CN112574437A - 可拉伸水凝胶的制备方法、可拉伸水凝胶及应用 - Google Patents

可拉伸水凝胶的制备方法、可拉伸水凝胶及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了可拉伸水凝胶的制备方法、可拉伸水凝胶及应用，所述可拉伸水凝胶的制备方法包括如下步骤1、配制质量分数为0.1％～0.4％wt的细菌纤维素分散液；S2、向步骤S1所得的稀释后的细菌纤维素分散液中加入过硫酸胺和多巴胺，室温下搅拌15～60min至混合液由白色变成棕色；S3、冰浴条件下在步骤S2的体系中继续加入丙烯酰胺、N,N‑亚甲基双丙烯酰胺、四甲基乙二胺，搅拌5～30min，恢复室温后，混合液由棕色变成棕红色，然后将混合液倒入器皿中，放入55～65℃温箱保温2～3h，或在室温下放置40～60h，得到可拉伸水凝胶。所述可拉伸水凝胶具有良好的拉伸性和粘附性，可用于制备医用敷料。

Description

可拉伸水凝胶的制备方法、可拉伸水凝胶及应用
技术领域
本发明涉及生物医学材料技术领域，具体地，本发明涉及可拉伸水凝胶的制备方法、可拉伸水凝胶及应用。
背景技术
现有的临床敷料最为常见的是棉纱敷料，其在关节、皮肤褶皱处的覆盖及固定并不理想，且不具备抗菌性能，还须频繁更换等，因而研发一种可拉伸、具有粘附性能且生物相容性良好的水凝胶具有一定的价值。
形成水凝胶的高分子具有水溶性或亲水性，其成凝原理包括化学交联或物理交联。高分子按其来源可分为天然和合成两大类：天然的亲水性高分子包括多糖类(淀粉、纤维素、海藻酸、透明质酸，壳聚糖等)和多肽类(胶原、聚L-赖氨酸、聚L-谷胺酸等)；合成的亲水高分子包括醇、丙烯酸及其衍生物类(聚丙烯酸，聚甲基丙烯酸，聚丙烯酰胺，聚N-聚代丙烯酰胺等)。大部分高分子水凝胶能够保持高吸水及保水性能，已被广泛用于多种领域，如：干旱地区的抗旱，在化妆品中的面膜、退热贴、镇痛贴、农用薄膜、建筑中的结露防止剂、调湿剂、石油化工中的堵水调剂，原油或成品油的脱水，在矿业中的抑尘剂，食品中的保鲜剂、增稠剂，医疗中的药物载体等等。值得注意的是，不同的应用领域应该选用不同的高分子原料，以满足不同的需求。然而，如何让水凝胶实现良好的粘附和拉伸性能，进而为研发具有临床价值的敷料，是现有医疗材料技术需要解决的问题。
发明内容
本发明旨在克服上述现有技术的至少一种不足，提供一种可拉伸水凝胶的制备方法，所述制备方法通过丙烯酰胺、多巴胺、细菌纤维素互相反应或作用，使得聚丙烯酰胺、聚多巴胺及细菌纤维素之间通过氢键、共价键、范德华力等紧密交联，从而得制备出一种具有良好拉伸性能的可拉伸水凝胶。
本发明的另一目的在于提供一种可拉伸水凝胶，所述可拉伸水凝胶具有良好的拉伸性和粘附性，可用于制备医用敷料。
本发明采取的技术方案是：
一种可拉伸水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
S1、配制质量分数为0.1％～0.4％wt的细菌纤维素分散液；
S2、向步骤S1所得的稀释后的细菌纤维素分散液中加入过硫酸胺和多巴胺，室温下搅拌15～60min至混合液由白色变成棕色，其中，过硫酸铵与细菌纤维素分散液的质量比为(1～3)：100，多巴胺与过硫酸铵的质量比为(1～2)：(10～30)；
