CN109771691A - 一种导电水凝胶材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种导电水凝胶材料及其制备方法，该材料的制备原料包括以下重量份的原料：聚乙烯醇1.6～6份、多巴胺0.3～1份、氧化石墨烯0.3～1份、硼砂0.6～2份、去离子水90.2～97.2份和血管内皮生长因子十万分之一至百万分之一份。水凝胶材料的制备方法为1)称取PVA溶于去离子水，加热至90℃溶解，配置成PVA溶液；2)称取多巴胺，加入到tirs‑HCl缓冲液中，室温空气中反应1～24h，得到聚多巴胺溶液；3)取步骤1)PVA溶液与步骤2)制备的多巴胺溶液混合，再加入氧化石墨烯，超声分散，随后磁力搅拌，随后加入血管内皮生长因子，得到溶液A；4)称取硼砂溶于去离子水中，磁力搅拌至完全溶解，配置成3～10wt％硼砂溶液，即为溶液B；5)将溶液A与溶液B混合，即可得到导电水凝胶材料。

Description

一种导电水凝胶材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及仿生材料技术领域，具体涉及一种导电水凝胶材料及其制备方法。

背景技术

心肌梗塞是指急性、持续性缺血、缺氧所引起的心肌坏死，是一种对人类生命威胁较大的疾病。国内目前至少有200万心梗患者，并且以每年至少新发50万的趋势明显上升。

当心脏血管发生梗塞后，导致一定范围内的心肌细胞丢失并且形成纤维组织影响心脏功能。由于成人的心肌细胞不可再生导致这种心脏的损伤是不可逆的。而逆转这种损伤的有效手段是补充失去的心肌细胞，通过直接注射心肌细胞到心肌梗死区域，但是该种方法补充的心肌细胞存活率不高，而且注射后容易发生免疫排斥和畸生胎瘤。组织工程支架应用于心肌梗死后的细胞修复是一种有效的治疗手段。组织工程支架可以模仿正常心肌的结构和功能，诱导心肌细胞的生长并促进在体外的心肌功能化，从而修复体内梗死部位的心肌。理想的心肌修复材料应具有：(1)良好的弹性模量和较强的机械性能，是支架材料植入后在心脏跳动能保持完整；(2)具有良好的心肌细胞黏附能力或者是有利于心肌细胞生长；(3)构建的支架应该具有良好的导电性能，可以对正常心肌产生的电冲动进行传导，使心肌修复材料能和心脏同步收缩，防止移植后出现不同步运动导致心率失常。但目前大多数的心肌修复材料只满足第一个条件，这限制了心肌修复材料的发展。

心脏组织组织利用窦房结发出电信号传导到整个心脏使心脏按照一定节律收缩，电信号能促进心肌细胞同步收缩并且对心肌细胞特异性蛋白的表达具有很重要的作用。因此具用导电性能的组织工程支架在植入到体内后能实现心肌细胞与支架或补片之间的联系，实现与心脏连成一个整体，传导心脏的电信号使心肌补片和心脏同步收缩，实现梗死区域的资料效果。在众多的导电材料中，氧化石墨烯是一种常用的导电高分子材料，具有良好的生物相容性。复合了氧化石墨烯的水凝胶可以对外界刺激产生响应，在组织修复工程中有良好的前景。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足之处而提供一种导电水凝胶材料。该材料具有多孔结构，可以用于负载生长因子，并控制生长因子缓释，同时可以为细胞生长提供空间环境。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种导电水凝胶材料，所述导电水凝胶材料的制备原料包括聚乙烯醇、多巴胺、氧化石墨烯、硼砂、血管内皮生长因子。

作为本发明的导电水凝胶材料优选实施方式，导电水凝胶材料的制备原料包括以下重量份的原料：聚乙烯醇1.6～6份、多巴胺0.3～1份、氧化石墨烯0.3～1份、硼砂0.6～2份、去离子水90.2～97.2份和血管内皮生长因子十万分之一至百万分之一份。

本发明以聚乙烯醇和硼砂为主体，氧化石墨烯为导电材料，多巴胺氧化聚合生成聚多巴胺，聚多巴胺除本身可以增强材料的导电性外，还可以起到粘接、助分散的作用，防止氧化石墨烯在水凝胶中团聚，增强材料的粘附性能。水凝胶的功能性通过血管内皮生长因子实现，可以有利于血管内皮细胞和血小板的黏附，适当本发明所制得的导电水凝胶材料有利于血管内皮细胞和血小板的集聚，加快重建部位的血管化，有利于心肌梗死部位的修复。本发明所述的血管内皮生长因子购置于广州昂科生物科技有限公司。

