CN114805713A - 一种水凝胶、微针及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种水凝胶、微针及其制备方法和应用，涉及医用生物材料领域。该水凝胶包括以下原料：甲基丙烯酰化葡聚糖、HGSM和光引发剂。该水凝胶的原料甲基丙烯酰化葡聚糖和HGSM都是具有碳碳双键的高分子材料，经过光引发剂作用，形成的水凝胶具备较高的机械强度，且不溶于水。采用该水凝胶制备得到的微针，不含大量有机溶剂，能够刺破角质层，能使药物直接递送至表皮层和真皮层，增强施药效果，同时，不溶于水的水凝胶微针针尖能够留存在皮肤内，可供药物长效释放，降低给药频率。

Description

一种水凝胶、微针及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及医用生物材料领域，特别是涉及一种水凝胶、微针及其制备方法和应用。
背景技术
目前部分皮肤病，其治疗药物虽已具备相应的理论基础，但没有合适的递送方式或适合患者治疗的剂型，导致治疗效果不佳。例如，主要用于治疗肿瘤、类风湿性关节炎、银屑病的JAK抑制剂，目前传统采用的递送方式和剂型，是制成口服JAK抑制剂，通过口服给药，然而因为口服给药属于全身给药，除需要治疗的患处外，会使全身的免疫反应都受到抑制，增加病人患上其他疾病和癌症的风险。同样受限于剂型和给药方式的，还有激素类药物。激素类药物的常用给药方式是口服、注射、局部外用，但前两种给药方式的药物利用率低，后一种给药方式进入机体的药量少，因此需要频繁给药，给患者带来不便。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种水凝胶，该水凝胶的原料甲基丙烯酰化葡聚糖和HGSM都是具有碳碳双键的高分子材料，经过光引发剂作用，形成的水凝胶具备较高的机械强度，且不溶于水，采用该水凝胶制备微针，无需大量有机溶剂，制备得到的微针能够刺破角质层，通过药物的扩散作用使药物直接递送至表皮层和真皮层，增强施药效果，同时，不溶于水的水凝胶微针针尖留存在皮肤内，可供药物长效释放，降低给药频率。
为了达到上述目的，本发明提供了一种水凝胶，该水凝胶包括以下原料：甲基丙烯酰化葡聚糖、HGSM和光引发剂。
本发明人在研究过程中发现，微针作为一种新型的物理促透技术，由多个微米级的细小针尖以阵列的方式连接在基座上组成，针体一般高10－2000微米、宽10－50微米，且微针的长度、大小和形状可根据治疗的需求进行个体化设计。微针能定向穿过角质层，产生微米尺寸的机械通道，将药物直接置于表皮或上部真皮层，不用通过角质层即可参与微循环，发挥药理反应。而目前已有的微针技术中，因制备微针的原料中使用了大量的有机溶剂，故增加了使用者的不良反应发生风险。因此，本发明人采用上述原料制备水凝胶，甲基丙烯酰化葡聚糖和HGSM都是具有碳碳双键的高分子材料，且HGSM是预先经过主客体组装形成的高分子，因此甲基丙烯酰化葡聚糖和HGSM经过光引发剂引发交联后形成的水凝胶，不仅具有碳碳双键的化学交联，还具有主客体组装形成的物理交联，和单一交联方式形成的水凝胶相比，本发明制备得到的水凝胶具有更高的机械强度，有利于刺破皮肤角质层。
在其中一个实施例中，所述水凝胶包括以下重量份比的原料：
甲基丙烯酰化葡聚糖 130-170份
HGSM 20-80份
光引发剂 0.5-1.5份。
采用上述重量份比的原料能够制备得到较高机械强度的水凝胶。
在其中一个实施例中，所述水凝胶包括以下重量份比的原料：
甲基丙烯酰化葡聚糖 150份
HGSM 25份
光引发剂 1份。
采用上述重量份比的原料制备得到的水凝胶，能够制备储能模量、压缩强度均较高的微针。
在其中一个实施例中，所述光引发剂包括以下原料中的至少1种：苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基膦酸锂或Irgacure 2959。
采用上述光引发剂，能够使甲基丙烯酰化葡聚糖和HGSM产生交联固化反应，形成水凝胶。
