一种复合水凝胶医用材料的制备方法与流程

本发明涉及生物材料技术领域，具体涉及一种复合水凝胶的制备方法。

背景技术：

水凝胶是一种亲水的能够保留大量水分子或生物体液的三维网状结构胶体，自1960年发现以来，一直备受关注。早期对传统水凝胶的研究集中在原料合成及制备方法的探索。随着研究的不断深入，发现水凝胶具有可调节的物理和化学性能、可功能化、具有与细胞外基质类似的结构特点。因此，水凝胶的应用领域迅速扩大，尤其在生物医用领域。目前，水凝胶已经作为一种新型生物医用材料广泛地应用在医疗领域的各个方面。

胶原蛋白是机体自然蛋白，对蛋白质分子具有较大的亲和力、较弱的抗原性、良好的生物相容性、可被机体生物降解和吸收、促进细胞粘附与增殖的特点，用于制备水凝胶的优异原材料，但胶原蛋白的力学性能差，在含水时难以塑型，且在使用过程中快速被酶水解而导致变性和分解，限制了胶原蛋白水凝胶在临床上的应用。

为了改善胶原蛋白制备的水凝胶的力学性能，我们考虑采用微晶纤维和二氧化硅制备成杂化材料来改性胶原蛋白、制备成水凝胶，但是传统的微晶纤维和二氧化硅杂化材料是采用氢氧化钠溶胀微晶纤维素后加入正硅酸乙酯的醇溶液中进行杂化，如专利cn106519352a制备的杂化材料在用于改性胶原蛋白时，会出现二氧化硅容易脱落，沉积；在微晶纤维与胶原蛋白之间出现团聚。此外，二氧化硅与胶原蛋白结合困难，制备的水凝胶结构不稳定，易发生分解。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种复合水凝胶医用材料的制备方法。

本发明目的通过如下技术方案实现：

一种复合水凝胶医用材料的制备方法，其特征在于：具体是先将正硅酸乙酯的乙醇溶液加入盐酸，水解后加入经naoh溶胀的微晶纤维素，反应生成胶态微晶纤维素-胶态二氧化硅杂化材料，然后将胶态微晶纤维素-胶态二氧化硅杂化材料加入胶原蛋白溶液中，并加入碳酸氢钠和次氯酸钠反应生成改性胶原蛋白，在改性胶原蛋白中加入透明质酸和甘油形成混合物，最后在混合物中加入甲基丙烯酸明胶和苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基次膦酸锂(lap)，并进行辐照交联。

由于纤维素具有高强度和模量，被有效用来改善胶原蛋白的力学性能。

本发明中采用胶态微晶纤维-胶态二氧化硅杂化材料改性胶原蛋白时，通过附着在微晶纤维表面的二氧化硅与胶原蛋白质之间相互作用，形成以二氧化硅为骨架支撑的水凝胶材料，从而增强胶原蛋白水凝胶材料的力学性能。

在采用微晶纤维-二氧化杂化材料硅改性胶原蛋白时，二氧化硅和微晶纤维之间的结合力较弱、同时在胶原蛋白的影响下，二氧化硅容易从胶态微晶纤维上脱落，形成沉淀；改性胶原蛋白中的二氧化硅分布不均匀，发生团聚，不能发挥其提高水凝胶强度的作用；另外，由于二氧化硅表面硅羟基活性差，与胶原蛋白的结合不稳定，使得改性胶原蛋白容易发生分解，力学性能得不到提高。

