CN111991345B - 一种多重响应性的氨基糖苷小分子水凝胶及其制备方法和应用 - Google Patents

一种多重响应性的氨基糖苷小分子水凝胶及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了由动态化学键交联的具有多重响应性的氨基糖苷小分子水凝胶及其制备方法，利用动态席夫碱键、动态配位键和氢键共同交联成胶。本发明还公开了所述氨基糖苷小分子水凝胶在体外的抗菌应用，在细菌感染的弱酸环境中动态的席夫碱键和动态的配位键断裂，从而导致凝胶降解释放出具有抗菌活性的氨基糖苷类抗生素和3，4‑二羟基苯甲醛。本发明制备方法简单，利用天然的氨基糖苷类抗生素、3，4‑二羟基苯甲醛、三价铁离子制备水凝胶，成胶基元全部来源天然，环境友好。本发明所述凝胶利用动态的席夫碱键、配位键、氢键形成水凝胶，利用的化学简单，但却可以赋予该凝胶温度、光、氧化还原、pH、电等多重响应性。本发明具有广泛应用前景。

Description

一种多重响应性的氨基糖苷小分子水凝胶及其制备方法和 应用
技术领域
本发明属于有机化学及生物材料技术领域，具体涉及一种多重响应性的氨基糖苷小分子水凝胶及其制备方法和应用。
背景技术
小分子水凝胶在细胞培养、组织工程和受控药物释放等领域中具有重要用途。这类小分子水凝胶通常先自组装形成纤维状的超分子结构，然后通过纤维结构间的非共价作用力，比如静电或者氢键等交联形成水凝胶。其具有易于构造、刺激响应性、易于降解和低免疫原性等优点。但是另一方面，维持凝胶结构的非共价作用力相对较弱，这可能导致超分子凝胶的机械性能低和稳定性较差。
鉴于现有技术小分子水凝胶通常是由物理交联形成的超分子水凝胶，其机械性能低和稳定性欠佳。而动态共价键具有共价键稳定和非共价键可逆两方面的优势，通过引入动态共价键构筑小分子水凝胶是改善上述问题的有效方法之一。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种由动态共价键构筑的小分子水凝胶及其制备方法，本发明由动态化学键交联的具有多重响应性的氨基糖苷小分子水凝胶及其制备方法，得到具有较高机械性能和稳定性的小分子水凝胶，同时赋予该凝胶多重响应性。图4中所述凝胶的存储模量为15354.4帕，可表示水凝胶的机械性能。
本发明提出了一种多重响应性的氨基糖苷小分子水凝胶，其由动态席夫碱键、动态配位键和氨基糖苷类抗生素分子上糖单元之间形成的氢键共同交联形成。
现有技术中，无论是聚合物水凝胶还是小分子水凝胶的制备过程常采用的是复杂的化学合成与纯化(如聚合物需要修饰或合成大分子，多肽凝胶需要设计多肽序列等)以及物理的复杂操作(如反复的升温降温等等)，而本发明制备多重响应性的氨基糖苷小分子水凝胶可以避免这些复杂性。本发明中所利用的材料全部来源于天然小分子，无需预合成的工作。本发明中制备凝胶所采用的方法是室温下一锅混的制备方法，无需预合成的工作，也无需进行复杂的物理操作工作。
本发明中，形成所述多重响应性的氨基糖苷小分子水凝胶的成胶基元来源天然，故水凝胶降解的产物全部是天然小分子，该凝胶的使用对环境友好。
本发明中动态共价键赋予了所述多重响应性的氨基糖苷小分子凝胶温度、光、氧化还原、酸/pH、电等多重响应性，可通过调节温度、光、氧化还原、pH、电等因素来调节水凝胶的降解行为。
本发明采用动态的席夫碱键、动态的配位键和氨基糖苷类抗生素分子上糖单元之间形成的氢键共同交联制备所述水凝胶。与由非共价键交联形成的小分子水凝胶相比，本发明水凝胶具有较高的机械性能和稳定性，同时还具有多重响应性。所述多重响应性包括温度、光、氧化还原、酸、电等。优选地，本发明所述小分子水凝胶具有酸响应性，会在细菌生长的弱酸环境中通过酸响应释放具有抗菌活性的氨基糖苷类抗生素和3，4-二羟基苯甲醛，因而在体外具有高效的抗菌性能。
本发明提供了一种多重响应性的氨基糖苷小分子水凝胶的制备方法，所述制备方法为，利用3，4-二羟基苯甲醛分子的醛基和氨基糖苷类抗生素分子的氨基形成动态席夫碱键，同时利用3，4-二羟基苯甲醛分子上面的邻二羟基结构和三价铁离子形成动态配位键和氨基糖苷类分子上的糖单元之间形成的氢键共同交联成胶，制备得到所述多重响应性的氨基糖苷小分子水凝胶。
在一具体实施方案中，所述制备方法包括以下步骤：
(1)在pH 10.0条件下，3，4-二羟基苯甲醛和六水三氯化铁发生螯合反应生成三配位的PA/Fe(III)螯合物，所述PA代表3，4-二羟基苯甲醛；
(2)与氨基糖苷类抗生素通过动态共价键和氢键交联成胶，制备得到所述多重响应性的氨基糖苷小分子水凝胶。
本发明中，所述水凝胶由3，4-二羟基苯甲醛、三价铁离子、氨基糖苷类抗生素共同组成。
本发明中，所述PA/Fe(III)螯合物是由3，4-二羟基苯甲醛和六水三氯化铁形成的三配位螯合物。
所述PA/Fe(III)螯合物的结构式如下所示：
Figure GDA0004071868060000031
本发明中，所述水凝胶是基于3，4-二羟基苯甲醛分子的醛基和氨基糖苷类抗生素分子的氨基形成可逆的席夫碱键，同时利用3，4-二羟基苯甲醛分子的邻二羟基结构和三价铁的动态配位键形成交联网络，并通过氨基糖苷类抗生素分子的糖单元之间形成的氢键进行二级交联，进而形成水凝胶。所述水凝胶内部有许多致密的多孔网状交联结构(如图1所示)。
本发明中，所述氨基糖苷类抗生素药物是一类由氨基糖与氨基环醇通过氧桥连接而成的苷类抗生素，并且分子结构中含有多个氨基基团。其中氨基糖苷类抗生素药物的分子结构中含有的氨基数≧2，通式如式(I)所示：
Figure GDA0004071868060000032
式(I)中，R1，R2，R3，R4，R5为H或者烷基或
Figure GDA0004071868060000033
Figure GDA0004071868060000034
R6，R7，R8为H、羟基或烷基羟基。
