CN111218009A - 一种高力学强度与稳定性的可注射水凝胶及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高力学强度与稳定性的可注射水凝胶及其制备方法和应用,属于生物医用材料领域。现有的可注射水凝胶力学强度较差,且在生理环境下由于溶胀和降解带来的力学性能快速下降的技术问题。本发明的可注射水凝胶包含溶有羟氨基封端的聚乙二醇嵌段聚合物的缓冲液和溶有醛基封端的四臂聚乙二醇的缓冲液两组分;将两组分按按照羟氨基与醛基摩尔比1:1的比例混合均匀后,放置保证其完全成胶制得。本发明的可注射水凝胶能在20s内快速固化,压缩强度可达到30‑40MPa,具有很好的抗疲劳性及力学性能长期稳定性(浸泡32‑44周完全降解)。本发明的可注射水凝胶生物相容性良好,可应用于生物材料领域,尤其在组织工程和药物缓释领域具有非常好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于生物医用材料领域,具体涉及一种在生理环境下具有高力学强度与稳定性的可注射水凝胶及其制备方法和应用。
背景技术
水凝胶一般是由三维交联聚合物网络以及分散介质水构成的一种高分子材料。可注射水凝胶是一种可以实现体外注射,体内成胶的水凝胶材料。它拥有可微创移植,填充不规则创口,包载细胞、药物及生物活性分子等优点,在组织修复与药物载体等方面受到了广泛的关注。然而,受限于制备条件,可注射水凝胶的力学性能往往较差,且在生理环境下易发生溶胀与降解,不仅会损伤周围组织而且会降低自身的力学强度,因此极大地限制了它们的实际应用。
现有技术中专利号为201810670921.7的中国专利公开了一种在生理环境下不溶胀且具有一定力学强度的可注射水凝胶,是由羟氨基封端的聚乙二醇嵌段聚合物和醛基封端的聚乙二醇为前驱体溶液,通过在37℃下按比例混合两前驱体溶液,能在数分钟内快速成胶,从而实现可注射的效果,可以在体内环境下快速成胶。但该水凝胶压缩强度只有4MPa,且在生理环境下缺乏长期稳定性,力学强度快速下降,12周内即发生完全降解。这些性质极大地限制了它在组织工程的应用,尤其是对于承载类组织的修复。因此,构造一种在生理环境下拥有高力学强度且能保持力学性能的长期稳定性的可注射水凝胶至关重要。
发明内容
本发明要解决现有的可注射水凝胶力学强度较差,且在生理环境下由于溶胀和降解带来的力学性能快速下降的技术问题,提供一种高力学强度与稳定性的可注射水凝胶及其制备方法和应用。
为了解决上述技术问题,本发明的技术方案具体如下:
本发明提供一种高力学强度与稳定性的可注射水凝胶,包括A组份和B组份,且A组份中的羟氨基与B组份中的醛基的摩尔比为1:1;
所述A组份为溶有羟氨基封端的聚乙二醇嵌段聚合物的缓冲液,羟氨基封端的聚乙二醇嵌段聚合物的结构式如式i所示:
式i中,n=85-95,聚乙二醇数均分子量为3800-4200Da,嵌段聚合物数均分子量为10000-12000Da;
所述B组份为溶有醛基封端的四臂聚乙二醇的缓冲液,醛基封端的四臂聚乙二醇的结构式如式ii所示:
式ⅱ中,n=10-12,四臂聚乙二醇数均分子量为1800-2100Da,每一个臂的数均分子量为460-530Da,醛基封端率可达97%以上,封端后数均分子量为2328-2628Da。
在上述技术方案中,所述醛基封端的四臂聚乙二醇是由下述方法制备得到:
向反应容器里加入四臂聚乙二醇,对羧基苯甲醛,二环己基碳二亚胺,4-二甲氨基吡啶,反应,得到醛基封端的四臂聚乙二醇。
在上述技术方案中,所述羟氨基封端的聚乙二醇嵌段聚合物的制备方法包括以下步骤:
(1)向反应容器里加入碳酸胍,α-乙酰基-γ-丁内酯,三乙胺,反应,得到第一中间体;
(2)向反应容器里加入1,6-己二异氰酸酯和第一中间体,反应,得到第二中间体;
(3)向反应容器里加入聚乙二醇,N,N'-羰基二咪唑,反应,得到第三中间体;
(4)向反应容器里加入第三中间体,辛二胺,反应,得到第四中间体;
(5)向反应容器里加入第二中间体,第四中间体,反应,再加入卡特缩合剂,乙醇酸,反应,得到第五中间体;
(6)向反应容器里加入第五中间体,N-羟基邻苯二甲酰亚胺,三苯基膦,偶氮二甲酸二异丙酯,反应,得到第六中间体;
(7)向反应容器里加入第六中间体,水合肼,反应,得到羟氨基封端的聚乙二醇嵌段聚合物。
本发明还提供一种高力学强度与稳定性的可注射水凝胶的制备方法,包括以下步骤:
(1)将具有式ⅰ结构的羟氨基封端的聚乙二醇嵌段聚合物溶解于缓冲液中,高温下加热至完全溶解,形成透明的第一前驱体溶液;
(2)将具有式ⅱ结构的醛基封端的四臂聚乙二醇溶解于缓冲液中,室温震荡至完全溶解,形成第二前驱体溶液;
(3)将第一前驱体溶液和第二前驱体溶液在37℃下按照羟氨基与醛基摩尔比1:1的比例混合均匀后,放置保证其完全成胶,即得到所述高力学强度与稳定性的可注射水凝胶。
在上述技术方案中,所述缓冲液为磷酸二氢钾与磷酸氢二钠缓冲液,浓度为0.01-0.05M,pH=5.0-5.4。
在上述技术方案中,步骤(1)中式ⅰ结构的羟氨基封端的聚乙二醇嵌段聚合物溶解的温度为70-80℃,溶解时间为15-25分钟。
在上述技术方案中,所述第一前驱体溶液浓度为11.0w/v%-13.3w/v%,所述第二前驱体溶液浓度为6.8w/v%-8.2w/v%;所述第一前驱体溶液和第二前驱体溶液的体积比为3:1。
在上述技术方案中,
当所述第一前驱体溶液浓度为11.0w/v%时,所述第二前驱体溶液浓度为6.8w/v%;
当所述第一前驱体溶液浓度为13.3w/v%时,所述第二前驱体溶液浓度为8.2w/v%。
在上述技术方案中,步骤(3)中放置的温度为37℃,时间为24h以上。
本发明提供的高力学强度与稳定性的可注射水凝胶可应用于生物材料领域,尤其在组织工程和药物缓释领域。
本发明的有益效果是:
1、本发明提供的可注射水凝胶成胶速度很快,能在20s内快速固化,并且在1h以内即可达到成胶平衡。
2.本发明提供的可注射水凝胶力学性能优异,压缩至95%的形变依旧不会发生断裂,可达到30-40MPa的压缩强度,撤去压力后可恢复到初始形状。水凝胶在生理环境下不会吸水溶胀,压缩性能不会发生变化,且在连续的50次压缩循环(80%应变)后依旧可以达到首次循环压缩强度的96%,体现出很好的抗疲劳性质。
3.本发明提供的可注射水凝胶在生理环境下浸泡32-44周完全降解,且在至少前八周的降解过程中,力学性能(压缩强度与模量)保持不变,体现出很好的力学性能长期稳定性。
4、本发明提供的可注射水凝胶生物相容性良好,非常有潜力用于药物缓释(细胞载体)和组织工程等领域。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1为醛基封端的四臂聚乙二醇的氢谱核磁图谱。
图2为本发明可注射水凝胶(浓度为10w/v%或12w/v%)A与B组分混合后的时间-模量扫描曲线。
图3为本发明实例3的水凝胶(浓度为12w/v%)压缩至95%形变前后的照片。
图4为本发明实例3的水凝胶(浓度为10w/v%或12w/v%)溶胀前后压缩测试应力-应变曲线。
图5为本发明实例3的水凝胶(浓度为12w/v%)在PBS溶液中的50次循环压缩应力-应变曲线。
