一种纳米淀粉粒子补强的醛肼交联型可注射PNIPAM水凝胶的制备方法技术领域
本发明属于生物医用材料技术领域，特别涉及一种纳米淀粉粒子补强的醛肼交联
型可注射PNIPAM水凝胶的制备方法。
背景技术
水凝胶为具有三维网络结构的交联聚合物，其柔软的结构与优异的吸水和保水性
能与人体的组织较为相似，在生物医药方面有非常广泛的应用。可注射水凝胶为可以通过
注射的方式在体内原位反应成型的水凝胶，此方式不仅可以免去手术的创伤，而且在注射
的过程中可以将一些药物、蛋白质、生长因子等物质混入前躯体溶液中，使其分散于水凝胶
网络结构中。在实际的应用中，水凝胶的机械强度以及水凝胶在机体内的降解性能为影响
水凝胶的重要因素。由于水凝胶有较高的吸水性能，随之而来的水凝胶较低的机械强度一
直阻碍着水凝胶在组织工程、药物缓释和防粘连等高强度领域的应用。
提高水凝胶机械强度的方法如互穿网络结构、微凝胶和无机钠米粒子补强等近年
来得到广泛的研究。其中，对于可注射水凝胶来说，无机纳米粒子(如纳米二氧化硅、纳米羟
基磷灰石、纳米氧化铁、纳米锂皂石等)补强方式因其简单易操作，生物相容性好等优点被
广泛应用。但是由于无机纳米粒子的不可降解性，其潜在的危害如粒子在体内的去向，机体
能否清除和粒子清除的机理等均不得而知，其大大限制了粒子的实际应用。
近年来，由天然可降解的大分子材料代替无机材料制备纳米粒子或纳米棒状材料
对水凝胶进行补强成为近来研究热点。如利用短棒状纳米纤维素对可注射的羧甲基纤维素
水凝胶进行补强，棒状纳米纤维素可均匀嵌入水凝胶网络结构，补强后水凝胶与未补强相
比其机械强度得到了明显的提升。在注重水凝胶机械强度提高的同时，水凝胶的降解性能
同样对可注射水凝胶在机体内的应用有重要影响。对于物理交联水凝胶，具有良好的降解
性能，但是凝胶强度及稳定性较差。对于化学交联水凝胶，具有良好的机械稳定性及强度，
但是由于化学交联键良好的稳定性致使其降解性能较差。
探索既有良好的稳定性又可在特定条件下降解的化学交联键成为科学工作者的
研究热点。腙键在H+存在下可以发生水解反应，腙键交联水凝胶可通过肼化物与大分子醛
化物或小分子醛化物反应制得，在室温下即可快速反应成型，且水凝胶在酸性条件下可以
快速降解，适用于制备可降解的化学交联键水凝胶。利用腙键制备了具有可降解性的可注
射水凝胶，结果表明在酸性条件下水凝胶可快速降解，在人体pH值下又可较稳定的存在一
定时间，适于可注射水凝胶的交联成型。
发明内容
一种淀粉纳米粒子补强的醛肼交联型可注射PNIPAM水凝胶的制备方法，其特征在
于，将淀粉纳米粒子加入醛化多糖水溶液中配制成悬浮液；然后将等体积的肼化物水溶液
和所述淀粉纳米粒子与醛化多糖的悬浮液混合后挤出成型，得到所述淀粉纳米粒子补强的
醛肼交联型可注射PNIPAM水凝胶。
上述制备方法中，所述将醛化多糖水溶液中醛化多糖含量为7.5-11.0wt％，所述
淀粉纳米粒子与醛化多糖的悬浮液中淀粉纳米粒子的含量为1.5-4.0wt％。
上述制备方法中，所述肼化物水溶液是poly-(NIPAM-co-AA)-hdz聚合物水溶液，
含量为7.5-11.0wt％。
上述制备方法中，所述poly-(NIPAM-co-AA)-hdz聚合物的制备：以AIBN为引发剂，
以乙醇为溶剂，通过自由基聚合制备poly-(NIPAM-co-AA)共聚物，之后用ADH与poly-
(NIPAM-co-AA)共聚物中-COOH反应在侧链引入-NHNH2制备poly-(NIPAM-co-AA)-hdz聚合
物。
上述制备方法中，所述醛化多糖的制备：利用高碘酸钠对邻位羟基的氧化性将多
糖上的邻位羟基氧化成邻位醛基，制备醛化多糖。
上述制备方法中，所述多糖为糊精、羧甲基纤维素、羟甲基纤维素、羟丙基纤维素、
海藻酸盐或透明质酸中的一种或多种。