本发明在制备过程中，在水解时加入盐酸，先通过h⁺使得正硅酸乙酯质子化，使得硅原子核呈亲电子性，负电性较强的cl^-有效进攻硅离子，正硅酸乙酯通过在盐酸环境中快速水解和聚合，酸性环境下，由于水解产物不易去质子化及聚合链的形成，因此水解产物稳定性高，不易形成胶态，随后加入氢氧化钠溶胀后的微晶纤维素分散液，其中内部的oh^-直接对硅原子核发动亲核进攻，使硅原子核带负电，并且使得电子云偏移，水解产物快速生成稳定分散的凝胶均匀、紧密的附着在胶态微晶纤维的表面。通过盐酸作用加强水解的二氧化硅的结构稳定性，以及溶胀后的微晶纤维素中oh^-作用快速形成溶胶，增加了胶态二氧化硅与微晶纤维的结合力，使得胶态纳米二氧化硅与胶态微晶纤维形成稳定的胶态网格结构，此外，先酸后碱的作用下，对二氧化硅表面羟基起到活化作用，在二氧化硅表面生成大量硅羟基，实现了二氧化硅羟基化，对后续改性胶原蛋白及对功能分子的吸附固定提供了有利条件。

本发明利用杂化材料在次氯酸钠作用下，将微晶纤维素中的部分羟基氧化生成羧基，降低了与胶原蛋白分子之间的静电斥力，在碳酸氢钠和次氯酸钠的作用下，杂化材料以二氧化硅为核，吸附胶原蛋白，促使胶原蛋白中的氨基与胶态二氧化硅的羟基及胶态微晶纤维上的羧基、羟基之间反应产生多种结合，促进胶态微晶纤维-胶态二氧化硅与胶原蛋白形成稳定的网状结构，从而提高胶原蛋白的力学性能。本发明中制备的水凝胶的网状结构有利于去铁胺等功能分子进入，甲基丙烯酸明胶在lap的作用下，与胶原蛋白结合，加速聚合防止功能分子流失，并被水凝胶中微晶纤维和二氧化硅有效固定，形成多级有效缓释作用。

进一步，上述混合物中还加入去铁胺。

进一步，上述混合物具体是先将改性胶原蛋白分散与去离子水中，加热至35～45℃，再加入透明质酸和甘油搅拌混合均匀，改性胶原蛋白、透明质酸和甘油的质量比为12～25:1～5:3～8。

进一步，上述改性胶原蛋白和去离子水的质量体积比为12～25g：60～70ml。

进一步，上述改性胶原蛋白、甲基丙烯酸明胶、苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基次膦酸锂和去铁胺的质量比为12:25：1～3:0.2:0.1～1。

进一步，上述胶态微晶纤维-胶态二氧化硅杂化材料按如下步骤制得：

(1)将微晶纤维素分散至质量浓度为75％的乙醇中加热搅拌，滴加naoh水溶液，保温2.5～3h后冷却至室温，抽滤，干燥；

(2)将步骤(1)处理后的微晶纤维素分散至质量浓度为75％的乙醇溶液中搅拌形成分散液，在正硅酸乙酯的乙醇溶液中加入盐酸，40～50℃下加热搅拌，然后加入分散液，升温至70～80℃，回流反应1～2h；

(3)反应完成后降温至40～50℃，保温60～90min，然后过滤洗涤，冷冻干燥。

进一步，步骤(1)中微晶纤维素和乙醇的质量比为1～2:4～6，加热温度为50～60℃，搅拌速率为100～150rpm，加热搅拌时间为40～60min。

进一步，步骤(1)中滴加的naoh水溶液的质量浓度为5～6％，滴加时间控制为15～20min，微晶纤维素和naoh水溶液的质量体积比为1～2g：35～40ml。

进一步，步骤(2)中乙醇和步骤(1)中的乙醇质量比为10～12:2～3，在100～120rpm下搅拌20～30min，正硅酸乙酯的乙醇溶液的质量浓度为14.3～20％。

