一種以改性明膠為交聯(lián)劑的多孔性生物材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種以改性明膠為交聯(lián)劑的多孔性生物材料及其制備方法，具體包括如下步驟：將丙烯酰胺類單體、甲基丙烯酰胺改性的明膠和無(wú)機(jī)納米粘土溶于去離子水中，在惰性氣氛中攪拌10~30分鐘；加入催化劑，再在惰性氣氛中攪拌5~10分鐘，然后加入引發(fā)劑；于-30~30oC溫度下進(jìn)行自由基聚合反應(yīng)12~48小時(shí)；反應(yīng)產(chǎn)物浸泡于20oC去離子水中，每隔5~8小時(shí)更換一次去離子水，持續(xù)48~72小時(shí)，最后將其冷凍干燥24~48h，即得到以改性明膠為交聯(lián)劑的多孔性生物材料。該方法制備工藝簡(jiǎn)單，條件可控，且制備的多孔性材料同時(shí)具有良好的生物相容性、力學(xué)性能、大孔性和快速溶脹性等特性，可廣泛應(yīng)用于生物支架、細(xì)胞培養(yǎng)、藥物控釋、組織工程、創(chuàng)傷和燒傷治療等生物醫(yī)用材料領(lǐng)域。
【專利說明】一種以改性明膠為交聯(lián)劑的多孔性生物材料及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及生物醫(yī)學(xué)材料領(lǐng)域，具體涉及一種以改性明膠為交聯(lián)劑的多孔性生物材料及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]多孔性的聚合物材料因其極高的孔隙率和良好的溶脹性而吸引了大量研究者的興趣。多孔性材料在生物醫(yī)學(xué)、生物技術(shù)和制藥領(lǐng)域有著不同的應(yīng)用，尤其是在組織工程作為細(xì)胞支架材料的應(yīng)用格外引人注目。良好的孔隙率和孔徑能夠?yàn)榧?xì)胞的黏附、生長(zhǎng)和繁殖提供更多的空間和更好的流動(dòng)性。多孔性材料通?？梢杂萌缋鋬龈稍?、致孔劑法、微乳液法、氣體攪拌和相分離等技術(shù)來制備。丙烯酰胺類單體因其良好的親水性和反應(yīng)活性而被用于制備多孔性材料。Fatima等人將丙烯酰胺與丙烯基丙三基醚通過自由基共聚在化學(xué)交聯(lián)劑N，N-亞甲基雙丙烯酰胺的交聯(lián)下制備了大孔性的多孔材料。這種多孔性材料雖然具有良好的平衡溶脹度和快速溶脹性，但是由于使用了傳統(tǒng)的化學(xué)交聯(lián)劑，多孔材料的機(jī)械性能和生物相容性都需要進(jìn)一步的增強(qiáng)以滿足其在生物醫(yī)用材料領(lǐng)域的應(yīng)用。
[0003]明膠以其優(yōu)良的生物相容性，更多被應(yīng)用于生物醫(yī)用材料領(lǐng)域。明膠的溶膠凝膠轉(zhuǎn)變溫度僅為36°C左右，所以明膠通常需要更強(qiáng)的交聯(lián)或改性才能防止其在人體體溫條件下溶解。常見的化學(xué)交聯(lián)劑包括戊二醛、碳化二胺、京尼平和二異氰酸酯等，這些交聯(lián)劑都是水溶性的，因?yàn)槊髂z本身僅能溶于水溶液或少量的乙醇溶液中。而膠原的衍生物一般都是通過對(duì)其結(jié)構(gòu)上賴氨酸側(cè)鏈和羥賴氨酸側(cè)鏈上的氨基基團(tuán)進(jìn)行改性得到的。因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)中精氨酸側(cè)鏈中的胍基在弱堿條件下會(huì)質(zhì)子化從而無(wú)法發(fā)生親核反應(yīng)，而組氨酸側(cè)鏈中的咪唑基團(tuán)盡管能夠發(fā)生反應(yīng)但是只能形成不穩(wěn)定的產(chǎn)物。甲基丙烯酰胺改性的明膠是將甲基丙烯酸酐與明膠在堿性條件反應(yīng)，將明膠中游離的氨基基團(tuán)取代成甲基丙烯酰胺基團(tuán)，引入了丙烯基雙鍵，使得改性明膠具有了更高的反應(yīng)活性，能夠在引發(fā)劑的作用下發(fā)生自由基聚合反應(yīng)。
