CN111303452A - 一种仿生抗菌高粘附的双网络水凝胶及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本专利提供了一种仿生抗菌高粘附的双网络水凝胶及其制备方法和应用，所述制备方法包括将氧化改性的粘多糖、儿茶酚基改性的聚氨基酸、过氧化氢和辣根过氧化酶于水溶液中混合后静置，一步得到所述双网络水凝胶。该凝胶制备方法简便，原料便宜易得。所述水凝胶由双网络构成，第一层网络是改性的粘多糖和聚氨基酸交联而成，由儿茶酚基团酶促交联形成第二重网络。该凝胶成型速度快且速度可控，具有良好的粘附性能以及抗菌性能。除此之外，该凝胶还具有良好的细胞相容性以及生物相容性。凝胶体系中的粘多糖还可以促进组织愈合，加快组织再生速率。是一种组织工程皮肤领域有着良好应用前景的凝胶材料。
Description
技术领域
本发明属于生物组织工程领域，具体涉及一种仿生抗菌高粘附的用于皮肤修复的双网络水凝胶及其制备方法和应用。
背景技术
皮肤是人体最大的器官，是人体与外界环境接触的屏障，不仅承担着保护身体、排汗、感知等功能，而且维持着机体内环境的稳定。对于一些轻微的皮肤损伤，皮肤能够自我愈合恢复；但当皮肤遭受大面积严重的损伤或者发生伤口感染，通过人体自我恢复就显得不太现实，这时患者的受损皮肤就需要进行治疗。过去通常采用自体或异体皮肤进行移植，前者将身体上其他部位上的皮肤移植到伤口处，这样会造成新的皮肤伤口，所以并不适合大面积创伤的皮肤移植；后者采用他人的皮肤进行移植，也存在着一些问题，包括免疫反应以及伦理问题。所以皮肤修复仍面临着巨大困难，也显得较为迫切，而用于皮肤修复的水凝胶就为治疗皮肤缺损提供一种新思路。
水凝胶是由亲水性聚合物交联形成的三维网络所构成，它能够吸收和保留大量的水或生物液体，具有与细胞外基质(ECM)相似的物理化学性质。水凝胶由于其高含水量、与天然细胞外基质相似、具有适合细胞迁移和增殖的多孔三维网络结构、可微创注射操作和能够高度匹配任意缺损部位等优点，已被广泛用于细胞生长的支架及各种生物活性分子的载体。近年来，多种生物材料已被开发成为水凝胶敷料，并应用于皮肤修复和再生医学等领域。
在皮肤修复的过程中，加快皮肤愈合以及防止愈合过程中感染已成为很重要的方面。在水凝胶的材料选择中，应该更倾向于可以天然促进组织愈合以及拥有抗菌活性的材料。制备的水凝胶敷料需用于动物甚至人体，这就要求水凝胶敷料拥有良好的生物相容性，并且在伤口修复过程中能够提供皮肤拥有的部分功能，实现仿生的目的。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种仿生抗菌高粘附的双网络水凝胶及其制备方法和应用，该水凝胶能够应用在皮肤组织工程中，作为一种促进伤口愈合的抗感染水凝胶敷料。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种仿生抗菌高粘附的双网络水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
将氧化改性的粘多糖、儿茶酚基改性的聚氨基酸、过氧化氢和辣根过氧化酶于水溶液中混合后静置，一步得到所述双网络水凝胶。
该体系利用席夫碱反应和酶催化反应来实现水凝胶的快速成型，且动态的亚胺键赋予了凝胶可快速自愈合的特性，在内部结构遭受破坏情况下，5分钟内即可实现完全的网络重建，实现凝胶形态的自我回复。其次，酶催化过程使得凝胶形成速度极快，利于后续临床试验的应用，且赋予了凝胶良好的粘附性以及结构稳定性(稳定的共价网络)。这种强弱两种网络的组合，使得制备得到的凝胶兼具强度以及自愈合特性。是一种较为良好的凝胶伤口敷料。
优选的，所述氧化改性的粘多糖由如下方法制备得到：
将高碘酸钠水溶液加入粘多糖水溶液中，避光反应即得所述氧化改性的粘多糖。
优选的，所述的粘多糖为透明质酸，海藻酸盐，硫酸软骨素或纤维素。
优选的，所述粘多糖的分子量为10KDa～2000KDa。
