可光交聯(lián)的可注射水凝膠研究

李亞超，査劉生

（東華大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 纖維材料改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620）

可注射水凝膠注射前為流動(dòng)的液體，注射到人體病變部位后經(jīng)過(guò)特定的化學(xué)反應(yīng)或外界刺激（如溫度變化、pH變化、光輻照等）發(fā)生凝膠化，形成不能流動(dòng)的固態(tài)水凝膠［1］。由于形成的固態(tài)水凝膠與病變部位完全貼合并產(chǎn)生黏附，因此可注射水凝膠在修復(fù)受損的人體關(guān)節(jié)軟骨方面有廣闊的應(yīng)用前景［2］。基于化學(xué)反應(yīng)發(fā)生凝膠化的可注射水凝膠雖然具有良好的穩(wěn)定性和力學(xué)性能，但通常需要添加引發(fā)劑、交聯(lián)劑等反應(yīng)性小分子化合物，注入人體后存在對(duì)細(xì)胞或組織有毒性作用的問(wèn)題［3］。基于外界刺激發(fā)生凝膠化的物理交聯(lián)可注射水凝膠避免了添加有毒小分子化合物的問(wèn)題，具有良好的生物相容性，但通常力學(xué)性能較差，尤其是抗壓縮性能差，難以滿足修復(fù)受損軟骨的要求［4］。基于光化學(xué)反應(yīng)的光交聯(lián)可注射水凝膠結(jié)合了化學(xué)交聯(lián)可注射水凝膠和物理交聯(lián)可注射水凝膠的優(yōu)點(diǎn)，既有良好的力學(xué)性能，又有良好的生物相容性，因此是今后軟骨修復(fù)用可注射水凝膠的主要發(fā)展方向［5］。

聚乙烯醇（PVA）是一種常見(jiàn)的水溶性聚合物，具有無(wú)毒、生物相容性好、生物黏附性好、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，是目前美國(guó)食品與藥品管理局認(rèn)可的可用于醫(yī)療用品的少數(shù)合成高分子材料之一［6-7］。

為開(kāi)發(fā)綜合性能優(yōu)良的軟骨修復(fù)用光交聯(lián)可注射水凝膠，本工作采用甲基丙烯酸縮水甘油酯（GMA）對(duì)PVA進(jìn)行接枝改性，然后用改性PVA（MPVA）與低毒性的水溶性光引發(fā)劑配制可注射水凝膠，研究了PVA醇解度、GMA接枝率、光引發(fā)劑用量、紫外光強(qiáng)度以及輻照時(shí)間對(duì)光交聯(lián)后可注射PVA水凝膠抗壓縮性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料和試劑

PVA1788（聚合度1 700，醇解度87%～89%）、PVA1795（聚合度1 700，醇解度92%～94%）、PVA1799（聚合度1 700，醇解度98%～99%）、光引發(fā)劑2959（純度大于等于98%）：阿拉丁試劑（上海）有限公司；GMA：純度大于95%，梯希愛(ài)（上海）化成工業(yè)發(fā)展有限公司；二甲基亞砜（DMSO）、丙酮：分析純，上海凌峰化學(xué)試劑有限公司；對(duì)二甲氨基吡啶（DMAP）：分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；蒸餾水：上海亞榮生化儀器廠SZ-93型自動(dòng)雙重純水蒸餾器制備。

1.2 PVA改性與純化

稱取3 g PVA于三口燒瓶中，加入45 mL DMSO，加熱攪拌溶解后冷卻至室溫。再加入0.066 g DMAP和定量GMA，充分?jǐn)嚢枞芙狻Ｉ郎刂?0℃后保溫反應(yīng)6 h，冷卻至室溫得到粗產(chǎn)物。將粗產(chǎn)物緩慢加入丙酮中同時(shí)攪拌，倒掉上層清液后再用丙酮兩次洗滌產(chǎn)生的沉淀物，最后用醫(yī)用紗布過(guò)濾，將濾渣放在真空干燥箱中，于室溫條件下干燥12 h，即得到純化的MPVA。使用不同醇解度的PVA或改變GMA用量，制備了一系列MPVA。MPVA的配方見(jiàn)表1。

表1 MPVA的配方Table 1 Preparation formula of MPVA

1.3 可注射水凝膠的配制

稱取1.0 g MPVA加入到10 mL蒸餾水中，再加入定量光引發(fā)劑2959，邊攪拌邊加熱到50 ℃使它溶解，最后通過(guò)超聲波振蕩脫除其中氣泡，制得外觀透明且具有流動(dòng)性的可注射水凝膠，見(jiàn)圖1。

圖1 可注射水凝膠的外觀Fig.1 Appearance of injectable hydrogel.

