CN109824922A - 一种具有红外光响应的水凝胶材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有红外光响应的水凝胶材料及其制备方法，包括如下步骤：1)配制CTAB溶液，调节溶液pH呈碱性；2)在40‑60℃下，边搅拌边向CTAB溶液中滴加正硅酸乙酯TEOS，得到乳白色的SiO₂原液；3)向SiO₂原液中滴加APTES，获得氨基改性的二氧化硅SiO₂‑NH₂，离心弃上清液，沉淀洗涤后用酸性甲醇回流，再次离心并洗涤，干燥，得到SiO₂‑NH₂；4)将SiO₂‑NH₂分散于ICG水溶液中，获得负载ICG的介孔纳米二氧化硅SiO₂‑NH₂‑ICG，离心弃上清液，去离子水洗涤，冷冻干燥得到SiO₂‑NH₂‑ICG；5)将SiO₂‑NH₂‑ICG分散到蚕丝丝素溶液中，分散均匀后先后加入辣根过氧化酶和双氧水进行酶促交联反应，得到具有红外光响应的丝素水凝胶。根据本发明的方法制得的红外响应水凝胶具有高效的光热转换效率，可用于药物的控释，具有良好的应用前景。

Description

一种具有红外光响应的水凝胶材料及其制备方法

技术领域

本发明属于生物医学材料领域，具体涉及一种具有红外光响应的水凝胶材料及其制备方法。

背景技术

能够在感知外界因素的刺激下发生内部结构的变化(水解、质子化、构象变化和作用力变化等)，从而实现对药物的可控释放的一类水凝胶被称作智能响应型水凝胶控释载体。这些刺激信号主要包括外源性刺激(温度、光、电场等)和内源性刺激(pH值、氧化还原等)。

温度是外源性刺激中最易控制且易适用于体内或体外的一种刺激信号。近年来很多研究报道研究了性能优良且具有很好应用前景的温度响应型水凝胶药物控释载体。比如不同亲/疏水段比例和分子量的温敏聚(ε-己内酯)-聚乙二醇-聚(ε-己内酯)嵌段共聚物(PCEC)、温敏聚(丙交酯-乙交酯)/聚乙二醇嵌段共聚物(PLGA-PEG-PLGA)、疏水药物喜树碱(CPT)修饰的低分子量聚乙二醇单甲醚(mPEG2000)两亲性聚合物(CPT-PEG2000)等等。这类水凝胶具有与人体温度相适宜的相转变温度，使水凝胶中高分子链间的作用力发生变化，实现药物的装载和控释。然而，在两亲性嵌段共聚物制备过程中，有机溶剂的使用和残留会直接影响作为药物载体的安全性。此外，两亲性嵌段共聚物制备和纯化过程复杂、不易获得。因此，发展生物相容性优良且制备过程简单的新型光响应性水凝胶载体将会大大促进其在药物控释方面中的发展。

丝素作为一种天然蛋白质，具有良好的生物相容性、药物缓释性、生物可降解性和良好的溶氧渗透性，近期，已被FDA批准可用于临床医学。目前采用酶促交联方法可以简单快速制备透明度高和生物相容性良好的丝素水凝胶材料。

光响应性药物释放系统具有非侵入性和远程调控的特性，其中红外光能够实现更深的组织的穿透和最小的组织伤害，使得近红外光药物释放系统更具有适合临床应用前景。例如，装载阿霉素的空心金纳米球在808nm激光照射下能够加速阿霉素药物释放，相较于游离阿霉素，显著增强了肿瘤部位抗癌效果，同时降低了系统毒性。ICG具有近红外吸收和发射荧光的特点，可作为一种优良的体内成像剂，ICG在近红外光照射下会逐渐升温，具有优良的光热转换效应。ICG在体内的消除完全经由肝胆系统，由肝细胞主动摄取，在排入胆道，最后进入肠道，以原型排出，期间无代谢改变，亦不经肝肠循环。但是，ICG在水溶液中的不稳定性及在血浆中的快速清除(半衰期2—4min)限制了其在临床方面的应用。

纳米二氧化硅，因其生物安全性，广泛用于生物分析、成像和药物载体等的研究。且二氧化硅纳米颗粒因具有有序介孔结构、比表面积大、毒副作用小、生物相容性好和表面易于改性的特点，从而使其具有许多独特的性能，在生物医学的领域显现出极大的应用前景。

