[发明专利]一种生物大分子水凝胶及其制备方法

说明书

技术领域

本发明是一种由酶催化和离子交联的高强度生物大分子水凝胶及其制备方法，涉及一种互穿网络生物大分子水凝胶及其制备方法，属于生物医用材料领域。 

背景技术

生物大分子水凝胶是一类主要由蛋白质和多糖分子等天然物质构成的能在水中溶胀并保持大量水分的三维交联网络。由于生物大分子水凝胶拥有丰富的水环境、良好的生物相容性、与生物组织结构相类似的粘弹性，并能为营养物质和生物活性物质的扩散提供良好的传输通道，其优异的吸水、保水及仿生特性使得生物大分子水凝胶被广泛应用于生物医用材料和组织工程，可作为组织填充材料、药物控释载体、人造皮肤、人工软骨、组织工程支架材料等。然而,水凝胶特别是生物大分子水凝胶的机械强度通常较低，使其在人造皮肤、人造软骨和组织工程支架材料等方面的实际应用受到严重制约。 

互穿网络水凝胶是由两种或两种以上聚合物通过物理或化学方式交联缠结而形成的一类独特的网络互穿聚合物。通过网络互穿的形式能使两种具有不同功能的聚合物形成稳定的结合，从而实现组分之间性能的互补；其界面互穿、双向连续等结构特征，又使得他们在性能或功能上产生特殊的协同作用。同嵌段共聚物相比，这些体系的相形态相对环境的变化比较稳定，因为它是通过交联作用而固定的。因此制备互穿网络是提高水凝胶强度的最有效方法之一。 

广泛用于合成生物大分子水凝胶的蛋白质和多糖物质包括胶原、明胶、纤维蛋白，和壳聚糖、透明质酸、海藻酸钠、肝素、硫酸软骨素等。常用的交联方式有物理交联，如疏水相互作用、氢键作用等；化学交联常使用交联剂聚合，如戊二醛、环氧氯丙烷、二异氰酸酯、碳化二亚胺等；或结合热引发、辐射引发手段使用化学引发剂，如偶氮二异丁腈等。然而，化学交联剂或引发剂在体系中的残留往往造成材料存在细胞毒性、生物相容性低的缺点，限制了其应用。 

明胶是用酸或碱处理胶原蛋白得到的变性产物，是多种氨基酸的缩聚物。明胶作为组织工程材料有很多优点，如明胶是一种非抗原天然大分子，生物相容性好，在体内可以完全吸收等。 

转谷氨酰胺酶是一类酰基转移酶，它催化蛋白质分子间或分子内形成共价键，使蛋白质、多肽分子内或分子之间发生交联反应。催化反应的酰基供体一般为蛋白质或多肽链上谷氨酰胺残基的γ-酰胺基，受体可以为蛋白质赖氨酸残基的ε-氨基，α-氨基，游离氨基酸的α-氨基、ε–氨基、伯氨或 H₂O。国内外许多研究人员都利用转谷氨酰胺酶交联改性明胶,提高明胶蛋白的强度和热稳定性,用于食品加工业（ JP04249954， JP08177514）、止血创伤敷料（  EP20070867783，CN200780051215.4,  JP01316647）、生物医用材料等。 

酶催化交联制备水凝胶材料是一种最新方法，因为采用酶催化交联，不使用化学交联剂，得到的水凝胶生物材料具有优异的生物相容性，但是通常得到的生物分子水凝胶强度非常差，通常只能作为注射材料。 

海藻酸盐是由褐藻中提取的一种天然线性多糖，是由β-D-甘露糖醛酸(M单元)和α-L-古洛糖醛酸(G单元)通过1，4-糖苷键连接，并由不同GG、GM或MM片段以一定比例构成的无规嵌段共聚物。二价阳离子如Ca²⁺、Ba²⁺、Sr²⁺极易与海藻酸古洛糖醛酸上的多个氧原子发生螯合作用，使得海藻酸链间紧密结合，协同作用增强，链链间的相互作用最终导致三维网络结构，即水凝胶的形成。该水凝胶生物相容性好，凝胶时间快。同济大学任天斌等人用钙离子交联含有羟基磷灰石的海藻酸钠，形成生物大分子水凝胶，用于药物控释可注射型支架材料（CN201010563043.2）。 

由化学交联剂制备的生物分子水凝胶对细胞或组织有潜在的毒性，而生物大分子水凝胶力学强度低，至今几乎没有生物大分子水凝胶能够承受高温蒸汽消毒。因此，有必要发明一种结构特殊的高强度的生物大分子水凝胶及其制备方法，不使用化学交联剂，无任何毒性，用作组织修复或组织工程支架，乃至可以采用高温蒸汽消毒。 

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种高强度生物大分子水凝胶及其制备方法，该水凝胶具有优异的力学性能、生物相容性。