CN111617306B - 一种离子导电水凝胶复合敷料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种离子导电水凝胶复合敷料及其制备方法，该离子导电水凝胶复合敷料包括依次层叠的基底层、吸水层和水凝胶层，所述吸水层由羧甲基纤维素接枝聚丙烯酸组成，所述水凝胶层的原料包括海藻酸钠、海鞘纤维素和CaCl2，其制备方法包括如下步骤：(1)在丙烯酸钠和丙烯酸的混合溶液中加入羧甲基纤维素、交联剂和引发剂，进行交联反应得到羧甲基纤维素接枝聚丙烯酸，将所述羧甲基纤维素接枝聚丙烯酸涂布在基底层上形成吸水层；(2)使吸水层吸水，然后将海藻酸钠和海鞘纤维素的混合溶液涂布在吸水后的吸水层上，再加CaCl2溶液成胶，形成水凝胶层。本发明的离子导电水凝胶复合敷料具有优异的导电性和保湿性，能够有效促进伤口愈合。

Description

一种离子导电水凝胶复合敷料及其制备方法
技术领域
本发明属于医用材料技术领域，尤其涉及一种离子导电水凝胶复合敷料及其制备方法。
背景技术
据统计，全球约有650万人有慢性伤口，每年的治疗费用超过250亿美元。目前对于慢性伤口仍然缺乏有效的治疗手段。有研究报道，创伤后伤口处可检测到4μA/cm2的电流，在60min后逐渐增加到10μA/cm2。而体外研究表明，可通过电刺激诱导细胞行为来促进伤口再生。外源性电刺激可以促进成纤维细胞和角质形成细胞的迁移和增殖，并刺激成纤维细胞分泌更多的细胞外基质以闭合伤口；一些体内和临床研究也证明了电刺激对治疗慢性损伤的促进作用。
基于电刺激对慢性伤口愈合的研究，电刺激治疗慢性伤口在近年来受到了越来越多的关注，具有较好的应用前景。然而，当前的电刺激治疗也受到一些限制。例如，所施加的电刺激并不能覆盖整个伤口区域；由于人体皮肤的电阻较大，临床实践中所需的直流电刺激电压较大，可能会对人体产生危害。因此，开发针对慢性伤口的组织相容性好、导电性好、安全有效的新型电刺激治疗手段已成为当前医学治疗领域亟待解决的一个重要问题。
目前，已有促进伤口愈合的医用导电敷料的报道，电流通过敷料传导至伤口，不仅可以使电刺激覆盖整个伤口区域，而且也避免了高电压与伤口直接接触，提高了电刺激的安全性。目前较多医用导电敷料以金属箔片作为导电材料，负载上水凝胶或其他含水量较高的材料。如CN107929805A公开一种促进伤口愈合的金属/水凝胶复合敷料，首先将导电的金属箔片或金属粉末进行表面偶联化处理，然后与水凝胶通过化学或物理交联进行复合得到金属/水凝胶复合敷料。不过由于金属箔片或金属粉末的存在，此类金属复合水凝胶的导电敷料存在粘结伤口、吸水性不稳定等缺点，且所使用的水凝胶是非电活性的，愈合过程中无法响应伤口部位的生理电信号，因此只能护创而无治疗效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种离子导电水凝胶复合敷料及其制备方法，所述离子导电水凝胶复合敷料能够长时间保持湿润，且具有优异的导电性能。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种离子导电水凝胶复合敷料，包括依次层叠的基底层、吸水层和水凝胶层，所述吸水层由羧甲基纤维素接枝聚丙烯酸组成，所述水凝胶层的原料包括海藻酸钠、海鞘纤维素和CaCl2。
一种离子导电水凝胶复合敷料的制备方法，包括以下步骤：
(1)在丙烯酸钠和丙烯酸的混合溶液中加入羧甲基纤维素、交联剂和引发剂，进行交联反应得到羧甲基纤维素接枝聚丙烯酸，将所述羧甲基纤维素接枝聚丙烯酸涂布在基底层上形成吸水层；
(2)使吸水层吸水，然后将海藻酸钠和海鞘纤维素的混合溶液涂布在吸水后的吸水层上，再加CaCl2溶液成胶，形成水凝胶层。
