CN115006344A

CN115006344A - 一种抗菌和粘附的修复水凝胶及其制备

Info

Publication number: CN115006344A
Application number: CN202210750493.5A
Authority: CN
Inventors: 顾志鹏; 张恒杰; 陈显春; 李乙文
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2022-06-29
Filing date: 2022-06-29
Publication date: 2022-09-06

Abstract

本发明公开了一种抗菌和粘附的修复水凝胶及其制备，该修复水凝胶由聚丙烯酸连接的邻硝基苄醇以及氨基糖苷类抗菌药物溶于水后紫外光照射获得；所述聚丙烯酸连接的邻硝基苄醇是利用酰胺化反应将邻硝基苄醇小分子到聚丙烯酸获得。本发明修复水凝胶在紫外光灯照射下搅拌1～10分钟，通过席夫碱作用，即可形成水凝胶，并且与组织产生粘附结合，在PH响应下可以进行药物控制释放。本发明抗菌和粘附的修复水凝胶对口腔创伤创面的修复效果优良，具有良好的抗菌能力和药物缓释效果，将在临床的口腔修复有较大的前景。

Description

一种抗菌和粘附的修复水凝胶及其制备

技术领域

本发明涉及生物医用材料技术领域，具体涉及具抗菌和粘附的修复水凝胶及其制备。

背景技术

牙周炎和口腔溃疡等口腔疾病是常见的由细菌感染引起的慢性炎症性疾病，可导致牙龈出血、牙周组织破坏和牙齿脱落。病原菌与宿主免疫反应之间的不平衡是导致口腔发炎发生发展的主要诱因，由于长期慢性炎症刺激，免疫细胞被长时间招募和激活，过量产生的ROS诱导氧化应激造成氧化损伤，通过脂质过氧化、DNA和蛋白质损伤导致重要细胞成分和牙周组织的破坏，而这又进一步加强了促炎细胞因子的合成释放及随后免疫细胞的招募、激活，通过这种方式，在免疫炎症反应、ROS介导的氧化应激和口腔组织破坏中产生恶性循环。

目前临床上单纯使用一些抗生素以及口腔修复膜进行口腔修复，其发展面临三大挑战：可降解性与机械性能之间的不平衡，表面功能化不足，如促成骨能力弱，抗炎、抗菌和粘附能力不足。然而抗生素能够有效应对慢性口腔创伤时的细菌微环境，因此使用氨基糖苷类抗生素能够清除过量产生的细菌，减轻局部炎症反应、重塑牙周微环境，可能是进行口腔修复的有效辅助手段。

将氨基糖苷类抗生素和聚丙烯酸接枝邻硝基苄醇的分子结合，同时在紫外光的相应下能够通过席夫碱作用形成水凝胶，起到强力粘附，止血，和抗菌的作用，能够在创伤下进行巧妙地药物释放，从而加快伤口的愈合。

本发明从药物缓释的角度出发，使水凝胶能将在紫外光和PH响应下，进行抗生素药物的释放，消除炎症，抗生素药物能够抑制细菌增长，从而促进口腔的创伤伤口愈合。因此，本发明设计了一种多功能水凝胶，通过将邻硝基苄醇分子结合聚丙烯酸和抗生素，结合了强粘附试剂和抗菌剂的概念，使口腔修复水凝胶能够在酸碱响应条件下进行释放药物。本发明为开发有效清除细菌和具有响应性抗菌止血水凝胶材料提供了一条诱人的途径，有望成为口腔创伤伤口愈合的有效策略。