优选地，R1，R2，R3，R4，R5为H或者C1-C2烷基，R6，R7，R8为H、羟基或甲基羟基。
所述氨基糖苷类抗生素包括但不局限于以下种类：奈替米星，核糖霉素，庆大霉素，巴龙霉素，妥布霉素，新霉素等。其代表性药物结构式如下所示：
Figure GDA0004071868060000041
优选地，本发明实施例1-2中，形成所述制备三配位PA/Fe(III)螯合物的pH条件为pH＞8.5，优选地为pH 10.0。
本发明中可通过调节成胶基元的浓度来影响是否成胶。其中，所述成胶基元的浓度可以用凝胶中三价铁离子优选六水三氯化铁的终浓度和所述氨基糖苷类抗生素优选妥布霉素的终浓度来表示。本发明的成胶条件为，交联所需的三价铁离子优选六水三氯化铁的终浓度为55.6mg/mL-198.7mg/mL，优选地为79.5mg/mL；氨基糖苷类抗生素优选妥布霉素终浓度为20.6mg/mL-185.3mg/mL，优选地为144.1mg/mL。
本发明中成胶的条件为室温，即10℃-28℃，优选地为25℃。
本发明中可通过调节成胶的pH来影响是否成胶。所述水凝胶的成胶pH为5.0-12.0，优选地为pH 10.0。这是因为pH过低会破坏由动态席夫碱键和动态配位键形成的交联网络，导致不能形成水凝胶。
本发明中，可以通过调节成胶基元的浓度来调节水凝胶的凝胶化时间和模量，所述凝胶的凝胶化时间为1秒-240秒，优选地为94秒；所述凝胶的存储模量为500帕-100000帕，优选地为8000帕-30000帕。这是因为成胶基元的浓度影响成胶所需的交联度，当成胶基元的浓度越高，形成水凝胶的交联度也越高，会使形成水凝胶的时间缩短、模量增大。
本发明中，可以通过调节成胶基元的浓度来调节水凝胶的融化温度，所述凝胶的熔化温度为34℃-48℃，优选地为41℃。这是因为成胶基元的浓度影响成胶所需的交联度，当成胶基元的浓度越高，形成水凝胶的交联度也越高，会使形成水凝胶的融化温度升高。
本发明中，所述制备得到的多重响应性的氨基糖苷小分子凝胶具有温度响应性、光响应性、氧化还原响应性、酸响应性和电响应性等多重响应性。
本发明实施例10中，可以采用加入硼氢化钠、柠檬酸钠、维生素C、茶多酚等还原剂的方式，将三价铁离子还原为二价铁，使三配位的PA/Fe(III)螯合物转变为二配位或单配位的螯合物，从而破坏所述凝胶的交联网络，使水凝胶具有氧化还原响应性。优选地，为硼氢化钠。
本发明还提出了按以上所述方法制备得到的多重响应性的氨基糖苷小分子水凝胶。
本发明还提出了所述多重响应性的氨基糖苷小分子水凝胶在制备具有抗菌作用的涂层、薄膜、植入物、可穿戴设备等产品中的应用。
本发明中，所述菌包括但不限于大肠杆菌、绿脓杆菌、金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌等。
本发明还提出了一种药物组合物，所述药物组合物包括如权利要求10所述的多重响应性的氨基糖苷小分子水凝胶。
其中，所述药物组合物被配制成可注射流体、气雾剂、乳膏、凝胶剂、片剂、丸剂、胶囊剂、糖浆剂或透皮贴剂。
本发明制备得到的多重响应性的氨基糖苷小分子凝胶可以在细菌生长产生的弱酸环境中，通过酸响应释放具有抗菌活性的3，4-二羟基苯甲醛和氨基糖苷类抗生素，因而在体外具有高效的抗菌活性。同时可以将水凝胶制备成抗菌薄膜，在体外仍具有高效的抗菌性能，在医疗器械抗菌涂层方面具有潜在的应用前景。
本发明中，水凝胶的制备具有普适性，将妥布霉素用硫酸新霉素等其他氨基糖苷类抗生素替代后仍然可以制备形成水凝胶，并且所制备的凝胶在体外具有高效的抗菌性能。
其中，所述细菌选自大肠杆菌、绿脓杆菌、金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌。
本发明所述多重响应性氨基糖苷小分子水凝胶及其制备方法和应用的有益效果包括：此外，现在无论是聚合物水凝胶还是小分子水凝胶的制备过程都有复杂的化学合成与纯化(如聚合物需要修饰或合成大分子，多肽凝胶需要设计多肽序列等)以及物理的复杂操作(如反复的升温降温等等)，而本发明可以避免这些复杂性。本发明无需复杂的合成与纯化步骤，也无需升温、降温等复杂的制备工艺，凝胶的制备方法简单。且本发明凝胶利用天然的氨基糖苷类抗生素、3，4-二羟基苯甲醛、三价铁离子制备水凝胶，成胶基元全部来源天然，环境友好。本发明所述凝胶利用动态的席夫碱键、配位键、氢键形成水凝胶，利用的化学简单，但却可以赋予该凝胶温度、光、氧化还原、pH、电等多重响应性。本发明所述水凝胶可在细菌生长所产生的弱酸环境中通过酸响应释放出药物进行杀菌，在体外具有高效的抗菌性能。
附图说明
图1为实施例1中PA/Fe(III)/TOB水凝胶的形成机理示意图。所述PA代表3，4-二羟基苯甲醛、Fe(III)代表三价铁离子、TOB代表妥布霉素。
图2为实施例2中PA/Fe(III)螯合物的紫外-可见吸光光谱图，即螯合物在不同波长的紫外光激发下的发射光谱。其中，(1)、(2)、(3)分别代表pH10.0、pH6.0、pH2.0条件下螯合物的紫外-可见吸收曲线，虚线分别代表450nm、565nm、725nm处有吸收峰。
图3为实施例3中相图。蓝色代表成胶的浓度范围，红色代表不能成胶的浓度范围。
图4为实施例3中水凝胶的流变测试结果。
图5为实施例4中不同浓度水凝胶的成胶时间和模量。
图6为实施例5中不同pH条件下成胶情况。
图7为实施例7中PA/Fe(III)/TOB水凝胶的SEM表征。
图8为实施例7中PA/Fe(III)/TOB水凝胶的拉曼表征。
图9为实施例8中PA/Fe(III)/TOB水凝胶的温度响应性。插图为瓶子倒置实验的结果。
图10为实施例8中PA/Fe(III)/TOB水凝胶的融化温度。a.不同妥布霉素浓度的水凝胶的熔化温度。b.不同FeCl3·6H2O浓度的水凝胶的融化温度。