所述丙烯酸钠和丙烯酸的混合溶液的中和度为50％～80％，优选65％～70％。丙烯酸钠和丙烯酸的混合溶液由NaOH溶液与丙烯酸混合而成。利用NaOH溶液制备一定中和度的丙烯酸钠和丙烯酸混合溶液，可提高丙烯酸的接枝效率，当中和度在65％～70％时接枝效率最高。
所述羧甲基纤维素质量与丙烯酸钠和丙烯酸的混合溶液体积的比例为0.01～0.1g/mL，优选0.02～0.03g/mL。吸水层的吸水性与羧甲基纤维素的用量相关，当羧甲基纤维素用量较少时，接枝点较少，接枝率较低，不利于高分子网络的形成；当羧甲基纤维素用量过高时，接枝点趋于饱和，使聚丙烯酸均聚物增加，进而导致吸水率有所下降。羧甲基纤维素质量与丙烯酸钠和丙烯酸的混合溶液体积的比例为0.02～0.03g/mL时吸水率最佳，吸水层既不会吸入太多水导致剧烈溶胀，也不会出现因水分太少导致太快变干的现象。
步骤(1)中，所述交联反应温度为50～70℃。
所述交联剂选自N,N'-亚甲基二丙烯酰胺。
所述羧甲基纤维素和N,N'-亚甲基二丙烯酰胺的质量比为(50～90)：1。
所述引发剂为硫酸铵和/或过硫酸钾。
步骤(2)中，所述吸水后的吸水层吸水量为4～8g/g。
步骤(2)中，所述海藻酸钠与海鞘纤维素的质量比为(2～4)：1。水凝胶层中的海鞘纤维素均匀分散在海藻酸钠中形成具有离子导电功能的网络结构(离子导电网络)，海藻酸钠浓度过高或过低均不利于海鞘纤维素导电网络的形成，当海藻酸钠与海鞘纤维素的质量比设置在(2～4)：1时，能够形成均匀丰富的离子导电网络，使敷料具有最佳的导电性。
所述CaCl2溶液的浓度为0.001～0.1g/mL。
所述吸水层(吸水后)与水凝胶层的质量比为1:(1～4)。
所述基底层选自灭菌纱布。
相对于现有技术，本发明以羧甲基纤维素接枝聚丙烯酸为吸水层，同时以海藻酸钠与海鞘纤维素、CaCl2制成水凝胶层，堆叠形成敷料，利用羧甲基纤维素接枝聚丙烯酸和水凝胶层优异的吸水、固水性能使敷料长时间保持湿润，进而克服了敷料因干燥而无法导电的缺点。同时，水凝胶层中的海鞘纤维素含有大量的羟基，可吸附溶液中的离子(如钾离子、锌离子等)，将其均匀分散在海藻酸钠中可形成具有离子导电功能的网络结构(离子导电网络)，使得敷料在没有金属导电的情况下也具有优异的导电性。
进一步，本发明所用的海鞘纤维素与其他纤维素相比，具有更高的结晶度(结晶度是表征聚合物性质的重要参数，结晶度越大材料的尺寸稳定性、力学强度、耐热性等特性越好)，提高了敷料的稳定性、耐热性和力学强度。
基于上述机理以及实践研究，本发明具有如下有益效果：
(1)能在较长时间内保持湿润环境，从保湿液中取出后8h依然能够检测出导电率。
(2)具有高导电率，可高达0.33S/m。
(3)能够吸收组织渗出液，为伤口提供湿润环境，促进伤口愈合。
(4)本发明的离子导电水凝胶复合敷料为离子导电，无需金属导电，生物相容好，安全、环保。
附图说明
图1为离子导电水凝胶复合敷料的结构示意图，其中1为基底层，2为吸水层，3为水凝胶层；
图2为离子导电水凝胶复合敷料的实体照片；
图3为离子导电水凝胶复合敷料在不同浓度KCl溶液中的电导率；
图4为离子导电水凝胶复合敷料电导率随时间的变化图；
图5为离子导电水凝胶复合敷料的细胞毒性结果图；
图6是不同处理的大鼠伤口愈合结果图；
图7是不同处理的大鼠伤口面积折线图。
具体实施方式
以下结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
本实施例提供一种离子导电水凝胶复合敷料，该离子导电水凝胶复合敷料的结构如图1所示，包括依次层叠的基底层1、吸水层2和水凝胶层3，其中基底层可选用普通的灭菌纱布，吸水层由羧甲基纤维素接枝聚丙烯酸组成，水凝胶层的原料包括海藻酸钠、海鞘纤维素和CaCl2。
