一种基于酶交联的聚乙二醇类化学水凝胶及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于酶交联的聚乙二醇类化学交联水凝胶，包括：侧链修饰有酚羟基的聚乙二醇类线性聚合物大单体溶液，以辣根过氧化物酶溶液为催化剂，在酶催化反应底物过氧化氢溶液存在的条件下原位发生酶交联反应形成三维网络结构。本发明专利技术所制备的聚乙二醇类化学交联水凝胶具有良好的生物相容性、可降解性及凝胶的柔顺性，并且能够方便调控水凝胶的凝胶化时间和力学强度等理化性质，在组织工程、药物控释、再生医学等领域有广阔的应用前景。

Polyethylene glycol based chemical hydrogel based on enzyme cross-linking and its preparation method

The invention discloses a polyethylene glycol chemical crosslinking hydrogel based on enzyme crosslinking, which comprises: a polyethylene glycol linear polymer macromonomer solution with phenolic hydroxyl groups modified by side chains, an enzyme crosslinking reaction in situ occurs in the presence of an enzyme catalyzed reaction substrate hydrogen peroxide solution with horseradish peroxidase solution as catalyst. Form a three-dimensional network structure. The polyethylene glycol chemical crosslinked hydrogel prepared by the invention has good biocompatibility, degradability and flexibility of the gel, and can conveniently regulate the physicochemical properties such as gelation time and mechanical strength of the hydrogel, and has broad application prospects in tissue engineering, drug controlled release, regenerative medicine and other fields.