[0004]甲基丙烯酰胺改性明膠具有良好的生物相容性和反應(yīng)活性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)有較多相關(guān)的研究文獻(xiàn)報(bào)道。Van Den Bulcke等人用甲基丙烯酸酐對(duì)明膠上的伯氨基團(tuán)改性以接枝上甲基丙烯酰胺基團(tuán)。所得的改性明膠在光引發(fā)劑Irgacure 2959的作用下，通過紫外福照引發(fā)聚合形成的水凝膠能夠適用于創(chuàng)傷處理。Van Den Bulcke等人(US 6, 458, 361BI)還將甲基丙烯酰胺改性的明膠與帶有丙烯基團(tuán)的多糖共聚制備了一種具有良好的機(jī)械性能和生物相容性的生物醫(yī)用材料。Van Vlierberghe等人將甲基丙烯酰胺改性的明膠作為基礎(chǔ)材料來制備多孔性水凝膠以用于組織修復(fù)。而明膠基的細(xì)胞載體材料則多用冷凍凝膠法制備，冷凍凝膠能夠有效地促進(jìn)人體細(xì)胞如成纖維細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、口腔細(xì)胞等的黏附和生長(zhǎng)。也有研究報(bào)道將甲基丙烯酰胺改性的明膠與甲基丙烯酰胺改性的殼聚糖結(jié)合起來制備多孔性支架材料。Nichol等人利用光鑄模法(photopatterning)制備了改性明膠基細(xì)胞負(fù)載水凝膠，改性明膠的光催化反應(yīng)活性使其能夠很好地在光鑄模法下形成3D微尺度的水凝膠或微流體裝置，細(xì)胞能夠在其中有效的粘附、增殖、分化和生長(zhǎng)。Hou等人將甲基丙烯酰胺改性明膠與聚輪烷基環(huán)糊精通過共聚制備了一種可生物降解性的超分子水凝膠，改性明膠的引入不僅增強(qiáng)了水凝膠的機(jī)械性能，還使得水凝膠更有利于細(xì)胞的黏附和增殖。氧化還原引發(fā)劑如過硫酸銨等可以引發(fā)明膠中甲基丙烯酰胺基團(tuán)的聚合，高能輻射如電子束和伽瑪射線也可以起到相似的作用。
[0005]本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足和缺陷，以甲基丙烯酰胺改性的明膠為交聯(lián)劑，通過與丙烯酰胺類單體的自由基共聚反應(yīng)，同時(shí)結(jié)合納米材料的特性和冷凍聚合的技術(shù)，制備了具有大孔性(孔徑范圍2(Γ200μπι)、快速溶脹性、良好生物相容性和高機(jī)械性能的多孔性生物材料。本發(fā)明中的甲基丙烯酰胺改性的明膠的每一條分子鏈上都有多個(gè)丙烯基團(tuán)可以參與自由基聚合反應(yīng)。因此，當(dāng)其與丙烯酰胺類單體共聚制備多孔生物材料時(shí)，改性明膠在反應(yīng)體系中可以起到交聯(lián)劑的作用。而與傳統(tǒng)的化學(xué)交聯(lián)劑N，N-亞甲基雙丙烯酰胺相比，改性明膠一方面具有良好的生物相容性，能夠提高多孔生物材料的生物相容性以適用于生物醫(yī)用材料領(lǐng)域；另一方面改性明膠是一種大分子的交聯(lián)劑，在多孔生物材料中不僅形成了共價(jià)交聯(lián)，還形成了高分子的互穿和纏結(jié)，能夠較大程度地提高多孔生物材料的力學(xué)性能。此外，本發(fā)明為了進(jìn)一步提高多孔生物材料的機(jī)械性能而弓I入無(wú)機(jī)納米粘土，改性明膠由于氨基被取代使其與納米粘土的相容性提高，同時(shí)二者還存在協(xié)同作用，可顯著地提高材料的機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性。本發(fā)明在制備過程中結(jié)合冷凍聚合的技術(shù)，使得所制備的多孔性生物材料具有了快速溶脹的特性。目前為止，尚未見關(guān)于以改性明膠為交聯(lián)劑制備多孔性生物材料的專利報(bào)道。


【發(fā)明內(nèi)容】

本發(fā)明的目的在于制備一種具有優(yōu)異機(jī)械性能和良好生物相容性的多孔性生物材料，同時(shí)還具有大孔性和快速溶脹等性能，能夠廣泛適用于生物醫(yī)用材料領(lǐng)域。為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案:
(1)將丙烯酰胺類單體、改性明膠和無(wú)機(jī)納米粘土分別溶于去離子水中，其中丙烯酰胺類單體的質(zhì)量百分比為(5?10)%，甲基丙烯酰胺改性的明膠的質(zhì)量百分比為(0.5?5)%，無(wú)機(jī)納米粘土的質(zhì)量百分比為((Γ5)%，然后在惰性氣氛中攪拌5?30分鐘；
(2)加入催化劑，在惰性氣氛中攪拌5?10分鐘后，再加入引發(fā)劑得到混合溶液，其中催化劑的加入量為丙烯酰胺類單體質(zhì)量的(0.f 2)%，引發(fā)劑的加入量為丙烯酰胺類單體質(zhì)量的(0.Γ?)%；
(3)將上述混合溶液在溫度為-3(T30°C，攪拌速度為30(T600 rpm的條件下進(jìn)行自由基聚合反應(yīng)12?48小時(shí)；
