一种具有电活性的聚乙二醇基可注射水凝胶及其制备方法

摘要

本发明公开了一种具有电活性的聚乙二醇(PEG)基可注射水凝胶及其制备方法。具体地说，是利用碱性环境下聚乙二醇二缩水甘油醚(PEGDE)上的环氧基团与乙二胺(EDA)上的氨基进行开环反应，通过A2+B4反应后制备超支化的环氧基团封端的聚醚大分子(EHBPE)，随后再利用环氧基团的开环反应，将电活性小分子苯胺四聚体(AT)接枝到EHBPE上，最终得到一种具有电活性的接枝苯胺四聚体的端环氧基超支化结构聚醚大分子(AT‑EHBPE)交联剂。将AT‑EHBPE与巯基化透明质酸(HA‑SH)等体积混合后，就可以得到具有电活性的PEG基可注射水凝胶。这种凝胶制备方法简单，反应条件温和，生物相容性好，且可以通过控制苯胺四聚体的接枝率来调节凝胶的导电能力。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有电活性的聚乙二醇(PEG)基可注射水凝胶及其制备方法，更具体地说，是利用接枝苯胺四聚体的端环氧基超支化结构聚醚大分子(AT-EHBPE)上的环氧基团与巯基化透明质酸(HA-SH)上的巯基点击化学反应生成三维网络以制备可导电的水凝胶。

背景技术

水凝胶是指一种主链或支链含有大量亲水性基团，并被水溶胀具有三维网状结构的交联聚合物，它在水中溶胀而不溶解，既含有大量水分又能保持一定的形状。在外界物理和化学因素如温度、光、电、磁、声、力、pH值和化学物质等的刺激下，某些聚合物水凝胶的自身性质如相、体积、形状、光学、电场、力学、表面积、反应速率以及识别性能等将随之发生变化，同时对外做功，这种对外界环境变化具有刺激响应性的水凝胶称为智能水凝胶。智能水凝胶是集感知、驱动和信息处理于一体，形成类似于生物体、具有智能属性的一类功能材料。这些具有环境刺激响应行为特性的水凝胶材料在微环境传感领域具有广泛的应用前景。

近年来，导电水凝胶作为智能水凝胶家族的一员受到广泛关注。导电水凝胶在保持固相尺寸稳定性的前提下，显现了不同的电导率区间的特点，它可被应用在导电薄膜、涂层、电化促动器、传感器、化学阀、生物材料和人造肌肉等诸多方面；另一方面，作为一种天然和人工生物活性系统，它所具有的生物相容性使其在医药产品方面具有广泛的应用前景。

作为未带电亲水链段的聚乙二醇(PEG)，由于其生物相容性，已被广泛应用于构建化学或物理交联的水凝胶系统。以聚乙二醇(PEG)为基础的水凝胶已被用来作为细胞支架、粘合剂医疗应用以及递送载体，特别是以聚乙二醇(PEG)为基础的水凝胶具备柔性和可调控交联密度的特性，能应用于细胞包封和组织生长。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，旨在利用接枝苯胺四聚体的端环氧基超支化结构聚醚大分子(AT-EHBPE)上的环氧基团与巯基化透明质酸(HA-SH)上的巯基点击化学反应生成三维网络以制备具有电活性的聚乙二醇基可注射水凝胶。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现。

本发明的一种具有电活性的聚乙二醇基可注射水凝胶及其制备方法，按照下述步骤进行：

将接枝苯胺四聚体的端环氧基超支化结构聚醚大分子(AT-EHBPE)与巯基化透明质酸(HA-SH)按质量比(3-6):1混合均匀，以使接枝苯胺四聚体的端环氧基超支化结构聚醚大分子(AT-EHBPE)上的端环氧基与巯基化透明质酸(HA-SH)上的巯基发生点击反应，生成三维网状立体聚合物。

所述接枝苯胺四聚体的端环氧基超支化结构聚醚大分子(AT-EHBPE)采用质量百分浓度为5wt％的水溶液，巯基化透明质酸(HA-SH)采用质量百分浓度为1wt％的水溶液，二者按照体积比1:1共混；通过涡旋搅拌使反应充分进行；体系的pH值为7.4-7.6，成胶温度为36-38℃，成胶时间为5-10min。

