CN108623729A - 基于超支化聚合物的水凝胶及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开基于超支化聚合物的水凝胶及其应用，将利用逆向增强原子转移自由基聚合方法得到的超支化聚乙二醇二丙烯酸酯作为前驱体，以2,2‑二甲氧基‑苯基苯乙酮为紫外光引发剂，水为溶剂，在紫外灯照射下引发前驱体中碳碳双键进行交联为水凝胶材料。超支化聚合物以聚乙二醇二丙烯酸酯为单体进行均聚，利用逆向增强原子转移自由基聚合方法聚合聚乙二醇二丙烯酸酯，在反应的初始阶段，聚合物体系中主要存在的单体与引发剂的单加成物及低聚物，随着反应的进行，聚合物分布逐渐变宽。制备的水凝胶材料具有较高的储存模量、较强的组织粘附能力、易降解及良好的生物相容性，有望作为新型材料而用于创伤敷料、组织粘合剂及生物工程中。

Description

基于超支化聚合物的水凝胶及其应用
技术领域
本发明属于新型生物医用材料领域，主要涉及基于超支化聚合物的水凝胶及其应用。
背景技术
创伤敷料是治疗急性和慢性创伤的主要方式。近几十年中，根据不同的创伤情况研究发明了多种特殊的创伤敷料。其中作为新型创伤敷料中的一种，水凝胶创伤敷料因表面光滑、生物相容性好、与不平整创面结合紧密、促进了上皮细胞生长等优点而得到了广泛使用。但目前广泛使用的合成水凝胶敷料普遍存在着伤口组织粘合能力差、力学性能与伤口组织不匹配以及生物毒性较大等问题。研究发现，通过控制合成水凝胶的所用聚合物的成分、结构、聚合度等可实现改善合成水凝胶创伤敷料的性能。在控制聚合物结构与性能方面，多乙烯基单体由于其方便易得、且其具有多重反应位点而备受关注。特别是多乙烯基单体衍生的聚合物具有大量的未反应乙烯基团，可进一步改性获得预设官能团、优化生物相容性及生物粘附性等，为其在水凝胶敷料的应用提供了可能。
但多烯烃单体的聚合一直是高分子领域面临的的一大挑战，早在70多年前，著名的Flory-Stockmayer理论(F-S理论)预测：多乙烯基单体的聚合会在极低的单体转化率(<10％)下达到凝胶点形成凝胶，且该理论已被广泛的实验证实。但由于多乙烯基单体的多反应位点，控制多乙烯基单体的聚合过程不仅可延迟凝胶点，甚至可得到新颖复杂结构的聚合物。多乙烯基单体合成的聚合物具有特殊的环化结构且较高含量的乙烯基而使得其经改性后可得到广泛应用。而目前关于多乙烯基单体均聚制备水凝胶材料的报道仍较少。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供基于超支化聚合物的水凝胶及其应用，通过逆向增强原子转移自由基聚合方法(in situ DE-ATRP)均聚聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA700)合成了超支化聚合物poly(PEGDA700)HP,并将其水溶液制备成水凝胶创伤敷料。制备的水凝胶材料具有较高的储存模量G'、较强的组织粘附能力、易降解及良好的生物相容性，有望作为新型材料而用于创伤敷料、组织粘合剂及生物工程中。
本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：
超支化聚合物，以聚乙二醇二丙烯酸酯为单体进行均聚，利用逆向增强原子转移自由基聚合方法聚合聚乙二醇二丙烯酸酯，在反应的初始阶段，聚合物体系中主要存在的单体与引发剂的单加成物及低聚物，随着反应的进行，聚合物分布逐渐变宽，此时发生的主要是低分子量寡聚物的交联反应，由于此时绝大部分的单体已被耗尽，所以更易发生分子间的支化反应而非线性增长，最终得到具有高支化度的超支化聚合物。
聚乙二醇二丙烯酸酯的数均分子量为700。
超支化聚合物的重均分子量为10KDa—40KDa，PDI为1.65-4.13。
