本發(fā)明涉及一種一種海藻酸鈉基水凝膠及其制備方法和應(yīng)用，屬于高分子材料領(lǐng)域。

技術(shù)背景

水凝膠是能在水中溶脹但不溶于水的高分子材料，通過分子間的交聯(lián)，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其分子鏈上帶有親水性基團。一般認為，水凝膠具有良好的生物相容性，原因在于水凝膠中含有大量的水分，這與充滿水性液體的機體組織極為相似。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，水凝膠在藥物控釋、組織工程、再生器官等領(lǐng)域多有應(yīng)用。但是現(xiàn)有技術(shù)中，水凝膠的自愈能力和效率還較低，有待提高。

海藻酸鈉是一種多糖類天然高分子聚合物，可溶于水，但不溶于乙醇、丙酮等有機溶劑。其分子鏈由β-D-甘露糖醛酸(M單元)和α-L-古洛糖醛酸(G單元)鍵接而成，其中G單元的剛性大于M單元，而M單元的生物相容性比G單元更優(yōu)良。由于海藻酸鈉良好的生物相容性、相對低廉的價格而被廣泛應(yīng)用于紡織、化妝品、醫(yī)藥等工業(yè)領(lǐng)域。

海藻酸鈉可與二價離子如Ca²⁺、Zn²⁺、Cu²⁺形成離子型水凝膠，但是其中的二價離子易與凝膠周圍環(huán)境介質(zhì)中的離子發(fā)生離子交換，因而在生理環(huán)境下容易溶解，失去凝膠特性。此外，海藻酸鹽降解分子量較高，很難從體內(nèi)排出，需要研究一種較溫和的方式以降低海藻酸鹽的分子量。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種海藻酸鈉基水凝膠及其制備方法。所述海藻酸鈉基水凝膠具有可注射、自愈合、可降解、生物相容性好等優(yōu)點，可用于藥物控釋、組織工程支架等領(lǐng)域。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種海藻酸鈉基水凝膠，其特征在于，它是由下述原料按重量份制備而成：

氨基化海藻酸鈉100～300mg、L-賴氨酸20～100mg或L-精氨酸25～120mg或L-鳥氨酸18～90mg、納米四氧化三鐵磁性粒子20～100mg、氧化海藻酸鈉50～300mg。

按上述方案，優(yōu)選地，所述氨基化海藻酸鈉由下述方法制備得到：配制濃度為5～30g/L的海藻酸鈉水溶液，用鹽酸調(diào)節(jié)其pH值至4.0～6.5,在60～90℃下攪拌0.5～6h后，冷卻至15～45℃，再加入碳二亞胺鹽酸鹽和N-羥基琥珀酰亞胺(NHS)或1-羥基苯并三氮唑(HOBt)共同活化羧基，然后加入二胺類化合物反應(yīng)1～18h，透析，冷凍干燥，得氨基化海藻酸鈉。優(yōu)選地，所述二胺類化合物為乙二胺、己二胺或己二酸二酰肼。優(yōu)選地，所述碳二亞胺鹽酸鹽、N-羥基琥珀酰亞胺(NHS)或1-羥基苯并三氮唑(HOBt)、二胺類化合物與海藻酸鈉的摩爾比為(0.5～4)：(0.5～2)：(0.5～10)：1。

按上述方案，優(yōu)選地，所述納米四氧化三鐵磁性粒子的尺寸為200～300nm。

按上述方案，優(yōu)選地，所述氧化海藻酸鈉由下述方法制備得到：將海藻酸鈉加入到正丙醇中得到海藻酸鈉-正丙醇懸浮液，再加入氧化劑和稀酸溶液，在4～37℃下攪拌反應(yīng)體系0.5～24h，再加入乙二醇終止反應(yīng)，隨后加入氯化鈉，透析，冷凍干燥，得氧化海藻酸鈉。優(yōu)選地，所述海藻酸鈉與所述氧化劑的用量比為40～400g：0.02～2.2mol。優(yōu)選地，所述氧化劑為高碘酸鈉水溶液、過氧化氫、高錳酸鉀水溶液。優(yōu)選地，所述稀酸溶液為硫酸、鹽酸、磷酸、硝酸、醋酸。優(yōu)選地，所述稀酸溶液的濃度為0.5～6.0mol/L，體積為正丙醇與氧化劑體積之和的4～24％。

