多重交聯多糖可注射型水凝膠制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種多重交聯多糖可注射型水凝膠制備方法，以改性后具有羧基或羥基基團的水溶性殼聚糖作為第一組分，以醛基化改性的多糖類高分子或多糖類高分子混合物作為第二組分，通過兩種改性的組分間的靜電作用和希夫堿反應，獲得具有多重交聯網絡結構的水凝膠。本發明制備的可注射水凝膠成膠時間在5~200s之間，具有良好的機械性能。通過改變殼聚糖及多糖的改性率、兩組分的摩爾比以及水凝膠的固含量可以對成膠時間、力學強度、微觀形貌、含水量進行調控。凝膠網絡內部含有的大量氨基、羧基、醛基等活性基團可通過共價鍵與藥物及蛋白結合，作為生物相容性優良的新型醫用材料，在再生醫學、組織工程、藥物控釋等領域有良好的應用前景。
【專利說明】多重交聯多糖可注射型水凝膠制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種水凝膠制備方法，特別是可注射型水凝膠制備方法，應用于再生醫學、組織工程、藥物控釋等【技術領域】。
【背景技術】
[0002]水凝膠是親水的聚合物網絡，它能夠吸收大量的水分，但由于聚合物鏈間的物理交聯和化學交聯作用而不會溶解于水中，只能溶漲且保持一定的形狀。水凝膠具有良好的生物相容性、水滲透性，通過人工合成可得到不同微觀結構和性能的水凝膠材料，這些性質使水凝膠在生物醫學領域獲得了廣泛的應用。在再生醫學領域，可注射水凝膠的研究尤其引人注目。可注射水凝膠可用于生物活性分子控釋、細胞的包埋以及用作組織支架材料等方面。水凝膠在體內原位形成，這樣就可避免外科手術過程中的高度創傷性，加速愈合、減少病人痛苦、降低醫療費用。特別當用于修復復雜形狀的組織時，可注射水凝膠具有自適應性，可體溫固化，這是一般水凝膠不可比擬的。可以說，可注射水凝膠是未來生物醫用材料應用發展的重要方向之一。
[0003]可注射水凝膠按形成機理可分為物理交聯水凝膠和化學交聯水凝膠。物理交聯水凝膠的分子鏈通過非共價鍵連接，如范德華作用、離子作用、氫鍵作用和疏水作用等一些次價力作用所形成的交聯網狀結構，而這些水凝膠一般都可以由溶膠-凝膠狀態之間相互轉變。但是物理交聯作用力較弱，容易在PH值、離子強度等外界條件發生變化時遭到破壞，機械性能較差，故在實際應用上受到一定的限制。化學交聯水凝膠則通過交聯劑使分子鏈由共價鍵作用形成三維交聯的網絡結構，性能較物理交聯水凝膠穩定，具有較高的交聯密度和較好的機械性能，并且能夠通過調節交聯劑的用量來控制凝膠的交聯度和溶脹度。但化學交聯水凝膠使用有一定毒副作用的低分子交聯劑或者改性劑，不可避免地帶來生物相容性問題。
[0004]可注射水凝膠的材料來源主要分為合成和天然高分子。后者包括蛋白質和多糖，具有細胞外基質類似的生化結構與組成，生物相容性好，價格低廉，材料來源廣泛。殼聚糖是一種天然的氨基葡萄糖聚合物，帶正電荷，其結構與細胞外基中多糖相似，在體內的降解產物為氨基葡萄糖單體，能被人體所吸收。此外，殼聚糖還具有良好的生物相容性，對組織無不良反應，并且來源廣泛，價格便宜，在組織工程中應用廣泛。由于其分子內、分子間的氫鍵作用，使其呈緊密的晶態結構，所以不溶于水和大多數有機溶劑。溶解性差成為限制殼聚糖應用的主要因素。
【發明內容】
