CN113975458B

CN113975458B - 一种通过变色效应指示伤口感染情况的纳米银/双改性壳聚糖抗菌水凝胶敷料及其制备方法

Info

Publication number: CN113975458B
Application number: CN202111397963.6A
Authority: CN
Inventors: 金晓强; 叶招明; 鲍晓炯; 滕王锶源; 俞小华; 李恒元; 章增杰
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2021-11-19
Filing date: 2021-11-19
Publication date: 2022-07-26
Anticipated expiration: 2041-11-19
Also published as: CN113975458A; US20230255546A1; WO2023087864A1

Abstract

本发明公开了一种通过变色效应指示伤口感染情况的纳米银/双改性壳聚糖抗菌水凝胶敷料及其制备方法。所述水凝胶敷料的制备方法为：首先利用高分子量的壳聚糖进行季铵化水溶性改性，再进一步儿茶酚化水溶性改性，制得双水溶性改性壳聚糖；然后利用双水溶性改性壳聚糖还原硝酸银制备纳米银/双水溶性改性壳聚糖溶液；最后将双水溶性改性壳聚糖、纳米银/双水溶性改性壳聚糖、姜黄素、两性离子、丙烯酰胺、交联剂、引发剂依次加入去离子水中，混合搅拌均匀，离心脱泡后浇筑，通过一锅原位自由基聚合法反应制得纳米银/双改性壳聚糖抗菌变色水凝胶敷料。该纳米银/双改性壳聚糖抗菌变色水凝胶敷料在智能指示型创伤修复水凝胶敷料等领域展现出巨大的应用潜力。

Description

一种通过变色效应指示伤口感染情况的纳米银/双改性壳聚糖抗菌水凝胶敷料及其制备方法

技术领域

本发明属于医用敷料领域，具体涉及一种通过变色效应指示伤口感染情况的纳米银/双改性壳聚糖抗菌水凝胶敷料及其制备方法。

背景技术

创面一般指正常的皮肤或组织在内部或外部因素作用下造成损害后皮肤被完整的破坏以及正常组织的损伤缺失，临床上和生活中常见的损伤创面有烧伤创面、电击伤创面、化学腐蚀创面等。由于创面直接与外界环境接触，极易发生感染，因此创面护理迫切需要研制出具有抗菌功能和促愈合效果的先进创面敷料。壳聚糖作为一种天然的高分子，在自然界中的储量仅次于纤维素，具有优异的生物相容性、止血性、抗菌性和促进伤口愈合能力，从而引起了研究者的极大关注。但经过降解处理的低分子量壳聚糖力学性能较差，理化性质不稳定，难以满足实际的使用需求。而商品化的降解壳聚糖价格较高，同时即使严格控制每一批次的壳聚糖降解参数，也难以得到分子量相同的降解壳聚糖产物。原料级高分子量的壳聚糖力学性能优异、理化性质稳定、价格低廉，但溶解问题是目前影响其使用范围的主要因素。因此，对壳聚糖的水溶性改性对于扩大高分子量壳聚糖的使用范围具有重要意义，其中属对壳聚糖进行季铵化改性的研究最为广泛，并且季铵基还能赋予壳聚糖抗菌性能。此外，儿茶酚化也可以提高壳聚糖的水溶性，邻苯二酚结构还可以为材料的功能化提供可能。

纳米银是一种常见的广谱抗菌剂，对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌等都有很好的抗菌效力。然而纳米银往往存在一定的细胞毒性，如何平衡好两者的关系至关重要。而上述提到的季铵化壳聚糖可以与纳米银形成协同抗菌作用，可以有效降低银的浓度，在保证抗菌效果的同时降低其细胞毒性。

但是截止目前，报道或上市的绝大多数水凝胶敷料仅具备抗菌或抑菌性能，对于实际伤口的感染情况无指示，医生和患者无法直接获取伤口感染恢复的相关信息，因此对于使用造成了很大的不便。

因此，本发明中计划设计一种同时具有高生物相容性、抗菌性能和伤口感染情况指示功能的壳聚糖基水凝胶敷料，可以满足复杂的使用环境需求，提高病患使用的便捷性，促进伤口愈合的效率。

发明内容

本发明的目的是解决现有水凝胶伤口敷料抗菌效率不高、无伤口感染情况指示功能的问题，通过对于大分子量壳聚糖分子进行季铵化和儿茶酚化双改性，同时结合季铵化壳聚糖、银和姜黄素的协同抗菌作用，以及两性离子的抑制细菌黏附的能力，制得一种新型智能变色壳聚糖抗菌水凝胶敷料。

