本發(fā)明涉及一種聚吡咯生物導(dǎo)電水凝膠及其制備方法和應(yīng)用,屬于生物醫(yī)學(xué)材料領(lǐng)域。
背景技術(shù):
周?chē)窠?jīng)損傷在臨床上十分常見(jiàn),迄今為止,經(jīng)歷了神經(jīng)吻合、自體神經(jīng)移植、同種異體神經(jīng)移植、自體非神經(jīng)組織移植和生物材料替代等幾個(gè)過(guò)程,但幾種治療方式各有利弊,未使神經(jīng)缺損的問(wèn)題得到根本性的解決。通過(guò)研究表明,神經(jīng)生長(zhǎng)因子(ngf)具有神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)及神經(jīng)保護(hù)作用,能促進(jìn)神經(jīng)損傷的修復(fù),誘導(dǎo)神經(jīng)纖維定向生長(zhǎng),刺激胞體和樹(shù)突的發(fā)育,促進(jìn)神經(jīng)元的分化發(fā)育。同時(shí)大量實(shí)驗(yàn)證實(shí),一定條件內(nèi)的電刺激對(duì)周?chē)窠?jīng)再生與神經(jīng)細(xì)胞生長(zhǎng),不論是局部還是全身應(yīng)用,或電場(chǎng)類(lèi)型、脈沖頻率、波長(zhǎng)以及時(shí)間長(zhǎng)短,,均具有促進(jìn)的作用。
在以往,神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)如神經(jīng)生長(zhǎng)因子(ngf)通過(guò)注射作用于神經(jīng)損傷部位,但其中大多數(shù)生物半衰期短,容易遭受破壞失去生活活性,且在直接注入后無(wú)法解決突釋的問(wèn)題,無(wú)法達(dá)到長(zhǎng)時(shí)間修復(fù)神經(jīng)損傷的作用。因此找到一種合適的藥物載體,既可以對(duì)藥物的釋放進(jìn)行一定控制,且兼具導(dǎo)電特性能輔助進(jìn)行電刺激修復(fù),能促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞的增殖分化,將為修復(fù)神經(jīng)損傷提供很好的研究方向與幫助。
水凝膠是一種由親水性聚合物所形成的不溶于水的高度交聯(lián)系統(tǒng),由于其具有含水量高,與人體組織力學(xué)性能相似等特點(diǎn),使得水凝膠材料廣泛應(yīng)用在藥物控釋及活性細(xì)胞包覆等生物醫(yī)用領(lǐng)域。合成水凝膠的材料主要包括天然高分子材料如絲素蛋白、殼聚糖、透明質(zhì)酸、明膠等,以及人工合成可降解材料如聚乳酸、聚乙醇酸、聚己內(nèi)酯等。這些材料在一定程度上能起到促進(jìn)周?chē)窠?jīng)再生的效果,所以充分利用天然材料的生物活性基元及便于大批量生產(chǎn)及成本低等特點(diǎn),可制備出內(nèi)部結(jié)構(gòu)多孔,生物相容性優(yōu)良的水凝膠。
水凝膠與導(dǎo)電聚合物(cps)組成的復(fù)合材料被稱為導(dǎo)電水凝膠,它是理想的生物醫(yī)用材料,可應(yīng)用于組織工程中修復(fù)受損的組織和器官、電化學(xué)生物傳感器以及可控制藥物釋放體系。導(dǎo)電水凝膠結(jié)合了cps的電性能與水凝膠的機(jī)械性能,使其成為可控制藥物釋放領(lǐng)域的新型熱點(diǎn)材料。該體系可以達(dá)到較高的載藥量水平,而且可以解決單純cps對(duì)中性藥物加載不理想以及大體積藥物無(wú)法從cps體系中釋放等問(wèn)題。
