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一种聚乙二醇大分子单体交联的高强度水凝胶及其光引发自由基聚合法.pdf

  • 上传人:sha****007
  • 文档编号:8669774
  • 上传时间:2020-11-03
  • 格式:PDF
  • 页数:9
  • 大小:1.33MB
  • 摘要
    申请专利号:

    CN201210151477.0

    申请日:

    20120516

    公开号:

    CN102675562A

    公开日:

    20120919

    当前法律状态:

    有效性:

    失效

    法律详情:

    IPC分类号:

    C08F290/06,C08F226/06,C08F2/48

    主分类号:

    C08F290/06,C08F226/06,C08F2/48

    申请人:

    天津大学

    发明人:

    刘文广,张金龙

    地址:

    300072 天津市南开区卫津路92号

    优先权:

    CN201210151477A

    专利代理机构:

    天津市北洋有限责任专利代理事务所

    代理人:

    王秀奎

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    内容摘要

    本发明公开了一种聚乙二醇大分子单体交联的高强度水凝胶及其制备方法,由2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪和聚乙二醇二丙烯酸酯通过自由基聚合共聚而成,将2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪、聚乙二醇二丙烯酸酯和引发剂溶解在溶剂中,通过引发剂引发2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪、聚乙二醇二丙烯酸酯分子上的不饱和键,通过自由基聚合反应制备出水凝胶。本发明的水凝胶具有很强的抗拉伸和抗压缩能力,并且具有良好的生物相容性和光学性能。

    权利要求书

    1.一种聚乙二醇大分子单体交联的高强度水凝胶,其特征在于,由2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪和聚乙二醇二丙烯酸酯通过自由基聚合共聚而成,将2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪、聚乙二醇二丙烯酸酯和引发剂溶解在溶剂中,通过引发剂引发2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪、聚乙二醇二丙烯酸酯分子上的不饱和键,通过自由基聚合反应制备出水凝胶。 2.根据权利要求1所述的一种聚乙二醇大分子单体交联的高强度水凝胶,其特征在于,聚乙二醇二丙烯酸酯的数均分子量为2000-4000。 3.根据权利要求1所述的一种聚乙二醇大分子单体交联的高强度水凝胶,其特征在于,单体聚乙二醇二丙烯酸酯和2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪的质量比为(0.5~5)∶1。 4.一种制备聚乙二醇大分子单体交联的高强度水凝胶方法,其特征在于,按照下述步骤进行:将2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪、聚乙二醇二丙烯酸酯和引发剂溶解在溶剂中,通过引发剂引发2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪、聚乙二醇二丙烯酸酯分子上的不饱和键,通过自由基聚合反应制备出水凝胶。 5.根据权利要求4所述的一种制备聚乙二醇大分子单体交联的高强度水凝胶方法,其特征在于,单体聚乙二醇二丙烯酸酯和2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪的质量比为(0.5~5)∶1;引发剂的质量为单体总质量的2%~3%。 6.根据权利要求4所述的一种制备聚乙二醇大分子单体交联的高强度水凝胶方法,其特征在于,聚乙二醇二丙烯酸酯的数均分子量为2000-4000。 7.根据权利要求4所述的一种制备聚乙二醇大分子单体交联的高强度水凝胶方法,其特征在于,所述溶剂为二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、四氢呋喃或者二甲基亚砜;所述引发剂为偶氮偶氮二异丁腈、过氧化苯甲酰、1-[4-(2-羟乙氧基)-亚苯基]-2-羟基-2′,2′-二甲基乙酮、甲基乙烯基酮或者安息香。

    说明书

    技术领域

    本发明涉及一种聚乙二醇大分子单体交联的高强度水凝胶及其制备方法,更加具体 地说,涉及聚乙二醇二丙烯酸酯-共聚-2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪 (PEGDA-co-PVDT)水凝胶及其制备方法。

    背景技术

    水凝胶是具有亲水基团,能被水溶胀但不溶于水的三维交联网状结构聚合物。具有 较高的吸水率(通常含水量大于总质量的50%)。因为聚合物链间的物理缠结和化学交联等 作用而不会溶解于水中,只能溶胀至一定的形状。同时,水凝胶具有良好的水渗透性, 生物相容性,刺激响应性,且细胞毒性低,作为人体植入物可以减少不良反应。因此水 凝胶在日化用品、环境工程(抗旱保水)、生物医学工程(创伤敷料、药物释放载体、 角膜接触镜)和组织工程(组织填充材料、关节软骨、支架)等领域得到了广泛应用。

