一种热敏感型、可生物降解水凝胶的合成方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及高分子水凝胶的合成方法，具体为一种热敏感性、可生物降解载药水 凝胶的合成工艺，该高分子水凝胶可在生物、医学、化学、农业、日用生活用品等领域中应 用。
【背景技术】
[0002] 高分子水凝胶是高聚物大分子互相联结，由长链分子交联聚合而成的三维网络和 互穿的网络。聚乳酸（Polylactic Acid，PLA)的可生物降解聚合物吸引了越来越多缓释 载药方面的科学家研究兴趣，因为聚乳酸的主链酯键可以被水解成无毒的醇与羧酸，药物 消耗后不需要手术切除。然而，由于聚乳酸的疏水性，聚乳酸释放药物的速率不一致。为 了解决这些问题，聚乳酸被改良成亲水性聚合物，如聚乙醇酸、聚乙二醇和葡聚糖等，其中 一种天然多糖类物质的葡聚糖，在形成聚乳酸-葡聚糖聚合物后，可以通过水解和酶降解 过程持续释放治疗药物。有研究报道，聚乳酸和葡聚糖之间的摩尔比可以控制三维交联聚 乳酸-葡聚糖水凝胶胰岛素的释放动力学。该研究是使用有机溶剂把胰岛素加载到聚乳 酸-葡聚糖凝胶上，会导致蛋白质变性；用水溶液扩散加载胰岛素速度有限，通常会产生较 高的突释。作为药物控释载体材料及医用生物高分子材料，不仅需要有高的生物相容性，而 且在人的体内能够降解，降解产物也要能参与到新陈代谢中。根据水凝胶对外界刺激的响 应情况可分为传统的水凝胶和环境敏感的水凝胶两大类。传统的水凝胶对环境的变化如温 度、PH等的变化不敏感，而环境敏感的水凝胶是指自身能感知外界环境(如温度、pH、光、电、 压力等）微小的变化或刺激，并能产生相应的物理结构和化学性质变化甚至突变的一类高 分子凝胶。
[0003] 聚乙烯（N-异丙基丙烯酰胺）（N-Isopropylacrylamide，PNIPAAM)是一种应用很 广的高分子材料，具有温度敏感性。1967年，Scarpa首先报道了 NIPAAM聚合物（PNIPAAM) 在 31°C 时存在低温临界溶解温度（Lower Critical Solution Temperature, LCST)，即温 度高于31°C时为固体，具有疏水性；低于31°C时为液体，具有亲水性。随后温敏水凝胶开始 受到广泛的关注，1984年，Tanaka等人发现，NIPAAM聚合物在较小的温度范围内可表现出 明显的疏水和亲水变化。
[0004] 现已证实PNIPAAM的LCST为32°C，与人体正常体温37°C左右很接近，因此在医 学上可以用于控制药物的释放，例如结膜下植入负载胰岛素的具有热敏感和可生物降解的 新型水凝胶体，可用于治疗糖尿病性视网膜病变（Diabetic retinopathy, DR)，胰岛素持 续释放可以避免重复注射胰岛素对周围组织造成损伤。由于热敏性水凝胶随温度的变化 能快速吸收和释放水而体现其开关性能，因此在生物化学、机械、医学等许多领域中具有 广泛的应用前景。美国约翰?霍普金斯大学医学院报告称，他们开发出一种新型水凝胶 生物材料，在软骨修复手术中将其注入骨骼小洞，能帮助刺激病人骨髓产生干细胞，长出 新的软骨。约翰?霍普金斯大学医学院转化组织工程中心（Transformation of tissue engineering center,TTEC)主任珍妮弗?埃里希夫说，水凝胶支架在愈合过程中能为细胞 提供"营养"，促进健康组织生长，加速伤口愈合。Vernon等人使用PNIPAAM、甲基丙烯酸羟 乙酯（Hydroxyethyl methacrylate, HEMA)、丙烯酰氯和季戊四醇四3-巯基丙酸酯进行物 理交联和化学交联制备水凝胶，然而，该水凝胶含有非常高的摩尔质量（160kDa)，无法达到 生物降解的效果。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种热敏感型、可生物降解水凝胶的合成方法，该方法基 于NIPAAM聚合物的热敏感性，在水溶液中加载治疗药物后，提高治疗药物稳定性，通过温 度和pH控制释放药物。PNIPAAM聚合物对药物的负载效率和释放动力学取决于亲水疏水基 团与聚合物交联密度以及胰岛素和聚合物之间的相互作用这三者之间的平衡关系。
[0006] 我们通过化学交联合成了一系列由PNINAAM和可生物降解水凝胶 (DEXlactataHEMA)组成的三维热敏感性、可生物降解水凝胶。该水凝胶同时集合了 DEHactateHEM在聚合过程中对蛋白质药物较高的负载效率以及异丙基丙烯酰胺水凝胶 在生理温度下较好的疏水性和机械强度这两方面的优点。通过调整DEHactateHEM大分 子单体和PNIPAAm/DEHactateHEMA的进料比可以得到亲水/疏水平衡值范围广泛的水凝 胶以及摩尔质量远小于25kDa的聚合物链。初步研究数据表明，水凝胶在起始时间的溶胀 率在30%左右，在37 °C可以持续释放药物达到38天。
[0007] 本发明的合成方法包括以下步骤：首先，制备生物降解性交联剂，由拥有良好生物 相容性和生物降解性的乳酸二聚体丙交酯和甲基丙烯酸羟乙酯聚合形成中间体，再通过化 学反应引入葡聚糖合成可生物降解性交联剂；其次，制备热敏感型、可生物降解水凝胶，由 N-异丙基丙烯酰胺、引发剂、生物降解性交联剂溶解在牛血清白蛋白中，加入光引发剂，在 聚四氟乙烯模井中采用光引发聚合得到一种热敏感型、可生物降解水凝胶。