图6为本发明实例3的水凝胶(浓度为12w/v%)和专利号为201810670921.7专利中实施例5的水凝胶(浓度为12w/v%)在浸泡8周内的压缩性能(80%应变)的变化。
图7为软骨细胞在本发明实例3的水凝胶(浓度为12w/v%)中培养7-14天的细胞活死染色图。
具体实施方式
为了进一步了解本发明,下面将结合附图和实施例对本发明的提供的一种可注射水凝胶的制备以及性能表征进行完整、清楚的描述。显然,所描述的优选实施方案仅仅是本发明的一部分实施例,不是全部的实施例。以下实例中所用试剂均为市售。
实施例1
参照专利号为201810670921.7专利合成羟氨基封端的聚乙二醇嵌段聚合物,其合成步骤如下:
1.1烧瓶中加入1.5g碳酸胍,20mL无水乙醇,再加入α-乙酰基-γ-丁内酯2.2mL与三乙胺5.5mL。在90℃条件下搅拌回流反应2h,然后降至室温4h以上。收集得到白色沉淀,并用冰乙醇(4℃)冲洗2-3次,烘干,得到第一中间体。
1.2烧瓶中加入第一中间体1g,再加入1,6-己二异氰酸酯20mL与吡啶1mL。氮气保护下升温到90℃反应3h直到溶液完全变透明。然后,将反应液直接沉淀于400mL正戊烷中,收集得到第二中间体。
1.3烧瓶中加入N,N'-羰基二咪唑0.81g,二氯甲烷15mL。将聚乙二醇(分子量为4000Da)2g溶于10mL二氯甲烷,滴加入烧瓶中,30分钟以内加完。整个反应在氮气保护下进行,30℃反应24h。然后将反应液沉淀于300mL乙醚中,用乙醚冲洗2-3次。收集白色沉淀,得到第三中间体。
1.4烧瓶中加入辛二胺1.44g,二氯甲烷15mL。将第三中间体2g溶于10mL二氯甲烷,滴加入烧瓶中,30分钟以内加完。整个反应在氮气保护下进行,30℃反应12h。然后将反应液沉淀于300mL乙醚中,收集沉淀溶于二氯甲烷20mL用乙醚冲洗2-3次。如此反复三次。收集白色沉淀,得到第四中间体。
1.5烧瓶中加入第四中间体1.5g,N,N-二甲基甲酰胺15mL。升温至30℃将第二中间体0.086g溶于10mL N,N-二甲基甲酰胺中滴加入烧瓶中,30分钟以内加完。在氮气条件下,反应1h。后升温至50℃,反应3h。之后,将乙醇酸0.129g,卡特缩合剂0.75g溶于DMF5 mL,加入反应液,再室温反应12h。反应结束后,用截留分子量为1000Da的透析袋直接透析3天,每一天换三次水。冷冻干燥后得到第五中间体。
1.6烧瓶中加入第五中间体1.5g,N-羟基邻苯二甲酰亚胺0.15g,三苯基膦0.35g,二氯甲烷20mL。氮气条件下,完全溶解后,加入偶氮二甲酸二异丙酯0.3mL,30℃反应24h。反应结束后,沉淀于400mL乙醚,收集白色沉淀,并用乙醚冲洗2-3次,干燥,得到第六中间体。
1.7烧瓶中加入第六中间体0.5g,二氯甲烷10mL,水合肼200μL。室温反应4h,过滤,将滤液沉淀于乙醚200mL。收集得到具有式ⅰ结构的羟氨基封端的聚乙二醇嵌段聚合物。
利用核磁共振对1.7中所得具有式ⅰ结构的羟氨基封端的聚乙二醇嵌段聚合物进行分析,得到核磁共振氢谱,根据谱图a,b峰积分面积比可得羟氨基封端的聚乙二醇嵌段聚合物的数均分子量约为11000Da。
实施例2
醛基封端的四臂聚乙二醇的合成步骤
烧瓶中加入四臂聚乙二醇1g(分子量为2000Da),对羧基苯甲醛0.6g,二环己基碳二亚胺0.82g,4-二甲氨基吡啶0.2g,四氢呋喃30mL。氮气条件下,40℃下反应36h。之后过滤反应液,旋干后再溶解于CH2Cl2中,以95%CH2Cl2/5%MeOH作为淋洗剂,用硅胶色谱柱分离出醛基化的四臂PEG2k。最终得到具有式ⅱ结构的醛基封端的四臂聚乙二醇。如图1所示,核磁图谱证明了产物的成功合成。其醛基封端率为98%,数均分子量为2428-2628Da。
