可注射型医用水凝胶的制作方法

1.本发明属于生物医药技术领域，具体涉及一种医用水凝胶，可作为辐射防护材料用于放疗垫片、血管栓塞、术后组织密封与防渗漏、防组织黏连、组织填充剂、组织修复、皮肤敷料和药物释放等领域。


背景技术：

2.水凝胶是一种由亲水性聚合物交联得到的含有大量水分的软材料。水凝胶具有优良的理化性能和生物学特性，如高含水量、高弹性、柔软、具有生物相容性等特点，在药物转运、组织工程等生物医学研究领域有着重要的应用价值。可注射水凝胶是指具有一定流动性的、能够通过注射的方法应用的一类水凝胶，对于外界刺激(温度，温度/ph等变化)呈现出溶胶与凝胶间的相转变，在注射入人体之前呈液态或是具有剪切变稀性质的半固态，在注射入人体内之后能原位成胶，因而不需要侵入性手术，这有效地避免了感染的风险，并减少了病人的痛苦。目前已发展的各种可注射的peg水凝胶包括peg为亲水段的两亲性聚酯/聚肽水凝胶、超分子作用制备的peg水凝胶以及通过温和化学反应制备的peg水凝胶。
3.聚乙二醇(polyethylene glycol，peg)是一类非离子型聚合物，由于其本身有较好的生物相容性和安全性，是获美国食品和药品管理局(fda)许可的可应用在人类临床的一类合成聚合物。peg既可以作为药用辅料，又可以使用含有末端活泼官能团的peg对药物进行修饰(聚乙二醇化)。聚乙二醇化技术具有较多的优点，尤其是在修饰蛋白和多肽类药物方面:具有延长其体内循环时间、增强生物活性、避免蛋白水解和降低免疫反应的特点。可通过连接活性末端官能团，如氨基、硫醇基、叠氮、炔基和醛基等制备聚乙二醇偶联物来提高聚乙二醇的性能。
4.peg水凝胶是作为肿瘤放疗垫片和术后组织密封与防渗漏等应用的理想材料之一。这些应用场景通常要求水凝胶具有较快的成胶速度，并在体内维持一段时间的稳定性。
5.cn105963792a公开了一种医用水凝胶组合物，包括第一组分和第二组分，所述第一组分包括聚赖氨酸和聚乙烯亚胺；所述第二组分包括四臂
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聚乙二醇
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琥珀酰亚胺戊二酸酯、四臂
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聚乙二醇
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琥珀酰亚胺丁二酸酯、四臂
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聚乙二醇
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琥珀酰亚胺碳酸酯中的一种或几种。使用时将第一组分的亲核试剂(聚赖氨酸和聚乙烯亚胺)与第二组分的亲电试剂(四臂
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聚乙二醇
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琥珀酰亚胺戊二酸酯、四臂
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聚乙二醇
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琥珀酰亚胺丁二酸酯、四臂
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聚乙二醇
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琥珀酰亚胺碳酸酯中的一种或几种)发生迈克尔加成反应，可以快速成胶具有低溶胀的优良性质。然而，琥珀酰亚胺有机酸酯封端的聚乙二醇材料在水中半衰期很短，极易水解，需要特别的技术才能以粉末的形式在室温长期保存，且在溶解之后很短时间内(一般为1个小时)使用，便利性较低。
6.中国专利文献cn109646723a公开了一种医用水凝胶，采用醛基封端的多臂聚乙二醇与聚乙烯亚胺和聚赖氨酸的混合物形成凝胶。其中，聚赖氨酸作为一种特殊的多氨基化合物可以与醛基封端聚乙二醇形成稳定性高的水凝胶，然而绝大部分多氨基化合物的氨基与苯醛基形成的席夫碱结构容易水解，导致凝胶稳定性较差。
