CN111925476A - 一种导电抗菌水凝胶及其制备方法、应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高分子水凝胶技术领域，为解决传统水凝胶机械性能较差、功能单一的问题，提供了一种导电抗菌水凝胶及其制备方法、应用，所述导电抗菌水凝胶由牛血清蛋白改性氧化石墨烯、两性离子单体、第二单体、交联剂和引发剂混合均匀后，发生聚合反应制得。本发明的导电抗菌水凝胶可拉伸、高弹性，具有优异的抗细菌黏附性能，形变时具有灵敏、稳定的相对电阻变化率，最大拉伸强度为30kPa，最大导电率为0.51S/m，可以承受连续一百次加载‑卸载循环不发生破裂，压缩强度几乎没有下降，具有良好的抗疲劳性和形状恢复性；制备方法，步骤简单，操作方便，高效且环保，对环境友好。

Description

一种导电抗菌水凝胶及其制备方法、应用
技术领域
本发明涉及高分子水凝胶技术领域，尤其涉及一种导电抗菌水凝胶及其制备方法、应用。
背景技术
水凝胶是一种具有3D网络结构包含大量水的软质材料，由于其出色的生物相容性和高亲水性，已在伤口敷料、软骨替代和组织工程支架等领域得到了广泛探索和应用。然而，要制备具有优异韧性和可行工艺的生物传感器仍然是一项挑战。
传统水凝胶机械性能较差，在实际使用中容易被拉伸、弯曲或压缩等外力损坏，导致结构与性能被破坏，缩短其使用寿命。近年来，由两个相互穿插的高分子网络组成的双网络(DN)水凝胶因为具有高强高韧的性质引起了广泛关注。而另一种相对直接的途径是将纳米填料如碳纳米管、基于石墨烯的纳米片层掺杂到水凝胶中，这些纳米填料还能赋予水凝胶优异的电导率。例如，Wen Zhong等人通过物理交联的方式将氧化石墨烯(GO)引入化学交联的聚丙烯酸(PAA)网络中，开发出一种具有优异机械性能和自修复效率的水凝胶，可用作生物传感器。
由于大多数水凝胶介质都是水性介质，制备稳定且具有可加工性的氧化石墨烯分散体在生物医学领域至关重要。由于范德华力的存在，氧化石墨烯在水性介质中通常无法分散稳定。为了获得稳定的氧化石墨烯分散体，需要加入一些额外的试剂如有机溶剂、离子液体、表面活性剂。Dai等人研究了GO在水和有机溶剂混合物中的分散性，发现GO在水与有机溶剂(如乙醇、丙酮、二甲基亚砜)混合物中的分散稳定性优于在纯水中。然而，这些有机溶液的毒性限制了材料在实际中的应用。
从医用植入材料到船体，在许多应用中，防止材料表面的生物分子和微生物黏附已经成为一个巨大的挑战。例如，细菌感染是生物材料面临的重大问题之一，传统水凝胶缺乏抗菌性能，因此需要额外的抗菌剂，这会导致全身毒性、不良免疫反应和耐药菌的出现。在海洋水下设施领域，生物污垢可能会增加船体质量，从而降低航行速度，增加能源消耗，甚至导致外来物种的入侵。商业化的伤口敷料则由于缺乏对成纤维细胞和蛋白质的抗黏附性，容易粘附到新生组织上，在伤口护理过程中不能达到安全无痛的效果。两性离子聚电解质水凝胶是指聚合物网络中同时带有阴离子和阳离子的水凝胶，其中两性离子分子链可以通过静电诱导作用结合水分子，有效的抵抗蛋白质、细菌、细胞等的黏附。Yu Nie等人开发了一种基于铜离子和聚(羧基甜菜碱-多巴胺-甲基丙烯酰胺)共聚物(PCBDA)的两性离子抗菌水凝胶涂层，应用于隐形眼镜表面可以降低蛋白质的黏附和生物膜的形成。
发明内容
本发明为了克服传统水凝胶机械性能较差、功能单一的问题，提供了一种可拉伸、高弹性，具有优异的抗细菌黏附性能，形变时具有灵敏、稳定的相对电阻变化率的导电抗菌水凝胶。
本发明还提供了一种导电抗菌水凝胶的制备方法，步骤简单，操作方便，高效且环保，对环境友好。
本发明还提供了一种导电抗菌水凝胶在生物传感器中的应用。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种导电抗菌水凝胶，其特征在于，所述导电抗菌水凝胶由牛血清蛋白改性氧化石墨烯(BSA@GO)、两性离子单体、第二单体、交联剂和引发剂混合均匀后，发生聚合反应制得。
