專利名稱：一種生物相容性和溫敏性納米復合水凝膠及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及生物相容性和環(huán)境敏感性的高分子材料領域，具體涉及一種生物相容
性和溫敏性納米復合水凝膠及其制備方法。該納米復合水凝膠可應用于組織工程等領域。
背景技術：
水凝膠是一種介于液體和固體之間的能顯著地溶脹于水并保持大量水分而又不 能溶解于水的親水性交聯(lián)聚合物，可容納高分子本身重量數(shù)倍乃至數(shù)百倍的水。環(huán)境敏感 型水凝膠能感知外界環(huán)境(如溫度、pH、光、電和壓力等)的微小變化或剌激，并能產(chǎn)生相應 的物理結構和化學性質變化。在外界環(huán)境變化中，由于溫度的可控性和簡易性，因此溫敏性 水凝膠的研究最為廣泛。 由于水凝膠自身優(yōu)良的"軟""濕"性，其結構類似于人體內(nèi)的大分子組成物，較低 的毒副作用和優(yōu)異的生物惰性，及其對溫度等外界條件所表現(xiàn)出的智能性，可用于細胞載 體、藥物控制釋放、化工分離、形狀記憶開關等領域，并可替代軟組織的人造材料——肌肉 和皮下組織，因而引起了科學工作者的廣泛關注。 組織工程中常采用溫敏性的聚異丙基丙烯酰胺(PNIPAM)水凝膠作為細胞釋放載 體，這是因為當PNIPAM水凝膠高于32t:時，高分子鏈發(fā)生相轉變而產(chǎn)生體積收縮，材料表 面表現(xiàn)疏水性，可以使各種細胞在其上吸附、鋪展和分化；而當溫度低于32t:時，PNIPAM表 現(xiàn)親水性，這樣可以使形成的細胞片層完整地從培養(yǎng)板表面自然脫附，避免酶解法對細胞 造成的損傷，保持其原有的功能。得到的完整細胞片層可以直接移植到受損的主體組織進 行修復，不必連同細胞載體物質或支架材料一起植入體內(nèi)，這樣就避免了支架材料對主體 所產(chǎn)生的各種不利影響。 然而，目前水凝膠多為合成高分子，如聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸羥乙酯、聚甲基 丙烯酸甲酯、聚丙烯酸、聚氨酯等，不能通過水解或酶解進行降解、不具有敏感性能、和生物 組織的相容性較差。為改善水凝膠的生物相容性，中國專利CN101367947A、CN101328251A、 CN1284811C、 CN101177487C和CN100341484C中采用了具有生物相容性的殼聚糖、葡聚糖、 明膠、聚磷酸酯、魔芋葡甘聚糖、聚酸酐和右旋糖酐_馬來酸單酯等制備得到具有高親水 性、保濕性、通透性、生物相容性、可降解性和溫敏性的水凝膠。但所得產(chǎn)物機械性能差、易 碎，而且部分凝膠制備過程中采用了化學交聯(lián)劑如N，N'-亞甲基雙丙烯酰胺(MBA)等，而造 成交聯(lián)點無序分布，交聯(lián)密度不均，應力容易集中斷鏈，使得體系在較低應力下斷裂，導致 凝膠柔韌性差、響應速率慢、透明度低，從而限制了其在組織工程等領域中的進一步應用。
為改善水凝膠的力學性能，Haraguchi等(Macromolecules， 2002， 35 :10162 ; Macromol. Chem. Phys. ，2005,206 :1530)在凝膠的制備過程中，在不添加任何化學交聯(lián)劑 的情況下，用無機納米粘土 (clay)代替交聯(lián)劑，異丙基丙烯酰胺(NIPAM)作為溫敏性單體， 通過在粘土水溶液中進行原位聚合得到一種具有快消溶脹速率和優(yōu)異機械性能的聚異丙 基丙烯酰胺納米復合水凝膠(PNIPAM/clay)。這種凝膠剝離粘土片層(以氫鍵、離子鍵或配 位鍵與高分子鏈作用)扮演著交聯(lián)劑的角色，斷裂伸長率達1000% ，彈性恢復率達98% ，機械強度大幅度提高，拉伸模量和拉伸強度幾乎和粘土含量成正比，隨粘土含量增加，斷裂伸 長率稍有下降。同時，這種結構的水凝膠分子鏈段運動靈活，使得其還具有較快的溫度響應 速率。 