CN109939066A - 基于功能化双网络的刺激响应水凝胶及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于功能化双网络的刺激响应水凝胶及其制备方法和应用。以质量份数计，刺激响应水凝胶的原料组成为：1～5份含有氨基的烯丙基化高分子、10～50份丙烯酸衍生物、0.1～0.5份光引发剂、0.1～1份交联剂和100～400份水；原料发生聚合反应后产物在醛溶液中浸泡，再用去离子水浸泡，得到基于功能化双网络的刺激响应水凝胶。本发明制备的水凝胶具有可简易控制的分子开关‑席夫碱键，该水凝胶可对负载的药物提供有效保护，提高药物的累计释放量，延长药物累计释放时间，具有良好的载药性能，可控性强，在药物控释等方面具有广阔的应用前景。

Description

基于功能化双网络的刺激响应水凝胶及其制备方法和应用

技术领域

本发明特别涉及一种刺激响应性的水凝胶，特别是涉及一种基于功能化双网络的刺激响应水凝胶及其制备方法和应用，属于生物材料技术领域。

背景技术

水凝胶是一种具有三维网络结构的高分子材料，它具有亲水性，不溶于水，但能够吸收大量水分。作为一种智能的聚合物，刺激响应性的水凝胶可以对不同的外界条件(如：温度、pH值、磁场、电场、溶剂、光等)产生相应的结构或性能上的变化，故而，刺激响应性的水凝胶被广泛应用于药物传递、组织工程、记忆开关元件及生物传感器等领域。

在药物控释方面，中国发明专利申请CN108434093A公开了一种用羧甲基壳聚糖和氧化葡萄糖制得具有席夫碱键的可注射水凝胶，该水凝胶主要通过药物浓度的梯度驱动来进行释放，没有将席夫碱键运用在控释过程。中国发明专利申请CN106492220A公开了一种介孔硅纳米粒子和透明质酸-壳聚糖基的复合水凝胶，通过包封法使得模型药物较好地储存在孔道内，并降低药物的扩散速率。为解决传递过程中药物不能定点作用的问题，中国发明专利申请CN104888229A公开了一种利用太阳光引发，制得单(6-琉基-6-去氧)-β-环糊精接枝的聚甲基丙烯酸羟乙酯水凝胶。但上述水凝胶的制备较为复杂，而且水凝胶的载药量较低，选择的模型药物实用性差，也不能满足药物在复杂条件下的高效释放，控释的条件有待提高。

双氯酚酸钠(Diclofenac sodium)，化学名2-[(2,6-二氯苯基)氨基]-苯乙酸钠，是一种为强效解热镇痛消炎药，其消炎作用是吲哚美辛的2～2.5倍，较乙酰水杨酸强26～50倍。Dragan等(ACS Applied Materials&Interfaces，2016,8(19)，12018-12030)报道了一种能在胃环境和肠环境下控释双氯酚酸钠的互穿网水凝胶，该水凝胶通过甲基丙烯酸二甲氨乙酯和丙烯酰胺聚合而得，操作简单，且有着较高的累计释放率(约85％)。然而，水凝胶制备过程中使用四甲基乙二胺作促进剂，过硫酸铵作引发剂，该促进剂具有强神经毒性，且单体之一的丙烯酰胺具有遗传毒性和致癌性，故而，这种水凝胶往往具有潜在毒性。在药物释放过程中，水凝胶的累计释放时间最大为600分钟，且释放集中在200分钟左右，所以，这种没有可控开关的简单水凝胶药物缓释方面效果较差。

当前有许多控释药物的水凝胶，但是这些水凝胶并没有涉及特殊的分子开关，其释放途径大都是改变离子相互作用以实现药物与水凝胶的分离，缺少分子开关的驱动；此外，天然高分子(如：壳聚糖、琼脂、纤维素等)和聚合物相结合的双网络水凝胶低毒、易得、成本低，但是，目前此类水凝胶并未设计功能化的双网络结构来负载或释放目标药物。在实际的药物释放体系中，缺少能灵活控制结构来实现药物定向输送的水凝胶，因此，需要开发一种具有特殊功能的双网络水凝胶以满足药物控释体系中简单控制、高效释放、定向释放、缓慢释放等具体需求。

发明内容

本发明目的在于克服一般pH响应水凝胶在药物释放中的不足，设计具有控制药物释放的分子开关，提供一种安全性好，药物缓释上效果好，具有分子开关响应的基于功能化双网络的刺激响应水凝胶及其制备方法，该制备过程以水为溶剂，反应条件温和，后处理简单，可操作性强。

