CN114672118A - 一种可快速原位重组的可注射海藻酸钠/聚乙烯醇/多巴胺基水凝胶 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可快速原位重组的可注射海藻酸钠/聚乙烯醇/多巴胺基水凝胶，属于水凝胶材料领域。该水凝胶是将苯硼酸改性的氧化海藻酸钠的水性溶液和多巴胺与聚乙烯醇的混合物的水性溶液共混后得到的可快速原位重组的水凝胶。本发明提供的水凝胶在空气、水和磷酸缓冲液环境中均具有优异的原位和异位自愈合性能，促使该水凝胶经注射后可在空气、水和磷酸缓冲液环境中快速重组原有的三维网络结构，重新形成完整且稳定的水凝胶，拓宽了水凝胶在湿环境下或体内的应用。本发明提供的海藻酸钠/聚乙烯醇/多巴胺基水凝胶在制备应用于体内的生物材料中具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于水凝胶材料领域，具体涉及一种可快速原位重组的可注射海藻酸钠/聚乙烯醇/多巴胺基水凝胶及其制备方法。
背景技术
水凝胶是一种可以保持大量水或生物体液的疏水性三维网络，对氧气、营养物质、代谢废物、药物分子及信号因子等有较强的通透性，其中可注射水凝胶作为一种可避免外科手术风险和降低患者不适的生物医用材料受到了广泛的研究。可注射水凝胶具有原位溶胶-凝胶转化的特性，在药物和细胞递载、创面敷料、软骨修复、骨修复和组织工程等领域具有潜在的应用前景，能够用于微创型药物递送，精确填补不规则组织缺损或进入不易到达的组织部位以修复损伤。
目前，可注射水凝胶主要包括原位成型的可注射水凝胶和原位重组(剪切变稀)的可注射水凝胶两种。其中，原位成型的可注射水凝胶在应用时通常是将液态前驱体注入受损组织形成凝胶，存在着液态前驱体渗漏到周围组织引起炎症的风险，并且体内复杂的生理环境(如温度、离子等)可能会影响凝胶的形成与形状保持。但是，剪切变稀的可注射水凝胶可以克服上述缺点。剪切变稀的可注射水凝胶是预先在体外形成凝胶，这种凝胶具有剪切变稀和自修复的性质，从而具有可注射性，当剪切力撤除后又会恢复凝胶状态。剪切变稀可注射水凝胶具有水凝胶完整的三维结构，注射后，其可通过自身的快速原位重组能力重新构建水凝胶的三维网络结构，不影响原有水凝胶的性能。并且，其使用过程非常方便，不需要考虑二次成胶不均匀的问题。
公开号为CN109705369A的中国专利申请公开了一种海藻酸钠-多巴胺/聚乙烯醇水凝胶的制备方法，包括以下步骤：(1)向浓度为1～2％的海藻酸钠水溶液中加入N-羟基琥珀酰亚胺和1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐，搅拌均匀后，加入多巴胺，室温搅拌反应12～36h，得到海藻酸钠-多巴胺溶液；(2)向浓度为40～60g/L的聚乙烯醇溶于水中加入步骤(1)的海藻酸钠-多巴胺溶液，搅拌均匀，冷冻-解冻，透析，得到SA-DA/PVA水凝胶。该专利申请公开的海藻酸钠-多巴胺/聚乙烯醇水凝胶能够达到屏障作用，细菌入侵的可能性较低、凝胶接触伤口吸水性好且舒适，换药时不会引起疼痛，同时优良的力学性能能够承受外在各种压力因素不易造成二次创伤。但是，该海藻酸钠-多巴胺/聚乙烯醇水凝胶是一种具有高力学强度的稳定水凝胶，几乎不具备可注射性能，同时该水凝胶在湿环境或水下环境也不具备经注射过程后的原位重组能力，限制了其作为可注射生物材料在体内或湿环境下的应用。
开发出一种能够在湿环境或水下环境保持优良的原位重组性能的可注射海藻酸钠/聚乙烯醇/多巴胺基水凝胶具有重要意义。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种可快速原位重组的可注射海藻酸钠/聚乙烯醇/多巴胺基水凝胶及其制备方法，该水凝胶由于具备优异的原位和异位自愈合性能，经注射后在湿环境或水环境中也具有优异的原位重组能力，拓宽了水凝胶在生物材料中的应用。
