CN112094375A - 一种粘性水凝胶及自粘性医用口罩及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于材料领域，具体涉及一种粘性水凝胶及自粘性医用口罩及其制备方法。本发明粘性水凝胶，它是由包括壳聚糖、丙烯酰胺、单宁酸、可溶性三价铁盐交联聚合制得。本发明还提供使用粘性水凝胶和其它医用口罩用材料制备的自粘性医用口罩。本发明制备的粘性水凝胶具有优异的粘附力，良好的细胞亲和性及生物相容性，将其应用于自粘性医用口罩中，可以使口罩具有自粘性、高密合度和舒适度，具有优良的临床应用前景。
Description
技术领域
本发明属于材料领域，具体涉及一种粘性水凝胶及自粘性医用口罩及其制备方法。
背景技术
医用口罩是一种能减少空气病原微生物进入佩戴者呼吸道的呼吸防护用品，可预防流感、SARS、结核等微生物空气传播性疾病。其中，N95口罩能滤过95％的空气动力学直径≧0.3μm的颗粒物，空气细菌和真菌孢子的空气动力学直径在主要在0.7-10μm之间变化，也在其防护范围内。
但是，有研究结果显示，医用口罩佩戴过程中，50％的口罩使用者由于佩戴方法不正确存在面部密合性达不到防护要求，由于佩戴者无法意识到口罩的泄露，导致即使佩戴了医用口罩也没有到防护效果。另外，访谈前线救援医务人员发现，由于医用口罩具有一定的硬度，边缘较窄，口罩系带较细，医务人员必须长时间佩戴，导致颜面部、耳部等受压部位疼痛，甚至出现压力性损伤。口罩的材质同样影响防护效果，部分工作人员对医用口罩的材质存在过敏反应。医用口罩存在上述问题对前线医务人员的工作和生活产生严重影响。
CN203577169U(2014.05.07)公开了一种无系带口罩，其特征在于：包括用于覆盖口鼻的口罩主体，所述口罩主体内侧外沿具有压敏胶贴层，所述压敏胶贴层将口罩主体保持在面部，并封闭面部皮肤与口罩主体之间的缝隙。但其使用的是压敏胶来解决面部密合性问题，压敏胶使用可造成面部撕扯疼痛，甚至面部过敏问题。
而水凝胶是一类具有良好生物相容性的材料，对其进行改进使其具有优异的粘附性能或抗菌性能或其它性能，是近年来医用材料研究的热点。目前没有文献报道使用水凝胶材料应用于口罩来解决口罩面部密闭性及过敏性等问题的方案。
中国专利CN108178838A(2018.06.19)公开了一种壳聚糖/丙烯酰胺粘韧双网络水凝胶及其制备方法，用FeCl3溶液来溶解壳聚糖，该方法既为壳聚糖的溶解提供了酸性条件，同时Fe3+与壳聚糖通过配位相互作用形成物理交联，进而实现一步法溶解并交联壳聚糖以形成第一网络，使水凝胶具有良好的生物相容性和一定的粘性。同时引入丙烯酰胺化学交联作为第二网络，使该水凝胶具有良好的生物相容性和粘性的同时也具有优异的力学性能。其中壳聚糖与丙烯酰胺的质量分数为8.11～33.33％，交联剂为N,N,-亚甲基双丙烯酰胺和引发剂为过硫酸钾，其粘性剥离力为65.5～310.15N/m。
但是，上述专利的水凝胶的粘附性能不佳、可重复使用性较差、且制备过程较复杂，需要加热至60～70℃、恒温6～8h。因此，开发粘附性能佳、能够重复使用不影响粘性、制备方式简单的水凝胶，具有重要的意义。
发明内容
基于上述问题，本发明为解决现有医用口罩存在面部密合性差、引起佩戴者面部及耳部疼痛及压力性损伤、过敏等问题，对现有医用口罩进行改进，研制基于自由基聚合法技术制备的新型粘性水凝胶，以及使用该水凝胶制备的高密合性、舒适度自粘性医用口罩并验证其效果，为广大民众特别是临床医务人员提供更合适的、密合性强、佩戴舒适的医用口罩，进一步加强对细菌、病毒的防护，具有非常重要的临床意义。
