CN107056983A - 制备正交调控机械性能和药物释放性能双网络水凝胶方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光交联制备具有正交调控机械性能和药物释放性能的双网络水凝胶方法，包括：(1)以聚丙烯酸和单氨基β环糊精为反应物，制备得到接枝β环糊精的聚丙烯酸粉末；(2)将接枝β环糊精的聚丙烯酸粉末溶解于磷酸缓冲液中，并加入丙烯酰胺、N’N‑亚甲基双丙烯酰胺和光引发剂，搅拌混合均匀后，在紫外光下交联。该方法工艺简单，制备周期短，尺寸可控，重复性强，稳定性好。所制备的双网络水凝胶的机械性能与对多肽等药物的释放性能正交调控，互不干扰。其中一重网络通过调节聚合物网络来控制机械强度，一重网络通过调节与药物分子的亲和力来调控缓释。该双网络水凝胶在生物医药、组织工程等方面具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于组织工程生物材料制备技术领域，具体涉及制备正交调控机械性能和药物释放性能双网络水凝胶方法。
背景技术
双网络水凝胶是近十年来新兴的研究方向，其具有可设计的结构,坚韧、抗冲击、低摩擦等优异的机械性能在组织工程、生物医药等领域有着广泛的潜在应用。对于共价的双网络水凝胶，设计原则如下：(1)硬而脆的聚电解质作为第一网络，柔而韧的中性聚合物作为第二网络；(2)第二网络的摩尔浓度是第一网络的20-30倍；(3)第一网络紧密的交联而第二网络松散的交联从而实现非对称的水凝胶结构。
制备双网络水凝胶最常用的方法有，两步聚合法(经典方法)、分子支撑法和一步法。在两步聚合法中，首先是将合成由聚电解质组成的第一网络，将第一网络的水凝胶浸泡到第二网络水凝胶的单体中溶胀，中性的第二网络水凝胶的单体、引发剂或交联剂将嵌入到第一网络中，然后进行光聚合，形成双网络水凝胶。这种方法的第一网络需要由具有溶胀性能的聚电解质构成，限定了原料的选择，而且溶胀过程时间偏长，一般需要1～3天。
分子支撑法首先合成了中性的聚合物作为第一网络凝胶，然后将第一网络凝胶浸入到强的聚电解质单体溶液中聚合，聚电解质作为分子支架赋予第一网络凝胶溶胀的性能，将第一网络凝胶浸入到第二网络的单体中吸附溶胀聚合，得到分子支撑的双网络水凝胶。与两步聚合法类似，该方法实验过程复杂，合成时间长。
一步法的第一网络由琼脂糖、海藻酸钠等物理凝胶构成，以琼脂糖/聚丙烯酰胺双网络水凝胶为例，首先将琼脂糖与丙烯酰胺的单体以及光引发剂混合，将混合溶液在N2保护下加热到90℃使琼脂糖溶解，然后混合溶液冷却后首先形成由琼脂糖构成的第一网络，然后在紫外光照下引发聚合，形成由聚丙烯酰胺构成的第二网络，该方法相对简单，能较方便快速的制备双网络水凝胶，但制备的凝胶机械强度不高。
中国专利申请(201610994581.4)公开了一种基于PEG和多糖的双网络水凝胶及其制备方法，该水凝胶为双网络结构，其中第一网络为两种聚乙二醇衍生物，第二网络多糖或其衍生物相互作用形成。该水凝胶具有自恢复能力、生物相容性良好，但并不具备正交调控机械性能和药物释放性能。
发明内容
为了克服现有的技术中双网络水凝胶不具备正交调控机械性能和药物释放性能的不足,本发明提供制备正交调控机械性能和药物释放性能双网络水凝胶方法，该方法采用光交联制备得到，工艺简单，制备的双网络水凝胶机械性能和药物释放性能独立调控，极大的扩宽了双网络水凝胶的应用范围。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
制备正交调控机械性能和药物释放性能双网络水凝胶方法，所述的方法包括以下步骤：
(1)以聚丙烯酸和单氨基β环糊精为反应物，制备得到接枝β环糊精的聚丙烯酸粉末；聚丙烯酸是水溶性的高分子，其上的羧基可以与氨基β环糊精上的氨基反应形成酰胺键，将聚丙烯酸和氨基β环糊精连接到一起；