本发明还提供了一种导电水凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：

1)称取聚乙烯醇溶于去离子水，加热至90℃以上溶解，配置成4～16wt％PVA溶液；

2)称取多巴胺，加入到tirs-HCl缓冲液中，室温空气中反应1～24h，得到聚多巴胺溶液；

3)取步骤1)制备的聚乙烯醇溶液与步骤2)制备的多巴胺溶液混合，再加入氧化石墨烯，超声分散，随后磁力搅拌，随后加入血管内皮生长因子，得到溶液A；

4)称取硼砂溶于去离子水中，磁力搅拌至完全溶解，配置成3～10wt％硼砂溶液，即为溶液B；

(5)将溶液A与溶液B混合，即可得到导电水凝胶材料。

作为本发明的导电水凝胶材料的制备方法的优选实施方式，以制备100重量份导电水凝胶计，所述步骤2)中的tirs-HCl缓冲液为40重量份，步骤3)中的PVA溶液为40重量份，多巴胺溶液为40重量份。

作为本发明的导电水凝胶材料的制备方法的优选实施方式，所述的PVA的醇解度大于95％，粘度为3.5～4.5mP·s。PVA的醇解度和粘度会影响水凝胶材料成胶性能，粘度太低，水凝胶的强度低。

作为本发明的导电水凝胶材料的制备方法的优选实施方式，tirs-HCl缓冲液的pH为8.5。

作为本发明的导电水凝胶材料的制备方法的优选实施方式，所述氧化石墨烯通过细胞粉碎机处理，平均粒径为0.2～5μm。

作为本发明的导电水凝胶材料的制备方法的优选实施方式，所述溶液A与溶液B的体积比为2:1～8:1。AB溶液的体积比直接影响能否形成水凝胶或者形成水凝胶的强度，通过实验研究表明，当溶液A与溶液B的体积比为2:1～8:1时，其水凝胶的强度较佳。

作为本发明的导电水凝胶材料的制备方法的优选实施方式，所述步骤3)中超声分散25～40min，随后磁力搅拌6～10h。

作为本发明的导电水凝胶材料的制备方法的优选实施方式，所述的多巴胺为多巴胺或多巴胺盐酸盐。

作为本发明的导电水凝胶材料的制备方法的优选实施方式，所述的血管内皮生长因子浓度为五十万分之一重量份。血管内皮生长因子选用此浓度时，具有较好效果。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明以聚乙烯醇和硼砂为原料，利用硼酸酯键反应，原位生成导电水凝胶材料。水凝胶的功能性通过血管内皮生长因子实现，可以有利于血管内皮细胞和血小板的黏附，适当本发明所制得的导电水凝胶材料有利于血管内皮细胞和血小板的集聚，加快重建部位的血管化，有利于心肌梗死部位的修复；

(2)本发明以具有良好导电性能的氧化石墨烯为导电基材，并添加聚多巴胺使得本发明所公开的一种导电水凝胶材料具有良好的导电性能，使其可以对正常心肌产生的电冲动进行传导，能和心脏同步收缩，防止移植后出现不同步运动导致心率失常；

(3)本发明以生物安全性材料为原料使得发明所公开的一种导电水凝胶修复材料具有良好的生物活性。

附图说明

图1为本发明实施例1～3以及对比例的细胞毒性评价实验结果；

图2为本发明实施例1的FTIR谱图；

图3为本发明实施例1的SEM图。

具体实施方式

为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

作为本发明一种导电水凝胶材料的一种实施例，所述导电水凝胶材料包括以下重量份的原料：聚乙烯醇2.4份、多巴胺0.8份、氧化石墨烯0.5份、硼砂0.8份、去离子水95.5份，以及还包括浓度为五十万分之一为血管内皮生长因子；

本实施例的聚乙烯醇的醇解度为97.5％，粘度为4mpa·s，型号为1788型；

多巴胺选用多巴胺盐酸盐；氧化石墨烯通过细胞粉碎机处理，平均粒径为0.2～5μm；

本实施例以100重量份水凝胶为计：

本实施例的导电水凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：

1)称取PVA溶于去离子水，加热至90℃溶解，配置成6wt％PVA溶液；

2)称取多巴胺盐酸盐，加入到40重量份pH为8.5的tirs-HCl缓冲液中，室温空气中反应2h，得到聚多巴胺溶液；

3)取40重量份步骤1)制备的PVA溶液与40重量份步骤2)制备的聚多巴胺溶液混合，再加入氧化石墨烯，超声分散25min，随后磁力搅拌10h，随后加入血管内皮生长因子，得到溶液A；

