一种高强度可降解水凝胶及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种高强度可降解水凝胶及其制备方法，利用甲基丙烯酰化明胶交联聚N‑丙烯酰甘氨酸，综合了甲基丙烯酰化明胶的可降解性和聚N‑丙烯酰甘氨酸水凝胶的高强度，该凝胶同时具有高强特性和可降解性。

【技术实现步骤摘要】
一种高强度可降解水凝胶及其制备方法
本专利技术属于水凝胶
，更加具体地说，涉及一种高强度可降解水凝胶的制备，具体为一种N-丙烯酰甘氨酸-甲基丙烯酰化明胶(P(ACG/GelMA))水凝胶的制备，该水凝胶利用甲基丙烯酰化明胶交联聚N-丙烯酰甘氨酸，综合了甲基丙烯酰化明胶的可降解性和聚N-丙烯酰甘氨酸水凝胶的高强度，该凝胶同时具有高强特性和可降解性。
技术介绍
在过去的十年间，得益于如双网络水凝胶、纳米复合水凝胶、超分子水凝胶等高强水凝胶体系的快速发展，水凝胶已不仅仅限于是一种“软而湿”的材料。同时，由于高强水凝胶仍然保有水凝胶含水量高的特性，也就是说高强度水凝胶与传统水凝胶相同可在药物和细胞传递时提供有益的富水环境，这使高强度水凝胶在组织工程方面的应用仍然保有一定的优势。(Gkioni,K.；Leeuwenburgh,S.C.G.；Douglas,T.E.L.；Mikos,A.G.；Jansen,J.A.Mineralizationofhydrogelsforboneregeneration.TissueEng.,PartB,2010,16,577-585.)不仅如此，由于对高强水凝胶研究的不断深入，水凝胶在硬组织修复方面的应用已经实现。(Xu,B.；Zheng,P.；Gao,F.；Wang,W.；Zhang,H.；Zhang,X.；Feng,X.；Liu.W.Amineralizedhighstrengthandtoughhydrogelforskullboneregeneration.Adv.Funct.Mater.,2017,27,1604327.)然而，高强水凝胶一般被应用于支撑材料，其不可降解性极大地限制了其细胞或药物传递的有效性。因此，不可降解性在某种程度上限制了高强水凝胶在组织工程方面的应用。不久前，我们通过合成并聚合一种侧链上有一个氨基和一个羧基的单体N-丙烯酰甘氨酸(ACG)，制备了聚N-丙烯酰甘氨酸(PACG)超分子水凝胶。(Gao,F.；Zhang,Y.；Li,Y.；Xu,B.；Cao,Z.；Liu,W.Seacucumber-inspiredautolytichydrogelsexhibitingtunablehighmechanicalperformances,repairability,andreusability.ACSAppl.Mater.Interfaces,2016,8,8956-8966.)由于在不同pH值下PACG水凝胶中存在羧基氢键动态的形成与破坏过程，PACG水凝胶在酸性条件下可形成稳定且高强的水凝胶网络，在中性或碱性条件下可缓慢解离。然而，由于其降解性和高强性无法在同一条件下实现，因此严格来说，PACG水凝胶并不是真正意义上的高强可降解水凝胶。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高强度可降解水凝胶及其制备方法，以N-丙烯酰甘氨酸为主体的高强可降解水凝胶，具体为N-丙烯酰甘氨酸-甲基丙烯酰化明胶(P(ACG/GelMA))水凝胶，该材料同时拥有高强特性和可降解性，即利用甲基丙烯酰化明胶(GelMA)交联N-丙烯酰甘氨酸(ACG)可形成高强且可降解的水凝胶。单纯ACG聚合物容易在水中和/或碱性条件进行解离或者降解，但在本专利技术中两者共聚之后的水凝胶在碱性条件下(接近人体体内环境的pH值条件下，如7—8)稳定存在并保持水凝胶形状，表现出达到MPa的拉伸和压缩强度，且表现出持续缓慢降解。本专利技术的技术目的通过下述技术方案予以实现：一种高强度可降解水凝胶及其制备方法，将单体N-丙烯酰甘氨酸、甲基丙烯酰化明胶以及引发剂均匀分散在水中，而后在无氧条件下通过引发剂的作用引发N-丙烯酰甘氨酸和甲基丙烯酰化明胶上的碳碳不饱和键进行自由基聚合反应，以实现单体N-丙烯酰甘氨酸和甲基丙烯酰化明胶的共聚，形成具有高强特性和可降解性的水凝胶。在上述技术方案中，N-丙烯酰甘氨酸和甲基丙烯酰化明胶的质量比为(10—15)：1，优选(10—12)：1。在上述技术方案中，固含量为20—30％，优选20—25％，固含量为两种单体N-丙烯酰甘氨酸和甲基丙烯酰化明胶的质量之和/(两种单体和水的质量之和)。在上述技术方案中，N-丙烯酰甘氨酸(ACG)是一种侧基上含有一个氨基和一个羧基的单体，一方面可在聚合后形成氢键，另一方面可在钙离子作用下形成离子交联网络，甲基丙烯酰化明胶(GelMA)是一种带有甲基丙烯酰基的单体，可化学交联聚合物，稳定聚合物网络。由于明胶的胶原酶可降解性和甲基丙烯酰基的可聚合性，甲基丙烯酰化明胶(GelMA)可在引发剂的作用下化学交联聚合物同时可在胶原酶作用下降解。