CN113480746A - Kgm-ha半ipn凝胶的制备方法及应用 - Google Patents

Kgm-ha半ipn凝胶的制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及凝胶制备技术领域，公开了KGM‑HA半IPN凝胶的制备方法，以KGM和HA为原料，通过Na2CO3溶液对KGM进行脱乙酰化，形成半IPN凝胶；还公开了KGM‑HA半IPN凝胶和应用。本发明制备的凝胶具有致密的三维立体网状结构和高的亲水性，保水率强，能有效锁住水分和防止水分蒸发，应用于面膜中时可防止面膜中的精华液损失；本发明制备的凝胶具有优良的力学性能，不易变形，不易断裂，还具有很好的生物相容性和生物降解性，热稳定性好，制备过程中不使用其他化学交联剂，药物负载与释药效果好。

Description

KGM-HA半IPN凝胶的制备方法及应用
技术领域
本发明涉及凝胶制备技术领域，具体涉及KGM-HA半IPN凝胶的制备方法及应用。
背景技术
魔芋葡甘聚糖(KGM)水凝胶被广泛应用于生物、医学、材料等领域，目前，可通过形成互穿网络(IPN)或者半互穿网络(半IPN)结构进一步改善KGM水凝胶的相关性能。IPN结构是由两个或多个独立的交联聚合物网络组成，而半IPN是一种未交联的聚合物穿插于另一种已交联聚合物中形成的网络结构。
透明质酸(HA)是天然存在的高分子酸性多糖类，又被称为玻尿酸，具有保湿、紧致抗皱的作用，是一种理想的天然保湿因子。HA具有良好的生物相容性和生物降解性，常被应用于生物医药领域，但其力学性能较差，一般与其他材料进行复合使用，以提高其力学性能。
目前通过KGM制备的水凝胶为了达到制备目的往往需要加入各种化学交联剂，因而使所制备的凝胶具有一定的化学毒性，使用效果也不尽如人意，为了克服上述问题，发明人发明了KGM-HA半IPN凝胶的制备方法及应用。
发明内容
基于以上问题，本发明提供KGM-HA半IPN凝胶的制备方法及应用，本发明制备的凝胶保水率强、力学性能好，具有很好的生物相容性和生物降解性，热稳定性和药物负载与释药效果好。
为解决以上技术问题，本发明提供了KGM-HA半IPN凝胶的制备方法，具体步骤如下：将2gKGM和0.2g HA溶解在体积为50mL浓度为0.3mol/L的Na2CO3溶液中，快速搅拌1min得混合液，将混合液于室温下放置30min，诱导形成KGM水凝胶，再将KGM水凝胶置于80℃条件下加热30min，之后置于4℃条件下冷却过夜，然后将其置于蒸馏水中浸泡24h，期间每隔3h换一次水，以除去残留的Na2CO3，从而得稳定的KGM-HA半IPN凝胶。
为解决以上技术问题，本发明还提供了KGM-HA半IPN凝胶。
为解决以上技术问题，本发明还提供了KGM-HA半IPN凝胶在面膜中的应用。
为解决以上技术问题，本发明还提供了KGM-HA半IPN凝胶在药物缓释材料中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明制备的凝胶具有致密的三维立体网状结构和高的亲水性，保水率强，能有效锁住水分和防止水分蒸发，应用于面膜中时可防止面膜中的精华液损失；本发明制备的凝胶具有优良的力学性能，不易变形，不易断裂，还具有很好的生物相容性和生物降解性，热稳定性好，制备过程中不使用其他化学交联剂，药物负载与释药效果好。
附图说明
图1为本发明的实施例中不同凝胶的FTIR谱图；
图2为本发明的实施例中不同凝胶样品的SEM图；
图3为本发明的实施例中不同凝胶样品的TG图；
图4为本发明的实施例中不同凝胶样品的孔隙率结果图；
图5为本发明的实施例中不同凝胶的溶胀率结果图；
图6为本发明的实施例的KGM-HA基面膜基面膜的制备过程图；
图7为本发明的实施例的不同基材面膜的保水率结果图；
