CN109929124B - 可用于血管瘤栓塞的体温刺激形状记忆水凝胶及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供可用于血管瘤栓塞的体温刺激形状记忆水凝胶及其制备方法和应用，通过自由基引发丙烯腈，丙烯酰胺和聚乙二醇二甲基丙烯酸酯在二甲基亚砜中交联聚合，将得到的有机凝胶，浸泡在25℃磷酸盐缓冲液中，并分别浸泡氯化钡水溶液、硫酸钠水溶液，将硫酸钡沉积到凝胶网络中，而后再次浸泡PBS除去杂质，得到可用于血管瘤栓塞的体温刺激形状记忆水凝胶弹簧圈。制备方法简单，首次制备出水凝胶基的栓塞弹簧圈，改善了商用金属弹簧圈填塞率低易重通的缺陷；体温为形状记忆效应的刺激源，生物友好；水凝胶常温下的模量高，可以直接进行推送；原位沉积硫酸钡使得凝胶可X光显影，并保有形状记忆效应。
Description
技术领域
本发明涉及形状记忆水凝胶技术领域，更具体地说涉及一种可用于血管瘤栓塞的、可X光显影的高模量、高强度体温刺激形状记忆水凝胶弹簧圈及其制备方法通过对猪动脉进行栓塞表明，该水凝胶弹簧圈具有良好的栓塞效果。
背景技术
高复通率是经导管动脉瘤栓塞术治疗动脉瘤中亟待解决的严重问题之一，这是商用的金属弹簧圈极高刚性导致的低填充率的结果。温敏性的形状记忆水凝胶弹簧圈可在20℃的PBS中固定为坚硬的直条形态，并在20℃的生理盐水的冷却下通过导管输送到动脉中，在遇到温暖的血液后迅速变软并转变为弹簧形状。在输送多条水凝胶弹簧圈到达目标动脉之后，由于其具有相对柔软的力学状态，凝胶可以紧密缠结在血管内，从而提升填充率，杜绝再通的发生。
发明内容
本发明克服了现有技术中的不足，通过自由基引发丙烯腈，丙烯酰胺和聚乙二醇二甲基丙烯酸酯(PEG3kDMA，数均分子量为3000)在二甲基亚砜(DMSO)中交联聚合，在用溶剂交换除去有机溶剂和未反映完成的小分子后，在网络内沉积上硫酸钡，制备得到一种可X光显影的高模量、高强度体温刺激形状记忆水凝胶并可制作弹簧圈。
本发明的目的通过下述技术方案予以实现。
可用于血管瘤栓塞的体温刺激形状记忆水凝胶，以丙烯腈、丙烯酰胺为共聚单体，以聚乙二醇二甲基丙烯酸酯为交联剂，在溶剂氛围中利用引发剂引发共聚单体和交联剂的不饱和键进行共聚，将共聚得到的产物浸泡在磷酸盐缓冲溶液中固定成型后，分别浸泡到氯化钡和硫酸钠水溶液中，以使硫酸钡沉积到水凝胶网络中。
丙烯腈与丙烯酰胺的质量比为(1-5)：1，优选(2—3)：1。
交联剂占丙烯腈与丙烯酰胺总质量的(10-15)wt％，优选交联剂占丙烯腈与丙烯酰胺总质量的(12-14)wt％。
总体固含量为(20-30)wt％，优选24—28wt％，总体固含量为(共聚单体和交联剂的质量之和)/(共聚单体、交联剂和溶剂的质量之和)。
聚乙二醇二甲基丙烯酸酯数均分子量为500—3000，优选1000—3000。
在本发明的技术方案中，应当根据共聚单体、交联剂、引发体系(含引发剂)的溶解性，选择能够完全溶解上述物质或者能够与上述物质完全互溶的溶剂，以混合均匀反应体系。考虑到共聚单体有极性，且引发体系和交联剂也要能够溶解在极性溶剂中，因此可选择有机溶剂中的极性溶剂，如二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、四氢呋喃、二甲基亚砜。