进一步，盐酸质量浓度为3.6～10.8％，盐酸的体积是正硅酸乙酯的乙醇溶液的体积的0.5～1％。

进一步，步骤(2)中分散液的滴加速度5～8ml/min。

进一步，步骤(3)中洗涤是每次用去离子水和95％乙醇交替洗涤6～8次。

进一步，步骤(3)中的冷冻干燥的压力为-99.5kpa，温度为-40～-30℃，干燥时间为10～20h。

进一步，上述改性胶原蛋白具体步骤如下：

(1)是将胶原蛋白溶于去离子水中，升温至40～50℃，搅拌均匀；

(2)将胶态微晶纤维-胶态二氧化硅杂化材料分散于去离子水中形成分散液，升温至40～50℃，加入碳酸氢钠和次氯酸钠的混合液，搅拌1～1.5h；

(3)将步骤(1)中的胶原蛋白溶液加入步骤(2)的混合物中，持续搅拌，搅拌速率为200～300rpm，搅拌时间为4～5h，然后过滤、洗涤得改性胶原蛋白。

进一步，上述胶原蛋白和去离子水的质量体积比为1～2g：8～10ml。

进一步，上述胶态微晶纤维-胶态二氧化硅杂化材料与去离子水的质量体积比为2～5g：40～60ml，碳酸氢钠的质量浓度为5～10％，调节分散液的ph至8～9。

进一步，碳酸氢钠和次氯酸钠的质量比为1～1～1.5。

进一步，上述胶原蛋白和胶态微晶纤维-胶态二氧化硅杂化材料的质量比为10～20:2～5。

最具体的，一种复合水凝胶医用材料的制备方法，按如下方法进行：

s1、制备胶条微晶纤维素-胶肽二氧化硅

(1)将微晶纤维素分散至质量浓度为75％的乙醇中，在50～60℃下搅拌40～60min，搅拌速率为100～150rpm微晶纤维素和乙醇的质量比为1～2:4～6滴加质量浓度为5～6％naoh水溶液，滴加时间控制为15～20min，保温2.5～3h后冷却至室温，抽滤，干燥；微晶纤维素和naoh水溶液的质量体积比为1～2g：35～40ml；

(2)将步骤(1)处理后的微晶纤维素分散至质量浓度为75％的乙醇溶液中，在100～120rpm下搅拌20～30min，搅拌形成分散液，在正硅酸乙酯的乙醇溶液中加入质量浓度为3.6～10.8％的盐酸，40～50℃下加热搅拌，然后以5～8ml/min加入分散液，升温至70～80℃，回流反应1～2h；步骤(2)中乙醇和步骤(1)中的乙醇质量比为10～12:2～3，正硅酸乙酯的乙醇溶液的质量浓度为14.3～20％，盐酸的体积是正硅酸乙酯的乙醇溶液0.5～1％；

(3)反应完成后降温至40～50℃，保温60～90min，然后过滤，用去离子水和95％乙醇交替洗涤6～8次，进行冷冻干燥，干燥的压力为-99.5kpa，温度为-40～-30℃，干燥时间为10～20h；

s2、改性胶原蛋白

(1)是将胶原蛋白溶于去离子水中，升温至40～50℃，搅拌均匀，胶原蛋白和去离子水的质量体积比为1～2g：8～10ml；

(2)将胶态微晶纤维-胶态二氧化硅杂化材料分散于去离子水中形成分散液，升温至40～50℃，加入碳酸氢钠和次氯酸钠的混合液，混合液中碳酸氢钠的质量浓度为5～10％，碳酸氢钠与次氯酸钠的质量比为1:1～1.5，调节分散液的ph至8～9，搅拌1～1.5h，胶态微晶纤维-胶态二氧化硅杂化材料与去离子水的质量体积比为2～5g：40～60ml；

(3)将步骤(1)中的胶原蛋白溶液加入步骤(2)的混合物中，持续搅拌，搅拌速率为200～300rpm，搅拌时间为4～5h，然后过滤、洗涤得改性胶原蛋白；上述胶原蛋白和胶态微晶纤维-胶态二氧化硅杂化材料的质量比为10～20:2～5；

s3、合成水凝胶

先将改性胶原蛋白分散与去离子水中，改性胶原蛋白与去离子水的体积比为12～25g：60～70ml，加热至35～45℃，再加入透明质酸和甘油搅拌混合均匀，改性胶原蛋白、透明质酸和甘油的质量比为12～25:1～5:3～8，最后加入甲基丙烯酸明胶、苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基次膦酸锂和去铁胺搅拌2～3h，并进行辐照交联，改性胶原蛋白、甲基丙烯酸明胶、苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基次膦酸锂和去铁胺的质量比为12～25:1～3:0.2:0.1～1。

