CN1176978C - 一种可降解的化学交联水凝胶及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属高分子材料技术领域，具体为一种具有降解性的化学交联水凝胶及其制备方法。采用亲水性或部分亲水性的大分子或寡聚物作为主体，结合可降解寡聚物，采用大分子单体技术在水相中于体温(或常温)下形成水凝胶。该水凝胶不能溶解于水(化学交联)，但能够可控降解，可广泛适用于组织工程细胞培养支架或药物控制释放载体等生物材料领域。

Description

一种可降解的化学交联水凝胶及其制备方法

技术领域

本发明属高分子材料技术领域，具体涉及一种具有降解特性的化学交联水凝胶及其制备方法。

技术背景

具有降解特性的聚合物的降解产物为低分子量化合物或最终代谢成小分子化合物如CO₂和H₂O等。如果降解产物是水溶性，则可直接通过各种代谢过程排出体外或被机体吸收；如果降解产物不溶于水且分子量较大，则可通过巨噬细胞的吞噬作用由溶酶体进一步降解，因而可能引发无菌炎症反应，具有一定的毒性。

生物降解高分子已被广泛应用在医疗领域(如医用缝合线、骨钉、修复整形和医科等)以及用作药物载体来实现药物在体内特定部位的控制释放作用以达到治疗目的。当前研究和使用最为广泛的生物降解高分子是脂肪族聚酯，如聚D，L-丙交酯(PDLLA)、聚L-丙交酯(PLLA)、聚乙交酯(PGA)、聚己内酯(PCL)和它们的共聚物。中国发明专利(公开号CN1271742A)合成乙交酯-L-丙交酯-己内酯三元共聚物，此共聚物具有很好的生物降解性、力学性能和可调节生物降解速度的性能。中国发明专利(公开号CN1272384A)采用相分离方法制备了壳聚糖/明胶多孔细胞支架材料，生物相容性好，在组织工程等领域应用可以预先塑形，但上述生物材料并不具有可注射性。

水凝胶具有良好的生物相容性，目前研究和使用最为广泛的是聚乙二醇(PEG)或聚氧化乙烯(PEO)和聚氧化丙烯(PPO)的共聚物(PEPO)，低分子量(～10KDa)的聚乙二醇(PEG)或PEPO在体内溶解后容易通过肾脏排出体外，无毒、无抗原性和免疫原性，已被广泛应用在生物医疗和生物技术等领域。适当的水凝胶制备方法能够预先将未成凝胶的高分子物质与细胞或药物混合，然后注射入人体或动物体之后形成凝胶，自然地将细胞或药物固定，因而也被称为可注射性水凝胶，一般为一种物理交联水凝胶。即使不是利用其可注射性的特点，此类凝胶也有生物相容性良好、便于操作、能充分固定细胞或药物等优点，因而在医疗和药物控制释放领域得到广泛重视。美国发明专利6,129,761报道了在改性的多糖类化合物如透明质酸、海藻酸盐水溶液中加入交联剂如二价阳离子形成水凝胶，在组织工程中充当细胞培养支架作用。但物理交联水凝胶，其溶解或降解性能难以控制，在用于体外组织培养等场合时，因能溶解于水而无法实施实验。A.S.Sawhney等(Macromolecules，1993，26，581[美])制备了聚乙二醇(PEG)大单体，通过紫外或可见光引发其交联，形成化学交联水凝胶，并进一步讨论了此水凝胶用作药物控制释放载体的可能性。但采用光引发对于组织工程等需要注射入体内的场合时并不方便；对于较大的凝胶，光照和所导致的交联反应也难以做到均匀。

发明内容

本发明的目的在于提出一种具有良好生物相容性、吸水性、通透性的可降解的化学交联水凝胶及其制备方法。

本发明提出的可降解的化学交联水凝胶，是由亲水性或部分亲水性大分子或寡聚物与可降解基团通过化学交联构成，为聚合物网络结构，其降解速率不依赖所形成凝胶的条件，独立可控，其化学结构式为：

