CN110790885A - 一种聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐抗菌自愈水凝胶及其制备方法和应用 - Google Patents

一种聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐抗菌自愈水凝胶及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于生物医用材料技术领域，具体涉及一种聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐抗菌自愈水凝胶及其制备方法和应用。所述聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐水凝胶以聚乙烯醇和壳聚糖季铵盐为原料，通过化学交联和物理交联的双重交联制备而成，所述聚乙烯醇的用量为聚乙烯醇与壳聚糖季铵盐总质量的50％～86％，所述壳聚糖季铵盐的用量为聚乙烯醇与壳聚糖季铵盐总质量的14％～50％。本发明先采用硼酸反应形成化学交联网络，后通过冷冻解冻法作用形成物理交联网络，双交联双网络水凝胶具有优异的自愈效果、快速的自愈性、形状稳定性，且对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌都具有良好的抗菌性能，此外，还具有体外可降解性和溶胀性。

Description

一种聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐抗菌自愈水凝胶及其制备方法 和应用
技术领域
本发明属于功能高分子技术领域，也属于生物医用材料技术领域，具体涉及一种聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐抗菌自愈水凝胶及其制备方法和应用。
背景技术
水凝胶是一种具有三维微结构的聚合物，不仅能够在水中溶胀而不失去其结构的完整性，而且具有优良的柔软性、生物相容性和渗透性，适合用作生物医用材料。通常情况下当我们身体某些组织受到损伤后，身体都有一定的自愈修复能力。普通生物医用材料一般没有自愈性，且抗菌性不足，研发抗菌自愈水凝胶可以显著提升材料的使用寿命与性能。例如，针对不易更替的植入性材料，自愈水凝胶具有在破坏后通过自身恢复成一个整体的特性，可减少更换材料造成的二次手术，特别适用于组织工程和药物传递系统。因此，自愈水凝胶具有广阔的市场应用前景。
聚乙烯醇为一种无毒且可生物降解的亲水性高分子。此外，聚乙烯醇复合可赋予材料柔韧、耐磨和易延展等优异的力学性能，在化妆品、纺织业和石油化工等行业发挥着重要作用，同时，也是一类理想的生物医用材料基材。
壳聚糖季铵盐是在壳聚糖分子中引入季铵盐的一类阳离子壳聚糖衍生物。壳聚糖季铵盐的水溶性具有较宽的pH范围。其中，羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖制备方法简单、成本低而研究最为广泛。由于具有强的正电性，壳聚糖季铵盐常常可以和肿瘤细胞的负电荷发生静电作用，所以可用于治疗肿瘤的药物载体。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，目的在于提供一种聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐抗菌自愈水凝胶及其制备方法和应用。
为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：
一种聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐抗菌自愈水凝胶，以聚乙烯醇和壳聚糖季铵盐为原料，通过化学交联和物理交联的双重交联制备而成，所述聚乙烯醇的用量为聚乙烯醇与壳聚糖季铵盐总质量的50％～86％，所述壳聚糖季铵盐的用量为聚乙烯醇与壳聚糖季铵盐总质量的14％～50％。
上述方案中，所述壳聚糖季铵盐为羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖。
上述方案中，所述化学交联的交联剂为硼酸。
上述方案中，所述交联剂的用量为聚乙烯醇与壳聚糖季铵盐总质量的0.67％～3.67％。
上述方案中，所述物理交联的方法为：冷冻温度为-15～-20℃，冷冻时间为1.5～3.5小时，解冻温度为室温，解冻时间为0.5～1.5小时。
上述聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐抗菌自愈水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
(1)取一定量聚乙烯醇于蒸馏水中，加热搅拌至溶解；
(2)往聚乙烯醇水溶液中加入壳聚糖季铵盐，加热搅拌至溶解得到复合溶液；
(3)在搅拌条件下，往复合溶液中滴加交联剂溶液进行化学交联，直至复合溶液无法搅动，然后置于25～35℃保温至复合溶液成为无絮状物的透明流动胶体；
(4)将步骤(3)所得透明流动胶体倒入模具中进行物理交联，物理交联结束后，得到聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐抗菌自愈水凝胶。
上述方案中，所述聚乙烯醇的浓度为0.06～0.15g·mL-1。
上述方案中，所述交联剂溶液为硼酸溶液，所述交联剂溶液占复合溶液总体积的2.5％～13.8％，所述交联剂硼酸在复合溶液中的最终浓度为0.035～0.039g·mL-1。
上述方案中，所述物理交联为冷冻解冻法，所述冷冻的温度为-15～-20℃，冷冻的时间为1.5～3.5小时，所述解冻的温度为室温，解冻的时间为0.5～1.5小时。
上述聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐抗菌自愈水凝胶在生物医用材料领域的应用。