图11为实施例9中PA/Fe(III)/TOB水凝胶的光响应性。a.水凝胶在不同功率密度下的升温曲线。b.水凝胶在0.36Wcm-2功率密度下发生凝胶-溶胶转化过程中的图片(分别为数码照相机(上排图片)和近红外照像仪(下排图片)拍摄)。
图12为实施例10中PA/Fe(III)/TOB水凝胶的氧化还原响应性。a.加入NaBH4后，Fe(III)被还原成Fe(II)或Fe，PA/Fe(III)螯合物结构被破坏的示意图。b.水凝胶在NaBH4和NaOH溶液中的降解结果，插图为对应时刻的水凝胶照片。最左侧凝胶插图代表起始时刻即0min时水凝胶照片。
图13为实施例11中PA/Fe(III)/TOB水凝胶的酸响应性。a.加酸会导致水凝胶的降解。b.水凝胶在HCl，PBS，H2O中的稳定性。c.水凝胶加酸降解的示意图。d.PA、PA和TOB反应后得到的PA/TOB产物、PA/TOB产物加酸之后得到的PA/TOB+H+的核磁表征结果。
图14为实施例12中铜做电极时，PA/Fe(III)/TOB水凝胶的导电性和电响应性。a.水凝胶的导电性。b.水凝胶的电响应性。
图15为实施例12中石墨做电极时，PA/Fe(III)/TOB水凝胶的导电性和电响应性。a.水凝胶的导电性。b.水凝胶的电响应性。
图16为实施例13中大肠杆菌在LB液体培养基培养过程中的酸度检测。插图为培养液中加入溴麝香草酚蓝水溶液酸碱指示剂后的图片。
图17为实施例14中Fe(III)和妥布霉素(TOB)的体外释放曲线。
图18为实施例15中PA/Fe(III)/TOB水凝胶的体外抗菌效果。a.通过对LB固体培养基上细菌的生长情况进行拍照来展示凝胶的体外抗菌效果。b.通过柱状图的方法来表示凝胶的体外抗菌效果。
图19为实施例16中PA/Fe(III)/TOB抗菌薄膜的制备以及表征。a.水凝胶薄膜的照片b.未做处理玻片的照片。c.水凝胶薄膜扫描电镜能谱(SEM-EDS)表征。d.未做处理的玻片扫描电镜能谱(SEM-EDS)表征。
图20为实施例17中PA/Fe(III)/TOB抗菌薄膜的体外抗菌效果。a.对照组的涂布结果。b.抗菌薄膜组的涂布结果。
图21为实施例17中PA/Fe(III)/TOB抗菌薄膜的体外抗菌效果。a.对照组的荧光显微镜观察结果。b.抗菌薄膜组的荧光显微镜观察结果。
图22为实施例18中PA/Fe(III)/氨基糖苷类水凝胶的流变表征。a.PA/Fe(III)/庆大霉素(GEN)水凝胶的流变表征。b.PA/Fe(III)/巴龙霉素(PAR)水凝胶的流变表征。c.PA/Fe(III)/核糖霉素(RIB)水凝胶的流变表征。d.PA/Fe(III)/奈替米星(NET)水凝胶的流变表征。e.PA/Fe(III)/新霉素(NEO)水凝胶的流变表征。
图23为实施例19中PA/Fe(III)/氨基糖苷类水凝胶的体外抗菌效果。
具体实施方式
结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的保护内容不局限于以下实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。实施本发明的过程、条件、试剂、试验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。
实施例1：PA/Fe(III)螯合物的制备
PA/Fe(III)螯合物的制备：首先将230mg PA溶解在1mL 80℃去离子水中，配成230mg/mL的PA水溶液。然后取900.785μL PA水溶液(230mg/mL)与FeCl3·6H2O(1077mg/mL)水溶液以3：1的摩尔比混合，再加入约7mL去离子水稀释，此时溶液为墨绿色。将上述混合物在室温下搅拌1h，再通过NaOH水溶液将溶液的pH值调至10.0，溶液颜色由墨绿色转变为红棕色。接着，将上述溶液在室温下再反应2h使其充分反应，在此过程中用NaOH水溶液调节溶液的pH使其保持在10.0。待反应完全后，将产物冷冻干燥，然后再将样品重新溶解在去离子水中配成溶液，并将样品的pH值调节至10.0，保存待用。
PA/Fe(III)/TOB水凝胶的合成路线如图1所示。
3,4-二羟基苯甲醛在pH 10.0的条件下和Fe(III)形成三配位的PA/Fe(III)螯合物，然后合成的PA/Fe(III)螯合物与妥布霉素在室温下混合制备PA/Fe(III)/TOB水凝胶，其中凝胶里面Fe(III)的终浓度为0.29mol/L，妥布霉素的终浓度为0.31mol/L。
实施例2：PA/Fe(III)螯合物的表征
通过NaOH滴定法表征PA/Fe(III)螯合物的配位情况：将0.08mM PA水溶液与0.2mMFeCl3·6H2O水溶液以3:1的摩尔比混合来制备PA/Fe(III)螯合物。然后再慢慢滴入NaOH逐渐调高溶液的pH，之后测试紫外-可见光谱。接着收集测试过的溶液再加入NaOH慢慢调高溶液的pH，之后再测试紫外-可见光谱。以此类推。
实验结果：从图2可知：pH 2.0是单配位PA/Fe(III)螯合物占主导地位，pH 6.0是双配位PA/Fe(III)螯合物占主导地位，而在pH 10.0形成的是三配位螯合物。(参考文献为：Holten-Andersen N,Harrington MJ,Birkedal H,et al.pH-induced metal-ligandcross-links inspired by mussel yield self-healing polymer networks with near-covalent elastic moduli[J].Proceedings ofthe National Academy ofSciencesofthe United States ofUnited States ofAmerica 2011；108:2651.)
