CN106009000B - 一种可控制药物释放的导电水凝胶的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可控制药物释放的导电水凝胶的制备方法，属于生物材料技术领域。本发明将双键化生物大分子通过光引发双键聚合形成水凝胶基体，将所述水凝胶基体放入预先配制的含有药物的导电高分子单体溶液中，待水凝胶吸附达到溶胀平衡后再将其浸泡在氧化剂溶液中使水凝胶中的导电高分子单体被氧化，同时药物被掺杂在导电高分子中，从而制得可控制药物释放的导电水凝胶。本发明制备出的水凝胶可通过电场调控药物释放的时间和剂量；本发明因采用经接枝改性后的生物大分子聚合形成水凝胶基体故具有良好的机械强度和降解速率可调控的特性；此外，水凝胶中氧化剂含有的金属离子既能通过螯合作用增强水凝胶的机械强度也能提高水凝胶的导电性能。

Description

一种可控制药物释放的导电水凝胶的制备方法
技术领域
本发明属于生物材料技术领域，尤其涉及一种可控制药物释放的导电水凝胶的制备方法。
背景技术
长期以来，有关控释给药系统的研究集中于药物在体内的缓慢恒速释放，以便延长药物的作用时间，减少给药次数，产生稳定的血药浓度，但药物的持续高浓度会造成机体的敏感性降低和耐药性的产生。可以根据刺激信号的性质和强弱调整药物的释放，从而达到可控治疗的目的。目前智能给药系统的材料研究最多的就是水凝胶。
水凝胶为电中性或离子性高分子材料，具有优良的理化性质和生物学性质。由于水凝胶中富含亲水集团，在生理条件下水凝胶可吸水膨胀，并在骨架中保留水分，因此水凝胶兼具固液两相的特点。水凝胶不仅柔韧的三维网络结构，可以作为软组织修复的理想材料；另外，可以通过导电聚合物的引入使其具备优异的导电性，可以作为电刺激药物按需释放、电疗刺激组织的再生修复材料等。
目前采用电刺激控制药物释放的水凝胶，其基体多采用合成高分子或者未经改性的纯天然高分子，然而这些高分子都存在不足：如合成高分子丙烯酰胺，丙烯酸等有机化合物在体内不可降解，且长期植入具有潜在的隐患；纯天然材料基导电水凝胶的机械性能较差，在实际应用中受到限制。
综上，传统电刺激药物控释导电水凝胶的缺陷主要在于以下两点：其一为较差的生物学降解特性或者降解产物具有副作用而不适用于生物医学领域；其二为较差的机械强度限制了其在不同领域中的应用。
发明内容
鉴于上文所述问题，本发明提出了一种可控制药物释放的导电水凝胶的制备方法，本发明制备出的水凝胶在电场作用下，导电高分子链被还原而使药物释放，可以有效控制药物在生物体内释放的时间和剂量；此外兼具优良的生物可降解性、良好的机械强度及细胞粘附和组织亲和性等优点。
本发明通过如下技术方案实现：
一种可控制药物释放的导电水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
步骤A：通过甲基丙烯酸酐化在生物大分子上引入双键得到双键化生物大分子；将双键化生物大分子作为单体配制成溶液后加入光引发剂混合均匀，将所述溶液在光引发下自由基聚合形成水凝胶；
步骤B：配制导电高分子单体和药物形成的混合溶液，所述药物在溶液中带负电；
步骤C：将步骤A制备的水凝胶浸泡在步骤B制成的导电高分子单体和药物混合溶液中，待水凝胶吸附所述溶液达到溶胀平衡，取出水凝胶浸泡在含有氧化剂的溶液中，冰浴条件下氧化聚合制得所述用于药物释放的导电水凝胶。
所述光聚合反应是在步骤A中通过引入甲基丙烯酸结构在生物大分子侧链上接枝碳碳双键，从而可以实现光引发自由基聚合成生物大分子水凝胶。
本发明步骤A是通过在生物大分子链的主链末端引入甲基丙烯酸结构实现在生物大分子上接枝碳碳双键，使得生物大分子在光引发下自由基聚合形成三维交联的水凝胶结构。
本发明为了更好的适应在生物医药方面的应用，水凝胶基体材料应选择天然高分子材料，优选为明胶，硫酸软骨素，丝素蛋白，海藻酸钠，纤维素或透明质酸；这些天然高分子链上具有大量的活性氨基和羟基易于实现双键化接枝改性。所述光引发剂选择应无毒、无副作用、可降解，优选为Irgacure2959、Irgacure500、Irgacure127、TPO和紫外光引发剂184/1173/907中任一种；
本发明步骤A具体为：