本发明提供了一种海藻酸钠/聚乙烯醇/多巴胺基水凝胶，它是将苯硼酸改性的氧化海藻酸钠的水性溶液和多巴胺与聚乙烯醇的混合物的水性溶液共混后得到的；所述聚乙烯醇、苯硼酸改性的氧化海藻酸钠与多巴胺的重量比为1:(0.1～0.5):(0.05～0.3)。
进一步地，所述聚乙烯醇、苯硼酸改性的氧化海藻酸钠与多巴胺的重量比为1:(0.2～0.5):(0.1～0.2)，优选为1:(0.295～0.443):(0.128～0.191)。
进一步地，所述聚乙烯醇、苯硼酸改性的氧化海藻酸钠与多巴胺的重量比为1:0.295:0.128。
进一步地，所述苯硼酸改性的氧化海藻酸钠的水性溶液中，苯硼酸改性的氧化海藻酸钠的质量浓度为5％～9％；所述多巴胺与聚乙烯醇的混合物的水性溶液中，聚乙烯醇的质量浓度为15％～25％；
和/或，所述水性溶液为水或缓冲液。
进一步地，所述苯硼酸改性的氧化海藻酸钠的水性溶液中，苯硼酸改性的氧化海藻酸钠的质量浓度为7.06％；所述多巴胺与聚乙烯醇的混合物的水性溶液中，聚乙烯醇的质量浓度为20％；
和/或，所述缓冲液为磷酸缓冲液或磷酸盐缓冲液。
进一步地，所述苯硼酸改性的氧化海藻酸钠的制备方法包括以下步骤：
1)将海藻酸钠在水中溶解，加入催化剂，加入溶于有机溶剂的3-氨基苯硼酸，反应；将反应后的液体放入透析袋中，在去离子水中透析，透析结束后冷冻干燥，得到苯硼酸改性的海藻酸钠；
2)将苯硼酸改性的海藻酸钠与氧化剂反应，将反应后的液体放入透析袋中，在去离子水中透析，透析结束后冷冻干燥，得到苯硼酸改性的氧化海藻酸钠。
进一步地，步骤1)中，所述催化剂为1-乙基-3-(3-(二甲基氨基)丙基)碳化二亚胺盐酸盐和N-羟基丁二酰亚胺，所述海藻酸钠、3-氨基苯硼酸、1-乙基-3-(3-(二甲基氨基)丙基)碳化二亚胺盐酸盐和N-羟基丁二酰亚胺的质量比为3:(1.5～2.5):(1.0～2.0):(0.3～1.0)；所述有机溶剂为二甲亚砜；所述反应的时间为4～8小时；
和/或，步骤2)中，所述氧化剂为NaIO4，所述苯硼酸改性的海藻酸钠与氧化剂的质量比为1:(0.00001～0.001)；所述反应的溶剂为水，反应的时间为10～20分钟，反应是在避光条件下进行的。
进一步地，步骤1)中，所述海藻酸钠、3-氨基苯硼酸、1-乙基-3-(3-(二甲基氨基)丙基)碳化二亚胺盐酸盐和N-羟基丁二酰亚胺的质量比为3:2.151:1.305:0.675；所述反应的时间为6小时；
和/或，步骤2)中，所述苯硼酸改性的海藻酸钠与氧化剂的质量比为1:0.0001；所述反应的时间为15分钟。
本发明还提供了上述海藻酸钠/聚乙烯醇/多巴胺基水凝胶的制备方法，所述方法为将苯硼酸改性的氧化海藻酸钠的水性溶液和多巴胺与聚乙烯醇的混合物的水性溶液共混，即得。
本发明还提供了上述海藻酸钠/聚乙烯醇/多巴胺基水凝胶作为可快速原位重组的可注射生物材料的用途。
本发明可快速原位重组的可注射海藻酸钠/聚乙烯醇/多巴胺基水凝胶的制备方法中，苯硼酸-氧化海藻酸钠的水性溶液和多巴胺与聚乙烯醇的混合物的水性溶液混合时，海藻酸钠上的苯硼酸与聚乙烯醇的邻二羟基发生硼酸酯反应，同时，海藻酸钠上的邻二醛基和多巴胺的氨基发生希夫碱反应，即刻生成硼酸酯和希夫碱双重交联的水凝胶网络。