本发明的有益效果：
(1)本发明所述聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐水凝胶是以聚乙烯醇和壳聚糖季铵盐为原料，先采用硼酸反应形成化学交联网络，后通过冷冻解冻法作用形成物理交联网络，双交联双网络水凝胶具有良好的自愈效果、快速的自愈性、以及形状稳定性，可以应用于生物医用材料(如伤口敷料)，既可方便使用，又可延长其使用寿命。
(2)本发明所述水凝胶在化学交联中以聚乙烯醇为基材、硼酸作为交联剂，加入壳聚糖季铵盐后，不需要另加碱性物质，硼酸能够缓慢均匀交联，有利于凝胶形状的稳定性；同时，壳聚糖季铵盐既参与交联又作为抗菌组分，使水凝胶对金黄色葡萄球菌(革兰氏阳性菌)和大肠杆菌(革兰氏阴性菌)具有良好的抗菌性能，大大提高了凝胶的抗菌性。
(3)本发明所述聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐抗菌自愈水凝胶具有体外可降解性。壳聚糖季铵盐本身就是一种易降解的天然多糖衍生物，壳聚糖季铵盐的加入打乱了聚乙烯醇分子链的规整度形成的强烈氢键，有利于水凝胶的降解，且降解程度可以通过改变配方等加以调节。
(4)本发明所述聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐抗菌自愈水凝胶还具有良好的溶胀性。聚乙烯醇水凝胶溶胀性不足，通过加入壳聚糖季铵盐对聚乙烯醇水凝胶的溶胀性能有明显的改善，与此同时，溶胀性能的提升又有利于水凝胶与细菌的充分接触，从而有效的提高抗菌效果。
(5)本发明所述聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐抗菌自愈水凝胶的制备工艺简单，易于产业化。
附图说明
图1为本发明所述聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐抗菌自愈水凝胶的自愈性能及形状稳定性演示图。
图2为本发明所述聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐水凝胶的快速自愈性和韧性演示图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
一种聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐抗菌自愈水凝胶，具体通过如下方法制备得到：
(1)取0.8g聚乙烯醇于蒸馏水中，在90℃下搅拌至溶解得到浓度为0.1g·mL-1的聚乙烯醇溶液；
(2)往聚乙烯醇水溶液中加入0.4g壳聚糖季铵盐(羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖)，90℃搅拌至完全溶解得复合溶液；
(3)接着，搅拌条件下向上述复合溶液中滴加400uL的交联剂(硼酸溶液，浓度0.04g·mL-1)至复合溶液无法搅动；再置于30℃下保温1小时至复合溶液成无絮状物的透明流动胶体；
(4)最后，将步骤(3)所得透明流动胶体倒入模具中，将装有胶体的模具再置于-20℃冷冻，2.5小时后拿出，室温下解冻1小时后，得到聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐抗菌自愈水凝胶。
视觉评估法测试水凝胶的自愈性能，将2组相同条件的凝胶前驱液(即前述复合溶液)分别用罗丹明B和亚甲基蓝染色，各自加完交联剂完成化学交联和物理交联成胶后，平均切开凝胶，将两种不同颜色的半圆凝胶的切开处拼接在一起，室温保存在封闭的器皿中，一段时间后观察愈合情况。
图1为本实施例制备的聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐自愈抗菌水凝胶在室温下自愈12小时后的自愈性能演示图。可以明显观察到两块凝胶拼接处的裂缝模糊，两种颜色相互渗透，用手拉扯一段距离，中间没有断裂，撤去作用力后可以自行恢复到原来状态，说明凝胶拥有良好的自愈效果以及形状稳定性，可以作为伤口敷料，延长其使用寿命。
图2为本实施例制备的聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐自愈抗菌水凝胶用模具制成哑铃型薄片的自愈性能演示图。切开后立即又接在一起，1分钟后用手做拉伸测试，可以拉到原长的10倍左右，说明水凝胶拥有快速自愈的能力以及良好的韧性，可作为药物载体用于微创，后续可叠加凝胶而不用更换。
通过浊度法测试本发明所述水凝胶的抗菌性能。结果表明，本实施例制备的对金黄色葡萄球菌(革兰氏阳性菌)的抗菌率为89％，对大肠杆菌(革兰氏阴性菌)的抗菌率为84％。
实施例2
一种聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐抗菌自愈水凝胶，具体通过如下方法制备得到：
(1)取0.8g聚乙烯醇于蒸馏水中，在90℃下搅拌至溶解得到浓度为0.1g·mL-1的聚乙烯醇溶液；
(2)往聚乙烯醇水溶液中加入0.8g壳聚糖季铵盐，90℃搅拌至完全溶解得复合溶液；
(3)接着，搅拌条件下向上述复合溶液中滴加400uL的交联剂(硼酸溶液，浓度0.04g·mL-1)至复合溶液无法搅动；再置于30℃下保温1小时至复合溶液成无絮状物的透明流动胶体；
(4)最后，将步骤(3)所得透明流动胶体倒入模具中，将装有胶体的模具再置于-20℃冷冻，2.5小时后拿出，室温下解冻1小时后，得到聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐抗菌自愈水凝胶。
将本实施例制备的水凝胶置于55℃烘箱中干燥至恒重并称重，然后将干燥后的水凝胶浸泡在pH＝7.4的磷酸盐缓冲溶液中，放入恒温振荡箱中37℃保温，120rpm振荡。一段时间后，取出水凝胶用去离子水冲洗除去多余盐，置于55℃烘箱中干燥至恒重并称重，按照如下公式计算凝胶质量剩余率：
