CN110464704A

CN110464704A - 一种可注射可吸收抗感染凝胶制剂复合物的制备方法

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Publication number: CN110464704A
Application number: CN201910770264.8A
Authority: CN
Inventors: 范治平; 程萍; 韩军; 王正平
Original assignee: Liaocheng University
Current assignee: Liaocheng University
Priority date: 2019-08-20
Filing date: 2019-08-20
Publication date: 2019-11-19
Anticipated expiration: 2039-08-20
Also published as: CN110464704B

Abstract

本发明公开了一种可注射可吸收抗感染凝胶制剂复合物的制备方法，抗感染凝胶制剂复合物由酪胺（Ty）接枝聚谷氨酸（PGA）的前体大分子PGA‑Ty和半胱胺（CA）接枝透明质酸（HA）的前体大分子HA‑CA首先交联成凝胶载体，随后与抗菌药物万古霉素结合制备得到。所述抗感染凝胶制剂由涡旋法制得，万古霉素以氢键作用力和静电力作用与凝胶骨架结合，使得万古霉素具有更长的、可控调节的释药周期，为临床用药开发新型药物载体提供了新的选择和思路。

Description

一种可注射可吸收抗感染凝胶制剂复合物的制备方法

技术领域

本发明属于医药技术领域，尤其涉及一种可注射可吸收抗感染凝胶制剂复合物的制备方法。

背景技术

水凝胶具有三维网状结构，可吸收大量的水分或体内组织液，因其特殊的性质，水凝胶已被广泛应用于生物医学领域，包括药物释放、细胞培养、医用工程器件等等。近年来，可注射水凝胶成功应用于组织修复及再生医学等领域，使其在临床上受到广泛关注。可注射凝胶不仅可与创伤组织形成良好的形状吻合性，而且可以降低伤口结痂的可能，进而减少创伤感染及并发症的发生几率。例如 Deng 的课题组研发出通过“Tetrazole-Alkene”反应得到的原位凝胶；Li 的课题组应用席夫碱反应制备了系列淀粉基的原位凝胶；Click 反应也是一类常用的制备原位凝胶的化学交联方法，但其所涉及的化学改性通常比较复杂,对聚合物的高分子骨架影响比较大。

互穿网络（IPN）水凝胶是由两种或两种以上聚合物通过网络互穿而形成的具有独特性能的聚合物。在互穿网络水凝胶中，两个组分网络之间没有化学键合相，各个聚合物都保持各自的特性；同时，两种网络互穿相互影响，有协同增强力学性能的作用。因此制备互穿网络水凝胶是一种提高水凝胶强度的有效方法。国内外对IPN生物医用材料的研究已有多年探索，通常采用化学交联方法得到IPN水凝胶。由于化学交联剂或引发剂对细胞有毒，制备的IPN水凝胶用于人体有潜在的毒性，限制了互穿网络水凝胶在生物医用方面的应用。

互穿网络水凝胶还可以采用物理交联方式，如疏水作用、氢键作用、离子交联等，虽不引入新的化学物质但难以获得均匀一致的、理想的交联度，或者交联点可能在生理体液中易于解体。

酶，是一种高效催化某一特异性反应发生的生物催化剂。由于反应的温和性，酶交联得到的凝胶近年来受到广泛关注。辣根过氧化物酶（HRP）由于其良好的生物相容性及高度的稳定性，被广泛应用于酶交联水凝胶体系中，在双氧水存在的条件下，苯酚衍生化的聚合物可以在辣根过氧化物酶的催化下形成交联网络。而 HRP介导的水凝胶通常应用于天然高分子材料中，例如透明质酸、葡聚糖、明胶、壳聚糖等。合成高分子材料，如聚（l-谷氨酸）、四臂 PPO-PEO也适用酶交联方法，得到相关水凝胶。但由于合成高分子材料复杂的合成步骤及添加剂的潜在毒性，使其临床应用受到很大的限制。

