CN105330902A

CN105330902A - 一种透明质酸-甲基纤维素复合水凝胶及其制备和应用

Info

Publication number: CN105330902A
Application number: CN201510810221.XA
Authority: CN
Inventors: 蔡强; 卓凡露; 高琴; 胡堃; 王颖
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2015-11-20
Filing date: 2015-11-20
Publication date: 2016-02-17

Abstract

本发明属于生物医用材料及组织工程技术领域，具体涉及一种透明质酸-甲基纤维素复合水凝胶及其制备和应用。所述复合水凝胶由甲基纤维素和透明质酸组成，两者的质量比为(5～11):1；具有交联网络结构，孔径为30μm～100μm。本发明通过将具有温敏特性、生物相容性良好、体内降解较缓慢的甲基纤维素与透明质酸分子通过聚乙二醇进行物理交联反应，得到透明质酸-甲基纤维素复合水凝胶。通过控制甲基纤维素以及盐类添加剂的浓度，既可以实现复合水凝胶在体温下成胶的功能，提高力学性能，又能对生物活性分子进行控制释放，延长体内留存时间，有利于类似于神经组织的软组织的再生修复，具有广阔的应用前景。

Description

一种透明质酸-甲基纤维素复合水凝胶及其制备和应用

技术领域

本发明属于生物医用材料及组织工程技术领域，具体涉及一种透明质酸-甲基纤维素复合水凝胶及其制备和应用。

背景技术

透明质酸(Hyaluronicacid，HA)是一种广泛存在于细胞外基质中的线性多糖，含有两个交替单元β-1,4-D-葡萄糖醛酸和β-1,3-N-乙酰基-D-葡萄糖胺，因其非抗原性和生物相容性的优点而被广泛使用。它能通过减少炎症、组织粘连和瘢痕的形成来促进创伤修复。透明质酸还有着独特的流变性能，原因是它的聚合长链会形成无规则的卷曲，分子受缠结作用的影响而凝胶化。已有的研究中，透明质酸有被制成导管或导管填充物用来治疗外周神经和脊髓损伤的；有被制成膜用于神经修复的，其与羧甲基纤维素的复合膜可以抑制瘢痕形成并促进轴突再生。但传统的透明质酸水凝胶是由透明质酸大分子无规交联形成的本体胶，存在力学性能低、不能对生物活性分子进行控制释放等缺点，在组织工程应用中受到了很大的限制。

为了克服这些缺点，近年来人们通过掺杂无机微米/纳米颗粒(如粘土)、疏水性聚合物微米/纳米粒子(如聚N,N-二甲基丙烯酰胺)等方法来提高透明质酸水凝胶的力学性能。无机纳米颗粒和疏水性聚合物微纳米颗粒可有效增强透明质酸水凝胶，但在人体中不能降解或降解性能差，同时存在生物相容性问题，对细胞有一定的毒害作用。此外，该体系也缺乏结合以及控制释放生长因子的功能。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供了一种透明质酸-甲基纤维素复合水凝胶及其制备和应用，具体技术方案如下：

一种透明质酸-甲基纤维素复合水凝胶，由甲基纤维素和透明质酸组成，两者的质量比为(5～11):1；所述复合水凝胶具有交联网络结构，孔径为30μm～100μm。

如上所述的透明质酸-甲基纤维素复合水凝胶的制备方法，具体步骤如下：

(1)在搅拌条件下，将第一份人工脑脊液加入锥形瓶中，加热，并向其中加入氯化钠；待完全溶解后，加入甲基纤维素，继续加热；甲基纤维素粉末分散均匀并完全润湿后，取出锥形瓶，加入第二份人工脑脊液，置于冰盐浴中，搅拌，得到甲基纤维素溶液，冷藏过夜；

(2)至少15h后，向甲基纤维素溶液中加入透明质酸，搅拌溶解，向其中加入交联剂；待体系混合均匀后，用NaOH溶液将pH调节为7.4，继续搅拌2h，得到凝胶状物质；将该物质冷藏过夜，并对其进行冷冻干燥，得到透明质酸-甲基纤维素复合水凝胶。

所述交联剂为己二酸二酰肼或者聚乙二醇。

甲基纤维素、氯化钠、透明质酸的质量之比依次为(5～11)：4：1。

步骤(1)中，所述冰盐浴的温度为-4℃，在冰盐浴中的搅拌时间为40min；第一份人工脑脊液的加热温度为80～90℃。

步骤(2)中，缓慢分次加入透明质酸，以使透明质酸在甲基纤维素溶液中分散更均匀。所述NaOH溶液的浓度为1mol/L。所述冷冻干燥为真空冷冻干燥，预冻时间为24h，真空冷冻干燥时间为24～48h。

步骤(1)和步骤(2)中，搅拌时的转速均为200rpm～300rpm，冷藏过夜的温度均为4℃。

如上所述的透明质酸-甲基纤维素复合水凝胶在软组织修复方面的应用。

所述透明质酸-甲基纤维素复合水凝胶的凝胶温度低于37℃，触变环面积小，具有可注射性。在三周内，所述透明质酸-甲基纤维素复合水凝胶的降解速率不断变小，三周的总降解率为40～70％。