7.apostolides等人(macromolecules 2017,50,5,2155
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2164)公开了利用酰肼基封端的聚乙二醇与苯醛基封端的聚乙二醇反应制备稳定性高的水凝胶，大大扩展了可用于制备高稳定性水凝胶的聚合物种类。然而苯醛基与酰肼基封端的聚乙二醇在中性ph下反应速度较慢，导致形成凝胶速度较慢，不适合很多需要快速凝胶化的应用场景。


技术实现要素：

8.本发明针对现有技术不足，提供了一种可注射的医用水凝胶，并通过特定的体系调节使水凝胶具有较快的成胶速度和凝胶稳定性。
9.本发明具体技术方案如下：
10.一种医用水凝胶，由醛基封端的星形多臂聚乙二醇、酰肼封端的星形多臂聚乙二醇和多氨基化合物原位交联而成，。
11.优选的，醛基、酰肼基和聚乙烯亚胺中的氨基的摩尔比为1：0.2～5：0.2～5。进一步优选1:0.4～2:0.4～2。更优选为1：1：1。
12.本发明所述医用水凝胶，所述醛基与星形多臂聚乙二醇之间以酯键、醚键、酰胺键、氨酯键、亚胺键或脲键化学键连接，。
13.优选的，所述醛基与星形多臂聚乙二醇之间以酰胺键或酯键连接，所述酰肼基与星形多臂聚本发明所述医用水凝胶，醛基封端和酰肼封端的星形多臂聚乙二醇的可以相同或不同，优选相同。星形多臂聚乙二醇的臂数为2
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8，更优选4
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8，单臂分子量1000
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5000da。
14.本发明所述医用水凝胶，所述醛基选自芳香醛基、烷基醛基中的一种或几种，更优选苯醛基。
15.本发明另一目的在于提供本发明所述医用水凝胶在放疗垫片、血管栓塞、术后组织密封与防渗漏、防组织黏连、组织填充剂、组织修复、皮肤敷料和药物释放等领域中的应用。
16.本发明还提供了所述医用水凝胶的制备方法，将醛基封端的星形多臂聚乙二醇溶解在ph4
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10缓冲液中，配制醛基封端的星形多臂聚乙二醇溶液；将多氨基化合物和酰肼基封端的多臂星形聚乙二醇溶解在ph4
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10缓冲液中，配置溶液；将两者混合得到医用水凝胶。
17.上述ph4
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10缓冲液优选ph4
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10的磷酸盐或硼酸盐缓冲液。
18.优选的，所述醛基封端的星形多臂聚乙二醇溶液的终浓度为2
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30％(w/v)，优选为5
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20％(w/v)；所述多氨基化合物溶液浓度为0.5
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20％，优选为0.5
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5％(w/v)。
19.本发明在具体应用时先制备成双组份水凝胶，为包含亲核官能团的第一组分和包含亲电官能团的第二组分，所述第一组分为醛基封端的亲水性化合物，其中臂的个数不低于两个，亲水性化合物为醛基封端的星形多臂聚乙二醇，优选为8臂、6臂和4臂聚乙二醇(单臂分子量1000
‑
5000da)，醛基为芳香醛、烷基醛中的一种或几种，优选为苯醛基。醛基与聚合物之间可以以稳定或可水解的化学键连接。
20.所述第二组分为酰肼封端的多臂聚乙二醇和聚乙烯亚胺的混合组分。
[0021][0022]
酯键连接苯醛基封端8臂聚乙二醇
[0023][0024]