本发明的另一目的在于提供基于功能化双网络的刺激响应水凝胶的应用，在模拟肠环境的条件下该水凝胶对目标药物提供一定的保护，在模拟胃环境的条件下目标药物能与水凝胶有效分离，实现药物定向传输和高效释放，增加药物的累计释放量并延长其累计释放时间，使得该水凝胶能够成为优异的药物控释载体。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现:

一种基于功能化双网络的刺激响应水凝胶，以质量份数计，其原料组成为：1～5份含有氨基的烯丙基化高分子、10～50份丙烯酸衍生物、0.1～0.5份光引发剂、0.1～1份交联剂和100～400份水；原料发生聚合反应后产物在醛溶液中浸泡，再用去离子水浸泡，得到基于功能化双网络的刺激响应水凝胶；

所述含有氨基的烯丙基化高分子是由烯丙基溴、三乙胺与含有氨基的高分子在丙酮中通过亲核取代反应得到；所述的含有氨基的高分子为壳聚糖、聚乙烯亚胺和聚赖氨酸中的一种或多种；所述的光引发剂为2-氧代戊二酸、2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮和2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮中的一种或多种。

为进一步实现本发明目的，优选地，所述的含有氨基的烯丙基化高分子的平均分子量为30～1000kDa，衍生物的取代度为5～15％。

优选地，所述的交联剂为N,N'-亚甲基双丙烯酰胺、二甲基丙烯酸乙二醇酯、N,N'-双(丙烯酰)胱胺和环氧氯丙烷中的一种或多种。

优选地，所述的丙烯酸衍生物为丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、丙烯酸钠、丙烯酸二甲胺基乙酯、2-丙烯酰胺基-2甲基丙磺酸钠和丙烯酸羟乙酯中的一种或多种。

优选地，所述醛溶液的醛为乙二醛、丙二醛、丁二醛、戊二醛和α,ω-二醛基聚乙二醇中的一种或多种。

优选地，所述的醛溶液的质量浓度为1～3％；所述的在醛溶液中浸泡的时间为1～6h。

优选地，所述的用去离子水浸泡是用去离子水浸泡3天，每隔12h更换一次水。

所述的基于功能化双网络的刺激响应水凝胶的制备方法，包括如下步骤：

1)含有氨基的烯丙基化高分子制备：以质量份数计，将0.1～1份烯丙基溴、1～5份三乙胺与1～3份含有氨基的高分子在10～25份丙酮中混合，通过亲核取代反应得到；

2)刺激响应水凝胶的制备：将含有氨基的烯丙基化高分子、丙烯酸衍生物、光引发剂、交联剂溶于水中，通过引发剂引发聚合反应，产物在醛溶液中浸泡，再用去离子水浸泡，去除杂质，得到基于功能化双网络的刺激响应水凝胶。

所述的基于功能化双网络的刺激响应水凝胶在药物定向传输和高效释放中的应用。

优选地，所述药物为双氯酚酸钠。

本发明是由含有氨基的烯丙基化高分子、丙烯酸衍生物、光引发剂、交联剂溶于水中，通过引发剂引发水溶性双键单体和含烯丙基的水溶性胺类高分子的不饱和键发生聚合反应制得。本发明具有烯丙基和氨基的水溶性高分子的制备方法克服了带疏水基团的高分子不溶或难溶于水溶液的缺点，拓宽其应用范围。

本发明制备的水凝胶的双网络结构具有可简易控制的分子开关-席夫碱键，它由含有氨基的烯丙基化高分子的氨基和醛类化合物的醛基反应得到，这种对酸碱环境具有响应的化学键不仅可以对负载的药物提供有效保护，还可以在打开开关后提高药物的累计释放量，延长药物的累计释放时间，具有良好的载药性能，可控性强，在药物控释体系、人造软骨、生物传感器等方面具有广阔的应用前景。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果:

1)在模拟肠环境(pH＝7.4)的条件下，基于功能化双网络的刺激响应水凝胶的分子开关处于关闭状态，这对水凝胶所载的药物提供了一定的保护，并减少了药物在该条件下的释放。

2)在模拟胃环境(pH＝1.2)的条件下，基于功能化双网络的刺激响应水凝胶的分子开关处于打开状态，这可以改变水凝胶所载药物的释放机理，提升释放效率。

3)结合上述两种释放途径，可以实现药物的高效释放，其中，药物的累计释放率可增加20～30％，药物的累计释放时间可延长300min。

4)本发明制备的水凝胶具有分子开关-席夫碱键，通过模拟人体温度和酸碱环境，该化学键有助实现目标药物在胃环境的定向传输，在实际的药物传输体系中，这种特殊结构的水凝胶具有巨大的应用价值。