实施例3：不同成胶基元浓度下的成胶情况
成胶基元浓度下的成胶情况：取100μL PA/Fe(III)螯合液和70μLTOB水溶液在小瓶中混合均匀，其中FeCl3·6H2O的终浓度分别为55.6mg/mL、63.6mg/mL、71.5mg/mL、79.5mg/mL、95.4mg/mL、111.3mg/mL、127.2mg/mL、143.1mg/mL、159.0mg/mL、178.9mg/mL、198.7mg/mL，TOB水溶液的终浓度分别为20.6mg/mL、41.2mg/mL、51.5mg/mL、61.8mg/mL、72.1mg/mL、82.4mg/mL、102.9mg/mL、144.1mg/mL、185.3mg/mL，静置30min后，倒置小瓶观察是否可流动，不可流动的即已成胶，可流动的则没有成胶。
实验结果：结果如图3所示，当混合液中妥布霉素终浓度为200mg/mL、六水三氯化铁终浓度为200mg/mL时，可以形成水凝胶。当妥布霉素终浓度从200mg/mL逐渐降低，同时六水三氯化铁终浓度也逐渐降低时，混合液会逐渐从能形成凝胶转变为不能形成凝胶。而当妥布霉素终浓度为40mg/mL、六水三氯化铁终浓度为50mg/mL时，就不能形成水凝胶。这是因为成胶基元的浓度影响成胶的交联度，当妥布霉素浓度或六水三氯化铁浓度过低时，会造成形成水凝胶的交联度不够，进而导致不能形成水凝胶。由此可以得出，形成凝胶的浓度不是固定的，而是一个很广的浓度范围。
利用多功能旋转流变仪表征其是否成胶。取100μLPA/Fe(III)螯合物(其中Fe(III)的浓度为0.5M)与70μL妥布霉素(TOB)水溶液(350mg/mL)混合均匀后，立即转移到流变仪上，进行模量-时间曲线的测试。测试时在水凝胶周围加一圈硅油是为了防止在测试的过程中水凝胶中的水分挥发，设置角速度为10rad/s，应变率为2％。整个力学性能测试的温度都设置为25℃，选用平板的直径都为20mm。
实验结果：通常认为，当弹性模量(G’)大于粘性模量(G”)时，说明形成了水凝胶。如图4所示，在94秒时开始出现G’＞G”，这说明成胶时间为94秒，成胶所需时间短。这一结论与上述结果相符。成胶照片如图4插图所示。
实施例4：不同成胶基元浓度对成胶时间和模量的影响
利用多功能旋转流变仪测试水凝胶的成胶时间和模量：测试凝胶(FeCl3·6H2O终浓度相同而TOB水溶液终浓度变化)的时间-模量曲线：在小瓶中制备170μL混合液，其中FeCl3·6H2O的终浓度为79.5mg/mL，TOB水溶液终浓度分别为102.9mg/mL、123.5mg/mL、144.1mg/mL、175mg/mL、205.9mg/mL，混合均匀后立即转移到流变仪上进行时间-模量曲线的测试，记录两种溶液开始混合到开始测试的时间，确保每次测试时准备时间一致。在此测试过程中使用直径为20mm的平板，设置角频率为10rad/s，应变率为2％。测试凝胶(TOB水溶液终浓度相同而FeCl3·6H2O终浓度变化)的成胶时间和模量：在小瓶中制备170μL混合液，其中TOB水溶液终浓度为144.1mg/mL，FeCl3·6H2O终浓度分别为63.6mg/mL、71.5mg/mL、79.5mg/mL、85.9mg/mL、95.4mg/mL，流变测试方法与上述相同。
实验结果：从图5中可知：当FeCl3·6H2O终浓度固定不变时，妥布霉素终浓度从105mg/mL变化到210mg/mL时，成胶时间逐渐变短，形成凝胶的模量逐渐增大(图5ab)。另外，当妥布霉素终浓度固定不变时，FeCl3·6H2O终浓度从60mg/mL变化到100mg/mL时，形成水凝胶的时间也逐渐变短，凝胶模量也逐渐增大(图5c d)。这是因为成胶基元的浓度影响成胶所需的交联度，当成胶基元的浓度越高，形成水凝胶的交联度也越高，会使形成水凝胶的时间缩短、模量增大。
实施例5：不同pH条件下的成胶情况
利用多功能旋转流变仪研究pH对成胶的影响。用氢氧化钠或盐酸将PA/Fe(III)螯合液(其中Fe(III)的浓度为0.5M)和TOB水溶液(350mg/mL)的pH分别调节至2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5、9.0、9.6、10.0、10.5、11.0、11.6、12.0。然后取100μLpH 2.0PA/Fe(III)螯合液和70μLpH 2.0TOB水溶液在小瓶内混合均匀，以此类推，静置30min后，将小瓶里的原液转移到流变仪上测试模量-时间曲线，测试过程中使用直径为20mm的平板，角速度设置为10rad/s，应变率设置为2％。
通过以下方法直接观察在不同pH条件下是否成胶：取100μLpH 2.0PA/Fe(III)螯合液和70μLpH 2.0TOB水溶液在小瓶内混合均匀，以此类推，静置30min后，将小瓶倒置来观察不同pH条件下是否成胶，原液可流动说明此条件下未成胶，不可流动说明此条件下可以成胶。
实验结果：由图6可知，pH 5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5、9.0、9.6、10.0、10.5、11.0、11.6、12.0条件下可成胶，pH 2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0条件下不可成胶。另外，将PA/Fe(III)螯合液和TOB水溶液分别调至不同的pH然后在小瓶中混合均匀静置30min后将小瓶倒置，观察成胶情况。如其中插图所示：pH 4.0条件下没有成胶，pH 6.0、8.0、10.0、12.0条件下可以成胶，与流变结果一致。原因在于，之前有研究表明氨基和醛基形成的半缩醛交联网络对酸敏感，在pH比较低的时候，形成的动态席夫碱键会快速水解，重新生成含有醛基和氨基的单体。同时，根据上述研究，在pH比较低的时候，会对螯合物的配位情况造成影响，使三配位的螯合物转变为二配位或单配位的螯合物(图2)，同样会破坏水凝胶的交联网络，进而导致在pH比较低时不能形成水凝胶。
实施例6：PA/Fe(III)/TOB水凝胶的制备
