具有促进细胞粘附和增殖功能的高强度可降解水凝胶及其制备方法技术

本发明专利技术提供具有促进细胞粘附和增殖功能的高强度可降解水凝胶及其制备方法，以甲基丙烯酸酯化的海带多糖(MELA)、N‑丙烯酰基甘氨酰胺(NAGA)和1‑乙烯基‑1,2,4‑三唑(VTZ)为原料，在引发剂作用下自由基聚合得到氢键/化学杂化交联的水凝胶。本发明专利技术的水凝胶具有很强的力学性能，能够达到MPa级的压缩强度，并且具有良好的生物相容性、抗菌性能和降解性，能够促进细胞的粘附和增殖。

【技术实现步骤摘要】
具有促进细胞粘附和增殖功能的高强度可降解水凝胶及其制备方法
本专利技术涉及水凝胶
，更具体地说涉及一种甲基丙烯酸酯化的海带多糖(MELA)、N-丙烯酰基甘氨酰胺(NAGA)和1-乙烯基-1,2,4-三唑(VTZ)共聚物(MELA-PNAGA-PVTZ)水凝胶的制备方法及性能研究，该水凝胶具有力学性能强、生物相容性好、可降解、能促进细胞粘附和增殖及抗菌性等多种性能。
技术介绍
高分子水凝胶是一种具有三维网状结构的软材料，可以吸收大量的水分但不溶于水，被广泛应用于药物释放、组织工程、伤口敷料等生物医学领域。根据水凝胶网络键合的不同，水凝胶可分为物理凝胶和化学凝胶。化学交联聚合物网络一般比物理交联强，但在变形过程中化学键会发生不可逆断裂，因此使其发生永久性破坏。基于疏水相互作用、氢键作用、离子络合交联作用、偶极相互作用和静电相互作用等非共价键形成的可逆物理交联凝胶在自恢复性和刺激响应性等方面表现出良好性能，因此这类凝胶可用作智能材料。然而传统水凝胶力学强度较差、韧性低、在水中溶胀后变脆，这大大限制其在生物承载方面(如软骨、半月板等)的应用。为提高凝胶的力学强度，近期研究人员先后开发出了双网络水凝胶，纳米粒子复合水凝胶和拓扑结构水凝胶等高强凝胶。但这些凝胶制备过程复杂，且大都含有化学交联剂，因此使凝胶表现出较高的细胞的毒性，植入体内后会发生免疫排斥反应。与聚乙烯醇、聚丙烯酸及其衍生物等合成的凝胶相比，基于纤维素、壳聚糖、明胶、琼脂糖和透明质酸等天然材料的水凝胶具有生物相容性好、生物活性高和可生物降解等优点，因而被广泛研究和应用。例如，海藻酸钠中的古洛糖醛酸单元可以与钙、镁、铁等金属离子发生络合作用而快速成胶，且形成的凝胶无毒无害，因此常用于细胞培养支架。与海藻酸钠相同，海带多糖也是一种植物多糖。研究表明，海带多糖具有具有抗肿瘤作用和抗细菌活性等优点，但将海带多糖用作水凝胶材料还鲜有研究。
技术实现思路
本专利技术克服了现有技术中的不足，提供了一种基于天然多糖的水凝胶，具体为甲基丙烯酸酯化的海带多糖、N-丙烯酰基甘氨酰胺和1-乙烯基-1,2,4-三唑共聚物(MELA-PNAGA-PVTZ)，该水凝胶材料除了表现出水凝胶的一些固有属性，还具有力学强度高、生物相容性好、抗菌性能和生物降解性，能够促进细胞的粘附和增殖等多重性能。本专利技术的目的通过下述技术方案予以实现。具有促进细胞粘附和增殖功能的高强度可降解水凝胶及其制备方法，将甲基丙烯酸酯化的海带多糖(MELA)、N-丙烯酰基甘氨酰胺(NAGA)、1-乙烯基-1,2,4-三唑(VTZ)以及引发剂均匀分散在水中，在无氧条件下通过引发剂的作用引发甲基丙烯酸酯化的海带多糖(MELA)、N-丙烯酰基甘氨酰胺(NAGA)、1-乙烯基-1,2,4-三唑(VTZ)上的碳碳不饱和键进行自由基聚合反应，以实现甲基丙烯酸酯化的海带多糖(MELA)、N-丙烯酰基甘氨酰胺(NAGA)、1-乙烯基-1,2,4-三唑(VTZ)三者的共聚，从而得到具有促进细胞粘附和增殖功能的高强度可降解水凝胶。