CN112724415A

CN112724415A - 一种可水下强粘附的粘合剂及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN112724415A
Application number: CN201910974597.2A
Authority: CN
Inventors: 刘文广; 崔春燕
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2019-10-14
Filing date: 2019-10-14
Publication date: 2021-04-30
Anticipated expiration: 2039-10-14
Also published as: CN112724415B

Abstract

本发明公开一种可水下强粘附的粘合剂及其制备方法和应用，利用含有四双键的季戊四醇四丙烯酸酯，二双键的聚乙二醇二丙烯酸酯以及多巴胺盐酸盐通过迈克尔加成反应制备得到的一种超支化的聚合物，即粘合剂。本发明粘合剂与水接触时，粘合剂中的疏水骨架遇水后会发生收缩，而骨架上较亲水的邻苯二酚结构则会向外伸展，当粘合剂与水接触后，疏水骨架在收缩的过程中可以将粘附基质表面的水分排开，使得邻苯二酚结构与基质进行接触，通过与基质之间形成氢键、离子络合、π‑π堆积等相互作用实现粘附。

Description

一种可水下强粘附的粘合剂及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于生物医用材料领域，更加具体地说，具体涉及一种可水下强粘附的粘合剂及其制备方法和应用。

背景技术

水下粘合剂在我们的日常生活、海洋运输以及生物医用等方面都有非常广泛的应用，但是实现强的水下粘附却是非常困难的，因为在水环境中，粘附基质表面都会形成一层水化膜，这层水化膜将会阻止粘合剂与基质表面的接触，并且与粘合剂之间发生相互作用从而失去粘附能力，因此制备一种强的水下粘合剂是非常有必要的。粘附材料在日常的生活，工作以及医药领域都非常的重要，特别是湿态粘附对于止血，伤口愈合以及医用传导设备等是必不可少的。类似于生物软组织的软材质的医用密封剂和胶黏剂对促进伤口愈合是很有利的。但是，传统的粘附材料在水以及血液等液体环境中无法实现粘附，这将大大的限制了材料的使用范围。而许多天然生物，比如：贻贝、沙堡蠕虫以及藤壶等都可以分泌一种粘附蛋白，使其牢固的粘附在水下的岩石等基质上。天然生物分泌的粘附蛋白之所以能够实现在水中的较好的粘附，主要是因为粘附蛋白中含有排水的机制，在与基质接触后可以将基质表面的水分排开，从而实现很好的粘附，因此模仿天然生物分泌的粘附蛋白来制备一种可以实现快速的强的水下粘合剂是非常重要的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可以在水下实现强的粘附的粘合剂及其制备方法和应用，以多双键单体，四双键的季戊四醇四丙烯酸酯(PETEA)和二双键的聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA，Mw＝200)以及多巴胺盐酸盐(DOPA)为反应原料，通过迈克尔加成制备了一种超支化结构的水下粘合剂，然后对获得的该粘合剂的粘附性能，生物相容性以及体内应用等进行了研究。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现。

一种可水下强粘附的粘合剂及其制备方法，按照下述步骤进行：

将季戊四醇四丙烯酸酯、聚乙二醇二丙烯酸酯和多巴胺盐酸盐均匀分散在溶剂中，并滴加三乙胺以将pH值调为7—8.5，形成反应体系，再将反应体系置于70—90摄氏度下避光进行反应，得到粘合剂。其中：

反应温度为70—80摄氏度，反应时间为1—8小时，优选4—6小时。

使用三乙胺将pH值调为7.8—8.2。

溶剂为有机溶剂，如二甲基亚砜(DMSO)、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺或者四氢呋喃。

在反应之后，将反应结束的聚合物反应体系逐滴加入到5倍量(五倍体积)的甲基叔丁基醚中，进行沉降，连续沉降三次后将获得的沉降物在38℃下进行旋蒸，将聚合物中残余的甲叔醚除去，旋蒸结束后获得的可流动的粘稠状黄色液体即为纯净的超支化聚合物粘合剂(即本发明的粘合剂)。

在反应体系中，季戊四醇四丙烯酸酯(PETEA)提供四个双键，聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)提供两个双键，多巴胺盐酸盐(DOPA)提供氨基，来进行迈克尔加成反应，季戊四醇四丙烯酸酯和聚乙二醇二丙烯酸酯的摩尔比为1:2，季戊四醇四丙烯酸酯和聚乙二醇二丙烯酸酯共同提供给反应体系的双键摩尔数和多巴胺盐酸盐的摩尔数之比为(1.5—1.8)：2，优选1.8:2；根据聚乙二醇二丙烯酸酯提供的重均分子量和聚乙二醇二丙烯酸酯的质量进行聚乙二醇二丙烯酸酯中重复单元摩尔数的计算，进而得到聚乙二醇二丙烯酸酯提供的双键数量。

