專利名稱：一種多層水凝膠及其制備方法與應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高分子水凝膠，尤其是涉及一種多層水凝膠及其制備方法與應(yīng)用。
背景技術(shù)：
高分子水凝膠由于其獨特的物理化學(xué)性質(zhì)已經(jīng)受到了人們極大的關(guān)注，多糖類水凝膠由于其無毒性、生物相容性、生物降解性等優(yōu)點，使其在食品、化妝品、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有獨特的優(yōu)勢。水凝膠按照其制備方法大體可以分為兩類，第一類是通過物理的方法，如通過次價鍵(氫鍵)交聯(lián)制備而得的，稱之為物理凝膠。第二類是通過化學(xué)鍵交聯(lián)制備而得的，稱之為化學(xué)凝膠?；瘜W(xué)凝膠由于其分子鏈之間通過化學(xué)鍵相連，因此比物理凝膠具有更優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)。水凝膠按照其取材來源可以分為天然高分子水凝膠和合成高分子水凝膠。由于天然高分子水凝膠取材廣泛，資源可再生，生物相容性佳及可降解等優(yōu)勢，因此其研究與應(yīng)用受到越來越廣泛的關(guān)注。聚多糖類水凝膠作為天然高分子水凝膠中的一大類，包括殼聚糖、淀粉、海藻酸鹽、瓊脂糖、透明質(zhì)酸鹽、多肽蛋白質(zhì)等水凝膠，具有優(yōu)異的生物相容性和生物降解性，在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。近年來，關(guān)于多糖類水凝膠的報道呈現(xiàn)爆炸性趨勢，其中以殼聚糖水凝膠的應(yīng)用最受關(guān)注。Alonso等(Calvo P，Vila-Jato J L, Alonso M J， et al. Novelhydrophilic chitosan-polyethyIene oxide nanoparticles as protein carriers [J] Journal of AppliedPolymer Science, 1997,63(1) :125-132)將殼聚糖 / 聚氧化乙烯(CS/PE0)混合溶液與聚陰離子(TPP)溶液簡單混合，利用共沉淀法，制備出了尺寸在200-1000nm范圍的CS/PE0-PP0納米粒子。此外，他們還研究了這種納米粒子的載藥性，發(fā)現(xiàn)該納米粒子對蛋白質(zhì)類藥物的包埋率達到80%以上，所載藥物在體內(nèi)的釋放 WfS]Ih7—Mo Mumper φ (MacLaughlin F C, Mumper R J, Wang J J, et al. Chitosan and depolymerized chitosan oligomers as condensingcarriers for in vivo plasmid delivery [J] Journal of Controlled Release，1998，56 (1-3) :259-272)研究了殼聚糖作為基因載體的潛在應(yīng)用。他們發(fā)現(xiàn)，由于殼聚糖的無毒性以及與基因的優(yōu)異結(jié)合能力， 使得殼聚糖可以作為一種比較理想的基因載體。經(jīng)實驗結(jié)果證實，載有基因的殼聚糖粒子確實被靶向傳輸進入細胞內(nèi)。