在本发明的技术方案中，以丙烯腈、丙烯酰胺为共聚单体，以聚乙二醇二甲基丙烯酸酯为交联剂(分子链两端带有双键、分子链中间为聚乙二醇分子的主链结构)，采用引发剂提供自由基，引发共聚单体和交联剂的不饱和键(即碳碳双键)，使三者几乎同时引发发生聚合反应，最终制备水凝胶。在水凝胶中具有聚丙烯腈、聚丙烯酰胺和交联剂三种物质的链段，丙烯腈提供骨架中的刚性性能，丙烯酰胺提供骨架中的韧性性能，交联剂提供柔性链段，这几部分协同作用，使得整个水凝胶材料表现出优良的力学性能和温度敏感性以及形状记忆功能。
在引发剂引发聚合之前，利用惰性保护气体(如氮气、氩气或者氦气)排除反应体系中的氧，以避免其的阻聚作用。引发剂选择高分子聚合领域中常用热引发剂，如过硫酸铵(APS)、过硫酸钾(KPS)、过氧化苯甲酰(BPO)、偶氮二异庚腈(ABIN)，引发剂用量为共聚单体和交联剂总质量的(0.2-1.0)％，优选0.5—0.8％，升温至引发温度以上，并保持相当长的时间，如20—40h，以促使引发剂能够长时间产生足够多的自由基，引发反应体系持续发生自由基聚合反应，最终制备本发明的水凝胶；或者光引发剂，如2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮(Irgacure 1173)，引发剂用量为共聚单体和交联剂总质量的(0.2-1.0)％，优选0.5—0.8％，选用透明密闭的反应容器，在紫外光照射的条件下引发自由基聚合，由于光引发效率高于热引发，因根据所选引发剂的活性和用量调整照射时间时，照射时间可短于热引发的加热时间，如1—5h；或者引发体系，如由引发剂过氧化苯甲酰(BPO)和促引发剂N,N-二甲基苯胺(DMA)组成的引发体系，引发剂用量为共聚单体和交联剂总质量的(0.2-1.0)％，优选0.5—0.8％，促引发剂N,N-二甲基苯胺(DMA)用量为引发剂过氧化苯甲酰(BPO)质量的(8-12)％，在室温20—30摄氏度即可引发反应，反应20—30h。
在进行浸泡固定成型时，选择浸泡在20-30℃磷酸盐缓冲液(PBS，pH为7—7.4)中固定，优选固定为弹簧形状。
在进行浸泡沉淀硫酸钡时，选择将固定成型的水凝胶分别浸泡5-8mol/L的氯化钡水溶液、5-8mol/L的硫酸钠水溶液各5-8h，重复浸泡2-5次。
在制备之后，再次将沉淀硫酸钡的水凝胶浸泡磷酸盐缓冲液(PBS，pH为7—7.4)除去杂质，得到可用于血管瘤栓塞的体温刺激形状记忆水凝胶(如弹簧圈)。
其具体制备水凝胶弹簧圈的方法，按照下述步骤进行：
步骤1，将丙烯腈、丙烯酰胺和交联剂聚乙二醇二甲基丙烯酸酯(PEG3kDMA)加入到二甲基亚砜(DMSO)中，置于离心管内溶解，涡旋离心管内混合物直至得到澄清溶液，通过在室温下对上述溶液进行氮气鼓泡8-12min，除去氧气，以防阻聚，在最后通过吹氮气鼓泡时加入引发剂过氧化苯甲酰(BPO)和促引发剂N,N-二甲基苯胺(DMA)，用于引发体系聚合，其中，丙烯腈与丙烯酰胺的质量比为(1-3)：1，交联剂占丙烯腈与丙烯酰胺总质量的(10-15)wt％，总体固含量为(20-30)wt％，过氧化苯甲酰(BPO)为单体和交联剂总质量的(0.2-1.0)％，N,N-二甲基苯胺(DMA)为过氧化苯甲酰(BPO)质量的(8-12)％；
