一种可降解温敏胶黏剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于医用材料技术领域，尤其涉及一种可降解温敏胶黏剂及其制备方法和应用。
背景技术
传统的生物医用/组织胶黏剂，特别是从工业胶黏剂，如氰基丙烯酸酯类和聚氨酯类转化而来的组织胶黏剂，通常会发生剧烈的放热化学反应，容易导致生物组织灼伤。此外氰基丙烯酸酯类胶黏剂还存在单体、聚合物和降解产物有毒等问题，而聚氨酯类胶黏剂则需要较长的降解时间。由牛血清白蛋白和戊二醛组成的双组分医用胶粘剂(BioGlue)存在传播疾病和引发免疫反应的问题，且戊二醛毒性较大。另一方面，在湿态下实现对生物组织的强力黏附一直是科研界面临的难题。生物衍生的纤维蛋白胶(fibrin glue)是目前应用最广泛的组织胶黏剂之一，能够模拟凝血级联反应的最后阶段(Mehdizadeh M,Yang J,Macromol.Biosci.,2013,13,271-288.)，但其对生物组织的黏附强度较低，限制了其应用。聚乙二醇(PEG)基和多糖类(Actamax)生物医用胶黏剂同样存在对生物组织黏附强度低的问题，且降解过快。因此，迫切需要开发一类使用方便、能通过温和的化学/物理反应固化并强力黏附到组织上的医用胶黏剂。
经过长期进化，自然界中许多生物各自形成了独特的黏附策略，使其能在水下或潮湿环境中强力黏附在各种表面。因此仿生医用胶黏剂的研究一直受到人们的关注。仿生胶黏剂中研究较多的是海洋生物贻贝(mussel)启发的胶黏剂。贻贝分泌的纤维状蛋白中包含一种叫多巴(L-DOPA，3,4-二羟基苯丙氨酸，含邻苯二酚(儿茶酚，catechol))的物质，使其能在海洋中黏附在各种表面。受此启发，人们开发了一系列含多巴或其衍生物多巴胺等的贻贝启发的胶黏剂(Mehdizadeh M,et.al.Biomaterials,2012,33,7972-7983；Guo J,et.al.Biomaterials,2016,85,204-217；Guo J,et.al.Biomaterials,2017,112,275-286；US20130217790A1；US20170202998A1)，或原理类似的含没食子酸(gallol)的单宁启发的胶黏剂(Guo J,et.al.Acta Biomater.2018,72,35-44)，用于软组织伤口黏合和硬组织修复。贻贝启发的胶黏剂能在NaIO4、AgNO3等氧化剂的作用下发生交联，并与生物组织表面的氨基、巯基、羟基或羧基等发生化学反应形成共价键，化学锚定生物组织从而提供较强界面黏接力(Mehdizadeh M,et.al.Biomaterials,2012,33,7972-7983)，生物相容性良好且有促成骨活性的氧化镁(MgO)颗粒也被发现能交联可注射柠檬酸基贻贝启发的生物胶黏剂(iCMBA)(Lu X,et.al.Biomaterials2020,232,119719；PSU-2019-4975)。
但多数贻贝/单宁启发的胶黏剂需要利用catechol或gallol基团在碱性条件下或氧化剂存在下的偶联反应使胶黏剂交联，交联过程会消耗一定量的catechol或gallol基团，削弱了其通过与生物组织发生化学反应产生强力黏附的能力。如果能通过其他物理、化学反应使胶黏剂交联，则能使catechol或gallol基团更多地用于生物组织黏附。温敏水凝胶，如聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)(Stuart MA,et.al.Nat.Mater.2010,9,101-113)、聚乙二醇-可降解聚酯(Chen L,et.al.Macromolecules 2015,48,3662-3671；CN1823726A)、聚氨基酸(Xu Q,et.al.Adv.Healthcare Mater.2016,5,1979-1990)等，能在一定温度范围内保持液态，而在使用温度下固化，使用方便，得到了广泛研究和应用。但温敏水凝胶用在胶黏剂领域的研究报道还不多见。Messersmith等将温敏性的PEG-PPG(聚乙二醇-聚丙二醇)共聚物引入到贻贝启发的胶黏剂中，开发了负溶胀(体积收缩)的胶黏剂(Barrett DG,et.al.Adv.Healthcare Mater.2013,2,745-755.)，但其仍需通过氧化偶联反应交联。