图8为本发明的实施例的不同材质面膜的水蒸气透过率结果图；
图9为本发明的实施例的3种基材面膜对Vc的吸附曲线(A)及释放曲线(B)图；
图10为本发明的实施例的KGM及KGM-HA基面膜细胞毒性检测图；
图11为本发明的实施例的KGM-HA基面膜在酶促作用下的生物降解性结果图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例：
本实施例以KGM和HA为原料，通过Na2CO3溶液对KGM进行脱乙酰化，形成半IPN凝胶。之后通过FTIR、SEM、TG、DSC和动态流变仪对所制备的凝胶样品进行表征，测定孔隙率、溶胀率。此外，还考察KGM-HA半IPN凝胶在面膜中的应用，研究了面膜的力学性能、持水率、水蒸气透过率、生物降解性能及细胞毒性，同时还考察了面膜对抗坏血酸(VC)的负载和释放，具体见下文。
本实施例所使用的KGM的Mw＝960,000，购至湖北一致生物技术有限公司；HA，97％，购至上海麦克林生化科技有限公司；Na2CO3，分析纯，购至国药化学试剂有限公司。凝胶的结构特征是通过FTIR光谱仪(Avatar 370，美国)和XRD(XRD-7000,日本)表征的；干凝胶形态结构用SEM(JSM-6510LV，日本)来观测；凝胶的热学性质通过TGA(EXSTARTG/DTA6300，日本)进行分析。
本实施例选择0.1mol/L、0.2mol/L、0.3mol/L和0.4mol/L的Na2CO3作为KGM脱乙酰基的碱性改性剂，将2g KGM分别溶解在50mL上述所述的四种浓度的Na2CO3溶液中，快速搅拌1min得混合液，然后将混合液置于室温下30min，以诱导KGM水凝胶形成，再将KGM水凝胶置于80℃条件下加热30min，之后置于4℃条件下过夜，固化所有混合物，以获得稳定的凝胶。将所得凝胶于蒸馏水中浸泡24h，每隔3h换一次水，以除去Na2CO3；然后将凝胶冷冻干燥24h，再40℃真空干燥12h，得干凝胶，备用。其中使用0.1mol/L、0.2mol/L、0.3mol/L和0.4mol/LNa2CO3生成的凝胶分别标为KGM-Na1、KGM-Na2、KGM-Na3和KGM-Na4。
接下来，本实施例制备了KGM-HA半IPN凝胶：将2g KGM及HA(HA的用量分别为0.2g、0.4g、0.6g和0.8g)溶解在50mL浓度为0.3mol/L的Na2CO3溶液中，按照同样的方法制备得到KGM-HA半IPN凝胶。使用0.2g、0.4g、0.6g和0.8g HA生成的凝胶分别标为KGM-HA-1、KGM-HA-2、KGM-HA-3和KGM-HA-4。
本实施例将上述制备的干凝胶样品切成大小相近的小方块(2cm×2cm)，使用乙醇替代方法测定了干凝胶的孔隙率。首先，将乙醇完全装入预先称重的空瓶中(m1)，进行称重(m2)。然后，将预先称重的干凝胶(ms)放入瓶中(其中一些乙醇从瓶中溢出)并用超声波处理10min。将乙醇添加到瓶子中，直到瓶子再次充满乙醇并进行测量(m3)。最后，在称量瓶子和干凝胶(m4)之前，将瓶子中的乙醇排干并用棉签吸收残留的乙醇。干凝胶的孔隙率(Porosity,％)由如下计算式进行计算：
Figure BDA0003124238360000031
其中，mp(＝m4-m1-mS)和mv(＝m2+mS-m3)分别为填充到空隙中的乙醇的质量和用等体积的干凝胶填充的乙醇的质量，所有测试重复三次，取平均值。
为了测量溶胀率，本实施例将干凝胶切成相同尺寸的正方形(2cm×2cm)，然后将预先称重的干凝胶(m1’)放入一个装有浓生理盐溶液的烧杯中，之后干吸收液体至饱和，用镊子将其取出并在空气中悬浮1min。最后，将具有有效吸收液体的干凝胶称重(m2’)，重复该实验至少三遍，干凝胶的溶胀率(Swelling ratio,％)由如下计算式进行计算：