步骤2，将步骤1制备得到的反应液置于四氟乙烯毛细管内进行聚合，反应温度为20-30℃，反应时间为20-30h后，除去四氟乙烯毛细管取出凝胶样条后，将其缠绕钢棒上，通过浸泡在20-30℃磷酸盐缓冲液(PBS，选择pH为7—7.4)中固定为弹簧形状，得到水凝胶弹簧圈；
步骤3，将步骤2制备得到的水凝胶弹簧圈分别浸泡5-8mol/L的氯化钡水溶液、5-8mol/L的硫酸钠水溶液各5-8h，重复2-5次，将硫酸钡沉积到凝胶网络中，而后再次将其浸泡磷酸盐缓冲液(PBS)除去杂质，得到可用于血管瘤栓塞的体温刺激形状记忆水凝胶弹簧圈。
在步骤2中，聚合反应的温度为室温20-25℃，聚合反应的时间为20—24h。
在步骤2中，四氟乙烯毛细管的尺寸为直径为1-1.5mm，长度为0.8-1.2m，钢棒的尺寸为长(8-12)cm、直径为(0.8-1.2)mm，浸泡过程为每隔(10-12)h更换一次磷酸盐缓冲液(PBS)，共浸泡5-10天，以置换出有机溶剂、除去残余单体和引发剂。
在步骤3中，氯化钡水溶液的浓度为6mol/L，硫酸钠水溶液浓度为6mol/L，浸泡时间分别为6h，重复三次。
如图1所示(图中箭头所指位置为局部放大的样子)，将DMSO中制备的凝胶(即有机凝胶)以及通过DMSO和PBS环境置换处理得到的凝胶(即水凝胶)按照相同标准制备试样，裁成哑铃型试样(有效长度10mm，宽2mm，厚度0.5mm)后，使用100mm/min的应变速率拉伸，得到的水凝胶杨氏模量为14-18MPa，断裂应力为10-15MPa，远高于有机凝胶的强度，证明在水凝胶中不仅仅共聚单体和交联剂的共聚网络，由偶极作用和氢键构成的物理交联同样很好地增韧水凝胶。如图2所示，将长为20mm，宽6-7mm，厚度1.2mm的凝胶样条固定在浸没拉伸夹具上(仪器型号Q800，美国TA公司)，以0.01N的预紧力，5微米的振幅，1赫兹频率进行动态力学测试，升温速率为2℃。此图证明水凝胶的模量具有很强的温度依赖性，损耗角正切的变化也揭示着凝胶的力学行为随着温度而呈现不同的粘弹性行为，即试样在一定温度区间内从开始软化到完全软化，如25—40摄氏度。如图3所示，采用相同方法进行水凝胶沉积硫酸钡前后的性能测试，由图中可以看出沉积硫酸钡对水凝胶的力学以及温度依赖性力学行为几乎没有影响。
将利用本发明水凝胶制备的弹簧圈进行形状记忆测试，在37摄氏度下的弹簧圈拉直后在20摄氏度下进行形状固定，然后置于37摄氏度水中进行观察，如图4所示，由图中可以看出水凝胶弹簧圈可以在5秒内完成从直条变成弹簧的形状转变。将拉直的试样通过导管深入到巴马香猪的肾动脉中，由于体内温度升高，发现水凝胶弹簧圈在体内具有良好的显影效果，且能够完成预想的形状记忆效应，由拉直状态恢复弹簧圈形状，如图5所示。进一步的，把多条水凝胶样条(3—4根)递送到多头巴马香猪的肾动脉后，利用体内温度升高实现体积的形状记忆恢复，实现了肾动脉的栓塞，并在其后4周、8周、12周进行复查，如图6所示，由图中可以看出本发明制备的水凝胶弹簧圈栓塞效果很稳定，未发现重通现象。即本发明的水凝胶在制备X显影栓塞材料中的应用。