殼聚糖(cs)是一種多糖類(lèi)天然高分子,具有優(yōu)良的生物相容性、可降解性、低毒及較好的生物活性和力學(xué)性能等。研究表明,一些組織細(xì)胞易黏附于殼聚糖表面并促進(jìn)其增殖,還具有藥物活性,而且能夠能促進(jìn)傷口愈合及軟、硬組織的重建等生物活性。其含有豐富的氨基和羥基,在堿性條件下,與氯乙酸反應(yīng)脫氯化氫可以得到羧甲基化的殼聚糖(cmcs)。通過(guò)化學(xué)交聯(lián)羧甲基殼聚糖,可以制備材料所需的水凝膠。
吡咯單體是一種c,n五元雜環(huán)分子,微溶于水,無(wú)毒,在電場(chǎng)或氧化劑的作用下易被氧化,進(jìn)而發(fā)生聚合反應(yīng)生成高分子聚合物聚吡咯。聚吡咯除了具有導(dǎo)電聚合物共同的特征以外,還具有單體無(wú)毒,容易制備,電導(dǎo)率高,機(jī)械性能好穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)電化學(xué)方法或其他手段把藥物分子或離子加入到聚合物中,可組成修飾電極或復(fù)合材料,將包含的藥物分子或離子釋放出去,可以實(shí)現(xiàn)藥物在體內(nèi)的控制釋放。這種方法可以更好的提高藥物的藥效,還可以實(shí)現(xiàn)更為智能化的功能,即通過(guò)神經(jīng)細(xì)胞發(fā)出的電信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)病人自主的釋放過(guò)程。對(duì)于這種體系的要求是藥物載體結(jié)合牢固,對(duì)體液穩(wěn)定,藥物負(fù)載量大,,釋放率高,載體無(wú)毒,無(wú)排異反應(yīng)。而聚吡咯復(fù)合材料恰恰滿足這些要求,可以作為一種優(yōu)良的藥物釋放載體。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種聚吡咯生物導(dǎo)電水凝膠及其制備與應(yīng)用,其適于周?chē)窠?jīng)損傷,具有電刺激修復(fù)以及神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子誘導(dǎo)的雙重功效系統(tǒng)。該導(dǎo)電水凝膠生物相容性好,對(duì)于ngf具有高載藥率,能對(duì)藥物的釋放起到緩釋作用,且通過(guò)外加電刺激或生物電刺激能輔助治療,可以為神經(jīng)修復(fù)與神經(jīng)細(xì)胞的再生提供更優(yōu)越的藥物載體與細(xì)胞依附組織。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:聚吡咯生物導(dǎo)電水凝膠,其組分包括有羧甲基殼聚糖、交聯(lián)劑、吡咯單體、摻雜劑、神經(jīng)生長(zhǎng)因子和去離子水,其用量配比為羧甲基殼聚糖:交聯(lián)劑:吡咯單體:摻雜劑:神經(jīng)生長(zhǎng)因子:去離子水=1:0.08-0.16:0.06-0.12:0.09-0.18:0.08-0.16:150-200,以重量比計(jì)。
聚吡咯生物導(dǎo)電水凝膠的制備方法,包括以下步驟:將羧甲基殼聚糖通過(guò)交聯(lián)劑在一定條件下制備羧甲基殼聚糖水凝膠,凍干處理;與此同時(shí)將吡咯單體電化學(xué)合成聚吡咯并加入摻雜劑進(jìn)行改性,將改性的聚吡咯進(jìn)行球磨粉碎得到改性的聚吡咯顆粒,使其顆粒尺寸與羧甲基殼聚糖水凝膠孔隙的孔徑相匹配;隨后將神經(jīng)生長(zhǎng)因子融入水中,加入改性的聚吡咯顆粒,攪拌分散均勻,放入羧甲基殼聚糖水凝膠,使溶液完全吸收,再加入水,震蕩,充分溶脹平衡,即得到聚吡咯生物導(dǎo)電水凝膠。
