可注射改性羧甲基纤维素水凝胶的制备及性能

第35卷第8期高分子材料科学与工程

V o l .35,N o .8 2019年8月

P O L YM E R MA T E R I A L SS C I E N C E A N DE N G I N E E R I N G

A u g

.2019可注射改性羧甲基纤维素水凝胶的制备及性能

叶 旭,李 娴,申月琴,邓 双,张宇帆

(西南科技大学材料科学与工程学院,四川绵阳621010

)摘要:对羧甲基纤维素(C M C )进行巯基接枝改性,制备了羧甲基纤维素衍生物(C M C -S H ),采用溶解氧或H 2O 2氧化巯基(-S H )形成双硫键(-S -S -)的方法,化学交联制备了C M C -S H 10㊁C M C -S H 20和C M C -S H 30系列可注射羧甲基纤维素基水凝胶,并对水凝胶的流变学性能以及在37ħ的磷酸盐缓冲溶液(P B S )中的溶胀率㊁降解行为㊁体外药物释放行为进行了研究㊂结果表明,系列C M C -S H 水凝胶具有较好的流变学性能,C M C -S H 30水凝胶的储能模量(G ᶄ)和屈服应力(τ)分别达到2873P a 和9328P a ;在37ħ的P B S 溶液中,系列水凝胶均能快速达到溶胀平衡,8h 溶胀率介于22~29之间;均具有较好的稳定性,13d 降解率为28%~48%;药物模型牛血清蛋白(B S A )5d 的累积释放率为45%~59%,对B S A 具有较好的控释能力㊂总体而言,前驱体浓度越高,C M C -S H 水凝胶的综合性能越好,

系列水凝胶均具有较好的综合性能,其中C M C -S H 30水凝胶的综合性能更好,有望应用于中短期蛋白类等大分子药物传输领域㊂关键词:可注射水凝胶;羧甲基纤维素;双硫键;药物释放

中图分类号:O 636.1+1 文献标识码:A 文章编号:1000-7555(2019)08-0075-07

d o i :10.16865/j

.c n k i .1000-7555.2019.0193收稿日期:2018-08-07

基金项目:西南科技大学科研基金(17z x 7121);西南科技大学国家绝缘材料工程技术研究中心基金(16k f j c 02);西南科技大学龙山学术人才科研支持计划(18L Z X T 01

)通讯联系人:叶旭,主要从事生物医学工程㊁特种高分子等领域的研究,E -m a i l :y

e x u @s w u s t .e d u .c n 天然高分子水凝胶特别是生物医学水凝胶,由于其亲水性㊁生物活性㊁生物相容性㊁生物安全性㊁可生物降解性㊁环境响应性等良好的生物学特性,近年来已被广泛应用于创伤敷料㊁止血剂㊁生物传感器㊁组织工程支架㊁组织填充材料㊁抗黏附材料㊁细胞封装材

料㊁人造组织和器官㊁药物传输载体等领域[

1~3]

㊂可注射水凝胶可在环境刺激下原位形成,能避免阻塞注

射器针头,提高药物传输效率,并表现出温度㊁p H 值㊁离子㊁电场㊁磁场㊁光照等单一或多重响应,使用便捷㊁可用于微创治疗㊁避免手术创伤㊁减少手术并发症和不适㊁能够用于不规则部位的填充㊁减少埋植风险和病人痛苦㊁具有高的载药能力,在生物医学工程和组织工程领域已被广泛关注㊂许多可注射天然多糖

(如纤维素㊁壳聚糖㊁透明质酸㊁海藻酸钠等)基水凝胶

已成为被广泛关注的生物医用高分子材料[

4~10]

㊂羧甲基纤维素(C M C )

是一种多糖基水溶性纤维素醚,由于其良好的生物相容性㊁可生物降解性及黏

弹性而被作为药物载体㊁包覆材料㊁增稠剂等,广泛应用于生物医学㊁食品工业和化妆品等领域㊂利用

C M C 分子链上大量的羟基与羧基在一定条件下较好

的反应活性,通过接枝改性引入其他单体或环境刺激响应性基团,或引入交联剂,或利用C M C 阴离子聚电解质共性,通过物理或化学交联的方式可以制备用

途广泛的水凝胶[11]

㊂如S i v a k u m a r 等[1

2]以羧甲基纤维素和磁纳米粒为原料制备了多功能生物相容性磁纳米载体,应用于叶酸受体靶向化疗㊁影像㊁热疗和

抗癌诊断治疗系统㊂N a d a g

o u d a 等[13]

合成了热稳定性羧甲基纤维素与金属纳米复合材料,并探索了其潜在的生物应用性能㊂

本文仅以羧甲基纤维素为改性天然高分子水凝胶基质,利用羧甲基纤维素的纤维素醚结构特点及羧基的反应活性,将巯基(-S H )封端柔性链成功接枝到C M C 链上,制备了改性羧甲基纤维素(C M C -

S H )

㊂在不额外引入其他任何交联剂的条件下,利用相同或不同C M C 链上的巯基(-S H )在氧化剂(溶解氧或H 2O 2等)作用下形成双硫键(-S -S -),通过化学交联方式制备了系列可注射C M C -S H 水凝胶,避免了引入交联剂时交联剂的量不易控制㊁过量

交联剂不易除去等因素导致的其他负面影响㊂采用傅里叶变换红外光谱(F T-I R)和核磁共振氢谱(1H-NM R)对C M C-S H的分子结构进行了表征,并

对凝胶时间㊁水凝胶的流变学性能㊁冻干凝胶断面的微观形貌㊁磷酸盐缓冲溶液(P B S)中溶胀和降解行为以及蛋白质药物模型B S A的体外释放行为进行了研究,以期获得可应用于药物传输㊁细胞封装等领域的可注射改性天然高分子水凝胶㊂

