CN115109275A - 一种动态交联可降解水凝胶、制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种动态交联可降解水凝胶、制备方法及应用，包括以下步骤：步骤1：将聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯、丙烯酸溶于溶剂中，加入光引发剂，光引发聚合后，得到P（PEG‑co‑AA）；步骤2：将步骤1得到的P（PEG‑co‑AA）、琥珀酰亚胺置于溶剂中，加入催化剂、促进剂搅拌充分反应；得到P（PEG‑co‑AA）‑g‑NHS前驱体聚合物；步骤3：将P（PEG‑co‑AA）‑g‑NHS前驱体聚合物溶于溶剂中，加入胱胺二盐酸盐，充分反应即可得到动态交联可降解水凝胶；本发明水凝胶结构确定，通过引入高活性的交联位点与具有可逆共价键的交联剂，材料展示出了快速的固化特性、出色的稳定性以及独特的可降解性。

Description

一种动态交联可降解水凝胶、制备方法及应用
技术领域
本发明涉及水凝胶技术领域，具体涉及一种动态交联可降解水凝胶、制备方法及应用。
背景技术
水凝胶是一种具有三维交联网络结构的特殊胶状物质，其展现出了优异的生物相容性、出色的力学性能。基于出色的生物特性，近年来，水凝胶材料已经被大量应用于细胞的体外培养领域。目前常见的细胞培养凝胶Matrigel，这是一种从小鼠肉瘤中提出的生物凝胶材料。但是这种材料其组成复杂、不明确并且可变，其在细胞体外培养方面的适用性受到限制。因其来源于小鼠肿瘤而不适合临床使用，且批间差异性较大，制备成本相对较高。因此，亟需制备可人工合成的，化学定义明确的，生物相容性好的Matrigel替代品，降低成本的同时达到稳定用于细胞体外培养及临床的目的。
现有如授权公布号为CN109897179B公开了一种多臂聚乙二醇-聚（L-谷氨酸酯）嵌段共聚物及其制备方法和应用。共聚物包括第一嵌段和/或第二嵌段和第三嵌段。使得提供的多臂嵌段共聚物可以随温度变化发生可逆的溶胶-凝胶-沉淀（脱水）转变。通过选择特定的第一嵌段和/或第二嵌段、第三嵌段以及第三嵌段的长度可以实现聚合物相转变温度的调节和高的透明度，使得本发明提供的多臂嵌段共聚物可以很好的应用于生物医学方面，尤其是作为细胞体外培养使用。但是该类凝胶的合成原料成本较高，不适合大规模的生产应用。
现有如授权公布号为CN105440229B公开了一种pH/温度双重敏感的两亲性共聚物及其制备与应用。该共聚物的结构式为PDEAEMA-b-PCL-b-PEG-b-PCL-b-PDEAEMA，通过开环聚合与电子转移活化再生原子转移自由基聚合方法制备得到。该共聚物能在水溶液中转变为原位凝胶。但是该类pH/温度响应的凝胶在凝胶/降解过程中，往往需要改变其pH值或温度，这对于细胞的生存是巨大的考验。
现有如授权公布号为CN104730061B公开了一种环糊精改性的纳米银水凝胶、其制备方法及应用。含有质量百分比为0.1 %至0.4 %环糊精原位还原改性的纳米银颗粒，提供的环糊精改性的纳米银水凝胶，均匀性好，可重复性强，机械性能好检测灵敏，同时制备简单，反应温和。但是，该发明制备的水凝胶含有一定比例的环糊精，环糊精具有一定的细胞毒性、生物相容性较差，不利于细胞培养。
目前的生物培养凝胶主要面临以下问题：1）如何制备化学定义明确，可大规模生产，批间差异较小，且具有高性价比的产品；2）如何实现凝胶材料在不改变pH值，温度的条件下实现降解。3）细胞对培养基质的硬度和结构较为敏感，如何提高凝胶材料的生物相容性，降低细胞毒性作用。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题提供一种可快速固化、稳定性强、可降解的动态交联可降解水凝胶、制备方法及应用。
本发明采用的技术方案是：
一种动态交联可降解水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯、丙烯酸溶于溶剂中，加入光引发剂，光引发聚合后，得到P（PEG-co-AA）；其中聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯和丙烯酸的质量比为：9：1；
