CN105085960A

CN105085960A - 锌离子响应高强度水凝胶管及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN105085960A
Application number: CN201510448005.5A
Authority: CN
Inventors: 刘文广; 徐冰
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2015-07-27
Filing date: 2015-07-27
Publication date: 2015-11-25

Abstract

本发明公开锌离子响应高强度水凝胶管及其制备方法和应用，采用2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪、咪唑和交联剂通过自由基聚合共聚而成，形成2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪-咪唑共聚物水凝胶，本发明的水凝胶在锌离子的作用下能够固定成多壁管的形状，变现良好的弯曲和压缩强度，并且能够实现抗菌和抗炎症的功效。

Description

锌离子响应高强度水凝胶管及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种具有抗菌和抗炎症功能的锌离子响应的多功能高强度多臂水凝胶管的制备，具体为一种2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪-咪唑共聚物(PVDT-VI)水水凝胶的制备方法和应用，该水水凝胶能够通过锌离子和咪唑的络合作用固定成多臂水凝胶管，并且具有抗菌和抗炎症的效果。

背景技术

高分子水水凝胶由于具有与组织某些相似的性能及良好的生物相容性，在生物医用领域得到了广泛的研究，然而力学性能的缺陷往往阻碍了他们的实际应用。数年来，针对水凝胶力学性能差这一问题，很多研究者贡献了许多增强方法，几个具有代表性的是双网络水凝胶，纳米复合水水凝胶，高分子微球复合水水凝胶，氢键或者是偶极增强水水凝胶，滑环水水凝胶，四臂聚乙二醇水水凝胶。但是这些方法仅仅赋予水凝胶良好的力学性能，其在生物领域的应用仍面临着许多问题。近年来，利用三嗪之间的三重氢键作用制备了一系列的高强水水凝胶，在大幅提升水凝胶力学性能的同时，还可以实现水凝胶表面介导的反向转染，光致细胞无损脱附，离子刺激细胞无损脱附等生物功能。但是作为外体移植物，其还缺乏抗菌效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪为主体的水水凝胶，具体为2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪、咪唑共聚物(PVDT-co-VI)，该共聚物除表现出水水凝胶的固有特性，在低浓度的锌离子的作用下可以固定成多臂管的形状，较之相同尺寸的水凝胶柱子具有更高的弯曲强度和压缩强度，同时还具有抗菌和抗炎症的效果。

本发明的目的通过下述技术方案予以实现：

锌离子响应高强度水凝胶管，其中水凝胶由2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪、咪唑和交联剂通过自由基聚合共聚而成，所述交联剂分子的分子链两端带有碳碳双键、分子链中间为聚乙二醇分子的主链结构，即(CH₂CH₂O)_n。在制备水凝胶之后，将水凝胶卷成多壁管形状，即将水凝胶卷成具有多层筒壁的圆筒结构。

在圆筒结构中，自上而下的圆筒高度为18—25mm，水凝胶形成多个同心圆筒壁，最内层形成空芯结构，最外层形成圆筒的外壁结构，由内向外由水凝胶形成层状的多个同心圆筒壁，空芯结构的直径为0.5—1.5mm，外壁结构的直径为8—12mm，同心圆筒壁的厚度为0.1—0.5mm。

在上述结构中优选，自上而下的圆筒高度为20—25mm，空芯结构的直径为0.8—1mm，外壁结构的直径为8—10mm，同心圆筒壁的厚度为0.1—0.2mm。

制备本发明水水凝胶管的方法，按照下述步骤进行：

将2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪、咪唑、交联剂和引发剂溶解在溶剂中，通过引发剂引发2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪、咪唑和交联剂分子上的不饱和键，在绝氧的条件下通过自由基聚合反应制备出具有锌离子响应性高强度水水凝胶；然后将水凝胶卷成多壁管形状后，将整个水凝胶管浸泡在硫酸锌的水溶液中，以通过锌离子和咪唑的络合作用固定多壁管形状。

