CN111793238A - 胶原蛋白/树枝化聚合物复合凝胶、其制备方法和应用 - Google Patents

胶原蛋白/树枝化聚合物复合凝胶、其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种胶原蛋白/树枝化聚合物复合凝胶、其制备方法和应用。本发明以天然胶原蛋白和具有优异温度敏感行为的树形烷氧醚基元作为原材料，利用胶原蛋白与戊二醛发生席夫碱动态共价键反应和树形烷氧醚单体自由基聚合反应，在冷冻的条件下交联形成双网络水凝胶。该凝胶具有优异的力学性能、多孔结构以及温度响应智能特征。通过两网络组份的比例能够实现凝胶力学性能、孔径大小以及温敏体积收缩性能的调控。该类凝胶结合了胶原蛋白本身的生物功能以及树形烷氧醚的温敏行为特征，在药物载体、细胞培养基质和组织工程领域十分具有应用前景。

Description

胶原蛋白/树枝化聚合物复合凝胶、其制备方法和应用
技术领域
本发明属于生物材料制造领域，涉及一种胶原蛋白/树枝化聚合物复合凝胶及其制备方法和应用。它是利用温敏的树形烷氧醚基元与胶原蛋白结合，制备一种具有良好温度响应性和生物相容性的复合凝胶，属于高分子水凝胶材料领域，也属于组织工程材料领域。
背景技术
胶原蛋白是脊椎动物的主要结构蛋白，约占动物总蛋白的30％，它们广泛的分布于皮肤、骨骼、肌腱、血管系统和肌内结缔组织，有助于这些组织和器官的稳定性和完整性。所有的胶原蛋白都是由特定氨基酸组成的细胞外基质结构蛋白，由甘氨酸和其他氨基酸重复的三元组件Gly-X-Y构成，其中X一般是脯氨酸，Y通常是羟脯氨酸。典型胶原蛋白的结构如图1所示。由于胶原蛋白具有良好的生物相容性和生物可降解性，使得其在食品、医药、化妆品等行业有比较好的应用前景。天然的胶原蛋白凝胶通常表现出较差的热稳定性和力学性能，为了提高胶原蛋白材料的稳定性，通常使用交联剂对材料进行交联。常用的有物理交联方法有紫外线照射、重度脱水等方法(T.Takitoh,M.Bessho,M.Hirose,etal.JournalofBioscience and Bioengineering 2015,119,217-225；W.Wang,Y.Zhang,R.Ye,et al.Int JBiol Macromol2015,81,920-5)。鉴于物理交联方法的交联度低，通常采用化学交联的方法来提高胶原蛋白材料的稳定性，常用的化学交联剂有戊二醛、碳化二亚胺和京尼平。单一胶原蛋白材料的功能现在远不能满足现在社会发展的需求，所以具有智能特征以及优异机械性能的胶原蛋白材料具有巨大的应用前景。其中将胶原蛋白与天然或合成的高分子材料进行复合，在保留了天然胶原蛋白优异的生物相容性和免疫原性的同时，赋予蛋白凝胶材料更多的智能行为以及更优异的机械强度，从而进一步拓展了其在生物材料和组织工程中的应用(C.Dong andY.Lv.Polymers(Basel)2016,8；A.M.Ferreira,P.Gentile,V.Chiono,et al.Acta Biomater 2012,8,3191-200)。这成为亟待解决的技术问题。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种胶原蛋白/树枝化聚合物复合凝胶、其制备方法和应用，通过在胶原蛋白交联网络中引入由温敏树形烷氧醚聚合物形成的第二个交联网络，制备一类新型的温度响应型复合凝胶。本发明目的之一在于提供一种具有多孔结构、力学性能可调控、具有温度响应特性、良好的生物相容性的复合凝胶材料，能够赋予胶原蛋白材料智能响应特征，并且提高其热稳定性和力学性能。
为达到上述发明创造目的，本发明采用如下发明构思：
本发明采用如下反应机理；
Figure BDA0002518352640000021
