CN103333294B

CN103333294B - 一种高强度的抗蛋白质吸附水凝胶及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN103333294B
Application number: CN201310231169.3A
Authority: CN
Inventors: 徐守萍; 曾仁昌; 皮丕辉; 蔡智奇; 文秀芳; 程江
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2013-06-09
Filing date: 2013-06-09
Publication date: 2015-09-16
Anticipated expiration: 2033-06-09
Also published as: CN103333294A

Abstract

本发明公开了一种高强度的抗蛋白质吸附水凝胶及其制备方法和应用，属于高分子生物材料技术领域。本发明采用可逆加成-断裂链转移（RAFT）聚合法，以磺酸甜菜碱及另一种聚合单体为原料，在纳米添加剂及交联剂作用下聚合得到三维网状结构的水凝胶。该水凝胶具有较强的抗压性、应变性及阻抗蛋白质吸附性能，可应用于生物医用材料如人造软骨、隐形眼镜及药物释放载体等。

Description

一种高强度的抗蛋白质吸附水凝胶及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于高分子生物材料技术领域，具体涉及一种高强度的抗蛋白质吸附水凝胶及其制备方法和应用。

背景技术

水凝胶是一种三维网络交联结构的智能材料。而采用磺酸甜菜碱（Biomacromolecules，2009，10，2809-2816.）为单体制备的水凝胶则是一种具有很好生物兼容性和抗蛋白质吸附的生物水凝胶，使其在生物医用材料领域有巨大的应用潜力，如人造软骨、半月软骨、隐形眼镜及药物释放载体等，但聚磺酸甜菜碱水凝胶机械性能差，不具备抗压缩及抗疲劳性能，在使用过程中容易破碎，限制了其在生物材等方面的应用。

Kazutoshi等（Macromolecules，2006，39，1898-1905）和张平等（精细化工，2007，24，1158-1162）对提高水凝胶的机械强度进行了深入研究，并合成了一种高强度的聚N-异丙基丙烯酰胺-粘土纳米复合水凝胶，纳米粘土的加入，大大改善了结构中聚合物链的规整度，使得水凝胶的机械强度得以增强，添加适量的粘土，所得的纳米水凝胶的抗压性能优于双网络水凝胶。公开号为CN101161689A的国家专利公开了一种高力学性能的水凝胶，该水凝胶采用直径为20-30nm的无机锂皂石作为交联剂，通过物理交联作用合成水凝胶，所制备的水凝胶具有高强度、高延伸率及高回弹性。

林智辉等（高强度水凝胶P(HEMA-co-NEVER)溶胀特性的研究，2007，24，1043-1046）报道了一种高强度的水凝胶，该水凝胶是采用含羟基的甲基丙烯酸羟乙酯为聚合单体，合成的水凝胶结构中含有大量的羟基，羟基之间的交联可提高水凝胶的强度，其最大的抗拉伸强度可达到106.0MPa。公开号为102276854B的国家专利介绍了一种含大量羧基的高强度天然水凝胶，该水凝胶结构中由于羧基之间相互作用，产生大量、高密度的氢键，故其力学强度很高。

水凝胶常用的合成方法为自由基聚合，由于传统自由基聚合过程，分子量不易控制，得到的凝胶结构不均匀，对其机械强度有较大的影响。可逆加成-断裂链转移自由基聚合法（RAFT，Reversible addition-fragmentation chain transferpolymerization）是一种采用双硫酯或三硫酯为链转移剂进行可控自由基聚合的方法，RAFT聚合还具有如下特点：单体适用范围较广，可用于含有羧基、羟基、二烷胺基等特殊官能团烯类单体的聚合；RAFT聚合所要求的聚合条件温和，可在传统的自由基聚合条件下进行，适合的反应温度范围较宽，且反应过程无需保护和解保护等。

发明内容

为克服上述现有技术的缺点和不足，本发明的首要目的在于提供一种高强度的抗蛋白质吸附水凝胶的制备方法。该制备方法采用可逆加成-断裂链转移自由基聚合法，后处理简单，反应条件温和，是一种理想的制备接枝型水凝胶的方法。

本发明的另一目的在于提供上述制备方法获得高强度的抗蛋白质吸附水凝胶，该类凝胶除了可以阻抗蛋白质粘附在其表面，还具有良好的机械强度，如抗压性能及结构应变能力。

本发明的再一目的在于提供上述高强度的抗蛋白质吸附水凝胶的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种高强度的抗蛋白质吸附水凝胶的制备方法，采用可逆加成-断裂链转移（RAFT）聚合法，包括以下制备步骤：

