CN104815357A - 一种无机有机杂化的三维互穿网络水凝胶材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于水凝胶材料应用领域以及新型医疗材料技术领域，具体涉及一种无机有机杂化的三维互穿网络水凝胶材料及其制备方法和应用。本发明所述互穿网络水凝胶包括无机材料增强的第一重超分子水凝胶和室温下原位聚合的第二重高分子水凝胶。所述互穿网络水凝胶由于在无机材料与枝状聚合物形成的第一重网络中由高分子单体经过原位聚合形成了第二重的高分子水凝胶网络而成，使其具有较高的机械性能。所述互穿网络水凝胶由于第二重高分子水凝胶网络原位聚合，所以在聚合过程中存在溶胶态向凝胶态的转变，使其具有较好的注射性能。所述互穿网络水凝胶由于多孔状的微观结构，使其具有良好的吸附能力或负载能力，可以负载X光显影剂或小分子药物。

Description

一种无机有机杂化的三维互穿网络水凝胶材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于水凝胶材料应用领域以及新型医疗材料技术领域，具体涉及一种无机有机杂化的三维互穿网络水凝胶材料及其制备方法和应用。

背景技术

在血管介入治疗中，通过注射栓塞剂栓塞目标血管因其安全高效获得了广泛应用，比如止血、血管损伤修复、肿瘤治疗、器官切除、血液重分布等。

互穿网络结构作为一种重要的增强水凝胶机械强度的手段，获得了广泛的关注。互穿网络最早是由Alysworth在1914年描述，Millar在1960年提出的一种概念，被定义为由两种或多种网络在分子尺寸上通过非共价键结合至少部分交织形成的网络，这种网络在不破坏化学键的前提下无法分离。

石墨烯及其衍生物作为可能的临床应用材料，在药物释放、生物检测、组织工程、诊断等方面都具有十分重要的研究意义。氧化石墨烯，因为其出众的电学、热力学、机械和光学性能，得到了广泛的关注。同时，氧化石墨烯和粘土、纤维素碳纳米管等一样，也是一种可以有效增强水凝胶机械性能的添加剂。

目前临床上可注射栓塞剂的选择较少，仅有丙烯酸树脂基粘结剂、乙烯乙烯醇共聚物、乙醇、雌性激素、聚醋酸乙烯酯、醋酸纤维素聚合物、聚乙烯醇、明胶海绵、微纤维胶原、医用丝缝线、可拆卸的球囊及线圈。而这些临床栓塞剂，往往伴随较为严重的副作用（感染、痉挛）或并发症（猝死、动脉破裂或栓塞再通），容易造成严重的二次伤害。总的来说，这些栓塞剂可以分为固体与液体两种类型，其中具有良好的机械强度的液体栓塞剂容易得到很好的完全栓塞能力和较低的再通可能性。因此，理想的临床栓塞剂应当至少具备以下一些特征：

1）       良好的机械性能；

2）       可以完全栓塞；

3）       可以部分阻挡X光，便于指导手术操作；

4）       良好的生物相容性；

5）       可以被注射。

发明内容

本发明的目的是提供一种无机有机杂化的互穿网络水凝胶材料及其制备方法和应用，所述的水凝胶材料具有良好的机械性能、生物相容性以及可注射能力。同时，该水凝胶具有良好的负载能力，可以负载液体显影剂或小分子药物。

本发明所述互穿网络水凝胶包括无机材料增强的第一重超分子水凝胶和室温下原位聚合的第二重高分子水凝胶。

其中制备第一重超分子水凝胶网络，所使用的无机材料为氧化石墨烯、氧化碳纳米管、氧化碳纳米带等；所使用的交联剂为聚酰胺-胺树枝状高分子；所使用的钝化剂为氢氧化钠、氢氧化钾等强碱；所使用的中和剂为葡萄糖酸内酯。

制备第二重高分子水凝胶所使用的单体为丙烯酰胺或其衍生物；所使用的交联剂为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、二丙烯酸-1，4-丁二醇酯、二甲基丙烯酸乙二醇酯、三聚氰酸三烯丙酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟丙酯、甲基丙烯酸羟乙酯、羟丙甲丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯等；所使用的催化剂为过硫酸铵、过硫酸钾等。