发明内容

本发明的目的是提供一种抗菌和粘附的修复水凝胶的制备及其应用。

一方面，本发明提供一种具抗菌和粘附的修复水凝胶，包括聚丙烯酸大分子连接的邻硝基苄醇，氨基糖苷类抗菌药物和水；

其中，所述聚丙烯酸连接的邻硝基苄醇化学式为

进一步的，本发明的具抗菌和粘附的修复水凝胶，所述聚丙烯酸大分子的分子量为2000～100000。

进一步的，本发明的具抗菌和粘附的修复水凝胶，聚丙烯酸大分子连接的邻硝基苄醇利用酰胺化反应将邻硝基苄醇小分子接枝聚丙烯酸大分子获得。

进一步的，本发明的具抗菌和粘附的修复水凝胶，将聚丙烯酸连接的邻硝基苄醇、氨基糖苷类药物溶解于水，搅拌溶解，然后在紫外光的照射获得。

本发明的具抗菌和粘附的修复水凝胶其在紫外光照射下搅拌1～10分钟，即可与生物组织产生粘附结合。

在紫外光的照射下，聚丙烯酸连接的邻硝基苄醇能够吸收320～500nm的紫外光，紫外光可促进邻硝基苄醇的光响应变化，即聚丙烯酸连接的邻硝基苄醇发生羟基变为醛基的结构变化，使其可与带氨基的抗生素和相关口腔组织结合，从而产生与生物组织的粘附结合效果。将本发明的具抗菌和粘附的修复水凝胶用于临床中取代现有的口腔药物，可避免单纯使用抗生素的毒性以及无法止血等问题。

本发明中，可通过调整聚丙烯酸连接的邻硝基苄醇和氨基糖苷抗生素的含量，进而调整具抗菌和粘附的修复水凝胶的光响应时间以及物理化学性能、生物学性能，从而更好地提高抗菌和止血性能，实现更高的粘附强度和更短的照射时间的完美协同。

进一步的，本发明的具抗菌和粘附的修复水凝胶组分含量优选为：

聚丙烯酸连接的邻硝基苄醇为10～100重量份；

氨基糖苷类抗菌药物为5～20重量份；

水为10～100重量份。

聚丙烯酸连接的邻硝基苄醇：50重量份；

氨基糖苷类抗菌药物为10重量份；

水为100重量份。

另一方面，本发明还提供一种具抗菌和粘附的修复水凝胶的制备方法，其步骤包括：

S1利用酰胺化反应将邻硝基苄醇接枝到聚丙烯酸，得到聚丙烯酸连接的邻硝基苄醇；

S2将聚丙烯酸连接的邻硝基苄醇、氨基糖苷类药物溶解于水，搅拌溶解，然后在紫外光的照射，得具抗菌和粘附的修复水凝胶。

进一步的，本发明的具抗菌和粘附的修复水凝胶的制备方法，S1具体为：

在催化剂作用下，采用酰胺化反应将邻硝基苄醇小分子接枝到聚丙烯酸，得到浅黄色溶液，依次经透析、冻干，得到聚丙烯酸大分子连接的邻硝基苄醇粉末。

进一步的，本发明的具抗菌和粘附的修复水凝胶的制备方法，S1中的催化剂为3-(3-二甲基氨基丙基)-1-乙基氨基丙基二酰亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺为催化剂。

进一步的，本发明的具抗菌和可粘附的口腔修复水凝胶的制备方法，S1具体为：具体的反应步骤如下：将0.2-0.5g聚丙烯酸在25-37℃下溶于40-100mL去离子水中并搅拌1-2小时。然后将250-500mg 3-(3-二甲基氨基丙基)-1-乙基氨基丙基二酰亚胺盐酸盐加入上述溶液中并搅拌30分钟，随后将10-20mg邻硝基苄醇以及将150-300mg N-羟基琥珀酰亚胺溶解在4mL去离子水中并滴加到混合溶液中。用1M HCl将pH调节至约5。最后，将上述溶液连续搅拌48小时。将得到的溶液置于透析袋(MWCO：14,000，光谱)中，并用去离子水透析4-5天。将混合物冻干以获得邻硝基苄醇接枝的聚丙烯酸。其中聚丙烯酸的分子量为2000～100000均可。

进一步的，本发明的具抗菌和粘附的修复水凝胶的制备方法，S2中聚丙烯酸连接的邻硝基苄醇为10～100重量份，氨基糖苷类抗菌药物为5～20重量份，水为10～100重量份。

进一步的，本发明的具抗菌和粘附的修复水凝胶的制备方法，S2，紫外光的作用时间为1～10分钟。

本发明通过上述技术方案，取得了如下的技术效果。

本发明具紫外光响应的口腔修复水凝胶具有强大的组织粘附性，较强的止血作用，良好的生物相容性和体内可降解性，以及完美的抗菌作用，可用作伤口组织修复材料，可将其用于临床上的口腔创伤修复材料。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为实施例2中邻硝基苄醇合成路径中的紫外光谱图；