实施例3
水凝胶的制备
将具有式ⅰ结构的羟氨基封端的聚乙二醇嵌段聚合物溶解于磷酸缓冲液中(0.0125M,pH=5.2),分别配制成11.1w/v%、13.3w/v%浓度的溶液,为第一混合液。将溶液置于70℃下水浴加热15-20分钟,至聚合物完全溶解,形成均一透明的液体。
将具有式ⅱ结构的醛基封端的四臂聚乙二醇溶解于磷酸缓冲液中(0.0125M,pH=5.2),分别配制成6.8w/v%、8.2w/v%浓度的溶液,为第二混合液。
将750μL 11.1w/v%第一混合液与250μL 6.8w/v%第二混合液在37℃下充分混合,静置于37℃下12h以上,保证完全成胶,得到溶质浓度为10w/v%。
将750μL 13.3w/v%第一混合液与250μL 8.2w/v%第二混合液在37℃下充分混合,静置于37℃下12h以上,保证完全成胶,得到溶质浓度为12w/v%。
实施例4
粘合剂固化时间
利用倒置法来确定水凝胶的固化时间。按照实施例3中的方法配制两组分的前驱体溶液,将两组分(溶质浓度为10w/v%、12%的水凝胶)室温下充分混合后,液体倒置后不再发生流动即为固化,由此判断的两种凝胶的固化时间分别为20s和10s。
实施例5
粘合剂达到成胶平衡的时间
利用旋转流变仪来量化水凝胶达到成胶平衡的时间。按照实施例3中的方法配制两组分的前驱体溶液,将两组分(溶质浓度为10w/v%、12%的水凝胶)室温下充分混合后快速转移到流变仪上,之后进行时间-模量扫描(应变1%,频率1Hz)。由图2所示,在1h以内即到达了储能模量的平台,意味着凝胶反应到达平衡。
实施例6
水凝胶力学性能的测试
制备压缩式样:按照实施例3配制两组分前驱体溶液,按照体积比3:1均匀混合后注入模具中,37℃下静置24h后,取出溶质最终浓度为10w/v%、12w/v%的柱状凝胶(高8mm,直径为12mm)。在室温下用万能实验机(三思纵横)对式样进行压缩测试,压缩形变设为95%,压缩速率设为5mm/min。图3为压缩前后水凝胶(12w/v%)的照片。检测结果如表1所示。
表1实施例3中水凝胶的力学性能。
从表1可以看出,实施例3的水凝胶展现出很高的压缩强度与模量,这在可注射水凝胶领域内十分少见。
实施例7
水凝胶溶胀性能测试
按照实施例3配制两组分的前驱体溶液,充分混合后37℃下静置24h,得到溶质浓度为10w/v%、12w/v%的水凝胶。之后将所得水凝胶分别剪成小块(0.2-0.5g)称重记为Wo,然后浸泡于50mL PBS溶液(0.01M,pH=7.4)中,放置于37℃下,48h后取出,擦干表面水分,然后称重记为Wi,溶胀率Q=100%*Wi/Wo。测试结果如表2所示。
表2实施例3中水凝胶的溶胀性能
实施例8
生理环境下水凝胶力学性能的测试
按实施例6分别制备溶质浓度为10w/v%、12w/v%的柱状凝胶(高8mm,直径为12mm),在37℃的PBS溶液(0.01M,pH=7.4)中浸泡24h到达溶胀平衡。溶胀后的力学测试在Instron ElectroPuls E10000环境力学实验机上进行,配备一个水浴循环系统。整个测试在37℃的PBS溶液中进行,对于压缩循环实验,其频率为1Hz,压缩应变为80%。由图4可见,水凝胶在浸泡前后的力学性能没有改变。由图5可见,在生理环境下循环压缩50次后,水凝胶(溶质浓度为12w/v%)的压缩强度依旧可以维持在初始的96%左右,体现出很好的抗疲劳特性。
实施例9
