水凝胶的光活化制备制造技术

一种制备水凝胶的方法，包括将聚合物溶液与光引发剂混合，其中所述聚合物包含各自具有非芳族不饱和官能团的多个亚单元，以及用可见光照射混合物以产生所述水凝胶。

Preparation of hydrogels by light activation

A method for preparing hydrogels, which includes mixing a polymer solution with an photoinitiator, wherein the polymer contains a plurality of subunits of each unaroman unsaturated functional group, and a mixture of visible light to produce the hydrogel.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】水凝胶的光活化制备
本专利技术涉及通过使用可见光光引发使聚合物分子交联来制备水凝胶。特别地，本专利技术涉及通过将聚合物与光引发剂混合并用可见光照射混合物来制备水凝胶的方法。以这种方式生产的水凝胶具有多种用途，包括组织工程用途。
技术介绍
关节软骨被发现存在于关节的表面，并起到促进载荷传递的作用。然而，诸如关节炎之类的慢性疾病导致软骨变性和侵蚀，导致运动不稳定并显著影响生活质量。最近的统计数据显示，美国有5250万成人患有关节炎，到2030年这一数字预计将增加到6700万。由于软骨是一种无血管组织，因此其内在愈合和修复能力有限。虽然自体软骨细胞植入和微骨折等疗法已在临床实施，但这些治疗只能缓解症状直至需要手术关节置换。因此，正在寻求修复或替换受损软骨的新策略。近年来，将细胞、信号因子和支架组合的组织工程方法已经成为关节炎的有前景的治疗方法。这些支架大多为水凝胶，它们是高度水合的聚合物网络，并且之前已经显示与天然细胞外基质具有结构相似性。它们的高含水量使得营养物质和氧气良好地渗透和扩散到包封的细胞，而且使废物从细胞释放到环境中。这些水凝胶可由合成聚合物，如聚乙烯醇(PVA)、聚(乙二醇)(PEG)制成或由生物聚合物，如藻酸盐、透明质酸、胶原蛋白和明胶制成。在所有这些水凝胶中，明胶已经成为软骨修复的潜在材料。它是水溶性的，具有低免疫原性，但最重要的是，由于是胶原蛋白水解的产物，其还保留胶原蛋白中的许多天然分子表位，这对于细胞信号传导和维持软骨细胞表型很重要。特别地，通过光聚合制备的明胶水凝胶特别有吸引力，因为聚合过程的空间和时间控制是可能的，并且该过程可以在室温或生理温度下进行，具有快速固化速率和最小的热量产生。该光聚合过程通常需要将明胶用官能部分如甲基丙烯酰基接枝。取决于甲基丙烯酰化程度和大分子单体浓度，可以调节明胶-甲基丙烯酰基(Gel-MA)水凝胶的物理性质(交联密度、溶胀和硬度)，这使得该材料成为各种组织工程应用的通用平台。迄今为止，用于交联Gel-MA的最常用的光引发剂是1-[4-(2-羟基乙氧基)-苯基]-2-羟基-2-甲基-1-丙烷-1-酮，其也被称为Irgacure2959(I2959)。当暴露于紫外光(UV)时，I2959分子吸收光的光子并解离成自由基，然后自由基通过甲基丙烯酰基团传播，形成共价动力学链以将聚合物链保持在一起。然而，使用该系统的一个主要缺点是I2959需要紫外光进行光激发，这可能会破坏细胞DNA。先前的研究已经表明，UVA(320-400nm)和UVB(290-320nm)照射均诱导哺乳动物细胞中的染色体以及基因组不稳定性。紫外光也会产生活性氧(ROS)，其可以导致DNA的氧化损伤。