一种基于P(MVE-alt-MA)pH敏感可注射自愈合水凝胶及其制备方法技术领域
本发明涉及高分子材料技术领域，特别涉及一种基于P(MVE-alt-MA)pH敏感可
注射自愈合水凝胶的制备方法。具体是应用P(MVE-alt-MA)-g-β-CD和P(MVE-alt-MA)
-g-Ad间包结络合作用形成可注射自愈合水凝胶。
背景技术
水凝胶(Hydrogel)是以水为分散介质的凝胶。智能型水凝胶是一类对
外界刺激能产生敏感响应的水凝胶,外界刺激可以是温度、pH值、盐浓度、
光、化学物质等。根据对外界刺激的响应情况,智能型水凝胶分为:温度响
应性水凝胶、pH-响应性水凝胶、光响应性水凝胶、压力响应性水凝胶、生
物分子响应性水凝胶、电场响应性水凝胶等。由于智能型水凝胶的独特响
应性,在化学转换器、记忆元件开关、传感器、人造肌肉、化学存储器、分
子分离体系、活性酶的固定、组织工程、药物载体等方面具有很好的应用
前景。其中pH-响应性水凝胶是一类pH值、离子强度变化作用下水凝胶体
积变化形成的高分子凝胶。当外界环境pH变化时，凝胶内的酸、碱基团会
出现一定程度的解离，使内外离子浓度改变，破坏凝胶内氢键、凝胶网络
的交联点，进而造成凝胶网络结构和溶胀度的变化。这也是pH值敏感性水
凝胶调节凝胶内药物的扩散、释放速率的根本性质。可注射水凝胶是一类
可通过注射器将前驱体溶液(由形成水凝胶的成分构成的水溶液)注射到达
靶标位点后,并原位发生溶液向凝胶转变的一类智能水凝胶材料。因其具有
能以微创介入方式注入体内的可注射性、填充复杂形状的病灶部位或修复、
连接组织的形状自适应性等特性,不仅避免了临床手术带来的一系列问题,
而且适用于在较为复杂的结构、精细的组织部位(血管、神经)操作。
环糊精(Cyclodextrin,简称CD),是淀粉经葡萄糖基转移酶发酵后得到的
由D-吡喃葡萄糖单元通过α-l,4糖苷键首位连接而成的大环化合物。CD最
主要的性质就是依据空腔的大小,利用疏水作用力,氢键和范德华力等,可同
多种无机和有机客体分子以及聚合物大分子形成主-客体包结络合物。环糊
精与客体分子的“锁-钥匙”包合作用,是一种纯粹的分子间非共价键作用
力,利用这一超分子作用力可以构筑大分子网络体系。在客体分子中，金刚
烷衍生物在医药产业与生物医学研究方面具有广泛的应用价值。金刚烷与
环糊精之间的络合常数达1×104M-1～1×105M-1，由于这种高度的亲和性，
可被用于构筑各种超分子体系。基于环糊精包合作用的超分子水凝胶研究
中，其中接枝型环糊精聚合物为主体与金刚烷改性聚合物为客体组装制备
自愈合水凝胶的报道自2013年日本Harada课题组首先报道。自此以来制
备此类接枝型自愈合水凝胶中，环糊精，金刚烷修饰的聚合物有聚丙烯酸、
可德胶及透明质酸等。尚未见环糊精与金刚烷分别接枝聚甲基乙烯基醚共
聚马来酸(P(MVE-alt-MA))制备自愈合水凝胶的报道。现有接枝型自愈合
水凝胶的合成步骤复杂，且常需要引入引发剂或借助磁力作用等条件，主、
客体主链多为不同种类聚合物，不易通过调节主—客体比例调节水凝胶的
交联度，从而阻碍产业化发展。另一方面，自愈合水凝胶的生物相容性是
很少被考虑到，这将限制了此类水凝胶在生物医药等领域的应用。再者，
应用于生物医学的可注射水凝胶还需要满足该可注射水凝胶的前驱体溶液
