CN107137765A - 聚吡咯生物导电水凝胶及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种聚吡咯生物导电水凝胶及其制备方法和应用，包括以下步骤：将羧甲基壳聚糖通过交联剂在一定条件下制备羧甲基壳聚糖水凝胶，冻干处理；将吡咯单体电化学合成聚吡咯并加入掺杂剂进行改性，球磨粉碎，使其颗粒尺寸与羧甲基壳聚糖水凝胶孔隙的孔径相匹配；随后将神经生长因子融入水中，加入改性的聚吡咯颗粒，搅拌分散均匀，放入羧甲基壳聚糖水凝胶，使溶液完全吸收，再加入水，震荡，充分溶胀平衡即得。本发明在用于神经修复时，既能完成对神经营养因子的缓释，且能经由生物电或外加电刺激对神经细胞进行一定的电刺激，通过电刺激与神经营养因子诱导的双重作用，促进神经细胞增殖分化，引导神经轴突生长。

Description

聚吡咯生物导电水凝胶及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种聚吡咯生物导电水凝胶及其制备方法和应用，属于生物医学材料领域。
背景技术
周围神经损伤在临床上十分常见，迄今为止，经历了神经吻合、自体神经移植、同种异体神经移植、自体非神经组织移植和生物材料替代等几个过程，但几种治疗方式各有利弊，未使神经缺损的问题得到根本性的解决。通过研究表明，神经生长因子(NGF)具有神经营养及神经保护作用，能促进神经损伤的修复，诱导神经纤维定向生长，刺激胞体和树突的发育，促进神经元的分化发育。同时大量实验证实，一定条件内的电刺激对周围神经再生与神经细胞生长，不论是局部还是全身应用，或电场类型、脉冲频率、波长以及时间长短,，均具有促进的作用。
在以往，神经营养物质如神经生长因子(NGF)通过注射作用于神经损伤部位，但其中大多数生物半衰期短，容易遭受破坏失去生活活性，且在直接注入后无法解决突释的问题，无法达到长时间修复神经损伤的作用。因此找到一种合适的药物载体，既可以对药物的释放进行一定控制，且兼具导电特性能辅助进行电刺激修复，能促进神经细胞的增殖分化，将为修复神经损伤提供很好的研究方向与帮助。
水凝胶是一种由亲水性聚合物所形成的不溶于水的高度交联系统，由于其具有含水量高，与人体组织力学性能相似等特点，使得水凝胶材料广泛应用在药物控释及活性细胞包覆等生物医用领域。合成水凝胶的材料主要包括天然高分子材料如丝素蛋白、壳聚糖、透明质酸、明胶等，以及人工合成可降解材料如聚乳酸、聚乙醇酸、聚己内酯等。这些材料在一定程度上能起到促进周围神经再生的效果，所以充分利用天然材料的生物活性基元及便于大批量生产及成本低等特点，可制备出内部结构多孔，生物相容性优良的水凝胶。
水凝胶与导电聚合物(CPs)组成的复合材料被称为导电水凝胶，它是理想的生物医用材料，可应用于组织工程中修复受损的组织和器官、电化学生物传感器以及可控制药物释放体系。导电水凝胶结合了CPs的电性能与水凝胶的机械性能，使其成为可控制药物释放领域的新型热点材料。该体系可以达到较高的载药量水平，而且可以解决单纯CPs对中性药物加载不理想以及大体积药物无法从CPs体系中释放等问题。
壳聚糖(CS)是一种多糖类天然高分子，具有优良的生物相容性、可降解性、低毒及较好的生物活性和力学性能等。研究表明，一些组织细胞易黏附于壳聚糖表面并促进其增殖，还具有药物活性，而且能够能促进伤口愈合及软、硬组织的重建等生物活性。其含有丰富的氨基和羟基，在碱性条件下，与氯乙酸反应脱氯化氢可以得到羧甲基化的壳聚糖(CMCS)。通过化学交联羧甲基壳聚糖，可以制备材料所需的水凝胶。