4)称取硼砂溶于去离子水中，磁力搅拌至完全溶解，配置成4wt％硼砂溶液，即为溶液B；

5)将溶液A与溶液B按体积比4:1混合，即可得到导电水凝胶材料。然后移入装有人骨髓间充质干细胞的培养基中，放置于37℃二氧化碳浓度为5％的细胞培养箱中培养2～4天，即得本实施例的导电水凝胶材料。

如图2～3所示，分别为本实施例的导电水凝胶材料的FTIR谱图和SEM图像。

实施例2

作为本发明一种导电水凝胶材料的一种实施例，所述导电水凝胶材料包括以下重量份的原料：聚乙烯醇1.6份、多巴胺0.3份、氧化石墨烯0.3份、硼砂0.6份、去离子水97.2份，以及还包括浓度为百万分之一为血管内皮生长因子；

本实施例的聚乙烯醇的醇解度为95％，粘度为4.5mpa·s。

多巴胺选用多巴胺盐酸盐；氧化石墨烯通过细胞粉碎机处理，平均粒径为0.2～5μm。

本实施例以100重量份水凝胶为计：

本实施例的导电水凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：

1)称取PVA溶于去离子水，加热至90℃溶解，配置4wt％PVA溶液；

2)称取多巴胺盐酸盐，加入到40重量份pH为8.5的tirs-HCl缓冲液中，室温空气中反应1h，得到聚多巴胺溶液；

3)取40重量份步骤1)制备的PVA溶液与40重量份步骤2)制备的聚多巴胺溶液混合，再加入氧化石墨烯，超声分散30min，随后磁力搅拌8h，随后加入血管内皮生长因子，得到溶液A；

4)称取硼砂溶于去离子水中，磁力搅拌至完全溶解，配置成3wt％硼砂溶液，即为溶液B；

5)将溶液A与溶液B按体积比2:1混合，即可得到导电水凝胶材料。然后移入装有人骨髓间充质干细胞的培养基中，放置于37℃二氧化碳浓度为5％的细胞培养箱中培养2-4天，即得本实施例的导电水凝胶材料。

实施例3

作为本发明一种导电水凝胶材料的一种实施例，所述导电水凝胶材料包括以下重量份的原料：聚乙烯醇6份、多巴胺0.8份、氧化石墨烯1.0份、硼砂2份、去离子水90.2份，以及还包括浓度为十万分之一份血管内皮生长因子；

本实施例的聚乙烯醇的醇解度为98.5％，粘度为3.5mpa·s，型号为1788型；

多巴胺选用多巴胺盐酸盐；氧化石墨烯通过细胞粉碎机处理，平均粒径为0.2～5μm；

本实施例以100重量份水凝胶为计：

本实施例的导电水凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：

1)称取PVA溶于去离子水，加热至90℃溶解，配置成16wt％PVA溶液；

2)称取多巴胺盐酸盐，加入到40重量份pH为8.5的tirs-HCl缓冲液中，室温空气中反应24h，得到聚多巴胺溶液；

3)取40重量份步骤1)制备的PVA溶液与40重量份步骤2)制备的聚多巴胺溶液混合，再加入氧化石墨烯，超声分散40min，随后磁力搅拌6h，随后加入血管内皮生长因子，得到溶液A；

4)称取硼砂溶于去离子水中，磁力搅拌至完全溶解，配置成10wt％硼砂溶液，即为溶液B；

5)将溶液A与溶液B按体积比8:1混合，即可得到导电水凝胶材料。然后移入装有人骨髓间充质干细胞的培养基中，放置于37℃二氧化碳浓度为5％的细胞培养箱中培养2-4天，即得本实施例的导电水凝胶材料。

对比例1

本对比例采用现有技术专利申请号为CN201510262731.8促进心肌修复的可注射壳聚糖复合水凝胶及其制备方法中实施例1制备得的水凝胶。

实施例4

对本发明实施例1～3以及对比例所得的一种导电水凝胶材料进行性能测试。

(1)力学性能的检测：将上述实施例1～3所制备的一种导电水凝胶与对比例进行力学评价实验，采用Instron 5575力学试验机测试对对比例和实验组的弹性模量，压缩速率设置为0.1mm/min，用于测试的样品的直径为3mm，高为4mm，并且以新鲜猪心脏组织作为对照组，测试前仪器调零，随后测试采用自动复位功能测试，每组样品设置5个平行样，实验结果如表1所示。

