CN105462142B - 一种温敏型互穿网络水凝胶材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明设计制备一种具有温度敏感性质的无机有机杂化的三维互穿网络结构水凝胶材料，并运用其良好的机械性能和生物相容性，达到临床注射型栓塞剂机械性能良好、能够完全栓塞、X光吸收能力好、手术易操作等方面的需求，实现其在临床栓塞治疗领域的应用。

Description

一种温敏型互穿网络水凝胶材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于温敏型互穿网络水凝胶材料应用领域以及新型医疗材料技术领域，具体涉及一种具有温度敏感性质的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，通过折射栓塞剂栓塞目标血管的微创手术，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。

目前临床上已有的栓塞剂种类主要分为固体栓塞剂和液体栓塞剂两类。

固体栓塞剂一般在体外加工成型，通过介入手术放置进入目标血管，进行栓塞，主要包括明胶海绵、微纤维胶原、医用丝缝线、可拆卸的球囊及线圈等。此类栓塞剂机械性能稳定，但难以达成完全栓塞的效果，容易形成再通。

相对的，液体栓塞剂一般在体内反应成型，通过介入手术注射进入目标血管进行栓塞，主要包括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、聚乙烯醇等。目前已有的液体栓塞剂主要存在两类问题，一类是机械强度不足以对抗血流冲击，易再通；另一类是需要有机溶剂预先溶解，在体内通过溶剂置换达到溶质析出栓塞的效果，反应耗时较长，易发生粘管，且常常伴随强烈的副作用（感染、痉挛）或并发症（猝死、动脉破裂或栓塞再通），容易造成二次伤害。

因此，水凝胶材料由于使用水作为溶剂，首先解决了有机溶剂的生物毒性问题，如果在反应过程和机械强度方面有所提升，可以作为理想的液体栓塞剂材料候选。

作为增强水凝胶机械性能的常用手段之一，设计互穿网络结构的水凝胶材料获得了广泛的关注。互穿网络是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，已有利用原位聚合反应进程控制，实现具有可注射性的互穿网络水凝胶，用作液体栓塞剂材料。但如果能够利用环境变化产生的外界刺激，实现溶胶-凝胶之间的转变，将具有更大的应用前景。目前，用于智能水凝胶材料对了溶胶-凝胶状态的刺激手段主要有光、超声、磁场、离子、温度等。其中，对于生命科学领域而言，最有应用前景的刺激手段是温度刺激响应方式。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有温敏性质的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、温度响应性质、生物相容性以及可注射能力。

本发明所述温敏型互穿网络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。

本发明所述温敏型互穿网络水凝胶包括无机材料增强的第一重高分子网络和原位聚合的第二重高分子网络。

其中制备第一重高分子网络，所使用的无机材料为氧化石墨烯、氧化碳纳米管、氧化碳纳米带等中的一种或几种；所使用的高分子材料为聚氧乙烯聚氧丙烯醚嵌段聚合物F-127。

其中制备第二重高分子网络，所使用的原位聚合的单体为N-异丙基丙烯酰胺，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、甲基丙烯酸甲酯等中的一种或几种；所使用的催化剂为过硫酸铵、过硫酸钾等中的一种或几种。

所述温敏型互穿网络水凝胶由于在无机材料与F-127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。

所述温敏型互穿网络水凝胶由于第二重高分子水凝胶网络具有良好的温度敏感性质，在室温下为溶胶，温度上升至体温后会从亲水结构变为疏水结构，实现从溶胶向凝胶的转变，使其具有较好的温度敏感性质和注射性能。

所述温敏型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。

所述的温敏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、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0.5 mg/mL至20 mg/mL的无机材料水溶液。

（2）配制温敏型互穿网络水凝胶：

在第（1）步制备的无机材料水溶液中加入聚氧乙烯聚氧丙烯醚嵌段聚合物F-127，N-异丙基丙烯酰胺单体，以及N,N’-亚甲基双丙烯酰胺溶液，在N₂保护下室温搅拌半小时，混合均匀。再加入过硫酸铵，升温至70℃反应过夜，看到明显糊状沉淀生成。冷却至室温，转移至离心管，在40℃下离心，立即倒去上层清液。低温下用蒸馏水溶解离心管中沉积物，用截留分子量为7000的透析袋透析，得到互穿网络水凝胶。