本发明的有益效果为：制备方法简单，首次制备出水凝胶基的栓塞弹簧圈，改善了商用金属弹簧圈填塞率低易重通的缺陷；体温为形状记忆效应的刺激源，生物友好；水凝胶常温下的模量高，可以直接进行推送；原位沉积硫酸钡使得凝胶可X光显影，并保有形状记忆效应。
附图说明
图1是本发明制备得到的水凝胶的力学性能测试图；
图2是本发明制备得到的水凝胶的温度依赖性力学行为测试图；
图3是沉积硫酸钡对本发明制备得到的水凝胶的力学以及温度依赖性力学行为测试图；
图4是本发明制备得到的水凝胶弹簧圈的形状记忆体外测试图；
图5是本发明制备得到的水凝胶弹簧圈的形状记忆体内测试图；
图6是把多条水凝胶样条递送到巴马香猪的肾动脉后实现了栓塞后4周、8周、12周的复查X光图片。
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
实施例1
步骤1，分别用分析天平称量0.5g丙烯酰胺，0.1875g聚乙二醇二甲基丙烯酸酯，放在10ml离心管里，再用移液枪量取5.063ml的DMSO将其完全溶解后，加入1ml的丙烯腈，然后加入0.0075g的BPO，再次混匀，通氮气10min除氧。
步骤2，加入1μL的DMA混匀后，马上用10ml注射器将离心管里溶液抽进毛细管中，并用止血钳将两端密封，将其放置在25℃恒温箱中24h后取出。
步骤3，然后撕开四氟乙烯毛细管，小心取出凝胶样条，将其缠绕在长10cm、直径为1mm的钢棒上，通过浸泡在25℃磷酸盐缓冲液(PBS)中固定为弹簧形状。上述浸泡过程，需每隔12h更换一次PBS，共浸泡7天，以置换出有机溶剂、除去残余单体和引发剂。
步骤4，再得到水凝胶弹簧圈分别浸泡6mol/L的氯化钡水溶液、6mol/L的硫酸钠水溶液各6h，重复三次，将硫酸钡沉积到凝胶网络中，而后再次浸泡PBS除去杂质，得到可用于血管瘤栓塞的体温刺激形状记忆水凝胶弹簧圈。
实施例2
步骤1，分别用分析天平称量0.5g丙烯酰胺，0.2g聚乙二醇二甲基丙烯酸酯，放在10ml离心管里，再用移液枪量取5.0ml的DMSO将其完全溶解后，加入1.5ml的丙烯腈，然后加入0.0075g的BPO，再次混匀，通氮气12min除氧。
步骤2，加入0.6μL的DMA混匀后，马上用10ml注射器将离心管里溶液抽进毛细管中，并用止血钳将两端密封，将其放置在22℃恒温箱中26h后取出。
步骤3，然后撕开四氟乙烯毛细管，小心取出凝胶样条，将其缠绕在长12cm、直径为1.2mm的钢棒上，通过浸泡在25℃磷酸盐缓冲液(PBS)中固定为弹簧形状。上述浸泡过程，需每隔10h更换一次PBS，共浸泡10天，以置换出有机溶剂、除去残余单体和引发剂。
步骤4，再得到水凝胶弹簧圈分别浸泡5mol/L的氯化钡水溶液、8mol/L的硫酸钠水溶液各5h，重复五次，将硫酸钡沉积到凝胶网络中，而后再次浸泡PBS除去杂质，得到可用于血管瘤栓塞的体温刺激形状记忆水凝胶弹簧圈。
实施例3
步骤1，分别用分析天平称量0.5g丙烯酰胺，0.15g聚乙二醇二甲基丙烯酸酯，放在10ml离心管里，再用移液枪量取5.1ml的DMSO将其完全溶解后，加入0.5ml的丙烯腈，然后加入0.0075g的BPO，再次混匀，通氮气8min除氧。