本发明具体通过以下步骤实现：

1)将高分子量的壳聚糖粉末原料搅拌分散于去离子水中，加入0.1-5wt％的醋酸，配制成0.1～1wt％的壳聚糖水溶液；向壳聚糖水溶液中加入氯化缩水甘油三甲基胺，反应8h制得季铵化水溶性改性壳聚糖，透析冻干后得到季铵化水溶性改性壳聚糖材料；

2)将步骤1)中得到的季铵化水溶性改性壳聚糖溶于去离子水中，配制成质量浓度为0.1～1wt％的水溶液，依次加入3-(2,4-二羟基)苯基丙酸、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐，全程使用醋酸调控pH为4-5.5，进一步反应12h得到儿茶酚化改性的双水溶性改性壳聚糖，通过透析冻干后得到双水溶性改性壳聚糖，透析过程使用醋酸调控pH为4-5.5；

3)将步骤2)中得到的双水溶性改性壳聚糖溶于去离子水中，加入硝酸银，凭借双水溶性改性壳聚糖分子链上的儿茶酚侧链的还原作用，避光反应0.5h，制得纳米银/双水溶性改性壳聚糖溶液；

4)依次将步骤2)中制得的双水溶性改性壳聚糖、步骤3)中制得的纳米银/双水溶性改性壳聚糖与姜黄素、两性离子、丙烯酰胺、交联剂、引发剂溶于去离子水中，混合搅拌均匀，离心脱泡后浇筑于模具中，结合一锅自由基聚合法在60℃下反应4h制得具有纳米复合和半互穿聚合物网络结构的水凝胶敷料。

上述技术方案中，进一步的，所述的高分子量的壳聚糖脱乙酰度为70％-90％，分子量为50-300万；所述的双水溶性改性壳聚糖季铵化程度在10％-60％，儿茶酚化程度在5％-60％，双水溶性改性壳聚糖的溶解度在25mg/mL以上。

进一步的，上述步骤1)中的氯化缩水甘油三甲基胺的浓度为0.025-0.10g/ml；

进一步的，上述步骤2)中的3-(2,4-二羟基)苯基丙酸、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐的浓度分别为0.001-0.005g/ml和0.001-0.005g/ml；

进一步的，上述步骤3)中的双水溶性改性壳聚糖、硝酸银的浓度分别为0.015-0.05g/ml和0.015-0.05g/ml；

进一步的，上述步骤4)中的两性离子包括磷酰胆碱(PC)，甲基丙烯酸磺酸甜菜碱(SBMA)和甲基丙烯酸羧酸甜菜碱(CBMA)等；交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)；引发剂包括过硫酸铵、过硫酸钠、过硫酸钾等。其中，各组分的浓度分别为：双水溶性改性壳聚糖0.05-0.1g/ml、纳米银/双水溶性改性壳聚糖0.0002-0.0005g/ml、姜黄素0.001-0.005g/ml、两性离子0.02-0.1g/ml、丙烯酰胺0.1-0.5g/ml、交联剂0.0002-0.0008g/ml、引发剂0.001-0.004g/ml；

本发明制备的水凝胶具有以下功能：

本发明中的水凝胶敷料同时具有pH响应智能变色功能，优异的生物相容性、高倍拉伸性、抑制细菌黏附功能、多效抗菌抗粘附性、长效抗菌性和皮肤粘附性。

高分子量壳聚糖力学性能优异，理化性质稳定，本发明中创新性地对高分子量进行季铵化和儿茶酚化双重改性，所制得的高分子量壳聚糖水溶性好，可用于高强度水凝胶的制备，拓展其应用范围；同时可以通过儿茶酚结构还原制备纳米银；所述的纳米银尺寸较小，粒径控制在5-25nm；且由于季铵化壳聚糖分子链上还存在大量残余的氨基，对银具有螯合作用，可以作为纳米银的稳定剂，纳米银/双改性壳聚糖溶液静置10天以上不发生沉淀。

所述的水凝胶敷料具有抑菌和多重抗菌作用：其中两性离子聚合以后可以在水凝胶表面形成水合层，抑制细菌的黏附；纳米银、双水溶性改性壳聚糖、姜黄素可以实现协同抗菌功能，其中双水溶性改性壳聚糖提供接触抗菌性，姜黄素、纳米银提供外溶释放抗菌性；由于与水凝胶敷料本体官能团的物理、化学相互作用，如高分子量壳聚糖与凝胶敷料本体分子链(丙烯酰胺和两性离子共聚物)的缠结、带正电的银与富电子功能基团的相互作用等，水凝胶敷料具有长效缓释抗菌性能。