本发明还提供了所述水凝胶的制备方法，该制备方法包括以下步骤：制备甲基丙烯酰化葡聚糖，制备HGSM，将甲基丙烯酰化葡聚糖、HGSM和光引发剂混合，即得。
在其中一个实施例中，所述制备甲基丙烯酰化葡聚糖步骤包括以下步骤：将葡聚糖、二甲基亚砜和4-二甲氨基吡啶混合，搅拌，加入甲基丙烯酸缩水甘油酯，搅拌，透析，冻干，得到甲基丙烯酰化葡聚糖；
所述制备HGSM步骤包括以下步骤：
制备主体分子材料：将β-环糊精、二甲基甲酰胺和丙烯酸-2-异氰酸乙酯混合，搅拌，加入2-乙基己酸锡，搅拌，加热，搅拌，加入丙酮，得到主体分子材料；
制备客体分子材料：将1-溴金刚烷、三乙胺和四乙二醇混合，搅拌，冷却，洗涤，萃取，干燥，抽滤，蒸发，加入三乙胺和二氯甲烷，冷却，加热，加入丙烯酰氯溶液，回流，洗涤，收集有机层，干燥，过滤，蒸发，纯化，得到客体分子材料；
制备HGSM：将所述主体分子材料和所述客体分子材料混合，搅拌至透明，得到HGSM。
本发明还提供了一种微针，该微针包括以下原料：水溶性基底材料和所述水凝胶；所述水溶性基底材料选自以下原料中的至少1种：葡聚糖、聚乙烯醇或透明质酸。
采用上述水凝胶制备得到的微针具有高机械强度，且生物相容性良好、不溶于水，而水溶性基底材料制成的基底，在微针刺破角质层吸水后，能够自动和水凝胶制成的部分分离，使水凝胶刺破角质层后停留在皮肤内，利用上述微针制造机械通道后，操作人员可通过在微针针尖表面附着药物、水凝胶中加入药物、直接喷溅或涂抹药物于机械通道之上等方式进行给药，从而实现药物可直接递送至表皮层和真皮层，同时使药物能够长效释放。
本发明还提供了所述微针的制备方法，包括以下步骤：
制备针尖：将水凝胶加入微针模具，真空脱气，固化，得到针尖；
制备微针：将水溶性基底材料加入所述微针模具，干燥，形成基底，脱模，得到微针。
采用上述制备方法，能够利用水溶性材料葡聚糖制备得到基底，利用水凝胶制备得到针尖，因此制备得到的微针刺破角质层后，吸水能够使针尖和基底分离，不溶于水的水凝胶针尖留存在体内。
在其中一个实施例中，所述制备方法还包括在所述制备针尖步骤之前的制备药液步骤，所述制备药液步骤包括：将药物活性成分配制成药液，将所述药液加入微针模具，真空脱气，干燥。
在水凝胶针尖附着药物成分，或将药物成分加入水凝胶内部，则能使针尖成为药物释放的装置，长效释放，降低给药次数。
本发明还提供了所述微针在制备透皮吸收药物制剂中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的一种水凝胶、微针及其制备方法和应用，该水凝胶具备较高的机械强度，且不溶于水，制备过程无需使用有机溶剂，生物相容性良好。该微针采用水溶性基底材料制备基底，采用上述水凝胶制备不溶于水的针尖，从而实现针尖与基底的可分离性，使用过程中，针尖能够留存在体内，实现长效药物释放，从而降低给药次数，且水凝胶制成的针尖，机械强度高，能够刺破角质层，使药物直接递送至表皮层和真皮层。
附图说明
图1为实施例6中第二微针、第三微针、第四微针在成胶前的流变时间扫描曲线图；
图2为实施例6中第二微针、第三微针、第四微针在成胶后的流变时间扫描曲线图；
图3为实施例6中第一微针、第二微针、第三微针、第四微针压缩前的形貌图；
图4为实施例6中第一微针、第二微针、第三微针、第四微针压缩后的形貌图；
图5为实施例6中第一微针、第二微针、第三微针、第四微针压缩前的扫描电镜图；
图6为实施例6中第一微针、第二微针、第三微针、第四微针的压缩曲线；
图7为实施例6中第一微针、第二微针、第三微针、第四微针的最大断裂压缩强度图；
图8为实施例6中第二微针穿刺猪皮的效果图；
图9为实施例6中第二微针穿刺猪皮的H&E染色结果图；
图10为实施例6中第二微针穿刺猪皮后的药物渗透荧光图；
图11为实施例6中对小鼠上皮样成纤维细胞的细胞毒性图；
图12为实验例中对莫诺苯宗诱导的白癜风小鼠的治疗效果图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
定义：
甲基丙烯酰化葡聚糖：又指DexMA。