[0005]為了解決現有技術問題，本發明的目的在于克服已有技術存在的不足，提供一種多重交聯多糖可注射型水凝膠制備方法，以殼聚糖為主要組分，以多糖類高分子或多糖類高分子混合物作為第二組分，對兩組分進行改性，通過席夫堿反應及靜電作用獲得機械性能好、生物相容性良好并且能夠快速成型的可注射用殼聚糖多重交聯水凝膠。本發明對殼聚糖進行水溶性改性，使其能夠應用于低成本和安全的可注射水凝膠體系。
[0006]為達到上述發明創造目的，本發明采用下述技術方案:
一種多重交聯多糖可注射型水凝膠制備方法，以經過化學改性后具有羧基基團或羥基基團的水溶性殼聚糖作為第一組分，以進行醛基化化學改性的多糖類高分子或進行醛基化化學改性的多糖類高分子混合物作為第二組分，通過兩種改性的組分之間的靜電作用和希夫堿反應，獲得具有多重交聯網絡結構的水凝膠。
[0007]作為本發明優選的技術方案，分別制備質量濃度為0.5~3wt%的改性殼聚糖水溶液和質量濃度為0.5~3wt%的醛基化改性多糖水溶液，分別作為第一組分和第二組分，將兩組分以體積比9:1~1:9混合，通過兩種改性的組分之間的靜電作用和希夫堿反應，獲得具有多重交聯網絡結構的水凝膠。
[0008]作為本發明更加優選的技術方案，以羥基酸類改性劑或酸酐類改性劑對殼聚糖進行化學改性，獲得具有羧基基團或羥基基團的水溶性殼聚糖，羥基酸類改性劑采用羥基乙酸、乳酸或乳糖酸，酸酐類改性劑采用丁二酸酐、戊二酸酐或己二酸酐。
[0009]作為上述技術方案的第一種優選方案，配制質量百分比濃度為0.1~1被％的殼聚糖水溶液，按改性劑與殼聚糖重復單元摩爾比0.5:1~6:1，向殼聚糖水溶液中加入羥基酸類改性劑之后，按N-羥基琥珀酰亞胺或1-羥基苯并三唑與殼聚糖重復單元摩爾比為
0.5:1~3:1的加到上述溶液中溶解，調節溶液pH為4~7，加入活化劑1-乙基_3_(3_ 二甲胺基丙基)碳二亞胺鹽酸鹽，按照1-乙基-3- (3- 二甲胺基丙基)碳二亞胺鹽酸鹽與N-羥基琥珀酰亞胺摩爾比為0.5:1~5:1，將活化劑加入殼聚糖水溶液體系。使殼聚糖水溶液體系反應進行l~48h之后，將殼聚糖水溶液體系的pH值調至7，然后產物透析凍干，即得到經過羥基酸類改性的具有羥基基團的水溶性殼聚糖。N-羥基琥珀酰亞胺或1-羥基苯并三唑并不是羥基酸類改性劑，是一種輔助活化劑，來作為活化劑1-乙基-3-(3-二甲胺基丙基)碳二亞胺鹽酸鹽的補充，起提高活化效率的作用。
[0010]作為上述技術方案的第二種優選方案，配制質量百分比濃度為0.l~lwt%的殼聚糖水溶液，按改性劑與殼聚糖重復單元摩爾比0.5:1~6:1，向殼聚糖水溶液中加入酸酐類改性劑，使殼聚糖水溶液體系反應進行10~48h之后產物丙酮沉淀，將殼聚糖水溶液體系的pH值調至7，然后將產物透析凍干，即得到經過酸酐類改性的具有羥基基團的水溶性殼聚糖。
[0011]作為上述技術方案的優選方案，采用氧化劑，對重復單元含鄰羥基或相鄰羥基/氨基的多糖進行氧化改性，得到醛基化改性的多糖衍生物。
[0012]作為上述技術方案的更加優選方案，配制質量百分比濃度為0.l~lwt%的多糖類高分子水溶液，加入氧化劑，氧化劑與多糖高分子重復單元摩爾比為0.1:1~1: 1，在避光條件下反應l~5h之后，再向多糖類高分子水溶液體系中加入乙二醇，乙二醇與氧化劑摩爾比為1:1~2:1，然后將改性產物透析凍干，即得到醛基化改性的多糖衍生物。
