CN114539695A - 一种仿肌肉纤维高韧性抗菌促愈合水凝胶及其制法和应用 - Google Patents

一种仿肌肉纤维高韧性抗菌促愈合水凝胶及其制法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种仿肌肉纤维高韧性抗菌促愈合水凝胶及其制法和应用，所述仿肌肉纤维高韧性抗菌促愈合水凝胶包括聚乙烯醇水凝胶和MXene，MXene包埋在聚乙烯醇水凝胶中，其中MXene与聚乙烯醇的质量比为0.2～1：300～1000。本发明以采用LiF/HCl溶液在Ti3AlC2中蚀刻Al合成MXene，然后将MXene溶液混合到聚乙烯醇溶液中，利用定向冷冻辅助盐析的方法制备成仿肌肉纤维高韧性抗菌促愈合水凝胶。本发明的仿肌肉纤维高韧性抗菌促愈合水凝胶具有近红外光热响应性，能够将近红外光转化成热从而产生光热抗菌性能，而且具有很强的韧性能够满足关节伤口敷料的使用要求，并且具有很好的生物相容性以及溶胀特性，为皮肤伤口修复提供湿润、无菌的环境，从而达到促进伤口愈合的效果。

Description

一种仿肌肉纤维高韧性抗菌促愈合水凝胶及其制法和应用
技术领域
本发明涉及生物医用材料技术领域，尤其涉及一种仿肌肉纤维高韧性抗菌促 愈合水凝胶及其制法和应用。
背景技术
伤口愈合的过程往往伴随着细菌感染，严重威胁着人类的健康。传统治疗中 抗生素的滥用加剧了细菌的耐药性，使治疗效果逐渐恶化。因此，研制有效的抗 菌敷料对促进创面愈合、预防感染具有重要意义。光热治疗被认为是一种快速、 可靠的抑制细菌感染而不产生耐药性的方法。水凝胶独特的网状结构和高保水率 有助于伤口愈合。目前已经有多种水凝胶敷料应用于伤口愈合，其中包括天然多 糖基水凝胶和合成高分子基水凝胶。
目前的伤口愈合水凝胶敷料通常结构薄弱，易撕裂，并且缺乏相应的功能性， 这显然不能满足创面敷料高韧性、高弹性和优良抗菌性能的要求。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种高韧性、高弹性和优良抗菌性能的仿肌 肉纤维高韧性抗菌促愈合水凝胶；本发明的另一目的是提供一种仿肌肉纤维高韧 性抗菌促愈合水凝胶的制备方法；本发明的另一目的是提供一种仿肌肉纤维高韧 性抗菌促愈合水凝胶的应用。
技术方案：本发明的仿肌肉纤维高韧性抗菌促愈合水凝胶，包括聚乙烯醇水 凝胶和MXene，MXene包埋在聚乙烯醇水凝胶中，其中MXene与聚乙烯醇的质 量比为0.2～1：300～1000。
另一方面，本发明的仿肌肉纤维高韧性抗菌促愈合水凝胶的制备方法，包括 以下步骤：
(1)MXene分散液与聚乙烯醇溶液混合均匀，超声，得到MXene@聚乙 烯醇溶液；
(2)MXene@聚乙烯醇溶液置于容器中并以小于等于0.02mm/s速度浸至 超低温介质中，MXene@聚乙烯醇溶液以与容器移动方向相反的方向定向冷冻， 得到定向冷冻的凝胶；其中浸泡速度以MXene@聚乙烯醇溶液达到定向冷冻的 效果基准，定向冷冻是指在MXene@聚乙烯醇溶液浸入超低温介质中，首先开 始冷冻最先接触到超低温介质的部分，然后朝着与容器移动方向相反的方向冷冻 MXene@聚乙烯醇溶液。
(3)定向冷冻的凝胶进行盐析，盐析后浸泡到去离子水中以去除多余杂质， 即得。
进一步地，步骤(1)中MXene分散液的制备方法为将LiF溶解于HCl中， 进行磁搅拌，然后将Ti3AlC2粉末缓慢加入LiF/HCl溶液中，磁搅拌反应，得 到稳定的悬浮液。得到的MXene溶液离心，去离子水反复洗涤，真空干燥得到 MXene粉末。将MXene粉末再分散到去离子水中，超声得到少单层MXene分 散液。
进一步地，步骤(1)中，MXene@聚乙烯醇溶液中聚乙烯醇的浓度为0.3～1 g/mL，优选为1mg/mL；MXene的质量浓度为0.2～1mg/mL，优选为0.5g/mL。