步骤2：将步骤1得到的P（PEG-co-AA）、琥珀酰亚胺置于溶剂中，加入催化剂、促进剂搅拌充分反应；得到P（PEG-co-AA）-g-NHS前驱体聚合物；P（PEG-co-AA）和琥珀酰亚胺的质量比为：10：1.375；
步骤3：将P（PEG-co-AA）-g-NHS前驱体聚合物溶于溶剂中，加入胱胺二盐酸盐，充分反应即可得到动态交联可降解水凝胶；P（PEG-co-AA）-g-NHS前驱体聚合物和胱胺二盐酸盐的质量比为：11.375:3.125。
进一步的，所述步骤1中光引发剂为2,2-二乙氧基苯乙酮，光照选择紫外光，紫外光波长为365 nm，最大光强为80 mW/cm-2，反应时间为1 h。
进一步的，所述聚合反应完成后还包括洗涤和纯化过程。
进一步的，所述步骤2中催化剂为1-乙基-（3-二甲基氨基丙基）碳酰二亚胺，促进剂为4-二甲氨基吡啶。
进一步的，所述反应完成后还包括浓缩、洗涤、萃取、真空干燥过程。
进一步的，所述步骤2中反应温度为25 ℃，反应时间为12 h。
进一步的，所述步骤1和步骤2中溶剂为四氢呋喃。
进一步的，所述步骤3反应过程中通过氢氧化钠调节反应过程中的pH值为7。
一种动态交联可降解水凝胶。
一种动态交联可降解水凝胶的应用所述水凝胶用于细胞培养。
本发明的有益效果是：
（1）本发明通过引入具有高反应活性的NHS基团，制备得到P(PEG-co-AA)-g-NHS前驱体聚合物，在胱胺二盐酸盐加入后，在中性条件下会发生快速的酰胺化反应，使得材料具有快速的可固化特性，使用的材料生物相容性好，对细胞无毒性作用；
（2）本发明中水凝胶的交联结构是一种基于具有动态特性的二硫键交联体系，在还原剂（硫苏糖醇，DTT）的存在下，二硫键会发生裂解，使得交联网络结构破坏，从而使得材料具有可降解性；
（3）本发明得到的水凝胶化学结构可控，克服了目前传统的细胞培养凝胶（Matrigel）的实验不确定性及变异性，并且廉价的原料选择和简便的制备过程，使得材料具有出色的稳定性、出色的性价比以及优秀的工业应用价值。
附图说明
图1为本发明水凝胶的凝胶剂可降解机理示意图，a为凝胶过程，b为降解过程。
图2为本发明中P(PEG-co-AA)以及P(PEG-co-AA)-g-NHS的合成路线。
图3为本发明对比例1、实施例1、实施例2和实施例3凝胶过程的流变学测试结果示意图，a为对比例1结果，b为实施例1结果，c为实施例2结果，d为实施例3结果。
图4为本发明实施例3得到的凝胶的流变学测试结果示意图。
图5为采用本发明实施例2得到的水凝胶和Matrigel水凝胶进行细胞培养7天后乳腺癌类器官生成数量统计图。
图6为采用本发明实施例2得到的水凝胶和环糊精改性的纳米银水凝胶进行细胞培养7天后乳腺癌类器官生成数量统计图。
图7为采用本发明实施例2得到的水凝胶和环糊精改性的纳米银水凝胶进行细胞培养7天后乳腺癌类器官生成数量图，a为实施例2结果，b为对比例3结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
一种动态交联可降解水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯、丙烯酸溶于溶剂中，加入光引发剂，光引发聚合后，得到P（PEG-co-AA）；其中聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯和丙烯酸的质量比为：9:1；
光引发剂为2,2-二乙氧基苯乙酮。溶剂为四氢呋喃，加入光引发剂后，在光照下进行光引发自由基聚合，然后洗涤、纯化，得到P（PEG-co-AA）。聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯、丙烯酸、光引发剂和四氢呋喃的质量比优选为：80:20：1:200。光照选择紫外光，紫外光波长为365 nm，最大光强为80 mW/cm-2，反应时间为1 h。
步骤2：将步骤1得到的P（PEG-co-AA）、琥珀酰亚胺置于溶剂中，加入催化剂、促进剂搅拌充分反应；得到P（PEG-co-AA）-g-NHS前驱体聚合物；P（PEG-co-AA）和琥珀酰亚胺的质量比为：10:1.375。
