CN104592510B

CN104592510B - 侧基改性的聚氨基酸材料、其弹性水凝胶及其制备方法

Info

Publication number: CN104592510B
Application number: CN201510010680.XA
Authority: CN
Inventors: 尹静波; 孔晓波; 丁建勋; 陈学思
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2015-01-09
Filing date: 2015-01-09
Publication date: 2017-03-15
Anticipated expiration: 2035-01-09
Also published as: CN104592510A

Abstract

本发明是一种侧基改性的聚氨基酸材料、其弹性水凝胶及其制备方法。该聚氨基酸材料是以甲基丙烯酸羟乙酯或甲基丙烯酸与聚氨基酸的侧基反应实现聚氨基酸的侧基改性，改性率为3%到30%。本发明的骨修复性材料不仅可以防止药物的突释，还可以实现药物的可控缓释，其作为当前新型的骨修复材料具有广阔的开发和应用前景。

Description

侧基改性的聚氨基酸材料、其弹性水凝胶及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种侧基改性的聚氨基酸材料、其弹性水凝胶及其制备方法。

技术背景

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。由于水凝胶可以作为药物或者细胞在体内外的载体而被认为是在组织工程和药物控释领域很有潜力的材料。

由于水凝胶富含水（通常水的质量分数能达到50%到90%），所以水凝胶材料的力学性能一般都比较差，因此，利用水凝胶模拟体内需要承受压力或剪切力的软组织（比如软骨、肌肉、肌腱以及血管）是一项巨大挑战同时具有重大意义。目前已知的组织工程用水凝胶不能同时满足无毒降解和拥有良好的机械性能，因此本发明提供了一种利用可无毒降解聚氨基酸材料制备具有优异力学性能水凝胶的制备方法。

聚氨基酸材料作为一种可生物降解的大分子多肽，具有良好的生物相容性、低免疫原性，并且其体内降解产物无毒副作用。因此，聚氨基酸材料被广泛应用于组织工程、药物控释、基因治疗等领域。聚谷氨酸，包括聚L-谷氨酸（PLGA）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- 氨基和γ- 羧基之间经酰胺键连接所构成的聚氨基酸，分子量从5万到200万道尔顿不等。PLGA主要通过化学合成法制得，是以α- 氨基和β- 羧基之间经酰胺键连接所构成聚氨基酸，分子量从7万到50万道尔顿不等。此外，其他种类的聚氨基酸，如聚赖氨酸、聚丙氨酸，也可以利用类似的合成方式进行制备。

聚氨基酸带有不同种类的侧基（例如：聚谷氨酸侧基为羧基，聚赖氨酸侧基为氨基），这个侧基为聚氨基酸的改性以及功能化提供了可能。通过对聚氨基酸侧基的改性，可以在药物传输体系或组织工程水凝胶体系中引入多种功能性基团，具有重大的应用价值。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种侧基改性的聚氨基酸材料，这类聚氨基酸经过侧基改性后可以进行自由基反应，并利用侧链带有双键的聚氨基酸作为第一组分，以端基为双键的聚乙二醇(PEG)-聚己内酯(PCL)-聚乙二醇（PEG）嵌段聚合物在水溶液中自组装形成的胶束作为第二种组分，通过自由基反应制备具有一定机械强度的水凝胶。

本发明的目的之二在于提供采用该侧基改性的聚氨基酸材料形成的水凝胶。

本发明的目的之三在于提供该水凝胶的制备方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种侧基改性的聚氨基酸材料，其特征在于该聚氨基酸材料是以甲基丙烯酸羟乙酯或甲基丙烯酸与聚氨基酸的侧基反应实现聚氨基酸的侧基改性，改性率为3%到30%。

上述的聚氨基酸为：聚谷氨酸、聚赖氨酸或聚天冬氨酸。

一种聚氨基酸水凝胶，其特征在于该水凝胶以上述的侧基改性的聚氨基酸材料作为第一组分，以端基为双键的聚乙二醇(PEG)-聚己内酯(PCL)的嵌段聚合物在水溶液中自组装形成胶束作为第二组分，通过第一组份和第二组份的自由基反应，得到固含量1wt%到15wt%并且拥有以所述胶束为密集交联位点的含水聚合物网状体系，其中第一组份和第二组份的质量比为1:1～9:1。

上述第二种组分为端基是双键的聚乙二醇-聚己内酯-聚乙二醇的三嵌段聚合物。

一种制备上述的聚氨基酸水凝胶的方法，其特征在于该方法的具体步骤为：将第一组分和第二组份的总摩尔数、过硫酸类引发剂和催化剂按100：0.2：0.2～到100：1：1的摩尔比溶于水中，涡旋振荡至分散均匀，静置，得到聚氨基酸水凝胶。

上述的引发剂为过硫酸铵或者过硫酸钾。

上的催化剂为2-羟基-4′-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮或四甲基乙二胺。

上述的第一组份的制备方法为：将聚氨基酸、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐（EDC.HCl）、4-二甲氨基吡啶（DMAP）和甲基丙烯酸羟乙酯或甲基丙烯酸溶于N,N’-二甲基亚砜中，搅拌混合均匀，常温搅拌反应24～48h；反应结束后透析冻干，得到第一组分。

