CN111012947B - 一种可注射和自愈合淀粉基水凝胶及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种可注射和自愈合淀粉基水凝胶及其制备方法和应用，涉及淀粉材料技术领域。本发明提供的水凝胶由包括以下组分的原料制备得到：固相组分和水；所述固相组分包括以下质量百分含量的组分：淀粉40～94％、聚乙烯醇5～40％和Laponite带电纳米粒子1～20％；所述可注射和自愈合淀粉基水凝胶的含水量为30～70wt％。本发明提供的可注射和自愈合淀粉基水凝胶不需要添加任何催化剂、引发剂或交联剂，无毒无刺激，可在骨组织修复和药物控缓释领域中应用。本发明提供了所述水凝胶的制备方法，无需紫外或辐射等手段，过程简单、条件易控。

Description

一种可注射和自愈合淀粉基水凝胶及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及淀粉材料技术领域，特别涉及一种可注射和自愈合淀粉基水凝胶及其制备方法和应用。
背景技术
在世界范围内，由于创伤，肿瘤和感染等原因造成的骨缺损每年都在折磨着众多的患者。现在对于骨缺损的治疗手段都是采用骨移植手术。骨移植手术的骨来源通常分为三类：异体骨、人工骨替代材料(金属材料)和自体骨。异体骨和人工骨材料存在力学性能不匹配，排异反应等缺点；对于自体骨而言，来源有限且取骨部分存在健康危害。多种因素的限制导致了传统骨移植的艰难发展。水凝胶是一种具有吸收和保存大量水分的高分子三维网络结构，跟细胞所生存的胞外基质具有相似的结构和性能，可为细胞的增殖分化提供良好的生存环境，所以水凝胶在细胞的保存、培养和增殖方面一直被作为一种理想材料。因此，利用水凝胶对骨组织进行修复一直以来都是研究的热点。
目前，聚乙烯醇(PVA)是生物医药方面应用最为广泛的合成高分子材料，且可以通过冷冻-熔融或者辐照的方式形成水凝胶，所形成的水凝胶具有类似天然软骨的多微孔结构，也被认为是一种在骨组织工程中较有前途的材料之一。但是，PVA水凝胶表面光滑与骨基底结合性能差，从而影响骨的固定，并且PVA的降解性能极差，生物力学性能不足。因此，研究人员将PVA与淀粉共混制备复合水凝胶。淀粉不仅降解性能好而且分子链上存在大量羟基，能够与PVA分子链上的羟基基团通过氢键相互作用连接形成三维网状结构水凝胶。已有报道(Shi R,ZhuA,Chen D,et al.In vitro,degradation of starch/PVA films andbiocompatibility evaluation[J].Journal of Applied Polymer Science,2010,115(1):346–357.)，淀粉与PVA共混形成的水凝胶在模拟体液中有良好的吸水性和降解性能，并通过细胞毒性试验证实整个体系对于细胞无毒害作用，但由于淀粉与PVA的相容性的问题，仍不能达到骨组织修复要求的生物力学强度和生物稳定性。因此，寻求淀粉与PVA的交联，将能够较大程度的增强淀粉-PVA水凝胶的自身性能。
有报道(Zhu B D,Meng J,Wang J,et al.Synthesis and Properties of PVA/Starch-g-P(AA-AM)Interpenetrating Polymer Networks Hydrogels[J].ScienceTechnology&Engineering,2011.；Pang S C,Chin S F,Tay S H,et al.Starch–maleate–polyvinyl alcohol hydrogels with controllable swelling behaviors[J].Carbohydrate Polymers,2011,84(1):424-429.；方媛,朱琳琳,危大福,等.抗菌淀粉-聚乙烯醇水凝胶的制备及性能[J].功能高分子学报,2011,24(3):280-287.)，通过添加化学有机交联剂如环氧氯丙烷和戊二醛，形成的水凝胶在成胶率(稳定性)、力学性能上都比单纯的氢键相互作用方式形成的水凝胶有所提升。但是，化学有机交联剂吸附在水凝胶的三维结构中，对于细胞的增殖分化和人体的健康存在着负面的影响。
发明内容