[0013]上述氧化劑優選采用高碘酸鈉、重鉻酸鉀、雙氧水或亞硫酸鈉。
[0014]上述多糖類高分子優選采用羧甲基殼聚糖、透明質酸、羧甲基纖維素或海藻酸鈉。
[0015]本發明與現有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著優點:
1.本發明針對化學交聯水凝膠和物理交聯水凝膠的缺陷，制備了基于靜電作用及希夫堿化學交聯的可注射水凝膠，對殼聚糖進行化學改性，引入羧基、羥基等基團，制備在中性條件下溶解的水溶性殼聚糖，將羧酸鹽類多糖進行部分氧化處理，得到醛基化多糖衍生物，通過改性殼聚糖上的氨基與醛基化多糖衍生物上的醛基之間的席夫堿反應以及氨基與多糖上羧基之間的靜電作用，成功制備得到了殼聚糖可注射水凝膠；
2.本發明制備的水凝膠可有效避免小分子交聯劑的使用，提高了水凝膠的生物相容性，同時可增強單一作用水凝膠的穩定性和機械強度；
3.本發明制備的可注射水凝膠成膠時間在5~200s之間，采用多重交聯的成膠工藝，使得該水凝膠具有良好的機械性能，通過改變殼聚糖及多糖的改性率、兩組分的摩爾比以及水凝膠的固含量可以對成膠時間、力學強度、微觀形貌、含水量進行調控；
4.本發明制備的水凝膠的凝膠網絡內部含有的大量氨基、羧基、醛基等活性基團，可以通過共價鍵與藥物及蛋白結合；
5.本發明制備的水凝膠作為一種新型的生物相容性優良的新型醫用材料，在組織工程、藥物控釋、再生醫學等領域有良好的應用前景。
【具體實施方式】
[0016]本發明的優選實施例詳述如下:
實施例一:
在本實施例中，一種多重交聯多糖可注射型水凝膠制備方法，其制備過程如下:
稱取0.3g殼聚糖，溶于10ml水中，加入0.264mL乳酸，待完全攪拌溶解后，加入bl.羥基琥珀酰亞胺0.424g，調節pH至4.8，1-乙基_ (3- 二甲基氨基丙基)碳酰二亞胺鹽酸鹽
1.4118，反應361!，將？!1調到7.0。產物透析凍干;稱取海藻酸2.5g加入到50mL的水中，在水浴中攪拌溶解，待完全溶解后，加入高碘酸鈉1.08g,在避光條件下反應3h，加入600 μ L乙二醇終止反應。產物透析凍干。分別將改性殼聚糖和海藻酸配制成0.5被％的水溶液，等體積混合，156s后得到水凝膠，儲能模量為132 pa。
[0017]本實施例通過靜電作用和希夫堿化學交聯制備具有多重交聯結構的水凝膠，并賦予其良好的機械性能。通過改變殼聚糖及另一組分多糖的改性率、兩組分的摩爾比以及水凝膠的固含量可以對成膠時間、力學強度、微觀形貌、含水量進行調控。凝膠網絡內部含有的大量氨基和醛基等活性基團可以通過共價鍵與藥物及蛋白結合。
[0018]實施例二:
本實施例與實施例一基本相同，特別之處在于:
在本實施例中，稱取0.3g殼聚糖，溶于10mL水中，加入0.132mL羥基乙酸，逐步滴加一定量鹽酸至殼聚糖完全溶解后，加入斧羥基琥珀酰亞胺0.424g，調節pH至4.7，1-乙基-(3- 二甲基氨基丙基)碳酰二亞胺鹽酸鹽1.41 lg，反應48h后，將pH調到7.0。產物透析凍干；稱取透明質酸鈉2.5g加入到50mL的水中，在水浴中攪拌溶解，待完全溶解后，加入高碘酸鈉1.08g，在避光條件下反應4h，加入600 μ L乙二醇終止反應。產物透析凍干。分別將改性殼聚糖和透明質酸鈉配制成lwt%的水溶液，等體積混合，70s后得到水凝膠，儲能模量為257 pa。