5)本发明涉及一种新的具有烯丙基的高分子的制备方法，该方法简单易控，且制得的烯丙化衍生物具有水溶性，这大大拓宽了烯丙化衍生物的应用范围。

附图说明

图1为实施例1制备的壳聚糖及其衍生物的红外光谱图。

图2为实施例1所得水凝胶的照片。

图3为实施例1制备的基于功能化双网络的水凝胶的红外光谱图。

图4为实施例1中前体水凝胶的扫描电镜图。

图5为实施例1中基于功能化双网络的水凝胶的扫描电镜图。

图6为实施例1中基于功能化双网络的水凝胶在用pH＝1.2的溶液处理后的扫描电镜图。

图7为实施例1中基于功能化双网络的水凝胶在用pH＝7.4的溶液处理后的扫描电镜图。

图8为实施例1～3制备的水凝胶的载药量图。

图9为实施例1～3制备的水凝胶先在pH＝1.2释放2小时，后在pH＝7.4中释放的药物释放曲线。

图10为实施例1～3制备的水凝胶仅在pH＝7.4中释放的药物释放曲线。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合实施例及附图对本发明作进一步的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

将2g壳聚糖溶解于3wt％乙酸水溶液，配成浓度为2wt％的溶液；加入10mL苯甲醛，于60℃反应12h；加入5wt％碳酸氢钠溶液后再过滤；将过滤所得固体分散于15mL丙酮；加入0.7mL烯丙基溴，3mL三乙胺，室温反应12h后再过滤；将过滤所得固体于100mL 0.25M盐酸的乙醇溶液中反应6h小时；过滤所得固体用索氏提取器和无水乙醇于85℃下提纯24小时，得到烯丙基化壳聚糖。

该双网络水凝胶由0.02g烯丙基化壳聚糖、0.24g N-异丙基丙烯酰胺、0.002g 2-氧代戊二酸、0.004g N,N'-亚甲基双丙烯酰胺溶于1.5g水中，通过引发剂引发N-异丙基丙烯酰胺和烯丙基化壳聚糖上的不饱和键发生聚合反应得到前体水凝胶，然后在浓度为2.5wt％戊二醛水溶液浸泡，浸泡处理3h后，取出凝胶，再用去离子水浸泡3天，每隔12h更换一次水，去除杂质，得到基于功能化双网络的刺激响应水凝胶。

实施例2

将2.5g聚乙烯亚胺分散于15mL丙酮；加入0.2mL烯丙基溴，4mL三乙胺，室温反应12h后再过滤；将过滤所得固体于100mL 0.25M盐酸的乙醇溶液中反应12h小时；过滤所得固体用索氏提取器和无水乙醇于85℃下提纯24小时，得到烯丙基化聚乙烯亚胺。

该双网络水凝胶由0.03g烯丙基化聚乙烯亚胺、0.4g丙烯酰胺、0.002g 2-氧代戊二酸、0.005g二甲基丙烯酸乙二醇酯溶于2份水中，通过引发剂引发丙烯酰胺和烯丙基化聚乙烯亚胺的不饱和键发生聚合反应得到前体水凝胶，然后在浓度为1wt％乙二醛水溶液浸泡，浸泡处理6h后，取出凝胶，再用去离子水浸泡3天，每隔12h更换一次水，去除杂质，得到基于功能化双网络的刺激响应水凝胶。

实施例3

将1.5g聚赖氨酸分散于20mL丙酮；加入0.3mL烯丙基溴，3mL三乙胺，室温反应12h后再过滤；将过滤所得固体于100mL 0.25M盐酸的乙醇溶液中反应12h小时；过滤所得固体用索氏提取器和无水乙醇于85℃下提纯24小时，得到烯丙基化聚赖氨酸。

该双网络水凝胶由0.03g烯丙基化聚赖氨酸、0.3g丙烯酸羟乙酯、0.002g 2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮、0.005g二甲基丙烯酸乙二醇酯溶于2.5g水中，通过引发剂引发丙烯酸羟乙酯和烯丙基化聚赖氨酸的不饱和键发生聚合反应得到前体水凝胶，然后在浓度为1wt％丁二醛水溶液浸泡，浸泡处理6h后，取出凝胶，再用去离子水浸泡3天，每隔12h更换一次水，去除杂质，得到基于功能化双网络的刺激响应水凝胶。