按上述方案,所述的羧甲基殼聚糖水凝膠的制備方法是:將交聯(lián)劑1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亞胺鹽酸鹽(edc)和n-羥基琥珀酰亞胺(nhs)加入到二甲基亞砜(dmso)中,攪拌溶解,再將其加入到羧甲基殼聚糖的水溶液中,進(jìn)行反應(yīng),即得羧甲基殼聚糖水凝膠。
按上述方案,所述的改性的聚吡咯的制備方法是:將摻雜劑對(duì)甲基苯磺酸鈉加入去離子水中,溶解后,再加入吡咯單體,震蕩分散均勻,配置成為電解液,運(yùn)用循環(huán)伏安法電化學(xué)合成得到改性的聚吡咯。
按上述方案,所述的聚吡咯生物導(dǎo)電水凝膠的基質(zhì)組分含量為:神經(jīng)生長(zhǎng)因子6%-10%,改性的聚吡咯顆粒12%-18%,羧甲基殼聚糖水凝膠凍干物74%-80%,以重量比計(jì);聚吡咯生物導(dǎo)電水凝膠的基質(zhì)與去離子水的用量比為1:80-120。
按上述方案,所述的粉碎后的改性的聚吡咯顆粒的粒徑為50-80μm,制得的羧甲基殼聚糖水凝膠孔隙的孔徑為80-200μm。
所述的聚吡咯生物導(dǎo)電水凝膠作為注射的藥物載體的應(yīng)用,可以注射進(jìn)神經(jīng)導(dǎo)管內(nèi)。
本發(fā)明以具有優(yōu)良機(jī)械性能與生物相容性的水凝膠為基底,摻雜具有高電導(dǎo)率的改性聚吡咯顆粒,并包埋神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子類(lèi)型的模型藥物,制備得到生物導(dǎo)電水凝膠。在用于神經(jīng)修復(fù)時(shí),既能完成對(duì)神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子的緩釋,且能經(jīng)由生物電或外加電刺激對(duì)神經(jīng)細(xì)胞進(jìn)行一定的電刺激,通過(guò)電刺激與神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子誘導(dǎo)的雙重作用,促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞增殖分化,引導(dǎo)神經(jīng)軸突生長(zhǎng),使能在修復(fù)神經(jīng)損傷時(shí)取得更好的效果。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):
(1)制備的生物導(dǎo)電水凝膠系統(tǒng)穩(wěn)定,且有良好的生物相容性
本發(fā)明制備的水凝膠與聚吡咯的復(fù)合材料穩(wěn)定性好,無(wú)生物毒性,且結(jié)構(gòu)具有仿生性,不會(huì)產(chǎn)生排異反應(yīng)且能為細(xì)胞生長(zhǎng)提供優(yōu)良的細(xì)胞外基質(zhì)環(huán)境。
(2)摻雜的聚吡咯顆粒尺寸可調(diào)節(jié),解決聚吡咯在體內(nèi)不可降解的問(wèn)題
以往通過(guò)電化學(xué)合成聚吡咯通常是為了得到高電導(dǎo)率的聚吡咯導(dǎo)電薄膜,本發(fā)明將電化學(xué)合成的聚吡咯通過(guò)細(xì)胞粉碎儀進(jìn)行粉碎處理,得到均勻分散的,顆粒大小可調(diào)節(jié)的聚吡咯導(dǎo)電顆粒。在生物導(dǎo)電水凝膠分解后可隨人體體液循環(huán)排出;
(3)制備的生物導(dǎo)電水凝膠對(duì)模型藥物如ngf有高載藥率且具有緩釋作用