在本发明的技术方案中，以2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪和咪唑作为共聚单体，以交联剂交联共聚单体，交联剂分子的分子链两端带有双键、分子链中间为“氧-碳-碳-氧”单键相连的骨架结构(即聚乙二醇分子的主链结构，(CH₂CH₂O)_n)，采用热源或者光源使引发剂提供自由基，再由自由基引发2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪、咪唑和交联剂中的双键，使三者几乎同时引发，发生聚合反应，最终制备的水水凝胶材料中，具有聚2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪、聚咪唑和交联剂三种物质的链段，其中2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪提供骨架中的力学性能，咪唑提供锌离子响应性，交联剂中的聚乙二醇结构提供柔性链段，上述三部分协同作用，使整个水水凝胶材料体现出高强度，抗菌和抗炎症的效果。所述交联剂为聚乙二醇二丙烯酸酯，数均分子量4000—6000。

利用引发剂提供的自由基引发2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪、咪唑和交联剂发生反应。其中引发剂可以选择高分子聚合领域中常用的热引发剂，如偶氮二异丁腈(ABIN)、过氧化苯甲酰(BPO)，或者光引发剂，如1-[4-(2-羟乙氧基)-亚苯基]-2-羟基-2′，2′-二甲基乙酮(Irgacure2959)、甲基乙烯基酮、安息香。如果选择热引发剂，则需要首先利用惰性气体(如氮气、氩气或者氦气)排除反应体系中的氧，以避免其的阻聚作用，然后根据引发剂的活性和用量，将反应体系加热到所用引发剂的引发温度之上并保持相当长的时间，如1h以上或者更长(1-5h)，以促使引发剂能够长时间产生足够多的自由基，引发反应体系持续发生自由基聚合反应，最终制备本发明的水水凝胶。如果选择光引发剂，则可以选用透明密闭的反应容器，在紫外光照射的条件下引发自由基聚合，由于光引发效率高于热引发，因根据所选引发剂的活性和用量调整照射时间时，照射时间可短于热引发的加热时间，如20分钟或者更长(30min-1h)。

在本发明的技术方案中，应当根据2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪、咪唑选择使用的引发剂、交联剂的溶解性，选择能够完全溶解上述四种物质或者能够与上述四种物质完全互溶的溶剂，以混合均匀反应体系。由于2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪、咪唑有极性，引发剂和交联剂也要能够溶解在极性溶剂中，因此可选择有机溶剂中的极性溶剂，如二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、四氢呋喃、二甲基亚砜。

在制备方案中，单体2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪、咪唑的质量比为(4-1.5)：1，交联剂质量占两种单体质量和的30％，引发剂的质量为单体与交联剂总质量的3％。在反应结束后，从反应容器中取出共聚物，去除未参加反应的单体、引发剂、交联剂和溶剂后，浸泡在去离子水中中直至达到溶胀平衡(如浸泡7天，每隔12h更换一次水，达到溶胀平衡)。然后将所得水凝胶卷成多臂管的形状，浸泡在5—10mM的ZnSO₄水溶液中20—24小时固定形状。

本发明提供的一种高强度PVDT-co-PVI多臂水凝胶管是以2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪和咪唑为原料，在交联剂和引发剂存在下共聚制成，实现2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪增强作用，由咪唑和锌离子的络合固定作用所制备的多臂水凝胶管具有很强的抗弯曲和抗压缩能力的同时兼具抗菌和抗炎症的效果。产品制备方法简单，产品易于长期保存和长途运输。

附图说明

图1是本发明水凝胶在5mM的ZnSO₄水溶液中固定成多臂管形状的实物图。

图2是本发明水凝胶及其原料的红外光谱图，其中A是交联剂聚乙二醇二丙烯酸酯所形成的凝胶，B是单体2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪和交联剂聚乙二醇二丙烯酸酯所形成的凝胶，C是单体乙烯基咪唑和交联剂聚乙二醇二丙烯酸酯所形成的凝胶，D是单体2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪，乙烯基咪唑和交联剂聚乙二醇二丙烯酸酯所形成的凝胶。