优选的，所述高碘酸钠与所述粘多糖的摩尔比为0.1～2:1。
优选的，所述高碘酸钠水溶液的浓度为1％w/v-10％w/v。
优选的，所述粘多糖水溶液的浓度为0.1～5％wt。
优选的，制备得到所述氧化改性的粘多糖的反应还包括加入乙二醇终止反应的步骤。
优选的，制备得到所述氧化改性的粘多糖的反应的时间为0.5～5小时。
优选的，制备得到所述氧化改性的粘多糖的反应的温度为4～60℃。
优选的，制备得到所述氧化改性的粘多糖的反应还包括透析纯化和冻干的步骤。
优选的，所述冻干的时间为1～5天。
优选的，所述儿茶酚基团修饰改性的聚氨基酸由如下方法制备得到：
向多巴水溶液中加入N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)活化多巴分子中的羧基，之后加入聚氨基酸水溶液，全程避光反应即得所述儿茶酚基团修饰改性的聚氨基酸。
优选的，多巴与聚氨基酸的用量的摩尔比为1:10～5:1。
优选的，所述聚氨基酸为聚赖氨酸。
优选的，所述多巴水溶液的浓度为0.1％w/v-10％w/v。
优选的，所述聚氨基酸水溶液的浓度为0.2％w/v-5％w/v。
优选的，所述聚氨基酸的分子量为2KDa～4KDa。
优选的，所述N-羟基琥珀酰亚胺与多巴的用量的摩尔比为0.5～3:1。
优选的，制备得到所述儿茶酚基团修饰改性的聚氨基酸的反应的温度为0～4℃。
优选的，制备得到所述儿茶酚基团修饰改性的聚氨基酸的反应的时间为8～48小时。
优选的，制备所述儿茶酚基团修饰改性的聚氨基酸的方法还包括调节活化后的多巴水溶液的pH的步骤。
优选的，所述pH为4.5-6.5。
优选的，所述双网络水凝胶的制备方法，包括将氧化改性的粘多糖溶于1mM-500mM的过氧化氢溶液中形成2％w/v-25％w/v改性粘多糖的溶液，将儿茶酚基改性的聚氨基酸溶于含10u/mL-500u/mL辣根过氧化酶的水溶液中，形成2％w/v-30％w/v改性聚氨基酸的溶液，之后再将所述改性粘多糖溶液和所述改性聚氨基酸溶液混合并振荡混匀，之后静置。
优选的，所述氧化改性的粘多糖和所述儿茶酚基改性的聚氨基酸的用量的质量比为0.1～10:1。
本发明还提供上述方法制备得到的仿生抗菌高粘附的双网络水凝胶。
本发明还提供上述方法制备得到的仿生抗菌高粘附的双网络水凝胶在制备皮肤修复敷料中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.粘多糖通过氧化改性后，原有的部分羟基变成醛基官能团，可以很好的和聚氨基酸反应的同时也提高了粘多糖的溶解度。聚氨基酸修饰儿茶酚基团之后，保留了抗菌性的同时提高了制备的水凝胶的粘附性能。通过酶促共价交联以及动态亚胺键形成的水凝胶力学性能好，韧性强，且孔径大小适中。能更好的满足受损皮肤修复的需要。
2.形成水凝胶的主体部分是具有优异的细胞/组织亲和性的天然粘多糖以及聚氨基酸，且可以完全降解。因此，本发明制备的水凝胶敷料能够完全生物降解，且细胞/组织亲和性好，有利于皮肤的生长和修复。
3.水凝胶三维网络中含有多种化学键，包括较弱的动态亚胺键以及较强的共价键，强弱键的结合既保证了凝胶的稳定性，弱键也使得凝胶能更好的受力，有良好的迟滞效应，适合皮肤修复这种设计多运动的场景。
4.本发明制备得到是水凝胶可以更快速的愈合伤口，且减少伤口的感染程度，减少炎症的发生。
该凝胶制备方法简便，原料便宜易得。所述水凝胶由双网络构成，第一层网络是改性的粘多糖和聚氨基酸交联而成，由儿茶酚基团酶促交联形成第二重网络。该凝胶成型速度快且速度可控，具有良好的粘附性能以及抗菌性能。除此之外，该凝胶还具有良好的细胞相容性以及生物相容性。凝胶体系中的粘多糖还可以促进组织愈合，加快组织再生速率。是一种组织工程皮肤领域有着良好应用前景的凝胶材料。
附图说明
图1是本发明所述双网络水凝胶的凝胶网络形成的机理图。左侧是该凝胶的成胶图。右侧是该凝胶的成胶机理和可能的交联方式。