本发明具有如下技术效果：

本发明制备的水凝胶中胶态微晶纤维-胶态二氧化硅与胶原蛋白之间形成稳定致密的网格结构，结构稳定性好、无二氧化硅脱落现象，不易发生分解和变性，具有优异的力学性能，其抗压缩强度达到965kpa，胶态二氧化硅在水凝胶中分散性优异，没有团聚现象，对药物具有优异的缓释作用，从而延长药效。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述本发明内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。

实施例1

一种复合水凝胶医用材料的制备方法，按如下方法进行：

s1、制备胶条微晶纤维素-胶肽二氧化硅

(1)将微晶纤维素分散至质量浓度为75％的乙醇中，在50℃下搅拌60min，搅拌速率为100rpm微晶纤维素和乙醇的质量比为2:6滴加质量浓度为6％naoh水溶液，滴加时间控制为15min，保温3h后冷却至室温，抽滤，干燥；微晶纤维素和naoh水溶液的质量体积比为2g：40ml；

(2)将步骤(1)处理后的微晶纤维素分散至质量浓度为75％的乙醇溶液中，在120rpm下搅拌30min，搅拌形成分散液，在正硅酸乙酯的乙醇溶液中加入质量浓度为10.8％的盐酸，40℃下加热搅拌，然后以8ml/min加入分散液，升温至80℃，回流反应2h；步骤(2)中乙醇和步骤(1)中的乙醇质量比为12:2，正硅酸乙酯的乙醇溶液的质量浓度为20％，盐酸的体积是正硅酸乙酯的乙醇溶液1％；

(3)反应完成后降温至50℃，保温60min，然后过滤，用去离子水和95％乙醇交替洗涤8次，进行冷冻干燥，干燥的压力为-99.5kpa，温度为-30℃，干燥时间为20h；

s2、改性胶原蛋白

(1)是将胶原蛋白溶于去离子水中，升温至50℃，搅拌均匀，胶原蛋白和去离子水的质量体积比为1g：8ml；

(2)将胶态微晶纤维-胶态二氧化硅杂化材料分散于去离子水中形成分散液，升温至40℃，加入碳酸氢钠和次氯酸钠的混合液，混合液中碳酸氢钠的质量浓度为10％，碳酸氢钠与次氯酸钠的质量比为1:1.5，调节分散液的ph至8，搅拌1h，胶态微晶纤维-胶态二氧化硅杂化材料与去离子水的质量体积比为5g：60ml；

(3)将步骤(1)中的胶原蛋白溶液加入步骤(2)的混合物中，持续搅拌，搅拌速率为300rpm，搅拌时间为4h，然后过滤、洗涤得改性胶原蛋白；上述胶原蛋白和胶态微晶纤维-胶态二氧化硅杂化材料的质量比为20:5；

s3、合成水凝胶

先将改性胶原蛋白分散与去离子水中，改性胶原蛋白与去离子水的体积比为25g：70ml，加热至45℃，再加入透明质酸和甘油搅拌混合均匀，改性胶原蛋白、透明质酸和甘油的质量比为25:5:8，最后加入甲基丙烯酸明胶、苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基次膦酸锂和去铁胺搅拌3h，辐照交联。改性胶原蛋白、甲基丙烯酸明胶、苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基次膦酸锂和去铁胺的质量比为25:3:0.2:1。

实施例2

一种复合水凝胶医用材料的制备方法，按如下方法进行：

s1、制备胶条微晶纤维素-胶肽二氧化硅

(1)将微晶纤维素分散至质量浓度为75％的乙醇中，在60℃下搅拌40min，搅拌速率为150rpm微晶纤维素和乙醇的质量比为1:4滴加质量浓度为5％naoh水溶液，滴加时间控制为20min，保温2.5h后冷却至室温，抽滤，干燥；微晶纤维素和naoh水溶液的质量体积比为1g：35ml；

