式实现药物的控制释放，同时水凝胶固体的特性可以保证药物在病变的部位的释放。此外，水凝胶水溶液的环境与人体组织及其相似，柔软、润湿的表面以及与组织的亲和力大大减少了材料对周围组织的刺激，使得水凝胶具有良好的生物相容性。但是大部分抗癌药物如阿霉素、紫杉醇等是疏水性药物，疏水性药物的水溶性比较差，这些药物在水凝胶中的装载收到一定的限制。此外，由于疏水性药物与亲水性的水凝胶主链相容性差，包埋在水凝胶网络中疏水性药物会很快通过渗透的方式释放出来，这样就不能保证治疗的效果。
石墨烯是2004年被发现的一种新型二维平面纳米材料，其特殊的单原子层结构决定了它具有丰富而新奇的物理性质。过去几年中，石墨烯已经成为了科学研究的前沿和热点，它在生物医药领域的研究也备受瞩目。由于石墨烯具有单原子层结构，其比表面积很大，但是其水溶性较差，无法与水凝胶的前躯体复合；而氧化石墨烯拥有和石墨烯一样的大的比表面积，且水溶性很好。
发明内容
本发明的目的是克服上述可注射性水凝胶药物载体的不足，将氧化石墨烯引入水凝胶中，提供一种用于疾病治疗、控制药物释放的可注射性氧化石墨烯/水凝胶复合药物载体。
本发明的另一目的在于提供一种制备可注射性氧化石墨烯/水凝胶复合药物载体的方法。
本发明的目的可以通过以下措施达到：
一种可注射性氧化石墨烯/石墨烯复合水凝胶，该复合水凝胶由水溶性氧化石墨/石墨烯溶液与药物溶液、α-环糊精水溶液混合静置而成；其中所述水溶性氧化石墨烯/石墨烯溶液为含有水溶性氧化石墨烯或水溶性石墨烯的水溶液，该水溶液中还含有浓度2.5～20%g/mL的嵌段式聚醚F-127；所述药物溶液为含有药物的有机溶液或水溶液；所述α-环糊精水溶液中环糊精的浓度为80～200mg/mL；水溶性氧化石墨/石墨烯溶液和药物溶液的总体积与α-环糊精水溶液的体积比为1：0.9～1.1。
本发明采用通过改性的Hummers氧化法制备的氧化石墨烯，用嵌段式聚醚F-127稳定氧化石墨烯得到水溶性氧化石墨烯溶液或经过还原剂还原后得到水溶性石墨烯溶液（参考CN201210291399），通过超声共混法将药物负载到氧化石墨烯或石墨烯上，再将负载药物的水溶性的氧化石墨烯或水溶性的石墨烯和α-环糊精水溶液等体积共混复合，放置后形成。本发明的可注射性氧化石墨烯/石墨烯复合水凝胶的制备方法，其具体包括如下步骤：
（A）α-环糊精水溶液的制备：将α-环糊精溶于水中得到浓度为80～200mg/mLα-环糊精水溶液；
（B）水溶性氧化石墨烯/石墨烯水溶液的制备：将水溶性氧化石墨烯/石墨烯溶于水后超声分散，然后再在溶液中加入嵌段式聚醚F-127，搅拌均匀后得到嵌段式聚醚F-127浓度为2.5～20%g/mL的液体；
（C）含药物的氧化石墨烯/石墨烯水溶液的制备：将药物溶液混入水溶性氧化石墨烯/石墨烯水溶液中搅拌均匀后，除去未溶解的药物；
（D）可注射性水凝胶的制备：将上述α-环糊精水溶液与步骤C得到的溶液混合后静置，得到可注射性复合水凝胶。
在本发明的复合水凝胶及其制备方法中，水溶性氧化石墨烯或水溶性石墨烯的制备可参考CN201210291399的方法，其具体方法如下：将嵌段式聚醚F-127加入氧化石墨烯的水溶液中，搅拌混合均匀后得到溶液，冻干后得到水溶性氧化石墨烯；或者向水溶性氧化石墨烯的水溶液中加入还原剂并混匀，用水稀释0～20倍，再用氢氧化钠调节溶液的pH值至10～13，最后在30～100℃下进行反应，反应后除去小分子再冻干，得到水溶性石墨烯；其中所述还原剂选自维生素C、半乳糖或牛血清白蛋白，优选半乳糖。
在本发明的复合水凝胶及其制备方法中，所述α-环糊精水溶液中环糊精的浓度为80～200mg/mL，优选130～200mg/mL，最优的浓度为180mg/mL。
在本发明的复合水凝胶及其制备方法中，所述水溶性氧化石墨烯/石墨烯溶液中氧化石墨烯或石墨烯的浓度为0.1-2mg/mL，进一步浓度为0.5-1mg/mL，最优的浓度为1mg/mL；嵌段式聚醚F-127的浓度为3-15%g/mL，进一步为5-10%g/mL。