Elder等(Nettles D L，Elder S H，Gilbert J A, et al.PotentialUse of Chitosan as a Cell Scaffold Material for Cartilage Tissue Engineering [J] Tissue engineering, 2002,8 (6) :1009-1016)將殼聚糖水凝膠經(jīng)冷凍干燥制備的多孔支架，并將動物的軟骨細胞種植其中用于骨組織修復(fù)。實驗發(fā)現(xiàn)，軟骨細胞在殼聚糖支架表面生長；并且，通過熒光標記探測到在殼聚糖與軟骨細胞周圍產(chǎn)生了大量的細胞外基質(zhì)；這充分說明殼聚糖支架材料在組織修復(fù)工程中具有很好的應(yīng)用價值。關(guān)于“洋蔥”型多層水凝膠的報道比較少。但是，“洋蔥”型多層水凝膠在組織工程、藥物輸送、緩釋和酶固定酶化方面具有獨特的性能，正成為研究熱點。2008年，David等
3在 Nature 干丨J物上(Ladet S, David L, Domard A. Multi-membrane hydrogels [J]Nature, 2008,452(7183) :76-79)首次報道了殼聚糖多層水凝膠的制備及其形成機理。他們將殼聚糖溶解在1，2_丙二醇/水(50/50)的混合溶液中，然后在55°C的條件下將水完全蒸發(fā)掉得到殼聚糖醇凝膠。然后，將這種醇凝膠反復(fù)、交替地在NaOH水溶液和醇水混合溶解中浸漬，便得到層間有空隙的殼聚糖多層水凝膠。這種多層水凝膠具有很高的載藥能力和良好的藥物緩釋性能。此后，Xu 等(Dai H J, Li X F, Xu J, et al. Multi-membrane hydrogel fabricated by facile dynamicself-assembly[J]. Soft Matter,2009,5(10) :1987-1989) 將含有Ca2+的海藻酸凝膠“核”浸漬于海藻酸鈉溶液中，制到一個帶有一層膜覆蓋的“雞蛋” 結(jié)構(gòu)模板。然后，將該模板反復(fù)在Ca2+和海藻酸鈉溶液中交替浸漬，制備出具有“洋蔥”形貌的海藻酸鈉多層水凝膠。研究發(fā)現(xiàn)，這種載藥后的“洋蔥”型多層水凝膠的藥物釋放呈脈沖式過程。總的來說，目前制備這類多層水凝膠的方法還比較少，制備出的多層水凝膠結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不高，凝膠力學(xué)性能較差，凝膠大小、形狀和結(jié)構(gòu)的控制不夠成熟。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種形狀結(jié)構(gòu)可控，具有“洋蔥”形貌的多層水凝膠及其制備方法與應(yīng)用。所述具有“洋蔥”形貌的多層水凝膠由凝膠核模板和覆蓋在凝膠核模板外部的多層膜水凝膠組成。所述凝膠核模板的材料可選自殼聚糖、淀粉、海藻酸鹽、瓊脂糖、透明質(zhì)酸鹽、多肽蛋白質(zhì)、聚乙二醇、聚酰胺、聚酰胺酸等中的至少一種。所述覆蓋在凝膠核模板外部的多層膜水凝膠的材料可選自殼聚糖、海藻酸鹽、瓊脂糖、透明質(zhì)酸鹽等水溶性的高分子中的至少一種。所述具有“洋蔥”形貌的多層水凝膠的制備方法包括以下步驟1)將制備凝膠核的材料溶解后，再凝膠化，制得凝膠核模板；2)將凝膠核模板浸漬在交聯(lián)劑水溶液中，使凝膠核吸附交聯(lián)劑；3)將吸附交聯(lián)劑的凝膠核模板浸漬于水溶性高分子溶液中，制得單層膜覆蓋的水凝膠；4)重復(fù)步驟2)和幻，即制得與重復(fù)次數(shù)一致層數(shù)的具有“洋蔥”形貌的多層水凝膠。