一种基于PHEAA的高韧性水凝胶及其制备方法和应用

本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及一种基于pheaa的高韧性水凝胶及其制备方法和应用。

背景技术：

关节软骨缺损是由创伤、炎症、肿瘤等疾病引起，是临床上比较常见的一种病变。优于软骨中血液供应有限，使得软骨组织的自我修复能力较差，大面积的软骨损伤(>4mm)无法自我修复，因为软骨缺损成为医疗领域备受关注的问题之一。对于软骨组织修复，目前主要通过软骨抑制、软骨细胞移植或骨膜移植等方法进行，虽然取得了一定的疗效，但限于临床修复过程中无法做到移植物与自身软骨组织很好的整合，使得治疗效果不佳。近年来，人工软骨支架材料修复软骨缺损在骨科中的应用越来越广。与关节软骨结构与功能接近的凝胶材料被认为是一种有发展前景的关节软骨修复材料。

水凝胶材料作为软骨组织工程支架材料的潜在优点有：水分含量高、摩擦系数小等。然而，大部分水凝胶材料包含80％以上的水分，尽管具有较高的柔性，但机械性能较差，如断裂韧性低、断裂应变低、强度低。此外，由于水凝胶在凝胶化过程中交联点往往随机地引入到网络结构中，导致凝胶网络结构的不均匀。网络不均匀的凝胶在承受变形时，会从最薄弱的环节开始断裂，从而降低了凝胶整体的力学性能。较弱的机械性能导致水凝胶难以承受很大的机械载荷和适应较大程度的变形。目前，主要用于软骨修复的材料为聚乙烯醇(pva)，其力学性质与关节软骨非常相似，并且具有良好的生物相容性，植入人体后有可能部分替代关节软骨的作用，但是，将pva水凝胶单独用于替代病变软骨组织时，力学强度达不到真实软骨组织的需要。

为了提升水凝胶的机械性能，往往需要加入各种化学添加剂，大部分添加剂对人体有害，导致水凝胶的生物相容性下降。所以，水凝胶的机械性能和生物相容性往往难以同时兼顾，进而阻碍了水凝胶材料在人造软骨、人造跟腱等领域的应用。因此，亟需从水凝胶的网络结构设计出发，提出新的设计原理，选用无毒的原料，制备出高韧性、生物相容性的水凝胶材料，以适用于人造软骨、人造跟腱等方面。

聚n-(2-羟乙基)丙烯酰胺(pheaa)是一种用于生物相容性及热稳定性良好的电中性聚合物，研究表明pheaa具有抵抗非特异性蛋白吸附的作用。zhao等人(c.zhao等,dualfunctionalityofantimicrobialandantifoulingofpoly(n-hydroxyethylacrylamide)/salicylatehydrogels[j].langmuir,2013,29(5):1517-1524.)合成了既抗污又抗菌的pheaa/水杨酸水凝胶，发现该水凝胶具有高效抵抗蛋白吸附、细菌及细胞粘附的能力。

但是，目前尚未见利用pheaa和马来酸酐(ma)共聚得到既具有良好生物相容性，又具有高韧性的水凝胶。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种通过n-(2-羟乙基)丙烯酰胺(heaa)和马来酸酐(ma)共聚制备得到的具有高韧性、生物相容性优异的水凝胶，该水凝胶可作为软骨、跟腱等组织的修复材料。

本发明提供了一种基于pheaa的高韧性水凝胶，所述水凝胶的结构如式i所示：

其中，

x为100-300；y为20-50；z为50-300。

进一步地，所述的水凝胶由n-(2-羟乙基)丙烯酰胺和含有c＝c不饱和键的酸或酸酐为原料制备而成；其中，所述的n-(2-羟乙基)丙烯酰胺和含有c＝c不饱和键的酸或酸酐的摩尔比为8：(1～8)。

进一步地，所述的n-(2-羟乙基)丙烯酰胺和含有c＝c不饱和键的酸或酸酐的摩尔比为8：(2～3)。

进一步地，所述的含有c＝c不饱和键的酸或酸酐为马来酸酐。

进一步地，所述的水凝胶的断裂韧性不低于1mj/m³。

本发明水凝胶由n-(2-羟乙基)丙烯酰胺和含有c＝c不饱和键的酸或酸酐共聚而得。

优选地，所述水凝胶由n-(2-羟乙基)丙烯酰胺和含有c＝c不饱和键的酸或酸酐在光引发剂存在下紫外光照射后共聚而得。

本发明还提供了一种制备前述的高韧性水凝胶的方法，它包括如下步骤：

a、将n-(2-羟乙基)丙烯酰胺和含有c＝c不饱和键的酸或酸酐溶于水中；

b、加入光引发剂；

c、紫外光照射，即得。

进一步地，所述步骤b加入光引发剂前除去体系中的氧气。

优选地，所述除去体系中的氧气为通入惰性气体除去氧气。

更优选地，所述惰性气体为氮气，通入氮气的时间为1～60min。

进一步地，步骤b所述光引发剂与n-(2-羟乙基)丙烯酰胺的摩尔比为(0.0001～0.024)：8；优选地，所述光引发剂与n-(2-羟乙基)丙烯酰胺的摩尔比为(0.001～0.003)：8；所述光引发剂为2-羟基-2-甲基苯丙酮或者安息香双甲醚。