本發(fā)明還提供了上述海藻酸鈉基水凝膠的制備方法，其特征在于，包括下述步驟：

1、按重量份，將下述原料溶解于一定量的PBS溶液中：

氨基化海藻酸鈉100～300mg，L-賴氨酸或L-精氨酸或L-鳥氨酸20～100mg，納米四氧化三鐵磁性粒子20～100mg；

2、將50～300mg氧化海藻酸鈉溶解于一定量的硼砂溶液中；

3、將步驟1和步驟2得到的溶液混合并攪拌，在25～45℃下恒溫反應(yīng)0.5～24h，得海藻酸鈉基水凝膠。

按上述方案，優(yōu)選地，所述PBS溶液的pH值為7.4。

按上述方案，優(yōu)選地，步驟1中所述PBS溶液與步驟2中所述的硼酸溶液的體積用量相等。

本發(fā)明反應(yīng)原理如下：

1、反應(yīng)原料氧化海藻酸鈉的合成機理：

強氧化劑高碘酸鈉的水溶液可以氧化鄰二醇結(jié)構(gòu)，使其成為醛或酮，海藻酸鈉是由M單元和G單元按一定比例順序鍵合而成，其糖醛單元具有順式鄰二醇結(jié)構(gòu)，因此同樣能再高碘酸鈉、高錳酸鉀的氧化作用下打開C-C鍵生成兩個醛基，海藻酸鈉可能的氧化機理如下所示：

2、原料氨基化海藻酸鈉的合成機理：

在碳二亞胺鹽酸鹽存在的條件下，海藻酸鈉上的羧基與乙二胺上得氨基反生成酰胺鍵，同時乙二胺上剩余一個氨基，從而在海藻酸鈉上引入氨基，具體如下所示：

3、本發(fā)明海藻酸鈉基水凝膠的制備機理

氧化海藻酸鈉的醛基與氨基化海藻酸鈉、L-賴氨酸或L-精氨酸或L-鳥氨酸的氨基反應(yīng)生成酰胺鍵，在水凝膠中引入動態(tài)化學鍵，從而實現(xiàn)水凝膠的自愈合。同時，在制備過程中，引入納米Fe₃O₄磁性粒子，使得到的水凝膠可被外界磁場吸引。

4、本發(fā)明中海藻酸鈉分子量降解機理

在弱酸、60-90℃環(huán)境下，連接β-D-甘露糖醛酸(M單元)與α-L-古洛糖醛酸(G單元)的1-4糖苷鍵斷裂，從而使海藻酸鈉的分子量降低。海藻酸鈉結(jié)構(gòu)如下：

相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果如下：

1、本發(fā)明提供的海藻酸鈉基水凝膠具備良好的愈合能力。將所述海藻酸鈉基水凝膠切開后拼合在一起，其能夠在1～2分鐘的時間內(nèi)迅速依靠自身化學鍵重新連接為一個整體，且愈合后的水凝膠在37℃、pH＝7.4的磷酸緩沖鹽溶液中2天可達溶脹平衡，溶脹率最高達到3.72。

2、本發(fā)明采用的基體為單一物質(zhì)-海藻酸鈉，原料易得，反應(yīng)條件溫和，易于實現(xiàn)。

3、本發(fā)明通過將水凝膠與納米Fe₃O₄磁性粒子結(jié)合后，可通過改變外界磁場位置來引導水凝膠愈合。

4、現(xiàn)有技術(shù)中，海藻酸鹽降解后的分子量仍較高，在體內(nèi)較難排出，本發(fā)明在弱酸環(huán)境和較溫和的反應(yīng)條件下(較低的反應(yīng)溫度和較短的反應(yīng)時間)，降低了海藻酸鈉的分子量。

附圖說明

圖1為實施例1制得的海藻酸鈉基水凝膠被切開后的照片；

圖2為實施例1制得的海藻酸鈉基水凝膠被切開后又愈合的照片。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施方式和附圖對本發(fā)明所述的技術(shù)方案做進一步的說明，如無特殊說明，下述原料均為市售獲得。