超支化聚合物的乙烯基含量为28—35％。
超支化聚合物的支化度为66—72％。
超支化聚合物的马克-霍温克公式常数为0.36—0.4。
超支化聚合物结构致密，呈现出类似于直径为5.367±1.2nm的球形结构。
超支化聚合物的制备方法，将聚乙二醇二丙烯酸酯、2-溴-2-甲基丙酸乙酯、CuCl2和N,N,N′,N″,N″-五甲基二乙烯三胺按照摩尔比80：40：(1—1.2)：(1.8—2)置于丁酮中均匀分散，并加入氯化铜摩尔数一半的L-抗坏血酸，在除氧条件下进行反应，利用逆向增强原子转移自由基聚合方法聚合聚乙二醇二丙烯酸酯，在反应的初始阶段，聚合物体系中主要存在的单体与引发剂的单加成物及低聚物，随着反应的进行，聚合物分布逐渐变宽，此时发生的主要是低分子量寡聚物的交联反应，由于此时绝大部分的单体已被耗尽，所以更易发生分子间的支化反应而非线性增长，最终得到具有高支化度的超支化聚合物。
在进行超支化聚合物的制备时，反应温度为50—70摄氏度，优选50—60摄氏度；反应时间为0.5—4.5小时，优选1—3小时。
基于超支化聚合物的水凝胶，将利用逆向增强原子转移自由基聚合方法得到的超支化聚乙二醇二丙烯酸酯作为前驱体，以2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮为紫外光引发剂，水为溶剂，在紫外灯照射下引发前驱体中碳碳双键进行交联为水凝胶材料。
前驱体和光引发剂的质量比为100：(1—1.2)。
前驱体的浓度为10—30wt％，即前驱体质量(mg)/水的体积(μL)。
紫外灯照射强度为1—2W/cm2，优选1.5—1.7W/cm2。紫外灯照射时间为10—20s。
交联温度为室温20—25摄氏度。
本发明技术方案利用逆向增强原子转移自由基聚合方法(in situ DE-ATRP)聚合聚乙二醇二丙烯酸酯PEGDA700合成了超支化聚合物poly(PEGDA700)HP，并通过光交联将其固化为水凝胶材料。为了将水凝胶材料用于创伤敷料，通过流变仪表征了其力学性能，Lap-shear、Pull-off及Burst测试等手段评价其组织粘附性能，溶胀、降解及细胞毒性实验进一步表征水凝胶材料的生物相容性。制备的水凝胶材料具有较高的储存模量G'、较强的组织粘附能力、易降解及良好的生物相容性，有望作为新型材料而用于创伤敷料、组织粘合剂及生物工程中。
附图说明
图1是ATRP的聚合原理示意图。
图2是本发明中利用逆向增强原子转移自由基聚合方法制备的超支化聚合物的方法示意
图3是本发明实施例中凝胶渗透色谱测试图(超支化聚合物分子量随时间变化图，横坐标为GPC保留时间)。
图4是本发明实施例中不同分子量超支化聚合物的核磁共振氢谱测试谱图。
图5是本发明实施例中不同分子量的超支化聚合物的马克-霍温克公式常数α测试结果示意图。
图6是本发明实施例的激光粒径分布测试(LPSD)结果图，横坐标为尺寸大小，纵坐标为百分含量。
图7是本发明实施例中不同分子量的超支化聚合物流变测试曲线图，其中a为震荡-时间光交联，b为震荡-频率模式。
图8是本发明实施例中不同分子量且浓度为30％的超支化水凝胶材料的溶胀性能测试曲线图。
图9是本发明实施例中浓度为30％的不同分子量的超支化水凝胶材料的降解性能测试曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案，实验原料和仪器详见下表。
实验原料
实验仪器