（1）制备磺酸甜菜碱聚合物溶液

取0.2～0.8重量份磺酸甜菜碱单体（SBMA）和0.01～0.03重量份RAFT链转移试剂溶于4～8重量份的去离子水中，形成均匀分散的溶液，通入氮气除氧3次，加入0.005～0.01重量份引发剂后密封，在40～70℃下进行活性聚合3～24h，制备出末端基具有活性的磺酸甜菜碱聚合物溶液；

（2）制得高强度的抗蛋白质吸附水凝胶

将步骤（1）中制备的具有活性的磺酸甜菜碱聚合物溶液与2.2～2.8重量份聚合单体、0.04～0.08重量份交联剂、0.1～0.4重量份纳米添加剂均匀分散于4ml去离子水中，加入0.005～0.01重量份引发剂和0.01～0.02重量份促进剂转移到特定模具中，在45～85℃下反应24～48h，得到接枝型水凝胶，除去未反应的单体分子，获得高强度的抗蛋白质吸附水凝胶。

步骤（1）中所述的磺酸甜菜碱单体为如下所示结构式SBMAⅠ～Ⅵ中的一种或两种的组合：

所述的SBMAⅠ～Ⅵ的磺酸甜菜碱单体来源于J.Phys.Chem.B，2006，110(22):10799-10804；Biomacromolecules，2009，10(10):2809-2816及J.Colloid.Interf.Sci.，2010，344(1):90-96；

步骤（1）中所述的RAFT链转移试剂为二硫代苯甲酸苄酯，二硫代苯甲酸异丁酯、三硫代碳酸酯、4-氰基二硫代苯甲酰戊酸或羧甲基硫代笨甲酸酯中的至少一种；

步骤（1）中所述的引发剂为过硫酸铵、过硫酸钠、过硫酸钾、偶氮二氰基戊酸或偶氮二异丁脒盐酸盐中的至少一种；

步骤（2）中所述的聚合单体为丙烯酸、甲基丙烯酸、N-羟甲基丙烯酸酰胺、N-羟乙基丙烯酰胺、甲基丙烯酸-2-羟乙酯或甲基丙烯酸-2-羟丙酯的一种或两种；

步骤（2）中所述的交联剂为戊二醛、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺、二双丙烯酸乙二醇酯或甲基丙烯酸二甘醇酯的至少一种；

步骤（2）中所述的引发剂为过硫酸铵、过硫酸钠、过硫酸钾、偶氮二氰基戊酸（V-501）或偶氮二异丁脒盐酸盐中的至少一种；

步骤（2）中所述的纳米添加剂为蒙脱土、合成锂蒙脱石、改性锂皂石、碳纤维或石墨烯的一种或几种；所述纳米添加剂直径为100～2000纳米；

步骤（2）中所述的促进剂为硫代硫酸钠、亚硫酸氢钠、亚硫酸氢钾、亚硫酸氢铵或N,N,N',N'-四甲基乙二胺中的至少一种；

步骤（2）中所述的特定模型为依据水凝胶的不同应用选用的不同水凝胶成型的模型；

步骤（2）中所述的除去未反应的单体分子优选为在去离子水中浸泡1～2周，每间隔24h更换一次水，以除去未反应的单体分子。

所述的高强度的抗蛋白质吸附水凝胶通过上述制备方法获得，获得的高强度的抗蛋白质吸附水凝胶的主体网络结构为含有大量的、高密度羟基或羧基，同时网络结构中含有大量接枝链，主要为电中性的两性离子的聚磺酸甜菜碱分子链。

所述的高强度的抗蛋白质吸附水凝胶在人造软骨、隐形眼镜及药物释放载体方面应用。

本发明是采用含羧基或羟基的聚合单体及磺酸甜菜碱单体为原料，在含有双硫酯基结构（-C(=S)S-R）的RAFT试剂的作用下进行活性聚合，制备高强度水凝胶，所制备得到的接枝型凝胶的主体网络结构中含有大量、高密度的羟基或羧基，羟基或羧基之间通过氢键作用相互交联，使得水凝胶机械强度大大改善。另外，加入纳米添加剂如无机蒙脱土，可与网络结构中高分子链产生物理交联作用，进一步提高水凝胶的机械强度。而电中性的两性离子聚磺酸甜菜碱分子链作为接枝链连接在主体网络结构中，可通过静电作用力和氢键在水凝胶表面结合水分子形成一层水合层，可很好的阻抗蛋白质吸附在凝胶表面。