需要具有在靶标位点快速成型固化的能力且具有一定机械强度。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于P(MVE-alt-MA)pH敏感可注射自愈合水凝胶及其
制备方法，以解决现有技术中自愈合水凝胶合成步骤复杂，不易调节主、客体比
例调节水凝胶的交联度，生物相容性差等缺陷。
本发明的技术方案：一种基于P(MVE-alt-MA)pH敏感可注射自愈合水凝胶，为
3D网状结构，由接枝聚合物P(MVE-alt-MA)-g-β-CD和接枝聚合物P
(MVE-alt-MA)-g-Ad按质量比1:3～3:1混合组装得到；所述接枝聚合物P
(MVE-alt-MA)-g-β-CD是以EDC/NHS为催化剂，将6-乙二胺-β-环糊精
和P(MVE-alt-MA)进行接枝反应得到；所述P(MVE-alt-MA)-g-Ad是
以EDC/NHS为催化剂，将盐酸金刚乙胺和P(MVE-alt-MA)进行接枝反
应得到。
制备所述的基于P(MVE-alt-MA)pH敏感可注射自愈合水凝胶的方法，包括如下
步骤：
步骤一、制备接枝聚合物P(MVE-alt-MA)-g-β-CD：P(MVE-alt-MA)的
N,N-二甲基甲酰胺溶液中加入EDC/NHS,室温黑暗条件下搅拌均匀,再逐滴加入6-乙
二胺-β-环糊精的N,N-二甲基甲酰胺溶液，在N2氛围及25℃～60℃条件下
搅拌反应，结束后旋转蒸发除去溶剂后，溶于水，透析3天～7天，冻干，
得到接枝聚合物P(MVE-alt-MA)-g-β-CD；
步骤二、制备接枝聚合物P(MVE-alt-MA)-g-Ad：P(MVE-alt-MA)
的N,N-二甲基甲酰胺溶液中加入EDC/NHS,室温黑暗条件下搅拌均匀,再
逐滴加入盐酸金刚乙胺的N,N-二甲基甲酰胺溶液，在25℃～60℃条件下搅
拌反应，结束后旋转蒸发除去溶剂后，溶于水，透析3天～7天，得到接枝
聚合物P(MVE-alt-MA)-g-Ad；
步骤三、37℃条件下，将P(MVE-alt-MA)-g-β-CD和P(MVE-alt-MA)
-g-Ad分别配制成磷酸盐缓冲溶液，按P(MVE-alt-MA)-g-β-CD和P
(MVE-alt-MA)-g-Ad质量比为1:3～3:1混合，在pH为2～8条件下组装，
得到所述基于P(MVE-alt-MA)pH敏感可注射自愈合水凝胶。
步骤一所述6-乙二胺-β-环糊精的N,N-二甲基甲酰胺溶液和P
(MVE-alt-MA)的N,N-二甲基甲酰胺溶液的浓度为0.02g/ml～0.1g/ml；步骤
二所述P(MVE-alt-MA)的N,N-二甲基甲酰胺溶液和盐酸金刚乙胺的N,N-二
甲基甲酰胺溶液的浓度为0.02g/ml～0.1g/ml。
步骤一和步骤二所述聚甲基乙烯基醚共聚马来酸的数均分子量为
80000～311000。
步骤三P(MVE-alt-MA)-g-β-CD磷酸盐缓冲溶液和P(MVE-alt-MA)
-g-Ad磷酸盐缓冲溶液的浓度为0.05g/mL～0.15g/mL。
步骤一中聚甲基乙烯基醚共聚马来酸中的酸酐单元和β-环糊精的摩尔比为20～
5:1；EDC和NHS的摩尔比为0.5:1～1:1.5；EDC/NHS和聚甲基乙烯基醚共聚马来酸的
摩尔比为1:50～2。
步骤二中，聚甲基乙烯基醚共聚马来酸中的酸酐单元和盐酸金刚乙胺的摩尔比为
10:1～2:1；EDC和NHS的摩尔比为0.5:1～1:1.5；EDC/NHS和聚甲基乙烯基醚共聚马来