吡咯单体是一种C，N五元杂环分子，微溶于水，无毒，在电场或氧化剂的作用下易被氧化，进而发生聚合反应生成高分子聚合物聚吡咯。聚吡咯除了具有导电聚合物共同的特征以外，还具有单体无毒，容易制备，电导率高，机械性能好稳定等优点。通过电化学方法或其他手段把药物分子或离子加入到聚合物中，可组成修饰电极或复合材料，将包含的药物分子或离子释放出去，可以实现药物在体内的控制释放。这种方法可以更好的提高药物的药效，还可以实现更为智能化的功能,即通过神经细胞发出的电信号来实现病人自主的释放过程。对于这种体系的要求是药物载体结合牢固，对体液稳定，药物负载量大,，释放率高，载体无毒，无排异反应。而聚吡咯复合材料恰恰满足这些要求，可以作为一种优良的药物释放载体。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种聚吡咯生物导电水凝胶及其制备与应用，其适于周围神经损伤，具有电刺激修复以及神经营养因子诱导的双重功效系统。该导电水凝胶生物相容性好，对于NGF具有高载药率，能对药物的释放起到缓释作用，且通过外加电刺激或生物电刺激能辅助治疗，可以为神经修复与神经细胞的再生提供更优越的药物载体与细胞依附组织。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：聚吡咯生物导电水凝胶，其组分包括有羧甲基壳聚糖、交联剂、吡咯单体、掺杂剂、神经生长因子和去离子水，其用量配比为羧甲基壳聚糖：交联剂：吡咯单体：掺杂剂：神经生长因子：去离子水＝1：0.08-0.16：0.06-0.12：0.09-0.18：0.08-0.16：150-200，以重量比计。
聚吡咯生物导电水凝胶的制备方法，包括以下步骤：将羧甲基壳聚糖通过交联剂在一定条件下制备羧甲基壳聚糖水凝胶，冻干处理；与此同时将吡咯单体电化学合成聚吡咯并加入掺杂剂进行改性，将改性的聚吡咯进行球磨粉碎得到改性的聚吡咯颗粒，使其颗粒尺寸与羧甲基壳聚糖水凝胶孔隙的孔径相匹配；随后将神经生长因子融入水中，加入改性的聚吡咯颗粒，搅拌分散均匀，放入羧甲基壳聚糖水凝胶，使溶液完全吸收，再加入水，震荡，充分溶胀平衡，即得到聚吡咯生物导电水凝胶。
按上述方案，所述的羧甲基壳聚糖水凝胶的制备方法是：将交联剂1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐(EDC)和N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)加入到二甲基亚砜(DMSO)中，搅拌溶解，再将其加入到羧甲基壳聚糖的水溶液中，进行反应，即得羧甲基壳聚糖水凝胶。
按上述方案，所述的改性的聚吡咯的制备方法是：将掺杂剂对甲基苯磺酸钠加入去离子水中，溶解后，再加入吡咯单体，震荡分散均匀，配置成为电解液，运用循环伏安法电化学合成得到改性的聚吡咯。
按上述方案，所述的聚吡咯生物导电水凝胶的基质组分含量为：神经生长因子6％-10％，改性的聚吡咯颗粒12％-18％，羧甲基壳聚糖水凝胶冻干物74％-80％，以重量比计；聚吡咯生物导电水凝胶的基质与去离子水的用量比为1：80-120。
按上述方案，所述的粉碎后的改性的聚吡咯颗粒的粒径为50-80μm，制得的羧甲基壳聚糖水凝胶孔隙的孔径为80-200μm。
所述的聚吡咯生物导电水凝胶作为注射的药物载体的应用，可以注射进神经导管内。
本发明以具有优良机械性能与生物相容性的水凝胶为基底，掺杂具有高电导率的改性聚吡咯颗粒，并包埋神经营养因子类型的模型药物，制备得到生物导电水凝胶。在用于神经修复时，既能完成对神经营养因子的缓释，且能经由生物电或外加电刺激对神经细胞进行一定的电刺激，通过电刺激与神经营养因子诱导的双重作用，促进神经细胞增殖分化，引导神经轴突生长，使能在修复神经损伤时取得更好的效果。
本发明的优点：
(1)制备的生物导电水凝胶系统稳定，且有良好的生物相容性
本发明制备的水凝胶与聚吡咯的复合材料稳定性好，无生物毒性，且结构具有仿生性，不会产生排异反应且能为细胞生长提供优良的细胞外基质环境。
(2)掺杂的聚吡咯颗粒尺寸可调节，解决聚吡咯在体内不可降解的问题
