一种纳米粒子增强型水凝胶及其制备方法和应用与流程

本发明涉及生物材料领域，具体地，涉及一种纳米粒子增强型水凝胶及其制备方法和应用。

背景技术

海藻酸钠(sodiumalginate，简称sa)是从天然褐藻中提取出的一种多糖，经美国食品药品监督管理局(fda)批准用于生物医学材料领域。海藻酸钠作为一种无毒、无刺激性，具有良好生物相容性的天然高分子材料，在水溶液中可水解出大量的-coo-离子，表现出聚阴离子行为，具有一定的黏附性，常用作临床治疗中的药物载体。大量羧基的存在，使其遇二价金属离子能迅速结合形成凝胶。由天然材料海藻酸钠制备的水凝胶具有良好的生物相容性，具有容易降解、对细胞机体毒性小等优点，然而其存在机械强度不足，降解速度过快的缺点不利于其在组织工程中的应用。因此，获得生物相容性良好且机械性能优良的水凝胶是目前的研究热点。

相较于天然高分子材料，人工合成的材料具有良好的物理、力学性能等特点。其中，plga作为一种可生物降解的且生物相容性良好的合成高分子材料，经常作为支架材料或药物载体应用于组织工程中。随着纳米技术的发展，纳米粒子的良好性能被逐渐发掘并应用到生物材料中，研究者们通过多种方法制备经过表面修饰的plga纳米粒子，并将其应用于载药系统。

因此，如何将海藻酸钠凝胶与天然高分子材料如plga结合起来制备一种生物相容性好同时机械性能良好的复合增强型海藻酸钠水凝胶将具有较大的研究意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种纳米粒子增强型水凝胶，本发明提供的水凝胶通过化学键、静电作用力和复合三种方式显著增强了水凝胶的机械强度。

本发明的另一目的在于提供上述纳米粒子增强型水凝胶的制备方法。

本发明的另一目的在于提供上述纳米粒子增强型水凝胶在组织工程及载药领域中的应用。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种纳米粒子增强型水凝胶，所述纳米粒子增强型水凝胶由如下制备方法制得：

s1：制备海藻酸钠修饰的plga纳米粒子或海藻酸钠修饰的带负电的plga纳米粒子和聚醚酰亚胺修饰的带正电的plga纳米粒子；

s2：配制海藻酸钠水溶液，并添加s1所得plga纳米粒子；然后向混合溶液中加入氧化石墨烯悬浮液，搅拌均匀得混合液备用；

s3：配制葡萄糖酸内酯水溶液并添加于s2所得混合液中，轻轻搅拌并放置若干时间即得所述纳米粒子增强型水凝胶。

本发明提供的水凝胶所用材料均是生物相容性良好的，对细胞无毒性，相较于之前对水凝胶进行化学修饰以增强其力学性能的方法，本发明提供的方法简单无毒，并且明显提高了水凝胶的力学性能。本发明中所选用的纳米粒子是一种极好的药物载体，其在水凝胶中的添加极大的增加了海藻酸钠水凝胶在组织工程及载药领域中的应用潜能。

优选地，s2中所述plga纳米粒子的粒径为200～600nm；更为优选地，s2中所述plga纳米粒子的粒径为400nm。

优选地，所述海藻酸钠溶液的浓度为0.5～5％；更为优选地，所述海藻酸钠溶液的浓度为2％。

优选地，s2中氧化石墨烯和海藻酸钠的摩尔比为0.02～0.2：1。

优选地，s3中所述葡萄糖酸内酯和氧化石墨烯的摩尔比为6～20：1。

优选地，s3中的放置时间为24h。

上述纳米粒子增强型水凝胶在组织工程及载药领域中的应用也在本发明的保护范围之内。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明在海藻酸钠溶液中添加经海藻酸钠修饰的plga纳米粒子，通过纳米粒子表面基团与钙离子的特异性结合，使得海藻酸钠水凝胶网络内部进一步形成新的网络，本发明提供的水凝胶通过化学键、静电作用力和复合三种方式显著增强了水凝胶的机械强度。另外，纳米粒子作为一种优良的药物载体，将其用于水凝胶中复合了天然高分子和合成高分子性能上的优点；纳米粒子在水凝胶网络中的分布，显著拓展了海藻酸钠水凝胶材料的应用范围。

本发明提供的水凝胶所用材料具有较好的生物相容性，对机体无毒；并且其制备方法简单、成本低、不需大型设备；本发明提供的海藻酸钠水凝胶特别适用于组织工程及载药领域中。具有较大的推广使用价值。

附图说明

图1为实施例1中制备得到的纳米粒子增强型水凝胶的机械性能测试图；

图2为实施例2、实施例3和对比例2制备得到的纳米粒子增强型水凝胶的机械性能测试图；

图3为对比例1中制备的的水凝胶机械性能测试图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下例实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照本领域常规条件或按照制造厂商建议的条件。本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

实施例1

将120mg海藻酸钠粉末溶于6ml去离子水中，磁力搅拌器搅拌至完全溶解，然后将p-s纳米粒子按照海藻酸钠质量的5％悬浮于海藻酸钠溶液中；搅拌均匀，超声30s去除溶液中的小气泡，之后按照每孔2ml的体积加入24孔的细胞培养板中。

按照ca²⁺与-cooh的摩尔比f＝0.27、0.36、0.54分别称取9.4mg、12.4mg、18.6mg的氧化石墨烯粉末，各自悬浮于0.5ml去离子水中，之后加入孔板内的海藻酸钠溶液中，用枪头吹打均匀，此时溶液呈白色混浊乳状。

