CN104231286A - 基于改性pamam树枝体的双交联原位凝胶及制备 - Google Patents

基于改性pamam树枝体的双交联原位凝胶及制备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于改性PAMAM树枝体的双交联原位凝胶及制备方法。所述的凝胶由下列组分及其百分含量组成:葡聚糖醛:2-10%;巯基化聚酰胺-胺:5-15%,其余组分为水。其制备过程包括:巯基改性PAMAM树枝体的制备;配制巯基改性PAMAM树枝体溶液;配制葡聚糖醛溶液;将巯基改性PAMAM树枝体溶液和葡聚糖醛溶液混合制备双交联原位凝胶。本发明提出的凝胶中的树枝体具有活性交联基团高度集约化、表面官能团密度可控的特点;并通过强、弱两种化学键原位交联构建凝胶,使该凝胶显示出较高的储能模量和强度。且制备方法不需要任何小分子添加剂和光照操作,简便易行,生物相容性好,可用于生物粘合、组织工程等领域。

Description

基于改性 PAMAM 树枝体的双交联原位凝胶及制备
技术领域
本发明涉及一种基于改性PAMAM树枝体的双交联原位凝胶及制备方法,属于生物医用组织工程材料技术领域。
背景技术
原位水凝胶尤其是多糖等天然材料基原位凝胶储能模量低、力学性能差的缺陷严重限制了其广泛应用,将树枝体作为组分原料引入到天然材料原位凝胶中有望增强其力学强度。树枝状大分子常由一个分子引出一系列支化分子链,具有规律性的超支化结构,聚酰胺-胺(PAMAM)是最常见的树枝状体材料,分子中含有大量的酰胺键,目前已商品化。PAMAM结构高度对称,具有表面氨基高度集约化的特点,在交联成凝胶时会产生“多价键”效应显著增加交联密度,且最终网络结构中交联点分布与传统凝胶相比具有更高的均匀性,因此形成的凝胶具有优良并且可调控的力学性能。此外,PAMAM树枝体内部的空腔使其易于包载药物,在药物载体等生物医药领域具有应用前景。Navath 等将二硫键引入到PAMAM表面,与末端为巯基的多臂聚乙二醇(8-arm-PEG-SH)交联制备凝胶 (Navath RS, Menjoge AR, Dai H, Romero R, Kannan S, Kannan RM. Molecular Pharmaceutics, 2011, 8:1209–1223),该凝胶主要用作羟氨苄青霉素的缓释研究,二硫键改善了凝胶的降解性能。然而尽管引入了PAMAM,但二硫键本身是一种弱化学键,所得到的单交联凝胶网络强度仍然较低。Oliva课题组用羟基改性五代PAMAM并与葡聚糖醛作用得到原位凝胶。羟基改性提高了体系生物相容性,但同时也降低了树枝体表面氨基的密度,且羟基本身不能参与凝胶形成,造成凝胶储能模量并未出现显著的改善和提高(Oliva N, Shitreet S, Abraham E, Stanley B, Edelman ER, Artzi N. Langmuir,2012, 28:15402−15409)。Jia等以四代PAMAM为基体在其表面引入双键,与末端为双键的乙二醇与乳酸的共聚物通过紫外光照射交联制备原位凝胶(Wang Y, Zhao Q, Zhang H, Yang S, Jia XR. Advanced Materials,2014,4: 4163-4167),该凝胶的力学储能模量最高接近10kPa。然而该体系主要是针对合成聚合物的交联,并涉及到有害射线和小分子光引发剂,在生物组织工程领域的应用具有一定局限性。
通过氨基酸对不同代数PAMAM进行表面巯基化改性,制备过程简单。巯基的引入能够适当降低PAMAM表面氨基浓度,提高生物相容性。调节巯基含量可以获得适宜的表面氨基密度,达到有效利用“多价键”效应增强凝胶的目的。并且通过改性引入的巯基在PAMAM表面氨基和葡聚糖醛的醛基通过Schiff碱作用形成的网络结构中能够继续形成二硫键,从而得到双重交联作用的凝胶网络结构,有助于进一步提高凝胶的储能模量,改善凝胶的力学性能。在双交联凝胶制备过程中不需使用有害射线及添加任何毒性小分子。这方面的原位凝胶及制备方法尚未见报道,其在生物粘合、组织工程等领域具有良好的应用前景。