中國專利CN 101215350A和CN 1908035A公開了 一種以焦磷酸鈉改性的鋰皂 石為物理交聯(lián)劑，丙烯酰胺為主單體制備得到高回彈性的納米復合水凝膠。中國專利 CN101319019A和CN1931901A公開了一種以市售物理交聯(lián)劑鋰蒙土 Laponite為交聯(lián)劑，乙 烯基吡咯烷酮或異丙基丙烯酰胺等為功能單體，制備得到具有良好透明性、吸水溶脹性和 力學性能的溫敏納米復合水凝膠。Ma等(Journal of Polymer Science :Part B. 2008,46 : 1546 ;European Polymer Journal, 2007， 43 :2221)將羧甲基纖維素(CMC)和PNIPAM半互 穿，在L即onite為交聯(lián)劑，2(TC下制備得到快速響應和高機械性能的溫敏半互穿納米復合 水凝膠(CMC/PNIPAM)。 由上分析可以看出，目前所制備的生物相容性水凝膠，原料來源有限、溫敏性不明 顯；而一般的溫敏性水凝膠由于采用了化學交聯(lián)劑MBA，機械綜合性能較差；采用物理交聯(lián) 劑Clay制備得到高力學性能水凝膠，但其生物相容性又較差，因而難以滿足組織工程等實 際應用的需要。 就生物相容性而言，聚羥基脂肪酸酯(PHA)是原核微生物在碳、氮營養(yǎng)失衡的情 況下，作為碳源和能源貯存而合成的一類熱塑性聚酯，脂肪酸可以是丁酸，戊酸或己酸等， 其分子量多為50， 000到20， 000， 000道爾頓，可用作各種綠色包裝材料與容器、污水處理 用細菌床、及用于引導組織再生。在組織修復過程中，由于各種組織細胞向創(chuàng)口內(nèi)生長速度 不同，為使所需要的組織細胞長入某些區(qū)域，可通過放置生物膜，利用生物膜具有的保護、 阻隔和引導作用，阻止結締組織、上皮組織等長入，為所需要的組織細胞提供生長空間，從 而達到完全的組織再生和重建。目前已經(jīng)能進行商品化生產(chǎn)的PHA產(chǎn)品如聚羥基丁酸酯 (PHB)、聚羥基戊酸酯(PHV)、聚羥基丁酸戊酸共聚酯(PHBV)和聚3-羥基丁酸-3-羥基己酸 酯(PHBHHx)，均已經(jīng)證明具有生物相容性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明擬解決的技術問題是設計一種新型納米復合水凝膠，該凝膠既具有良好 的生物相容性和細胞親和性，又具有優(yōu)異的溫敏性和力學性能。該凝膠可通過調(diào)節(jié)溫度變 化實現(xiàn)細胞的自然脫附，并用于組織工程、細胞培養(yǎng)等領域。
本發(fā)明所制備的一種生物相容性和溫敏性納米復合水凝膠，由如式M1所示的 N-烷基丙烯酰胺類單體、如式M2所示的無機納米粘土 (鋰皂石Hectorite、硅酸鎂鋰 Magnesium lithium silicate)和如式M3所示的天然聚酯類高分子溶于水聚合而成，所述 的M1、M2、M3的質量百分比為M1 :94-60%， M2 :1_20%，M3 :5-40% ;
H2C=C R,
C-N、
II 、
o Ml鋰皂石，Hectorite : [Mg5 34Li。.66Si802。(0H)4]Na。.f
4
硅酸鎂鋰-Magnesium lithium silicate, [Mg， Li]3Si4010(OH)2] 4H20 M2
<formula>formula see original document page 5</formula>
R M3
其中，R1為氫原子，R2為異丙基，或R1為乙基，R2為乙基；