本发明中采用的是逆向增强原子转移自由基聚合方法(in situ DE-ATRP)，其基于ATRP的基础。ATRP的聚合原理如图1所示，其中M·为单体，Mn是n个单元组成的聚合链；Mnt为还原态过渡金属络合物；R-X为引发剂(卤代化合物)；Mn+1t为氧化态过渡金属络合物；R—M·，R—Mn·均为活性种，R—M—X，R—Mn—X均为休眠种。在引发阶段，处于低氧化态的CuX(X·为卤原子)和2,2′—联二吡啶(bpy络合物)从R—X中抢走卤原子生成初级自由基R·及CuX/bpy高氧化态络合物休眠种。活性种是由初级自由基引发单体生成的，它既能继续引发单体实现活性自由基聚合，又能从CuX/bpy高氧化态络合物上夺取卤原子而变成休眠种。在聚合时，同时进行着休眠种和活性自由基之间的可逆转换平衡，直到聚合物达到预定分子量。因为在此类反应中，包含了卤原子从卤化物到高氧化态金属络合物，然后再从高氧化态金属络合物到自由基的原子的可逆转移，且反应活性种为自由基，故将此类聚合反应称之为原子转移自由基聚合。in situ DE-ATRP聚合是通过外加二价铜离子浓度，增加ATRP中的脱活速率(逆向增强原子转移自由基聚合，DE-ATRP)，使得多乙烯基单体的均聚反应在动力学控制下进行。
利用逆向增强原子转移自由基聚合方法制备的超支化聚合物的方法如图2：
(1)依次准确称量聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA700,24mmol,16.80g)，丁酮(43.00mL)，CuCl2溶液(0.3mmol,40.34mg)，2-溴-2-甲基丙酸乙酯(EBriB,12mmol,1780.02μL)，N,N,N′,N″,N″-五甲基二乙烯三胺(PMDETA,0.6mmol,103.98μL)，加入100mL的两口圆底烧瓶中。其中PEGDA700:EBriB:CuCl2:PMDETA＝80:40:1:2。先后分别用清洗干净的橡胶塞和封口膜密封，通氩气15min以除氧。与此同时，将L-抗坏血酸(AA)配置为浓度为100mg/mL的水溶液，待除氧结束后使用。
(2)待除氧15min后，迅速打开圆底烧瓶的其中一个瓶口并取配置的AA溶液264.18μL(0.15mmol,1/2*CuCl2)加入反应体系中，再次密封，继续除氧1min左右。除氧结束后，将两口圆底烧瓶置于50℃，700r/min的油浴加热器中，开始反应并计时。
(3)在间隔相同的时间时，先通氩气，然后用清洗干净的5mL注射器置入液面以下，通过正压使样品流到注射器中。待样品量达2mL时，将注射器取出然后停止通氩气。将取得的样品置于20mL的一次性玻璃瓶中，并标记。用移液枪从中取100μL样品并用DMF(二甲基甲酰胺)稀释至1mL，充分混合均匀。选择小型氧化铝柱，并用DMF润湿，然后过滤稀释后的聚合物样品，除去其中的Cu。此时可观察到样品由浅蓝色变透明。之后用直径为0.4mm的滤头过滤样品，最后将样品放置于GPC测试小瓶中，并标记测试。
(4)通过GPC监测反应的进行，待分子量达到目的分子量时，将两口圆底烧瓶从油浴加热器中取出，并打开密封的瓶口，使其充分与空气接触。在清洗干净的1000mL的大烧杯中加入5-7倍反应原液体积的乙醚，设定转速为600r/min。在高速转动的条件下，将反应原液通过分液漏斗逐滴滴加至乙醚中并用锡纸将烧杯封口。待滴加结束后，继续搅拌30min左右，室温下静置5-7h。待混合液静置分层且上层液较为清澈透明时，将上层清液倒出。继续在高速搅拌的状态下加入3-5倍下层液体积的乙醚，在锡纸封口的状态下搅拌约30min，再次静置分层。如此反复两次后，下层的聚合物粘度逐渐增加并粘附在烧杯底部。
(5)选择中型的氧化铝柱，先依次加入少量的棉花及沙子，使其铺平。然后加入约3/5氧化铝柱高度的氧化铝粉末，制备氧化铝过滤柱。使用前用丙酮将其润湿。用少量的丙酮稀释沉淀后聚集在烧杯底部的聚合物，充分溶解后沿柱壁倒入氧化铝过滤柱中，用称量好质量的一次性玻璃瓶收集过滤后的清澈聚合物溶液。
(6)将过滤后收集到的所有产物都用锡纸封口并均匀的扎上小孔，然后放置于真空干燥箱，除去溶剂，得到透明的纯聚合物。然后称重，计算产率。