该离子导电水凝胶复合敷料的制备方法包括如下步骤：
(1)在丙烯酸钠和丙烯酸的混合溶液中加入羧甲基纤维素、交联剂和引发剂，进行聚合反应得到羧甲基纤维素接枝聚丙烯酸，将所述羧甲基纤维素接枝聚丙烯酸涂布在基底层上形成吸水层。
具体地，首先将13.5mL 1mol/L的NaOH溶液与1.5mL丙烯酸混合，形成中和度为65％的丙烯酸钠和丙烯酸混合的混合溶液。然后加入0.4g(羧甲基纤维素质量与丙烯酸钠和丙烯酸的混合溶液体积的比例为0.0267g/mL)羧甲基纤维素，在搅拌下水浴加热保持在70℃，使羧甲基纤维素均匀分散并形成白色悬浊液。
接着在白色悬浊液中加入0.0645g的引发剂过硫酸铵和0.0075g的交联剂N,N'-亚甲基二丙烯酰胺，在搅拌下水浴加热保持在70℃进行聚合反应，反应30min后得到胶状的羧甲基纤维素接枝聚丙烯酸。将羧甲基纤维素接枝聚丙烯酸均匀涂布于灭菌纱布上作为吸水层。最后于无水乙醇中浸泡24h，再用乙醇洗涤3遍，至洗出液无色后置于60℃真空干燥备用。
(2)使吸水层吸水，然后将海藻酸钠和海鞘纤维素的混合溶液涂布在吸水后的吸水层上，再加CaCl2溶液成胶形成水凝胶层。
具体地，将步骤(1)所得涂布有吸水层的灭菌纱布浸泡在灭菌水中，待吸水层充分吸水后取出(吸水量为8g/g)。在4mL浓度为0.02g/mL的海藻酸钠溶液中加入25mg海鞘纤维素(海藻酸钠与海鞘纤维素的比例3.2:1)以及40uL醋酸(促进海鞘纤维素分散)，70℃水浴加热搅拌，直至海鞘纤维素均匀分散并形成粘稠状溶液。然后将该粘稠状溶液均匀涂布在吸水后的吸水层上，并用注射器在其上喷洒15mL浓度为0.01g/mL的CaCl2溶液成胶，形成水凝胶层，得到离子导电水凝胶复合敷料。
该离子导电水凝胶复合敷料可浸泡于浓度为1～5M的KCl溶液中保存备用。
本实施例的离子导电水凝胶复合敷料照片如图2所示，可以看出，该离子导电辅料基底层为灭菌纱布，中间层为透明的羧甲基纤维素接枝聚丙烯酸吸水层，最上层为透明的水凝胶层。根据制备过程中吸水层和水凝胶层的原料用量得知吸水层(吸水后)与水凝胶层的质量比约为1：1.2。
对离子导电水凝胶复合敷料进行检测，结果如下：
①导电性
将离子导电水凝胶复合敷料分别浸泡在浓度为1～5M的KCl溶液中，将其取出后通过电化学工作站对其导电性进行检测。离子导电水凝胶复合敷料在不同KCl溶液中保存后的导电率如图3所示。图3反映，离子导电水凝胶复合敷料在5M的KCl溶液中具有最大电导率，为0.33S/m，具有良好的导电性。
将离子导电水凝胶复合敷料从5M的KCl溶液中取出后，导电率随时间的变化如图4所示。从图4可以看出，离子导电水凝胶复合敷料在180min(3h)后依然具有0.23S/m的导电率，较初始导电率仅下降了30％；而在480min(8h)后依然能够测出导电率(约0.03S/m)，说明本发明的离子导电水凝胶复合敷料能在较长时间内保持湿润环境，具有优异的导电性。
②细胞毒性
将大鼠原代成纤维细胞以(1～5)×104个/cm2的密度种植于24孔板中，在37℃，5％CO2条件下培养24h。然后将离子导电水凝胶复合敷料置于DMEM培养基(含10％胎牛血清、1％链霉素和青霉素)中浸泡24h，得到浸提液。
采用浸泡过离子导电水凝胶复合敷料的浸提液继续培养细胞24h，使用CCK-8试剂盒检测细胞活性。作为对照，另外在相同条件下采用正常的DMEM培养基对细胞培养相同时间，并采用相同的方法检测细胞毒性。
浸提液组和对照组的细胞毒性结果如图5所示。图5反映，浸提液组与对照组的细胞活率无明显差异，说明离子导电水凝胶复合敷料不会对细胞产生毒性，具有极高的安全性。
③动物实验
