CN108371728A - 一种用于组织修复的仿贻贝接触抗菌水凝胶的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于组织修复的仿贻贝接触抗菌水凝胶的制备方法，以甲基丙烯酰胺化多巴胺、阴离子单体、阳离子单体共聚成带有相反电荷以及仿贻贝官能团的三嵌段共聚物，并在其中掺入带正电的季铵盐改性天然高分子，制备出具有半互穿网络结构的强效接触抗菌超强聚电解质水凝胶；由于阳离子单体和天然高分子改性季铵盐的存在，水凝胶有良好的抗菌性；甲基丙烯酰胺化多巴胺能与细菌的表面产生相互作用，捕捉细菌，从而增强水凝胶的抗菌效率；同时，甲基丙烯酰胺化多巴胺能促进细胞粘附，使水凝胶良好的细胞亲和性；另外，本发明制备的水凝胶还具有良好的机械性能、稳定的溶胀性能、自愈合性能，可应用于组织修复。

Description

一种用于组织修复的仿贻贝接触抗菌水凝胶的制备方法
技术领域
本发明涉及生物功能材料，具体涉及一种用于组织修复的仿贻贝接触抗菌水凝胶的制备方法。
背景技术
水凝胶是一类高度水合的材料，可用于各种医疗应用，如药物输送、组织工程、伤口填充剂和作为植入物涂层等；同时，水合环境也能促进微生物感染；微生物感染会导致创面聚合损坏和生物医学材料植入失败；因此除了具有其主要功能作用（如伤口愈合、药物释放、组织修复与再生等）外，还具备抗菌性的水凝胶才是更具有应用前景的；水凝胶的抗菌性有两种来源：抗菌剂（如银纳米颗粒、抗生素）以及水凝胶网络的固有抗菌性；然而抗菌剂的滥用会导致细菌产生耐药性；目前，固有抗菌性水凝胶是研究的热点；固有抗菌水凝胶可分为：抗菌肽基水凝胶、壳聚糖基水凝胶以及其他聚合物衍生物水凝胶；大部分季铵盐抗菌水凝胶的抗菌性不仅依靠抗菌作用，还依靠防污作用，防止细菌粘附，从而达到抗菌的效果，但是同时也不利于细胞的粘附；这类水凝胶的细胞粘附性和组织亲和性不好，限制了其在生物工程领域中的应用；并且抗菌水凝胶在作为植入体应用于体内时，往往还需要具有良好的机械性能和稳定的溶胀性。
发明内容
本发明提供一种具有强效抗菌性、细胞与组织亲和性、优异的力学性能以及稳定的溶胀性的用于组织修复的仿贻贝接触抗菌水凝胶的制备方法。
本发明采用的技术方案是：一种用于组织修复的仿贻贝接触抗菌水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：配置季铵盐改性天然高分子和甲基丙烯酰胺化多巴胺混合溶液A，混合溶液A中季铵盐改性天然高分子浓度为1wt.%～8wt.%，甲基丙烯酰胺化多巴胺浓度为0.1wt.% ～1wt.%；
步骤2：将质量比为9:1～7:3的阴离子单体和阳离子单体加入混合溶液A中形成混合溶液B；混合水溶液B中阴离子单体和阳离子单体的总浓度为5wt.% ～30wt.%；
步骤3：在混合水溶液B中加入引发剂和交联剂，发生聚合反应，反应完全后形成所需水凝胶。
进一步的，所述步骤3中聚合反应在温度为60℃、密闭条件下反应5～20min。
进一步的，所述季铵盐改性天然高分子为季铵化壳聚糖、季铵化羟基纤维素和阳离子淀粉中的一种。
进一步的，所述阴离子单体为丙烯酸、甲基丙烯酸、对苯乙烯磺酸钠、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠中的一种。
进一步的，所述阳离子单体为甲基丙烯酸二甲氨基乙酯、3-（甲基丙烯酰胺基）丙基三甲基氯化铵、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、3-丙烯酰胺丙基三甲基氯化铵、二甲基二烯丙基氯化铵、十八烷基二甲基烯丙基氯化铵、二乙基二烯丙基氯化铵中的一种。
进一步的，所述引发剂的加入量为混合水溶液B质量的0.1%～3%。
进一步的，所述交联剂的加入量为混合水溶液B质量的0.01%～0.3%。
进一步的，所述引发剂为过硫酸铵、过硫酸钾、偶氮二异丁腈。
进一步的，所述交联剂的加入量为N，N-亚甲基双丙烯酰胺和聚乙二醇二甲基丙烯酸酯中的一种。
本发明的有益效果是：
（1）本发明制备的水凝胶中由于甲基丙烯酰胺化多巴胺、阳离子单体和季铵盐改性天然高分子的协同作用具有良好的抗菌性；甲基丙烯酰胺化多巴胺能与细菌表面产生相互作用，促进细菌与水凝胶接触，使水凝胶网络中阳离子聚合物的抗菌性能更好地体现，强化水凝胶的抗菌效果；