[0019]實施例三:
本實施例與前述實施例基本相同，特別之處在于:
在本實施例中，稱取0.3g殼聚糖，溶于10mL水中，加入0.132mL乳酸，逐步滴加一定量鹽酸至殼聚糖完全溶解后，加入斧羥基琥珀酰亞胺0.636g，調節pH至4.7，1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亞胺鹽酸鹽2.116g，反應48h后，將pH調到7.0。產物透析凍干；稱取羧甲基殼聚糖2.5g加入到50mL的水中，在水浴中攪拌溶解，待完全溶解后，力口入高碘酸鈉1.08g,在避光條件下反應3h，加入600 μ L乙二醇終止反應。產物過濾，丙酮沉降，再溶解透析凍干。分別將兩種改性殼聚糖制成lwt%的水溶液，等體積混合，113s后得到水凝膠，儲能模量為195 pa。
[0020]實施例四:
本實施例與前述實施例基本相同，特別之處在于:
在本實施例中，稱取0.3g殼聚糖，溶于10mL醋酸水溶液中，醋酸水溶液的質量濃度lwt%，加入0.6738mL 丁二酸酐，反應24h，再將pH調到7.0。產物過濾，透析凍干；稱取羧甲基纖維2.5g加入到50mL的水中，在水浴中攪拌溶解，待完全溶解后，加入高碘酸鈉1.62g，在避光條件下反應lh，加入800 μ L乙二醇終止反應。產物透析凍干。分別將改性殼聚糖和羧甲基纖維素配制成3被％的水溶液，等體積混合，18s后得到水凝膠，儲能模量為1528 pa。
[0021]實施例五:
本實施例與前述實施例基本相同，特別之處在于:
在本實施例中，稱取0.3g殼聚糖，溶于10mL水中，加入0.132mL乳酸，逐步滴加一定量鹽酸至殼聚糖完全溶解后，加入斧羥基琥珀酰亞胺0.636g，調節pH至4.7，1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亞胺鹽酸鹽2.1168，反應481!，再將？!1調到7.0。產物過濾，透析凍干；稱取海藻酸鈉2.5g加入到50mL的水中，在水浴中攪拌溶解，待完全溶解后，加入高碘酸鈉1.08g，在避光條件下反應lh，加入600 μ L乙二醇終止反應。產物透析凍干。分別將改性殼聚糖和海藻酸鈉配制成2.5wt%的水溶液，以體積2:8混合，65s后得到水凝膠，儲能模量為912 pa。
[0022]本發明不限于上述實施例，還可以根據本發明的發明創造的目的做出多種變化，凡依據本發明技術方案的精神實質和原理下做的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，只要符合本發明的發明目的，只要不背離本發明多重交聯多糖可注射型水凝膠制備方法的技術原理和發明構思，都屬于本發明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種多重交聯多糖可注射型水凝膠制備方法，其特征在于:以經過化學改性后具有羧基基團或羥基基團的水溶性殼聚糖作為第一組分，以進行醛基化化學改性的多糖類高分子或進行醛基化化學改性的多糖類高分子混合物作為第二組分，通過兩種改性的組分之間的靜電作用和希夫堿反應，獲得具有多重交聯網絡結構的水凝膠。