所述互穿网络水凝胶由于在无机材料与枝状聚合物形成的第一重网络中由高分子单体经过原位聚合形成了第二重的高分子水凝胶网络而成，使其具有较高的机械性能。

所述互穿网络水凝胶由于第二重高分子水凝胶网络原位聚合，所以在聚合过程中存在溶胶态向凝胶态的转变，使其具有较好的注射性能。

所述互穿网络水凝胶由于多孔状的微观结构，使其具有良好的吸附能力或负载能力，可以负载X光显影剂或小分子药物。

主要制备方法如下：

（1）配制无机材料水溶液：

将无机材料加入适量蒸馏水，超声均匀，配制成无机材料水溶液；

（2）配制互穿网络水凝胶的原液：

在第（1）步制备的无机材料水溶液中依次加入第二重水凝胶单体、第一重网络钝化剂水溶液、第一重网络交联剂水溶液和第二重网络交联剂水溶液，每次加料后在冰水混合物中超声均匀，得到互穿网络水凝胶的原液；

（3）制备互穿网络水凝胶：

接着分别向第（2）步制得的互穿网络水凝胶的原液中依次加入第二重网络催化剂水溶液以及第一重网络中和剂水溶液，每次加料后搅拌均匀；静置一段时间后，互穿网络水凝胶形成。

所述的互穿网络水凝胶制备方法具体步骤如下：

        （        1        ）配制无机材料水溶液：

将市售或自制的氧化石墨烯、氧化碳纳米管或氧化碳纳米带加入适量蒸馏水，超声均匀，配制成浓度为5 mg/mL至20 mg/mL的无机材料水溶液。

        （        2        ）配制互穿网络水凝胶的原液：

在第（1）步制备的无机材料水溶液中依次加入丙烯酰胺单体、氢氧化钠溶液、聚丙酰胺-胺树枝状高分子溶液和N,N’-亚甲基双丙烯酰胺溶液，每次加料后在冰水混合物中超声均匀，得到互穿网络水凝胶的原液。

其中，以加入到2.5 mL浓度为9 mg/mL的氧化石墨烯水溶液中计算投料，浓度为30 mg/mL的枝状聚合物水溶液的体积范围为100 μL到300 μL，浓度为1 mol/L氢氧化钠水溶液体积范围为200 μL到600 μL，丙烯酰胺单体质量范围为0.417 g到1.250 g，浓度为5 mg/mL的N,N’-亚甲基双丙烯酰胺水溶液的体积范围为40 μL到120 μL。

        （        3        ）制备互穿网络水凝胶：

接着分别向第（2）步制得的互穿网络水凝胶的原液中依次加入过硫酸铵水溶液以及新制备的葡萄糖酸内酯水溶液，每次加料后搅拌均匀。其中，浓度为250 mg/mL的过硫酸铵水溶液体积范围为50 μL到150 μL，浓度为200 mg/mL的葡萄糖酸内酯水溶液体积范围为100 μL到300 μL。静置5-45分钟后，互穿网络水凝胶形成。

所述的注射型互穿网络水凝胶是在上述水凝胶的基础上，运用其良好的负载性能，加入水溶性显影剂泛影葡胺、碘海醇等，以便在数字减影技术的指导下，通过微导管注射进入病灶，进行栓塞。所述的注射型互穿网络水凝胶制备方法步骤如下：

        （        1        ）配制无机材料水溶液：

将市售或自制的氧化石墨烯加入适量蒸馏水，超声均匀，配制成浓度为18 mg/mL的氧化石墨烯水溶液。

        （        2        ）配制注射型互穿网络水凝胶的原液：

在第（1）步制备的氧化石墨烯水溶液中依次加入泛影葡胺注射液、丙烯酰胺单体、氢氧化钠溶液、聚丙酰胺-胺树枝状高分子溶液和N,N’-亚甲基双丙烯酰胺溶液，每次加料后在冰水混合物中超声均匀，得到互穿网络水凝胶的原液。

其中，以浓度为18 mg/mL的氧化石墨烯水溶液和质量分数为76%（以泛影葡胺与泛影酸钠总量计）的泛影葡胺注射液计算投料，氧化石墨烯与泛影葡胺的混合溶液体积为2.5 mL（氧化石墨烯水溶液与泛影葡胺水溶液的体积比介于1:1至2:3之间），丙烯酰胺单体质量为0.833 g，浓度为1 mol/L氢氧化钠水溶液体积为400 μL，浓度为30 mg/mL的聚酰胺-胺树枝状高分子水溶液的体积为200 μL，浓度为5 mg/mL的N,N’-亚甲基双丙烯酰胺水溶液的体积为80 μL。