图2是凝胶内部的扫描电镜(SEM)图像。前两个图是单网络凝胶。a是改性多糖和纯聚赖氨酸形成的单网络凝胶内部结构的SEM图像。b是单纯改性的聚赖氨酸经酶催化形成的单网络凝胶内部结构的SEM图像。c是改性多糖和改性聚赖氨酸形成的双网络凝胶内部结构的SEM图像。从电镜图片中明显可以看出本发明所制备得到的双网络凝胶的网孔密度较单网络的密，而且孔径大小(100-200微米)也适合细胞的生长。
图3是凝胶的成胶时间与浓度之间的关系图。二者成负相关。
图4是不同浓度凝胶的溶胀行为图。浓度越高，溶胀度越小。
图5是凝胶在模拟体液中的降解行为图。浓度高的凝胶降解速率较低。
图6是凝胶的宏观自愈合过程。凝胶切开后，将切开的界面放在一起，5分钟后界面即愈合。
图7是凝胶的流变学行为图。a，b显示了凝胶的储能模量和损耗模量。在较高的剪切幅度和剪切频率下凝胶仍可以保持其结构的完整。
图8是该凝胶较快的促伤口愈合效果图。第14天，用凝胶处理过的伤口已经几乎完全愈合，而对照组仍有较大伤口。
图9是动物组织切片染色(HE染色，Masson染色)的结果。可以发现，经过凝胶处理的新生的组织要明显比纤维蛋白胶处理的要厚。且有较多的肉芽组织和新生胶原，炎症组织也较少。并且和正常组织要更接近。上一行图是HE染色结果图，从左到右分别是纤维蛋白胶，水凝胶，正常动物的组织。下一行图是Masson染色结果图，从左到右是纤维蛋白胶，水凝胶，正常动物的组织。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现详细说明具体实施方案。
实施例1
(1)氧化粘多糖的制备：
将分子量为10KDa的透明质酸溶于ddH2O形成1.0wt％的透明质酸水溶液，然后将1％w/v的NaIO4水溶液加入透明质酸水溶液中，高碘酸钠与透明质酸的摩尔比为0.1:1，于60℃搅拌反应2h，随后加入1.5mL乙二醇，继续搅拌1h以终止反应。该反应全程避光。用反应液进行透析纯化，透析时间为7天，然后将透析液冻干，冻干时间为5天。
(2)多巴改性的聚赖氨酸的制备：
将分子量为2KDa的聚赖氨酸加入ddH2O形成1.0％w/v的聚赖氨酸水溶液，多巴溶于ddH2O形成1.5％w/v的多巴水溶液，在0～4℃下，向多巴水溶液中加入NHS，NHS与多巴的摩尔比为0.5:1，搅拌30min以活化多巴分子中的羧基，之后调节多巴水溶液的pH为4.5。然后将聚赖氨酸水溶液加入活化后的多巴溶液中，使得多巴与聚赖氨酸的摩尔比为5:1，反应持续24h。该反应全程避光，处于氮气保护氛围中。
(3)水凝胶的制备：
将氧化改性的粘多糖溶于1mM的过氧化氢溶液中形成25％w/v改性粘多糖的溶液，将儿茶酚基改性的聚赖氨酸溶于含10u/mL辣根过氧化酶的水溶液中，形成30％w/v改性聚氨基酸的溶液，随后将两种溶液混合并快速震动混匀，氧化改性的粘多糖和多巴改性的聚氨基酸的质量比为0.1:1，混匀后静置成胶。
实施例2
(1)氧化粘多糖的制备：
将分子量为100KDa的纤维素溶于ddH2O形成0.1wt％的纤维素水溶液，然后将5％w/v的NaIO4水溶液加入纤维素水溶液中，高碘酸钠与纤维素的摩尔比为1:1，于30℃搅拌反应5h，随后加入1.5mL乙二醇，继续搅拌1h以终止反应。该反应全程避光。用反应液进行透析纯化，透析时间为7天，然后将透析液冻干，冻干时间为1天。
(2)多巴改性的聚赖氨酸的制备：
将分子量为3KDa的聚赖氨酸加入ddH2O形成2％w/v的聚赖氨酸水溶液，多巴溶于ddH2O形成10％w/v的多巴水溶液，在0～4℃下，向多巴水溶液中加入NHS，NHS与多巴的摩尔比为1:1，搅拌30min以活化多巴分子中的羧基，之后调节多巴水溶液的pH为5.5。然后将聚赖氨酸水溶液加入活化后的多巴溶液中，使得多巴与聚赖氨酸的摩尔比为1:1，反应持续8h。该反应全程避光，处于氮气保护氛围中。
(3)水凝胶的制备：
