本發(fā)明涉及組織工程技術(shù)領(lǐng)域。更具體地，涉及一種明膠水凝膠及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

明膠是一種膠原經(jīng)過水解得到的天然大分子，其蛋白結(jié)構(gòu)決定了其具有良好的生物相容性和生物可降解性，與膠原相比沒有免疫原性，可加工性強，并且保留了膠原具有的細胞粘附肽以及蛋白酶降解位點。因此明膠水凝膠以及明膠基復(fù)合水凝膠被廣泛應(yīng)用于組織工程。

用于組織工程的明膠水凝膠即能以細胞/載體復(fù)合物的形式注入到機體內(nèi)，并在原位固化達到修復(fù)缺損的目的，也可以在體外固化直接植入體內(nèi)，并且可以在水凝膠中添加不同的藥物，達到特定的緩釋效果。

通常有兩種方式制備明膠水凝膠，一種是利用明膠本身的溶膠凝膠轉(zhuǎn)化的特性，明膠溶液在低溫下通過氫鍵作用形成物理交聯(lián)水凝膠；另一種是明膠通過化學(xué)交聯(lián)的方法形成共價交聯(lián)的水凝膠。這兩種方法都存在各自的缺點：首先，純明膠水凝膠力學(xué)性能差，在體溫下易溶于水不能維持其凝膠狀態(tài)，限制了其應(yīng)用范圍；其次，化學(xué)交聯(lián)的水凝膠常采用的交聯(lián)劑有甲醛、戊二醛、edc和京尼平等，醛類有較強的毒性，edc和京尼平價格昂貴都限制了其應(yīng)用。

因此，需要提供一種安全性高、力學(xué)強度和降解性能可控以及生產(chǎn)成本低的明膠水凝膠。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一個目的在于提供一種明膠水凝膠。

本發(fā)明的另一個目的在于提供一種明膠水凝膠的制備方法。

本發(fā)明的另一個目的在于提供一種明膠水凝膠的應(yīng)用。

為達到上述第一個目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種明膠水凝膠，為水分子填充的多孔三網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中第一網(wǎng)絡(luò)為改性明膠之間的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，第二網(wǎng)絡(luò)為聚乙二醇雙丙烯酸酯之間的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，第三網(wǎng)絡(luò)為改性明膠與聚乙二醇雙丙烯酸酯之間的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。本發(fā)明的明膠水凝膠由這三個網(wǎng)絡(luò)互相穿插構(gòu)成，提高了水凝膠的穩(wěn)定性，并且不同網(wǎng)絡(luò)的降解速度不同，避免單一網(wǎng)絡(luò)的快速降解，對維持水凝膠物理形態(tài)更加有利。

本發(fā)明的明膠水凝膠中改性明膠和聚乙二醇雙丙烯酸酯相互配合，聯(lián)合作用，不僅克服了傳統(tǒng)化學(xué)交聯(lián)所用交聯(lián)劑毒性較大的問題，產(chǎn)品更加安全，而且增加了明膠水凝膠中不飽和雙鍵的量，使明膠水凝膠中交聯(lián)點增加，提高了水凝膠的交聯(lián)程度，并且還可以通過調(diào)節(jié)改性明膠的修飾度以及聚乙二醇雙丙烯酸酯的量，實現(xiàn)力學(xué)強度和降解性能的可控調(diào)節(jié)。

優(yōu)選地，按重量份數(shù)計，所述明膠水凝膠包括：改性明膠1～30份，聚乙二醇雙丙烯酸酯1～40份，水20～80份。

優(yōu)選地，所述改性明膠為側(cè)鏈氨基被修飾后帶有不飽和雙鍵的明膠。本發(fā)明采用帶有不飽和雙鍵的改性明膠，能夠被紫外光引發(fā)交聯(lián)反應(yīng)。

優(yōu)選地，所述改性明膠可為甲基丙烯酰胺基明膠。本發(fā)明中甲基丙烯酰胺基在明膠分子鏈引入不飽和雙鍵的同時自身空間位阻較小，利于分子之間的光交聯(lián)反應(yīng)。

優(yōu)選地，所述改性明膠的甲基丙烯酰胺基修飾度為50～100％。在本發(fā)明的某些具體實施方式中，所述改性明膠的甲基丙烯酰胺基修飾度可為，例如：50～75％、50～88％、75～100％、75～88％、88～100％等。本發(fā)明中改性明膠的修飾度在所述范圍內(nèi)，得到的明膠水凝膠交聯(lián)程度更高，三維結(jié)構(gòu)更緊實。更優(yōu)選為75～88％，在更優(yōu)選范圍內(nèi)，得到的結(jié)果更優(yōu)。