图3是本发明水凝胶的俯视图，其中a为外壁结构的直径，b为空芯结构的直径，c为同心圆筒壁的厚度。

图4是本发明水凝胶的正视图，其中a为外壁结构的直径，d为圆筒高度。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

将单体2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪(98mg，TokyoKaseiKogyo)，咪唑(42，约42μl，sigma)，和交联剂聚乙二醇二丙烯酸酯(25mg，数均分子量4000，sigma)加入到1.5ml离心管中，用750μl的二甲基亚砜(DMSO)溶解单体和交联剂后，加入光引发剂Irgacure2959(5mg，1-[4-(2-羟乙氧基)-亚苯基]-2-羟基-2′，2′-二甲基乙酮，sigma)。将含有单体，交联剂和引发剂的溶剂注入密闭模具中，模具在紫外固化箱(XL-1000UV，SpectronicsCorporation)中照射30min，以充分引发自由基聚合。随后打开模具取出水凝胶，用去离子水反复冲洗数次，并浸泡7天，每隔12h更换上述去离子水。然后将所得水凝胶卷成多臂管的形状，浸泡在5mM的ZnSO₄溶液中24小时固定形状后，产品如附图1所示。

使用红外光谱对原料和产物进行表征，如附图2所示，A是交联剂聚乙二醇二丙烯酸酯所形成的凝胶，B是单体2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪和交联剂聚乙二醇二丙烯酸酯所形成的凝胶，C是单体乙烯基咪唑和交联剂聚乙二醇二丙烯酸酯所形成的凝胶，D是单体2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪，乙烯基咪唑和交联剂聚乙二醇二丙烯酸酯所形成的凝胶。A中2877，1736，1461和1100cm^-1处分别是聚乙二醇二丙烯酸酯中CH₂，C＝O和C-O-C的振动峰。B中3299和1631cm^-1处是2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪中NH₂所形成氢键的振动峰。C中3100cm^-1处是乙烯基咪唑中咪唑的特征峰。上述所有特征峰均在D中出现，说明凝胶的成功合成。

锌离子响应高强度水凝胶管，在制备水凝胶之后，将水凝胶卷成多壁管形状并通过浸泡锌离子的水溶液进行形状固定，即将水凝胶卷成具有多层筒壁的圆筒结构。

如附图3和4所示，在圆筒结构中，自上而下的圆筒高度为18—25mm，水凝胶形成多个同心圆筒壁，最内层形成空芯结构，最外层形成圆筒的外壁结构，由内向外由水凝胶形成层状的多个同心圆筒壁，空芯结构的直径为0.5—1.5mm，外壁结构的直径为8—12mm，同心圆筒壁的厚度为0.1—0.5mm。在上述结构中优选，自上而下的圆筒高度为20—25mm，空芯结构的直径为0.8—1mm，外壁结构的直径为8—10mm，同心圆筒壁的厚度为0.1—0.2mm。

用于弯曲实验的凝胶管的外径为8毫米(即外壁结构的直径)，内径为1毫米(空芯结构的直径)，高度为20毫米，每层的壁厚为0.2毫米(即同心圆筒壁的厚度)，用于压缩实验的凝胶管的外径为10毫米，内径为1毫米，高度为8毫米，每层壁厚为0.2毫米。体内实验所用多壁管尺寸与压缩实验相同。

按相同步骤制备多臂水凝胶管，其中弯曲性能测试用三点弯曲法，所测样品的尺寸为直径8mm,高20mm,测试过程中跨距为16mm,十字头速度为5mmmin^-1。用于压缩性能测试的样品的尺寸为直径10mm,高8mm，压缩速率为10mmmin^-1。结果显示水凝胶管叫水凝胶柱有更好的弯曲和压缩强度。