（2）本发明中制备的水凝胶中甲基丙烯酰胺化多巴胺增强抗菌效果的同时也能促进细胞的粘附性，增加水凝胶的组织亲和性；
（3）本发明中制备的水凝胶中存在共价交联和非共价交联两种方式，水凝胶在多种复杂液体（如去离子水、人工海水、仿生理环境的磷酸缓冲盐溶液）环境中溶胀率小；
（4）本发明中制备的水凝胶网络中存在大量由阴、阳离子基团所形成的动态可逆的静电相互作用，使其具有良好的机械强度的同时具有优异的可恢复性，并且具有自愈合性能。
附图说明
图1为本发明中实施例1制备的水凝胶的压缩应力-应变曲线。
图2为本发明中实施例1制备的水凝胶上小鼠间充质干细胞的生长情况图（MTT法）。
图3为本发明中实施例1制备的水凝胶上表皮葡萄球菌生长情况图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
一种用于组织修复的仿贻贝接触抗菌水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：配置季铵盐改性天然高分子和甲基丙烯酰胺化多巴胺混合溶液A，混合溶液A中季铵盐改性天然高分子浓度为1wt.%～8wt.%，甲基丙烯酰胺化多巴胺浓度为0.1wt.% ～1wt.%；
步骤2：将质量比为9:1～7:3的阴离子单体和阳离子单体加入混合溶液A中形成混合溶液B；混合水溶液B中阴离子单体和阳离子单体的总浓度为5wt.% ～30wt.%；
步骤3：在混合水溶液B中加入引发剂和交联剂，发生聚合反应，反应完全后形成所需水凝胶。
进一步的，所述步骤3中聚合反应在温度为60℃、密闭条件下反应5～20min。
进一步的，所述季铵盐改性天然高分子为季铵化壳聚糖、季铵化羟基纤维素和阳离子淀粉中的一种。
进一步的，所述阴离子单体为丙烯酸、甲基丙烯酸、对苯乙烯磺酸钠、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠中的一种。
进一步的，所述阳离子单体为甲基丙烯酸二甲氨基乙酯、3-（甲基丙烯酰胺基）丙基三甲基氯化铵、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、3-丙烯酰胺丙基三甲基氯化铵、二甲基二烯丙基氯化铵、十八烷基二甲基烯丙基氯化铵、二乙基二烯丙基氯化铵中的一种。
进一步的，所述引发剂的加入量为混合水溶液B质量的0.1%～3%。
进一步的，所述交联剂的加入量为混合水溶液B质量的0.01%～0.3%。
进一步的，所述引发剂为过硫酸铵、过硫酸钾、偶氮二异丁腈。
进一步的，所述交联剂的加入量为N，N-亚甲基双丙烯酰胺和聚乙二醇二甲基丙烯酸酯中的一种。
实施例1
用于组织修复的仿贻贝接触抗菌水凝胶的制备方法如下：
称取0.1g季铵化壳聚糖溶于10ml去离子水中，充分搅拌均匀，形成透明溶液；称取0.015g甲基丙烯酰胺化多巴胺溶于季铵化壳聚糖溶液中，形成混合溶液A；然后称取1.75g阴离子单体丙烯酸、0.75g阳离子单体甲基丙烯酸二甲氨基乙酯、0.08g过硫酸钠和0.003gN,N-亚甲基双丙烯酰胺加入混合溶液A中搅拌均匀形成混合溶液B；将混合溶液B倒入密闭模具中，置于60℃条件下反应5min，聚合形成水凝胶。
将按照上述方法制备的水凝胶进行压缩试验，图1为其压缩应力应变曲线；从图中可以看出当压缩应变达到85%时，水凝胶未发生破裂，压缩强度达1.25MPa；将水凝胶制备为直径为3mm进行强度测试，在直径为3mm的条件下可以承受200g砝码；可以看出本发明制备的水凝胶具有优异的机械性能。
将小鼠间充质干细胞在本发明制备的水凝胶（B）和传统的聚丙烯酸水凝胶（A）上进行增殖，在增殖时间为3天和7的时候分别进行MTT吸光度法进行测试；测试结果如图2所示；从图中可以看出本发明制备的水凝胶更有利于小鼠间充质干细胞的增殖；说明本发明制备的水凝胶能促进细胞的粘附性，增加水凝胶的组织亲和性。