在步驟1)中，所述凝膠化的具體方法可選自變換溫度凝膠化、蒸發(fā)溶劑凝膠化、 沉淀凝膠化或交聯(lián)凝膠化等；所述凝膠核模板的直徑大小可為0. 5 μ m 5cm，模板的形狀可依據(jù)需要調(diào)節(jié)。在步驟幻中，所述交聯(lián)劑可選自戊二醛或環(huán)氧氯丙烷等；所述交聯(lián)劑水溶液的質(zhì)量百分比濃度可為0. 01% 20% ；所述凝膠核模板浸漬在交聯(lián)劑水溶液中的時間可為 0. 1 600min，所述交聯(lián)劑水溶液的溫度可為-5 80°C。在步驟幻中，所述水溶性高分子溶液的質(zhì)量百分比濃度可為0.1% 3% ；所述將吸附交聯(lián)劑的凝膠核模板浸漬于水溶性高分子溶液中的時間可為0. 1 600min，所述水溶性高分子溶液的溫度可為-5 80°C，pH可為2 12 ；所述單層膜的厚度可為0. 1 μ m 0. 5cm0
在步驟4)中，所述層數(shù)可為1 20層；其形狀通過需求按模板設(shè)計的形狀來控制，其層間結(jié)構(gòu)和單層的大孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通過在交聯(lián)劑中交聯(lián)時間來調(diào)控。與現(xiàn)有多層水凝膠制備方法相比，本發(fā)明所述具有“洋蔥”形貌的多層水凝膠取材廣泛，模板形狀及大小可任意設(shè)計，從而使得利用模板制備出來的多層水凝膠的形狀也能隨需要而設(shè)計。本發(fā)明所制備具有“洋蔥”形貌的多層水凝膠的每一層凝膠的微觀結(jié)構(gòu)都是大孔徑網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的存在，使其在藥物包埋、藥物緩釋和組織工程中有著很好的應(yīng)用前
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圖1為本發(fā)明實施例5的殼聚糖水凝膠層厚隨戊二醛水溶液濃度變化曲線。在圖 1中，橫坐標為戊二醛濃度)，縱坐標為層厚(μπι)。圖2為本發(fā)明實施例6的殼聚糖水凝膠層厚隨在殼聚糖中浸漬時間變化點線圖。 在圖2中，橫坐標為時間(min)，縱坐標為層厚(μπι)。
具體實施例方式以下將結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步的說明。實施例1用Iml的注射器將3wt %的殼聚糖醋酸溶液滴加入lmol/L的NaOH溶液中，凝膠化 lOmin，得到直徑為3 4mm的球狀凝膠核。將球狀凝膠核表面殘留的NaOH用蒸餾水洗凈后，浸漬于70°C、lWt%的戊二醛溶液中5min。將其取出后，用蒸餾水洗凈表面的戊二醛再浸漬于70°C、pH = 6的0. 5wt%殼聚糖醋酸水溶液中;3min。按照上述步驟，再繼續(xù)將其在戊二醛和殼聚糖水溶溶液中交替重復(fù)浸漬3次，即可得到具有4層膜的殼聚糖多層水凝膠。 其形貌利用數(shù)碼相機在光學(xué)顯微鏡目鏡中拍照觀察。實施例2用Iml注射器將加熱溶解的殼聚糖/瓊脂糖Awt^ HAc (3 1 96)混合溶液滴加到環(huán)己烷中，不斷攪拌，凝膠化lOmin，得到直徑2 3mm的殼聚糖/瓊脂糖球狀凝膠核。將殼聚糖/瓊脂糖球狀凝膠核浸漬在80°C的的戊二醛溶液中5min。