发明内容
本发明目的在于提出一种基于改性PAMAM树枝体的双交联原位凝胶及制备方法。所述的双交联原位凝胶具有储能模量显著提高的特点;不需要任何小分子添加剂及光照操作,具有生物相容性好的特点。其制备方法及过程简单。
本发明是通过下述技术方案加以实现的,一种基于改性PAMAM树枝体的双交联原位凝胶,其特征在于:该凝胶由下列组分及其质量百分含量构成:葡聚糖醛: 2-10%;巯基化聚酰胺-胺:5-15%,其余组分为水;该原位凝胶的储能模量达20kPa。其中,巯基改性聚酰胺-胺树枝体是以3-5代的聚酰胺-胺(PAMAM)为基体,通过该基体上的氨基和半胱氨酸的羧基反应形成酰胺键而引入巯基构成,其结构式如式1所示,分子量为7000-21000,其核磁氢谱为:δ=1.18-1.22ppm为-CH2NH2中-NH2;δ=2.9-3.1ppm为-CH2NH-中的-CH2-;δ=2.1-2.2ppm为-CH2CO-中的-CH2-;δ=7.5-8.5ppm为-CONH-中的-NH-;δ=1.75-1.85ppm为-CH2SH-中的-SH-;
式1
式1中:n为3、4、5;x为0~128中的整数。
上述的原位凝胶制备方法,其特征在于包括以下步骤:
1)巯基化聚酰胺-胺溶液的配制:
(1)室温下将苯并三氮唑-N,N,N',N'-四甲基脲六氟磷酸盐(HBTU)和1-羟基苯并三唑(HOBt)溶解于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中,配制成HBTU浓度为30-150mg/ml和HOBt浓度为10-50mg/ml的溶液,搅拌至形成澄清溶液;
(2)室温下将树枝状聚酰胺-胺溶解于N,N-二甲基甲酰胺中,配制成浓度为50-75mg/ml的溶液,搅拌至形成澄清溶液;
(3)将步骤(1)制得的溶液与步骤(2)制得的溶液按照溶液体积比1:(1-5)混合,搅拌至形成混合澄清溶液;
(4)将N-乙酰半胱氨酸常温干燥后溶解于N,N-二甲基甲酰胺中,配制形成浓度为50-75mg/ml的溶液,搅拌至形成澄清溶液;
(5)将步骤(3)制得的混合溶液与步骤(4)制得的溶液按照溶液体积比(5-15):1混合,并向混合液中滴加入N,N-二异丙基乙胺使其浓度达10-40µl/ml,避光持续搅拌24h-48h,反应液分别在饱和碳酸氢钠和去离子水中透析24h-48h,再经冻干后得到巯基取代度为15-70%的半胱氨酸改性聚酰胺-胺;
(6)将步骤(5)制得的巯基改性的聚酰胺-胺溶于pH值为7.2-7.4的磷酸盐缓冲液中,得到浓度为100-500mg/ml的巯基改性的聚酰胺-胺溶液;
2)葡聚糖醛溶液的制备:
采用葡聚糖氧化度为20-60%的葡聚糖醛溶解于pH=7.2-7.4的磷酸盐缓冲液中,得到浓度为100-300mg/ml的葡聚糖醛溶液;
3)树枝状聚酰胺-胺原位凝胶的制备:
在25-37℃下,将步骤1)制得的巯基改性的聚酰胺-胺溶液和步骤2)配制的葡聚糖醛溶液按照溶液体积比(1-5):1的比例搅拌均匀混合,在30-600s内形成树枝状聚酰胺-胺双交联原位水凝胶。
本发明具有以下的优点:制备方便,简单易行,反应条件温和。本发明提出的基于树枝体的凝胶具有良好的力学性能,充分利用树枝体活性交联基团高度集约化、表面官能团密度可控的特点,并通过Schiff碱反应和巯基之间的二硫键共同作用形成双交联的凝胶网络,显著提升了凝胶的强度。通过改变PAMAM的代数、表面基团密度和浓度,能够对原位凝胶形成速度以及凝胶的力学强度进行调节,其储能模量达20kPa。本发明提供的基于改性PAMAM树枝体的双交联原位凝胶在交联过程中不添加任何小分子添加剂并避免了光照或射线辐射,生物相容性好,未来有望用于生物粘合、组织工程以及大分子药物载体。
附图说明
图1为实施例1、2、3中所制备的巯基化树枝状体聚酰胺-胺的核磁氢谱图。
图2为实施例1所制得的巯基化聚酰胺-胺和葡聚糖醛溶液混合凝胶的储能模量曲线图。
具体实施方式
实施例 1