Figure BDA0003124238360000041
见附图1，其中：KGM-Na1(A-b)、KGM-Na2(A-c)、KGM-Na3(A-d)、KGM-Na4(A-e)、KGM-HA-1(B-c)、KGM-HA-2(B-d)、KGM-HA-3(B-e)、KGM-HA-4(B-f)。图1A为KGM凝胶样品的FTIR光谱，从图中可见，对KGM来说，3417cm-1处的吸收峰归属于KGM凝胶中-OH的伸缩振动，2929cm-1处的吸收峰归属于-CH2-的伸缩振动，而在1738cm-1处的吸收峰是乙酰基的C＝O伸缩振动引起的，但经Na2CO3处理后，KGM上的乙酰基被移除了，C＝O吸收带消失。图1B为KGM-HA半IPN凝胶的FTIR谱图，从图中可见随着HA用量的增加，3417cm-1处的吸收带强度逐渐增强，这是由于体系中O-H的缔合作用造成的。
见附图2，其中：KGM-Na1(A1)、KGM-Na2(A2)、KGM-Na3(A3)、KGM-Na4(A4)、KGM-HA-1(B1)、KGM-HA-2(B2)、KGM-HA-3(B3)及KGM-HA-4(B4)。由图可见，所有凝胶样品都呈现网络结构，对于图1(A1)～(A4)来说，随着Na2CO3浓度的增大，凝胶中孔结构的孔径先增加后减小，当加入HA后(图1(B1)～(B4)，层状网络结构呈现出更精细的多孔网络结构，这说明KGM与HA形成了半IPN结构。
发明人后期为了将KGM-HA半IPN凝胶应用于面膜中，又由于面膜需要经过高温灭菌处理，因此对凝胶的热稳定性进行了分析。见附图3，其中：KGM-Na1(A-a)、KGM-Na2(A-b)、KGM-Na3(A-c)、KGM-Na4(A-d)、KGM-HA-1(B-a)、KGM-HA-2(B-b)、KGM-HA-3(B-c)、KGM-HA-4(B-d)。从图3(A)中可看出，样品在第一阶段(50～200℃)的分解基本一致，均为样品中水分的蒸发阶段；第二段(200～300℃)的分解属于多糖的分解阶段，且随着碱浓度的增大，失重量逐渐减小。从图3(B)中可看出，半IPN凝胶样品的整体失重情况无明显差异，因此可以说明，HA对KGM凝胶的热稳定性无明显影响。
见附图4，其中图4(A)为不同浓度的碱溶液处理的KGM凝胶的孔隙率，可以看出，KGM-Na1、KGM-Na2、KGM-Na3和KGM-Na4的孔隙率分别为48.45％、57.59％、64.23％和53.66％，随着Na2CO3浓度从0.1mol/L增加到0.3mol/L，交联的凝胶的孔隙率逐渐增加，超过0.3mol/L时，凝胶孔隙率又下降了。这是由于KGM在碱性条件下会发生脱乙酰反应，随着碱浓度的增加，脱乙酰度逐渐增加，从而导致凝胶孔隙率增加，但当Na2CO3的浓度为0.4mol/L时，孔隙率下降，这可能是过度的脱乙酰化致使交联度过大所致。
图4(B)为0.3mol/L的Na2CO3溶液改性的KGM与不同用量HA形成的半IPN凝胶的孔隙率，可以看出，KGM-HA-1、KGM-HA-2、KGM-HA-3和KGM-HA-4的孔隙率分别为58.26％、66.04％、62.06％、55.63％。可以发现，随着HA含量的增加，交联的凝胶的孔隙率先增大后减小，这是因为HA加入后与脱乙酰化的KGM交联，发生分子缠结。但是当HA用量过大时，半IPN结构中链段的过度缠结致使孔隙率下降。