        （        3        ）制备注射型互穿网络水凝胶：

接着分别向注射型互穿网络水凝胶的原液中加入过硫酸铵水溶液以及新制备的葡萄糖酸内酯水溶液，每次加料后搅拌均匀。其中，浓度为250 mg/mL的过硫酸铵水溶液体积为100 μL，浓度为200 mg/mL的葡萄糖酸内酯水溶液体积为200 μL。静置30分钟后，反应体系中的第二重聚丙烯酰胺网络形成，完成从溶胶态到凝胶态的转变。在刚完成溶胶态到凝胶态的转变时，可通过微导管进行注射。

本发明所述发明经导管注射的方式到达病灶，相对于现有固体栓塞剂能够进行100%栓塞，可直接应用于：

①治疗血管性病变，如动脉瘤、动静脉瘘、静脉曲张等疾病。

②用于止血，如外伤、术后、肿瘤所致的颌面部、呼吸道、消化道、泌尿道、腹盆脏器等部位的大出血的紧急处理以及支气管扩张所致的咯血。

③用于治疗血供部分肿瘤，如在肝癌、肾癌与化疗药物合用进行灌注栓塞治疗；在脑膜瘤、鼻咽血管纤维瘤术前作栓塞准备，减少出血；在肝海绵状血管瘤、皮肤血管瘤、子宫肌瘤的主要供血血管栓塞，以稳定缩小肿瘤。

④用于治疗功能亢进器官，如脾功能亢进、甲状腺功能亢进等。

所述发明由于其无机有机互穿网络的微观结构，具有良好的机械性能，相对于现有的机械性能较差的液体栓塞剂，不易破裂导致二次伤害，也不易再通。

所述发明由于无机有机互穿网络形成的多孔状的微观结构，可以负载合适尺寸的分子。相对于临床常用的栓塞剂，可以通过负载水溶性的造影剂进行X光造影手术，造影剂可代谢，生物相容性高；同时也可以负载一些小分子药物，减轻副作用。

附图说明

图1是发明所述的无机有机杂化的互穿网络水凝胶的机理示意图。

图2是发明所述的无机有机杂化的互穿网络水凝胶的扫描电镜图。

图3.发明是所述的注射型互穿网络水凝胶进行新西兰兔锁骨下动脉栓塞的手术视频截图。

图4是发明所述注射型互穿网络水凝胶栓塞的新西兰兔锁骨下动脉切片的HE染色显微镜图。

图5是发明所述注射型互穿网络水凝胶栓塞的新西兰兔锁骨下动脉切片的共聚焦显微镜图。

图6是发明所述注射型互穿网络水凝胶栓塞的新西兰兔锁骨下动脉切片的扫描电镜图。

具体实施方式

实施实例1

通过以下的配方制备氧化石墨烯水溶液：

①室温下，在70 mL浓硫酸中边搅拌，边逐勺加入3 g石墨粉；

②将混合物转移至冰浴中，逐勺加入1.5 g硝酸钠，搅拌15 min；

③继续在冰浴中缓慢添加9 g高锰酸钾，搅拌15 min，随后转移至36 ℃油浴中，反应1 h；

④逐滴管缓慢加入150 mL水，搅拌15 min；

⑤搅拌后升温至90 ℃，反应至溶液呈黄色，转移至2000 mL大烧杯中，加500 mL水搅拌30 min；

⑥加入20 mL质量分数为30 %的双氧水，静置过夜，自然沉降；

⑦倾去上层清液，用质量分数为5 %的稀盐酸溶液酸洗2次；

⑧用蒸馏水水洗2次；

⑨将溶液离心，透析除去剩余的无机盐；

⑩将透析袋内的溶液倾倒入锥形瓶，加适量蒸馏水，超声均匀，测定并调节至9 mg/mL。

实施实例2

    通过以下的配方制备氧化石墨烯增强的互穿网络水凝胶：

①取0.833 g丙烯酰胺单体溶解于2.5 mL浓度为9 mg/mL的氧化石墨烯溶液，在冰水混合物中超声均匀；

②取400 μL浓度为1 mol/L的氢氧化钠溶液，200 μL浓度为30 mg/mL的聚酰胺-胺树枝状高分子溶液，以及80 μL浓度为5 mg/mL的N,N’-亚甲基双丙烯酰胺溶液先后加入上一步混合溶液，每次加入物料之后再冰水混合物中超声均匀，得到互穿网络水凝胶原液；

