CN104140541A - 注射型透明质酸水凝胶的制备方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种注射型透明质酸水凝胶的制备方法，包括如下步骤：通过1-乙基-3-(3-二甲氨基)碳二亚胺盐酸盐引发己二酸二酰肼的氨基与HA的主链羧基的缩合反应，得到主链具有氨基的透明质酸-己二酸二酰肼衍生物，然后将N-丙烯酰氧基琥珀酰亚胺与HA-ADH的氨基反应得到丙烯酸酯官能化透明质酸衍生物；丙烯酸酯官能化透明质酸衍生物与双巯基交联剂进行交联，形成注射型透明质酸水凝胶。本发明丙烯酸酯基功能化的HA-AC合成方法简单易行，适合于工业化放大生产；迈克尔加成反应的环境友好性、生物惰性和反应速度可控性，为其在注射型水凝胶的应用中奠定了良好的基础；与物理缔合注射型凝胶相比，HA-AC化学交联水凝胶凝胶具有优良的稳定性和机械性能。

Description

注射型透明质酸水凝胶的制备方法及其应用

技术领域

本发明涉及一种注射型水凝胶的制备方法及其应用，尤其是涉及注射型透明质酸水凝胶的制备方法及其应用。

背景技术

注射型水凝胶在长效缓释给药、组织修复和细胞移植中所展现出的广阔应用前景，使其迅速成为生物材料领域最热门的研究方向之一[1-8]。注射型水凝胶作为一种新型材料可以弥补传统水凝胶的不足，它可以通过注射器直接植入到组织内部，避免了开创性手术对机体组织的破坏性，降低了临床应用的难度[Todd R.Hoare,Daniel S.Kohane.Hydrogels in drug delivery:Progress and challenges.Polymer.2008;49:1993-2007.]。但是，目前研究和应用的大多数注射型水凝胶都是通过物理缔合作用，利用机体组织内部环境（温度、PH值和离子强度等）的改变来引发水凝胶网络的形成(参见附图1所示)。温敏型聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物[Chen PC,Kohane DS,Park YJ,Bartlett RH,Langer R,Yang VC.Journal of Biomedical Materials Research Part A2004;70(3):459e66.；Paavola A,Yliruusi J,Kajimoto Y,Kalso E,Wahlstrom T,Rosenberg P.Pharmaceutical Research1995;12:1997-2002.]、聚乙二醇-聚（乳酸-羟基乙酸）[Singh S,Webster DC,Singh J.International Journal of Pharmaceutics2007;341:68-77.]、聚异丙基丙烯酰胺-聚磷酸胆碱[Li CM,Tang YQ,Armes SP,Morris CJ,Rose SF,Lloyd AW,et al.Biomacromolecules2005;6(2):994-9.]，pH敏化型多肽[Lim DW,Nettles DL,Setton LA,Chilkoti A.Biomacromolecules2007;8(5):1463-70.]和离子强度敏化型藻朊酸盐[Westhaus E,Messersmith PB.Biomaterials2001;22(5):453-462.]高分子材料的合成为注射型水凝胶的研究和应用打下了良好的基础。然而，此类物理缔合凝胶在人体组织内部的交联固化周期较长，并且其缔合作用较弱，大大限制了其临床的应用范围[Todd R.Hoare,Daniel S.Kohane.Hydrogels in drug delivery:Progress and challenges.Polymer.2008;49:1993-2007.]。

