CN110563974B - 一种活性氧响应的自崩解水凝胶及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于凝胶材料技术领域，具体涉及一种活性氧响应的自崩解水凝胶、制备方法及应用，所述水凝胶由瓜尔豆胶和Im‑Ba交联而成。本发明提供的水凝胶制备方法具有操作简单、成胶快速的优点，并且制备的水凝胶具有良好的弹性性能、自愈性能、机械强度、溶胀性以及生物相容性，而且能够响应创面高活性氧(ROS)微环境，使凝胶中的苯硼酸酯键断裂，实现水凝胶自动崩解。该水凝胶在保护创面、防止伤口细菌感染及促进创面愈合中具有明显优势，可以作为保护创面、促进伤口愈合的敷料或者载药凝胶的基质。

Description

一种活性氧响应的自崩解水凝胶及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于凝胶材料技术领域，具体涉及一种活性氧响应的自崩解水凝胶、制备方法及应用。
背景技术
创面是正常皮肤或组织在外界致伤因子的作用下所导致的损害，常见的创伤有手术切开、擦伤、烧伤、供皮区、褥疮、下肢血管性溃疡、糖尿病溃疡以及其它难愈合性创面等，创面的自然愈合期限较长，容易导致创面感染。由于凝胶本身具有良好的吸湿性，可用于制备创面愈合敷料和药物载体。常用的水凝胶敷料主要是由抑菌性良好的壳聚糖材料或者吸湿性较强的海藻酸盐材料制备的，主要用于抗菌消炎，但是，这类水凝胶的交联强度低、力学性能差。而现有技术中为了制备高强度水凝胶，除了使用天然高分子外，往往还需要添加丙烯酰胺、N,N'-二甲基丙烯酰胺、丙烯酸及其盐、甲基丙烯酸及其盐、甲基丙烯酸十八酯、甲基丙烯酸月桂酸酯等成份，这些化学成份在引发、聚合以及交联过程前后会对细胞培养产生毒性。而且与正常伤口愈合过程相比，难治性糖尿病足溃疡的创面经历更长的炎症期，其中病理微环境表现为ROS的增加，而现有水凝胶材料的ROS响应性能差，在ROS环境下的崩解性能较弱，因此，制备ROS敏感响应崩解的凝胶材料有望解决凝胶材料用于高糖创面时面临的崩解时间缓慢及包载药物无法释放的问题。
瓜尔豆胶(GG)是目前高效的水增稠剂之一，具有良好的生物相容性，通常作为增稠剂、稳定剂、粘结剂和乳化剂等，其中瓜尔豆胶与交联剂交联成胶是目前常见的一种制备凝胶敷料和凝胶载体的方法。但是，很多交联剂对机体有毒副作用，会影响瓜尔豆胶的生物相容性，导致炎症的发生，并且普通的交联剂在与瓜尔豆胶交联成胶的过程中存在成胶时间长的缺点。
因此，非常有必要提供一种安全性高的交联剂用于瓜尔胶水凝胶的制备，并获得一种交联强度高、力学性能好，成胶时间快、安全性好、且能够基于ROS响应自动崩解的水凝胶材料，并用于创面愈合的敷料或载体。
基于现有水凝胶存在的问题，申请人从交联剂入手，经过筛选研究，意外的发现，由对二苯胺和甲酰基苯硼酸反应合成的Im-Ba((((1E,1'E)-(1,4-phenylenebis(azanylylidene))bis(methanylylidene))bis(4,1-phenylene))diboronic acid)可以作为一种优异的交联剂，其与含有邻羟基的高分子材料交联成胶，能够显著缩短成胶时间；并且Im-Ba与瓜尔豆胶交联制备的水凝胶具有弹性性能好，机械强度强，自愈性能好，溶胀性优良及生物相容性好等优点，并且能够在创面ROS环境下自动崩解，可以作为保护创面、促进伤口愈合的敷料或者载药凝胶的基质。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Im-Ba作为硼交联剂的新用途，所述Im-Ba的结构式如下式(Ⅰ)所述：
Figure BDA0002223406350000021
优选地，所述Im-Ba作为交联剂与高分子材料共价交联。
优选地，所述高分子材料为含邻羟基结构的高分子材料。
本发明的另一目的在于提供一种自崩解水凝胶，所述自崩解水凝胶由瓜尔豆胶和Im-Ba共价交联组成。