酸的摩尔比为1:50～2。
步骤一和步骤二的反应时间均为8h～36h。
有益效果：
1、本发明原料廉价，合成路线简单，周期短，无污染，适用于大规模
生产。
2、在以往自愈合水凝胶的合成中，主、客体主链多为不同种类聚合物，
而本发明用的是单一组分P(MVE-alt-MA)，易于通过调节主—客体比例调
节水凝胶的交联度，更易于产业化。其机械性能可通过pH值调节，使其适
应更广泛的生物医学应用。
3、本发明将β-CD、Ad分别改性P(MVE-alt-MA)得到接枝型聚合物
主、客体，可在生理环境下成胶、自愈合的特点。可应用于药物控释及细
胞3D培养载体。
4、本发明解决现有传统注射水凝胶中存在的问题(如传统水凝胶前驱
体溶液细胞毒性的可能，生物相容性差，无法于靶标位点快速成型固化等)。
借鉴可注射凝胶的概念,将自愈合水凝胶放入注射器中,通过在靶标位点注
射时产生的剪切应力,将自愈合水凝胶注入靶标部位,这些注射后形成的水
凝胶碎片在靶标部位聚集后,自我修复成为整体水凝胶,填充到整个靶标部
位，可更好地控制其在体内的固定位置，实现水凝胶高效智能化作用。
附图说明
图1是实施例2获得的基于P(MVE-alt-MA)pH敏感可注射自愈合水
凝胶的扫描电镜图。
图2是本实施例制备的基于P(MVE-alt-MA)pH敏感可注射自愈合
水凝胶在不同pH值条件下储能模量和损耗模量随频率变化的流变测试图。
图3是本实施例制备的基于P(MVE-alt-MA)pH敏感可注射自愈合
水凝胶从0.1％到100％的应变扫描，然后回到1％应变扫描，频率为10弧度
/秒条件下储能模量和损耗模量随时间变化的流变测试图。
具体实施方式
P(MVE-alt-MA)是对人体和动物无毒无害的高分子材料,具有良好亲
水性、化学稳定性、生物相容性、生物黏附性的多元羧酸聚合物而被广泛
应用于生物技术、药理学及保健应用。如作为稳定剂，增塑剂，粘合剂和
缓释剂等。P(MVE-alt-MA)的微阵列结构能够支持人多能干细胞
(hPSCs)(HUES1，HUES9和iPSCs)的黏附，增殖和自我更新。在P
(MVE-alt-MA)上培养的人多能干细胞hPSCs能维持其特征形貌，表达了
高水平多能性标记物和保持正常的染色质组型。基于该聚合物良好的生物
相容性，本发明将环糊精、盐酸金刚乙胺分别修饰P(MVE-alt-MA)，且组
装成pH敏感可注射自愈合水凝胶。可应用于药物控释及细胞3D培养载体。
本发明基于P(MVE-alt-MA)pH敏感可注射自愈合水凝胶，由接枝聚合物P
(MVE-alt-MA)-g-β-CD和接枝聚合物P(MVE-alt-MA)-g-Ad按质量比
1:3～3:1混合组装得到。所述接枝聚合物P(MVE-alt-MA)-g-β-CD是以1-
(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺(EDC)/N-羟基丁二酰亚胺(NHS)为
催化剂，将6-乙二胺-β-环糊精(β-CD)和聚甲基乙烯基醚共聚马来酸[P
(MVE-alt-MA)]进行接枝反应得到；所述P(MVE-alt-MA)-g-Ad是以
EDC/NHS为催化剂，将盐酸金刚乙胺(Ad)和P(MVE-alt-MA)进行接枝反
应得到。
上述基于P(MVE-alt-MA)pH敏感可注射自愈合水凝胶的制备方法，包括如下
步骤：
