CN109646723B - 具有辐射防护作用的医用水凝胶 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种医用水凝胶，由醛基封端的星形多臂聚乙二醇和多氨基化合物原位交联而成，所述醛基与星形多臂聚乙二醇之间以醚键、酰胺键、氨酯键、亚胺键或脲键化学键连接，所述多氨基化合物中氨基与醛基封端的星形多臂聚乙二醇中醛基的摩尔比为0.4‑4.4:1，所述多氨基化合物为聚赖氨酸或聚赖氨酸与聚乙烯亚胺的混合物，聚赖氨酸与聚乙烯亚胺的摩尔比为2～30:3。本发明水凝胶成胶快，在水溶液中具有长期稳定性，在多次辐照后仍然具有很好的溶胀性能和稳定性，可以作为医用放疗防护垫片用于辐射防护。

Description

具有辐射防护作用的医用水凝胶
技术领域
本发明属于生物医药技术领域，具体涉及一种医用水凝胶，可作为辐射防护材料用于放疗垫片、术后组织密封与防渗漏、防组织黏连、组织填充剂、组织修复、皮肤敷料和药物释放等领域。
背景技术
水凝胶是一种由亲水性聚合物交联得到的含有大量水分的软材料。水凝胶具有优良的理化性能和生物学特性，如高含水量、高弹性、柔软、具有生物相容性等特点，在药物转运、组织工程等生物医学研究领域有着重要的应用价值。可注射水凝胶是指具有一定流动性的、能够通过注射的方法应用的一类水凝胶，对于外界刺激(温度，温度/pH等变化)呈现出溶胶与凝胶间的相转变，在注射入人体之前呈液态或是具有剪切变稀性质的半固态，在注射入人体内之后能原位成胶，因而不需要侵入性手术，这有效地避免了感染的风险，并减捏了病人的痛苦。目前已发展的各种可注射的PEG水凝胶包括PEG为亲水段的两亲性聚酯/聚肽水凝胶、超分子作用制备的PEG水凝胶以及通过温和化学反应制备的PEG水凝胶。
聚乙二醇(polyethylene glycol，PEG)是一类非离子型聚合物，由于其本身有较好的生物相容性和安全性，是获美国食品和药品管理局(FDA)许可的可应用在人类临床的一类合成聚合物。PEG既可以作为药用辅料，又可以使用含有末端活泼官能团的PEG对药物进行修饰(聚乙二醇化)。聚乙二醇化技术具有较多的优点，尤其是在修饰蛋白和多肽类药物方面:具有延长其体内循环时间、增强生物活性、避免蛋白水解和降低免疫反应的特点。可通过连接活性末端官能团，如氨基、硫醇基、叠氮、炔基和醛基等制备聚乙二醇偶联物来提高聚乙二醇的性能。
放疗是癌症治疗的常见治疗手段，但放疗可能会对邻近的健康组织造成意外的辐射伤害。这种损伤会影响患者在放射治疗期间的健康和生活质量，并在随后的几年里出现。近年来，放射肿瘤学家已经考虑使用“间隔”(“Spacing”)技术来降低放疗期间周围组织受到辐射损伤的风险。PEG水凝胶是作为肿瘤放疗垫片的理想材料之一。由于放疗通常治疗周期较长，一般超过1个月，因此作为放疗防护用水凝胶应该在体内保持较长时间的稳定性。另外水凝胶注射入体内应该快速成胶，防止溶液渗入体内其他部位。
CN105963792A公开了一种医用水凝胶组合物，包括第一组分和第二组分，所述第一组分包括聚赖氨酸和聚乙烯亚胺；所述第二组分包括四臂-聚乙二醇-琥珀酰亚胺戊二酸酯、四臂-聚乙二醇-琥珀酰亚胺丁二酸酯、四臂-聚乙二醇-琥珀酰亚胺碳酸酯中的一种或几种。使用时将第一组分的亲核试剂(聚赖氨酸和聚乙烯亚胺)与第二组分的亲电试剂(四臂-聚乙二醇-琥珀酰亚胺戊二酸酯、四臂-聚乙二醇-琥珀酰亚胺丁二酸酯、四臂-聚乙二醇-琥珀酰亚胺碳酸酯中的一种或几种)发生迈克尔加成反应，可以快速成胶具有低溶胀的优良性质。然而，琥珀酰亚胺有机酸酯封端的聚乙二醇材料在水中半衰期很短，极易水解，需要特别的技术才能以粉末的形式在室温长期保存，且在溶解之后很短时间内(一般为1个小时)使用，便利性较低。