本发明的有益效果为：

(1)本发明通过将具有温敏特性、生物相容性良好、体内降解较缓慢的甲基纤维素与透明质酸分子通过聚乙二醇进行物理交联反应，得到透明质酸-甲基纤维素复合水凝胶。所述复合水凝胶具有空间网络状结构，通过控制甲基纤维素以及盐类添加剂的浓度，既可以实现透明质酸-甲基纤维素复合水凝胶在体温下成胶的功能，提高力学性能，又能对生物活性分子进行控制释放，延长凝胶的体内留存时间，有利于类似于神经组织的软组织的再生修复，具有广阔的应用前景。

(2)透明质酸和甲基纤维素均为来源于生物自身的聚合物，因两者均具有天然的生物相容性和非抗原性，两者的复合物具备可注射性，在一定温度下能够快速凝胶，且互补之下复合水凝胶的生物降解性将更加优越。

(3)本发明所述的制备方法制备工艺简单，重复性好，适合批量生产。

附图说明

图1为实施例1中透明质酸-甲基纤维素复合水凝胶的形貌图。

图2为实施例1中透明质酸-甲基纤维素复合水凝胶的G’(T)和G”(T)曲线。

图3为实施例1中透明质酸-甲基纤维素复合水凝胶在37℃下的G’(ω)、G”(ω)和η*(ω)曲线。

图4为实施例1中透明质酸-甲基纤维素复合水凝胶的触变环测试曲线。

图5为不同甲基纤维素浓度的透明质酸-甲基纤维素复合水凝胶在三周内的降解情况曲线。

图6为实施例1中透明质酸-甲基纤维素复合水凝胶经过三周降解后的扫描电镜形貌图。

图7为实施例2中透明质酸-甲基纤维素复合水凝胶的形貌图。

图8为实施例3中透明质酸-甲基纤维素复合水凝胶的形貌图。

图9为实施例4中透明质酸-甲基纤维素复合水凝胶的形貌图。

图10为实施例5中透明质酸-甲基纤维素复合水凝胶的形貌图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。

本发明所使用的试剂中，透明质酸购买于华熙福瑞达生物医药有限公司；牛血清白蛋白购买于Spain公司；甲基纤维素M20、聚乙二醇、氢氧化钠、盐酸、氯化钠、无水氯化钙、氯化钾、氯化镁、磷酸二氢钠以及磷酸氢二钠均购买于国药集团化学试剂有限公司；己二酸二酰肼、碳化二亚胺购买于Aladdin试剂公司。

实施例1

(1)在磁力搅拌(转速300rpm)下，将50mL预先配制好的人工脑脊液加入锥形瓶中，在恒温油浴锅中加热至90℃，向其中加入4g氯化钠；待完全溶解后，加入11g甲基纤维素，继续加热；甲基纤维素粉末分散均匀并完全润湿后，取出锥形瓶，再加入50mL人工脑脊液，置于-4℃冰盐浴中，以200rpm的转速搅拌40min，得到甲基纤维素溶液，4℃冷藏过夜。

(2)24h后向甲基纤维素溶液中缓慢分次加入1g透明质酸粉末，搅拌溶解，向其中逐滴加入0.4g/L的PEG溶液2mL；用1MNaOH溶液将pH调节为约7.4后，继续搅拌2h，得到凝胶状物质；将该物质在4℃下冷藏过夜，并对其进行真空冷冻干燥，得到透明质酸-甲基纤维素复合水凝胶。

复合水凝胶形貌如图1所示，可以看出透明质酸-甲基纤维素复合水凝胶在微米尺度下表现出高度疏松的多孔结构，这些孔隙相互连通，平均孔径约为40μm～60μm。

复合水凝胶流变性能测试如图2～4所示。图2中，随着温度上升，样品的存储模量G’和损失模量G”均增大，G’从几十Pa增到约1000Pa，而G”从几十Pa只提高到100Pa上下，增长速度明显不如G’快。各样品的两条曲线均交于30℃以下，满足37℃成胶要求。

由图3可知G’和G”随着频率的增大而增大，损失模量G”约在100～600Pa的范围内，存储模量G’则从约400Pa上升至1000Pa以上，始终比G”大得多，再次说明凝胶在37℃下具有典型的类固体特性。粘度η*随频率的增大而减小，从几百降到几十Pa·s，且在对数坐标中有明显的线性关系，是甲基纤维素溶液作为假塑性流体“剪切变稀”性质的体现。透明质酸-甲基纤维素复合水凝胶的模量特点与脑组织相似，但脑组织的粘度不随频率变化，这一点有所不同。

