明胶/羧甲基壳聚糖/POSS光交联水凝胶及制备方法

摘要

本发明公开了一种明胶/羧甲基壳聚糖/POSS水凝胶及制备方法。该凝胶主要成分是由改性明胶、改性羧甲基壳聚糖和八乙烯基低聚倍半硅氧烷组成。其制备方法包括：用甲基丙烯酸缩水甘油酯对明胶和羧甲基壳聚糖进行双键改性；改性明胶、改性羧甲基壳聚糖、八乙烯基低聚倍半硅氧烷及交联剂PEGDMA和光引发剂I2959配成溶液后光交联制备水凝胶。本发明优点：制备过程快速、简单，制备的水凝胶具有一定的生物相容性，同时在体系中引入八乙烯基低聚倍半硅氧烷，可显著提高凝胶的力学性能，使其材料同时满足修复组织的生物和力学要求，在修复骨和软骨方面有良好的应用前景。

说明书

技术领域

 本发明涉及一种明胶/羧甲基壳聚糖/POSS光交联水凝胶及制备方法，属于生物凝胶材料技术领域。

背景技术

水凝胶的结构和细胞外基质（ECM）相似，能够为组织细胞及组织生长提供适宜的条件，并可通过原位注射等方法来实现组织修复，因此是用于组织修复和再生的一类非常重要的材料。在制备水凝胶的不同方法中，光交联因聚合的空间和时间可控、在室温或生理温度下快速反应、产生热量少及原位形成等优点而被广泛应用，尤其对不规则损伤组织，能使植入组织与周围组织环境接触良好。通过光交联将软骨细胞分散在聚氧乙烯(PEO)溶液中制备水凝胶，两周后培养液中糖胺聚糖含量和胶原II含量都有明显提高（Elisseeff J, McIntosh W, Anseth K, Riley S, Ragan P, Langer R. Photoencapsulation of chondrocytes in poly(ethylene oxide)-based semi-interpenetrating networks [J]. John Wiley & Sons, Inc. J Biomed Mater Res 2000, 51: 164–171）。

胶原广泛存在于各种组织中，具有良好的生物相容性和生物降解性，但有相关文献报道胶原在某些情况存在一定的抗原性。明胶是胶原的水解物，可保留胶原特性。通过光交联制备的明胶水凝胶，使软骨细胞生长良好（Hu XH, Ma L, Wang CC, Gao CY. Gelatin hydrogel prepared by photo-initiated polymerization and loaded with TGF-β1 for cartilage tissue engineering [J]. Macromol. Biosci. 2009, 9: 1194–1201）。壳聚糖是一种具有优良生物相容性、低毒性、生物可降解性的天然多糖，与ECM中的糖胺聚糖结构相似，但壳聚糖只能溶于酸性环境，因此近年来，水溶性壳聚糖衍生物得到了广泛的应用。

有相关研究已经制备上述明胶或水溶性壳聚糖水凝胶修复软骨组织，但力学性能均未能完全满足软骨组织要求。多面体低聚倍半硅氧烷（POSS）是一种新型的有机/无机杂化材料，集有机和无机材料的优异性能于一身，能使材料的力学性能和热性能有极大的改善。通过把含甲基丙烯键侧链的POSS接枝到聚富马酸丙二醇酯链中，在光照作用下，使POSS侧链作为交联点形成网状结构，加入POSS使其拉伸模量由1701±51 MPa提高到1975±86 MPa，力学性能有明显的改善（Wang K, Cai L, Wang SF, Methacryl-polyhedral oligomeric silsesquioxane as a crosslinker for expediting photo-crosslinking of poly(propylene fumarate): Material properties and bone cell behavior [J]. Polymer 2011, 52: 2827-2839）。因此在体系中引入POSS是一种提高材料力学性能的较佳途径。

    目前有相关文献报道通过光交联这种简便的方法制备明胶或羧甲基壳聚糖单组份水凝胶 ，但通过光交联制备同时含有明胶和壳聚糖的水凝胶报道较少，而这种含有多种成份的水凝胶能够更好地模拟天然组织胶原/多糖成分。同时，在体系中引入含八个乙烯基的POSS（OV-POSS），既可显著提高凝胶的力学性能，也可改善凝胶的亲/疏水性，抑制活性因子的突释，在修复骨和软骨方面有良好的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种明胶/羧甲基壳聚糖/POSS光交联水凝胶及制备方法。所述凝胶具有良好的生物相容性和力学性能，其制备过程简单。

