CN109627460B - 一种用作组织修复的全降解导电水凝胶的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用作组织修复的全降解导电水凝胶的制备方法，属于生物材料技术领域。本发明首先通过液相还原法制得多巴胺分散的纳米零价铁，再将纳米零价铁加入含羰基的天然生物大分子溶液与壳聚糖溶液均匀混合，通过席夫碱反应得到用作组织修复的全降解导电水凝胶。本发明制备出的全降解导电水凝胶基体材料都是天然高分子，通过席夫碱反应聚合水凝胶也避免了传统交联剂对生物体产生的毒性，微量纳米零价铁颗粒也是人体所需的元素，同时也可排出体外，因此具有生物全降解的优势;且可以通过电场的作用影响多种细胞的粘附、迁移、增殖、DNA合成，促进损伤组织愈合，以达到组织修复的目的。

Description

一种用作组织修复的全降解导电水凝胶的制备方法
技术领域
本发明涉及生物材料技术领域，具体涉及一种用作组织修复的全降解导电水凝胶的制备方法。
背景技术
生物组织受损后自身修复能力有限，这使得组织受损的治疗成为一大医学难题；电刺激对细胞行为具有重要的调节作用，可以影响多种细胞的黏附、迁移、增殖、DNA合成、蛋白分泌等生理活动；通过对人体施加一定的电刺激可以促进损伤的各种组织愈合，包括血管、肌腱、皮肤、骨、神经等的再生和修复。
目前生物医学工程领域普遍应用的导电高分子材料有聚苯胺、聚吡咯以及其衍生物；聚苯胺和聚吡咯在生物电极涂层和组织工程材料等的应用中具有很大的局限性；这是因为聚苯胺在使用中存在一定的生物毒性，聚吡咯在长期使用中容易发生过氧化而失去导电性，且都不在生物体内降解。
因为纳米零价铁具有全降解导电的功能，因此选其作为掺杂水凝胶的纳米材料用作组织修复，在实际应用中纳米零价铁材料仍然存在一些问题需要解决：纳米铁由于活性高且粒径小，极易团聚形成微米或者毫米级颗粒影响活性；纳米铁材料稳定性差，在环境中易氧化甚至自燃，需要苛刻的操作条件；这些因素对纳米铁材料的制备和使用提出了严峻的挑战；所以传统导电修复材料往往不具备生物可降解性，且纳米零价铁的分散性和稳定性也限制了其应用。
发明内容
本发明具有生物全降解性、生物相容性和自愈性高的用作组织修复的全降解导电水凝胶的制备方法。
本发明采用的技术方案是：一种用作组织修复的全降解导电水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在铁离子溶液中加入占铁离子重量5 %～30 %多巴胺分散，通过液相还原法制备多巴胺分散的纳米零价铁颗粒；
步骤2：制备带有羟基的生物大分子；
步骤3：将步骤1得到的纳米零价铁颗粒和步骤2得到的生物大分子，分散到壳聚糖溶液中，其中纳米零价铁颗粒占壳聚糖溶液中壳聚糖质量的20～200%，生物大分子占壳聚糖溶液中壳聚糖质量的50～200 %；通过席夫碱反应生成所需要的水凝胶。
进一步的，所述步骤1中的铁离子为二价铁离子和三价铁离子中的一种。
进一步的，所述步骤2中的带有羟基的生物大分子为氧化海藻酸钠、羟基封端的聚乙二醇和二苯甲醛封端的聚乙二醇中的一种。
进一步的，所述步骤1具体过程如下：
S1：在2 mg/ml～10 mg/ml FeSO4·7H2O溶液中加入多巴胺，形成混合溶液；
S2：向步骤S1中的混合溶液中持续通入高纯氮气，充分混合均匀；
S3：向步骤S2中的混合溶液中滴加还原剂溶液，充分反应后得到黑色的多巴胺分散纳米零价铁颗粒。
进一步的，所述步骤S3中的还原剂溶液为硼氢化钠溶液和硼氢化钾溶液中的一种。
进一步的，所述步骤S3中的反应温度20℃，反应时间为20~90分钟。
进一步的，所述步骤S3中还原液滴加速度为2滴每秒。
本发明的有益效果是：
（1）本发明制备得到的水凝胶基体材料为天然高分子，可全降解；并且避免了传统交联剂对生物体产生的毒性；