单体NAGA和VTZ质量之和与水质量比为1:(2-8)，优选1：(4—6)；单体NAGA和VTZ之间的摩尔比为(8-15):1，优选(10—12)：1；引发剂的质量为NAGA和VTZ质量之和的1-5％，优选2-3％；MELA的质量为NAGA和VTZ质量之和的10-50％，优选20-30％。在反应结束后，从反应容器中取出共聚物，置于35-40℃下在PBS溶液中浸泡5-10天以除去未参加反应的单体和引发剂。MELA单体是由甲基丙烯酸缩水甘油酯与海带多糖反应得到，接枝程度可通过调节反应物之间比例进行控制。利用引发剂提供的自由基引发MELA、NAGA和VTZ发生反应。其中引发剂可以选择高分子聚合领域中常用的热引发剂，如偶氮二异丁腈(ABIN)、过氧化苯甲酰(BPO)，或者光引发剂，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。如果选择热引发剂，则需要首先利用惰性气体(如氮气、氩气或者氦气)排除反应体系中的氧，以避免其的阻聚作用，然后根据引发剂的活性和用量，将反应体系加热到所用引发剂的引发温度之上并保持相当长的时间，如1h以上或者更长(1-5h)，以促使引发剂能够长时间产生足够多的自由基，引发反应体系持续发生自由基聚合反应，最终制备本专利技术的水水凝胶。如果选择光引发剂，则可以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，照射时间可短于热引发的加热时间，如20分钟或者更长(30min-1h)。以MELA、NAGA和VTZ作为共聚单体，通过自由基聚合最终制备了水凝胶材料，其中，NAGA侧链的双酰胺键形成氢键域增强凝胶的力学性能，且酰胺键不会发生离子化作用，使凝胶材料在体内环境依然保持高的强度；PVTZ侧链的三唑环能够抑制细菌膜的通透性，从而杀死细菌；PMELA起到化学交联作用，且多糖分子能够促进细胞的粘附和增殖；PMELA还能在纤维素酶的作用下能发生降解，降解后的凝胶材料在氢键交联作用依然保持完整。本专利技术的有益效果为：本专利技术提供的一种杂化交联的MELA-PNAGA-PVTZ水凝胶是以MELA、NAGA和VTZ为原料，在引发剂存在下引发制备而成，由于三部分协同作用，使整个水凝胶材料体现出高强度、生物相容性好、可生物降解、能促进细胞粘附和增殖及抗菌性等多重功能，所述的凝胶对于金黄色葡萄球菌和大肠杆菌都具有一定的抑制细菌生长的性能，凝胶具有较好的生物相容性，MTT测试中表现出大于90％的细胞活性，凝胶中多糖组分能够促进细胞粘附和增殖，MELA-PNAGA-PVTZ水凝胶拉伸强度平均为0.26-0.64MPa，压缩强度平均为1.1-3.2MPa。附图说明图1是本专利技术制备得到的MELA-PNAGA-PVTZ水凝胶结构示意图；图2是本专利技术的海带多糖及高、低接枝程度的MELA核磁谱图；图3是本专利技术的MELA水凝胶、PNAGA-PVTZ水凝胶、MELA-PNAGA-PVTZ水凝胶和降解后的MELA-PNAGA-PVTZ水凝胶的红外谱图，其中，A为MELA水凝胶，B为PNAGA-PVTZ水凝胶，C为MELA-PNAGA-PVTZ水凝胶，D为降解后的MELA-PNAGA-PVTZ水凝胶；图4是本专利技术制备得到的MELA-PNAGA-PVTZ水凝胶的拉伸及压缩力学性能测试曲线，其中，a为PMELA，b为MELA-PNAGA-PVTZ-10，c为MELA-PNAGA-PVTZ-20，d为MELA-PNAGA-PVTZ-30，e为MELA-PNAGA-PVTZ-40，f为MELA-PNAGA-PVTZ-50；图5是本专利技术制备得到的MELA-PNAGA-PVTZ水凝胶的降解曲线和降解前后的SEM电镜图，其中，A为MELA-PNAGA-PVTZ水凝胶的降解曲线图，B为降解前MELA-PNAGA-PVTZ水凝胶的SEM电镜图，C为降解后MELA-PNAGA-PVTZ水凝胶的SEM电镜图；图6是本专利技术制备得到的MELA-PNAGA-PVTZ水凝胶的抗菌性能及细胞毒性实验图；图7是本专利技术制备得本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.