聚乙二醇二丙烯酸酯的重均分子量为200—600。

在本发明的粘合剂中添加十二烷基氨，即一种可水下强粘附的粘合剂及其制备方法，按照下述步骤进行：

将季戊四醇四丙烯酸酯、聚乙二醇二丙烯酸酯、多巴胺盐酸盐和十二烷基氨均匀分散在溶剂中，并滴加三乙胺以将pH值调为7—8.5，形成反应体系，再将反应体系置于70—90摄氏度下避光进行反应，得到粘合剂。其中的溶剂、反应温度和反应时间可选择与不添加十二烷基氨的方案基本一致。

在添加十二烷基氨的技术方案中，多巴胺盐酸盐和十二烷基氨共同提供氨基、季戊四醇四丙烯酸酯和聚乙二醇二丙烯酸酯共同提供双键，季戊四醇四丙烯酸酯和聚乙二醇二丙烯酸酯的摩尔比为1:2，反应体系中双键和氨基的摩尔比为(1.5—1.8)：2，优选1.8:2；多巴胺盐酸盐和十二烷基氨的摩尔比为2:1。

与现有技术相比，本发明制备方法简单，材料来源广泛，实用性强，本发明的粘合剂是利用含有四双键的季戊四醇四丙烯酸酯(PETEA)，二双键的聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)以及多巴胺盐酸盐(DOPA)通过迈克尔加成反应制备得到的一种超支化的聚合物(HBPA，即粘合剂)。本发明的粘合剂与水接触时，粘合剂中的疏水骨架遇水后会发生收缩，而骨架上较亲水的邻苯二酚结构则会向外伸展，当粘合剂与水接触后，疏水骨架在收缩的过程中可以将粘附基质表面的水分排开，使得邻苯二酚结构与基质进行接触，通过与基质之间形成氢键、离子络合、π-π堆积等相互作用实现粘附。该粘合剂在与水接触后就会立即显示出一定的粘附强度，并且随着在水中放置的时间增加，粘附强度也不断增加。同时该粘合剂克服了传统的含有多巴胺的粘附材料受到pH值以及氧化剂影响的缺陷，该粘合剂可以在多种环境中使用(pH＝3-11)，并且不使用任何的氧化剂。

除此之外，该粘合剂对无论表面能高或者低的基质均显示出了非常好的粘附效果。在水中放置12小时后，粘合剂对陶瓷、铁片、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚对苯二甲酸(PET)、聚四氟乙烯、聚乙烯、玻璃以及木头的粘附强度可分别达到345、390、320、250、127、251、205、211kPa。由于该粘合剂中含有大量的酯键，因此在水中会发生水解而逐渐的降解，并且在体内也表现出了非常好的降解特性以及良好的生物相容性。在该粘合剂中引入十二烷基氨后(HBPA-DDA)，利用长链烷基对血小板和红细胞的抛锚以及锁定的功能赋予了该粘合剂良好的止血效果，并且利用该粘合剂可注射的特性，其可被用于深度伤口的止血。因此，这种新颖的超支化聚合物不仅可以被用作强的水下粘附材料也可被用于快速止血。

附图说明

图1是本发明的粘合剂HBPA的核磁谱图。

图2是本发明的粘合剂HBPA-DDA的核磁谱图。

图3是本发明的粘合剂HBPA对各基质在水下不同时间的粘附强度测试结果柱状图，其中HBPA对各基质粘附后水中固化2小时后的粘附强度(A)；HBPA对各基质粘附后水中固化12小时后的粘附强度(B)；HBPA对各基质粘附后水中固化36小时后的粘附强度(C)；HBPA对各基质粘附后水中固化72小时后的粘附强度(D)。

图4是本发明的粘合剂HBPA在不同的环境下对各基质的粘附强度测试结果柱状图，其中HBPA粘合剂将各基质粘附后在海水中固化36h后的粘附强度(A)；HBPA粘合剂将各基质粘附后在PBS中固化36h后的粘附强度(B)；HBPA粘合剂将各基质粘附后分别在pH为3,、7.4和11的环境中固化12小时后的粘附强度(C)；HBPA将骨粘附后在水中固化不同时间后的粘附强度(D)。