HGSM：指一种新型“三臂”主客体超分子材料。
光引发剂：又称光敏剂或光固化剂，是一类能在紫外光区(250-420nm)或可见光区(400-800nm)吸收一定波长的能量，产生自由基、阳离子等，从而引发单体聚合交联固化的化合物。
Irgacure 2959：分子式为C12H16O4，是一种不黄变紫外光引发剂，用于引发不饱和预聚体和单体的UV聚合反应。
来源：
本实施例所用试剂、材料、设备如无特殊说明，均为市售来源；试验方法如无特殊说明，均为本领域的常规试验方法。
实施例1
一种水凝胶。
该水凝胶的制备方法如下。
一、制备甲基丙烯酰化葡聚糖(DexMA)。
将1.0g葡聚糖溶于10mL二甲基亚砜中，随后加入2.0g 4-二甲氨基吡啶，室温下搅拌1小时；向反应液中加入3mL甲基丙烯酸缩水甘油酯，室温避光搅拌48小时；收集反应液，用截留分子量为3500的纤维素透析袋透析3天，冻干，得到产物甲基丙烯酰化葡聚糖。
二、制备水凝胶。
用超纯水配制甲基丙烯酰化葡聚糖溶液，其中DexMA的质量浓度为30％。向上述溶液中加入浓度为0.005g/mL的苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基膦酸锂(LAP)，使其质量浓度为0.2％，混合，采用365nm或405nm光照射，照射时间10s-1min，即得水凝胶。
实施例2
一种水凝胶。
该水凝胶的制备方法如下。
一、制备甲基丙烯酰化葡聚糖(DexMA)。
将1.0g葡聚糖溶于10mL二甲基亚砜中，随后加入2.0g 4-二甲氨基吡啶，室温下搅拌1小时；向反应液中加入3mL甲基丙烯酸缩水甘油酯，室温避光搅拌48小时；收集反应液，用截留分子量为3500的纤维素透析袋透析3天，冻干，得到产物甲基丙烯酰化葡聚糖。
二、制备主客体超分子HGSM。
1、合成主体分子丙烯酸异氰酸乙酯改性β-环糊精(β-Cd-AOI2)。
取5gβ-环糊精(β-CD)在氮气气氛下完全溶解于50mL无水二甲基甲酰胺(DMF)中。然后，向混合物中滴加2mL丙烯酸2-异氰酸乙酯(AOI2)。搅拌并加入50μL的2-乙基己酸锡。在氮气气氛中室温搅拌60min后，将反应温度提高到40℃，然后继续搅拌4h。加入400mL冷丙酮沉淀得到β-CD-AOI2。沉淀物在10mL去离子水中反复溶解，并多次倒入200mL丙酮中，以去除DMF和未反应的AOI。产物最终在35℃真空烘箱中干燥48h。
2、合成客体分子丙烯酰化四乙烯乙二醇改性金刚烷(A-TEG-Ad)。
将20g 1-溴金刚烷和3.93mL三乙胺溶解在400mL四乙二醇中，在110℃搅拌24h，得到反应液，冷却至室温。将上述反应液先用200mL的1mol/L盐酸洗涤3次，再用200mL去离子水洗涤3次。随后，将洗涤后的产物用200mL二氯甲烷萃取，有机相用无水硫酸钠干燥2h，抽滤，蒸发溶剂得到淡黄色的油状液体TEG-Ad。
然后将TEG-Ad(20g)和三乙胺(25mL)溶解在100mL的二氯甲烷中，冷却至0℃后，将丙烯酰氯(3mL，36.6mmol)滴入10mL的二氯甲烷中。将溶液加热至65℃，滴加丙烯酰氯/二氯甲烷溶液后回流2h。将回流后得到的粗品用50mL去离子水洗涤4次，50mL 10wt％氯化钠溶液洗涤3次。收集有机层，用无水硫酸镁干燥48h。最后，产物用过滤、蒸发、纯化，得到淡黄色的A-TEG-Ad液体，将A-TEG-Ad液体保存在4℃冰箱中。
3、合成主客体超分子HGSM。
将制备得到的β-Cd-AOI2(4g)加入10mL去离子水中，进行溶解。溶解完成后，加入A-TEG-Ad(1.5mL)搅拌24h，溶液由不透明慢慢变为透明，表明客体分子已成功包合到主体分子中，将得到的透明溶液冷冻干燥即为HGSM。
三、制备水凝胶。
用超纯水配制甲基丙烯酰化葡聚糖和HGSM的混合溶液，其中DexMA的质量浓度为30％，HGSM的质量浓度为5％。向上述混合溶液中加入浓度为0.005g/mL的苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基膦酸锂(LAP)，使其质量浓度为0.2％，混合，采用365nm或405nm光照射，照射时间10s-1min，即得水凝胶。