采用本发明制备的水凝胶（B）和传统的聚丙烯酸水凝胶（A）进行皮葡萄球菌培养，经测试可得到皮葡萄球菌生长情况如图3所示；从图中可以看出聚丙烯酸水凝胶上的皮葡萄球菌要显著多于本发明制备的水凝胶上的皮葡萄球菌；证明本发明制备的水凝胶具有明显的抗菌性，其抗菌性能是传统聚丙烯酸水凝胶的8倍多；本发明以甲基丙烯酰胺化多巴胺、阴离子单体、阳离子单体共聚成带有相反电荷以及仿贻贝官能团的三嵌段共聚物，并在其中掺入带正电的季铵盐改性天然高分子，制备出具有半互穿网络结构的强效接触抗菌超强聚电解质水凝胶；由于阳离子单体和季铵盐改性天然高分子的加入，使其具良好的抗菌性；同时，甲基丙烯酰胺化多巴胺能与细菌表面产生相互作用，捕捉细菌增强水凝胶的抗菌效率；并且甲基丙烯酰胺化多巴胺能促进细菌与水凝胶的接触，使水凝胶网络中阳离子聚合物的抗菌性能更好地体现，强化水凝胶的抗菌效果。
实施例2
用于组织修复的仿贻贝接触抗菌水凝胶的制备方法如下：
称取0.7g季铵化壳聚糖溶于10ml去离子水中，充分搅拌均匀，形成透明溶液；称取0.075g甲基丙烯酰胺化多巴胺溶于季铵化壳聚糖溶液中，形成混合溶液A；然后称取1.75g阴离子单体丙烯酸、0.75g阳离子单体甲基丙烯酸二甲氨基乙酯、0.08g过硫酸钠和0.003gN,N-亚甲基双丙烯酰胺加入混合溶液A中搅拌均匀形成混合溶液B；将混合溶液B倒入密闭模具中，置于60℃条件下反应15min，聚合形成水凝胶。
实施例3
用于组织修复的仿贻贝接触抗菌水凝胶的制备方法如下：
称取0.7g季铵化壳聚糖溶于10ml去离子水中，充分搅拌均匀，形成透明溶液；称取0.075g甲基丙烯酰胺化多巴胺溶于季铵化壳聚糖溶液中，形成混合溶液A；然后称取2.1g阴离子单体丙烯酸、0.9g阳离子单体甲基丙烯酸二甲氨基乙酯、0.120g过硫酸钠和0.008g N,N-亚甲基双丙烯酰胺加入混合溶液A中搅拌均匀形成混合溶液B；将混合溶液B倒入密闭模具中，置于60℃条件下反应15min，聚合形成水凝胶。
实施例4
用于组织修复的仿贻贝接触抗菌水凝胶的制备方法如下：
称取0.1g季铵化羟基纤维素溶于10ml去离子水中，充分搅拌均匀，形成透明溶液；称取0.015g甲基丙烯酰胺化多巴胺溶于季铵化羟基纤维素溶液中，形成混合溶液A；然后称取1.75g阴离子单体丙烯酸、0.75g阳离子单体甲基丙烯酸二甲氨基乙酯、0.08g过硫酸钠和0.003g N,N-亚甲基双丙烯酰胺加入混合溶液A中搅拌均匀形成混合溶液B；将混合溶液B倒入密闭模具中，置于60℃条件下反应5min，聚合形成水凝胶。
实施例5
用于组织修复的仿贻贝接触抗菌水凝胶的制备方法如下：
称取0.1g季铵化壳聚糖溶于10ml去离子水中，充分搅拌均匀，形成透明溶液；称取0.015g甲基丙烯酰胺化多巴胺溶于季铵化壳聚糖溶液中，形成混合溶液A；然后称取1.75g阴离子单体2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠、0.75g阳离子单体甲基丙烯酸二甲氨基乙酯、0.08g过硫酸钠和0.003g N,N-亚甲基双丙烯酰胺加入混合溶液A中搅拌均匀形成混合溶液B；将混合溶液B倒入密闭模具中，置于60℃条件下反应5min，聚合形成水凝胶。
实施例6
用于组织修复的仿贻贝接触抗菌水凝胶的制备方法如下：
称取0.7g季铵化壳聚糖溶于10ml去离子水中，充分搅拌均匀，形成透明溶液；称取0.075g甲基丙烯酰胺化多巴胺溶于季铵化壳聚糖溶液中，形成混合溶液A；然后称取2.1g阴离子单体2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠、0.9g阳离子单体甲基丙烯酸二甲氨基乙酯、0.120g过硫酸钠和0.008g N,N-亚甲基双丙烯酰胺加入混合溶液A中搅拌均匀形成混合溶液B；将混合溶液B倒入密闭模具中，置于60℃条件下反应15min，聚合形成水凝胶。
实施例7
用于组织修复的仿贻贝接触抗菌水凝胶的制备方法如下：
称取0.7g季铵化壳聚糖溶于10ml去离子水中，充分搅拌均匀，形成透明溶液；称取0.075g甲基丙烯酰胺化多巴胺溶于季铵化壳聚糖溶液中，形成混合溶液A；然后称取2.1g阴离子单体2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠、0.9g阳离子单体甲基丙烯酸二甲氨基乙酯、0.120g过硫酸钾和0.008g N,N-亚甲基双丙烯酰胺加入混合溶液A中搅拌均匀形成混合溶液B；将混合溶液B倒入密闭模具中，置于60℃条件下反应15min，聚合形成水凝胶。
实施例8
用于组织修复的仿贻贝接触抗菌水凝胶的制备方法如下：