所述接枝苯胺四聚体的端环氧基超支化结构聚醚大分子(AT-EHBPE)由下述步骤制备得到：

(1)将N-苯基对苯二胺的丙酮/盐酸溶液与过硫酸铵的水溶液混合均匀，在冰浴中进行反应以使N-苯基对苯二胺在过硫酸铵的氧化作用下发生偶联反应生成中间氧化态的苯胺四聚体；

(2)将聚乙二醇二缩水甘油醚的无水乙醇溶液和乙二胺的无水乙醇溶液混合均匀，聚乙二醇二缩水甘油醚和乙二胺的摩尔比为(2-5):1，密封环境下在油浴中进行反应以使聚乙二醇二缩水甘油醚分子链两端的环氧基团发生开环反应，再与乙二胺两端的氨基反应，生成端环氧基超支化结构聚醚；

(3)将步骤(1)生成的苯胺四聚体的二甲基甲酰胺溶液加入到步骤(2)的反应体系中，在油浴中进行反应，以使苯胺四聚体的氨基与步骤(2)生成的端环氧基超支化结构聚醚的环氧基反应，将苯胺四聚体接枝到端环氧基超支化结构聚醚上。

步骤(1)中丙酮、去离子水和浓盐酸的体积比为4:4:1；N-苯基对苯二胺和过硫酸铵在-5-0℃冰浴中搅拌反应3-4h；反应结束后进行抽滤，并依次用盐酸溶液、丙酮对沉淀物进行洗涤后，与氨水反应脱掺杂，再用去离子水洗涤。

步骤(2)中聚乙二醇二缩水甘油醚和乙二胺的摩尔比优选为(2.5-3):1；聚乙二醇二缩水甘油醚的数均分子量为500；聚乙二醇二缩水甘油醚与乙二胺在40-60℃油浴中反应1-3h。

步骤(3)中苯胺四聚体与步骤(2)中聚乙二醇二缩水甘油醚的摩尔比为1:1；苯胺四聚体与端环氧基超支化结构聚醚在40-60℃油浴中反应1-3h；反应结束后用冰乙醚和正己烷的混合溶剂提纯，除去产物中残留的乙醚和正己烷。

步骤(1)、(2)和(3)通过搅拌使反应充分进行，搅拌速度为800-1200rpm。

本发明的相关化学反应按照下述化学反应式进行。

本发明的有益效果是：本发明的端环氧基超支化结构聚醚大分子中一部分环氧基团上接枝的苯胺四聚体具有生物导电活性，且通过控制苯胺四聚体的接枝率，可以调节电导率的大小；剩余的环氧基团可与巯基化透明质酸上的巯基进行点击化学反应成胶，成胶时间可以通过调控AT-EHBPE的质量分数来进行控制，几秒钟到几分钟不等，并且可以通过调控AT-EHBPE的质量分数来控制成胶时间以达到可注射的要求，如成胶温度为36-38℃。这种凝胶制备方法简单，反应条件温和，生物相容性好，可以将本发明制得的具有电活性的聚乙二醇基可注射水凝胶应用于医学领域。