本发明方法是在冷冻条件下，分别利用氨基与醛基席夫碱动态共价键联和氧化还原自由基聚合反应，形成交联网络，得到多孔的复合凝胶。本发明胶原蛋白/树枝化聚合物复合凝胶，是由双网络构筑。其中第一个网络是采用胶原蛋白的氨基与戊二醛的醛基形成席夫碱动态共价键交联，另一个网络是以树形烷氧醚为单体，以过硫酸铵为氧化剂、N,N-四甲基乙二胺为催化剂、聚乙二醇(二醇)二烯酸酯为交联剂，通过自由基聚合交联而形成。将所有反应原料共混入水中，在冷冻条件下经交联反应制备具得到多孔结构的温度响应型复合凝胶。本反应机理仅以-20℃的交联反应条件说明本发明技术路线，根据本发明的需要采用所需的交联反应温度同样能实现本发明，反应的原料种类并不仅限于上述反应机理中的原料组分。
根据上述发明构思，本发明采用如下技术方案：
一种胶原蛋白/树枝化聚合物复合凝胶，由网络组份胶原蛋白和温度响应型树枝化烷氧醚聚合物进行构筑，在胶原蛋白交联形成的第一网络中，穿插由温度响应型树形烷氧醚交联聚合物形成的第二网络，构成具有双网络多孔结构的温度响应型复合凝胶。
作为本发明优选的技术方案，上述胶原蛋白/树枝化聚合物复合凝胶具有复合双网络结构、多孔形貌、生物相容性以及温度响应行为特征。
作为本发明优选的技术方案，所述第一网络采用胶原蛋白的氨基与戊二醛的醛基形成席夫碱动态共价键交联形成；所述第二网络以树形烷氧醚为单体，以过硫酸铵为氧化剂，以N,N-四甲基乙二胺为催化剂，以聚乙二醇(二醇)二烯酸酯为交联剂，在冷冻条件下，通过自由基聚合交联反应而形成；所述凝胶固含量为3-10wt％，所述胶原蛋白和树枝化烷氧醚的质量比例为1:(2-28)。
作为本发明优选的技术方案，上述双网络多孔结构的平均孔径不低于20微米。
作为本发明优选的技术方案，通过网络组份的比例调控所述胶原蛋白/树枝化聚合物复合凝胶的凝胶力学参数、孔径以及温敏体积收缩系数。
上述胶原蛋白优选采用天然胶原蛋白。
一种本发明胶原蛋白/树枝化聚合物复合凝胶的制备方法，包括如下步骤：
a.将树形烷氧醚单体、胶原蛋白、氧化剂过硫酸铵、催化剂四甲基乙二胺、交联剂聚乙二醇(二醇)二丙烯酸酯、戊二醛按照质量比为(3-28)：1：0.1：0.1：0.4：0.09的比例溶于水中，控制固含量为3-10wt％，混合均匀，得到原料混合液；
b.将在所述步骤a中所得的原料混合液转移至不高于-20℃的环境中进行冷冻，通过自由基聚合交联反应，过夜，从而得到胶原蛋白/树枝化聚合物复合水凝胶。
作为本发明优选的技术方案，在所述步骤a中，所采用的树形烷氧醚单体的结构为：
Figure BDA0002518352640000031
其中X独立地为OCH2CH3或OCH3。
一种本发明胶原蛋白/树枝化聚合物复合凝胶的应用，所述胶原蛋白/树枝化聚合物复合凝胶用作药物载体材料和细胞培养基质材料。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明胶原蛋白来源广泛且具有良好的生物相容性和可降解性，树枝化烷氧醚具有良好的温敏行为和生物相容性；
2.本发明复合凝胶力学性能、孔径大小、温敏的体积收缩与回复通过胶原蛋白与烷氧醚基元的质量比来实现调控，为在药物控释、细胞培养和组织工程等领域应用开辟了道路；
3.本发明方法复合凝胶制备工艺简单，反应条件温和，成本低，适合推广使用。
附图说明
图1为现有技术的典型胶原蛋白的结构示意图。
图2为本发明不同实施例所制备复合凝胶样品的共聚焦激光显微镜和扫描电镜结构表征图片。其中胶原蛋白与树形烷氧醚单体质量比例分别为1：3、1:7、1：14、1:28。
图3为本发明不同实施例的胶原蛋白与树形烷氧醚单体质量比例为1：3、1:7、1：14、1:28所得复合凝胶样品的流变力学对比图。
图4为本发明不同实施例的胶原蛋白与树形烷氧醚单体质量比例为1：3、1:7、1：14、1:28所得复合凝胶样品的压缩模量对比图。
图5为本发明不同实施例的胶原蛋白与树形烷氧醚单体质量比例为1：3、1:7、1：14、1:28所得复合凝胶样品的平衡溶胀比。
具体实施方式
树枝化烷氧醚的合成参照文献：Macromolecules,2008,41,3659-3667。
预先将各组分配置成水溶液:烷氧醚单体40％(320g/800mL)、氧化剂过硫酸铵5％(40mg/800mL)、催化剂四甲基乙二胺5％(40mg/800mL)、交联剂戊二醛5％(80mg/800mL)和聚乙二醇(二醇)二烯酸酯20％(160mg/800mL)。胶原蛋白用0.2M醋酸溶解至16mg/mL。