实施例3
一种水凝胶。
该水凝胶的制备方法如下。
一、制备甲基丙烯酰化葡聚糖(DexMA)。
和实施例2相同。
二、制备主客体超分子HGSM。
和实施例2相同。
三、制备水凝胶。
用超纯水配制甲基丙烯酰化葡聚糖和HGSM的混合溶液，其中DexMA的质量浓度为30％，HGSM的质量浓度为10％。向上述混合溶液中加入浓度为0.005g/mL的苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基膦酸锂(LAP)，使其质量浓度为0.2％，混合，采用365nm或405nm光照射，照射时间10s-1min，即得水凝胶。
实施例4
一种水凝胶。
该水凝胶的制备方法如下。
一、制备甲基丙烯酰化葡聚糖(DexMA)。
和实施例2相同。
二、制备主客体超分子HGSM。
和实施例2相同。
三、制备水凝胶。
用超纯水配制甲基丙烯酰化葡聚糖和HGSM的混合溶液，其中DexMA的质量浓度为30％，HGSM的质量浓度为15％。向上述混合溶液中加入浓度为0.005g/mL的苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基膦酸锂(LAP)，使其质量浓度为0.2％，混合，采用365nm或405nm光照射，照射时间10s-1min，即得水凝胶。
实施例5
一种微针。
采用上述各实施例制备得到水凝胶制备微针，制备方法如下所示。
一、制备针尖。
向微针模具中注入200μL上述各实施例中的水凝胶，反复真空脱气，将水凝胶灌入模具针尖内部，待完全灌注后，吸弃多余溶液，仅保留针尖内溶液，用405nm蓝光照射30秒使得针尖处的水凝胶完全固化。
二、制备基底。
向针尖成型后的微针模具中加入300μL的质量浓度为20％葡聚糖溶液，4℃下干燥72小时，脱模，即得第一微针(质量浓度30％甲基丙烯酰化葡聚糖)、第二微针(质量浓度30％甲基丙烯酰化葡聚糖+5％HGSM)、第三微针(质量浓度30％甲基丙烯酰化葡聚糖+10％HGSM)、第四微针(质量浓度30％甲基丙烯酰化葡聚糖+15％HGSM)。
实施例6
检测实施例5中制备得到的微针。
储能模量的检测方法：将200微升水凝胶在旋转流变仪样品台上完全固化后，设置参数为应变1％，频率1Hz，通过时间扫描程序进行检测。
压缩强度的检测方法：将微针倒置于万能试验机样品台，针尖朝上，以0.05mm/s的恒定速率向下压缩，得到检测结果。
检测结果：如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7所示，可见第二微针的储能模量(G’)和压缩强度更高，因此选用第二微针进行后续的药物负载实验。
对第二微针进行穿刺实验，将第二微针对猪皮进行穿刺，并进行H&E染色、和药物渗透荧光测试(采用盐酸阿霉素进行药物渗透荧光测试实验)，穿刺猪皮的效果如图8所示，穿刺猪皮的H&E染色结果如图9所示，穿刺猪皮后的药物渗透荧光结果如图10所示。
对第一微针、第二微针、第三微针、第四微针进行细胞毒性试验：按照国标GBT16886.5进行细胞毒性试验。
结果如图11所示。
实施例7
一种负载药物的微针。
在本实施例中，以白癜风为例，选择JAK抑制剂托法替尼和促黑素细胞激素作为微针携带的治疗药物，来展示本发明微针实现的技术效果。
一、制备药物混合液。
用超纯水配制促黑素细胞激素和托法替尼的混合液，其中促黑素细胞激素的浓度为1mg/mL，托法替尼的浓度为0.2mg/mL。
二、制备负载药物的微针。
向微针模具中加入100μL的药物混合液，反复真空脱气至无气泡产生，将溶液完全灌入模具针尖内部，4℃下干燥24小时，待液体完全挥发；
制备微针的针尖和基底，制备方法和实施例5中第二微针的制备方法相同。
实施例8
一种不负载药物的微针。
制备微针的针尖和基底，制备方法和实施例5中第二微针的制备方法相同。
对比例1
0.1％的他克莫司软膏(商用购买)。
实验例