本发明的另一目的在于提供一种自崩解水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
(1)取Im-Ba样品，配置成Im-Ba溶液，调节pH至8-9；
(2)将瓜尔豆胶粉末溶解，配置成瓜儿豆胶溶液；
(3)将步骤(1)所述的Im-Ba溶液加入到步骤(2)所得的瓜尔豆胶溶液中搅拌混合，即得自崩解水凝胶。
优选地，所述步骤(1)中Im-Ba溶液的浓度为0.5％-3％m/v，步骤(2)中瓜儿豆胶溶液浓度为1％-5％m/v，步骤(3)中瓜尔豆胶溶液与Im-Ba溶液的体积比为1:1-6:1。
优选地，所述步骤(1)中的Im-Ba浓度为1％m/v，所述步骤(2)中瓜儿豆胶溶液浓度为3％m/v，步骤(3)中瓜尔豆胶溶液与Im-Ba溶液的体积比为3:1。
本发明的另一目的在于提供一种自崩解水凝胶在制备促进创面愈合可注射纳米复合水凝胶体系中的应用。
本发明的另一目的在于提供一种自崩解水凝胶在制备促进创口愈合材料中的应用。
优选地，所述创面为高糖创面。
本发明的有益效果是：①以本发明提供的凝胶制备方法制备的水凝胶，原材料易于得到，降低成本，具有成胶快速的优点，能够在30s内快速成胶，可应用于工业化生产；②制备的水凝胶生物组织相容性良好，安全性高；③制备的水凝胶的溶胀较高，最高可达1700％，具有强大的吸水功能，能够有效吸收伤口周围的炎性渗液，促进伤口愈合；④制备的水凝胶具有响应创面ROS环境，实现凝胶快速崩解的特点。
附图说明
图1水凝胶组织相容性结果
图2高糖小鼠创面愈合结果
具体实施方式
本发明所述的水凝胶是通过瓜尔豆胶与Im-Ba通过链式聚合交联获得。下面通过具体实施例对本发明进行详细的阐述，但本发明的保护范围并不限于以下实施例，任何本领域的技术人员在本发明的基础上，结合本领域公知常识所能想到的技术方案，都属于本发明的保护范围。
凝胶时间的测定：通过观察法观测水凝胶单体流动性的变化，从溶液失去流动性的时间定义水凝胶的凝胶时间。
溶胀性测定：将凝胶材料样品-80℃冷冻过夜，并用真空冷冻干燥机去除水分。将冻干的凝胶样品放入37℃PBS中测定水凝胶的溶胀率。水凝胶的溶胀率计算公式如下:溶胀率(％)＝(Wt-W0)/W0×100，其中Wt为不同时间水凝胶的湿重，W0为冷冻干燥后的干燥重量。
拉伸性能测定：取凝胶材料样品1200μL，在室温条件下，用手进行拉伸，直尺记录其拉伸长度，确定水凝胶的拉伸性能。
自愈性能测定：取凝胶材料样品制备成两块1cm2大小的凝胶块，对其中一块用食用染料对水凝胶进行染色，两种水凝胶在室温下接触2min后用镊子拉伸水凝胶，测试其自愈性能。
可注射性能测定：将凝胶材料样品用可食用染料进行染色，分成小块装入2.5mL注射器内，挤压注射器鉴定凝胶的可注射性能。
H2O2敏感性：将凝胶材料样品制备成质量1g的球形凝胶，分别浸入PBS溶液和1MH2O2溶液中，通过记录凝胶溶解的时间，鉴定其H2O2敏感性。
生物相容性评价：取4周龄雄性C57BL/6(C57)小鼠分为三组平行对照，每组3只，分别在每组小鼠腿部皮下注射0.5ml的水凝胶GG-cl-Im-Ba，4天后取周围组织切片，采用苏木精-伊红(HE)染色法染色评价水凝胶GG-cl-Im-Ba在体内的生物相容性。
实施例1凝胶材料GG-cl-Im-Ba-1的制备
1.Im-Ba溶液的配置
称量0.1g对二苯胺，0.3g 4-甲酰基苯硼酸于圆底烧瓶中，加入40mL100％甲醇溶液，封口；700g磁力搅拌反应12h，生成黄色沉淀；反应结束后，12000g，4℃离心5min，去除上清，用4℃预冷的甲醇洗涤3次；12000g，4℃再次离心5min，弃上清，将沉淀放入真空干燥器室温干燥6h，即得Im-Ba干燥样品；取干燥样品配置成1％的溶液，加入1M NaOH溶液调节至pH 8-9；
2.瓜尔豆胶溶液的配置
称量0.1g瓜尔豆胶粉末，溶于10mL 60℃的去离子水中，60℃，500g磁力搅拌，直至瓜尔豆胶完全溶解，得到透明的瓜儿豆胶溶液。
