一种双重交联复合水凝胶及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及水凝胶载药技术领域，具体涉及一种双重交联复合水凝胶及其制备方法和应用。

背景技术

随着抗生素的普及，虽然越来越多的感染性疾病已经得到治疗，但是所用抗生素口服制剂多为普通口服制剂，药物在体内释放快，需要定时、多次服用以保持血药浓度高于有效浓度，漏服则有可能导致细菌耐药性的产生；此外，在实际治疗过程中，许多患者一旦感觉病情好转便会自行中断药物治疗，在病情加重时又重新服用抗生物素药物，这些患者较差的依从性也相对加快了感染性细菌耐药性的发展。

近些年，药物缓释制剂受到越来越多的重视。药物缓释制剂可以在较长时间内缓慢释放药物，既可以维持相对恒定的血药浓度以确保治疗效果，还可以降低给药频率和对患者依从性的要求。目前，常用的药物缓释制剂的载体材料多为高分子材料，其具备优异的生物降解性和生物相容性，在不对人体产生毒副作用的同时还能够起到延缓药物释放的效果。

水凝胶属于可用于缓释制剂高分子材料的一种，多由纤维素及其衍生物、壳聚糖、明胶、几丁质、淀粉和海藻酸盐等原料制得，其中，纤维素及其衍生物储量丰富、价格低廉、生物相容性好，可再生且无毒，并且含有丰富的易被氧化的活性基团，通过氧化这些活性基团，可以使纤维素及其衍生物具有新的性能。因此，纤维素及其衍生物通常是缓释材料的首选。近年来，利用TEMPO(2，2，6，6-四甲基哌啶-氮-氧化物)选择性地将纤维素的6位羟基氧化成羧基的应用越来越多，反应所得TEMPO氧化纤维素相对于原料纤维素不仅具有宽度均匀、结晶度高、分散性好等优点，还具有自愈合、止血等医学用途，常被作为载药材料使用。但是其仍具有纤维素及其衍生物类高分子水凝胶普遍具有的包括机械强度较差、溶胀性能差、载药率低和缓释效果有限等多种问题，这些问题的存在限制了其在药物缓释制剂领域的广泛应用。目前已有为解决上述问题所做的相关实验研究，但效果均不理想：具有较好缓释效果的水凝胶所负载药物的质量浓度仅为1％～1.5％，不适用于给药剂量大的药物，且这类水凝胶往往制备方法繁琐，实验所需时长达一周以上；通过冻融法制备得到的复合水凝胶虽然可用于生物医药领域，但是其内部并没有明显的多孔结构，可用于生物载体材料但是无法作为缓释载体使用。

发明内容

针对以上技术问题，本发明提供一种双重交联复合水凝胶及其制备方法和应用，该复合水凝胶具有良好的溶胀性能和药物负载能力，机械强度较高，缓释效果好；且制备方法步骤简单，无需使用多种有机溶剂，易实现产业化生产。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一方面提供一种双重交联复合水凝胶，包含以下组分：TEMPO氧化纤维素：0.5份～3份，氢氧化钠：0.8份～4.8份，尿素：1.2份～7.2份，聚乙烯醇溶液：6.5份～10份，环氧氯丙烷：6份～12份，水：4.5份～8.5份；其中，所述聚乙烯醇溶液的质量分数为8％～12％。

本发明提供的双重交联复合水凝胶，以TEMPO氧化纤维素和聚乙烯醇作为原料之二，TEMPO氧化纤维素在氢氧化钠和尿素的存在下即可完全溶解，TEMPO氧化纤维素和聚乙烯醇中的大量羟基可以形成分子内氢键和分子间氢键，从而使获得的水凝胶内部形成物理交联网络；在氢氧化钠提供的碱性环境中，环氧氯丙烷中的C-Cl键断裂生成碳正离子，同时环氧环打开生成碳正离子，两种碳正离子可分别与TEMPO氧化纤维素和聚乙烯醇提供的羟基形成醚键，进而在水凝胶内部形成化学交联网络。水凝胶内部物理交联网络和化学交联网络的同时存在构成了具有双重交联结构的复合水凝胶，相比于内部仅有物理交联网络或化学交联网络的水凝胶，其含有数目更大、致密度更高的孔隙结构，具有良好的溶胀性能和药物负载能力，机械强度较高，缓释效果优异。