S3、冰浴条件下在步骤S2的体系中继续加入丙烯酰胺、N,N-亚甲基双丙烯酰胺、四甲基乙二胺，搅拌5～30min，恢复室温后，混合液由棕色变成棕红色，然后将混合液倒入器皿中，放入55～65℃温箱保温2～3h，或在室温下放置40～60h，得到可拉伸水凝胶，其中，丙烯酰胺与多巴胺的质量比为(200～300)：(1～2)，N,N-亚甲基双丙烯酰胺与丙烯酰胺的质量比为(1～2)：(200～300)，四甲基乙二胺与细菌纤维素分散液的体积比为(1～3)：1000。
本发明首先在具有良好生物相容性和优异物理性能的细菌纤维素分散液中加入多巴胺，并利用过硫酸铵的氧化催化作用，促进多巴胺发生预聚合，同时利用预聚合多巴胺的游离羟基为水凝胶提供粘性，之后在冰浴条件下依次加入丙烯酰胺、交联剂及加速剂，继续在过硫酸铵的催化下引发丙烯酰胺的聚合，由此使得聚丙烯酰胺、聚多巴胺及细菌纤维素之间通过氢键、共价键、范德华力等紧密交联，使共混后形成的水凝胶具有良好的拉伸和粘附性能。
优选地，步骤S1为：取2～6ml 0.55～0.65％wt的细菌纤维素分散液，然后用去离子水稀释至10ml。
优选地，步骤S2为：向步骤S1所得的稀释后的细菌纤维素分散液中加入0.15～0.25g过硫酸胺和0.01～0.02g多巴胺，室温下搅拌15～60min至混合液由白色变成棕色。
优选地，步骤S2中过硫酸铵与多巴胺的质量比为20：(1～2)。
优选地，步骤S3为：冰浴条件下在步骤S2的体系中继续加入2～3g丙烯酰胺、0.01～0.02g N,N-亚甲基双丙烯酰胺、10～30ul四甲基乙二胺，搅拌5～30min，恢复室温后，混合液由棕色变成棕红色，然后将混合液平铺倒入培养皿中，放入55～65℃温箱保温2～3h，或在室温下放置40～60h，得到可拉伸水凝胶。
优选地，步骤S3中丙烯酰胺与N,N-亚甲基双丙烯酰胺的质量比为(200～300)：1.5。
由所述的制备方法制备得到的可拉伸水凝胶。本发明制备的到的可拉伸水凝胶包括聚丙烯酰胺、聚多巴胺和细菌纤维素，其中细菌纤维素具有精细的网络结构、较高的机械强度、较高的吸水和保水性能、良好的生物相容性和生物降解性等许多独特的性质，聚多巴胺具有良好的亲水性及生物相容性，能够通过复杂的物理化学作用稳定附着在细菌纤维素上，聚丙烯酰胺、聚多巴胺及细菌纤维素之间通过氢键、共价键、范德华力等紧密交联，使共混后形成的水凝胶具有良好的拉伸和粘附性能。
所述的可拉伸水凝胶在生物医学材料中的应用。现有的临床棉纱敷料在关节及皮肤褶皱处的固定及覆盖并不理想，水凝胶亲水、保湿、柔软、温和，性能可调控空间大，是理想的敷料研发材料，本发明通过聚丙烯酰胺、细菌纤维素、聚多巴胺的相互作用制得的水凝胶具有良好的粘附性和拉伸性能，可以应用于生物医学材料中，具有巨大的临床价值。优选地，所述生物医学材料为医用敷料。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明在细菌纤维素分散液中加入多巴胺，并利用过硫酸铵的氧化催化作用，促进多巴胺发生预聚合，同时利用预聚合多巴胺的游离羟基为水凝胶提供粘性，之后在过硫酸铵的催化下引发丙烯酰胺的聚合，由此使得聚丙烯酰胺、聚多巴胺及细菌纤维素之间通过氢键、共价键、范德华力等紧密交联，制备得到可拉伸水凝胶，所述可拉伸水凝胶既具有水凝胶本身的亲水、保湿、柔软、温和性，又具有良好的生物相容性和生物降解性，还具有良好的拉伸性和粘附性，可作为一种新型的医用敷料，具有巨大的临床价值。
附图说明
图1为本发明实施例1可拉伸水凝胶粘结性能测试图。
图2为本发明实施例1可拉伸水凝胶的扫描电镜图。
图3为本发明实施例1可拉伸水凝胶的拉伸性能测试图。
图4为本发明实施例1可拉伸水凝胶随关节活动的性能测试图。
图5为本发明实施例1可拉伸水凝胶的细胞吸光度值测试图。
图6为本发明实施例1可拉伸水凝胶的荧光染色实验测试图。