因此，使用对细胞光毒性较小的可见光(400-700nm)的光聚合系统更适合于组织工程应用。已经研究了许多可见光引发系统，如樟脑醌、荧光素、核黄素和玫瑰红等，以制造载有细胞的水凝胶。然而，这些引发剂具有差的水溶性和有限的光反应性或细胞毒性。最近合成的光引发剂，苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基膦酸锂(LAP)在405nm吸收，具有良好的光反应性和细胞相容性。但是，LAP需要复杂的合成路线，目前还未市售。相比之下，另一种由市售引发剂，基于钌(Ru)的过渡金属络合物和过硫酸钠(SPS)组成的新型可见光引发体系已显示出组织工程应用的潜力。这种Ru/SPS体系已被用于采用酚部分交联聚合物，其中所得水凝胶已被用作组织密封剂或基质以包封成纤维细胞和神经细胞。当用可见光照射时，Ru2+通过向SPS提供电子而光激发成Ru3+。光激发的Ru3+然后与聚合物上的酚基反应形成共价交联。接受电子后，SPS解离成硫酸根阴离子和硫酸根。这些硫酸根可以通过甲基丙烯酰基团增长，引起共价交联。然而，通过酚基交联的显著缺点是交联效率低。因此，产生足够交联所需的光能量可能非常高。此外，使用这种光引发/交联体系形成的水凝胶趋于具有有限的机械特性。由于物理化学性质差，它们通常不可以被调节用于不同的应用。与许多水凝胶(包括Gel-MA水凝胶)的制备相关的一个问题是氧抑制的影响。在一些光聚合体系的情况下，例如使用紫外光(320-365nm)和光引发剂I2959时，任何存在的氧气都能够猝灭交联所需的自由基。这导致交联形成不完全或不充分，并因此导致构建体不能保持其形状。这对于使用水凝胶作为在计算机辅助生物制造技术中的生物墨水(bio-ink)来构建生物材料的三维结构或支架尤为重要。显示低水平氧抑制的水凝胶形成的水凝胶制备系统是有利的。因此，本专利技术的一个目的是通过提供一种水凝胶或者至少提供已知水凝胶形成系统的有用替代物来克服或改善上述一个或多个缺点或问题，所述水凝胶可以通过使用可见光照射聚合物来制备。
技术实现思路
在本专利技术的第一方面中，提供了一种制备水凝胶的方法，包括以下步骤：(i)将聚合物溶液与光引发剂混合，其中所述聚合物包含各自具有非芳族不饱和官能团的多个亚单元；以及(ii)用可见光照射所述混合物以产生水凝胶。在本专利技术的第二方面中，提供了根据本专利技术第一方面制备的水凝胶用于制造或修复人类或非人类动物中的组织(例如软骨)的用途。在本专利技术的第三方面中，提供了根据本专利技术第一方面制备的水凝胶作为生物墨水或生物树脂的用途。附图说明图1显示使用在2D表面上培养的HAC评价光毒性(紫外光vs可见光(Vis))和自由基毒性(UV+I2959vs可见光+Ru/SPS)。图2显示在第1天，第7天，第14天和第21天，在使用UV+I2959或Vis+Ru/SPS制造的Gel-MA水凝胶中包封的HAC的细胞存活率。*表示在各个时间点与UV+I2959相比的统计显著性(p<0.05)。图3显示在第1天，第7天，第14天和第21天，在使用UV+I2959或Vis+Ru/SPS制造的Gel-MA水凝胶中包封的细胞的代谢活性。*表示与各个时间点与UV+I2959相比的统计显著性(p<0.05)。图4显示在使用UV+I2959或Vis+Ru/SPS的Gel-MA水凝胶中包封的HAC的软骨形成分化：A)每个凝胶的DNA；B)每个凝胶保留的GAG；C)GAG/DNA和D)21天后载有细胞的Gel-MA水凝胶的组织学，番红-O染色指示GAG产生(红色)(比例尺＝100μm)。图5显示Gel-MA和Gel-MA+胶原蛋白1大分子单体溶液的粘度vs剪切速率，温度在20℃保持恒定。图6显示Gel-MA+胶原蛋白1水凝胶在不同引发剂浓度下的厚度变形。