如图3的凝胶渗透色谱(GPC)测试结果可知，在反应的初始阶段，聚合物呈多个单峰分布，这表明聚合物体系中主要存在的单体与引发剂的单加成物及低聚物。随着反应的进行，聚合物分布逐渐变宽(PDI为1.65-4.13)，此时发生的主要是低分子量寡聚物的交联反应。由于此时绝大部分的单体已被耗尽，所以更易发生分子间的支化反应而非线性增长，最终得到了具有较高支化度的超支化聚合物。本发明中分别将分子量为10kDa、20kDa、40kDa的超支化聚合物命名为H1、H2、H3。
表1不同分子量的超支化聚合物的反应结果
图4是不同分子量超支化聚合物的核磁共振氢谱测试，可知聚合物中含有大量的乙烯基官能团，可计算出其乙烯基含量及支化度(Zhao T,Zhang H,Zhou D,et al.Watersoluble hyperbranched polymers from controlled radical homopolymerization ofPEG diacrylate[J].RSC Advances.2015,5(43):33823-33830)。聚合物中乙烯基的含量及支化度可以通过公式(1)与(2)来计算。
其中a、d和d’分别代表各自峰值(峰的大小，即峰面积)。由表1结果可知,超支化聚合物中乙烯基含量随着其分子量的增长而降低(H1:33.93％,H2:29.20％,H3:28.35％)，支化度随分子量的增长而增加(H1:66.07％,H2:70.80％,H3:71.65％)。这是由于当提高引发剂与单体比例时，反应初期形成了大量极短的初级链，高的聚合物浓度和低的聚合链直径促进了分子间反应而抑制了分子内环化反应的速率，即一个聚合物链上的乙烯基更易进入其他分子链的增长边界中，分子间互相交联并生成具有较高支化度及大量乙烯基官能团的超支化聚合物。
聚合物在溶剂中的构象与其马克-霍温克公式常数α有关。当α≤0.5时，聚合物呈现较为致密的结构。当0.5≤α≤0.8时，聚合物呈现无规线团构象；而聚合物线团越为伸展，α越接近0.8；聚合物呈刚性线团状时，1≤α。聚合物的α值可通过GPC三种检测器(差折光检测RI,粘度检测器VS和激光散射检测器LS)的联用来测得。由图5的测试结果可知，超支化聚合物的马克-霍温尔常数α为0.36-0.40,这表明形成的聚合物结构类似于球状。图6的激光粒径分布测试(LPSD)结果显示超支化聚合物的粒径为5.367±1.2nm。综上所述，采用insitu DE-ATRP聚合方法聚合聚乙二醇二丙烯酸酯合成具有较高支化度的超支化聚合物，且该聚合物结构致密，呈现出类似于直径为5.367±1.2nm的球形结构。
由1H-NMR测试结果可知，超支化聚合物中乙烯基官能团的含量较多且PEGDA是水溶性的，因此与光引发剂混合后在紫外灯照射下可快速交联为水凝胶材料并有望用作组织工程或生物粘合剂。通过流变性能、粘附性能、溶胀性能、降解性能及生物相容性测试可具体的表征该水凝胶材料的物理性能及生物性能。
分别以分子量不同的超支化聚合物为前驱体，2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮(Irgacure2959)为紫外光引发剂，水为溶剂，采用光引发自由基聚合反应制备了一系列不同浓度的水凝胶材料。具体制备方法如下：依照表2，将不同分子量的超支化聚合物配置为不同浓度的聚合物水溶液，置于一次性玻璃瓶中并充分溶解。由于Irgacure 2959在纯净水中的溶解性很差，故将其溶解于丙酮中，且配为质量浓度为5％的Irgacure 2959/丙酮溶液，在光交联前用移液枪取相应体积的溶液加入到聚合物水溶液中，迅速用涡旋仪震荡混匀。取适量体积的无色透明溶液置于相应容器内，放于UV灯下，在一定的光照条件下固化成水凝胶。