步骤一、配制浓度为0.02g/ml～0.1g/mlP(MVE-alt-MA)的N,N-二甲基甲酰胺溶液，
加入EDC/NHS,室温黑暗条件下搅拌2h,再逐滴加入0.02g/ml～0.1g/ml6-乙二胺-
β-环糊精的N,N-二甲基甲酰胺溶液，在N2氛围及25℃～60℃条件下以
600rpm～1700rpm搅拌8h～36h，旋转蒸发除去溶剂后，溶于水，透析3天～
7天，冻干，得到接枝聚合物P(MVE-alt-MA)-g-β-CD；其中，P(MVE-alt-MA)
的数均分子量为80000～311000,聚甲基乙烯基醚共聚马来酸中的羧酸单元
和β-环糊精的摩尔比为20:1～5:1；EDC和NHS的摩尔比为0.5:1～1:1.5；
EDC/NHS(以少量成分计)和聚甲基乙烯基醚共聚马来酸的摩尔比为
1:50～1:2；
步骤二、配制浓度为0.02g/ml～0.1g/mlP(MVE-alt-MA)的N,N-二甲
基甲酰胺溶液，加入EDC/NHS,室温黑暗条件下搅拌2h,再逐滴加入浓度
为0.02g/ml～0.1g/ml盐酸金刚乙胺的N,N-二甲基甲酰胺溶液，在25℃～
60℃条件下以600rpm～1700rpm搅拌8h～36h，旋转蒸发除去溶剂后，溶于
水，透析3天～7天，得到接枝聚合物P(MVE-alt-MA)-g-Ad；其中，P
(MVE-alt-MA)的数均分子量为80000～311000，聚甲基乙烯基醚共聚马来
酸中的羧酸单元和盐酸金刚乙胺的摩尔比为10:1～2:1；EDC和NHS的摩尔
比为0.5:1～1:1.5；EDC/NHS(以少量成分计)和聚甲基乙烯基醚共聚马来
酸的摩尔比为1:50～1:2；
步骤三、37℃条件下，将P(MVE-alt-MA)-g-β-CD和P(MVE-alt-MA)
-g-Ad分别配制成浓度为0.05g/mL～0.15g/mL磷酸盐缓冲溶液，按P
(MVE-alt-MA)-g-β-CD和P(MVE-alt-MA)-g-Ad质量比为1:3～3:1混合，
在pH为2～8条件下组装，得到所述基于P(MVE-alt-MA)pH敏感可注射自
愈合水凝胶。
以下实例所采用的原料来源说明：聚甲基乙烯基醚马来酸共聚物(P
(MVE-alt-MA))购自百灵威科技有限公司；盐酸金刚乙胺(Ad)购自阿拉丁试剂
(上海)有限公司；β-CD，DMF，DCC均购自国药集团化学试剂有限公司。
6-乙二胺-β-CD被制备参考文献(Y.Y.Liu,X.D.Fan,L.Gao,Synthesisand
Characterizationofβ-CyclodextrinBasedFunctionalMonomersandits
CopolymerswithN-isopropylacrylamideMacromol.Biosci.2003,3,715–719)
实施例1
(1)、P(MVE-alt-MA)-g-β-CD的合成
将P(MVE-alt-MA)(0.78g,0.005mol)溶于20mL干燥DMF中，加入
适量的EDC/NHS(11μLEDC和8mgNHS,摩尔比1:1.2)，室温黑暗条件下搅
拌2h,逐滴加入溶有β-CD(1.135g,0.001mol)的DMF溶液，在N2氛围
及60℃条件下以600rpm搅拌12h，旋转蒸发除去溶剂后，溶于适量的水，
透析3天，冻干，得到接枝聚合物P(MVE-alt-MA)-g-β-CD。β-CD的DMF