图2为实施例2中聚丙烯酸连接的邻硝基苄醇的结构式及核磁共振氢谱图；

图3为实施例2中聚丙烯酸及聚丙烯酸连接的邻硝基苄醇的紫外光谱图；

图4为实施例2中合成的水凝胶在紫外光照射下成胶的示意图；

图5为实施例2的具抗菌和粘附的修复水凝胶的微观形貌电镜图；

图6为实施例2和对比例1的细菌清除率曲线图；

图7为实施例2和对比例1的生物相容性图；

图8为实施例2所合成具抗菌和粘附的修复水凝胶与口腔组织界面图。

具体实施方式

以下将结合实施例来进一步说明本发明。以下实施例为本发明较佳的实施方式，并不对本发明保护范围做任何形式的限定。除非特别说明，实施例中所采用的试剂、方法和设备均为本技术领域的常规试剂、方法和设备。除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。

本发明提供一种具抗菌和粘附的修复水凝胶及其制备方法，采用酰胺化反应将具有紫外光响应的邻硝基苄醇小分子接枝到聚丙烯酸大分子，得到浅黄色溶液，依次经透析、冻干获得粉末，即聚丙烯酸连接的邻硝基苄醇，其化学结构式为

具体的，将0.2-0.5g聚丙烯酸在25-37℃下溶于40-100mL去离子水中并搅拌1-2小时。然后将250-500mg 3-(3-二甲基氨基丙基)-1-乙基氨基丙基二酰亚胺盐酸盐加入上述溶液中并搅拌30分钟，随后将10-20mg邻硝基苄醇以及将150-300mg N-羟基琥珀酰亚胺溶解在4mL去离子水中并滴加到混合溶液中。用1M HCl将pH调节至约5。最后，将上述溶液连续搅拌48小时。将得到的溶液置于透析袋(MWCO：14,000，光谱)中，并用去离子水透析4-5天。将混合物冻干以获得邻硝基苄醇接枝的聚丙烯酸。其中聚丙烯酸的分子量为2000～100000均可。

然后，将聚丙烯酸接枝的邻硝基苄醇粉末溶解到水溶液中，加入氨基糖苷，将混合物在一定温度下搅拌，使其混合均匀，然后紫外光照射，得到具抗菌和粘附的修复水凝胶水凝胶。

本发明的邻硝基卞醇的制备已经报道，也可以为采用例如实施例2的方法制备的邻硝基苄醇。

本发明酰胺化反应中需使用催化剂，催化剂采用常见的酰胺化反应催化剂即可。以下实施例中催化剂选择3-(3-二甲基氨基丙基)-1-乙基氨基丙基二酰亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺，显然催化剂并不限于此。

其中聚丙烯酸的分子量为2000～100000均可。

以上是本发明的基本思路，以下通过具体实施例做进一步的说明。本领域的技术人员应当可以知晓，实验中的搅拌时间，透析时间等，均可以有10％上下波动。

实施例1

本实施例提供一种具抗菌和粘附的修复水凝胶的制备方法，其步骤包括：

S1采用酰胺化反应将邻硝基卞醇小分子枝接到聚丙烯酸大分子上。

本步骤中，以3-(3-二甲基氨基丙基)-1-乙基氨基丙基二酰亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺为催化剂，利用酰胺化反应将邻硝基苄醇小分子接枝到聚丙烯酸，得到浅黄色溶液，依次经透析、冻干，得到聚丙烯酸大分子连接的邻硝基苄醇粉末。

具体的反应步骤如下：将0.2g聚丙烯酸在37℃下溶于40ml去离子水中并搅拌2小时。然后将250mg 3-(3-二甲基氨基丙基)-1-乙基氨基丙基二酰亚胺盐酸盐加入上述溶液中并搅拌30分钟，随后将10mg邻硝基苄醇以及将150mg N-羟基琥珀酰亚胺溶解在4ml去离子水中并滴加到混合溶液中。用1M HCl将pH调节至约5。最后，将上述溶液连续搅拌48小时。将得到的溶液置于透析袋(MWCO：14,000，光谱)中，并用去离子水透析5天。将混合物冻干以获得邻硝基苄醇接枝的聚丙烯酸。