本发明具有如下的优点及效果：

（1）制备过程反应条件温和，后处理简单，易于可控；其力学性能可通过改变交联剂用量、纳米添加剂直径大小、单体比例用量来调节。

（2）所制备的水凝胶具有较好的机械强度性能，如较强的抗压性及应变性。

（3）所制备的高强度水凝胶具有很好的阻抗蛋白质吸附性能。

附图说明

图1是实施例1制备的高强度的抗蛋白质吸附水凝胶的电子扫描电镜图。

图2是不同磺酸甜菜碱单体（SBMA）含量的接枝水凝胶（均按实施例1的方法制备）的蛋白质吸附对比图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

本发明涉及的高强度的抗蛋白质吸附水凝胶可以按如下的方法合成，但本发明的权利要求并不受其限制。

实施例1

1）在口径为15mm的硬质玻璃管中加入0.2g磺酸甜菜碱单体（SBMAⅠ）、0.01g三硫代碳酸酯、4ml去离子水，在磁力搅拌下均匀分散于溶剂中，抽真空通氮气反复3次，然后保留氮气保护，加入0.01g过硫酸钾，温度升至70℃，反应3h后，得到具有活性的磺酸甜菜碱聚合物溶液；接着再将2.8g甲基丙烯酸羟乙酯、0.08g N,N'-亚甲基双丙烯酰胺、0.3g蒙脱土（500nm）与具有活性的磺酸甜菜碱聚合物溶液均匀分散于8ml去离子水中，滴加含0.005g过硫酸钾的水溶液及0.02g N,N,N',N'-四甲基乙二胺,滴加完成后转移到特定模具中，在45℃中反应48h，得到接枝型水凝胶。取出凝胶，在去离子水中浸泡1周，每间隔24h更换一次水，以除去未反应的单体分子，得到产物高强度的抗蛋白质吸附水凝胶。制备获得的高强度的抗蛋白质吸附水凝胶的电子扫描电镜图如图1，可看出所得水凝胶结构均匀、交联密集。

2)水凝胶的含水量（WC）根据如下公式计算：

WC=（M_s-M_d）/M_s

M_s—溶胀平衡的水凝胶（即吸水量达到平衡）的质量；

M_d—充分干燥的水凝胶质量。

3）水凝胶的抗压强度测试如下：在Instron3367万能测验机上进行压缩，压缩速度为2.0mm/min，所采用的样品尺寸为直径11mm，高10mm的圆柱形水凝胶。

从万能测验机直接读取测试结果，如下：

高强度的抗蛋白质吸附水凝胶样品含水量为70%；最大抗压力为452.7KPa；应变为86.87%。

实施例2

1）在口径为15mm的硬质玻璃管中加入0.5g磺酸甜菜碱单体（SBMAⅡ）、0.02g4-氰基二硫代苯甲酰戊酸、6ml去离子水，在磁力搅拌下均匀分散于溶剂中,抽真空通氮气反复3次，然后保留氮气保护，加入0.0075g过硫酸铵，温度升至55℃，反应10h后，得到具有活性的磺酸甜菜碱聚合物溶液；接着再将2.5gN-羟甲基丙烯酸酰胺、0.06g N,N'-亚甲基双丙烯酰胺、0.4g锂蒙脱石（250nm）及磺酸甜菜碱聚合物均匀分散于8ml去离子水中，滴加含0.0075g过硫酸铵的水溶液及0.015g硫代硫酸钠，滴加完成后转移到特定模具中，在65℃中反应36h，得到接枝型水凝胶。取出凝胶，在去离子水中浸泡1周，每间隔24h更换一次水，以除去未反应的单体分子，得到产物高强度的抗蛋白质吸附水凝胶。

2）性能测试及条件同实施例1，其结果如下：

高强度的抗蛋白质吸附水凝胶样品含水量为75%；最大抗压力为412.8KPa；应变为87.82%。

实施例3

1）在口径为15mm的硬质玻璃管中加入0.8g磺酸甜菜碱单体（SBMAⅣ）、0.03g羧甲基硫代苯甲酸酯、8ml去离子水，在磁力搅拌下均匀分散于溶剂中，抽真空通氮气反复3次，然后保留氮气保护，加入0.01g偶氮二氰基戊酸，温度升至40℃，反应24h后，得到具有活性的磺酸甜菜碱聚合物溶液；接着再将2.2g甲基丙烯酸、0.04g N,N'-亚甲基双丙烯酰胺、0.1g碳纤维（300nm）及磺酸甜菜碱聚合物均匀分散于8ml去离子水中，滴加含0.01g偶氮二氰基戊酸的水溶液及0.01g亚硫酸氢钠，滴加完成后转移到特定模具中，在85℃中反应24h，得到接枝型水凝胶。取出凝胶，在去离子水中浸泡2周，每间隔12h更换一次水，以除去未反应的单体分子，得到产物高强度的抗蛋白质吸附水凝胶。

