CN109529099B - 一种基于三维打印技术的双网络负载壳聚糖酶水凝胶敷料及其制备方法 - Google Patents

一种基于三维打印技术的双网络负载壳聚糖酶水凝胶敷料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于三维打印技术的双网络负载壳聚糖酶水凝胶敷料及其制备方法，包括以下步骤：将游离壳聚糖酶溶液加入到明胶甲基丙烯酰水溶液中，加入光交联剂，搅拌交联，经冻融处理，得到负载壳聚糖酶的明胶甲基丙烯酰水溶液；将壳聚糖溶解在酸性溶液中，搅拌均匀，加入聚乙二醇、石蜡和甲醛，微波预处理后，室温高速搅拌，过滤洗涤，得到壳聚糖改性的聚乙二醇水溶液；将负载壳聚糖酶的明胶甲基丙烯酰水溶液和步骤(2)制备的壳聚糖改性的聚乙二醇水溶液搅拌混合均匀，形成双水相乳液；将双水相乳液在低温冷冻形成水凝胶状态，经3D打印形成三维网络结构，然后升温去除聚乙二醇，得到基于三维打印技术的双网络负载壳聚糖酶水凝胶敷料。

Description

一种基于三维打印技术的双网络负载壳聚糖酶水凝胶敷料及 其制备方法
技术领域
本发明属于医用材料技术领域，具体涉及一种基于三维打印技术的双网络负载壳聚糖酶水凝胶敷料及其制备方法。
背景技术
壳聚糖是指甲壳质经过浓碱、高温处理脱去70％左右乙酰基的甲壳质衍生物，壳聚糖也陈为聚乙酰氨基葡萄糖。壳聚糖的分子是线性结构，含有大量的羚基、氨基、乙酰氨基等电负性基团，因此，壳聚糖大分子内或者大分子之间容易形成较强的氢键，使壳聚糖大分子具有良好的规整性和结晶度，可溶于多种稀酸，且壳聚糖大分子其既具有与植物纤维素相似的结构，又具有类似人体骨胶原组织的结构，因此壳聚糖对人体组织具有良好的生物相容性，对人体无毒无刺激，产生抗原性可能性很小，且具有促进伤口愈合、消炎镇痛、止血等功效，在生物医药领域具有广泛的应用基础。
目前，在生物医药领域具有广泛用途的壳聚糖及其衍生物多为低聚物，具有生物活性的低聚物壳聚糖及其衍生物可制备成膜、水凝胶、纤维等不同形态的敷料。中国专利CN1164336C公开的生物敷料及其制备方法，生物敷料，其特征在于，该生物敷料包括含壳聚糖酶的壳聚糖、醋酸、FE复合酶和水，该生物敷料中含有FE复合酶，FE复合酶杀菌剂在储存过程中将壳聚糖降解成部分低聚糖，提高敷料的抗菌性，又能在伤口渗出液中溶菌酶的作用下被人体吸收成为伤口愈合剂，而未降解部分壳聚糖在伤口自然成膜，形成天然的人造皮肤屏障而阻止病菌入侵，形成了一个天然的人体与有益微生物共同对付病菌的良性生态循环。由于敷料膜的柔软度适宜，在创伤面覆盖平整，不但能镇痛，而且在被人体吸收后生成的表皮光滑，创伤愈合后不用剥离，可以多次重复涂敷。中国专利CN102824654B公开的一种采用双生物酶修饰的明胶与壳聚糖共混生物材料及其制备方法与应用，将明胶溶液和壳聚糖溶液混合均匀，得到明胶与壳聚糖共混溶液，然后向明胶与壳聚糖共混溶液中加入上述微生物转谷氨酰胺酶和酪氨酸酶，搅拌均匀，将反应液倒入培养皿中，在室温下通风干燥，得到双生物酶修饰的明胶与壳聚糖共混材料膜片，然后将膜片氢氧化钠溶液中浸泡，用去离子水冲洗膜片，干燥，得到采用双生物酶修饰的明胶与壳聚糖共混生物材料。该方法制备的材料利用微生物转谷氨酰胺酶使明胶分子中的γ-谷氨酸上的羟酰胺基和赖氨酸上的ε-氨基之间发生结合反应从而形成网状交联，而酪氨酸酶通过将明胶分子中的酪氨酸残基氧化成醌类残基，然后和壳聚糖分子中的氨基反应形成共价连接。因此，通过两种生物酶的协同作用，不仅能够将明胶分子与壳聚糖分子形成稳定的共价连接，同时也形成稳定的网状交联结构，从而大大提高材料的稳定性。由此可知，通过在壳聚糖基敷料中加入生物酶不仅可以提高敷料的抗菌性，还有利于提高敷料的力学性能和稳定性，但是目前生物酶法降解壳聚糖的反应过程复杂，成本高，机理也不容易掌握，因此研究负载壳聚糖酶的壳聚糖及其衍生物的敷料的机理更明了，更容易掌握，更有利于制备功能稳定的壳聚糖基敷料。