PA/Fe(III)/TOB水凝胶的制备：取100μLPA/Fe(III)螯合物与70μL TOB水溶液混合均匀后，在室温下可形成水凝胶。根据水凝胶的稳定性、可注射性、自愈合性等性质，优选出Fe(III)浓度为0.5M的PA/Fe(III)螯合物，350mg/mL的TOB水溶液，成胶pH为10.0。因此。以下实施例中的PA/Fe(III)/TOB水凝胶均以此方法制备：取100μLpH 10.0PA/Fe(III)螯合物(其中Fe(III)的浓度为0.5M)与70μLpH 10.0TOB水溶液(350mg/mL)在室温下混合均匀后，如图4所示，大约94秒左右可形成水凝胶，其凝胶照片如图4插图所示。
实施例7：PA/Fe(III)/TOB水凝胶的表征
PA/Fe(III)/TOB水凝胶的表征：(1)通过冷冻扫描电子显微镜(Cryo-ScanningElectron Microscope，Cryo-SEM)研究PA/Fe(III)/TOB水凝胶的形态。由图7可以看到，凝胶内部有许多致密的多孔网状交联结构。
(2)为了研究水凝胶中PA与Fe(III)配位情况，我们将凝胶冷冻干燥后通过DXR激光微焦局部拉曼显微镜(美国)在780nm近红外激光激发下对其表征。从图8中可知：在470-670cm-1之间有三个峰，是Fe(III)与氧原子螯合的拉曼带，其中在约523cm-1处的峰是Fe(III)与邻苯二酚C3位O原子相互作用形成的，在约567cm-1处的峰是Fe(III)与邻苯二酚C4位O原子相互作用形成的，在约637cm-1处的峰是由于PA与Fe(III)形成了三配位而形成的；在1200-1500cm-1之间的峰是邻苯二酚的特征吸收峰。这一结果说明水凝胶中PA与Fe(III)是三配位的。
实施例8：PA/Fe(III)/TOB水凝胶的温度响应性
利用多功能旋转流变仪研究凝胶的温度响应性。测试凝胶(FeCl3·6H2O浓度相同而TOB水溶液浓度变化)的温度响应性：在小瓶中制备170μL凝胶，其中FeCl3·6H2O的终浓度为79.5mg/mL，TOB水溶液终浓度分别为102.9mg/mL、123.5mg/mL、144.1mg/mL、175mg/mL、205.9mg/mL，静置30min后转移到流变仪上进行模量-温度曲线的测试，在此测试过程中使用直径为20mm的平板，设置角频率为10rad/s，应变率为2％。测试凝胶(TOB水溶液浓度相同而FeCl3·6H2O浓度变化)的温度响应性：在小瓶中制备170μL凝胶，其中TOB水溶液终浓度为144.1mg/mL，FeCl3·6H2O终浓度分别为63.6mg/mL、71.5mg/mL、79.5mg/mL、85.9mg/mL、95.4mg/mL，流变测试方法与上述相同。
实验结果：由图9可知，当储能模量(G’)大于损耗模量(G”)时，形成水凝胶，随着温度逐渐升高，储能模量(G’)和损耗模量(G”)都逐渐降低，当储能模量(G’)小于损耗模量(G”)时，水凝胶融化成液体，而当储能模量(G’)等于损耗模量(G”)时，发生凝胶-溶胶相转化，我们将此时的温度称为融化温度，约41℃左右。这说明水凝胶具有温度响应性。我们也利用瓶子倒置实验来验证水凝胶的温度响应性。如插图所示，一段时间后，水凝胶在50℃时会融化成液体，而在25℃时仍维持凝胶形态。这说明了水凝胶具有温度响应性，符合上述流变实验结果。
水凝胶的这种温度响应性是由于氢键在水凝胶的形成过程中具有二次交联的作用。在室温25℃左右，3，4-二羟基苯甲醛分子上面的醛基和氨基糖苷类抗生素分子上面的氨基形成动态的席夫碱键，同时3，4-二羟基苯甲醛分子上面的邻二羟基结构可以和三价铁形成动态的螯合键，另外氨基糖苷类抗生素分子上面的糖单元可以形成氢键相互作用，这三种交联作用共同形成了水凝胶。随着温度的升高，起到交联作用的氢键作用力逐渐减弱，动态的席夫碱键和动态的配位键不足以维持凝胶的三维网络结构，导致水凝胶融化成液体。
此外，我们还探究了成胶基元浓度对融化温度的影响，由图10可得，当FeCl3·6H2O终浓度不变时，妥布霉素终浓度从105mg/mL变化到210mg/mL时，水凝胶的融化温度从35℃左右上升到50℃左右。另外，固定妥布霉素的终浓度，FeCl3·6H2O终浓度从60mg/mL变化到100mg/mL时，水凝胶的融化温度从35℃左右慢慢上升到56℃左右。这是因为成胶基元的浓度影响交联度，增大任意成胶基元的浓度，都会使成胶的交联度增大，所以需要更高的温度才能使凝胶融化成液体。
实施例9：PA/Fe(III)/TOB水凝胶的光响应性
利用近红外光来进行凝胶的光响应性实验：分别在小玻璃瓶中制备170μL水凝胶，待成胶后将玻璃瓶倒置，然后分别用不同功率密度(分别为0.06、0.25、0.32和0.36Wcm-2)的近红外激光(800nm，Tsunami，Spectra-Physics)照射，其中玻璃瓶的顶部与激光头的距离控制在4.5cm。在开始照射直到凝胶融化的过程中，使用数字温度传感器(Minggao，中国)监测水凝胶的温度的变化。
我们还进行了如下实验更直观的展示上述实现现象：在小皿内制备340μL水凝胶，待成胶后将皿倒置，然后用功率密度为0.36Wcm-2的近红外激光照射，其中皿的顶部与激光头的距离同样控制在4.5cm。之后分别用近红外照像仪和数码照相机拍摄水凝胶融化过程的视频。
实验结果：由图11a可知，功率密度越高，水凝胶升温越快。在功率密度为0.36Wcm-2时，凝胶在1min左右能够达到最高温60℃左右，并且在此最高温下水凝胶转变为溶液态(图11b)。随着功率密度的降低，水凝胶所能达到的最高温越低。在0.06Wcm-2功率密度下，水凝胶升温不明显，达到的最高温在30℃左右，仍维持着凝胶形态，原因是近红外光的功率密度过小，水凝胶达到的最高温只能减弱氢键相互作用，但是减弱的程度还不足以破坏凝胶的交联网络，所以水凝胶未融化。这说明水凝胶具有光响应性。
实施例10：PA/Fe(III)/TOB水凝胶的氧化还原响应性
PA/Fe(III)/TOB水凝胶在氧化还原剂中的降解实验：首先，将NaBH4溶解在1MNaOH水溶液中配成浓度为10.47M的溶液，然后取150μL上述溶液加入到装有100μL水凝胶的小玻璃瓶中。按照预定的时间间隔，将玻璃小瓶中的溶液取出并洗涤，然后将剩余的凝胶冷冻干燥并称重。将在150μL 1M NaOH水溶液中孵育的水凝胶作为对照组。每个样品进行三次重复实验。