X禾P Y為10-50的正整數(shù)； m為1、2或3，n為40-100的正整數(shù)，1 為(^3或(^2(^3或(^2(^2(^3等直鏈脂肪鏈。 *代表手性碳原子。 如式Ml所示的N-烷基丙烯酰胺類單體具有溫度敏感性，為N-異丙基丙烯酰胺或 N，N'-雙乙基丙烯酰胺。 如式M2所示的無機納米粉體，可作為物理交聯(lián)劑，在水中形成透明溶液，用靜態(tài) 和動態(tài)光散射、小角中子散射、電鏡測試表明水溶液中的為碟狀片層結構，鋰皂石厚度為 l-2nm，直徑為20-30nm，化學結構通式為[Mg5.34Li。.66Si802。(0H)4]Na。.66，硅酸鎂鋰，厚度為 l-3nm，直徑為25-40nm，化學結構通式為[Mg， Li] 3Si401Q (OH) 2] *4H20 ;兩者都是一種三八面 體蒙脫石； 如式M3所示的天然聚酯類高分子具有生物相容性，為聚羥基丁酸酯(PHB)或聚 (羥基丁酸_羥基戊酸酯)(PHBV)或聚3-羥基丁酸-3-羥基己酸酯(PHBHHx)，均屬于聚羥 基脂肪酸酯家族，原料來源充分而且可以再生，生產(chǎn)過程無污染，能被自然界中微生物完全 降解，最終生成二氧化碳和水，不污染環(huán)境，可實現(xiàn)在自然界中的循環(huán)。
本發(fā)明一種生物相容性和溫敏性納米復合水凝膠的制備方法，包括如下步驟
1)將如式Ml所示的N-烷基丙烯酰胺類單體、如式M2所示的無機納米粉體、如式 M3所示的天然聚羥基脂肪酸酯類高分子按照質量百分比為Ml :94-60%， M2 :1-20%， M3 : 5-39 %依次加入去離子水中，配制成質量濃度為0. 005-0. 1 %的水溶液，在20°C的密封容 器中，通入氮氣，超聲分散30min，攪拌30-70min，直至完全分散形成均一溶液；
2)將上述混合溶液用冰塊冷卻至0_5°C ， 30min后加入質量占M1、M2、M3總質量的 0. 1-5%的引發(fā)劑，10min后注射占M1、M2、M3總質量0. 5_3%的催化劑，氮氣保護下，繼續(xù)攪 拌5-20min，直至混合溶液開始出現(xiàn)粘稠狀； 3)將粘稠狀的混合溶液立刻倒入厚度為2mm的玻璃模具中，于15-3(TC下靜置進 行原位自由基聚合反應15-48h，然后將反應產(chǎn)物浸泡于去離子水中2周，得到所述的生物 相容性和溫敏性納米復合水凝膠。 所述的單體Ml為異丙基丙烯酰胺或雙乙基丙烯酰胺；
所述的無機納米粉體M2為鋰皂石或硅酸鎂鋰； 所述的生物大分子M3為聚羥基丁酸酯(PHB)或聚(羥基丁酸-羥基戊酸酯) (PHBV)或聚3-羥基丁酸-3-羥基己酸酯(PHBHHx)中的一種；
所述的引發(fā)劑為過硫酸銨(APS)或過硫酸鉀(KPS);
所述的催化劑為N， N， N' N'-四甲基乙二胺或亞硫酸鈉； 本發(fā)明的原理是M1單體所得的聚合物(PNIPAM)對環(huán)境溫度敏感，M2在水溶液中被剝離成納米片層的無機納米粉體可作為物理交聯(lián)劑，加入引發(fā)劑后，分子鏈緊密吸附在 無機納米粉體片層表面，引發(fā)單體聚合反應，形成的PNIPAM分子鏈的一端錨固于無機納米 粉體片層表面，另一端的活性中心繼續(xù)鏈增長，而經(jīng)超聲打碎的M3所形成的小分子鏈在聚 合過程中可進入凝膠網(wǎng)絡中，M3中的羰基(C = 0)也可水形成氫鍵，最終形成納米復合凝 膠網(wǎng)絡。 本發(fā)明的有益效果 (1)選擇無毒性、生物相容性良好的聚羥基脂肪酸酯作為第二組分，無機納米粉體
作為物理交聯(lián)劑，采用原位自由基聚合制備納米復合水凝膠，同時具有優(yōu)異的溫度響應性、
生物相容性和較高綜合機械性能，可用于組織工程中各種基質材料的制備。
(2)制備方法簡單、不需要特殊設備，常壓常溫下操作、易于可控，成本低廉，適于
應用； (3)所制備的納米復合水凝膠可通過改變溫度(如從37°C降低到20°C )實現(xiàn)細胞 的自動脫附，避免胰蛋白酶消化法造成的細胞功能損傷； (4)所制備的納米復合水凝膠的生物相容性和力學性能可通過改變反應物組分和 無機納米粘土用量來調(diào)節(jié)。
具體實施例方式
