CN107915850B - 含硒壳聚糖水凝胶及其制备、降解方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种含硒壳聚糖水凝胶，其特征在于，其结构式如下：

其中，n＝15‑300。本发明还提供了一种上述含硒壳聚糖水凝胶的制备方法，包括以下步骤：将壳聚糖与硒内酯在水中在40‑50℃下反应，得到含硒醇壳聚糖化合物；对含硒醇壳聚糖化合物进行氧化，得到含硒醇壳聚糖水凝胶。本发明进一步提供了一种含硒壳聚糖水凝胶的降解方法：将含硒壳聚糖水凝胶在氧化剂的作用下发生氧化反应，得到式(IV)的含硒酸壳聚糖化合物，其反应路线如下：

本发明还公开了上述含硒壳聚糖水凝胶作为医用敷料的应用。本发明将硒硒键引入到水凝胶中，充分利用硒硒双键的氧化还原性实现水凝胶的按需降解。

Description

含硒壳聚糖水凝胶及其制备、降解方法和应用

技术领域

本发明涉及化学领域，尤其涉及一种含硒壳聚糖水凝胶及其制备、降解方法和应用。

背景技术

壳聚糖是一种天然高分子，是甲壳素脱乙酰基的产物。1811年法国科学家H.Braconnot 首次从从磨茹中发现了甲壳素。随后Rouget将甲壳素放在浓的氢氧化钾溶液中煮沸，洗净后得到了壳聚糖。严格意义上讲只有脱乙酰度大于55％以上的甲壳素才能称之为壳聚糖，它的分子量在数十万到数百万之间。它是包含由b(1-4)糖苷键连接的葡糖胺和N-乙酰基葡糖胺的共聚物的线性多糖，通常不溶于高于pH7的水溶液，只能溶解在弱酸中，溶于弱酸后则变成了具有水溶性的阳离子的聚合物。

由于壳聚糖制备简单且价格低廉，具有良好的生物相容性和生物可降解性、抗菌性，因此在生物医学和其它领域具有广泛应用。壳聚糖水凝胶与合成水凝胶相比，具有天然无毒，环境友好，应用范围广等优点，近年来受到了越来越多的关注。

伤口是指由机械或热的方式对皮肤组织造成的损伤，而皮肤是人体阻止外界恶劣因素对人体造成伤害的保护屏障，既可以组织有害物质的入侵，又可以维持人体内环境的平衡。因此，如果伤口面积超过一定程度且没有得到有效的治疗，则受伤者很有可能出现身体残疾或者死亡。目前临床上对创伤的治疗主要采用医用敷料外敷的形式。传统敷料主要是天然或合成的绷带、药棉或纱布，其主要功能是让伤口渗出液尽快挥发，保持伤口干燥，同时预防有害细菌的入侵。

随着社会的进步，伤口敷料类型越来越多元化。特别是湿性愈合理论的提出-伤口在温暖湿润的环境下能够更快速的愈合，使得现代医用敷料逐渐替代了传统敷料。与传统敷料相比，理想的伤口敷料应该具有可以进行气体交换、保持伤口的湿润环境、清除多余的渗出液、防止细菌污染和加速伤口愈合等特点。而壳聚糖作为一种天然的高分子材料，具有生物相容性，可降解性，广泛应用在伤口敷料方面。

但是壳聚糖水凝胶在合成过程中也存在一些问题，主要是过程复杂、原料多样等，可能会对人体产生微量的伤害；在伤口敷料使用后，未对其进行有效的降解，未能进一步减小敷料在去除过程中人体产生的伤痛。作为伤口敷料的壳聚糖水凝胶还需要进一步改进，以实现伤口敷料的简单易得，简便除去，且具备传统纱布不具备的抗菌抗感染促愈合等性质，进而逐步替代传统纱布，为伤口敷料领域带来巨大革新。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种含硒壳聚糖水凝胶及其制备、降解方法和应用，本发明将硒硒键引入到水凝胶中，充分利用硒硒双键的氧化还原性实现水凝胶的按需降解。