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于三维打印技术的双网络负载壳聚糖酶水凝胶敷料及其制备方法，本发明将壳聚糖酶固定于明胶甲基丙烯酰水凝胶网络结构之后，与壳聚糖改性的聚乙二醇水溶液混合形成双水相乳液，利用聚乙二醇和石蜡的低温冷冻工艺形成符合3D打印的凝胶，利用3D打印制备的多孔材料与升温去除聚乙二醇和石蜡残留的孔隙，制备得到双网络负载壳聚糖酶水凝胶敷料。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种基于三维打印技术的双网络负载壳聚糖酶水凝胶敷料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将游离壳聚糖酶溶液加入到明胶甲基丙烯酰水溶液中，加入光交联剂，搅拌交联，经冻融处理，得到负载壳聚糖酶的明胶甲基丙烯酰水溶液；
本发明通过冻融处理工艺，将游离状态的壳聚糖酶固定于明胶甲基丙烯酰的网络结构中，壳聚糖酶的活性损失少，固定化的壳聚糖酶的可重复使用性好，稳定性好，便于实现工业化生产。
(2)将壳聚糖溶解在酸性溶液中，搅拌均匀，加入聚乙二醇、石蜡和甲醛，微波预处理后，室温高速搅拌，过滤洗涤，得到壳聚糖改性的聚乙二醇水溶液；
本发明将壳聚糖溶液与聚乙二醇和甲醛反应，将聚乙二醇接枝到壳聚糖表面，而过量的聚乙二醇和石蜡不参与反应，作为致孔剂，有利于之后形成微小的缝隙，而且将壳聚糖与聚乙二醇接枝可以改善壳聚糖的水溶性，还具有一定的温敏性能，制备的敷料可在皮肤表面形成不透明的凝胶，有利于提高敷料的作用效果。
(3)将步骤(1)制备的负载壳聚糖酶的明胶甲基丙烯酰水溶液和步骤(2)制备的壳聚糖改性的聚乙二醇水溶液搅拌混合均匀，形成双水相乳液；
本发明将负载壳聚糖酶的明胶甲基丙烯酰和聚乙二醇接枝壳聚糖作为主要原料，利用两者的不相容性能，借助高速搅拌工艺形成稳定的双水相乳液，有利于之后双网络系统的形成。
(4)将步骤(3)制备的双水相乳液在低温冷冻形成水凝胶状态，经3D打印形成三维网络结构，然后升温去除聚乙二醇，得到基于三维打印技术的双网络负载壳聚糖酶水凝胶敷料。
本发明利用聚乙二醇的较高的熔点，使双水相乳液在低温冷冻形成水凝胶状态，该水凝胶状态满足3D打印技术的要求，利用3D打印技术的层层打印工序，有利于形成精细的孔洞结构，且壳聚糖酶在接触在壳聚糖之后会对壳聚糖进行水解，虽然在低温环境下水解的速率较慢，但是仍然会有部分壳聚糖被水解，使部分聚乙二醇与壳聚糖分离，再升温的过程中，之前过量的聚乙二醇和石蜡，以及被分离的聚乙二醇液化留出，既而形成更加微小的深层次的孔隙，因此，制备得到双网络负载壳聚糖酶水凝胶敷料。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(1)中，冻融处理的工艺为：在-20℃下冷冻4-6h，取出，室温下溶解完全。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(1)中，负载壳聚糖酶的明胶甲基丙烯酰水溶液中壳聚糖酶的活力值为24-26U/mL。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(2)中，壳聚糖、聚乙二醇、石蜡和甲醛的用量比为1g:5-8mL:20-40mL:15-20mL。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(2)中，微波预处理的功率为500-800W，时间为10-90s。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(2)中，高速搅拌的转速为8000-14000r/min，时间为1-2h。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(3)中，负载壳聚糖酶的明胶甲基丙烯酰水溶液和壳聚糖改性的聚乙二醇水溶液的体积比为1:0.6-0.8。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(3)中，搅拌混合的工艺为：先在转速为2000-5000r/min的速率下搅拌10-15min，然后再转速为8000-10000r/min的速率下搅拌15-30min，最后在转速为12000-18000r/min的速率下搅拌1-2h。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(4)中，低温冷冻的温度为15-25℃。