表2制备水凝胶材料的投料比
聚合物的流变性能及紫外引发固化成胶的研究可通过由压力控制的平板型(d＝8mm)AR2000流变仪来实现。在光交联流变性能的研究中，采用的是波长为320-390nm，光强度为100mW/cm2的Omnicure 1000型紫外灯。测试过程中，紫外光可穿过PMMA的底盘，所以聚合物可受到紫外光照直至成胶。本次测试在室温下光交联20s后，在频率为5Hz，应变为5％，高度为0.8mm的震荡-时间模式下进行测试。将配置好的聚合物混合溶液置于测试台上，进行1min的稳定测试，而后进行紫外光交联20s。待测试完成后，可在频率为0.1至100Hz的震荡-频率模式下进一步测试水凝胶材料的储存模量G'和损耗模量G"。
在震荡-时间测试模式下，聚合物水溶液的储存模量G'和损耗模量G"在前1min内无明显变化。紫外光照后，聚合物的G'开始急剧增加并远远大于G"，且10秒内G'与G"出现了交点，表明了水凝胶材料的形成。从图7(a)可知，交联后的水凝胶材料的模量比未交联聚合物的模量高了3个数量级，且达到恒定值而不随时间变化。这进一步表明了超支化聚合物可在20s内快速聚合并完全形成了水凝胶材料。此外，超支化聚合物的G'随分子量的增加而降低(H1:66kPa,H2:58kPa,H3:52kPa)，这是由于随着反应的进行，乙烯基含量随分子量的增加而降低，导致了交联密度的下降，表现为G'的降低。
超支化聚合物因具有致密的结构及较高的乙烯基含量，故其交联密度高而表现出具有较高的G'。在震荡-频率测试模式下，对水凝胶材料的稳定性进一步表征。如图7(b)所示，在0.01Hz到256Hz的测试频率条件下，超支化聚合物的模量在该频率范围内(0.01Hz-200Hz)一直保持稳定。进一步表明了超支化聚合物的结构较稳定，这是聚合物结构和交联密度共同作用的结果。
为了表征水凝胶材料的粘附性能，可通过Lap-shear,Pull-off,Burst测试分别从横向粘附、纵向粘附及耐冲击程度来进行力学粘附性能的表征。
Lap-shear测试
进行Lap-shear测试前需要准备测试样品。具体制备过程如下：
1)配置聚合物混合溶液：将不同结构、不同分子量的纯聚合物分别配置为不同浓度(10％,20％,30％,50％w/v)的聚合物水溶液；然后将紫外光引发剂Irgacure 2959配置成浓度为5％的丙酮溶液。按照聚合物与光引发剂的质量比为100:1的比例混合均匀。
2)粘附试样的制备：将预处理过的猪皮裁剪为长40mm，宽25mm，厚1mm的形状，用Superglue将其脂肪侧粘在长75mm，宽25mm，厚1mm的玻璃片上。然后用移液枪取200μL的聚合物混合溶液使其均匀的平铺在猪皮表皮上。再取同样大小的玻璃片使其轻轻覆盖在聚合物混合溶液上。在预设光强和时间条件下(强度：0.8,1.2,1.7W/cm2；时间：10s,15s,20s)，且紫外灯距上层玻璃片1cm处进行光交联固化。光交联结束后，样品在室温条件下放置2-3min后再进行Lap-shear测试。
3)Lap-shear测试：将制备好的测试样品，垂直方向上平行的置于测试机上。在2mm/min的恒定速度下进行拉伸，直至断裂。粘附强度为断裂前的最大值，每组测试重复3次。
Pull-off测试
进行Pull-off测试前需要准备测试样品。具体制备过程如下：
1)配置聚合物混合溶液：将不同结构、不同分子量的纯聚合物分别配置为不同浓度(10％,20％,30％,50％w/v)的聚合物水溶液；然后将紫外光引发剂Irgacure 2959配置成浓度为5％的丙酮溶液。按照聚合物与光引发剂的质量比为100:1的比例混合均匀。
