基于一步物理化学法成胶的可注射水凝胶及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种基于一步物理化学法成胶的可注射水凝胶，由以下质量百分比的原料组成：活性酯聚乙二醇马来酰亚胺5‑35％和聚酰胺基胺5％，余量为水。该水凝胶同时结合物理和化学交联，实现了一步凝胶化，且原料易得，制备方法简单，可行性强。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于医用生物材料
，涉及一种可注射水凝胶，具体涉及一种基于一步物理化学法成胶的可注射水凝胶及其制备方法。
技术介绍
可注射水凝胶是指注射前为流动液体，通过注射器注入皮下或肌肉组织后，可在注射部位原位凝胶化的水凝胶。较之于传统的水凝胶，可注射水凝胶应用于生物医药领域具有诸多优异性能。如应用于药物、基因或细胞包封时，可通过简单的物理混合负载各种药物分子、基因或细胞，并实现病变部位的局部给药和长效释药，同时还可最大限度地保持药物、基因、细胞的生物活性；应用于组织工程时，注入的液体可充满整个具有不规则形状的缺损部位，避免了预塑型支架材料难以与修复部位吻合的缺陷。此外，可注射水凝胶无需外科手术植入，避免了植入型支架材料带来的手术创伤及并发炎症。根据凝胶化原理的不同，可注射水凝胶分为物理水凝胶和化学水凝胶两类。目前普遍采用三种方法制备可注射水凝胶：(i)聚合物响应于各种刺激如pH变化、温度变化、光等的多层次自组装；(ii)乙烯基单体包括乙烯基功能化的PEG、PVA与多糖的原位自由基交联；(iii)大分子前体的缩聚如迈克尔型加成反应、Diels-Alder反应、席夫碱反应和施陶丁格连接反应。其中，聚合物的自组装属于物理交联，具有相对温和细胞毒性小等优点，其凝胶化过程通常是可逆的，所得水凝胶具有良好的自愈合性能。尽管如此，物理水凝胶通常不如化学水凝胶坚固，且物理水凝胶的结构稳定性也远不如化学水凝胶。然而，化学交联方法由于其相对快速的凝胶化过程和交联剂的使用往往具有较强的细胞毒性。为解决上述问题，基于次序多步交联法制备的双网络水凝胶已被广泛报道，这种方法是通过先物理交联后化学交联或先化学交联后物理交联。其制备的水凝胶具有极高的机械强度(约几十兆帕)、低摩擦系数、与天然软骨相当的耐磨性，以及优异的可调节的多响应性能、热稳定性和适宜细胞培养的特性。这些特点虽然克服了传统纯物理水凝胶或化学水凝胶相对较差的机械性能和功能单一性等问题，但次序多步交联仍面临诸多实际问题，如具有步骤繁琐、复杂和耗时的凝胶过程，并且难以精确控制每种组分的摩尔比，导致最终形成的水凝胶可塑性差、3D网络各向异性以及凝胶机械强度重复性有限。因此，迫切需要建立一种更简单和通用的方法来实现纯物理交联和化学交联的功能互补，并简化次序多步交联繁琐的凝胶化过程。
技术实现思路
基于以上技术问题，本专利技术提供了一种基于一步物理化学法成胶的可注射水凝胶。该水凝胶同时结合物理和化学交联，实现了一步凝胶化，且原料易得，制备方法简单，可行性强。为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案：基于一步物理化学法成胶的可注射水凝胶，由以下质量百分比的原料组成：活性酯聚乙二醇马来酰亚胺(NHS-PEG-MAL)5-35％和聚酰胺基胺(PAMAM)5％，余量为水。本专利技术所述活性酯聚乙二醇马来酰亚胺与聚酰胺基胺的质量比例为1～7:1，在该质量比范围内的凝胶化速率非常适用于原位注射，所得凝胶孔隙均匀，机械性能好，可塑性强，细胞毒性小。NHS-PEG-MAL和PAMAM可同时提供物理和化学交联位点，并基于MAL和NH2的氢键作用，NHS和NH2的酯交换作用，以及MAL自身的π-π叠加作用，实现一步凝胶化。本专利技术所述的聚酰胺基胺为三代树状大分子。PAMAM代数低于三代无法成胶，因为低代数的PAMAM刚性较差，树枝状结构堆叠松散，不利于成胶。本专利技术所述活性酯聚乙二醇马来酰亚胺的分子量为5000Da。NHS-PEG-MAL分子量低于5000Da无法成胶，因为低分子量的PEG柔韧性较差，链段较短，无法将PAMAM分子交联在一起。本专利技术可注射水凝胶的pH为6～8。在酸性条件(即pH<6)下，NH2易质子化并形成相应的铵离子(NH3+)，导致MAL和NH2之间的氢键减少甚至消失，难以成胶；在碱性条件(即pH>8)下，MAL基团的缓慢水解也可能阻碍氢键以及水凝胶的形成。