按照不同的f值分别对应称取23.2mg、30.6mg、46.4mg的葡萄糖酸内酯，各自溶于200ul的去离子水中，加入含海藻酸钠和氧化石墨烯的对应溶液中，用枪头轻微搅拌，使gdl溶液均匀渗入，所得样品分别命名为1-1、1-2、1-3。

实施例2

将120mg海藻酸钠粉末溶于6ml去离子水中得浓度为2％的海藻酸钠溶液，磁力搅拌器搅拌至完全溶解；然后将p-s纳米粒子按照海藻酸钠质量的5％悬浮于海藻酸钠溶液中，搅拌均匀，超声30s去除溶液中的小气泡，之后按照每孔4ml的体积加入24孔的细胞培养板中。

按照ca²⁺与-cooh的摩尔比f＝0.54称取18.6mg的氧化石墨烯粉末，各自悬浮于0.5ml去离子水中，之后加入孔板内的海藻酸钠溶液中，用枪头吹打均匀，此时溶液呈白色混浊乳状。

称取92.8mg的葡萄糖酸内酯，溶于200ul的去离子水中，然后加入含海藻酸钠和氧化石墨烯的溶液中，用枪头轻微搅拌，使gdl溶液均匀渗入。

实施例3

将120mg海藻酸钠粉末溶于6ml去离子水中得浓度为2％的海藻酸钠溶液，磁力搅拌器搅拌至完全溶解；然后将等量的p-s和p-p混合纳米粒子按照海藻酸钠质量的5％悬浮于海藻酸钠溶液中，搅拌均匀，超声30s去除溶液中的小气泡，之后按照每孔4ml的体积加入24孔的细胞培养板中。

按照ca²⁺与-cooh的摩尔比f＝0.54称取18.6mg的氧化石墨烯粉末，各自悬浮于0.5ml去离子水中，之后加入孔板内的海藻酸钠溶液中，用枪头吹打均匀，此时溶液呈白色混浊乳状。

称取92.8mg的葡萄糖酸内酯，溶于200ul的去离子水中，然后加入含海藻酸钠和氧化石墨烯的溶液中，用枪头轻微搅拌，使gdl溶液均匀渗入。

对比例1

将120mg海藻酸钠粉末溶于6ml去离子水中，磁力搅拌器搅拌至完全溶解，超声30s去除溶液中的小气泡，之后按照每孔2ml的体积加入24孔的细胞培养板中。

按照ca²⁺与-cooh的摩尔比f＝0.27、0.36、0.54分别称取9.4mg、12.4mg、18.6mg的氧化石墨烯粉末，各自悬浮于0.5ml去离子水中，之后加入孔板内的海藻酸钠溶液中，用枪头吹打均匀，此时溶液呈白色混浊乳状。

按照不同的f值分别对应称取23.2mg、30.6mg、46.4mg的葡萄糖酸内酯，各自溶于200ul的去离子水中，加入含海藻酸钠和氧化石墨烯的对应溶液中，用枪头轻微搅拌，使gdl溶液均匀渗入，所得样品分别为命名为0-1、0-2、0-3。

对比例2

将120mg海藻酸钠粉末溶于6ml去离子水中得浓度为2％的海藻酸钠溶液，磁力搅拌器搅拌至完全溶解；超声30s去除溶液中的小气泡，之后按照每孔4ml的体积加入24孔的细胞培养板中。

按照ca²⁺与-cooh的摩尔比f＝0.54称取18.6mg的氧化石墨烯粉末，各自悬浮于0.5ml去离子水中，之后加入孔板内的海藻酸钠溶液中，用枪头吹打均匀，此时溶液呈白色混浊乳状。

称取92.8mg的葡萄糖酸内酯，溶于200ul的去离子水中，然后加入含海藻酸钠和氧化石墨烯的溶液中，用枪头轻微搅拌，使gdl溶液均匀渗入。

对实施例1～3及对比例1和2制备得到的水凝胶进行性能测试，测试用万能材料试验机为英国lloyd的lr10kplus型台式电子万能材料试验机测试其抗压强度，样品为φ1.56cmx1.35cm的圆柱体，加载速度为2mm/min。测试结果见说明书附图1、2、3。

图3为对比例1中制备的的水凝胶机械性能测试图，如图3所示，不同f值下制备的水凝胶，经过万能材料试验机测试其抗压性能可以发现，在其他条件不变的情况下，水凝胶的抗压强度随着f值的增加而增大，f值越大，代表可被水解出的钙离子越多，从而与羧基的结合键增多，使水凝胶的网络结构增强。

图1为实施例1制备得到的纳米粒子增强型水凝胶的机械性能测试图，如图1所示，加入纳米粒子后，水凝胶的机械抗压强度明显增强，样品1-1、1-2和1-3相较于样品0-1、0-2和0-3的抗压强度有明显的增强，而加入纳米粒子的水凝胶的机械强度也随着f值的增加而增大，如图1d所示，与对比例1中所呈现出的规律相同。

图2为实施例2、实施例3和对比例2制备得到的纳米粒子增强型水凝胶的机械性能测试图，图2中，sa为不添加任何纳米粒子的水凝胶，sa+p-s为只添加带负电的纳米粒子的水凝胶，sa+p-s+p-p为等量添加正负电纳米粒子的水凝胶。如图2所示，将纳米粒子加入水凝胶溶液，可以有效增强凝胶的机械性能。由图1及图2可知，对比同时加入等量正负电纳米粒子和只加入带负电的纳米粒子可见，同时加入正负电纳米粒子的水凝胶其抗压强度更强，此时，正负电纳米粒子之间的静电作用力也进一步增强了水凝胶的网状结构，从而大大改善了其机械强度。