CN109721742B - 一种可溶解自愈性天然高分子水凝胶及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可溶解自愈性天然高分子水凝胶及其制备方法，以天然高分子海藻酸钠为原料，引入功能单体甲基丙烯酸，以引发剂和去离子水为辅助原料，一锅法制备得到具有优异自愈性和可溶解性的天然高分子水凝胶（SAM）。本发明制备的水凝胶自愈合速率快，愈合不受切口断面的限制，并且具有很好的可溶解性，将水凝胶放入一定量的水中，水凝胶能够完全溶解，无残留，以其作为药物载体，其释放速率稳定，药物能够达到100%的完全释放，无残留。且制备的水凝胶具有很好的生物相容性和可降解性，本发明制备的可溶解自愈性天然高分子水凝胶在创口敷料，组织器官培养及生物支架材料等生物医用材料领域具有广泛的应用前景。

Description

一种可溶解自愈性天然高分子水凝胶及其制备方法

技术领域

本发明属于高分子材料技术领域，特别涉及一种具有可溶解自愈性的天然高分子水凝胶（SAM）及其制备方法。

背景技术

自愈性水凝胶是指当水凝胶自身受到外力破坏时，水凝胶能够通过动态交联网络实现自我愈合。自愈性水凝胶不仅能够保证水凝胶自身优异的溶胀性能、力学韧性、生物相容性、易修饰等特性，更重要的是优异的自修复性能使得水凝胶在生物材料领域得到了广泛的关注。伤口愈合是一个复杂的生物过程，包括凝血、炎症、渗出、合成和重生。由于创口的组织液渗出，传统的创口敷料常常会与创口黏连，换药时导致二次创伤，造成痛苦，延迟创口的愈合时间。不仅如此，针对于不规则的创口、孔洞型创口以及活动关节部分的创口，传统创口敷料无法起到很好的保护作用。与传统的创口敷料相比，自愈性水凝胶基于其优异自愈性能，将水凝胶填充在创口内部能够很好的起到保护作用。同时水凝胶自身的三维网状结构具有高的渗透性，可以促进氧、养分和其他水溶性代谢物的交换促进伤口愈合，自身的溶胀性能也能够吸附创口产生的组织液，保证创口的干燥，并且将药物小分子固定在凝胶内部，作为药物载体。体现出了其敷料无法比拟的优势。

现有的自愈性水凝胶虽然具有很好的自愈性能，但是从实际应用过程来看，仍然存在一定的缺陷。由于其愈合速度慢，从几十分钟到几小时，大大降低了创口的保护时间。并且自愈合性能只能发生在水凝胶的切口断面处，虽然能够填充创口，但是由于切口断面愈合的限制，无法紧密的与创口结合。另一方面：自愈合水凝胶敷料仍然会与创口黏连，无法快速的脱离，影响换药，不利于创口的愈合。并且作为药物载体，无法保证药物稳定持续的释放速率，常常存在暴释和不完全释放的现象。不可降解性也使得自愈性水凝胶敷料无法应用在体内的组织器官的创伤。

同时现有合成工艺还存在着反应过程复杂、成本高、反应时间长、收率不高、环境污染、原料利用率低等难以克服的技术问题。所以提供一种具有优异的自愈性、可溶解性、生物无毒、工艺简单、制备成本低的天然产物天然高分子水凝胶及其制备工艺是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于为了解决现有自愈性水凝胶存在的愈合速度慢、切口愈合限制与不可溶解的问题，而提供一种具有可溶解自愈性的天然高分子水凝胶及其制备方法，其原料来源丰富，绿色环保，制备方法简单，经济实惠并且具有很好的生物相容性。所得水凝胶集可溶解和快速自愈性为一体，在止血敷料、伤口敷料和外科密封胶等领域具有广泛的应用前景。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种可溶解自愈性天然高分子水凝胶，具有如下结构：以天然高分子海藻酸钠为基础，引入功能单体甲基丙烯酸，自由基聚合，形成天然产物与聚合物双网络贯穿，通过动态可逆的静电相互作用与氢键作用构建得到可溶解自愈性天然高分子水凝胶；其原料以重量份计，具体包括：