1.4 紫外光輻照可注射水凝膠制備塊狀水凝膠

將配制的可注射水凝膠注入到內(nèi)徑為12 mm的筒狀透明塑料模具中，采用深圳市禾盛邦科技有限公司波長(zhǎng)為365 nm的UVP18-6343型紫外光輻照儀在一定光強(qiáng)度下照射一定時(shí)間，得到不可流動(dòng)的透明塊狀水凝膠，見(jiàn)圖2。

1.5 測(cè)試與表征

1.5.1 MPVA的1H NMR表征

使用瑞士Bruker公司Avance600型核磁共振波譜儀測(cè)定MPVA的1H NMR譜圖，溶劑為氘代DMSO。根據(jù)1H NMR中有關(guān)譜峰的相對(duì)面積計(jì)算PVA分子鏈上GMA的接枝率。

圖2 紫外光輻照后可注射水凝膠的外觀Fig.2 Appearance of injectable hydrogel after UV irradiation.

1.5.2 光輻照后形成的塊狀水凝膠的抗壓縮性能

使用美國(guó)英斯特朗公司Instron5969型電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試紫外光輻照后形成的塊狀水凝膠的壓縮強(qiáng)度和壓縮形變率。試樣直徑為12 mm，壓縮速度為5 mm/min，壓縮形變率上限設(shè)定為90%。

1.5.3 光輻照后形成的塊狀水凝膠的平衡溶脹度

將光輻照后形成的塊狀水凝膠進(jìn)行冷凍干燥并稱重（記作m1），然后將凍干的試樣置于100 mL蒸餾水中浸泡72 h（72 h后水凝膠的質(zhì)量不再發(fā)生變化，即達(dá)到溶脹平衡），取出后用濾紙吸去表面的水分并稱重（記作m2）。按式（1）計(jì)算水凝膠的平衡溶脹度（α）。

2 結(jié)果與討論

2.1 優(yōu)選醇解度合適的PVA

由于GMA分子中的環(huán)氧基具有親電性，在DMAP的催化作用下，環(huán)上空間位阻效應(yīng)較小的亞甲基與PVA分子側(cè)鏈上的羥基發(fā)生親電取代反應(yīng)，使環(huán)氧基開(kāi)環(huán)，同時(shí)使GMA接枝到PVA分子側(cè)鏈上，得到MPVA。合成MPVA的反應(yīng)示意見(jiàn)圖3。

圖3 合成MPVA的反應(yīng)示意Fig.3 Reaction formula of synthesizing MPVA.DMSO：dimethyl sulfoxide；DMAP：p-dimethylaminopyridine.

不同醇解度PVA合成的MPVA及PVA1788的1H NMR譜圖見(jiàn)圖4。由圖4可知，化學(xué)位移δ分別為6.0，5.6的a峰和b峰歸屬于MPVA分子側(cè)鏈上接枝的甲基丙烯酰基中與同一個(gè)雙鍵碳相連的兩個(gè)氫（CH2=C），δ分別為4.7，4.5，4.2的c峰、d峰和e峰歸屬于MPVA分子側(cè)鏈上未反應(yīng)的羥基氫，f峰為水峰，g峰為溶劑峰［8］，由此說(shuō)明MPVA為圖3中所示的產(chǎn)物結(jié)構(gòu)。根據(jù)1H NMR譜圖中a峰和b峰的相對(duì)面積之和，c峰、d峰、e峰的相對(duì)面積之和，以及PVA的醇解度，通過(guò)式（2）可求出GMA在MPVA分子鏈上的接枝率。

式中，G為接枝率，%；Aa+b為1H NMR譜圖中a峰和b峰的相對(duì)面積之和；AD為醇解度；Ac+d+e為1H NMR譜圖中c峰、d峰、e峰的相對(duì)面積之和。

不同醇解度PVA合成的MPVA制備的可注射水凝膠在紫外光輻照后的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線見(jiàn)圖5。

由圖5可得到形成的塊狀水凝膠的抗壓縮性能指標(biāo)。MPVA分子鏈上GMA的接枝率及可注射水凝膠光輻照后的抗壓縮性能見(jiàn)表2。

圖4 不同醇解度PVA合成的MPVA和PVA1788的1H NMR譜圖Fig.4 1H NMR spectra of MPVA synthesized by PVA with different alcoholysis degree and PVA1788.