    普通结构的水凝胶往往在含水量较低时,具有一定的机械性能;但是在较高含水量 (如>90%)时,机械强度显著下降,甚至在极低的外力作用下就发生碎裂,因此限制了其 作为生物材料尤其是力学器件的应用。文献报道典型水凝胶的断裂能在10-1-100J/m2。人 体中的一些软组织(如肌腿、韧带、半月板软骨等)也是由凝胶物质构成的,此类组织具有 柔软、坚韧、抗冲击等优良特点。如果能制备出与人体软组织力学性能接近且具有良好 生物相容性的软组织类似物,将是一种良好的组织工程材料。

    它们之所以在高含水量时碎裂,主要是因为水凝胶微观结构的非均匀性,即交联点 分布无序,各链节长短不一,使得每条链所能承受的应力不同。水凝胶从最弱的链段开 始断裂,最终引起整个水凝胶体系的破裂,所以水凝胶整体机械性能很差。为了解决水 凝胶较差的力学性能这一问题,近期科学家们研制了以下几种高强度水凝胶:双网络(DN) 水凝胶,插层无机纳米复合水凝胶(NC)和高分子微球复合水凝胶(MMC),滑动环水凝胶 (TP)等等。但是除了双网络水凝胶之外,其它高强度水凝胶不兼具高的抗拉伸和抗压 缩功能(Yoshimi Tanaka,JianPing Gong,Yoshihito Osada.Novel hydrogels with  excellent mechanical Performance.Prog.Polym.Sci.2005;30:1-9.)。同时,这些高强度水 凝胶缺乏良好的耐疲劳性能。

    聚乙二醇(PEG)作为一种水溶性高分子,其水凝胶细胞毒性低,生物相容性好,广 泛应用于生物医学和药学材料。此外,PEG分子链的端基为功能基团——羟基,很容易 发生化学反应得到聚乙二醇功能单体;另外PEG很容易结晶,并且其分子量的应用范围 很宽(从几百到几万),是经美国FDA认可的非降解性的高分子生物材料。华南理工大 学毛剑制备了聚乙二醇二丙烯酸酯交联水凝胶支架(专利CN 1010846026A),该支架含 有生脂间充质干细胞,最终可形成预定形状和尺寸的软组织。由此可见,利用PEG为基 体制备水凝胶具有良好的应用前景。

    聚2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪(PVDT)可在水中有效识别核酸碱基及其衍生 物:VDT单体可与尿嘧啶和胸腺嘧啶形成三氢键作用,与腺嘌呤形成二氢键,与鸟嘌呤 形成单氢键作用(Hiroyuki Asanuma,Takeshi Ban,Sumie Gotoh,Takayuki Hishiya,Makoto  Komiyama.Hydrogen bonding in water by poly(vinyldiaminotriazine)for the molecular  recognition of nucleic acid bases and their derivatives.Macromolecules,1998;31:371-377.)。 用VDT制备的聚合物可以增大水中的非极性微环境,有利于氢键的形成。DNA碱基中富 含氢键供体和受体,可有效的通过氢键作用识别并作用于目标分子。已有文献报道PVDT 能够与质粒DNA形成复合物有效的转染细胞(Zhiqiang Cao,Wenguang Liu,Dongehun  Liang,Gang Guo,Jingyu Zhang.Design of poly(vinyl diamino triazine)-based nonviral  veetors via specific hydrogen bonding with nueleic acid base pairs.Adv.Funct.Mater.2007; 17:246-252.)区别于传统的转染方法(DNA被压缩成纳米粒子后加入到培基中与细胞接 触),反相转染(reverse transfaction)方法能够固定DNA于固体材料的表层,这样将增大细 胞与DNA接触的机会,提高转染效率。并且不依赖于转染试剂,可以降低转染试剂所带 来的毒性。PVDT光引发聚合后的水凝胶,表面氢键作用可有效的吸附DNA。此外,本体 的强氢键作用使得水凝胶的拉伸和压缩性能得到显著改善。

    自由基聚合制备PEG水凝胶是较常用的方法,自由基通过PEG大分子单体上不饱 和乙烯基团进行传递产生链型聚合,从而得到交联结构。自由基聚合可选择不同的引发 方法,主要有引发剂引发和紫外光引发。可见光或紫外光能够与光引发剂作用产生自由 基,从而引发聚合反应得到交联水凝胶。光聚合反应与传统的聚合技术相比有以下几个 优点:可在室温或生理条件下进行;光固化速度快(从几秒钟到几分钟);反应放出的热量 少;反应条件温和,不会对细胞和组织造成损伤。

