CN102698313B - 一种纳米银抗菌水凝胶及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米银抗菌水凝胶及其制备方法。该抗菌水凝胶不含有化学交联剂剂、交联敏化剂和交联引发剂，孔隙率在90％以上，交联度在50％以上，按重量计含有3％～20％的天然高分子或其衍生物、0～20％的合成高分子和0.005％～0.2％的纳米银，是将天然高分子或其衍生物、合成高分子、含银离子的化合物和水共混，然后采用辐射交联方法制备而成，具有优良的生物相容性、均匀的纳米银分布和缓释能力，能够有效抑制大肠杆菌等细菌。

Description

一种纳米银抗菌水凝胶及其制备方法

技术领域

本发明涉及生物材料的制备，特别涉及一种纳米银抗菌水凝胶及其制备方法，该纳米银抗菌水凝胶适用于但不限于生物医用材料领域。

背景技术

感染是烧创伤护理领域最为普遍的并发症之一。在敷料上负载抗菌剂是保护创面及防止感染最简便易行的方法。临床上经常在敷料上加入抗生素治疗烧创伤。抗生素抗菌起效迅速，但长期使用易使细菌产生耐药性，时至今日，一些细菌已很难用抗生素杀灭。银及其化合物的抗菌作用被人们所熟知，其中Ag⁺能阻碍细菌的正常新陈代谢、抑制DNA复制、破坏细菌传输及呼吸系统等，具有广谱高效的抗菌能力。纳米银中除了Ag⁺发挥抗菌作用，银原子也可破坏细菌细胞膜、阻碍细胞壁合成、在细菌内堆积等而使细菌死亡，具有优异的广谱高效抗菌性能而不会导致耐药性。

传统的敷料如纱布等只是将创面与外部的污染物隔绝，并不能为组织的修复与重建创造一个湿润的环境。水凝胶是一种能显著地溶胀于水但不溶解于水的胶态物质，具有良好的吸水性及生物相容性，外观透明，可快速止血缓解疼痛，对水和氧气有良好的通透性，不粘连伤口。将其负载纳米银可制得纳米银抗菌水凝胶用于创面修复。

传统的纳米银抗菌胶态材料往往是直接将纳米银颗粒或溶液与高分子材料混合，纳米银分散较为困难，团聚现象严重，影响其抗菌性能。此外，制备过程中通常不进行交联或采用微波交联、化学交联。未交联及微波交联水凝胶遇组织液易溶解而且强度不够；戊二醛等化学交联剂的残留毒性会严重影响细胞生长和组织再生，从而影响治疗效果。

中国发明专利公开说明书CN102218155A的纳米银功能性水胶体医用敷料的制备方法是先将聚异丁烯加温溶解，之后将羧甲基纤维素钠、果胶、纳米银混合粉体加入聚异丁烯熔体中，最后注塑成型、老化、模压形成。此方法将纳米银粉体加入高分子熔体中，使得纳米银团聚严重，影响抗菌性能。另外，聚异丁烯亲水性差、水气透过性差，长期使用易造成皮肤积水、泛白和过敏现象，且不具备缓释作用。

中国发明专利申请公开说明书CN102266583A提供了一种纳米银湿态敷料的制备方法。该发明将改性细菌纤维素浸渍在硝酸银溶液中，得到含选择性负载银离子的细菌纤维素；或者将上述细菌纤维素再经过高压还原得到选择性负载纳米银颗粒的细菌纤维素。然后加入复配溶液中得到载银改性细菌纤维素基复配型功能湿态敷料。该方法通过细菌纤维素先吸附硝酸银溶液随后再原位还原生成纳米银，可有效改善纳米银的分散均匀性。但是细菌纤维素还未形成规模化生产，价格昂贵，限制了其规模应用。

中国发明专利公开说明书CN102228995A中的羧甲基壳聚糖季铵盐-纳米银溶胶是先将AgNO₃转化为更活泼的[Ag(NH₃)₂]OH，再用羧甲基壳聚糖季铵盐作为还原剂和稳定剂，采用微波辐射加热法制备得到的。此方法在制备[Ag(NH₃)₂]OH的时候加入了NaOH及氨水，使其制备的溶胶对组织刺激性大。微波辐射加热法对材料的交联程度低，所以得到的材料为溶胶，易溶于液体，应用受限。