与物理缔合凝胶相比，化学凝胶(参见附图2所示)展现出了交联速度快，稳定性和机械性能优良的优势。但是，大多数化学凝胶的交联过程需要额外加入引发剂，这些引发剂往往都具有较高的毒性和特定的引发条件，不适合在生物体内原位使用[Todd R.Hoare,Daniel S.Kohane.Hydrogels in drug delivery:Progress and challenges.Polymer.2008;49:1993-2007.]。另一方面，目前大部分化学凝胶通常由人工合成或半合成的高分子组成，其主要存在的问题是材料的合成过程复杂，生物相容性差，生物可降解效率低，并且存在一定的免疫原性，使其在生物医学的应用上存在较多的局限性和安全隐患。近年来，由于迈克尔加成(Michael addition)反应的环境友好性、生物惰性和反应速度可控性，使其广泛的被使用在生物体内原位交联水凝胶的应用中。现有技术中，有研究使用硫醇聚乙二醇作为交联剂，通过迈克尔加成反应交联乙烯基砜功能化右旋糖酐，其交联周期可以通过调整乙烯基砜的修饰度和交联剂用量控制在0.5-7.5min[Hiemstra C,Van der Aa LJ,Zhong ZY,Dijkstra PJ,Feijen J.Macromolecules,2007;40(4):1165-1173.]。另外一个相似的工作，使用双丙烯酸酯基聚乙二醇作为交联剂交联硫醇聚乙二醇[Elbert DL,Pratt AB,Lutolf MP,Halstenberg S,Hubbell JA.Journal of Controlled Release2001;76:11-25.]，交联周期可以控制在2-6min。上述工作虽然解决了化学凝胶在生物体内原位化学交联的问题，但是水凝胶材料的生物相容性、生物可降解性和免疫原性仍然使其在生物医学上的应用存在较多的局限和安全隐患。

发明内容

本发明要解决的第一个问题是提供一种注射型透明质酸水凝胶的制备方法，该方法基于透明质酸（以后简称：HA）和迈克尔加成反应构建出一种新型注射型生物可降解水凝胶材料。

本发明要解决的第二个技术问题是提供一种注射型透明质酸水凝胶的应用；上述新型注射型生物可降解水凝胶材料可以作为药物载体、组织修复及支架材料，并可以以溶液的形式注射入人体组织、器官、身体空腔内，在生理环境下交联固化。

为解决上述第一个技术问题，本发明一种注射型透明质酸水凝胶的制备方法，包括如下步骤：

通过1-乙基-3-(3-二甲氨基)碳二亚胺盐酸盐引发己二酸二酰肼（以后简称：ADH）的氨基与HA的主链羧基的缩合反应，制备主链具有氨基的透明质酸-己二酸二酰肼衍生物（以后简称：HA-ADH），然后将N-丙烯酰氧基琥珀酰亚胺与HA-ADH的氨基反应得到丙烯酸酯官能化透明质酸衍生物（以后简称HA-AC），合成过程如图3所示；丙烯酸酯官能化透明质酸衍生物与双巯基交联剂进行交联，形成注射型透明质酸水凝胶。交联过程如图4所示。

本发明一种注射型透明质酸水凝胶的制备方法，包括如下具体步骤：

1）透明质酸-己二酸二酰肼衍生物（以后简称：HA-ADH）的制备

将一定量的HA溶解在去离子水中配置成0.3%-2wt%的水溶液，然后在水溶液中加入8-25倍HA重量的己二酸二酰肼（以后简称：ADH）并通过NaOH和/或HCl调整溶液pH值到5.0-7.4，再加入1-4倍HA重量的1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺（以后简称：EDC），引发反应≥12小时；反应溶液经过透析提纯后冻干保存；

2）丙烯酸酯基功能化的透明质酸衍生物（以后简称：HA-AC）的制备

取一定量的HA-ADH溶解于pH=7.4-8.5的缓冲溶液中配置成0.55-1.1wt%的溶液,另取0.5-1.5倍HA-ADH重量的N-丙烯酰氧基琥珀酰亚胺（以后简称：NAS）溶解于二甲基亚砜（以后简称：DMSO）中；然后将NAS溶液加入到HA-ADH溶液中，室温搅拌≥12小时，最后将反应溶液透析提纯，再进一步冻干得到产物HA-AC；

3）水凝胶的制备

将HA-AC与双巯基交联剂加入到缓冲溶液混合均匀，得到混合溶液，将混合溶液升温至37-50℃交联形成注射型透明质酸水凝胶。

优选地，步骤1）中，所述透析提纯使用截留分子量8-10kDa的透析袋。

优选地，步骤1）中，HA水溶液的重量百分浓度为0.5-1%。更优选地，HA水溶液的重量百分浓度为0.5%。

优选地，步骤1）中，所述己二酸二酰肼与HA的重量比为10-15:1；更优选地，所述己二酸二酰肼与HA的重量比为10:1。

优选地，步骤1）中，所述1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺与HA的重量比为1-3:1。更优选地，所述1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺与HA的重量比为2:1。