③在互穿网络水凝胶原液中加入100 μL浓度为250 mg/mL过硫酸铵溶液，搅拌30 s后再加入200 μL浓度为200 mg/mL的新制葡萄糖酸内酯溶液，搅拌混合均匀，静置30 min后，得到互穿网络水凝胶。

④60 min后，测量得到互穿网络水凝胶的储模量为20.48 kPa，失模量为4.29 kPa，具有良好的弹性和机械性能。

实施实例3

    通过以下的配方制备注射型氧化石墨烯增强的互穿网络水凝胶：

①取0.833 g丙烯酰胺单体溶解于1.25 mL浓度为18 mg/mL的氧化石墨烯溶液与1.25 mL质量分数为76%（以泛影葡胺与泛影酸钠总量计）的泛影葡胺注射液的混合溶液中，在冰水混合物中超声均匀；

②取400 μL浓度为1 mol/L的氢氧化钠溶液，200 μL浓度为30 mg/mL的聚酰胺-胺树枝状高分子溶液，以及80 μL浓度为5 mg/mL的N,N’-亚甲基双丙烯酰胺溶液先后加入上一步混合溶液，每次加入物料之后再冰水混合物中超声均匀，得到注射型互穿网络水凝胶原液；

③在注射型互穿网络水凝胶原液中加入100 μL浓度为250 mg/mL过硫酸铵溶液，搅拌30 s后再加入200 μL浓度为200 mg/mL的新制葡萄糖酸内酯溶液，搅拌混合均匀，静置一段时间后，得到注射型互穿网络水凝胶，可用于影像指导的血管内注射治疗。

实施实例4

在数字减影技术（Digital subtraction angiography， DSA）指导下，对新西兰兔的锁骨下动脉进行栓塞。

①将新西兰大白兔按照30mg每公斤的剂量经耳缘静脉注射戊巴比妥钠全麻。

②采用股动脉入路，置入股动脉鞘，将微导管置入锁骨下动脉中备用。

③按每公斤体重1000U注射肝素，使新西兰大白兔全身肝素化。

④在DSA指导下，将实施实例3中的注射型互穿网络水凝胶注射入新西兰大白兔锁骨下动脉。注射前，造影剂可顺利通过锁骨下动脉直达上肢远端（图3A）；注射GPI水凝胶时，可见水凝胶清晰地通过锁骨下动脉（图3B），显示其在X光线透视下具有良好的显影能力，可与周围正常组织明显区分；当栓塞完成后，锁骨下动脉闭塞，造影剂不能通过到达肢体远端（图3C），且在栓塞过程中，未见注射型互穿网络水凝胶被血液冲刷形成微栓子转移至远处；当栓塞完成后几分钟，可见水凝胶的造影剂被组织正常代谢，不再显影，不形成伪影（图3D）。

⑤术后待实验动物苏醒后饲养观察，肌力正常、肌张力正常，无运动障碍与偏瘫后放回饲养笼内。

⑥取栓塞动脉置于福尔马林溶液浸泡一周，制成切片。在HE染色显微镜图片中可观察到血管界面被致密栓塞，血液细胞形态完整，血管壁光滑，炎性反应较小（图4）；在共聚焦显微镜图片中可以观察到，栓塞剂与血管壁界限清晰，栓塞剂的结构也比较致密（图5）；在扫描电镜图片中可以观察到血液细胞被水凝胶缠绕在互穿网络结构中（图6），由于水凝胶的机械性能较好，在生物体内相对稳定。

Claims (5)

1.一种无机有机杂化的三维互穿网络水凝胶材料，其特征在于，所述互穿网络水凝胶包括第一重无机材料增强的超分子水凝胶，和第二重室温下原位聚合的高分子水凝胶；

其中，制备第一重超分子水凝胶网络，所使用的无机材料为氧化石墨烯、氧化碳纳米管或氧化碳纳米带；所使用的交联剂为聚酰胺-胺树枝状高分子；所使用的钝化剂为无机强碱，包括氢氧化钠或氢氧化钾；所使用的中和剂为葡萄糖酸内酯；

制备第二重高分子水凝胶，所使用的单体为丙烯酰胺或其衍生物；所使用的交联剂为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、二丙烯酸-1，4-丁二醇酯、二甲基丙烯酸乙二醇酯、三聚氰酸三烯丙酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟丙酯、甲基丙烯酸羟乙酯、羟丙甲丙烯酸甲酯或甲基丙烯酸甲酯；所使用的催化剂为过硫酸铵或过硫酸钾。