优选地，所述双重交联复合水凝胶包含以下组分：TEMPO氧化纤维素：1份～2份，氢氧化钠：2份～4份，尿素：2份～6份，聚乙烯醇溶液：7份～9份，环氧氯丙烷：8份～10份，水：5份～8份；其中，所述聚乙烯醇溶液的质量分数为9％～11％。

进一步优选地，所述双重交联复合水凝胶包含以下组分：TEMPO氧化纤维素：1.5份，氢氧化钠：2.8份，尿素：4.2份，聚乙烯醇溶液：8份，环氧氯丙烷：9份，水：6份；其中，所述聚乙烯醇溶液的质量分数为10％。按照该范围的组分配比获得的双重交联复合水凝胶具有更好的溶胀性能，药物负载能力更强，综合性能更加优异。

结合第一方面，所述聚乙烯醇溶液为1788型聚乙烯醇、0588型聚乙烯醇或1799型聚乙烯醇中至少一种的水溶液。本发明所选择的聚乙烯醇粘度适中，既能够与TEMPO氧化纤维素实现良好相容，又可以保证所得水凝胶具有较高的机械强度。

结合第一方面，所述环氧氯丙烷的纯度≥99.7％，该纯度范围可保证所得水凝胶的杂质含量更少，质量更优。

本发明的第二方面提供一种上述双重交联复合水凝胶的制备方法，包括步骤：

S1、将所述TEMPO氧化纤维素、聚乙烯醇溶液和水混合并搅拌均匀，之后加入所述氢氧化钠和尿素，使所得溶液的pH＞9，继续搅拌至澄清，将所得溶液置于-30℃～-10℃下冷冻，得第一产物；

S2、将所述第一产物于室温下解冻完全后，加入所述环氧氯丙烷，于冰水浴中搅拌均匀后，转移至预先准备的模具中，于65℃～75℃的热水浴中反应1h～3h，得第二产物；

S3、待S2反应结束后将第二产物从所述模具转入水中进行浸泡、洗涤，之后冻干，即得双重交联复合水凝胶。

本发明提供的双重交联复合水凝胶的制备方法，首先向TEMPO氧化纤维素、聚乙烯醇溶液和水的混合液中加入氢氧化钠和尿素，TEMPO氧化纤维素在氢氧化钠和尿素提供的碱性环境中更易溶解；然后通过采用物理冻融法，使得TEMPO氧化纤维素和聚乙烯醇的分子之间产生微晶结构，形成物理交联点，这些物理交联点可进一步促进凝胶的生成；进而以环氧氯丙烷作为交联剂，与解冻后的内含物理交联网络的水凝胶中的TEMPO氧化纤维素和聚乙烯醇中的羟基在一定温度下进行化学交联，之后在水中浸泡溶胀将未反应的氢氧化钠或尿素等去除，冻干即得双重交联复合水凝胶。该制备方法步骤简单，无需使用多种有机溶剂，易实现产业化生产。

结合第二方面，步骤S1中所述冷冻的时间为3h～4h，该冷冻时间可以保证物理交联网络的完全形成。

结合第二方面，步骤S2的冰水浴中搅拌的速度为300rpm～500rpm，该搅拌速度可保证环氧氯丙烷与解冻的第一产物能够快速混合均匀。

本发明的第三方面提供一种上述双重交联复合水凝胶在药物负载中的应用，将该双重交联复合水凝胶应用于药物负载领域，丰富了药物负载载体材料的种类，为药物负载领域提供了具有更高载药率和更优缓释性能的药物载体。

结合第三方面，将所述双重交联复合水凝胶浸泡于将要负载的药物的溶液中，溶胀后冻干，溶胀的时间为20h～28h，优选24h。

优选地，所用的药物的溶液的浓度为0.5～1.5mg/mL。

本发明的有益效果在于：本发明提供的双重交联复合水凝胶配方简单，以价格低廉的TEMPO氧化纤维素和聚乙烯醇溶液为主要原料，以环氧氯丙烷为交联剂，采用先物理交联再化学交联的双重交联方式，得到的双重交联复合水凝胶具有良好的溶胀性能和药物负载能力，良好的溶胀性能有利于药物的快速大量装载，载药率可达65％以上；机械强度较高，缓释效果好，药物在10h内可达到80％以上的释放率。而且，本发明提供的双重交联复合水凝胶的制备方法步骤简单，无需使用多种有机溶剂，易实现产业化生产。

