本發(fā)明屬于生物醫(yī)學材料領域，特別涉及一種具有多重響應功能的水凝膠及其制備方法和用途。

背景技術：

水凝膠是一類由高分子鏈段構成，具有三維交聯網狀結構的親水性聚合物。水凝膠能吸收并保持大量水分但不溶于水，且在溶液、生物體中保持結構完整性。由于水凝膠具有較高的水滲透性和良好的生物相容性，而且具有一定強度，表面結構與生物體組織類似，因此在生物材料領域受到越來越多的關注和應用，如隱形眼鏡、藥物緩釋控釋、組織支架構建、醫(yī)用敷料等。

根據水凝膠對外界條件刺激的響應情況，一般分為傳統(tǒng)的普通水凝膠和智能型水凝膠，前者的性能并不會隨外界環(huán)境的變化而變化，而后者則可在外界刺激(如溫度、ph值、壓力、離子強度等)下發(fā)生響應，智能水凝膠這種獨特的響應性使其在蛋白分離、傳感器、藥物傳遞系統(tǒng)等方面都有很好的應用前景。一般的響應性水凝膠只能對單一的外界環(huán)境條件刺激發(fā)生響應，因此在成型或應用上受到限制。

技術實現要素：

針對現有的水凝膠只能對單一外界刺激發(fā)生響應的缺陷，本發(fā)明的首要目的在于提供一種具有多重響應功能的水凝膠的制備方法。

本發(fā)明的另一目的在于提供由上述方法制得的具有多重響應功能的水凝膠。

本發(fā)明的再一目的在于提供上述水凝膠的用途。

本發(fā)明的目的通過下述技術方案實現：

一種具有多重響應功能的水凝膠的制備方法，包括以下步驟：

(1)合成光響應與溫度響應的基底水凝膠

將水凝膠材料、丙烯酰氯、三乙胺加入到溶劑中，冰浴下反應3-15h，在常溫下反應3-15h，然后用碳酸氫鈉飽和溶液洗滌反應產物，再旋轉蒸發(fā)溶劑得到改性水凝膠材料。

所述的水凝膠材料為泊洛沙姆(poloxamer，聚氧乙烯聚氧丙烯醚嵌段共聚物，商品名是普蘭尼克pluronic)或聚乙二醇中的至少一種；

優(yōu)選地，所述的水凝膠材料為po-eo嵌段共聚物、eo-po嵌段共聚物、peg-2000，peg-4000或peg-6000中的至少一種。

所述的溶劑為二氯甲烷、氯仿、甲醇、甲苯或丙酮中的一種以上。

步驟(1)中，每100ml溶劑中含有0.6～13.0g的水凝膠材料、含有3～6ml的丙烯酰氯、含有3～6ml的三乙胺。

(2)合成氧化還原響應部分

將雙硒二醇、丙烯酰氯、三乙胺加入到溶劑中，冰浴下反應2-6h，再常溫下反應2-6h，然后用碳酸氫鈉飽和溶液洗滌反應產物，再旋轉蒸發(fā)溶劑得到帶有碳碳雙鍵的改性雙硒。

所述的雙硒二醇(hoch2ch2sesech2ch2oh)根據文獻(xiaolongzeng,xiaoyanzhou,mengyili,etal.redoxpoly(ethyleneglycol)-b-poly(l-lactide)micellescontainingdiselenidebondsforeffectivedrugdelivery[j].journalofmaterialsscience.2015,26:234)方法合成。

所述的溶劑為二氯甲烷或甲醇。

步驟(2)中，每100ml溶劑中含有0.5～4.0g的雙硒二醇、含有8～14ml的丙烯酰氯、含有10～15ml的三乙胺。

(3)制備多重響應水凝膠

將改性水凝膠材料溶液和改性雙硒溶液混合，再加入光聚合引發(fā)劑，在20-40℃、紫外光照射下生成具有多重響應功能的水凝膠。

所述的改性水凝膠材料溶液以水為溶劑，配制成濃度0.3-0.5g/ml；改性雙硒材料溶液以有機溶劑作為溶劑，配制成濃度0.1-0.4g/ml；所述的有機溶劑優(yōu)選乙烯基吡咯烷酮、乙醇或甲醇。

所述的改性雙硒材料與改性水凝膠材料的質量比為1:(10-20)。

所述的混合是指常溫下攪拌12-24h。

所述的光聚合引發(fā)劑優(yōu)選2,2-二甲氧基-2-苯基乙酮。

由上述方法制得的水凝膠對光和溫度變化能夠做出響應，同時還具有氧化還原響應功能。將該水凝膠浸泡在還原性溶液(比如谷胱甘肽溶液)中，由于氧化還原反應，水凝膠當中的雙硒鍵會斷裂，從而使凝膠的強度、形態(tài)發(fā)生改變。

由上述方法制得的水凝膠具有溫度響應和光響應特性，因此一方面可以用于3d打印高效制備復雜的模型，另一方面可以負載疏水性或親水性藥物，作為藥物載體使用；由于雙硒鍵的引入使水凝膠具有氧化還原特性，因此能在為靶向藥物載體，用于治療癌癥(癌細胞聚集部位具有強氧化性，會使雙硒鍵斷鏈，從而釋放出藥物)。