(4)反應(yīng)產(chǎn)物在室溫下浸泡于去離子水中，每隔51小時(shí)更換一次去離子水，持續(xù)48^72小時(shí)，最后將其冷凍干燥2Γ48小時(shí)，制得以改性明膠為交聯(lián)劑的多孔性生物材料。
[0006]在上述技術(shù)方案中，所述丙烯酰胺類單體為丙烯酰胺、N，N-二甲基丙烯酰胺或N-異丙基丙烯酰胺等含有丙烯基的水溶性有機(jī)單體。
[0007]在上述技術(shù)方案中，所述的改性明膠為甲基丙烯酰胺改性的明膠，其氨基取代度為(20?90)%。
[0008]在上述技術(shù)方案中，所述的無(wú)機(jī)納米粘土為人工合成鋰藻土 Laponite RDS。
[0009]在上述技術(shù)方案中，所述的催化劑為N，N, N, N-四甲基乙二胺或亞硫酸氫鈉。
[0010]在上述技術(shù)方案中，所述引發(fā)劑為過硫酸鉀或過硫酸銨。
[0011]在上述技術(shù)方案中，所述多孔性生物材料可用于生物支架、細(xì)胞培養(yǎng)、藥物控釋、組織工程、創(chuàng)傷和燒傷治療等生物材料領(lǐng)域。
[0012]本發(fā)明與已有技術(shù)相比，具有多方面的積極效果和優(yōu)點(diǎn)，具體可歸納概括如下:
(1)本發(fā)明以一種改性的天然高分子作為交聯(lián)劑，替代了傳統(tǒng)自由基聚合反應(yīng)中所使用的化學(xué)交聯(lián)劑，有效的提高了多孔材料的生物相容性；
(2)本發(fā)明結(jié)合了冷凍聚合的技術(shù)，賦予了多孔材料快速溶脹的特性；
(3)本發(fā)明結(jié)合了納米復(fù)合材料的技術(shù)，引入的無(wú)機(jī)納米粘土能夠與改性明膠形成協(xié)同作用，極大的提高多孔材料的機(jī)械性能；
本發(fā)明的制備工藝簡(jiǎn)單，易于控制，無(wú)需特殊設(shè)備，成本低廉；
本發(fā)明還具有一些其他方面的優(yōu)點(diǎn)。

【具體實(shí)施方式】
[0013]下面給出本發(fā)明的三個(gè)實(shí)施例，通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體描述。有必要在此指出的是，實(shí)施例只用于對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的說明，不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，該領(lǐng)域的技術(shù)熟練人員可以根據(jù)上述本發(fā)明的內(nèi)容做出一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整。
[0014]實(shí)施例1
將0.2 g氨基取代度為35 %的甲基丙烯酰胺改性的明膠加入到20 mL的具塞玻璃瓶中，再加入1.0 g丙烯酰胺單體和10 mL去離子水，通入氮?dú)?，攪?5分鐘直至形成均勻透明的溶液。隨后加入100 μ L質(zhì)量百分比濃度10 %的N，N，N’，N’-四甲基乙二胺溶液，混合均勻后繼續(xù)通入氮?dú)?分鐘，再加入200 μ L質(zhì)量百分比濃度4 %的過硫酸銨溶液，然后迅速密封，置于20 °C水浴中反應(yīng)12小時(shí)后，將反應(yīng)物取出，浸泡于20 °C去離子水中48小時(shí)，每隔8小時(shí)換一次去離子水，然后冷凍干燥24小時(shí)，即得到生物相容性良好的多孔性生物材料。
[0015]實(shí)施例2
將0.2 g氨基取代度為60 %的甲基丙烯酰胺改性的明膠和0.2 g無(wú)機(jī)納米粘土Laponite加入到20 mL的具塞玻璃瓶中，再加入1.0 g丙烯酰胺單體和10 mL去離子水，通入氮?dú)?，攪?0分鐘直至形成均勻透明的溶液。隨后加入100 UL質(zhì)量百分比濃度10%的N，N，N’，N’ -四甲基乙二胺溶液，混合均勻后繼續(xù)通入氮?dú)?分鐘，再加入200 μ L質(zhì)量百分比濃度4 %的過硫酸銨溶液，然后迅速密封，置于-20 °C冰箱中反應(yīng)24小時(shí)后，將反應(yīng)物取出，浸泡于20 °C去離子水中48小時(shí),每隔8小時(shí)換一次去離子水,然后冷凍干燥24小時(shí)，即得到良好生物相容性和快速溶脹性的多孔性生物材料。
[0016]實(shí)施例3