附图说明

图1为实施例8～14和对比例5～7所得的载药水凝胶的药物累积释放率(％)曲线图；

图2为实施例1～7和对比例2～4所得的水凝胶的溶胀率曲线图；

图3为实施例1所得的双重交联复合水凝胶、自制TEMPO氧化纤维素和聚乙烯醇的红外谱图；

图4为实施例1所得的双重交联复合水凝胶和自制TEMPO氧化纤维素的扫描电镜图，其中，(a)为自制TEMPO氧化纤维素的扫描电镜图，(b)为双重交联复合水凝胶的扫描电镜图；

图5为实施例1所得的双重交联复合水凝胶受到镊子夹持后的形状变化图，其中，(a)为用力夹持时的形状，(b)为松开夹持时的形状。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

以下实施例中，所用环氧氯丙烷的纯度为99.95％；

所用TEMPO氧化纤维素按照以下方法制备得到：

(1)所用各原料的组份如下：纤维素：5份，溴化钠：0.14份，TEMPO：0.18份，去离子水：280份，次氯酸钠水溶液：37.2份次氯酸钠和52份去离子水，乙醇：90mL；其中，次氯酸钠的有效氯含量为5％～6％。

(2)制备步骤为：按照以上原料配比，向三口烧瓶中加入去离子水作为反应介质，加入TEMPO和溴化钠搅拌溶解，之后加入纤维素得混悬液，通过恒压滴液漏斗将次氯酸钠水溶液以1～2mL/min的速率滴加到混悬液中，同时搅拌，滴加完毕后，加入氢氧化钠溶液使反应液的pH值保持在10.5±0.2，室温下反应3h后，加入乙醇淬灭反应；将所得产物离心，并使用无水乙醇和水分别洗涤沉淀3次，冷冻干燥后，即得自制TEMPO氧化纤维素。

实施例1

本实施例提供一种双重交联复合水凝胶，包含以下组分：TEMPO氧化纤维素：1.5份，氢氧化钠：2.8份，尿素：4.2份，聚乙烯醇溶液：8份，环氧氯丙烷：9份，水：6份；其中，聚乙烯醇溶液的质量分数为10％，聚乙烯醇的型号为1788型：按照以下方法制备：

S1、将TEMPO氧化纤维素、聚乙烯醇溶液和水混合并搅拌均匀，之后加入氢氧化钠和尿素，测试所得溶液的pH为9.5，继续搅拌至澄清，将所得溶液置于-20℃下冷冻3.5h，得第一产物；

S2、将第一产物于室温下解冻完全后，加环氧氯丙烷，于冰水浴中以400rpm的转速搅拌均匀后，转移至预先准备的模具中，将所述模具置于70℃的热水浴中反应2h，得第二产物；

S3、待S2反应结束后小心将第二产物从模具转入水中进行浸泡、洗涤，之后冻干，即得双重交联复合水凝胶。

实施例2

本实施例提供一种双重交联复合水凝胶，包含以下组分：TEMPO氧化纤维素：0.5份，氢氧化钠：0.8份，尿素：1.2份，聚乙烯醇溶液：6.5份，环氧氯丙烷：6份，水：4.5份；其中，聚乙烯醇溶液的质量分数为8％，聚乙烯醇的型号为0588型；制备方法同实施例1中的制备方法。

实施例3

本实施例提供一种双重交联复合水凝胶，包含以下组分：TEMPO氧化纤维素：3份，氢氧化钠：4.8份，尿素：7.2份，聚乙烯醇溶液：10份，环氧氯丙烷：12份，水：8.5份；其中，聚乙烯醇溶液的质量分数为12％，聚乙烯醇的型号为1799型；制备方法同实施例1中的制备方法。