CN107693838 A公开了一种医用可注射凝胶及其制备方法，将浓度为2-20％(w/v)醛基封端超支化聚合物HP-PEG-CHO溶液与浓度为2-20％(w/v)多氨基化合物溶液通过双组份注射器混合后喷涂，利用醛基和氨基反应生成西弗碱从而产生交联，形成医用可注射凝胶。醛基封端超支化聚合物HP-PEG-CHO中的醛基以酯键与聚合物连接，在水溶液中的长期稳定性较低，另外超支化聚合物分子量分布较宽，可能含有较高分子量的聚合物，不利于人体排出。
发明内容
本发明针对现有技术不足，提供了一种可用于辐射防护材料的医用水凝胶，水凝胶在水溶液中具有长期稳定性。
本发明具体技术方案如下：
一种医用水凝胶，由醛基封端的星形多臂聚乙二醇和多氨基化合物原位交联而成，所述醛基与星形多臂聚乙二醇之间以醚键、酰胺键、氨酯键、亚胺键或脲键化学键连接，所述多氨基化合物中氨基与醛基封端的星形多臂聚乙二醇中醛基的摩尔比为0.4-4.4:1，所述多氨基化合物为聚赖氨酸或聚赖氨酸与聚乙烯亚胺的混合物，聚赖氨酸与聚乙烯亚胺的摩尔比为2～30:3。
所述醛基封端的多臂聚乙二醇为臂数不低于2，分子量大于2000的多臂聚乙二醇。
所述醛基封端的多臂聚乙二醇的臂数为2-8，优选为8。
所述醛基选自芳香醛、烷基醛中的一种或几种，优选为苯醛基。
本发明另一目的在于提供所述医用水凝胶在辐射防护材料中的应用，可用于制备放疗垫片、术后组织密封与防渗漏、防组织黏连、组织填充剂、组织修复、皮肤敷料和药物制剂。
所述医用水凝胶的制备方法，将醛基封端的星形多臂聚乙二醇溶解在pH4-10缓冲液中，配置醛基封端的星形多臂聚乙二醇溶液；将多氨基化合物溶解在pH4-10缓冲液中，配置多氨基化合物溶液；将两者混合得到医用水凝胶。
本发明所用的醛基封端的星形多臂聚乙二醇购自厦门赛诺邦格有限公司。
上述pH4-10缓冲液优选pH4-10的磷酸盐或硼酸盐缓冲液。
所述醛基封端的星形多臂聚乙二醇溶液的终浓度为2-30％(w/v)，优选为10-20％(w/v)；所述多氨基化合物溶液浓度为0.5-20％，优选为1-5％(w/v)
本发明在具体应用时先制备成双组份水凝胶，为包含亲核官能团的第一组分和包含亲电官能团的第二组分，所述第一组分为醛基封端的亲水性化合物，其中臂的个数不低于两个，亲水性化合物为醛基封端的星形多臂聚乙二醇，优选为八臂聚乙二醇(分子量5000-20000)，醛基为芳香醛、烷基醛中的一种或几种，优选为苯醛基。醛基与聚合物之间可以以醚键、酰胺键等不易水解的化学键连接。
所述第二组分可以选择包含多氨基的化合物，包括聚赖氨酸(包括ε-聚赖氨酸和多聚赖氨酸)和聚乙烯亚胺中的一种或几种的混合组分。
酰胺键连接苯醛基封端八臂聚乙二醇结构如下。
Figure BDA0001967186430000031
醚键连接苯醛基封端八臂聚乙二醇结构如下。
Figure BDA0001967186430000041
醚键连接丙醛基封端八臂聚乙二醇结构如下。
Figure BDA0001967186430000042
聚赖氨酸和聚乙烯亚胺结构如下。
Figure BDA0001967186430000051
由于醛基和氨基在水溶液中的稳定性，以上两组分均可以以水溶液或粉末形式提供。使用时将两组分分别溶解于缓冲液中，然后混合组分即得到水凝胶。可将水凝胶两组分分别存储在双管注射器中，使用时两个组分经混合头喷出或者注射到指定部位形成凝胶。
本发明利用多臂聚乙二醇端部的醛基和多氨基化合物的氨基反应生成schiff碱从而产生交联，形成医用可注射凝胶。
本发明优点：
本发明对医用水凝胶中的醛基封端的星形多臂聚乙二醇和多氨基化合物的种类和比例进行了研究。研究发现聚赖氨酸的含量显著影响水凝胶在水溶液中的稳定性，当聚赖氨酸的氨基与醛基封端的星形多臂聚乙二醇的醛基的摩尔比大于等于0.4时，水凝胶稳定性较高；聚乙烯亚胺含量显著影响成胶速度，当聚乙烯亚胺含量的氨基与醛基封端的星形多臂聚乙二醇的醛基的摩尔比大于等于0.4时，成胶时间较短。通过对醛基封端的星形多臂聚乙二醇和多氨基化合物的筛选获得的水凝胶成胶快，在水溶液中具有长期稳定性。