图5是本发明使用的搭接剪切测试模型示意图，其中a为10mm，b为20mm。

图6是本发明的粘合剂HBPA-DDA的频率扫描图。

图7是本发明的粘合剂HBPA-DDA粘合剂在SD大鼠皮下埋植后不同时间点进行的拍照结果照片，其中HBPA-DDA在体内埋植后不同时间的降解图片(A)；HBPA-DDA在体内埋植不同时间后取材的HE(B)和Masson(C)染色结果。

图8是本发明的粘合剂HBPA-DDA在体外止血的结果照片(1)，其中含有肝素的新鲜血液(A)；向血液中添加HBPA和HBPA-DDA(a:不添加任何材料；b：添加HBPA；c：添加HBPA-DDA)(B)；轻轻摇晃后静置两分钟后将各离心管倒置，显示加入HBPA-DDA后血液发生了凝固；添加HBPA后血液发生了少量的凝固；不添加任何材料时血液没有任何的凝固(C)。

图9是本发明的粘合剂HBPA-DDA在体外止血的结果照片(2)，其中HBPA-DDA进行止血的SD大鼠肝脏缺损和股动脉破裂的止血模型(A)；使用HBPA-DDA进行股动脉破裂的止血过程(B)；股动脉止血的对照实验：不使用任何材料对大鼠的股动脉破裂进行止血(C)；使用HBPA-DDA对大鼠的肝部缺损进行止血(放大部分显示HBPA-DDA可以在大鼠的肝部缺损面形成一层粘附膜)(D)；大鼠肝部缺损的对照实验：不使用任何材料后的大鼠肝部出血情况(放大部分显示肝部创面仍然会出现渗血)(E)；大鼠肝部缺损后不做任何处理、用纱布进行止血以及使用HBPA-DDA进行止血后的肝脏损伤部位的出血量对比(F)；使用HBPA-DDA对猪的肝部深度伤口进行止血的图片展示(G)。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。本发明实施例使用的原料和仪器厂商如下表所示。

用托盘天平分别称取2.64gPETEA、3gPEGDA和6.5gDOPA，将其溶于40ml的DMSO中，然后在不断搅拌的情况下向其中逐滴加入三乙胺，将溶液的pH调到8。然后将上述溶液置于80℃的油浴中避光反应4h，即可获得超支化的聚合物。将反应结束的聚合物逐滴加入到5倍量的甲基叔丁基醚中，进行沉降，连续沉降三次后将获得的沉降物在38℃下进行旋蒸，将聚合物中残余的甲叔醚除去，旋蒸结束后获得的可流动的粘稠状黄色液体即为纯净的超支化聚合物粘合剂(HBPA)。

在上述超支化聚合物粘合剂(HBPA)的制备配方中添加十二烷基氨(DDA)提供氨基，按照季戊四醇四丙烯酸酯和聚乙二醇二丙烯酸酯的摩尔比为1:2，反应体系中双键和氨基的摩尔比为1.8:2；多巴胺盐酸盐和十二烷基氨的摩尔比为2:1的比例进行取料，溶解，滴加入三乙胺，将溶液的pH调到8。然后将上述溶液置于80℃的油浴中避光反应4h，即可获得超支化的聚合物。将反应结束的聚合物逐滴加入到5倍量的甲基叔丁基醚中，进行沉降，连续沉降三次后将获得的沉降物在38℃下进行旋蒸，将聚合物中残余的甲叔醚除去，旋蒸结束后获得的可流动的粘稠状黄色液体即为纯净的超支化聚合物粘合剂(HBPA-DDA)。

首先利用核磁共振对两种粘合剂进行表征，如附图1和2所示。图1是本发明的粘合剂HBPA的核磁谱图，从HBPA的核磁图中可以看出单体中的双键峰全部消失，说明双键全部参与反应，并且在6.3-6.62ppm处出现了被质子化了的多巴胺的苯环的峰，说明多巴胺对超支化聚合物进行了封端，说明形成了超支化聚合物。图2是本发明的粘合剂HBPA-DDA的核磁谱图，从图上可以看出在1.64和1.2ppm处出现了-CH₂的峰，并且在0.87ppm处出现了-CH₃的峰，说明在超支化聚合物中成功的引入了十二烷基链。

搭接剪切测试方法和搭接剪切测试模型如图5所示：将HBPA粘合剂均匀的涂抹到两基质之间(粘附面积为S＝10mm×20mm)，使用50mm/min的速度进行拉伸，记录在拉伸过程中获得的最大的力(F)，粘附强度即为F/S。如附图3所示，粘合剂对各基质在水下不同时间的粘附强度。随着在水下放置时间的延长，粘附强度逐渐增加，但是当在水中浸泡36小时后，粘附强度表现出下降，这主要是因为粘合剂中的酯键逐渐发生水解，材料在水中逐渐降解造成的。