中国发明专利公开说明书CN101664563A中提供的抗菌水凝胶的制备方法是将丙烯酰胺、聚乙二醇双丙烯酸酯交联剂和含有纳米银的天然高分子水溶液相混合，然后室温下置于⁶⁰Co源辐照交联。丙烯酰胺单体具有较强的细胞毒性，材料的残留毒性将严重影响抗菌水凝胶的生物相容性。

发明内容

本发明旨在摒弃使用大量有毒化学试剂的传统工艺，提供一种采用绿色合成工艺获得的纳米银抗菌水凝胶，其具有良好的生物相容性及生物降解性。

本发明的另一目的在于提供一种纳米银抗菌水凝胶的制备方法，该方法采用辐射技术同步实现水凝胶的交联及纳米银的原位合成，制备过程同时进行了灭菌，避免了制备过程引起的生物安全性问题。用此方法获得的纳米银抗菌水凝胶生物相容性更好，抗菌剂分布更为均匀，调节纳米银含量及交联程度还可得到不同降解速率和力学强度的产品。

为实现本发明的目的及解决其技术问题，采用以下技术方案：

一种纳米银抗菌水凝胶，不含有化学交联剂、交联敏化剂和交联引发剂，孔隙率在90％以上，交联度在50％以上，按重量计含有3％～20％的天然高分子或其衍生物、0～20％的合成高分子和0.005％～0.2％的纳米银，是将天然高分子或其衍生物、合成高分子、含银离子的化合物和水共混，然后采用辐射交联制备而成。

所述天然高分子或其衍生物可选自下列高分子中的一种或多种：甲壳素衍生物(如羧甲基甲壳素、羧乙基甲壳素等)、壳聚糖及壳聚糖衍生物(如羧甲基壳聚糖、羧乙基壳聚糖等)、卡拉胶及羧甲基卡拉胶、纤维素衍生物(如羧甲基纤维素、羟丙基纤维素、羟丙基甲基纤维素等)、淀粉及淀粉衍生物(羧甲基淀粉等)、海藻酸钠、瓜胶及羧甲基瓜胶、胶原蛋白、透明质酸、明胶等。水凝胶中天然高分子或其衍生物的重量百分浓度为3％～20％，优选为8％～12％。

所述合成高分子可选自聚乙烯醇、聚乙醇酸、甲基丙烯酸-β羟乙酯、丙烯酸酯、聚乙烯吡咯烷酮、聚氧化乙烯、聚乙二醇、聚乙烯基吡咯烷酮等中的一种或多种。水凝胶中合成高分子的重量百分浓度为0％～20％，优选为0％～12％。

所述含银离子的化合物可以是硝酸银，也可以是其他包含银离子的化合物。Ag⁺原位还原生成纳米银，水凝胶中纳米银的重量百分浓度为0.005％～0.2％，优选为0.008％～0.15％。

所述纳米银抗菌水凝胶中还可以含有生长因子和/或药物以促进伤口愈合与组织再生。

所述生长因子可选择本领域技术人员常用的成纤维生长因子、人表皮生长因子等可以促进皮肤组织再生修复的生长因子。

所述药物可选择本领域常用的烧烫伤药、抗栓塞剂等药物，使之具有相应的辅助治疗作用，其用量可采用本领域常规用量。

生长因子和药物的含量根据具体应用要求而定，其中，生长因子在水凝胶中的含量一般为0.001％～0.02％(重量)。

本发明纳米银抗菌水凝胶的制备方法是：将天然高分子或其衍生物、合成高分子、含银离子的化合物和水共混制成混合水溶液，然后密封包装进行辐射交联，形成抗菌水凝胶。

所述辐射交联可采用γ射线、电子束或紫外线进行辐射交联。

所述辐射交联采用γ射线或电子束时，辐照剂量为3～100kGy，优选为10～30kGy。γ射线辐射源可采用⁶⁰Co。

所述辐射交联为紫外线时，波长为200-400nm，功率为1.11～135mW/cm²，工作距离为1-20cm，辐照时间为30分钟～24小时。

本发明所制备的纳米银抗菌水凝胶可依据制品用途进行相应的后处理工序。例如将水凝胶继续冷冻干燥，制得多孔支架材料。冷冻温度可为-10～-80℃，优选-20～-60℃。又如将水凝胶浸入含有生长因子和/或药物的水溶液中一段时间，制得含有生长因子和/或药物的水凝胶。

