一种水凝胶粘合剂及其应用的制作方法

本发明涉及生物医学材料，尤其涉及一种水凝胶粘合剂及其应用。

背景技术：

1、角膜的损伤会影响视力，目前为止，修复角膜伤口的方法主要依赖于角膜缝合，但其具有一定的局限性。例如，角膜缝合具有一定的手术难度，并且可能会产生炎症、感染、角膜新生血管等缝线相关并发症。因此，在修复角膜伤口时，生物医用粘合剂成为了一种有潜力的缝线替代品。

2、目前，在眼科中应用最为广泛的商用粘合剂是氰基丙烯酸酯和聚乙二醇(peg)基粘合剂。氰基丙烯酸酯粘合剂具有快速固化、机械强度及粘附强度高等优点。然而，其具有细胞毒性，并且透明度较差。聚乙二醇基粘合剂主要通过n-羟基琥珀酰亚胺(nhs)酯使组织粘合。是唯一的一种美国食品药品监督管理局(food and drugadministration，fda)批准的用于白内障手术后密封透明角膜切口的密封剂。然而，其粘合强度较低，降解速度快，并不适用于复杂或者大的角膜裂伤。

3、为了改善合成材料造成的生物相容性差等缺陷，近年来，一些基于天然衍生材料的水凝胶被用于修复角膜伤口，包括明胶、壳聚糖、透明质酸等。如cn105536037a公开了一种抗菌医用粘合剂及其制备方法，按重量份计，包括如下组分：甲基丙烯酸羟丙酯5-10份，甲基丙烯酸叔丁酯5-10份，丙烯酸异丙酯3-5份，丙烯酸异丁酯3-5份，明胶10-20份，甘油10-15份，脱脂蚕蛹粉2-5份，纤维蛋白胶10-15份，海藻酸钠5-10份，l-谷氨酸2-5份以及去离子水20-50份，对生物体组织刺激小，不添加有害试剂，适合用于外科手术中，尤其是适合软组织的粘合。

4、shirzaei等人通过将明胶改性形成甲基丙烯酰化明胶(gelma)，设计了一种光固化水凝胶gelcore，用于修复角膜基质缺损，gelcore的物理性质可以通过改变预聚物浓度和光交联时间进行微调，其原位光聚合有助于轻松输送到角膜，从而可以根据缺陷所需的几何形状精确地进行生物粘合剂固化(sutureless repair of corneal injuries usingnaturally derived bioadhesive hydrogels，shirzaei s e等，《science advances》，第5卷，第eaav1281页)。然而，单一组分的水凝胶力学强度及粘合强度有所欠缺，且无法很好地模拟角膜体内环境。

5、因此，开发一种既能满足力学需求与粘合强度，又具有较好的生物相容性，且透光度、溶胀率适宜的角膜水凝胶粘合剂具有重要的意义及很大的应用前景。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种水凝胶粘合剂及其应用，所述水凝胶粘合剂包括甲基丙烯酰化明胶(gelma)、甲基丙烯酰化海藻酸钠(algma)和ⅰ型胶原蛋白纳米纤维，主要组分为天然衍生材料，具有良好的生物相容性，有利于细胞黏附生长；将其进行光交联和离子交联，能够得到具有能量耗散的双交联网络的固化水凝胶粘合剂，进一步提高了水凝胶的韧性及机械性能，且具有合适的溶胀率和透光率，满足角膜修复的临床需求。

2、为达此目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种水凝胶粘合剂，所述水凝胶粘合剂包括甲基丙烯酰化明胶、甲基丙烯酰化海藻酸钠、ⅰ型胶原蛋白纳米纤维和水的组合。

4、本发明提供的水凝胶粘合剂中，gelma是一种明胶经甲基丙烯酰化改性后的生物材料，具有良好的机械性能和生物相容性；algma是通过在海藻酸钠分子链上引入甲基丙烯基团生成的生物材料，其在保留了海藻酸钠高生物相容性的优势上进一步增强了其力学性能和粘附性能，可通过光交联和离子交联。将上述两种成分混合制成水凝胶，利用甲基丙烯基团与组织上的氨基以及水凝胶与组织形成的氢键增强粘附性能；同时，水凝胶中存在的烯基与海藻酸钠能够通过光交联和离子交联进行固化，得到能量耗散的双交联网络，提高了水凝胶的韧性及机械性能。ⅰ型胶原蛋白具有促进伤口愈合的作用，将ⅰ型胶原蛋白制成纳米纤维填充进水凝胶中形成纳米纤维复合水凝胶，有利于模拟细胞外基质中的纤维结构，进一步提升水凝胶粘合剂的力学性能和生物相容性。