具体实施方式
本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
实施例1
一种可拉伸水凝胶，其制备过程如下：
S1、取4ml 0.55～0.65％wt的细菌纤维素分散液，加入离心管中，然后用去离子水稀释至10ml；
S2、向步骤S1所得的稀释后的细菌纤维素分散液中加入0.2g过硫酸胺和0.015g多巴胺，室温下搅拌约30min，混合液由白色变成棕色；
S3、冰浴条件下在步骤S2的体系中继续加入2.5g丙烯酰胺、0.015g N,N-亚甲基双丙烯酰胺、20μl四甲基乙二胺，搅拌10min，恢复室温后，混合液由棕色变成棕红色，然后将混合液平铺倒入培养皿中，放入60℃温箱保温2～3h，或在室温下放置48h，得到可拉伸水凝胶。
实施例2
一种可拉伸水凝胶，其制备过程如下：
S1、取4ml 0.55～0.65％wt的细菌纤维素分散液，加入离心管中，然后用去离子水稀释至10ml；
S2、向步骤S1所得的稀释后的细菌纤维素分散液中加入0.2g过硫酸胺和0.01g多巴胺，室温下搅拌约30min，混合液由白色变成棕色；
S3、冰浴条件下在步骤S2的体系中继续加入2g丙烯酰胺、0.015g N,N-亚甲基双丙烯酰胺、10μl四甲基乙二胺，搅拌10min，恢复室温后，混合液由棕色变成棕红色，然后将混合液平铺倒入培养皿中，放入60℃温箱保温2～3h，或在室温下放置48h，得到可拉伸水凝胶。
实施例3
一种可拉伸水凝胶，其制备过程如下：
S1、取4ml 0.55～0.65％wt的细菌纤维素分散液，加入离心管中，然后用去离子水稀释至10ml；
S2、向步骤S1所得的稀释后的细菌纤维素分散液中加入0.2g过硫酸胺和0.02g多巴胺，室温下搅拌约30min，混合液由白色变成棕色；
S3、冰浴条件下在步骤S2的体系中继续加入3g丙烯酰胺、0.015g N,N-亚甲基双丙烯酰胺、30μl四甲基乙二胺，搅拌10min，恢复室温后，混合液由棕色变成棕红色，然后将混合液平铺倒入培养皿中，放入60℃温箱保温2～3h，或在室温下放置48h，得到可拉伸水凝胶。
实施例4
一种可拉伸水凝胶，其制备过程如下：
S1、取2ml 0.55～0.65％wt的细菌纤维素分散液，加入离心管中，然后用去离子水稀释至10ml；
S2、向步骤S1所得的稀释后的细菌纤维素分散液中加入0.15g过硫酸胺和0.01g多巴胺，室温下搅拌约30min，混合液由白色变成棕色；
S3、冰浴条件下在步骤S2的体系中继续加入2g丙烯酰胺、0.01g N,N-亚甲基双丙烯酰胺、10μl四甲基乙二胺，搅拌10min，恢复室温后，混合液由棕色变成棕红色，然后将混合液平铺倒入培养皿中，放入60℃温箱保温2～3h，或在室温下放置48h，得到可拉伸水凝胶。
实施例5
一种可拉伸水凝胶，其制备过程如下：
S1、取6ml 0.55～0.65％wt的细菌纤维素分散液，加入离心管中，然后用去离子水稀释至10ml；
S2、向步骤S1所得的稀释后的细菌纤维素分散液中加入0.25g过硫酸胺和0.02g多巴胺，室温下搅拌约30min，混合液由白色变成棕色；
S3、冰浴条件下在步骤S2的体系中继续加入3g丙烯酰胺、0.02g N,N-亚甲基双丙烯酰胺、30μl四甲基乙二胺，搅拌10min，恢复室温后，混合液由棕色变成棕红色，然后将混合液平铺倒入培养皿中，放入60℃温箱保温2～3h，或在室温下放置48h，得到可拉伸水凝胶。