聚谷氨酸（PGA）分子结构上是一类尼龙-4的衍生物，重复单元的4位碳上接枝有一个羧基。德国人（Berlin/Heidelberg）于1935年第一次在B.anthracis中发现天然PGA。据报道，该物质是枯草杆菌与有机底物在需氧发酵过程中主要的细胞外产物。PGA 具有的众多性质，如：水溶性、可降解性、可食用性及对人类和环境的友好性等，使其成为生物医用领域理想的候选材料，现已被广泛应用于组织工程支架、药物传递及组织胶黏剂等。透明质酸（HA）是一种酸性粘多糖，是由D-葡萄糖醛酸及N-乙酰葡糖胺组成的双糖单位，1934年美国哥伦比亚大学眼科教授Meyer等首先从牛眼玻璃体中分离出该物质。透明质酸具有独特的分子结构和优良的生物相容性，在机体内显示出多种重要的生理功能，如润滑关节，调节血管壁的通透性，调节蛋白质，水电解质扩散及运转，促进创伤愈合等。以上两种材料分属聚氨基酸和天然多糖大分子，均为组成基质的重要成分，二者复合预期可得到类胞外基质的材料。

传统的抗感染凝胶剂大多采用人工合成高分子材料作为载体，材料本身合成步骤较多，环境经济性较差，用于体内常出现由于生物相容性差导致的手术失败。天然高分子基生物水凝胶的出现为解决这一问题提供了较好方案，其生物相容性良好，并且可在体内降解吸收，与药物结合还可以用于不同临床病症，表现出广阔的应用前景^[21]。

单个酶催化交联制备的水凝胶已有报道，但是水凝胶强度通常比较低，用作凝胶制剂有一定难度。因此，有必要结合具有良好医用前景的新型高分子材料，开发适用性强、生物相容性好的互穿网络水凝胶抗感染凝胶制剂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可注射可吸收抗感染凝胶制剂复合物的制备方法，以解决上述技术问题；制备的凝胶制剂复合物具有优异的生物相容性，并且具有理想的力学强度。由此制备方法得到的水凝胶既可克服化学交联剂带来的毒性，又可解决物理交联效果不佳的缺点。结合抗感染药物可以使得药物实现缓释功能，解决传统药物惯有的释药时间短，药效弱的缺点。

为实现上述目的本发明采用以下技术方案：

一种可注射可吸收抗感染凝胶制剂复合物的制备方法，包括以下步骤：

1）、首先采用水相法分别合成酪胺（Ty）接枝聚谷氨酸（PGA）的前体大分子PGA-Ty和半胱胺（CA）接枝透明质酸（HA）的前体大分子HA-CA；

2）、其次，将PGA-Ty和HA-CA分别配成不同浓度的前体大分子溶液；

3）、然后，量取两种前体大分子溶液，按不同体积比进行混合，加入一定量万古霉素后，再加入辣根过氧化物酶（HRP）、双氧水达到一定终浓度，快速搅拌形成均一体系，于室温下静置过夜，得到可注射可吸收的骨科术后抗感染凝胶制剂复合物。

作为本发明进一步的方案，前体大分子PGA-Ty 0.5-200 mg/mL ，前体大分子HA-CA 0.5-200 mg/mL，PGA-Ty和HA-CA混合体积比介于10:1到1:10之间，万古霉素 0.005-100mg/mL，辣根过氧化物酶HRP 0.1-100 U/mL，双氧水 0.1-100 mM。

作为本发明进一步的方案，所述以前体大分子PGA-Ty 60 mg/mL，前体大分子HA-CA 60 mg/mL以体积比1:1混合制备。

作为本发明进一步的方案，交联剂辣根过氧化物酶HRP 10 U/mL，双氧水10 mM。

作为本发明进一步的方案，万古霉素 0.9 mg/mL。

作为本发明进一步的方案，制备抗感染凝胶制剂复合物的方法为涡旋法，步骤3）中加入辣根过氧化物酶（HRP），将混合液涡旋5min，在涡旋状态下，将双氧水滴入混合液，初步凝胶形成后于室温下静置过夜，得所述抗感染凝胶制剂复合物。

作为本发明进一步的方案，所述前体大分子溶液及交联剂溶液均采用0.22 μm滤膜除菌消毒，制备过程中所述配置溶液用缓冲液或水均为灭菌水或灭菌缓冲液。

作为本发明进一步的方案，所述涡旋转速设置为200 rpm/min。

所述得到的抗感染凝胶制剂复合物可以以含水或含溶剂的湿态使用、或以冻干后的块状、膜状、海绵状等干态使用。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：1. 本发明提供的可注射可吸收的抗感染凝胶制剂复合物，在聚谷氨酸大分子链上引入酚羟基通过氧化酶催化酚羟基氧化交联和含有巯基的透明质酸通过氧化交联构成互穿网络水凝胶，两个网络协同作用提高了水凝胶的力学强度。