【技术实现步骤摘要】
一种基于酶交联的聚乙二醇类化学水凝胶及其制备方法
本专利技术属生物医用材料领域，具体涉及一种基于酶交联的聚乙二醇类化学水凝胶及其制备方法。
技术介绍
水凝胶因高含水量和良好的生物相容性而成为一类重要的生物医用材料，在诸多领域都极具应用前景。目前，可注射性化学交联水凝胶因其操作便利性、微创性、良好的病灶腔隙匹配性以及凝胶性能的可控性受到广泛关注。可注射性化学交联水凝胶可由两组分或多组分前驱体溶液混合制备得到，前驱体溶液在混合前因良好的流动性可负载生长因子、细胞和药物等，两组分或多组分前驱体溶液一旦混合注射到体内即在原位形成化学交联水凝胶，这一优势使得可注射性化学交联水凝胶可用于组织工程、细胞培养以及药物输送等多个生物医学领域。聚乙二醇类化学交联水凝胶是可注射性化学交联水凝胶的重要组成部分，其良好的生物相容性使得聚乙二醇类水凝胶在生物医用研究领域占有独特优势。然而，由于线性聚乙二醇链仅含有位于端基的两个功能基团，因此很难直接对聚乙二醇链进行多功能基团修饰，由此限制了线性聚乙二醇类水凝胶的合成与发展。2015年发表在JournalofMaterialsChemistryB上的一篇文章(Cao,L.Pet.al.JournalofMaterialsChemistryB2015,3,(7),1268-1280.)是通过在线性聚乙二醇链的侧链上引入多个醛基功能基团，成功实现线性聚乙二醇链的多功能基团修饰，为合成聚乙二醇类水凝胶奠定了良好基础。但该聚乙二醇的合成过程中涉及到阴离子聚合及后处理反应，整个反应过程复杂，需要严格控制无水无氧条件，并有诸多影响因素，因此设计出一条反应温和的合成功能化聚乙二醇的路线显得尤为重要。同时，将酶交联反应体系引入聚乙二醇类水凝胶的合成中，更有利于方便调控水凝胶的凝胶化时间和力学强度等理化性质。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种基于酶交联的聚乙二醇类水凝胶及其制备方法。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于酶交联的聚乙二醇类化学水凝胶体系的pH值为6.0-8.0，以酚羟基功能化修饰的聚乙二醇类线性聚合物为大单体，以辣根过氧化物酶溶液为催化剂，在酶催化反应底物过氧化氢溶液存在的条件下原位发生酶交联反应形成三维网络结构。凝胶体系中具体包括如下体积分数的组份：浓度为4-30wt％的酚羟基功能化修饰的聚乙二醇类线性聚合物溶液20％-90％、浓度为0.01-1mg/mL的辣根过氧化物酶溶液5％-40％、浓度为0.02-0.08wt％的过氧化氢溶液5％-40％；以上三种组分的溶媒均为纯水、注射用水、生理盐水、缓冲溶液、动植物或人体的体液、组织培养液、细胞培养液的任一种；本专利技术聚乙二醇类水凝胶中酚羟基功能化修饰的聚乙二醇类线性聚合物平均分子量为5000-100000，优选20000-80000，侧链酚羟基功能基团的修饰率为5-90％，优选5-50％，结构式为：其中，R为OH或NH2，R'为H、CH3或R，n，m为正整数且2≤n≤42，i＝0，1，2；所述结构式或为：其中，R为或OH，当l＝1时，j＝2；当l＝2时，j＝1；n，m为正整数且2≤n≤42，i＝0，1，2；所述结构式或为：其中，R为或NH2，n，m为正整数且2≤n≤42，i＝0，1，2。酚羟基功能化修饰的聚乙二醇类线性聚合物的主链为线性聚乙二醇二丙烯酸酯大单体与二硫苏糖醇、1，4-二巯基-2-丁醇、3，4-二巯基-1-丁醇、2，4-二巯基-1-丁醇、1，4-二巯基-3-甲基-2-丁醇、2，3-二氨基-1，4-二硫醇、2-氨基-1，4-二硫醇或3-氨基-1，5-二硫醇中的任一种形成的交替共聚物，线性聚乙二醇二丙烯酸酯大单体平均分子量范围为200-2000。聚乙二醇类线性聚合物侧链接有酚羟基功能基团，剩余侧链基团可以是亲水的氨基、羧基、咪唑基、醛基、氰基、硝基、氨基酸、糖基、核酸中的任何一种；也可以是疏水的烷基、固醇、烷氧基、芳香基、芳杂环基、酰胺酯基、卤素原子、三氯甲基、酯基、巯基中的任一种。本专利技术的有益效果在于：本专利技术所制备的聚乙二醇类化学交联水凝胶具有良好的生物相容性、可降解性及凝胶的柔顺性，凝胶化时间可调控在5-450s，成胶速度快，弹性模量可调控在100-10000Pa。采用迈克尔加成反应、酯化(或酰胺化)反应结合酶交联反应形成可注射性水凝胶，能够有效提高线性聚乙二醇侧链功能基团的修饰率，解决线性聚乙二醇只能进行端基功能基团修饰的难题，拓宽线性聚乙二醇的应用前景，设计合成更多新型线性聚乙二醇类水凝胶，在组织工程、药物控释、再生医学等领域有广阔的应用前景。该聚乙二醇类化学交联水凝胶可以用于制备凝胶缓释注射剂，呈溶液状态的前驱体溶液可以包载蛋白质药物，制成凝胶缓释注射剂，经皮下、腔内、腹腔、胸腔、椎管内、瘤内、瘤周、动脉、淋巴结或骨髓内注射给药，凝胶制剂在体内原位成胶之后，包裹的蛋白质药物不仅可以缓慢释放还可维持较高的药物浓度，并能增加药物的敏感性，释药周期可以调控从数小时到数周，对牛血清白蛋白、溶菌酶和胰岛素中的任一种蛋白质具有缓释作用，缓释周期可达100-1000h。聚乙二醇类化学交联水凝胶也可以用于三维培养人间充质干细胞、大鼠间充质干细胞、软骨细胞、上皮细胞和成纤维细胞中的任一种或多种，维持不同细胞的生物学活力。聚乙二醇类化学交联水凝胶还可以作为组织工程支架材料，呈溶液状态的前驱体溶液可以包载细胞，通过注射方式将组织工程支架/细胞复合物与组织缺损部位腔隙匹配，凝胶组织工程支架在体内原位成胶之后，包裹的细胞在支架中生长、增殖和分化，存活状态良好。这种负载细胞的可注射性聚乙二醇类化学交联水凝胶有望在组织工程领域对促进组织修复起到一定的效果。本专利技术还提供了一种基于酶交联的聚乙二醇类水凝胶制备方法，具体步骤如下：a、制备线性聚合物1：取聚乙二醇二丙烯酸酯大单体溶解于二甲基亚砜溶剂中，加入小分子单体，完全溶解后加入催化剂进行迈克尔加成反应24-48h；然后，再加入封端剂继续反应4-12h；减压蒸馏除去部分溶剂，不良溶剂沉降产物，真空干燥，透析除去残留的小分子，冷冻干燥得到线性聚合物1投入下一步反应；所述的聚乙二醇二丙烯酸酯大单体的平均分子量范围为200-2000，所述的小分子单体包括二硫苏糖醇、1，4-二巯基-2-丁醇、3，4-二巯基-1-丁醇、2，4-二巯基-1-丁醇、1，4-二巯基-3甲基-2-丁醇、2，3-二氨基-1，4-二硫醇、2-氨基-1，4-二硫醇或3-氨基-1，5-二硫醇，所述的催化剂为乙醇钠、氢化钠、氨基钠、三乙胺、二异丙基氨基锂或六甲基二硅氨基锂，所述的封端剂为丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、双丙酮丙烯酰胺、N-苯基丙烯酰胺、N-叔丁基丙烯酰胺和二甲基丙烯酰胺、丙烯酸、甲基丙烯酸-2-羟基乙酯或乙烯基吡咯烷酮；b、制备功能化的线性聚合物2：将上述得到的线性聚合物1、催化剂和脱水剂溶解于无水四氢呋喃中，将用于侧链修饰的小分子按不同修饰比溶解于少量无水四氢呋喃中，通过微量注射泵将溶有小分子的四氢呋喃溶液加入反应体系，反应24-48h，过滤，旋蒸，沉降，真空干燥，透析除去残留的小分子，冷冻干燥得到功能化的线性聚合物2，投入第三步的酶交联反应中；所述的进行侧链修饰的小分子为对羟基苯甲酸、对羟基本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于酶交联的聚乙二醇类化学水凝胶，其特征在于，所述水凝胶的凝胶体系中具体包括如下体积分数的组份：酚羟基功能化修饰的聚乙二醇类线性聚合物溶液20％‑90％、辣根过氧化物酶溶液5％‑40％、过氧化氢溶液5％‑40％。