优选地，步骤1）中，所述HA的分子量为60-200KDa。

优选地，步骤2）中，所述HA-ADH的缓冲溶液是磷酸溶液。

优选地，步骤2）中，所述NAS与HA-ADH的重量比为0.5-1.5:1；更优选地，所述NAS与HA-ADH的重量比为0.7:1。

优选地，步骤2）中，所述透析提纯使用截留分子量8-10kDa的透析袋。

优选地，步骤3）中，所述缓冲溶液为磷酸溶液。

优选地，步骤3）中，所述混合溶液中HA-AC的质量百分比溶度为6-20%。

优选地，步骤3）中，HA-AC与双巯基交联剂的摩尔比为1:0.5-1.2。

优选地，步骤3）中，所述双巯基交联剂选自下列物质中的一种：双巯基聚乙二醇（以后简称：HS-PEG-SH）、3,6-二氧-2,8-辛二硫醇（Mw=182.3）或二硫苏糖醇（以后简称：DTT，Mw=154.25）

优选地，步骤3）中，所述HS-PEG-SH的分子量Mw=3500Da。

优选地，步骤3）中，所述HA-AC的-AC功能基团的修饰度控制在30-70%。

优选地，步骤3）中，将HA-AC与双巯基交联剂在37℃、pH7.4的生理条件下可以在3-10min内迅速交联形成水凝胶。

为解决上述第二个技术问题，本发明新型注射型生物可降解水凝胶材料的应用：将新型注射型生物可降解水凝胶材料与药物、蛋白、细胞、无机颗粒等混合均匀，再将混合溶液倒入容器、模型或注射植入到动物或人体组织、器官、身体空腔内，使溶液在37℃交联固化。

本发明具有如下有益效果：

1）水凝胶主体材料透明质酸HA是一种广泛分布于人体各部位的黏性多糖，由于其具有优良的生物相容性和生物可降解性而被广泛地应用在化妆品、保健和医药领域。

2）丙烯酸酯基功能化的HA-AC合成方法简单易行，适合于工业化放大生产。

3）迈克尔加成反应的环境友好性、生物惰性和反应速度可控性，为其在注射型水凝胶的应用中奠定了良好的基础。

4）与物理缔合注射型凝胶相比，HA-AC化学交联水凝胶凝胶具有优良的稳定性和机械性能。

附图说明：

图1为物理交联水凝胶的交联机理图。

图2为化学交联水凝胶的交联机理图。

图3为丙烯酸酯基功能化的HA-AC合成路线。

图4为HA-AC化学凝胶的交联机理图。

图5为TNBS检测的机理图。注：通过检测TNBS分子与氨基键合后生成的橙黄色化合物使溶液在335nm波长处吸光度的变化，再根据标准曲线来估算氨基的数量。

图6为实施例1中通过己二酸二酰肼构建的TNBS检测的标准曲线图。

图7为实施例1中HA-AC水凝胶在37℃下随时间变化的固化照片。

图8为实施例1中HA-AC水凝胶冻干样品的扫描电镜（SEM）照片。

具体实施方式

实施例1

一种利用迈克尔加成反应构建的注射型透明质酸水凝胶的制备方法，其具体步骤如下：

1）透明质酸-己二酸二酰肼衍生物（HA-ADH）的制备

将2g HA（分子量50KDa）溶液在400mL去离子水中，然后加入20g己二酸二酰肼并用盐酸调整溶液pH值到5.0-7.4，进一步加入4.0g1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺（EDC）后，反应过夜。最后，产物HA-ADH溶液经过透析提纯（截留分子量8-10KDa透析袋）后冻干保存。