    发明内容

    基于以上技术背景,本发明提供了一种聚乙二醇大分子单体交联的高强度水凝胶及 其制备方法。主要是通过PEGDA大分子单体与VDT由引发剂引发共聚,获得拉伸性能和 压缩性能都很好的高强度水凝胶。

    本发明的目的在于提供一种高强度聚乙二醇二丙烯酸酯-共聚-2-乙烯基-4,6-二氨基 -1,3,5-三嗪(PEGDA-co-PVDT)水凝胶及其制备方法,该水凝胶具有很强的抗拉伸和 抗压缩能力,并且具有良好的生物相容性和光学性能。

    本发明的目的通过下述技术方案予以实现:

    一种聚乙二醇大分子单体交联的高强度水凝胶,由2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5- 三嗪和聚乙二醇二丙烯酸酯通过自由基聚合共聚而成,将2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3, 5-三嗪、聚乙二醇二丙烯酸酯和引发剂溶解在溶剂中,通过引发剂引发2-乙烯基-4,6-二 氨基-1,3,5-三嗪、聚乙二醇二丙烯酸酯分子上的不饱和键,通过自由基聚合反应制备 出水凝胶。

    在本发明的技术方案中,以聚乙二醇二丙烯酸酯和2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5- 三嗪作为共聚单体,聚乙二醇二丙烯酸酯分子的分子链两端带有双键、分子链中间为“氧 -碳-碳-氧”单键相连的骨架结构(即聚乙二醇分子的主链结构——(CH2CH2O)n),采用 热源或者光源使引发剂提供自由基,再由自由基引发聚乙二醇二丙烯酸酯与2-乙烯基 -4,6-二氨基-三嗪中的双键,发生共聚反应。最终制备的水凝胶材料中,具有聚乙二醇二 丙烯酸酯和聚2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪两种物质的链段。其中,2-乙烯基-4, 6-二氨基-1,3,5-三嗪分子上的大量氨基间形成大量氢键,极大提高了水凝胶的韧性和 强度,聚乙二醇二丙烯酸酯结构提供柔性的亲水链段,上述两部分协同作用,使整个水 凝胶材料体现出高吸水性,高强度和较大的断裂伸长率,以及良好的生物相容性。

    利用引发剂提供的自由基引发聚乙二醇二丙烯酸酯和2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3, 5-三嗪发生反应。其中引发剂可以选择高分子聚合领域中常用的热引发剂,如偶氮二异 丁腈(ABIN)、过氧化苯甲酰(BPO),或者光引发剂,如1-[4-(2-羟乙氧基)- 亚苯基]-2-羟基-2′,2′-二甲基乙酮(Irgacure 2959)、甲基乙烯基酮、安息香。如 果选择热引发剂,则需要首先利用惰性气体(如氮气、氩气或者氦气)排除反应体系中 的氧,以避免其的阻聚作用,然后根据引发剂的活性和用量,将反应体系加热到所用引 发剂的引发温度之上并保持相当长的时间,如1h以上或者更长(1-5h),以促使引发 剂能够长时间产生足够多的自由基,引发反应体系持续发生自由基聚合反应,最终制备 本发明的水凝胶。如果选择光引发剂,则可以选用透明密闭的反应容器,在紫外光照射 的条件下引发自由基聚合,由于光引发效率高于热引发,因根据所选引发剂的活性和用 量调整照射时间时,照射时间可短于热引发的加热时间,如20分钟或者更长(30min- 1h)。

    在本发明的技术方案中,应当根据共聚单体、选择使用的引发剂的溶解性,选择能 够完全溶解上述物质或者能够与上述物质完全互溶的溶剂,以混合均匀反应体系,例如 二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、四氢呋喃、二甲基亚砜。

    在制备方案中,单体聚乙二醇二丙烯酸酯(数均分子量为2000-4000)和2-乙烯 基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪的质量比为(0.5~5)∶1,引发剂的质量为单体总质 量的2%~3%。在反应结束后,从反应容器中取出共聚物,去除未参加反应的单体、引发 剂和溶剂后,浸泡在水中直至达到溶胀平衡(如浸泡7天,每隔12h更换一次水,达到 溶胀平衡)。如图1所示,随着PEGDA与VDT质量比(P/V)的上升,水凝胶逐步表 现为透明状,并且平衡吸水量也逐渐上升。