现有技术X.Lu,et al.Biomaterials 232(2020)119719将柠檬酸、PEG-PPG-PEG和多巴胺混合反应得到的预聚物溶于乙醇水混合溶液中，加入MgO和氧化物高碘酸钠进行交联，得到一种贻贝启发的胶黏剂。由于PEG-PPG-PEG和中间制备的预聚物不溶于水，交联反应需要在有机溶剂中进行，使得最终的胶黏剂含有有机溶剂，无法注射到体内；该制备方法需要使用高碘酸钠之类的强氧化剂，具有一定的危险性；而且该胶黏剂不具备温敏性，适用性不足。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种可降解温敏胶黏剂，不含有机溶剂，且具有温敏性。
本发明的第二个目的是提供一种可降解温敏胶黏剂的制备方法，能够使预聚物溶于水，不使用有机溶剂，不需要使用强氧化剂，而且所得胶黏剂具有温敏性。
本发明的第三个目的是提供所述可降解温敏胶黏剂的应用。
发明人通过实验发现，多元酸和/或多元酸盐、PEG-PPG-PEG、含侧链羧基或羧酸盐的二醇单体、含儿茶酚(catechol)或没食子酸(gallol)基团的醇、胺或酸反应生成的非水溶性预聚物中含有较多羧基，如果将这些羧基与亲水性物质或水溶性物质结合，将有利于促使非水溶性预聚物转变成水溶性预聚物。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种可降解温敏胶黏剂，由水溶性预聚物和Fe3+溶液混合得到，所述水溶性预聚物由以下原料制备得到：
多元酸和/或多元酸盐；
PEG-PPG-PEG；
含儿茶酚基团或没食子酸基团的醇、胺或酸；
金属碳酸盐和/或金属碳酸氢盐和/或三级胺。
所述水溶性预聚物由以下质量份的原料制备得到：
多元酸和/或多元酸盐5～40份；
PEG-PPG-PEG10～60份；
含侧链羧基或羧酸盐的二醇单体0～20份；
含儿茶酚(catechol)基团或没食子酸(gallol)基团的醇、胺或酸1～20份；
催化剂0～0.2份；
金属碳酸盐和/或金属碳酸氢盐或三级胺10～30份。
所述Fe3+溶液中的Fe3+与水溶性预聚物中的儿茶酚基团或没食子酸基团的摩尔比为(1：1)～(1：20)。
所述Fe3+溶液的浓度为0.01～10mol/L。
所述Fe3+溶液pH为3～8。
所述可降解温敏胶黏剂由水溶性预聚物的水溶液和Fe3+溶液混合得到，所述水溶性预聚物的水溶液由20～40份水溶性预聚物溶解于60～80份水中得到。
所述水溶性预聚物的水溶液与所述Fe3+溶液的体积比为(3：1)～(1：1)。
所述多元酸和/或多元酸盐为含羟基或不含羟基的多元酸和/或多元酸盐，所述含羟基或不含羟基的多元酸选自柠檬酸、苹果酸和丁二酸中的任意一种或几种，所述含羟基或不含羟基的多元酸盐选自一个或多个羧基离子化的柠檬酸盐。
所述PEG-PPG-PEG的分子量为100～20000Da，例如分子量为1100，1900，2000，2800，2900，4400Da等中的任意一种或几种。
所述含侧链羧基或羧酸盐的二醇单体选自2,2-双(羟甲基)丙酸(DMAP)、二羟乙甘胺酸(bicine)等中的一种或两种。
所述含儿茶酚(catechol)基团或没食子酸(gallol)基团的醇、胺或酸选自多巴、多巴胺、3,4-二羟基苯甲酸、没食子酸、咖啡酸等中的任意一种或几种。
所述金属碳酸盐选自碳酸钠、碳酸钙、碳酸镁、碳酸锌等中的任意一种或几种。
所述催化剂选自硫酸、异辛酸亚锡等中的任意一种或两种。
所述金属碳酸氢盐选自碳酸氢钠。
所述三级胺选自三乙胺、N,N-二甲基乙醇胺等中一种或几种。
所述Fe3+溶液选自FeCl3、FeNO3、Fe2(SO4)3等中的任意一种或几种。
所述Fe3+溶液由三价铁盐溶于水、PBS缓冲液、tris(三羟甲基氨基甲烷)缓冲液或二羟乙甘胺酸(bicine)缓冲溶液中得到。