本发明提供一种新型的粘性水凝胶及其制备方法以及使用该水凝胶制备的自粘性医用口罩及其制备方法。
本发明提供一种粘性水凝胶，它是由包括壳聚糖、丙烯类凝胶基质、具有邻苯二酚结构的促粘性试剂、可溶性三价铁盐在水中交联聚合制得。
其中，丙烯类凝胶基质包括丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸中的一种或几种，具有邻苯二酚结构的促粘性试剂包括单宁酸、多巴胺、邻苯二酚、N-甲基多巴胺、N-乙基多巴胺中的一种或几种，可溶性三价铁盐包括硝酸铁、硫酸铁或FeCl3·6H2O中的一种或几种。
进一步地，所述丙烯类凝胶基质为丙烯酰胺；具有邻苯二酚结构的促粘性试剂为单宁酸；可溶性三价铁盐为FeCl3·6H2O。
进一步地，每100mL水中，壳聚糖用量为0.2～1g，优选为0.5g；丙烯酰胺用量为15～30g，优选为26g；单宁酸用量为0.01～0.3g，优选为0.05～0.2g，更优选为0.15g；可溶性三价铁盐可选硝酸铁、硫酸铁或FeCl3·6H2O，优选为FeCl3·6H2O，FeCl3·6H2O用量为0.01g～0.15g，优选为0.0125～0.050g，更优选为0.0375g。
进一步地，本发明的粘性水凝胶，它是由包括壳聚糖、丙烯酰胺、单宁酸、FeCl3·6H2O、交联剂、和/或引发剂、和/或催化剂在水中交联聚合制得。
进一步地，所述交联剂为N，N′-亚甲基双丙烯酰胺，每100mL 水中,其用量为0.01～0.05g,优选为0.015g；所述引发剂为过硫酸盐，优选为过硫酸铵、过硫酸钾，更优选为过硫酸胺，其中，每100mL 水中，过硫酸铵的用量为0.1～1g,优选为0.25g；所述催化剂为N，N，N′，N′-四甲基乙二胺，其中，每100mL水中，N，N，N′，N′-四甲基乙二胺的用量为0.1～0.5mL，优选为0.2mL
本发明提供所述的粘性水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
1)将壳聚糖溶解于乙酸溶液中，得到壳聚糖溶液；
2)将丙烯酰胺、单宁酸和三价铁盐分别溶解于制备的壳聚糖溶液中，得到混合溶液；
3)交联聚合反应，制得粘性水凝胶。
进一步地，步骤1)中，乙酸溶液的配制方法为每100mL水中加入1～5mL乙酸，优选为加入2mL乙酸。
进一步地，步骤3)中，交联聚合反应的时间为5～30min，优选为10min；反应温度为20～25℃。
本发明提供粘性水凝胶在制备生物医用材料中的用途。
本发明提供的粘性水凝胶可以用于制备用于伤口封闭和促进皮肤组织再生的生物医用材料中，该水凝胶具有自粘附可用于伤口封闭，水凝胶具有优异的生物相容性和细胞亲和性可用于皮肤伤口的愈合。
本发明提供一种自粘性医用口罩，它是使用所述的粘性水凝胶和其他医用用口罩材料制备而成。
进一步地，所述的口罩左、上、右三边采用所述的粘性水凝胶封闭；所述口罩类型优选为医用防护口罩、医用外科口罩、一次性使用医用口罩；口罩固定方式分为无系带款和有系带款。
本发明自粘性医用口罩有系带款的绳宽松，起辅助固定的作用。
本发明还提供一种自粘性医用口罩的制备方法，它是使用上述的粘性水凝胶制备过程中，步骤3)中所得的已经加入交联剂的混合溶液，注入口罩内层的左、上、右三边，使其聚合反应，与口罩边缘结合，制得自粘性医用口罩。