在一方面，本发明公开了一种含硒壳聚糖水凝胶，其结构式如下：

其中，n＝15-300。

进一步地，上述含硒壳聚糖水凝胶的粘度为100-200mpa.s。

在另一方面，本发明还公开了一种上述含硒壳聚糖水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

(1)将式(I)的壳聚糖与硒内酯在水中在40-50℃下反应，得到式(II)的含硒醇壳聚糖化合物；硒内酯的的结构式如下：

(2)氧化含硒醇壳聚糖化合物，得到式(III)的含硒醇壳聚糖水凝胶；以上反应的路线如下，其中，n＝15-300：

进一步的，在步骤(1)中，壳聚糖的脱乙酰度为50-95％。优选地，壳聚糖的脱乙酰度为95％。

进一步的，在步骤(1)中，壳聚糖与硒内酯的摩尔比为100:2-12。优选地，壳聚糖与硒内酯的摩尔比为100:2，100:4或100:6。

当壳聚糖的脱乙酰度为95％时，壳聚糖与硒内酯的摩尔比为100:4；

当壳聚糖的脱乙酰度为80％时，壳聚糖与硒内酯的摩尔比为100:2。

优选地，步骤(1)的反应温度为40℃。

进一步的，在步骤(1)中，反应在惰性气体保护下进行。优选地，惰性气体为氩气。

进一步的，在步骤(2)中，使用氧气或空气氧化所述含硒醇壳聚糖化合物。

在又一方面，本发明还公开了一种上述含硒壳聚糖水凝胶的降解方法，包括以下步骤：

将含硒壳聚糖水凝胶在氧化剂的作用下发生氧化反应，得到式(IV)的含硒酸壳聚糖化合物，其反应路线如下，其中n＝15-300：

进一步地，氧化剂为双氧水或谷胱甘肽水溶液。

进一步地，双氧水的浓度为1-5％；谷胱甘肽水溶液的浓度为5-20mol/L。

进一步地，在20-60℃下发生氧化反应。

本发明还公开了上述含硒壳聚糖水凝胶作为医用敷料的应用。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：

本发明使用低粘度的壳聚糖作为原料与硒内酯反应，制备出含硒壳聚糖水凝胶。壳聚糖作为一种天然的高分子聚合物，具有生物相容性，可降解性，无毒且价廉易得，是一种非常好的生物医用材料。

以上制备方法简单方便，只需按一定比例加入硒内酯和壳聚糖，最后将硒醇基偶联成二硒醚壳聚糖水凝胶，从而将硒硒键引入到水凝胶中。

本发明的含硒壳聚糖水凝胶降解方便，利用硒硒双键的氧化还原性可实现水凝胶的按需降解。当作为医用敷料使用时，在对伤口进行保护促愈合的同时，做到不对伤口进行二次伤害也格外重要，而本发明的含硒壳聚糖水凝胶作为医用敷料时，可以通过加入医用双氧水或谷胱甘肽实现对水凝胶的按需降解，快速无副作用，从而降低伤者在清理伤口或换药时的痛苦。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1图示了本发明的实施例2中含硒量为4％含硒壳聚糖水凝胶P2制备过程中硒含量的的核磁共振跟踪实验；

图2图示了本发明的实施例1、2、3中得到的含硒壳聚糖水凝胶的拉曼光谱；

图3图示了本发明的实施例1、2、3中得到的含硒壳聚糖水凝胶的X射线衍射图；

图4图示了本发明的实施1、2中得到的含硒壳聚糖水凝胶的热重分析曲线图；

图5图示了本发明的实施例1、2中得到的含硒壳聚糖水凝胶的X射线光电子能谱图；

图6图示了本发明的实施1、2中得到的含硒壳聚糖水凝胶的流变曲线图；

图7图示了本发明的实施1、2中得到的含硒壳聚糖水凝胶溶胀12h后的流变曲线图；

图8为本发明的实施1、2中得到的含硒壳聚糖水凝胶的溶胀柱状图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明以下实施例中，所涉及的测试方法如下：