2. 本发明所用的原材料是源自发酵法得到的天然多糖大分子或天然聚氨基酸，二者结合制备凝胶，得到类似细胞基质成分的材料，协同作用使其具有优异的生物相容性。

3. 本发明采用酶催化交联和自氧化交联制备抗感染凝胶制剂的方法既克服了化学交联剂带来的毒性，又解决了物理交联剂效果不佳的缺点。

4. 本发明所提供的抗感染凝胶制剂复合物含有药物万古霉素，相比临床现有创口直接撒药的用药方式，该抗感染凝胶制剂复合物具有更长的、可调节的释药周期，并且释放出来的药物表现出良好的药物活性；相比现有用药方式，该抗感染凝胶制剂复合物可显著延长药效时间。

附图说明

图1是聚谷氨酸大分子接枝酪胺基团的合成示意图。

图2是透明质酸大分子接枝半胱胺基团的合成示意图。

图3是接枝酪胺的聚谷氨酸前体大分子和接枝半胱胺的透明质酸前体大分子形成互穿网络水凝胶的示意图。

图4是两种互穿网络水凝胶体外酶降解曲线图。

图5是不同浓度含量的两种互穿网络水凝胶内部结构示意图（A为水凝胶内部孔径在10 -100 微米之间，B为水凝胶内部孔径处于10 -150 微米之间）。

图6是抗感染互穿网络凝胶制剂复合物体外抗菌示意图（A为空白凝胶共培养的金葡球菌表面，B为载药凝胶及裸药溶液处理过的金葡球菌表面）。

图7是不同浓度含量的互穿网络水凝胶体外细胞毒性评价示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细阐述。

酪胺接枝聚谷氨酸前体PGA-Ty 的合成；

图1为酪胺接枝聚谷氨酸前体PGA-Ty 的合成示意图。将1g聚谷氨酸溶解于50毫升蒸馏水中，再加入 1.076g 酪胺盐酸盐。随后4.457g EDC和2.674g NHS加入到混合溶液中引发反应。随着反应的进行，用1M的氢氧化钠和盐酸溶液调节体系的pH稳定于4.8。在室温下搅拌过夜，将体系 pH 值调回7后，反应溶液被转移到截流分子量为1000 Da的透析袋中。首先在100mM 的氯化钠溶液中透析2天，再于水和乙醇的混合溶液（体积比 3:1）中透析1天，最后在纯水中透析1天。透析纯化的产品溶液最终冻干形成白色絮状样品，4℃冷冻保存，经测试收率 86%左右。

半胱胺接枝透明质酸前体HA-CA的合成；

图2为半胱胺接枝透明质酸前体HA-CA的合成示意图；称取透明质酸2g溶于100ml去离子水中，用磁力搅拌器恒温搅拌至完全溶解。称取半胱胺盐酸盐1.68 g，EDC 2.73g和NHS1.72g溶于100ml的蒸馏水中，室温活化1h（pH=4.8），将活化液加入到透明质酸溶液中，室温搅拌过夜。反应液移入透析袋中蒸馏水透析3天，透析纯化的产品溶液最终冻干形成白色絮状样品，4℃冷冻保存，经测试收率 92%左右。

互穿网络水凝胶的制备；

表1. PGA-Ty/HA-CA互穿网络水凝胶的组成

图3是互穿网络水凝胶的制备示意图。将PGA-Ty及HA-CA分别配置成浓度为4%（40mg/ml）和6%（60mg/ml）的溶液。IPN凝胶则按不同体积比，将两种前体大分子溶液按表1体积比混匀后倒入5mm高的圆柱型模具内。之后加入HRP、双氧水，使其终浓度分别达到10 U·mL^-1和10 mM。于室温下静置过夜，确保交联反应彻底完成。脱模之后，将交联的水凝胶于75%的乙醇溶液中消毒2小时，随后用清水洗涤三次，以备测试使用。形成凝胶过程中，凝胶时间采用小瓶倾斜法进行测试，即样品瓶倒置一分钟之内没有观察到流体流动，则可判定样品达到凝胶状态。

