[发明专利]一种改性明胶纳米微球交联的有机复合水凝胶及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及生物医学材料领域，具体涉及一种改性明胶纳米微球交联的有机复合水凝胶及其制备方法。

背景技术

水凝胶是一种具有明显三维网络结构的亲水性聚合物，能够在水中溶胀而不溶解。水凝胶具有优异的渗透性、吸水性和生物相容性，因此被广泛应用于生物支架、细胞培养、药物控释和组织工程等生物医用材料领域。不过传统水凝胶由于使用了化学交联剂或光辐照的方法来制备，通常存在机械性能较差的缺点，极大的限制了水凝胶在组织工程支架材料等方面更广泛的应用。因此有很多研究者把精力集中到了如何提高水凝胶的机械性能上。近年来，研究者们发展出了三种具有优异机械性能的水凝胶，包括拓扑水凝胶、纳米复合水凝胶和双网络水凝胶。

智能水凝胶能够针对不同的环境刺激如温度、pH值和特定化学物质做出响应，大幅度的改变自身的体积或者其他性质。因为其独特的性质能够极大的拓展水凝胶的应用范围，智能水凝胶也受到了更广泛的关注。快速而充分的环境响应性和优异的机械性能是智能水凝胶的关键，前者可以确保水凝胶在环境改变时能够及时地做出明显的反馈，而后者则保证了水凝胶有足够的延展性和可变形性以承受外界压力。提高水凝胶的快速响应性可以通过在水凝胶网络上接枝侧链以形成蜂巢状的接枝水凝胶，或者利用冷冻聚合等技术在水凝胶内部形成大孔状结构，或者在水凝胶里引入胶束结构作为水通道等技术手段实现。这些技术手段都可以充分地增强水凝胶的快速响应性，但并不能提高其机械性能。而那些能够提高机械性能的技术也有一定程度上的缺陷。例如双网络水凝胶虽然具有优异的伸缩性，但是聚合物网络之间的相互作用导致互穿网络中不同聚合物的环境响应性被破坏。而使用无机粘土作为交联剂的纳米复合水凝胶，虽然拥有良好的机械性能和快速响应性，但仍需要扩大其对环境刺激的响应范围。同时作为组织工程材料，纳米复合水凝胶的生物相容性还需要进一步的提高。

近年来大分子微球以主体或者共价交联剂的方式被用来制备快速响应性或高机械性能的水凝胶。Hu等人以纳米微球为主体通过二乙烯砜与纳米微球表面的羟基形成共价交联的方式制备了一种具有快速响应性的水凝胶，同时其颜色还随着微球浓度的不同而变化。Akiyoshi等人利用可聚合的自组装型纳米凝胶作为交联剂制备了混合水凝胶。这种特殊的纳米凝胶是将甲基丙烯酰氯基团引入到包埋了胆甾醇基团的支链淀粉中合成的，纳米凝胶可以与2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱单体通过聚合形成一个常规的水凝胶网络结构。Wang等人使用⁶⁰Co γ射线辐射制备了一种具有良好机械性能的大分子微球复合（MMC）水凝胶。在MMC水凝胶中，大分子微球作为交联剂，丙烯酸作为单体，在40^oC条件下通过自由基聚合反应形成了水凝胶。Wu等人将聚乙烯纳米微球作为交联剂引入到聚丙烯酰的原位自由基聚合中制备了一种具有良好机械性能的有机纳米颗粒水凝胶。Xia等人以可控的活性纳米凝胶作为纳米级交联剂制备了一种具有快速响应性、良好溶胀性和伸缩性的智能水凝胶。所使用的活性纳米凝胶是在SDS参与下通过N-异丙基丙烯酰胺单体与N,N-亚甲基双丙烯酰胺的沉淀聚合合成的纳米凝胶，其直径在40~100nm之间。由于纳米凝胶中含有不饱和双键基团，能够作为纳米级的交联剂继续和N-异丙基丙烯酰胺单体反应形成良好机械性能和快速响应性的智能凝胶。这种纳米级的有机交联剂结合了传统的共价交联与新型的纳米符合水凝胶的优点，不过若作为生物医用材料，则仍需要进一步提高其生物相容性。

本发明的目的是针对现有技术存在的不足和缺陷，以甲基丙烯酰胺改性明胶纳米微球作为交联剂，通过与丙烯酰胺类单体的原位自由基聚合反应，结合冷冻聚合的技术，制备了一种大孔性、快速响应性、良好机械性能和生物相容性的复合水凝胶。甲基丙烯酰胺改性明胶是明胶与甲基丙烯酸酐的反应产物，既保留了明胶优异的生物相容性，又因接枝的甲基丙烯酰胺基团而具有了良好的反应活性，能够在与丙烯酰胺类单体的聚合反应中起到交联剂的作用。利用两步去溶剂法可以将改性明胶制备成直径为100~400nm的纳米微球，其中包含了甲基丙烯酰胺这种不饱和双键基团，能够作为纳米级的交联剂参与到丙烯酰胺类单体的自由基聚合反应中。本发明以改性明胶纳米微球作为交联剂，同时结合纳米复合水凝胶与传统共价交联的特点，所制备的水凝胶具有良好的机械性能和溶胀性。本发明在制备过程中结合冷冻聚合的技术，赋予了水凝胶大孔性和快速溶胀性。目前为止，尚未见关于以改性明胶纳米微球为交联剂制备有机复合水凝胶的专利报道。

发明内容