实施例4

本实施例提供一种双重交联复合水凝胶，包含以下组分：TEMPO氧化纤维素：3份，氢氧化钠：4.8份，尿素：7.2份，聚乙烯醇溶液：10份，环氧氯丙烷：12份，水：8.5份；其中，聚乙烯醇溶液的质量分数为12％，聚乙烯醇的型号为1799型；制备方法同实施例1中的制备方法。

实施例5

本实施例提供一种双重交联复合水凝胶，包含以下组分：TEMPO氧化纤维素：3份，氢氧化钠：4.8份，尿素：7.2份，聚乙烯醇溶液：10份，环氧氯丙烷：12份，水：8.5份；其中，聚乙烯醇溶液的质量分数为12％，聚乙烯醇的型号为1799型；制备方法同实施例1中的制备方法。

实施例6

本实施例提供一种双重交联复合水凝胶的制备方法，按照实施例1中的组分配比，按照以下步骤制备：

S1、将TEMPO氧化纤维素、聚乙烯醇溶液和水混合并搅拌均匀，之后加入氢氧化钠和尿素，测试所得溶液的pH为10.2，继续搅拌至澄清，将所得溶液置于-10℃下冷冻4h，得第一产物；

S2、将第一产物于室温下解冻完全后，加环氧氯丙烷，于冰水浴中以300rpm的转速搅拌均匀后，转移至预先准备的模具中，将所述模具置于65℃的热水浴中反应3h，得第二产物；

S3、待S2反应结束后小心将第二产物从模具转入水中进行浸泡、洗涤，之后冻干，即得双重交联复合水凝胶。

实施例7

本实施例提供一种双重交联复合水凝胶的制备方法，按照实施例1中的组分配比，按照以下步骤制备：

S1、将TEMPO氧化纤维素、聚乙烯醇溶液和水混合并搅拌均匀，之后加入氢氧化钠和尿素，测试所得溶液的pH为9.8，继续搅拌至澄清，将所得溶液置于-30℃下冷冻3h，得第一产物；

S2、将第一产物于室温下解冻完全后，加环氧氯丙烷，于冰水浴中以500rpm的转速搅拌均匀后，转移至预先准备的模具中，将所述模具置于75℃的热水浴中反应4h，得第二产物；

S3、待S2反应结束后小心将第二产物从模具转入水中进行浸泡、洗涤，之后冻干，即得双重交联复合水凝胶。

实施例8～14

实施例8～14分别提供实施例1～7制得的双重交联复合水凝胶在负载盐酸左氧氟沙星中的应用，具体方法为：

分别将实施例1～7制得的双重交联复合水凝胶1g浸泡于30mL浓度为1mg/mL的盐酸左氧氟沙星溶液中，充分溶胀24h，即得载药水凝胶。

对比例1

本对比例提供一种双重交联复合水凝胶，包含以下组分：TEMPO氧化纤维素：2份，氢氧化钠：2.5份，尿素：4份，聚乙烯醇溶液：4份，环氧氯丙烷：9份，水：6.5份；其中，聚乙烯醇溶液的质量分数为10％，聚乙烯醇的型号为1788型。按照实施例4中的制备方法制备双重交联复合水凝胶，结果无法成功得到可成型的水凝胶。

对比例2

本对比例提供一种双重交联复合水凝胶，包含以下组分：TEMPO氧化纤维素：5份，氢氧化钠：2.5份，尿素：4份，聚乙烯醇溶液：8份，环氧氯丙烷：9份，水：6.5份；其中，聚乙烯醇溶液的质量分数为10％，聚乙烯醇的型号为1788型。按照实施例1中的制备方法制备双重交联复合水凝胶，成功制得水凝胶。

对比例3

本对比例提供一种物理交联复合水凝胶的制备方法，按照实施例1中的组分配比，按照以下步骤制备：

将TEMPO氧化纤维素、聚乙烯醇溶液和水混合并搅拌均匀，之后加入氢氧化钠和尿素，测试所得溶液的pH为9.5，继续搅拌至澄清，将所得溶液置于-20℃下冷冻3.5h，取出解冻后再次以同样的条件冷冻，反复4次，解冻后浸泡、洗涤、冻干，即得物理交联复合水凝胶。

