CN108744048A - 一种可实现自卷曲的双层水凝胶及其制备方法和应用 - Google Patents

一种可实现自卷曲的双层水凝胶及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可实现自卷曲的双层水凝胶，所述双层水凝胶呈卷曲管状结构状，由内层胶和外层胶弯曲叠合而成，所述外层胶由改性γ‑PGA或改性明胶和改性γ‑PGA的混合物制备而成，所述内层胶由改性明胶制备而成。本发明还公开了所述双层水凝胶的制备方法及应用。通过向甲基丙烯酸改性的明胶溶液中引入甲基丙烯酸缩水甘油酯改性的γ‑PGA溶液，使得整体吸水性增强，光交联成胶形成活性层，再在其表面结合一层改性明胶惰性层，构建出双层水凝胶体系，整个体系在水性介质条件下虽然活性层具有良好的吸水性，但是由于惰性层的存在抑制了活性层的膨胀，导致整个体系产生自卷曲形成多层管状结构，对组织工程血管支架材料的设计与制备具有重要指导意义和参考价值。

Description

一种可实现自卷曲的双层水凝胶及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于组织工程材料领域，具体涉及一种可实现自卷曲的双层水凝胶及其制备方法和应用。
背景技术
由于意外交通事故或者在战争冲突中所导致的血管创伤屡见不鲜，血管功能及结构异常导致的血管病理性改变也是心脑血管疾病、肺动脉高压、脏器损伤等多种重大慢性疾病的共同病理学基础，严重的患者需要进行心脏移植或血管切除并以血管替代品—人工血管予以代替，而目前临床上有效的治疗方式动脉搭桥术严重依赖自体血管移植，并且易诱发一些列并发症，难以获得满意的远期临床效果。
组织工程研究的不断进步为血管损伤的治疗提供了一种新方法。通过对组织工程化血管支架材料的探索，找到为新生血管细胞的生长提供支持和三维空间的优良生物相容性材料，构建出生理特性与天然血管类似的结构，再移植到血管损伤的部位进行修复治疗，能有效解决目前治疗血管疾病所面临的难题。
理想的组织工程血管支架应具有良好的生物组织相容性，可控的生物降解率，良好的多孔结构，易于种子细胞的种植，迁移和生物信号分子的传递并为种子细胞增殖、分化、分泌细胞因子和合成细胞外基质提供良好的生物微环境，水凝胶类材料是一种具有高度吸水性和保水性，质感柔软的具有三维网络体系的聚合物，这些特性充分满足了特异型细胞分化迁移等生命活动所需要的微环境，最重要的是水凝胶能够模拟人体内细胞所处环境状态，因而水凝胶成为了人工血管构建常应用的材料。
当前水凝胶的制备方法多种多样，物理因素、化学因素和生物因素等都能成功诱导水凝胶的形成。然而，如何使得水凝胶形成多层管状结构，模拟天然血管构造，还存在许多挑战。
因此，选取具有良好生物相容性的原料构建多层管状结构，是实现人工仿生血管构建的关键。
发明内容
针对现有制备技术的局限性，本发明提供了一种可实现自卷曲的双层水凝胶及其制备方法，该方法以甲基丙烯酸改性的明胶和甲基丙烯酸缩水甘油酯改性的γ-PGA为原料，采用紫外光交联方法制备出明胶/γ-PGA双层水凝胶，制得的水凝胶能够在水性介质条件下快速自卷曲成多层管状结构，并具有一定的稳定性，具有应用于组织工程化人工血管构建的潜能。
为实现上述发明目的，具体提供了如下所述的技术方案：
1、一种可实现自卷曲的双层水凝胶，所述双层水凝胶呈卷曲管状结构状，由内层胶和外层胶弯曲叠合而成，所述外层胶由改性γ-PGA或改性明胶和改性γ-PGA的混合物制备而成，所述内层胶由改性明胶制备而成。
进一步，所述改性明胶为使用甲基丙烯酸进行改性的明胶，所述改性γ-PGA为使用甲基丙烯酸缩水甘油酯改性的γ-PGA。
2、一种可实现自卷曲的双层水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
1)将改性明胶、改性的γ-PGA分别用光引发剂溶液溶解，并分别标记为溶液A和溶液B；
2)将溶液A和溶液B按比例混合并在20～37℃温度条件下微震荡形成均匀预聚物溶液，移取预聚物溶液至模具中并进行紫外光交联得外层胶；或者直接移取溶液B至模具中并进行紫外光交联得外层胶；
3)进一步在外层胶上表面加入溶液A继续紫外光交联得双层水凝胶，取出双层水凝胶置于二次去离子水中得自卷曲的双层水凝胶。
进一步，步骤1)所述光引发剂为2-羟基-4′-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮、苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐中的一种或几种。