现有的剪切变稀的可注射水凝胶的研究主要还集中在水凝胶于空气中的原位重组能力，通常难以在湿环境或水下环境原位重组，限制了这类水凝胶作为生物材料在湿环境下或体内的应用。但是，本发明提供的海藻酸钠/聚乙烯醇/多巴胺基水凝胶在空气、水和磷酸缓冲液环境中均具有优异的原位和异位自愈合性能，促使该水凝胶经注射后可在空气、水和磷酸缓冲液环境中快速重组原有的三维网络结构，重新形成完整且稳定的水凝胶，拓宽了水凝胶在湿环境下或体内的应用。本发明提供的海藻酸钠/聚乙烯醇/多巴胺基水凝胶在制备应用于体内的生物材料中具有广阔的应用前景。
显然，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更。
以下通过实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。
附图说明
图1为苯硼酸-氧化海藻酸钠的制备原理图。
图2为海藻酸钠/聚乙烯醇/多巴胺基水凝胶的制备原理图。
图3为海藻酸钠/聚乙烯醇/多巴胺基水凝胶在空气、去离子水和磷酸缓冲液中的原位自愈合效果(a)和异位自愈效果(b)。
图4为水凝胶的异位自愈合示意图。
图5为水凝胶注射后的快速原位重组图。
图6为水凝胶经注射后的原位重组效率。
图7为不同原料配比下水凝胶的自愈合率。
具体实施方式
本发明所用原料与设备均为已知产品，通过购买市售产品所得。
PBS溶液表示磷酸盐缓冲液。实施例中磷酸盐缓冲液的pH值为7.2-7.4。
实施例1制备海藻酸钠/聚乙烯醇/多巴胺基水凝胶
1、苯硼酸-氧化海藻酸钠的制备
将3g海藻酸钠(SA)溶于300mL去离子水中，然后将1-乙基-3-(3-(二甲基氨基)丙基)碳化二亚胺盐酸盐(EDC·HCl，1.305g)和N-羟基丁二酰亚胺(NHS，0.675g)加入到上述溶液中搅拌15min，再加入15mL 3-氨基苯硼酸(BA，2.151g)的二甲亚砜溶液，搅拌下进行酰胺化反应，反应6h后将上述混合溶液置于12000Da透析膜中，在去离子水中透析3天，然后冷冻干燥得到苯硼酸-海藻酸钠(SA-BA)。
将2g SA-BA溶于100mL去离子水中，并滴加2.5mL NaIO4(0.5mmol/L)溶液，在避光条件下氧化反应15min。随后，加入5mL甘油以终止反应。将反应后的混合溶液置于12000Da透析膜中，在去离子水中透析3天，然后冷冻干燥得到苯硼酸-氧化海藻酸钠(OSA-BA)。
2、水凝胶的制备
将OSA-BA配成浓度为7.06％(w/w)的PBS溶液，得到溶液1。将聚乙烯醇(PVA)配成浓度为20％(w/w)的PBS溶液，并加入多巴胺(DA)，得到溶液2。其中，PVA、OSA-BA和DA的质量比为1:0.295:0.128。
将溶液1与溶液2在小烧杯中混合，搅拌均匀即得到本发明的海藻酸钠/聚乙烯醇/多巴胺基水凝胶。
实施例2制备海藻酸钠/聚乙烯醇/多巴胺基水凝胶
1、苯硼酸-氧化海藻酸钠的制备
同实施例1的步骤1。
2、水凝胶的制备
参照实施例1步骤2的方法制备得到海藻酸钠/聚乙烯醇/多巴胺基水凝胶，区别仅在于控制PVA、OSA-BA和DA的质量比为1:0.443:0.191。
实施例3制备海藻酸钠/聚乙烯醇/多巴胺基水凝胶
1、苯硼酸-氧化海藻酸钠的制备
同实施例1的步骤1。
2、水凝胶的制备
参照实施例1步骤2的方法制备得到海藻酸钠/聚乙烯醇/多巴胺基水凝胶，区别仅在于控制PVA、OSA-BA和DA的质量比为1:0.148:0.064。
以下通过实验例证明本发明的有益效果。
以下实验中采用的磷酸缓冲液pH值为7.2-7.4。
实验例1水凝胶的自愈合效果测试
1、实验方法
