CN109331216B - 一种快速止血水凝胶及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速止血水凝胶，其包括丙烯酰胺、无机纳米粒子、单宁酸、交联剂、引发剂和促进剂，其中，无机纳米粒子的加入量为丙烯酰胺重量的0.2～10％，单宁酸的加入量为丙烯酰胺重量的1～20％，交联剂的加入量为丙烯酰胺重量的0.25～2％，引发剂的加入量为丙烯酰胺重量的0.5～3％，促进剂的加入量为每100g丙烯酰胺加入20～40μL。本发明的优点在于：1、本发明制备的一种具有湿润组织粘附能力的快速止血水凝胶，在使用时无需依靠额外的粘附剂、绷带等，可以牢固地粘附于机体组织，并在反复多次使用过程中能够保持良好的粘附强度，且很容易剥离；2、水凝胶止血材料具有较高的力学强度，其断裂伸长率可高达2200％，压缩强度10.15±0.36MPa，能够满足外科手术的要求。

Description

一种快速止血水凝胶及其制备方法

技术领域

本发明属于生物医用材料领域，具体涉及一种快速止血水凝胶的配方及其制备方法和应用。

背景技术

快速止血材料可以高效控制外伤伤口的失血，从而有效降低战争和日常意外事故中外伤大出血伤员的死亡率。根据止血机制：凝血过程可以分为三种，内源性凝血途径、外源性凝血途径和共同凝血途径。人们可以通过两种方式达到快速止血：一是促进血管收缩，管腔变窄，使损伤部位血流减慢。二是快速激活凝血因子、加快凝血串联反应。国内外使用的止血材料主要为无机材料和高分子材料两种：无机材料的止血效果比高分子止血材料好，但是，无机止血材料的缺点更加明显，比如：含有沸石的QuikClot材料在使用时会因产生高放热反应而损伤创面组织；含有蒙脱石的WoundStat材料由于使用后易残留在脉管和肺部导致血栓而被禁止使用；含有高岭土的Combat Gauze材料其止血效果显著，但缺点是可控性低且容易残留。常见高分子止血材料主要有HemCon、Celox和Celox-D等。它们的主要成分为壳聚糖，特点是能够快速止血，但缺点是不能应用到大出血。

总之，目前缺乏同时拥有止血效率高、黏附性强、生物安全性高的止血材料。因此，研发安全、高效的新型止血材料成为研究热点，其中水凝胶止血材料越来越得到人们的关注。例如哈佛大学的Li等人报道了一种新型水凝胶止血材料，这种材料可以迅速粘接组织达到快速止血，同时又能保持极高的组织粘附能力，(Li J,Celiz A D,Yang J,etal.Science,2017,357，378.)。Zhao等人合成了季胺化壳聚糖-g-聚苯胺(QCSP)，采用芳香醛基修饰的聚乙二醇/聚(甘油-葵二酸)作交联剂与QCSP进行动态化学键交联，制备同时具有自愈合、高粘合力的可注射水凝胶止血材料。该水凝胶的原位成胶和组织粘合性能可以快速封闭任意形状的伤口，为其提供物理屏障，凝胶的止血和抗菌性能可以让伤口快速止血并防止伤口感染，(Zhao X,Wu H,Guo B,et al.Biomaterials,2017,122，34.)。Wang等人利用ε-聚赖氨酸模拟粘合蛋白的骨架结构，赋予水凝胶材料在湿态条件下粘附能力，其粘附能为147kPa，这种凝胶与组织表面牢固的机械互锁效应赋予水凝胶优异的伤口封堵止血和组织一体化整合能力，(Wang R,Li J,Chen W,et al.Advanced Functional Materials,2017,27，1604894.)。Kim等人采用氨基改姓聚乙二醇和单宁酸制备了一种水凝胶，这种水凝胶由氢键物理交联形成，导致其力学强度较低，但在老鼠肝脏模型中，完全止血仅需30秒，(Kim K,Shin M,Koh M,et al.Advanced Functional Materials,2015,25，2402.)。