步骤2，加入1.2μL的DMA混匀后，马上用10ml注射器将离心管里溶液抽进毛细管中，并用止血钳将两端密封，将其放置在26℃恒温箱中22h后取出。
步骤3，然后撕开四氟乙烯毛细管，小心取出凝胶样条，将其缠绕在长8cm、直径为0.8mm的钢棒上，通过浸泡在25℃磷酸盐缓冲液(PBS)中固定为弹簧形状。上述浸泡过程，需每隔9h更换一次PBS，共浸泡5天，以置换出有机溶剂、除去残余单体和引发剂。
步骤4，再得到水凝胶弹簧圈分别浸泡8mol/L的氯化钡水溶液、5mol/L的硫酸钠水溶液各8h，重复两次，将硫酸钡沉积到凝胶网络中，而后再次浸泡PBS除去杂质，得到可用于血管瘤栓塞的体温刺激形状记忆水凝胶弹簧圈。
根据本发明内容记载的工艺参数和配方均可实现本发明水凝胶的制备，且表现出基本一致的性能。以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (7)
1.可用于血管瘤栓塞的体温刺激形状记忆水凝胶在制备X显影栓塞材料中的应用，其特征在于，形状为弹簧圈；可用于血管瘤栓塞的体温刺激形状记忆水凝胶以丙烯腈、丙烯酰胺为共聚单体，以聚乙二醇二甲基丙烯酸酯为交联剂，在溶剂氛围中利用引发剂引发共聚单体和交联剂的不饱和键进行共聚，将共聚得到的产物浸泡在磷酸盐缓冲溶液中固定成型后，分别浸泡到氯化钡和硫酸钠水溶液中，以使硫酸钡沉积到水凝胶网络中，其中丙烯腈与丙烯酰胺的质量比为(1-5)：1，交联剂占丙烯腈与丙烯酰胺总质量的(10-15)wt％，总体固含量为(20-30)wt％。
2.根据权利要求1所述的可用于血管瘤栓塞的体温刺激形状记忆水凝胶在制备X显影栓塞材料中的应用，其特征在于，丙烯腈与丙烯酰胺的质量比为(2—3)：1，交联剂占丙烯腈与丙烯酰胺总质量的(12-14)wt％，总体固含量为24—28wt％。
3.根据权利要求1所述的可用于血管瘤栓塞的体温刺激形状记忆水凝胶在制备X显影栓塞材料中的应用，其特征在于，聚乙二醇二甲基丙烯酸酯数均分子量为500—3000。
4.根据权利要求1所述的可用于血管瘤栓塞的体温刺激形状记忆水凝胶在制备X显影栓塞材料中的应用，其特征在于，聚乙二醇二甲基丙烯酸酯数均分子量为1000—3000。
5.根据权利要求1所述的可用于血管瘤栓塞的体温刺激形状记忆水凝胶在制备X显影栓塞材料中的应用，其特征在于，在进行浸泡固定成型时，选择浸泡在20-30℃磷酸盐缓冲液中固定，pH为7—7.4。
6.根据权利要求1所述的可用于血管瘤栓塞的体温刺激形状记忆水凝胶在制备X显影栓塞材料中的应用，其特征在于，在进行浸泡沉淀硫酸钡时，选择将固定成型的水凝胶分别浸泡5-8mol/L的氯化钡水溶液、5-8mol/L的硫酸钠水溶液各5-8h，重复浸泡2-5次。
7.根据权利要求1所述的可用于血管瘤栓塞的体温刺激形状记忆水凝胶在制备X显影栓塞材料中的应用，其特征在于，溶剂为二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、四氢呋喃或者二甲基亚砜。
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