如上表所示多壁管相较与圆柱(即直接使用水凝胶制备成圆柱形状)有更好的弯曲和压缩强度。其中未经硫酸锌处理(PBS处理)的多壁管的弯曲强度是圆柱的1.25倍，而充分浸泡硫酸锌溶液(5mmol/LZnSO₄(％))的多壁管的弯曲强度是圆柱的1.22倍。未经硫酸锌处理的多壁管的压缩强度是圆柱的1.18倍，充分浸泡硫酸锌溶液的多壁管的的压缩强度是圆柱的1.07倍。

采用如下方法测试本发明的抗菌效果，将灭菌的水凝胶浸泡在1,5,10mM的ZnSO₄溶液达到吸附平衡，然后将水凝胶取出，用去离子水冲洗三遍，放在96孔板里，然后将100μL的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌悬液加入到放有水凝胶的孔板里，将此96孔板置于恒温摇床上，24h后用酶标仪测器在600nm处的吸光度。结果显示随着离子浓度的增加，抗菌效果是逐渐增加的。当锌离子浓度为5mM时，此水凝胶可以分别抑制39％和35％的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的生长。

上表可以浸泡过硫酸锌的凝胶对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌有一定的抑制作用。可以看出在24小时内可以抑制35％的大肠杆菌生长和39％的金黄色葡萄球菌生长。

采用如下方法检测本发明在体内的抗炎症效果，将水凝胶卷成多臂管的形状，置于体积比75％的消毒酒精中消毒，48小时后将水凝胶取出，用PBS置换出酒精，期间每隔12h更换一次新鲜的PBS，7天后用于体内埋植实验的样品准备完毕。所有的动物实验均符合中国军事医学科学院动物实验伦理委员会的标准。选用4周龄的SD雄性大鼠进行皮下埋植实验。具体实验过程如下：实验前，用8％的水合氯醛将大鼠麻醉，按照外科常规手术要求以碘伏彻底消毒手术区域，脱毛，然后在大鼠脊柱两侧约1cm处各选一个植入点，用手术刀片切开植入点皮肤，分离皮下空腔，左侧植入没有经过锌离子处理的多臂水凝胶管，右侧植入经过锌离子处理的多臂水凝胶管。3天，1,4,8周后，用过量的麻醉剂处死实验大鼠，取出水凝胶周围的皮下组织，炎症反应的程度应用荧光定量聚合酶链反应(RT-PCR)来检IL-1β,iNOSandMMPs这三个基因的表达。结果显示IL-1β,iNOS基因的表达量在3天时急剧增加，在第7天的时候达到最大值，然后开始下降，到第8周时几乎接近正常值，而锌的加入抑制了这些基因的表达，加速了伤口愈合过程。MMPs基因是随着时间的推移逐渐增多的，并且加锌组显示出更高的表达量，是因为锌的加入促进了此基因的表达，从而促进了伤口愈合的过程。所以此此种加锌的水凝胶可以降低免疫反应，促进伤口愈合。

从上表可以看出，在将未经和经过5mmol/L硫酸锌处理过的多壁凝胶管埋植在大鼠体内一段时间后其组织中RNA表达的倍数变化。经过硫酸锌处理的一组在基因IL-1β和iNOS表达上都是低于未经硫酸锌处理的。这是因为锌离子抑制了这些炎症因子的表达。经过硫酸锌处理的一组在基因MMPs表达上是高于未经硫酸锌处理的，这是因为锌离子促进了MMPs的表达，而MMPs的表达是有利于伤口愈合的。综上所述，经过硫酸锌处理的多壁凝胶管可以降低伤口的炎症反应，促进伤口愈合。

