一种POSS-PEG杂化水凝胶、其制备方法及应用技术

本发明专利技术涉及一种POSS‑PEG杂化水凝胶的制备方法，包括以下步骤：将4‑arm‑PEG‑MAL与POSS‑SH进行Michael加成反应得到POSS‑PEG预聚物；使用基质金属蛋白酶底物肽作为交联剂与POSS‑PEG预聚物通过Micheal加成反应交联成胶，得到POSS‑PEG杂化水凝胶。本发明专利技术的POSS‑PEG杂化水凝胶机械强度好，且其机械强度可通过改变4‑arm‑PEG‑MAL分子量、POSS‑SH与4‑arm‑PEG‑MAL的摩尔比例进行精细调控，同时只需在低浓度的三乙醇胺缓冲液中制备而成，成胶时间很快，在保证基本的理化性质的前提下尽可能地降低了对其上搭载的种子细胞或药物的损害或损失。

A POSS PEG hybrid hydrogel, preparation method and application thereof

The invention relates to a preparation method of a POSS PEG hybrid hydrogels, which comprises the following steps: 4 arm PEG MAL and POSS SH Michael addition reaction of POSS PEG prepolymer; using matrix metalloproteinase substrate peptide as crosslinking agent and POSS prepolymer of PEG gel by Micheal the addition reaction of crosslinked POSS PEG hydrogels. The mechanical strength of POSS hydrogel PEG hybrid of the invention, and its mechanical strength can be changed by the 4 arm PEG MAL molecular weight, POSS SH and 4 arm PEG MAL molar ratio of fine regulation, while only prepared in triethanolamine buffer in low concentrations, a glue time soon, in the guarantee of the basic physical and chemical properties as much as possible to reduce the carrying seed cells or drug damage or loss.