溶剂选择四氢呋喃，催化剂为1-乙基-（3-二甲基氨基丙基）碳酰二亚胺，促进剂为4-二甲氨基吡啶。反应温度为25 ℃，反应时间为12 h。反应完成后将其浓缩、洗涤、萃取、真空干燥，得到具有高反应活性的P（PEG-co-AA）-g-NHS前驱体聚合物。其中洗涤剂为水，萃取剂为三氯甲烷，真空干燥温度为35 ℃。P（PEG-co-AA）、琥珀酰亚胺、催化剂、促进剂、四氢呋喃的质量比优选为：1:0.8:1:0.4:10。
步骤3：将P（PEG-co-AA）-g-NHS前驱体聚合物溶于溶剂中，加入胱胺二盐酸盐，充分反应即可得到动态交联可降解水凝胶；P（PEG-co-AA）-g-NHS前驱体聚合物和胱胺二盐酸盐的质量比为：11.375:3.125；
溶剂为水，其中P（PEG-co-AA）-g-NHS前驱体聚合物、胱胺二盐酸盐和水的质量比优选为：1:0.5:3.5。反应过程中通过氢氧化钠调节溶液的pH为7。
本发明用到的材料如下：
胱胺二盐酸盐（≥99.5%），氢氧化钠（≥98%），2,2-二乙氧基苯乙酮（≥99.5%）, 1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐）（EDC，98%），4-二甲氨基吡啶（DMAP，99%），琥珀酰亚胺(NHS, 98%)，三氯甲烷（AR）均购于上海麦克林生化科技有限公司；丙烯酸（99%，含有200ppmMEHQ稳定剂），四氢呋喃（AR）均购于上海阿拉丁生化科技股份有限公司；聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯（n=9，99%，含有90ppmMEHQ稳定剂），二硫苏糖醇（DTT，≥99.5%）购于梯希爱（上海）化成工业发展有限公司。
实施例1
一种动态交联可降解水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将8 g聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯、2 g丙烯酸溶于20 g四氢呋喃中，加入0.1g光引发剂，在光照下进行光引发自由基聚合，洗涤、纯化，得到P（PEG-co-AA）。
步骤2：将步骤1得到的1 g P（PEG-co-AA）、0.8 g琥珀酰亚胺、1 g 1-乙基-（3-二甲基氨基丙基）碳酰二亚胺，0.4 g 4-二甲氨基吡啶溶解于10 g四氢呋喃中，持续搅拌反应，反应结束后将其浓缩、洗涤、萃取、真空干燥，得到具有高反应活性的P（PEG-co-AA）-g-NHS前驱体聚合物。
步骤3：将1 g P（PEG-co-AA）-g-NHS前驱体聚合物溶解于3.5 g水中，加入0.5 g胱胺二盐酸盐，加入氢氧化钠将溶液pH值调节为7，充分反应即可得到动态交联可降解水凝胶。
实施例2
一种动态交联可降解水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将8 g聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯、2 g丙烯酸溶于20 g四氢呋喃中，加入0.1g光引发剂，在光照下进行光引发自由基聚合，洗涤、纯化，得到P（PEG-co-AA）。
步骤2：将步骤1得到的1 g P（PEG-co-AA）、0.8 g琥珀酰亚胺、1 g 1-乙基-（3-二甲基氨基丙基）碳酰二亚胺，0.4 g 4-二甲氨基吡啶溶解于10 g四氢呋喃中，持续搅拌反应，反应结束后将其浓缩、洗涤、萃取、真空干燥，得到具有高反应活性的P（PEG-co-AA）-g-NHS前驱体聚合物。
步骤3：将1 g P（PEG-co-AA）-g-NHS前驱体聚合物溶解于3.5 g水中，加入0.1 g胱胺二盐酸盐，加入氢氧化钠将溶液pH值调节为7，充分反应即可得到动态交联可降解水凝胶。
实施例3
一种动态交联可降解水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将8 g聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯、2 g丙烯酸溶于20 g四氢呋喃中，加入0.1g光引发剂，在光照下进行光引发自由基聚合，洗涤、纯化，得到P（PEG-co-AA）。