酯键连接苯醛基封端6臂聚乙二醇
[0025][0026]
酯键连接苯醛基封端4臂聚乙二醇
[0027][0028]
酰肼基封端8臂聚乙二醇
[0029][0030]
酰肼基封端6臂聚乙二醇
[0031][0032]
酰肼基封端4臂聚乙二醇
[0033][0034]
聚乙烯亚胺
[0035]
由于醛基和氨基在水溶液中的稳定性，以上两组分均可以以水溶液或粉末形式提供。使用时将两组分分别溶解于缓冲液中，然后混合组分即得到水凝胶。可将水凝胶两组分分别存储在双管注射器中，使用时两个组分经混合头喷出或者注射到指定部位形成凝胶。
[0036]
本发明利用多臂聚乙二醇端部的醛基和多臂聚乙二醇端部的酰肼基以及多氨基
化合物的氨基反应生成schiff碱从而产生交联，形成医用可注射凝胶。
[0037]
本发明优点：
[0038]
鉴于现有技术下醛基封端的聚乙二醇和酰肼封端的聚乙二醇之间形成的水凝胶难以满足成胶速度的要求，而醛基封端的聚乙二醇与氨基封端的聚乙二醇难以满足高稳定性的要求。本发明提供了一种相对于现有技术成胶速度快且稳定性较高的医用水凝胶。
[0039]
本发明通过选择醛基封端星形多臂聚乙二醇的醛基与酰肼基封端的星形多臂聚乙二醇的酰肼基之间的摩尔比，以及醛基和聚乙烯亚胺中氨基的摩尔比，获得具有成胶速度快、稳定性较高的水凝胶，并且可以通过聚乙二醇的分子量和臂数进一步调节成胶速度和稳定性。
具体实施方式
[0040]
以下通过实施例说明本发明的具体步骤，但不受实施例限制。
[0041]
在本发明中使用的术语，除非另有说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义。
[0042]
下面结合具体实施例并参照数据进一步详细描述本发明，应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。
[0043]
在以下实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。
[0044]
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。
[0045]
实施例1考察聚乙烯亚胺和酰肼封端聚乙二醇对成胶速度和凝胶稳定性的影响
[0046]
将200mg的酯键连接的苯醛基封端的8臂聚乙二醇(分子量10kda，单臂分子量1250da)溶解在2ml的磷酸盐缓冲液中(ph5.6)，作为a溶液；配置含酰肼封端的8臂聚乙二醇(分子量10kda，单臂分子量1250da)和/或聚乙烯亚胺(m.w.1.8k)的硼砂缓冲液(ph9.2)溶液，作为b溶液；将a、b溶液等体积混合即获得具有粘性的水凝胶。
[0047]
配方聚乙烯亚胺氨基、酰肼基与苯醛基摩尔比成胶时间凝胶稳定性10:1:145min大于6周21:0:14s小于24小时31:1:17s大于4周
[0048]
实验结果表明苯醛基封端的聚乙二醇单独与酰肼封端的聚乙二醇形成凝胶速度较慢(45min)，但形成的凝胶稳定性较高，而苯醛基封端的聚乙二醇单独与聚乙烯亚胺形成凝胶速度较快，但形成的凝胶稳定性很差。苯醛基封端的聚乙二醇与两者的混合溶液形成凝胶速度较快，同时凝胶稳定性高。
[0049]
实施例2考察氨基封端多臂星形聚乙二醇与酰肼封端星形聚乙二醇对凝胶成胶时间和稳定性的影响。
[0050]
将200mg的酯键连接的苯醛基封端的星形多臂聚乙二醇溶解在2ml的磷酸盐缓冲液中(ph5.6)，作为a溶液；配置含酰肼封端的或者氨基封端的多臂聚乙二醇(酰肼基或氨基与苯醛基摩尔比为1:1)和聚乙烯亚胺(m.w.1.8k，苯醛：氨基基摩尔比为1：1)的硼砂缓冲液(ph9.2)溶液，作为b溶液；将a、b溶液等体积混合即获得具有粘性的水凝胶。
[0051]
配方多臂聚乙二醇端基成胶时间(s)降解时间
18臂，10kda酰肼基7大于4周28臂，20kda酰肼基25大于3周38臂，10kda氨基8小于24h48臂，20kda氨基28小于24h
[0052]
实验结果表明相对于酰肼基封端的聚乙二醇，氨基封端的聚乙二醇形成的凝胶稳定性较差，证明了苯醛基与酰肼基形成的化学键较苯醛基与氨基形成的化学键更稳定。
[0053]
实施例3考察其他多氨基化合物相对于聚乙烯亚胺对凝胶时间的影响
[0054]