溶液浓度为0.06g/ml，P(MVE-alt-MA)的DMF溶液浓度为0.05g/ml。P
(MVE-alt-MA)的羧酸单元和β-CD摩尔比为5:1。
(2)、P(MVE-alt-MA)-g-Ad的合成
将P(MVE-alt-MA)(1.56g,0.01mol)溶于20mL干燥DMF中，加入适
量的EDC/NHS(11μLEDC和8mgNHS,摩尔比1:1.2),逐滴加入溶有
Ad(0.135g,0.001mol)的DMF溶液，在80℃条件下，以600rpm搅拌反应36h，
旋转蒸发除去溶剂，样品溶于水，透析3天，得到接枝聚合物P(MVE-alt-MA)
-g-Ad。P(MVE-alt-MA)的DMF溶液浓度为0.08g/ml，Ad的DMF溶液
浓度为0.06g/ml。P(MVE-alt-MA)的羧酸单元和Ad摩尔比为10:1。
(3)、水凝胶的组装
在37℃条件下，分别将P(MVE-alt-MA)-g-β-CD，P(MVE-alt-MA)
-g-Ad配置0.09mg/mL的磷酸盐缓冲溶液,按P(MVE-alt-MA)-g-β-CD和P
(MVE-alt-MA)-g-Ad质量比为1:3混合，在pH＝2.0条件下组装得到基于P
(MVE-alt-MA)pH敏感可注射自愈合水凝胶。
通过用注射器将两块制备得到的P(MVE-alt-MA)-g-β-CD/P
(MVE-alt-MA)-g-Ad水凝胶注入小烧杯中,混匀压实,3小时后,小烧杯中的
凝胶碎片重新愈合成为一块完整的水凝胶整体,并且具有一定的机械强度,
证实该种水凝胶具有良好的自愈合性能。
实施例2
(1)、P(MVE-alt-MA)-g-β-CD的合成
将P(MVE-alt-MA)(1.56g,0.01mol)溶于20mL干燥DMF中，加入适
量的EDC/NHS(11μLEDC和8mgNHS,摩尔比1:1.2)，室温黑暗条件下搅
拌2h,逐滴加入溶有β-CD(1.135g,0.001mol)的DMF溶液，在N2氛围及
40℃条件下以1000rpm搅拌8h，旋转蒸发除去溶剂后，溶于适量的水，透
析7天，冻干，得到接枝聚合物P(MVE-alt-MA)-g-β-CD。β-CD的DMF
溶液浓度为0.06g/ml，P(MVE-alt-MA)的DMF溶液浓度为0.05g/ml。P
(MVE-alt-MA)的羧酸单元和β-CD摩尔比为10:1。
(2)、P(MVE-alt-MA)-g-Ad的合成
将P(MVE-alt-MA)(1.56g,0.01mol)溶于20mL干燥DMF中，加入适
量的EDC/NHS(11μLEDC和8mgNHS,摩尔比1:1.2),逐滴加入溶有
Ad(0.27g,0.002mol)的DMF溶液，在40℃条件下，以1000rpm搅拌反应24h，
旋转蒸发除去溶剂，样品溶于水，透析7天，得到接枝聚合物P(MVE-alt-MA)
-g-Ad。P(MVE-alt-MA)的DMF溶液浓度为0.08g/ml，Ad的DMF溶液
浓度为0.06g/ml。P(MVE-alt-MA)的羧酸单元和Ad摩尔比为5:1。
(3)、水凝胶的组装
在37℃条件下，分别将P(MVE-alt-MA)-g-β-CD，P(MVE-alt-MA)
-g-Ad配置0.09mg/mL的磷酸盐缓冲溶液,按P(MVE-alt-MA)-g-β-CD和P
