一種可用于3d打印和傷口修復的納米二氧化硅復合水凝膠的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種可用于3D打印和傷口修復的納米二氧化硅復合水凝膠，屬高分子生物材料，由末端接有β?二羥基化合物的納米二氧化硅作為引發劑和交聯劑，以末端接有雙鍵的明膠為單體，將兩者均勻分散在水溶液中，在葡萄糖和葡萄糖氧化酶的作用下，通過酶催化自由基聚合制得。通過調節β?二羥基化合物的納米二氧化硅、葡萄糖和葡萄糖氧化酶的組分濃度，可以控制在室溫下6min～30min內制備得到水凝膠，該水凝膠具有溫和高效、機械性能良好、生物相容性強的特點，因此，可用于3D打印和細胞培養，在水凝膠中負載上成纖維細胞生長因子可用在傷口修復等組織工程上。
【專利說明】
一種可用于3D打印和傷口修復的納米二氧化硅復合水凝膠
技術領域
[0001]本發明屬于高分子生物材料技術領域，具體指一種可用于3D打印和傷口修復的納米二氧化硅復合水凝膠。該水凝膠具有生物活性和多功能性，可作為生長因子、細胞的載體，應用于傷口修復的治療。
【背景技術】
[0002]水凝膠是以水為分散介質的凝膠。具有網狀交聯結構的水溶性高分子中引入一部分疏水基團和未水殘基，未水殘基與水分子結合，將水分子連接在網狀內部，而疏水殘基遇水膨脹的交聯聚合物。是一種高分子網絡體系，性質柔軟，能保持一定的形狀，能吸收大量的水。
[0003]通常的水凝膠由化學交聯的聚電解質如聚丙烯酰胺或聚丙烯酸網絡構成，因斷裂能通常在10?100J/m2，所以其世紀應用范圍大大降低。通過調節化學交聯程度雖然可以改變水凝膠的吸水特性、機械性能等，但由于化學交聯的聚合物水凝膠有光學透明性差、吸水(脫水)速率低、強度低、脆性大等不足，因而在應用上受到極大限制。通過向輕微化學交聯的水凝膠中加入無機物，復合水凝膠在改善其力學性能方面具有顯著的效果。
[0004]酶催化聚合反應是近年來的研究熱點之一，在制備水凝膠方面，由于酶高效、專一、穩定的特點，也使得它成為了當前制備水凝膠的熱門方法。酶催化自由基聚合屬于酶催化聚合的一種，近幾年用這種方法制備水凝膠逐漸走進了大家的視野，這種方法高效、穩定，所制的水凝膠在調節物理和化學性質方面非常靈活，并且具有很好的酶響應性，所以引起了越來越多海內外學者的關注。
[0005]申請號201480036219.5涉及通過混合包含被包囊劑的二氧化硅顆粒與二氧化硅溶膠獲得的二氧化硅水凝膠復合材料，其中所獲得的水凝膠復合材料剪切變稀。用于可注射的、流動的或可擠出的制劑的用途。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于:提供一種可用于3D打印和傷口修復的納米二氧化硅復合水凝膠。
[0007]本發明的另一目的是一種上述納米二氧化硅復合水凝膠的應用。
[0008]本發明目的通過下述方案實現:一種可用于3D打印和傷口修復的納米二氧化硅復合水凝膠，將末端接有二羥基化合物的納米二氧化硅的顆料與丙烯化明膠按照重量比為3:8在葡萄糖氧化酶酶促自由基聚合合成納米二氧化硅復合水凝膠。
[0009]
【申請人】在前人工作的基礎上，構思了用葡萄糖氧化酶催化自由基聚合水凝膠的新體系一一納米顆粒表面引發體系，末端接有β-二羥基化合物的納米二氧化硅既是引發劑又是交聯劑，所選用單體為末端接有雙鍵的明膠，交聯劑和引發點是末端接有二羥基化合物的納米二氧化硅，在葡萄糖和葡萄糖氧化酶的催化下形成水凝膠，既有物理交聯也有化學交聯。可用于3D打印材料。該體系成膠安全高效，具有良好的強度和生物活性，能夠在細胞培養或組織工程方面有所應用。