本發(fā)明的水凝膠結(jié)構(gòu)多孔,且孔徑可調(diào)節(jié)。同樣的,摻雜的聚吡咯顆粒尺寸也可進(jìn)行調(diào)節(jié),可將二者進(jìn)行同步調(diào)整,來(lái)滿足裝載不同模型藥物,提高載藥率,對(duì)藥物進(jìn)行緩釋;
(4)電刺激與神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子誘導(dǎo)的雙重作用,提高了對(duì)于修復(fù)神經(jīng)損傷和促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞生長(zhǎng)的功效。
附圖說(shuō)明
圖1為聚吡咯生物導(dǎo)電水凝膠的掃描電鏡結(jié)構(gòu)圖,其中圖1(a)為改性聚吡咯顆粒、圖1(b)為羧甲基殼聚糖水凝膠、圖1(c)為聚吡咯生物導(dǎo)電水凝膠。
具體實(shí)施方式
為了更好地理解本發(fā)明,下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容,但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于下面的實(shí)施例。
實(shí)施例1
1)高分子水凝膠的制備
采用均相edc/nhs催化體系,交聯(lián)羧甲基殼聚糖制備水凝膠。在250ml三口燒瓶中加入0.1gcmcs,再加入30ml去離子水,磁力攪拌30~60min,溶解。將0.01gedc和0.006gnhs加入到40ml二甲基亞砜(dmso)中,磁力攪拌溶解。將dmso溶液轉(zhuǎn)移到滴液漏斗中,逐滴加入到羧甲基殼聚糖水溶液中,反應(yīng)溫度25℃,反應(yīng)時(shí)間15h。羧甲基殼聚糖的交聯(lián)過(guò)程反應(yīng)方程式是:
產(chǎn)物透析48h,冷凍干燥24h,得到羧甲基殼聚糖水凝膠凍干物;通過(guò)圖1(b)羧甲基殼聚糖水凝膠的電鏡圖測(cè)得水凝膠的孔隙孔徑為80-200μm。
2)聚吡咯的制備
采用三電極系統(tǒng),ito導(dǎo)電玻璃作為工作電極,鉑絲作為輔助電極,飽和甘汞電極作為參比電極,以電化學(xué)工作站作為電源。電解液由對(duì)甲基苯磺酸鈉與水配成,配制稱取1g對(duì)甲基苯磺酸鈉加入100ml去離子水,攪拌溶解10min。再向溶液中加入0.5ml吡咯單體,繼續(xù)攪拌至分散均勻。將工作電極插入配置的電解液中,采用循環(huán)伏安法制備。起始電壓為0v,掃描區(qū)間設(shè)定為0-2.5v,加壓速率為0.01v/s,掃描周期為100周。
聚吡咯的摻雜和脫摻雜的過(guò)程如下反應(yīng)式所示:
掃描完成后,將工作電極上生成的聚吡咯剝離,多次洗滌后烘干,將聚吡咯放入行星式球磨儀進(jìn)行研磨,轉(zhuǎn)速為360r/min,時(shí)間為4min,得到尺寸均勻的改性的聚吡咯顆粒,通過(guò)圖1(a)改性聚吡咯顆粒的電鏡圖測(cè)得顆粒尺寸為50-80μm;
3)聚吡咯生物導(dǎo)電水凝膠的制備
將0.005gngf溶于10ml水中,待完全溶解后,加入0.01g改性的聚吡咯顆粒,超聲震蕩至完全分散,放入0.05g水凝膠凍干物,使溶液完全吸收,再加入10ml水,震蕩,使充分溶脹平衡,得到聚吡咯生物導(dǎo)電水凝膠。通過(guò)圖1(c)聚吡咯生物導(dǎo)電水凝膠的電鏡圖我們觀察到最終產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)多孔且層次分明,尺寸均勻的改性聚吡咯顆粒摻雜進(jìn)結(jié)構(gòu)特征明顯的水凝膠中,為細(xì)胞吸附生長(zhǎng)創(chuàng)造了良好的模擬環(huán)境并使載體附帶了適度的電導(dǎo)特性。
制得的聚吡咯生物導(dǎo)電水凝膠的電導(dǎo)率為:
實(shí)施例2
1)高分子水凝膠的制備
以羧甲基殼聚糖(cmcs)為例。采用均相edc/nhs催化體系,交聯(lián)羧甲基殼聚糖制備水凝膠。在250ml三口燒瓶中加入0.2gcmcs,再加入30ml去離子水,磁力攪拌30~60min,溶解。將0.02gedc和0.012gnhs加入到60ml二甲基亞砜(dmso)中,磁力攪拌溶解。將dmso溶液轉(zhuǎn)移到滴液漏斗中,逐滴加入到羧甲基殼聚糖水溶液中,反應(yīng)溫度25℃,反應(yīng)時(shí)間15h。產(chǎn)物透析48h,冷凍干燥24h,得到水凝膠凍干物;
2)聚吡咯的制備
采用三電極系統(tǒng),ito導(dǎo)電玻璃作為工作電極,鉑絲作為輔助電極,飽和甘汞電極作為參比電極,以電化學(xué)工作站作為電源。電解液由對(duì)甲基苯磺酸鈉與水配成,配制稱取2g對(duì)甲基苯磺酸鈉加入100ml去離子水,攪拌溶解10min。再向溶液中加入1ml吡咯單體,繼續(xù)攪拌至分散均勻。將工作電極插入配置的電解液中,采用循環(huán)伏安法制備。起始電壓為0v,掃描區(qū)間設(shè)定為0-2.5v,加壓速率為0.01v/s,掃描周期為100周。掃描完成后,將工作電極上生成的聚吡咯剝離,多次洗滌后烘干,將聚吡咯放入行星式球磨儀進(jìn)行研磨,轉(zhuǎn)速為360r/min,時(shí)間為5min,得到尺寸均勻的改性的聚吡咯顆粒。
3)聚吡咯生物導(dǎo)電水凝膠的制備
將0.01gngf溶于20ml水中,待完全溶解后,加入0.02g的聚吡咯顆粒,超聲震蕩至完全分散,放入0.1g水凝膠凍干物,使溶液完全吸收。再加入20ml水,震蕩,使充分溶脹平衡,得到聚吡咯生物導(dǎo)電水凝膠。
實(shí)施例3
1)高分子水凝膠的制備
以羧甲基殼聚糖(cmcs)為例。采用均相edc/nhs催化體系,交聯(lián)羧甲基殼聚糖制備水凝膠。在250ml三口燒瓶中加入0.3gcmcs,再加入50ml去離子水,磁力攪拌30~60min,溶解。將0.03gedc和0.018mgnhs加入到60ml二甲基亞砜(dmso)中,磁力攪拌溶解。將dmso溶液轉(zhuǎn)移到滴液漏斗中,逐滴加入到羧甲基殼聚糖水溶液中,反應(yīng)溫度25℃,反應(yīng)時(shí)間15h。產(chǎn)物透析48h,冷凍干燥24h,得到水凝膠凍干物;
2)聚吡咯的制備
采用三電極系統(tǒng),ito導(dǎo)電玻璃作為工作電極,鉑絲作為輔助電極,飽和甘汞電極作為參比電極,以電化學(xué)工作站作為電源。電解液由對(duì)甲基苯磺酸鈉與水配成,配制稱取3g對(duì)甲基苯磺酸鈉加入100ml去離子水,攪拌溶解10min。再向溶液中加入1.5ml吡咯單體,繼續(xù)攪拌至分散均勻。將工作電極插入配置的電解液中,采用循環(huán)伏安法制備。起始電壓為0v,掃描區(qū)間設(shè)定為0-2.5v,加壓速率為0.01v/s,掃描周期為100周。掃描完成后,將工作電極上生成的聚吡咯剝離,多次洗滌后烘干,將聚吡咯放入行星式球磨儀進(jìn)行研磨,轉(zhuǎn)速為360r/min,時(shí)間為6min,得到尺寸均勻的聚吡咯顆粒。
3)聚吡咯生物導(dǎo)電水凝膠的制備
將0.015gngf溶于20ml水中,待完全溶解后,加入0.03g的聚吡咯顆粒,超聲震蕩至完全分散,放入0.15g水凝膠凍干物,使溶液完全吸收。再加入30ml水,震蕩,使充分溶脹平衡,得到聚吡咯生物導(dǎo)電水凝膠。
實(shí)施例4
1)高分子水凝膠的制備