本发明还提供上述所述的任一一种基于三维打印技术的双网络负载壳聚糖酶水凝胶敷料。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明制备的基于三维打印技术的双网络负载壳聚糖酶水凝胶敷料的主要原料为负载壳聚糖酶的明胶甲基丙烯酰和聚乙二醇接枝壳聚糖，两者都是优异的生物材料，生物相容性好，无毒无刺激，其中明胶甲基丙烯酰具有固有生物活性和可光交联的特性，因此通过冻融工艺将壳聚糖酶牢固的固定于明胶甲基丙烯酰水凝胶中，然后将负载壳聚糖酶的明胶甲基丙烯酰和聚乙二醇接枝壳聚糖相互交缠形成双网络结构敷料，不仅具有温感性，优异的成膜性，而且在使用的过程中，壳聚糖酶会对壳聚糖进行水解形成水溶性、抗菌性和成膜性更好的壳寡糖，敷料的功能性更佳。
(2)本发明的制备方法简单，可控性，可重复性佳，稳定性好，适合于工业化连续生产，制备的敷料同时具有宏观和微观的多级孔洞，更有利于微生物的附着和繁衍，且敷料的透气性、抗菌性和力学性能好，可以长期作用于创面，促使创面更快的愈合，且敷料不易受污染，降低了频繁换药对创面的影响，使用性佳，有利于市场推广。
具体实施方式
下面将结合具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
实施例1：
(1)将游离壳聚糖酶溶液加入到明胶甲基丙烯酰水溶液中，加入光交联剂，搅拌交联，在-20℃下冷冻4h，取出，室温下溶解完全，得到负载壳聚糖酶的明胶甲基丙烯酰水溶液，其中，负载壳聚糖酶的明胶甲基丙烯酰水溶液中壳聚糖酶的活力值为24U/mL。
(2)按照壳聚糖、聚乙二醇、石蜡和甲醛的用量比为1g:5mL:20mL:15mL，将壳聚糖溶解在酸性溶液中，搅拌均匀，加入聚乙二醇、石蜡和甲醛，在500W功率下微波预处理10s后，在室温下，在8000r/min转速下高速搅拌1h，过滤洗涤，得到壳聚糖改性的聚乙二醇水溶液。
(3)将体积比为1:0.6的负载壳聚糖酶的明胶甲基丙烯酰水溶液和壳聚糖改性的聚乙二醇水溶液先在转速为2000r/min的速率下搅拌10min，然后再转速为8000r/min的速率下搅拌15min，最后在转速为12000r/min的速率下搅拌1h，形成双水相乳液。
(4)将双水相乳液在15℃低温冷冻形成水凝胶状态，经3D打印形成三维网络结构，然后升温至55℃去除聚乙二醇，得到基于三维打印技术的双网络负载壳聚糖酶水凝胶敷料。
实施例2：
(1)将游离壳聚糖酶溶液加入到明胶甲基丙烯酰水溶液中，加入光交联剂，搅拌交联，在-20℃下冷冻6h，取出，室温下溶解完全，得到负载壳聚糖酶的明胶甲基丙烯酰水溶液，其中，负载壳聚糖酶的明胶甲基丙烯酰水溶液中壳聚糖酶的活力值为26U/mL。
(2)按照壳聚糖、聚乙二醇、石蜡和甲醛的用量比为1g:8mL:40mL:20mL，将壳聚糖溶解在酸性溶液中，搅拌均匀，加入聚乙二醇、石蜡和甲醛，在800W功率下微波预处理90s后，在室温下，在14000r/min转速下高速搅拌2h，过滤洗涤，得到壳聚糖改性的聚乙二醇水溶液。
(3)将体积比为1:0.8的负载壳聚糖酶的明胶甲基丙烯酰水溶液和壳聚糖改性的聚乙二醇水溶液先在转速为5000r/min的速率下搅拌15min，然后再转速为10000r/min的速率下搅拌30min，最后在转速为18000r/min的速率下搅拌2h，形成双水相乳液。
(4)将双水相乳液在25℃低温冷冻形成水凝胶状态，经3D打印形成三维网络结构，然后升温至60℃去除聚乙二醇，得到基于三维打印技术的双网络负载壳聚糖酶水凝胶敷料。
实施例3：