进一步地，步骤c所述的紫外光照射的条件为：所述紫外光波长为10～400nm；和/或，所述紫外光的照射功率为10～400w；和/或，所述紫外光照射时间为10～120min。

优选地，所述紫外光波长为300～380nm；和/或，所述紫外光的照射功率为300～360w。

更优选地，所述紫外光波长为365nm；和/或，所述紫外光的照射功率为330w；和/或，所述紫外光照射时间为40～120min。

本发明还提供了前述的高韧性水凝胶在制备组织修复材料中的用途。

优选的，所述高韧性水凝胶在制备软骨修复材料、跟腱修复材料中的用途。

更优选地，所述高韧性水凝胶在制备人造软骨、人造跟腱中的用途。

水凝胶的机械性能和生物相容性难以同时兼顾，导致其在人造软骨、人造跟腱等方面的应用受到限制。亟需在提升pheaa韧性的同时保证良好的生物相容性，以制备出高韧性、良好生物相容性的水凝胶。本发明就是提出一种制备高韧性、良好生物相容性pheaa基水凝胶的技术方案。

上述水凝胶是通过heaa和马来酸酐在光引发作用下反应10～120min制备的。其中，光引发剂为安息香双甲醚(irgacure-651)或者2-羟基-2-甲基苯丙酮(1173)，光源为波长10～400nm，优选300～380nm，功率10～400w，优选300～360w的紫外光。紫外光的照射功率不宜过高，否则热量过多，会导致热引发自由基聚合，而影响水凝胶的性能。

与现有技术相比，本发明具有以下十分突出的优点和技术效果：

本发明制备的pheaa基水凝胶具有均匀的网络结构，不同于传统的pheaa水凝胶中分子链长不一导致易发生短链的断裂；并且，通过马来酸酐的羧基与heaa中的羟基和氨基形成强劲的氢键作用；heaa结构单元内部也能形成氨基-氨基、氨基-羟基、羟基-羟基间的氢键作用。因此，本发明水凝胶在变形初期能够通过均匀网络产生仿射变形，从而避免应力集中的存在而发生断裂；随着变形的进一步增大，氢键作用的断裂可以有效地耗散能量，实现水凝胶韧性的显著提升。因此，采用heaa和马来酸酐通过光引发的自由基共聚制备的pheaa基水凝胶具有高韧性的优点，同时，pheaa基水凝胶对人体无害，生物相容性良好，有望在人造软骨、人造跟腱等方面广泛应用。

综上，本发明使用n-(2-羟乙基)丙烯酰胺(heaa)与马来酸酐共聚，得到具有均匀网络结构的水凝胶，该水凝胶具有很高的断裂韧性和良好的生物相容性。优良的力学性能和生物相容性使本发明水凝胶可以克服现有软骨、跟腱等组织修复材料的缺陷，制备性能更加优良的组织修复材料，有望在人造软骨、人造跟腱等方面广泛应用，具有良好的应用前景。

显然，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更。

以下通过实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。

附图说明

图1为不同水凝胶样品的时间平均散射强度<i>t随样品位置变化的波动幅度。

具体实施方式

本发明具体实施方式中使用的原料、设备均为已知产品，通过购买市售产品获得。

本发明水凝胶的合成路线：

其中，

x为100-300；y为20-50；z为50-300。

实施例1、本发明水凝胶的制备

将摩尔比为8:1的n-(2-羟乙基)丙烯酰胺(heaa)和马来酸酐(ma)溶于水中，即将8molheaa和1molma溶于50ml水中，在搅拌下向溶液中通氮气10min以除去其中的氧气，再加入0.003mol光引发剂安息香双甲醚(irgacure-651)，在波长为365nm、功率为330w的紫外灯下光照反应40min，得到p(heaa-co-ma)水凝胶a。

实施例2、本发明水凝胶的制备

将摩尔比为8:2的n-(2-羟乙基)丙烯酰胺(heaa)和马来酸酐(ma)溶于水中，即将8molheaa和2molma溶于50ml水中，在搅拌下向溶液中通氮气20min以除去其中的氧气，再加入0.003mol光引发剂安息香双甲醚(irgacure-651)，在波长为365nm、功率为330w的紫外灯下光照反应40min，得到p(heaa-co-ma)水凝胶b。

实施例3、本发明水凝胶的制备

将摩尔比为12:5的n-(2-羟乙基)丙烯酰胺(heaa)和马来酸酐(ma)溶于水中，即将12molheaa和5molma溶于50ml水中，在搅拌下向溶液中通氮气60min以除去其中的氧气，再加入0.003mol光引发剂安息香双甲醚(irgacure-651)，在波长为365nm、功率为330w的紫外灯下光照反应40min，得到p(heaa-co-ma)水凝胶c。