热重分析(TGA)：将聚合物用PerkinElmer Pyris 1TGA仪器在N₂氛围下，在升温速率为10℃/min的条件下进行测试。

实施例1 含硒壳聚糖水凝胶P1的制备

称量1.84克壳聚糖粉末(CS，聚合度为120，脱乙酰度为95％)，48.5克质量分数为2.1wt％的乙酸溶液加入到250mL的三颈瓶中，待其完全溶解。再加入质量分数为4wt％的NaOH水溶液进行中和，使其pH值在6.7-7.0之间，得到壳聚糖的质量分数为3wt％的壳聚糖溶液。对壳聚糖溶液进行除氧操作30分钟，按照摩尔比为壳聚糖：硒内酯(以下简称[CS]:[Se])＝100:2，向瓶中加入32.3毫克的硒内酯，气体置换3次，最后将反应在氩气保护下40℃下反应4天。反应完成后，将反应液在空气中氧化过夜，即制备出含硒壳聚糖水凝胶P1，其含硒量为2％。

实施例2 含硒壳聚糖水凝胶P2的制备

本实施例中，按照摩尔比为[CS]:[Se]＝100:4加入壳聚糖和硒内酯进行反应，其他反应步骤和反应条件与实施例1相同，得到含硒壳聚糖水凝胶P2，其含硒量为4％。

附图1是本实施例中，壳聚糖与硒内酯反应过程中的核磁共振跟踪实验，其中含硒量为 4％。自下而上，曲线分别代表0、30、69、106小时取样后所测得的核磁共振氢谱曲线，通过图中可以发现，随着时间的延长，反应体系中硒内酯的含量在逐渐减小。

实施例3 含硒壳聚糖水凝胶P3的制备

本实施例中，按摩尔比为[CS]:[Se]＝100:6加入壳聚糖和硒内酯进行反应，其他反应步骤和反应条件与实施例1相同，得到含硒壳聚糖水凝胶P3，其含硒量为6％。

附图2是壳聚糖原料以及实施例1、2、3中得到的不同硒含量的壳聚糖水凝胶的拉曼图谱，自下而上，曲线分别代表壳聚糖原料、P1、P2、P3的拉曼图谱，发现在644cm^-1此处有新的吸收峰的出现，可能是壳聚糖水凝胶中二硒键的峰。附图3是壳聚糖原料以及实施例1、2、3中得到的不同硒含量的壳聚糖水凝胶的X射线衍射图，自上而下，曲线分别代表壳聚糖原料、P1、P2、P3的X射线衍射曲线，发现随着硒内酯用量的减少，20°处的结晶峰明显减弱，是由于硒内酯的引入，导致壳聚糖的结晶度降低。附图4是壳聚糖原料以及实施例1、2 中得到的不同硒含量的壳聚糖水凝胶的热失重曲线图，100℃之前的热失重有可能是一些小分子被分解了，且在三种物质里均有此现象。200℃～360℃区间的失重是壳聚糖分子链的断裂及化学结合水的失去引起的；360℃～640℃区间的失重是糖残基的热分解引起的。而在壳聚糖水凝胶的分解中，直至800℃分解才缓慢结束，原因可能是引入硒之后结构的变化，导致稳定性发生变化。附图5是壳聚糖原料以及实施例1、2中得到的壳聚糖水凝胶的X射线光电子能谱图，与Se的图谱对比表明，本发明实施例1、2得到的水凝胶中有微量的硒元素存在，说明壳聚糖的氨基成功地与硒内酯发生了反应。

实施例4 含硒壳聚糖水凝胶P1和P2的机械性能测定

称取1.5克含硒壳聚糖水凝胶P1和P2在25℃下进行流变测试。流变仪转子为20毫米，转子与样品之间的距离为0.4毫米。

将含硒壳聚糖水凝胶P1、P2置于pH为7.4的PBS缓冲溶液中，25℃溶胀12小时后再进行机械性能的测试。测试条件与上述条件相同。

图6(a)为样品模量随应变的变化结果，图6(b)为样品模量随转子频率的变化结果。附图6表明，水凝胶的储能模量均大于损耗模量，说明合成的材料具有胶体的性质；并且随着硒含量的增加，含硒壳聚糖水凝胶的的机械性能也在增强。附图7是含硒壳聚糖水凝胶溶胀12小时后的流变曲线图，图7(a)为样品模量随应变的变化结果，图7(b)为样品模量随转子频率的变化结果。从图中可以看到，P1和P2的机械强度都有所减少，但在一定的应力和频率范围之内，溶胀后的P1和P2均有胶体的性质。