本发明自粘性医用口罩根据面长和颧点距设计口罩外形寸，基于人群面部差异，为增大本口罩人群适宜性，增加型号至三类，从小到大分别为S、M、L。
本发明所述的自粘性医用口罩是在保留原有口罩各层材料成分的基础上，在它的上中下三边使用本发明制备的粘性水凝胶，以此来提高口罩与面部的密合性和口罩的舒适度。不需要鼻夹，不需要系带或者系带稍宽松。
本发明制备的粘性水凝胶具有以下有益效果：本发明制备的粘性水凝胶粘性好，可重复使用，重复使用20次，粘附力基本不变，亲肤性好，抗潮湿性好，在水中冲刷不脱落。在减压材料方面，在水凝胶体系中添加单宁酸、铁络合物会降低力学强度，由于单宁酸具有丰富的酚羟基，可赋予水凝胶优异的粘附力，可有效地贴合皮肤，阻止外界病菌的侵入，且新型水凝胶的粘性在潮湿环境下，不受影响。同时单宁酸/铁络合物是天然无毒的，在水凝胶中可以提升整个体系的细胞亲和性及生物相容性，即使长时间接触也不会对皮肤造成损伤。
本发明制备的自粘性医用口罩，在形状尺寸方面，通过调查国内不同年龄段样本的脸型分布资料，将脸型测量数据进行四分位处理，以颧点距和形态下面长3/4分位为最大型号和基本设计尺寸，共设计 S、M、L三个尺寸，以适应更多人群。其中，无系带自粘式的口罩设计革新了传统口罩理念，降低了长时间配戴系带对医务人员耳后及面部造成的疼痛甚至是压力性损伤，提高了舒适感。
本发明完善了口罩型号、借助敷料的自身粘性使口罩与医务人员面部皮肤紧密贴合，可增强口罩的防护性能。综上，通过应用自粘性口罩，可有效提高临床医务人员工作的舒适性和安全性，更好服务于临床治疗和护理工作。
本发明所述“引发剂”即自由基引发剂，是指易分解成自由基的化合物，可用于引发烯类、双烯类单体的自由基聚合和共聚合反应，也可用于不饱和聚酯的交联固化和高分子交联反应。常用的自由基引发剂包括但不限于过氧类化合物(如过氧化二苯甲酰)、偶氮化合物 (如偶氮二异丁腈)、无机类过氧化合物(如过硫酸盐)、氧化还原体系等。
本发明所述“交联剂”指进入分子内反应的试剂，包括但不限于烯类单体，如丙烯酸、丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟丙酯、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟丙酯、二乙烯基苯、N-羟甲基丙烯酰胺、双丙酮丙烯酰胺、N，N′-亚甲基双丙烯酰胺等。
本发明所述“聚合”是指由低分子单体合成聚合物的反应。
本发明所述“一次性医用口罩”应符合YY/T 0969-2013《一次性使用医用口罩》要求。至少应该3层，即SMS(2层S层和1层M 层)。S表示纺粘层(Spunbond)，其纤维直径比较粗，在20微米 (μm)左右，2层S纺粘层主要作用是支撑整个无纺布结构，对阻隔并没有太大的作用。阻隔层或者熔喷层M(Meltblown)，熔喷层的纤维直径比较细，在2微米(μm)左右。外层具有防飞沫设计(纺粘无纺布)+中层过滤(熔喷无纺布)+内层吸湿(纺粘无纺布)，熔喷无纺布一般选用20克重的材料生产。无纺布层多为高溶指聚丙烯纤维料生产，属于聚丙烯产品的高溶指纤维材料。纺粘无纺布：是在聚合物已被挤出、拉伸而形成连续长丝后，长丝铺设成网，纤网再经过自身粘合、热粘合、化学粘合或机械加固方法，使纤网变成无纺布。无纺布是相对纺织布来说非纺织的布，是纤维构成的。S层：纺粘层材料要求为高强度。市场材料：熔体指数在25～60聚丙烯，如埃克森美孚Exxon-Mobile的和上海赛科的2040，如S2040。