2)粘附试样的制备：将预处理过的猪皮裁剪为直径25mm，厚1mm的圆片形，用Superglue将其脂肪侧粘在直径为25mm的铝片上。然后用移液枪取100μL的聚合物混合溶液使其均匀的平铺在猪皮表皮上。再用长75mm，宽25mm，厚1mm的玻璃片轻轻覆盖在聚合物混合溶液上。在预设光强和时间条件下(强度：1.7W/cm2；时间：20s)，且紫外灯距上层玻璃片1cm处进行光交联固化。待光交联结束后，用Superglue将相同大小的铝片站在玻璃片上。样品在室温条件下放置2-3min后再进行Pull-off测试。
3)Pull-off测试：将制备好的测试样品，水平方向上平行的置于测试机上。在2mm/min的恒定速度下进行拉伸，直至断裂。粘附强度为断裂前的最大值，每组测试重复3次。Burst测试
进行Burst测试前需要准备测试样品。具体制备过程如下：
1)配置聚合物混合溶液：将不同结构、不同分子量的纯聚合物分别配置为不同浓度(10％,20％,30％,50％w/v)的聚合物水溶液；然后将紫外光引发剂Irgacure 2959配置成浓度为5％的丙酮溶液。按照聚合物与光引发剂的质量比为100:1的比例混合均匀。
2)粘附试样的制备：将预处理过的猪皮裁剪为直径30mm，厚1mm的圆片形，用Superglue将其脂肪面固定在Burst测试泵的表面，并在猪皮的表面扎一个小孔，与泵上小孔位置平行，大小一致。打开水龙头，调节流速使得水能以水柱的形式喷出并记录此时的初始压力P0。关闭水龙头并除去猪皮表面的水。然后用移液枪取200μL的聚合物混合溶液使其均匀的平铺在猪皮表皮上。在预设光强和时间条件下(强度：1.7W/cm2；时间：20s)，且紫外灯距上层玻璃片1cm处进行光交联固化，使得水凝胶粘在猪皮上。待光交联结束后，于室温条件下放置2-3min后再进行Burst测试。
3)Burst测试：打开水龙头，在预设流速条件下进行测试，直至水凝胶破裂，水柱喷出，记录最大压力值Pt。则最大粘附强度为P＝Pt-P0，每组测试重复3次。
由Lap-shear，Pull-off,Burst测试结果可知(表3)，在1.7W/cm2，20s的光交联条件下，具有相同分子量的超支化水凝胶的粘附强度随聚合物浓度(10％,20％,30％)的增加而增加。当分子量为10kDa时，浓度为10％、20％、30％的超支化水凝胶的Lap-shear粘附强度分别为6.61kPa、10.25kPa、18.89kPa，Pull-off粘附强度分别为3.45kPa、6.26kPa、9.88kPa。分子量为K2、K3时，表现出相同的变化趋势。这是由于浓度越高的聚合物溶液中乙烯基含量越高，其交联密度也较高。
表3 1.7W/cm2,20s交联条件下超支化水凝胶材料的粘附性能测试
当聚合物浓度相同时，超支化水凝胶的粘附强度随聚合物分子量的增加而降低。浓度为30％时，分子量为10kDa、20kDa、40kDa的超支化水凝胶的Lap-shear粘附强度分别为18.89kPa、15.03kPa、9.75kPa，Pull-off粘附强度分别为5.39kPa、3.89kPa、2.97kPa，Burst粘附强度分别为0.395MPa、0.347MPa、0.294MPa。这是由于支化作用与分子间反应消耗了部分乙烯基，降低了交联密度，该结论与水凝胶流变性能测试的结果相同。综上所述，超支化水凝胶的Lap-shear强度最高可达18.89kPa，Pull-off强度可达9.88kPa，Burst强度可达0.395MPa。由此可知，该水凝胶具有较强粘附性能，有望用作创伤敷料。
聚合物水凝胶是由水和聚合物网络结构构成的，它可以吸收一定量的水分并溶胀为溶胀水凝胶。平衡状态的溶胀率可视为表征聚合物交联度的一个直接参数，因此可通过溶胀实验来表征聚合物的结构特征。溶胀率会随着交联度的不同而变化。
溶胀性能表征
水凝胶溶胀性能的测试可用称重法进行测定。具体过程如下：