将氧化改性的粘多糖溶于50mM的过氧化氢溶液中形成5％w/v改性粘多糖的溶液，将儿茶酚基改性的聚赖氨酸溶于含100u/mL辣根过氧化酶的水溶液中，形成5％w/v改性聚氨基酸的溶液，随后将两种溶液混合并快速震动混匀，氧化改性的粘多糖和多巴改性的聚氨基酸的质量比为1:1，混匀后静置成胶。
实施例3
(1)氧化粘多糖的制备：
将分子量为2000KDa的硫酸软骨素溶于ddH2O形成2wt％的硫酸软骨素水溶液，然后将10％w/v的NaIO4水溶液加入硫酸软骨素水溶液中，高碘酸钠与硫酸软骨素的摩尔比为2:1，于4℃搅拌反应3h，随后加入1.5mL乙二醇，继续搅拌1h以终止反应。该反应全程避光。用反应液进行透析纯化，透析时间为7天，然后将透析液冻干，冻干时间为3天。
(2)多巴改性的聚赖氨酸的制备：
将分子量为4KDa的聚赖氨酸加入ddH2O形成5％w/v的聚赖氨酸水溶液，多巴溶于ddH2O形成0.1％w/v的多巴水溶液，在0～4℃下，向多巴水溶液中加入NHS，NHS与多巴的摩尔比为3:1，搅拌30min以活化多巴分子中的羧基，之后调节多巴水溶液的pH为6.5。然后将聚赖氨酸水溶液加入活化后的多巴溶液中，使得多巴与聚赖氨酸的摩尔比为1:5，反应持续48h。该反应全程避光，处于氮气保护氛围中。
(3)水凝胶的制备：
将氧化改性的粘多糖溶于200mM的过氧化氢溶液中形成2％w/v改性粘多糖的溶液，将儿茶酚基改性的聚赖氨酸溶于含500u/mL辣根过氧化酶的水溶液中，形成2％w/v改性聚氨基酸的溶液，随后将两种溶液混合并快速震动混匀，氧化改性的粘多糖和多巴改性的聚氨基酸的质量比为5:1，混匀后静置成胶。
实施例4
(1)氧化粘多糖的制备：
将分子量为500KDa的透明质酸溶于ddH2O形成5wt％的透明质酸水溶液，然后将3％w/v的NaIO4水溶液加入透明质酸水溶液中，高碘酸钠与透明质酸的摩尔比为0.5:1，于20℃搅拌反应0.5h，随后加入1.5mL乙二醇，继续搅拌1h以终止反应。该反应全程避光。用反应液进行透析纯化，透析时间为7天，然后将透析液冻干，冻干时间为3天。
(2)多巴改性的聚赖氨酸的制备：
将分子量为3KDa的聚赖氨酸加入ddH2O形成0.2％w/v的聚赖氨酸水溶液，多巴溶于ddH2O形成5％w/v的多巴水溶液，在0～4℃下，向多巴水溶液中加入NHS，NHS与多巴的摩尔比为2:1，搅拌30min以活化多巴分子中的羧基，之后调节多巴水溶液的pH为5。然后将聚赖氨酸水溶液加入活化后的多巴溶液中，使得多巴与聚赖氨酸的摩尔比为1:10，反应持续12h。该反应全程避光，处于氮气保护氛围中。
(3)水凝胶的制备：
将氧化改性的粘多糖溶于500mM的过氧化氢溶液中形成15％w/v改性粘多糖的溶液，将儿茶酚基改性的聚赖氨酸溶于含50u/mL辣根过氧化酶的水溶液中，形成10％w/v改性聚氨基酸的溶液，随后将两种溶液混合并快速震动混匀，氧化改性的粘多糖和多巴改性的聚氨基酸的质量比为10:1，混匀后静置成胶。
实施例5
(1)氧化粘多糖的制备：
将分子量为50KDa的海藻酸钠溶于ddH2O形成0.5wt％的海藻酸钠水溶液，然后将5％w/v的NaIO4水溶液加入海藻酸钠水溶液中，高碘酸钠与海藻酸钠的摩尔比为1:1，于10℃搅拌反应1h，随后加入1.5mL乙二醇，继续搅拌1h以终止反应。该反应全程避光。用反应液进行透析纯化，透析时间为7天，然后将透析液冻干，冻干时间为3天。
(2)多巴改性的聚赖氨酸的制备：
将分子量为3KDa的聚赖氨酸加入ddH2O形成1％w/v的聚赖氨酸水溶液，多巴溶于ddH2O形成2％w/v的多巴水溶液，在0～4℃下，向多巴水溶液中加入NHS，NHS与多巴的摩尔比为2:1，搅拌30min以活化多巴分子中的羧基，之后调节多巴水溶液的pH为5。然后将聚赖氨酸水溶液加入活化后的多巴溶液中，使得多巴与聚赖氨酸的摩尔比为3:1，反应持续18h。该反应全程避光，处于氮气保护氛围中。
(3)水凝胶的制备：
将氧化改性的粘多糖溶于20mM的过氧化氢溶液中形成20％w/v改性粘多糖的溶液，将儿茶酚基改性的聚赖氨酸溶于含200u/mL辣根过氧化酶的水溶液中，形成20％w/v改性聚氨基酸的溶液，随后将两种溶液混合并快速震动混匀，氧化改性的粘多糖和多巴改性的聚氨基酸的质量比为0.5:1，混匀后静置成胶。