以实施例1制得的基于功能化双网络的刺激响应水凝胶为例，通过溴化钾压片法和BrukerVeCtor33红外光谱仪测得样品的红外吸收光谱图。由图1可知，CS为壳聚糖，CSA为烯丙基壳聚糖，对比两条曲线，在烯丙基壳聚糖的光谱上出现了两个明显的新峰，分别在1633cm^-1和1517cm^-1，这分别对应-C＝C-和-NH₃ ⁺的特征峰，证明烯丙基已经成功改性在壳聚糖上。

以实施例1制得的基于功能化双网络的刺激响应水凝胶为例，水凝胶可被设计为规整的片状(见图2)，这表明该水凝胶可以模拟药片来负载和释放药物。

以实施例1制得的基于功能化双网络的刺激响应水凝胶为例，通过溴化钾压片法和BrukerVeCtor33红外光谱仪测得水凝胶的红外吸收光谱图。水凝胶在1550和1533cm^-1处具有吸收峰，这是因为所制备水凝胶有着CSA和N-异丙基丙烯酰胺中的两种酰胺II带；1064cm^-1处的弱宽峰对应于水凝胶中糖环上的C-O伸缩振动。此外，水凝胶还在1662和1647cm^-1处出现新吸收峰，它们分别归因于N-异丙基丙烯酰胺的酰胺I带和席夫碱键(C＝N)伸缩振动。故而，通过2-氧代戊二酸的引发，CSA可以与N-异丙基丙烯酰胺再经由戊二醛反应得到具有分子开关(席夫碱键)的水凝胶。

以实施例1制得的基于功能化双网络的刺激响应水凝胶为例，将制备的水凝胶冷冻干燥，对得到的干凝胶样品切片、喷金，用扫描电镜仪器(Merlin,Zeiss)测得4种样品的形貌。相同的是，它们都表现出多孔的三维空间，具有典型的水凝胶特点。但是，它们的相貌又有所不同。未用戊二醛交联的前体水凝胶如图4，用戊二醛交联的前体水凝胶如图5，对比可知，交联后的水凝胶孔径明显减小，这进一步证明，戊二醛的交联是可以用来制备基于功能化双网络的水凝胶。经由pH＝1.2的溶液处理，打开分子开关的水凝胶如图6，此时的孔径变大，且大小基本与图4相似；而用用pH＝7.4的溶液处理后的水凝胶如图7，其孔径基本不变，且与图5相似。总之，这些结果表明水凝胶的分子开关在打开后将有利于目标药物的释放。

以实施例1～3制得的基于功能化双网络的刺激响应水凝胶为例，基于功能化双网络的刺激响应水凝胶的载药及药物释放性能进行测试，如下方法:

对实施例1～3制得的水凝胶进行冻干处理(LGJ-12，Sanli)，取0.02g的干凝胶，在室温下将其浸入5mL浓度为1mg/mL双氯酚酸钠溶液中24小时，取出载药的水凝胶并测得载药后的溶液体积，取少量载药后的溶液，在276nm处测出溶液的紫外吸光度(UV-2450，Shimadzu)，根据标准曲线计算载药后溶液相应的浓度。

载药量计算如下：

载药量＝(C₀V₀-C₁V₁)/m₀

C₀和C₁表示加载药后溶液的双氯酚酸钠浓度；V₀和V₁分别是载药前后的溶液体积；m₀是干凝胶的重量。

由图8可知，对比不含烯丙基壳聚糖的水凝胶(H₀)，实施例1～3中制备的基于功能化双网络的刺激响应水凝胶(H₁～H₃)的载药量分别为12mg/g，11.7mg/g和10.9mg/g，水凝胶的载药量显著增加，表现出很好的载药性能。

将载有药物的水凝胶置于37℃的20mL释放体系中，释放介质为pH＝7.4的模拟肠液，或者先在pH＝1.2的模拟胃液释放2h，然后将水凝胶转移至pH＝7.4的模拟肠液释放；每隔一定的时间取出3mL释放液，在276nm处测出其紫外吸光度(UV-2450，Shimadzu)，根据标准曲线计算释放介质所对应的浓度，与此同时，加入3mL新鲜参比液以保持总的释放体积恒定。