(MVE-alt-MA)-g-Ad质量比为1:1混合，在pH＝6.0条件下组装得到基于P
(MVE-alt-MA)pH敏感可注射自愈合水凝胶。
通过用注射器将两块制备得到的P(MVE-alt-MA)-g-β-CD/P
(MVE-alt-MA)-g-Ad水凝胶注入小烧杯中,混匀压实,3小时后,小烧杯中的
凝胶碎片重新愈合成为一块完整的水凝胶整体,并且具有一定的机械强度,
证实该种水凝胶具有良好的自愈合性能。
图1是本实施例制备的基于P(MVE-alt-MA)pH敏感可注射自愈合水
凝胶的扫描电镜图，该水凝胶内部结构为连续的网络结构，此种结构使得
水凝胶具有较大的比表面积。图2是本实施例制备的基于P(MVE-alt-MA)
pH敏感可注射自愈合水凝胶在不同pH值条件下储能模量和损耗模量随频
率变化的流变测试图，该测试结果表明水凝胶的机械性能可随pH值变化而
不同，及其机械性能可通过pH值调节。图3是本实施例制备的基于P
(MVE-alt-MA)pH敏感可注射自愈合水凝胶从0.1％到100％的应变扫描，
然后回到1％应变扫描，频率为10弧度/秒条件下储能模量和损耗模量随时
间变化的流变测试图，该测试结果表明水凝胶在受应力破坏后可具自愈合
性能。
实施例3
(1)P(MVE-alt-MA)-g-β-CD的合成
将P(MVE-alt-MA)(3.12g,0.02mol)溶于20mL干燥DMF中，加入适
量的EDC/NHS(11μLEDC和8mgNHS,摩尔比1:1.2)，室温黑暗条件下搅
拌2h,逐滴加入溶有β-CD(1.135g,0.001mol)的DMF溶液，在N2氛围及
25℃条件下以1700rpm搅拌8h，旋转蒸发除去溶剂后，溶于适量的水，透
析7天，冻干，得到接枝聚合物P(MVE-alt-MA)-g-β-CD。β-CD的DMF
溶液浓度为0.06g/ml，P(MVE-alt-MA)的DMF溶液浓度为0.05g/ml。P
(MVE-alt-MA)的羧酸单元和β-CD摩尔比为20:1。
(2)P(MVE-alt-MA)-g-Ad的合成
将P(MVE-alt-MA)(1.56g,0.01mol)溶于20mL干燥DMF中，加入适
量的EDC/NHS(11μLEDC和8mgNHS,摩尔比1:1.2),逐滴加入溶有
Ad(0.675g,0.005mol)的DMF溶液，在25℃条件下，以1700rpm搅拌反应
12h，旋转蒸发除去溶剂，样品溶于水，透析7天，得到接枝聚合物P
(MVE-alt-MA)-g-Ad。P(MVE-alt-MA)的DMF溶液浓度为0.08g/ml，
Ad的DMF溶液浓度为0.06g/ml。P(MVE-alt-MA)的羧酸单元和Ad摩
尔比为2:1。
(3)水凝胶的组装
在37℃条件下，分别将P(MVE-alt-MA)-g-β-CD，P(MVE-alt-MA)
-g-Ad配置0.09mg/mL的磷酸盐缓冲溶液,按P(MVE-alt-MA)-g-β-CD和P
(MVE-alt-MA)-g-Ad质量比3:1混合，在pH＝8.0条件下组装得到基于P
(MVE-alt-MA)pH敏感可注射自愈合水凝胶。
通过用注射器将两块制备得到的P(MVE-alt-MA)-g-β-CD/P
(MVE-alt-MA)-g-Ad水凝胶注入小烧杯中,混匀压实,3小时后,小烧杯中的
凝胶碎片重新愈合成为一块完整的水凝胶整体,并且具有一定的机械强度,
证实该种水凝胶具有良好的自愈合性能。