在本发明的复合水凝胶及其制备方法中，所述药物溶液可以采用喜树碱的DMSO溶液或盐酸阿霉素水溶液，或者其他可采用的药物溶液，所述药物溶液的浓度为0.5～2mg/mL，进一步为1mg/mL；药物与氧化石墨烯/石墨烯的质量比为0.01～0.5:1，进一步的质量比为0.03～0.2:1，最优的质量比为0.05～0.1:1。
在本发明的复合水凝胶及其制备方法中，可注射性复合水凝胶中α-环糊精与嵌段式聚醚F-127的质量比为8:15～20:5，进一步的质量比为8:10～3:1，最优的质量比为1:1～2:1；含药物的氧化石墨烯/石墨烯水溶液与α-环糊精水溶液的体积比为的体积比为1：0.9～1.1，进一步为1：1。
在本发明的复合水凝胶及其制备方法中，α-环糊精水溶液与含药物的氧化石墨烯/石墨烯水溶液混合后静置时间一般为1～4小时，优选2小时。
本发明的复合水凝胶的性能如下所示：
（1）当α-环糊精水溶液与含药物的氧化石墨烯/石墨烯水溶液混合后溶液的粘度很小，依然具有液体的可流动性，经过一段时间，可流动性的液体变为不可流动的固体如图1所示，说明此水凝胶具有可注射性。水凝胶的凝胶时间随着氧化石墨烯的含量的增加而略有降低，随着石墨烯含量的增加也略有降低如图2所示。
（2）复合氧化石墨烯水凝胶和石墨烯水凝胶的储能模量都在100-300Pa之间，损耗模量在50-200之间，而不含氧化石墨烯和石墨烯的本体水水凝胶储能模量都在50-200Pa之间，损耗模量在40-200之间。因此，复合水凝胶的整体力学性能略好于本体水凝胶。水凝胶具有剪切变稀的特点，随着频率的增加粘度降低。
（3）复合氧化石墨烯水凝胶和石墨烯水凝胶在PBS中会逐渐被侵蚀，到达8天时，只剩下原先重量的20%如图3所示
（4）喜树碱在复合氧化石墨烯水凝胶的装载量最高可达到50ug/mL，在石墨烯水凝胶的装载量最高可达到70ug/mL，而在本体水凝胶的装载量最高只达到15ug/mL。
（5）由于盐酸阿霉素的水溶性比较好，它在3种水凝胶中的装载量都类似，几乎所有在溶液中混合的药物的量都可以装载到水凝胶中。
（6）氧化石墨烯/石墨烯复合水凝胶比本体水凝胶更能控制药物缓慢平稳的释放如图4所示。
附图说明
图1是复合水凝胶药物载体的制备示意图。
图2是本发明水凝胶的凝胶时间变化图。
图3是水凝胶在PBS溶液中的失重曲线图。
图4是不同药物从水凝胶中的释放曲线。
图中，（a）盐酸阿霉素从水凝胶释放曲线，在37°CPBS中；（b）喜树碱从水凝胶释放曲线，在37°CPBS中。
具体实施方式
凝胶时间的测定：
通过观察法观测水凝胶单体流动性的变化，从溶液失去流动性的时间定义水凝胶的凝胶时间。
动态流变性能的测定：
将水凝胶制备成直径为50mm，高度为1mm大小的形状，在安东帕MCR流变仪上用平行板模式在37度下，测定其模量、粘度随着频率的变化，设定应变为1%。
水凝胶的失重：
约200μL的水凝胶置于37℃的1.5mL的PBS中。称量不同时间下水凝胶的重量记为Wt，水凝胶的失重定义为（W0－Wt）×100%/W0，W0表示初始水凝胶的重量。
喜树碱装载量的测定：
用特定量的乙醇溶解未溶解的喜树碱，测定其在360nm处的吸光度，从标准曲线换算出药物的浓度，最后得到药物的质量。
药物释放量的测定：
将含药物的水凝胶分别置于PBS中，并置于37℃恒温水浴中，通过紫外分光光度计检测不同释放时间段的喜树碱在360nm处得吸光度，盐酸阿霉素在480nm处的吸光度，通过标准曲线计算药物的溶度，从而得到药物的累积释放量。
水溶性氧化石墨烯/水溶性石墨烯的制备
预氧化过程:称取0.5gK2S2O8，0.5gP2O5，依次缓慢加入30mL浓硫酸中，然后加入1g天然石墨粉末形成混合物溶液，在80℃温度下搅拌反应6h，冷却至室温。最后用去离子水洗涤离心直至pH=7，置于60℃烘箱中干燥过夜，得到预氧化产物。