称取0.5g季铵化壳聚糖溶于10ml去离子水中，充分搅拌均匀，形成透明溶液；称取0.025g甲基丙烯酰胺化多巴胺溶于季铵化壳聚糖溶液中，形成混合溶液A；然后称取2.1g阴离子单体2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠、0.9g阳离子单体3-（甲基丙烯酰氨基）丙基三甲基氯化铵、0.120g过硫酸钠和0.008g 聚乙二醇二甲基丙烯酸酯加入混合溶液A中搅拌均匀形成混合溶液B；将混合溶液B倒入密闭模具中，置于60℃条件下反应10min，聚合形成水凝胶。
本发明上述方案中用到的甲基丙烯酰胺化多巴胺为多巴胺单体通过与甲基丙烯酸酐的酰胺反应制得；并且其是现有化合物。
本发明制备的水凝胶中，由于阳离子单体和季铵盐改性天然高分子的加入，使其具良好的抗菌性，同时，甲基丙烯酰胺化多巴胺能与细菌表面产生相互作用，促进细菌与水凝胶的接触，使水凝胶网络中阳离子聚合物的抗菌性能更好地体现，强化水凝胶的抗菌效果；甲基丙烯酰胺化多巴胺增强抗菌效果的同时也能促进细胞的粘附性，增加水凝胶的组织亲和性；水凝胶网络中存在大量的动态非共价作用，使其具有良好机械强度的同时具有优异的可恢复性，并其该水凝胶还具自愈合性能；由于本水凝胶系统中存在共价交联和非共价交联两种方式，因此水凝在在多种复杂液体环境中（例如去离子水、人工海水、仿生理环境的磷酸缓冲盐溶液等）溶胀率很小。

Claims (9)

1.一种用于组织修复的仿贻贝接触抗菌水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：配置季铵盐改性天然高分子和甲基丙烯酰胺化多巴胺混合溶液A，混合溶液A中季铵盐改性天然高分子浓度为1wt.％～8wt.％，甲基丙烯酰胺化多巴胺浓度为0.1wt.％～1wt.％；
步骤2：将质量比为9:1～7:3的阴离子单体和阳离子单体加入混合溶液A中形成混合溶液B；混合水溶液B中阴离子单体和阳离子单体的总浓度为5wt.％～30wt.％；
步骤3：在混合溶液B中加入引发剂和交联剂，发生聚合反应，反应完全后形成所需水凝胶。
2.根据权利要求1所述的一种用于组织修复的仿贻贝接触抗菌水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤3中聚合反应在温度为60℃、密闭条件下反应5～20min。
3.根据权利要求1所述的一种用于组织修复的仿贻贝接触抗菌水凝胶的制备方法，其特征在于，所述季铵盐改性天然高分子为季铵化壳聚糖、季铵化羟基纤维素和阳离子淀粉中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种用于组织修复的仿贻贝接触抗菌水凝胶的制备方法，其特征在于，所述阴离子单体为丙烯酸、甲基丙烯酸、对苯乙烯磺酸钠、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种用于组织修复的仿贻贝接触抗菌水凝胶的制备方法，其特征在于，所述阳离子单体为甲基丙烯酸二甲氨基乙酯、3-(甲基丙烯酰胺基)丙基三甲基氯化铵、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、3-丙烯酰胺丙基三甲基氯化铵、二甲基二烯丙基氯化铵、十八烷基二甲基烯丙基氯化铵、二乙基二烯丙基氯化铵中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种用于组织修复的仿贻贝接触抗菌水凝胶的制备方法，其特征在于，所述引发剂的加入量为混合水溶液B质量的0.1％～3％。
7.根据权利要求1所述的一种用于组织修复的仿贻贝接触抗菌水凝胶的制备方法，其特征在于，所述交联剂的加入量为混合水溶液B质量的0.01％～0.3％。
8.根据权利要求1所述的一种用于组织修复的仿贻贝接触抗菌水凝胶的制备方法，其特征在于，所述引发剂为过硫酸铵、过硫酸钾、偶氮二异丁腈。
9.根据权利要求1所述的一种用于组织修复的仿贻贝接触抗菌水凝胶的制备方法，其特征在于，所述交联剂的加入量为N，N-亚甲基双丙烯酰胺和聚乙二醇二甲基丙烯酸酯中的一种。
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