[发明专利]一种酶促自由基聚合制备水凝胶的方法

说明书

技术领域

本发明涉及聚合物水凝胶领域，尤其是涉及一种酶促自由基聚合制备水凝胶的方法。

背景技术

水凝胶是一种能够吸收和保留大量水分(通常含水量大于70％)的三维网络材料，其网络骨架通常是天然或合成的聚合物分子链。因为与充盈大量水溶液的机体组织十分相似，水凝胶广泛应用于生物医药、生物技术和生物化学等领域，具体包括酶固定化载体、生物传感、创伤敷料、药物释放、组织工程(组织填充材料、关节软骨、细胞培养)等。

聚合物水凝胶的制备一般分为物理交联和化学交联两种。物理交联通过非共价键作用力如静电作用、氢键作用、疏水缔合作用等形成。化学交联常通过在聚合物水溶液中添加交联剂，如戊二醛、环氧氯丙烷、二异氰酸酯等，使聚合物分子链之间交联形成网络；或通过热引发、紫外光引发、γ射线辐照引发等手段，使含有不饱和双键的共聚单体溶液聚合形成化学交联的网络。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，而紫外光照射、γ射线辐照也可能导致被照射部位的细胞死亡(Biomaterials，2009，30，344-353)，这些缺点在很大程度上限制了用上述方法制备的化学交联水凝胶在生物医用领域的应用。

利用生物酶的优势(即温和反应条件、高度特异性转化)来制备聚合物水凝胶，对于需要苛刻反应条件的传统化学制备方法是一种环境友好的选择方案。酶催化不需使用化学交联剂或引发剂，得到的水凝胶生物材料具有优良的生物相容性(Biomaterials，2012，33，1281-1290)。辣根过氧化物酶(Horseradish peroxidase，EC1.11.1.7)在过氧化氢存在时，能有效催化含有酚羟基的生物大分子化合物之间的氧化交联形成三维聚合物网络，从而得到水凝胶，并在药物控释和细胞培养中得到应用(CN101439206A，US20120270810A1)。但是此类水凝胶的制备需要先用特定化学试剂(如酪胺、对羟基苯丙酸等)对生物大分子(如透明质酸、海藻酸盐、明胶等)进行化学修饰生成酚羟基，反应过程及产物提纯较为复杂；且所制备水凝胶一般力学强度较差，通常用作注射医用材料。

氧化还原酶(如过氧化物酶、漆酶等)可以催化电子转移反应产生自由基，在水溶液中引发烯类单体的聚合。利用酶促自由基聚合反应机理制备水凝胶能在水相实现，共聚单体选择范围较大，反应条件温和，操作简便，而且成胶时间快速可控。与酶促氧化交联方法不同，过氧化物酶介导的酶促自由基聚合方法可以用于制备高强度的纳米复合水凝胶，作为生物医用材料的应用前景更加宽阔。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种利用酶促自由基聚合反应机理引发烯类共聚单体聚合制备水凝胶的方法。该方法反应条件温和，操作简便，成胶时间快速可控，并可用于制备高强度的纳米复合水凝胶。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种酶促自由基聚合制备水凝胶的方法，利用过氧化物酶、β-二羰基化合物和过氧化氢配合作为酶促自由基引发体系，为聚合提供自由基，制备时将过氧化物酶、β-二羰基化合物与烯类单体的水溶液混合均匀，调节pH为5.5～9，然后向其中加入过氧化氢，在室温下反应20s～30min，即可产生自由基引发单体进行聚合形成三维聚合物网络，得到水凝胶。

所述的过氧化物酶为辣根过氧化物酶(HRP，300units/mg)。

所述的β-二羰基化合物为乙酰丙酮(ACAC)。

所述的烯类单体选自水溶性的丙烯酸酯衍生物、丙烯酰胺衍生物或N-乙烯基吡咯烷酮中的一种或几种。

所述的水溶性的丙烯酸酯衍生物为甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)、丙烯酸羟丙酯(HPA)或聚乙二醇甲基丙烯酸甲酯(PEGMA)，所述的丙烯酰胺衍生物为丙烯酰胺(AM)、N，N-二甲基丙烯酰胺(DMAA)或N-异丙基丙烯酰胺(NIPA)。

所述的过氧化氢和过氧化物酶的摩尔浓度比为180～3500，并同时满足的β-二羰基化合物和过氧化氢的摩尔浓度比不低于2.6，加入到反应体系中过氧化氢的最终摩尔浓度不低于400μM，烯类单体的加入量占反应原料总重量的5～20％。

反应物中还可以添加带有两个或者多个双键的水溶性化合物作为交联剂，包括N，N-亚甲基双丙烯酰胺(BIS)、聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)或乙烯基修饰的蛋白质。

所述的交联剂的用量占反应原料总重量的1～6％。