上述制备方法中，所述淀粉纳米粒子的制备：所述淀粉纳米粒子的制备：将甲苯、
氯仿和表面活性剂搅拌混合形成均匀油相；取淀粉水解液加入所述均匀油相中搅拌后加入
交联剂，继续搅拌反应；用乙醇破乳离心，洗涤后冷冻干燥得到白色粉末状固体淀粉纳米粒
子。
上述制备方法中，所述表面活性剂为Span 80。
上述制备方法中，甲苯、氯仿和Span 80的体积比为150：50：4。
上述制备方法中，所述交联剂为B(OH)3，用量为淀粉质量的0.05％。
本发明结合了纳米淀粉粒子(SNPs)的可降解性和补强性能，聚N-异丙基丙烯酰胺
(PNIPAM)的温敏性及醛化多糖这种天然大分子交联剂的无毒可降解性能。利用醛肼交联反
应在室温下可快速成型，并且形成的腙键在H+存在的情况下可水解特性，通过poly-
(NIPAM-co-AA)-hdz共聚物与醛化多糖之间的醛肼交联反应制备具有温敏性、解交联性、细
胞相容性、可原位反应的可注射水凝胶。针对目前普遍存在的水凝胶机械强度较低的缺点，
本发明利用无毒可降解的纳米淀粉粒子对水凝胶进行补强，使水凝胶的强度得到了明显的
提升，在生物医药领域如组织支架、药物缓释等方面具有良好的应用前景。
附图说明
图1为实施例1制备的poly-(NIPAM-co-AA)共聚物、醛化糊精和水凝胶的红外对比
谱图。
图2为实施例1制备的纳米淀粉粒子的扫描电镜和透射电镜图。(a)扫描电镜图；
(b)透射电镜图。
图3为实施例2制备的SNPs补强的水凝胶的扫描电镜图。
图4为实施例2制备的不同质量分数SNPs补强9.0wt％水凝胶的动态模量对比图。
图5为实施例5制备的1.5wt％SNPs补强9.0wt％水凝胶的药物缓释曲线图。
具体实施方式
本发明提供了一种淀粉纳米粒子(SNPs)补强的醛肼交联型可注射PNIPAM水凝胶，
所述水凝胶由poly(NIPAM-co-AA)-hdz共聚物和醛化多糖经醛肼交联反应制备，在室温下
可快速交联成型且生成的腙键易于水解，尤其在酸性条件下，其中，SNPs可均匀的分散于水
凝胶的三维网络结构中，对水凝胶具有明显的补强作用。所述SNPs补强的醛肼交联型水凝
胶具有优异的机械强度，良好的温敏性、解交联性能和细胞相容性，在生物医药方面具有良
好的应用前景。
本发明通过poly(NIPAM-co-AA)-hdz共聚物和醛化多糖经醛肼交联反应制备三维
网络结构的可注射水凝胶，该凝胶在室温下可快速成型，再以无毒可降解的纳米淀粉粒子
对水凝胶进行补强，得到机械强度高、细胞相容性好、性能优异的可注射PNIPAM水凝胶。
本发明所提供的醛肼交联型可注射水凝胶为同时时含有SNPs、poly-(NIPAM-co-
AA)-hdz共聚物和醛化多糖的可注射水凝胶，其中，SNPs平均粒径为50-100nm，基本形状为
球形，具有良好的降解性能和补强性能；Poly-(NIPAM-co-AA)-hdz共聚物为温敏性聚合物，
分子量约为15-20kg/mol，低于人体肾截留分子量(～40kg/mol)；醛化多糖为天然可降解大
分子交联剂。所述SNPs补强的可注射水凝胶具有较高的机械强度，良好的温敏性、解交联
性、生物相容性和室温下快速成型的特性。
本发明所述的一种淀粉纳米粒子补强的醛肼交联型可注射PNIPAM水凝胶的制备
方法：将醛化多糖配制成聚合物含量7.5-11.0wt％的聚合物水溶液，将SNPs加入醛化多糖
溶液中配制成SNPs含量为1.5-4.0wt％的悬浮液；将poly-(NIPAM-co-AA)-hdz共聚物配制
成聚合物含量7.5-11.0wt％的聚合物水溶液；然后将肼化物溶液和醛化多糖与SNPs的悬浮
液混合后挤出成型，即得SNPs补强的醛肼交联型可注射PNIPAM水凝胶。
前驱体的制备方法为：
(1)以AIBN为引发剂，以乙醇为溶剂，通过自由基聚合制备poly-(NIPAM-co-AA)共