A1：称取生物大分子溶解于蒸馏水或磷酸盐缓冲液中配制成溶液；在生物大分子溶液中滴加0.1～20倍所述生物大分子质量的甲基丙烯酸酐、丙烯酸、丙烯酰氯、甲基丙烯酰氯或甲基丙烯酸缩水甘油酯，然后搅拌反应2～24小时，将上述反应液中稀释以终止反应，将稀释液置于截留分子量为5～14kDa的透析袋中，去离子水透析后冷冻干燥，制得双键化生物大分子；
A2：将制得的双键化生物大分子作为单体配制成浓度为0.15～0.2g/ml的双键化生物大分子溶液，再加入质量占所述生物大分子质量的百分比为0.5％～1％的光引发剂混合均匀后，通常在紫外线照射下2～10分钟引发光聚合反应形成水凝胶基体。
本发明步骤B配制导电高分子单体和药物的混合溶液：
本发明步骤B中导电高分子单体溶液优选吡咯、苯胺、噻吩类和5-羧基吲哚中任一种作为导电高分子单体；
本发明步骤B中混合溶液中导电高分子单体质量占所述生物大分子质量的百分比为5％～20％。
本发明步骤B中混合溶液中带负电药物优选为青霉素、硝苯地平、地塞米松、二甲双弧盐酸盐和异烟肼中任一种。
本发明步骤C首先利用水凝胶富含亲水集团，可吸水膨胀，并在骨架中保留水分的特性，使得水凝胶吸附有含有导电高分子单体和药物的混合溶液；同时，本发明步骤C利用导电聚合物的掺杂特性从而实现装载药物。所述掺杂实际是导电聚合物的氧化-还原过程，本发明中导电高分子单体发生氧化聚合的过程中由于电荷转而失去电子，带负电的药物会掺杂在聚合物链中以保持聚合链体系的电中性，从而实现带负电药物的装载。
本发明步骤C通过加入氧化剂发生氧化聚合；所述氧化剂优选为三氯化铁、过硫酸铵，过硫酸钾、重铬酸钾、碘酸钾或高锰酸钾；
本发明步骤C中氧化剂与所述导电高分子单体的质量比为1～3∶1；
本发明利用导电聚合物的掺杂特性将带负电药物装载于水凝胶的具体步骤为：配制导电高分子单体和药物形成的混合溶液，其中，导电高分子单体质量为所述生物大分子质量的5％～20％，药物在混合溶液中浓度为1g/L～5g/L；将步骤A制得水凝胶放入所述混合溶液中，待所述水凝胶溶胀平衡后转移于含有氧化剂的溶液中反应，氧化聚合10～24小时制得所述可控制药物释放的导电水凝胶。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明制备出的水凝胶在电刺激作用下可以实现药物的按需释放，从而达到可控治疗的目的。本发明水凝胶中处于氧化态的导电高分子能够在电刺激作用下被还原，导电高分子链的正电荷总量减少，静电引力降低，从而使得掺杂在导电高分子链上的带负电药物得以释放。
2、本发明制备出的水凝胶具有良好的机械强度和导电性能；本发明的水凝胶基体材料选用经接枝改性后的天然高分子材料，因此天然高分子材料内能够形成稳定共价键的双键基团，与原有的非共价键交联协同作用，可以提高水凝胶的机械强度；另外，氧化剂中的金属离子不仅可以与改性天然高分子中残余羟基和氨基等形成螯合作用，从而达到增强水凝胶的机械强度的目的，而且这些金属离子还可以作为导电高分子的掺杂剂，进一步提高材料的导电性能。
3、本发明制备出的水凝胶具有较好的组织亲和性和可降解性能；而且天然高分子经改性后能够通过选择不同的接枝支链以及接枝率可以调节材料的降解速率，具有降解可调控的优势。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进行进一步的阐述：
实施例1：
一种可控制药物释放的导电水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
步骤A：
A1：双键化生物大分子的制备；称取壳聚糖800mg置于250mL锥形瓶中，加入100mL去离子水和400uL浓度为10.8750mol/L的甲基丙烯酸酸酐(MA)，待壳聚糖完全溶解后，分别加入200mg1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)，然后在室温下，搅拌反应24小时。反应过程中，由于MA的消耗，混合液的pH值从4升到7左右。为去除未反应的MA和其他小分子产物，将混合液置入截止分子量为10000Da透析袋中，在室温下透析3天。最后将样品冷冻干燥，得到甲基丙烯酸酐接枝的壳聚糖(CM)，即双键化壳聚糖；