5、优选地，所述水凝胶粘合剂中甲基丙烯酰化明胶的浓度为50-300mg/ml，例如可以为60mg/ml、70mg/ml、80mg/ml、90mg/ml、100mg/ml、120mg/ml、150mg/ml、180mg/ml、200mg/ml、220mg/ml、250mg/ml、280mg/ml等，进一步优选为100-150mg/ml，更进一步优选为150mg/ml。

6、优选地，所述甲基丙烯酰化明胶的氨基取代度为75-95％，例如可以为78％、80％、82％、85％、88％、90％、92％等。

7、本发明中氨基取代度指明胶中经甲基丙烯酰化改性的氨基与原始氨基总量的比例。

8、优选地，所述水凝胶粘合剂中甲基丙烯酰化海藻酸钠的浓度为5-50mg/ml，例如可以为6mg/ml、8mg/ml、10mg/ml、12mg/ml、15mg/ml、20mg/ml、25mg/ml、30mg/ml、35mg/ml、40mg/ml、45mg/ml等，进一步优选为10-20mg/ml，更进一步优选为10mg/ml。

9、优选地，所述甲基丙烯酰化海藻酸钠的分子量为250-350kda，例如可以为260kda、270kda、280kda、290kda、300kda、310kda、320kda、330kda、340kda等。

10、优选地，所述水凝胶粘合剂中ⅰ型胶原蛋白纳米纤维的浓度为1-100mg/ml，例如可以为5mg/ml、10mg/ml、20mg/ml、30mg/ml、40mg/ml、50mg/ml、60mg/ml、70mg/ml、80mg/ml、90mg/ml等，进一步优选为10-40mg/ml，更进一步优选为20mg/ml。

11、优选地，所述ⅰ型胶原蛋白纳米纤维中ⅰ型胶原蛋白的含量为1-20wt％，例如可以为2wt％、5wt％、8wt％、10wt％、12wt％、15wt％、18wt％等。

12、优选地，所述ⅰ型胶原蛋白纳米纤维的直径为100-300nm，例如可以为120nm、140nm、160nm、180nm、200nm、220nm、240nm、260nm、280nm等。

13、优选地，所述ⅰ型胶原蛋白纳米纤维采用静电纺丝法制备得到。

14、优选地，所述静电纺丝法的原料液包括ⅰ型胶原蛋白与有机溶剂。

15、优选地，所述有机溶剂包括六氟异丙醇(hfip)。

16、优选地，所述原料液中ⅰ型胶原蛋白的浓度为10-200mg/ml，例如可以为20mg/ml、50mg/ml、100mg/ml、120mg/ml、150mg/ml、180mg/ml等。

17、本发明所述原料液中ⅰ型胶原蛋白可通过直接添加ⅰ型胶原蛋白得到，也可以通过添加含ⅰ型胶原蛋白的物质(如脱细胞角膜基质)得到。

18、优选地，所述静电纺丝的针头内径为0.5-1mm，例如可以为0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm等。

19、优选地，所述静电纺丝的接受距离为10-30cm，例如可以为12cm、15cm、18cm、20cm、22cm、25cm、28cm等。

20、优选地，所述静电纺丝的电压差为10-30kv，12kv、15kv、18kv、20kv、22kv、25kv、28kv等。

21、优选地，所述静电纺丝的推进速度为1-5ml/h，例如可以为1.5ml/h、2ml/h、2.5ml/h、3ml/h、3.5ml/h、4ml/h、4.5ml/h等。

22、优选地，所述静电纺丝的温度为15-30℃，例如可以为18℃、20℃、22℃、25℃、28℃等。

23、优选地，所述水凝胶粘合剂还包括光引发剂。

24、优选地，所述光引发剂包括酰基磷氧化物和/或烷基苯酮类光引发剂。

25、优选地，所述酰基磷氧化物包括苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐(lap)。

26、优选地，所述烷基苯酮类光引发剂包括2-羟基-4’-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮。

27、优选地，所述水凝胶粘合剂中光引发剂浓度为1-10mg/ml，例如可以为2mg/ml、3mg/ml、4mg/ml、5mg/ml、6mg/ml、7mg/ml、8mg/ml、9mg/ml等。

28、优选地，所述水凝胶粘合剂还包括缓冲盐。

29、优选地，所述缓冲盐包括磷酸盐，例如可以为na2hpo4、k2hpo4、nah2po4、kh2po4中至少两种的组合。

30、优选地，所述水凝胶粘合剂中缓冲盐的浓度为0.005-0.05mol/l，例如可以为0.006mol/l、0.008mol/l、0.01mol/l、0.02mol/l、0.03mol/l、0.04mol/l等。