[0010]在上述方案基礎上，所述的納米二氧化娃復合水凝膠按下述步驟制備:
第一步，末端接有β-二羥基化合物的納米二氧化硅的合成:2.8mL正硅酸乙酯逐滴加入到攪拌中的147mL無水乙醇中，隨后加入3mL去離子水和7.5mL28%的氨水，混合均勻后在400C水浴中回流8h，隨后，將ImL硅烷偶聯劑KH590加入混合液，在40 °C水浴中回流8h;隨后將混合液離心、洗滌兩次，便得到末端接有巰基的二氧化硅納米顆粒，將離心下來的納米顆粒分散在pH=7.2，15mL的Tris-HCl緩沖液(0.05mol/L,25°C)中，加入20mg二硫蘇糖醇(DTT)攪拌Ih，隨后，加入250mg β_二羥基化合物于溶液中，在27 V下攪拌2.5h，得到目標溶液;將反應好的目標溶液在去離子水中透析2天，每半天換一次去離子水，并用冷凍干燥機凍干，便得到末端接有β-二輕基化合物的納米二氧化娃凍干顆粒；
第二步，丙稀化明膠的制備:將1.2g明膠和120mg丙稀酸琥泊酰胺酯(NAS)加入到10mL單口燒瓶內，再在燒瓶中加入60mL去離子水，在35°C水浴中攪拌2.5h，隨后將反應好的目標溶液裝入分子量為1000的透析袋中，在35°C的去離子水中透析兩天，每半天換一次去離子水，并用冷凍干燥機凍干成固體，便得到了丙烯化的明膠，該明膠在末端接有雙鍵；第三步，在葡萄糖氧化酶酶促自由基聚合合成納米二氧化娃復合水凝膠:將30mg末端接有β-二輕基化合物的納米二氧化娃和80mg的丙稀化的明膠加入到3mL透明小玻璃瓶內，隨后加入690mg的去離子水中混合均勻，之后加入10yL葡萄糖氧化酶(10mg/mL)和10yL葡萄糖溶液(1M)，混合之后靜置在37°C水浴中，30分鐘后便得到半透明的白色水凝膠固體。[0011 ]在上述方案基礎上，所述的末端接有β-二輕基化合物的納米二氧化娃的粒徑在100?150咖之間。
[0012]其中，第一步中，接在二氧化硅表面的β_二羥基化合物為N-羥基-5-降冰片烯-2，3-二甲酰亞胺。
[0013]第二步中，所述的明膠為藥用級別的牛明膠。
[0014]在上述方案基礎上，在葡萄糖氧化酶酶促自由基聚合交聯中，同時加入葡萄糖。
[0015]本發明提供了一種納米二氧化硅復合水凝膠作為3D打印材料的應用。
[0016]本發明還提供了一種的納米二氧化硅復合水凝膠作為皮膚修復材料的應用。可作為生長因子、藥物以及細胞的載體，能夠應用于細胞培養、皮膚損傷等生物領域。
[0017]本發明具有以下有益效果在于:
(I)本發明制備的納米二氧化硅復合水凝膠具有獨特的性質。保持了明膠良好的天然特性，該明膠水溶液在交聯劑β-二羥基化合物的納米二氧化硅的作用下易交聯成膠。本發明研制的水凝膠不僅具有傳統水凝膠的特點多孔性，可降解性等，而且具有諸多自身的優良特性具有良好的生物相容性，可以搭載多種細胞并支持細胞粘附和增殖具有可注射性及原位成膠特性，可通過注射的方式將該材料移植到體內。
[0018](2)本發明為葡萄糖氧化酶酶促自由基聚合制備納米復合水凝膠，其合成條件簡單、安全、高效，生物相容性好，韌性大，可作為細胞培養基質，若將其負載上成纖維細胞生長因子可作為傷口修復材料，同時因為其成膠快、粘度硬度適中，也可作為3D打印的材料，形成立體的透明圖案，可進一步作為可打印的生物材料。