发明内容

本发明提供了一种具有红外光响应的水凝胶材料及其制备方法，通过该方法获得的红外响应水凝胶具有高效的光热转换效率，可用于药物的控释，具有良好的应用前景。

本发明提供的具体解决方案包括如下步骤：

1)配制十六烷基三甲基溴化铵CTAB溶液，调节溶液pH呈碱性；

2)在40-60℃下，边搅拌边向CTAB溶液中滴加正硅酸乙酯TEOS，得到乳白色的SiO₂原液；

3)向SiO₂原液中滴加3-氨丙基三乙氧基硅烷APTES，获得氨基改性二氧化硅SiO₂-NH₂，离心弃上清液，沉淀洗涤后用酸性甲醇回流，再次离心并洗涤，干燥，得到SiO₂-NH₂；

4)将SiO₂-NH₂分散于吲哚菁绿ICG水溶液中，获得负载ICG的介孔纳米二氧化硅SiO₂-NH₂-ICG，离心弃上清液，去离子水洗涤，冷冻干燥得到SiO₂-NH₂-ICG。

5)将SiO₂-NH₂-ICG分散到蚕丝丝素溶液中，分散均匀后先后加入辣根过氧化酶和双氧水进行酶促交联反应，得到具有红外光响应的丝素水凝胶。

采用上述方案的有益效果是：

氨基化的介孔二氧化硅纳米颗粒能够有效装载ICG，提高ICG的水稳定性、光稳定性、热稳定性和抗氧化性，同时保持ICG较高的光热转换效率。

根据本发明提供的红外光响应性水凝胶制备工艺简单易行，条件易于控制，具有较好的应用前景。

根据本发明提供的方法制备的红外光响应性水凝胶具有重要的应用价值，特别是对于光响应性药物释放系统，该水凝胶可将红外光照射转化为热能，作为触控开关，控释水凝胶中包裹的药物制品。

优选的，步骤3)中通过真空干燥获得改性二氧化硅SiO₂-NH₂。

通过真空干燥可有效缩短干燥时间，防止其氧化变性。

优选的，步骤4)采用恒温油浴磁力搅拌器将SiO₂-NH₂均匀分散于ICG水溶液中。

在此制备条件下，ICG具有较高的负载效率。

具体的，步骤4)将干燥后的SiO₂-NH₂和ICG水溶液相混合，搅拌一段时间后，ICG以物理吸附作用装载到改性二氧化硅SiO₂-NH₂上。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：

进一步，步骤1)中CTAB溶液的浓度为1.186-1.600mg/ml，用浓氨水调节溶液pH为10.5-11.5。

优选的，步骤1)中采用浓氨水调节溶液的pH值为11。

在此条件制备下，可以获得高产量的二氧化硅纳米材料。

进一步，步骤2)中CTAB溶液中TEOS添加量为5.93-8.00μl/ml。

在此制备条件下，可以得到粒径分布均匀的的二氧化硅原液。

进一步，步骤3)中，APTES的添加量为0.75-2.25μl/ml，沉淀洗涤后用2％盐酸甲醇(V/V)回流，配制2％盐酸甲醇时加入的盐酸浓度为36％-37％。

在该浓度下，APTES氨基化改性后获得的二氧化硅纳米颗粒表面存在大量的NH₂，有利于提高后续ICG的负载率，产物经该浓度的酸性甲醇溶液回流后可有效去除CTAB模板及反应残留物。

进一步，步骤4)中ICG水溶液中ICG的浓度为350-450mg/ml。

优选的，ICG与SiO₂-NH₂的质量比为1：12.5，装载时间为3h。

在该条件下，SiO₂-NH₂具有较高的ICG负载率。

进一步，步骤5)中包括：

1)用超纯水配制质量浓度为1-5％的蚕丝丝素水溶液；

2)将辣根过氧化酶添加到丝素溶液中，使其溶解充分后，再加入双氧水溶液，并迅速摇匀，反应得到凝胶。

含有酪氨酸的的蛋白质在HRP酶促作用下，在酪氨酸侧链之间可形成稳定的共价键。

进一步，步骤5)中辣根过氧化酶的浓度5-20U/ml，双氧水的浓度为0.05-20mg/ml，反应温度为10-50℃，反应时间为10-120min。

通过调节辣根过氧化酶、双氧水浓度以及反应温度可以调控丝素凝胶时间以及丝素凝胶弹性模量以获得较佳的丝素水凝胶。

优选的，步骤2)中将共混体系摇匀并真空脱泡后再进行水浴反应处理。

在该制备条件下，可获得内部结构更加均匀的水凝胶材料。

优选的，步骤2)中双氧水的浓度为2-10mg/ml。

在此范围内，丝素凝胶时间较短，有利于后续纳米材料和药物的负载。

进一步，步骤5)中，蚕丝丝素溶液的制备方法如下:

1)对天然蚕丝进行脱胶，将脱胶后的丝素纤维溶解于三元溶液；

2)将溶解丝素纤维的盐溶液转移到纤维透析袋中透析36-72h脱盐，最后通过过滤、离心去除杂质，经过浓缩得到蚕丝丝素水溶液。

通过该方法可从天然蚕丝中提纯得到高浓度的丝素水溶液。

具体的，步骤1)中的三元溶液由CaCl₂、乙醇和水组成，其中CaCl₂、乙醇和水三者的物质的量之比为1:2:8。

优选的，控制溶解温度在70-75℃之间，搅拌直至溶解，然后以去离子水透析48-60h，经过过滤、离心除杂和风干浓缩得到丝素水溶液。

该条件下，可从天然蚕丝中提纯得到高纯度的丝素水溶液。

可选的，步骤1)中，对天然蚕丝进行脱胶，将脱胶后的丝素纤维溶解于溴化锂盐溶液。

通过该方法也可从天然蚕丝提纯得到高浓度的丝素水溶液。

具体的，将丝素纤维加入到盛有溴化锂盐溶液的圆底烧瓶中，控制溴化锂盐溶液的浓度为9.3mol/L，控制溶解温度在70-75℃之间，搅拌直至溶解，然后以去离子水透析48-60h，经过过滤、离心除杂和风干浓缩得到丝素水溶液。

该条件下，可从天然蚕丝中提纯得到高产量、高纯度的丝素水溶液。

进一步，步骤5)中的蚕丝选自家蚕、柞蚕、天蚕蚕丝中任意一种，辣根过氧化酶来源于微生物。

用于制作水凝胶的材料中，基质(含蛋白质的原料，比如蚕丝)和酶促交联的成分均可且优选为天然生物来源，从而使获得水凝胶安全可靠，资源充足。

本发明还提供了上述制备方法制得的具有红外光响应的水凝胶材料，所述水凝胶材料的内部均匀分散了负载有ICG经氨基改性的介孔SiO₂材料SiO₂-NH₂-ICG。

该水凝胶材料具有较高的光热转换效率，可用于药物的控释，具有良好的应用前景。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为本发明的具有红外响应的水凝胶材料的制备流程图。

图2为本发明的SiO₂-NH₂-ICG透射电镜图片。

图3为实施例1、实施例2、实施例3、对比例1、对比例2和对比例3制备的丝素水凝胶样品的光热升温曲线。

图4为SiO₂-NH₂-ICG和ICG丝素水凝胶循环光热升温曲线。

图5为丝素水凝胶对阿霉素光热响应的释放。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

实施例1(SiO₂-NH₂-ICG丝素水凝胶)

结合附图1，本发明提供的具体解决方案包括如下步骤：

(1)配制200ml浓度为1.395mg/ml的CTAB溶液，调节溶液pH为11；在50℃下，边搅拌边向溶液缓慢滴加1.395mlTEOS，搅拌速度为600r/min，得到乳白色的SiO₂原液；向SiO₂原液中滴加0.3mlAPTES，获得氨基改性SiO₂，以8000rmp转速离心20min，弃上清液，用去离子水与无水乙醇洗涤沉淀物，离心后用酸性甲醇回流，再次离心并清洗残余物，干燥，得到氨基改性二氧化硅纳米颗粒SiO₂-NH₂；

(2)将15mg研磨后的SiO₂-NH₂纳米颗粒分散于3ml，400μg/ml的ICG溶液中，获得负载ICG的纳米二氧化硅，以8000rmp转速离心20min，弃上清液，用去离子水洗涤沉淀物，冷冻干燥获得负载ICG的的氨基改性的介孔二氧化硅纳米颗粒SiO₂-NH₂-ICG(如图2所示)；

(3)将SiO₂-NH₂-ICG加入到3％的丝素水溶液配制成100μg/ml的SiO₂-NH₂-ICG丝素溶液；

(4)取100μg/ml的SiO₂-NH₂-ICG丝素溶液，在缓慢搅拌下依次加入辣根过氧化酶和双氧水，共混溶液中，最终辣根过氧化酶的浓度为10U/ml，双氧水的浓度为0.6mg/ml；