（2）本发明中多巴胺中的氨基和酚羟基对纳米铁的表面起到了钝化作用，有效防止纳米零价铁的迅速氧化；
（3）本发明多巴胺与铁离子之间形成大量的螯合键，紧密的包裹在铁离子周围，从而可以调控纳米零价铁的粒径大小。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
一种用作组织修复的全降解导电水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在2 mg～10 mg/ml铁离子溶液中加入占铁离子重量5 %～30 %多巴胺分散后，通过液相还原法制备多巴胺分散的纳米零价铁颗粒；
具体过程如下：
S1：将一定体积2 mg～50 mg/ml的FeSO4·7H2O溶液加入500ml三口烧瓶；向其中加入占铁离子重量5 %～30 %多巴胺，形成混合溶液；
S2：向步骤S1中的混合溶液中通入高纯氮气30 min，除去体系中的氧；并在整个合成过程中持续向体系中通入氮气保持无氧环境；然后搅拌10 min使之充分混合均匀；
S3：开启电动搅拌器，同时将配置的还原剂溶液从恒压漏斗中逐滴加入到三口烧瓶中；滴速控制在2滴每秒；在20℃下反应20~90 min，生成黑色的多巴胺分散的纳米零价铁颗粒。
还原剂溶液为硼氢化钠溶液和硼氢化钾溶液中的一种；反应结束后，用磁选法分离出纳米铁粒子，再用脱氧去离子水洗涤三次，每次用水100 ml，得到多巴胺分散的零价纳米铁颗粒。
步骤2：制备带有羟基的生物大分子；带有羟基的生物大分子为氧化海藻酸钠、羟基封端的聚乙二醇和二苯甲醛封端的聚乙二醇中的一种。
步骤3：将步骤1得到的纳米零价铁颗粒和步骤2得到的生物大分子，分散到10 mg～40 mg/ml壳聚糖溶液中，其中步骤1得到的纳米零价铁颗粒为壳聚糖重量的20～200 %，步骤2得到的生物大分子为壳聚糖重量的50～200 %；直接通过席夫碱反应生成所需要的水凝胶。实施例1
步骤1：室温条件下，将100 ml的30 mg/ml的FeSO4·7H2O溶液加入500ml三口烧瓶；向其中加入0.03 g多巴胺，形成混合溶液；向混合溶液中通入高纯氮气30 min，除去体系中的氧；并在整个合成过程中持续向体系中通入氮气保持无氧环境；然后搅拌10 min使之充分混合均匀；开启电动搅拌器，同时将配置的100 ml含0.29 g NaBH4水溶液从恒压漏斗中逐滴加入到三口烧瓶中；滴速控制在2滴每秒；在20℃下反应60 min，生成黑色的多巴胺分散的纳米零价铁颗粒；反应结束后，用磁选法分离出纳米铁粒子，再用脱氧去离子水洗涤三次，每次用水100ml，得到多巴胺分散的纳米零价铁颗粒。
步骤2：将10 g海藻酸钠溶解在50 ml的乙醇中，同时将与海藻酸钠等摩尔质量的高碘酸钠溶解在50 ml蒸馏水中，将高碘酸钠溶液倒入海藻酸钠溶液中；避光搅拌6小时后，加入3 ml的乙二醇终止反应；搅拌两小时，加入500 ml乙醇析出沉淀，抽滤，得到白色粉末产物；随后将此粉末在透析袋中透析三天，及时更换蒸馏水，最后将透析袋中的溶液冷冻干燥，得到氧化海藻酸钠。
步骤3：将步骤1得到的纳米零价铁颗粒和步骤2得到的生物大分子，分散到20 mg/ml壳聚糖溶液中，其中步骤1得到的纳米零价铁颗粒为壳聚糖重量的50 %，步骤2得到的生物大分子为壳聚糖重量的100 %；直接通过席夫碱反应生成所需要的水凝胶。
实施例2
步骤1：室温条件下，将200 ml的20 mg/ml的FeSO4·7H2O溶液加入500 ml三口烧瓶；向其中加入0.1 g多巴胺，形成混合溶液；向混合溶液中通入高纯氮气30 min，除去体系中的氧；并在整个合成过程中持续向体系中通入氮气保持无氧环境；然后搅拌10 min使之充分混合均匀；开启电动搅拌器，同时将配置的100 ml含0.29 g NaBH4水溶液从恒压漏斗中逐滴加入到三口烧瓶中；滴速控制在2滴每秒；在20℃下反应20 min，生成黑色的多巴胺分散的纳米零价铁颗粒；反应结束后，用磁选法分离出纳米铁粒子，再用脱氧去离子水洗涤三次，每次用水100ml，得到多巴胺分散的纳米零价铁颗粒。