[0019](3)本發明所獲得的二氧化硅納米復合水凝膠交聯率和成膠時間均可控可根據需要實現原位成膠，通過改變交聯劑的用量、明膠水溶液的濃度、葡萄糖氧化酶的用量等條件調控水凝膠的交聯率與成膠速度。
【附圖說明】
[0020]圖1，納米二氧化硅復合水凝膠結構示意圖；
圖2，納米二氧化硅復合水凝膠制備示意圖；
圖3是實施例1制備的二氧化硅納米復合水凝膠的交聯劑一一二氧化硅納米復合顆粒的IR圖譜；
圖4是實施例1制備的二氧化硅納米復合水凝膠的光學圖像；
圖5是實施例1制備的二氧化硅納米復合水凝膠的SEM圖；
圖6是實施例1制備的二氧化硅納米復合水凝膠用于SD大鼠的傷口修復圖像。
【具體實施方式】
[0021]下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。
[0022]實施例1
如圖1納米二氧化硅復合水凝膠結構示意圖和圖2納米二氧化硅復合水凝膠制備示意圖所示:
一種可用于3D打印和傷口修復的納米二氧化硅復合水凝膠制備方法如:
(I)納米復合顆粒的合成:2.8mL正硅酸乙酯逐滴加入到攪拌中的147mL無水乙醇中，隨后后加入3mL去離子水和7.5mL28%的氨水，混合均勻后在40°C水浴中回流8h。隨后，將ImL硅烷偶聯劑KH590加入混合液，在40°C水浴中回流8h，隨后將混合液離心、洗滌兩次，便得到末端接有巰基的二氧化娃納米顆粒，將離心下來的納米顆粒分散在15mL Tris-HCKPH=7.2)中，加入201^二硫蘇糖醇(01'1')攪拌111，目的是打開雙硫鍵。隨后，加入25011^ N-羥基-5-降冰片烯-2，3-二甲酰亞胺(HONB)于溶液中，在27°C下攪拌2.5h，將反應好的目標溶液在去離子水中透析2天，每半天換一次去離子水，并用冷凍干燥機凍干，便得到末端接有β-二羥基化合物的納米二氧化硅，通過圖3其紅外光譜二氧化硅納米復合顆粒的IR圖譜可知，1704cm-l為羰基吸收峰，說明β-二輕基化合物接到了納米二氧化娃表面。
[0023](2)丙烯化明膠的制備:將1.2g純明膠和120mg丙烯酸琥珀酰胺酯(NAS)加入到10mL單口燒瓶內，再在燒瓶中加入60mL去離子水，在35°C水浴中攪拌2.5h，隨后將反應好的目標溶液裝入分子量為1000的透析袋中，在35°C的去離子水中透析兩天，每半天換一次去離子水，并用冷凍干燥機凍干成固體，便得到了丙烯化的明膠，該明膠在末端接有雙鍵，可以用作水凝膠的單體。
[0024](3)葡萄糖氧化酶酶促自由基聚合合成納米二氧化硅復合水凝膠:將30mg末端接有β-二輕基化合物的納米二氧化娃和80mg的丙稀化的明膠加入到3mL透明小玻璃瓶內，隨后加入690mg的去離子水中混合均勻，之后加入10yL葡萄糖氧化酶(10mg/mL)和10yL葡萄糖溶液(IM)，混合之后靜置在37°C水浴中，30分鐘后便得到半透明的白色水凝膠固體，圖4是實施例1制備的二氧化硅納米復合水凝膠的光學圖像所示，其內部網絡結構如圖5是實施例I制備的二氧化硅納米復合水凝膠的SBl圖所示。
[0025]應用例I
一種酶促自由基聚合的納米二氧化硅復合水凝膠作為3D打印材料，將混合充分的水凝膠前驅液加入3D打印機的壓力注射器內，提前設置好要打印的圖形，待水凝膠交聯凝固后啟動打印按鈕，就會自動打印出預設圖案的水凝膠3D模型。
[0026]應用例2