本发明的抗菌水凝胶，可用作止血敷料、烧创伤敷料、溃疡敷料、外科手术护垫、防粘连材料等，还可用于治疗宫颈炎、阴道炎、前列腺炎等，在整形外科手术中亦可作为组织填充物等用途。由其制得的多孔支架材料也可以作为组织工程支架，促进细胞增殖、组织修复。

利用本发明提供的方法得到的纳米银抗菌水凝胶没有化学试剂残留，具有更好的生物相容性和更均匀的纳米银分布和缓释能力，纳米银直径为2-50nm，孔隙率在90％以上，交联度在50％以上，吸水率一般为50～200倍或者更高，能够有效抑制大肠杆菌等细菌的繁殖，在12小时内对大肠杆菌的抑制率可达99％以上。本发明的纳米银抗菌水凝胶及其制备方法至少具有下列优点及有益效果：

(1)本发明采用水溶性高分子基材，而且溶剂中没有加入乙酸等有皮肤刺激性或毒性的物质。

(2)用辐射交联技术代替用戊二醛等化学交联技术，可以避免产品的化学试剂残留毒性，同时起到灭菌的作用。

(3)将含Ag⁺的溶液与高分子混合，随后采用辐射方法使高分子交联与Ag⁺原位还原同步进行，生成的纳米银颗粒细小、分散均匀、与高分子结合牢固，从而使纳米银抗菌水凝胶表现出优秀的缓释抗菌性能。

(4)通过控制高分子的浓度、不同高分子材料的配比、含银离子化合物的添加量、辐射交联工艺等，调节抗菌水凝胶的力学强度和降解性能。

(5)用辐射交联技术得到的多孔材料，具有更好的结构均匀性，有利于皮肤组织细胞的粘附与皮肤组织再生。

(6)控制冷冻干燥工艺可调控多孔材料的孔径。

具体实施方式

下面通过实施例进一步详细描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

实施例1

将10g羧甲基壳聚糖/明胶质量比为3∶2的粉末与90g硝酸银水溶液(硝酸银质量分数为0.15％)混合，用脱泡搅拌机搅拌均匀，得到固含量为10％的水溶液。将水溶液装入试管，脱除气泡，封口后用⁶⁰Co γ射线辐照30kGy，得到纳米银抗菌水凝胶。得到的纳米银抗菌水凝胶样品交联度可达60％以上，吸水率为180倍，压缩模量为45kPa，孔隙率90％以上，其中纳米银直径为10-30nm。0.4g样品在12小时内对40ml 10⁵CFU/ml的大肠杆菌抑菌率可达到99％以上。

实施例2

将10g羧甲基壳聚糖/明胶质量比为3∶2的粉末与90g硝酸银水溶液(硝酸银质量分数为0.08％)混合，用脱泡搅拌机搅拌均匀，得到固含量为10％的水溶液。将水溶液装入试管，脱除气泡，封口后用⁶⁰Co γ射线辐照30kGy，得到纳米银抗菌水凝胶。得到的纳米银抗菌水凝胶样品交联度可达60％以上，吸水率为160倍，压缩模量为44kPa，孔隙率90％以上，其中纳米银直径为5-10nm。0.4g样品在12小时内对40ml 10⁵CFU/ml的大肠杆菌抑菌率可达到50％以上。

实施例3

将10g羧甲基壳聚糖/明胶质量比为3∶2的粉末与90g硝酸银水溶液(硝酸银质量分数为0.03％)混合，用脱泡搅拌机搅拌均匀，得到固含量为10％的水溶液。将水溶液装入试管，脱除气泡，封口后用⁶⁰Co γ射线辐照30kGy，得到纳米银抗菌水凝胶。得到的纳米银抗菌水凝胶样品交联度可达60％以上，吸水率为140倍，压缩模量为52kPa，孔隙率90％以上，其中纳米银直径为3-6nm。0.4g样品在12小时内对40ml 10⁵CFU/ml的大肠杆菌抑菌率可达到30％以上。