一种可降解温敏胶黏剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)将多元酸和/或多元酸盐，PEG-PPG-PEG，含儿茶酚(catechol)基团或没食子酸(gallol)基团的醇、胺或酸混合，反应生成非水溶性预聚物；
(2)将所述非水溶性预聚物溶于有机溶剂中，然后加入金属碳酸盐和/或金属碳酸氢盐和/或三级胺进行反应；
(3)将步骤(2)得到的反应混合物分离纯化、干燥得到水溶性预聚物；
(4)将所述水溶性预聚物与Fe3+溶液混合，得到可降解温敏胶黏剂。
步骤(1)中，所述反应的温度为110～150℃。
步骤(1)中，所述反应的时间为24～240h。
步骤(2)中，所述有机溶剂可选甲醇、乙醇、异丙醇或其他常见有机溶剂。
所述胶黏剂在制备缓释药物中的应用。
所述胶黏剂在制备伤口闭合用药物中的应用。
所述胶黏剂在制备骨缺损修复用药物中的应用。
相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：
(1)通过向非水溶性预聚物中加入金属碳酸盐和/或金属碳酸氢盐，通过金属离子与非水溶性预聚物中的羧基发生可逆交联，成功地制备得到可溶于水的水溶性预聚物。
(2)同时金属碳酸盐和/或金属碳酸氢盐与羧基反应生成羧酸盐和二氧化碳，因此不会在水溶性预聚物中引入其他离子。
(3)将水溶性预聚物与Fe3+溶液混合后，所得混合物在37℃附近固化得到均匀的交联的胶黏剂；当改变温度，胶黏剂可转变为液态，具有温敏性。
(4)利用金属碳酸盐和/或金属碳酸氢盐引入钙、镁、锌等活性金属离子，能够赋予胶黏剂一定的生物活性，能通过对胶黏剂植入部位微环境的改变促进伤口愈合或骨再生过程；同时Fe3+溶液中的Fe3+也能够与水溶性预聚物中的含儿茶酚(catechol)基团或没食子酸(gallol)基团、羧酸根离子进行螯合，提高胶黏剂的生物活性。
(5)在一定温度下固化交联的胶黏剂具有良好的应力-应变性能，良好的弹性和较高的断裂伸长率，可在PBS溶液或体液中降解且降解产物生物相容性好，可用于伤口闭合或骨缺损修复以及用作局部药物释放载体。
附图说明
图1为水溶性预聚物的合成示意图；
图2为实施例1中iCMBA-EPE-Ca2+的合成示意图；
图3为实施例1中iCMBA-EPE-Ca2+的水溶液照片(A)、1H-NMR谱图(B)和UV-vis光谱图(C)；
图4为实施例1中胶黏剂的温度敏感固化交联过程；
图5为实施例4中iMBA-EPE-Ca2+的合成示意图。
具体实施方式
本发明将多元酸和/或多元酸盐、PEG-PPG-PEG、含儿茶酚(catechol)或没食子酸(gallol)基团的醇、胺或酸混合(可视情况加入含侧链羧基或羧酸盐的二醇单体)，(在催化剂作用下)反应生成非水溶性预聚物；再加入金属碳酸盐和/或金属碳酸氢盐得到水溶性预聚物。最后将水溶性预聚物与Fe3+溶液混合制得可降解温敏胶黏剂。其中水溶性预聚物的合成示意图如图1所示。
以下结合具体的实施例进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
本实施例提供一种可降解温敏胶黏剂，其制备方法包括如下步骤：
(1)取11.528g柠檬酸、55gPEG-PPG-PEG(EPE，分子量1100Da)、2.844g多巴胺盐酸盐，置于配有适当大小的磁力搅拌子的单口圆底玻璃烧瓶中，在160℃油浴下使柠檬酸和多巴胺盐酸盐溶解于EPE中，得到均匀的反应混合物(可加入少量去离子水帮助溶解，还可加入0～0.5g异辛酸亚锡或硫酸作为催化剂)；然后将油浴温度降到140℃，使反应混合物在真空条件下持续搅拌(转速600rpm)反应，在聚合过程中根据聚合物黏度逐步降低转速，直至反应体系黏度增大到搅拌子在60rpm下难以转动；停止加热，得到反应产物(非溶性预聚物)。
(2)向非水溶性预聚物的中加入150mL无水乙醇，溶解非水溶性预聚物。然后在室温下加入20g碳酸钙粉末(过量)，在高速搅拌(转速1200rpm)下反应过夜。