海藻酸钠 1-10份

甲基丙烯酸 1-10份

去离子水 1-10份

引发剂 0.1-1份。

一种上述水凝胶的制备方法，该方法包括以下具体步骤：

步骤1：将海藻酸钠溶解在去离子水中，在800-1500rpm转速下搅拌3-6h，至溶液均匀后，将溶液放入3-10℃冰箱中，稳定3-10h，得到海藻酸钠水溶液；所述海藻酸钠与去离子水的质量比为4-1:100；

步骤2：将海藻酸钠水溶液置于容器中，在800-1500rpm转速下搅拌均匀，缓慢滴加去离子水，维持搅拌时间30-60min，温度保持25℃；所述海藻酸钠溶液与去离子水的质量比为4:1-3；

步骤3：向步骤2溶液中，缓慢滴加甲基丙烯酸，1-3小时内滴加完毕，维持搅拌速度800-1500rpm，3-6h，温度保持25℃；所述海藻酸钠溶液与甲基丙烯酸的质量比为8-1:1；

步骤4：向步骤3溶液中，通入氮气，缓慢滴加引发剂，30-60min内滴加完毕，维持搅拌速度800-1500rpm，3-6h，温度保持在25℃；所述海藻酸钠混合溶液与引发剂的质量比为100-10:1；

步骤5：向步骤4溶液中，通入氮气保护，升温至40-100℃，持续搅拌，反应4-12h，得到乳白色凝胶，冷却至室温，得到无色透明凝胶即为所述水凝胶（SAM）；其中：

所述引发剂为过硫酸钾、过硫酸钠、过硫酸铵、过硫酸铈、偶氮二异丁基脒盐酸盐、偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐、偶氮二氰基戊酸或偶氮二异丙基咪唑啉。

本发明的要点在于：

本发明以海藻酸钠和甲基丙烯酸为主要原料，以引发剂和去离子水为辅助原料，在25-100℃，分四步进行，最后冷却，制得目标水凝胶。本发明制备方法简单纯熟，一锅法即可完成，水体系无污染无残留，所使用合成方法环保、操作简单，并且具有优异的自愈性能和可溶解性，在伤口敷料、药物载体和生物设备等领域有着广泛的应用。

本发明的优点在于：

⑴ 本发明制备的SAM水凝胶的原材料为天然高分子海藻酸钠和甲基丙烯酸，二者都具有低毒性、原料丰富、价格便宜、易生物降解和安全性高等优点；

⑵ 本发明制备的SAM水凝胶是在高分子海藻酸钠网络中引入甲基丙烯酸，原位聚合得到双网络复合水凝胶，使得水凝胶具有很好的力学性能；

⑶ 本发明制备的SAM水凝胶是通过海藻酸钠与聚甲基丙烯酸间的静电相互作用和氢键作用形成的，根据静电相互作用与氢键作用的特殊性（动态平衡稳定性）使水凝胶具有优异的自愈合能力，自愈合时间短，愈合效率高，愈合前后水凝胶力学性能基本保持不变；当将水凝胶切成若干颗粒并放置于一个固定模具的容器中时，水凝胶能够快速的自愈合，并且保持与模具相一致的形貌，同时还能够保持愈合前的力学性能，这说明水凝胶具有优异的自愈性能；

⑷ 本发明制备的SAM水凝胶是基于海藻酸钠与聚甲基丙烯酸间的静电相互作用和氢键作用形成的，根据静电相互作用和氢键作用的特殊性（水解性）使水凝胶具有优异的可溶解性，将水凝胶加入一定量的水中，能够完全溶解得到无色透明溶液。

⑸ 以这种可溶解的水凝胶为药物载体，具有很好的药物释放性能，其释放速率稳定，释放时间长，并且药物能够达到100%的完全释放，没有残留。

⑹ 本发明使用的溶剂为水，所制备的SAM水凝胶不存在任何有机溶剂、无残留和充分利用原料无损耗。

⑺ 本发明所述的SAM水凝胶，经实验结果证明：具有良好的生物相容性。

⑻ 本发明所述的SAM水凝胶可以通过改变原料的投料比来调控水凝胶的机械性能，方法简单，易于推广。

这种以天然高分子海藻酸钠与聚丙烯酸钠之间的可逆离子键为基础的多功能海藻酸钠水凝胶的制备方法简单，水体系中完成绿色无污染，并且具有优异的自愈性和可溶解性，在止血敷料、伤口敷料和外科密封胶等领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1具体实施例1 所得的SAM-1水凝胶的红外谱图；