由表2可知，隨著PVA醇解度的增大，GMA的接枝率提高。這是因?yàn)镻VA的醇解度越高，側(cè)鏈中羥基的含量越高，這樣就有更多的羥基與GMA發(fā)生親電取代反應(yīng)。由表2還可知，采用PVA1795和PVA1788制備的可注射水凝膠光輻照后的壓縮強(qiáng)度和壓縮形變率相差不大，抗壓縮性能均明顯優(yōu)于PVA1799制備的可注射水凝膠。這可能是由于在GMA用量相同的情況下，采用PVA1799制備的MPVA分子鏈中GMA接枝率最高，光輻照后形成的塊狀水凝膠交聯(lián)度最高，在壓縮應(yīng)力作用下能量不易耗散，容易出現(xiàn)碎裂。另外，由于PVA1788的水溶性比PVA1795好，制備可注射水凝膠所需時(shí)間短、耗能少，因此確定選用PVA1788制備可光交聯(lián)的可注射水凝膠。

圖5 不同醇解度PVA制得的可注射水凝膠光交聯(lián)后的圧縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Compressive stress-strain curve of photocrosslinked injectable hydrogels prepared with PVA with different alcoholysis degrees.Conditions：photoinitiator mass concentration 0.001 g/mL，UV light intensity 40 mW/cm2，irradiation time 15 min.

表2 MPVA分子鏈上GMA的接枝率及可注射水凝膠光輻照后的抗壓縮性能Table 2 Grafting ratio of GMA on the molecular chain of MPVA and the ompressive strength of the injectable hydrogels after UV irradiation

2.2 GMA用量對(duì)光輻照后可注射水凝膠抗壓縮性能和平衡溶脹度的影響

不同GMA用量制備的可注射水凝膠光輻照后的抗壓縮性能和平衡溶脹度見(jiàn)表3。由表3可知，隨著GMA用量的增加，MPVA分子鏈上GMA的接枝率逐漸升高，這是因?yàn)榉磻?yīng)體系中有更多的GMA與PVA側(cè)鏈中的羥基發(fā)生親電取代反應(yīng)。隨著GMA用量的增加，水凝膠的壓縮強(qiáng)度和壓縮形變率都逐漸降低，壓縮性能變差。這是因?yàn)楣廨椪蘸笮纬傻膲K狀水凝膠是由交聯(lián)的PVA網(wǎng)絡(luò)和未交聯(lián)的PVA分子鏈組成，前者作為剛性骨架使水凝膠具有一定形狀，后者受到壓縮時(shí)易產(chǎn)生滑移，通過(guò)使水凝膠產(chǎn)生壓縮形變而耗散能量。二者綜合作用結(jié)果使得水凝膠具有一定的壓縮強(qiáng)度和壓縮形變率。GMA接枝率越低，MPVA中具有光反應(yīng)活性的甲基丙烯酰基含量越少，相應(yīng)地未交聯(lián)的PVA分子鏈越多，水凝膠的抗壓縮性能越好。但如果GMA接枝率過(guò)低（如試樣MPVA88-0.10），光輻照后難以形成具有固定形狀的塊狀水凝膠，這是由于交聯(lián)密度過(guò)低，形成的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)不能有效固定水分子。由表3還可知，隨著GMA接枝率的增加，光輻照后水凝膠的平衡溶脹度逐漸降低。這是因?yàn)镸PVA分子鏈中具有光活性的甲基丙烯酰基越多，在同樣的光引發(fā)劑用量和光輻照條件下，形成的水凝膠網(wǎng)絡(luò)中交聯(lián)度越大。因此，選用GMA接枝率為1.24%的MPVA制備可光交聯(lián)的可注射水凝膠。