实验结果：因为NaBH4在酸性和中性环境中都不稳定，所以我们将NaBH4溶解在1MNaOH水溶液中配成溶液使用。从图12b可知，在25min左右，水凝胶在NaBH4溶液中完全降解，而在1M NaOH水溶液中只有少量降解。原因在于NaBH4能够将Fe(III)还原成Fe(II)或Fe，破坏PA/Fe(III)螯合物的结构(图12a)，从而破坏水凝胶的网络交联结构使水凝胶降解。而对照组中NaOH无氧化还原性，不会出现上述情况，但是由于小分子水凝胶存在溶出现象，所以在NaOH水溶液中水凝胶也有少量溶解。这说明了水凝胶具有氧化还原响应性。
实施例11：PA/Fe(III)/TOB水凝胶的酸响应性
PA/Fe(III)/TOB水凝胶的酸降解实验：在小瓶中制备100μL水凝胶，然后分别加入150μL去离子水、磷酸盐缓冲液(PBS)和2M HCl，在室温下孵育。根据预定的时间间隔，将小瓶中的溶液取出并洗涤，并将剩余的水凝胶冷冻干燥后称重。每组设置3个平行样品。
此外，通过核磁谱来验证水凝胶酸响应的原理。室温下将PA水溶液和TOB水溶液以1:10的摩尔比混合，搅拌2h后，加入2M盐酸再反应1h。反应完毕后，收集样品冷冻冻干后再溶解在D2O中进行1H NMR(Varian，699.804MHz)表征。
实验结果：由图13b可知，在35min左右，水凝胶在HCl中100％降解为溶液态，而在PBS、H2O中的重量损失小于35％左右。图13a的实验结果也反应了水凝胶在HCl中能够降解，这都说明了水凝胶具有酸响应性。
我们通过核磁表征探究了酸响应性的机理。如图13d所示，PA和TOB反应得到的生成物对应的核磁谱中H位移在9.2ppm左右，相对于PA中-CHO上的H发生了位移，说明生成了席夫碱(-CH＝N)。加酸后，H位移又回到原来的位置，说明加酸后席夫碱降解成了PA和TOB。席夫碱酸降解的机理示意图如13c图所示。同时根据之前的研究，在酸性条件下，是双配位或单配位PA/Fe(III)螯合物占主导地位(图2)。因此，水凝胶具有酸响应在于pH较低时，动态的席夫碱键水解重新生成3，4-二羟基苯甲醛和氨基糖苷类抗生素，同时三配位的螯合物转变为二配位或单配位的螯合物，破坏水凝胶的交联网络，导致水凝胶的降解。
实施例12：PA/Fe(III)/TOB水凝胶的电响应性
通过电解池模型来探究凝胶的电响应性：电极响应测定在12V直流电压下进行。铜电极(Cu电极)和石墨电极(C电极)分别用于连接PA/Fe(III)/TOB水凝胶。通电后，通过数码相机记录水凝胶的形态变化。
实验结果：当用发光二极管，水凝胶，铜电极(Cu电极)，电源组成闭合电路时，如图14a所示，发光二极管发光了，这说明水凝胶具有导电性。连在电源负极一端(阴极)凝胶中的Fe(III)会发生还原反应生成Fe(II)，这样会破坏水凝胶的网络交联结构导致水凝胶融化成液体。而连接在电源正极一端(阳极)是Cu电极发生氧化反应生成Cu2+，这一端的水凝胶仍维持凝胶形态(如图14b)。
接着，用石墨电极替代铜电极，如图15a，二极管同样亮了，说明水凝胶具有导电性，与上述结果相符。连在电源负极一端(阴极)凝胶中的Fe(III)会发生还原反应生成Fe(II)，导致水凝胶融化成液体。由于石墨是惰性电极，不参与反应。所以连在电源正极一端(阳极)水凝胶中的H2O发生氧化反应生成O2和H+，根据之前研究，由于凝胶具有酸响应性，所以这一端的水凝胶也会融化成液体(图15b)。
实施例13：细菌生长过程中的酸度检测
细菌生长过程中的酸度检测：通过在培养大肠杆菌的LB液体培养基中加入1％(w/w)葡萄糖来检测培养大肠杆菌过程中培养基的酸度变化。根据一定的时间间隔，从培养基中取出一部分溶液测试其pH值。然后再加入溴百里酚蓝(BTB)水溶液之后，观察溶液的颜色变化。
实验结果：理论上，溴麝香草酚蓝水溶液酸碱指示剂在由碱到酸的环境中，颜色会由蓝变绿再变黄。从图16中插图可知，依次从培养大肠杆菌的培养基中取出液体然后添加溴麝香草酚蓝水溶液后，溶液的颜色由蓝变绿再变黄，这说明细菌在生长过程中产生了酸。另外，我们还用pH计来进行细菌生长过程中的酸度检测。从图16所示，在大肠杆菌培养24h内，培养液的pH值会逐渐下降，从开始培养的中性环境慢慢变为pH 5.0的酸性环境。这说明细菌在生长过程中会产酸，这一结果与用酸碱指示剂得到的结论相符。
实施例14：Fe(III)和妥布霉素的体外释放测试
通过茚三酮试验测试释放的妥布霉素浓度和ICP-OES测量释放的Fe(III)浓度：首先，在小瓶中制备100μLPA/Fe(III)/TOB水凝胶，再加入100μL磷酸盐缓冲液(pH 7.4)，然后在室温下孵育。分别在0.5、1、2、4、6、8、10h进行离心然后收集小瓶中的上清液并记录收集样品的体积。通过茚三酮试验测试释放的妥布霉素浓度。通常，将85mg茚三酮和15mg还原茚三酮溶解在10mL乙二醇甲醚中。然后取200μL上述混合物和200μL乙酸钠缓冲液(0.2M、pH5.4)加入到200μL收集的样品中。混合均匀后，将混合液在沸水中温育10min，冷却至室温后再加入600μL乙醇/水溶液(v/v＝3/2)并混合均匀。之后，使用酶标仪(MultiskanGo，ThermoFisher Scientific，美国)测试最终混合物在570nm的吸光度，得到样品的吸光度为a。因为PA/Fe(III)螯合物在570nm有吸光度，对于样品吸光度的测试存在本底干扰，故测试样品吸光度的时候要扣除本底的干扰。先通过ICP-OES测量水凝胶中释放的Fe(III)的浓度。因为在实验条件下Fe(III)和PA是按摩尔比为1：3释放的，可以根据已测试的Fe(III)浓度和释放摩尔比配制PA/Fe(III)螯合物，再通过上述煮茚三酮方法测试本底的吸光度为b。吸光度(a-b)即为体外释放妥布霉素的浓度。对每个样品进行三次重复实验。