图2具体实施例1 所得的SAM-1水凝胶的切口自愈合性能图；

图3具体实施例1 所得的SAM-1水凝胶的颗粒自愈合性能图；

图4具体实施例1 所得的SAM-1水凝胶的可溶解性能图；

图5具体实施例1 所得的SAM-1水凝胶的体外药物释放图；

图6具体实施例1 所得的SAM-1水凝胶的细胞毒性测定图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步解释和说明，应当理解，所给出的实施例只是举例说明性的，其不以任何方式对本发明的范围构成限制。

实施例1

可溶解自愈性水凝胶的合成（SAM-1）

秤取一定质量的海藻酸钠加入到去离子水中（海藻酸钠与去离子水的质量比为4:100），在1500rpm转速下搅拌3h，至海藻酸钠完全溶解，将海藻酸钠溶液放入3℃冰箱中，稳定3h，等到无色透明的海藻酸钠水溶液。

将制备得到的海藻酸钠水溶液加入三口瓶中，在1500rpm转速下搅拌10min，然后缓慢滴加去离子水（海藻酸钠溶液与去离子水的质量比4:1），维持搅拌速度，继续搅拌30min，温度保持25℃。

向混合好的海藻酸钠溶液中，缓慢滴加甲基丙烯酸（海藻酸钠混合溶液与甲基丙烯酸的质量比8:1）,1h内滴加完毕，维持搅拌速度1500rpm不变3h，温度保持25℃。

向海藻酸钠与甲基丙烯酸的混合溶液中通入氮气，缓慢滴加以海藻酸钠与甲基丙烯酸计算质量百分为1%的引发剂过硫酸铵，30min内滴加完毕。在搅拌下升高温度至40℃，反应4h，停止反应，得到乳白色凝胶，冷却至室温，得到无色透明水凝胶，即得到可溶解自愈性天然高分子水凝胶SAM-1。图1为SAM-1水凝胶的红外谱图，从图中官能团的特征峰能够确认成功合成了水凝胶SAM-1。

实施例2

可溶解自愈性水凝胶的合成（SAM-2）

秤取一定质量的海藻酸钠加入到去离子水中（海藻酸钠与去离子水的质量比为2:100），在1200rpm转速下搅拌5h，至海藻酸钠完全溶解，将海藻酸钠溶液放入8℃冰箱中，稳定6h，等到无色透明的海藻酸钠水溶液。

将制备得到的海藻酸钠水溶液加入三口瓶中，在1200rpm转速下搅拌10min，然后缓慢滴加去离子水（海藻酸钠溶液与去离子水的质量比4:2），维持搅拌速度，继续搅拌50min，温度保持25℃。

向混合好的海藻酸钠溶液中，缓慢滴加甲基丙烯酸（海藻酸钠混合溶液与甲基丙烯酸的质量比4:1）,2h内滴加完毕，维持搅拌速度1200rpm不变5h，温度保持25℃。

向海藻酸钠与甲基丙烯酸的混合溶液中通入氮气，缓慢滴加以海藻酸钠与甲基丙烯酸计算质量百分为4%的引发剂过硫酸钾，50min内滴加完毕。在搅拌下升高温度至60℃，反应8h，停止反应，得到乳白色凝胶，冷却至室温，得到无色透明水凝胶，即得到可溶解自愈性天然高分子水凝胶SAM-2。

实施例3

可溶解自愈性水凝胶的合成（SAM-3）

秤取一定质量的海藻酸钠加入到去离子水中（海藻酸钠与去离子水的质量比为1:100），在800rpm转速下搅拌6h，至海藻酸钠完全溶解，将海藻酸钠溶液放入10℃冰箱中，稳定10h，等到无色透明的海藻酸钠水溶液。

将制备得到的海藻酸钠水溶液加入三口瓶中，在800rpm转速下搅拌10min，然后缓慢滴加去离子水（海藻酸钠溶液与去离子水的质量比4:3），维持搅拌速度，继续搅拌60min，温度保持25℃。