其中，以50 mL水溶液体系计算投料，其中氧化石墨烯的浓度为0.5 mg/mL到20mg/mL，聚氧乙烯聚氧丙烯醚嵌段聚合物F-127的质量范围为0.5 g到5 g，N-异丙基丙烯酰胺单体的质量范围为2.5 g到10 g，浓度为5 mg/mL的N,N’-亚甲基双丙烯酰胺溶液的体积范围为0 μL到200 μL，过硫酸铵的质量范围为0.25 g到1 g。

（3）配制临床可用的温敏型互穿网络水凝胶：

将第（2）步所获得的温敏型互穿网络水凝胶转移至离心管，在40℃下离心，立即倒去上层清液，低温避光条件下用含有X光吸收剂碘海醇的水溶液溶解，得到临床可用的温敏型互穿网络水凝胶。

本发明所述温敏型互穿网络水凝胶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，可作为栓塞剂直接应用于：

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。

所述发明所使用的溶剂为水，相比现有液体栓塞剂所使用的有机溶剂，毒副作用小，生物相容性高。

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为发明所述的温敏型互穿网络水凝胶的结构示意图。

图2为发明所述的温敏型互穿网络水凝胶的流变性质图。

图3为发明所述的温敏型互穿网络水凝胶进行新西兰兔腋下动脉栓塞的手术视频截图。

图4为发明所述的温敏型互穿网络水凝胶进行家猪颈部动脉丛栓塞的手术视频截图。

具体实施方式

实施例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9mg/mL。

实施例2

通过以下的配方制备临床可用的氧化石墨烯增强的温敏型互穿网络水凝胶：

①取5 mL浓度为7 mg/mL的氧化石墨烯水溶液，配制成50 mL浓度为0.7 mg/mL的氧化石墨烯水溶液；

②在上述氧化石墨烯水溶液中，加入1g聚氧乙烯聚氧丙烯醚嵌段聚合物F-127，5gN-异丙基丙烯酰胺单体，100 μL浓度为5 mg/mL的N,N’-亚甲基双丙烯酰胺水溶液，N₂保护下室温搅拌半小时；

③在上述混合溶液中，加入0.5 g过硫酸铵，N₂保护下，在70℃搅拌过夜；

④将上述混合物冷却至室温，转移至离心管，在40℃下离心，立即倒去上层清液；

⑤低温下用蒸馏水溶解离心管中沉积物，用截留分子量为7000的透析袋透析，得到互穿网络水凝胶；

⑥将上述温敏型互穿网络水凝胶在40℃下离心，立即倒去上层清液，低温避光条件下用碘海醇溶液溶解，得到临床可用的温敏型互穿网络水凝胶。

实施例3

实验兔全麻后，仰卧固定于手术台，颈部正中备皮，常规消毒铺巾。沿颈部正中切口切开，暴露右侧颈总动脉（RCCA）并沿其向近心端分离，找到RCCA 起始段及右侧锁骨下动脉。在距离RCCA 起始部约2.5cm 处结扎，同时用动脉瘤临时阻断夹夹闭RCCA 起始部及部分右侧锁骨下动脉。然后在RCCA 起始段密封腔内注入75U 弹性酶溶液并储留约20 分钟后吸出。去除动脉瘤临时阻断夹，依次关闭切口。实验兔做模后常规饲养三周，动脉瘤模型即稳定，可以进行下一步实验。

在DSA指导下，对新西兰大白兔颈动脉瘤模型进行栓塞。

①将新西兰大白兔按照30mg每公斤的剂量注射戊巴比妥钠全麻。

②采用股动脉入路，置入股动脉鞘，将微导管置入颈动脉瘤附近中备用，术前栓塞可见清晰的颈动脉瘤（图3A）。

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将石墨烯温敏水凝胶注射进入动脉瘤，可见在新西兰大白兔体温作用下，石墨烯温敏水凝胶从液体逐渐变成固体，填塞动脉瘤瘤体（图3B）。