原位自愈合效果测试：将实施例1中的水凝胶制成8cm×1cm×0.5cm的水凝胶条；然后，将水凝胶条切成均匀的两段。将两段水凝胶置于空气、水或磷酸缓冲液环境中将新鲜切面接触。不需要额外的刺激就可以准确地测试水凝胶的原位愈合过程。接触6min后，使用通用力学试验机(AGS-X,10kN,Japan)，在25℃下以100mm/min的拉伸速率对原位自愈合后的水凝胶条进行测试，测定水凝胶原位自愈合后的拉伸强度，计算自愈合后的愈合效率(又称自愈合率)，结果如图3a。
异位自愈合效果测试：将实施例1中的水凝胶制成8cm×1cm×0.5cm的水凝胶条；然后，将水凝胶条切成均匀的两段。将两段水凝胶置于空气、水或磷酸缓冲液环境中将非新鲜切面接触。接触6min后，采用上述相同的方法测试水凝胶异位自愈合后的拉伸强度，计算异位愈合后的愈合效率，结果如图3b。
愈合效率＝自愈合后的拉伸强度/初始状态的拉伸强度×100％。
2、实验结果
本发明水凝胶的异位自愈合示意图如图4所示。将水凝胶条切成均匀的两段，并将两段水凝胶的非新鲜切面接触(图4-I)，当水凝胶的两个非新鲜表面接触时，氢键相互作用和π-π堆积立即产生(图4-II)，这有助于水凝胶段之间的粘附和最初的自愈合现象。此后，随着时间的推移，两表面之间逐渐形成苯硼酯键和希夫碱(图4-III)，促使水凝胶具有明显的异地自愈应力，确保了水凝胶具有快速原位重组的潜力。
图3实验结果表明，本发明水凝胶于6min内在空气、水和磷酸缓冲液环境中的原位自愈合效率分别为100％、90％和110％，同时间段内异位自愈合率分别为88％、101％和124％。
上述实验说明本发明水凝胶在空气、水和磷酸缓冲液环境中均具有优异的自愈合性能。
实验例2水凝胶注射后的快速原位重组效果测试
1、实验方法
将实施例1中的水凝胶置于注射器，通过挤压，测试水凝胶的可注射性。然后，将水凝胶分别注入空气、水和磷酸缓冲液环境下的模具(长方体，8cm×1cm×0.5cm)中，并于5min后将模具中的水凝胶样条取出，置于通用力学试验机上测试水凝胶样品的拉伸强度，以检测水凝胶经注射过程后的原位重组能力。
原位重组率效率＝重组后的拉伸强度/初始状态的拉伸强度×100％。
2、实验结果
从图5可以看出，将水凝胶置于注射器后，注射到磷酸缓冲液环境下的玻璃瓶中，即刻，该水凝胶在玻璃瓶模具中快速形成圆柱状的完整水凝胶块。
从图6的测试结果可以看出，本发明水凝胶经注射过程后在空气、水和磷酸缓冲液中均可快速原位重组，原位重组效率分别为83.7％、82.6％和86.6％。
上述实验说明本发明水凝胶经注射过程后不仅在空气中具有优良的原位重组性能，在水和磷酸缓冲液中也具有优良的原位重组性能。
实验例3不同原料配比下水凝胶的自愈合效果测试
1、实验方法
分别检测实施例1的水凝胶(命名为水凝胶2)、实施例2的水凝胶(命名为水凝胶3)、实施例3的水凝胶(命名为水凝胶1)在水和磷酸缓冲液环境下原位愈合6min后的原位自愈合效果。
原位自愈合效果测试方法同实验例1。
2、实验结果
如图7所示，本发明的水凝胶在水和磷酸缓冲液环境下均具有原位自愈合能力。其中，水凝胶2的自愈合率最高，水凝胶3的自愈合率次之，水凝胶1的自愈合率较低。
上述结果表明，在制备本发明的海藻酸钠/聚乙烯醇/多巴胺基水凝胶时，当控制PVA、OSA-BA和DA的质量比为1:(0.295-0.443):(0.128-0.191)时，所得水凝胶具有较好的自愈合能力；当进一步控制PVA、OSA-BA和DA的质量比为1:0.443:0.191时，所得水凝胶的自愈合能力最佳。
综上，本发明提供了一种可快速原位重组的可注射海藻酸钠/聚乙烯醇/多巴胺基水凝胶，该水凝胶在空气、水和磷酸缓冲液环境中均具有优异的原位和异位自愈合性能，促使该水凝胶经注射后可在空气、水和磷酸缓冲液环境中快速重组原有的三维网络结构，重新形成完整且稳定的水凝胶，拓宽了水凝胶在湿环境下或体内的应用。本发明提供的海藻酸钠/聚乙烯醇/多巴胺基水凝胶在制备应用于体内的生物材料中具有广阔的应用前景。