式中

表示处于任意形式化学交联点之间的链段。

(Y′-X′)表示由X′和Y′组成的任意形式的共聚物，X′为亲水性或部分亲水性大分子或寡聚物，Y′为可降解单元或其寡聚物。

本发明的化学交联水凝胶中，亲水性或部分亲水性大分子或寡聚物X′为主体，占51％-99.5％(重量百分比)，可降解的单元或其寡聚物Y′占49％-0.5％(重量百分比)。化学交联水凝胶中的水相为纯水，或缓冲溶液，或动植物或人体的体液，或组织培养液，或其它不以有机溶剂为主体的溶剂介质。

本发明应用大分子单体技术制备了上述化学交联的、可降解的聚合物水凝胶。其制备方法为采用具有良好生物相容性的聚醚类亲水性或部分亲水性大分子或寡聚物X为化学交联大分子单体中心部分，通过开环聚合方法与生物降解的脂肪族聚酯Y共聚得共聚物Y-X-Y；然后在此共聚物分子主链两端接上可化学交联的双键反应基团Z，得大分子单体Z-Y-X-Y-Z；配制大分子单体的溶液，通过水溶性氧化还原引发剂引发交联反应，形成化学交联水凝胶。该水凝胶于常温(体温)下在水中不溶解，但可以有控制地逐步降解，适用于组织工程用细胞培养支架和药物控制释放载体等领域。

上述方法中，作为化学交联大分子单体中心部分的亲水性或部分亲水性大分子或寡聚物X，一般可采用分子量不过高的聚乙二醇(PEO)，分子量从100-100000，或者采用PEPO嵌段共聚物。可生物降解的脂肪族聚酯Y可以采用寡聚L-丙交酯(PLLA)、寡聚DL-丙交酯(PDLLA)、寡聚乙交酯(PGA)、寡聚己内酯(PCL)、ε-烷基取代己内酯中的任何一种，以及它们任何形式的共聚物。可化学交联基团Z可以采用丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯，或其它丙烯酸酯类的衍生物。X和聚合产物为Y的单体之间的投料摩尔比为0.5∶99.5-99.5∶0.5。

上述方法中，X与Y开环共聚的条件为：0.1mmHg真空和催化剂作用下，反应温度120℃-200℃，反应时间3-50小时；较佳的反应温度为140℃-160℃，反应时间为15-24小时，得反应产物为Y-X-Y。其中，催化剂可采用异辛酸亚锡，其用量为X的羟基基团摩尔数的0.1％-5％，较佳用量为0.5％-1.5％；催化剂也可用氢化钙或锌粉，其用量与X的羟基基团的摩尔比为0.2∶0.8-0.8∶0.2之间，较佳的用量为与X的羟基基团的摩尔比为0.4∶0.6-0.6∶0.4。

上述方法中，共聚产物Y-X-Y溶于二氯甲烷或氯仿中，该Y-X-Y溶液与Z反应(Z可由丙烯酰氯、甲基丙烯酰氯或其它丙烯酰氯衍生物所引入)。Z的用量与Y-X-Y的羟基基团的摩尔比为4∶1-10∶1之间。先在上述Y-X-Y溶液中加入与Z等摩尔量三乙胺，在搅拌和氮气保护下滴加入Z，在冰浴中(0-5℃)反应10-12小时，然后在室温(20℃左右)下反应10-12小时。反应完毕后过滤、沉淀，收集沉淀物，真空干燥，得到大分子单体Z-Y-X-Y-Z。

上述方法中，大分子单体Z-Y-X-Y-Z的溶液的重量浓度为5-85％，其溶剂可以为水，或缓冲液，或人体或动植物体体液，或组织培养液，或其它不以有机溶剂为主体的溶剂介质的一种或几种的混合物。在该大分子单体溶液中加入的水溶性氧化还原引发剂可以是过硫酸盐，如过硫酸钾或过硫酸铵等，引发剂的用量占大分子单体溶液重量的0.01-8％，在1-80℃条件下引发交联反应，形成水凝胶。