1实验部分

1.1主要试剂与仪器

羧甲基纤维素(C M C,800~1200m P a㊃s)㊁D L-二硫苏糖醇(D T T,99%)㊁5,5ᶄ-二硫代双(2-硝基苯甲酸)(D T N B,98%)㊁牛血清蛋白(B S A,96%)㊁考马斯亮蓝G250(A R):上海阿拉丁生物化学科技股份有限公司;胱胺二盐酸盐(96%)㊁N-羟基丁二酰亚胺(N H S,98%):北京百灵威科技有限公司;1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐(E D C㊃H C l, 99%):上海迈瑞尔化学技术有限公司㊂

U L U P-I V-100L型超纯水器:四川优普超纯科技有限公司;F D5-5型冷冻干燥机:西盟国际集团;

H A A K ER h e o S t r e s s600型流变仪:赛默飞世尔科技有限公司;U V752N型U V-v i s分光光度计:上海佑科仪器设备有限公司㊂

1.2C M C-S H水凝胶的制备

参考文献方法[14],将C M C(200m g,0.76 mm o l)溶于40m L超纯水中,加入E D C㊃H C l(436 m g,2.27mm o l)和N H S(262m g,2.27mm o l)并调节p H为4.7,活化2h,再加入胱胺二盐酸盐(948 m g,3.8mm o l),反应24h㊂反应混合物用截留相对分子质量(MW C O)为8000~14000的普通干型透析袋超纯水透析24h,加入D T T(585m g,3.8mm o l),调节p H为8.5,反应24h㊂反应混合物用0.1m o l/L 的氯化钠水溶液(盐酸控制p H3.5)透析24h,再用超纯水(盐酸控制p H3.5)透析48h,冷冻干燥,得到巯基改性羧甲基纤维素C M C-S H㊂采用E l l m a n s 法[15]测得C M C-S H的游离巯基含量约为11%㊂

以磷酸盐缓冲溶液(P B S,p H7.4)为溶剂,配制浓度为10g/L㊁20g/L和30g/L的C M C-S H溶液, 37ħ静置,分别得到C M C-S H10㊁C M C-S H20和

C M C-S H30水凝胶㊂

1.3结构表征及冻干水凝胶断面的微观形貌观测

将冻干样品研磨后,与K B r混合压片,采用N i c o l e t-5700型傅里叶变换红外光谱仪(美国热电仪器公司)测定在400~4000c m-1波数范围内红外光谱㊂以D2O为溶剂,采用B r u k e rA v a n c e600型核磁共振波谱仪(瑞士布鲁克公司)测定1H-NM R谱图㊂将水凝胶样品用液氮脆断,用小型离子溅射仪在真空条件下对断面喷金10n m,用T M-1000型扫描电子显微镜(日本日立公司)观察冻干C M C-S H水凝胶断面的微观形貌㊂

1.4水凝胶的流变学性能测试

水凝胶的流变学性能用H A A K E R h e o S t r e s s 600型流变仪进行测试(工作温度为37ħ,流变仪转子直径为20mm,板间距为1mm)㊂通过振荡时间扫描模式,设置扫描应力为10P a,振荡频率为1H z,测定不同浓度的前驱体体系在H2O2作用下储能模量(Gᶄ)和损耗模量(Gᵡ)随时间(t)的变化,再利用R h e o W i n4D a t aM a n a g e r确定不同样品的凝胶时间(t g e l);水凝胶的黏弹性通过振荡频率扫描模式测试,将系列水凝胶静置于流变仪平板上,设置扫描应力为10P a,角频率范围为1~100r a d/s,测定Gᶄ和Gᵡ随角频率(ω)的变化;水凝胶的力学强度通过应力扫描模式测试,将完全交联的水凝胶置于流变仪平板上,设定振荡频率为1H z,测定Gᶄ和Gᵡ随剪切应力(τ)的变化㊂

1.5水凝胶的溶胀率和降解率测试

C M C-S H水凝胶的溶胀率和降解率通过称量法测定㊂将冻干的水凝胶样品(质量W i),浸泡在37ħ的P B S溶液中,分别测定设定时刻系列水凝胶溶胀㊁降解后的湿质量(W s)和干质量(W d)㊂水凝胶的溶胀率为(W s-W i)/W i,降解率为(W i-W d)/W i㊂

1.6体外药物释放行为测试

以B S A为药物模型,评价系列C M C-S H水凝胶体外药物控释性能㊂采用考马斯亮蓝法(B r a d f o r d 法)[16]测定B S A的浓度㊂工作曲线测试结果表明,在0~0.6m g/m L浓度范围内,B S A溶液的吸光度

(A)与浓度(c)具有良好的线性关系:A=0.6239c+

0.0027(R2=0.9996)㊂

将一定量的C M C-S H溶解在0.2m L浓度为10 m g/m L的B S A的P B S溶液中,静置㊁充分凝胶化后冷冻干燥,得到不同前驱体浓度的冻干载药水凝胶样品㊂将载药水凝胶样品分别置于37ħ5m LP B S溶液中,在设定时间点,取出0.1m L释放溶液(同时向释放体系中加入0.1m L新鲜的P B S溶液,维持释放体系介质体积始终为5m L),测定释放液中B S A的

67高分子材料科学与工程2019年