步骤2：将2 g甲醚聚乙二醇，0.66 g4-甲酰基苯甲酸和0.05 g4-二甲氨基吡咯溶于50 ml无水四氢呋喃中；再加入1.10 g二环己基碳二亚胺；通入氮气，将体系在20℃下搅拌20小时；过滤除去白色固体后，从四氢呋喃到乙醚中沉淀三次得到白色固体状聚合物，即羟基封端的聚乙二醇。
步骤3：将步骤1得到的纳米零价铁颗粒和步骤2得到的生物大分子，分散到10 mg/ml壳聚糖溶液中，其中步骤1得到的纳米零价铁颗粒为壳聚糖重量的200 %，步骤2得到的生物大分子为壳聚糖重量的200 %；直接通过席夫碱反应生成所需要的水凝胶。
实施例3
步骤1：室温条件下，将300 ml的40 mg/ml的FeSO4·7H2O溶液加入500 ml三口烧瓶；向其中加入0.08 g多巴胺，形成混合溶液；向混合溶液中通入高纯氮气30 min，除去体系中的氧；并在整个合成过程中持续向体系中通入氮气保持无氧环境；然后搅拌10 min使之充分混合均匀；开启电动搅拌器，同时将配置的100 ml含0.29 g NaBH4水溶液从恒压漏斗中逐滴加入到三口烧瓶中；滴速控制在2滴每秒；在20℃下反应90 min，生成黑色的多巴胺分散的纳米零价铁颗粒；反应结束后，用磁选法分离出纳米铁粒子，再用脱氧去离子水洗涤三次，每次用水100 ml，得到多巴胺分散的纳米零价铁颗粒。
步骤2：将计量好的聚乙二醇放入三颈烧瓶，装上温度计、冷凝管、搅拌器，加热，升温到60摄氏度；待烧瓶物质搅拌均匀后，再依次加入一定量的丙烯酸和催化剂对甲苯磺酸搅拌，继续升温到110℃；反应一定时间后，再升温到140℃，且不再有水生成，反应结束；待反应体系的温度降到90℃时，进行减压蒸馏，除去未反应的丙烯酸和水，催化剂和阻聚剂以无色晶体析出，分离，得到棕黄透明的液体；将此粗产品用5%的Na2CO3溶液调到中性；然后用饱和的氯化钠溶液洗涤，再用30 ml乙醚萃取聚乙二醇，分离有机层，过滤，在低温下减压真空干燥24小时，得到二苯甲醛封端聚乙二醇。
步骤3：将步骤1得到的纳米零价铁颗粒和步骤2得到的生物大分子，分散到10 mg/ml壳聚糖溶液中，其中步骤1得到的纳米零价铁颗粒为壳聚糖重量的200 %，步骤2得到的生物大分子为壳聚糖重量的200 %；直接通过席夫碱反应生成所需要的水凝胶。
实施例4
步骤1：室温条件下，将250 ml的50 mg/ml的FeSO4·7H2O溶液加入500 ml三口烧瓶；向其中加入0. 1 g多巴胺，形成混合溶液；向混合溶液中通入高纯氮气30 min，除去体系中的氧；并在整个合成过程中持续向体系中通入氮气保持无氧环境；然后搅拌10 min使之充分混合均匀；开启电动搅拌器，同时将配置的100 ml含0.3 g KBH4水溶液从恒压漏斗中逐滴加入到三口烧瓶中；滴速控制在2滴每秒；在20℃下反应60 min，生成黑色的多巴胺分散的纳米零价铁颗粒；反应结束后，用磁选法分离出纳米铁粒子，再用脱氧去离子水洗涤三次，每次用水100 ml，得到多巴胺分散的纳米零价铁颗粒。
步骤2：将10g海藻酸钠溶解在50 ml的乙醇中，同时将与海藻酸钠等摩尔质量的高碘酸钠溶解在50 ml蒸馏水中，将高碘酸钠溶液倒入海藻酸钠溶液中；避光搅拌6小时后，加入3 ml的乙二醇终止反应；搅拌两小时，加入500 ml乙醇析出沉淀，抽滤，得到白色粉末产物；随后将此粉末在透析袋中透析三天，及时更换蒸馏水，最后将透析袋中的溶液冷冻干燥，得到氧化海藻酸钠。