进一步，步骤1)所述光引发剂溶液的质量浓度为0.005g/mL，所述溶液A和溶液B的质量浓度均为0.08g/mL。
进一步，步骤2)所述溶液A和溶液B的混合体积比例为0～7:3～10。
进一步，步骤2)所述紫外光交联的方式为选取预聚物溶液或溶液B表面均匀对称的两个点光交联，步骤3)所述紫外光交联的方式为选取溶液A表面均匀对称的两个点光交联。
进一步，步骤2)及步骤3)所述紫外点光源探头与溶液上表面的距离为3.5厘米，所述紫外光光源波长：320-480nm，紫外点光源功率：7.0mW/cm2。
3、一种可实现自卷曲的双层在水凝胶组织工程血管支架材料的应用。
本发明的有益效果在于：通过向甲基丙烯酸改性的明胶溶液中引入甲基丙烯酸缩水甘油酯改性的γ-PGA溶液，使得整体吸水性增强，光交联成胶形成活性层，再在其表面结合一层改性明胶惰性层，构建出双层水凝胶体系，整个体系在水性介质条件下虽然活性层具有良好的吸水性，但是由于惰性层的存在抑制了活性层的膨胀，导致整个体系产生自卷曲形成多层管状结构，对组织工程血管支架材料的设计与制备具有重要指导意义和参考价值。
附图说明
图1为根据本发明实例1制备的明胶/γ-PGA双层水凝胶在卷曲前以及在二次去离子水中卷曲后的图片；
图2为根据本发明实例2制备的明胶/γ-PGA双层水凝胶在卷曲前以及在二次去离子水中卷曲后的图片。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明进行更加详细的阐述。
以下实施例所使用的改性γ-PGA为使用甲基丙烯酸缩水甘油酯改性的γ-PGA，具体步骤为：称取1gγ-PGA溶解于10mL二次去离子水中，用磁力搅拌器匀速搅拌溶解后，再加入50mg 4-二甲氨基吡啶，在一定转速下搅拌反应1h，最后再缓慢滴加1mL甲基丙烯酸缩水甘油酯，在室温下搅拌反应96h，将反应好的溶液倒入截留分子量为8000-12000D的透析袋中，用去离子水在常温下透析5天，每天更换6次去离子水，透析完成后将所得的改性γ-PGA溶液放入-80℃的超低温冰箱中冻结，之后再进行冷冻干燥处理24h，最终得到具有紫外光敏感性的改性γ-PGA。
以下实施例所使用的改性明胶为使用甲基丙烯酸进行改性的明胶，具体步骤为：称取5gA型明胶溶解于50mLPBS中，用恒温磁力搅拌器在50℃下匀速搅拌，溶解完全后，缓慢滴入5mL的甲基丙烯酸溶液。滴加完成之后保持一定转速在50℃下反应3小时，最后加入100mL PBS溶液稀释，将稀释好的溶液放入到截留分子量为8000-12000D的透析袋中，用去离子水在60℃下透析7天，每天更换5次去离子水，透析完成后将所得的明胶溶液冷冻干燥处理，最终得到具有紫外光敏感性的改性明胶。
以下实施例所使用紫外点光源探头与溶液上表面的距离为3.5厘米，所述紫外光光源波长：320-480nm，紫外点光源功率：7.0mW/cm2。
所使用模具为长度2.5厘米，宽度2厘米，高度1厘米的长方体形硅胶模具。
实施例1
1、一种可实现自卷曲的双层水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
1)用PBS溶液溶解光引发剂形成质量浓度为0.005g/ml的光引发剂2-羟基-4′-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮溶液，再用光引发剂溶液分别溶解改性明胶和改性γ-PGA，所得的两种溶液的质量浓度均为0.008g/ml，最后按照改性明胶溶液︰改性γ-PGA溶液体积比为7︰3在常温下震荡混匀形成预聚物溶液；
2)吸取150μL的预聚物溶液于硅胶模具中，轻摇，使其均匀铺平；
3)选取模具溶液均匀对称的两个点分别光交联30s，得到外层凝胶，再在模具内凝胶的上表面加入150μL的质量浓度为0.008g/ml的改性明胶溶液，轻摇，使其均匀铺平后，再选取均匀对称的两个点分别光交联30s，制得双层水凝胶材料。
进一步将得到的双层水凝胶放在二次去离子水，发现自卷曲在110s之内完成，并且15min内保持卷曲形态基本不变，图1为根据本发明实施例1制备的明胶/γ-PGA双层水凝胶在卷曲前以及在二次去离子水中卷曲后的图片。
实施例2
1、一种可实现自卷曲的双层水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