1)水凝胶的制备：将不同结构、不同分子量的聚合物配置为浓度为30％的聚合物溶液，然后加入浓度为5％的光引发剂Irgacure 2959溶液，质量比为100:1。取50μL的混合物溶液置于已称重的玻璃片上，在强度为1.7W/cm2，时间为20s，高度为1cm的条件下进行光交联固化。待光交联结束后，立刻称重水凝胶，并记为初始重量W0，然后将其置于2mL的PBS缓冲液中，放在37℃的摇床中以缓慢的速度摇晃。
2)称重：定期的从PBS缓冲液中取出溶胀的水凝胶，轻轻擦去表面多余水分并称重，记为Wt。然后将水凝胶重新放回PBS缓冲液中。水凝胶的溶胀率(SR)可通过公式(3-1)计算：
SR＝(Wt-W0)/W0×100％ (公式3-1)
每种水凝胶取四个样品进行测试，求平均值，记为最终的溶胀率SR。
为了在生理条件下评价水凝胶的溶胀性能，测试时将制备好的水凝胶浸泡在PBS缓冲液的24孔板中，并置于37℃的摇床中。溶胀率通过一定时间内水凝胶材料重量变化来计算。溶胀测试结果如图8所示，超支化水凝胶在初期阶段溶胀较快并在15天左右时候达到平衡状态。当聚合物分子量分别为10kDa、20kDa、40kDa时，超支化水凝胶平衡时的溶胀率分别为31.62％、35.22％、37.48％。这是由于超支化聚合物中因支化度较高而具有致密的支化结构。水分子很难进入分子间且使得分子链得到扩展，因此溶胀率较低。
一般来说，对于大多数组织工程所应用的理想生物材料应具有可调节、较稳定的降解性能。聚合物在氧化反应、辐射、热分解或水解作用下，其主链或侧链发生断裂而引起聚合物的降解。其中，聚合物因水解作用而发生的降解可认为是聚合物中的主链，低聚物或单体间在水解作用下发生了化学键的断裂。
降解性能表征
水凝胶降解性能的测试可用称重法进行测定。具体过程如下：
1)水凝胶的制备：将不同结构、不同分子量的聚合物配置为浓度为30％的聚合物溶液，然后加入浓度为5％的光引发剂Irgacure 2959溶液，质量比为100:1。取50μL的混合物溶液置于已称重的玻璃片上，在强度为1.7W/cm2，时间为20s，高度为1cm的条件下进行光交联固化。待光交联结束后，将其置于2mL的PBS缓冲液中，放在37℃的摇床中以缓慢的速度摇晃。取其中的一组(4个)水凝胶，将其冷冻干燥，达到恒重时称重，记为初始重量W0。
2)称重：定期的从PBS缓冲液中取出水凝胶，经冷冻干燥处理达恒重时，记录重量Wt。水凝胶降解后残余质量百分数率可通过公式(3-2)计算：
Massloss＝(W0-Wt)/Wt×100％ (公式3-2)
每种水凝胶取四个样品进行测试，求平均值，记为最终的残余质量百分数。
因聚合物中存在酯基官能团，当浸泡在PBS缓冲液中后会因水解作用而发生降解，实验结果如图9所示。超支化水凝胶表现出较大的降解行为，这是聚合物是由很多含有较短PEG链在支化反应下而构成的，降解反应主要发生在较短侧链中酯基的断裂，最终聚合物降解为分子量较小的寡聚物。当聚合物分子量不同时，其降解行为也有所变化。当聚合物分子量分别为10kDa,20kDa,40kDa时聚合物降解后剩余聚合物质量分数为43.19％、48.74％、52.96％。这种变化趋势的主要原因随着聚合物分子量的增加，聚合物形成的结构相对于分子量较小的聚合物来说更为致密，水解作用相对减弱，降解能力降低，剩余聚合物的质量分数相对增加。综上所述，易降解的超支化聚合物可能适合用于短期愈合的创伤敷料或组织粘合剂。
为了表征水凝胶材料的生物相容性，可通过纤维母细胞(Fibroblast)代谢活动在标准的条件下来测试。在标准细胞培养条件下培养小鼠3T3成纤维细胞24h后，放入光交联制备的水凝胶材料。继续培养24小时后，取出水凝胶材料并用方法来测试其细胞毒性。