3.凝胶材料的制备
待瓜尔豆胶溶液冷却后，取300μL，并加入50μL Im-Ba溶液，500g磁力搅拌，即得基于ROS响应的新型自崩解水凝胶材料GG-cl-Im-Ba-1。
4.凝胶性能
成胶速度快，在30s内快速成胶，所得的凝胶GG-cl-Im-Ba-1呈淡黄色透明胶冻状；
水凝胶的溶胀率在前15min内迅速上升，最大的溶胀率高于4025％，由于该凝胶冻干后孔隙较大，随着时间的延长，水凝胶出现轻微崩解，溶胀率逐渐降低，但是2h以内水凝胶溶胀率仍在1000％以上，说明该水凝胶快速吸水吸水能力强；
凝胶材料具有良好的拉伸性能，胶质均匀，拉伸20cm以上凝胶未发生断裂，说明该凝胶具有很好的弹性；
该凝胶材料具有良好的自愈性能，两块凝胶接触2min后，用镊子拉伸，可以观察到两块凝胶接触部位颜色变成中间过度色，说明两快凝胶已经完全融合在一起，自愈性能良好；
该凝胶材料很容易的从注射器内注射出来，说明凝胶可注射性良好；质量为1g的凝胶球在H2O2溶液1h内快速铺展，而在PBS溶液中仍呈球状，18h内凝胶在可以H2O2溶液中完全降解，而在PBS溶液中仅有稍微减小，降解缓慢，说明凝胶材料能在H2O2中自动崩解；
HE染色结果如图1所示，在GG-cl-Im-Ba-1凝胶材料注射部位，小鼠腿部肌肉几乎没有出现炎症细胞，说明GG-cl-Im-Ba-1凝胶材料的免疫原性较低，安全性高。
实施例2凝胶材料GG-cl-Im-Ba-3的制备
1.Im-Ba溶液的配置
同实施例1所述。
2.瓜尔豆胶溶液的配置
称量0.3g瓜尔豆胶粉末，溶于10ml 60℃的去离子水中，60℃，500g磁力搅拌，得到透明的瓜儿豆胶溶液。
3.凝胶材料的制备
待瓜尔豆胶溶液冷却后，取300μL，并加入100μL Im-Ba溶液，磁力搅拌，即得基于ROS响应的新型自崩解水凝胶材料GG-cl-Im-Ba-3。
4.凝胶性能
成胶速度快，在30s内快速成胶，所得的凝胶GG-cl-Im-Ba-3呈淡黄色透明胶冻状；
水凝胶的溶胀率在前60min内迅速上升，基本达到溶胀平衡，最大的溶胀率高于1000％以上，随着时间的延长，水凝胶的溶胀率继续升高，3h溶胀率最高可达1450％，说明水凝胶具有强大的吸水功能；
凝胶材料具有良好的拉伸性能，胶质均匀，拉伸20cm以上凝胶未发生断裂，说明该凝胶具有很好的弹性；
该凝胶材料具有良好的自愈性能，两块凝胶接触2min后，用镊子拉伸，可以观察到两块凝胶接触部位颜色变成中间过度色，说明两快凝胶已经完全融合在一起，自愈性能良好；
该凝胶材料很容易的从注射器内注射出来，说明凝胶可注射性良好；
质量为1g的凝胶球在H2O2溶液1h内快速铺展，而在PBS溶液中仍呈球状，18h内凝胶在H2O2溶液中完全降解，而在PBS溶液中仅有稍微减小，降解缓慢，说明凝胶材料能在H2O2中自动崩解；
HE染色结果表明，在GG-cl-Im-Ba-3凝胶材料注射部位，小鼠腿部肌肉几乎没有出现炎症细胞，说明GG-cl-Im-Ba-3凝胶材料的免疫原性较低，安全性高。
实施例3凝胶材料GG-cl-Im-Ba-5的制备
1.Im-Ba溶液的配置
同实施例1所述。
2.瓜尔豆胶溶液的配置
称量0.5g瓜尔豆胶粉末，溶于10mL60℃的去离子水中，60℃，500g磁力搅拌，得到透明的瓜儿豆胶溶液。
3.凝胶材料的制备
待瓜尔豆胶溶液冷却后，取300μL，并加入200μL得Im-Ba溶液，磁力搅拌，即得基于ROS响应的新型自崩解水凝胶材料GG-cl-Im-Ba-5。
4.凝胶性能
成胶速度快，在30s内快速成胶，所得的凝胶GG-cl-Im-Ba-5呈淡黄色透明胶冻状；
水凝胶的溶胀率在前60min内迅速上升，基本达到溶胀平衡，最大的溶胀率高于1000％，随着时间的延长，水凝胶的溶胀率继续升高，溶胀率最高可达1700％，说明水凝胶具有强大的吸水功能；
凝胶材料具有良好的拉伸性能，胶质均匀，拉伸20cm以上凝胶未发生断裂，说明该凝胶具有很好的弹性；