實施例1

制備海藻酸鈉基水凝膠，具體步驟如下：

1)制備氧化海藻酸鈉:將5.0001g海藻酸鈉加入到25mL正丙醇中,配成濃度為200g/L的海藻酸鈉-正丙醇懸浮液,依次加入25ml 1.0mol/L的過氧化氫溶液、4ml 6.0mol/L的醋酸溶液，在8℃下避光攪拌反應(yīng)2h后,加入5ml乙二醇反應(yīng)30min,再加入0.7gNaCl，30min后結(jié)束反應(yīng)。用透析袋將反應(yīng)產(chǎn)物在去離子水中透析,一天換水兩次,透析2天后冷凍干燥,得到氧化度為73.81％的氧化海藻酸鈉。

2)制備接有氨基的海藻酸鈉：將1.0002g(0.005mol)海藻酸鈉100mL去離子水中,配成濃度為10g/L的海藻酸鈉溶液，用1mol/L稀鹽酸調(diào)節(jié)海藻酸鈉溶液至pH＝5.25,90℃下加熱3h,冷卻至30℃后，加入2.5844g(0.013mol)碳二亞胺鹽酸鹽和0.9015g(0.008mol)N-羥基琥珀酰亞胺(NHS)，30min后加入3.9g(0.034mol)己二胺，在45℃下攪拌反應(yīng)6h后停止反應(yīng)，將反應(yīng)產(chǎn)物在去離子水中透析,一天換水兩次,透析2天后冷凍干燥,得到接有氨基的海藻酸鈉；

3)納米四氧化三鐵磁性粒子由下述方法制備得到：

稱取8mmol檸檬酸三鈉、8mmol FeCl₃·6H₂O、12mmol尿素置于錐形瓶中，用80ml蒸餾水進行磁力攪拌，直到完全溶解，再加入0.6g聚丙烯酞胺攪拌直到完全溶解，轉(zhuǎn)移至100ml聚四氟乙烯內(nèi)襯不銹鋼高壓釜，在200℃電熱鼓風干燥箱中反應(yīng)12h。待冷卻到室溫，去除上層清夜，進行離心分離，分別用餾水和無水乙醇離心洗滌2次，洗去未反應(yīng)完全的原料，然后進行真空干燥烘干，再用濾膜篩分不同粒徑的磁性粒子。取粒徑集中分布在300nm的納米四氧化三體磁性粒子，備用。

4)制備海藻酸鈉基水凝膠:稱取0.1000g步驟1)產(chǎn)物氧化海藻酸鈉溶解在1ml硼砂溶液中；再稱取0.1381g步驟2)產(chǎn)物帶有氨基的氨基化海藻酸鈉、0.0256g L-賴氨酸、0.0200g粒徑集中分布在300nm的四氧化三鐵磁性粒子溶解在1ml pH＝7.4的PBS溶液中；將前述兩溶液混合攪拌后，于37℃下反應(yīng)1h，得到海藻酸鈉基水凝膠。

將本實施例制得的海藻酸鈉基水凝膠切開后拼合在一起，1分鐘后其能夠依靠自身化學鍵重新連接為一個整體(切開后和拼合后的水凝膠分別見如圖1、2)。將愈合后的水凝膠置于37℃、pH＝7.4的磷酸緩沖鹽溶液中，2天后凝膠溶脹平衡，溶脹率為3.72。

實施例2

制備海藻酸鈉基水凝膠，具體步驟如下：

1)制備氧化海藻酸鈉:將2.5003g海藻酸鈉加入到25mL正丙醇中，配成濃度為100g/L的海藻酸鈉-正丙醇懸浮液，依次加入25ml 0.3mol/L的高碘酸鈉水溶液、12ml 1.0mol/L的硫酸溶液，在15℃下避光攪拌反應(yīng)6h后，加入5ml乙二醇反應(yīng)30min，再加入0.7gNaCl，30min后結(jié)束反應(yīng)。用透析袋將反應(yīng)產(chǎn)物在去離子水中透析，一天換水兩次，透析2天后冷凍干燥,得到氧化度為53.82％的氧化海藻酸鈉；

2)制備接有氨基的海藻酸鈉：將0.5002g(0.0025mol)海藻酸鈉100mL去離子水中,配成濃度為50g/L的海藻酸鈉溶液，用1mol/L稀鹽酸調(diào)節(jié)海藻酸鈉溶液pH＝4.05,70℃下加熱1h,冷卻至25℃后，加入1.2921g(0.007mol)碳二亞胺鹽酸鹽和0.4536g(0.003mol)1-羥基苯并三氮唑(HOBt),30min后加入1.9683g(0.017mol)己二酸二酰肼，在45℃下攪拌反應(yīng)2h后停止反應(yīng)，將反應(yīng)產(chǎn)物在去離子水中透析,一天換水兩次,透析2天后冷凍干燥,得到接有氨基的海藻酸鈉；