A2：生物大分子水凝胶的制备；将双键化壳聚糖作为单体配制成0.15g/ml溶液，加入占双键化壳聚糖质量百分比为1％的光引发剂184，搅拌至完全溶解，将所述溶液在波长为365nm，功率为10mW/cm2的紫外灯下照射10分钟形成水凝胶基体；
步骤B：配制吡咯单体和异烟肼形成的混合溶液，其中吡咯单体质量为所述双键化壳聚糖质量的5％，异烟肼浓度为3g/L；
步骤C：将步骤A制备的水凝胶基体浸泡在步骤B制成的吡咯单体和异烟肼混合溶液中，待水凝胶基体吸附所述溶液达到溶胀平衡，取出浸泡在质量FeCl3溶液中，所述FeCl3溶液中FeCl3质量为吡咯单体的2倍，冰浴条件下反应24小时，氧化聚合制得载有异烟肼的双键化壳聚糖基导电水凝胶。
实施例2：
一种可控制药物释放的导电水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
步骤A：
A1：双键化生物大分子的制备；将海藻酸钠溶解于蒸馏水中配制成质量分数为2％的溶液，然后用1mol/L的氢氧化钠调节pH＝8.0；加入海藻酸钠15倍质量的丙烯酰氯，在4℃条件下，机械搅拌反应24小时。反应过程中用1mol/L的氢氧化钠调节PH>8.0。为除去未反应的丙烯酰氯和其他小分子，将混合液体装入截留分子量为5000～8000Da的透析袋中，室温下透析48小时，最后将样品冷冻干燥，得到丙烯酰胺化的海藻酸钠，即双键化海藻酸钠。
A2：生物大分子水凝胶的制备；将双键化海藻酸钠作为单体配制成0.2g/ml溶液，加入占双键化海藻酸钠质量百分比为1.5％的光引发剂2959，搅拌至完全溶解，将所述溶液在波长为365nm，功率为5mW/cm2的紫外灯下照射5分钟形成水凝胶基体；
步骤B：配制5-羧基吲哚单体和地塞米松形成的混合溶液，其中5-羧基吲哚单体质量为所述双键化海藻酸钠质量的10％，地塞米松浓度为3g/L；
步骤C：将步骤A制备的水凝胶基体浸泡在步骤B制成的5-羧基吲哚单体和地塞米松混合溶液中，待水凝胶基体吸附所述溶液达到溶胀平衡，取出浸泡在过硫酸钾溶液中，所述过硫酸钾溶液中过硫酸钾质量为5-羧基吲哚单体质量的1.5倍，冰浴条件下反应15小时，氧化聚合制得载有地塞米松的双键化海藻酸钠基导电水凝胶。
实施例3：明胶接枝改性
一种可控制药物释放的导电水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
步骤A：
A1：双键化生物大分子的制备；将明胶溶解于磷酸盐缓冲液配制成质量分数为15％的溶液，然后向所述溶液中加入明胶质量5倍的甲基丙烯酰氯，在50℃条件下，机械搅拌反应5小时。将所述溶液稀释后装入截留分子量为12000Da的透析袋中，每12小时换一次水，在室温下透析7天。最后将透析后液体冷冻干燥，得到丙烯酰胺化的明胶，即双键化明胶。
A2：生物大分子水凝胶的制备；将双键化明胶作为单体配制成0.15g/ml溶液，加入占双键化明胶质量百分比为2％的光引发剂TPO，搅拌至完全溶解，将所述溶液在波长为365nm，功率为15mW/cm2的紫外灯下照射15分钟形成水凝胶基体；
步骤B：配制苯胺单体和青霉素形成的混合溶液，其中苯胺单体质量为所述双键化明胶质量的15％，青霉素浓度为5g/L；
步骤C：将步骤A制备的水凝胶基体浸泡在步骤B制成的苯胺单体和盘尼西林混合溶液中，待水凝胶基体吸附所述溶液达到溶胀平衡，取出浸泡在过硫酸钾溶液中，所述过硫酸钾溶液中过硫酸钾质量为苯胺单体质量的3倍，室温条件下反应20小时，氧化聚合制得载有盘尼西林的双键化明胶基导电水凝胶。
实施例4：
一种可控制药物释放的导电水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
步骤A：
A1：双键化生物大分子的制备；将纤维素溶解于磷酸盐缓冲液配制成质量分数为1％的溶液，然后向所述溶液中缓慢加入纤维素质量3倍的丙烯酸，在40℃条件下，机械搅拌反应4小时。将所述溶液装入截留分子量为12000Da的透析袋中，在室温下透析3天，将透析后液体冷冻干燥，得到丙烯酸接枝的纤维素，即双键化纤维素。