(1)将游离壳聚糖酶溶液加入到明胶甲基丙烯酰水溶液中，加入光交联剂，搅拌交联，在-20℃下冷冻5h，取出，室温下溶解完全，得到负载壳聚糖酶的明胶甲基丙烯酰水溶液，其中，负载壳聚糖酶的明胶甲基丙烯酰水溶液中壳聚糖酶的活力值为25U/mL。
(2)按照壳聚糖、聚乙二醇、石蜡和甲醛的用量比为1g7mL:30mL:17mL，将壳聚糖溶解在酸性溶液中，搅拌均匀，加入聚乙二醇、石蜡和甲醛，在600W功率下微波预处理30s后，在室温下，在11000r/min转速下高速搅拌1.5h，过滤洗涤，得到壳聚糖改性的聚乙二醇水溶液。
(3)将体积比为1:0.7的负载壳聚糖酶的明胶甲基丙烯酰水溶液和壳聚糖改性的聚乙二醇水溶液先在转速为4000r/min的速率下搅拌13min，然后再转速为9000r/min的速率下搅拌20min，最后在转速为15000r/min的速率下搅拌11.5h，形成双水相乳液。
(4)将双水相乳液在18℃低温冷冻形成水凝胶状态，经3D打印形成三维网络结构，然后升温至58℃去除聚乙二醇，得到基于三维打印技术的双网络负载壳聚糖酶水凝胶敷料。
实施例4：
(1)将游离壳聚糖酶溶液加入到明胶甲基丙烯酰水溶液中，加入光交联剂，搅拌交联，在-20℃下冷冻5.5h，取出，室温下溶解完全，得到负载壳聚糖酶的明胶甲基丙烯酰水溶液，其中，负载壳聚糖酶的明胶甲基丙烯酰水溶液中壳聚糖酶的活力值为24.5U/mL。
(2)按照壳聚糖、聚乙二醇、石蜡和甲醛的用量比为1g:6mL:25mL:16mL，将壳聚糖溶解在酸性溶液中，搅拌均匀，加入聚乙二醇、石蜡和甲醛，在600W功率下微波预处理60s后，在室温下，在10000r/min转速下高速搅拌2h，过滤洗涤，得到壳聚糖改性的聚乙二醇水溶液。
(3)将体积比为1:0.6的负载壳聚糖酶的明胶甲基丙烯酰水溶液和壳聚糖改性的聚乙二醇水溶液先在转速为3500r/min的速率下搅拌11min，然后再转速为9500r/min的速率下搅拌25min，最后在转速为17000r/min的速率下搅拌2h，形成双水相乳液。
(4)将双水相乳液在22℃低温冷冻形成水凝胶状态，经3D打印形成三维网络结构，然后升温至58℃去除聚乙二醇，得到基于三维打印技术的双网络负载壳聚糖酶水凝胶敷料。
实施例5：
(1)将游离壳聚糖酶溶液加入到明胶甲基丙烯酰水溶液中，加入光交联剂，搅拌交联，在-20℃下冷冻4h，取出，室温下溶解完全，得到负载壳聚糖酶的明胶甲基丙烯酰水溶液，其中，负载壳聚糖酶的明胶甲基丙烯酰水溶液中壳聚糖酶的活力值为26U/mL。
(2)按照壳聚糖、聚乙二醇、石蜡和甲醛的用量比为1g:5mL:40mL:15mL，将壳聚糖溶解在酸性溶液中，搅拌均匀，加入聚乙二醇、石蜡和甲醛，在800W功率下微波预处理10s后，在室温下，在14000r/min转速下高速搅拌1h，过滤洗涤，得到壳聚糖改性的聚乙二醇水溶液。
(3)将体积比为1:0.8的负载壳聚糖酶的明胶甲基丙烯酰水溶液和壳聚糖改性的聚乙二醇水溶液先在转速为2000r/min的速率下搅拌15min，然后再转速为8000r/min的速率下搅拌30min，最后在转速为12000r/min的速率下搅拌2h，形成双水相乳液。
(4)将双水相乳液在15℃低温冷冻形成水凝胶状态，经3D打印形成三维网络结构，然后升温至60℃去除聚乙二醇，得到基于三维打印技术的双网络负载壳聚糖酶水凝胶敷料。
实施例6：
(1)将游离壳聚糖酶溶液加入到明胶甲基丙烯酰水溶液中，加入光交联剂，搅拌交联，在-20℃下冷冻6h，取出，室温下溶解完全，得到负载壳聚糖酶的明胶甲基丙烯酰水溶液，其中，负载壳聚糖酶的明胶甲基丙烯酰水溶液中壳聚糖酶的活力值为24U/mL。
(2)按照壳聚糖、聚乙二醇、石蜡和甲醛的用量比为1g:8mL:20mL:20mL，将壳聚糖溶解在酸性溶液中，搅拌均匀，加入聚乙二醇、石蜡和甲醛，在500W功率下微波预处理90s后，在室温下，在8000r/min转速下高速搅拌2h，过滤洗涤，得到壳聚糖改性的聚乙二醇水溶液。
(3)将体积比为1:0.6的负载壳聚糖酶的明胶甲基丙烯酰水溶液和壳聚糖改性的聚乙二醇水溶液先在转速为5000r/min的速率下搅拌10min，然后再转速为10000r/min的速率下搅拌15min，最后在转速为18000r/min的速率下搅拌1h，形成双水相乳液。