聚物，之后用ADH与poly-(NIPAM-co-AA)共聚物中-COOH反应在侧链引入-NHNH2制备poly-
(NIPAM-co-AA)-hdz共聚物前驱体。
(2)利用高碘酸钠对邻位羟基的氧化性将多糖上的邻位羟基氧化成邻位醛基，制
备醛化多糖前驱体。所述的多糖为糊精、羧甲基纤维素、羟甲基纤维素、羟丙基纤维素、海藻
酸盐或透明质酸。
(3)SNPs的制备方法引用背景技术部分的参考文献[1]中的反相微乳液的方法，以
甲苯和氯仿为油相，10wt％淀粉水溶液为水相，转速1000r/min，温度为室温。本发明在交联
剂的选择上以无毒的B(OH)3代替文献中剧毒的POCl3作为交联剂，制备出适于生物医用的无
毒可降解的纳米淀粉粒子。
实施例1
(1)Poly(NIPAM-co-AA)共聚物的制备：通过自由基聚合合成NIPAM和AA的共聚物。
将反应物NIPAM(8.0g)、AA(2.0g)和引发剂AIBN(0.45g)加入到80mL无水乙醇中，通氮气2h，
在55±1℃的条件下反应12h。然后将反应产物用去离子水进行稀释，之后将稀释后的聚合
物溶液用12-14KDa MWCO透析膜循环透析六次，总时长不少于三天。将透析好的溶液进行冷
冻干燥。得到poly(NIPAM-co-AA)共聚物。GPC测定结果显示分子量为19100g/mol，分子量分
布为2.0。
(2)Poly(NIPAM-co-AA)-hdz共聚物的制备：通过把己二酸二酰肼(1.87g)加入到
0.65wt％/vol的poly(NIPAM-co-AA)共聚物水溶液中，加入1.0mol/L的HCl把溶液的pH调整
到4.75。之后把EDC偶联剂(1.04g)加入到该溶液中，通过逐滴滴加1.0mol/L的HCl到该溶液
中直至pH保持不变(约5h)，使其在搅拌的情况下反应12h。之后加入1.0M/L的NaOH使溶液的
pH升至7.0，然后用12-14KDa MWCO透析膜循环透析三天。冷冻干燥得到肼基化产物。电导滴
定显示肼基含量为39.81×10-4mol/g，肼基化率为98.90％。
(3)醛化多糖的制备：此反应过程用高碘酸钠作为氧化剂。把NaIO4(3.2g)加入到
含有6.0g糊精的300mL去离子水中，在室温下氧化反应2h。然后一次性加入1.6mL乙二醇终
止反应，再继续搅拌反应1h。反应完全后将溶液用3500MWCO透析膜在室温下循环透析三天。
之后将溶液进行冷冻干燥。电导滴定显示醛基含量为40.30×10-4mol/g，氧化度为
80.86％。
(4)SNPs的制备：将可溶性淀粉配制成10wt％的水溶液，沸水浴中加热溶解，室温
放置冷却。取150ml甲苯和50ml氯仿混合成油相，加入4ml的表面活性剂Span 80，以1000r/
min的速度搅拌均匀，形成均匀的油相。取10ml的淀粉水解液加入油相中搅拌20min使其分
散均匀。然后加入占淀粉质量0.05％的交联剂B(OH)3，继续搅拌反应40min。之后用乙醇破
乳离心，再用去离子水洗涤三次，冷冻干燥得到白色粉末状固体产物。其平均粒径为
56.44nm，粒径分布为0.259。
(5)SNPs补强7.5wt％水凝胶的制备：将醛化多糖配制成7.5wt％聚合物水溶液，将
SNPs加入醛化糊精溶液中配制成SNPs含量分别为0.5-4.0wt％的悬浮液，并且将poly-
(NIPAM-co-AA)-hdz共聚物配制成聚合物含量为7.5wt％聚合物水溶液；然后将等体积的肼
化物溶液和醛化糊精与SNPs的悬浮液混合后挤出成型，即得SNPs补强的7.5wt％醛肼交联
型可注射PNIPAM水凝胶。通过扫描电镜可以看出，经过超临界二氧化碳干燥后的水凝胶为
多孔状三维网络结构，经SNPs补强后的水凝胶淀粉纳米粒子均匀的分散在水凝胶网络结构
中。
实施例2