称取600mg四代聚酰胺-胺(G4-PAMAM),溶于25mlDMF中,加入0.4g HBTU,125mgHOBT,150mgNAC以及0.3mlDIPEA,室温下避光,以搅拌速率200rpm持续搅拌24h,反应结束后加入足量冷乙醚沉析。将产物溶解于去离子水中,分别在饱和碳酸氢钠溶液和去离子水中各透析48h,除去未反应的氨基酸和偶合试剂,-40℃冻干,得到巯基取代度为25%的G4-PAMAM-SH。将20mg该样品溶解于100µl的pH=7.2~7.4的磷酸盐缓冲液中,搅拌至完全溶解。
称取2g数均分子量70000的葡聚糖粉末溶解在80ml去离子水中,室温搅拌至完全溶解;称取1.6g的NaIO4粉末溶解在25ml去离子水中,搅拌至完全溶解;将NaIO4溶液加入到葡聚糖溶液中,避光,以搅拌速率200rpm持续搅拌24h;向NaIO4和葡聚糖混合溶液中加入0.8g的二甘醇,室温搅拌1h;反应完毕后,在去离子水中透析72h,-40℃冻干后制得氧化度为42%的葡聚糖醛。将11mg葡聚糖醛样品溶解于100µl的pH=7.2~7.4的磷酸盐缓冲液中,搅拌至完全溶解。
在25℃下,将100µl制得的PAMAM-SH溶液和100µl制得的葡聚糖醛溶液搅拌均匀混合,经30s形成基于G4-PAMAM-SH的双交联原位水凝胶。
实施例 2
称取600mg三代聚酰胺-胺(G3-PAMAM),溶于20mlDMF中,加入1gHBTU,0.25gHOBT,0.3gNAC以及0.6mlDIPEA,室温下避光,以搅拌速率200rpm持续搅拌24h,反应结束后加入足量冷乙醚沉析。将产物溶解于去离子水中,分别在饱和碳酸氢钠溶液和去离子水中各透析48h,除去未反应的氨基酸和偶合试剂,-40℃冻干,得到巯基取代度为50%的G3-PAMAM-SH。将20mg该样品溶解于100µl的pH=7.2~7.4的磷酸盐缓冲液中,搅拌至完全溶解。
称取1g数均分子量70000的葡聚糖粉末溶解在80ml去离子水中,室温搅拌至完全溶解;称取0.8g的NaIO4粉末溶解在25ml去离子水中,搅拌至完全溶解;将NaIO4溶液加入到葡聚糖溶液中,避光,以搅拌速率200rpm持续搅拌24h;向NaIO4和葡聚糖混合溶液中加入395mg的二甘醇,室温搅拌1h;反应完毕后,在去离子水中透析72h,-40℃冻干后制得氧化度为42%的葡聚糖醛。将7mg葡聚糖醛样品溶解于100µl的pH=7.2~7.4的磷酸盐缓冲液中,搅拌至完全溶解。
在25℃下,将100µl制得的溶液和100µl制得的葡聚糖醛溶液搅拌均匀混合,经100s形成基于G3-PAMAM-SH的双交联原位水凝胶。
实施例 3
称取600mg四代聚酰胺-胺(G4-PAMAM),溶于25mlDMF中,加入0.6g HBTU,200mgHOBT,300mgNAC以及0.4mlDIPEA,室温下避光,以搅拌速率200rpm持续搅拌24h,反应结束后加入足量冷乙醚沉析。将产物溶解于去离子水中,分别在饱和碳酸氢钠溶液和去离子水中各透析48h,除去未反应的氨基酸和偶合试剂,-40℃冻干,得到巯基取代度为50%的G4-PAMAM-SH。将20mg该样品溶解于100µl的pH=7.2~7.4的磷酸盐缓冲液中,搅拌至完全溶解。
称取3g数均分子量70000的葡聚糖粉末溶解在80ml去离子水中,室温搅拌至完全溶解;称取2.4g的NaIO4粉末溶解在25ml去离子水中,搅拌至完全溶解;将NaIO4溶液加入到葡聚糖溶液中,避光,以搅拌速率200rpm持续搅拌24h;向NaIO4和葡聚糖混合溶液中加入1.2g的二甘醇,室温搅拌1h;反应完毕后,在去离子水中透析72h,-40℃冻干后制得氧化度为42%的葡聚糖醛。将6mg葡聚糖醛样品溶解于100µl的pH=7.2~7.4的磷酸盐缓冲液中,搅拌至完全溶解。
在25℃下,将100µl制得的溶液和100µl制得的葡聚糖醛溶液搅拌均匀混合,经450s形成基于G4-PAMAM-SH的双交联原位水凝胶。
实施例 4