表1

样品	平行组数	弹性模量(KPa)
			实施例1	5	90.6±2.1
实施例2	5	88.3±1.8
			实施例3	5	92.5±3.7
对比例1	5	87.3±2.7
			对照组	5	90.1±2.3

从表1数据可以看出，通过本发明所制得的导电水凝胶实施例1～3的弹性模量均明显较对比例高，且与对照组相当，说明本发明所制得的一种仿生心肌补片修复材料具有与正常心肌组织相当的力学性能，满足植入要求。

(2)细胞毒性评价实验：将上述实施例1～3所制备的一种导电水凝胶材料与对比例进行细胞毒性评价实验(按国标GB/T 16886.5-2003进行实验)，对比实施例1～3和对比例的实验结果如图1所示。

从图1可知，实施例1～3样品在与心肌细胞共培养1天和7天后，细胞毒性检测显示细胞的相对增殖率均在90％以上，细胞毒性评级为0级，证明其具有良好的细胞相容性，而对比例样品与心肌细胞共培养1天和7天后其对应细胞的相对增殖率分别为85.5％、82.04％，细胞毒性评级为1级，具有轻微的细胞毒性。此外，共培养时间的延长实施例1～3的相对相比增殖率均有明显提高，证明本发明所制备的导电水凝胶可以促进心肌细胞的生长，有利于心肌梗死区域的修复。

(3)导电性能测试：将上述实施例1～3所制备的导电水凝胶材料与对比例采用四探针法进行导电性能评价，取溶胀平衡状态下的测试样品(直径：15mm，高：5mm)，采用KDY-1型四探针电阻率测定仪测试样品的电阻率ρ，电导率k的计算公式为：k＝1/ρ，实验结果如表2所示。

表2

从表2数据可以看到通过本发明所制得的一种仿生心肌补片修复导电水凝胶材料实施例1～3的电导率均明显较对比例高，且随样品中氧化石墨烯的含量增大而明显增多，有利于水凝胶支架在植入人体后，电信号通路的构建，对应梗死部位的细胞生长有良好的促进效果。

最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种导电水凝胶材料，其特征在于，所述导电水凝胶材料的制备原料包括聚乙烯醇、多巴胺、氧化石墨烯、硼砂、血管内皮生长因子。

2.根据权利要求1所述的导电水凝胶材料，其特征在于，导电水凝胶材料的制备原料包括以下重量份的原料：聚乙烯醇1.6～6份、多巴胺0.3～1份、氧化石墨烯0.3～1份、硼砂0.6～2份、去离子水90.2～97.2份和血管内皮生长因子十万分之一至一百万分之一份。

3.一种如权利要求1或2所述的导电水凝胶材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)称取聚乙烯醇溶于去离子水，加热至90℃以上溶解，配置成4～16wt％聚乙烯醇溶液；

2)称取多巴胺，加入到tirs-HCl缓冲液中，室温空气中反应1～24h，得到聚多巴胺溶液；

3)取步骤1)制备的PVA溶液与步骤2)制备的多巴胺溶液混合，再加入氧化石墨烯，超声分散，随后磁力搅拌，随后加入血管内皮生长因子，得到溶液A；

4)称取硼砂溶于去离子水中，磁力搅拌至完全溶解，配置成3～10wt％硼砂溶液，即为溶液B；

5)将溶液A与溶液B混合，即可得到导电水凝胶材料。

4.根据权利要求3所述的导电水凝胶材料的制备方法，其特征在于，以制备100重量份导电水凝胶计，所述步骤2)中的tirs-HCl缓冲液为40重量份，步骤3)中的PVA溶液为40重量份，多巴胺溶液为40重量份。

5.根据权利要求3所述的导电水凝胶材料的制备方法，其特征在于，所述的PVA的醇解度大于95％，粘度为3.5～4.5mP·s。

6.根据权利要求3所述的导电水凝胶材料的制备方法，其特征在于，tirs-HCl缓冲液的pH为8.5。

7.根据权利3所述的导电水凝胶材料的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨烯通过细胞粉碎机处理，平均粒径为0.2～5μm。

8.根据权利要求3所述的导电水凝胶材料的制备方法，其特征在于，所述溶液A与溶液B的体积比为2:1～8:1。

9.根据权利要求3所述的导电水凝胶材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中超声分散25～40min，随后磁力搅拌6～10h。

10.根据权利要求3所述的导电水凝胶材料的制备方法，其特征在于，所述的多巴胺为多巴胺或多巴胺盐酸盐。