本发明所述两性离子单体赋予水凝胶优异的抗黏附性能，牛血清蛋白改性氧化石墨烯赋予水凝胶良好的导电率和抗菌性，第二单体的引入在一定程度上改善水凝胶的力学性能，导电抗菌水凝胶可拉伸，具有高弹性及优良的导电率，在发生形变时具有灵敏、稳定的相对电阻变化率，具有优异的抗细菌黏附性能。本发明的导电抗菌水凝胶的最大拉伸强度为30kPa，最大导电率为0.51S/m，可以承受连续一百次加载-卸载循环不发生破裂，压缩强度几乎没有下降，具有良好的抗疲劳性和形状恢复性。
作为优选，所述牛血清蛋白改性氧化石墨烯的制备方法为：将氧化石墨烯分散于牛血清蛋白水溶液中，超声后静置，取上清液离心，冻干后获得固体产物，即为牛血清蛋白改性氧化石墨烯。
本发明选用牛血清蛋白去改性氧化石墨烯是为了制备稳定、具有可加工性且安全无毒的氧化石墨烯分散体。
作为优选，所述两性离子单体为磺酸甜菜碱甲基丙烯酸甲酯(SBMA)或羧酸甜菜碱甲基丙烯酸甲酯(CBMA)。
作为优选，所述第二单体为甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)。
作为优选，所述引发剂为α-酮戊二酸(KA)。
作为优选，所述交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)。
作为优选，以两性离子单体总摩尔量为基准，所述第二单体的加入量为5～20mol％，所述交联剂的加入量为0.05～1mol％，所述引发剂的加入量为1～5mol％。
一种导电抗菌水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
(1)将氧化石墨烯分散于牛血清蛋白水溶液中，超声后静置，取上清液离心，冻干后获得固体产物，即为牛血清蛋白改性氧化石墨烯；
(2)将牛血清蛋白改性氧化石墨烯、两性离子单体、第二单体、交联剂和引发剂加入到溶剂中，混合均匀得混合液；
(3)将混合液进行除氧处理，去除混合溶液中的气泡，得到预液；
(4)将预液密封于透光模具中，经紫外光照射发生聚合反应，即得导电抗菌水凝胶。
作为优选，步骤(1)中，所述牛血清蛋白水溶液的浓度为0.001～0.01wt％，优选浓度为0.005wt％。
作为优选，步骤(2)中，以两性离子单体总摩尔量为基准，所述第二单体的加入量为5～20mol％，所述交联剂的加入量为0.05～1mol％，所述引发剂的加入量为1～5mol％；作为优选，步骤(2)中，所述混合液中牛血清蛋白改性氧化石墨烯的浓度为10～50mg/mL；所述混合液中两性离子单体的浓度为0.5～4mol/L；所述溶剂包括水；
作为优选，步骤(3)中，除氧处理为通入氮气或惰性气体；优选为氮气；去除混合溶液中的气泡的方式为超声处理(超声功率为150W，超声时间为5min)。
作为优选，步骤(4)中，所述透光模具为透明玻璃模具或透明塑料模具；紫外光的波长为365nm；照射时间为6h。
一种导电抗菌水凝胶在生物传感器中的应用，所述导电抗菌水凝胶在发生形变时具有灵敏、稳定的相对电阻变化率。
因此，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明的导电抗菌水凝胶可拉伸、高弹性，具有优异的抗细菌黏附性能，形变时具有灵敏、稳定的相对电阻变化率，最大拉伸强度为30kPa，最大导电率为0.51S/m，可以承受连续一百次加载-卸载循环不发生破裂，压缩强度几乎没有下降，具有良好的抗疲劳性和形状恢复性；
(2)制备方法，步骤简单，操作方便，高效且环保，对环境友好；
(3)本发明的导电抗菌水凝胶在发生形变时具有灵敏、稳定的相对电阻变化率，在生物传感器中具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为实施例1中牛血清蛋白改性氧化石墨烯(BSA@GO)与对比例3原始氧化石墨烯(GO)的红外谱对比图。
图2为对比例1(A1、A2)和对比例2(B1、B2)所制得的水凝胶经手指压缩前后的实物图。
图3是对比例2(b)、实施例1(a)所制得的水凝胶的拉伸曲线对比图。
图4是实施例1所制得的水凝胶连续一百次加载-卸载测试曲线图。
图5是实施例1-4所制得的水凝胶的导电率对比图：(实施例1，a；实施例2，c；实施例3，b；实施例4，d)。