水凝胶的降解实验
按照实施例3配制两组分的前驱体溶液,充分混合后37℃下静置24h,得到溶质浓度为10w/v%、12w/v%的水凝胶,之后将分别水凝胶剪成小块(0.2-0.5g)冻干后称重记为Wo。将凝胶浸泡在含有溶菌酶4mg/mL的PBS溶液(0.01M,pH=7.4)中,每隔一周取出凝胶,冲洗擦干,记录冻干后的凝胶质量Wt,然后和初始的质量进行对比,直到凝胶完全降解。含溶菌酶的PBS溶液每隔一周替换一次。两种浓度的水凝胶在32-44周几乎完全降解。
对比例
对专利号为201810670921.7专利中实施例4和5的凝胶进行与实施例9相同的浸泡实验,发现它们在10-12周几乎完全降解。这说明本发明中的水凝胶在类生理环境下的降解速度大幅减小。
实施例10
水凝胶在降解过程中的力学性能变化
按实施例6分别制备溶质浓度为10w/v%、12w/v%的柱状凝胶(高8mm,直径为12mm),在37℃条件下将凝胶浸泡在含有溶菌酶4mg/mL的PBS溶液中的PBS溶液(0.01M,pH=7.4)中浸泡八周。在浸泡0,4,8周后分别取出凝胶,擦干后按实施例6的方法对其进行压缩测试。由图6可见,在整个8周的浸泡过程中,凝胶(溶质浓度为12w/v%)的力学性能几乎没有变化。而专利号为201810670921.7专利中实施例5的凝胶(溶质浓度为12w/v%)压缩强度却快速下降,最终降低为初始值的60%。这说明本发明中的水凝胶在类生理环境下拥有长期的力学稳定性。(实施例11
软骨细胞在凝胶中的3D培养
用稀盐酸溶液将单纯DMEM溶液pH调至5.2附近,然后将具有式ⅰ结构的羟氨基封端的聚乙二醇嵌段聚合物溶解于其中,配制成13.3w/v%浓度的溶液,为第一混合液。将具有ⅱ结构的醛基封端的四臂聚乙二醇溶解于其中,配制成8.2w/v%浓度的溶液,为第二混合液。分别将小鼠软骨细胞与第二混合液混合后加入到第一混合液中(体积比1:3),快速转移至96孔板中,每孔75μL凝胶液(凝胶浓度为12w/v%),其中细胞浓度50万/mL。将96孔板置于培养箱中孵育2h后,每孔加入200μL培养基,然后置于37℃,5%CO2的无菌培养箱中培养,每隔两天换液一次。培养1天,7天和14天后,吸出培养基,用PBS(0.01M,pH=7.4)洗涤三次,每孔加入500μL含有钙黄绿素-AM(2μM,Calcein-AM)和碘化丙啶(4μM,propidim,PI)的PBS溶液,在培养箱中继续孵育30min,使用荧光显微镜观察并利用配置的数码相机系统拍摄照片。活细胞被Calcein-AM染成绿色,死细胞则被PI染成红色。最终的结果如附图7所示。由图可知,细胞在所有凝胶中均分布均匀,死细胞数量较少。且随着培养时间的延长,凝胶内细胞的数量逐渐增长。这些现象都说明,本发明的水凝胶生物相容性良好,非常有潜力用于细胞载体和组织工程等领域。
显然,上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例,而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种高力学强度与稳定性的可注射水凝胶,包括A组份和B组份,且A组份中的羟氨基与B组份中的醛基的摩尔比为1:1;
所述A组份为溶有羟氨基封端的聚乙二醇嵌段聚合物的缓冲液,羟氨基封端的聚乙二醇嵌段聚合物的结构式如式i所示:
式i中,n=85-95,聚乙二醇数均分子量为3800-4200Da,嵌段聚合物数均分子量为10000-12000Da;
其特征在于,
所述B组份为溶有醛基封端的四臂聚乙二醇的缓冲液,醛基封端的四臂聚乙二醇的结构式如式ii所示:
式ⅱ中,n=10-12,四臂聚乙二醇数均分子量为1800-2100Da,每一个臂的数均分子量为460-530Da,醛基封端率可达97%以上,封端后数均分子量为2328-2628Da。
2.根据权利要求1所述的高力学强度与稳定性的可注射水凝胶,其特征在于,所述醛基封端的四臂聚乙二醇是由下述方法制备得到:
向反应容器里加入四臂聚乙二醇,对羧基苯甲醛,二环己基碳二亚胺,4-二甲氨基吡啶,反应,得到醛基封端的四臂聚乙二醇。
3.根据权利要求1所述的高力学强度与稳定性的可注射水凝胶,其特征在于,所述羟氨基封端的聚乙二醇嵌段聚合物的制备方法包括以下步骤:
(1)向反应容器里加入碳酸胍,α-乙酰基-γ-丁内酯,三乙胺,反应,得到第一中间体;
(2)向反应容器里加入1,6-己二异氰酸酯和第一中间体,反应,得到第二中间体;
(3)向反应容器里加入聚乙二醇,N,N'-羰基二咪唑,反应,得到第三中间体;
(4)向反应容器里加入第三中间体,辛二胺,反应,得到第四中间体;
(5)向反应容器里加入第二中间体,第四中间体,反应,再加入卡特缩合剂,乙醇酸,反应,得到第五中间体;
(6)向反应容器里加入第五中间体,N-羟基邻苯二甲酰亚胺,三苯基膦,偶氮二甲酸二异丙酯,反应,得到第六中间体;
(7)向反应容器里加入第六中间体,水合肼,反应,得到羟氨基封端的聚乙二醇嵌段聚合物。
4.一种权利要求1-3任意一项所述的高力学强度与稳定性的可注射水凝胶的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将具有式ⅰ结构的羟氨基封端的聚乙二醇嵌段聚合物溶解于缓冲液中,高温下加热至完全溶解,形成透明的第一前驱体溶液;
(2)将具有式ⅱ结构的醛基封端的四臂聚乙二醇溶解于缓冲液中,室温震荡至完全溶解,形成第二前驱体溶液;
(3)将第一前驱体溶液和第二前驱体溶液在37℃下按照羟氨基与醛基摩尔比1:1的比例混合均匀后,放置保证其完全成胶,即得到所述高力学强度与稳定性的可注射水凝胶。
5.根据权利要求4所述的高力学强度与稳定性的可注射水凝胶的制备方法,其特征在于,所述缓冲液为磷酸二氢钾与磷酸氢二钠缓冲液,浓度为0.01-0.05M,pH=5.0-5.4。
6.根据权利要求4所述的高力学强度与稳定性的可注射水凝胶的制备方法,其特征在于,步骤(1)中式ⅰ结构的羟氨基封端的聚乙二醇嵌段聚合物溶解的温度为70-80℃,溶解时间为15-25分钟。
7.根据权利要求4所述的高力学强度与稳定性的可注射水凝胶的制备方法,其特征在于,所述第一前驱体溶液浓度为11.0w/v%-13.3w/v%,所述第二前驱体溶液浓度为6.8w/v%-8.2w/v%;所述第一前驱体溶液和第二前驱体溶液的体积比为3:1。
8.根据权利要求7所述的高力学强度与稳定性的可注射水凝胶的制备方法,其特征在于,
当所述第一前驱体溶液浓度为11.0w/v%时,所述第二前驱体溶液浓度为6.8w/v%;
当所述第一前驱体溶液浓度为13.3w/v%时,所述第二前驱体溶液浓度为8.2w/v%。
9.根据权利要求4所述的高力学强度与稳定性的可注射水凝胶的制备方法,其特征在于,步骤(3)中放置的温度为37℃,时间为24h以上。
10.权利要求1-3任意一项所述的高力学强度与稳定性的可注射水凝胶可应用于组织工程和药物缓释领域。
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2020
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