见附图5，其中A为KGM凝胶，B为KGM-HA基面膜凝胶，从图5A可看出，所有样品在PBS溶液(pH 7.4)中均迅速膨胀，具有较大的平衡溶胀率，KGM-Na1、KGM-Na2、KGM-Na3和KGM-Na4溶胀率分别为187.8％、232.2％、255.0％、215.1％。整体随碱浓度的增加而增加，在碱浓度超过0.3mol/L后，溶胀率下降，溶胀率的这一变化趋势与孔隙率的变化趋势相对应。溶胀率增加是由于形成交联网络所致，但是交联度过高也会导致溶胀率下降。从图5B可以看出，半IPN凝胶KGM-HA-1、KGM-HA-2、KGM-HA-3和KGM-HA-4的溶胀率分别为280.1％、319.0％、307.0％、216.2％，其变化趋势与KGM凝胶类似，HA本身具有良好的吸水和持水能力，因此HA的加入可以使凝胶溶胀率增加。但HA用量超过0.4g后，半IPN凝胶溶胀率降低，这是由于较大的交联密度和分子缠结引起的。
基于上述实验结果，发明人欲将KGM-HA半IPN凝胶应用于面膜中，因此采取了以下制备方法来制备KGM-HA基面膜：将2g KGM及0.2g HA溶解在50mL浓度为0.3mol/L的Na2CO3溶液中，快速搅拌1min，然后将样品倒入面膜模具，室温静置30min之后在80℃水浴中持续加热，之后冷却，使面膜从模具中脱离，实际制备过程及最终制备的面膜成品见附图6。
本实施例测试了上述制备的面膜的保水率，用离心机对饱和持水的样品湿面膜进行离心5min，转速依次为500、1500、3500、5500、9500、12000r/min；样品离心后，称量并记录得到湿面膜质量(m1，g)；然后将湿面膜置于60℃烘箱中烘干至恒重，称量并记录得到干面膜质量(m2，g)。利用下述计算式计算保水率(Water holding ratio,％)，各组实验重复3次。
Figure BDA0003124238360000051
其中m1为湿膜的质量，g；m2为干膜的质量，g。
本实施例的面膜水蒸气透过率(WVTR)是通过标准方法E96-00在37℃和79％的相对湿度下测定的，将干燥的样品切成圆形，安装在装有10mL蒸馏水的瓶口(直径17mm)上，并在装有饱和硫酸铵溶液的干燥器中于37℃保持48h，定期对小瓶称重，并通过如下计算式定义WVTR(g/m2/天)：
Figure BDA0003124238360000061
其中A是瓶口的面积(mm2)；m0和mf分别是设备在37℃保持48h之前和之后的质量(g)；T是间隔时间(d)。
发明人还对上述制备的面膜分别进行了力学性能测试、药物(VC)负载与释放测试、细胞毒性检测、体外酶促生物降解研究测试。
三种基材面膜(KGM基面膜、KGM-HA基面膜和无纺布面膜)的保水率结果见附图7，可见随着离心速率的增加，面膜总体保水率不断下降。KGM基面膜在离心速率为3500r/min时保持着高达80％的保水率，随后急剧下降，在12000r/min时保水率下降至约40％。KGM-HA基面膜在离心力为3500r/min时仍保持着高达90％的保水率，在12000r/min时保水率下降至约48％，可见KGM-HA基面膜基膜较KGM基面膜保水率更好。而市售无纺布面膜的保水率在1500r/min后就快速下降，随后几乎接近于0，可见KGM基面膜和KGM-HA基面膜的保水率均显著高于市售无纺布面膜，这与KGM基面膜和KGM-HA基面膜较为致密的三维立体网状结构和高的亲水性有关，KGM基面膜和KGM-HA基面膜不仅能将水分储存于其网状结构中，还可以通过氢键使大量水分子与多糖上的羟基紧密结合，不易受外力的影响而脱落。
见附图8，KGM基面膜、KGM-HA基面膜和无纺布面膜的WVTR值分别为575.1、469.4和1014.5g/m2/天，无纺布的水蒸气透过量远大于KGM基面膜与KGM-HA基面膜，这主要是由于无纺布的纤维结构与KGM基面膜、KGM-HA基面膜相比，结构更为松散，孔径相对较大，不能有效地控制水分蒸发；而KGM基面膜和KGM-HA基面膜网状结构更为致密，能有效锁住水分，防止水分蒸发，这在实际应用中可以防止面膜中的精华液的损失。KGM-HA基面膜的透过量略低于KGM基面膜，这与HA的亲水性有关，其更能有效锁水。