(2)将接枝β环糊精的聚丙烯酸粉末溶解于磷酸缓冲液中，并加入丙烯酰胺、N’N-亚甲基双丙烯酰胺和光引发剂，搅拌混合均匀后，在紫外光下交联得到具有正交调控机械性能和药物释放性能的双网络水凝胶；光引发剂引发丙烯酰胺、N’N-亚甲基双丙烯酰胺的聚合，N’N-亚甲基双丙烯酰胺充当连接剂，光聚合将接枝β环糊精的聚丙烯酸嵌入到聚丙烯酰胺中，形成网络互穿结构。
优选的，步骤(1)中包含以下步骤：
a)配制质量浓度为10-20mg/mL、分子量约为240000Da的聚丙烯酸溶液和pH为5.4-5.8的磷酸缓冲液，磷酸缓冲液的离子强度为0.1mol/L，之后将两种溶液搅拌混合均匀；偏酸性缓冲液有利于酰胺反应的进行；
b)将摩尔比为1：1的N-羟基琥珀酰亚胺和1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺加入到步骤1)所得的溶液中，搅拌1-2小时；N-羟基琥珀酰亚胺和1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺添加的摩尔量均为步骤a)中聚丙烯酸上羧基摩尔量的1-3倍；N-羟基琥珀酰亚胺和1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺是活化剂，活化羧基，促进酰胺反应的进行；
c)将单氨基β环糊精加入到步骤b)搅拌结束后所得的溶液，搅拌24-48h；所述的单氨基β环糊精的摩尔量为步骤1)中聚丙烯酸上羧基摩尔量的0.1-0.2倍；单氨基β环糊精与活化的羧基反应，形成酰胺键；
d)将步骤c)得到的混合溶液转移到截留分子量8000-14000的透析袋中，将透析袋置于大量去离子水中透析2周，去除未反应的单氨基β环糊精、N-羟基琥珀酰亚胺和1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺；
e)将步骤d)透析结束后的溶液进行冷冻干燥，冷冻干燥机冷井温度在-50℃以下，真空度在20Pa以下，即制备得到接枝β环糊精的聚丙烯酸粉末。冷冻干燥便于配置确定浓度接枝β环糊精的聚丙烯酸溶液。
优选的，步骤(2)中包含以下步骤：
a)将接枝β环糊精的聚丙烯酸溶解到pH为7.4的磷酸缓冲液中，配成2-6wt％的接枝β环糊精的聚丙烯酸溶液，pH 7.4的磷酸缓冲液接近人体生理环境，便于进行模拟生理条件下的实验；
b)将摩尔比为40：1的丙烯酰胺和N’N-亚甲基双丙烯酰胺混合，溶解于去离子水中，配成质量浓度为10wt％的丙烯酰胺预聚液；将聚合物的单体配成确定浓度的溶液，便于聚合；
c)向步骤b)中的溶液里加入光引发剂2-羟基-4’-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮，使在溶液中2-羟基-4’-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮的质量浓度为0.01wt％；加入光引发剂，便于在紫外光下进行聚合；
d)将步骤a)和步骤c)得到的溶液按体积为1：(0.5-2)混合，搅拌均匀，在400W高压泵灯下照射5min，即可制备得到双网络水凝胶。在紫外光下进行聚合，得到不同配比的双网络水凝胶。
本发明的优点是：
1)本发明采用光交联，便于远程控制，工艺简单，用时短；
2)本发明制备的水凝胶机械性能和药物释放性能独立调控，极大的扩宽了双网络水凝胶的应用范围；
3)本发明在制备过程中，可以通过模具任意调节双网络水凝胶的形状；
4)本发明双网络水凝胶的制备方法具有可编程性，通过简单的重复步骤(2)，可以得到模拟组织器官的水凝胶。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的双网络水凝胶的机械性能图；
图2为本发明实施例1制备的双网络水凝胶的药物释放性能图；
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的说明：
实施例1
一、制备得到接枝β环糊精的聚丙烯酸粉末：