上述水凝胶的制备方法中，引发剂用量为两种单体质量之和的1％—5％，优选1—3％，可选用如偶氮二异丁腈(ABIN)、过氧化苯甲酰(BPO)等热引发剂，也可选用如1-[4-(2-羟乙氧基)-亚苯基]-2-羟基-2′,2′-二甲基乙酮(Irgacure2959)、甲基乙烯基酮、安息香等光引发剂。但需要注意的是，若选用热引发剂，为避免阻聚作用，必须在反应体系中通入惰性气体以去除氧气，同时为使引发剂能够长时间产生足够多的自由基，使引发反应体系持续发生自由基聚合反应，必须将反应体系加热到所用引发剂的引发温度之上并保持1h以上或者更长(1-5h)时间；若选用光引发剂，则必须选用透明密闭的反应容器，在紫外光照射的条件下引发自由基聚合，由于光引发效率高于热引发，因根据所选引发剂的活性和用量调整照射时间时，照射时间可选用20分钟或者更长(30min-1h)。与现有技术相比，本专利技术提供的一种高强可降解水凝胶是以N-丙烯酰甘氨酸和甲基丙烯酰化明胶为原料，在引发剂存在条件下共聚制成。由于凝胶网络中存在N-丙烯酰甘氨酸分子间氢键形成的物理交联作用和甲基丙烯酰化明胶的化学交联作用，这种水凝胶具有良好的力学性能。同时，由于甲基丙烯酰化明胶可在胶原酶的作用下降解，且聚N-丙烯酰甘氨酸可在中性或碱性条件下解离，这种水凝胶可在胶原酶溶液中降解。附图说明图1是本专利技术的P(ACG/GelMA)水凝胶的红外谱图。图2是本专利技术的P(ACG/GelMA)水凝胶在不同条件下的平衡含水量。图3是本专利技术的P(ACG/GelMA)水凝胶在不同条件下的扫描电镜照片。图4是本专利技术的P(ACG/GelMA)水凝胶的降解过程测试曲线图。具体实施方式下面结合具体实施例进一步说明本专利技术的技术方案。本专利技术实施例中使用药品和仪器均为市售的常规药品和设备，N-丙烯酰甘氨酸(ACG)是以丙烯酰氯和甘氨酸为原料依据参考文献制备，这里不再赘述，可具体参考文献Gao,F.；Zhang,Y.；Li,Y.；Xu,B.；Cao,Z.；Liu,W.Seacucumber-inspiredautolytichydrogelsexhibitingtunablehighmechanicalperformances,repairability,andreusability.ACSAppl.Mater.Interfaces,2016,8,8956-8966。甲基丙烯酰化明胶是以甲基丙烯酸酐和明胶为原料进行制备，依据参考文献(Resmi,R.；Unnikrishnan,S.；Krishnan本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高强度可降解水凝胶，其特征在于，将单体N‑丙烯酰甘氨酸、甲基丙烯酰化明胶以及引发剂均匀分散在水中，而后在无氧条件下通过引发剂的作用引发N‑丙烯酰甘氨酸和甲基丙烯酰化明胶上的碳碳不饱和键进行自由基聚合反应，以实现单体N‑丙烯酰甘氨酸和甲基丙烯酰化明胶的共聚，水凝胶在pH为7—8条件下稳定存在并保持水凝胶形状，水凝胶的拉伸强度为0.75—0.8MPa，压缩强度为4.8—5.6MPa，且表现出持续缓慢降解的性能。

【技术特征摘要】
1.一种高强度可降解水凝胶，其特征在于，将单体N-丙烯酰甘氨酸、甲基丙烯酰化明胶以及引发剂均匀分散在水中，而后在无氧条件下通过引发剂的作用引发N-丙烯酰甘氨酸和甲基丙烯酰化明胶上的碳碳不饱和键进行自由基聚合反应，以实现单体N-丙烯酰甘氨酸和甲基丙烯酰化明胶的共聚，水凝胶在pH为7—8条件下稳定存在并保持水凝胶形状，水凝胶的拉伸强度为0.75—0.8MPa，压缩强度为4.8—5.6MPa，且表现出持续缓慢降解的性能。2.根据权利要求1所述的一种高强度可降解水凝胶，其特征在于，N-丙烯酰甘氨酸和甲基丙烯酰化明胶的质量比为(10—15)：1，优选(10—12)：1。3.根据权利要求1所述的一种高强度可降解水凝胶，其特征在于，固含量为20—30％，优选20—25％。4.根据权利要求1所述的一种高强度可降解水凝胶，其特征在于，引发剂用量为两种单体质量之和的1％—5％，优选1—3％，引发剂为热引发剂偶氮二异丁腈、过氧化苯甲酰，为避免阻聚作用，必须在反应体系中通入惰性气体以去除氧气，同时为使引发剂能够长时间产生足够多的自由基，使引发反应体系持续发生自由基聚合反应，必须将反应体系加热到所用引发剂的引发温度之上并保持1h以上或者更长(1-5h)时间。5.根据权利要求1所述的一种高强度可降解水凝胶，其特征在于，引发剂用量为两种单体质量之和的1％—5％，优选1—3％，引发剂为1-[4-(2-羟乙氧基)-亚苯基]-2-羟基-2′,2′-二甲基乙酮、甲基乙烯基酮、安息香，选用透明密闭的反应容器，在紫外光照射的条件下引发自由基聚合，由于光引发效率高于热引发，因根据所选引发剂的活性和用量调整照射时间时，照射时间可选用20分钟或者...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘文广，张絮然，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12