溶喷无纺布：熔喷布以聚丙烯为主要原料，纤维直径可以达到0.5-10微米，独特的毛细结构的超细纤维增加单位面积纤维的数量和表面积，从而使熔喷布具有很好的过滤性、屏蔽性、绝热性和吸油性。主要材质是聚丙烯，是一种超细静电纤维布，可以捕捉粉尘(含有肺炎病毒的飞沫靠近熔喷无纺布后，会被静电吸附在无纺布表面，无法透过)。适合平面口罩熔喷过滤级别有：普通级、BFE95(滤效95％)、BFE99(滤效99％)、 VFE95(滤效99％)、PFE95(滤效99％)、KN90(滤效90％)。熔喷布一般选用20克重，克重越高，防护过滤效果越好。M层：熔喷层材料要求为高流动性。市场材料：国产材料如山东道恩降解法聚丙烯：Z-1400，Z1500，进口如巴塞尔公司的茂金属聚丙烯HP461Y， MF650Y。
本发明所述“医用外科口罩”是指通常由面罩、定形件、束带等组件加工而成，一般由非织造布材料制造而成。通过过滤起到隔离作用。用于戴在手术室医务人员口鼻部位，以防止皮屑、呼吸道微生物传播到开放的手术创面，并阻止手术病人的体液向医务人员传播，起到双向生物防护的作用。属于Ⅱ类医疗器械。应符合YY 0469-2011 《医用外科口罩》
分为三层，内层为亲肤材质(普通卫生纱布或仿粘布)，中层为隔离过滤层(超细聚丙烯纤维熔喷材料层)，外层为特殊材料抑菌层 (无纺布或超薄聚丙烯熔喷材料层)。
医用外科口罩一般是由三层无纺布制成。材料是纺粘无纺布+熔喷无纺布+纺粘无纺布。也可以内层改用短纤改善皮肤触感，即ES 热轧无纺布+熔喷无纺布+纺粘无纺布。口罩外层具有防飞沫设计，中层过滤，内存吸湿。熔喷布一般选用20克重的。
医用外科口罩和一次性使用医用口罩在外形上没有多大区别，主要差别是口罩中间过滤层的过滤能力上，同时医用外科口罩为了保证更好的密封性，耳带有可能是捆绑式或套头式的。还有差别在于最外层的材料，部分厂家选用超薄聚丙烯熔喷材料层。
本发明所述“医用防护口罩”由一种或多种对病毒气溶胶、含病毒液体等具有隔离作用的面料加工而成的口罩。在呼吸气流下仍对病毒气溶胶、含病毒液体等具有屏障作用，且摘下时，口罩的外表面不与人体接触。戴在医疗机构与病毒物料接触的人员面部，用于防止来自患者的病毒向医务人员传播。属于Ⅱ类医疗器械。应符合GB 19083-2010《医用防护口罩技术要求》。
一般为4层非织造布复合而成，其中过滤层为2层，由同种熔喷材料组成。由针刺棉、熔喷布、及无纺布组成，其熔喷布通常采用 40克重甚至更高重量的布组成。结合GB19083-2010《医用医用口罩技术要求》对于过滤效率的要求，即只有KN95及以上过滤效率的口罩可用于医用防护。
显然，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更。
附图说明
图1本发明粘性水凝胶与对比例水凝胶的粘性对比
图2本发明粘性水凝胶重复使用的粘性对比
具体实施方式
以下通过实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1本发明粘性水凝胶的制备
将乙酸2mL加入100mL水中，制得乙酸溶液。将壳聚糖(CS) 0.5g溶解于制备的乙酸溶液中，得到CS溶液。然后将丙烯酰胺(AM) 26g、单宁酸(TA)0.15g和FeCl3·6H2O 0.0375g分别溶解于制备的 CS溶液中。然后，将过硫酸铵(APS)0.25g、N，N’-亚甲基双丙烯酰胺(MEBA)0.015g加入上述溶液中，搅拌，并反应10分钟，得到粘性水凝胶(TA-1500)。