本专利技术还提供了该可注射水凝胶的制备方法：在室温下将活性酯聚乙二醇马来酰亚胺和聚酰胺基胺分别溶解在pH为7.2-7.5的磷酸盐缓冲液中，再按比例混合，得水凝胶。本专利技术的有益效果在于：1、本专利技术的可注射水凝胶可以同时提供物理和化学交联位点，并基于MAL和NH2的氢键作用，基于NHS和NH2的酯交换作用，以及MAL自身的π-π叠加作用，实现一步凝胶化。2、传统的化学交联存在相对快速和高毒性的凝胶化过程，而物理交联存在机械强度差等问题，针对这些缺点，本专利技术首次提出了物理和化学交联同时进行的一步交联法。该方法具有诸多优点：1)与传统化学交联相比，由于引入了物理交联位点，其凝胶过程相对温和安全；2)与传统物理凝胶相比，由于引入化学交联位点，所得水凝胶具有较好的机械性能，且可以通过简单地调节两种凝胶单元的浓度和官能团的摩尔比，实现对凝胶速率和机械性能的高度可控；3)与次序多步交联相比，具有非常简单且易于控制的胶凝化步骤，所得凝胶的3D网络具有高度的均质性，且凝胶形状具有优异的可塑性。3、本专利技术选用PAMAM和NHS-PEG-MAL为水凝胶原料，两种原料能同时发生物理(氢键)和化学(酯交换)交联作用，且制备简单，并已实现商业化。因此，其选用及对此类凝胶方法的建立、推广和促进其在组织工程和再生医学中的应用具有非常重要的价值。附图说明图1为本专利技术浓度为10％、25％和40％w/v水凝胶的FT-IR光谱。图2为0.1％w/v的PAMAM、MAL-PEG-MAL和MAL-PEG-MAL/PAMAM水溶液的UV-vis光谱。图3为MAL-PEG-MAL/PAMAM水凝胶(25％w/v)的pH敏感性示意图图4为0.1％w/v的4arm-PEG-MAL的UV-vis光谱。图5为MAL-PEG-MAL分子量和PAMAM代数依赖性的凝胶化行为示意图。图6为本专利技术中一步成胶法制得的可注射水凝胶的TEM图片，比例尺＝500nm。图7为10％(A1)、25％(A2)和40％w/v(A3)的NHS-PEG-MAL/PAMAM水凝胶的SEM照片(插图显示相应浓度下更高分辨率的SEM照片)，比例尺＝10μm；(B)新鲜制备的NHS-PEG-MAL/PAMAM水凝胶(25％w/v)的CLSM照片，其中PAMAM由Cy5.5荧光标记，比例尺＝50μm。图8为10％(A1)、25％(A2)和40％w/v(A3)的NHS-PEG-MAL/PAMAM水凝胶的流变性能；(B)不同形状的NHS-PEG-MAL/PAMAM水凝胶，比例尺＝1cm。图9为HeLa细胞(A1)和NIH3T3成纤维细胞(A2)在25％w/vNHS-PEG-MAL/PAMAM水凝胶中包封12小时、24小时和48小时的CCK-8检测。(**：p<0.01，*：p<0.05，分别与12小时的对应浓度相比)。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术的实质性内容作进一步详细的描述。实施例1基于一步物理化学法成胶的可注射水凝胶，由以下质量百分比的原料组成：活性酯聚乙二醇马来酰亚胺5％和聚酰胺基胺5％，余量为水。实施例2基于一步物理化学法成胶的可注射水凝胶，由以下质量百分比的原料组成：活性酯聚乙二醇马来酰亚胺35％和聚酰胺基胺5％，余量为水。所述活性酯聚乙二醇马来本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于一步物理化学法成胶的可注射水凝胶，其特征在于，由以下质量百分比的原料组成：活性酯聚乙二醇马来酰亚胺5‑35％和聚酰胺基胺5％，余量为水。

【技术特征摘要】
1.一种基于一步物理化学法成胶的可注射水凝胶，其特征在于，由以下质量百分比的原料组成：活性酯聚乙二醇马来酰亚胺5-35％和聚酰胺基胺5％，余量为水。2.根据权利要求1所述的基于一步物理化学法成胶的可注射水凝胶，其特征在于，所述活性酯聚乙二醇马来酰亚胺与聚酰胺基胺的质量比例为1～7:1。3.根据权利要求1所述的基于一步物理化学法成胶的可注射水凝胶，其特征在于，所述活性酯聚乙二醇马来酰亚胺的分子量为5000Da。4.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡晓军，朱浩方，顾忠伟，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32