以往通过电化学合成聚吡咯通常是为了得到高电导率的聚吡咯导电薄膜，本发明将电化学合成的聚吡咯通过细胞粉碎仪进行粉碎处理，得到均匀分散的，颗粒大小可调节的聚吡咯导电颗粒。在生物导电水凝胶分解后可随人体体液循环排出；
(3)制备的生物导电水凝胶对模型药物如NGF有高载药率且具有缓释作用
本发明的水凝胶结构多孔，且孔径可调节。同样的，掺杂的聚吡咯颗粒尺寸也可进行调节，可将二者进行同步调整，来满足装载不同模型药物，提高载药率，对药物进行缓释；
(4)电刺激与神经营养因子诱导的双重作用，提高了对于修复神经损伤和促进神经细胞生长的功效。
附图说明
图1为聚吡咯生物导电水凝胶的扫描电镜结构图，其中图1(a)为改性聚吡咯颗粒、图1(b)为羧甲基壳聚糖水凝胶、图1(c)为聚吡咯生物导电水凝胶。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
1)高分子水凝胶的制备
采用均相EDC/NHS催化体系，交联羧甲基壳聚糖制备水凝胶。在250mL三口烧瓶中加入0.1g CMCS，再加入30mL去离子水，磁力搅拌30～60min，溶解。将0.01gEDC和0.006gNHS加入到40mL二甲基亚砜(DMSO)中，磁力搅拌溶解。将DMSO溶液转移到滴液漏斗中，逐滴加入到羧甲基壳聚糖水溶液中，反应温度25℃，反应时间15h。羧甲基壳聚糖的交联过程反应方程式是：
产物透析48h，冷冻干燥24h，得到羧甲基壳聚糖水凝胶冻干物；通过图1(b)羧甲基壳聚糖水凝胶的电镜图测得水凝胶的孔隙孔径为80-200μm。
2)聚吡咯的制备
采用三电极系统，ITO导电玻璃作为工作电极，铂丝作为辅助电极，饱和甘汞电极作为参比电极，以电化学工作站作为电源。电解液由对甲基苯磺酸钠与水配成，配制称取1g对甲基苯磺酸钠加入100ml去离子水，搅拌溶解10min。再向溶液中加入0.5ml吡咯单体，继续搅拌至分散均匀。将工作电极插入配置的电解液中，采用循环伏安法制备。起始电压为0V，扫描区间设定为0-2.5V，加压速率为0.01V/s，扫描周期为100周。
聚吡咯的掺杂和脱掺杂的过程如下反应式所示：
扫描完成后，将工作电极上生成的聚吡咯剥离，多次洗涤后烘干，将聚吡咯放入行星式球磨仪进行研磨，转速为360r/min，时间为4min，得到尺寸均匀的改性的聚吡咯颗粒，通过图1(a)改性聚吡咯颗粒的电镜图测得颗粒尺寸为50-80μm；
3)聚吡咯生物导电水凝胶的制备
将0.005gNGF溶于10mL水中，待完全溶解后，加入0.01g改性的聚吡咯颗粒，超声震荡至完全分散，放入0.05g水凝胶冻干物，使溶液完全吸收，再加入10mL水，震荡，使充分溶胀平衡，得到聚吡咯生物导电水凝胶。通过图1(c)聚吡咯生物导电水凝胶的电镜图我们观察到最终产物的结构多孔且层次分明，尺寸均匀的改性聚吡咯颗粒掺杂进结构特征明显的水凝胶中，为细胞吸附生长创造了良好的模拟环境并使载体附带了适度的电导特性。
制得的聚吡咯生物导电水凝胶的电导率为：
实施例2
1)高分子水凝胶的制备
以羧甲基壳聚糖(CMCS)为例。采用均相EDC/NHS催化体系，交联羧甲基壳聚糖制备水凝胶。在250mL三口烧瓶中加入0.2g CMCS，再加入30mL去离子水，磁力搅拌30～60min，溶解。将0.02gEDC和0.012gNHS加入到60mL二甲基亚砜(DMSO)中，磁力搅拌溶解。将DMSO溶液转移到滴液漏斗中，逐滴加入到羧甲基壳聚糖水溶液中，反应温度25℃，反应时间15h。产物透析48h，冷冻干燥24h，得到水凝胶冻干物；
2)聚吡咯的制备
采用三电极系统，ITO导电玻璃作为工作电极，铂丝作为辅助电极，饱和甘汞电极作为参比电极，以电化学工作站作为电源。电解液由对甲基苯磺酸钠与水配成，配制称取2g对甲基苯磺酸钠加入100ml去离子水，搅拌溶解10min。再向溶液中加入1ml吡咯单体，继续搅拌至分散均匀。将工作电极插入配置的电解液中，采用循环伏安法制备。起始电压为0V，扫描区间设定为0-2.5V，加压速率为0.01V/s，扫描周期为100周。扫描完成后，将工作电极上生成的聚吡咯剥离，多次洗涤后烘干，将聚吡咯放入行星式球磨仪进行研磨，转速为360r/min，时间为5min，得到尺寸均匀的改性的聚吡咯颗粒。