2）丙烯酸酯基功能化的透明质酸（HA-AC）的制备

将步骤1中所制HA-ADH1.9g溶解于350mL pH=7.4的缓冲溶液中,另取1.33gN-丙烯酰氧基琥珀酰亚胺（NAS）溶解于10-20mL DMSO中，进一步将NAS溶液加入到HA-ADH溶液中，室温搅拌过夜，最后将反应溶液装入截留分子量为8-10KDa的透析袋透析提纯，再进一步冻干得到产物HA-AC。

3）TNBS检测标准曲线的制备

将一定质量的己二酸二酰肼溶解在50mL pH=8.5的碳酸氢钠缓冲溶液中，配置成氨基溶度为1.1、2.2、5.6、11.2、22.5um/L的己二酸二酰肼溶液，然后分别量取5mL加入到小烧杯中，再分别加入2.5mL0.01%（W/V）的三硝基苯磺酸（以后简称：TNBS）水溶液，混合后在37℃下反应两个小时。进一步加入2.5mL10%的SDS和1.25mL1mol/L的稀盐酸到每个烧杯中充分混合并让其在37℃反应两个小时后，检测在335nm波长处溶液的吸光度并绘制成标准曲线。

4）HA-AC中-AC基团修饰度的测定

将10mg步骤11中制备的HA-ADH和步骤2中制备的HA-AC分别溶于500mL碳酸氢钠缓冲液中，得20ug/mL的HA-ADH溶液和HA-AC溶液；分别取5mL HA-ADH溶液和HA-AC溶液于两个小烧杯中，加2.5mL0.01%（W/V）的TNBS水溶液到每个烧杯中，混匀后在37℃下反应两个小时。反应结束后加2.5mL10%的SDS和1.25mL1mol/L的稀盐酸到每个烧杯中，混合好，检测在335nm波长处溶液的吸光度测吸光度，并根据步骤3中制备的标准曲线，通过HA-ADH和HA-AC中氨基数量的变化估算得到HA-AC中-AC基团的修适度在60%左右。

5）HA-AC水凝胶的制备

将实施例2中所制HA-AC50mg与0.5mg罗丹明B（用于对水凝胶染色）溶解于0.5mL pH=7.4-8.5的缓冲溶液中，配制成10%的HA-AC溶液，然后根据HA-AC溶液中-AC的含量配制-AC与-SH摩尔比为1:1的HS-PEG-SH或3,6-二氧-2,8-辛二硫醇或二硫苏糖醇缓冲溶液0.5mL，最后将HA-AC与HS-PEG-SH溶液混合后制备成HA-AC水凝胶前体溶液,再将水凝胶前体溶液放入37℃烘箱交联固化3-10min得到水凝胶材料。

实施例2

一种利用迈克尔加成反应构建的注射型透明质酸水凝胶的制备方法，其具体步骤如下：

1）透明质酸-己二酸二酰肼衍生物（HA-ADH）的制备

将2g HA（分子量50KDa）溶液在400mL去离子水中，然后加入30g己二酸二酰肼并用盐酸调整溶液pH值到5.0-7.4，进一步加入6g1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺（EDC）后，反应过夜。最后，产物HA-ADH溶液经过透析提纯（截留分子量8-10KDa透析袋）后冻干保存。

2）丙烯酸酯基功能化的透明质酸（HA-AC）的制备

将步骤1中所制HA-ADH1.9g溶解于350mL pH=7.4的缓冲溶液中,另取2.85gN-丙烯酰氧基琥珀酰亚胺（NAS）溶解于10-20mL DMSO中，进一步将NAS溶液加入到HA-ADH溶液中，室温搅拌过夜，最后将反应溶液装入截留分子量为8-10KDa的透析袋透析提纯，再进一步冻干得到产物HA-AC。

3）HA-AC中-AC基团修饰度的测定

将10mg步骤1中制备的HA-ADH和步骤2中制备的HA-AC分别溶于500mL碳酸氢钠缓冲液中，得20ug/mL的HA-ADH溶液和HA-AC溶液；分别取5mL HA-ADH溶液和HA-AC溶液于两个小烧杯中，加2.5mL0.01%（W/V）的TNBS水溶液到每个烧杯中，混匀后在37℃下反应两个小时。反应结束后加2.5mL10%的SDS和1.25mL1mol/L的稀盐酸到每个烧杯中，混合好，检测在335nm波长处溶液的吸光度测吸光度，并根据实施例1中制备的标准曲线，通过HA-ADH和HA-AC中氨基数量的变化估算得到HA-AC中-AC基团的修适度在70%左右。