有鉴于此，本发明目的在于提供一种可注射和自愈合淀粉基水凝胶及其制备方法和应用。本发明以淀粉和聚乙烯醇作为基础材料，利用Laponite带电纳米粒子通过离子键和氢键的杂化作用力实现两种材料的结合，得到的可注射和自愈合的淀粉基水凝胶不需要添加任何催化剂、引发剂或交联剂，无毒无刺激，可在骨组织修复材料、缓释药物制备中应用。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种可注射和自愈合淀粉基水凝胶，由包括以下组分的原料制备得到：固相组分和水；
所述固相组分包括以下质量百分含量的组分：淀粉40～94％、聚乙烯醇5～40％和Laponite带电纳米粒子1～20％；
所述可注射和自愈合淀粉基水凝胶的含水量为30～70wt％；
所述原料不包括催化剂、引发剂和交联剂。
优选地，所述淀粉包括原淀粉和/或变性淀粉。
本发明提供了以上方案所述可注射和自愈合淀粉基水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
(1)将聚乙烯醇、水和Laponite带电纳米粒子在95～100℃条件下进行第一混合，然后冷却至室温，得到Laponite/PVA水凝胶；
(2)将所述Laponite/PVA水凝胶和淀粉水溶液在95～100℃条件下进行第二混合，然后冷却至室温，得到淀粉基复合水凝胶；
(3)将所述淀粉基复合水凝胶干燥至含水量为30～70wt％，得到所述可注射和自愈合淀粉基水凝胶。
优选地，所述第一混合的方法具体为：
将聚乙烯醇和水在95～100℃条件下混合，得到聚乙烯醇水溶液；
将Laponite带电纳米粒子和所述聚乙烯醇水溶液在95～100℃条件下混合进行超声分散。
优选地，所述聚乙烯醇水溶液的质量浓度为0.05～1g/mL。
优选地，所述超声分散的频率为20～40kHz；所述超声分散的次数为3～5次，每次分散的时间为20～30s，两次超声的时间间隔为5～10s。
优选地，所述淀粉水溶液的质量浓度为0.1～2g/mL。
优选地，所述第二混合的方法为搅拌混合；所述搅拌混合的速度为20～80rpm，时间为30～40min。
优选地，所述干燥的温度为60～80℃。
本发明提供了一种可注射和自愈合淀粉基水凝胶，由包括以下组分的原料制备得到：固相组分和水；所述固相组分包括以下质量百分含量的组分：淀粉40～94％、聚乙烯醇5～40％和Laponite带电纳米粒子1～20％；所述可注射和自愈合淀粉基水凝胶的含水量为30～70wt％。本发明以淀粉和聚乙烯醇作为基础材料，利用Laponite带电纳米粒子通过离子键和氢键的杂化作用力实现两种材料的结合，得到的水凝胶为三维网络结构，具有剪切稀化可注射和自愈合的特点。本发明提供的可注射和自愈合淀粉基水凝胶不需要添加任何催化剂、引发剂或交联剂，无毒无刺激，具有较好的生物相容性、较强的机械性能和可降解性能。
本发明提供了以上方案所述可注射和自愈合淀粉基水凝胶的制备方法，本发明提供的制备方法将聚乙烯醇、水、Laponite带电纳米粒子和淀粉在加热的条件下制备可注射和自愈合淀粉基水凝胶，无需紫外或辐射等手段，过程简单、条件易控，易于规模化生产。
本发明还提供了以上方案所述可注射和自愈合淀粉基水凝胶或以上方案所述制备方法制备得到的可注射和自愈合淀粉基水凝胶在骨组织修复材料、缓释药物制备中的应用。本发明提供的水凝胶在剪切下形成具有良好流动性且可注射的水凝胶稀化液，注射到骨组织待修复区域后，可原位自愈合形成高强度水凝胶，在骨组织修复方面不仅能提供相应的支架与药物缓释作用，而且其三维网状结构跟细胞所生存的胞外基质具有相似的结构和性能，为细胞的增殖分化提供良好的生存环境，将具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明提供的可注射和自愈合淀粉基水凝胶的形成原理图；
图2为本发明提供的可注射和自愈合淀粉基水凝胶自愈合过程示意图；
图3为实施例1得到的可注射和自愈合淀粉基水凝胶的扫描电镜图；
图4为实施例1得到的可注射和自愈合淀粉基水凝胶的流变学性能图；
图5为实施例1和实施例2得到的可注射和自愈合淀粉基水凝胶对阿霉素控制释放能力的测试效果图。
具体实施方式
本发明提供了一种可注射和自愈合淀粉基水凝胶，由包括以下组分的原料制备得到：固相组分和水；