为达到上述目的，本发明是通过下述技术方案加以实现的，一种明胶/羧甲基壳聚糖/八乙烯基低聚倍半硅氧烷光交联水凝胶，其特征在于：该光交联凝胶是在pH为7.2~7.4的磷酸盐缓冲液中，由甲基丙烯酸缩水甘油酯改性的明胶、甲基丙烯酸缩水甘油酯改性的羧甲基壳聚糖和八乙烯基低聚倍半硅氧烷，同时在交联剂聚乙二醇二甲基丙烯酸酯和光引发剂2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮存在条件下，经波长365nm紫外光照射交联而成。其中，所述的改性明胶为明胶氨基上接上双键，双键改性度为10%~50%；所述的改性的羧甲基壳聚糖为羧甲基壳聚糖氨基上接上双键，双键改性度为5%~20%；改性的明胶与改性的羧甲基壳聚糖质量比为(5~10):1，它们磷酸盐缓冲液中质量含量为5%~15%；八乙烯基低聚倍半硅氧烷质量含量为改性的明胶和改性的羧甲基壳聚糖总质量的0.1~0.5倍，交联剂聚乙二醇二甲基丙烯酸酯质量含量为改性的明胶和改性的羧甲基壳聚糖总质量的0.1~2倍，光引发剂2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮质量含量为改性的明胶和改性的羧甲基壳聚糖总质量的0.02倍。  

    上述的明胶/羧甲基壳聚糖/八乙烯基低聚倍半硅氧烷光交联水凝胶制备方法，其特征在于包括以下步骤：

    1）甲基丙烯酸缩水甘油酯改性明胶的制备：

  （1）在50℃下将明胶溶于pH为9.6的碳酸盐缓冲液，配制成浓度为0.1g/mL的溶液；

  （2）向步骤(1）制得的明胶溶液中加入所用的碳酸盐缓冲液的体积量的0.4~1.2倍的甲基丙烯酸缩水甘油酯，在50℃下搅拌反应3h，之后用乙醇沉淀、去离子水透析48h，冻干得到在明胶氨基上接有双键的改性明胶，双键改性度为10%~50%；

    2）甲基丙烯酸缩水甘油酯改性羧甲基壳聚糖的制备:

    在50℃下将数均分子量为9000的羧甲基壳聚糖溶于水中，配制成浓度为0.01g/mL溶液；向该羧甲基壳聚糖溶液加入体积量为该溶液体积量的0.05倍的三乙胺和0.15倍的甲基丙烯酸缩水甘油酯，及加入所用的羧甲基壳聚糖质量的5倍的四丁基溴化铵，在室温下反应72h，之后乙醇沉淀、透析48h，冻干得到在羧甲基壳聚糖氨基上接有双键的改性羧甲基壳聚糖，双键改性度为5%~20%；

    3）明胶/羧甲基壳聚糖/八乙烯基低聚倍半硅氧烷光交联水凝胶的制备：

  （1）将步骤1）制得的改性明胶和步骤2）制得的改性羧甲基壳聚糖按质量比为(5~10):1加入pH为7.2~7.4的磷酸盐缓冲液中，配成质量浓度为5%~15%的混合磷酸盐缓冲溶液；

  （2）向混合磷酸盐缓冲溶液加入质量为改性明胶和改性羧甲基壳聚糖总质量的0.1~2倍的交联剂聚乙二醇二甲基丙烯酸酯及加入0.02倍的光引发剂2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮(I2959)，均匀混合得到水凝胶前驱溶液；

  （3）配制浓度0.1g/mL的八乙烯基低聚倍半硅氧烷（OV-POSS）的四氢呋喃溶液，向步骤（2）制得的前驱溶液中加入体积量为步骤（1）混合磷酸盐缓冲溶液体积量的0.1~0.6倍的八乙烯基低聚倍半硅氧烷的四氢呋喃溶液，超声分散，直至四氢呋喃挥发完毕；

  （4）把步骤（3）制得的溶液在波长365nm下紫外光照射5~35min，得到明胶/羧甲基壳聚糖/八乙烯基低聚倍半硅氧烷光交联水凝胶。

本发明的优点：采用光交联的方法，制备过程快速、简单，不必使用戊二醛等交联剂。在原料的选用上采用明胶/羧甲基壳聚糖两种生物材料，模拟天然组织多糖/胶原成分，实现其与修复组织成分的仿生化，增加材料的生物相容性。并且，引入OV-POSS有机/无机杂化材料，力学性能由698±191kPa提高为1160±134 kPa，可显著提高水凝胶的力学性能，同时还可以改善凝胶的亲/疏水性，抑制活性因子的突释，满足软骨/骨组织修复要求，在组织修复中具有良好的应用前景。