2）性能测试及条件同实施例1，其结果如下：

高强度的抗蛋白质吸附水凝胶样品含水量为80%；最大抗压力为484.1KPa；应变为94.13%。

实施例4

按照实施例1的方法制备含0g、0.2g、0.5g、0.8g磺酸甜菜碱单体（SBMAⅠ）的高强度水凝胶，进行抗蛋白质吸附测试；

将直径为10mm、高3mm的圆形凝胶片在10ml PBS溶液中泡30min，再转移到10ml1.0mg/ml的牛血清白蛋白（BSA）溶液浸泡24h，取1ml浸泡后的牛血清白蛋白质溶液，加入0.1mg/ml考马斯亮蓝溶液5ml，染色5min，在595nm处测出溶液的紫外吸光度，根据标准曲线计算出吸附后溶液相应的浓度。

蛋白质吸附量计算如下：

C_前是BSA初始浓度；C_后是吸附后的BSA浓度。

从图2可看出，所得的高强度水凝胶的抗蛋白吸附效果随磺酸甜菜碱含量增加而增强。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高强度的抗蛋白质吸附水凝胶的制备方法，其特征在于包括以下制备步骤：

(1)制备磺酸甜菜碱聚合物溶液

取0.2～0.8重量份磺酸甜菜碱单体(SBMA)和0.01～0.03重量份RAFT链转移试剂溶于4～8重量份的去离子水中，形成均匀分散的溶液，通入氮气除氧3次，加入0.005～0.01重量份引发剂后密封，在40～70℃下进行活性聚合3～24h，制备出末端基具有活性的磺酸甜菜碱聚合物溶液；

(2)制得高强度的抗蛋白质吸附水凝胶

将步骤(1)中制备的具有活性的磺酸甜菜碱聚合物溶液与2.2～2.8重量份聚合单体、0.04～0.08重量份交联剂、0.1～0.4重量份纳米添加剂均匀分散于4ml去离子水中，加入0.005～0.01重量份引发剂和0.01～0.02重量份促进剂转移到特定模具中，在45～85℃下反应24～48h，得到接枝型水凝胶，除去未反应的单体分子，获得高强度的抗蛋白质吸附水凝胶；

步骤(2)中所述的聚合单体为丙烯酸、甲基丙烯酸、N-羟甲基丙烯酰胺、N-羟乙基丙烯酰胺、甲基丙烯酸-2-羟乙酯或甲基丙烯酸-2-羟丙酯中的一种或两种；所述的纳米添加剂为碳纤维；纳米添加剂直径为100～2000纳米。

2.根据权利要求1所述的高强度的抗蛋白质吸附水凝胶的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的磺酸甜菜碱单体为如下所示结构式SBMAⅠ～Ⅵ中的一种或两种的组合：

3.根据权利要求1所述的高强度的抗蛋白质吸附水凝胶的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的RAFT链转移试剂为二硫代苯甲酸苄酯，二硫代苯甲酸异丁酯、三硫代碳酸酯、4-氰基二硫代苯甲酰戊酸或羧甲基硫代苯甲酸酯中的至少一种；

步骤(1)中所述的引发剂为过硫酸铵、过硫酸钠、过硫酸钾、偶氮二氰基戊酸或偶氮二异丁脒盐酸盐中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的高强度的抗蛋白质吸附水凝胶的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述的交联剂为戊二醛、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺、二双丙烯酸乙二醇酯或甲基丙烯酸二甘醇酯中的至少一种；

步骤(2)中所述的引发剂为过硫酸铵、过硫酸钠、过硫酸钾、偶氮二氰基戊酸或偶氮二异丁脒盐酸盐中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的高强度的抗蛋白质吸附水凝胶的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述的促进剂为硫代硫酸钠、亚硫酸氢钠、亚硫酸氢钾、亚硫酸氢铵或N,N,N',N'-四甲基乙二胺中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的高强度的抗蛋白质吸附水凝胶的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述的除去未反应的单体分子为在去离子水中浸泡1～2周，每间隔24h更换一次水，以除去未反应的单体分子。

7.一种高强度的抗蛋白质吸附水凝胶通过权利要求1～6任一项所述的制备方法获得。

8.权利要求7所述的高强度的抗蛋白质吸附水凝胶在人造软骨、隐形眼镜及药物释放载体方面应用，该应用方法用于非诊断或治疗目的。