    本发明提供的一种高强度PEGDA-co-PVDT水凝胶是以聚乙二醇二丙烯酸酯和2- 乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪为原料,在引发剂存在引发下共聚制成。使水凝 胶同时综合了聚乙二醇二丙烯酸酯和2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪的性质, 具有很高的吸水率,很强的抗拉伸和抗压缩能力,具有良好的生物相容性和光学性能。 该水凝胶在室温下制备,制备方法简单,耗能低,产品易于长期保存和长途运输。

    附图说明:

    图1是不同PEGDA与VDT质量比(P/V)的PEGDA-co-PVDT水凝胶(所用PEG分子量为 2000)溶胀平衡照片,图中P/V:a∶0.5、b∶1、c∶2、d∶3、e∶5。

    具体实施方式

    下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

    其中聚乙二醇双丙烯酸酯(PEGDA)可直接购买自美国Sigma公司,并选择相应的分子量; 或者选择相应分子量的聚乙二醇按照下述步骤进行合成:冷却搅拌作用下,将10g真空干 燥过的PEG(Mn=2000-4000)溶解于50ml二氯甲烷中;溶解均匀后,逐滴加入三乙胺, 然后再逐滴加入丙烯酰氯,确保三乙胺和丙烯酰氯相对于PEG过量,其摩尔比可选择n(三 乙胺)∶n(丙烯酰氯)∶n(PEG)=(4-6)∶(4-6)∶1,氮气保护下,室温20-25℃ 反应24h。静置,然后减压抽滤,除去反应生成的沉淀,然后用冷乙醚沉析出溶液中的产 品,置于真空干燥箱中干燥两天,即得到聚乙二醇衍生物——PEGDA。

    实施例1:

    1)聚乙二醇(Mn=2000)二丙烯酸酯的合成:冷却搅拌作用下,将10g真空干燥过 的PEG(Mn=2000)溶解于60ml二氯甲烷中;溶解均匀后,逐滴加入2.790ml(0.02mol) 三乙胺,然后再逐滴加入1.625ml(0.02mol)丙烯酰氯(其摩尔比:n(三乙胺)∶n(丙 烯酰氯)∶n(PEG)=4∶4∶1);氮气保护下,室温反应24h。静置,然后减压抽滤,除去 反应生成的沉淀,然后在滤液中加入300ml冷乙醚,沉析出溶液中的产品,置于真空干燥 箱中干燥两天,所得产物即为聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA);

    2)大分子聚乙二醇水凝胶的制备:将以上方法制备的PEGDA(13.3mg)、2-乙烯基 -4,6-二氨基-三嗪(26.7mg),和光引发剂2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮(Igracure 2959,0.8mg),溶于204μl二甲基亚砜(DMSO)溶剂中,配制成均匀溶液。将所得溶液 注入透光密闭模具中,模具在360nm紫外光下照射30min,以引发自由基聚合形成凝胶网 络。随后打开模具取出凝胶,然后将所得凝胶浸入去离子水中,每12小时换一次水,通 过双扩散作用将原凝胶体系中的介质DMSO置换为水,即得到水凝胶。

    实施例2:

    1)聚乙二醇(Mn=2000)二丙烯酸酯的合成步骤同上;

    2)大分子聚乙二醇水凝胶的制备:将上述PEGDA(20mg)、2-乙烯基-4,6-二氨基- 三嗪(20mg),和光引发剂Igracure 2959(0.8mg),溶于204μl二甲基亚砜(DMSO) 溶剂中,配制成均匀溶液。将所得溶液注入透光密闭模具中,模具在360nm紫外光下照 射30min,以引发自由基聚合形成凝胶网络。随后打开模具取出凝胶,然后将所得凝胶 浸入去离子水中,每12小时换一次水,通过双扩散作用将原凝胶体系中的介质DMSO 置换为水,即得到水凝胶。该凝胶平衡吸水率大于95%,透光性好,但强度相对较低。

    实施例3:

    1)聚乙二醇二丙烯酸酯(Mn≈4000)的合成:冷却搅拌作用下,将10g(2.5mmol)真 空干燥过的PEG(Mn 4000)溶解于60ml二氯甲烷中;溶解均匀后,逐滴加入1.674ml 三乙胺(15mmol),然后再逐滴加入0.975ml丙烯酰氯(15mmol);氮气保护下,室温 反应24h。静置,然后减压抽滤,除去反应生成的沉淀,然后在滤液中加入300ml冷乙醚, 沉析出溶液中的产品,置于真空干燥箱中干燥两天,即得到聚乙二醇二丙烯酸酯 (PEGDA)。