如附图4所示，粘合剂在不同的环境下对各基质的粘附强度测试，图4A表示粘合剂在人造海水(分别称取氯化钠28.15g，硫酸钙1.72g，硫酸镁3.2g，氯化镁8.5g，氯化钾0.8g以及溴化镁0.1g于1升的去离子水中，搅拌至澄清即可使用)中的粘附强度要稍微的高于在水中的粘附强度，这可能是因为海水中的纳米粒子对HBPA粘合剂进行了部分氧化，因此增加了粘附强度；图4B为HBPA粘合剂在PBS(分别称取磷酸二氢钾0.24g，磷酸氢二钠1.44g，氯化钠8g以及氯化钾0.2g于800ml去离子水中充分搅拌，然后加入浓盐酸调到pH为7.4，最后将获得的溶液定容至1L即可。)中粘附的情况，结果显示HBPA在PBS中的粘附强度与在水中的粘附强度基本相当；图4C为HBPA粘合剂在不同pH条件下的粘附强度，结果显示，当HBPA在pH为3的水溶液中对铁片和PE进行粘附时，在水中浸泡12小时后仍然可以达到347和205kPa，增加pH为7.4时，粘附强度表现出略微的增加，继续增加pH为11时，粘合剂对铁片和PE的粘附强度可达到437和283kPa,这是因为在碱性环境下，多巴胺被部分氧化成醌的结构后明显的增加了粘附强度。HBPA也可以对骨具有很好地粘附能力，将两个骨片进行粘附后在水中浸泡12小时后其粘附强度可达270kPa，增加浸泡时间到72小时后，其粘附强度仍然可以达到120kPa(图4D)。

鉴于制备的产品宏观表现为可流动的粘稠状黄色液体，考虑将粘合剂HBPA-DDA进行频率扫描，如附图6所示。在频率为0.1-10Hz的范围内，HBPA-DDA的损耗模量均要大于储存模量，说明HBPA-DDA不是凝胶状态而是一种可流动的粘稠液体，因此可以用于注射，进行后续注射实验。

图7为将HBPA-DDA粘合剂在SD大鼠皮下埋植后不同时间点进行的拍照结果，并且在不同的时间点将HBPA-DDA周围的组织取材进行HE和Masson染色。从照片中可以看出来，将HBPA-DDA注射到SD大鼠的体内后，材料逐渐降解，当材料在大鼠体内十天后，材料降解完全。从HE和Masson染色的结果可以看出来，在注射材料第一天后，出现了炎症，可能是因为生物体内的排异反应造成的，但是随着埋植时间延长，炎症反应逐渐降低，在第十天时，炎症基本完全消失，并且出现了新生组织和胶原。

图8为HBPA-DDA在体外止血的结果，由图片显示，在含有肝素的血液中加入HBPA-DDA后，血液可以快速的凝聚，而加入HBPA后，血液只会出现轻微的凝固，而不加任何材料的血液则没有任何凝固。说明在HBPA中引入十二烷基链后对止血具有非常好的效果。

图9为使用HBPA-DDA进行体内止血的结果。图9A为使用SD大鼠进行肝脏和股动脉止血的模型。图9B显示，在对大鼠的股动脉进行止血时，使用HBPA-DDA作为止血材料后，对股动脉的破洞处进行按压可以很好的进行止血，并且不再有血液流出。而不使用HBPA时，对股动脉破损处按压2min后仍然有大量的血液流出(图9C)。图9D为使用HBPA-DDA对大鼠的肝脏缺损进行止血，结果显示，再将大鼠的肝脏剪掉以后涂上HBPA-DDA，肝脏部位将不再继续出血，并且止血材料还可以再肝脏部位形成一层粘附膜，其也可以作为一个物理屏障来阻止血液的渗出，而在不做任何处理时，将大鼠的肝脏剪掉后，将会有大量的血液不断流出，并且经过一段时间后肝脏的创面部位仍然会有血液不断的渗出(图9E)。图9F为使用HBPA-DDA作为止血材料来进行肝脏止血后，与使用纱布止血以及不做任何处理的组份进行对照记录的大鼠的肝脏破损处的出血量，从结果中可以看出，使用HBPA-DDA进行止血后，大鼠肝部的出血量与对照组相比明显的降低了，说明材料具有非常好的止血效果。图9G为使用HBPA-DDA材料对猪的肝部进行止血的图片。在实验过程中使用剪刀对猪的肝部进行穿刺，制造一个深度大约为2cm左右的伤口，然后将HBPA-DDA止血材料注射到伤口中观察止血的效果，结果显示，注射HBPA-DDA后，猪的肝部受伤部位不再有血液流出，说明HBPA-DDA具有非常好的止血效果。

