CN114796609B - 聚乙二醇水凝胶在制备自粘型生物医用材料中的应用 - Google Patents

聚乙二醇水凝胶在制备自粘型生物医用材料中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了聚乙二醇水凝胶在制备自粘型生物医用材料中的应用，所述聚乙二醇水凝胶由醛基封端的星形多臂聚乙二醇和聚赖氨酸交联而成。本发明研究发现聚乙二醇水凝胶薄膜可通过表面残余的醛基与氨基基团反应以及相关的非共价相互作用实现凝胶薄膜的自粘附，并可进一步通过自粘附作用将水凝胶薄膜加工成中空管等复杂形状。所述聚乙二醇水凝胶在手术过程中可自由成型，自粘性薄膜能够实现对组织的包裹或支撑，在组织防粘连和组织工程支架等领域具有重要的应用潜力。

Description

聚乙二醇水凝胶在制备自粘型生物医用材料中的应用
技术领域
本发明属于生物材料领域，具体涉及聚乙二醇水凝胶在制备自粘型生物医用材料中的应用。
背景技术
水凝胶是一种由亲水性聚合物交联得到的含有大量水分的软材料。水凝胶具有优良的理化性能和生物学特性，如高含水量、高弹性、柔软、具有生物相容性等特点，在药物递送、组织工程等生物医学研究领域有着重要的应用价值。
水凝胶的常用使用方式为可注射式水凝胶和预先成型的水凝胶块体或者薄膜。其中可注射水凝胶形状依赖于注射部位组织的形状，无法精确成型。而预先成型的块体凝胶一旦制备成型后，形状无法再改变。这两种形式的水凝胶在应用中受到一定的限制。与它们相比，水凝胶薄膜具有质地柔软、与目标组织的形状适应性好等特点，在组织防粘连、腹壁修复、骨引导膜等方向具有重要应用。CN108066819A公开了一种基于天然高分子的水凝胶薄膜，可以作为生物隔膜材料应用于医学工程领域。专利US10314950B2公开了一种基于透明质酸和海藻酸钠的水凝胶薄膜，可用于手术后组织防粘连等。
然而，在很多应用场景中，薄膜常常需要被进一步加工成更为复杂的结构形状以满足使用要求。比如在组织工程应用中，血管等组织具有中空的管状结构，通常需要组织工程支架材料同样能模拟组织的这种特殊构型。另外在神经缺损修复和肌腱损伤修复等领域，具有管状结构的材料能够引导组织的修复、防止周围软组织的长入，以及避免组织粘连等。薄膜材料可以在目标组织位置卷成中空的管状结构已达到包裹组织的目的，然而这种方法需要添加额外的粘合剂以保持管状结构，给使用带来不便，粘合剂的引入还有可能引发毒副反应。Kolambkar等人使用聚合物薄膜卷制聚合物管，并用于包裹生长因子以促进长骨再生，然而卷制过程需要使用紫外固化胶固定薄膜重叠部分(Kolambkar et.al，Biomaterials，2011)。
发明内容
本发明针对现有技术不足，提供了一种聚乙二醇水凝胶的新用途，所述聚乙二醇水凝胶薄膜可以被方便地制备成中空管状等复杂结构，并通过薄膜之间的自粘作用稳定结构。自粘水凝胶薄膜使用时无需引入额外的粘合剂，操作方便，相比于预先成型的聚合物管，手术过程中可自由成型的自粘性薄膜能够完全贴合损伤组织，并能够包裹未完全断裂的跟腱、韧带和外周神经等组织，在生物医学领域等领域具有重要的应用价值。
本发明具体技术方案如下：
聚乙二醇水凝胶在制备自粘型生物医用材料中的应用，所述聚乙二醇水凝胶由醛基封端的星形多臂聚乙二醇和聚赖氨酸交联而成。
所述自粘型生物医用材料为组织工程材料、组织修复材料或组织隔离材料(防组织粘连)。
所述自粘型生物医用材料在使用时可利用材料表面的粘性，通过弯曲、折叠、拼合等方式，待接触面贴合一段时间后(10s～10分钟，优选20s～1分钟)发生粘合，形成稳定的结构或形状。可作为包覆材料紧密地包裹各种组织或者在使用(例如外科手术)中根据需要，利用自粘性进一步加工制成各种形状的材料使用。
优选的，所述自粘型组织工程材料为薄膜或者为进一步由薄膜加工成型的形状结构，如中空管。
优选的，所述薄膜或中空管壁的厚度为20-5000微米。
上述自粘型生物医用材料可采用如下步骤制备而成：
(1)将醛基封端的星形多臂聚乙二醇溶液和聚赖氨酸溶液混合，然后迅速加入到成膜模具内，等待溶液完全固化；
(2)固化完成后将凝胶膜从模具上取下，利用凝胶膜自粘性制备成不同的形状。
优选的，步骤(1)所述醛基封端的星形多臂聚乙二醇溶液和聚赖氨酸溶液为pH4-10的磷酸盐或硼酸盐缓冲液。醛基封端的星形多臂聚乙二醇溶液和聚赖氨酸溶液混合后，溶液中醛基封端的星形多臂聚乙二醇的质量体积百分浓度为2-40％，更优选10-30％，所述聚赖氨酸的质量体积百分浓度为0.5-20％，更优选1-5％。
优选的，聚赖氨酸中氨基与醛基封端的星形多臂聚乙二醇中醛基的摩尔比为0.4-6:1，优选为0.5-2:1。
所述醛基封端的多臂聚乙二醇为臂数不低于2，分子量大于2000Da的多臂聚乙二醇。
所述醛基封端的多臂聚乙二醇的臂数为2-8，优选为8。
所述醛基选自芳香醛、烷基醛中的一种或几种，优选为苯醛基。
所述聚赖氨酸分子量为1000-100000Da，优选为3500-5000Da。
本发明另一目的在于提供一种自粘型生物医用材料。