该凝胶材料具有良好的自愈性能，两块凝胶接触2min后，用镊子拉伸，可以观察到两块凝胶接触部位颜色变成中间过度色，说明两快凝胶已经完全融合在一起，自愈性能良好；
该凝胶材料很容易的从注射器内注射出来，说明凝胶可注射性良好；
质量为1g的凝胶球在H2O2溶液1h内快速铺展，而在PBS溶液中仍呈球状，18h内凝胶在可以H2O2溶液中完全降解，而在PBS溶液中仅有稍微减小，降解缓慢，说明凝胶材料能在H2O2中自动崩解；
HE染色结果表明，在GG-cl-Im-Ba-5凝胶材料注射部位，小鼠腿部肌肉几乎没有出现炎症细胞，说明GG-cl-Im-Ba-5凝胶材料的免疫原性较低，安全性高。
实施例4高糖小鼠创面愈合实验
4周龄，雄性C57BL/6(C57)小鼠16只，购买于北京维通利华实验动物技术有限公司。将小鼠随机平均分为对照组和水凝胶(GG-cl-Im-Ba)组，所用水凝胶为实施例2制备的水凝胶GG-cl-Im-Ba-3；所有动物治疗和外科手术均按照中国新乡医学院伦理委员会的要求开展，小鼠自由饮水和进食。
链脲佐菌素(STZ)诱导高血糖动物模型的制备：C57小鼠腹腔注射用枸橼酸盐缓冲液(0.1M，pH 4.2)中溶解的STZ，剂量为55mg/kg。诱导1周建立高血糖动物模型；高血糖动物模型建立成功标准：用血糖仪监测血糖水平，随机血糖≥18mmol/L，即为模型构建成功。
创面模型构建：用5％三溴乙醇麻醉小鼠，在小鼠背部建立1cm2的皮肤创面，创面深至筋膜组织。
创面愈合实验：创面模型构建完成后，单独饲养小鼠。对照组小鼠创面用含0.2mLpH7.4的PBS溶液的敷料处理后包扎，水凝胶组小鼠伤口用含0.2mL GG-cl-Im-Ba水凝胶的敷料处理后包扎；所有小鼠每两天处理包扎一次，保证每次处理包扎时PBS溶液或水凝胶与创面的接触时间至少为6h，在创面处理前和处理包扎过程中用数码相机测量并记录创面大小，直至伤口完全愈合。
实验结果：如图2所示，处理至第7天时，水凝胶组小鼠的创面面积开始减少，而对照组小鼠的创面基本无变化，处理至14天时，对照组和水凝胶组小鼠的创面均减少，其中水凝胶组小鼠创面面积减少显著，处理至第21天时，水凝胶组小鼠的创面基本恢复。说明，本发明提供的水凝胶能够缩短高糖小鼠创面愈合的时间，对创面愈合具有促进作用。

Claims (7)

1.一种基于活性氧响应的自崩解水凝胶，其特征在于，所述自崩解水凝胶由瓜尔豆胶和Im-Ba共价交联组成，所述Im-Ba的结构式如下式(Ⅰ)所述，
Figure FDA0003145445820000011
2.一种如权利要求1所述自崩解水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)取权利要求1所述的Im-Ba，配置成Im-Ba溶液，调节pH至8-9；
(2)将瓜尔豆胶粉末溶解，配置成瓜尔豆胶溶液；
(3)将步骤(1)所述的Im-Ba溶液加入到步骤(2)所得的瓜尔豆胶溶液中搅拌混合，即得自崩解水凝胶。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中Im-Ba溶液的浓度为0.5％-3％m/v，所述步骤(2)中瓜尔豆胶溶液浓度为1％-5％m/v，所述步骤(3)中瓜尔豆胶溶液与Im-Ba溶液的体积比为1:1-6:1。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中Im-Ba浓度为1％m/v，所述步骤(2)中瓜尔豆胶溶液浓度为3％m/v，所述步骤(3)中瓜尔豆胶溶液与Im-Ba溶液的体积比为3:1。
5.如权利要求1所述的自崩解水凝胶在制备促进创面愈合可注射纳米复合水凝胶体系中的应用。
6.如权利要求1所述的自崩解水凝胶在制备促进创面愈合材料中的应用。
7.如权利要求5或6任一所述的应用，其特征在于，所述创面为高糖创面。
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