Claims (10)
1.一种海藻酸钠/聚乙烯醇/多巴胺基水凝胶，其特征在于：它是将苯硼酸改性的氧化海藻酸钠的水性溶液和多巴胺与聚乙烯醇的混合物的水性溶液共混后得到的；所述聚乙烯醇、苯硼酸改性的氧化海藻酸钠与多巴胺的重量比为1:(0.1～0.5):(0.05～0.3)。
2.根据权利要求1所述的海藻酸钠/聚乙烯醇/多巴胺基水凝胶，其特征在于：所述聚乙烯醇、苯硼酸改性的氧化海藻酸钠与多巴胺的重量比为1:(0.2～0.5):(0.1～0.2)，优选为1:(0.295～0.443):(0.128～0.191)。
3.根据权利要求2所述的海藻酸钠/聚乙烯醇/多巴胺基水凝胶，其特征在于：所述聚乙烯醇、苯硼酸改性的氧化海藻酸钠与多巴胺的重量比为1:0.295:0.128。
4.根据权利要求1～3任一项所述的海藻酸钠/聚乙烯醇/多巴胺基水凝胶，其特征在于：所述苯硼酸改性的氧化海藻酸钠的水性溶液中，苯硼酸改性的氧化海藻酸钠的质量浓度为5％～9％；所述多巴胺与聚乙烯醇的混合物的水性溶液中，聚乙烯醇的质量浓度为15％～25％；
和/或，所述水性溶液为水或缓冲液。
5.根据权利要求4所述的海藻酸钠/聚乙烯醇/多巴胺基水凝胶，其特征在于：所述苯硼酸改性的氧化海藻酸钠的水性溶液中，苯硼酸改性的氧化海藻酸钠的质量浓度为7.06％；所述多巴胺与聚乙烯醇的混合物的水性溶液中，聚乙烯醇的质量浓度为20％；
和/或，所述缓冲液为磷酸缓冲液或磷酸盐缓冲液。
6.根据权利要求1～3任一项所述的海藻酸钠/聚乙烯醇/多巴胺基水凝胶，其特征在于：所述苯硼酸改性的氧化海藻酸钠的制备方法包括以下步骤：
1)将海藻酸钠在水中溶解，加入催化剂，加入溶于有机溶剂的3-氨基苯硼酸，反应；将反应后的液体放入透析袋中，在去离子水中透析，透析结束后冷冻干燥，得到苯硼酸改性的海藻酸钠；
2)将苯硼酸改性的海藻酸钠与氧化剂反应，将反应后的液体放入透析袋中，在去离子水中透析，透析结束后冷冻干燥，得到苯硼酸改性的氧化海藻酸钠。
7.根据权利要求6所述的海藻酸钠/聚乙烯醇/多巴胺基水凝胶，其特征在于：步骤1)中，所述催化剂为1-乙基-3-(3-(二甲基氨基)丙基)碳化二亚胺盐酸盐和N-羟基丁二酰亚胺，所述海藻酸钠、3-氨基苯硼酸、1-乙基-3-(3-(二甲基氨基)丙基)碳化二亚胺盐酸盐和N-羟基丁二酰亚胺的质量比为3:(1.5～2.5):(1.0～2.0):(0.3～1.0)；所述有机溶剂为二甲亚砜；所述反应的时间为4～8小时；
和/或，步骤2)中，所述氧化剂为NaIO4，所述苯硼酸改性的海藻酸钠与氧化剂的质量比为1:(0.00001～0.001)；所述反应的溶剂为水，反应的时间为10～20分钟，反应是在避光条件下进行的。
8.根据权利要求7所述的海藻酸钠/聚乙烯醇/多巴胺基水凝胶，其特征在于：步骤1)中，所述海藻酸钠、3-氨基苯硼酸、1-乙基-3-(3-(二甲基氨基)丙基)碳化二亚胺盐酸盐和N-羟基丁二酰亚胺的质量比为3:2.151:1.305:0.675；所述反应的时间为6小时；
和/或，步骤2)中，所述苯硼酸改性的海藻酸钠与氧化剂的质量比为1:0.0001；所述反应的时间为15分钟。
9.权利要求1～8任一项所述海藻酸钠/聚乙烯醇/多巴胺基水凝胶的制备方法，其特征在于：所述方法为将苯硼酸改性的氧化海藻酸钠的水性溶液和多巴胺与聚乙烯醇的混合物的水性溶液共混，即得。
10.权利要求1～8任一项所述海藻酸钠/聚乙烯醇/多巴胺基水凝胶作为可快速原位重组的可注射生物材料的用途。
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