一種酶促自由基聚合的納米二氧化硅復合水凝膠作為傷口修復材料，將1ng的酸性成纖維細胞生長因子(aFGF)加入到500mg的滅菌過的水凝膠前驅液中，放在37°C的無菌條件下成膠，然后將形成的負載AFGF的水凝膠敷在SD大鼠的傷口表面，觀察21天，同時設置純水凝膠對照組和空白對照組對恢復情況進行對比，分別對0、4、9、14、21進行觀察，如圖6 二氧化硅納米復合水凝膠用于SD大鼠的傷口修復圖像所示，作為傷口修復材料效果顯著。
【主權項】
1.一種納米二氧化硅復合水凝膠，將末端接有β-二羥基化合物的納米二氧化硅的顆料作為引發劑與末端接有雙鍵丙烯化明膠為單體，將二者按照重量比為3:8均勻分散在水溶液中，在葡萄糖和葡萄糖氧化酶酶促自由基聚合合成納米二氧化硅復合水凝膠。2.如權利要求1所述的納米二氧化硅復合水凝膠，其特征在于，按下述步驟制備: 第一步，末端接有二羥基化合物的納米二氧化硅的合成:2.8mL正硅酸乙酯逐滴加入到攪拌中的147mL無水乙醇中，隨后加入3mL去離子水和7.5mL28%的氨水，混合均勻后在400C水浴中回流8h，隨后，將ImL硅烷偶聯劑KH590加入混合液，在40 °C水浴中回流8h;隨后將混合液離心、洗滌兩次，便得到末端接有巰基的二氧化硅納米顆粒，將離心下來的納米顆粒分散在pH=7.2，15mL的Tris-HCl緩沖液中，加入20mg二硫蘇糖醇攪拌Ih，隨后，加入250mgβ-二羥基化合物于溶液中，在27°C下攪拌2.5h，得到目標溶液;將反應好的目標溶液在去離子水中透析2天，每半天換一次去離子水，并凍干，得到末端接有β-二羥基化合物的納米二氧化硅凍干顆粒； 第二步，丙稀化明膠的制備:將1.2g明膠和120mg丙稀酸琥泊酰胺酯加入到10mL單口燒瓶內，再在燒瓶中加入60mL去離子水，在35°C水浴中攪拌2.5h，隨后將反應好的目標溶液裝入分子量為1000的透析袋中，在35°C的去離子水中透析兩天，每半天換一次去離子水，并凍干，得到丙烯化的明膠，該明膠在末端接有雙鍵； 第三步，在葡萄糖氧化酶酶促自由基聚合合成納米二氧化娃復合水凝膠:將30mg末端接有β-二輕基化合物的納米二氧化娃和80mg的丙稀化的明膠加入到3mL透明小玻璃瓶內，隨后加入690mg的去離子水中混合均勻，之后加入10yL濃度為10mg/mL的葡萄糖氧化酶和為IM葡萄糖溶液lOOyL，混合之后靜置在37°C水浴中，30分鐘后便得到半透明的白色水凝膠固體。3.如權利要求1或2所述的納米二氧化硅復合水凝膠，其特征性在于，所述的末端接有β-二輕基化合物的納米二氧化娃的粒徑在100?150nm之間。4.如權利要求2所述的納米二氧化娃復合水凝膠，其特征在于，第一步中，接在二氧化硅表面的β-二羥基化合物為N-羥基-5-降冰片烯-2，3-二甲酰亞胺。5.如權利要求2所述的納米二氧化硅復合水凝膠，其特征性在于，第二步中，所述的明膠為藥用級別的牛明膠。6.如權利要求1或2所述的納米二氧化硅復合水凝膠，其特征性在于，是在葡萄糖氧化酶酶促自由基聚合交聯中，同時加入葡萄糖。7.權利要求1至6之任一項所述的納米二氧化硅復合水凝膠，作為3D打印材料的應用。8.權利要求1至6之任一項所述的納米二氧化硅復合水凝膠，作為皮膚修復材料的應用。
【文檔編號】A61L27/58GK106011203SQ201610303155
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月10日
【發明人】呂雅楠, 王啟剛, 胡文
【申請人】同濟大學