在大鼠背侧切割一个伤口(约1cm×1cm)，并分为对照组、电刺激组以及敷料+电刺激组。其中对照组不做处理，电刺激组直接使用电极对伤口进行刺激，敷料+电刺激组在伤口使用本发明离子导电水凝胶复合敷料后进行电刺激，所用电刺激为直流电，电流为10mA。每天电刺激1h并对伤口面积进行计算，伤口面积使用透明坐标纸进行测定，伤口的愈合状况和伤口面积分别如图6与图7所示。从图6和图7可以看出，与对照组和电刺激组相比，敷料+电刺激组的大鼠伤口愈合速度更快。
实施例2
本实施例提供一种离子导电水凝胶复合敷料，该离子导电水凝胶复合敷料包括依次层叠的基底层、吸水层和水凝胶层，其中基底层可选用普通的灭菌纱布，吸水层由羧甲基纤维素接枝聚丙烯酸组成，水凝胶层的原料包括海藻酸钠、海鞘纤维素和CaCl2。
该离子导电水凝胶复合敷料的制备方法包括如下步骤：
(1)在丙烯酸钠和丙烯酸的混合溶液中加入羧甲基纤维素、交联剂和引发剂，进行聚合反应得到羧甲基纤维素接枝聚丙烯酸，将所述羧甲基纤维素接枝聚丙烯酸涂布在基底层上作为吸水层。
具体地，首先将13.5mL 1mol/L的NaOH溶液与1.5mL丙烯酸混合，形成中和度为65％的丙烯酸钠和丙烯酸混合的混合溶液。然后加入0.4g的羧甲基纤维素，在搅拌下水浴加热保持在70℃，使羧甲基纤维素均匀分散并形成白色悬浊液。
接着在白色悬浊液中加入0.0645g的引发剂过硫酸铵和0.0045g的N,N'-亚甲基二丙烯酰胺，在搅拌下水浴加热保持在70℃进行聚合反应，反应1h后得到胶状的羧甲基纤维素接枝聚丙烯酸。将羧甲基纤维素接枝聚丙烯酸均匀涂布于灭菌纱布上作为吸水层。最后并于无水乙醇中浸泡24h，再用乙醇洗涤3遍，至洗出液无色后置于60℃真空干燥备用。
(2)使吸水层吸水，然后将海藻酸钠和海鞘纤维素的混合溶液涂布在吸水后的吸水层上，再加CaCl2溶液成胶形成水凝胶层。
具体地，将步骤(1)所得涂布有吸水层的灭菌纱布浸泡在灭菌水中，待吸水层充分吸水后取出(吸水量为4g/g)。在4mL浓度为0.01g/mL的海藻酸钠溶液中加入25mg海鞘纤维素(海藻酸钠与海鞘纤维素的比例1.6:1)以及40uL醋酸，70℃水浴加热搅拌，直至海鞘纤维素均匀分散并形成粘稠状溶液。然后将该粘稠状溶液均匀涂布在吸水后的吸水层上，并用注射器在其上喷洒15mL浓度为0.005g/mL的CaCl2溶液成胶，形成水凝胶层，得到离子导电水凝胶复合敷料。
该离子导电水凝胶复合敷料可浸泡于KCl溶液中保存备用。
对其进行检测，结果如下：
①导电性
将本实施例的离子导电水凝胶复合敷料浸泡在浓度为5mol/L的KCl溶液中，将其取出后通过电化学工作站对其导电性进行检测，测得电导率为0.22S/m。
②细胞毒性
采用与实施例1相同的细胞毒性检测方法，结果发现本实施例的离子导电水凝胶复合敷料也不会对细胞产生毒性，具有极高的安全性。
实施例3
本实施例提供一种离子导电水凝胶复合敷料，该离子导电水凝胶复合敷料包括依次层叠的基底层、吸水层和水凝胶层，其中基底层可选用普通的灭菌纱布，吸水层由羧甲基纤维素接枝聚丙烯酸组成，水凝胶层的原料包括海藻酸钠、海鞘纤维素和CaCl2。
该离子导电水凝胶复合敷料的制备方法包括如下步骤：
(1)在丙烯酸钠和丙烯酸的混合溶液中加入羧甲基纤维素、交联剂和引发剂，进行聚合反应得到羧甲基纤维素接枝聚丙烯酸，将所述羧甲基纤维素接枝聚丙烯酸涂布在基底层上作为吸水层。
具体地，首先将13.5ml 1mol/L的NaOH溶液与1.5mL丙烯酸混合，形成中和度为65％的丙烯酸钠和丙烯酸混合的混合溶液。然后加入0.4g的羧甲基纤维素，在搅拌下水浴加热保持在70℃，使羧甲基纤维素均匀分散并形成白色悬浊液。