进一步地，步骤(2)中，超低温介质为液氮或超低温无水乙醇，其中超低 温介质的温度为-60～-80℃。
进一步地，步骤(3)中，盐析使用的试剂为柠檬酸钠溶液；柠檬酸钠溶液 中柠檬酸钠的浓度为0.5～2mol/L。
另一方面，本发明的仿肌肉纤维高韧性抗菌促愈合水凝胶在医用敷料中的应 用。本发明的仿肌肉纤维高韧性抗菌促愈合水凝胶具有近红外光热响应性，能够 将近红外光转化成热从而产生光热抗菌性能，而且具有很强的韧性能够满足关节 伤口敷料的使用要求，并且具有很好的生物相容性以及溶胀特性，能够有效促进 细胞增殖，吸收多余组织分泌物，为皮肤伤口修复提供湿润、无菌的环境，从而 达到促进伤口愈合的效果。
发明原理：定向冷冻可以使水凝胶具有更大尺度，即从微米到毫米的各向异 性结构，促进局部分子浓度的增加，形成排列整齐的微米孔壁网络。亲水性离子 的盐析作用使高浓度的PVA分子链从均相中分离并自聚合，然后在微米级排列 的层之间形成纳米纤维。与肌肉和肌腱天然材料相似，基于各向异性微观结构 的相互连接的纳米纤维链的形成是实现增韧和强化的关键。并且MXene纳米片 表面存在大量的官能团，如-OH、-O等，它们可以与PVA链形成氢键，进一步 提高了水凝胶的机械强度。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
(1)水凝胶具有仿肌肉纤维的结构，具有很好的韧性，且具备抗菌功效， 水凝胶对革兰氏阳性和革兰氏阴性菌均表现出优异的近红外光热抗菌效果，且具 有优异的韧性，以及良好的生物相容性，可促进成纤维细胞增殖，有助于促进伤 口愈合；
(2)制备方法简单，条件温和可控；所得水凝胶拥有三维网络结构，能够 吸收多余组织渗出液，同时提供湿润的伤口修复环境。
附图说明
图1为本发明的MXene纳米片透射电子显微镜照片；
图2为本发明的水凝胶扫描电子显微镜照片；
图3为本发明的水凝胶高韧性拉伸、扭曲、打结的照片；
图4为本发明的水凝胶的光热转换性能；
图5为本发明的水凝胶在近红外光照射下对大肠杆菌进行抗菌和金黄色葡 萄球菌实验所得平板菌落结果；
图6为本发明的水凝胶溶胀性能；
图7为本发明的水凝胶细胞毒性。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1
本发明的仿肌肉纤维高韧性抗菌促愈合水凝胶，包括聚乙烯醇水凝胶和 MXene，MXene包埋在聚乙烯醇水凝胶中，其中MXene与聚乙烯醇的质量比为 1：500。
上述仿肌肉纤维高韧性抗菌促愈合水凝胶的制备步骤如下：
(1)制备2mg/mL的MXene水溶液，将5mL的2mg/m L的MXene分 散液与5mL质量分数为10％的聚乙烯醇水溶液混合均匀；即混合溶液中， Mxene的浓度为1mg/mL，聚乙烯醇的浓度为0.5g/mL。
(2)将(1)的混合溶液添加至矩形容器中，以0.02mm/s的速度浸入到-80℃ 的无水乙醇溶液中，达到定向冷冻的效果。
(3)将(2)中得到的水凝胶浸泡在1.5M的柠檬酸钠水溶液中24小时， 达到盐析的效果。随后将水凝胶浸泡在去离子水中24小时，以去除未反应的杂 质，从而得到仿肌肉纤维高韧性抗菌促愈合水凝胶。
其中步骤(1)中MXene水溶液的制备步骤如下：
(101)将1g LiF溶解于20mL 9M HCl中，进行5分钟的磁搅拌，然后 将1g Ti3AlC2粉末缓慢加入LiF/HCl溶液中，在35℃下磁搅拌反应24小时， 得到稳定的悬浮液；
(102)得到的MXene悬浮液以3500rpm离心5分钟，去离子水反复洗 涤至pH>5.在60℃真空干燥过夜得到的MXene粉末；
(103)将MXene粉末再分散到去离子水中，超声1小时，得到少单层MXene分散液。
实施例2
对实施例1制备的仿肌肉纤维高韧性抗菌促愈合水凝胶进行性能测试。
(1)机械性能测试
测试方法：将实施例1中制备的水凝胶裁剪成1cm*5cm的长方体，然后对 其进行拉伸，卷曲和打结，随后将此凝胶进行负重实验，将重量为1kg的砝码 悬挂在水凝胶上。