步骤(1)至(4)与实施例1相同；
(5)SNPs补强9.0wt％水凝胶的制备：将醛化糊精配制成9.0wt％聚合物水溶液，将
SNPs加入醛化糊精溶液中配制成SNPs含量分别为0.5-4.0wt％的悬浮液。将poly-(NIPAM-
co-AA)-hdz共聚物配制成聚合物含量为9.0wt％的聚合物水溶液。然后将等体积的肼化物
溶液和醛化糊精与SNPs的悬浮液混合后挤出成型，即得SNPs补强的9.0wt％醛肼交联型可
注射PNIPAM水凝胶。通过扫描电镜可以看出，经过超临界二氧化碳干燥后的水凝胶为多孔
状三维网络结构，平均孔径为38.40nm，且经SNPs补强后的水凝胶淀粉纳米粒子均匀的分散
在水凝胶网络结构中。
实施例3
步骤(1)至(4)与实施例1相同；
(5)SNPs补强11.0wt％水凝胶的制备：将醛化糊精配制成11.0wt％聚合物水溶液，
将SNPs加入醛化糊精溶液中配制成SNPs含量分别为0.5-4.0wt％的悬浮液。将poly-
(NIPAM-co-AA)-hdz共聚物配制成聚合物含量为11.0wt％的聚合物水溶液。然后将等体积
的肼化物溶液和醛化糊精与SNPs的悬浮液混合后挤出成型，即得SNPs补强的11.0wt％醛肼
交联型可注射PNIPAM水凝胶。通过扫描电镜可以看出，经过超临界二氧化碳干燥后的水凝
胶为多孔状三维网络结构，经SNPs补强后的水凝胶淀粉纳米粒子均匀的分散在水凝胶网络
结构中。
实施例4
步骤(1)至(4)与实施例1相同；
(5)SNPs补强7.5wt％载药水凝胶的制备：水凝胶所载药物为水溶性广谱抗癌药盐
酸阿霉素。将醛化糊精配制成7.5wt％聚合物水溶液，将SNPs加入醛化糊精溶液中配制成
SNPs含量为1.5wt％的悬浮液。将poly-(NIPAM-co-AA)-hdz共聚物配制成聚合物含量为
7.5wt％的聚合物水溶液，然后将药物溶于肼化物溶液中配制成药物含量分别为1.6-
4.0mg/mL的混合水溶液。然后将等体积的肼化物溶液和醛化糊精与SNPs的悬浮液混合后挤
出成型，即得SNPs补强的7.5wt％醛肼交联型可注射PNIPAM载药水凝胶。
实施例5
步骤(1)至(4)与实施例1相同；
(5)SNPs补强9.0wt％载药水凝胶的制备：水凝胶所载药物为水溶性广谱抗癌药盐
酸阿霉素。将醛化糊精配制成9.0wt％聚合物水溶液，将SNPs加入醛化糊精溶液中配制成
SNPs含量为1.5wt％的悬浮液。将poly-(NIPAM-co-AA)-hdz共聚物配制成聚合物含量为
9.0wt％的聚合物水溶液，然后将药物溶于肼化物溶液中配制成药物含量分别为1.6-
4.0mg/mL的混合水溶液。然后将等体积的肼化物溶液和醛化糊精与SNPs的悬浮液混合后挤
出成型，即得SNPs补强的9.0wt％醛肼交联型可注射PNIPAM载药水凝胶。药物缓释实验表明
该水凝胶表现出良好的药物缓释性能，前期表现出明显的药物突释，后期药物缓慢释放。释
药时间持续一个月左右，释药量高达98.0％以上。
本发明结合了纳米淀粉粒子的可降解和补强性能、PNIPAM的温敏性、醛化多糖的
天然大分子无毒可降解性、醛肼交联反应室温快速成型和生成腙键的水解性能。通过前驱
体溶液的醛肼交联反应在室温下可快速形成具有三维网状结构的可注射水凝胶，并用SNPs
对水凝胶进行补强，SNPs可均匀的分散在水凝胶的三维网络结构中。形成的水凝胶具有优
异的机械强度，良好的温敏性、解交联性和细胞相容性，在生物医药方面具有良好的应用前
景。
本发明可用其他的不违背本发明的精神或主要特征的具体形式来概述。本发明的
上述实施方案都只能认为是对本发明的说明而不能限制发明，权利要求书指出了本发明的
范围，而上述的说明并未指出本发明的范围，因此，在与本发明的权利要求书相当的含义和
范围内的任何变化，都应认为是包括在权利要求书的范围内。