对比例4

本对比例提供一种化学交联复合水凝胶的制备方法，按照实施例1中的组分配比，按照以下步骤制备：

将TEMPO氧化纤维素、聚乙烯醇溶液和水混合并搅拌均匀，之后加入氢氧化钠和尿素，测试所得溶液的pH为9.5，继续搅拌至澄清，加环氧氯丙烷，于冰水浴中以400rpm的转速搅拌均匀后，转移至预先准备的模具中，将所述模具置于70℃的热水浴中反应2h，之后小心将产物从模具转入水中进行浸泡、洗涤、冻干，即得化学交联复合水凝胶。

对比例5～7

对比例5～7分别提供对比例2～4提供的水凝胶在负载盐酸左氧氟沙星中的应用，具体应用方法同实施例8。

检验例1

(1)载药率计算：

分别对实施例8～14和对比例5～7获得的载药水凝胶进行载药率的计算，载药率的计算方法如下：

待水凝胶在药液中充分溶胀后，用去离子水冲洗去除载药水凝胶表面的药液，并收集冲洗液于250mL容量瓶中，用去离子水定容，之后根据如下公式计算载药率(％)，结果见表1：

式中：m

m

表1实施例8～14和对比例5～7中载药水凝胶的载药率

由表1中的数据可知，与对比例5～7所得的水凝胶相比，实施例8～14提供的双重交联复合水凝胶的载药率均在65％以上，载药能力明显增强。

(2)缓释性能测试：

分别将实施例8～14和对比例5～7获得的载药水凝胶放入模拟胃液中，在37℃、100rpm条件下模拟载药水凝胶在胃部的释放过程；2h后取出载药水凝胶，放入模拟肠液，在37℃、100rpm条件下模拟在肠道的释放过程。在设定的时间点，取出5mL药物释放后的模拟胃液或模拟肠液，并加入相同体积的同种缓冲溶液。将取出的模拟液使用紫外分光光度计进行分析，根据以下公式计算药物累积释放率：

式中：C

m

以上述载药水凝胶的药物累积释放率(％)为纵坐标，时间(h)为横坐标绘制柱状图，具体见图1。可以看出，本发明实施例8～14提供的载药水凝胶中的药物在10h内可达到80％以上的释放率，缓释效果较好且明显优于对比例5～7的载药率。

(3)溶胀性能测试：

分别将20mg实施例1～7制得的水凝胶和对比例2～4提供的水凝胶浸泡在去离子水中，于每个特定的时间点取出水凝胶并将其表面的水分吸干后称重，从而计算水凝胶的溶胀率(％)，并按照时间(h)-溶胀率(％)绘制曲线，如图2所示，可以看出，实施例1～7制得的水凝胶在3小时内均达到最大溶胀状态的90％以上，说明本发明实施例提供的水凝胶具有良好的溶胀性能，这有利于药物的快速大量装载。

检验例2

(1)红外测试

为了更好的说明本发明提供的双重交联复合水凝胶的特性，分别对实施例1制备的水凝胶、自制的TEMPO氧化纤维素和聚乙烯醇进行红外光谱分析，结果如图3所示。由图3可知，与TEMPO氧化纤维素相比，实施例1制备的水凝胶在3450cm

(2)电子扫描测试分析

为了更好的说明本发明提供的双重交联复合水凝胶的特性，分别对自制的TEMPO氧化纤维素和实施例1制备的双重交联复合水凝胶进行电子扫描显微镜分析，具体如图4(a)和图4(b)所示。由图4可知，与TEMPO氧化纤维素的结构相比，实施例1制备的双重交联复合水凝胶具有明显的交联结构，孔隙密度大，孔隙数目多，使溶胀性能和载药能力获得同步提升。而且，水凝胶内部相对相对较小的孔隙在受到较大的机械外力时，会首先形成微小的裂缝，成为牺牲网络来分散能量，使水凝胶的力学性能也得到了一定程度的提升。

检验例3

为了更好的说明本发明提供的双重交联复合水凝胶的机械性能，分别使用镊子对实施例1制得的水凝胶用力夹持后松开，水凝胶的形状变化图如图5(a)和图5(b)所示，可见，水凝胶在被镊子用力夹持之后并未出现破损且回弹良好，说明本发明提供的水凝胶具有较强的机械性能。

以上所述的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。