双氯酚酸钠的累积释放百分率计算如下：

双氯酚酸钠的累积释放百分率＝(15C_n+3ΣC_n-1)×100/m_DCF

这里，C_n和C_n-1分别是n和n-1次后释放体系中的双氯酚酸钠浓度；m_DCF是样品中负载的双氯酚酸钠质量。

由图9可知，通过改变释放介质的pH，实施例1～3中制备的基于功能化双网络的刺激响应水凝胶(H₁～H₃)的双氯酚酸钠的累积释放百分率分别为73％、76％和70％，累计释放时间超过800min。由图10可知，仅在pH＝7.4的模拟肠液中释放累积释放百分率40～50％，累计释放时间约500min，这表明基于功能化双网络的刺激响应水凝胶能够控制释放双氯酚酸钠，并在分子开关被打开后使得增加药物的累计释放率增加20～30％，这在一定程度上延长双氯酚酸钠的累计释放时间。此外，将水凝胶于pH＝1.2的模拟胃液释放2h，然后移至pH＝7.4的模拟肠液释放的方法符合人体口服药的应用环境，故而，基于功能化双网络的刺激响应水凝胶，不仅能用于药物控释，还为人体中的药物传输提供了可能。

从实施例1-3可见，本发明主要是利用天然高分子进行改性，得到具有可共聚的天然高分子衍生物，且衍生物具有与原天然高分子相似的性质，如抑菌性、生物相容性和可降解性等；再结合具有水溶性的单体于光引发的条件下反应，得到前体水凝胶；通过戊二醛水溶液交联得到基于功能化双网络的刺激响应水凝胶。所有试剂或残余物均可使用水浸泡法来去除，且聚合反应的体系为水相；此外，温和的光引发法既没没有涉及加热，也没有使用促进剂或其他或有神经毒性的试剂。故而，这种基于功能化双网络的刺激响应水凝胶是易于制备的和安全的。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的控释技术来说，任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于功能化双网络的刺激响应水凝胶，以质量份数计，其原料组成为：1～5份含有氨基的烯丙基化高分子、10～50份丙烯酸衍生物、0.1～0.5份光引发剂、0.1～1份交联剂和100～400份水；原料发生聚合反应后产物在醛溶液中浸泡，再用去离子水浸泡，得到基于功能化双网络的刺激响应水凝胶；

所述含有氨基的烯丙基化高分子是由烯丙基溴、三乙胺与含有氨基的高分子在丙酮中通过亲核取代反应得到；所述的含有氨基的高分子为壳聚糖、聚乙烯亚胺和聚赖氨酸中的一种或多种；

所述的光引发剂为2-氧代戊二酸、2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮和2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮中的一种或多种。

2.根据权利要求1所述的基于功能化双网络的刺激响应水凝胶，其特征在于，所述的含有氨基的烯丙基化高分子的平均分子量为30～1000kDa，衍生物的取代度为5～15％。

3.根据权利要求1所述的基于功能化双网络的刺激响应水凝胶，其特征在于，所述的交联剂为N,N'-亚甲基双丙烯酰胺、二甲基丙烯酸乙二醇酯、N,N'-双(丙烯酰)胱胺和环氧氯丙烷中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的基于功能化双网络的刺激响应水凝胶，其特征在于，所述的丙烯酸衍生物为丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、丙烯酸钠、丙烯酸二甲胺基乙酯、2-丙烯酰胺基-2甲基丙磺酸钠和丙烯酸羟乙酯中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的基于功能化双网络的刺激响应水凝胶，其特征在于，所述醛溶液的醛为乙二醛、丙二醛、丁二醛、戊二醛和α,ω-二醛基聚乙二醇中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的基于功能化双网络的刺激响应水凝胶，其特征在于，所述的醛溶液的质量浓度为1～3％；所述的在醛溶液中浸泡的时间为1～6h。

7.根据权利要求1所述的基于功能化双网络的刺激响应水凝胶，其特征在于，所述的用去离子水浸泡是用去离子水浸泡3天，每隔12h更换一次水。

8.权利要求1所述的基于功能化双网络的刺激响应水凝胶的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

1)含有氨基的烯丙基化高分子制备：以质量份数计，将0.1～1份烯丙基溴、1～5份三乙胺与1～3份含有氨基的高分子在10～25份丙酮中混合，通过亲核取代反应得到；

2)刺激响应水凝胶的制备：将含有氨基的烯丙基化高分子、丙烯酸衍生物、光引发剂、交联剂溶于水中，通过引发剂引发聚合反应，产物在醛溶液中浸泡，再用去离子水浸泡，去除杂质，得到基于功能化双网络的刺激响应水凝胶。

9.权利要求1所述的基于功能化双网络的刺激响应水凝胶在药物定向传输和高效释放中的应用。

10.根据权利要求9所述的基于功能化双网络的刺激响应水凝胶在药物定向传输和高效释放中的应用，其特征在于，所述药物为双氯酚酸钠。