测试结果：仿肌肉纤维高韧性抗菌促愈合水凝胶的韧性测试如图3所示， 水凝胶能够进行很好的拉伸、卷曲和打结，表明其具有很好的拉伸性能，水凝胶 能够负重1kg的砝码，表明其具有很好的韧性，这能够填补一般水凝胶敷料的 脆弱和容易破损的缺点，能够满足一般环境下伤口敷料的机械强度要求。
(2)光热转化性能测试：将实施例1中制备得到仿肌肉纤维高韧性抗菌促 愈合水凝胶命名为MXene@PVA，进行光热转化性能测试实验。
测试方法：利用近红外光照射MXene@PVA水凝胶，功率为1.5w/cm2,然 后每分钟测试一次水凝胶温度；10分钟后关掉近红外照射，每分钟测试一次水 凝胶温度，持续10分钟，总共三个循环。
测试结果：仿肌肉纤维高韧性抗菌促愈合水凝胶光热转化性能测试结果如图 4所示，水凝胶具有很好的光热转化性能，并且灵敏性很好，能够承受多次近红 外光照循环实验，表明其具有良好的光热稳定性。良好的光热转化性能为水凝胶 的光热抗菌提供了有力的保障。
(3)近红外(808nm)光热抗菌性能：将实施例1中制备得到的仿肌肉纤 维高韧性抗菌促愈合水凝胶命名为MXene@PVA，未添加MXene的水凝胶命名 为PVA，并为作为对照，进行抗菌性能研究。
测试方法：分别培养大肠杆菌、金黄色葡萄球菌至对数期，用无菌生理盐水 溶液洗涤细菌，然后将调好浓度的细菌悬液100μL均匀添加到水凝胶表面中， 近红外照射10分钟后将水凝胶表面进行冲洗，得到的洗液稀释后涂布于LB 固体培养基上，放入37℃生化培养箱中培养16小时，用计数法统计菌群数。
测试结果：近红外照射MXene@PVA仿肌肉纤维高韧性抗菌促愈合水凝胶 在近红外照射对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌进行抗菌实验结果见图5。结果表 明，可见光照射后，相对于空白对照组，MXene@PVA仿肌肉纤维高韧性抗菌 促愈合水凝胶对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均具有优良的杀伤作用。
(3)溶胀性能测试：将实施例1中制备得到的仿肌肉纤维高韧性抗菌促愈 合水凝胶命名为MXene@PVA，将未添加的MXene的水凝胶命名为PVA，进 行溶胀性能测试实验。
测试方法：将2个半径为10mm、厚度为1mm的水凝胶样品放入蒸馏水 中，在25℃下测定水凝胶的肿胀性能。跟踪溶胀的水凝胶样品的重量直至平衡 后，用滤纸轻轻吸干水凝胶以除去表面液体，并立即称重。溶胀比(Q)定义为:
Figure BDA0003409790540000051
其中M0、M1分别为水凝胶入水前后的质量。
测试结果：仿肌肉纤维高韧性抗菌促愈合水凝胶溶胀性能实验结果如图6所 示，溶胀率为116％，这表明其具有良好的溶胀率，能够吸收速吸收组织渗出 液，避免伤口进一步感染，同时为维持伤口环境湿润。
(5)细胞毒性测试：
测试方法：使用NIH-3T3细胞来确定水凝胶的体外细胞毒性。首先，将水 凝胶溶液以浓度梯度加入到含有5000个NIH-3T3细胞的96孔板中，在37℃ 含5％CO2和95％空气的加湿培养箱中培养一天。之后，将CCK-8溶液测试 细胞的存活率。用平均值±标准偏差测试细胞生存力，并且将用无条件培养基培 养的细胞测试为对照组。
测试结果：仿肌肉纤维高韧性抗菌促愈合水凝胶细胞毒性测试结果如图7 所示。与对照组相比，水凝胶溶液在高浓度下对细胞依然没有毒性，并且能够有 效促进成纤维细胞的增殖，证实所制备的仿肌肉纤维高韧性抗菌水凝胶促愈合水 凝胶具有良好的生物相容性，能够促进伤口愈合。
实施例3
本发明的仿肌肉纤维高韧性抗菌促愈合水凝胶，包括聚乙烯醇水凝胶和 MXene，MXene包埋在聚乙烯醇水凝胶中，其中MXene与聚乙烯醇的质量比为 0.2：300。
上述仿肌肉纤维高韧性抗菌促愈合水凝胶的制备步骤如下：