優(yōu)選地，所述改性明膠采用常規(guī)方法制備，更優(yōu)選地，制備方法如下：首先將明膠置冷水中溶脹30分鐘，然后在50℃攪拌溶解，得到質(zhì)量體積比為5％-30％的明膠溶液。然后在明膠溶液中加入甲基丙烯酸酐，在50℃攪拌反應(yīng)3小時，通過控制加入量和反應(yīng)時間調(diào)整明膠的修飾度。反應(yīng)后將液體裝入8-14kd的透析袋中，置于50℃去離子水中攪拌5天，每4小時更換一次去離子水，最后將液體冷凍干燥后得到甲基丙烯酰胺基明膠。

優(yōu)選地，所述聚乙二醇雙丙烯酸酯的分子量小于2000；在本發(fā)明的某些具體實施方式中，所述聚乙二醇雙丙烯酸酯的分子量可為，例如：分子量≤575、575≤分子量<2000、575≤分子量≤1800、575≤分子量≤700、分子量≤700、700≤分子量<2000、700≤分子量≤1800、分子量≤1800、1800≤分子量<2000等。本發(fā)明在反應(yīng)體系中引入低分子量的聚乙二醇雙丙烯酸酯，其在體系中有更高的自由度，并且為雙功能單體，增加了體系中的不飽和雙鍵的量，使體系中交聯(lián)點增加，提高的水凝膠的交聯(lián)程度，實現(xiàn)了交聯(lián)度、力學(xué)性能和降解性能的可控調(diào)節(jié)。

為達到上述第二個目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種上述明膠水凝膠的制備方法，包括如下步驟：

所述明膠水凝膠通過將改性明膠和聚乙二醇雙丙烯酸酯經(jīng)紫外光引發(fā)交聯(lián)制備。本發(fā)明采用紫外光引發(fā)交聯(lián)反應(yīng)制備明膠水凝膠，克服了傳統(tǒng)化學(xué)交聯(lián)所用交聯(lián)劑毒性較大的問題，產(chǎn)品安全環(huán)保，同時由于紫外光交聯(lián)的特點可以制備成可注射水凝膠，在體內(nèi)原位聚合。

優(yōu)選地，所述紫外光波長可以為254nm或365nm。

優(yōu)選地，所述交聯(lián)反應(yīng)的溫度為25～50℃；在本發(fā)明的某些具體實施方式中，所述交聯(lián)反應(yīng)的溫度可為，例如：25～45℃、25～40℃、25～35℃、25～30℃、30～50℃、30～45℃、30～40℃、30～35℃、35～50℃、35～45℃、35～40℃、40～50℃、40～45℃、45～50℃等。

優(yōu)選地，所述交聯(lián)反應(yīng)的時間為5～20分鐘。在本發(fā)明的某些具體實施方式中，所述交聯(lián)反應(yīng)的時間可為，例如：5～15分鐘、5～12分鐘、5～10分鐘、5～8分鐘、8～20分鐘、8～15分鐘、8～12分鐘、8～10分鐘、10～20分鐘、10～15分鐘、10～12分鐘、12～20分鐘、12～15分鐘、15～20分鐘等，更優(yōu)選為10～20在更優(yōu)選方案中，得到的結(jié)果更優(yōu)。

優(yōu)選地，所述交聯(lián)反應(yīng)的光引發(fā)劑為巴斯夫光引發(fā)劑irgacure2959。

優(yōu)選地，所述明膠水凝膠的制備具體包括如下步驟：

將改性明膠、光引發(fā)劑和水混合得到混合液a，將聚乙二醇雙丙烯酸酯和混合液a混合得混合液b，將混合液b置于紫外光下交聯(lián)反應(yīng)得到明膠水凝膠。