实验结果：通过ICP-OES测试水凝胶中释放的Fe(III)浓度，如图17所示，在pH 7.4的生理环境下，Fe(III)逐渐从水凝胶中释放出来，在10h左右释放完全。然后，通过煮茚三酮的方法来测试水凝胶中释放的TOB浓度，如图17所示，在Fe(III)释放的同时，TOB也开始释放，在10h左右也达到了100％释放。这说明凝胶中的Fe(III)和TOB会逐渐从凝胶中释放出来，因为TOB具有杀菌作用，因此本发明水凝胶在体外具有显著的抗菌性能。
实施例15：PA/Fe(III)/TOB水凝胶的体外抗菌实验
通过平板计数法进行凝胶的体外抗菌实验：首先将0.7μLPA/Fe(III)螯合溶液(其中Fe(III)浓度为0.5M)与0.5μLTOB水溶液(350mg/mL)混合均匀后加入到96孔板中制备1.2μL PA/Fe(III)/TOB水凝胶，然后将100μL大肠杆菌溶液(108CFU/mL)加入到含有1.2μLPA/Fe(III)/TOB水凝胶的96孔板中。其中，CFU表示菌落形成单位(Colony Forming Unit)。将无菌水，单个PA/Fe(III)螯合溶液，单个TOB水溶液设定为对照组。保持每个孔中相应物质的终浓度一致。同一组中设置三个孔作为平行实验。将上述96孔板在37℃下孵育24h，然后从孔板中取出10μL细菌菌液滴在LB琼脂培养基上，之后放在37℃下孵育14-16h，最后通过计数单个细菌菌落的数量来确定水凝胶的体外抗菌能力。
实验结果：首先，我们对LB固体培养基上细菌生长情况进行拍照观察，然后，我们将平板计数法的实验结果用柱状图的形式展示出来，如图18所示，水凝胶和TOB组完全没有细菌存活，而螯合液组的细菌存活数略小于空白对照组。这说明水凝胶组对大肠杆菌具有显著的抗菌活性，同时相同浓度下单独的TOB组同样具有显著的抗菌活性，而相同浓度下单独的螯合液组具有微弱的抗菌性能。这是因为此浓度下的TOB组对大肠杆菌具有很强的抗菌活性，螯合液组由于含有具有一定抗菌能力的3，4-二羟基苯甲醛所以表现出微弱的抗菌能力，而水凝胶组由于保持了良好的抗生素活性因而具有显著的抗菌活性。
实施例16：PA/Fe(III)/TOB薄膜的制备与表征
薄膜的制备：取300μLPA/Fe(III)螯合溶液(其中Fe(III)的浓度为0.5M)和210μLTOB水溶液(350mg/mL)混合均匀后滴加到玻璃板(5cm×2cm)表面，然后在空气中干燥1h。通过这种处理获得水凝胶涂覆的玻片表面。未做处理的玻片表面作为对照组。
薄膜的表征：玻片表面上的元素(涂覆或未处理)通过扫描电镜能谱(SEM-EDS)表征。从图可得：未做处理的玻片中表面为白色(图19b)，含有的元素有O、Na、Mg、Si、Ca(图19d)，组成玻片的特征元素。水凝胶薄膜为暗红色(图19a)，含有的元素有C、O、N、Fe、Na、Cl(图19c)，这说明水凝胶薄膜已经制备成功。
实施例17：PA/Fe(III)/TOB薄膜的体外抗菌实验
通过涂布法和荧光显微镜观察法进行薄膜的体外抗菌实验：取10μLPA/Fe(III)螯合溶液(其中Fe(III)的浓度为0.5M)和7μLTOB水溶液(350mg/mL)混合均匀后滴在48孔聚苯乙烯板中。室温下放置1h风干后，往孔中加入300μL表达红色荧光蛋白(RFP)的大肠杆菌悬浮液(108CFU/mL)。将未做处理的48孔板中加入17μL无菌水和等量的菌液作为对照。然后在37℃孵育24h后，从孔中取出100μL细菌悬浮液涂布在LB琼脂平板上(涂层组是取孔内原液进行涂布，而对照组是取孔内原液稀释104倍后进行涂布)。接着在37℃孵育14-16h后，对LB琼脂培养基上细菌生长情况进行观察和拍照记录，其中培养基上的白点代表活细菌菌落。然后，将终浓度为1mM的IPTG加入到上述48孔板中，在37℃下再培养12h之后，通过荧光显微镜(Olympus，日本)对薄膜体外抗菌结果进行观察并拍照，红色的小点即为活的细菌菌落。
实验结果：LB固体培养基上生长出大量的细菌菌落，细菌的数量为(图20a)，取材料的原始浓度进行涂布，结果是LB固体培养基上完全没有细菌生长(图20b)，这说明水凝胶薄膜具有高效的抗菌性能。另外，我们还通过荧光显微镜来研究水凝胶薄膜的抗菌性能。对照组孔板里面的细菌表达了大量的红色荧光蛋白(图21a)，而有抗菌薄膜的孔里面观察不到红色荧光蛋白(图21b)，因为只有活细菌才能表达红色荧光蛋白，所以可知对照组孔板里面有大量的活细菌，而有抗菌薄膜的孔里面没有活细菌。这说明水凝胶薄膜具有很强的抗菌效果，与涂布法得出的结论一致。水凝胶薄膜具有抗菌性能的原因在于，根据之前的研究，水凝胶对酸敏感，在细菌生长的微酸环境中可以释放氨基糖苷类抗生素和具有一定杀菌作用的3，4-二羟基苯甲醛来进行杀菌。
实施例18：PA/Fe(III)/氨基糖苷类水凝胶的制备和流变表征体外抗菌测试PA/Fe(III)/氨基糖苷类水凝胶的制备：首先分别配制浓度为500mg/mL的RIB水溶液、NIT水溶液，350mg/mL的PAR水溶液、GEN水溶液、NEO水溶液，并用10M NaOH水溶液将溶液的pH值调至10.0，保存待用。将200μLPA/Fe(III)螯合物(其中Fe(III)的浓度为0.5M)分别与140μLRIB水溶液(350mg/mL)、140μLNIT(350mg/mL)水溶液混合均匀后，形成PA/Fe(III)/RIB、PA/Fe(III)/NIT水凝胶。将180μLPA/Fe(III)螯合物(其中Fe(III)的浓度为0.5M)和40μL去离子水分别与120μLPAR水溶液(350mg/mL)、120μL GEN水溶液(350mg/mL)混合均匀后，形成PA/Fe(III)/PAR、PA/Fe(III)/GEN水凝胶。将80μLPA/Fe(III)螯合物(其中Fe(III)的浓度为0.5M)和160μL去离子水与100μLNEO水溶液(350mg/mL)混合均匀后，形成PA/Fe(III)/NEO水凝胶。所有成胶过程均在室温下完成。
实施例18是利用不同氨基糖苷类抗生素形成的水凝胶。利用流变仪表征其是否成胶，如图22所示，实验条件下制备的均以成胶，图22a为PA/Fe(III)/GEN水凝胶的流变表征，插图为成胶的图片；图22b为PA/Fe(III)/PAR水凝胶的流变表征，插图为成胶的图片；图22c为PA/Fe(III)/RIB水凝胶的流变表征，插图为成胶的图片；图22d为PA/Fe(III)/NET水凝胶的流变表征，插图为成胶的图片；图22e为PA/Fe(III)/NEO水凝胶的流变表征，插图为成胶的图片。