向混合好的海藻酸钠溶液中，缓慢滴加甲基丙烯酸（海藻酸钠混合溶液与甲基丙烯酸的质量比2:1）,3h内滴加完毕，维持搅拌速度800rpm不变6h，温度保持25℃。

向海藻酸钠与甲基丙烯酸的混合溶液中通入氮气，缓慢滴加以海藻酸钠与甲基丙烯酸计算质量百分为10%的引发剂过硫酸钠，60min内滴加完毕。在搅拌下升高温度至80℃，反应12h，停止反应，得到乳白色凝胶，冷却至室温，得到无色透明水凝胶，即得到可溶解自愈性天然高分子水凝胶SAM-3。

实施例4

对于本发明具体实施例1所得的可溶解自愈性水凝胶的自愈性能测定。

将制备好的水凝胶SAM-1从中间切成两半，分别用罗丹明6g和亮绿对其进行染色，将切开的水凝胶重新放在一起，在没有外界作用的情况下，静置1min，然后观察拼接后水凝胶的变化，如图2所示。从图2中可以看到，两块水凝胶成功的拼接在一起，并且具有一定的力学强度，5min后水凝胶的力学性基本恢复到新制备的水凝胶的力学强度，拉伸过程中拼接口没有断裂。说明水凝胶SAM-1具有很好的自愈性能。

用罗丹明6g对制备好的水凝胶SAM-1进行染色，将水凝胶SAM-1 切成若干小颗粒，然后填充到圆形模具中，静置30min，如图3所示。从图3中可以看到，水凝胶小颗粒成功的拼接在一起，形成完整的一块水凝胶，没有裂纹，并且所形成的水凝胶形状与模具的形貌相一致，并且具有很好的力学性能，拉伸时没有发生断裂现象。说明水凝胶SAM具有优异的自愈性能，并且SAM-1水凝胶的自愈性能不会受到断裂切口的限制。

实施例5

对于本发明具体实施例1所得的可溶解自愈性水凝胶的可溶解性能测定。

将0.5g干凝胶放入到测试平台上，然后加入5.0g去离子水，恒定剪切速率2Hz，测定剪切应力与剪切时间的关系，如图4所示。从图4中可以看到水凝胶的剪切应力随着剪切时间的增加而降低，在剪切开始的0.55h内，水凝胶的剪切应力逐渐降低，这是由于起始阶段水凝胶具有一定的力学性能，当受到外力作用时产生一定的粘弹性，使水凝胶保持一个较高的应力。当0.55h-0.83h时，水凝胶的剪切应力随时间变化不大，这是由于一段时间的应力作用后，水凝胶处于溶胀-溶解平衡阶段，聚合物链段间的相互作用处于解离与恢复的动态平衡过程，因此应力变化不大。当继续进行剪切作用，水凝胶开始大范围的水解，链段解离，因此剪切应力大幅度下降，最终完全溶解，剪切应力基本保持不变。这一系列过程证明 SAM-1具有优异的溶解性能。

实施例6

对于本发明具体实施例1所得的可溶解自愈性水凝胶的体外药物释放曲线。

载药可溶解自愈性水凝胶的合成。

秤取一定质量的海藻酸钠加入到去离子水中（海藻酸钠与去离子水的质量比为4:100），在1500rpm转速下搅拌6h，至海藻酸钠完全溶解，将海藻酸钠溶液放入4℃冰箱中，稳定8h，等到无色透明的海藻酸钠水溶液。

将制备得到的海藻酸钠水溶液加入三口瓶中，在1200rpm转速下搅拌10min，然后缓慢滴加去离子水（海藻酸钠溶液与去离子水的质量比4:1），再加入1.0g的乙酰水杨酸，维持搅拌速度，继续搅拌60min，充分溶解，温度保持25℃。