本发明具有如下特点：

1、本发明提出的水凝胶不溶解于水(化学交联)，但能够在常温和水相中降解。由于采用聚乙二醇或PEPO嵌段共聚物等作为大分子单体的中心部分，生物相容性良好。

2、本发明制备的水凝胶在体内的降解速度可通过控制共聚聚酯种类和化学组成不同、聚酯链的长短以及交联密度等因素来调节。

3、本发明制备的水凝胶使用无毒性、商品化的异辛酸亚锡或氢化钙或锌粉为催化剂，设备简单。采用丙烯酰氯或甲基丙烯酰氯或其它丙烯酰氯衍生物同聚乙二醇或PEPO与脂肪族聚酯的共聚物反应来改性共聚物的化学特性，反应后处理简单。有利于规模化工业生产。

4、本发明是在大分子单体水溶液中加入水溶性氧化还原引发剂，利用人体体温或常温下引发交联反应，从而固定包容物(细胞或药物)。

5、本发明的可降解的化学交联水凝胶是在常温、常压、水溶液中实现的，并可采用注射方法，在体外铸模内或体内热引发交联反应，可加工成各种复杂形状之物供医学、组织工程或其它方面应用，操作简单方便。

6、本发明的化学交联水凝胶具有良好的吸水性、通透性、生物相容性，是一类新型的人工合成的高分子水凝胶，具有广泛的生物医学用途。

具体实施方式

下面通过实施例进一步描述本发明的实施方式，但不限于这些实施例。

实施例1，反应物投料摩尔比为PEG10K∶L-丙交酯∶辛酸亚锡＝1∶32∶0.02(有关PEG10K等代号的说明见最后的“注”)，混合均匀后在60℃抽真空6小时，以除去易挥发物，然后用惰性气体(氮气或氩气)置换数次，最后在真空(0.1mmHg)下热封安瓿管。在140℃条件下共聚反应24小时。共聚产物的二氯甲烷溶液与丙烯酰氯(摩尔比为1∶10)反应，反应后过滤，滤液在无水***(-10～0℃)中沉淀，收集沉淀，真空干燥，得大分子单体PEG10K-L32。在重量浓度为30％的此大分子单体磷酸盐缓冲溶液(PBS)中，加入重量浓度为2％的氧化还原引发剂过硫酸铵，在37℃下化学交联，得到水凝胶。水凝胶在37℃、PBS溶液中达到溶胀平衡后，吸水率为98％，体积溶胀比为3.7。

实施例2、与实施例1操作相同，反应物投料摩尔比为PEG8K∶ε-己内酯∶D，L-丙交酯∶辛酸亚锡＝1∶2∶2∶0.02，得大分子单体PEG10K-CL2-DL2。在重量浓度为40％的此大分子单体PBS溶液中加入重量浓度为2％的氧化还原引发剂过硫酸铵，在37℃下化学交联，得到水凝胶。水凝胶在37℃、PBS溶液中达到溶胀平衡后，吸水率为92％，体积溶胀比为3.5。

实施例3、与实施例1操作相同，反应物投料摩尔比为PEO-PPO-PEO(嵌段长度比为EO∶PO∶EO＝99∶65∶99)∶乙交酯∶辛酸亚锡＝1∶8∶0.02，得大分子单体PEO-PPO-PEO-G8。重量浓度为30％的此大分子单体PBS溶液加入重量浓度为1％的氧化还原引发剂过硫酸钾，在37℃下化学交联，得到水凝胶。水凝胶在37℃、PBS溶液中达到溶胀平衡后，吸水率为80％，体积溶胀比为2.4。

实施例4、与实施例1操作相同，反应物投料摩尔比为PEG6K∶D，L-丙交酯∶CaH₂＝1∶8∶2，反应温度为160℃，时间为15小时，得大分子单体PEG6K-DL8。在重量浓度为25％的此大分子单体PBS溶液中加入重量浓度为1％的氧化还原引发剂过硫酸铵，采用RS75型Rheometrics流变仪，在37℃、恒定湿度下，进行力学测试(频率1Hz，应力10N)，发生化学交联反应后，其静态弹性模量为203KPa[比较：30wt％PEPO三嵌段共聚物(嵌段长度比为EO∶PO∶EO＝99∶65∶99)的PBS溶液物理交联水凝胶，静态弹性模量为31KPa]。

