一种原位快速形成可注射超分子结构水凝胶的制备方法及其应用

摘要

本发明提供了一种原位快速形成可注射超分子结构水凝胶的制备方法，包括如下步骤：室温下，将质量百分比浓度为8～12.7％的环糊精水溶液与质量百分比浓度为1～20％的水溶性聚己内酯－聚乙二醇－聚己内酯三嵌段共聚物的水溶液混合，凝胶原位迅速形成，即得到可注射超分子结构水凝胶，且该凝胶具有剪切变稀特性。本发明具有快速凝胶化、室温成形、不涉及任何化学交联反应及有机溶剂的使用，获得的水凝胶具有优良的生物降解性和生物相容性，可望在生物医学工程领域得到应用。

说明书

                          技术领域

本发明属于生物医学工程材料领域，特别涉及一种原位快速形成可注射超分子结构水凝胶的制备方法及其应用。

                          背景技术

聚合物水凝胶由于具有良好的生物相容性、溶胀性及载药不失活等特性，在药物(控制)释放及组织工程中得到了广泛的应用。依据网络连接方式的不同，水凝胶可分为化学凝胶和物理凝胶。化学凝胶是在化学交联剂或引发剂作用下，通过化学反应形成共价键连接而成的，当其成形后植入或注射后再反应成形，其中残存的交联剂或引发剂具有一定的毒性作用，而且在体内进行化学反应往往会引起组织炎症或损伤。物理凝胶则是通过非共价键相互作用，如氢键、疏水作用、链缠结及结晶等作用形成，避免了化学溶剂的使用及交联剂及其相关化学反应，因而备受青睐。

近年来，原位形成的可注射物理凝胶由于可注射到特定部位释药及可充满任何形状的受损组织而在药物(控制)释放及组织工程等领域受到广泛关注。异丙基丙烯酰胺均聚物和共聚物以及聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯共聚物(PEO-PPO-PEO)是典型的热敏聚合物，当温度高于最低临界互溶温度(LCST)以上时，可发生从溶液到凝胶的相转变，因而可作为药物释放的载体。但是这类聚合物有毒，且非生物降解，应用受到一定的限制。

Jeong等(Jeong B，Bae Y H，Lee D S，Kim S W.Biodegradable blockcopolymers as drug delivery systems，Nature，1997，388：860-862)报道了利用聚乙二醇与聚乳酸的嵌段共聚物制备热敏性可生物降解水凝胶的方法。这些共聚物的水溶液在45℃时为溶液状态，当注射到人体降到体温时，载药聚合物溶液原位形成凝胶因而可作为药物持续释放的基材。但是在实际应用中，溶胶-凝胶转变温度受嵌段共聚物组成的严格控制，因而给应用带来不便。

专利WO 02094324及US 2002019369公开了由高分子量聚氧乙烯或聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯与α-环糊精在水溶液中通过超分子自组装形成水凝胶作为药物释放体系的方法。该超分子结构水凝胶可在水溶液中由α-环糊精与聚氧乙烯链段通过非共价键作用形成结晶包合物而得到，因而避免了化学交联剂及相关化学反应，也不涉及任何化学溶剂的使用，且具有有利于注射的剪切变稀，作为药物释放载体具有广阔的应用前景。但是，该体系仍存在以下不足：①客体聚合物为非生物降解性基材；②制备条件要求苛刻(如聚合物平均分子量及质量百分浓度较高等)；③凝胶形成时间较长。

                          发明内容

为了解决上述现有技术中存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种原位快速形成可注射超分子结构水凝胶的制备方法，该凝胶制备方法简单，所制备的水凝胶具有优良的生物降解性和生物相容性，且具备可注射性，应用方便、快捷。

本发明的另一目的在于提供上述制备方法制备的原位快速形成可注射超分子结构水凝胶在生物医学工程材料领域中的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种原位快速形成可注射超分子结构水凝胶的制备方法，包括如下步骤：室温下，将质量百分比浓度为8～12.7％的环糊精水溶液与质量百分比浓度为1～20％的水溶性聚己内酯-聚乙二醇-聚己内酯三嵌段共聚物的水溶液混合，凝胶原位迅速形成，即可得到可注射超分子结构水凝胶。