1、在30ml pH 5.6的磷酸缓冲液中，加入400mg(13.3mg/mL)聚丙烯酸，磁力搅拌均匀；
2、向步骤1中的溶液里加入活化剂1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺2130mg(为步骤1中聚丙烯酸上羧基摩尔量的2倍)和N-羟基琥珀酰亚胺1278mg(为步骤1中聚丙烯酸上羧基摩尔量的2倍)，室温下搅拌2h；
3、向步骤2中的溶液里加入630mg单氨基β环糊精(为步骤1中聚丙烯酸上羧基摩尔量的0.1倍)，室温下搅拌24h；
4、将步骤3中的溶液转移到8000-14000的透析袋中，用去离子水透析2周；
5、将步骤4中透析过的溶液冷冻干燥，冷冻干燥的条件为：冷却干燥机冷井温度在-60℃，真空度为30Pa，得到接枝β环糊精的聚丙烯酸。
二、接枝β环糊精的聚丙烯酸和聚丙烯酰胺双网络水凝胶的制备：
1、将接枝β环糊精的聚丙烯酸200mg溶解到5mL pH 7.4的磷酸缓冲液中，搅拌均匀，配成4wt％的接枝β环糊精的聚丙烯酸溶液；
2、将1000mg丙烯酰胺和54mg N’N-亚甲基双丙烯酰胺溶解于10mL去离子水中(摩尔量比为40:1)，搅拌均匀，配成质量浓度为10wt％的丙烯酰胺预聚液；
3、向步骤2中的溶液里加入光引发剂2-羟基-4’-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮1mg，搅拌均匀，使在溶液中光引发剂的质量浓度为0.01wt％；
3、取步骤1和步骤3中溶液各1mL，混合均匀后，在400W高压汞灯下照射5min，得到双网络水凝胶。
将实施例1制备得到的双网络水凝胶进行机械性能检测和药物释放性能检测，图1为双网络水凝胶的机械性能图，从图中可以看出，双网络水凝胶的机械强度高，断裂时形变小，双网络水凝胶整体的机械性能较好；图2为双网络水凝胶药物释放性能图，从图2可以看出，双网络水凝胶释放药物的速率减慢，符合预期需求。
实施例2
一、制备得到接枝β环糊精的聚丙烯酸粉末：
1、在30ml pH 5.4的磷酸缓冲液中，加入400mg(13.3mg/mL)聚丙烯酸，磁力搅拌均匀；
2、向步骤1中的溶液里加入活化剂1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺1065mg(为步骤1中聚丙烯酸上羧基摩尔量的1倍)和N-羟基琥珀酰亚胺639mg(为步骤1中聚丙烯酸上羧基摩尔量的1倍)，室温下搅拌1h；
3、向步骤2中的溶液里加入630mg单氨基β环糊精(为步骤1中聚丙烯酸上羧基摩尔量的0.1倍)，室温下搅拌24h；
4、将步骤3中的溶液转移到8000-14000的透析袋中，用去离子水透析2周；
5、将步骤4中透析过的溶液冷冻干燥，冷冻干燥的条件为：冷却干燥机冷井温度在-70℃，真空度为40Pa，得到接枝β环糊精的聚丙烯酸。
二、接枝β环糊精的聚丙烯酸和聚丙烯酰胺双网络水凝胶的制备：
1、将接枝β环糊精的聚丙烯酸100mg溶解到5mL pH 7的磷酸缓冲液中，搅拌均匀，配成2wt％的接枝β环糊精的聚丙烯酸溶液；
2、将1000mg丙烯酰胺和54mg N’N-亚甲基双丙烯酰胺溶解于10mL去离子水中(摩尔量比为40:1)，搅拌均匀，配成质量浓度为10wt％的丙烯酰胺预聚液；
3、向步骤2中的溶液里加入光引发剂2-羟基-4’-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮1mg，搅拌均匀，使在溶液中光引发剂的质量浓度为0.01wt％；
3、取步骤1和步骤3中溶液各1mL、0.5mL，混合均匀后，在400W高压汞灯下照射5min，得到双网络水凝胶。
对实施例2得到的样品采用实施例1中的方法进行检测，同样能够达到相应的效果，不在此处进行赘述。
实施例3
本实施例与实施例1不同的是步骤一中的第1步中加入500mg(16.7mg/mL)聚丙烯酸，其它与实施例1相同。