然而，上述几种水凝胶的力学强度低，在湿态环境下粘附能力较弱。

发明内容

为了克服现有技术中所存在的上述缺点，本发明提供了一种由丙烯酰胺、单宁酸与无机纳米粒子反应制备一种力学性能高、湿态组织粘附能力强和快速止血能力的水凝胶及其制备方法。

一种快速止血水凝胶，其包括丙烯酰胺、无机纳米粒子、单宁酸、交联剂、引发剂和促进剂，其中，无机纳米粒子的加入量为丙烯酰胺重量的0.2～10％，单宁酸的加入量为丙烯酰胺重量的1～20％，交联剂的加入量为丙烯酰胺重量的0.25～2％，引发剂的加入量为丙烯酰胺重量的0.5～3％，促进剂的加入量为20～40μL/100g，即每100g丙烯酰胺加入20～40μL促进剂。

作为优选方案，所述交联剂为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、多缩乙二醇二丙烯酸酯、多缩乙二醇二甲基丙烯酸酯中的一种。

作为优选方案，所述引发剂为过硫酸铵、过硫酸钠、过硫酸钾中的一种。

作为优选方案，所述促进剂为N,N,N',N'-四甲基乙二胺。

作为优选方案，所述无机纳米粒子为高岭土、羟基磷灰石、二氧化硅中的一种。

一种如前述的快速止血水凝胶的制备方法，其包括如下步骤：

将丙烯酰胺和无机纳米粒子加入去离子水中，混合均匀后，得到混合溶液I；

在所述混合溶液I中加入单宁酸、交联剂、引发剂和促进剂，混合均匀后，得到混合溶液II；

将所述混合溶液II转移到模具中，在40～70℃下进行反应，得到所述快速止血水凝胶。

与传统方法相比，本发明具有以下突出优点：

1、本发明制备的一种快速止血水凝胶，水凝胶中的单宁酸含有丰富的儿茶酚基团，使之能与组织表面基团形成氢键和共价键，赋予凝胶组织粘附能力；在使用时无需依靠额外的粘附剂、绷带等，可以牢固地粘附于机体组织，并在反复多次使用过程中能够保持良好的粘附强度，且很容易剥离，对人体皮肤组织无刺激性；

2、水凝胶止血材料具有较高的力学强度，其断裂伸长率可高达2200％，压缩强度10.15±0.36MPa，能够满足外科手术的要求；

3、它对多种基体具有良好的粘附效果，如对猪皮、铁片、玻璃、纸片的粘附强度分别高达0.60±0.07MPa、1.50±0.12MPa、2.12±0.24MPa、2.01±0.17MPa；

4、本发明制备的水凝胶在湿态环境具有很强的粘附能力，在止血时，首先起到物理封堵作用，其次含有高岭土、羟基磷灰石等无机纳米粒子，具有激活凝血因子的功能，加速凝血串联反应，二者的协同作用使水凝胶具有快速止血性能。经细胞毒性检测，该水凝胶具有良好的细胞相容性、无炎症反应。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为PAM-TA-KA1水凝胶压缩到90％应力-应变曲线；

图2为PAM-TA-KA2水凝胶拉伸应力-应变曲线；

图3为PAM-TA-KA4对猪皮剥离曲线；

图4为PAM-TA-KA系列水凝胶在老鼠股动脉伤口上的止血时间；

图5为PAM-TA-KA2和PAM-TA-KA4水凝胶细胞相容性检测。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

室温下将丙烯酰胺(AM)(5g)和纳米高岭土(KA)(0.03g)，加入12g去离子水中，搅拌6h后，超声1h，使之混合均匀，得到混合溶液Ⅰ；转移到冰水浴后，向混合溶液Ⅰ依次加入单宁酸(TA)(0.32g)、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺(12.5mg)、过硫酸铵(25mg)，搅拌20min，得到混合溶液Ⅱ；向混合溶液Ⅱ加促进剂四甲基乙二胺(20μL)并搅拌10min后，将之转移到模具中，在40℃聚合8h得到样品，编号为PAM-TA-KA1。其压缩强度、拉伸强度、断裂伸长率见表1，对不同基体的粘附强度见表2。