实施例2本发明粘性水凝胶的制备
将乙酸2mL加入100mL水中，制得乙酸溶液。将CS 0.5g溶解于制备的乙酸溶液中，得到CS溶液。然后将AM 26g、TA 0.05g 和FeCl3·6H2O 0.0125g分别溶解于制备的CS溶液中。然后，将APS 0.25g、MEBA 0.015g加入上述溶液中，搅拌，并反应10分钟，得到粘性水凝胶(TA-500)。
实施例3本发明粘性水凝胶的制备
将乙酸1mL加入100mL水中，制得乙酸溶液。将CS 0.5g溶解于制备的乙酸溶液中，得到CS溶液。然后将AM 26g、TA 0.1g 和FeCl3·6H2O 0.025g分别溶解于制备的CS溶液中。然后，将APS 0.25g、MEBA 0.015g加入上述溶液中，搅拌，并反应5分钟，得到粘性水凝胶(TA-1000)。
实施例4本发明粘性水凝胶的制备
将乙酸5mL加入100mL水中，制得乙酸溶液。将CS 0.5g溶解于制备的乙酸溶液中，得到CS溶液。然后将AM 26g、TA 0.2g 和FeCl3·6H2O 0.05g分别溶解于制备的CS溶液中。然后，将APS 0.25 g、MEBA 0.015g加入上述溶液中，搅拌，并反应30分钟，得到粘性水凝胶。
对比例1 PAM粘性水凝胶的制备
将乙酸2mL加入100mL水中，制得乙酸溶液。然后，将AM 26 g、APS 0.25g、MEBA0.015g、N，N，N′，N′-四甲基乙二胺(TEMED) 0.2mL加入上述溶液中，搅拌，并反应10分钟，得到粘性水凝胶 (PAM)。
对比例2 PAM/CS粘性水凝胶的制备
将乙酸2mL加入100mL水中，制得乙酸溶液。将CS 0.5g溶解于制备的乙酸溶液中，得到CS溶液。然后将APS 0.25g、MEBA 0.015g、TEMED 0.2mL加入上述溶液中，搅拌，并反应10分钟，得到粘性水凝胶(PAM/CS)。
以下将通过测试例说明本发明的有益效果。
测试例1粘性水凝胶的效果
1.粘附性能
新鲜猪皮脱脂，放置于万能力学试验机上，将本发明实施例1～4 和对比例1～2制备的粘性水凝胶和本发明制备的水凝胶粘贴到猪皮上，撕下来，测试其粘性强度。
单纯的聚丙烯酰胺(PAM)粘性不高，加入壳聚糖后(PAM/CS) 粘性降低，但是在有壳聚糖存在下，又加入单宁酸、铁(见TA-500、 TA-1000、TA-1500、TA-2000)后，粘性较高，其中本发明实施例1 (TA-1500)制备的新型粘性水凝胶粘性最高，详见图1。
其中本发明实施例1(TA-1500)制备的新型粘性水凝胶，粘贴到猪皮上，撕下来，反复操作20次，结果发现，本发明实施例1制备的新型粘性水凝胶的粘性强度保持在一个比较稳定的范围，20次平均为(14.64±0.492)kPa，详见图2。
2.亲肤性
将本发明实施例1制备的粘性水凝胶粘贴到猪皮上，撕下来，再黏上，反复操作20次，未发现肉眼可见的损伤。
3.抗潮湿性
将本发明实施例1制备的粘性水凝胶粘贴到试验者手上，放置于流动水中冲洗，水凝胶仍在手上固定完好，不脱落，粘性不受影响。
综上所述，本发明制备的粘性水凝胶加入单宁酸、Fe3+粘性好，可重复使用，重复使用20次，粘附力基本不变，亲肤性好，抗潮湿性好，在水中冲刷不脱落。在减压材料方面，在水凝胶体系中添加单宁酸、铁络合物会降低力学强度，由于单宁酸具有丰富的酚羟基，可赋予水凝胶优异的粘附力，可有效地贴合皮肤，阻止外界病菌的侵入，且新型水凝胶的粘性在潮湿环境下，不受影响。同时单宁酸/铁络合物是天然无毒的，在水凝胶中可以提升整个体系的细胞亲和性及生物相容性，即使长时间接触也不会对皮肤造成损伤。应用于自粘性医用口罩中，可以有效提高口罩的密合性、舒适度，医务人员使用时可以提高舒适性和安全性，本发明制备的粘性水凝胶，临床应用前景优良。