对实施例7、实施例8制备得到的微针，对比例1进行验证。
验证方法如下所示：
采用莫诺苯宗诱导，得到白癜风小鼠，将实施例7、实施例8的微针按压刺入白癜风小鼠的患处，将对比例1中的他克莫司软膏按照药品说明书的用量，涂抹在小鼠患处。
验证结果：结果如图12所示，可见实施例7的效果最好，实施例7中水凝胶制备的第二微针，其针尖负载治疗白癜风的药物托法替尼(一种JAK抑制剂)和促黑素细胞激素(α-MSH)，同时利用葡聚糖制备微针基底。该微针刺破皮肤后，吸收人体体液中的水分，使携带药物的不溶于水的凝胶针尖和水溶性的葡聚糖基底分离，水凝胶针尖留存在皮肤内发挥长效释放的作用，实现药物在治疗部位的缓释，进而减少给药次数。同时，由于该水凝胶微针具有较高的机械强度，可以刺破角质层，能够使药物通过扩散作用直接递送至表皮层和真皮层，显著降低给药频次的同时又增强了治疗效果，且制备微针针尖的水凝胶材料不含有机溶剂，生物相容性好。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种水凝胶，其特征在于，该水凝胶包括以下原料：甲基丙烯酰化葡聚糖、HGSM和光引发剂。
2.根据权利要求1所述的水凝胶，其特征在于，所述水凝胶包括以下重量份比的原料：
甲基丙烯酰化葡聚糖 130-170份
HGSM 20-80份
光引发剂 0.5-1.5份。
3.根据权利要求2所述的水凝胶，其特征在于，所述水凝胶包括以下重量份比的原料：
甲基丙烯酰化葡聚糖 150份
HGSM 25份
光引发剂 1份。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的水凝胶，其特征在于，所述光引发剂包括以下原料中的至少1种：苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基膦酸锂或Irgacure 2959。
5.权利要求1-4中任一项所述水凝胶的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：制备甲基丙烯酰化葡聚糖，制备HGSM，将甲基丙烯酰化葡聚糖、HGSM和光引发剂混合，即得。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述制备甲基丙烯酰化葡聚糖步骤包括以下步骤：将葡聚糖、二甲基亚砜和4-二甲氨基吡啶混合，搅拌，加入甲基丙烯酸缩水甘油酯，搅拌，透析，冻干，得到甲基丙烯酰化葡聚糖；
所述制备HGSM步骤包括以下步骤：
制备主体分子材料：将β-环糊精、二甲基甲酰胺和丙烯酸-2-异氰酸乙酯混合，搅拌，加入2-乙基己酸锡，搅拌，加热，搅拌，加入丙酮，得到主体分子材料；
制备客体分子材料：将1-溴金刚烷、三乙胺和四乙二醇混合，搅拌，冷却，洗涤，萃取，干燥，抽滤，蒸发，加入三乙胺和二氯甲烷，冷却，加热，加入丙烯酰氯溶液，回流，洗涤，收集有机层，干燥，过滤，蒸发，纯化，得到客体分子材料；
制备HGSM：将所述主体分子材料和所述客体分子材料混合，搅拌至透明，得到HGSM。
7.一种微针，其特征在于，该微针包括以下原料：水溶性基底材料和权利要求1-4中任一项所述的水凝胶；所述水溶性基底材料选自以下原料中的至少1种：葡聚糖、聚乙烯醇或透明质酸。
8.权利要求7所述的微针的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
制备针尖：将水凝胶加入微针模具，真空脱气，固化，得到针尖；
制备微针：将水溶性基底材料加入所述微针模具，干燥，形成基底，脱模，得到微针。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括在所述制备针尖步骤之前的制备药液步骤，所述制备药液步骤包括：将药物活性成分配制成药液，将所述药液加入微针模具，真空脱气，干燥。
10.权利要求7所述的微针在制备透皮吸收药物制剂中的应用。
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