(5)将共混溶液迅速真空脱泡之后置于37℃的水浴中，反应1h之后得到红外响应的丝素水凝胶。

其中，丝素水凝胶的制备过程为：对天然蚕丝进行脱胶，将脱胶后的丝素纤维置于9.3mol/L溴化锂溶液中，加热使溶液的温度为70℃，搅拌至溶解，然后以去离子水透析72h，经过过滤、离心除杂和风干浓缩得到丝素水溶液。

实施例2(SiO₂-NH₂-ICG丝素水凝胶)

其它步骤同实施例1，不同之处在于：在步骤(3)中，将SiO₂-NH₂-ICG加入到3％的丝素水溶液配制成200μg/ml的SiO₂-NH₂-ICG丝素溶液；在步骤(4)中，取200μg/ml的SiO₂-NH₂-ICG丝素溶液，在缓慢搅拌情况下向其中依次加入辣根过氧化酶和双氧水，共混溶液中，最终辣根过氧化酶的浓度为10U/ml，双氧水的浓度为0.6mg/ml。

实施例3(SiO₂-NH₂-ICG丝素水凝胶)

其它步骤同实施例1，不同之处在于：在步骤(3)中，将SiO₂-NH₂-ICG加入到3％的丝素水溶液配制成500μg/ml的SiO₂-NH₂-ICG丝素溶液；在步骤(4)中，取500μg/ml的SiO₂-NH₂-ICG丝素溶液，在缓慢搅拌情况下向其中依次加入辣根过氧化酶和双氧水，共混溶液中，最终辣根过氧化酶的浓度为10U/ml，双氧水的浓度为0.6mg/ml。

实施例4(装载抗癌药物的丝素水凝胶材料)

同实施例3，不同之处在于：将抗癌药物分散于步骤(3)中制备的SiO₂-NH₂-ICG丝素溶液分散液中。具体的，所述抗癌药物为阿霉素。

对比例1(不添加APTES的丝素水凝胶材料)

同实施例3，不同之处在于：制备SiO₂纳米材料时不添加APTES。

对比例2(空白丝素水凝胶材料)

同实施例3，不同之处在于：不添加SiO₂-NH₂-ICG光敏材料。

对比例3(ICG丝素水凝胶材料)

同实施例3，不同之处在于：不添加SiO₂-NH₂-ICG光敏材料，只添加与SiO₂-NH₂-ICG等当量的ICG。

光热转换性能测定

为了考察材料的光热转换性能，将实施例1、实施例2、实施例3、对比例1、对比例2和对比例3制得的样品，使用MDL-III-808-2W激光器(长春新产业光电技术有限公司)于1.5w/cm²激光照射5min并检测水凝胶不同照射时间下的温度，结果如图3所示。实施例2、实施例3中得到的水凝胶材料光热转化效率明显高于对比例1，说明ICG成功的装载在SiO₂-NH₂上，同时ICG具有良好光热转换性能；对比例2中的水凝胶材料不具有光敏材料，凝胶材料的温度几乎不变，说明单纯的丝素水凝胶材料几乎不具有光热转换性能。

实施例3中得到的水凝胶在近红外光照射5min后，水凝胶的温度升高约12℃，而对比例3中的水凝胶升高了约3℃，说明根据本发明的方法制备的SiO₂-NH₂-ICG丝素水凝胶，在808nm的激光照射后能引起溶液温度的明显升高，对比例3中的水凝胶几乎没有光热效应的，这是由于在丝素快速形成凝胶时，需要加入一定量的酶和双氧水，加入微量的双氧水就能使ICG变性，颜色从绿色变成灰色，失去光热效应。通过本申请的方法制备的SiO₂-NH₂-ICG水凝胶材料提高了ICG的稳定性，使其不容易变性，从而具有优异的光热转换性能。

光热稳定性测试

为了考察材料的光热稳定性，将SiO₂-NH₂-ICG丝素水凝胶(实施例3)与ICG丝素水凝胶(对比例3)分别在近红外激光照射下进行循环升温测试3次，结果如图4所示。SiO₂-NH₂-ICG丝素水凝胶在近红外激光照射下温度分别从31.0℃升高至43.7℃、42.3℃和41.9℃，ICG丝素水凝胶分别从31.0℃升至34.2℃、32.8℃和31.8℃，循环3次以后，ICG丝素水凝胶几乎没有光热效果了，然而，在多次照射后，SiO₂-NH₂-ICG丝素水凝胶仍然具有较高的光热转换性能，说明SiO₂-NH₂-ICG丝素水凝胶材料具有优于ICG丝素水凝胶材料的光热稳定性。