为了更好地实现本发明，所述环糊精水溶液为α-环糊精水溶液。所述环糊精单体∶己内酯单元的摩尔比为0.5～2∶1。其中超分子结构水凝胶在水介质中形成，也可以在可注射盐溶液(如0.9％的生理盐水)中形成，还可以在含有各种缓冲试剂和/或防腐剂中形成，缓冲试剂如碱金属碳酸盐、磷酸盐、醋酸盐、琥珀酸盐或柠檬酸盐等；防腐剂如亚硫酸氢钠、抗坏血酸盐或苯甲醇等。

所述水溶性聚己内酯-聚乙二醇-聚己内酯三嵌段共聚物的合成方法为：在经甲苯共沸除水的聚乙二醇中，在氩气保护下加入经氢化钙浸泡并蒸馏的己内酯单体，再加入0.01～0.5％(聚乙二醇与己内酯单体总质量)的辛酸亚锡，然后减压抽空后再通氩气，如此循环2～3次，最后在氩气保护下，于110～135℃下反应12～30h，得到的产物以三氯甲烷溶解，并以无水乙醚沉淀，过滤，于25～60℃真空干燥至恒重，即合成得水溶性聚己内酯-聚乙二醇-聚己内酯三嵌段共聚物。所述水溶性聚己内酯-聚乙二醇-聚己内酯三嵌段共聚物还可采用以无水四氢呋喃或甲苯为溶剂的溶液聚合方法得到。

所述合成的水溶性聚己内酯-聚乙二醇-聚己内酯三嵌段共聚物，其中聚己内酯的质量百分含量为5～25％。

所述合成的水溶性聚己内酯-聚乙二醇-聚己内酯三嵌段共聚物，其中聚乙二醇的平均分子量为2000～20000，优选的平均分子量范围为4000～10000。

本发明通过控制己内酯单体与聚乙二醇的摩尔投料比，在氩气保护及搅拌下，以聚乙二醇与辛酸亚锡为共引发剂，引发己内酯单体开环聚合，于110℃～135℃反应12～30h，制备系列可生物降解且具有良好生物相容性的水溶性聚己内酯-聚乙二醇-聚己内酯两亲三嵌段共聚物。水溶性聚己内酯-聚乙二醇-聚己内酯三嵌段共聚物也可采用以无水四氢呋喃或甲苯为溶剂的溶液聚合方法得到。其次，1～20％质量百分浓度、5～25％聚己内酯含量的该两亲三嵌段共聚物水溶液(A组分)与一定计量(即环糊精单体∶己内酯单元的摩尔比为0.5～2∶1)、质量百分浓度为8～12.7％的环糊精水溶液(B组分)，可通过将A与B组分混合，即可快速原位形成新型超分子结构水凝胶，所得到的超分子结构水凝胶具备可注射性。

由上述方法制备的可注射超分子结构水凝胶可广泛地应用于生物医学工程材料领域(如作为可注射药物释放载体或可注射组织工程支架等)。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：在聚己内酯-聚乙二醇-聚己内酯三嵌段共聚物合成时，通过控制己内酯单体与聚乙二醇的摩尔投料比，得到水溶性可生物降解两亲嵌段共聚物。在室温下，质量百分比浓度为1～20％的嵌段共聚物水溶液与一定计量、质量百分比浓度为8～12.7％的α-环糊精水溶液混合时即可迅速原位形成不同强度、满足不同需求的可注射超分子结构水凝胶。本技术与已公开的相关专利相比较结果见表1。