测得的触变环如图4所示，在剪切应力τ增大的过程里，其大小达到某一范围时，样品粘度开始迅速降低，直至接近于0；当剪切应力减小时粘度又逐渐回升，并在剪切应力很小的时候剧增，恢复到一开始的粘度值。两个过程不重合，数据点围成一个具有一定面积的梭型环。触变环反映的是流体受剪切力发生形变后恢复原状的能力，环围成的面积越小，表明流体恢复所需的时间越短，可注射性越好。同时触变环的存在也是甲基纤维素使复合水凝胶拥有“剪切变稀”性质，因而能被用于注射的很好的证明。

通过模拟复合水凝胶的体外降解试验，试验研究，得到的降解曲线如图5中“11％MC”所示。从图中可看出，样品在第1周内降解迅速，第2、3周则变得较为缓慢，与实验的预期是相符的。样品在经过三周的降解后最终降解率约50％，比以往文献报道中的结果有了一定的改善(约60％)，有利于对生物活性分子的控制释放。图6为经过三周降解后的扫描电镜形貌图。

实施例2

(1)在磁力搅拌(转速300rpm)下，将50mL预先配制好的人工脑脊液加入锥形瓶中，在恒温油浴锅中加热至90℃，向其中加入4g氯化钠；待完全溶解后，加入9g甲基纤维素，继续加热；甲基纤维素粉末分散均匀并完全润湿后，取出锥形瓶，再加入50mL人工脑脊液，置于-4℃冰盐浴中，以200rpm的转速搅拌40min，得到甲基纤维素溶液，4℃冷藏过夜。

(2)24h后向甲基纤维素溶液中缓慢分次加入1g透明质酸粉末，搅拌溶解，向其中逐滴加入0.4g/LPEG溶液2mL；用1MNaOH溶液将pH调节为约7.4后，继续搅拌2h，得到凝胶状物质；将该物质在4℃下冷藏过夜，并对其进行真空冷冻干燥，得到透明质酸-甲基纤维素复合水凝胶。

扫描电镜下的微观形貌如图7所示，平均孔径为50μm～70μm。体外降解试验表明，样品经过三周的降解后，最终的降解率约70％(图5“9％MC”曲线)。

实施例3

(1)在磁力搅拌(转速300rpm)下，将50mL预先配制好的人工脑脊液加入锥形瓶中，在恒温油浴锅中加热至90℃，向其中加入4g氯化钠；待完全溶解后，加入5g甲基纤维素，继续加热；甲基纤维素粉末分散均匀并完全润湿后，取出锥形瓶，再加入50mL人工脑脊液，置于-4℃冰盐浴中，以200rpm的转速搅拌40min，得到甲基纤维素溶液，4℃冷藏过夜。

从图8的扫描电镜照片中可观测到其平均孔径为80μm～100μm。体外降解试验表明，样品经过三周的降解后，最终的降解率约40％(图5“5％MC”曲线)。

实施例4

(2)24h后向甲基纤维素溶液中缓慢分次加入1g透明质酸粉末，搅拌溶解，向其中逐滴加入1M盐酸至pH为约4.5；依次加入0.3g己二酸二酰肼和0.3g碳化二亚胺，搅拌20min；用1MNaOH溶液将pH调节为约7.4后，继续搅拌2h，得到凝胶状物质；将该物质在4℃下冷藏过夜，并对其进行真空冷冻干燥，得到透明质酸-甲基纤维素复合水凝胶，平均孔径为40μm～70μm(图9)。

实施例5

(2)24h后向甲基纤维素溶液中缓慢分次加入1g透明质酸粉末，搅拌溶解，向其中逐滴加入1M盐酸至pH为约4.5；依次加入0.3g己二酸二酰肼和0.3g碳化二亚胺，搅拌20min；用1MNaOH溶液将pH调节为约7.4后，继续搅拌2h，得到凝胶状物质；将该物质在4℃下冷藏过夜，并对其进行真空冷冻干燥，得到透明质酸-甲基纤维素复合水凝胶，平均孔径为60μm～80μm(图10)。

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

1.一种透明质酸-甲基纤维素复合水凝胶，其特征在于，由甲基纤维素和透明质酸组成，两者的质量比为(5～11):1；所述复合水凝胶具有交联网络结构，孔径为30μm～100μm。

2.根据权利要求1所述的透明质酸-甲基纤维素复合水凝胶的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述交联剂为己二酸二酰肼或者聚乙二醇。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，甲基纤维素、氯化钠、透明质酸的质量之比依次为(5～11)：4：1。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述冰盐浴的温度为-4℃，在冰盐浴中的搅拌时间为40min；第一份人工脑脊液的加热温度为80～90℃。

6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，缓慢分次加入透明质酸。

7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)和步骤(2)中，搅拌时的转速均为200rpm～300rpm，冷藏过夜的温度均为4℃。

8.权利要求1所述的透明质酸-甲基纤维素复合水凝胶在软组织修复方面的应用。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述透明质酸-甲基纤维素复合水凝胶的凝胶温度低于37℃，触变环面积小，具有可注射性。

10.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，在三周内，所述透明质酸-甲基纤维素复合水凝胶的降解速率不断变小，三周的总降解率为40～70％。