图6是实施例2所制得的水凝胶的拉伸曲线图。
图7是实施例2所制得的水凝胶抗大肠杆菌黏附情况的荧光显微镜照片。
图8实施例2所制得的水凝胶检测身体不同部位运动时的电阻变化情况图。
具体实施方式
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
在本发明中，若非特指，所有设备和原料均可从市场购得或是本行业常用的，下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域常规方法。
本发明以下各实施例及对比例的水凝胶的性能测试包括以下几个方面：
(1)拉伸机械性能测试：用1mm厚的玻璃模具，制备出长为40mm，宽为10mm的水凝胶样条，使用“哑铃”形裁刀制得标距为16mm，宽4mm，厚1mm的水凝胶样条。取3个样条在Instron5966万能材料试验机上进行力学拉伸实验，拉伸速度100mm/min，测定其力学性能。
(2)压缩性能测试：用Instron 5966万能材料试验机对圆柱体水凝胶样品进行循环压缩测试。测试前用游标卡尺分别对样品的直径、高度进行测量，放置于试验机上后，设置压缩速度为5mm/min，开始测试。
(3)导电率测试：用四探针电阻仪(RTS-9型数字式，4PROBES TECH)对水凝胶样条进行导电率测试。将样品放置于平台上，并旋转旋钮使探头刚好接触样品表面，设置样品厚度为1mm，测试电流为4.119μA，点击开始测试，读取电导率数值，每组样品测十个点，取平均值。
(4)抗菌性能测试：将水凝胶片状样品置于12孔板中，在每个孔中加入1mL大肠杆菌菌液，控制菌液的光密度(OD)为0.1，然后将12孔板放入摇床中，使样品与菌液在37℃下以120rpm的转速共培养24h。然后在无光条件下将其用染料染色15min，用磷酸缓冲液洗涤后用倒置荧光显微镜观察细菌黏附情况。
(5)电阻灵敏系数测试：制备长条形水凝胶，用交互式数字仪表对水凝胶的电阻进行测量。在1V的低电压下，将电源的两极接在水凝胶相同位置，将水凝胶放置于身体上的不同部位，仪器会自动记录人体运动时水凝胶的电阻，生成一张电阻-时间图。再根据水凝胶电阻的-时间图绘制相对电阻变化率-时间图。其中，水凝胶相对电阻变化率由下式求得，其中R0为初始电阻，R’为发生应变后的电阻，ΔR为发生应变后的电阻与初始电阻的差值。
Figure BDA0002590243180000051
实施例1
(1)将氧化石墨烯分散于浓度为0.005wt％的牛血清蛋白水溶液中，于功率750W条件下超声3h，随后静置24h，取上清液离心，冻干后获得固体产物，即为牛血清蛋白改性氧化石墨烯；
(2)参照表1的配方，将牛血清蛋白改性氧化石墨烯、磺酸甜菜碱甲基丙烯酸甲酯(SBMA)(两性离子单体)、甲基丙烯酸羟乙酯(第二单体)、N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)(交联剂)和α-酮戊二酸(KA)(引发剂)加入到水中，混合均匀得混合液；混合液中牛血清蛋白改性氧化石墨烯的浓度为0.5mg/mL；表1中N,N-亚甲基双丙烯酰胺和α-酮戊二酸用量为相对于磺酸甜菜碱甲基丙烯酸甲酯的相对摩尔百分比(mol％)；
(3)将混合液中通入氮气进行除氧处理，于功率150W条件下超声处理5min去除混合溶液中的气泡，得到预液；
(4)将预液密封于透明玻璃模具中，经365nm紫外光照射6h发生聚合反应，即得导电抗菌水凝胶。
实施例1所制得的水凝胶连续一百次加载-卸载测试曲线如图4所示，一百个循环的应力-应变曲线几乎完全重叠，且在经历一百次循环后，水凝胶的压缩强度几乎没有下降，具有良好的抗疲劳性和形状恢复性。
表1.配方表
Figure BDA0002590243180000052
Figure BDA0002590243180000061
对比例1
对比例1与实施例1的区别在于，体系中未添加牛血清蛋白改性GO和第二单体，具体参照表1，其余工艺完全相同。
对比例2
对比例2与实施例1的区别在于，体系中未添加牛血清蛋白改性GO，具体参照表1，其余工艺完全相同。