(3)然后将混合物在去离子水中透析(本实施例中透析袋截留分子量为1000Da，可根据反应物中EPE的分子量不同调整透析袋的截留分子量)，每24h更换一次去离子水，透析3天，直至透析液中不再有黄褐色聚合物。过滤除去过量的碳酸钙，将聚合物水溶液冷冻真空干燥一周左右得到纯化的水溶性预聚物(标记为iCMBA-EPE-Ca2+)。
(4)取3.33g iCMBA-EPE-Ca2+，加入6.67g去离子水，震荡1h溶解，得到33wt％的iCMBA-EPE-Ca2+的水溶液作为组分A；以0.2mol/L的bicine缓冲液(pH 7.5)作为溶剂，配制0.1mol/L的FeCl3溶液，并调节pH值至5，作为组分B；将组分A与组分B按体积比2：1混合即可得到胶黏剂(标记为TSBA-1)。
本实施例制备水溶性预聚物的合成示意图如图2所示。iCMBA-EPE-Ca2+的水溶液为黄褐色，如图3中A图所示。iCMBA-EPE-Ca2+的1H-NMR谱图和UV-vis光谱图分别如图3中B和C所示，通过1H-NMR谱图和UV-vis光谱图计算得到iCMBA-EPE-Ca2+中catechol基团含量为0.347mmol/g。可知，步骤(4)中FeCl3溶液中的Fe3+与iCMBA-EPE-Ca2+中的catechol基团摩尔比为1：3.47。
本实施例所得胶黏剂在室温下为液态，在高于30℃的条件下固化得到交联的胶黏剂，温度敏感固化交联过程如图4所示。
构建大鼠或小鼠皮肤伤口模型，在室温下将本实施例的液态的胶黏剂用于伤口闭合，胶黏剂在接触皮肤后逐渐固化形成均匀的水凝胶，并随着水分少量挥发形成均匀的聚合物膜，且随着伤口愈合过程聚合物逐渐降解。这可能是由于胶黏剂存在的钙离子能帮助凝血，Fe3+则能提供一定的抗菌活性。
实施例2
本实施例提供一种可降解温敏胶黏剂，其制备方法和原料与实施例1相似，唯一不同之处在于将实施例1中的20g碳酸钙替换成21g碳酸镁，得到的水溶性预聚物为iCMBA-EPE-Mg2+。
本实施例得到的胶黏剂(标记为TSBA-2)在室温下为液态，在37℃左右固化得到交联的胶黏剂。
用大鼠或兔子构建大段骨缺损模型，在室温下向TSBA-2(室温下为液态)中混合一定量的羟基磷灰石(HA)，并注射到骨缺损部位，TSBA-2/HA在骨缺损部位由于温度升高，逐渐转变为均匀的复合物水凝胶，填充骨缺损。说明胶黏剂存在的镁离子能促进骨修复，Fe3+则能提供一定的抗菌活性。
实施例3
本实施例提供一种可降解温敏胶黏剂，其制备方法包括如下步骤：
(1)取8.070g柠檬酸、3.854g柠檬酸单钠盐、55gPEG-PPG-PEG(EPE，分子量1100Da)、2.844g多巴胺盐酸盐，置于配有适当大小的磁力搅拌子的单口圆底玻璃烧瓶中，在160℃油浴下使柠檬酸、柠檬酸单钠盐和多巴胺盐酸盐溶解于EPE中，得到均匀的反应混合物(可加入少量去离子水帮助溶解，还可加入0～0.5g异辛酸亚锡或硫酸作为催化剂)；然后将油浴温度降到140℃，使反应混合物在真空条件下持续搅拌(转速600rpm)反应，在聚合过程中根据聚合物黏度逐步降低转速，直至反应体系黏度增大到搅拌子在60rpm下难以转动；停止加热，得到反应产物(非溶性预聚物)。
(2)向非水溶性预聚物的中加入150mL无水乙醇，溶解非水溶性预聚物。然后在室温下加入15g碳酸氢钠粉末(过量)，在高速搅拌(转速600rpm)下反应过夜。
(3)然后将混合物在去离子水中透析(本实施例中透析袋截留分子量为1000Da)，每24h更换一次去离子水，透析5天，直至透析液中不再有黄褐色聚合物。过滤除去过量的碳酸氢钠，将聚合物水溶液冷冻真空干燥一周左右得到纯化的水溶性预聚物(标记为iCMBA-EPE-Na+)。
(4)取3.33g iCMBA-EPE-Na+，加入6.67g去离子水，震荡2h溶解，得到33wt％的iCMBA-EPE-Ca2+的水溶液作为组分A；以0.2mol/L的bicine缓冲液(pH 7.5)作为溶剂，配制0.1mol/L的FeCl3溶液，并调节pH值至3，作为组分B；将组分A与组分B按体积比2：1混合即可得到胶黏剂(标记为TSBA-3)。胶黏剂在室温下为液态，在37℃左右固化得到交联的胶黏剂。