4）HA-AC水凝胶的制备

将步骤2中所制HA-AC30mg与0.5mg罗丹明B（用于对水凝胶染色）溶解于0.5mL pH=7.4-8.5的缓冲溶液中，配制成10%的HA-AC溶液，然后根据HA-AC溶液中-AC的含量配制-AC与-SH摩尔比为1:1的HS-PEG-SH或3,6-二氧-2,8-辛二硫醇或二硫苏糖醇缓冲溶液0.5mL，最后将HA-AC与HS-PEG-SH溶液混合后制备成HA-AC水凝胶前体溶液,再将水凝胶前体溶液放入37℃烘箱交联固化3-10min得到水凝胶材料。

实施例3

一种利用迈克尔加成反应构建的注射型透明质酸水凝胶的制备方法，其具体步骤如下：

1）透明质酸-己二酸二酰肼衍生物（HA-ADH）的制备

将4g HA（分子量50KDa）溶液在400mL去离子水中，然后加入40g己二酸二酰肼并用盐酸调整溶液pH值到5.0-7.4，进一步加入4.0g1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺（EDC）后，反应过夜。最后，产物HA-ADH溶液经过透析提纯（截留分子量8-10KDa透析袋）后冻干保存。

2）丙烯酸酯基功能化的透明质酸（HA-AC）的制备

将步骤1中所制HA-ADH3.85g溶解于350mL pH=7.4的缓冲溶液中,另取1.92g N-丙烯酰氧基琥珀酰亚胺（NAS）溶解于10-20mL DMSO中，进一步将NAS溶液加入到HA-ADH溶液中，室温搅拌过夜，最后将反应溶液装入截留分子量为8-10KDa的透析袋透析提纯，再进一步冻干得到产物HA-AC。

3）HA-AC中-AC基团修饰度的测定

将10mg步骤1中制备的HA-ADH和步骤2中制备的HA-AC分别溶于500mL碳酸氢钠缓冲液中，得20ug/mL的HA-ADH溶液和HA-AC溶液；分别取5mL HA-ADH溶液和HA-AC溶液于两个小烧杯中，加2.5mL0.01%（W/V）的TNBS水溶液到每个烧杯中，混匀后在37℃下反应两个小时。反应结束后加2.5mL10%的SDS和1.25mL1mol/L的稀盐酸到每个烧杯中，混合好，检测在335nm波长处溶液的吸光度测吸光度，并根据步骤3中制备的标准曲线，通过HA-ADH和HA-AC中氨基数量的变化估算得到HA-AC中-AC基团的修适度在30%左右。

4）HA-AC水凝胶的制备

将步骤2中所制HA-AC100mg与1mg罗丹明B（用于对水凝胶染色）溶解于0.5mL pH7.4-8.5的缓冲溶液中，配制成20%的HA-AC溶液，然后根据HA-AC溶液中-AC的含量配制-AC与-SH摩尔比为1:1.2的HS-PEG-SH或3,6-二氧-2,8-辛二硫醇或二硫苏糖醇缓冲溶液0.5mL，最后将HA-AC与HS-PEG-SH溶液混合后制备成HA-AC水凝胶前体溶液,再将水凝胶前体溶液放入37℃烘箱交联固化3-10min得到水凝胶材料。

实施例4

注射型生物可降解水凝胶材料的应用：将实施例1制得的注射型生物可降解水凝胶材料与药物、蛋白、细胞、无机颗粒等混合均匀，再将混合溶液倒入容器、模型或注射植入到动物或人体组织、器官、身体空腔内，使溶液在37℃交联固化。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (6)