步骤2：将步骤1得到的1 g P（PEG-co-AA）、0.8 g琥珀酰亚胺、1 g 1-乙基-（3-二甲基氨基丙基）碳酰二亚胺，0.4 g 4-二甲氨基吡啶溶解于10 g四氢呋喃中，持续搅拌反应，反应结束后将其浓缩、洗涤、萃取、真空干燥，得到具有高反应活性的P（PEG-co-AA）-g-NHS前驱体聚合物。
步骤3：将1 g P（PEG-co-AA）-g-NHS前驱体聚合物溶解于3.5 g水中，加入0.3 g胱胺二盐酸盐，加入氢氧化钠将溶液pH值调节为7，充分反应即可得到动态交联可降解水凝胶。
对比例1
制备方法如实施例1，不同之处在于步骤3中胱胺二盐酸盐质量为0 g。
本发明得到的动态交联可降解水凝胶可以用于细胞培养，细胞培养的过程如下：
包括如下步骤：
步骤1：将拿到的组织（如乳腺癌手术样本）使用DPBS或0.9 %NaCl溶液清洗，去除组织上可见明显的脂肪组织或白色树状结构，以避免一些纤维组织或导管类器官的生长。
步骤2：吸出多余的液体，将组织（0.5-1 cm3) 中加入0.1 mL 新鲜配制的酶解液，期间使用剪刀切碎至2-5 mm，并进一步使用枪头吹匀，转移至15mL离心管中加入1-2 mL酶解液I进行初次消化，37 ℃，1 h后，300g，低速离心3min，弃掉上清，加入酶解液II,37℃消化15min，利用终止液终止消化，300g，低速离心3min。
步骤3：用冰预冷的adDMEM/F12培养基洗涤过滤多，300g，低速离心3min。同时建议去除红细胞。
步骤4：使用预冷的实施例2得到的动态交联可降解水凝胶与预冷的培养基混合物重悬细胞沉淀，并分装至各个孔中，在24孔板的每孔中央加入50 μL水凝胶、培养基与肿瘤细胞混合物，以形成圆顶状包埋结构。
步骤5：将培养板放入细胞培养箱内，孵育5分钟，让混合物胶滴黏着度升高，后将培养板倒置25 min,让混合物胶滴充分聚合，形成圆顶结构
步骤6：加入适当体积的类器官培养基，每孔大约需要500 μL。
步骤7：将含有类器官培养物的培养板放回细胞培养箱内培养，观察类器官生长状况。
对比例2
对比例2为细胞培养过程，与上述培养过程均相同，不同之处在于，步骤4中的动态交联可降解水凝胶替换为Matrigel，统计乳腺癌类器官生成数量及活率状况并比较不同批次水凝胶的效果。
结果如图5所示，与Matrigel相比，本发明制备的动态交联可降解水凝胶批次更加稳定，不同批次培养的乳腺癌类器官数量基本保持一致，而Matrigel由于成分不明确，批间差异较大，且效果上也不如本发明制备的水凝胶。
对比例3
对比例3为细胞培养过程，与上述培养过程均相同，不同之处在于，步骤4中的动态交联可降解水凝胶替换为环糊精改性的纳米银水凝胶，统计乳腺癌类器官生成数量及活率状况并比较不同批次水凝胶的效果。
结果如图6和图7所示，与环糊精改性的纳米银水凝胶相比，实施例2本发明制备的动态交联可降解水凝胶培养的乳腺癌类器官数量生成数量远远高于环糊精改性的纳米银水凝胶培养的乳腺癌类器官，类器官生长状态优于对比例3。说明本发明制备的水凝胶生物相容性好，对细胞无毒性作用。
图1为本发明快速凝胶化及降解机理。当P(PEG-co-AA)-g-NHS溶解在水中后，直链型的分子会在水中舒展开，形成溶胶。随着胱胺二盐酸盐的引入，在中性条件下，胱胺两端的巯基会与具有高反应活性的NHS基团发生反应，形成含有二硫键的交联网络结构。从而使得溶胶转化为凝胶。在DTT加入后，二硫键会被还原为巯基，从而打破凝胶的交联网络结构，使得凝胶再次转变为溶胶。
图2为P(PEG-co-AA)以及P(PEG-co-AA)-g-NHS的合成路线。丙烯酸与聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯在光引发剂的存在下，在光照下会发生自由基聚合，从而形成直链高分子P(PEG-co-AA)。基于P(PEG-co-AA)中具有活性的羧基，NHS会与其在催化剂与促进剂的存在下，发生酯化反应，制备得到P(PEG-co-AA)-g-NHS。