实施例6
(1)氧化粘多糖的制备：
将分子量为1000KDa的透明质酸溶于ddH2O形成3wt％的透明质酸水溶液，然后将5％w/v的NaIO4水溶液加入透明质酸水溶液中，高碘酸钠与透明质酸的摩尔比为1.5:1，于25℃搅拌反应2h，随后加入1.5mL乙二醇，继续搅拌1h以终止反应。该反应全程避光。用反应液进行透析纯化，透析时间为7天，然后将透析液冻干，冻干时间为3天。
(2)多巴改性的聚赖氨酸的制备：
将分子量为3KDa的聚赖氨酸加入ddH2O形成0.5％w/v的聚赖氨酸水溶液，多巴溶于ddH2O形成3％w/v的多巴水溶液，在0～4℃下，向多巴水溶液中加入NHS，NHS与多巴的摩尔比为3:1，搅拌30min以活化多巴分子中的羧基，之后调节多巴水溶液的pH为5。然后将聚赖氨酸水溶液加入活化后的多巴溶液中，使得多巴与聚赖氨酸的摩尔比为3:1，反应持续18h。该反应全程避光，处于氮气保护氛围中。
(3)水凝胶的制备：
将氧化改性的粘多糖溶于100mM的过氧化氢溶液中形成10％w/v改性粘多糖的溶液，将儿茶酚基改性的聚赖氨酸溶于含200u/mL辣根过氧化酶的水溶液中，形成15％w/v改性聚氨基酸的溶液，随后将两种溶液混合并快速震动混匀，氧化改性的粘多糖和多巴改性的聚氨基酸的质量比为5:1，混匀后静置成胶。
Claims (10)
1.一种仿生抗菌高粘附的双网络水凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将氧化改性的粘多糖、儿茶酚基改性的聚氨基酸、过氧化氢和辣根过氧化酶于水溶液中混合后静置，一步得到所述双网络水凝胶。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氧化改性的粘多糖由如下方法制备得到：
将高碘酸钠水溶液加入粘多糖水溶液中，避光反应即得所述氧化改性的粘多糖。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述的粘多糖为透明质酸，海藻酸盐，硫酸软骨素或纤维素。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述儿茶酚基团修饰改性的聚氨基酸由如下方法制备得到：
向多巴水溶液中加入N-羟基琥珀酰亚胺活化多巴分子中的羧基，之后加入聚氨基酸水溶液，全程避光反应即得所述儿茶酚基团修饰改性的聚氨基酸。
5.根据权利要求1或4所述的制备方法，其特征在于，所述聚氨基酸为聚赖氨酸。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述N-羟基琥珀酰亚胺与多巴的用量的摩尔比为0.5~3:1。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述双网络水凝胶的制备方法，包括将氧化改性的粘多糖溶于过氧化氢溶液中形成改性粘多糖的溶液，将儿茶酚基改性的聚氨基酸溶于辣根过氧化酶的水溶液中，形成改性聚氨基酸的溶液，之后再将所述改性粘多糖溶液和所述改性聚氨基酸溶液混合并振荡混匀，之后静置。
8.根据权利要求1或7所述的制备方法，其特征在于，所述氧化改性的粘多糖和所述儿茶酚基改性的聚氨基酸的用量的质量比为0.1~10:1。
9.权利要求1-8任一所述制备方法制备得到的仿生抗菌高粘附的双网络水凝胶。
10.权利要求1-8任一所述制备方法制备得到的仿生抗菌高粘附的双网络水凝胶在制备皮肤修复敷料中的应用。
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| CN111303452B (zh) | 2023-03-21 |
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