上述制备第二组份的具体步骤为：将一端为双键的PEG、ɛ-己内酯以及辛酸亚锡按己内酯：辛酸亚锡=100：0.5～100:0.1的摩尔比溶解于甲苯中，在90～120℃下反应24～48小时，反应结束后乙醚沉降，得到PEG-PCL两嵌段聚合物。

上述制备第二组份的具体步骤为：

a.将一端为双键的PEG和丁二酸酐按1:1.2～1:2的摩尔比溶解于二氯甲烷与吡啶的混合溶剂中，常温反应48小时，反应结束后用NaCl水溶液洗去溶剂中的吡啶，无水NaSO₄干燥10小时，过滤得到透明溶液，无水乙醚沉降得到一端为双键另一端为羧基的PEG；

b.将PEG-PCL两嵌段聚合物和步骤a所得一端为双键另一端为羧基的PEG按1：1.1～1：1.5的摩尔比溶解于二氯甲烷中，搅拌至溶解，向溶液中加入EDC.HCl和DMAP，常温反应24～48小时，反应结束后无水乙醚沉降得到端基为双键的PEG-PCL-PEG三嵌段聚合物；所述的EDC.HCl和DMAP的用量分别为PEG-PCL两嵌段聚合物摩尔比PEG-PCL:EDC:DMAP=1:2:0.2～1:5:0.5。

本发明所述的改性率为反应的侧基的量比总的侧基的量的比，可以通过核磁峰面积积分的比可以进行计算。

本发明利用侧基改性的聚氨基酸和端基为双键的聚乙二醇-聚己内酯-聚乙二醇三嵌段聚合物之间的自由基反应形成水凝胶，并且可以通过控制两个组分的比例、催化剂的量、成胶浓度、固含量来调控凝胶的力学性能、溶胀率以及亲疏水性能。本发明提供了一种简便的可以在水溶液中完成的制备聚氨基酸水凝胶的方法，这类水凝胶在组织工程、药物控释及再生医学领域有良好的应用前景。

具体实施方式

以下为本发明具体实施例，详细阐述本发明方案。

实施例一：

称取5g聚（L-谷氨酸），加入到30ml N,N’-二甲基亚砜（DMSO）中，搅拌溶解。依次称取0.5042g甲基丙烯酸羟乙酯、1.5g碳酰二亚胺盐酸盐（EDC.HCl）、0.095g 4-二甲氨基吡啶（DMAP）加入到DMSO溶液中，搅拌反应，反应结束后透析5天，取出冻干。反应产率为89%，通过¹H NMR计算得到接枝率为9%。

将10g一端为双键的PEG（分子量2000）溶解于100ml甲苯中，共沸除水，依次向溶液中加入ɛ-己内酯6g以及辛酸亚锡0.55ml(0.1mol/L的甲苯溶液)，将反应瓶置于90-120℃油浴中反应，反应时间为24-48小时。反应结束后乙醚沉降，得到PEG-PCL两嵌段聚合物（组分A），通过¹H NMR计算得到PCL分子量为1000。

将10g一端为双键的PEG（分子量2000）溶解于二氯甲烷与吡啶的混合溶剂中，向溶液中加入2.5g丁二酸酐，常温反应48小时，反应结束后用NaCl水溶液洗去溶剂中的吡啶，无水NaSO₄干燥10小时，过滤得到透明溶液，无水乙醚沉降得到一端为双键另一端为羧基的PEG（组分B）。

将9g组分A以及6g组分B溶解于20ml二氯甲烷中，搅拌至溶解，向溶液中加入EDC.HCl和DMAP，常温反应24-48小时，反应结束后无水乙醚沉降得到PCL分子量为1000的PEG-PCL-PEG三嵌段聚合物。

称取PLGA-g-HEMA（接枝率9%） 0.07g配制5wt% 的水溶液，加入PEG-PCL₁₀₀₀-PEG0.07g，搅拌溶解。将溶液置于超声环境中，持续10-30min，依次向溶液中加入0.009g过硫酸铵和0.006g四甲基乙二胺，涡旋振荡，之后将反应容器置于37℃很稳震荡箱中48h。得到淡黄色透明的凝胶，压缩模量为1.8 MPa。

实施例二：

称取PLGA-g-HEMA（接枝率9%） 0.1g配制5wt% 的水溶液，加入PEG-PCL₁₀₀₀-PEG0.1g，搅拌溶解。将溶液置于超声环境中，持续10-30min，依次向溶液中加入0.013g过硫酸铵和0.01g四甲基乙二胺，涡旋振荡，之后将反应容器置于37℃很稳震荡箱中48h。得到淡黄色透明的凝胶，压缩模量为2.3 MPa。