將其取出后，用蒸餾水洗凈表面的戊二醛再將其在室溫下浸漬PH = 2的Iwt %的殼聚糖醋酸水溶液中2min，然后將其取出用蒸餾水洗凈表面的殼聚糖后再浸漬于70°C的的戊二醛水溶液中5min進一步交聯(lián)，得到具有單層膜的殼聚糖水凝膠，其形貌利用數(shù)碼相機在光學(xué)顯微鏡目鏡中拍照觀察。實施例3用Iml注射器將加熱溶解的3wt%瓊脂糖水溶液滴加到環(huán)己烷中，不斷攪拌，凝膠化lmin，得到直徑1 2mm的瓊脂糖凝膠球狀凝膠核。將瓊脂糖凝膠球狀凝膠核浸漬在 80°C的的環(huán)氧氯丙烷溶液中aiiin。將其取出后，用蒸餾水洗凈表面的環(huán)氧氯丙烷再將其在室溫下浸漬于PH= 12的0. 5wt%的海藻酸鈉水溶液中3min，按照這種方法，將模板在環(huán)氧氯丙烷和海藻酸鈉水溶溶液中交替重復(fù)浸漬4次，得到具有4層膜的類似“洋蔥”結(jié)構(gòu)的多層海藻酸鈉水凝膠，其形貌利用數(shù)碼相機在光學(xué)顯微鏡目鏡中拍照觀察。
實施例4將加熱熔融的2wt%的瓊脂糖水溶液趁熱澆鑄于尺寸為(長寬高= 5:1: 0. km)板狀鋁質(zhì)磨具中，待冷卻凝膠化后，將其脫模得到板狀模板。將制得的模板浸漬在70°C的的戊二醛水溶液中5min。將模板取出后，用蒸餾水洗凈表面的戊二醛再將其在室溫下浸漬于中pH = 4的0. 5wt%的殼聚糖醋酸水溶液3min，按照這種方法，將模板在戊二醛和殼聚糖水溶溶液中交替重復(fù)浸漬六次，得到具有六層膜的板狀殼聚糖多層水凝膠，然后利用數(shù)碼相機在光學(xué)顯微鏡目鏡中拍照。實施例5用Iml注射器將加熱溶解的殼聚糖/瓊脂糖Awt^ HAc(l 1 98)液滴加到環(huán)己烷中，不斷攪拌，凝膠化2min，得到直徑2 3mm的殼聚糖/瓊脂糖凝膠球狀凝膠核。選擇大小一致的殼聚糖/瓊脂糖凝膠球狀凝膠核在80°C分別浸漬于質(zhì)量濃度為0. 2%、0. 4%, 0. 6%、0. 8%、1%、2%、3%、4%、6%、8%、10%的一系列戊二醛水溶液中;3min。將這些殼聚糖/瓊脂糖凝膠球狀凝膠核同時取出后，用蒸餾水洗凈表面殘留的戊二醛，再將他們在室溫下分別浸漬于PH = 6的0. 5wt%的殼聚糖醋酸水溶液中;3min。將他們同時取出，用蒸餾水洗凈表面的殼聚糖后再浸漬于80°C的2wt %的戊二醛水溶液中:3min進一步交聯(lián)，得到具有不同層厚的一系列單層膜的殼聚糖水凝膠。繪制殼聚糖單層膜厚度隨戊二醛溶液濃度變化的點線圖(參見圖1)。實施例6用Iml注射器將加熱溶解的殼聚糖/瓊脂糖Awt^ HAc(l 1 98)滴加到環(huán)己烷中，不斷攪拌，凝膠化2min，得到直徑2 3mm的殼聚糖/瓊脂糖凝膠球狀凝膠核。選擇大小一致的殼聚糖/瓊脂糖凝膠球狀凝膠核在80°C分別浸漬于2wt%的戊二醛水溶中3min。 將這些殼聚糖/瓊脂糖凝膠球狀凝膠核模板同時取出后用蒸餾水洗凈表面的戊二醛，再將他們在室溫下分別浸漬PH = 6的0. 5wt%的殼聚糖醋酸水溶液中l(wèi)min、2min、^iindmiru 5min、6min、8min、lOmin、12min、15min、20min。最后將他們?nèi)〕鲇谜麴s水洗凈表面的殼聚糖后再分別浸漬于80°C的2wt %的戊二醛水溶液中:3min進一步交聯(lián)，得到具有不同層厚的一系列單層膜的殼聚糖水凝膠。繪制殼聚糖單層膜厚度隨在殼聚糖中浸漬時間變化的點線圖 (參見圖2)。
權(quán)利要求
1.一種多層水凝膠，其特征在于由凝膠核模板和覆蓋在凝膠核模板外部的多層膜水凝膠組成。
2.如權(quán)利要求1所述的一種多層水凝膠，其特征在于所述凝膠核模板的材料選自殼聚糖、淀粉、海藻酸鹽、瓊脂糖、透明質(zhì)酸鹽、多肽蛋白質(zhì)、聚乙二醇、聚酰胺、聚酰胺酸中的至少一種。