具体实施方式

实施例1：

称取A型明胶10g，溶解于100mL pH为9.6的碳酸盐缓冲溶液（CBS)，在50℃下搅拌直至完全溶解。加入40mL甲基丙烯酸缩水甘油酯（GMA），搅拌反应3h。把该溶液加到500mL乙醇中沉淀，用去离子水透析48h，于-42℃冻干48h，得到双键改性度为23%的改性明胶（Gel-GMA)；

称取数均分子量为9000、脱乙酰度为95%的羧甲基壳聚糖1g，溶解于100mL去离子水中，50℃下搅拌直至完全溶解，之后依次加入5mL三乙胺，15mL GMA及5g四丁基溴化铵在室温下反应72h。把上述溶液倒入500mL乙醇进行沉淀，去离子水透析48h，于-42℃冻干48h,得到双键改性度为12%的改性羧甲基壳聚糖（CS-GMA)；

称取上述制得的改性明胶0.24g和改性羧甲基壳聚糖0.03g，溶解于2.7mL的pH为7.4的磷酸盐缓冲溶液（PBS）中，搅拌直至完全溶解。配制质量浓度为10%的光引发剂2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮（I2959）乙醇溶液，取该溶液54μL加入到上述PBS溶液及加入490μL聚乙二醇二甲基丙烯酸酯（PEGDMA），搅拌溶解。配制质量浓度为10%的八乙烯基低聚倍半硅氧烷（OV-POSS）的四氢呋喃溶液，取该溶液540μL加入到上述PBS溶液，超声分散，直至四氢呋喃挥发完毕。在波长为365nm下紫外光照30min，得到明胶/羧甲基壳聚糖/POSS光交联凝胶，该凝胶的力学强度为702±113kPa。

实施例2：

称取A型明胶10g，溶解于100mL pH为9.6的CBS缓冲溶液中，在50℃下搅拌直至完全溶解。加入120mL GMA，搅拌反应3h。把该溶液加到500mL乙醇中沉淀，用去离子水透析48h，于-42℃冻干48h，得到双键改性度为43%的改性明胶（Gel-GMA)；

称取数均分子量为9000、脱乙酰度为95%的羧甲基壳聚糖1g，溶解于100mL水中，50℃下搅拌直至完全溶解，之后依次加入5mL三乙胺，15mL GMA及5g四丁基溴化铵在室温下反应72h，把上述溶液倒入500mL乙醇进行沉淀，去离子水透析48h，于-42℃冻干48h，得到双键改性度为12%的改性羧甲基壳聚糖（CS-GMA)；

称取上述制得的改性明胶0.24g和改性羧甲基壳聚糖0.03g，溶解于2.7mL的pH为7.4的PBS中，搅拌直至完全溶解。配制质量浓度为10%的光引发剂2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮（I2959）乙醇溶液，取该溶液54μL加入到上述PBS溶液及加入490μL PEGDMA，搅拌溶解。配制质量浓度为10%的OV-POSS的四氢呋喃溶液，取该溶液540μL到上述PBS溶液，超声分散，直至四氢呋喃挥发完毕。在365nm下紫外光照30min，得到明胶/羧甲基壳聚糖/POSS光交联水凝胶，该水凝胶力学强度为708±98kPa。

实施例3：

称取A型明胶10g，溶解于100mL pH为9.6的CBS缓冲溶液，在50℃下搅拌直至完全溶解。加入120mL GMA，搅拌反应3h。把该溶液加到500mL乙醇中沉淀，用去离子水透析48h，于-42℃冻干48h，得到双键改性度为43%的改性明胶（Gel-GMA)；

称取数均分子量为9000、脱乙酰度为95%的羧甲基壳聚糖1g，溶解于100mL水中，50℃下搅拌直至完全溶解，之后依次加入5mL三乙胺，15mL GMA及5g四丁基溴化铵在室温下反应72h，把上述溶液倒入500mL乙醇进行沉淀，去离子水透析48h，于-42℃冻干48h，得到双键改性度为12%的改性羧甲基壳聚糖（CS-GMA)；

称取上述制得的改性明胶0.24g和改性羧甲基壳聚糖0.03g，溶解于1.8mL的pH为7.4的PBS中，搅拌直至完全溶解。配制质量浓度为10%的光引发剂2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮（I2959）乙醇溶液，取该溶液54μL加入到上述PBS溶液及加入490μL PEGDMA，搅拌溶解。配制质量浓度为10%的OV-POSS的四氢呋喃溶液，取该溶液540μL到上述PBS溶液，超声分散，直至四氢呋喃挥发完毕。在365nm下紫外光照30min，得到明胶/羧甲基壳聚糖/POSS光交联水凝胶，该凝胶力学强度为1160±134kPa。