水凝胶敷料凭借儿茶酚结构和两性离子的共同作用，对皮肤具有一定的黏附作用，可以使水凝胶黏附在伤口皮肤表面，无需外用绷带进行固定即可使用。

本发明创新性地赋予水凝胶伤口敷料以响应性变色指示功能，有望应用于智能指示型创伤修复水凝胶敷料等领域。所述水凝胶敷料的智能变色功能是来源于姜黄素的颜色随着pH的变化而发生变化：pH＝5-6时(健康皮肤和愈合伤口呈弱酸性，酸碱度在5-6左右)，水凝胶敷料呈青黄色；pH大于7时(如果酸碱度升高，偏向碱性，则说明可能发生了感染，发炎阶段pH大于7)，水凝胶敷料呈橘黄色，可提供肉眼可见的颜色变化，直接指示伤口的感染情况。

本发明相对于现有技术具有以下优点：

1)本发明通过对高分子量壳聚糖进行季铵化和儿茶酚化双重改性，极大地提高了其水溶性，解决了壳聚糖难溶解的问题，拓展了壳聚糖的应用范围；

2)本发明使用双水溶性改性的壳聚糖分子链上的儿茶酚结构可以通过还原反应制备纳米银，同时双改性后的壳聚糖分子还对制得的纳米银具有稳定分散的作用，纳米银粒径为5-25nm，纳米银/双改性壳聚糖溶液静置10天以上不发生沉淀。并且整个制备过程中仅使用醋酸，避免了含银沉淀的产生，制得的纳米银粒径小，细胞毒性小；

3)本发明针对伤口感染的应用场景，通过对于原料的精心选择、组合，同时对于水凝胶制备配方进行优化，最终成功制得一种可以通过变色效应指示伤口感染情况的纳米银/双改性壳聚糖抗菌水凝胶敷料，上述配方具有独创性；

4)本发明中的水凝胶敷料凭借儿茶酚结构和两性离子的共同作用，对皮肤具有一定的黏附作用，可以使水凝胶黏附在伤口皮肤表面，无需外用绷带进行固定即可使用；

5)本发明中制备的水凝胶创新性地使用纳米银/双水溶性改性壳聚糖、双水溶性改性壳聚糖、姜黄素、两性离子、丙烯酰胺等作为原料，通过精心设计实现各种原料之间的性能互补和协同增效，使水凝胶敷料同时具备防止细菌黏附、抗菌、智能显色、高倍拉伸、生物相容等功能和特性。其中水凝胶中的聚丙烯酰胺为其提供高倍拉伸性能，两性离子提供抗细菌黏附性能，季铵化壳聚糖、姜黄素、纳米银具有协同抗菌效果，姜黄素更是可以根据伤口pH的变化发生变色反应，用于指示伤口感染情况，使得本发明中设计制备的水凝胶材料有望应用于创伤修复智能水凝胶敷料等领域。

附图说明

图1本发明制备的纳米银的粒径测试结果和实物图；

图2本发明制备的纳米银/双改性壳聚糖溶液的稳定性测试结果；

图3本发明制备的水凝胶材料变色效应示意图。

具体实施方式

以下结合实例进一步说明本发明。

实施例1：

1)将原料级高分子量的壳聚糖粉末(100万分子量，脱乙酰度86％)搅拌分散于去离子水中，加入2.5wt％的醋酸，配制成0.5wt％的壳聚糖水溶液；向壳聚糖水溶液中加入氯化缩水甘油三甲基胺(0.10g/ml)反应8h得到季铵化水溶性改性壳聚糖水溶液，透析冻干后得到季铵化水溶性改性壳聚糖，季铵化程度为60％；

2)将步骤1)中得到的季铵化水溶性改性壳聚糖溶于去离子水中，配制成质量浓度为0.5wt％的水溶液，依次加入3-(2,4-二羟基)苯基丙酸(0.0025g/ml)、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐(0.003g/ml)，全程使用醋酸调控溶液pH在4-5.5之间，反应12h得到进一步儿茶酚化水溶性改性的双水溶性改性壳聚糖水溶液，透析冻干后得到双水溶性改性壳聚糖，透析过程使用醋酸调控透析液pH在4-5.5之间，产物儿茶酚化程度为46％；