图3为对比例1、实施例1、实施例2和实施例3凝胶过程的流变学测试结果。对比例1在加入交联剂后，不会形成交联网络结构，因此材料的储能模量和损耗模量均较低，并且储能模量始终低于损耗模量，呈现为溶胶态。实施例1的储能模量和损耗模量均上升，但是损耗模量依旧始终高于储能模量，这是由于体系内部的交联密度较低，无法使材料固化。实施例2与实施例3的储能模量和损耗模量也出现上升，并且在最后储能模量会高于损耗模量，呈现出凝胶态。此外，实施例3的凝胶时间为60秒，远低于实施例2的105秒，这是由于实施例3的交联密度更高而导致的。
图4实施例3的凝胶降解过程的流变学测试结果。随着DTT的加入，实施例3的储能模量和损耗模量均开始下降，并且最终损耗模量超过了储能模量，证明材料发生降解，呈现为溶胶态。
本发明通过引入具有高反应活性的NHS基团，制备了P(PEG-co-AA)-g-NHS前驱体聚合物，在胱胺二盐酸盐加入后，在中性条件下会发生快速的酰胺化反应，使得材料具有快速的可固化特性，使用的材料生物相容性好，对细胞无毒性作用。本发明交联结构是一种具有动态特性的二硫键交联体系，在还原剂（二硫苏糖醇，DTT）的存在下，二硫键会发生裂解，使得交联网络结构破坏，使得材料具有可降解性。并且得到的水凝胶的化学结构是严格可控的，克服了目前传统的细胞培养凝胶（Matrigel）的实验不确定性及变异性，并且廉价的原料选择和简便的制备过程，使得材料具有出色的稳定性、出色的性价比以及优秀的工业应用价值。

Claims (10)

1.一种动态交联可降解水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯、丙烯酸溶于溶剂中，加入光引发剂，光引发聚合后，得到P（PEG-co-AA）；其中聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯和丙烯酸的质量比为9：1；
步骤2：将步骤1得到的P（PEG-co-AA）、琥珀酰亚胺置于溶剂中，加入催化剂、促进剂搅拌充分反应；得到P（PEG-co-AA）-g-NHS前驱体聚合物；P（PEG-co-AA）和琥珀酰亚胺的质量比为：10：1.375；
步骤3：将P（PEG-co-AA）-g-NHS前驱体聚合物溶于溶剂中，加入胱胺二盐酸盐，充分反应即可得到动态交联可降解水凝胶；P（PEG-co-AA）-g-NHS前驱体聚合物和胱胺二盐酸盐的质量比为：11.375：3.125。
2. 根据权利要求1所述的一种动态交联可降解水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤1中光引发剂为2,2-二乙氧基苯乙酮；光照选择紫外光，紫外光波长为365 nm，最大光强为80 mW/cm-2，反应时间为1 h。
3.根据权利要求1所述的一种动态交联可降解水凝胶的制备方法，其特征在于，所述聚合反应完成后还包括洗涤和纯化过程。
4.根据权利要求1所述的一种动态交联可降解水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤2中催化剂为1-乙基-（3-二甲基氨基丙基）碳酰二亚胺，促进剂为4-二甲氨基吡啶。
5.根据权利要求1所述的一种动态交联可降解水凝胶的制备方法，其特征在于，所述反应完成后还包括浓缩、洗涤、萃取、真空干燥过程。
6.根据权利要求1所述的一种动态交联可降解水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤2中反应温度为25 ℃，反应时间为12 h。
7.根据权利要求1所述的一种动态交联可降解水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤1和步骤2中溶剂为四氢呋喃。
8.根据权利要求1所述的一种动态交联可降解水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤3反应过程中通过氢氧化钠调节反应过程中的pH值为7。
9.如权利要求1～8所述任一种制备方法得到的动态交联可降解水凝胶。
10.如权利要求1～8所述任一种制备方法得到的动态交联可降解水凝胶的应用，其特征在于，所述水凝胶用于细胞培养。
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