下面結合具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細闡述。對實施例中得到的納米復合水 凝膠，采用Zhang等Colloid Poly Sci. 2005,283 :431-438文獻公開方法進行溫度敏感性 檢測，采用Wang等J. Mater. Sci. Mater. Med. 2009,20 :583文獻公開方法進行生物相容性檢
測。應理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應理解，在閱 讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領域技術人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價
形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。
實施例1 將1. 20g異丙基丙烯酰胺、0. 25g鋰皂石、0. 05g聚羥基丁酸酯依次加入10mL去離 子水中，在20°C的密封容器中，通入氮氣，超聲分散30min，攪拌45min，直至完全分散形成 均一溶液；將上述混合溶液用冰塊冷卻至3°C ， 30min后加入0. Olg過硫酸銨，lOmin后注射 20ii L N， N， N' N' _四甲基乙二胺，氮氣保護下，繼續(xù)攪拌lOmin，直至混合溶液開始出現(xiàn)粘 稠狀；將粘稠狀的混合溶液立刻倒入厚度為2mm的玻璃模具中，于2(TC下靜置進行原位自 由基聚合反應24h，然后將反應產(chǎn)物浸泡于去離子水中2周，即得到所述的生物相容性和溫 敏性納米復合水凝膠。 所得納米復合水凝膠體積相轉變溫度為33. 2t:，在37°CT， 10分鐘內(nèi)失水率為 90%，35分鐘就達到了失水平衡；肝腫瘤細胞(H印G2)在第4天時生殖速度最快，細胞數(shù)量 最多，當溫度從37t:降至2(TC時，可實現(xiàn)自動脫附。
實施例2 將1. 0g異丙基丙烯酰胺、0. 2g硅酸鎂鋰、0. 3g聚(羥基丁酸_羥基戊酸酯)依次 加入10mL去離子水中，在20°C的密封容器中，通入氮氣，超聲分散30min，攪拌60min，直至 完全分散形成均一溶液；將上述混合溶液用冰塊冷卻至2°C ， 30min后加入0. 02g過硫酸銨， 10min后注射40 ii L N， N， N' N'-四甲基乙二胺，氮氣保護下，繼續(xù)攪拌10min，直至混合溶
6液開始出現(xiàn)粘稠狀；將粘稠狀的混合溶液立刻倒入厚度為2mm的玻璃模具中，于25。C下靜 置進行原位自由基聚合反應20h，然后將反應產(chǎn)物浸泡于去離子水中2周，即得到所述的生 物相容性和溫敏性納米復合水凝膠。 所得納米復合水凝膠體積相轉變溫度為32. 9t:，在37°CT， 10分鐘內(nèi)失水率為 83%，30分鐘就達到了失水平衡；肝腫瘤細胞(H印G2)在第2天時生殖速度最快，細胞數(shù)量 最多，當溫度從37t:降至2(TC時，可實現(xiàn)自動脫附。
實施例3 將1.3g雙乙基丙烯酰胺、0. 15g鋰皂石、0.05g聚3-羥基丁酸-3-羥基己酸酯 (PHBHHx)依次加入10mL去離子水中，在2(TC的密封容器中，通入氮氣，超聲分散30min， 攪拌30min，直至完全分散形成均一溶液；將上述混合溶液用冰塊冷卻至3°C ， 30min后加 入0.015g過硫酸銨，10min后注射30iiL N， N， N' N' _四甲基乙二胺，氮氣保護下，繼續(xù)攪 拌10min，直至混合溶液開始出現(xiàn)粘稠狀；將粘稠狀的混合溶液立刻倒入厚度為2mm的玻璃 模具中，于25t:下靜置進行原位自由基聚合反應30h，然后將反應產(chǎn)物浸泡于去離子水中2 周，即得到所述的生物相容性和溫敏性納米復合水凝膠。 所得納米復合水凝膠體積相轉變溫度為33. 9t:，在37t:下，10分鐘內(nèi)失水率為 92%，25分鐘就達到了失水平衡；肝腫瘤細胞(H印G2)在第2天時生殖速度最快，細胞數(shù)量 最多，當溫度從37t:降至2(TC時，可實現(xiàn)自動脫附。