实施例4、本发明水凝胶的制备

将摩尔比为8:3的n-(2-羟乙基)丙烯酰胺(heaa)和马来酸酐(ma)溶于水中，即将8molheaa和3molma溶于50ml水中，在搅拌下向溶液中通氮气1min以除去其中的氧气，再加入0.001mol光引发剂安息香双甲醚(irgacure-651)，在波长为10nm、功率为10w的紫外灯下光照反应120min，得到p(heaa-co-ma)水凝胶d。

实施例5、本发明水凝胶的制备

将摩尔比为1:1的n-(2-羟乙基)丙烯酰胺(heaa)和马来酸酐(ma)溶于水中，即将1molheaa和1molma溶于50ml水中，在搅拌下向溶液中通氮气10min以除去其中的氧气，再加入0.003mol光引发剂安息香双甲醚(irgacure-651)，在波长为365nm、功率为330w的紫外灯下光照反应10min，得到p(heaa-co-ma)水凝胶e。

实施例6、本发明水凝胶的制备

将摩尔比为8:3的n-(2-羟乙基)丙烯酰胺(heaa)和马来酸酐(ma)溶于水中，即将8molheaa和3molma溶于50ml水中，在搅拌下向溶液中通氮气10min以除去其中的氧气，再加入0.003mol光引发剂安息香双甲醚(irgacure-651)，在波长为365nm、功率为330w的紫外灯下光照反应60min，得到p(heaa-co-ma)水凝胶f。

对比例1、pheaa水凝胶的制备

将摩尔比为8:0的n-(2-羟乙基)丙烯酰胺(heaa)和马来酸酐(ma)溶于水中，即将8molheaa溶于50ml水中，在搅拌下向溶液中通氮气10min以除去其中的氧气，再加入0.003mol光引发剂安息香双甲醚(irgacure-651)，在波长为365nm、功率为330w的紫外灯下光照反应40min，得到pheaa水凝胶。

以下通过具体的试验例证明本发明的有益效果。

试验例1、本发明水凝胶的性能测试

(1)力学性能测试：采用万能拉伸试验机instron3367分别评价各组水凝胶(实施例1～6和对比例1)的拉伸应力-应变行为，拉伸速率为100mm/min，将样品拉伸直至断裂，记录应力-应变曲线。其中，断裂韧性由样品断裂时对应的应力-应变曲线下的积分面积确定。所述的水凝胶样品为哑铃形，其标距长度为10mm、宽度为4mm、厚度为1mm。

(2)细胞相容性测试：将上述所实施例1～6和对比例1所制备的水凝胶裁成直径为2.5mm，厚度为1mm的圆盘状，表面上接种相同密度的间充质干细胞，温度为37℃，培养24小时后，使用cck-8分析法评估细胞活性。

(3)均匀性测试(动态光散射测试)：采用bi-200sm测量系统表征各组水凝胶(实施例1～6和对比例1)不同样品位置下的时间平均散射强度<i>t的波动幅度。时间平均散射强度是指一定时间内的平均散射光强度。

本发明水凝胶的力学性能和细胞相容性测试结果如表1所示。

表1.本发明水凝胶的力学性能和细胞相容性测试结果

由表1可知：与pheaa水凝胶相比，与ma共聚后的水凝胶断裂韧性显著提高，由0.12mj/m³提高到1.36～2.36mj/m³，提高了10倍以上，可以满足作为软骨、跟腱等组织修复材料的力学要求。同时，从细胞培养实验来看，在各组水凝胶上面培养间充质干细胞24小时后，细胞存活率均高达85～95％，说明水凝胶具有优异的生物相容性。综合考虑，水凝胶b、c、d性能最佳。

通过动态光散射测试可以分析水凝胶网络不均匀性的变化，时间平均散射强度<i>t的波动越明显，表明水凝胶结构越不均匀性。各组水凝胶时间平均散射强度<i>t的波动幅度如图1所示。结果表明：pheaa水凝胶的时间平均散射强度<i>t的波动比水凝胶a-f的时间平均散射强度<i>t的波动更明显和剧烈，表明与pheaa水凝胶相比，水凝胶a-f的结构更加均匀。更加均匀的网络结构使得水凝胶可以承受更大的机械载荷和适应较大程度的变形，从而提高水凝胶的整体力学性能，更适于作为软骨、跟腱等修复材料。

综上，本发明使用n-(2-羟乙基)丙烯酰胺(heaa)与马来酸酐共聚，得到具有均匀网络结构的水凝胶，该水凝胶具有很高的断裂韧性和良好的生物相容性。优良的力学性能和生物相容性使本发明水凝胶可以克服现有软骨、跟腱等组织修复材料的缺陷，制备性能更加优良的组织修复材料，有望在人造软骨、人造跟腱等方面广泛应用，具有良好的应用前景。