優(yōu)選地，所述改性明膠和光引發(fā)劑的質(zhì)量比為1～300:1。在本發(fā)明的某些具體實施方式中，所述改性明膠和光引發(fā)劑的質(zhì)量比可為，例如：1～200:1、1～100:1、1～50:1、1～40:1、1～30:1、1～25:1、1～20:1、1～10:1、1～5:1、1～2.5:1、2.5～300：1、2.5～200:1、2.5～100:1、2.5～50:1、2.5～40:1、2.5～30:1、2.5～25:1、2.5～20:1、2.5～10:1、2.5～5:1、5～300：1、5～200:1、5～100:1、5～50:1、5～40:1、5～30:1、5～25:1、5～20:1、5～10:1、10～300：1、10～200:1、10～100:1、10～50:1、10～40:1、10～30:1、10～25:1、10～20:1、20～300：1、20～200:1、20～100:1、20～50:1、20～40:1、20～30:1、20～25:1、25～300:1、25～200:1、25～100:1、25～50:1、25～40:1、25～30:1、30～300:1、30～200:1、30～100:1、30～50:1、30～40:1、40～300:1、40～200:1、40～100:1、40～50:1、50～300:1、50～200:1、50～100:1、100～300:1、100～200:1、200～300:1等，更優(yōu)選為20～40:1，在更優(yōu)選范圍內(nèi)，得到的結(jié)果更優(yōu)。

優(yōu)選地，所述混合液a的混合方法為：將改性明膠加入含有光引發(fā)劑的溶液中混勻。

優(yōu)選地，所述混合液b的混合方法為：將聚乙二醇雙丙烯酸酯加入混合液a中混勻。

為達到上述第三個目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種上述明膠水凝膠在生物支架、細跑培養(yǎng)、藥物控釋和組織工程等領(lǐng)域的應(yīng)用。

另外，如無特殊說明，本發(fā)明中所用原料均可通過市售商購獲得，本發(fā)明所記載的任何范圍包括端值以及端值之間的任何數(shù)值以及端值或者端值之間的任意數(shù)值所構(gòu)成的任意子范圍。

本發(fā)明的有益效果如下：

(1)本發(fā)明克服了傳統(tǒng)化學(xué)交聯(lián)所用交聯(lián)劑毒性較大的問題，產(chǎn)品更加安全。

(2)本發(fā)明克服了傳統(tǒng)物理交聯(lián)力學(xué)強度差以及在水中降解速率過快的缺點，通過調(diào)節(jié)改性明膠的修飾度以及聚乙二醇雙丙烯酸酯的量，實現(xiàn)了力學(xué)強度和降解性能的可控調(diào)節(jié)。

(3)本發(fā)明克服了單一改性明膠紫外光催化交聯(lián)程度低的缺點，由明膠自身進行丙烯?；幕钚晕稽c較少，所以單純對明膠進行接枝改性后所具有的可進行紫外光引發(fā)的活性中心也較少，同時明膠分子量大，具有較大的空間位組，也限制了改性后明膠的交聯(lián)效率。在反應(yīng)體系中引入低分子量的聚乙二醇雙丙烯酸酯，其在體系中有更高的自由度，并且為雙功能單體，增加了體系中的不飽和雙鍵的量，使體系中交聯(lián)點增加，提高的水凝膠的交聯(lián)程度，實現(xiàn)了交聯(lián)度、力學(xué)性能和降解性能的可控調(diào)節(jié)。

(4)本發(fā)明采用紫外光引發(fā)交聯(lián)的方式制備水凝膠的方法，即能夠?qū)崿F(xiàn)水凝膠的體外制備，又能夠制備成可注射水凝膠在體內(nèi)固化。

(5)本發(fā)明所制備的水凝膠為三網(wǎng)絡(luò)水凝膠，第一網(wǎng)絡(luò)為改性明膠之間交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，第二網(wǎng)絡(luò)為聚乙二醇雙丙烯酸酯之間交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，第三網(wǎng)絡(luò)為改性明膠與聚乙二醇雙丙烯酸酯交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，所制備的水凝膠由這三個網(wǎng)絡(luò)互相穿插構(gòu)成，提高了水凝膠的穩(wěn)定性，并且不同網(wǎng)絡(luò)的降解速度不同，避免單一網(wǎng)絡(luò)的快速降解，對維持水凝膠物理形態(tài)更加有利。

(6)本發(fā)明制備方法過程簡單，生產(chǎn)成本低，易大規(guī)模生產(chǎn)。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細的說明。

圖1示出本發(fā)明實施例2和對比例1制得產(chǎn)品的失重率與時間關(guān)系的示意圖。

圖2示出本發(fā)明對比例1制得的甲基丙烯酰胺基明膠交聯(lián)水凝膠的掃描電鏡(sem)圖。

圖3示出本發(fā)明實施例2制得的甲基丙烯酰胺基明膠-聚乙二醇雙丙烯酸酯交聯(lián)的水凝膠的掃描電鏡(sem)圖。

具體實施方式

為了更清楚地說明本發(fā)明，下面結(jié)合優(yōu)選實施例和附圖對本發(fā)明做進一步的說明。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，下面所具體描述的內(nèi)容是說明性的而非限制性的，不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護范圍。