[0008] 本发明合成的一种热敏感型、可生物降解水凝胶，第一步反应采取以下具体步骤 合成： ① 称取重量不同摩尔比的甲基丙烯酸轻乙酯（Hydroxyethyl methacrylate, HEMA) 和L-丙交酯，在SnOctJ^催化作用下，IKTC反应得到HEM-乳酸； ② 在室温条件下，HEM-乳酸与等摩尔量的Ν，Ν' -羰基二咪唑（N， Ν'-carbonyldiimidazole ,CDI)在四氢呋喃（Tetrahydrofuran，THF)中反应 10~22 小时， 得到 HEMA-IactateCI ; ③ HEMA-IactateCI以不同的摩尔进料比，结合葡聚糖（分子量大约15kDa); @ HEMlactateCI与吡喃葡萄糖进行反应，在4- (N，N-二甲基氨基）吡啶 (4-dimethylaminopyridine，DMAP)催化作用下，在二甲基亚讽（Dimethyl sulfoxide, DMS0)溶液中室温反应2~6天，获得可生物降解性交联剂DEHactateHEM大分子。
[0009] 第一步合成反应条件包括： ① L-丙交酯与HEMA的摩尔比为1:20~20:1，优选摩尔比为1:5、1:4、1:3、1 :2、1:1、 2:1、3:1、4:1、5:1、6:1、7:1、8:1、9:1 ; ② HEMA-乳酸与CDI在THF中的反应时间为0. 5~50小时，优选反应时间为2~30小时； ③ HEMA-IactateCI与吡喃葡萄糖的摩尔比为1:40~40:1，优选摩尔比为1:20~10:1。
[0010] 本发明合成的一种热敏感型、可生物降解水凝胶，第二步反应采取以下具体步骤 合成： ① N-异丙基丙烯酰胺（N-Isopropylacrylamide，NIPAAM)和可生物降解性交联剂 DEHactateHEMA大分子单体以不同的质量比，溶解在不同浓度的水-1 %牛血清白蛋白 (Albumin from bovine serum，BSA)(重量百分比）中； ② 将此溶液放入带玻璃盖的聚四氟乙烯模型井中，室温下搅拌1~5分钟使水凝胶聚 合； ③ 按总单体〇. 1%的比例加入光引发剂，采用的紫外光引发聚合来制备水凝胶； ④ 水凝胶合成后从模型井中取出，用水-1%BSA溶液洗涤两次，每次7~13分钟，冷冻干 燥过夜，既得到一种热敏感型、可生物降解水凝胶。
[0011] 第二步合成反应条件包括： ① NIPAAM和可生物降解性交联剂DEXlactateHEMA的摩尔比为1:40~40:1，优选摩尔 比为 1:20~10:1 ; ② 水-1%牛血清白蛋白（BSA)(重量百分比）溶液的浓度为10%~90%，优选浓度为 25%-75°/〇 ； ③ 水-1%牛血清白蛋白（BSA)(重量百分比）溶液的pH为0. 5~5，优选pH为1~3; @所加入的光引发剂包括但不限于Irgacure819，Irgacure651，Irgacure607， Irgacure369, Irgacure2959, Lucirin tpo, Darocurl173 ; ⑤ 所用紫外光强度为50~1000 mW/cm2,优选紫外光强度为200-900 mW/cm2。
[0012] 合成的水凝胶的化学成分通过使用傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy, FTIS)来进一步确认，例如葡聚糖，乳酸盐或PNIPAAM的典型特征 官能团，并获得水凝胶化学结构。
[0013] 本发明具有如下特点： ① 合成的水凝胶具有对温度敏感、可生物降解和良好的生物相容性； ② 可以根据实际需要通过改变所加入交联剂的比例得到不同的低温临界溶解温度 (Lower Critical Solution Temperature, LCST)； ③ 该水凝胶的合成方法安全可靠、操作简单，反应条件温和； @合成的水凝胶在酶的分离纯化和药物的控制释放等方面，均具有广阔的应用前景。
【附图说明】
[0014] 图1本合成方法制得的热敏感型、可生物降解水凝胶的化学结构示意图。
【具体实施方式】
[0015] 下面结合具体的实施例，进一步详细的描述本发明。应理解，这些实例只是为了举 例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。
[0016] 实例1 :采取以下步骤合成热敏感型、可生物降解水凝胶： ①称取重量摩尔比为2:1的HEMA和L-丙交酯，在Sn0ct2的催化作用下，IKTC反应 得到HEM-乳酸； ② 在室温条件下，HEM-乳酸与等摩尔量的Ν，Ν' -羰基二咪唑（⑶I)在四氢呋喃（THF) 中反应17小时，得到HEMA-IactateCI ; ③ HEMA-IactateCI和葡聚糖（分子量大约15kDa)按1:10的进料比，在4 -(N， N-二甲基氨基）批啶（DMAP)催化作用下，在二甲基亚砜（DMSO)溶液中室温反应4天，获得 DEXlactateHEMA 大分子； @ PNIPAAM和DEXlactateHEMA大分子单体16:1的质量比，溶解在浓度50%的水-1 % 牛血清白蛋白（BSA)(重量百分比，pH 2)中，将前体溶液填充在带一个玻璃盖的聚四氟乙 稀丰旲型井中； ⑤ 前