步骤3：将步骤1得到的纳米零价铁颗粒和步骤2得到的生物大分子，分散到30 mg/ml壳聚糖溶液中，其中步骤1得到的纳米零价铁颗粒为壳聚糖重量的150 %，步骤2得到的生物大分子为壳聚糖重量的100 %；直接通过席夫碱反应生成所需要的水凝胶。本发明首先通过液相还原法制得多巴胺分散的纳米零价铁，再将纳米零价铁加入含羟基的天然生物大分子溶液与壳聚糖溶液均匀混合，通过席夫碱反应得到用作组织修复的全降解导电水凝胶。
本发明制备得到的水凝胶具有较好的全降解性能和组织亲和性；纳米零价铁颗粒作为水凝胶颗粒作为水凝胶里的功能材料是人体所需的元素，同时也可排出体外；纳米零价铁颗粒可以通过电场的作用影响多种细胞的粘附、迁移、增殖、DNA合成，促进损伤组织愈合，以达到组织修复的目的；且水凝胶基体材料为天然高分子，具有生物全降解的优势；通过席夫碱反应聚合水凝胶也避免了传统交联剂对生物体产生的毒性。多巴胺可稳定纳米零价铁颗粒的分散性和抗氧化性比直接通过液相还原制备的纳米零价铁颗粒更好；多巴胺中的氨基和酚羟基对纳米铁的表面起到了钝化作用，防止了纳米零价铁的迅速氧化；在制备过程中多巴胺的羟基与铁离子之间形成大量的螯合键，紧密的包裹在铁离子周围，从而调控了纳米零价铁的粒径大小。

Claims (7)

1.一种用作组织修复的全降解导电水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤
步骤1：在铁离子溶液中加入占铁离子重量5％～30％多巴胺分散，通过液相还
原法制备多巴胺分散的纳米零价铁颗粒；
步骤2：制备带有醛基的生物大分子；
骤3：将步骤1得到的纳米零价铁颗粒和步骤2得到的生物大分子，分散到壳聚
糖溶液中，其中纳米零价铁颗粒占壳聚糖溶液中壳聚糖质量的20～200％，生物大分子占壳聚糖溶液中壳聚糖质量的50～200％；通过席夫碱反应生成所需要的水凝胶。
2.根据权利要求1所述的一种用作组织修复的全降解导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤1中的铁离子为二价铁离子和三价铁离子中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种用作组织修复的全降解导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤2中的带有醛基的生物大分子为氧化海藻酸钠、二苯甲醛封端的聚乙二醇中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种用作组织修复的全降解导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤1具体过程如下：
S1：在2mg/ml～10mg/ml FeSO4·7H2O溶液中加入多巴胺，形成混合溶液；
S2：向步骤S1中的混合溶液中持续通入高纯氮气，充分混合均匀；
S3：向步骤S2中的混合溶液中滴加还原剂溶液，充分反应后得到黑色的多巴胺分散纳米零价铁颗粒。
5.根据权利要求4所述的一种用于组织修复的全降解导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中的还原剂溶液为硼氢化钠溶液和硼氢化钾溶液中的一种。
6.根据权利要求4所述的一种用于组织修复的全降解导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中的反应温度20℃，反应时间为20～90分钟。
7.根据权利要求4所述的一种用于组织修复的全降解导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中还原液滴加速度为2滴每秒。
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