图7显示Gel-MA+胶原蛋白1水凝胶在不同光强度下的厚度变形。图8显示在不同引发剂浓度下在Gel-MA+胶原蛋白1凝胶中的MCF-7的细胞存活率。图9显示在不同光强下在Gel-MA+胶原蛋白1凝胶中的MCF-7的细胞存活率。图10显示在各种光强度下溶胀之前(t＝0)和溶胀后(t＝1)的3D打印的Gel-MA+胶原蛋白1水凝胶构建体(比例尺＝500μm)。图11显示3D打印的载有细胞的Gel-MA+胶原蛋白1水凝胶构建体(比例尺＝500μm)。图12显示使用光投射立体光刻制造的多孔层状PVA-MA水凝胶构建体(比例尺＝500μm)。图13显示使用光投射立体光刻制造的多孔PVA-MA螺旋二十四面体水凝胶构建体(比例尺＝5本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备水凝胶的方法，包括以下步骤：(i)将聚合物溶液与光引发剂混合，其中所述聚合物包含各自具有非芳族不饱和官能团的多个亚单元；以及(ii)用可见光照射混合物以产生所述水凝胶。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.12.02 US 62/262,245;2016.08.26 US 62/380,1891.一种制备水凝胶的方法，包括以下步骤：(i)将聚合物溶液与光引发剂混合，其中所述聚合物包含各自具有非芳族不饱和官能团的多个亚单元；以及(ii)用可见光照射混合物以产生所述水凝胶。2.如权利要求1所述的方法，其中所述不饱和官能团包括双键。3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述不饱和官能团选自甲基丙烯酸酯、丙烯酸酯、甲基丙烯酰胺、丙烯酰胺、降冰片烯、丙炔酸酯和烯丙基。4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述水凝胶通过链增长聚合方法或逐步增长聚合方法通过不饱和官能团的交联而形成。5.如权利要求4所述的方法，其中所述逐步增长聚合方法包括一个聚合物链的一个或多个不饱和官能团与另一个聚合物链的硫醇化官能团之间的反应。6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述光引发剂包括钌(II)化合物和过硫酸钠、过硫酸铵或过硫酸钾。7.如权利要求6所述的方法，其中所述钌(II)化合物是三(2,2-联吡啶基)二氯化钌(II)六水合物。8.如权利要求1至7中任一项所述的方法，其中所述聚合物是合成聚合物。9.如权利要求8所述的方法，其中所述合成聚合物选自聚乙烯醇(PVA)、聚乙二醇(PEG)、聚(甲基丙烯酸2-羟乙基酯)(pHEMA)、聚(丙烯酰胺)、聚(甲基丙烯酰胺)、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、聚(丙交酯-共-三亚甲基碳酸酯)(PTMC)、聚富马酸酯、聚(乳酸)(PLA)、聚己内酯(PCL)和聚(N-乙烯基-2-吡咯烷酮)。10.如权利要求1至7中任一项所述的方法，其中所述聚合物是天然聚合物。11.如权利要求10所述的方法，其中所述天然聚合物选自藻酸盐、透明质酸、肝素、丝素蛋白、丝胶蛋白、甲基纤维素、结冷胶、硫酸软骨素、壳聚糖、纤维蛋白原、胶原蛋白、明胶、血管内皮生长因子(VEGF)、骨形态发生蛋白(BMP)、表皮生长因子(EGF)和转化生长因子(TGF)。12.如权利要求1至11中任一项所述的方法，其中所述可...

【专利技术属性】
技术研发人员：林深坤，蒂莫西·布莱恩·弗朗西斯·伍德菲尔德，加布里艾拉·克里斯蒂娜·约翰娜·布朗，
申请(专利权)人：奥塔哥创新有限公司，
类型：发明
国别省市：新西兰,NZ