抗感染互穿网络凝胶制剂复合物的制备；

将10 mg万古霉素溶解到10 ml的PBS溶液中，随后将PGA-Ty和HA-CA加入PBS中，充分溶解形成溶液，最后加入HRP和H₂O₂快速搅拌形成载药凝胶。该凝胶与其他样品一致，室温放置过夜，使其充分反应交联。以此方式制备的载药凝胶制剂复合物，我们可将其载药率看做100%。

互穿网络水凝胶体外酶降解测试；

按互穿网络水凝胶的制备步骤，以PGA-Ty（40 mg/ml）与HA-CA（40 mg/ml）体积比1:1制备互穿网络凝胶I3；按实施例3步骤，以PGA-Ty（60 mg/ml）与HA-CA（60 mg/ml）体积比1:1制备互穿网络凝胶I3’样品。将I3和I3’样品浸泡在37℃下含有0.05 mg/mL 木瓜蛋白酶的PBS溶液中（0.01 M，pH 7.4），震荡箱设置为 100 rpm，取样点设定为2、4、8、24 小时。测试中在每一个提前设置好的时间点，将样品取出，用纯水洗涤并擦去表面游离水，进行冻干。体外降解的速率由冻干后的质量（W _t）除以初始样品冻干质量（W ₀）确定：剩余质量分数= (W _t/W ₀)× 100%，降解曲线如图4所示。

互穿网络水凝胶内部型貌测试；

选取互穿网络水凝胶的制备中具有不同组分含量的水凝胶I3、I3’为样品，首先将样品放入-20℃冰箱冻成冰，之后放入冻干机冻干得到SEM样品。冻干样品放在SEM载物台表面，用导电胶带粘结固定并形成导电通路，随后将固定好的样品喷金1分钟，使样品表面形成致密的镀金薄膜。样品形貌在5KV加速电压下进行观测。需要注意的是，样品冻干制备过程容易破坏内部形貌，为了真实反映凝胶内部结构形貌，应在样品冻结成固态时进行脆断。样品内部型貌扫描电镜图片如图5所示。

抗感染互穿网络凝胶制剂复合物体外抗菌测试；

选取互穿网络水凝胶的制备中组分含量为60mg/ml的水凝胶I3’为样品。将金黄色葡萄球菌在LB培养基中培养至指数阶段，随后离心，用PBS（pH 7.4）洗涤两次，再悬浮于PBS溶液中。细菌在37℃与1 g凝胶（分为空白凝胶组和载药凝胶组）共培养60分钟。共培养后的细胞用2.5%（w/v）的戊二醛PBS溶液固定12 h，PBS冲洗后，使用梯度乙醇溶液（浓度分别为30%，50%，70%，95%和100%）对样品进行脱水，每种乙醇溶液浸泡固定后的样品各15分钟。脱水后的菌样进行真空干燥，用电子扫描电镜观察样品之前需要喷金2次，加速电压设置为3KV。

互穿网络水凝胶体外细胞毒性评价；

选取互穿网络水凝胶的制备中具有不同组分含量的水凝胶为样品。消毒过后的水凝胶样品用 DMEM进行浸提，样品以 1cm²/ml 浸提比进行浸提处理24小时，温度设置37℃。100微升含有10⁴细胞的悬液与100微升样品浸提液分别加入96 孔板中，在 37℃、5%二氧化碳环境中共培养。于第一天、第三天、第五天时分别加入MTT（5mg/ml），培养四小时确保显色晶体形成后，加入150微升DMSO 将晶体进行溶解。样品混合液在490nm波长下进行吸光度测试。

互穿网络水凝胶的制备通过酶交联和氧化交联制备互穿网络水凝胶的机理图，如图3所示。在制备过程中，两种前体溶液混合得到均一体系，加入 HRP/H₂O₂后继续搅拌，防止出现不均匀的硬块（交联不均匀），确保得到内部结构较均一的水凝胶体系。接枝了酪胺的PGA-Ty可以在双氧水与HRP共存条件下，催化形成交联的水凝胶。为了尽量降低双氧水的添加所可能带来的潜在毒性，实验中采用了较低浓度的双氧水浓度（10mM）。交联的原理可归为在交联过程中出现的两种新共价键：一种是苯环上相邻两个碳原子之间形成的碳碳键；一种是邻位碳原子与酚氧原子之间的碳氧键。HA-CA因双氧水的存在，也会影响其自交联过程，最终形成稳定交联的二硫键。