1)用PBS溶液溶解光引发剂形成质量浓度为0.005g/ml的光引发剂2-羟基-4′-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮溶液，再用光引发剂溶液分别溶解改性明胶和改性γ-PGA，所得的两种溶液质量浓度均为0.008g/ml；
2)吸取150μL的质量浓度为0.008g/ml的改性γ-PGA溶液于硅胶模具中，轻摇，使其均匀铺平；
3)选取模具溶液均匀对称的两个点分别光交联30s，再在模具内凝胶的上表面加入150μL的质量浓度均为0.008g/ml的改性明胶溶液，轻摇，使其均匀铺平后，再选取均匀对称的两个点分别光交联30s，制得明胶/γ-PGA双层水凝胶材料。
按照实施例1所述的检测方式，对实施例2所得样品进行检测，发现双层水凝胶自卷曲在10s内完成，同样地也能保持在15min内自卷曲形态不变，图2为根据本发明实施例2制备的明胶/γ-PGA双层水凝胶在卷曲前以及在二次去离子水中卷曲后的图片。
由以上实施例可论证，在改性明胶溶液引入改性γ-PGA溶液，可以提升原有明胶的溶胀性能，并且通过惰性层的引入，使整个体系能够成功地自卷曲成多层管状结构，模拟天然血管构造，为人工仿生血管的构建提供了可能。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (9)

1.一种可实现自卷曲的双层水凝胶，其特征在于，所述双层水凝胶呈卷曲管状结构状，由内层胶和外层胶弯曲叠合而成，所述外层胶由改性γ-PGA或改性明胶和改性γ-PGA的混合物制备而成，所述内层胶由改性明胶制备而成。
2.根据权利要求1所述一种可实现自卷曲的双层水凝胶，其特征在于，所述改性明胶为使用甲基丙烯酸进行改性的明胶，所述改性γ-PGA为使用甲基丙烯酸缩水甘油酯改性的γ-PGA。
3.一种可实现自卷曲的双层水凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将改性明胶、改性的γ-PGA分别用光引发剂溶液溶解，并分别标记为溶液A和溶液B；
2)将溶液A和溶液B按比例混合并在20～37℃温度条件下微震荡形成均匀预聚物溶液，移取预聚物溶液至模具中并进行紫外光交联得外层胶；或者直接移取溶液B至模具中并进行紫外光交联得外层胶；
3)进一步在外层胶上表面加入溶液A继续紫外光交联得双层水凝胶，取出双层水凝胶置于二次去离子水中得自卷曲的双层水凝胶。
4.根据权利要求3所述一种可实现自卷曲的双层水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤1)所述光引发剂为2-羟基-4′-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮、苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐中的一种或几种。
5.根据权利要求3所述一种可实现自卷曲的双层水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤1)所述光引发剂溶液的质量浓度为0.005g/mL，所述溶液A和溶液B的质量浓度均为0.08g/mL。
6.根据权利要求3所述一种可实现自卷曲的双层水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤2)所述溶液A和溶液B的混合体积比例为0～7:3～10。
7.根据权利要求3所述一种可实现自卷曲的双层水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤2)所述紫外光交联的方式为选取预聚物溶液或溶液B表面均匀对称的两个点光交联，步骤3)所述紫外光交联的方式为选取溶液A表面均匀对称的两个点光交联。
8.根据权利要求3所述一种可实现自卷曲的双层水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤2)及步骤3)所述紫外光点光源探头与溶液上表面的距离为3.5厘米，所述紫外光光源波长：320-480nm，紫外点光源功率：7.0mW/cm2。
9.一种可实现自卷曲的双层水凝胶在组织工程血管支架材料领域的应用。
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