二次氧化过程:量取23mL浓硫酸于烧杯中，置于冰水混合浴中，在不断搅拌下逐渐加入预氧化的石墨，控制反应温度在10℃以下，然后再缓慢加入3gKMnO4，搅拌数分钟至温度不再上升为止。升温至35℃继续搅拌2h，加入46mL去离子水。在98℃水浴中继续搅拌15min后，再加入1.4L去离子水及2.5mL30%的H2O2，产物呈现亮黄色悬浊液。依次用33mL浓度为1:10的HCl、去离子水洗涤离心产物，直至滤液中无残留的S04 2-，经60℃真空干燥后得到氧化石墨。
超声分散：将100mg氧化石墨和100mL水配成悬浮液，再施以超声处理，直到清晰并看不见任何特殊物质时停止。将上述悬浮液离心后发现底部有少量的沉降物，故再将其分散液反复超声再施以离心处理取上层清液，保存于干净广口瓶中，溶液颜色为棕色透明。
水溶性的氧化石墨烯的制备：将2.5g的嵌段式聚醚F-127（Pluronic F-127）加入100mL氧化石墨烯水溶液中，搅拌混合均匀后得到水溶性的氧化石墨烯水溶液，冻干后都到水溶性的氧化石墨烯。
水溶性的石墨烯的制备：100mL水溶性的氧化石墨烯水溶液加入5g的半乳糖，搅拌均匀后稀释到1000mL，用NaOH调节pH为12，超声半小时后置于95度的烘箱中10h，取出后冷却至室温，用截留分子量为1万的透析袋透析除去小分子冻干后得到水溶性石墨烯。
实施例1
将约0.26g的水溶性的氧化石墨烯溶于10mL水后超声分散，使最终水溶液中的氧化石墨烯浓度为1mg/mL。然后再在溶液中加入0.25g Pluronic F-127，搅拌均匀后放置待用。将1mL的1mg/mL喜树碱的DMSO溶液混入上述氧化石墨烯水溶液中搅拌均匀后，除去未溶解的药物，放置待用。将1.8g α-环糊精在80度下溶于10mL水，得到浓度为180mg/mL α-环糊精水溶液。将上述α-环糊精水溶液与含药物的氧化石墨烯水溶液等体积混合后，放置2h得到可注射性复合氧化石墨烯水凝胶。水凝胶的凝胶时间为65.5±5.5min（图2）；储能模量都在100-300Pa之间，损耗模量在50-200之间；水凝胶在PBS中8天后剩下原先重量的20%（图3）；喜树碱的装载量最高可达到50ug/mL；药物能平稳的释放（图4b）。
实施例2
将约0.26g的水溶性的石墨烯溶于10mL水后超声分散，使最终水溶液中的石墨烯浓度为1mg/mL。然后再在溶液中加入0.25g Pluronic F-127，搅拌均匀后放置待用。将1mL的1mg/mL喜树碱的DMSO溶液混入上述石墨烯水溶液中搅拌均匀后，除去未溶解的药物，放置待用。将1.8g α-环糊精在80度下溶于10mL水，得到浓度为180mg/mL α-环糊精水溶液。将上述α-环糊精水溶液与含药物的石墨烯水溶液等体积混合后，放置2h得到可注射性复合石墨烯水凝胶。水凝胶的凝胶时间为65±5min（图2）；储能模量都在100-300Pa之间，损耗模量在50-200之间；水凝胶在PBS中8天后剩下原先重量的20%（图3）；喜树碱的装载量最高可达到70ug/mL；药物能平稳的释放（图4b）。
实施例3
将约0.13g的水溶性的氧化石墨烯溶于10mL水后超声分散，使最终水溶液中的氧化石墨烯浓度为0.5mg/mL。然后再在溶液中加入0.375g Pluronic F-127，搅拌均匀后放置待用。将1mL的1mg/mL喜树碱的DMSO溶液混入上述氧化石墨烯水溶液中搅拌均匀后，除去未溶解的药物，放置待用。将1.8g α-环糊精在80度下溶于10mL水，得到浓度为180mg/mL α-环糊精水溶液。将上述α-环糊精水溶液与含药物的氧化石墨烯水溶液等体积混合后，放置2h得到可注射性复合氧化石墨烯水凝胶。水凝胶的凝胶时间为70±10min（图2）；水凝胶在PBS中8天后剩下原先重量的20%（图3）；喜树碱的装载量最高可达到26ug/mL。