31、本发明提供的水凝胶粘合剂通过如下方法制备得到：

32、将所述甲基丙烯酰化明胶、甲基丙烯酰化海藻酸钠、ⅰ型胶原蛋白纳米纤维与水混合得到所述水凝胶粘合剂。

33、优选地，所述混合的物料还包括光引发剂和/或缓冲盐；

34、优选地，所述水凝胶粘合剂的制备方法包括如下步骤：

35、将缓冲盐与水配置成缓冲溶液，将光引发剂与所述缓冲溶液混合，之后依次加入所述ⅰ型胶原蛋白纳米纤维、甲基丙烯酰化海藻酸钠与甲基丙烯酰化明胶分别分散均匀，得到所述水凝胶粘合剂。

36、优选地，所述缓冲溶液为pbs缓冲液。

37、优选地，所述混合与分散均匀在避光条件下进行。

38、优选地，所述混合的温度为15-30℃，例如可以为18℃、20℃、22℃、25℃、28℃等。

39、优选地，加入所述ⅰ型胶原蛋白纳米纤维的温度为15-30℃，例如可以为18℃、20℃、22℃、25℃、28℃等。

40、优选地，加入所述甲基丙烯酰化海藻酸钠的温度为15-30℃，例如可以为18℃、20℃、22℃、25℃、28℃等。

41、优选地，加入所述甲基丙烯酰化明胶的温度为40-60℃，例如可以为42℃、45℃、48℃、50℃、52℃、55℃、58℃等。

42、第二方面，本发明提供了一种双组分粘合剂，所述双组分粘合剂包括a组分和b组分；

43、所述a组分包括根据第一方面所述水凝胶粘合剂；

44、所述b组分包括二价金属阳离子溶液。

45、优选地，所述二价金属阳离子包括ca2+、ba2+、cu2+、cd2+或sr2+中的任意一种或至少两种的组合，优选为ca2+。

46、优选地，所述二价金属阳离子溶液包括氯化钙。

47、优选地，所述二价金属阳离子溶液中氯化钙的浓度为10-50mg/ml，例如可以为15mg/ml、20mg/ml、25mg/ml、30mg/ml、35mg/ml、40mg/ml、45mg/ml等。

48、优选地，所述a组分和b组分的体积比为(30-50)：1，例如可以为32:1、35：1、38:1、40：1、42：1、45：1、48:1等。

49、本发明提供的双组分粘合剂中a组分包括第一方面所述水凝胶粘合剂，流动性良好，易于操作，可控性强，所需固化时间短；应用时先自身光照进行光交联，再与b组分混合进行离子交联，形成双重网络结构，兼具优异的生物相容性与力学性能，可替代手术缝线闭合角膜伤口。

50、第三方面，本发明提供了一种固化水凝胶粘合剂，所述固化水凝胶粘合剂由第一方面所述水凝胶粘合剂或第二方面所述双组分粘合剂固化得到。

51、优选地，所述固化包括光交联与离子交联。

52、本发明提供的水凝胶粘合剂通过光交联与离子交联形成双网络水凝胶结构，其中填充了ⅰ型胶原纳米纤维形成纳米纤维复合水凝胶，具有良好的力学强度和粘合强度，结构稳定；所述水凝胶粘合剂固化时间短，且固化产物具有适宜的溶胀率和透光率，可替代手术缝线闭合角膜伤口，满足临床要求。

53、第四方面，本发明提供了一种根据第三方面所述固化水凝胶粘合剂的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

54、将第一方面所述水凝胶粘合剂进行光交联，之后加入二价金属阳离子溶液进行离子交联。

55、优选地，所述光交联的光源波长为300-500nm，例如可以为320nm、340nm、360nm、380nm、400nm、420nm、440nm、460nm、480nm等。

56、优选地，所述光交联的光辐照度≤50mw/cm2，例如可以为45mw/cm2、40mw/cm2、35mw/cm2、30mw/cm2、25mw/cm2、20mw/cm2、15mw/cm2、10mw/cm2等。

57、优选地，所述光交联的时间为1-5min，例如可以为1.5min、2min、2.5min、3min、3.5min、4min、4.5min等。

58、优选地，所述光交联的温度为15-30℃，例如可以为18℃、20℃、22℃、25℃、28℃等。

59、优选地，所述二价金属阳离子包括ca2+、ba2+、cu2+、cd2+或sr2+中的任意一种或至少两种的组合，优选为ca2+。

60、优选地，所述二价金属阳离子溶液包括氯化钙；

61、优选地，所述二价金属阳离子溶液中氯化钙的浓度为10-50mg/ml，例如可以为15mg/ml、20mg/ml、25mg/ml、30mg/ml、35mg/ml、40mg/ml、45mg/ml等。