对比例1、2所制得的水凝胶抗压情况如图2所示，对比例1所述配方制备的水凝胶在手指施加应力的情况下发生破碎，这是因为配方体系中缺少第二单体，导致水凝胶力学性能下降；而对比例2所述配方制备的水凝胶保持形状完整，并且在撤去外力后能立刻恢复到原来的形状，说明第二单体的加入能够大大提高水凝胶的力学性能。
对比例2和实施例1所制得的水凝胶的拉伸性能如图3所示，其中实施例1中添加了GO的水凝胶的拉伸性能要优于对比例2中未添加GO的水凝胶，实施例1所述配方制备的水凝胶的拉伸强度和断裂伸长率分别为14kPa和500％。
对比例3
对比例3与实施例1的区别在于，体系中所添加的GO未经改性，具体参照表1，其余工艺完全相同。
图1为实施例1中经牛血清蛋白溶液改性过的氧化石墨烯与未经改性的原始氧化石墨烯的红外谱对比图，从图1可以看出，经牛血清蛋白溶液改性过的氧化石墨烯表面具有丰富的氨基、羧基官能团，这些官能团有利于氧化石墨烯在溶液中稳定分散，从而制备出稳定、均匀的导电抗菌水凝胶。
对比例4
对比例4与实施例1的区别在于，体系中所添加的GO经丙酮改性，具体参照表1，其余工艺完全相同。
对比例4制得的水凝胶的生物相容性相对于实施例1明显下降，这是因为丙酮对神经系统有抑制、麻醉作用，与人体长期接触后可能发生呕吐、昏睡、眩晕等症状。
实施例2
(1)将氧化石墨烯分散于浓度为0.005wt％的牛血清蛋白水溶液中，于功率750W条件下超声3h，随后静置24h，取上清液离心，冻干后获得固体产物，即为牛血清蛋白改性氧化石墨烯；
(2)参照表1的配方，将牛血清蛋白改性氧化石墨烯、磺酸甜菜碱甲基丙烯酸甲酯(SBMA)、甲基丙烯酸羟乙酯(第二单体)、N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)(交联剂)和α-酮戊二酸(KA)(引发剂)加入到水中，混合均匀得混合液；混合液中牛血清蛋白改性氧化石墨烯的浓度为30mg/mL；表1中N,N-亚甲基双丙烯酰胺和α-酮戊二酸用量为相对于磺酸甜菜碱甲基丙烯酸甲酯的相对摩尔百分比(mol％)；
(3)将混合液中通入氩气进行除氧处理，于功率150W条件下超声处理5min去除混合溶液中的气泡，得到预液；
(4)将预液密封于透明塑料模具中，经365nm紫外光照射6h发生聚合反应，即得导电抗菌水凝胶。
实施例2所制得的水凝胶的拉伸性能如图6所示，水凝胶的拉伸强度为30kPa，断裂伸长率为1050％。
实施例2所制得的水凝胶抗大肠杆菌黏附情况的荧光显微镜照片如图7所示，与对照组GO/P(AAm-co-HEMA)水凝胶(A1-A2)相比，实施例4所制得的水凝胶表面几乎没有观察到有大肠杆菌的黏附(B1-B2)。
实施例2所制得的水凝胶在身体不同部位运动时的相对电阻变化情况如图8所示，A-F分别为水凝胶检测手指弯曲90°变化、检测手腕弯曲90°变化、检测手肘弯曲90°变化、检测膝盖弯曲90°变化、检测喉咙喝水时的变化以及检测喉咙发出“哈哈”声音时的变化时的电阻变化情况，表明在发生应变时，水凝胶具有较高的相对电阻变化，灵敏度良好。
实施例3
(1)将氧化石墨烯分散于浓度为0.001wt％的牛血清蛋白水溶液中，于功率750W条件下超声3h，随后静置24h，取上清液离心，冻干后获得固体产物，即为牛血清蛋白改性氧化石墨烯；
(2)参照表1的配方，将牛血清蛋白改性氧化石墨烯、羧酸甜菜碱甲基丙烯酸甲酯(CBMA)、甲基丙烯酸羟乙酯(第二单体)、N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)(交联剂)和α-酮戊二酸(KA)(引发剂)加入到水中，混合均匀得混合液；混合液中牛血清蛋白改性氧化石墨烯的浓度为10mg/mL；表1中N,N-亚甲基双丙烯酰胺和α-酮戊二酸用量为相对于磺酸甜菜碱甲基丙烯酸甲酯的相对摩尔百分比(mol％)；
(3)将混合液中通入氦气进行除氧处理，于功率150W条件下超声处理5min去除混合溶液中的气泡，得到预液；
(4)将预液密封于透明塑料模具中，经365nm紫外光照射6h发生聚合反应，即得导电抗菌水凝胶。
实施例4
(1)将氧化石墨烯分散于浓度为0.01wt％的牛血清蛋白水溶液中，于功率750W条件下超声3h，随后静置24h，取上清液离心，冻干后获得固体产物，即为牛血清蛋白改性氧化石墨烯；