实施例5 含硒壳聚糖水凝胶P1和P2的溶胀性能测试

称取一定量的含硒壳聚糖水凝胶P1和P2，并记录其初始重量为W₀，置于PBS缓冲溶液中浸没，每隔12小时记录一次溶胀后的水凝胶的重量Ws，按以下公式计算其溶胀率。

W₀是初始含硒壳聚糖水凝胶的干重，W_s是溶胀12小时或24小时后的重量。每组数据做三次并求平均值。

附图8是含硒壳聚糖干凝胶P1和P2的溶胀结果，结果表明，P1水凝胶的溶胀能力大于 P2的溶胀能力；并且随着时间的延长，溶胀率均有小幅下降，可能是水凝胶中小分子物质被溶解的结果。

实施例6 含硒壳聚糖水凝胶P1、P2的降解实验

将含硒量不同的含硒壳聚糖水凝胶P1、P2在25℃下在PBS缓冲溶液中溶胀12小时，之后分别取其中的2克于透明的样品瓶中，加入2mL 3％的双氧水或者10mol/L的谷胱甘肽溶液，25℃下条件下进行降解实验。

表1为不同水凝胶在不同降解剂中的降解情况，从中可以看到，P1和P2水凝胶可以迅速的被3％的双氧水和10mol/mL的谷胱甘肽氧化掉，实现它们的按需降解。从表格中可以看到，在双氧水及谷胱甘肽的作用下，P1的降解速率均大于P2的降解速率；并且双氧水的降解速率略大于谷胱甘肽的降解速率。

表1不同水凝胶的降解情况

实施例7 含硒壳聚糖水凝胶的制备

称量1.84克壳聚糖粉末(CS，聚合度为38，脱乙酰度为60％)，48.5克质量分数为2.1wt％的乙酸溶液加入到250mL的三颈瓶中，待其完全溶解。再加入质量分数为4wt％的NaOH水溶液进行中和，使其pH值在6.7-7.0之间，得到壳聚糖的质量分数为3wt％的壳聚糖溶液。对壳聚糖溶液进行除氧操作30分钟，按照摩尔比为壳聚糖：硒内酯(以下简称[CS]:[Se])＝100:2，向瓶中加入32.3毫克的硒内酯，气体置换3次，最后将反应在氩气保护下50℃下反应4天。反应完成后，将反应液在空气中氧化过夜，即制备出含硒壳聚糖水凝胶，其含硒量为2％。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种含硒壳聚糖水凝胶，其特征在于，其结构式如下：

其中，n＝15-300。

2.一种权利要求1所述的含硒壳聚糖水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将式(I)的壳聚糖与硒内酯在水中在40-50℃下反应，得到式(II)的含硒醇壳聚糖化合物；所述硒内酯的结构式如下：

(2)氧化所述含硒醇壳聚糖化合物，得到式(III)的所述含硒醇壳聚糖水凝胶；以上反应的路线如下，其中，n＝15-300：

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述壳聚糖的脱乙酰度为50-95％。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述壳聚糖与所述硒内酯的摩尔比为100:2-12。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：在步骤(1)中，反应在惰性气体保护下进行。

6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：在步骤(2)中，使用氧气或空气氧化所述含硒醇壳聚糖化合物。

7.一种权利要求1所述的含硒壳聚糖水凝胶的降解方法，其特征在于，包括以下步骤：

将所述含硒壳聚糖水凝胶在氧化剂的作用下发生氧化反应，得到式(IV)的含硒酸壳聚糖化合物，其反应路线如下，其中n＝15-300：

8.根据权利要求7所述的降解方法，其特征在于：所述氧化剂为双氧水或谷胱甘肽。

9.权利要求1所述的含硒壳聚糖水凝胶作为医用敷料的应用。

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