2.3 光引發(fā)劑用量對(duì)光輻照后可注射水凝膠抗壓縮性能的影響

光引發(fā)劑2959具有光引發(fā)效率高、水溶性好、毒性低等特點(diǎn)，是制備生物醫(yī)用材料常用的光引發(fā)劑［9］。采用MPVA88-0.12與不同用量光引發(fā)劑2959配制的可注射水凝膠，在相同光輻照條件下得到的塊狀水凝膠的壓縮強(qiáng)度見(jiàn)表4。

表3 不同GMA用量制備的可注射水凝膠光輻照后的抗壓縮性能和平衡溶脹度Table 3 Compressive strength and swelling ratios of injectable hydrogels prepared with different amounts of GMA after UV irradiation

表4 不同用量光引發(fā)劑制備的可注射水凝膠光輻照后的壓縮強(qiáng)度Table 4 Compressive strength of injectable hydrogels prepared with different amounts of photoinitiator after UV irradiation

由表4可知，隨著光引發(fā)劑用量的增加，水凝膠的壓縮強(qiáng)度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。這是由于在同樣的紫外光輻照條件下，隨著光引發(fā)劑用量的增加，形成的水凝膠的交聯(lián)度相應(yīng)提高。但過(guò)高的交聯(lián)密度同樣會(huì)導(dǎo)致水凝膠在壓縮應(yīng)力作用下能量不易耗散，容易出現(xiàn)碎裂。因此，選用光引發(fā)劑用量為0.002 g/mL制備可光交聯(lián)的可注射水凝膠。

2.4 輻照強(qiáng)度和時(shí)間對(duì)塊狀水凝膠抗壓縮性能的影響

采用GMA接枝率為1.24%的MPVA和0.002 g/mL的光引發(fā)劑配制可注射水凝膠，在不同紫外光輻照條件下形成的塊狀水凝膠的壓縮強(qiáng)度和平衡溶脹度見(jiàn)表5。

表5 不同紫外光輻照條件下形成的塊狀水凝膠的壓縮強(qiáng)度和平衡溶脹度Table 5 Compressive strength and equilibrium swelling degree of massive hydrogels formed under different ultraviolet radiation conditions

由表5可知，隨著光強(qiáng)度的增加，水凝膠的壓縮強(qiáng)度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，而平衡溶脹度呈現(xiàn)先降低后上升的趨勢(shì)。這是因?yàn)樵谄渌麠l件相同的情況下，紫外光強(qiáng)度越高，光引發(fā)速率越快，MPVA發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)的程度會(huì)相應(yīng)提高，使得形成的水凝膠網(wǎng)絡(luò)中交聯(lián)點(diǎn)增多。但紫外光強(qiáng)度過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致部分聚合物鏈發(fā)生斷裂，水凝膠交聯(lián)度下降，導(dǎo)致壓縮強(qiáng)度降低。因此，確定波長(zhǎng)為365 nm紫外光輻照可注射水凝膠的光強(qiáng)度為40 mW/cm2。由表5還可知，隨著輻照時(shí)間的延長(zhǎng)，水凝膠的壓縮強(qiáng)度也呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，而平衡溶脹度也是呈現(xiàn)先降低后上升的趨勢(shì)。這是因?yàn)樵谄渌麠l件相同的情況下，輻照時(shí)間越長(zhǎng)，形成的水凝膠的交聯(lián)度越高，壓縮強(qiáng)度上升。但如果輻照時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，也會(huì)使聚合物鏈發(fā)生斷裂，結(jié)果同樣導(dǎo)致水凝膠交聯(lián)度下降，壓縮強(qiáng)度降低。因此，確定紫外光輻照可注射水凝膠的時(shí)間為15 min，最終優(yōu)選出的可注射水凝膠的壓縮強(qiáng)度達(dá)到1.27 MPa，明顯優(yōu)于人體軟骨的壓縮強(qiáng)度（0.50 MPa）。

3 結(jié)論

1）用GMA改性PVA得到分子側(cè)鏈接枝GMA的MPVA。

2）隨著GMA用量的增加或PVA醇解度的增大，GMA的接枝率逐漸升高。

3）選用PVA1788，在其分子鏈上接枝1.24%的GMA，與0.002 g/mL的光引發(fā)劑配制可注射水凝膠，以光強(qiáng)度為40 mW/cm2、波長(zhǎng)為365 nm的紫外光輻照15 min，得到的塊狀水凝膠的壓縮強(qiáng)度可達(dá)1.27 MPa，優(yōu)于人體軟骨的壓縮強(qiáng)度（0.50 MPa）。