对实施例3得到的样品采用实施例1中的方法进行检测，同样能够达到相应的效果，不在此处进行赘述。
实施例4
本实施例与实施例1不同的是步骤二中的第4步中取步骤1和步骤3中溶液各1mL、2mL，其他与实施例1相同。
对实施例4得到的样品采用实施例1中的方法进行检测，同样能够达到相应的效果，不在此处进行赘述。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (9)
1.制备正交调控机械性能和药物释放性能双网络水凝胶方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：(1)以聚丙烯酸和单氨基β环糊精为反应物，制备得到接枝β环糊精的聚丙烯酸粉末；(2)将接枝β环糊精的聚丙烯酸粉末溶解于磷酸缓冲液中，并加入丙烯酰胺、N’N-亚甲基双丙烯酰胺和光引发剂，搅拌混合均匀后，在紫外光下交联得到具有正交调控机械性能和药物释放性能的双网络水凝胶。
2.如权利要求1所述的制备正交调控机械性能和药物释放性能双网络水凝胶方法，其特征在于，步骤(1)中包含以下步骤：
1)配制质量浓度为10-20mg/mL、分子量为240000Da的聚丙烯酸溶液和pH为5.4-5.8的磷酸缓冲液，并将两种溶液搅拌混合均匀；
2)将摩尔比为1：1的N-羟基琥珀酰亚胺和1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺加入到步骤1)所得的溶液中，搅拌1-2小时；
3)将单氨基β环糊精加入到步骤2)搅拌结束后所得的溶液，搅拌24-48h；
4)将步骤3)得到的混合溶液转移到截留分子量8000-14000的透析袋中，将透析袋置于大量去离子水中透析2周；
5)将步骤4)透析结束后的溶液进行冷冻干燥，即制备得到接枝β环糊精的聚丙烯酸粉末。
3.如权利要求2所述的制备正交调控机械性能和药物释放性能双网络水凝胶方法，其特征在于，步骤1)中，溶解聚丙烯酸所用的磷酸缓冲液的离子强度为0.1mol/L。
4.如权利要求2所述的制备正交调控机械性能和药物释放性能双网络水凝胶方法，其特征在于，步骤2)中，所述的N-羟基琥珀酰亚胺和1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺添加的摩尔量均为步骤1)中聚丙烯酸上羧基摩尔量的1-3倍。
5.如权利要求2所述的制备正交调控机械性能和药物释放性能双网络水凝胶方法，其特征在于，步骤3)中，所述的单氨基β环糊精的摩尔量为步骤1)中聚丙烯酸上羧基摩尔量的0.1-0.2倍。
6.如权利要求2所述的制备正交调控机械性能和药物释放性能双网络水凝胶方法，其特征在于，步骤5)中，冷冻干燥机冷井温度在-50℃以下，真空度在20Pa以下。
7.权利要求1所述的制备正交调控机械性能和药物释放性能双网络水凝胶方法，其特征在于，步骤(2)中包含以下步骤：
1)将接枝β环糊精的聚丙烯酸溶解到pH为7-8的磷酸缓冲液中，配成2-6wt％的接枝β环糊精的聚丙烯酸溶液；
2)将摩尔比为40：1的丙烯酰胺和N’N-亚甲基双丙烯酰胺混合，溶解于去离子水中，配成10wt％的丙烯酰胺预聚液；
3)向步骤2)中的溶液里加入光引发剂，使在溶液中光引发剂为0.01wt％；
4)将步骤1)和步骤3)得到的溶液按体积为1：(0.5-2)混合，搅拌均匀，在400W高压泵灯下照射5min，即可制备得到双网络水凝胶。
8.权利要求7所述的制备正交调控机械性能和药物释放性能双网络水凝胶方法，其特征在于，步骤1)中，磷酸缓冲液的pH为7.4。
9.权利要求7所述的制备正交调控机械性能和药物释放性能双网络水凝胶方法，其特征在于，步骤2)中，所述的光引发剂为2-羟基-4’-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮。
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