具有促进细胞粘附和增殖功能的高强度可降解水凝胶，其特征在于：将甲基丙烯酸酯化的海带多糖(MELA)、N‑丙烯酰基甘氨酰胺(NAGA)、1‑乙烯基‑1,2,4‑三唑(VTZ)以及引发剂均匀分散在水中，在无氧条件下通过引发剂的作用引发甲基丙烯酸酯化的海带多糖(MELA)、N‑丙烯酰基甘氨酰胺(NAGA)、1‑乙烯基‑1,2,4‑三唑(VTZ)上的碳碳不饱和键进行自由基聚合反应，以实现甲基丙烯酸酯化的海带多糖(MELA)、N‑丙烯酰基甘氨酰胺(NAGA)、1‑乙烯基‑1,2,4‑三唑(VTZ)三者的共聚，从而得到具有促进细胞粘附和增殖功能的高强度可降解水凝胶；单体NAGA和VTZ质量之和与水质量比为1:(2‑8)；单体NAGA和VTZ之间的摩尔比为(8‑15):1；引发剂的质量为NAGA和VTZ质量之和的1‑5％；MELA的质量为NAGA和VTZ质量之和的10‑50％。

【技术特征摘要】
1.具有促进细胞粘附和增殖功能的高强度可降解水凝胶，其特征在于：将甲基丙烯酸酯化的海带多糖(MELA)、N-丙烯酰基甘氨酰胺(NAGA)、1-乙烯基-1,2,4-三唑(VTZ)以及引发剂均匀分散在水中，在无氧条件下通过引发剂的作用引发甲基丙烯酸酯化的海带多糖(MELA)、N-丙烯酰基甘氨酰胺(NAGA)、1-乙烯基-1,2,4-三唑(VTZ)上的碳碳不饱和键进行自由基聚合反应，以实现甲基丙烯酸酯化的海带多糖(MELA)、N-丙烯酰基甘氨酰胺(NAGA)、1-乙烯基-1,2,4-三唑(VTZ)三者的共聚，从而得到具有促进细胞粘附和增殖功能的高强度可降解水凝胶；单体NAGA和VTZ质量之和与水质量比为1:(2-8)；单体NAGA和VTZ之间的摩尔比为(8-15):1；引发剂的质量为NAGA和VTZ质量之和的1-5％；MELA的质量为NAGA和VTZ质量之和的10-50％。2.根据权利要求1所述的具有促进细胞粘附和增殖功能的高强度可降解水凝胶，其特征在于：单体NAGA和VTZ质量之和与水质量比为1：(4—6)；单体NAGA和VTZ之间的摩尔比为(10—12)：1；引发剂的质量为NAGA和VTZ质量之和的2-3％；MELA的质量为NAGA和VTZ质量之和的20-30％。3.根据权利要求1所述的具有促进细胞粘附和增殖功能的高强度可降解水凝胶，其特征在于：甲基丙烯酸酯化的海带多糖的三种接枝程度分别为5％-10％，10％-20％，20％-30％。4.根据权利要求1所述的具有促进细胞粘附和增殖功能的高强度可降解水凝胶，其特征在于：水凝胶的拉伸强度为0.26-0.64MPa，压缩强度为1.1-3.2MPa，且在纤维素酶的作用下缓慢降解。5.具有促进细胞粘附和增殖功能的高强度可降解水凝胶的制备方法，其特征在于：具有促进细胞粘附和增殖功能的高强度可降解水凝胶及其制备方法，将甲基丙烯酸酯化的海带多糖(MELA)、N-丙烯酰基甘氨酰胺(NAGA)、1-乙烯基-1,2,4-三唑(VTZ)以及引发剂均匀分散在水中，在无氧条件下通过引发剂的作用引发甲基丙烯酸酯化的海带多糖(MELA)、N-丙烯酰基甘氨酰胺(NAGA)、1-乙烯基-1,2,4-三唑(VTZ)上的碳碳不饱和键进行自由基聚合反应，以实现甲基丙烯酸酯化的海带多糖(MELA)、N-丙烯酰基甘...

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