Claims (10)
1.一种粘性水凝胶，其特征在于，它是由包括壳聚糖、丙烯类凝胶基质、具有邻苯二酚结构的促粘性试剂、可溶性三价铁盐在水中交联聚合制得。
2.根据权利要求1所述的粘性水凝胶，其特征在于，其中丙烯类凝胶基质包括丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸中的一种或几种，优选为丙烯酰胺；具有邻苯二酚结构的促粘性试剂包括单宁酸、邻苯二酚、多巴胺、N-甲基多巴胺、N-乙基多巴胺中的一种或几种，优选为单宁酸；可溶性三价铁盐包括硝酸铁、硫酸铁或FeCl3·6H2O中的一种或几种，优选为FeCl3·6H2O。
3.根据权利要求1或2所述的粘性水凝胶，其特征在于，每100mL水中，壳聚糖用量为0.2～1g，优选为0.5g；丙烯酰胺用量为15～30g，优选为26g；单宁酸用量为0.01～0.3g，优选为0.05～0.2g，更优选为0.15g；可溶性三价铁盐可选硝酸铁、硫酸铁或FeCl3·6H2O，优选为FeCl3·6H2O，FeCl3·6H2O用量为0.01g～0.15g，优选为0.0125～0.050g，更优选为0.0375g。
4.根据权利要求1所述的粘性水凝胶，其特征在于，它是由包括壳聚糖、丙烯酰胺、单宁酸、FeCl3·6H2O、交联剂、和/或引发剂、和/或催化剂在水中交联聚合制得。
5.根据权利要求4所述的粘性水凝胶，其特征在于，所述交联剂为N，N′-亚甲基双丙烯酰胺，每100mL水中,其用量为0.01～0.05g,优选为0.015g；所述引发剂为过硫酸盐，优选为过硫酸铵、过硫酸钾，更优选为过硫酸胺，其中，每100mL水中，过硫酸铵的用量为0.1～1g,优选为0.25g；所述催化剂为N，N，N′，N′-四甲基乙二胺，其中，每100mL水中，N，N，N′，N′-四甲基乙二胺的用量为0.1～0.5mL，优选为0.2mL。
6.如权利要求1～5任意一项所述的粘性水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将壳聚糖溶解于乙酸溶液中，得到壳聚糖溶液；
2)将丙烯酰胺、单宁酸和三价铁盐分别溶解于制备的壳聚糖溶液中，得到混合溶液；
3)交联聚合反应，制得粘性水凝胶。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤1)中，乙酸溶液的配制方法为每100mL水中加入1～5mL乙酸，优选为加入2mL乙酸。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤3)中，交联聚合反应的时间为5～30min，优选为10min；反应温度为20～25℃。
9.一种自粘性医用口罩，其特征在于，它是使用权利要求1～5任意一项所述的粘性水凝胶和其他医用口罩材料制备而成。
10.根据权利要求7所述的口罩，其特征在于，口罩左、上、右三边采用如权利要求1或2所述的粘性水凝胶封闭，其中所述口罩类型优选为医用防护口罩、医用外科口罩、一次性使用医用口罩。
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