權利要求
一種生物相容性和溫敏性納米復合水凝膠，其特征在于以具有溫度敏感特性的烷基丙烯酰胺M1為主單體、以無機納米粉體M2作為物理交聯(lián)劑，以具有良好生物相容性的聚羥基脂肪酸酯M3作為生物相容性聚合物，在水溶劑中通過原位自由基聚合制成具有生物相容性和溫敏性的納米復合水凝膠。
2. 根據(jù)權利要求1所述的納米復合水凝膠，其特征在于所述溫敏性單體M1為N-異丙 基丙烯酰胺或N， N'-雙乙基丙烯酰胺。
3. 根據(jù)權利要求1所述的納米復合水凝膠，其特征在于所述無機納米粉體M2為 鋰皂石或硅酸鎂鋰，所述的鋰皂石，厚度為l-2nm，直徑為20-30nm，化學結構通式為 [Mg5.34Li。.66Si802。(0H)4]Na。.66 ;所述的硅酸鎂鋰，厚度為1-3nm，直徑為25-40nm，化學結構通 式為[Mg， Li]3Si4010(OH)2] 4H20。
4. 根據(jù)權利要求1所述的納米復合水凝膠，其特征在于所述生物相容性聚羥基脂肪酸 酯為聚羥基丁酸酯(PHB)、聚(羥基丁酸-羥基戊酸酯)(PHBV)或聚3-羥基丁酸-3-羥基 己酸酯(PHBHHx)中的一種。
5. 根據(jù)權利要求1所述的納米復合水凝膠，其特征在于所述溫敏性單體M1、無機納 米粉體M2與生物相容性聚羥基脂肪酸酯M3三者用量的質量百分比為94 60 : l 20 : 5 39。
6. —種如權利要求1所述的生物相容性和溫敏性納米復合水凝膠的制備方法，包括下列步驟(1) 將烷基丙烯酰胺類單體、無機納米粉體和聚羥基脂肪酸酯按照質量百分比為M1 :94-60%， M2 :1-20%， M3 :5-39%依次加入去離子水中，配制成質量濃度為0. 005-0. 1%的 水溶液，在20°C的密封容器中，通入氮氣，超聲分散30min，攪拌30-70min，直至完全分散形 成均一溶液；(2) 將上述混合溶液用冰塊冷卻至0-5°C，30min后加入質量占Ml、 M2、 M3總質量的 0. 1-5%的引發(fā)劑，10min后注射占M1、M2、M3總質量0. 5_3%的催化劑，氮氣保護下，繼續(xù)攪 拌5-20min，直至混合溶液開始出現(xiàn)粘稠狀；(3) 將粘稠狀的混合溶液立刻倒入厚度為2mm的玻璃模具中，于15-3(TC下靜置進行原 位自由基聚合反應15-48h，然后將反應產(chǎn)物浸泡于去離子水中2周，得到所述的生物相容 性和溫敏性納米復合水凝膠。
7. 根據(jù)權利要求6所述的一種生物相容性和溫敏性納米復合水凝膠的制備方法，其特 征在于所述的納米復合水凝膠同時具有生物相容性和溫敏性。
8. 根據(jù)權利要求6所述的一種生物相容性和溫敏性納米復合水凝膠的制備方法，其特 征在于所述的引發(fā)劑為過硫酸銨或過硫酸鉀。
9. 根據(jù)權利要求6所述的一種生物相容性和溫敏性納米復合水凝膠的制備方法，其特 征在于所述的催化劑為N， N， N' N' _四甲基乙二胺或亞硫酸鈉。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種生物相容性和溫敏性納米復合水凝膠及其制備方法。所述水凝膠含有具有溫度敏感特性的烷基丙烯酰胺M1、無機納米粉體M2和具有良好生物相容性的聚羥基脂肪酸酯M3，三者用量的質量百分比為94～60∶1～20∶5～39。本制備方法是在水溶液中將M1、M2和M3進行原位自由基聚合反應，浸泡除雜后得到具有生物相容性和溫敏性的納米復合水凝膠。該方法制備工藝簡單、易于可控，可通過降低溫度實現(xiàn)細胞的自動脫附，水凝膠的生物相容性和溫度敏感性可通過改變交聯(lián)劑密度、M3用量和組分來調(diào)節(jié)，可廣泛用于組織工程等領域。
文檔編號A61L27/44GK101703805SQ200910228660
公開日2010年5月12日 申請日期2009年11月23日 優(yōu)先權日2009年11月23日
發(fā)明者張青松, 董有玉, 趙義平, 陳莉 申請人:天津工業(yè)大學