【技术实现步骤摘要】
一种POSS-PEG杂化水凝胶、其制备方法及应用
本专利技术涉及涉及组织工程领域，更特别地，涉及一种POSS-PEG杂化水凝胶及其制备方法以及用其制备的组织工程支架。
技术介绍
组织工程技术在生物医学应用中拥有巨大的潜力，如修复、替换受损或患病组织的生物功能。组织工程技术成功的关键因素之一是选择一个合适的支架材料。为了实现组织重建，支架材料应当具备以下条件：(1)良好生物相容性；(2)较强的机械性能；(3)较高的孔隙率和足够的孔径；(4)生物可降解性以及合适的降解速率。聚乙二醇(PEG)水凝胶是一类非常有吸引力的组织工程支架材料，其生物相容性好、无毒、免疫原性低、对蛋白质抗吸附，可通过肾排出体外，在体内不会有积累。PEG水凝胶的结构、力学行为及降解性可通过PEG的化学和加工条件来控制；其生物功能则可通过在PEG水凝胶内部嵌入生物活性分子来获取，例如嵌入基质金属蛋白酶(MMP)底物肽(MMP(W)X)，使PEG水凝胶具有酶敏感性，利用种子细胞自身分泌的蛋白酶(尤其是MMPs)，促进细胞外基质降解，促使活性分子释放，有利于种子细胞在支架的生长、粘附。然而，PEG水凝胶的机械强度差，其机械强度远小于生物组织。多面体低聚倍半硅氧烷(POSS)是一种分子水平上的纳米杂化材料，分子尺寸在1-3nm之间，由核心的Si-O-Si键组成的无机骨架和外围的有机取代基组成有机-无机杂化结构，外围的有机取代基赋予了POSS良好的分子可设计。POSS纳米粒子能增强聚合物韧性、耐温性能、力学性能，且其无毒无味，具有良好的生物相容性，被认为是新一代生物医用材料。目前所研究的POSS杂化水凝胶都是通过光聚合或使用的六亚甲基二异氰酸酯(HDI)或二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)等作为交联剂进行缩合反应制备得到。这些制备方法的主要缺点是所用的光引发剂、HDI、MDI等具有毒性，且反应需要在有机溶剂中进行，对材料的体外生物相容性研究只能局限于2D细胞培养中。因此，需要开发出具有更好力学性能的水凝胶，并且在制备过程中不使用有机溶剂成胶，从而使细胞在保持最大活性的同时被封装到材料中。
技术实现思路
为解决以上问题，本专利技术提供了一种POSS-PEG杂化水凝胶的制备方法，包括以下步骤：S1：将马来酰亚氨基功能化的四臂聚乙二醇(4-arm-PEG-MAL)与POSS-SH进行Michael加成反应得到POSS-PEG预聚物；S2：使用酶敏感的基质金属蛋白酶底物肽(MMP(W)X)作为交联剂与所述POSS-PEG预聚物通过Micheal加成反应交联成胶，得到所述POSS-PEG杂化水凝胶。具体反应过程如图10的反应式所示。在一个优选实施方案中，MMP(W)X肽的序列为：Ac-GCRD-GPQG↓IWGQ-DGCG-NH2。在一个优选实施方案中，所述4-arm-PEG-MAL的分子量为10kDa～40kDa。在一个实施方案中，S1中所述4-arm-PEG-MAL与所述POSS-SH之间的Michael加成反应在四氢呋喃中进行。在一个优选实施方案中，S1中所述POSS-SH与所述4-arm-PEG-MAL之间的摩尔比为0.25-1。在一个优选实施方案中，S1包括以下步骤：S11：将所述4-arm-PEG-MAL与所述POSS-SH溶解于四氢呋喃中；S12：室温搅拌3.5小时使所述4-arm-PEG-MAL与所述POSS-SH发生Michael加成反应；S13：去除所述四氢呋喃，即得到所述POSS-PEG预聚物。在一个实施方案中，S2中所述MMP(W)X与所述POSS-PEG预聚物之间的交联反应在乙醇胺的水溶液中进行。在一个优选实施方案中，所述乙醇胺的浓度为3-10mM。在一个优选实施方案中，所述乙醇胺溶液的pH为7-8，优选为7.4。在一个优选实施方案中，S2中所述MMP(W)X与所述POSS-PEG预聚物之间重量比为1:3-20，更优选地，可将MMP(W)X的功能基与POSS-PEG预聚物的功能基的比例为1:1。在一个实施方案中，S2中的反应温度为37℃。在一个实施方案中，S2中的乙醇胺水溶液中还添加了药物或种子细胞。本专利技术还涉及上述方法制备的POSS-PEG杂化水凝胶。本专利技术还涉及上述POSS-PEG杂化水凝胶在制备组织工程支架中的应用。本专利技术的POSS-PEG杂化水凝胶机械强度好，且其机械强度可通过改变马来酰亚氨基功能化的四臂聚乙二醇(4-arm-PEG-MAL)分子量、POSS-SH与4-arm-PEG-MAL的摩尔比例进行精细调控，同时只需在低浓度的三乙醇胺缓冲液中制备而成，成胶时间很快，在保证基本的理化性质的前提下尽可能地降低了对其上搭载的种子细胞或药物的损害或损失。附图说明图1为POSS-PEG杂化水凝胶的扫描电镜照片；图2为POSS-PEG杂化水凝胶的储能模量(G’)的振荡应力扫描图谱；图3为POSS-PEG杂化水凝胶的储能模量(G’)的动态频率扫描图谱；图4为POSS-PEG杂化水凝胶溶胀曲线；图5为POSS-PEG杂化水凝胶的平衡溶胀比柱状图；图6为POSS-PEG杂化水凝胶降解率统计图；图7为以4-arm-PEG-MAL分子量20kDa制备的POSS-PEG杂化水凝胶4周内降解曲线；图8为POSS-PEG杂化水凝胶体外细胞培养CCK细胞活力测定图；图9为POSS-PEG杂化水凝胶体外细胞培养细胞的活死细胞染色照片；图10为本专利技术的方法的化学反应式。具体实施方式以下结合实例对本专利技术的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本专利技术，并非用于限定本专利技术的范围。1.POSS-PEG杂化水凝胶的制备POSS-PEG杂化水凝胶通过以下方法来制备：将4-arm-PEG-MAL(北京健凯科技有限公司)和POSS-SH(Sigma公司)溶解于3mL四氢呋喃中，室温搅拌3.5小时后除去溶剂得POSS-PEG预聚物；然后将POSS-PEG预聚物与基质金属蛋白酶底物肽(上海吉尔生化科技公司)溶解于3mLpH7.4的三乙醇胺中，混合均匀，得预成胶溶液；最后将上述预成胶溶液转移至5个600μl模具中，37℃生化培养箱中反应，制备得到水凝胶。POSS-PEG预聚物制备过程中的4-arm-PEG-MAL的分子量、4-arm-PEG-MAL、POSS-SH的量如表1所示；POSS-PEG杂化水凝胶制备过程中的POSS-PEG预聚物和基质金属蛋白酶底物肽的量、三乙醇胺浓度以及成胶时间如表2所示。表1实施例1-5中4-arm-PEG-MAL的分子量、4-arm-PEG-MAL、POSS-SH的量表2实施例1-5中POSS-PEG预聚物和基质金属蛋白酶底物肽的量、三乙醇胺浓度以及成胶时间在实施例1-5中，都能成胶，并且成胶时间都在20min以内。所得到的POSS-PEG杂化水凝胶在扫描电镜下进行观察，结果如图1所示，在POSS-SH与4-arm-PEG-MAL的摩尔比为0.25、0.5和1的情况下，所实验的各分子量的4-arm-PEG-MAL都能与POSS-SH反应，且其反应产物能与基质金属蛋白酶底物肽交联形成多孔状的交联结构。2.POSS-PEG杂化水凝胶的理化性质1)机械强度将水凝胶测试样(n＝3)用超纯水溶胀至平衡，滤纸擦干表面水分，采用流变仪解析水凝胶力学性能，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种POSS‑PEG杂化水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：将4‑arm‑PEG‑MAL与POSS‑SH进行Michael加成反应得到POSS‑PEG预聚物；S2：使用基质金属蛋白酶底物肽作为交联剂与所述POSS‑PEG预聚物通过Micheal加成反应交联成胶，得到所述POSS‑PEG杂化水凝胶。

【技术特征摘要】
1.一种POSS-PEG杂化水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：将4-arm-PEG-MAL与POSS-SH进行Michael加成反应得到POSS-PEG预聚物；S2：使用基质金属蛋白酶底物肽作为交联剂与所述POSS-PEG预聚物通过Micheal加成反应交联成胶，得到所述POSS-PEG杂化水凝胶。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S1中所述4-arm-PEG-MAL与所述POSS-SH的Michael加成反应在四氢呋喃中进行。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S1中所述POSS-SH与所述4-arm-PEG-MAL之间的摩尔比为0.25-1。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S1包括以下步骤：S11：将所述4-arm-PEG-MAL与所述POSS-SH溶解于四氢呋...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢翠芬，沈金瑞，李鹤玲，余晶晶，董念国，刘宗涛，胡行健，
申请(专利权)人：湖北大学，华中科技大学同济医学院附属协和医院，
类型：发明
国别省市：湖北,42