A2：生物大分子水凝胶的制备；将双键化纤维素作为单体配制成0.2g/ml溶液，加入占双键化纤维素质量百分比为3％的光引发剂903，搅拌至完全溶解，将所述溶液在波长为365nm，功率为30mW/cm2的紫外灯下照射5分钟形成水凝胶基体；
步骤B：配制噻吩单体和硝苯地平形成的混合溶液，其中噻吩单体质量为所述双键化纤维素质量的10％，硝苯地平浓度为2g/L；
步骤C：将步骤A制备的水凝胶基体浸泡在步骤B制成的噻吩单体和硝苯地平混合溶液中，待水凝胶基体吸附所述溶液达到溶胀平衡，取出浸泡在碘酸钾溶液中，所述碘酸钾溶液中碘酸钾质量为噻吩单体质量的2倍，室温条件下反应24小时，氧化聚合制得载有硝苯地平的双键化纤维素基导电水凝胶。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种可控制药物释放的导电水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、称取生物大分子溶解于蒸馏水或磷酸盐缓冲液中配制成溶液；在生物大分子溶液中滴加0.1～20倍所述生物大分子质量的甲基丙烯酸酐、丙烯酸、丙烯酰氯、甲基丙烯酰氯或甲基丙烯酸缩水甘油酯，然后搅拌反应2～24小时，将上述反应液稀释以终止反应，将稀释液置于截留分子量为5～14kDa的透析袋中，去离子水透析后冷冻干燥，制得双键化生物大分子；将双键化生物大分子作为单体配制成溶液后加入光引发剂混合均匀，将所述溶液在光引发下聚合形成水凝胶基体；
B、配制导电高分子单体和药物形成的混合溶液，所述药物在溶液中带负电；
C、将步骤A制备的水凝胶浸泡在步骤B制成的导电高分子单体和药物混合溶液中，待水凝胶吸附所述溶液达到溶胀平衡，取出浸泡在含有氧化剂的溶液中反应，氧化聚合制得所述可控制药物释放的导电水凝胶。
2.根据权利要求1所述的一种可控制药物释放的导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤A中生物大分子为明胶，硫酸软骨素，丝素蛋白，海藻酸钠，纤维素或透明质酸。
3.根据权利要求1所述的一种可控制药物释放的导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤A中双键化生物大分子溶液浓度为0.15～0.2g/ml。
4.根据权利要求1所述的一种可控制药物释放的导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤A中光引发剂为Irgacure2959、Irgacure500、Irgacure127、TPO和紫外光引发剂184/1173/907中任一种，所述光引发剂质量占所述双键化生物大分子质量的百分比为0.5％～1％。
5.根据权利要求1所述的一种可控制药物释放的导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤A中光引发反应时间为2～10分钟。
6.根据权利要求1所述的一种可控制药物释放的导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤B中导电高分子单体溶液中导电高分子单体为吡咯单体、苯胺单体、噻吩类单体或5-羧基吲哚单体。
7.根据权利要求1所述的一种可控制药物释放的导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤B中混合溶液中导电高分子单体质量为所述双键化生物大分子质量的5％～20％。
8.根据权利要求1所述的一种可控制药物释放的导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤B中混合溶液中药物为青霉素、硝苯地平、地塞米松、二甲双弧盐酸盐和异烟肼中任一种，所述药物在混合溶液中的浓度为1g/L～5g/L。
9.根据权利要求1所述的一种可控制药物释放的导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤C中的氧化剂为三氯化铁、过硫酸铵，过硫酸钾、重铬酸钾、碘酸钾或高锰酸钾。
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