62、优选地，所述水凝胶粘合剂和二价金属阳离子溶液的体积比为(30-50)：1，例如可以为32:1、35：1、38:1、40：1、42：1、45：1、48:1等。

63、优选地，所述离子交联的时间为5-10s，例如可以为6s、7s、8s、9s等。

64、优选地，所述离子交联的温度为15-30℃，例如可以为18℃、20℃、22℃、25℃、28℃等。

65、第五方面，本发明提供了一种如第一方面所述水凝胶粘合剂、如第二方面所述双组分粘合剂或如第三方面所述固化水凝胶粘合剂在制备角膜修复制剂或组织工程支架中的应用。

66、优选地，所述应用包括第一方面所述水凝胶粘合剂或第二方面所述双组分粘合剂在制备角膜修复制剂中的应用。

67、优选地，所述应用包括如下方法：

68、将第一方面所述水凝胶粘合剂置于待粘合或填充的角膜组织表面，光交联后加入交联剂进行离子交联，完成粘合或填充。

69、优选地，所述置于待粘合或填充的角膜组织表面的方式包括涂抹或滴加。

70、优选地，所述应用包括根据第三方面所述固化水凝胶粘合剂在组织工程支架中的应用。

71、本发明提供的固化水凝胶粘合剂所用材料为天然衍生材料，来源广泛且生物相容性优异，同时其中添加了具有促进伤口愈合的作用的ⅰ型胶原蛋白，可作为生物因子、药物或细胞的载体，促进组织再生，具有很好的临床应用前景。

72、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

73、本发明提供的水凝胶粘合剂包括gelma、algma和ⅰ型胶原蛋白纳米纤维，通过三种组分的协同复配，获得了具有良好的机械性能、生物相容性与粘结性能的水凝胶粘合剂；将其通过光交联和离子交联进行固化，能够得到具有能量耗散的双交联网络的固化产物，且其中填充了ⅰ型胶原纳米纤维形成纳米纤维复合水凝胶，结构稳定，进一步提高了水凝胶的韧性及机械性能，且固化产物具有合适的溶胀率和透光率，应用于角膜修复或其他组织再生中具有优异的临床效果。

技术特征：

1.一种水凝胶粘合剂，其特征在于，所述水凝胶粘合剂包括甲基丙烯酰化明胶、甲基丙烯酰化海藻酸钠、ⅰ型胶原蛋白纳米纤维和水的组合。

2.根据权利要求1所述的水凝胶粘合剂，其特征在于，所述水凝胶粘合剂中甲基丙烯酰化明胶的浓度为50-300mg/ml，优选为100-150mg/ml；

3.根据权利要求1或2所述的水凝胶粘合剂，其特征在于，所述水凝胶粘合剂中ⅰ型胶原蛋白纳米纤维的浓度为1-100mg/ml，优选为10-40mg/ml；

4.根据权利要求1-3任一项所述的水凝胶粘合剂，其特征在于，所述水凝胶粘合剂还包括光引发剂；

5.一种双组分粘合剂，其特征在于，所述双组分粘合剂包括a组分和b组分；

6.根据权利要求5所述的双组分粘合剂，其特征在于，所述二价金属阳离子包括ca2+、ba2+、cu2+、cd2+或sr2+中的任意一种或至少两种的组合，优选为ca2+；

7.一种固化水凝胶粘合剂，其特征在于，所述固化水凝胶粘合剂由权利要求1-4任一项所述水凝胶粘合剂或由权利要求5或6所述双组分粘合剂固化得到；

8.一种根据权利要求7所述固化水凝胶粘合剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述光交联的光源波长为300-500nm；

10.一种如权利要求1-4任一项所述水凝胶粘合剂、如权利要求5或6所述双组分粘合剂或如权利要求7所述固化水凝胶粘合剂在制备角膜修复制剂或组织工程支架中的应用。

技术总结
本发明涉及一种水凝胶粘合剂及其应用，所述水凝胶粘合剂包括甲基丙烯酰化明胶、甲基丙烯酰化海藻酸钠和Ⅰ型胶原蛋白纳米纤维的组合，通过三种组分的复配，获得了具有良好的机械性能、生物相容性与粘结性能的水凝胶粘合剂；将其通过光交联和离子交联进行固化，能够得到具有能量耗散的双交联网络的固化产物，且由于Ⅰ型胶原纳米纤维的填充，水凝胶粘合剂的固化产物结构稳定，进一步提高了其韧性及机械性能，且具有合适的溶胀率和透光率，适用于角膜修复或其他组织再生。

技术研发人员：凌俪芸,王雁,张诗瑶,李新宇
受保护的技术使用者：天津市眼科医院
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23