(2)将步骤(1)处理后的微晶纤维素分散至质量浓度为75％的乙醇溶液中，在100rpm下搅拌20min，搅拌形成分散液，在正硅酸乙酯的乙醇溶液中加入质量浓度为3.6％的盐酸，50℃下加热搅拌，然后以5ml/min加入分散液，升温至70℃，回流反应1h；步骤(2)中乙醇和步骤(1)中的乙醇质量比为10:3，正硅酸乙酯的乙醇溶液的质量浓度为14.3％，盐酸的体积是正硅酸乙酯的乙醇溶液0.5％；

(3)反应完成后降温至40℃，保温90min，然后过滤，用去离子水和95％乙醇交替洗涤6次，进行冷冻干燥，干燥的压力为-99.5kpa，温度为-40℃，干燥时间为10h；

s2、改性胶原蛋白

(1)是将胶原蛋白溶于去离子水中，升温至40℃，搅拌均匀，胶原蛋白和去离子水的质量体积比为2g：10ml；

(2)将胶态微晶纤维-胶态二氧化硅杂化材料分散于去离子水中形成分散液，升温至50℃，加入碳酸氢钠和次氯酸钠的混合液，混合液中碳酸氢钠的质量浓度为5％，碳酸氢钠与次氯酸钠的质量比为1:1，调节分散液的ph至9，搅拌1.5h，胶态微晶纤维-胶态二氧化硅杂化材料与去离子水的质量体积比为2g：40ml；

(3)将步骤(1)中的胶原蛋白溶液加入步骤(2)的混合物中，持续搅拌，搅拌速率为200rpm，搅拌时间为5h，然后过滤、洗涤得改性胶原蛋白；上述胶原蛋白和胶态微晶纤维-胶态二氧化硅杂化材料的质量比为10:2；

s3、合成水凝胶

先将改性胶原蛋白分散与去离子水中，改性胶原蛋白与去离子水的体积比为12g：60ml，加热至35℃，再加入透明质酸和甘油搅拌混合均匀，改性胶原蛋白、透明质酸和甘油的质量比为12:1:3，最后加入甲基丙烯酸明胶、苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基次膦酸锂和去铁胺搅拌2h，辐照交联。改性胶原蛋白、甲基丙烯酸明胶、苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基次膦酸锂和去铁胺的质量比为12:1:0.2:0.1。

实施例3

一种复合水凝胶医用材料的制备方法，按如下方法进行：

s1、制备胶条微晶纤维素-胶肽二氧化硅

(1)将微晶纤维素分散至质量浓度为75％的乙醇中，在55℃下搅拌50min，搅拌速率为120rpm微晶纤维素和乙醇的质量比为1.5:5滴加质量浓度为5.5％naoh水溶液，滴加时间控制为18min，保温160min后冷却至室温，抽滤，干燥；微晶纤维素和naoh水溶液的质量体积比为1.5g：36ml；

(2)将步骤(1)处理后的微晶纤维素分散至质量浓度为75％的乙醇溶液中，在110rpm下搅拌25min，搅拌形成分散液，在正硅酸乙酯的乙醇溶液中加入质量浓度为6.5％的盐酸，45℃下加热搅拌，然后以6ml/min加入分散液，升温至75℃，回流反应1.5h；步骤(2)中乙醇和步骤(1)中的乙醇质量比为11:2.5，正硅酸乙酯的乙醇溶液的质量浓度为16％，盐酸的体积是正硅酸乙酯的乙醇溶液0.8％；

(3)反应完成后降温至45℃，保温80min，然后过滤，用去离子水和95％乙醇交替洗涤7次，进行冷冻干燥，干燥的压力为-99.5kpa，温度为-35℃，干燥时间为15h；

s2、改性胶原蛋白

(1)是将胶原蛋白溶于去离子水中，升温至45℃，搅拌均匀，胶原蛋白和去离子水的质量体积比为1.5g：9ml；

(2)将胶态微晶纤维-胶态二氧化硅杂化材料分散于去离子水中形成分散液，升温至45℃，加入碳酸氢钠和次氯酸钠的混合液，混合液中碳酸氢钠的质量浓度为8％，碳酸氢钠与次氯酸钠的质量比为1:1.2，调节分散液的ph至8.5，搅拌1.2h，胶态微晶纤维-胶态二氧化硅杂化材料与去离子水的质量体积比为3g：50ml；