实施例4
将约0.13g的水溶性的石墨烯溶于10mL水后超声分散，使最终水溶液中的石墨烯浓度为0.5mg/mL。然后再在溶液中加入0.375g Pluronic F-127，搅拌均匀后放置待用。将1mL的1mg/mL喜树碱的DMSO溶液混入上述石墨烯水溶液中搅拌均匀后，除去未溶解的药物，放置待用。将1.8g α-环糊精在80度下溶于10mL水，得到浓度为180mg/mL α-环糊精水溶液。将上述α-环糊精水溶液与含药物的石墨烯水溶液等体积混合后，放置2h得到可注射性复合氧化石墨烯水凝胶。水凝胶的凝胶时间为75±8min（图2）；水凝胶在PBS中8天后剩下原先重量的20%（图3）；喜树碱的装载量最高可达到50ug/mL。
实施例5
将约0.26g的水溶性的石墨烯溶于10mL水后超声分散，使最终的石墨烯浓度为1mg/mL。然后再在溶液中加入0.25g Pluronic F-127，搅拌均匀后放置待用。将1mL的1mg/mL盐酸阿霉素的水溶液混入上述石墨烯水溶液中搅拌均匀后，放置待用。将1.8g α-环糊精在80度下溶于10mL水，得到浓度为180mg/mL α-环糊精水溶液。将上述α-环糊精水溶液与含药物的石墨烯水溶液等体积混合后，放置2h得到可注射性复合石墨烯水凝胶。水凝胶的凝胶时间为65±5min（图2）；储能模量都在100-300Pa之间，损耗模量在50-200之间；水凝胶在PBS中8天后剩下原先重量的20%（图3）；药物能平稳的释放（图4a）。
对比例1
将0.5g Pluronic F-127溶于10mL水后，搅拌均匀后放置待用。将1mL的1mg/mL喜树碱的DMSO溶液混入上述Pluronic F-127水溶液中搅拌均匀后，除去未溶解的药物，放置待用。将1.8g α-环糊精在80度下溶于10mL水，得到浓度为180mg/mL α-环糊精水溶液。将上述α-环糊精水溶液与Pluronic F-127水溶液等体积混合后，放置2h得到可注射性本体水凝胶。水凝胶的凝胶时间为79±6min（图2）；储能模量都在50-200Pa之间，损耗模量在40-200之间；水凝胶在PBS中8天后全部消失（图3）；喜树碱的装载量最高达到15ug/mL；药物快速从水凝胶中释放出来（图4b）。
对比例2
将0.5g Pluronic F-127溶于10mL水后，搅拌均匀后放置待用。将1mL的1mg/mL盐酸阿霉素的水溶液混入上述Pluronic F-127水溶液中搅拌均匀后，放置待用。将1.8g α-环糊精在80度下溶于10mL水，得到浓度为180mg/mL α-环糊精水溶液。将上述α-环糊精水溶液与Pluronic F-127水溶液等体积混合后，放置2h得到可注射性本体水凝胶。水凝胶的凝胶时间为79±6min（图2）；储能模量都在50-200Pa之间，损耗模量在40-200之间；水凝胶在PBS中8天后全部消失（图3）；药物快速从水凝胶中释放出来（图4a）。
Claims (10)
1.一种可注射性氧化石墨烯/石墨烯复合水凝胶，其特征在于该复合水凝胶由水溶性氧化石墨/石墨烯溶液与药物溶液、α-环糊精水溶液混合静置而成；其中所述水溶性氧化石墨烯/石墨烯溶液为含有水溶性氧化石墨烯或水溶性石墨烯的水溶液，该水溶液中还含有浓度2.5～20%g/mL的嵌段式聚醚F-127；所述药物溶液为含有药物的有机溶液或水溶液；所述α-环糊精水溶液中环糊精的浓度为80～200mg/mL；水溶性氧化石墨/石墨烯溶液和药物溶液的总体积与α-环糊精水溶液的体积比为1：0.9～1.1。
2.根据权利要求1所述的可注射性氧化石墨烯/石墨烯复合水凝胶，其特征在于所述水溶性氧化石墨烯/石墨烯溶液中氧化石墨烯或石墨烯的浓度为0.1-2mg/mL，进一步浓度为0.5-1mg/mL，最优的浓度为1mg/mL；嵌段式聚醚F-127的浓度为3-15%g/mL，进一步为5-10%g/mL。