將0.1 g氨基取代度為90 %的甲基丙烯酰胺改性的明膠和0.1 g無(wú)機(jī)納米粘土Laponite加入到20 mL的具塞玻璃瓶中，再加入1.0 g N-異丙基丙烯酰胺單體和10 mL去離子水，通入氮?dú)?，攪?0分鐘直至形成均勻透明的溶液。隨后加入100 μ L質(zhì)量百分比濃度10 %的N，N, N, N-四甲基乙二胺溶液，混合均勻后繼續(xù)通入氮?dú)?分鐘，再加入200 μ L質(zhì)量百分比濃度4 %的過硫酸銨溶液，然后迅速密封，置于-30 °C冰箱中反應(yīng)24小時(shí)后，將反應(yīng)物取出，浸泡于20 °C去離子水中48小時(shí)，每隔8小時(shí)換一次去離子水，然后冷凍干燥24小時(shí)，即得到溫敏性和快速溶脹性的多孔性生物材料。
[0017]實(shí)施例4
將0.2 g氨基取代度為75 %的甲基丙烯酰胺改性的明膠加入到20 mL的具塞玻璃瓶中，再加入0.5 g N-異丙基丙烯酰胺單體和10 mL去離子水，通入氮?dú)?，攪?5分鐘直至形成均勻透明的溶液。隨后加入50 μ L質(zhì)量百分比濃度10 %的N，N, N, N-四甲基乙二胺溶液，混合均勻后繼續(xù)通入氮?dú)?分鐘，再加入100 UL質(zhì)量百分比濃度4 %的過硫酸銨溶液，然后迅速密封，置于-10 °C冰箱中反應(yīng)48小時(shí)后，將反應(yīng)物取出，浸泡于20 °C去離子水中72小時(shí)，每隔5小時(shí)換一次去離子水，然后冷凍干燥24小時(shí)，即得到溫敏性和快速溶脹性的多孔性生物材料。
【權(quán)利要求】
1.一種以改性明膠為交聯(lián)劑的多孔性生物材料及其制備方法，其特征是制備方法包括了以下步驟: (1)將丙烯酰胺類單體、改性明膠和無(wú)機(jī)納米粘土分別溶于去離子水中，其中丙烯酰胺類單體的質(zhì)量百分比濃度為(5?10)%，甲基丙烯酰胺改性的明膠的質(zhì)量百分比濃度為(0.5?5)%，無(wú)機(jī)納米粘土的質(zhì)量百分比濃度為((Γ5)%，然后在惰性氣氛中攪拌5?30分鐘； (2)加入催化劑，在惰性氣氛中攪拌5?10分鐘后，再加入引發(fā)劑得到混合溶液，其中催化劑的加入量為丙烯酰胺類單體質(zhì)量的(0.f 2)%，引發(fā)劑的加入量為丙烯酰胺類單體質(zhì)量的(0.Γ?)%； (3)將上述混合溶液在溫度為-3(T30°C，攪拌速度為30(T600 rpm的條件下進(jìn)行自由基聚合反應(yīng)12?48小時(shí)； (4)反應(yīng)產(chǎn)物在室溫下浸泡于去離子水中，每隔51小時(shí)更換一次去離子水，持續(xù)48?72小時(shí)，然后將其冷凍干燥2Γ48小時(shí)，制得多孔性生物材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多孔性生物材料及其制備方法，其特征是所述丙烯酰胺類單體為丙烯酰胺、N, N- 二甲基丙烯酰胺或N-異丙基丙烯酰胺等含有丙烯基的水溶性有機(jī)單體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多孔性生物材料及其制備方法，其特征是所述的改性明膠為甲基丙烯酰胺改性的明膠，其氨基取代度為(2(Γ90)%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多孔性生物材料及其制備方法，其特征是所述的無(wú)機(jī)納米粘土為人工合成鋰藻土 Laponite RDS。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多孔性生物材料及其制備方法，其特征是所述的催化劑為N, N, N, N-四甲基乙二胺或亞硫酸氫鈉。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多孔性生物材料及其制備方法，其特征是所述引發(fā)劑為過硫酸鉀或過硫酸銨。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多孔性生物材料及其制備方法，其特征是所述多孔性生物材料可用于生物支架、細(xì)胞培養(yǎng)、藥物控釋、組織工程、創(chuàng)傷和燒傷治療等生物醫(yī)用材料領(lǐng)域。
【文檔編號(hào)】C08F220/54GK104356319SQ201410606294
【公開日】2015年2月18日 申請(qǐng)日期:2014年11月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月3日
【發(fā)明者】林煒, 李昌朋, 穆暢道, 王春華 申請(qǐng)人:四川大學(xué)