實施例1

一種明膠水凝膠的制備，包括如下步驟：

(1)稱取10g明膠加入到100ml的去離子水中，室溫溶脹1h，于60℃恒溫水浴中攪拌至完全溶解。將16ml甲基丙烯酸酐以1ml/min的速度滴加到明膠溶液中，在50℃的恒溫?fù)u床中震蕩反應(yīng)4h，然后加入400ml50℃的去離子水稀釋反應(yīng)液，將稀釋后的溶液裝入8-14kda的透析袋中，在50℃的去離子水中透析1周，每4小時更換去離子水，結(jié)束后將透析液在3000rpm的離心10min，取上清液，置于-80℃冰箱中過夜，進行冷凍干燥3天得到甲基丙烯酰胺基明膠，修飾度88％。

(2)配置irgacure2959質(zhì)量濃度0.25wt％的水溶液50ml，置于40℃恒溫水浴中攪拌溶解，取凍干后的甲基丙烯酰胺基明膠2.5g攪拌溶解，然后加入聚乙二醇雙丙烯酸酯(分子量575)2.5g攪拌溶解，將溶液置于功率為10mw/cm²的365nm紫外燈下反應(yīng)10min，得到本發(fā)明的明膠水凝膠即甲基丙烯酰胺基明膠-聚乙二醇雙丙烯酸酯交聯(lián)的水凝膠。

實施例2

一種明膠水凝膠的制備，包括如下步驟：

(1)稱取10g明膠加入到100ml的去離子水中，室溫溶脹1h，于60℃恒溫水浴中攪拌至完全溶解。將16ml甲基丙烯酸酐以1ml/min的速度滴加到明膠溶液中，在50℃的恒溫?fù)u床中震蕩反應(yīng)4h，然后加入400ml50℃的去離子水稀釋反應(yīng)液，將稀釋后的溶液裝入8-14kda的透析袋中，在50℃的去離子水中透析1周，每4小時更換去離子水，結(jié)束后將透析液在3000rpm的離心10min，取上清液，置于-80℃冰箱中過夜，進行冷凍干燥3天得到甲基丙烯酰胺基明膠，修飾度88％。

(2)配置irgacure2959質(zhì)量濃度0.5wt％的水溶液50ml，置于40℃恒溫水浴中攪拌溶解，取凍干后的甲基丙烯酰胺基明膠5g攪拌溶解，然后加入聚乙二醇雙丙烯酸酯(分子量700)2.5g攪拌溶解，將溶液置于功率為10mw/cm²的365nm紫外燈下反應(yīng)15min，得到本發(fā)明的明膠水凝膠即甲基丙烯酰胺基明膠-聚乙二醇雙丙烯酸酯交聯(lián)的水凝膠。

失重率測試：

將本發(fā)明的甲基丙烯酰胺基明膠-聚乙二醇雙丙烯酸酯交聯(lián)的水凝膠分別取1cm×1cm×0.5cm的水凝膠塊，稱重記作w0，置于37℃的去離子水中，每24h取出用吸水紙洗掉表面水分，稱重記作w，計算失重率，連續(xù)7天，設(shè)置3組平行實驗，取平均值；其中失重率＝1-w/w0。

測試結(jié)果如圖1所示，與初始質(zhì)量相比，甲基丙烯酰胺基明膠-聚乙二醇雙丙烯酸酯交聯(lián)的水凝膠在第一天的失重率為5.1％，第5天為9.1％，第7天為9.7％，失重率隨著時間逐漸趨于穩(wěn)定，而對比例1中的甲基丙烯酰胺基明膠交聯(lián)水凝膠失重率普遍高于甲基丙烯酰胺基明膠-聚乙二醇雙丙烯酸酯交聯(lián)的水凝膠，并且在7天的測試時間內(nèi)沒有表現(xiàn)出趨于穩(wěn)定的趨勢?？梢娂谆０坊髂z-聚乙二醇雙丙烯酸酯交聯(lián)的水凝膠在37℃的水中穩(wěn)定性更好，7天后的水凝膠的質(zhì)量仍在初始質(zhì)量的90％以上。這是由于聚乙二醇雙丙烯酸酯的加入使得體系中不飽和雙鍵的量增加，體系交聯(lián)程度升高，熱穩(wěn)定性更好。