2.根據權利要求1所述多重交聯多糖可注射型水凝膠制備方法，其特征在于:分別制備質量濃度為0.5~3wt%的改性殼聚糖水溶液和質量濃度為0.5~3wt%的醛基化改性多糖水溶液，分別作為第一組分和第二組分，將兩組分以體積比9:1~1:9混合，通過兩種改性的組分之間的靜電作用和希夫堿反應，獲得具有多重交聯網絡結構的水凝膠。
3.根據權利要求2所述多重交聯多糖可注射型水凝膠制備方法，其特征在于:以羥基酸類改性劑或酸酐類改性劑對殼聚糖進行化學改性，獲得具有羧基基團或羥基基團的水溶性殼聚糖，羥基酸類改性劑采用羥基乙酸、乳酸或乳糖酸，酸酐類改性劑采用丁二酸酐、戊二酸酐或己二酸酐。
4.根據權利要求3所述多重交聯多糖可注射型水凝膠制備方法，其特征在于:配制質量百分比濃度為0.l~lwt%的殼聚糖水溶液，按改性劑與殼聚糖重復單元摩爾比0.5:1-6:1,向殼聚糖水溶液中加入羥基酸類改性劑之后，按N-羥基琥珀酰亞胺或1-羥基苯并三唑與殼聚糖重復單元摩爾比為0.5:1~3:1的加到上述溶液中溶解，調節溶液pH為4~7,加入活化劑1-乙基-3-(3-二甲胺基丙基)碳二亞胺鹽酸鹽，按照1-乙基-3-(3-二甲胺基丙基)碳二亞胺鹽酸鹽與N-羥基琥珀酰亞胺摩爾比為0.5:1~5:1，將活化劑加入殼聚糖水溶液體系，使殼聚糖水溶液體系反應進行l~48h之后，將殼聚糖水溶液體系的pH值調至7，然后產物透析凍干，即得到經過羥基酸類改性的具有羥基基團的水溶性殼聚糖。
5.根據權利要求3所述多重交聯多糖可注射型水凝膠制備方法，其特征在于:配制質量百分比濃度為0.l~lwt%的殼聚糖水溶液，按改性劑與殼聚糖重復單元摩爾比0.5:1-6:1,向殼聚糖水溶液中加入酸酐類改性劑，使殼聚糖水溶液體系反應進行10~48h之后產物丙酮沉淀，將殼聚糖水溶液體系的PH值調至7，然后將產物透析凍干，即得到經過酸酐類改性的具有羥基基團的水溶性殼聚糖。
6.根據權利要求1~5中任意一項所述多重交聯多糖可注射型水凝膠制備方法，其特征在于:采用氧化劑，對重復單元含鄰羥基或相鄰羥基/氨基的多糖進行氧化改性，得到醛基化改性的多糖衍生物。
7.根據權利要求6所述多重交聯多糖可注射型水凝膠制備方法，其特征在于:配制質量百分比濃度為0.l~lwt%的多糖類高分子水溶液，加入氧化劑，氧化劑與多糖高分子重復單元摩爾比為0.1:1~1: 1，在避光條件下反應l~5h之后，再向多糖類高分子水溶液體系中加入乙二醇，乙二醇與氧化劑摩爾比為1:1~2:1，然后將改性產物透析凍干，即得到醛基化改性的多糖衍生物。
8.根據權利要求6所述多重交聯多糖可注射型水凝膠制備方法，其特征在于:所述氧化劑采用高碘酸鈉、重鉻酸鉀、雙氧水或亞硫酸鈉。
9.根據權利要求1~8中任意一項所述多重交聯多糖可注射型水凝膠制備方法，其特征在于:所述的多糖類高分子為羧甲基殼聚糖、透明質酸、羧甲基纖維素或海藻酸鈉。
【文檔編號】A61L27/52GK104479150SQ201410589982
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年10月29日 優先權日:2014年10月29日
【發明者】顏世峰, 王滔滔, 王耀偉, 許嬌嬌, 方圓, 孫園園, 宋麗, 尹靜波 申請人:上海大學