上述化学交联水凝胶在PH7.4磷酸缓冲溶液和37℃条件下，进行体外降解实验，用水凝胶降解后失重来表示降解速度，结果如表1所示。

          表1 PEG6K-DL8化学交联水凝胶体外降解性能

降解时间(天)       0       2      12     19    25     33

水凝胶失重(％)     0       0.5    44     84    95     99

注：PEG2K、PEG6K、PEG8K、PEG10K分别表示分子量为2000、6000、8000和10,000的聚乙二醇。

Gn表示聚乙二醇分子链两端平均都接有n个羟基乙酸酯单元；

Ln表示聚乙二醇分子链两端平均都接有n个L-乳酸共聚单元；

DLn表示聚乙二醇分子链两端平均都接有n个D，L-乳酸共聚单元；

CLn表示聚乙二醇分子链两端平均都接有n个己内酯共聚单元。

Claims (11)

1、一种可降解的化学交联水凝胶，其特征在于由亲水性或部分亲水性大分子或寡聚物与可降解基团组成聚合物化学交联网络结构，其降解速率不依赖所形成凝胶的条件，独立可控，其化学结构式简写为：

式中： 表示处于任意形式化学交联点之间的链段；

(Y’-X’)表示由X’和Y’组成的任意形式的共聚物；

X’为亲水性或部分亲水性大分子或寡聚物；Y’为可降解单元或其寡聚物。

2、根据权利要求1所述的化学交联水凝胶，其特征在于亲水性或部分亲水性大分子或寡聚物X’在该化学交联水凝胶中为主体，重量含量为51％～99.5％，可降解的单元或寡聚物Y’在该化学交联水凝胶中重量含量为49％～0.5％。

3、根据权利要求1所述的化学交联水凝胶，其特征在于其中的水相为纯水或缓冲溶液或体液或组织培养液或其它不以有机溶剂为主体的溶剂介质。

4、一种如权利要求1所述的可降解化学交联水凝胶的制备方法，应用大分子单体技术，其特征在于采用含有聚乙二醇重复单元的聚醚X为化学交联大分子单体中心部分，通过开环聚合方法与生物降解的脂肪族聚酯Y共聚得共聚物Y-X-Y；然后在此共聚物分子主链两端接上含双键的可化学交联的基团Z，得大分子单体Z-Y-X-Y-Z；配制大分子单体的溶液，通过水溶性氧化还原引发剂引发交联反应，形成化学交联水凝胶；其中，Y为聚DL-丙交酯、聚L-丙交酯、聚乙交酯、聚ε-己内酯、ε-烷基取代己内酯中的任何一种以及上述各类聚合物的任何形式的共聚物；Z为丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯或其它丙烯酸酯的衍生物。

5、根据权利要求4所述的水凝胶的制备方法，其特征在于所组成大分子单体中心部分的X为聚乙二醇，分子量从2000到10000，或者为聚氧化乙烯和聚氧化丙烯共聚物。

6、根据权利要求4所述的水凝胶的制备方法，其特征在于所制备的大分子单体的共聚合单元投料摩尔比为X∶聚合产物为Y的单体为0.5∶99.5-99.5∶0.5。

7、根据权利要求4所述的水凝胶的制备方法，其特征在于共聚反应采用的催化剂为异辛酸亚锡，其用量为X的羟基基团摩尔数的0.1-5％，反应温度为120-160℃，反应时间为3-50小时。

8、根据权利要求4所述的水凝胶的制备方法，其特征在于共聚反应采用的催化剂为氢化钙或锌粉，其用量与X的羟基基团的摩尔比为0.2∶0.8-0.8∶0.2，反应温度为120-160℃，反应时间为3-50小时。

9、根据权利要求4所述的水凝胶的制备方法，其特征在于Z的用量与Y-X-Y的羟基基团的摩尔比为4∶1-10∶1之间。

10、根据权利要求4所述的水凝胶的制备方法，其特征在于大分子单体溶液的重量浓度为5-85％，其溶剂为水、缓冲液、人体或动植体液、组织培养液、不以有机溶剂为主体的溶剂介质的一种或几种的混合物。

11、根据权利要求10所述的水凝胶的制备方法，其特征在于加入的水溶性氧化还原引发剂为过硫酸盐，用量为大分子单体溶液重量的0.01-8％，交联反应温度为1-80℃。