将200mg的酯键连接的苯醛基封端的8臂聚乙二醇(分子量10kda，单臂分子量1250da)溶解在2ml的磷酸盐缓冲液中(ph5.6)，作为a溶液；配置含酰肼封端的8臂聚乙二醇(分子量10kda，单臂分子量1250da)(酰肼与苯醛基摩尔比为1:1)和聚乙烯亚胺(m.w.1.8k)或者聚赖氨酸的硼砂缓冲液(ph9.2)溶液，作为b溶液；将a、b溶液等体积混合即获得具有粘性的水凝胶。
[0055]
配方多氨基化合物种类氨基与苯醛基摩尔比成胶时间1聚乙烯亚胺1:17s2聚赖氨酸1:150s
[0056]
实验结果表明，跟聚赖氨酸相比，基于聚乙烯亚胺的水凝胶成胶速度明显更快。
[0057]
实施例4考察不同浓度的聚乙烯亚胺形成凝胶的成胶速度和凝胶稳定性
[0058]
将200mg的酯键连接的苯醛基封端的8臂聚乙二醇(分子量10kda，单臂分子量1250da)溶解在2ml的磷酸盐缓冲液中(ph5.6)，作为a溶液；配置含酰肼封端的8臂聚乙二醇(分子量10kda，单臂分子量1250da，酰肼基与苯醛基摩尔比为1：1)和聚乙烯亚胺(m.w.1.8k)的硼砂缓冲液(ph9.2)溶液，作为b溶液；将a、b溶液等体积混合即获得具有粘性的水凝胶。
[0059]
配方聚乙烯亚胺氨基与苯醛基摩尔比成胶时间凝胶稳定性10:145min大于6周20.25:1109s大于4周30.5:110s大于4周41:17s大于4周
[0060]
结果表明聚乙烯亚胺的用量显著影响水凝胶的成胶速度，当不加入聚乙烯亚胺时，成胶时间较慢，而当聚乙烯亚胺氨基与苯醛基摩尔比为0.25:1以上时凝胶时间显著缩短。聚乙烯亚胺的用量同样会影响水凝胶的稳定性，当不加入聚乙烯亚胺时，凝胶稳定性最高，超过6周，加入聚乙烯亚胺会影响凝胶稳定性，不过凝胶仍然可以在4周内保持稳定。
[0061]
实施例5考察酰肼封端的星形多臂聚乙二醇中酰肼与苯醛基的摩尔比对成胶速度和凝胶稳定性的影响
[0062]
将200mg的酯键连接的苯醛基封端的8臂聚乙二醇(分子量10kda，单臂分子量1250da)溶解在2ml的磷酸盐缓冲液中(ph5.6)，作为a溶液；配置含酰肼封端的8臂聚乙二醇(分子量10kda，单臂分子量1250da)和聚乙烯亚胺(m.w.1.8k，与苯醛氨基基摩尔比为1：1)的硼砂缓冲液(ph9.2)溶液，作为b溶液；将a、b溶液等体积混合即获得具有粘性的水凝胶。
[0063][0064]
结果表明，在同等聚乙烯亚胺浓度下，酰肼封端的星形多臂聚乙二醇中酰肼与醛基的摩尔比对成胶时间影响不大；酰肼基与醛基摩尔比显著影响凝胶稳定性，不加入酰肼封端聚乙二醇时，凝胶稳定性较差，当酰肼基与醛基大于0.2:1时，凝胶稳定性显著提高。
[0065]
实施例6考察不同分子量和臂数的聚乙二醇对凝胶成胶速度和凝胶稳定性的影响
[0066]
将200mg的酯键连接的苯醛基封端的星形多臂聚乙二醇溶解在2ml的磷酸盐缓冲液中(ph5.6)，作为a溶液；配置含酰肼封端的多臂聚乙二醇(酰肼和苯醛基摩尔比为1:1)和聚乙烯亚胺(m.w.1.8k，与苯醛氨基基摩尔比为1：1)的硼砂缓冲液(ph9.2)溶液，作为b溶液；将a、b溶液等体积混合即获得具有粘性的水凝胶。
[0067]
配方多臂聚乙二醇臂数多臂聚乙二醇单臂分子量成胶时间(s)降解时间1812507大于4周28250025大于3周3612509大于3周46250028大于2周54125012大于3周64250040大于2周
[0068]
结果表明，星形多臂聚乙二醇的臂数和单臂分子量均影响凝胶的成胶时间和成胶稳定性。臂数对成胶时间凝胶稳定性有一定影响，臂数越高成胶时间越短，凝胶稳定性越高；单臂分子量对成胶时间和凝胶稳定性有显著影响，单臂分子量越高，成胶时间越长，凝胶稳定性越低。
[0069]
实施例7考察醛基封端聚乙二醇中醛基与聚乙二醇之间的连接键种类对凝胶性能的影响
[0070]
将200mg的酯键或者酰胺键连接的苯醛基封端的8臂聚乙二醇(分子量10kda)溶解在2ml的磷酸盐缓冲液中(ph5.6)，作为a溶液；配置含酰肼基封端的8臂聚乙二醇(10kda，单臂分子量1250da)(酰肼与苯醛基摩尔比为1:1)和聚乙烯亚胺(m.w.1.8k)的硼砂缓冲液(ph9.2)溶液，作为b溶液；将a、b溶液等体积混合即获得具有粘性的水凝胶。
[0071]
配方连接键类型成胶时间凝胶稳定性1酯键7s大于4周2酰胺键6s大于4周
[0072]
结果表明醛基与聚乙二醇之间的连接键对凝胶性能影响不大，制得水凝胶均具有成胶速度快和凝胶稳定性高的特点。