用小鼠构建肝癌切除后的伤口愈合模型，以作为TSBA-3局部药物释放载体，在TSBA-3(室温下为液态)中混合一定量的抗癌药，并注射到伤口部位，TSBA-3/抗肿瘤药在伤口部位由于温度升高，逐渐转变为均匀的水凝胶黏合伤口并在伤口部位缓慢释放抗癌药，促进伤口愈合的同时起到防止肿瘤复发转移的作用；胶黏剂存在的Fe3+能提供一定的抗菌活性。
实施例4
本实施例提供一种可降解温敏胶黏剂，其制备方法包括如下步骤：
(1)取8.045g苹果酸、38.5gPEG-PPG-PEG(EPE，分子量1100Da)、2.012g 2,2-双(羟甲基)丙酸(DMAP)、2.552g没食子酸，置于配有适当大小的磁力搅拌子的单口圆底玻璃烧瓶中，在160℃油浴下使苹果酸、2,2-双(羟甲基)丙酸和没食子酸溶解于EPE中，得到均匀的反应混合物(可加入少量去离子水帮助溶解，还可加入0～0.5g异辛酸亚锡或硫酸作为催化剂)；然后将油浴温度降到140℃，使反应混合物在真空条件下持续搅拌(转速600rpm)反应，在聚合过程中根据聚合物黏度逐步降低转速，直至反应体系黏度增大到搅拌子在60rpm下难以转动；停止加热，，得到反应产物(非溶性预聚物)。
(2)向反应产物中加入150mL无水乙醇，溶解聚合物。室温下，加入20g碳酸钙粉末(过量)，在高速搅拌下反应过夜。
(3)然后将混合物在去离子水中透析(本实施例中透析袋截留分子量为1000Da)，每24h更换一次去离子水，透析3天，直至透析液中不再有黄褐色聚合物。过滤除去过量的碳酸钙，将聚合物水溶液冷冻真空干燥一周左右得到纯化的水溶性预聚物(标记为iMBA-EPE-Ca2+，iMBA-EPE-Ca2+的合成示意图如图5所示)。
(4)取3.33giMBA-EPE-Ca2+，加入6.67g去离子水，震荡1.5h溶解，得到33wt％的iMBA-EPE-Ca2+的水溶液作为组分A；以0.2mol/L的bicine缓冲液(pH 7.5)作为溶剂，配制0.1mol/L的FeCl3溶液，并调节pH值至3，以其作为组分B；将组分A与组分B按体积比2：1混合即可得到胶黏剂。
胶黏剂在室温下为液态，在37℃左右固化得到交联的胶黏剂。
实施例5
本实施例提供一种可降解温敏胶黏剂，其制备方法包括如下步骤：
(1)取11.528g柠檬酸、55gPEG-PPG-PEG(EPE，分子量1100Da)、2.844g多巴胺盐酸盐，置于配有适当大小的磁力搅拌子的单口圆底玻璃烧瓶中，在160℃油浴下使柠檬酸和多巴胺盐酸盐溶解于EPE中，得到均匀的反应混合物(可加入少量去离子水帮助溶解)，加入0-0.5g异辛酸亚锡或硫酸作为催化剂；然后将油浴温度降到140℃，使反应混合物在真空条件下持续搅拌(转速600rpm)反应，在聚合过程中根据聚合物黏度逐步降低转速，直至反应体系黏度增大到搅拌子在60rpm下难以转动；停止加热，得到反应产物(非溶性预聚物)。
(2)向非水溶性预聚物的中加入150mL无水乙醇，溶解非水溶性预聚物。然后在室温下加入10g三乙胺(过量)，在高速搅拌(转速1200rpm)下反应过夜。
(3)然后将混合物在去离子水中透析(本实施例中透析袋截留分子量为1000Da，可根据反应物中EPE的分子量不同调整透析袋的截留分子量)，每24h更换一次去离子水，透析3天，直至透析液中不再有黄褐色聚合物。将聚合物水溶液冷冻真空干燥一周左右得到纯化的水溶性预聚物(标记为iCMBA-EPE-TEA+)(TEA为三乙胺的简称)。
(4)取3.33g iCMBA-EPE-TEA+，加入6.67g去离子水，震荡1h溶解，得到33wt％的iCMBA-EPE-Ca2+的水溶液作为组分A；以0.2mol/L的bicine缓冲液(pH 7.5)作为溶剂，配制0.1mol/L的FeCl3溶液，并调节pH值至5，作为组分B；将组分A与组分B按体积比2：1混合即可得到胶黏剂。
胶黏剂在室温下为液态，在37℃左右固化得到交联的胶黏剂。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