本發(fā)明的機理為：

本發(fā)明步驟(1)改性后的水凝膠為長鏈結構，并且在長鏈末端帶有活潑的化學基團，同樣地，步驟(2)改性后的雙硒化合物鏈段末端也帶有碳碳雙鍵，加入光聚合引發(fā)劑后，引發(fā)劑在365nm的光照環(huán)境能夠產生自由基，從而引發(fā)鏈段反應，光輻照度越強，自由基產生的速度和濃度越強，使二者互相交聯。

最后制得的水凝膠仍然保持溫度敏感特性，即在低溫狀態(tài)下的溶解度比在高溫狀態(tài)下的溶解度大，同樣濃度的水凝膠溶液隨著溫度的降低，粘度降低。同時，雙硒鍵是一種新型谷胱甘肽敏感的化學鍵。在高谷胱甘肽還原環(huán)境下會發(fā)生斷裂，雙硒鍵被還原，含雙硒鍵的高分子會因其斷裂而降解。

因此，這個混合水凝膠溶液具有成凝膠前溫度響應、光響應特性，有利于凝膠化速度的調節(jié)，而成凝膠后具有氧化還原響應特性，對在藥物載體等領域的應用有一定意義和前景。

本發(fā)明相對于現有技術具有如下的優(yōu)點及效果：

本發(fā)明的水凝膠材料對溫度、光、氧化還原均有響應性，能通過調節(jié)溫度、本體濃度、光聚合引發(fā)劑濃度、光源實現快速凝膠化，并且易于成型，具有優(yōu)異的力學性能和生物相容性，其氧化還原響應特性有利于負載不同的藥物分子并有效釋放。

附圖說明

圖1為實施例1～5制備的水凝膠材料的彈性模量圖。

圖2為實施例1～4制備的水凝膠材料氧化還原響應后的彈性模量圖。

圖3為實施例1～4制備的水凝膠材料的細胞毒性實驗結果圖。

具體實施方式

下面結合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。

本發(fā)明實施例中所使用試劑均可從市面采購獲得，主要原料信息如下：

pluronicf-127(eo100-po65-eo100)：購自sigma-aldrich公司

丙烯酰氯：購自schuchardt公司

三乙胺，二氯甲烷，碳酸氫鈉：均購自中國天津大茂化學試劑廠

2,2-二甲氧基-2-苯基乙酮：購自acros公司

硒粉：購自阿拉丁公司

硼氫化鈉：購自阿拉丁公司

2-溴乙醇：購自阿拉丁公司

實施例1

水凝膠材料的制備，包括以下步驟：

(1)改性水凝膠材料的制備：12.6gpluronicf-127溶于100ml體積比為二氯甲烷:丙酮＝1:1的混合溶液中，冰浴下逐滴加入3ml丙烯酰氯和3ml三乙胺，冰浴反應12h，常溫反應12h。反應結束后，用碳酸氫鈉飽和溶液洗滌，旋轉蒸發(fā)并在40℃真空干燥24h即可得改性f-127(12g)。

(2)改性雙硒的制備：根據文獻合成雙硒二醇產物后，取1g雙硒二醇溶于50ml二氯甲烷溶液中，往反應體系中通入氮氣氣體半個小時，然后冰浴下逐滴加入6ml丙烯酰氯和7ml三乙胺，冰浴反應3h，常溫反應3h。反應結束后，用碳酸氫鈉飽和溶液洗滌，旋轉蒸發(fā)并在40℃真空干燥24h即可得改性雙硒材料(0.64g)。

(3)氧化還原水凝膠的制備：將10g的改性f-127溶于100ml水中，配制成濃度為0.1g/ml的改性f-127溶液，將10g的改性雙硒材料和10g的光聚合引發(fā)劑溶于100ml的乙烯基吡咯烷酮溶液中。將5ml混合后的乙烯基吡咯烷酮溶液與100ml改性f-127溶液充分混合，改性雙硒材料與改性f-127的質量比為1:20，然后利用365nm紫外光源照射成型，得到具有多重響應功能的水凝膠。

實施例2

水凝膠材料的制備

將實施例1步驟(3)中的“將10g的改性雙硒材料和10g的光聚合引發(fā)劑溶于100ml的乙烯基吡咯烷酮溶液中”修改為“將20g的改性雙硒材料和10g的光聚合引發(fā)劑溶于100ml的乙烯基吡咯烷酮溶液中”，其余均與實施例1相同。此時最終混合溶液中，改性雙硒材料與改性f-127的質量比為1:10。

實施例3

水凝膠材料的制備

將實施例1步驟(3)中的“將10g的改性雙硒材料和10g的光聚合引發(fā)劑溶于100ml的乙烯基吡咯烷酮溶液中”修改為“將30g的改性雙硒材料和10g的光聚合引發(fā)劑溶于100ml的乙烯基吡咯烷酮溶液中”，其余均與實施例1相同。此時最終混合溶液中，改性雙硒材料與改性f-127的質量比為3:20。