接着在白色悬浊液中加入0.0645g的引发剂过硫酸铵和0.0045g的N,N'-亚甲基二丙烯酰胺，在搅拌下水浴加热保持在70℃进行聚合反应，反应50min后得到胶状的羧甲基纤维素接枝聚丙烯酸。将羧甲基纤维素接枝聚丙烯酸均匀涂布于灭菌纱布上作为吸水层。最后并于无水乙醇中浸泡24h，再用乙醇洗涤3遍，至洗出液无色后置于60℃真空干燥备用。
(2)使吸水层吸水，然后将海藻酸钠和海鞘纤维素的混合溶液涂布在吸水后的吸水层上，再喷洒CaCl2溶液成胶，形成水凝胶层。
具体地，将步骤(1)所得涂布有吸水层的灭菌纱布浸泡在灭菌水中，待吸水层充分吸水后取出(吸水量为4g/g)。
在4mL浓度为0.04g/mL的海藻酸钠溶液中加入25mg海鞘纤维素(海藻酸钠与海鞘纤维素的比例6.4:1)以及40uL醋酸，70℃水浴加热搅拌，直至海鞘纤维素均匀分散并形成粘稠状溶液。然后将该粘稠状溶液均匀涂布在吸水后的吸水层上，并用注射器在其上喷洒15mL浓度为0.02g/mL的CaCl2溶液成胶，形成水凝胶层，得到离子导电水凝胶复合敷料。
该离子导电水凝胶复合敷料可浸泡于KCl溶液中保存备用。
对离子导电水凝胶复合敷料进行检测，结果如下：
①导电性
将本实施例的离子导电水凝胶复合敷料浸泡在浓度为5mol/L的KCl溶液中，将其取出后通过电化学工作站对其导电性进行检测，测得电导率为0.24S/m。
②细胞毒性
采用与实施例1相同的细胞毒性检测方法，结果发现本实施例的离子导电水凝胶复合敷料也不会对细胞产生毒性，具有极高的安全性。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种离子导电水凝胶复合敷料，其特征在于：所述离子导电水凝胶复合敷料包括依次层叠的基底层、吸水层和水凝胶层，所述吸水层由羧甲基纤维素接枝聚丙烯酸组成，所述水凝胶层的原料包括海藻酸钠、海鞘纤维素和CaCl2，所述海藻酸钠与海鞘纤维素的质量比为（2～4）：1，所述海鞘纤维素均匀分散在海藻酸钠中。
2.一种离子导电水凝胶复合敷料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）在丙烯酸钠和丙烯酸的混合溶液中加入羧甲基纤维素、交联剂和引发剂，进行交联反应得到羧甲基纤维素接枝聚丙烯酸，将所述羧甲基纤维素接枝聚丙烯酸涂布在基底层上形成吸水层；所述丙烯酸钠和丙烯酸的混合溶液的中和度为50%～80%，所述羧甲基纤维素质量与丙烯酸钠和丙烯酸的混合溶液体积的比例为0.01～0.1 g/mL；
（2）使吸水层吸水，然后将海藻酸钠和海鞘纤维素的混合溶液涂布在吸水后的吸水层上，再加CaCl2溶液成胶，形成水凝胶层；所述海藻酸钠与海鞘纤维素的质量比为（2～4）：1，所述海鞘纤维素均匀分散在海藻酸钠中。
3.根据权利要求2所述离子导电水凝胶复合敷料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述交联反应温度为50～70℃。
4.根据权利要求2所述离子导电水凝胶复合敷料的制备方法，其特征在于：所述交联剂选自N,N'-亚甲基二丙烯酰胺。
5.根据权利要求4所述离子导电水凝胶复合敷料的制备方法，其特征在于：所述羧甲基纤维素和N,N'-亚甲基二丙烯酰胺的质量比为（50～90）：1。
6.根据权利要求2所述离子导电水凝胶复合敷料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述引发剂为过硫酸铵和/或过硫酸钾。
7.根据权利要求2所述离子导电水凝胶复合敷料的制备方法，其特征在于：所述吸水后的吸水层吸水量为4～8 g/g。
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