本研究描述了通过光聚合沉淀反应制备聚乙二醇（PEG）微凝胶的方法。增加PEG的分子量可提高微凝胶的直径和溶胀比。本文探讨了对PEG微凝胶沉淀反应的简单改进，以拓展其在未来作为药物递送载体和组织工程支架中的应用。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
本文内容
摘要
摘要
本研究描述了通过光聚合沉淀反应制备聚乙二醇（PEG）微凝胶的方法。与传统的微球制备技术相比，沉淀反应具有多项优势。与乳液法、悬浮法和分散法不同，通过沉淀反应形成的微凝胶具有均一的形态和尺寸， 即 低多分散性指数，且无需使用有机溶剂或稳定剂。该沉淀反应条件温和，微凝胶性质可调，并具有低黏度以适用于注射，因此可应用于 体内 目的。与其他制造技术不同，可通过改变起始聚合物的分子量来调节微凝胶的特性。提高起始聚乙二醇（PEG）的分子量可增加微凝胶的直径和溶胀比。建议进一步改进，例如在微凝胶交联过程中包封分子。本文探讨了对PEG微凝胶构建单元进行简单改造的可能性，以推动微凝胶在未来作为药物递送载体和组织工程支架的应用。
引言
根据定义，微凝胶是任何形状的水凝胶，其等效直径约为 0.1–100 μm1。由于其尺寸和特性，聚合物微凝胶成为推动药物递送和组织工程系统发展的一种多功能工具。尽管块状水凝胶已被广泛成功地用作组织工程支架和药物递送载体2–4，但近年来向微尺度支架控制的转变，为将微凝胶用作构建支架的基础材料提供了独特机遇。此外，微凝胶具有较高的表面积与体积比，有利于细胞相互作用，且在溶液中黏度较低，非常适合注射使用。最后，微凝胶可通过多种方法利用多种聚合物制备，具体方法取决于所需的微凝胶特性，因此可高度定制化，适用于多种应用场景。
制备微凝胶的技术包括悬浮聚合、乳液聚合、分散聚合或沉淀聚合。乳液聚合和悬浮聚合通常需要使用有机溶剂以及表面活性剂或稳定剂来形成微凝胶。这些方法所得到的微凝胶粒子尺寸分布高度分散5。分散聚合和沉淀反应可生成多分散性较低的粒子6；然而，通过分散聚合形成的粒子仍需使用稳定剂6。沉淀反应形成的微凝胶具有独特性，因其可在无需稳定剂或表面活性剂的情况下形成尺寸和形状均一的粒子。当生长中的聚合物链通过焓驱动或熵驱动的沉淀作用从连续相中发生相分离时，即可实现微凝胶的形成7。沉淀聚合通常在高温下进行，但可通过使用 kosmotropic 盐类降低反应温度，这类盐可降低聚合物在溶剂中的溶解度8。本研究聚焦于在生物相容性条件下，通过光引发....
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
方案
1. 微凝胶制备用溶液的配制
- 开始沉淀反应前，配制所需的溶液并将其预热至 37 °C。所需溶液包括 0.5% 光引发剂、1.5 M Na2SO4、缓冲溶液、200 mg/ml 聚乙二醇二丙烯酸酯（PEG-DA）溶液和 1× 磷酸盐缓冲液（PBS）。注意：根据已发表的方法对所有 PEG 前体进行丙烯酸化处理，并在氩气保护下储存于 -20 °C 直至使用12。
- 称取光引发剂，溶于去离子（DI）H2O 中，配制成 0.5 (w/v)% 的溶液。必须避免该溶液暴露于紫外光下。
- 待完全溶解后，经 0.22 μm 滤膜过滤。该溶液可预先配制，并避光保存于 4 °C。注意：搅拌过程中将溶液加热至 40 °C 可将搅拌时间缩短至约 1 小时。
- 配制 1× PBS 时，将 1 片 PBS 片剂加入 1 L 去离子 H2O 中，再经 0.22 μm 滤膜过滤。PBS 可预先配制，并储存于 4 °C。
- 量取 39.4 ml 磷酸盐缓冲液（PBS，pH = 7.4），加入 612 μl 三乙醇胺（TEOA）和 260 μl 6 M 盐酸（HCl）。注意：TEOA 黏度较高；移液前应先将其预热至 37 °C。
- 调节缓冲液 pH 至约 7.7，并经 0.22 μm 滤膜过滤....