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
在本实施例中，一种胶原蛋白/树枝化聚合物复合凝胶的制备方法，包括如下步骤：
胶原蛋白与烷氧醚单体质量比例为1:3复合凝胶样品的制备方法如下：
从组分母液中取烷氧醚单体88μL、胶原蛋白700μL、PBS 5μL、去离子水129μL，氧化剂和催化剂各20μL、交联剂聚乙二醇(二醇)二烯酸酯20μL和戊二醛18μL，整个体系成胶固含量为5wt％。依次加入4mL的玻璃样品瓶中，震荡均匀迅速放置到-20℃冰箱中反应过夜。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种胶原蛋白/树枝化聚合物复合凝胶的制备方法，包括如下步骤：
胶原蛋白与烷氧醚单体质量比例为1:7复合凝胶样品的制备方法如下：
从组分母液中取烷氧醚单体100μL、胶原蛋白350μL、PBS 5μL、0.2M醋酸350μL、去离子水117μL、氧化剂和催化剂各20μL、交联剂聚乙二醇(二醇)二烯酸酯20μL和戊二醛18μL，整个体系成胶固含量为5wt％。依次加入4mL的玻璃样品瓶中，震荡均匀迅速放置到-20℃冰箱中反应过夜。
实施例三：
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种胶原蛋白/树枝化聚合物复合凝胶的制备方法，包括如下步骤：
胶原蛋白与烷氧醚单体质量比例为1:14复合凝胶样品的制备方法如下：
从组分母液中取烷氧醚单体106μL、胶原蛋白190μL、PBS 5μL、0.2M醋酸510μL、去离子水111μL、氧化剂和催化剂各20μL、交联剂聚乙二醇(二醇)二烯酸酯20μL和戊二醛18μL，整个体系成胶固含量为5wt％。依次加入4mL的玻璃样品瓶中，震荡均匀迅速放置到-20℃冰箱中反应过夜。
实施例四：
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种胶原蛋白/树枝化聚合物复合凝胶的制备方法，包括如下步骤：
胶原蛋白与烷氧醚单体质量比例为1:28复合凝胶样品的制备方法如下：
从组分母液中取烷氧醚单体110μL、胶原蛋白98μL、PBS 5μL、0.2M醋酸602μL、去离子水102μL、氧化剂和催化剂各20μL、交联剂聚乙二醇(二醇)二烯酸酯20μL和戊二醛18μL，整个体系成胶固含量为5wt％。依次加入4mL的玻璃样品瓶中，震荡均匀迅速放置到-20℃冰箱中反应过夜。
实施例五：
在本实施例中，利用共聚焦激光显微镜和扫面电镜观测凝胶样品的微观形貌。
共聚焦激光显微镜观测：利用刀片切取凝胶中间部分切成圆片，用去离子水充分洗脱后，加入少量异硫氰酸荧光素染料溶于二甲基亚砜和水的混合溶液中并利用该溶液对凝胶切片进行染色，两小时后将未吸附的染料洗掉，利用激光共聚焦显微镜20倍物镜对凝胶形貌进行观测。
扫面电镜观测：将所得水凝胶样品用去离子水充分洗脱后，冻干，同样切取凝胶中间部分切成圆片，喷金后利用扫描电镜进行观测形貌。如图2所示，复合凝胶的孔径在胶原蛋白与烷氧醚质量比为1：3时孔径大小在20-50微米，当树形烷氧醚增多时，复合凝胶的孔径逐渐增加。
实施例六：
在本实施例中，进行水凝胶力学性能表征：
根据上述实施例一～实施例四的方法，制得不同胶原蛋白与烷氧醚质量比复合凝胶。窃取直径为12毫米,高度8毫米的凝胶样品，使用旋转流变仪对各凝胶样品进行应变扫描，设定扫描频率为1rad/s，扫描应变范围为0.01-100％。所测得力学性能如图3所示，复合凝胶样品的储能模量随着树形烷氧醚增加出现先增加后减小。在胶原蛋白与烷氧醚质量比为1：14时储能模量达到最大，为10kPa。
实施例七：
在本实施例中，进行压缩模量测试：
对上述实施例一～实施例四的方法制得复合凝胶进行压缩测试。凝胶样品高度12毫米，直径8毫米，测试模式为应力应变模式，初始力为0.01N，应变速率为10％每分钟,形变率为60％。结果如图4所示，当形变率在0-10％时，复合凝胶的储能模量随着烷氧醚的增加先增加后减小。在胶原蛋白与烷氧醚质量比1：14时，储能模量达到最大，为7.1KPa。