3)将步骤2)中得到的双水溶性改性壳聚糖溶于去离子水中(0.05g/ml)，加入硝酸银(0.05g/ml)，避光反应0.5h，制得纳米银/双水溶性改性壳聚糖溶液；

4)将步骤2)中得到的双水溶性改性壳聚糖(0.05g/ml)、步骤3)中得到的纳米银/双水溶性改性壳聚糖(0.0005g/ml)、姜黄素(0.005g/ml)、SBMA(0.1g/ml)、丙烯酰胺(0.25g/ml)、MBAA(0.0005g/ml)、过硫酸铵(0.0025g/ml)等依次加入去离子水中，混合搅拌均匀，离心脱泡后浇筑，通过一锅原位自由基共聚法60℃反应4h制得凝胶；

5)所制得的水凝胶敷料，其拉伸强度为324.6kPa，断裂伸长率为531％，黏附强度为8.2kPa；结合ICP-MS测试可知，7天银的释放量为80％；结合活死细菌染色和抗菌实验可知，该水凝胶敷料可以抑制细菌的黏附，对于金黄色葡萄球菌和大肠杆菌模型具有良好的抗菌作用。

实施例2：

1)将原料级高分子量的壳聚糖粉末(180万分子量，脱乙酰度74％)搅拌分散于去离子水中，加入5wt％的醋酸，配制成1wt％的壳聚糖水溶液；向壳聚糖水溶液中加入氯化缩水甘油三甲基胺(0.05g/ml)反应8h得到季铵化水溶性改性壳聚糖水溶液，透析冻干后得到季铵化水溶性改性壳聚糖，季铵化程度为34％；

2)将步骤1)中得到的季铵化水溶性改性壳聚糖溶于去离子水中，配制成质量浓度为0.75wt％的季铵化水溶性改性壳聚糖水溶液，依次加入3-(2,4-二羟基)苯基丙酸(0.005g/ml)、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐(0.005g/ml)，全程使用醋酸调控溶液pH在4-5.5之间，反应12h得到进一步儿茶酚化水溶性改性的双水溶性改性壳聚糖水溶液，透析冻干后得到双水溶性改性壳聚糖，透析过程使用醋酸调控透析液pH在4-5.5之间，产物儿茶酚化程度为21％；

3)将步骤2)中得到的双水溶性改性壳聚糖溶于去离子水中(0.03g/ml)，加入硝酸银(0.025g/ml)，避光反应0.5h，制得纳米银/双水溶性改性壳聚糖溶液；

4)将步骤2)中得到的双水溶性改性壳聚糖(0.05g/ml)、步骤3)中得到的纳米银/双水溶性改性壳聚糖(0.0002g/ml)、姜黄素(0.001g/ml)、SBMA(0.04g/ml)、丙烯酰胺(0.5g/ml)、MBAA(0.0002g/ml)、过硫酸钾(0.0035g/ml)等依次加入去离子水中，混合搅拌均匀，离心脱泡后浇筑，通过一锅原位自由基共聚法60℃反应4h制得凝胶；

5)所制得的水凝胶敷料，其拉伸强度为167kPa，断裂伸长率为608％，黏附强度为5.7kPa；结合ICP-MS测试可知，7天银的释放量为64％；结合活死细菌染色和抗菌实验可知，该水凝胶敷料可以抑制细菌的黏附，对于金黄色葡萄球菌和大肠杆菌模型具有良好的抗菌作用。

实施例3：

1)将原料级高分子量的壳聚糖粉末(250万分子量，脱乙酰度72％)搅拌分散于去离子水中，加入0.1wt％的醋酸，配制成0.1wt％的壳聚糖水溶液；向壳聚糖水溶液中加入氯化缩水甘油三甲基胺(0.10g/ml)反应8h得到季铵化水溶性改性壳聚糖水溶液，透析冻干后得到季铵化水溶性改性壳聚糖，季铵化程度为56％；

2)将步骤1)中得到的季铵化水溶性改性壳聚糖溶于去离子水中，配制成质量浓度为0.1wt％的季铵化水溶性改性壳聚糖水溶液，依次加入3-(2,4-二羟基)苯基丙酸(0.001g/ml)、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐(0.001g/ml)，全程使用醋酸调控溶液pH在4-5.5之间，反应12h得到进一步儿茶酚化水溶性改性的双水溶性改性壳聚糖水溶液，透析冻干后得到双水溶性改性壳聚糖，透析过程使用醋酸调控透析液pH在4-5.5之间，产物儿茶酚化程度为7.8％；