(2)参照表1的配方，将牛血清蛋白改性氧化石墨烯、磺酸甜菜碱甲基丙烯酸甲酯(SBMA)、甲基丙烯酸羟乙酯(第二单体)、N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)(交联剂)和α-酮戊二酸(KA)(引发剂)加入到水中，混合均匀得混合液；混合液中牛血清蛋白改性氧化石墨烯的浓度为50mg/mL；表1中N,N-亚甲基双丙烯酰胺和α-酮戊二酸用量为相对于磺酸甜菜碱甲基丙烯酸甲酯的相对摩尔百分比(mol％)；
(3)将混合液中通入氮气进行除氧处理，于功率150W条件下超声处理5min去除混合溶液中的气泡，得到预液；
(4)将预液密封于透明塑料模具中，经365nm紫外光照射6h发生聚合反应，即得导电抗菌水凝胶。
实施例1-4所制得的水凝胶的导电率如图5所示，当GO添加量为30mg/mL时(实施例2)，所制得的水凝胶导电率最大，为0.51S/m。
实施例5-7
实施例5-7与实施例1的区别在于，各组分的添加量不同，具体参照表1，其余工艺完全相同，所得导电抗菌水凝胶的性能与实施例1相当，在此不再赘述。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (10)

1.一种导电抗菌水凝胶，其特征在于，所述导电抗菌水凝胶由牛血清蛋白改性氧化石墨烯、两性离子单体、第二单体、交联剂和引发剂混合均匀后，发生聚合反应制得。
2.根据权利要求1所述的一种导电抗菌水凝胶，其特征在于，所述牛血清蛋白改性氧化石墨烯的制备方法为：将氧化石墨烯分散于牛血清蛋白水溶液中，超声后静置，取上清液离心，冻干后获得固体产物，即为牛血清蛋白改性氧化石墨烯。
3.根据权利要求1所述的一种导电抗菌水凝胶，其特征在于，所述两性离子单体为磺酸甜菜碱甲基丙烯酸甲酯或羧酸甜菜碱甲基丙烯酸甲酯。
4.根据权利要求1所述的一种导电抗菌水凝胶，其特征在于，所述第二单体为甲基丙烯酸羟乙酯。
5.根据权利要求1所述的一种导电抗菌水凝胶，其特征在于，所述引发剂为α-酮戊二酸。
6.根据权利要求1所述的一种导电抗菌水凝胶，其特征在于，所述交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺。
7.根据权利要求1所述的一种导电抗菌水凝胶，其特征在于，以两性离子单体总摩尔量为基准，所述第二单体的加入量为5～20mol％，所述交联剂的加入量为0.05～1mol％，所述引发剂的加入量为1～5mol％。
8.一种如权利要求1-7任一所述的导电抗菌水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将氧化石墨烯分散于牛血清蛋白水溶液中，超声后静置，取上清液离心，冻干后获得固体产物，即为牛血清蛋白改性氧化石墨烯；
(2)将牛血清蛋白改性氧化石墨烯、两性离子单体、第二单体、交联剂和引发剂加入到溶剂中，混合均匀得混合液；
(3)将混合液进行除氧处理，去除混合溶液中的气泡，得到预液；
(4)将预液密封于透光模具中，经紫外光照射发生聚合反应，即得导电抗菌水凝胶。
9.根据权利要求8所述的导电抗菌水凝胶的制备方法，其特征在于，
步骤(1)中，所述牛血清蛋白水溶液的浓度为0.001～0.01wt％；
步骤(2)中，以两性离子单体总摩尔量为基准，所述第二单体的加入量为5～20mol％，所述交联剂的加入量为0.05～1mol％，所述引发剂的加入量为1～5mol％；所述混合液中牛血清蛋白改性氧化石墨烯的浓度为10～50mg/mL；所述混合液中两性离子单体的浓度为0.5～4mol/L；所述溶剂包括水；
步骤(3)中，除氧处理为通入氮气或惰性气体；去除混合溶液中的气泡的方式为超声处理；
步骤(4)中，所述透光模具为透明玻璃模具或透明塑料模具；紫外光的波长为365nm；照射时间为6h。
10.一种如权利要求1-7任一所述的导电抗菌水凝胶在生物传感器中的应用。
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