结合以上实验结果可知，本发明所报道的SiO₂-NH₂颗粒提高了ICG的光稳定性与溶液稳定性，增强了ICG的光热转换效率，具有良好的应用前景。

水凝胶近红外光热响应的药物释放效果测定

取实施例4中制备的装载阿霉素的水凝胶两份，将其分别放入30mL pH为7.4的PBS缓冲液中，一份用功率为1.5w/cm²的808nm近红外光照射，分别在第2、4和6小时照射5分钟，另一份不照射，在37℃水浴振荡器中进行药物释放，测定药物释放曲线，结果如图5所示。在近红外光照射下，水凝胶对阿霉素的的释放速度明显加快，8h后，累计释放量从不照射时的39.9％提高至48.6％，说明该水凝胶对ICG的光热效应表现出敏感的响应性，具有很好的近红外光热药物控释性能。

由以上实验可知，根据本发明的方法制备的SiO₂-NH₂-ICG丝素水凝胶，提高了ICG的水稳定性，光稳定性，热稳定性和抗氧化性等性能，该水凝胶材料中ICG具有优异光热转换效率，在红外光的照射下能够使凝胶材料产生显著的温度变化，使丝素水凝胶中高分子链间的作用力发生变化，从而实现药物的控释，具有良好的应用前景。

尽管上面已经详细描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种具有红外光响应的水凝胶材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)配制十六烷基三甲基溴化铵CTAB溶液，调节溶液pH呈碱性；

2)在40-60℃下，边搅拌边向CTAB溶液中滴加正硅酸乙酯TEOS，得到乳白色的SiO₂原液；

3)向SiO₂原液中滴加3-氨丙基三乙氧基硅烷APTES，获得氨基改性的二氧化硅SiO₂-NH₂，离心弃上清液，沉淀洗涤后用酸性甲醇回流，再次离心并洗涤，干燥，得到SiO₂-NH₂；

4)将SiO₂-NH₂分散于吲哚菁绿ICG水溶液中，获得负载ICG的介孔纳米二氧化硅SiO₂-NH₂-ICG，离心弃上清液，去离子水洗涤，冷冻干燥得到SiO₂-NH₂-ICG；

5)将SiO₂-NH₂-ICG分散到蚕丝丝素溶液中，分散均匀后先后加入辣根过氧化酶和双氧水进行酶促交联反应，得到具有红外光响应的丝素水凝胶。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中CTAB溶液的浓度为1.186-1.600mg/ml，用浓氨水调节溶液pH为10.5-11.5。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中CTAB溶液中TEOS的添加量为5.93-8.00μl/ml。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中APTES的添加量为0.75-2.25μl/ml，沉淀洗涤后用2％盐酸甲醇(V/V)回流，配制2％盐酸甲醇时加入的盐酸浓度为36％-37％。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤4)中ICG水溶液中ICG的浓度为350-450mg/ml。

6.根据权利要求1-5任一所述的制备方法，其特征在于，步骤5)中包括：

1)用超纯水配制质量浓度为1-5％的蚕丝丝素水溶液；

2)将辣根过氧化酶添加到丝素溶液中，使其溶解充分后，再加入双氧水溶液，并迅速摇匀，反应得到凝胶。

7.根据权利要求1-5任一所述的制备方法，其特征在于，步骤5)中辣根过氧化酶的浓度5-20U/ml，双氧水的浓度为0.05-20mg/ml，反应温度为10-50℃，反应时间为10-120min。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤5)中，蚕丝丝素溶液的制备方法如下:

1)对天然蚕丝进行脱胶，将脱胶后的丝素纤维溶解于三元溶液；

2)将溶解丝素纤维的盐溶液转移到纤维透析袋中透析36-72h脱盐，最后通过过滤、离心去除杂质，经过浓缩得到蚕丝丝素水溶液。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤5)中的蚕丝选自家蚕、柞蚕、天蚕中任意一种，辣根过氧化酶来源于微生物。

10.由权利要求1-9任一所述的制备方法得到的具有红外光响应的水凝胶材料，其特征在于，所述水凝胶材料的内部均匀分散了负载有ICG经氨基改性的介孔SiO₂材料SiO₂-NH₂-ICG。