3.如權(quán)利要求1所述的一種多層水凝膠，其特征在于所述覆蓋在凝膠核模板外部的多層膜水凝膠的材料選自殼聚糖、海藻酸鹽、瓊脂糖、透明質(zhì)酸鹽水溶性的高分子中的至少一種。
4.如權(quán)利要求1所述的一種多層水凝膠的制備方法，其特征在于包括以下步驟1)將制備凝膠核的材料溶解后，再凝膠化，制得凝膠核模板；2)將凝膠核模板浸漬在交聯(lián)劑水溶液中，使凝膠核吸附交聯(lián)劑；3)將吸附交聯(lián)劑的凝膠核模板浸漬于水溶性高分子溶液中，制得單層膜覆蓋的水凝膠；4)重復(fù)步驟幻和3)，即制得與重復(fù)次數(shù)一致層數(shù)的具有“洋蔥”形貌的多層水凝膠。
5.如權(quán)利要求4所述的一種多層水凝膠的制備方法，其特征在于在步驟1)中，所述凝膠化的具體方法選自變換溫度凝膠化、蒸發(fā)溶劑凝膠化、沉淀凝膠化或交聯(lián)凝膠化。
6.如權(quán)利要求4所述的一種多層水凝膠的制備方法，其特征在于在步驟1)中，所述凝膠核模板的直徑大小為0. 5 μ m 5cm。
7.如權(quán)利要求4所述的一種多層水凝膠的制備方法，其特征在于在步驟1)中，在步驟2)中，所述交聯(lián)劑選自戊二醛或環(huán)氧氯丙烷；所述交聯(lián)劑水溶液的質(zhì)量百分比濃度為 0. 01% 20%。
8.如權(quán)利要求4所述的一種多層水凝膠的制備方法，其特征在于在步驟1)中，所述凝膠核模板浸漬在交聯(lián)劑水溶液中的時間為0. 1 600min，所述交聯(lián)劑水溶液的溫度為_5 80 "C。
9.如權(quán)利要求4所述的一種多層水凝膠的制備方法，其特征在于在步驟3)中，所述水溶性高分子溶液的質(zhì)量百分比濃度為0. 3%;所述將吸附交聯(lián)劑的凝膠核模板浸漬于水溶性高分子溶液中的時間為0. 1 600min，所述水溶性高分子溶液的溫度為-5 80°C， pH為2 12 ；所述單層膜的厚度為0. 1 μ m 0. 5cm。
10.如權(quán)利要求4所述的一種多層水凝膠的制備方法，其特征在于在步驟4)中，所述層數(shù)為1 20層。
全文摘要
一種多層水凝膠及其制備方法與應(yīng)用，涉及一種高分子水凝膠。提供一種形狀結(jié)構(gòu)可控，具有“洋蔥”形貌的多層水凝膠及其制備方法與應(yīng)用。所述具有“洋蔥”形貌的多層水凝膠由凝膠核模板和覆蓋在凝膠核模板外部的多層膜水凝膠組成。1)將制備凝膠核的材料溶解后，再凝膠化，制得凝膠核模板；2)將凝膠核模板浸漬在交聯(lián)劑水溶液中，使凝膠核吸附交聯(lián)劑；3)將吸附交聯(lián)劑的凝膠核模板浸漬于水溶性高分子溶液中，制得單層膜覆蓋的水凝膠；4)重復(fù)步驟2)和3)，即得產(chǎn)品。取材廣泛，模板形狀及大小可任意設(shè)計，多層水凝膠的形狀也能隨需要而設(shè)計，每一層凝膠的微觀結(jié)構(gòu)都是大孔徑網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使其在藥物包埋、藥物緩釋和組織工程中有應(yīng)用前景。
文檔編號C08L3/02GK102391537SQ20111019885
公開日2012年3月28日 申請日期2011年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月15日
發(fā)明者段將將, 熊曉鵬, 王悅, 王玉迪 申請人:廈門大學(xué)