根据本发明内容进行工艺参数的调整，均可实现本发明粘合剂的制备，且表现出与本发明一致的性能，即本发明的粘合剂在制备水下粘附材料或者止血材料中的应用。以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种可水下强粘附的粘合剂，其特征在于，按照下述步骤进行：

将季戊四醇四丙烯酸酯、聚乙二醇二丙烯酸酯和多巴胺盐酸盐均匀分散在溶剂中，并滴加三乙胺以将pH值调为7—8.5，形成反应体系，再将反应体系置于70—90摄氏度下避光进行反应，得到粘合剂；季戊四醇四丙烯酸酯和聚乙二醇二丙烯酸酯的摩尔比为1:2，季戊四醇四丙烯酸酯和聚乙二醇二丙烯酸酯共同提供给反应体系的双键摩尔数和多巴胺盐酸盐的摩尔数之比为(1.5—1.8)：2。

2.根据权利要求1所述的一种可水下强粘附的粘合剂，其特征在于，反应体系中添加十二烷基氨，多巴胺盐酸盐和十二烷基氨共同提供氨基、季戊四醇四丙烯酸酯和聚乙二醇二丙烯酸酯共同提供双键，季戊四醇四丙烯酸酯和聚乙二醇二丙烯酸酯的摩尔比为1:2，反应体系中双键和氨基的摩尔比为(1.5—1.8)：2；多巴胺盐酸盐和十二烷基氨的摩尔比为2:1。

3.根据权利要求1或者2所述的一种可水下强粘附的粘合剂，其特征在于，季戊四醇四丙烯酸酯和聚乙二醇二丙烯酸酯共同提供给反应体系的双键摩尔数和多巴胺盐酸盐的摩尔数之比为1.8:2；反应体系中双键和氨基的摩尔比为1.8:2。

4.根据权利要求1或者2所述的一种可水下强粘附的粘合剂，其特征在于，反应温度为70—80摄氏度，反应时间为1—8小时，优选4—6小时；使用三乙胺将pH值调为7.8—8.2；溶剂为有机溶剂，如二甲基亚砜(DMSO)、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺或者四氢呋喃；聚乙二醇二丙烯酸酯的重均分子量为200—600。

5.一种可水下强粘附的粘合剂的制备方法，其特征在于，按照下述步骤进行：

6.根据权利要求5所述的一种可水下强粘附的粘合剂的制备方法，其特征在于，季戊四醇四丙烯酸酯和聚乙二醇二丙烯酸酯共同提供给反应体系的双键摩尔数和多巴胺盐酸盐的摩尔数之比为1.8:2；聚乙二醇二丙烯酸酯的重均分子量为200—600。

7.根据权利要求5所述的一种可水下强粘附的粘合剂的制备方法，其特征在于，反应温度为70—80摄氏度，反应时间为1—8小时，优选4—6小时；使用三乙胺将pH值调为7.8—8.2；溶剂为有机溶剂，如二甲基亚砜(DMSO)、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺或者四氢呋喃。

8.一种可水下强粘附的粘合剂的制备方法，其特征在于，将季戊四醇四丙烯酸酯、聚乙二醇二丙烯酸酯、多巴胺盐酸盐和十二烷基氨均匀分散在溶剂中，并滴加三乙胺以将pH值调为7—8.5，形成反应体系，再将反应体系置于70—90摄氏度下避光进行反应，得到粘合剂；多巴胺盐酸盐和十二烷基氨共同提供氨基、季戊四醇四丙烯酸酯和聚乙二醇二丙烯酸酯共同提供双键，季戊四醇四丙烯酸酯和聚乙二醇二丙烯酸酯的摩尔比为1:2，反应体系中双键和氨基的摩尔比为(1.5—1.8)：2；多巴胺盐酸盐和十二烷基氨的摩尔比为2:1。

9.根据权利要求8所述的一种可水下强粘附的粘合剂的制备方法，其特征在于，反应温度为70—80摄氏度，反应时间为1—8小时，优选4—6小时；使用三乙胺将pH值调为7.8—8.2；溶剂为有机溶剂，如二甲基亚砜(DMSO)、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺或者四氢呋喃；反应体系中双键和氨基的摩尔比为1.8:2；聚乙二醇二丙烯酸酯的重均分子量为200—600。

10.如权利要求1或者2所述的一种可水下强粘附的粘合剂在制备水下粘附材料或者止血材料中的应用。