测试结果如表4所示，水凝胶材料的细胞毒性因聚合物分子量的不同而不同。当聚合物分子量变化时，水凝胶材料的细胞毒性随聚合物分子量的增加而降低。如分子量为10kDa、20kDa、40kDa的超支化水凝胶的细胞存活率分别为82.6％,83.9％,86.9％。虽然超支化聚合物中乙烯基含量较高，但有一部分被包埋在支化结构中，因此超支化结构水凝胶具有较低的细胞毒性。
图4浓度为30％的不同分子量的超支化水凝胶材料的细胞毒性测试
本专利通过逆向增强的原子转移自由基聚合(in situ DE-ATRP)均聚PEGDA700单体得到超支化聚合物poly(PEGDA700)HP。其超支化结构的形成依赖于动力学控制的聚合反应，其分子间反应被促进，分子内环化反应被抑制。聚合物的表征证明超支化聚合物的α小于0.5，其结构类似于球状。通过紫外光交联可将聚合物水溶液固化来制备水凝胶材料。通过紫外光-流变联合测试可知，超支化聚合物可快速成(<20s)且高度支化结构及大量乙烯基使其具有较高的储存模量G'。通过Lap-shear、Pull-off及Burst测试评价水凝胶材料的组织粘附性能发现，超支化水凝胶具有较高的粘附强度。此外，超支化水凝胶具有较低的溶胀性能与易降解性能。通过细胞毒性测试可知，超支化水凝胶具有较好的细胞相容性。综上所述，超支化聚合物制备的水凝胶材料因具有较高的模量、稳定的结构、优异的粘附强度、适中的溶胀和降解性能、较好的生物相容性而成为一种潜在的组织工粘合剂。即本发明中的超支化聚合物和基于超支化聚合物的水凝胶在作为创伤敷料或组织粘合剂中的应用。
根据本发明内容记载工艺参数进行调整，均可制备本发明的超支化聚合物和基于超支化聚合物的水凝胶，表现出与实施例基本一致的性能。以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.基于超支化聚合物的水凝胶，其特征在于，将利用逆向增强原子转移自由基聚合方法得到的超支化聚乙二醇二丙烯酸酯作为前驱体，以2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮为紫外光引发剂，水为溶剂，在紫外灯照射下引发前驱体中碳碳双键进行交联为水凝胶材料；其中超支化聚合物以聚乙二醇二丙烯酸酯为单体进行均聚，利用逆向增强原子转移自由基聚合方法聚合聚乙二醇二丙烯酸酯，在反应的初始阶段，聚合物体系中主要存在的单体与引发剂的单加成物及低聚物，随着反应的进行，聚合物分布逐渐变宽，超支化聚合物的重均分子量为10KDa—40KDa，PDI为1.65-4.13。
2.根据权利要求1所述的基于超支化聚合物的水凝胶，其特征在于，前驱体和光引发剂的质量比为100：(1—1.2)。
3.根据权利要求1所述的基于超支化聚合物的水凝胶，其特征在于，前驱体的浓度为10—30wt％。
4.根据权利要求1所述的基于超支化聚合物的水凝胶，其特征在于，紫外灯照射强度为1—2W/cm2，优选1.5—1.7W/cm2，紫外灯照射时间为10—20s。
5.根据权利要求1所述的基于超支化聚合物的水凝胶，其特征在于，交联温度为室温20—25摄氏度。
6.根据权利要求1所述的基于超支化聚合物的水凝胶，其特征在于，聚乙二醇二丙烯酸酯的数均分子量为700。
7.根据权利要求1所述的基于超支化聚合物的水凝胶，其特征在于，超支化聚合物的乙烯基含量为28—35％，支化度为66—72％。
8.根据权利要求1所述的基于超支化聚合物的水凝胶，其特征在于，超支化聚合物的马克-霍温克公式常数为0.36—0.4。
9.如权利要求1—8之一所述的基于超支化聚合物的水凝胶在制备创伤敷料中的应用。
10.如权利要求1—8之一所述的基于超支化聚合物的水凝胶在制备组织粘合剂中的应用。
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