                        表1  本专利与已公开相关专利特点对比

  本专利  WO 02094324与US 2002019369  原料  可生物降解的聚己内酯-聚乙二醇  -聚己内酯三嵌段共聚物  非生物降解聚乙二醇及聚氧化乙烯-聚氧  化丙烯-聚氧化乙烯嵌段共聚物  聚乙二醇平  均分子量  2000～20,000  6000～100,000  温度  室温  40℃恒温1h，再置于4℃冰箱过夜  聚合物浓度  1～20％  40％  凝胶化速度  两种溶液混合的同时，凝胶瞬时  原位形成，应用时方便、快捷。  冰箱中过夜放置  凝胶强度  可通过嵌段共聚物的浓度及嵌段  共聚物中聚乙二醇组分的平均分  子量进行调控  未作说明

本发明在下述方面具有不同于传统水凝胶的优点：

(1)凝胶过程在水介质中进行，也可以在可注射盐溶液(如0.9％的生理盐水)中形成，还可以含有各种缓冲试剂和/或防腐剂，但不含任何化学溶剂。

(2)凝胶通过非共价键的超分子作用形成，不涉及任何化学交联剂与相关化学反应。

(3)可在室温下瞬时形成，凝胶化速度快。

(4)凝胶强度可通过嵌段共聚物的浓度及嵌段共聚物中聚乙二醇组分的平均分子量进行调控。

(5)所采用的原料为生物相容性良好且可生物降解的聚己内酯-聚乙二醇-聚己内酯三嵌段共聚物，所形成的凝胶具有良好的生物相容性及可生物降解性。

(6)在较低共聚物浓度及使用较低分子量聚乙二醇情况下均能原位快速形成超分子结构水凝胶，可避免人体难以排出体外的高分子量聚乙二醇的使用。

(7)凝胶制备操作简单，且具备可注射性，应用方便、快捷。

                         附图说明

图1为本发明超分子结构水凝胶的广角X衍射谱图。

图2为本发明超分子水凝胶的储存模量与频率的关系图。

图3为本发明超分子结构水凝胶的粘度与剪切速率的关系图。

                       具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

向50ml洁净的单口圆底烧瓶中加入12g经甲苯共沸除水的聚乙二醇(平均分子量为6000)，在氩气保护下，加入3.2g经氢化钙浸泡并蒸馏的己内酯单体及8mg辛酸亚锡，抽真空10min后通入氩气，并反复抽空—通气3次，最后在氩气保护及磁力搅拌下，于125℃反应18h，所得产物溶于三氯甲烷，以无水乙醚沉淀，过滤，在30℃真空干燥至恒重，即得到水溶性聚己内酯-聚乙二醇-聚己内酯两亲三嵌段共聚物。

室温下，取上述干燥好的嵌段共聚物0.1g溶于1.9g蒸馏水中配制成5％的聚合物溶液，搅拌下向其中加入1.5g 12％的α-环糊精水溶液，则可迅速得到可注射性超分子结构水凝胶A。

实施例2

向100ml洁净的单口圆底烧瓶中加入40ml甲苯及12g聚乙二醇(平均分子量为6000)，共沸蒸馏出20ml甲苯(除聚乙二醇中微量水)，冷却至50℃后在氩气保护下加入3.2g经氢化钙浸泡并蒸馏的己内酯单体及10mg辛酸亚锡，抽真空10min后通入氩气，并反复抽空—通气2次，在氩气保护及磁力搅拌下，于110℃下回流反应28h，反应物冷却后以无水乙醚沉淀，过滤，在45℃真空干燥至恒重，即得到水溶性聚己内酯-聚乙二醇-聚己内酯两亲三嵌段共聚物。

室温下，取上述干燥好的嵌段共聚物0.1g溶于0.9g 0.9％生理盐水中配制成10％的聚合物溶液，搅拌下加入到1.8g 10％的α-环糊精水溶液，则可迅速得到可注射性超分子结构水凝胶B。

实施例3

向50ml洁净的单口圆底烧瓶中加入10g经甲苯共沸除水的聚乙二醇(平均分子量为10,000)，在氩气保护下，加入2.05g经氢化钙浸泡并蒸馏的己内酯单体及12mg辛酸亚锡，抽真空10min后通入氩气，并反复抽空—通气3次，最后在氩气保护及磁力搅拌下，于125℃反应18h，所得产物溶于三氯甲烷，以无水乙醚沉淀，过滤，在25℃真空干燥至恒重，即得到水溶性聚己内酯-聚乙二醇-聚己内酯两亲三嵌段共聚物。