水凝胶的辐照实验结果表明本发明所述的水凝胶辐照后仍然具有很好的溶胀性能和稳定性。
附图说明
图1为醚键连接、酰胺键连接和酯键连接的醛基封端聚乙二醇成胶稳定性考察结果。
图2为本发明水凝胶的辐照稳定性考察结果。
图3为水凝胶用于子宫与周围组织的间隔垫片。
具体实施方式
以下通过实施例说明本发明的具体步骤，但不受实施例限制。
在本发明中使用的术语，除非另有说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义。
下面结合具体实施例并参照数据进一步详细描述本发明，应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。
在以下实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。
实施例1醚键连接、酰胺键连接和酯键连接的苯醛基封端聚乙二醇在水溶液中的长期成胶稳定性将600mg的酯键连接苯醛基封端8臂聚乙二醇8-PEG-amide-BA、酰胺键连接苯醛基封端8臂聚乙二醇8-PEG-amide-BA和醚键连接苯醛基封端8臂聚乙二醇8-PEG-O-BA溶解在2mL的0.1M磷酸缓冲液溶液(pH7.4)，作为A溶液；配置含聚赖氨酸2.75％(w/v)(氨基与醛基比为1：1)和聚乙烯亚胺(M.W.1.8K)0.67％(w/v)(氨基与醛基比例为0.4：1)的磷酸盐缓冲液溶液，作为B溶液；将A、B溶液等体积混合即获得具有粘性的水凝胶，记录初始成胶时间。将三种A液置于置于60摄氏度恒温温箱，两个月后(相当于室温存放两年)再分别测定与B液混合后的成胶时间与初始成胶时间的变化(如图1所示)。结果显示，8-PEG-amide-BA和8-PEG-O-BA成胶时间与老化前基本相同，酯键连接苯醛基封端8臂聚乙二醇丧失成胶能力。
实施例2不同配方水凝胶成胶时间和在水溶液中的稳定性
将600mg的酰胺键连接苯醛基封端8臂聚乙二醇8-PEG-amide-BA(M.W.13.5K)溶解在2mL的磷酸盐缓冲液中(pH7.4)，作为A溶液；配置不同含量的聚赖氨酸和聚乙烯亚胺(M.W.1.8K)的磷酸盐缓冲液溶液，作为B溶液；将A、B溶液等体积混合即获得具有粘性的水凝胶。下表中聚乙烯亚胺和聚赖氨酸的用量比例以其各自的氨基与醛基封端的星形多臂聚乙二醇中醛基的摩尔比表示。
Figure BDA0001967186430000061
Figure BDA0001967186430000071
结果表明聚赖氨酸的含量显著影响水凝胶在水溶液中的稳定性，当聚赖氨酸的氨基与与8-PEG-amide-BA醛基的摩尔比大于等于0.4时，水凝胶稳定性超过一个月；聚乙烯亚胺含量显著影响成胶速度，当聚乙烯亚胺含量的氨基与8-PEG-amide-BA醛基的摩尔比大于等于0.4时，成胶时间较短。
实施例3
将400mg酰胺键连接苯醛基封端8臂聚乙二醇8-PEG-amide-BA(M.W.10K)溶解在2mL的磷酸盐缓冲液中(pH7.4)，作为A溶液；配置聚赖氨酸2.44％(w/v)的硼酸盐缓冲液溶液(氨基与醛基比例1：1)，作为B溶液；将A、B溶液等体积混合即获得具有粘性的水凝胶，成胶时间为25秒，体外稳定性超过1个月。
实施例4
将600mg酰胺键连接苯醛基封端8臂聚乙二醇8-PEG-amide-BA(M.W.13.5K)溶解在2mL的磷酸盐缓冲液中(pH7.4)，作为A溶液；配置聚赖氨酸1.1％(w/v)的磷酸盐缓冲液溶液(氨基与醛基比例0.4：1)，作为B溶液；将A、B溶液等体积混合即获得具有粘性的水凝胶，成胶时间为35秒，体外稳定性超过1个月。
实施例5