下表为不同基材面膜的力学性能测试结果：
表3种面膜基材的力学性能
Figure BDA0003124238360000062
从表中可看出，市售无纺布面膜的抗拉强度和弹性模量最低，分别为0.12和1.23MPa；KGM基面膜的抗拉强度(0.66MPa)略高于KGM-HA基面膜(0.58MPa)，而弹性模量(2.22MPa)则远低于KGM-HA基面膜(4.86MPa)。就断裂伸长率而言，KGM基面膜和KGM-HA基面膜均高于市售无纺布面膜(40.30％)，分别为55.30％和75.29％。这是由于KGM基面膜和KGM-HA基面膜具有致密且有序的三维网状结构，而市售无纺布面膜结构疏松且排列无序，受力时更易断裂，且更易发生形变，因而显示出最低的抗拉强度与弹性模量。综上所述，KGM基面膜和KGM-HA基面膜作为面膜基材，具有比市售无纺布面膜更优良的力学性能。
见附图9，由图可知，KGM及KGM-HA基面膜在24h内对VC的吸收量分别为46.23和52.36μg/mg，均高于无纺布，约为无纺布面膜(22.13μg/mg)的2倍多。VC在KGM及KGM-HA基面膜基膜内的吸附量较高，这是由于这两种膜形成的交联网状结构所致。图9(B)显示了3种面膜对VC的控制释放结果，由图可知，市售无纺布膜在30min就已释放了大部分的VC，随后缓慢释放至90min达到平衡；而KGM及KGM-HA基面膜的最大释放量出现在90min时，这因为KGM及KGM-HA基面膜的交联结构使得VC的释放需要更长的时间，就释放总量而言，KGM及KGM-HA基面膜高于市售无纺布面膜，其对VC的最大释放量分别为11.5和12.5μg/mg，约为市售无纺布(5.2μg/mg)的2倍。
见附图10，本工作使用成纤维细胞NIH 3T3细胞系以直接接触法评估面膜的生物相容性，通过活死细胞染色法对活细胞和死细胞分别染色(彩色条件下本实施例的图中活细胞为绿色，死细胞为红色)。与空白对照组相比，KGM及KGM-HA基面膜上培养的NIH 3T3细胞无明显死亡现象，且生长增殖较好，这表明KGM及KGM-HA基面膜基膜具有良好的生物相容性，适宜用作面膜使用。
见附图11，将KGM-HA基面膜浸入含1000U/mLβ-甘露聚糖酶的PBS缓冲溶液中，在第二天时降解到了53％，第14天时就降解到了20％以下；而在不含β-甘露聚糖酶的PBS缓冲溶液中浸泡14天后才降解了20％左右。结果表明，KGM-HA基面膜在酶促作用下具有很好的生物降解性。
综上所述，本实施例以KGM和HA为主要原料，通过Na2CO3溶液对KGM进行脱乙酰化，在不使用其他化学交联剂的情况下制备了一种半IPN凝胶，且该半IPN凝胶的性质适于制备面膜，同时也可应用于药物缓释材料中。
如上即为本发明的实施例。上述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.KGM-HA半IPN凝胶的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：将2gKGM和0.2g HA溶解在体积为50mL浓度为0.3mol/L的Na2CO3溶液中，快速搅拌1min得混合液，将混合液于室温下放置30min，诱导形成KGM水凝胶，再将KGM水凝胶置于80℃条件下加热30min，之后置于4℃条件下冷却过夜，然后将其置于蒸馏水中浸泡24h，期间每隔3h换一次水，以除去残留的Na2CO3，从而得稳定的KGM-HA半IPN凝胶。
2.权利要求1所述的制备方法制备的KGM-HA半IPN凝胶。
3.权利要求2所述的KGM-HA半IPN凝胶在面膜中的应用。
4.权利要求2所述的KGM-HA半IPN凝胶在药物缓释材料中的应用。
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