根据本发明内容的工艺参数进行引发剂、原料配比、反应时间、反应温度、交联剂分子量、不同溶剂和多壁水凝胶管形状等参数的调整，均可制备出水凝胶的多壁管形状并通过锌离子的水溶液浸泡进行固定。经测试基本表现出与上述实施例一致的性质：(1)有效提高水凝胶的压缩强度和弯曲强度；(2)在抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌中的应用；(3)在降低伤口炎症反应中的应用。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims

1.锌离子响应高强度水凝胶管，其特征在于，水凝胶由2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪、咪唑和交联剂通过自由基聚合共聚而成，所述交联剂分子的分子链两端带有碳碳双键、分子链中间为聚乙二醇分子的主链结构，即(CH₂CH₂O)_n，在制备水凝胶之后，将水凝胶卷成多壁管形状，将整个水凝胶管浸泡在硫酸锌的水溶液中，以通过锌离子和咪唑的络合作用固定多壁管形状，即将水凝胶卷成具有多层筒壁的圆筒结构。

2.根据权利要求1所述的锌离子响应高强度水凝胶管，其特征在于，所述交联剂为聚乙二醇二丙烯酸酯，数均分子量4000—6000。

3.根据权利要求1或者2所述的锌离子响应高强度水凝胶管，其特征在于，在圆筒结构中，自上而下的圆筒高度为18—25mm，水凝胶形成多个同心圆筒壁，最内层形成空芯结构，最外层形成圆筒的外壁结构，由内向外由水凝胶形成层状的多个同心圆筒壁，空芯结构的直径为0.5—1.5mm，外壁结构的直径为8—12mm，同心圆筒壁的厚度为0.1—0.5mm。

4.根据权利要求3所述的锌离子响应高强度水凝胶管，其特征在于，自上而下的圆筒高度为20—25mm，空芯结构的直径为0.8—1mm，外壁结构的直径为8—10mm，同心圆筒壁的厚度为0.1—0.2mm。

5.锌离子响应高强度水凝胶管的制备方法，其特征在于，按照下述步骤进行：

将2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪、咪唑、交联剂和引发剂溶解在溶剂中，通过引发剂引发2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪、咪唑和交联剂分子上的不饱和键，在绝氧的条件下通过自由基聚合反应制备出具有锌离子响应性高强度水水凝胶；然后将水凝胶卷成多壁管形状后，将整个水凝胶管浸泡在硫酸锌的水溶液中，以通过锌离子和咪唑的络合作用固定多壁管形状；单体2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪、咪唑的质量比为(4-1.5)：1，所述交联剂为聚乙二醇二丙烯酸酯，数均分子量4000—6000，交联剂质量占两种单体质量和的30％，引发剂的质量为单体与交联剂总质量的3％。

6.根据权利要求5所述的锌离子响应高强度水凝胶管的制备方法，其特征在于，引发剂为热引发剂，如偶氮二异丁腈、过氧化苯甲酰，利用惰性气体排除反应体系中的氧，以避免其的阻聚作用，然后根据引发剂的活性和用量，将反应体系加热到所用引发剂的引发温度之上并保持1-5h，以促使引发剂能够长时间产生足够多的自由基，引发反应体系持续发生自由基聚合反应。

7.根据权利要求5所述的锌离子响应高强度水凝胶管的制备方法，其特征在于，引发剂为光引发剂，如1-[4-(2-羟乙氧基)-亚苯基]-2-羟基-2′，2′-二甲基乙酮、甲基乙烯基酮、安息香，选用透明密闭的反应容器，在紫外光照射的条件下引发自由基聚合，根据所选引发剂的活性和用量调整照射时间，照射时间为30min-1h。

8.根据权利要求5所述的锌离子响应高强度水凝胶管的制备方法，其特征在于，溶剂为二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、四氢呋喃、二甲基亚砜。

9.如权利要求1所述的锌离子响应高强度水凝胶管在抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌中的应用。

10.如权利要求1所述的锌离子响应高强度水凝胶管在降低伤口炎症反应中的应用。