向混合好的海藻酸钠溶液中，缓慢滴加甲基丙烯酸（海藻酸钠混合溶液与甲基丙烯酸的质量比8:1）,1h内滴加完毕，维持搅拌速度1200rpm不变3h，温度保持25℃。

向海藻酸钠与甲基丙烯酸的混合溶液中通入氮气，缓慢滴加以海藻酸钠与甲基丙烯酸计算质量百分为4%的引发剂过硫酸铵，30min内滴加完毕。在搅拌下升高温度至40℃，反应4h，停止反应，得到乳白色凝胶，冷却至室温，得到无色透明水凝胶，即得到载药水凝胶。

将制得的载药水凝胶，加入到5.0g，pH 6.8的磷酸盐缓冲液中，保持恒温37℃。测定固定时间段内，从缓冲溶液中取出1ml样品，同时加入相同质量的新鲜磷酸盐缓冲液，位置平衡。通过高效液相色谱测定取出缓冲液样品中的乙酰水杨酸的含量，直到检测出的乙酰水杨酸的总量不再发生变化，停止检测。释放曲线如图5所示，从图5中能够看到，所得到的水凝胶具有很好的药物释放性能，其释放速率稳定，释放时间可持续25h，并且药物能够达到100%的完全释放，没有残留。

实施例7

对于本发明具体实施例1所得的可溶解自愈性水凝胶的生物毒性测定

将上皮细胞接种于96孔培养板上,保持细胞密度为3.125×10⁴ cell/cm²,加入SAM-1水凝胶与细胞接触1h后取上清液，测定细胞液的上清液中乳酸脱氢酶(LDH)活性，从而评估样品的细胞毒性。将上皮细胞接种于96孔培养板上，保持细胞密度为 0.625 cell/cm²,上皮细胞在培养板上培养24小时后,细胞粘附并扩散到板底。然后除去残留的细胞液，加入磷酸盐缓冲溶液继续培养。然后向孔板中依次加入SAM-1,继续培养一段时间，分别在12h、24h、36h、48h和60h用CCK-8方法测定细胞活性。细胞毒性如图6所示，从图6中能够看到，经过60h培养后，细胞仍然能够保持很好的细胞活性，并且与空白对照相比较，细胞的形貌并没有明显的差异，细胞的增殖行为并没有受到影响。根据上述结果说明制备的SAM-1水凝胶具有很好的生物相容性，使其具备了生物应用的必要条件。

Claims (1)

1.一种可溶解自愈性天然高分子水凝胶，其特征在于，以天然高分子海藻酸钠为基础，引入功能单体甲基丙烯酸，自由基聚合，形成天然产物与聚合物双网络贯穿，通过动态可逆的静电相互作用与氢键作用构建得到所述水凝胶，其包括以下以重量份计的原料：

海藻酸钠 1-10份

甲基丙烯酸 1-10份

去离子水 1-10份

引发剂 0.1-1份；

具体制备包括以下步骤：

步骤1：将海藻酸钠溶解在去离子水中，在800-1500rpm转速下搅拌3-6h，至溶液均匀后，将溶液放入3-10℃冰箱中，稳定3-10h，得到海藻酸钠水溶液；所述海藻酸钠与去离子水的质量比为4-1:100；

步骤2：将海藻酸钠水溶液置于容器中，在800-1500rpm转速下搅拌均匀，缓慢滴加去离子水，维持搅拌时间30-60min，温度保持25℃；所述海藻酸钠溶液与去离子水的质量比为4:1-3；

步骤3：向步骤2溶液中，缓慢滴加甲基丙烯酸，1-3小时内滴加完毕，维持搅拌速度800-1500rpm，3-6h，温度保持25℃；所述海藻酸钠溶液与甲基丙烯酸的质量比为8-1:1；

步骤4：向步骤3溶液中，通入氮气，缓慢滴加引发剂，30-60min内滴加完毕，维持搅拌速度800-1500rpm，3-6h，温度保持在25℃；所述海藻酸钠混合溶液与引发剂的质量比为100-10:1；

步骤5：向步骤4溶液中，通入氮气保护，升温至40-100℃，持续搅拌，反应4-12h，得到乳白色凝胶，冷却至室温，得到无色透明凝胶即为所述水凝胶；其中：

所述引发剂为过硫酸钾、过硫酸钠、过硫酸铵、过硫酸铈、偶氮二异丁基脒盐酸盐、偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐、偶氮二氰基戊酸或偶氮二异丙基咪唑啉。

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