将按实施例1至5所述方法制备的可拉伸水凝胶制成与玻璃管、离心管管口匹配的圆柱型，在玻璃管、离心管中分别加入液体，使玻璃管、离心管具有一定重量，将圆柱型可拉伸水凝胶的底部粘附在玻璃管、离心管的管口，手指捏住圆柱型可拉伸水凝胶的顶部。经观察，圆柱型可拉伸水凝胶可以粘住有一定重量的玻璃管、离心管，可见本发明实施例1至5所述方法制备的可拉伸水凝胶具有一定的粘结力、粘附性。如图1为按照实施例1所述方法制备的可拉伸水凝胶制成圆柱型后进行粘结性能测试的测试图。
将实施例1至5制备的可拉伸水凝胶进行冷冻干燥后进行扫描电镜测试，测试结果表明，除水后的水凝胶表面存在凹凸不平的形貌，这是水分去除后的形貌。如图2所示为实施例1可拉伸水凝胶的扫描电镜图。
对实施例1至5制备的可拉伸水凝胶进行拉伸性能测试，测试过程如下：利用裁刀将水凝胶裁剪成哑铃状(图3左图所示)，然后在微机控制电子万能试验机上对水凝胶进行拉伸性能检测。测试结果见表1，图3右图为实施例1可拉伸水凝胶的拉伸性能测试图。
表1
测试项目 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
拉伸长度倍数 10倍 10倍 10倍 11倍 12倍
为验证所制备的可拉伸水凝胶在活动关节处的粘附性能和拉伸性能，将所制备的可拉伸水凝胶涂抹在胳膊肘关节和手指关节处，弯曲胳膊和手指，可观察到可拉伸水凝胶随着胳膊和手指的弯曲而发生形变，其粘附性和拉伸性能均优异，如图4为实施例1可拉伸水凝胶随关节活动的性能测试图。
对实施例1至5制备的可拉伸水凝胶进行细胞相容性检测，过程如下：
(1)细胞吸光度值测试：将可拉伸水凝胶样品裁剪至合适大小置于96孔板孔底；调整细胞密度至1×105/mL，96孔板每孔加入200μL细胞液(即每孔细胞密度为2×104)，共培养过夜至细胞恢复正常贴壁状态；分别于1、3、5天，在每孔加入20uL cck-8试剂原液，2小时后将液体移至新的96孔板中，450nm处测吸光度值，同时设置对照组。
(2)荧光染色实验测试：将可拉伸水凝胶样品裁剪至合适大小置于48孔板孔底；调整细胞密度至2×104/mL，48孔板每孔加入1ml L细胞液(即每孔细胞密度为2×104)，共培养过夜至细胞恢复正常贴壁状态；取适量甲醇或无菌水溶解棕色管中冻干的粉末，制备成200U/mL的储液(300T规格染料加入1.5mL的液体)。之后细胞生长72小时，吸掉培养液，预温PBS(37℃)清洗细胞3次，每次5min；用4％多聚甲醛溶液固定细胞(48孔板，每孔1mL)，冰上固定15min；随后用PBS清洗细胞3次；用含0.5％Triton X-100的PBS溶液在室温下透化细胞10min(P0096免疫染色通透液，含0.3％Triton X-100的PBS)；随后用PBS清洗细胞3次；每孔用200μL PBS稀释5μLgfp(鬼笔环肽)工作液(共40μL工作液溶于1600μLPBS中)，室温避光孵育30min进行染色；用PBS清洗细胞2-3次，加入4-5滴即用型DAPI溶液，进行复染色30s(Fluoroshield封固剂With DAPI，内含抗荧光淬灭封片液，直接使用染核)。吸去多余水分，可选择加荧光封片液封片/抗荧光淬灭剂，荧光或者共聚焦显微镜下观察，同时设置对照组。Merge为DAPI染的细胞核和上述gfp染色融合在一起的图像。