所测试互穿网络水凝胶体外酶降解的数据如图4所示。I3水凝胶在2小时内质量减少21.4%。I3’水凝胶在2 小时内质量减少15.8%，经过24小时降解后仍保留69.9%。两个样品均表现出较规律的降解曲线。在初始阶段，I3 样品的快速降解可归于样品内部相对疏松的结构。在I3样品内部，自由水的流动性更强，酶溶液与高分子骨架相互接触的更加容易，因此样品的降解速度比较快。与此同时，在样品I3’组中，因前体大分子含量相对比较高，形成的凝胶内部结构更加紧密，这就阻止了酶溶液快速浸入IPN凝胶内部，因此降解速度会相对较慢。

互穿网络水凝胶内部型貌测试的结果如图5所示。可以看出两种浓度的IPN水凝胶内部均具有多孔结构，并且孔之间具有良好的贯穿性。I3’水凝胶内部孔径在10 -100 微米之间（A），I3水凝胶内部孔径处于10 -150 微米之间（B），而较小的组分含量有可能是造成I3孔径较大的主要原因。依据该数据及有关报道，可以推测该水凝胶内部结构与组分含量具有一定的相关性，并且在细胞包裹及其他生物医学领域具有潜在的用途。

抗感染互穿网络凝胶制剂复合物体外抗菌测试数据如图6所示。可以看出，与空白凝胶共培养的金葡球菌表面非常光滑（A），相比之下，载药凝胶及裸药溶液处理过的金葡球菌表面有明显的收缩、褶皱（B）。由此可知，凝胶载体材料对药物无不良影响，释放后的模型药物仍保留较高活性且载药凝胶抗菌效果良好。

互穿网络水凝胶体外细胞毒性评价数据如图7所示。数据显示，所有IPN水凝胶样品的体外毒性均无显著差异，这一点可归因于水凝胶基材良好的生物相容性和交联反应的温和性。计算得到的RGR值均大于80%，证明了IPN水凝胶良好生物相容性的本质，是该凝胶成为生物医用领域良好候选材料的重要保证。

以上所述为本发明较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种可注射可吸收抗感染凝胶制剂复合物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种可注射可吸收抗感染凝胶制剂复合物的制备方法，其特征在于，前体大分子PGA-Ty 0.5-200 mg/mL ，前体大分子HA-CA 0.5-200 mg/mL，PGA-Ty和HA-CA混合体积比介于10:1到1:10之间，万古霉素 0.005-100 mg/mL，辣根过氧化物酶HRP0.1-100 U/mL，双氧水 0.1-100 mM。

3.根据权利要求1所述的一种可注射可吸收抗感染凝胶制剂复合物的制备方法，其特征在于，所述以前体大分子PGA-Ty 60 mg/mL，前体大分子HA-CA 60 mg/mL以体积比1:1混合制备。

4.根据权利要求1所述的一种可注射可吸收抗感染凝胶制剂复合物的制备方法，其特征在于，交联剂辣根过氧化物酶HRP 10 U/mL，双氧水10 mM。

5.根据权利要求1所述的一种可注射可吸收抗感染凝胶制剂复合物的制备方法，其特征在于，万古霉素 0.9 mg/mL。

6.根据权利要求1所述的一种可注射可吸收抗感染凝胶制剂复合物的制备方法，其特征在于，制备抗感染凝胶制剂复合物的方法为涡旋法，步骤3）中加入辣根过氧化物酶（HRP），将混合液涡旋5min，在涡旋状态下，将双氧水滴入混合液，初步凝胶形成后于室温下静置过夜，得所述抗感染凝胶制剂复合物。

7.根据权利要求6所述的一种可注射可吸收抗感染凝胶制剂复合物的制备方法，其特征在于，所述前体大分子溶液及交联剂溶液均采用0.22 μm滤膜除菌消毒，制备过程中所述配置溶液用缓冲液或水均为灭菌水或灭菌缓冲液。

8.根据权利要求6所述的一种可注射可吸收抗感染凝胶制剂复合物的制备方法，其特征在于，所述涡旋转速设置为200 rpm/min。