(4)将双水相乳液在25℃低温冷冻形成水凝胶状态，经3D打印形成三维网络结构，然后升温至55℃去除聚乙二醇，得到基于三维打印技术的双网络负载壳聚糖酶水凝胶敷料。
实施例1-6制备的基于三维打印技术的双网络负载壳聚糖酶水凝胶敷料的机械性能、抗菌性能、透湿性能和稳定性能的结果如下所述：
Figure BDA0001881480630000071
由上表可见，本发明制备的基于三维打印技术的双网络负载壳聚糖酶水凝胶敷料的机械性能好，由于壳聚糖酶的长期作用，使敷料的抗菌性和透湿率的稳定效率好，长期使用效果佳。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种基于三维打印技术的双网络负载壳聚糖酶水凝胶敷料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将游离壳聚糖酶溶液加入到明胶甲基丙烯酰水溶液中，加入光交联剂，搅拌交联，经冻融处理，得到负载壳聚糖酶的明胶甲基丙烯酰水溶液；
(2)将壳聚糖溶解在酸性溶液中，搅拌均匀，加入聚乙二醇、石蜡和甲醛，微波预处理后，室温高速搅拌，过滤洗涤，得到壳聚糖改性的聚乙二醇水溶液，壳聚糖、聚乙二醇、石蜡和甲醛的用量比为1g:5-8mL:20-40mL:15-20mL；
(3)将步骤(1)制备的负载壳聚糖酶的明胶甲基丙烯酰水溶液和步骤(2)制备的壳聚糖改性的聚乙二醇水溶液搅拌混合均匀，形成双水相乳液；
(4)将步骤(3)制备的双水相乳液在低温冷冻形成水凝胶状态，低温冷冻的温度为15-25℃，经3D打印形成三维网络结构，然后升温至55℃或58℃或60℃去除聚乙二醇，得到基于三维打印技术的双网络负载壳聚糖酶水凝胶敷料。
2.根据权利要求1所述的一种基于三维打印技术的双网络负载壳聚糖酶水凝胶敷料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，冻融处理的工艺为：在-20℃下冷冻4-6h，取出，室温下溶解完全。
3.根据权利要求1所述的一种基于三维打印技术的双网络负载壳聚糖酶水凝胶敷料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，负载壳聚糖酶的明胶甲基丙烯酰水溶液中壳聚糖酶的活力值为24-26U/mL。
4.根据权利要求1所述的一种基于三维打印技术的双网络负载壳聚糖酶水凝胶敷料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，微波预处理的功率为500-800W，时间为10-90s。
5.根据权利要求1所述的一种基于三维打印技术的双网络负载壳聚糖酶水凝胶敷料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，高速搅拌的转速为8000-14000r/min，时间为1-2h。
6.根据权利要求1所述的一种基于三维打印技术的双网络负载壳聚糖酶水凝胶敷料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，负载壳聚糖酶的明胶甲基丙烯酰水溶液和壳聚糖改性的聚乙二醇水溶液的体积比为1:0.6-0.8。
7.根据权利要求1所述的一种基于三维打印技术的双网络负载壳聚糖酶水凝胶敷料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，搅拌混合的工艺为：先在转速为2000-5000r/min的速率下搅拌10-15min，然后再转速为8000-10000r/min的速率下搅拌15-30min，最后在转速为12000-18000r/min的速率下搅拌1-2h。
8.权利要求1-7所述的任一一种制备方法得到的基于三维打印技术的双网络负载壳聚糖酶水凝胶敷料。
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