【技术特征摘要】
1.一种基于酶交联的聚乙二醇类化学水凝胶，其特征在于，所述水凝胶的凝胶体系中具体包括如下体积分数的组份：酚羟基功能化修饰的聚乙二醇类线性聚合物溶液20％-90％、辣根过氧化物酶溶液5％-40％、过氧化氢溶液5％-40％。2.根据权利要求1所述的一种基于酶交联的聚乙二醇类化学水凝胶，其特征在于，所述酚羟基功能化修饰的聚乙二醇类线性聚合物溶液的浓度为4-30wt％。3.根据权利要求1所述的一种基于酶交联的聚乙二醇类化学水凝胶，其特征在于，所述酚羟基功能化修饰的聚乙二醇类线性聚合物溶液中聚乙二醇类线性聚合物的平均分子量为5000-100000，侧链酚羟基功能基团的修饰率为5-90％，结构式为：其中，R为OH或NH2，R'为H、CH3或R，n，m为正整数且2≤n≤42，i＝0，1，2；所述结构式或为：其中，R为或OH，当l＝1时，j＝2；当l＝2时，j＝1；n，m为正整数且2≤n≤42，i＝0，1，2；所述结构式或为：其中，R为或NH2，n，m为正整数且2≤n≤42，i＝0，1，2。4.根据权利要求1所述的一种基于酶交联的聚乙二醇类化学水凝胶，其特征在于，所述酚羟基功能化修饰的聚乙二醇类线性聚合物溶液中的聚乙二醇类线性聚合物主链为线性聚乙二醇二丙烯酸酯大单体与二硫苏糖醇、1，4-二巯基-2-丁醇、3，4-二巯基-1-丁醇、2，4-二巯基-1-丁醇、1，4-二巯基-3-甲基-2-丁醇、2，3-二氨基-1，4-二硫醇、2-氨基-1，4-二硫醇和3-氨基-1，5-二硫醇中的任一种形成的交替共聚物。5.根据权利要求1所述的一种基于酶交联的聚乙二醇类化学水凝胶，其特征在于，所述辣根过氧化物酶溶液的浓度为0.01-1mg/mL。6.根据权利要求1所述的一种基于酶交联的聚乙二醇类化学水凝胶，其特征在于，所述过氧化氢溶液的浓度为0.02-0.08wt％。7.根据权利要求1所述的一种基于酶交联的聚乙二醇类化学水凝胶，其特征在于，所述聚乙二醇类水凝胶中各组分的溶媒为纯水、注射用水、生理盐水、缓冲溶液、动植物或人体的体液、组织培养液、细胞培养液的任一种。8.一种基于酶交联的聚乙二醇类化学水凝胶的制备方法，其特征在于，所述制备方法的具体步骤如下：a、制备线性聚合物1：取聚...

【专利技术属性】
技术研发人员：俞麟，王丹妮，丁建东，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海,31