室温下，取上述干燥好的嵌段共聚物0.1g溶于1.9g生理盐水中(含2mg磷酸钾及1mg抗坏血酸钠)配制成5％的聚合物溶液，搅拌下，将1.45g 10％的α-环糊精水溶液与上述聚合物水溶液同时混合，则可迅速得到可注射性超分子结构水凝胶C。

实施例4

向50ml洁净的单口圆底烧瓶中加入10g经甲苯共沸除水的聚乙二醇(平均分子量为10,000)，在氩气保护下，加入2.05g经氢化钙浸泡并蒸馏的己内酯单体及12mg辛酸亚锡，抽真空10min后通入氩气，并反复抽空—通气3次，最后在氩气保护及磁力搅拌下，于130℃反应16h，所得产物溶于三氯甲烷，以无水乙醚沉淀，过滤，在50℃真空干燥至恒重，即得到水溶性聚己内酯-聚乙二醇-聚己内酯两亲三嵌段共聚物。

室温下，取上述干燥好的嵌段共聚物0.1g溶于0.9g蒸馏水中配制成10％的聚合物水溶液，搅拌下向上述聚合物水溶液中加入1.21g 12％的α-环糊精水溶液(含4mg柠檬酸钠及1mg亚硫酸氢钠)，则可迅速得到可注射性超分子结构水凝胶D。

实施例5

向100ml洁净的单口圆底烧瓶中加入50ml甲苯及12g聚乙二醇(平均分子量为20,000)，共沸蒸馏出20ml甲苯(除聚乙二醇中微量水)，冷却至50℃后在氩气保护下加入1.50g经氢化钙浸泡并蒸馏的己内酯单体及13mg辛酸亚锡，抽真空10min后通入氩气，并反复抽空—通气3次，在氩气保护及磁力搅拌下，110℃回流反应24h，反应物冷却后以无水乙醚沉淀，过滤，在40℃真空干燥至恒重，即得到水溶性聚己内酯-聚乙二醇-聚己内酯两亲三嵌段共聚物。

室温下，取上述干燥好的嵌段共聚物0.1g溶于1.9g蒸馏水中配制成5％的聚合物水溶液，搅拌下向上述聚合物水溶液中加入1.19g 8％的α-环糊精水溶液，则可迅速得到可注射性超分子结构水凝胶E。

实施例6

向100ml洁净的单口圆底烧瓶中加入30ml干燥的四氢呋喃及12g经甲苯共沸除水的聚乙二醇(平均分子量为20,000)，在氩气保护下加入1.50g经氢化钙浸泡并蒸馏的己内酯单体及13mg辛酸亚锡，抽真空10min后通入氩气，并反复抽空—通气3次，在氩气保护及磁力搅拌下，80℃回流反应30h，以无水乙醚沉淀，过滤，在60℃真空干燥至恒重，即得到水溶性聚己内酯-聚乙二醇-聚己内酯两亲三嵌段共聚物。

室温下，取上述干燥好的嵌段共聚物0.1g溶于4.9g蒸馏水中(含3mg琥珀酸钠及2mg抗坏血酸钾)配制成2％的聚合物水溶液，搅拌下将上述聚合物水溶液中加入到0.79g 12％的α-环糊精水溶液，则可迅速得到可注射性超分子结构水凝胶F。

实施例7

向50ml洁净的单口圆底烧瓶中加入12g经甲苯共沸除水的聚乙二醇(平均分子量为2000)，在氩气保护下，加入4.0g经氢化钙浸泡并蒸馏的己内酯单体及1.6mg辛酸亚锡，抽真空10min后通入氩气，并反复抽空—通气3次，最后在氩气保护及磁力搅拌下，于120℃反应29h，所得产物溶于三氯甲烷，以无水乙醚沉淀，过滤，在35℃真空干燥至恒重，即得到水溶性聚己内酯-聚乙二醇-聚己内酯两亲三嵌段共聚物。