(3)将步骤(1)中的胶原蛋白溶液加入步骤(2)的混合物中，持续搅拌，搅拌速率为150rpm，搅拌时间为4.5h，然后过滤、洗涤得改性胶原蛋白；上述胶原蛋白和胶态微晶纤维-胶态二氧化硅杂化材料的质量比为15:4；

s3、合成水凝胶

先将改性胶原蛋白分散与去离子水中，改性胶原蛋白与去离子水的体积比为16g：65ml，加热至40℃，再加入透明质酸和甘油搅拌混合均匀，改性胶原蛋白、透明质酸和甘油的质量比为16:3:5，最后加入甲基丙烯酸明胶、苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基次膦酸锂搅拌2h，辐照交联。改性胶原蛋白、甲基丙烯酸明胶、苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基次膦酸锂和去铁胺的质量比为16:2:0.2。

对比例1：

一种水凝胶的制备，按如下步骤进行：

1、制备胶态微晶纤维-二氧化硅杂化材料

按照专利cn106519352a中记载的技术方案制备胶态微晶纤维-二氧化硅杂化材料；

2、胶原蛋白改性

采用步骤1制备的胶态微晶纤维-二氧化硅杂化材料，按照实施例3中的改性方法进行胶原蛋白改性，不同点在于，改性过程中仅添加质量浓度为8％的碳酸氢钠，不添加次氯酸钠。

改性过程中出现了二氧化硅成分脱落，部分二氧化硅在微晶纤维和胶原蛋白之间发生团聚。

3.水凝胶制备

以实施例3相同方法制备成水凝胶。

对本发明制备的水凝胶进行性能检测：

1.抗压检测：

由于吸水后的凝胶的杭压缩力学性能与橡胶接近，因此用橡胶的压阻实验来表征凝胶的抗压缩强度。将千凝胶放入去离子水中，控制吸水时间以得到溶长度相同的凝胶，然后将凝胶放入密闭容器中，在30℃的环境下放置4h,使凝胶溶胀均匀。将凝胶切成10mmx10mmx10mm的正方体，在万能力学测试仪上进行凝胶的橡胶压阻性能测试，压缩速度为1mm/min,直至凝胶破裂。凝胶的抗压缩强度(stressstrength)由以下公式行计算：

ss＝f/s

其中f为试样截面受到的力，s为试样的截面积。

测得的压缩强度如表1所示。

表1：

可知，本发明通过将二氧化硅胶态化，均匀稳定附着在胶态微晶纤维上，增加二者结合力，并将二氧化硅羟基化，在次氯酸和碳酸氢钠的作用下，使得微晶纤维素上的羧基和二氧化硅中的硅羟基均能与胶原蛋白高效结合，形成致密网格结构，从而有效提高水凝胶的其力学性能。

2.体外缓释实验

1)称取相同5g的本发明水凝胶、对比例1水凝胶(溶解等量相同的药物去铁胺)，置于已经处理好的透析袋中封好，放入装有生理盐水25ml的三角瓶中，37℃恒温100r/min振荡。

2)于0.25、0.5、1、2h从盛有样品的三角瓶取出液体3ml,取其中1ml于10ml容量瓶中用生理盐水定容后，在265nm波长下测其吸光度，同时向三角瓶中补充盐水3ml，根据吸光度计算药物的浓度，以外标法计算累计溶出量，检测结果如表2。

表2：去铁胺随时间的累计释放率。

由上表可知，本发明制备的水凝胶由于含有胶状微晶纤维-胶状二氧化硅，与胶原蛋白形成致密的网格结构的水凝胶，去铁胺分子进入网格结构中被网格锁住，其二氧化硅上的羟基和微晶纤维上的羟基分别与去铁胺形成不同能量的氢键作用，进一步固定住去铁胺，从而达到在使用过程中对药物的缓释作用。

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