1.一种注射型透明质酸水凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤： 

通过1-乙基-3-(3-二甲氨基)碳二亚胺盐酸盐引发己二酸二酰肼的氨基与HA的主链羧基的缩合反应，得到主链具有氨基的透明质酸-己二酸二酰肼衍生物，然后将N-丙烯酰氧基琥珀酰亚胺与HA-ADH的氨基反应得到丙烯酸酯官能化透明质酸衍生物；丙烯酸酯官能化透明质酸衍生物与双巯基交联剂进行交联，形成注射型透明质酸水凝胶。 

2.根据权利要求1所述的一种注射型透明质酸水凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下具体步骤： 

1）透明质酸-己二酸二酰肼衍生物的制备 

将一定量的HA溶解在去离子水中配置成0.3%-2%的水溶液，然后在水溶液中加入8-25倍HA重量的己二酸二酰肼并通过NaOH和HCl调整溶液pH值到5.0-7.4，再加入1-4倍HA重量的1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺，引发反应≥12小时；反应溶液经过透析提纯后冻干保存； 

2）丙烯酸酯基功能化的透明质酸衍生物的制备 

取一定量的HA-ADH溶解于pH=7.4-8.5的缓冲溶液中配置成0.55-1.1%的溶液,另取0.5-1.5倍HA-ADH重量的N-丙烯酰氧基琥珀酰亚胺溶解于二甲基亚砜中；然后将NAS溶液加入到HA-ADH溶液中，室温搅拌≥12小时，最后将反应溶液透析提纯，再进一步冻干得到产物HA-AC； 

3）水凝胶的制备 

将HA-AC与双巯基交联剂加入到缓冲溶液混合均匀，得到混合溶液，将混合溶液升温至37-50℃交联形成注射型透明质酸水凝胶。 

3.根据权利要求2中所述一种注射型透明质酸水凝胶的制备方法，其特征在于： 

优选地，步骤1）中，所述透析提纯使用截留分子量8-10kDa的透析袋； 

优选地，步骤1）中，HA水溶液的重量百分浓度为0.5-1%；更优选地，HA水溶液的重量百分浓度为0.5%； 

优选地，步骤1）中，所述己二酸二酰肼与HA的重量比为10-15:1；更优选地，所述己二酸二酰肼与HA的重量比为10:1； 

优选地，步骤1）中，所述1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺与HA的重量比为1-3:1。更优选地，所述1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺与HA的重量比为2:1； 

优选地，步骤1）中，所述HA的分子量为60-200KDa。 

4.根据权利要求2中所述一种注射型透明质酸水凝胶的制备方法，其特征在于： 

优选地，步骤2）中，所述HA-ADH的缓冲溶液是磷酸溶液； 

优选地，步骤2）中，所述NAS与HA-ADH的重量比为0.5-1:1；更优选地，所述NAS与HA-ADH的重量比为0.7:1； 

优选地，步骤2）中，所述透析提纯使用截留分子量8-10kDa的透析袋。 

5.根据权利要求2中所述一种注射型透明质酸水凝胶的制备方法，其特征在于： 

优选地，步骤3）中，所述缓冲溶液为磷酸溶液； 

优选地，步骤3）中，所述混合溶液中HA-AC的质量百分比溶度为6-20%； 

优选地，步骤3）中，HA-AC与双巯基交联剂的摩尔比为1:0.5-1.2； 

优选地，步骤3）中，所述双巯基交联剂选自下列物质中的一种：双巯基聚乙二醇、3,6-二氧-2,8-辛二硫醇或二硫苏糖醇； 

优选地，步骤3）中，所述HS-PEG-SH的分子量Mw=3500Da； 

优选地，步骤3）中，所述HA-AC的-AC功能基团的修饰度控制在30-70%； 

优选地，步骤3）中，将HA-AC与双巯基交联剂在37℃、pH=7.4的生理条件下可以在3-10min内迅速交联形成水凝胶。 

6.如权利要求1所述一种注射型透明质酸水凝胶的应用，其特征在于，将上述注射型透明质酸水凝胶作为药物载体、组织修复及支架材料，并以溶液的形式注射入人体组织、器官、身体空腔内，在生理环境下交联固化。