以羧甲基殼聚糖(cmcs)為例。采用均相edc/nhs催化體系,交聯(lián)羧甲基殼聚糖制備水凝膠。在250ml三口燒瓶中加入0.6gcmcs,再加入100ml去離子水,磁力攪拌30~60min,溶解。將0.06gedc和0.036gnhs加入到80ml二甲基亞砜(dmso)中,磁力攪拌溶解。將dmso溶液轉(zhuǎn)移到滴液漏斗中,逐滴加入到羧甲基殼聚糖水溶液中,反應(yīng)溫度25℃,反應(yīng)時(shí)間15h。產(chǎn)物透析48h,冷凍干燥24h,得到水凝膠凍干物;
2)聚吡咯的制備
采用三電極系統(tǒng),ito導(dǎo)電玻璃作為工作電極,鉑絲作為輔助電極,飽和甘汞電極作為參比電極,以電化學(xué)工作站作為電源。電解液由對(duì)甲基苯磺酸鈉與水配成,配制稱取6g對(duì)甲基苯磺酸鈉加入100ml去離子水,攪拌溶解10min。再向溶液中加入3ml吡咯單體,繼續(xù)攪拌至分散均勻。將工作電極插入配置的電解液中,采用循環(huán)伏安法制備。起始電壓為0v,掃描區(qū)間設(shè)定為0-2.5v,加壓速率為0.05v/s,掃描周期為100周。掃描完成后,將工作電極上生成的聚吡咯剝離,多次洗滌后烘干,將聚吡咯放入行星式球磨儀進(jìn)行研磨,轉(zhuǎn)速為360r/min,時(shí)間為7min,得到尺寸均勻的聚吡咯顆粒。
3)聚吡咯生物導(dǎo)電水凝膠的制備
將0.03gngf溶于40ml水中,待完全溶解后,加入0.06g的聚吡咯顆粒,超聲震蕩至完全分散,放入0.3g水凝膠凍干物,使溶液完全吸收。再加入60ml水,震蕩,使充分溶脹平衡,得到聚吡咯生物導(dǎo)電水凝膠。
實(shí)施例5
1)高分子水凝膠的制備
以羧甲基殼聚糖(cmcs)為例。采用均相edc/nhs催化體系,交聯(lián)羧甲基殼聚糖制備水凝膠。在250ml三口燒瓶中加入1gcmcs,再加入120ml去離子水,磁力攪拌30~60min,溶解。將0.1gedc和0.06gnhs加入到100ml二甲基亞砜(dmso)中,磁力攪拌溶解。將dmso溶液轉(zhuǎn)移到滴液漏斗中,逐滴加入到羧甲基殼聚糖水溶液中,反應(yīng)溫度25℃,反應(yīng)時(shí)間15h。產(chǎn)物透析48h,冷凍干燥24h,得到水凝膠凍干物;
2)聚吡咯的制備
采用三電極系統(tǒng),ito導(dǎo)電玻璃作為工作電極,鉑絲作為輔助電極,飽和甘汞電極作為參比電極,以電化學(xué)工作站作為電源。電解液由對(duì)甲基苯磺酸鈉與水配成,配制稱取10g對(duì)甲基苯磺酸鈉加入100ml去離子水,攪拌溶解10min。再向溶液中加入2ml吡咯單體,繼續(xù)攪拌至分散均勻。將工作電極插入配置的電解液中,采用循環(huán)伏安法制備。起始電壓為0v,掃描區(qū)間設(shè)定為0-2.5v,加壓速率為0.1v/s,掃描周期為100周。掃描完成后,將工作電極上生成的聚吡咯剝離,多次洗滌后烘干,將聚吡咯放入行星式球磨儀進(jìn)行研磨,轉(zhuǎn)速為360r/min,時(shí)間為8min,得到尺寸均勻的聚吡咯顆粒。
3)聚吡咯生物導(dǎo)電水凝膠的制備
將0.05gngf溶于50ml水中,待完全溶解后,加入0.1g的聚吡咯顆粒,超聲震蕩至完全分散,放入0.5g水凝膠凍干物,使溶液完全吸收。再加入100ml水,震蕩,使充分溶脹平衡;或先將0.5g聚吡咯顆粒反散投入含有1gcmcs的120ml去離子水溶液中,磁力攪拌60min,再加入含有0.1gedc和0.06gnhs的100ml二甲基亞砜(dmso)進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng),時(shí)間24h,產(chǎn)物進(jìn)行凍干處理后,將0.6g的凍干產(chǎn)物加入含有0.05gngf的50ml水中,待溶液完全吸收,再加入60ml水,震蕩,使充分溶脹平衡,得到聚吡咯生物導(dǎo)電水凝膠。