圖3為本實施例制得的甲基丙烯酰胺基明膠-聚乙二醇雙丙烯酸酯交聯(lián)水凝膠的掃描電鏡(sem)圖，圖3中，由于聚乙二醇雙丙烯酸酯的加入使得甲基丙烯酰胺基明膠分子鏈之間的交聯(lián)密度增大，表面出現(xiàn)筋條狀的結(jié)構(gòu)，孔壁變厚。由于體系中存在兩種可紫外光引發(fā)交聯(lián)的單體，所以形成多孔三網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中第一網(wǎng)絡(luò)為改性明膠之間的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，第二網(wǎng)絡(luò)為聚乙二醇雙丙烯酸酯之間的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，第三網(wǎng)絡(luò)為改性明膠與聚乙二醇雙丙烯酸酯之間的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，所制備得到的水凝膠為三種網(wǎng)絡(luò)互相穿插構(gòu)成。所以甲基丙烯酰胺基明膠-聚乙二醇雙丙烯酸酯交聯(lián)水凝膠的交聯(lián)程度更高，結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。

對比例1

一種甲基丙烯酰胺基明膠交聯(lián)水凝膠，方法步驟同實施例2，不同之處僅在于：步驟2)中不加入聚乙二醇雙丙烯酸酯。

制得甲基丙烯酰胺基明膠交聯(lián)水凝膠，對其進行失重率測試，測試方法同實施例2，結(jié)果如圖1所示。對比例1中的甲基丙烯酰胺基明膠交聯(lián)水凝膠失重率普遍高于實施例2中甲基丙烯酰胺基明膠-聚乙二醇雙丙烯酸酯交聯(lián)的水凝膠，并且在7天的測試時間內(nèi)沒有表現(xiàn)出趨于穩(wěn)定的趨勢。

圖2示出甲基丙烯酰胺基明膠交聯(lián)水凝膠的掃描電鏡(sem)圖，如圖2所示，可以看出單純的甲基丙烯酰胺基明膠交聯(lián)水凝膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為規(guī)整，孔徑基本一致，為單一網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

實施例3

一種明膠水凝膠的制備，包括如下步驟：

(1)稱取1000g明膠加入到10l的去離子水中，室溫溶脹1h，于60℃恒溫水浴中攪拌至完全溶解。將800ml甲基丙烯酸酐以50ml/min的速度滴加到明膠溶液中，在50℃的反應(yīng)釜中攪拌反應(yīng)4h，然后加入40l50℃的去離子水稀釋反應(yīng)液，將稀釋后的溶液進行超濾8小時，采用濾膜8kda，將濾液置于-80℃冰箱中過夜，進行冷凍干燥3天得到甲基丙烯酰胺基明膠，修飾度75％。

(2)配置irgacure2959質(zhì)量濃度0.5wt％的水溶液1l，置于30℃恒溫水浴中攪拌溶解，取凍干后的甲基丙烯酰胺基明膠200g攪拌溶解，然后加入聚乙二醇雙丙烯酸酯(分子量1800)150g攪拌溶解，將溶液置于兩臺功率為10mw/cm²的365nm紫外燈下反應(yīng)20min，得到本發(fā)明的明膠水凝膠即甲基丙烯酰胺基明膠-聚乙二醇雙丙烯酸酯交聯(lián)的水凝膠。

實施例4

制備載藥的水凝膠：

甲基丙烯酰胺基明膠的制備方法與實施例2中相同。

配置irgacure2959質(zhì)量濃度0.5wt％的水溶液50ml，置于40℃恒溫水浴中攪拌溶解，取凍干后的甲基丙烯酰胺基明膠5g攪拌溶解，然后加入聚乙二醇雙丙烯酸酯(分子量575)2.5g攪拌溶解，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1wt％的甲硝唑攪拌溶解，將溶液置于功率為10mw/cm²的365nm紫外燈下反應(yīng)15min，得到載有甲硝唑的甲基丙烯酰胺基明膠-聚乙二醇雙丙烯酸酯交聯(lián)水凝膠，使得水凝膠具有抗菌消炎的功效。

實施例5

方法步驟同實施例4，不同之處僅在于，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)3wt％納米羥基磷灰石代替0.1wt％甲硝唑，最終制的具有骨修復(fù)功效的水凝膠。

實施例6

方法步驟同實施例4，不同之處僅在于，在紫外燈引發(fā)交聯(lián)前，將體系反應(yīng)液涂布于無紡布上，然后置于功率為10mw/cm²的365nm紫外燈下反應(yīng)15min，制備得到水凝膠抗菌敷料。

顯然，本發(fā)明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定，對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動，這里無法對所有的實施方式予以窮舉，凡是屬于本發(fā)明的技術(shù)方案所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護范圍之列。