3)制備海藻酸鈉基水凝膠:稱取0.3000g步驟一產(chǎn)物氧化海藻酸鈉溶解在1ml硼砂溶液中；稱取0.2742g步驟二產(chǎn)物帶有氨基的氨基化海藻酸鈉、0.0972g L-賴氨酸、0.0800g粒徑集中分布在200nm的四氧化三鐵磁性粒子(制備方法同實施例1中步驟3))，溶解在1ml pH＝7.4的PBS溶液中，兩溶液混合攪拌后，于37℃下反應(yīng)17h，得到海藻酸鈉基水凝膠。

將本實施例制得的海藻酸鈉基水凝膠切開后拼合在一起，2分鐘后其能夠依靠自身化學鍵重新連接為一個整體。將愈合后的水凝膠置于37℃、pH＝7.4的磷酸緩沖鹽溶液中，2天后凝膠溶脹平衡，溶脹率為2.71。

實施例3

制備海藻酸鈉基水凝膠，具體步驟如下：

1)制備氧化海藻酸鈉:將1.0000g海藻酸鈉加入到25mL正丙醇中，配成4％(w/v)的海藻酸鈉-正丙醇懸浮液，依次加入25ml 0.1mol/L的高碘酸鈉水溶液、6ml 4.0mol/L的稀鹽酸溶液，在25℃下避光攪拌反應(yīng)12h后，加入5ml乙二醇反應(yīng)30min，再加入0.7gNaCl，30min后結(jié)束反應(yīng)。用透析袋將反應(yīng)產(chǎn)物在去離子水中透析，一天換水兩次，透析2天后冷凍干燥,得到氧化度為36.64％的氧化海藻酸鈉；

2)制備接有氨基的海藻酸鈉:將2.0001g海藻酸鈉(0.010mol)溶解在100mL去離子水中，配成2％(w/v)的海藻酸鈉溶液，用1mol/L稀鹽酸調(diào)節(jié)海藻酸鈉溶液pH＝4.57，90℃下加熱2h，冷卻至21℃后，加入5.1723g(0.027mol)碳二亞胺鹽酸鹽和1.8124g(0.016mol)N-羥基琥珀酰亞胺(NHS)，30min后加入7.8g(0.067mol)己二胺，在45℃下攪拌12h后停止反應(yīng)，將反應(yīng)產(chǎn)物在去離子水中透析，一天換水兩次，透析2天后冷凍干燥，得到接有氨基的海藻酸鈉；

3)制備海藻酸鈉基水凝膠:稱取0.2000g步驟1)產(chǎn)物氧化海藻酸鈉溶解在1ml硼砂溶液中,依次稱取0.2660g步驟2)產(chǎn)物帶有氨基的氨基化海藻酸鈉、0.0788g L-精氨酸、0.1000g粒徑分布集中在300nm的四氧化三鐵磁性粒子(制備方法同實施例1中步驟3))，溶解在1ml pH＝7.4的PBS溶液中，兩溶液混合攪拌后，于25℃下反應(yīng)24h，得到海藻酸鈉基水凝膠。

將本實施例制得的海藻酸鈉基水凝膠切開后拼合在一起，1分鐘后其能夠依靠自身化學鍵重新連接為一個整體。將愈合后的水凝膠置于37℃、pH＝7.4的磷酸緩沖鹽溶液中，1天后凝膠溶脹平衡，溶脹率為2.35。

實施例4

制備海藻酸鈉基水凝膠，具體步驟如下：

1)制備氧化海藻酸鈉:將7.5004g海藻酸鈉加入到25mL正丙醇中,配成濃度為300g/L的海藻酸鈉-正丙醇懸浮液,依次加入25ml 2.0mol/L的高錳酸鉀水溶液、6ml濃度為4.0mol/L的磷酸溶液，在37℃下避光攪拌反應(yīng)24h后,加入5ml乙二醇反應(yīng)30min，再加入0.7gNaCl，30min后結(jié)束反應(yīng)。用透析袋將反應(yīng)產(chǎn)物在去離子水中透析,一天換水兩次,透析2天后冷凍干燥,得到氧化度為90.13％的氧化海藻酸鈉；