Figure BDA0002304827080000051
其中，Wt：剩余水凝胶的干重(g)，W0：初始水凝胶的干重(g)。
结果表明，本实施例制备的水凝胶具有良好的可降解性，115小时后水凝胶的质量剩余率为67％。
实施例3
一种聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐抗菌自愈水凝胶，具体通过如下方法制备得到：
(1)取0.8g聚乙烯醇于蒸馏水中，在90℃下搅拌至溶解得到浓度为0.1g·mL-1的聚乙烯醇溶液；
(2)往聚乙烯醇水溶液中加入0.27g壳聚糖季铵盐，90℃搅拌至完全溶解得复合溶液；
(3)接着，搅拌条件下向上述复合溶液中滴加400uL的交联剂(硼酸溶液，浓度0.04g·mL-1)至复合溶液无法搅动；再置于30℃下保温1小时至复合溶液成无絮状物的透明流动胶体；
(4)最后，将步骤(3)所得透明流动胶体倒入模具中，将装有胶体的模具再置于-20℃冷冻，2.5小时后拿出，室温下解冻1小时后，得到聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐抗菌自愈水凝胶。
本实施例制备的水凝胶115小时后水凝胶的质量剩余率为89％，结果表明，该水凝胶的降解性可以通过改变配方或工艺参数加以调节。
实施例4
一种聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐抗菌自愈水凝胶，具体通过如下方法制备得到：
(1)取0.48g聚乙烯醇于蒸馏水中，在90℃下搅拌至溶解得到浓度为0.06g·mL-1的聚乙烯醇溶液；
(2)往聚乙烯醇水溶液中加入0.24g壳聚糖季铵盐，90℃搅拌至完全溶解得复合溶液；
(3)接着，搅拌条件下向上述复合溶液中滴加400uL的交联剂(硼酸溶液，浓度0.04g·mL-1)至复合溶液无法搅动；再置于30℃下保温1小时至复合溶液成无絮状物的透明流动胶体；
(4)最后，将步骤(3)所得透明流动胶体倒入模具中，将装有胶体的模具再置于-20℃冷冻，2.5小时后拿出，室温下解冻1小时后，得到聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐抗菌自愈水凝胶。
采用称重法测试自愈抗菌水凝胶在去离子水中的溶胀性能。结果表明，本实施例制备的水凝胶溶胀性能显著，溶胀度可达到10.33g/g。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐抗菌自愈水凝胶，其特征在于，以聚乙烯醇和壳聚糖季铵盐为原料，通过化学交联和物理交联的双重交联制备而成，所述聚乙烯醇的用量为聚乙烯醇与壳聚糖季铵盐总质量的50%~86%，所述壳聚糖季铵盐的用量为聚乙烯醇与壳聚糖季铵盐总质量的14%~50%。
2.根据权利要求1所述的聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐抗菌自愈水凝胶，其特征在于，所述壳聚糖季铵盐为羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖。
3.根据权利要求1所述的聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐抗菌自愈水凝胶，其特征在于，所述化学交联的交联剂为硼酸。
4.根据权利要求1所述的聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐抗菌自愈水凝胶，其特征在于，所述交联剂的用量为聚乙烯醇与壳聚糖季铵盐总质量的0.67%~3.67%。
5.根据权利要求1所述的聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐抗菌自愈水凝胶，其特征在于，所述物理交联的方法为：冷冻温度为−15~−20℃，冷冻时间为1.5~3.5小时，解冻温度为室温，解冻时间为0.5~1小时。
6.权利要求1~5任一所述聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐抗菌自愈水凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）取一定量聚乙烯醇于蒸馏水中，加热搅拌至溶解；
（2）往聚乙烯醇水溶液中加入壳聚糖季铵盐，加热搅拌至溶解得到复合溶液；
（3）在搅拌条件下，往复合溶液中滴加交联剂溶液进行化学交联，直至复合溶液无法搅动，然后置于25~35 ℃保温至复合溶液成为无絮状物的透明流动胶体；
（4）将步骤（3）所得透明流动胶体倒入模具中进行物理交联，物理交联结束后，得到聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐抗菌自愈水凝胶。
7. 根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述聚乙烯醇的浓度为0.06~0.15g·mL−1。
8. 根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述交联剂溶液为硼酸溶液，所述交联剂溶液占复合溶液总体积的2.5%~13.8%，所述交联剂硼酸在复合溶液中的最终浓度为0.035~0.039 g·mL−1。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述物理交联为冷冻解冻法，所述冷冻的温度为−15~−20℃，冷冻的时间为1.5~3.5小时，所述解冻的温度为室温，解冻的时间为0.5~1.5小时。
10.权利要求1~5任一所述聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐抗菌自愈水凝胶在生物医用材料领域的应用。
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