实施例4

将5g羧甲基壳聚糖/明胶质量比为3∶2的粉末与95g硝酸银水溶液(硝酸银质量分数为0.008％)混合，用脱泡搅拌机搅拌均匀，得到固含量为5％的水溶液。将水溶液装入试管，脱除气泡，封口后用电子束辐照50kGy，得到纳米银抗菌水凝胶。将此纳米银抗菌水凝胶在-60℃冷冻干燥，得到抗菌多孔支架，材料交联度可达50％以上，孔隙率为90％以上。

实施例5

将8g聚乙烯醇/羧甲基壳聚糖质量比为4∶1的粉末与92g硝酸银水溶液(硝酸银质量分数为0.12％)混合，用脱泡搅拌机搅拌均匀，得到固含量为8％的水溶液。将水溶液装入试管，脱除气泡，封口后用⁶⁰Co γ射线辐照30kGy，得到纳米银抗菌水凝胶。

实施例6

将9g支链淀粉/羧甲基壳聚糖质量比为1∶2的粉末与91g硝酸银水溶液(硝酸银质量分数为0.12％)混合，用脱泡搅拌机搅拌均匀，得到固含量为9％的水溶液。将水溶液装入试管，封口后置于波长为254nm，功率为5mW/cm²紫外装置下，工作距离为5cm，辐照3小时，得到纳米银抗菌水凝胶。

实施例7

将实施例1或2浸入0.01％的成纤维生长因子溶液中，水凝胶或支架材料吸收溶液一段时间后取出，形成含生长因子的纳米银抗菌水凝胶或支架材料。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种纳米银抗菌水凝胶，不含有化学交联剂、交联敏化剂和交联引发剂，孔隙率在90%以上，交联度在50%以上，按重量计含有3%～20%的天然高分子或其衍生物、0～20％的合成高分子和0.005%～0.2%的纳米银，是将天然高分子或其衍生物、合成高分子、含银离子的化合物和水共混，制成混合水溶液，然后采用辐射方法使高分子交联与Ag⁺原位还原同时进行，同步实现水凝胶的交联及纳米银的原位合成；其中所述天然高分子或其衍生物选自下列高分子中的一种或多种：羧甲基甲壳素、羧乙基甲壳素；壳聚糖及壳聚糖衍生物，所述壳聚糖衍生物选自羧甲基壳聚糖和羧乙基壳聚糖；卡拉胶及卡拉胶衍生物，所述卡拉胶衍生物选自羧甲基卡拉胶；羧甲基纤维素、羟丙基纤维素、羟丙基甲基纤维素；淀粉及淀粉衍生物，所述淀粉衍生物选自羧甲基淀粉；海藻酸钠；瓜胶及瓜胶衍生物，所述瓜胶衍生物选自羧甲基瓜胶；胶原蛋白、透明质酸和明胶；所述合成高分子选自聚乙烯醇、聚乙醇酸、甲基丙烯酸-β羟乙酯、丙烯酸酯、聚氧化乙烯、聚乙二醇和聚乙烯基吡咯烷酮中的一种或多种。

2.如权利要求1所述的纳米银抗菌水凝胶，其特征在于，所述天然高分子或其衍生物的重量百分含量为8%～12%。

3.如权利要求1所述的纳米银抗菌水凝胶，其特征在于，所述合成高分子的重量百分含量为0%～12%。

4.如权利要求1所述的纳米银抗菌水凝胶，其特征在于，所述纳米银的重量百分含量为0.008%～0.15%。

5.如权利要求1所述的纳米银抗菌水凝胶，其特征在于，所述抗菌水凝胶还含有生长因子和/或药物。

6.权利要求1～5任一所述纳米银抗菌水凝胶的制备方法，取相应计量的天然高分子或其衍生物、合成高分子、含银离子的化合物和水共混，制成混合水溶液，然后密封包装进行辐射交联，形成水凝胶。

7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述含银离子的化合物为硝酸银。

8.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，采用γ射线、电子束或紫外线进行辐射交联。

9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，采用γ射线或电子束进行辐射交联时，辐照剂量为3～100kGy；采用紫外线进行辐射交联时，波长为200-400nm，功率为1.11～135mW/cm²，工作距离为1-20cm，辐照时间为30分钟～24小时。

10.一种纳米银抗菌多孔支架，是权利要求1～5任一所述纳米银抗菌水凝胶经冷冻干燥后得到的多孔支架材料。