实施例三：

实施例四：

称取5g聚（L-谷氨酸），加入到30ml N,N’-二甲基亚砜（DMSO）中，搅拌溶解。依次称取1.0084g甲基丙烯酸羟乙酯、3g碳酰二亚胺盐酸盐（EDC.HCl）、0.19g 4-二甲氨基吡啶（DMAP）加入到DMSO溶液中，搅拌反应，反应结束后透析5天，取出冻干。反应产率为87%，通过¹H NMR计算得到接枝率为19%。

称取PLGA-g-HEMA（接枝率19%） 0.1g配制5wt% 的水溶液，加入PEG-PCL₁₀₀₀-PEG0.1g，搅拌溶解。将溶液置于超声环境中，持续10-30min，依次向溶液中加入0.013g过硫酸铵和0.01g四甲基乙二胺，涡旋振荡，之后将反应容器置于37℃很稳震荡箱中48h。得到淡黄色透明的凝胶，压缩模量为2.5 MPa。

实施例五：

将10g一端为双键的PEG（分子量20000）溶解于100ml甲苯中，共沸除水，依次向溶液中加入ɛ-己内酯15g以及辛酸亚锡1.4ml(0.1mol/L的甲苯溶液)，将反应瓶置于90-120℃油浴中反应，反应时间为24-48小时。反应结束后乙醚沉降，得到PEG-PCL两嵌段聚合物（组分A），通过¹H NMR计算得到PCL分子量为3000。

将5g组分A以及2g组分B溶解于20ml二氯甲烷中，搅拌至溶解，向溶液中加入EDC.HCl和DMAP，常温反应24-48小时，反应结束后无水乙醚沉降得到PCL分子量为3000的PEG-PCL-PEG三嵌段聚合物。

称取PLGA-g-HEMA（接枝率9%） 0.1g配制5wt% 的水溶液，加入PEG-PCL₃₀₀₀-PEG0.1g，搅拌溶解。将溶液置于超声环境中，持续10-30min，依次向溶液中加入0.013g过硫酸铵和0.01g四甲基乙二胺，涡旋振荡，之后将反应容器置于37℃很稳震荡箱中48h。得到淡黄色透明的凝胶，压缩模量为2.7 MPa。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种聚氨基酸水凝胶，其特征在于该水凝胶以侧基改性的聚氨基酸材料作为第一组分，以端基是双键的聚乙二醇-聚己内酯-聚乙二醇的三嵌段聚合物在水溶液中自组装形成胶束作为第二组分，通过第一组份和第二组份的自由基反应，得到固含量1wt％到15wt％并且拥有以所述胶束为密集交联位点的含水聚合物网状体系，其中第一组份和第二组份的质量比为1:1～9:1；所述的侧基改性的聚氨基酸材料是以甲基丙烯酸羟乙酯或甲基丙烯酸与聚氨基酸的侧基反应实现聚氨基酸的侧基改性，改性率为3％到30％；所述的所述的聚氨基酸为：聚谷氨酸、聚赖氨酸或聚天冬氨酸。

2.一种制备根据权利要求1所述的聚氨基酸水凝胶的方法，其特征在于该方法的具体步骤为：将第一组分和第二组份的总摩尔数、过硫酸类引发剂和催化剂按100：0.2：0.2～100：1：1的摩尔比溶于水中，涡旋振荡至分散均匀，静置，得到聚氨基酸水凝胶。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所用的引发剂为过硫酸铵或者过硫酸钾。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所用的催化剂为2-羟基-4′-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮或四甲基乙二胺。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述的第一组份的制备方法为：将聚氨基酸、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐(EDC.HCl)、4-二甲氨基吡啶(DMAP)和甲基丙烯酸羟乙酯或甲基丙烯酸溶于N,N’-二甲基亚砜中，搅拌混合均匀，常温搅拌反应24～48h；反应结束后透析冻干，得到第一组分。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于制备第二组份的具体步骤为：

a.将一端为双键的PEG、ε-己内酯以及辛酸亚锡按己内酯：辛酸亚锡＝100：0.5～100:0.1的摩尔比溶解于甲苯中，在90～120℃下反应24～48小时，反应结束后乙醚沉降，得到PEG-PCL两嵌段聚合物；

b.将一端为双键的PEG和丁二酸酐按1:1.2～1:2的摩尔比溶解于二氯甲烷与吡啶的混合溶剂中，常温反应48小时，反应结束后用NaCl水溶液洗去溶剂中的吡啶，无水NaSO₄干燥10小时，过滤得到透明溶液，无水乙醚沉降得到一端为双键另一端为羧基的PEG；

c.将步骤a所得PEG-PCL两嵌段聚合物和步骤b所得一端为双键另一端为羧基的PEG按1：1.1～1：1.5的摩尔比溶解于二氯甲烷中，搅拌至溶解，向溶液中加入EDC.HCl和DMAP，常温反应24～48小时，反应结束后无水乙醚沉降得到端基为双键的PEG-PCL-PEG三嵌段聚合物；所述的EDC.HCl和DMAP与PEG-PCL两嵌段聚合物的摩尔比为：PEG-PCL:EDC.HCl:DMAP＝1:2:0.2～1:5:0.5。