    2)大分子聚乙二醇水凝胶的制备:将上述反应制备的PEGDA(26.7mg)、2-乙烯基 -4,6-二氨基-三嗪(13.3mg),和光引发剂Igracure 2959(0.8mg),溶于204μl二甲基亚砜 (DMSO)溶剂中,配制成均匀溶液。将所得溶液注入透光密闭模具中,模具在360nm 紫外光下照射30min,以引发自由基聚合形成凝胶网络。随后打开模具取出凝胶,然后将 所得凝胶浸入去离子水中,每12小时换一次水,通过双扩散作用将原凝胶体系中的介质 DMSO置换为水,即得到水凝胶。

    实施例4:

    1)聚乙二醇二丙烯酸酯(Mn≈4000)的合成步骤同实施例三步骤;

    2)大分子聚乙二醇水凝胶的制备:将上述反应制备的PEGDA(30mg)、2-乙烯基-4,6- 二氨基-三嗪(10mg),和光引发剂Igracure 2959(0.8mg),溶于204μl二甲基亚砜(DMSO) 溶剂中,配制成均匀溶液。将所得溶液注入透光密闭模具中,模具在360nm紫外光下照 射30min,以引发自由基聚合形成凝胶网络。随后打开模具取出凝胶,然后将所得凝胶浸 入去离子水中,每12小时换一次水,通过双扩散作用将原凝胶体系中的介质DMSO置换 为水,即得到水凝胶。该凝胶平衡吸水率大于90%,透光性好,但强度相对较低。

    实施例5:

    1)聚乙二醇二丙烯酸酯(Mn≈4000)的合成步骤同实施例三步骤;

    2)大分子聚乙二醇水凝胶的制备:将上述反应制备的PEGDA(50mg)、2-乙烯基-4,6- 二氨基-三嗪(10mg),和光引发剂Igracure 2959(1.2mg),溶于306μl二甲基亚砜(DMSO) 溶剂中,配制成均匀溶液。将所得溶液注入透光密闭模具中,模具在360nm紫外光下照 射30min,以引发自由基聚合形成凝胶网络。随后打开模具取出凝胶,然后将所得凝胶浸 入去离子水中,每12小时换一次水,通过双扩散作用将原凝胶体系中的介质DMSO置换 为水,即得到水凝胶。该凝胶平衡吸水率高达90%,透光性好,但强度相对较低。

    实施例6:

    1)聚乙二醇二丙烯酸酯的制备参见上述步骤。

    2)聚乙二醇二丙烯酸酯水凝胶的制备:将上述反应制备的PEGDA(40mg)和光引 发剂Igracure 2959(0.8mg),溶于204μl二甲基亚砜(DMSO)溶剂中,配制成均匀溶液。 将所得溶液注入透光密闭模具中,模具在360nm紫外光下照射30min,以引发自由基聚合 形成凝胶网络。随后打开模具取出凝胶,然后将所得凝胶浸入去离子水中,每12小时换 一次水,通过双扩散作用将原凝胶体系中的介质DMSO置换为水,即得到水凝胶。该凝 胶平衡吸水率大于90%,透光性好,但强度相对较低,且韧性较差。

    对于以上各组水凝胶,按相同步骤制备片状或柱状试样,使用WGW微机控制电子 万能试验机(济南时代纪元仪器有限公司)进行力学性能测试。其中进行拉伸性能测试 的样品的尺寸为30mm×4mm,厚为500μm的片状凝胶。进行压缩性能测试的样品尺寸 为直径8mm,高10mm的圆柱。拉伸测试速率为50mm/min,压缩速率为10mm/min。 表1为上述实施例得到的水凝胶样品(PEG分子量为4000)的各项性能参数。可见其具 有较高的平衡吸水率,以及很好的力学性能。

    表1.PEGDA-co-PVDT水凝胶性能参数表

    “-”指该凝胶压至极限应变不断裂

    以上对本发明做了示例性的描述,应该说明的是,在不脱离本发明的核心的情况下,任 何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入 本发明的保护范围。

    关 键  词:
    一种 聚乙二醇 大分子 单体 交联 强度 凝胶 及其 引发 自由基 聚合
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