室温下，取上述干燥好的嵌段共聚物0.2g溶于0.8g蒸馏水中配制成20％的聚合物溶液，搅拌下向其中加入2.2g 10％的α-环糊精水溶液，则可迅速得到可注射性超分子结构水凝胶G。

实施例8

向100ml洁净的单口圆底烧瓶中加入50ml干燥的四氢呋喃及14g经甲苯共沸除水的聚乙二醇(平均分子量为20,000)，在氩气保护下加入0.64g经氢化钙浸泡并蒸馏的己内酯单体及73mg辛酸亚锡，抽真空10min后通入氩气，并反复抽空—通气3次，在氩气保护及磁力搅拌下，80℃回流反应30h，反应物冷却后以无水乙醚沉淀，过滤，在60℃真空干燥至恒重，即得到水溶性聚己内酯-聚乙二醇-聚己内酯两亲三嵌段共聚物。

室温下，取上述干燥好的嵌段共聚物0.1g溶于0.57g蒸馏水中(含2mg琥珀酸钠)配制成15％的聚合物水溶液，搅拌下将上述聚合物水溶液中加入到0.69g 8％的α-环糊精水溶液，则可迅速得到可注射性超分子结构水凝胶H。

实施例9

向100ml洁净的单口圆底烧瓶中加入30ml甲苯及12g聚乙二醇(平均分子量为4,000)，共沸蒸馏出10ml甲苯(除聚乙二醇中微量水)，冷却至50℃后在氩气保护下加入3.76g经氢化钙浸泡并蒸馏的己内酯单体及63mg辛酸亚锡，抽真空10min后通入氩气，并反复抽空—通气3次，在氩气保护及磁力搅拌下，110℃回流反应28h，反应物冷却后以无水乙醚沉淀，过滤，在25℃真空干燥至恒重，即得到水溶性聚己内酯-聚乙二醇-聚己内酯两亲三嵌段共聚物。

室温下，取上述干燥好的嵌段共聚物0.1g溶于0.49g蒸馏水中配制成17％的聚合物水溶液，搅拌下向上述聚合物水溶液中加入4.07g 10％的α-环糊精水溶液，则可迅速得到可注射性超分子结构水凝胶I。

图1为超分子结构水凝胶A、B、E的广角X衍射谱图(所对应的编号与实施例中编号一致)，从图谱中可以看出水凝胶在19.8度处均有一强的结晶峰，此结晶峰对应环糊精“穿过”嵌段共聚物链与聚合物通过超分子作用形成的多准轮烷的结晶峰(Harada A，Kamachi M.Complex formation betweenpoly(ethylene glycol)and α-cyclodextrin，Macromolecules，1990，23：2821-2823)，环糊精与嵌段共聚物在水溶液中正是通过超分子结晶多准轮烷作为物理交联点而形成超分子结构水凝胶。

图2为超分子水凝胶的储存模量与频率的对应关系(所对应的编号与实施例中编号一致)，储存模量反映水凝胶的力学强度，从图2中可以看到，当嵌段共聚物的浓度相同时，随着嵌段共聚物中聚乙二醇平均分子量(C、A、E对应的聚乙二醇的分子量分别为6000，10,000及20,000)的增加，水凝胶的强度增加；当嵌段共聚物中聚乙二醇平均分子量相同时，随着共聚物浓度的增加(如A与B，C与D)，水凝胶的强度增加。因此，水凝胶的强度可通过嵌段共聚物的浓度及嵌段共聚物中聚乙二醇组分的平均分子量进行调节。

图3为超分子结构水凝胶的粘度随剪切速率的变化关系(所对应的编号与实施例中编号一致)，从图中可以看出，水凝胶具有显著的剪切变稀的特性，因此可选择适当的注射器进行注射，可望应用于可注射药物释放载体及可注射组织工程支架等生物医学工程领域。