所述固相组分包括以下质量百分含量的组分：淀粉40～94％、聚乙烯醇5～40％和Laponite带电纳米粒子1～20％；
所述可注射和自愈合淀粉基水凝胶的含水量为30～70wt％；
所述原料不包括催化剂、引发剂和交联剂。
在本发明中，以质量百分含量计，所述可注射和自愈合淀粉基水凝胶制备原料中的固体组分包括淀粉40～94％，优选为50～70％。在本发明中，所述淀粉优选包括原淀粉和/或变性淀粉，本发明对所述原淀粉和变性淀粉没有特别的要求，采用本领域技术人员熟知的相应淀粉即可；在本发明具体实施例中，所述原淀粉优选为木薯淀粉，所述变性淀粉优选为阳离子玉米淀粉。
在本发明中，以质量百分含量计，所述可注射和自愈合淀粉基水凝胶制备原料中的固体组分包括聚乙烯醇5～40％和Laponite带电纳米粒子1～20％，分别优选为10～35％和10～15％。本发明对所述聚乙烯醇和Laponite带电纳米粒子的来源没有特别的要求，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可。
在本发明中，Laponite(Na+ 0.7[(Mg5.5Li0.3)Si8O20(OH)4]- 0.7)是一种长径比25～30的合成型层状带电硅酸盐纳米粘土，在水溶液中可以完全分解成Na+、Mg2+、Si(OH)4、Li+等无毒的离子产物，对成骨细胞没有毒性且有促进其增殖分化的能力；同时，Laponite带电纳米粒子表面带有较多的电荷能够通过离子键并配合氢键的杂化作用力实现淀粉和聚乙烯醇的结合；并且，Laponite带电纳米粒子单体在水溶液中表面带负电荷和边缘带正电荷，自身可以通过静电相互作用形成具有稳定“house-of-cards(室-层结构，如图1)”结构的水凝胶，其在一定压力下自身结构遭到破坏，从而导致整个体系的黏度下降，当压力一旦撤除，依靠静电相互作用回复到其原有的“house-of-cards”的凝胶结构，展现出剪切稀化与自愈合的特性。
在本发明中，所述可注射和自愈合淀粉基水凝胶制备原料中包括水。在本发明中，所述可注射和自愈合淀粉基水凝胶的含水量优选为50～60wt％。本发明将含水量控制在所述范围，有利于水凝胶剪切稀化用于注射。
本发明提供的水凝胶为三维网络结构，具有剪切稀化可注射和自愈合的特点，不需要添加任何催化剂、引发剂或交联剂，无毒无刺激，具有较好的生物相容性、较强的机械性能和可降解性能。本发明提供的水凝胶的形成原理如图1所示，本发明以淀粉和聚乙烯醇作为基础材料，利用Laponite带电纳米粒子通过离子键和氢键的杂化作用力实现两种材料的结合，得到可注射和自愈合的淀粉基水凝胶；水凝胶的自愈合过程如图2所示，用刀将本发明提供的淀粉基水凝胶球直接切成两半，在无任何辅助剂作用下将两半淀粉基水凝胶靠紧在一起10～20min，两半淀粉基水凝胶在切口处从新粘结形成完整的淀粉基水凝胶球。
本发明提供了以上方案可注射和自愈合淀粉基水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
(1)将聚乙烯醇、水和Laponite带电纳米粒子在95～100℃条件下进行第一混合，然后冷却至室温，得到Laponite/PVA水凝胶；
(2)将所述Laponite/PVA水凝胶和淀粉水溶液在95～100℃条件下进行第二混合，然后冷却至室温，得到淀粉基复合水凝胶；
(3)将所述淀粉基复合水凝胶干燥至含水量为30～70wt％，得到所述可注射和自愈合淀粉基水凝胶。
本发明将聚乙烯醇、水和Laponite带电纳米粒子在95～100℃条件下进行第一混合，然后冷却至室温，得到Laponite/PVA水凝胶。在本发明中，所述第一混合的方法具体为：将聚乙烯醇和水在95～100℃条件下混合，得到聚乙烯醇水溶液；将Laponite带电纳米粒子和所述聚乙烯醇水溶液在95～100℃条件下混合进行超声分散。
本发明对所述聚乙烯醇和水混合的方法没有特别的要求，采用本领域技术人员熟知的混合方法将聚乙烯醇充分溶解在水中即可。在本发明中，所述聚乙烯醇水溶液的质量浓度优选为0.05～1g/mL，更优选为0.1～0.5g/mL。在本发明中，所述超声分散的频率优选为20～40kHz，更优选为25～35kHz；所述超声分散的次数优选为3～5次，每次分散的时间优选为20～30s，两次超声的时间间隔优选为5～10s。本发明对所述冷却的方法没有特别的要求，采用本领域技术人员熟知的方法即可，具体地如自然冷却。