⑤栓塞后造影复查，可见动脉瘤瘤体被水凝胶栓塞，可见实心的造影影像（图3C）。

⑥将大量的石墨烯温敏水凝胶迅速注射栓塞锁骨下动脉，可见锁骨下动脉被栓塞，血流不能通过。（图3D）

⑦通过微导管注射4℃生理盐水，可见石墨烯温敏水凝胶被溶解，锁骨下动脉再通（图3E）。

⑧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。

实施例4

在DSA指导下，对家猪的颈部动脉丛（人脑动静脉畸形模型）进行栓塞。

①将家猪按照30mg每公斤的剂量注射戊巴比妥钠全麻。

②采用股动脉入路，置入股动脉鞘，将微导管置入颈外动脉中备用。

③按每公斤体重1000U注射肝素，使家猪全身肝素化。

④在DSA指导下，将石墨烯温敏水凝胶注射入家猪颈部动脉丛。注射前，造影剂可以顺利通过颈部动脉丛的细小分支（图4A）；注射石墨烯温敏水凝胶时，可在DSA下明显看到水凝胶的注射情况（图4B），显示其良好的X光线吸收能力；注射完成后，造影剂不能再次通过颈部动脉丛（图4C），显示这些细小动脉丛已经被完全栓塞。

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将动物饲养观察1月后，在DSA指导下造影复查，结果显示大部分血管不再通（图4D），同时造影剂早已代谢完毕，不造成干扰。提示石墨烯温敏水凝胶在家猪颈动脉丛（人脑动静脉畸形模型）的栓塞治疗中取得良好的治疗效果。

Claims (4)

1.一种具有温敏性质的无机有机杂化的三维互穿网络结构水凝胶，其特征在于，所述三维互穿网络结构水凝胶为无机材料增强的第一重高分子网络和在第一重高分子网络基础上通过单体原位聚合得到的具有温敏性质的第二重高分子网络组成的水凝胶；

其中，制备无机材料增强的第一重高分子网络，所使用的无机材料为氧化石墨烯、氧化碳纳米管、氧化碳纳米带中的一种或几种；所使用的高分子材料为聚氧乙烯聚氧丙烯醚嵌段聚合物F-127；

制备第二重高分子网络，所使用的原位聚合的单体为N-异丙基丙烯酰胺，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、三聚氰酸三烯丙酯中的一种或几种；所使用的催化剂为过硫酸铵、过硫酸钾中的一种或几种。

2.根据权利要求1所述的三维互穿网络结构水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将无机材料先与高分子材料混合成第一重高分子网络，在第一重高分子网络基础上通过单体原位聚合第二重温度敏感的高分子网络形成三维互穿网络水凝胶；其中，以50 mL水溶液体系计算投料，其中无机材料的浓度为0.5 mg/mL到20 mg/mL，聚氧乙烯聚氧丙烯醚嵌段聚合物F-127的质量范围为0.5 g到5 g，N-异丙基丙烯酰胺单体的质量范围为2.5 g到10g，浓度为5 mg/mL的N,N’-亚甲基双丙烯酰胺溶液的体积范围为0 μL到200 μL，过硫酸铵的质量范围为0.25 g到1 g。

3.一种临床可用的温敏型三维互穿网络结构水凝胶，其特征在于：将权利要求2所述制备方法制得的三维互穿网络结构水凝胶转移至离心管，在40℃下离心，立即倒去上层清液，低温避光条件下用含有X光吸收剂碘海醇的水溶液溶解，得到临床可用的温敏型三维互穿网络结构水凝胶。

4.根据权利要求1所述的水凝胶或权利要求2所述制备方法制得的三维互穿网络结构水凝胶作为栓塞剂的应用，所述应用领域包括止血、血管损伤修复、肿瘤治疗、器官切除、血液重分布或药物缓释。