称取600mg四代聚酰胺-胺(G4-PAMAM),溶于25mlDMF中,加入0.6g HBTU,200mgHOBT,300mgNAC以及0.4mlDIPEA,室温下避光,以搅拌速率200rpm持续搅拌24h,反应结束后加入足量冷乙醚沉析。将产物溶解于去离子水中,分别在饱和碳酸氢钠溶液和去离子水中各透析48h,除去未反应的氨基酸和偶合试剂,-40℃冻干,得到巯基取代度为50%的G4-PAMAM-SH。将40mg该样品溶解于100µl 的pH=7.2~7.4的磷酸盐缓冲液中,搅拌至完全溶解。
称取3g数均分子量70000的葡聚糖粉末溶解在80ml去离子水中,室温搅拌至完全溶解;称取2.4g的NaIO4粉末溶解在25ml去离子水中,搅拌至完全溶解;将NaIO4溶液加入到葡聚糖溶液中,避光,以搅拌速率200rpm持续搅拌24h;向NaIO4和葡聚糖混合溶液中加入1.2g的二甘醇,室温搅拌1h;反应完毕后,在去离子水中透析72h,冻干后制得氧化度为42%的葡聚糖醛。将22mg葡聚糖醛样品溶解于100µl 的pH=7.2~7.4的磷酸盐缓冲液中,搅拌至完全溶解。
在25℃下,将100µl制得的溶液和100µl制得的葡聚糖醛溶液搅拌均匀混合,经50s形成基于G4-PAMAM-SH的双交联原位水凝胶。

Claims (2)

1.一种基于改性聚酰胺-胺树枝体的双交联原位凝胶,其特征在于:该凝胶由下列组分及其质量百分含量构成:葡聚糖醛: 2-10%;巯基化聚酰胺-胺:5-15%,其余组分为水;该原位凝胶的储能模量达20kPa,其中,巯基改性聚酰胺-胺树枝体是以3-5代的聚酰胺-胺为基体,通过该基体上的氨基和半胱氨酸的羧基反应形成酰胺键而引入巯基构成,其结构式如式1所示,分子量为7000-21000,其核磁氢谱为:δ=1.18-1.22ppm为-CH2NH2中-NH2;δ=2.9-3.1ppm为-CH2NH-中的-CH2-;δ=2.1-2.2ppm为-CH2CO-中的-CH2-;δ=7.5-8.5ppm为-CONH-中的-NH-;δ=1.75-1.85ppm为-CH2SH-中的-SH-;
式1
式1中:n为3、4、5;x为0~128中的整数。
2.一种按权利要求1所述的基于改性聚酰胺-胺树枝体的双交联原位凝胶的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
1)巯基化聚酰胺-胺溶液的配制:
(1)室温下将苯并三氮唑-N,N,N',N'-四甲基脲六氟磷酸盐和1-羟基苯并三唑溶解于N,N-二甲基甲酰胺中,配制成苯并三氮唑-N,N,N',N'-四甲基脲六氟磷酸盐浓度为30-150mg/ml和1-羟基苯并三唑浓度为10-50mg/ml的溶液,搅拌至形成澄清溶液;
(2)室温下将树枝状聚酰胺-胺溶解于N,N-二甲基甲酰胺中,配制成浓度为50-75mg/ml的溶液,搅拌至形成澄清溶液;
(3)将步骤(1)制得的溶液与步骤(2)制得的溶液按照溶液体积比1:(1-5)混合,搅拌至形成混合澄清溶液;
(4)将N-乙酰半胱氨酸常温干燥后溶解于N,N-二甲基甲酰胺中,配制形成浓度为50-75mg/ml的溶液,搅拌至形成澄清溶液;
(5)将步骤(3)制得的混合溶液与步骤(4)制得的溶液按照溶液体积比(5-15):1混合,并向混合液中滴加入N,N-二异丙基乙胺使其浓度达10-40µl/ml,避光持续搅拌24h-48h,反应液分别在饱和碳酸氢钠和去离子水中透析24h-48h,再经冻干后得到巯基取代度为15-70%的半胱氨酸改性聚酰胺-胺;
(6)将步骤(5)制得的巯基改性的聚酰胺-胺溶于pH值为7.2-7.4的磷酸盐缓冲液中,得到浓度为100-500mg/ml的巯基改性的聚酰胺-胺溶液;
2)葡聚糖醛溶液的制备:
采用葡聚糖氧化度为20-60%的葡聚糖醛溶解于pH=7.2-7.4的磷酸盐缓冲液中,得到浓度为100-300mg/ml的葡聚糖醛溶液;
3)树枝状聚酰胺-胺原位凝胶的制备:
在25-37℃下,将步骤1)制得的巯基改性的聚酰胺-胺溶液和步骤2)配制的葡聚糖醛溶液按照溶液体积比(1-5):1的比例搅拌均匀混合,在30-600s内形成树枝状聚酰胺-胺双交联原位水凝胶。
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