3)将步骤2)中得到的双水溶性改性壳聚糖溶于去离子水中(0.015g/ml)，加入硝酸银(0.015g/ml)，避光反应0.5h，制得纳米银/双水溶性改性壳聚糖溶液；

4)将步骤2)中得到的双水溶性改性壳聚糖(0.1g/ml)、步骤3)中得到的纳米银/双水溶性改性壳聚糖(0.0005g/ml)、姜黄素(0.003g/ml)、SBMA(0.02g/ml)、丙烯酰胺(0.25g/ml)、MBAA(0.0008g/ml)、过硫酸钠(0.0015g/ml)等依次加入去离子水中，混合搅拌均匀，离心脱泡后浇筑，通过一锅原位自由基共聚法60℃反应4h制得凝胶；

5)所制得的水凝胶敷料，其拉伸强度为138kPa，断裂伸长率为431％，黏附强度为4.4kPa；结合ICP-MS测试可知，7天银的释放量为53％；结合活死细菌染色和抗菌实验可知，该水凝胶敷料可以抑制细菌的黏附，对于金黄色葡萄球菌和大肠杆菌模型具有良好的抗菌作用。

Claims

1.一种通过变色效应指示伤口感染情况的纳米银/双改性壳聚糖抗菌水凝胶敷料的制备方法，其特征在于：首先利用高分子量的壳聚糖进行季铵化水溶性改性，再进一步儿茶酚化水溶性改性，制得双水溶性改性壳聚糖；然后利用双水溶性改性壳聚糖还原硝酸银，制得纳米银/双水溶性改性壳聚糖水溶液；最后将双水溶性改性壳聚糖、纳米银/双水溶性改性壳聚糖、姜黄素、两性离子、丙烯酰胺、交联剂、引发剂依次加入去离子水中，混合搅拌均匀，离心脱泡后浇筑，通过一锅原位自由基聚合法反应制得纳米银/双改性壳聚糖抗菌变色水凝胶敷料；所述的高分子量的壳聚糖脱乙酰度为70％-90％，分子量为100-300万；所述的双水溶性改性壳聚糖季铵化程度在10％-60％，儿茶酚化程度在5％-60％，双水溶性改性壳聚糖的溶解度在25mg/mL以上。

2.如权利要求1所述的一种通过变色效应指示伤口感染情况的纳米银/双改性壳聚糖抗菌水凝胶敷料的制备方法，其特征在于：

具体步骤如下：

3)将步骤2)中得到的双水溶性改性壳聚糖溶于去离子水中，加入硝酸银，避光反应0.5h，制得纳米银/双水溶性改性壳聚糖溶液；

4)依次将步骤2)中制得的双水溶性改性壳聚糖、步骤3)中制得的纳米银/双水溶性改性壳聚糖、姜黄素、两性离子、丙烯酰胺、交联剂、引发剂溶于去离子水中，混合搅拌均匀，离心脱泡后浇筑于模具中，结合一锅自由基聚合法在60℃下反应4h制得具有纳米复合和半互穿聚合物网络结构的水凝胶敷料。

3.如权利要求2所述的一种通过变色效应指示伤口感染情况的纳米银/双改性壳聚糖抗菌水凝胶敷料的制备方法，其特征在于：

步骤1)中的氯化缩水甘油三甲基胺的浓度为0.025-0.10g/ml；

步骤2)中的3-(2,4-二羟基)苯基丙酸、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐的浓度分别为0.001-0.005g/ml和0.001-0.005g/ml；

步骤3)中的双水溶性改性壳聚糖、硝酸银的浓度分别为0.015-0.05g/ml和0.015-0.05g/ml；

步骤4)中的两性离子为磷酰胆碱(PC)、甲基丙烯酸磺酸甜菜碱(SBMA)或甲基丙烯酸羧酸甜菜碱(CBMA)；交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)；引发剂为过硫酸铵、过硫酸钠或过硫酸钾；其中，各组分的浓度分别为：双水溶性改性壳聚糖0.05-0.1g/ml、纳米银/双水溶性改性壳聚糖0.0002-0.0005g/ml、姜黄素0.001-0.005g/ml、两性离子0.02-0.1g/ml、丙烯酰胺0.1-0.5g/ml、交联剂0.0002-0.0008g/ml、引发剂0.001-0.004g/ml。

4.采用如权利要求1-3任一项所述的方法制备得到的一种通过变色效应指示伤口感染情况的纳米银/双改性壳聚糖抗菌水凝胶敷料。