将600mg酰胺键连接苯醛基封端8臂聚乙二醇8-PEG-amide-BA(M.W.13.5K)溶解在2mL的磷酸盐缓冲液中(pH7.4)，作为A溶液；配置聚赖氨酸2.71％(w/v)的磷酸盐缓冲液溶液(氨基与醛基比例1：1)，作为B溶液；将A、B溶液等体积混合即获得具有粘性的水凝胶，成胶时间为22秒，体外稳定性超过1个月。
实施例6
将600mg的醚键连接苯醛基封端8臂聚乙二醇8-PEG-amide-BA(M.W.13.5K)溶解在2mL的磷酸盐缓冲液中(pH7.4)，作为A溶液；配置含聚赖氨酸2.75％(w/v)(氨基与醛基比为1：1)和聚乙烯亚胺(M.W.1.8K)0.67％(w/v)(氨基与醛基比例为0.4：1)的磷酸盐缓冲液溶液，作为B溶液；将A、B溶液等体积混合即获得具有粘性的水凝胶，成胶时间5秒，体外稳定性超过1个月。
实施例7
将600mg的醚键连接苯醛基封端8臂聚乙二醇8-PEG-amide-BA(M.W.13.5K)溶解在2mL的磷酸盐缓冲液中(pH7.4)，作为A溶液；配置含聚赖氨酸8.25％(w/v)(氨基与醛基比为3：1)和聚乙烯亚胺(M.W.1.8K)0.67％(w/v)(氨基与醛基比例为0.4：1)的磷酸盐缓冲液溶液，作为B溶液；将A、B溶液等体积混合即获得具有粘性的水凝胶，成胶时间5秒，体外稳定性超过1个月。
实施例8水凝胶的辐照稳定性
将600mg的酰胺键/醚键连接苯醛基封端8臂聚乙二醇8-PEG-amide-BA(M.W.13.5K溶解在2mL的磷酸盐缓冲液中(pH7.4)，作为A溶液；配置赖氨酸2.75％(w/v)和聚乙烯亚胺(M.W.1.8K)1.1％(w/v)的硼酸盐缓冲液溶液，作为B溶液；将A、B溶液等体积混合即获得具有粘性的水凝胶。配置3份样品，样品1不接收辐照，样品1和2为平行样。样品1和2水凝胶在37度PBS溶液放置16天后，在第16天接受3次每次8Gy的辐照，然后将水凝胶重新置于37度PBS溶液。实验结果如图2所示，结果表明，本发明所述水凝胶耐辐照稳定性好。
实施例9水凝胶用于子宫与周围组织的间隔垫片
用混合注射器将本发明水凝胶A、B溶液混合注射在雌性兔子子宫周围，混合溶液达到子宫外壁处即发生凝胶反应，粘附于子宫外壁。水凝胶在子宫与其他器官(直肠和膀胱等)之间形成物理阻隔，可以降低子宫肿瘤放疗时对相邻组织的伤害。

Claims (8)

1.一种医用水凝胶，其特征在于由醛基封端的星形多臂聚乙二醇和多氨基化合物原位交联而成，所述醛基与星形多臂聚乙二醇之间以醚键或酰胺键连接，所述多氨基化合物中氨基与醛基封端的星形多臂聚乙二醇中醛基的摩尔比为0.4~4.4:1，所述多氨基化合物为聚赖氨酸或聚赖氨酸与聚乙烯亚胺的混合物，聚赖氨酸与聚乙烯亚胺的摩尔比为2~30:3。
2.根据权利要求1所述医用水凝胶，其特征在于所述醛基封端的星形多臂聚乙二醇为臂数大于2，分子量大于2000的多臂聚乙二醇。
3.根据权利要求1所述医用水凝胶，其特征在于所述醛基封端的星形多臂聚乙二醇的臂数为2-8。
4.根据权利要求1所述医用水凝胶，其特征在于所述醛基选自芳香醛、烷基醛中的一种或几种。
5.根据权利要求1-4任一项所述医用水凝胶在制备辐射防护材料中的应用。
6.根据权利要求1-4任一项所述医用水凝胶的制备方法，其特征在于将醛基封端的星形多臂聚乙二醇溶解在pH4-10缓冲液中，配制醛基封端的星形多臂聚乙二醇溶液；将多氨基化合物溶解在pH4-10缓冲液中，配置多氨基化合物溶液；将两者混合得到医用水凝胶。
7.根据权利要求6所述医用水凝胶的制备方法，其特征在于所述醛基封端的星形多臂聚乙二醇溶液的终浓度为2-30%， w/v，所述多氨基化合物溶液浓度为0.5-20%，w/v 。
8.根据权利要求6所述医用水凝胶的制备方法，其特征在于所述醛基封端的星形多臂聚乙二醇溶液的终浓度为10~20%， w/v，所述多氨基化合物溶液浓度为1-5%，w/v 。
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