实施例2

室温下将AM(5g)和KA(0.07g)，加入12g去离子水中，搅拌6h后，超声1h，使之混合均匀，得到混合溶液Ⅰ；转移到冰水浴后，向混合溶液Ⅰ依次加入TA(0.32g)、N,N，-亚甲基双丙烯酰胺(12.5mg)、过硫酸铵(25mg)得到混合溶液Ⅱ；搅拌20min后，向混合溶液Ⅱ加促进剂四甲基乙二胺(20μL)，搅拌10min后，转移到模具中，40℃聚合8h得到样品，编号为PAM-TA-KA2。其压缩强度、拉伸强度、断裂伸长率见表1，对不同基体的粘附强度见表2。

实施例3

室温下将AM(5g)和KA(0.10g)，加入12g去离子水中，搅拌6h后，超声1h，使之混合均匀，得到混合溶液Ⅰ；转移到冰水浴后，向混合溶液Ⅰ依次加入TA(0.32g)、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(12.5mg)、过硫酸铵(25mg)得到混合溶液Ⅱ；搅拌20min后，向混合溶液Ⅱ加促进剂四甲基乙二胺(20μL)，搅拌10min后，转移到模具中，40℃聚合8h得到样品,编号为PAM-TA-KA3。其压缩强度、拉伸强度、断裂伸长率见表1，对不同基体的粘附强度见表2。

实施例4

室温下将AM(5g)和KA(0.14g)，加入12g去离子水中，搅拌6h后，超声1h，使之混合均匀，得到混合溶液Ⅰ；转移到冰水浴后，向混合溶液Ⅰ依次加入TA(0.32g)、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺(12.5mg)、过硫酸铵(25mg)得到混合溶液Ⅱ；搅拌20min后，向混合溶液Ⅱ加促进剂四甲基乙二胺(20μL)，搅拌10min后，转移到模具中，40℃聚合8h得到样品,编号为PAM-TA-KA4。其压缩强度、拉伸强度、断裂伸长率见表1，对不同基体的粘附强度见表2。

实施例5

室温下将AM(5g)和KA(0.17g)，加入12g去离子水中，搅拌6h后，超声1h，使之混合均匀，得到混合溶液Ⅰ；转移到冰水浴后，向混合溶液Ⅰ依次加入TA(0.32g)、N,N，-亚甲基双丙烯酰胺(12.5mg)、过硫酸铵(25mg)得到混合溶液Ⅱ；搅拌20min后，向混合溶液Ⅱ加促进剂四甲基乙二胺(20μL)，搅拌10min后，转移到模具中，40℃聚合8h得到样品，编号为PAM-TA-KA5。其压缩强度、拉伸强度、断裂伸长率见表1，对不同基体的粘附强度见表2。

实施例6

室温下将AM(5g)和羟基磷灰石(HA)(0.05g)，加入12g去离子水中，搅拌6h后，超声1h，使之混合均匀，得到混合溶液I；转移到冰水浴后，向混合溶液I依次加入TA(0.32g)、N,N，-亚甲基双丙烯酰胺(12.5mg)、过硫酸铵(25mg)得到混合溶液II；搅拌20min后，向混合溶液Ⅱ加促进剂四甲基乙二胺(20μL)，搅拌10min后，转移到模具中，40℃聚合8h得到样品，编号为PAM-TA-HA。其压缩强度、拉伸强度、断裂伸长率见表1，对不同基体的粘附强度见表2。