(1)将MXene分散液与聚乙烯醇水溶液混合均匀，得到10mL的混合溶 液，其中Mxene的浓度为0.2mg/mL，聚乙烯醇的浓度为0.3g/mL。
(2)将(1)的混合溶液添加至矩形容器中，以0.01mm/s的速度浸入到-60℃ 的无水乙醇溶液中，达到定向冷冻的效果。
(3)将(2)中得到的水凝胶浸泡在0.5M的柠檬酸钠水溶液中24小时， 达到盐析的效果。随后将水凝胶浸泡在去离子水中24小时，以去除未反应的杂 质，从而得到仿肌肉纤维高韧性抗菌促愈合水凝胶。
得到的仿肌肉纤维高韧性抗菌促愈合水凝胶与实施例1效果相似。
实施例4
本发明的仿肌肉纤维高韧性抗菌促愈合水凝胶，包括聚乙烯醇水凝胶和 MXene，MXene包埋在聚乙烯醇水凝胶中，其中MXene与聚乙烯醇的质量比为 1：1000。
上述仿肌肉纤维高韧性抗菌促愈合水凝胶的制备步骤如下：
(1)将MXene分散液与聚乙烯醇水溶液混合均匀，得到10mL的混合溶 液，其中Mxene的浓度为1mg/mL，聚乙烯醇的浓度为1g/mL。
(2)将(1)的混合溶液添加至矩形容器中，以0.01mm/s的速度浸入到 液氮中，达到定向冷冻的效果。
(3)将(2)中得到的水凝胶浸泡在2M的柠檬酸钠水溶液中24小时， 达到盐析的效果。随后将水凝胶浸泡在去离子水中24小时，以去除未反应的杂 质，从而得到仿肌肉纤维高韧性抗菌促愈合水凝胶。
得到的仿肌肉纤维高韧性抗菌促愈合水凝胶与实施例1效果相似。

Claims (10)

1.一种仿肌肉纤维高韧性抗菌促愈合水凝胶，其特征在于，包括聚乙烯醇水凝胶和MXene，MXene包埋在聚乙烯醇水凝胶中，其中MXene与聚乙烯醇的质量比为0.2～1：300～1000。
2.一种根据权利要求1所述的仿肌肉纤维高韧性抗菌促愈合水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)MXene分散液与聚乙烯醇溶液混合均匀，得到MXene@聚乙烯醇溶液；
(2)MXene@聚乙烯醇溶液置于容器中并浸至超低温介质中，MXene@聚乙烯醇溶液以与容器移动方向相反的方向定向冷冻，得到定向冷冻的凝胶；
(3)定向冷冻的凝胶进行盐析和去杂质，即得。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，MXene分散液的制备方法为将LiF溶解于HCl中，再将Ti3AlC2粉末缓慢加入LiF/HCl溶液中，得到悬浮液，然后经离心、洗涤、真空干燥得到MXene粉末；将MXene粉末再分散到去离子水中，即得。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，MXene@聚乙烯醇溶液中聚乙烯醇的浓度为0.3～1g/mL。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，MXene@聚乙烯醇溶液中，MXene的质量浓度为0.2～1mg/mL。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，超低温介质为液氮或超低温无水乙醇。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，超低温介质的温度为-60～-80℃。
8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，盐析使用的试剂为柠檬酸钠溶液。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，柠檬酸钠溶液中柠檬酸钠的浓度为0.5～2mol/L。
10.一种根据权利要求1所述的仿肌肉纤维高韧性抗菌促愈合水凝胶在医用敷料中的应用。
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