3)聚吡咯生物导电水凝胶的制备
将0.01gNGF溶于20mL水中，待完全溶解后，加入0.02g的聚吡咯颗粒，超声震荡至完全分散，放入0.1g水凝胶冻干物，使溶液完全吸收。再加入20mL水，震荡，使充分溶胀平衡，得到聚吡咯生物导电水凝胶。
实施例3
1)高分子水凝胶的制备
以羧甲基壳聚糖(CMCS)为例。采用均相EDC/NHS催化体系，交联羧甲基壳聚糖制备水凝胶。在250mL三口烧瓶中加入0.3g CMCS，再加入50mL去离子水，磁力搅拌30～60min，溶解。将0.03gEDC和0.018mgNHS加入到60mL二甲基亚砜(DMSO)中，磁力搅拌溶解。将DMSO溶液转移到滴液漏斗中，逐滴加入到羧甲基壳聚糖水溶液中，反应温度25℃，反应时间15h。产物透析48h，冷冻干燥24h，得到水凝胶冻干物；
2)聚吡咯的制备
采用三电极系统，ITO导电玻璃作为工作电极，铂丝作为辅助电极，饱和甘汞电极作为参比电极，以电化学工作站作为电源。电解液由对甲基苯磺酸钠与水配成，配制称取3g对甲基苯磺酸钠加入100ml去离子水，搅拌溶解10min。再向溶液中加入1.5ml吡咯单体，继续搅拌至分散均匀。将工作电极插入配置的电解液中，采用循环伏安法制备。起始电压为0V，扫描区间设定为0-2.5V，加压速率为0.01V/s，扫描周期为100周。扫描完成后，将工作电极上生成的聚吡咯剥离，多次洗涤后烘干，将聚吡咯放入行星式球磨仪进行研磨，转速为360r/min，时间为6min，得到尺寸均匀的聚吡咯颗粒。
3)聚吡咯生物导电水凝胶的制备
将0.015gNGF溶于20mL水中，待完全溶解后，加入0.03g的聚吡咯颗粒，超声震荡至完全分散，放入0.15g水凝胶冻干物，使溶液完全吸收。再加入30mL水，震荡，使充分溶胀平衡，得到聚吡咯生物导电水凝胶。
实施例4
1)高分子水凝胶的制备
以羧甲基壳聚糖(CMCS)为例。采用均相EDC/NHS催化体系，交联羧甲基壳聚糖制备水凝胶。在250mL三口烧瓶中加入0.6g CMCS，再加入100mL去离子水，磁力搅拌30～60min，溶解。将0.06gEDC和0.036gNHS加入到80mL二甲基亚砜(DMSO)中，磁力搅拌溶解。将DMSO溶液转移到滴液漏斗中，逐滴加入到羧甲基壳聚糖水溶液中，反应温度25℃，反应时间15h。产物透析48h，冷冻干燥24h，得到水凝胶冻干物；
2)聚吡咯的制备
采用三电极系统，ITO导电玻璃作为工作电极，铂丝作为辅助电极，饱和甘汞电极作为参比电极，以电化学工作站作为电源。电解液由对甲基苯磺酸钠与水配成，配制称取6g对甲基苯磺酸钠加入100ml去离子水，搅拌溶解10min。再向溶液中加入3ml吡咯单体，继续搅拌至分散均匀。将工作电极插入配置的电解液中，采用循环伏安法制备。起始电压为0V，扫描区间设定为0-2.5V，加压速率为0.05V/s，扫描周期为100周。扫描完成后，将工作电极上生成的聚吡咯剥离，多次洗涤后烘干，将聚吡咯放入行星式球磨仪进行研磨，转速为360r/min，时间为7min，得到尺寸均匀的聚吡咯颗粒。
3)聚吡咯生物导电水凝胶的制备
将0.03gNGF溶于40mL水中，待完全溶解后，加入0.06g的聚吡咯颗粒，超声震荡至完全分散，放入0.3g水凝胶冻干物，使溶液完全吸收。再加入60mL水，震荡，使充分溶胀平衡，得到聚吡咯生物导电水凝胶。
实施例5
1)高分子水凝胶的制备
以羧甲基壳聚糖(CMCS)为例。采用均相EDC/NHS催化体系，交联羧甲基壳聚糖制备水凝胶。在250mL三口烧瓶中加入1g CMCS，再加入120mL去离子水，磁力搅拌30～60min，溶解。将0.1gEDC和0.06gNHS加入到100mL二甲基亚砜(DMSO)中，磁力搅拌溶解。将DMSO溶液转移到滴液漏斗中，逐滴加入到羧甲基壳聚糖水溶液中，反应温度25℃，反应时间15h。产物透析48h，冷冻干燥24h，得到水凝胶冻干物；