对比例1

本对比例与实施例1的区别仅在于，以多巴胺代替了单宁酸，得到的样品编号为PAM-DO-KA。其压缩强度、拉伸强度、断裂伸长率见表1，对不同基体的粘附强度见表2。

由实施例1和对比例1的对比可知，由于单宁酸的特殊结构，所制备快速止血水凝胶的力学性能和不同基体的粘附强度均比多巴胺的强，在生物方面具有一定应用潜力。

实施例7

选取200～250g大鼠，用1mL 10％水合氯醛溶液麻醉大鼠，之后在大鼠大腿剪开2cm伤口，让股动脉暴露，然后用手术刀切断，贴上PAM-TA-KA系列水凝胶，开始计时，观察周围是否有渗血现象，没有渗血时停止计时，即为止血时间。实验结束时，实验大鼠被安乐死。实验结果示于图4。止血完成后，撕掉水凝胶，没有看到残余的凝胶，也没有发现炎症。与空白对照组相比，PAM-TA-KA系列水凝胶能够明显缩短止血时间，充分说明该水凝胶具有良好的止血效果。

实施例8

来源于L929小鼠成纤维细胞在含10％牛血清蛋白及100U/mL青霉素、100mg/mL链霉素的α-MEM培养基中进行细胞培养。培养条件为37℃，5％v/vCO₂，每两天进行一次传代。将水凝胶切成厚约0.1cm的薄片，通过高压灭菌器消毒后放置于24孔细胞培养板中。然后将L929细胞以4×10⁴个/mL的密度接种在水凝胶片上，培养不同天数(1、3、7天)。不同凝胶基底上的细胞存活率通过3-(4,5-二甲基噻唑-2)-2,5-二苯基四氮唑溴盐法进行测定，即MTT法。在培养到相应时间点后，将40μL浓度为5mg/mL的MTT溶液加入300μL培养基中继续培养4h。移除培养基后，加入400μL二甲亚砜(DMSO)溶解显色产物。采用多功能酶标仪读取溶液在490nm的吸光度值OD。水凝胶对细胞活力的影响通过活死细胞荧光染色法进行表征。将L929细胞以2×10⁴个/ml的密度接种于水凝胶上，在37℃，5％v/vCO₂条件下分别培养24h和48h。达到相应培养时间后，移除培养基，用活-死细胞染色试剂盒进行染色。将1mM钙黄绿素和2mM溴乙啡锭二聚体溶解于磷酸盐缓冲溶液(PBS)中，取300μL加入移除培养基的培养孔中。在37℃染色，30min后通过荧光显微镜进行观察和拍照，实验结果如图5所示。可以看出，L929细胞生长状态良好，实验组的细胞增长率与对照组基本相似，说明PAM-TA-KA系列水凝胶对细胞生长没有抑制作用，具有良好生物相容性。

表1 PAM-TA-KA系列水凝胶的压缩强度、拉伸强度以及断裂伸长率

表2 PAM-TA-KA系列水凝胶在不同基体上的粘附强度

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种快速止血水凝胶，其特征在于，包括丙烯酰胺、无机纳米粒子、单宁酸、交联剂、引发剂和促进剂，其中，无机纳米粒子的加入量为丙烯酰胺重量的0.2～10％，单宁酸的加入量为丙烯酰胺重量的1～20％，交联剂的加入量为丙烯酰胺重量的0.25～2％，引发剂的加入量为丙烯酰胺重量的0.5～3％，促进剂的加入量为20～40μL/100g；所述无机纳米粒子为高岭土、羟基磷灰石、二氧化硅中的一种。

2.如权利要求1所述的快速止血水凝胶，其特征在于，所述交联剂为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、多缩乙二醇二丙烯酸酯、多缩乙二醇二甲基丙烯酸酯中的一种。

3.如权利要求1所述的快速止血水凝胶，其特征在于，所述引发剂为过硫酸铵、过硫酸钠、过硫酸钾中的一种。

4.如权利要求1所述的快速止血水凝胶，其特征在于，所述促进剂为N,N,N',N'-四甲基乙二胺。

5.一种如权利要求1所述的快速止血水凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

将丙烯酰胺和无机纳米粒子加入去离子水中，混合均匀后，得到混合溶液I；

在所述混合溶液I中加入单宁酸、交联剂、引发剂和促进剂，混合均匀后，得到混合溶液II；

将所述混合溶液II转移到模具中，在40～70℃下进行反应，得到所述快速止血水凝胶。

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