实施例19：PA/Fe(III)/氨基糖苷类水凝胶体外抗菌测试
PA/Fe(III)/氨基糖苷类水凝胶体外抗菌测试与上述测试方法相同。
实验结果：利用平板计数法进行体外抗菌实验，结果如图23所示，PA/Fe(III)/NEO水凝胶组、PA/Fe(III)/GEN水凝胶组、PA/Fe(III)/PAR水凝胶组、PA/Fe(III)/RIB水凝胶组、PA/Fe(III)/NIT水凝胶组无细菌生长，具有显著的抗菌活性。同等浓度下的NEO抗生素组、GEN抗生素组、PAR抗生素组、RIB抗生素组、NIT抗生素组均无细菌生长，同样具有显著的抗菌性能。而螯合液组的细菌存活数略少于空白对照组，说明螯合液具有微弱的抗菌活性。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让本领域的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种多重响应性的氨基糖苷小分子水凝胶，其特征在于，所述氨基糖苷小分子水凝胶包括3，4-二羟基苯甲醛、三价铁离子、氨基糖苷类抗生素，其中，所述3，4-二羟基苯甲醛分子的醛基和所述氨基糖苷类抗生素分子的氨基形成可逆的席夫碱键，所述3，4-二羟基苯甲醛分子的邻二羟基结构和所述三价铁离子动态配位键形成交联网络，并通过所述氨基糖苷类抗生素分子的糖单元之间形成的氢键进行二级交联，共同交联形成；其中，所述氨基糖苷小分子水凝胶中，所述氨基糖苷类抗生素选自妥布霉素、新霉素、奈替米星、核糖霉素、庆大霉素、巴龙霉素；所述交联所需的三价铁离子的终浓度为55.6mg/mL-198.7mg/mL；所述氨基糖苷类抗生素终浓度为20.6mg/mL-185.3mg/mL；成胶的pH为5.5-12.0。
2.如权利要求1所述的氨基糖苷小分子水凝胶，其特征在于，所述多重响应性包括温度响应性、光响应性、氧化还原响应性、酸响应性、电响应性。
3.如权利要求1所述的氨基糖苷小分子水凝胶，其特征在于，所述水凝胶内部有致密多孔网状交联结构。
4.权利要求1所述的氨基糖苷小分子水凝胶的制备方法，其特征在于，所述制备方法为，室温下混合，利用3，4-二羟基苯甲醛分子的醛基和氨基糖苷类抗生素分子的氨基形成动态席夫碱键，同时利用3，4-二羟基苯甲醛分子上面的邻二羟基结构和三价铁离子形成动态配位键和氨基糖苷类分子上的糖单元之间形成的氢键共同交联成胶，制备得到所述多重响应性的氨基糖苷小分子水凝胶。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述凝胶的凝胶化时间为1秒-240秒；所述凝胶的存储模量为500帕-100000帕。
6.一种如权利要求4或5所述的方法制备得到的多重响应性的氨基糖苷小分子水凝胶。
7.如权利要求1所述的多重响应性的氨基糖苷小分子水凝胶在制备具有抗菌性能的薄膜、涂层、植入物、可穿戴设备中的应用。
8.如权利要求7所述的应用，其特征在于，所述菌包括大肠杆菌、绿脓杆菌、金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌。
9.一种药物组合物，其特征在于，所述药物组合物包括如权利要求6所述的多重响应性的氨基糖苷小分子水凝胶。
10.如权利要求9所述的药物组合物，其特征在于，所述药物组合物被配制成可注射流体、凝胶剂或透皮贴剂。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112316156B (zh) * 2020-10-27 2022-03-15 四川大学 具抗氧化和抗菌性的胶原蛋白修复膜、其制备方法及应用
CN112516380B (zh) * 2020-12-08 2022-06-10 西安理工大学 一种pH响应释药的可膨胀骨水泥的制备方法
CN112472705B (zh) * 2020-12-11 2022-11-11 武汉理工大学 一种双药联合智能抗菌水凝胶的制备方法及其应用
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CN115785718B (zh) * 2022-11-25 2023-08-22 四川大学 一种多基底表面的金属配位抗菌涂层及其制备方法
CN116253905B (zh) * 2023-02-18 2024-03-01 四川大学 一种稳定、智能的抗感染水凝胶及其制备方法和应用

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106822911A (zh) * 2016-10-20 2017-06-13 华东师范大学 一种可控释放的抗生素水凝胶及其制备方法和应用
CN108159482A (zh) * 2018-01-02 2018-06-15 上海其胜生物制剂有限公司 一种具有温敏特性和高组织粘附力的可注射天然水凝胶体系及其制备方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106822911A (zh) * 2016-10-20 2017-06-13 华东师范大学 一种可控释放的抗生素水凝胶及其制备方法和应用
CN108159482A (zh) * 2018-01-02 2018-06-15 上海其胜生物制剂有限公司 一种具有温敏特性和高组织粘附力的可注射天然水凝胶体系及其制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
All-small-molecule dynamic covalent hydrogels with multistimuli responsiveness;Hui Wang et al.;《Mater.Chem.Front》;20190109;第3卷;摘要，第472页右栏最后1段-第474页左栏第1段 *

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