实施例八：
在本实施例中，进行温敏行为测试：
对上述实施例一～实施例四的方法制得复合凝胶进行温敏行为测试。凝胶样品高度12毫米，直径8毫米，测试温度范围为25-60℃,依次升高温度，每次升高5℃，平衡1小时，记录对应温度凝胶的重量。利用
Figure BDA0002518352640000061
计算得到平衡溶胀比。We代表的是凝胶样品完全溶胀时的质量，Wd代表代表的时凝胶样品是干胶时的质量,单位mg/mg。结果如图5所示，复合凝胶在35-50℃时出现了明显的体积收缩。
综合上述实施例可知，上述实施例胶原蛋白/树枝化聚合物复合凝胶的制备方法，以天然胶原蛋白和具有优异温度敏感行为的树形烷氧醚基元作为原材料，利用胶原蛋白与戊二醛发生席夫碱动态共价键反应和树形烷氧醚单体自由基聚合反应，在冷冻的条件下交联形成双网络水凝胶。该凝胶具有优异的力学性能、多孔结构以及温度响应智能特征。通过两网络组份的比例能够实现凝胶力学性能、孔径大小以及温敏体积收缩性能的调控。该类凝胶结合了胶原蛋白本身的生物功能以及树形烷氧醚的温敏行为特征，在药物载体、细胞培养基质和组织工程领域十分具有应用前景。
上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明胶原蛋白/树枝化聚合物复合凝胶、其制备方法和应用的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种胶原蛋白/树枝化聚合物复合凝胶，其特征在于：由网络组份胶原蛋白和温度响应型树枝化烷氧醚聚合物进行构筑，在胶原蛋白交联形成的第一网络中，穿插由温度响应型树形烷氧醚交联聚合物形成的第二网络，构成具有双网络多孔结构的温度响应型复合凝胶。
2.根据权利要求1所述胶原蛋白/树枝化聚合物复合凝胶，其特征在于：具有复合双网络结构、多孔形貌、生物相容性以及温度响应行为特征。
3.根据权利要求1所述胶原蛋白/树枝化聚合物复合凝胶，其特征在于：所述第一网络采用胶原蛋白的氨基与戊二醛的醛基形成席夫碱动态共价键交联形成；所述第二网络以树形烷氧醚为单体，以过硫酸铵为氧化剂，以N,N-四甲基乙二胺为催化剂，以聚乙二醇(二醇)二烯酸酯为交联剂，在冷冻条件下，通过自由基聚合交联反应而形成；所述凝胶固含量为3-10wt％，所述胶原蛋白和树枝化烷氧醚的质量比例为1:(2-28)。
4.根据权利要求1所述胶原蛋白/树枝化聚合物复合凝胶，其特征在于：双网络多孔结构的平均孔径不低于20微米。
5.根据权利要求1所述胶原蛋白/树枝化聚合物复合凝胶，其特征在于：通过网络组份的比例调控所述胶原蛋白/树枝化聚合物复合凝胶的凝胶力学参数、孔径以及温敏体积收缩系数。
6.根据权利要求1所述胶原蛋白/树枝化聚合物复合凝胶，其特征在于：所述胶原蛋白采用天然胶原蛋白。
7.一种权利要求1所述胶原蛋白/树枝化聚合物复合凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
a.将树形烷氧醚单体、胶原蛋白、氧化剂过硫酸铵、催化剂四甲基乙二胺、交联剂聚乙二醇(二醇)二丙烯酸酯、戊二醛按照质量比为(3-28)：1：0.1：0.1：0.4：0.09的比例溶于水中，控制固含量为3-10wt％，混合均匀，得到原料混合液；
b.将在所述步骤a中所得的原料混合液转移至不高于-20℃的环境中进行冷冻，通过自由基聚合交联反应，过夜，从而得到胶原蛋白/树枝化聚合物复合水凝胶。
8.根据权利要求7所述胶原蛋白/树枝化聚合物复合凝胶的制备方法，其特征在于：在所述步骤a中，所采用的树形烷氧醚单体的结构为：
Figure FDA0002518352630000011
其中X独立地为OCH2CH3或OCH3。
9.一种权利要求1所述胶原蛋白/树枝化聚合物复合凝胶的应用，其特征在于：所述胶原蛋白/树枝化聚合物复合凝胶用作药物载体材料和细胞培养基质材料。
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