2)制備接有氨基的海藻酸鈉：將3.0001g(0.015mol)海藻酸鈉100mL去離子水中,配成濃度為30g/L的海藻酸鈉溶液，用1mol/L稀鹽酸調(diào)節(jié)海藻酸鈉溶液pH＝6.45,90℃下加熱2h,冷卻至30℃后，加入7.6081g(0.040mol)碳二亞胺鹽酸鹽和2.3015g(0.020mol)N-羥基琥珀酰亞胺(NHS),30min后加入10ml(0.149mol)乙二胺，在45℃下攪拌反應(yīng)8h后停止反應(yīng)，將反應(yīng)產(chǎn)物在去離子水中透析,一天換水兩次,透析2天后冷凍干燥,得到接有氨基的海藻酸鈉；

3)制備海藻酸鈉基水凝膠:稱取0.2000g步驟一產(chǎn)物氧化海藻酸鈉溶解在1ml硼砂溶液中,依次稱取0.2561g步驟二產(chǎn)物帶有氨基的氨基化海藻酸鈉、0.0431g L-鳥氨酸、0.0401g粒徑集中分布在200nm的四氧化三鐵磁性粒子(制備方法同實施例1中步驟3))，溶解在1ml pH＝7.4的PBS溶液中，兩溶液混合攪拌后，于45℃下反應(yīng)0.5h，得到海藻酸鈉基水凝膠。

將本實施例制得的海藻酸鈉基水凝膠切開后拼合在一起，1分鐘后其能夠依靠自身化學鍵重新連接為一個整體。將愈合后的水凝膠置于37℃、pH＝7.4的磷酸緩沖鹽溶液中，2天后凝膠溶脹平衡，溶脹率為3.61。

實施例5

制備海藻酸鈉基水凝膠，具體步驟如下：

1)制備氧化海藻酸鈉:將10.0003g海藻酸鈉加入到25mL正丙醇中,配成濃度為400g/L的海藻酸鈉-正丙醇懸浮液,依次加入25ml 1.2mol/L的高碘酸鈉水溶液、8ml 2.0mol/L的稀硝酸溶液，在37℃下避光攪拌反應(yīng)12h后,加入5ml乙二醇反應(yīng)30min,再加入0.7gNaCl，30min后結(jié)束反應(yīng)。用透析袋將反應(yīng)產(chǎn)物在去離子水中透析,一天換水兩次,透析2天后冷凍干燥,得到氧化度為52.69％的氧化海藻酸鈉；

2)制備接有氨基的海藻酸鈉：將2.5002g(0.0126mol)海藻酸鈉100mL去離子水中,配成濃度為25g/L的海藻酸鈉溶液，用1mol/L稀鹽酸調(diào)節(jié)海藻酸鈉溶液pH＝6.05,80℃下加熱0.5h,冷卻至45℃后，加入6.3401g(0.033mol)碳二亞胺鹽酸鹽和1.9186g(0.017mol)N-羥基琥珀酰亞胺(NHS),30min后加入9.7g(0.083mol)己二胺，在45℃下攪拌反應(yīng)10h后停止反應(yīng)，將反應(yīng)產(chǎn)物在去離子水中透析,一天換水兩次,透析2天后冷凍干燥,得到接有氨基的海藻酸鈉；

3)制備海藻酸鈉基水凝膠:稱取0.1000g步驟一產(chǎn)物氧化海藻酸鈉溶解在2ml硼砂溶液中,依次稱取0.3656g步驟二產(chǎn)物帶有氨基的氨基化海藻酸鈉、0.1436g L-賴氨酸、0.0801g粒徑集中分布在200nm的四氧化三鐵磁性粒子(制備方法同實施例1中步驟3))，溶解在2ml pH＝7.4的PBS溶液中，兩溶液混合攪拌后，于37℃下反應(yīng)12h，得到海藻酸鈉基水凝膠。

將本實施例制得的海藻酸鈉基水凝膠切開后拼合在一起，2分鐘后其能夠依靠自身化學鍵重新連接為一個整體。將愈合后的水凝膠置于37℃、pH＝7.4的磷酸緩沖鹽溶液中，2天后凝膠溶脹平衡，溶脹率為2.48。

上述實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對本發(fā)明保護范圍或?qū)嵤┓绞降南拗?。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案做出其它不同形式的變化或變動，這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而因此所引申的顯而易見的修改或等同替換仍處于本發(fā)明創(chuàng)造的保護范圍之內(nèi)。