得到Laponite/PVA水凝胶后，本发明将所述Laponite/PVA水凝胶和淀粉水溶液在95℃条件下进行第二混合，然后冷却至室温，得到淀粉基复合水凝胶。在本发明中，所述淀粉水溶液的质量浓度优选为0.1～2g/mL，更优选为1～1.5g/mL。在本发明中，所述第二混合的方法优选为搅拌混合；所述搅拌混合的速度优选为20～80rpm，更优选为60～70rpm，时间优选为30～40min。淀粉在95℃条件下糊化形成热塑性淀粉，和聚乙烯醇通过氢键作用实现均匀共混，同时在Laponite带电纳米粒子的作用下，三种材料之间通过离子键和氢键的杂化作用力实现自身和相互的聚合，由于热塑性淀粉材料剪切稀化的特性以及离子键和氢键具有易被破坏和易自发形成的特性，保证了可制备出可注射和自愈合的淀粉基水凝胶。
得到淀粉基复合水凝胶后，本发明将所述淀粉基复合水凝胶干燥至含水量为30～70wt％，得到所述可注射和自愈合淀粉基水凝胶。在本发明中，所述干燥的温度优选为60～80℃，可以通过调控干燥的时间从而调节水凝胶的含水量。在本发明中，所述干燥优选在烘箱中进行。
本发明提供的制备方法无需紫外或辐射等手段，过程简单、条件易控，易于规模化生产。
本发明还提供了以上方案所述可注射和自愈合淀粉基水凝胶或以上方案所述制备方法制备得到的可注射和自愈合淀粉基水凝胶在骨组织修复材料、缓释药物制备中的应用。本发明提供的水凝胶在剪切下形成具有良好流动性且可注射的水凝胶稀化液，注射到骨组织待修复区域后，可原位自愈合形成高强度水凝胶，在骨组织修复方面不仅能提供相应的支架与药物缓释作用，而且其三维网状结构跟细胞所生存的胞外基质具有相似的结构和性能，为细胞的增殖分化提供良好的生存环境，将具有良好的应用前景。本发明提供的水凝胶具有易吸水保水的特点，可以吸收药物溶液，并缓慢释放，从而达到药物控缓释的效果。
下面结合实施例对本发明提供的可注射和自愈合淀粉基水凝胶及其制备方法和应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
实施例1所用试剂均为市售。
将4g聚乙烯醇(PVA)在95℃高温下溶解于水中，得到浓度为0.5g/mL的PVA水溶液；
利用超声分散将1g Laponite带电纳米粒子在95℃高温下分散于上述PVA水溶液中，冷却至室温后得到Laponite/PVA水凝胶备用；超声分散的频率为40kHz，连续分散3次，每次30s，每次间隔10s；
将上述Laponite/PVA水凝胶加入浓度为1g/mL的阳离子玉米淀粉水溶液中，阳离子玉米淀粉的质量为5g，在95℃高温下搅拌桨以60rpm的速度共混30min，冷却至室温，得到淀粉基复合水凝胶；淀粉基复合水凝胶内部水分含量通过60℃烘箱调节到50wt％，得到可注射和自愈合淀粉基水凝胶。
图3是实施例1得到的水凝胶的扫描电镜图，由图3可以看出，实施例1得到的水凝胶具有三维网络结构。
采用旋转流变仪对实施例1得到的水凝胶进行流变学性能测试，结果如图4所示。由图4可知，旋转剪切过程中水凝胶的储存模量急剧下降，停止后又立即恢复，展示出剪切稀化和自愈合的性能。
测试实施例1得到的水凝胶对药物(阿霉素)控缓释能力，测试方法为：将包覆5g阿霉素的水凝胶放入磷酸盐(PBS)缓冲液中，并检测PBS缓冲液中阿霉素含量随时间的变化，结果如图5所示。由图5可知，将包含有阿霉素的水凝胶放入PBS缓冲液中，极大的延长了阿霉素进入PBS缓冲液的时间，呈现出缓释的效果。图5对应的实施例1得到的水凝胶对药物(阿霉素)控缓释能力的数据如表1所示。
实施例2
实施例2所用试剂均为市售。
将1g聚乙烯醇(PVA)在95℃高温下溶解于水中，得到浓度为0.05g/mL的PVA水溶液；
利用超声分散将2g Laponite带电纳米粒子在95℃高温下分散于上述PVA水溶液中，冷却至室温后得到Laponite/PVA水凝胶备用；超声分散频率为20kHz，连续分散3次，每次30s，每次间隔10s；
将上述Laponite/PVA水凝胶加入浓度为0.1g/mL木薯淀粉水溶液，木薯淀粉的质量为7g，在95℃高温下搅拌桨以80rpm的速度共混30min，冷却至室温，得到淀粉基复合水凝胶；淀粉基复合水凝胶内部水分含量通过60℃烘箱调节到50wt％，得到可注射和自愈合淀粉基水凝胶。