附图说明

图1是苯胺四聚体AT的核磁氢谱；

图2是具有导电活性的端环氧基超支化结构聚醚大分子AT-EHBPE的核磁氢谱；

图3为5wt％AT-EHBPE/HA-SH水凝胶的外貌图；

图4为5wt％AT-EHBPE/HA-SH水凝胶可以使5MM的变色LED发出亮光。

具体实施方式

下面是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明的范围。

准备实验所需使用的器具，清洗反应所用的单口圆底烧瓶、玻璃和塑料烧杯、恒压滴液漏斗以及磁子，并置于烘箱中烘干。用同样的方法清洗100mL的量筒、布氏漏斗和抽滤瓶并烘干。用分析天平称量1.84g N-苯基对苯二胺，置于单口圆底烧瓶后，放入磁子，再用量筒分别量取100mL丙酮、100mL去离子水和25mL 35％的浓盐酸置于烧瓶中，并于0℃冰浴中强搅拌0.5h使其充分溶解。在搅拌期间，用分析天平称量4.564g过硫酸铵并将其溶解在盛有25mL去离子水的烧杯中，待充分溶解后将溶液倒入50mL规格的恒压滴液漏斗中，随后按照3秒每滴的速率将过硫酸铵水溶液缓慢滴加进圆底烧瓶中，待滴加完全后，保持冰浴条件继续强搅拌反应3h。随后将反应物抽滤并将得到的产物使用200mL 0.6mol/L的盐酸洗涤2遍后再抽滤，使用200mL丙酮洗涤产物2遍后抽滤，将产物置于烧杯中，向其中加入200mL0.5mol/L的氨水反掺杂2h，抽滤后将产物用600mL去离子水洗涤3遍，最后抽滤将得到的产物置于40℃烘箱中干燥48h，将干燥后得到的苯胺四聚体(AT)装入小玻璃瓶中保存。

分别用分析天平称取1.5g聚乙二醇二缩水甘油醚-500(PEGDE-500)、0.07212g乙二胺(EDA)和1.098g苯胺四聚体(AT)，将药品分别置于塑料离心管中，用移液枪量取4.430mL无水乙醇、1.735mL无水乙醇和3.990mL二甲基甲酰胺(DMSO)分别加入上述离心管中，涡旋使其充分溶解。

设置好油浴锅的温度(50℃)和转速(1000rpm)，向单口烧瓶中加入配制好的PEGDE-500溶液和EDA溶液并装上瓶塞同时充分搅拌混合均匀，将单口烧瓶置于油浴锅中。用密封膜缠结瓶口，反应2h。

反应2h后，打开瓶塞向其中加入配制好的AT溶液，塞上瓶塞后继续反应2h。

反应结束后关闭油浴锅，戴上布手套取出单口烧瓶，用洁净的卫生纸将其擦干，打开瓶口用磁铁吸出小磁子并使装置冷却。与此同时将乙醚置于-20℃中冰镇20min。随后向塑料烧杯中加入100mL冰乙醚和50mL正己烷并放入磁子，使用滴管吸取冷却后的溶液逐滴加入塑料烧杯中，同时开启磁力搅拌使其相互混合均匀。滴加完全后关闭搅拌，静置15min，可以观察到塑料烧杯中出现很明显的分层现象，此时用滴管吸出上层的液体，再加入30mL冰乙醚和15mL正己烷，重复上述操作三次。

用滴管将塑料烧杯中的黑色粘稠液体转移到塑料离心管中，用吹风机向其中吹风2min，加速乙醚和正己烷的挥发，之后用保鲜膜将其密封，置于真空干燥箱中2h后取出。

密封塑料离心管，置于-80℃下保存备用。

将AT-EHBPE配制成5wt％的水溶液，将HA-SH配制成1wt％的水溶液，按照体积比1:1共混，涡旋静置6min即得到水凝胶。

利用

由图1可见，从谱中可以很明显地观察到苯胺四聚体上苯基封端一侧苯环上的氢原子在7.3ppm处的吸收峰、苯环间氨基上的氢原子在7.1ppm处的吸收峰、苯环上的氢原子在6.7ppm处的吸收峰和氨基封端一侧氨基上的氢原子在5.6ppm处的吸收峰，由此核磁氢谱可证明苯胺四聚体成功合成。

由图2可见，从谱中可以看出AT-EHBPE上的苯胺四聚体在7.0ppm左右处的吸收峰和4.5ppm处环氧基团开环形成的羟基吸收峰，由此证明苯胺四聚体成功接枝到端环氧基超支化结构聚醚大分子上，即成功合成了具有电活性的端环氧基超支化聚醚大分子AT-EHBPE。

图3为本发明实施例制备得到的水凝胶，将其作为电线的一部分与LED灯相连，然后再通过电线与电源相连，由图4可见，本发明实施例制得的水凝胶可使5MM变色LED发出亮光，即制得的水凝胶具有导电活性。

根据本发明内容进行工艺参数的调整，均可实现具有电活性的聚乙二醇基可注射水凝胶的制备，且表现出与本发明实施例基本一致的性能。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。