本发明所述自粘型生物医用材料可用于制备组织防黏连材料或神经导管材料。
本发明优点：
本发明提供了一种聚乙二醇-聚赖氨酸水凝胶薄膜，通过薄膜表面残余的醛基氨基基团反应以及相关的非共价相互作用实现凝胶薄膜的自粘附，并可进一步通过自粘附作用将水凝胶薄膜加工成中空管等复杂形状。相比于通过粘合剂的粘附作用，自粘附凝胶膜使用简单方便，安全性高。相比于预先成型的凝胶管等材料，在使用过程(手术)中可自由成型的自粘性薄膜能够完全贴合损伤组织，并能够实现对预先成型凝胶管无法包裹的未完全断裂组织的包裹(例如未完全断裂的跟腱、韧带和外周神经等组织)，在生物医学领域等领域具有重要的应用潜力。
附图说明
图1为本发明所述自粘型聚乙二醇水凝胶薄膜的制备示意图。
图2为本发明所述自粘型聚乙二醇水凝胶薄膜的粘附力测试：单搭接拉伸剪切实验示意图。
图3为使用本发明所述自粘型聚乙二醇水凝胶薄膜制备的凝胶管。
具体实施方式
以下通过实施例说明本发明的具体步骤，但不受实施例的限制。
在本发明中所使用的术语，除非另有说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义。
下面结合具体实施例并参照数据进一步详细描述本发明。应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。
在以下实施例中，未详尽描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。
实施例1本发明所述自粘型聚乙二醇水凝胶薄膜的制备
将400mg的酯键连接苯醛基封端8臂聚乙二醇(分子量20kDa)溶解在2mL的0.1M磷酸缓冲液溶液(pH7.4)，作为A溶液；配置含聚赖氨酸(苯醛基氨基比例为1:1)的磷酸盐缓冲液溶液，作为B溶液；利用四氟圈(内径1.5cm)和载玻片制作模具，将A、B溶液等体积混合后在离心管里利用涡旋振荡器充分混合，迅速吸取125μl混合液滴加至特氟龙圈中央，使液滴平铺在玻片表面。等待10分钟后，将固化后的凝胶取下即为水凝胶薄膜(如图1所示)。
实施例2本发明所述自粘型聚乙二醇水凝胶薄膜间粘合力测试
将400mg的酯键连接苯醛基封端8臂聚乙二醇(分子量20kDa)溶解在2mL的0.1M磷酸缓冲液溶液(pH7.4)，作为A溶液；配置含不同聚赖氨酸(醛基氨基摩尔比为2:1，1:1，1:1.5和1:2)的磷酸盐缓冲液溶液，作为B溶液；利用四氟模具(2cm×1cm)和载玻片制作模具，将A、B溶液等体积混合后在离心管里利用涡旋振荡器充分混合，迅速吸取125μl混合液滴加至特氟龙圈中央，使液滴平铺在玻片表面。等待10分钟后，将固化后的凝胶取下即为水凝胶薄膜。将两片水凝胶薄膜(2cm×1cm)按照图2方式叠加(重合面积1cm×1cm)将200g砝码置于叠加部位5分钟，使用拉力机测试凝胶薄膜之间的粘附力。测试结果如表1所示。
表1不同水凝胶薄膜的粘附强度
样品名称 醛基氨基摩尔比例 粘附强度(kPa)
凝胶薄膜1 2:1 4.65
凝胶薄膜2 1:1 2.23
凝胶薄膜3 1:1.5 1.51
凝胶薄膜4 1:2 1.37
实验结果表明，本发明所述自粘型聚乙二醇水凝胶薄膜之间具有一定的粘附力，且粘附力随着醛基氨基摩尔比例的降低而降低。
实施例3基于不同多氨基聚合物的聚乙二醇水凝胶薄膜粘附性测试
将400mg的酯键连接苯醛基封端8臂聚乙二醇(分子量20kDa)溶解在2mL的0.1M磷酸缓冲液溶液(pH7.4)，作为A溶液；配置含聚赖氨酸或者聚乙烯亚胺溶液(醛基氨基摩尔比为2:1，1:1)的磷酸盐缓冲液溶液，作为B溶液；利用四氟模具(2cm×1cm)和载玻片制作模具，将A、B溶液等体积混合后在离心管里利用涡旋振荡器充分混合，迅速吸取125μl混合液滴加至特氟龙圈中央，使液滴平铺在玻片表面。等待10分钟后，将固化后的凝胶取下即为水凝胶薄膜。将两片水凝胶薄膜(2cm×1cm)按照图2方式叠加(重合面积1cm×1cm)将200g砝码置于叠加部位5分钟，使用拉力机测试凝胶薄膜之间的粘附力。测试结果如表2所示。
表2
样品名称 多氨基化合物种类 醛基氨基摩尔比例 粘附强度(kPa)
凝胶薄膜1 聚赖氨酸 2:1 4.65
凝胶薄膜2 聚赖氨酸 1:1 2.23
凝胶薄膜5 聚乙烯亚胺 2:1 0.52
凝胶薄膜6 聚乙烯亚胺 1:1 0.41
研究结果表面，相比于聚赖氨酸交联的聚乙二醇水凝胶膜，聚乙烯亚胺交联的聚乙二醇水凝胶膜粘附力显著降低，不适合用来制备自粘型水凝胶膜。多氨基化合物的选择同样对自粘膜的自粘特性至关重要。
实施例4自粘水凝胶薄膜制备水凝胶中空管
按照实施例2的方法制备醛基氨基摩尔比为2:1.5的水凝胶薄膜，将聚乙二醇水凝胶薄膜围绕金属棒(直径约为1.2mm和2.8mm)卷成管状，轻按1分钟左右将中心金属棒抽出，得到完整的水凝胶管。如图3所示。
将水凝胶管置入37度PBS中进行稳定性试验，结果发现水凝胶管在2个月后仍能保持稳定的管状结构，证明了利用水凝胶薄膜自粘附制备的水凝胶管具有长期稳定性，可用于组织导管以及跟腱韧带损伤后防粘连等应用。