3.根据权利要求1所述的可注射性氧化石墨烯/石墨烯复合水凝胶，其特征在于所述药物溶液为喜树碱的DMSO溶液或盐酸阿霉素水溶液，所述药物溶液的浓度为0.5～2mg/mL，进一步为1mg/mL；药物与氧化石墨烯/石墨烯的质量比为0.01～0.5:1，进一步的质量比为0.03～0.2:1，最优的质量比为0.05～0.1:1。
4.根据权利要求1所述的可注射性氧化石墨烯/石墨烯复合水凝胶，其特征在于所述α-环糊精水溶液中环糊精的浓度为130～200mg/mL，最优的浓度为180mg/mL；α-环糊精与嵌段式聚醚F-127的质量比为8:15～20:5，进一步的质量比为8:10～3:1，最优的质量比为1:1～2:1；α-环糊精水溶液的体积与水溶性氧化石墨/石墨烯溶液和药物溶液总体积的比例为1：1。
5.权利要求1所述的可注射性氧化石墨烯/石墨烯复合水凝胶的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
（A）α-环糊精水溶液的制备：将α-环糊精溶于水中得到浓度为80～200mg/mLα-环糊精水溶液；
（B）水溶性氧化石墨烯/石墨烯水溶液的制备：将水溶性氧化石墨烯/石墨烯溶于水后超声分散，然后再在溶液中加入嵌段式聚醚F-127，搅拌均匀后得到嵌段式聚醚F-127浓度为2.5～20%g/mL的液体；
（C）含药物的氧化石墨烯/石墨烯水溶液的制备：将药物溶液混入水溶性氧化石墨烯/石墨烯水溶液中搅拌均匀后，除去未溶解的药物；
（D）可注射性水凝胶的制备：将上述α-环糊精水溶液与步骤C得到的溶液混合后静置，得到可注射性复合水凝胶。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述水溶性氧化石墨烯或水溶性石墨烯的制备方法如下：将嵌段式聚醚F-127加入氧化石墨烯的水溶液中，搅拌混合均匀后得到溶液，冻干后得到水溶性氧化石墨烯；或者向水溶性氧化石墨烯的水溶液中加入还原剂并混匀，用水稀释0～20倍，再用氢氧化钠调节溶液的pH值至10～13，最后在30～100℃下进行反应，反应后除去小分子再冻干，得到水溶性石墨烯；其中所述还原剂选自维生素C、半乳糖或牛血清白蛋白。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述α-环糊精水溶液中环糊精的浓度为130～200mg/mL，最优的浓度为180mg/mL。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述水溶性氧化石墨烯/石墨烯溶液中氧化石墨烯或石墨烯的浓度为0.1-2mg/mL，进一步浓度为0.5-1mg/mL，最优的浓度为1mg/mL；嵌段式聚醚F-127的浓度为3-15%g/mL，进一步为5-10%g/mL。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述药物溶液为喜树碱的DMSO溶液或盐酸阿霉素水溶液，所述药物溶液的浓度为0.5～2mg/mL，进一步为1mg/mL；药物与氧化石墨烯/石墨烯的质量比为0.01～0.5:1，进一步的质量比为0.03～0.2:1，最优的质量比为0.05～0.1:1。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于可注射性复合水凝胶中α-环糊精与嵌段式聚醚F-127的质量比为8:15～20:5，进一步的质量比为8:10～3:1，最优的质量比为1:1～2:1；含药物的氧化石墨烯/石墨烯水溶液与α-环糊精水溶液的体积比为1：0.9～1.1，进一步为1：1。
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