實施例4

水凝膠材料的制備

將實施例1步驟(3)中的“將10g的改性雙硒材料和10g的光聚合引發(fā)劑溶于100ml的乙烯基吡咯烷酮溶液中”修改為“將40g的改性雙硒材料和10g的光聚合引發(fā)劑溶于100ml的乙烯基吡咯烷酮溶液中”，其余均與實施例1相同。此時最終混合溶液中，改性雙硒材料與改性f-127的質量比為1:5。

實施例5

水凝膠材料的制備

(3)將10g的改性f-127溶于100ml水中，配制成濃度為0.1g/ml的改性f-127溶液，將5ml混合后的乙烯基吡咯烷酮溶液與100ml改性f-127溶液充分混合，得到最終混合溶液中，改性雙硒材料與改性f-127的質量比為1:20，然后利用365nm紫外光源照射成型。其余均與實施例1相同。

實施例1-4都是f127與雙硒的混合，本實施例是只采用了f127。

實施例6

水凝膠材料彈性性能的測試

對實施例1～5中的水凝膠材料的彈性性能進行測試。

測試方法是：將材料放到旋轉流變儀的平臺上，采用平板加樣，樣品直徑1cm，平板間距為0.1mm，測試溫度為35℃，選擇進行頻率掃描，剪切比固定為0.1％，頻率掃描范圍0.1～100rad/s

結果如圖1所示。從圖1中可以看出，所有實施例制備的材料彈性模量均大于10³pa，說明改性雙硒材料的加入能顯著提高材料的力學性能，并且隨著改性雙硒材料與改性f-127質量比的提高，彈性模量也隨之提高，即改性雙硒材料可調節(jié)最終混合材料的力學性能；而當改性雙硒材料與改性f127質量比達到3:20以上時，改性雙硒材料的含量提高對彈性模量的影響不大。綜上所述，本發(fā)明的水凝膠具有良好的力學性能，所制備的模型不易破碎，有助于應用在生物醫(yī)學領域。

實施例7

水凝膠材料的氧化還原性能測試

配制濃度為0.1mol/l的谷胱甘肽溶液以及ph值7.4的pbs溶液，取實施例1～4中的水凝膠材料各1g，分別浸泡在10ml的pbs溶液和谷胱甘肽溶液中，在預先設定的時間點取出樣品測定彈性模量，結果如圖2所示。

改性雙硒材料質量分數越大的水凝膠材料在浸泡了相同時間后，彈性模量的損失越多，并且在谷胱甘肽溶液中浸泡的水凝膠材料比在pbs溶液中浸泡的具有更明顯的彈性模量損失現象，原因為水凝膠材料中的雙硒鍵在谷胱甘肽溶液的還原作用下斷開，使水凝膠強度降低。

實施例8

水凝膠材料的細胞毒性實驗

對實施例1～4中的水凝膠材料進行3t3小鼠成纖維細胞的細胞毒性實驗，實驗方法如下：

(1)材料制備

將材料制備成半徑為2.5mm，高1mm的圓柱體，面積為24孔培養(yǎng)板單個孔底面面積的十分之一，因此細胞培養(yǎng)階段利用24孔板進行。

(2)細胞培養(yǎng)及活性檢測

采用cck-8方法測定材料對3t3細胞的毒性影響。將材料置于3t3(小鼠胚胎成纖維細胞)細胞培養(yǎng)環(huán)境后在37℃，5％co2細胞培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24h后，吸棄完全培養(yǎng)基及水凝膠材料，用滅菌pbs清洗細胞后，每孔加入500ml含有50mlcck-8試劑的新鮮培養(yǎng)基(cck-8試劑與培養(yǎng)基體積比為1:10)，在置于培養(yǎng)箱中培養(yǎng)2h。最后通過酶標儀讀取在450nm波長處的吸光值，分析材料對3t3細胞的毒性影響。

如圖3所示，細胞與水凝膠材料共培養(yǎng)一段時間后，由于水凝膠材料毒性的差異從而使不同實驗組的細胞具有不同的活性。當水凝膠中，改性雙硒材料與改性f-127的質量比為1:20時(即實施例1)，細胞活性可達80％以上；當改性雙硒材料與改性f-127的質量比為1:10時(即實施例2)，細胞活性只有70％以上；并且隨著改性雙硒材料與改性f-127質量比的提高，，細胞活性有所降低。

考慮本發(fā)明中的水凝膠材料的應用前景為生物醫(yī)學領域，因此細胞活性是重要的考量標準。所以，改性雙硒材料的安全使用范圍應是初始配制改性雙硒材料溶液濃度不高于0.2g/ml，同時在最終混合材料中，改性雙硒材料與改性f-127的質量比為1:(10-20)。

本發(fā)明彈性模量測試結果表明，本發(fā)明的水凝膠材料具有優(yōu)異的力學性能，且可通過調節(jié)材料配方對力學性能進行控制；氧化還原實驗結果表明，材料成功引入雙硒鍵并具有氧化還原響應特性，在藥物控釋領域具有應用前景；細胞毒性實驗結果表明適當配方的材料具有良好的生物相容性。

上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內。