2)聚吡咯的制备
采用三电极系统，ITO导电玻璃作为工作电极，铂丝作为辅助电极，饱和甘汞电极作为参比电极，以电化学工作站作为电源。电解液由对甲基苯磺酸钠与水配成，配制称取10g对甲基苯磺酸钠加入100ml去离子水，搅拌溶解10min。再向溶液中加入2ml吡咯单体，继续搅拌至分散均匀。将工作电极插入配置的电解液中，采用循环伏安法制备。起始电压为0V，扫描区间设定为0-2.5V，加压速率为0.1V/s，扫描周期为100周。扫描完成后，将工作电极上生成的聚吡咯剥离，多次洗涤后烘干，将聚吡咯放入行星式球磨仪进行研磨，转速为360r/min，时间为8min，得到尺寸均匀的聚吡咯颗粒。
3)聚吡咯生物导电水凝胶的制备
将0.05gNGF溶于50mL水中，待完全溶解后，加入0.1g的聚吡咯颗粒，超声震荡至完全分散，放入0.5g水凝胶冻干物，使溶液完全吸收。再加入100mL水，震荡，使充分溶胀平衡；或先将0.5g聚吡咯颗粒反散投入含有1g CMCS的120mL去离子水溶液中，磁力搅拌60min，再加入含有0.1gEDC和0.06gNHS的100mL二甲基亚砜(DMSO)进行交联反应，时间24h，产物进行冻干处理后，将0.6g的冻干产物加入含有0.05gNGF的50mL水中，待溶液完全吸收，再加入60mL水，震荡，使充分溶胀平衡，得到聚吡咯生物导电水凝胶。

Claims (7)

1.聚吡咯生物导电水凝胶，其组分包括有羧甲基壳聚糖、交联剂、吡咯单体、掺杂剂、神经生长因子和去离子水，其用量配比为羧甲基壳聚糖：交联剂：吡咯单体：掺杂剂：神经生长因子：去离子水＝1：0.08-0.16：0.06-0.12：0.09-0.18：0.08-0.16：150-200，以重量比计。
2.权利要求1所述的聚吡咯生物导电水凝胶的制备方法，包括以下步骤：将羧甲基壳聚糖通过交联剂在一定条件下制备羧甲基壳聚糖水凝胶，冻干处理；与此同时将吡咯单体电化学合成聚吡咯并加入掺杂剂进行改性，将改性的聚吡咯进行球磨粉碎得到改性的聚吡咯颗粒，使其颗粒尺寸与羧甲基壳聚糖水凝胶孔隙的孔径相匹配；随后将神经生长因子融入水中，加入改性的聚吡咯颗粒，搅拌分散均匀，放入羧甲基壳聚糖水凝胶，使溶液完全吸收，再加入水，震荡，充分溶胀平衡，即得到聚吡咯生物导电水凝胶。
3.按权利要求1所述的聚吡咯生物导电水凝胶的制备方法，其特征在于所述的羧甲基壳聚糖水凝胶的制备方法是：将交联剂1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺加入到二甲基亚砜中，搅拌溶解，再将其加入到羧甲基壳聚糖的水溶液中，进行反应，即得羧甲基壳聚糖水凝胶。
4.按权利要求1所述的聚吡咯生物导电水凝胶的制备方法，其特征在于所述的改性的聚吡咯的制备方法是：将掺杂剂对甲基苯磺酸钠加入去离子水中，溶解后，再加入吡咯单体，震荡分散均匀，配置成为电解液，运用循环伏安法电化学合成得到改性的聚吡咯。
5.按权利要求1所述的聚吡咯生物导电水凝胶的制备方法，其特征在于所述的聚吡咯生物导电水凝胶的基质组分含量为：神经生长因子6％-10％，改性的聚吡咯颗粒12％-18％，羧甲基壳聚糖水凝胶冻干物74％-80％，以重量比计；聚吡咯生物导电水凝胶的基质与去离子水的用量比为1：80-120。
6.按权利要求1所述的聚吡咯生物导电水凝胶的制备方法，其特征在于所述的粉碎后的改性的聚吡咯颗粒的粒径为50-80μm，制得的羧甲基壳聚糖水凝胶孔隙的孔径为80-200μm。
7.权利要求1所述的聚吡咯生物导电水凝胶作为注射的药物载体的应用。
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