Claims (8)

1.聚乙二醇水凝胶在制备自粘型组织工程材料中的应用，其特征在于所述聚乙二醇水凝胶由醛基封端的星形多臂聚乙二醇和聚赖氨酸交联而成，所述聚赖氨酸中氨基与醛基封端的星形多臂聚乙二醇中醛基的摩尔比为0.5-2:1，所述自粘型组织工程材料为由水凝胶薄膜加工成型的形状结构，所述自粘型组织工程材料的制备为通过将水凝胶薄膜弯曲、折叠或拼合的方式，待接触面贴合10s～10分钟后发生粘合，形成稳定的形状结构。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于所述自粘型组织工程材料为组织修复材料或组织隔离材料。
3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于所述自粘型组织工程材料为中空管。
4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于所述中空管壁的厚度为20-5000微米。
5.根据权利要求1所述的应用，其特征在于所述自粘型组织工程材料采用如下步骤制备而成：
（1）将醛基封端的星形多臂聚乙二醇溶液和聚赖氨酸溶液混合，然后迅速加入到成膜模具内，等待溶液完全固化；
（2）固化完成后将凝胶膜从模具上取下，利用凝胶膜自粘性制备成不同的形状。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于所述步骤（1）醛基封端的星形多臂聚乙二醇溶液和聚赖氨酸溶液混合后，溶液中醛基封端的星形多臂聚乙二醇的质量体积百分浓度为2-40％，所述聚赖氨酸的质量体积百分浓度为0.5-20％。
7.根据权利要求1所述的应用，其特征在于所述醛基封端的多臂聚乙二醇为臂数不低于2，分子量大于等于2000Da的多臂聚乙二醇，所述聚赖氨酸分子量为1000-100000 Da。
8.根据权利要求1所述的应用，其特征在于所述醛基选自芳香醛、烷基醛中的一种或几种。
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