2.如权利要求1所述的无机有机杂化的三维互穿网络水凝胶材料，其特征在于，优选的条件为：

制备第一重无机材料增强的超分子水凝胶网络，所使用的无机材料为氧化石墨烯，所使用的交联剂为聚酰胺-胺树枝状高分子，钝化剂为氢氧化钠，中和剂为葡萄糖酸内酯；

制备第二重高分子水凝胶，所使用的单体为丙烯酰胺或其衍生物，交联剂为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，所使用的催化剂为过硫酸铵。

3.根据权利要求1或2所述的互穿网络水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）配制无机材料水溶液：

将无机材料加入适量蒸馏水，超声均匀，配制成浓度为5～20 mg/mL的无机材料水溶液；

（2）配制互穿网络水凝胶的原液：

在第（1）步制备的无机材料水溶液中依次加入第二重水凝胶单体、第一重网络钝化剂水溶液、第一重网络交联剂水溶液和第二重网络交联剂水溶液，每次加料后在冰水混合物中超声均匀，得到互穿网络水凝胶的原液；

其中，以加入到2.5 mL浓度为9 mg/mL的无机材料水溶液中计算投料，浓度为30 mg/mL的第一重网络交联剂水溶液的体积范围为100 μL到300 μL，浓度为1 mol/L第一重网络钝化剂水溶液体积范围为200 μL到600 μL，第二重水凝胶单体质量范围为0.417 g到1.250 g，浓度为5 mg/mL的第二重网络交联剂水溶液的体积范围为40 μL到120 μL；

（3）制备互穿网络水凝胶：

接着分别向第（2）步制得的互穿网络水凝胶的原液中依次加入第二重网络催化剂水溶液以及第一重网络中和剂水溶液，每次加料后搅拌均匀；

其中，浓度为250 mg/mL的第二重网络催化剂水溶液体积范围为50 μL到150 μL，浓度为200 mg/mL的第一重网络中和剂水溶液体积范围为100 μL到300 μL；静置5-45分钟后，互穿网络水凝胶形成。

4.如权利要求3所述的互穿网络水凝胶的制备方法，其特征在于，加入水溶性显影剂泛影葡胺或碘海醇，形成注射型互穿网络水凝胶，具体步骤为：

（1）配制无机材料水溶液：

将市售或自制的氧化石墨烯加入适量蒸馏水，超声均匀，配制成浓度为18 mg/mL的氧化石墨烯水溶液；

（2）配制注射型互穿网络水凝胶的原液：

在第（1）步制备的氧化石墨烯水溶液中依次加入泛影葡胺或碘海醇注射液、丙烯酰胺单体、氢氧化钠溶液、聚丙酰胺-胺树枝状高分子水溶液和N,N’-亚甲基双丙烯酰胺溶液，每次加料后在冰水混合物中超声均匀，得到互穿网络水凝胶的原液；

其中，以浓度为18 mg/mL的氧化石墨烯水溶液和以泛影葡胺与泛影酸钠总量计质量分数为76%的泛影葡胺注射液计算投料，氧化石墨烯与泛影葡胺的混合溶液体积为2.5 mL，氧化石墨烯水溶液与泛影葡胺水溶液的体积比介于1:1至2:3之间，丙烯酰胺单体质量为0.833 g，浓度为1 mol/L氢氧化钠水溶液体积为400 μL，浓度为30 mg/mL的聚丙酰胺-胺树枝状高分子水溶液的体积为200 μL，浓度为5 mg/mL的N,N’-亚甲基双丙烯酰胺水溶液的体积为80 μL；

（3）制备注射型互穿网络水凝胶：

接着分别向注射型互穿网络水凝胶的原液中加入过硫酸铵水溶液以及新制备的葡萄糖酸内酯水溶液，每次加料后搅拌均匀；

其中，浓度为250 mg/mL的过硫酸铵水溶液体积为100 μL，浓度为200 mg/mL的葡萄糖酸内酯水溶液体积为200 μL；静置30分钟后，反应体系中的第二重聚丙烯酰胺网络形成，完成从溶胶态到凝胶态的转变。

5.根据权利要求1所述的互穿网络水凝胶的应用，所述应用包括止血、血管损伤修复、肿瘤治疗、器官切除、血液重分布、药物缓释。