通过实施例1至5制备的可拉伸水凝胶的细胞吸光度值可知，本发明实施例1至5所制备的的可拉伸水凝胶细胞吸光度值与对照组接近，可见可拉伸水凝胶具有良好的细胞相容性，不影响细胞的正常生长；通过实施例1至5制备的可拉伸水凝胶的荧光染色测试图可知，相比对照组本发明实施例1至5所制备的的可拉伸水凝胶表面粘附大量正常形态的细胞。因此，通过细胞相容性检测可知，本发明实施例1至5所制备的的可拉伸水凝胶均能够促进cck-8细胞的生长及粘附。由此可以看出本发明制备的可拉伸水凝胶具有良好的细胞相容性。如图1所示为实施例1可拉伸水凝胶和对照组的细胞吸光度值测试图，图6为实施例1可拉伸水凝胶和对照组的细胞荧光染色实验测试图。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种可拉伸水凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、配制质量分数为0.1％～0.4％wt的细菌纤维素分散液；
S2、向步骤S1所得的稀释后的细菌纤维素分散液中加入过硫酸胺和多巴胺，室温下搅拌15～60min至混合液由白色变成棕色，其中，过硫酸铵与细菌纤维素分散液的质量比为(1～3)：100，多巴胺与过硫酸铵的质量比为(1～2)：(10～30)；
S3、冰浴条件下在步骤S2的体系中继续加入丙烯酰胺、N,N-亚甲基双丙烯酰胺、四甲基乙二胺，搅拌5～30min，恢复室温后，混合液由棕色变成棕红色，然后将混合液倒入器皿中，放入55～65℃温箱保温2～3h，或在室温下放置40～60h，得到可拉伸水凝胶，其中，丙烯酰胺与多巴胺的质量比为(200～300)：(1～2)，N,N-亚甲基双丙烯酰胺与丙烯酰胺的质量比为(1～2)：(200～300)，四甲基乙二胺与细菌纤维素分散液的体积比为(1～3)：1000。
2.根据权利要求1所述的可拉伸水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤S1为：取2～6ml0.55～0.65％wt的细菌纤维素分散液，然后用去离子水稀释至10ml。
3.根据权利要求2所述的可拉伸水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤S2为：向步骤S1所得的稀释后的细菌纤维素分散液中加入0.15～0.25g过硫酸胺和0.01～0.02g多巴胺，室温下搅拌15～60min至混合液由白色变成棕色。
4.根据权利要求3所述的可拉伸水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤S2中过硫酸铵与多巴胺的质量比为20：(1～2)。
5.根据权利要求3所述的可拉伸水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤S3为：冰浴条件下在步骤S2的体系中继续加入2～3g丙烯酰胺、0.01～0.02g N,N-亚甲基双丙烯酰胺、10～30μl四甲基乙二胺，搅拌5～30min，恢复室温后，混合液由棕色变成棕红色，然后将混合液平铺倒入培养皿中，放入55～65℃温箱保温2～3h，或在室温下放置40～60h，得到可拉伸水凝胶。
6.根据权利要求5所述的可拉伸水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤S3中丙烯酰胺与N,N-亚甲基双丙烯酰胺的质量比为(200～300)：1.5。
7.由权利要求1-6任一权利要求所述的制备方法制备得到的可拉伸水凝胶。
8.权利要求7所述的可拉伸水凝胶在生物医学材料中的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述生物医学材料为医用敷料。
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