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
结果
微凝胶的尺寸取决于聚合条件。图2A展示了微凝胶直径随聚乙二醇（PEG）起始分子量和交联时间的增加而增大的趋势。用于测定不同分子量及交联30秒后微凝胶尺寸的代表性图像如图2C-G所示。对于分子量为3,000 Da的PEG，当紫外光照射时间从30秒增加至600秒时，微凝胶的平均直径从1.65±0.26增长至2.20±0.54 μm（图2B）。在保持紫外光照射时间恒定为30秒的条件下，随着PEG分子量从3,000 Da增至10,000 Da，微凝胶直径从1.65±0.26 μm增至2.17±0.33 μm（图2A）。在分子量为3,000、4,000和4,600 Da的条件下，未观察到显著差异。与沉淀形成的微凝胶之间具有统计学显著差异的详细结果见表1和表2。较长的聚合时间可促进更多的交联反应，使多条聚合物链之间发生交联并沉淀。延长紫外光照射时间可使部分具有更长聚合物链长度的链参与微凝胶形成，从而导致尺寸分布更加不均一，表现为微凝胶直径分布范围扩.......
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
讨论
考察了聚合条件变化对PEG微凝胶物理性质的影响。对于该沉淀反应，将缓冲溶液、20%（w/v） PEG-二丙烯酸酯溶液（分子量分别为3,000、4,600或6,000 Da）以及光引发剂混合后加热至37 °C。加入1.5 M的Na2SO4（一种增强水分子间相互作用的促凝盐），会导致PEG在加入时瞬间沉淀。该效应在高分子量PEG中更为显著8，表明实际的微凝胶形成过程是链增长与沉淀共同作用的结果。微凝胶通过紫外光（UV）引发的光聚合反应获得。UV照射时间分别为30、90、120、300和 600秒。当聚合物达到临界分子量时即发生沉淀，形成缠结且交联的微凝胶。通过在UV照射前将蛋白质分子加入溶液中，可实现其在微凝胶中的包封。随着聚合物链形成交联结构，蛋白质即被截留在聚合物网络中2,4。
采用光学显微镜结合Axiovision软件对微凝胶的粒径和多分散指数（PDI）进行测量。使用基于体积的公式计算PDI，其中PDI为1时表示单一分散。随着聚乙二醇（PEG）分子量的增加，由PEG 3,0.......
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
披露
作者声明不存在任何竞争性经济利益。
致谢
本项目由美国国家科学基金会（NSF）CBET 项目资助，项目编号为1061834。作者感谢CIBA公司提供了光引发剂样品。
....访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 磷酸盐缓冲液（PBS） | MP Biomedical | 2810305 | |
| 三乙醇胺（TEOA） | J.T. Baker | 9468-01 | 移液前预热至 37 °C |
| 盐酸（HCl） | BDH Aristar | BDH3028 | |
| 硫酸钠 | J.T. Baker | 3891-01 | |
| Irgacure 2959 | Ciba | 029891301PS04 | |
| 卵白蛋白（OVA） | Invitrogen | 34782 | |
| PEG 1,500 | Alfa Aesar | A16241 | |
| PEG 3,000 | Fluka | 03997-1KG | |
| PEG 4,000 | Alfa Aesar | A16151 | |
| PEG 4,600 | Sigma | 373001-250G | |
| PEG 6,000 | Fluka | 03394-1KG | |
| PEG 10,000 | Alfa Aesar | B21955 | |
| 葡聚糖 70 | TCI | D1449 |
参考文献
- McNaught, A. D., Wilkinson, A. IUPAC Compendium of Chemical Terminology (The Gold Book). 2nd edn. , Blackwell Scientific Publications. (1997).
- Lu, S. X., Anseth, K. S. Release behavior of high molecular weight solutes from poly(ethylene glycol)-based degradable netwo....
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
重印与许可
标签