实施例2得到的水凝胶的扫描电镜图与图3类似。
采用旋转流变仪对实施例2得到的水凝胶进行流变学性能测试，测试结果：旋转剪切过程中水凝胶的储存模量急剧下降，停止后又立即恢复，展示出剪切稀化和自愈合的性能。
采用实施例1的方法测试实施例2得到的水凝胶对药物(阿霉素)控缓释能力，测试结果如图5所示，将包含有5g阿霉素的水凝胶放入PBS缓冲液中，极大的延长了阿霉素进入PBS缓冲液的时间，呈现出缓释的效果。图5对应的实施例2得到的水凝胶对药物(阿霉素)控缓释能力的数据如表1所示。
表1实施例1～2得到的水凝胶对药物(阿霉素)控缓释能力数据
Figure BDA0002346389410000081
Figure BDA0002346389410000091
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种可注射和自愈合淀粉基水凝胶，由包括以下组分的原料制备得到：固相组分和水；
所述固相组分包括以下质量百分含量的组分：淀粉40～94％、聚乙烯醇5～40％和Laponite带电纳米粒子1～20％；
所述可注射和自愈合淀粉基水凝胶的含水量为30～70wt％；
所述原料不包括催化剂、引发剂和交联剂；
所述可注射和自愈合淀粉基水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
(1)将聚乙烯醇、水和Laponite带电纳米粒子在95～100℃条件下进行第一混合，然后冷却至室温，得到Laponite/PVA水凝胶；
(2)将所述Laponite/PVA水凝胶和淀粉水溶液在95～100℃条件下进行第二混合，然后冷却至室温，得到淀粉基复合水凝胶；
(3)将所述淀粉基复合水凝胶干燥至含水量为30～70wt％，得到所述可注射和自愈合淀粉基水凝胶。
2.根据权利要求1所述的可注射和自愈合淀粉基水凝胶，其特征在于，所述淀粉包括原淀粉和/或变性淀粉。
3.权利要求1或2所述可注射和自愈合淀粉基水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将聚乙烯醇、水和Laponite带电纳米粒子在95～100℃条件下进行第一混合，然后冷却至室温，得到Laponite/PVA水凝胶；
(2)将所述Laponite/PVA水凝胶和淀粉水溶液在95～100℃条件下进行第二混合，然后冷却至室温，得到淀粉基复合水凝胶；
(3)将所述淀粉基复合水凝胶干燥至含水量为30～70wt％，得到所述可注射和自愈合淀粉基水凝胶。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述第一混合的方法具体为：
将聚乙烯醇和水在95～100℃条件下混合，得到聚乙烯醇水溶液；
将Laponite带电纳米粒子和所述聚乙烯醇水溶液在95～100℃条件下混合进行超声分散。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述聚乙烯醇水溶液的质量浓度为0.05～1g/mL。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述超声分散的频率为20～40kHz；所述超声分散的次数为3～5次，每次分散的时间为20～30s，两次超声的时间间隔为5～10s。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述淀粉水溶液的质量浓度为0.1～2g/mL。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述第二混合的方法为搅拌混合；所述搅拌混合的速度为20～80rpm，时间为30～40min。
9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述干燥的温度为60～80℃。
10.权利要求1或2所述可注射和自愈合淀粉基水凝胶或权利要求3～9任意一项所述制备方法制备得到的可注射和自愈合淀粉基水凝胶在骨组织修复材料、缓释药物制备中的应用。
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