S2将聚丙烯酸接枝的邻硝基苄醇粉末溶解到水溶液中，加入氨基糖苷，将混合物在一定温度下搅拌，使其混合均匀，然后紫外光照射，得到具抗菌和粘附的修复水凝胶水凝胶。

其中，聚丙烯酸邻硝基苄醇粉末为60mg，氨基糖苷为10mg，搅拌时间为24h，照射时间为2min。

实施例2

作为一种非限制性的实施方式，本实施例其余和实施例1相同，区别在于，合成邻硝基苄醇小分子的方法，其具体步骤如下：

1.1，将分子1香兰素、4-溴丁酸甲酯、碳酸钾溶解于N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中，所得混合物在环境温度下搅拌16h后倒入冷水；

再依次经沉淀、过滤、洗涤、干燥、减压除溶剂，得到白色固体4-(4-甲酰基-2-甲氧基苯氧基)丁酸甲酯，其分子式即合成路线中分子2。

第二步，将4-(4-甲酰基-2-甲氧基苯氧基)丁酸甲酯缓慢加入到预冷却到-2℃的硝酸溶液，并搅拌3h发生硝化反应；再依次经沉淀、过滤、洗涤、干燥、减压除溶剂，得到浅黄色粉末4-(4-甲酰基-2-甲氧基-5-硝基苯氧基)丁酸甲酯，其分子式即合成路线中分子3。

第三步，在0℃下将硼氢化钠缓慢加入到4-(4-甲酰基-2-甲氧基-5-硝基苯氧基)丁酸甲酯的乙醇/THF溶液，反应3小时后，真空除去所有溶剂，对残余物依次进行萃取、干燥等，得到黄色固体的粗产物，将粗产物通过硅胶上的柱色谱法纯化，获得浅黄色粉末mNB，其分子式即合成路线中分子4。

第四步，将mNB和乙二胺溶解在甲醇中，将混合物回流过夜，直到通过薄层色谱法无法检测到起始的单个成分。反应完成后，真空蒸发溶剂。将粗沉淀物溶解在甲醇中，依次经沉淀、干燥，直到NB以浅黄色粉末形式出现，该浅黄色粉末即邻硝基苄醇小分子。

图1中为合成过程中小分子1到4的紫外光谱图的变化，证明了其中不同基团的紫外吸收。

实施例3至实施例6

本实施例其余和实施例1及实施例2相同，区别在于，各步骤中原料的用量和工艺参数。

具体，参见表3

对比例1

本对比例和实施例1区别在于，不进行步骤S2，直接将聚丙烯酸接枝的邻硝基苄醇溶解到水溶液中，将混合物在一定温度下搅拌24小时，紫外光照射2分钟，发现不可以成水凝胶。

对比例2

本对比例和实施例1的区别在于，步骤S2中，不进行紫外光照射，仅将聚丙烯酸接枝的邻硝基苄醇溶解到水溶液中，加入一定量的氨基糖苷，将混合物在一定温度下搅拌24小时，发现不可以成水凝胶。

实验例1

将实施例2所得的样品冻干进行台式扫描电镜测试，用以观察上述所得样品的微观形貌。具体操作方法为配置2mg/mL的样品溶液旋涂于光滑的云母片表面，经过干燥、喷金处理后进行观察，所得图像如图5所示，可以直观观察到制备的样品均为且形貌良好、具有均匀的多孔结构。

实验例2

使用大肠杆菌(ATCC8739)和金黄色葡萄球菌(ATCC 29213)对所制备的样品进行了抗菌活性测定。简而言之，将制备的样品制备成48孔微孔板，将10mL无菌PBS中的细菌悬浮液添加到48孔培养板的每个膜材料表面上。将接种的膜材料在37℃下孵育2小时，微孔板内部的相对湿度不小于90％。在该时间结束时，然后将1mL无菌PBS加到每个孔中，以重新悬浮任何细菌幸存者。将悬浮于1mL PBS中的10mL细菌悬浮液用作阴性对照。在37℃下孵育24小时后，计数琼脂平板上的菌落形成单位。实验测定了实施例2和对比例2两组。每组至少测试三个样品，结果表示为细菌存活率％：细菌存活率％＝实验组存活细菌数/对照组细菌数100％。

结果发现样品的实施例2水凝胶的清除细菌速率明显大于对比例1的样品清除速率，在PH的响应性，席夫碱键断裂，更多的氨基暴露出来，清除速率明显上升，清除率提高。

实验例3

本发明中以NIH小鼠胚胎成纤维细胞3T3细胞为细胞株，采用染色方法验证实施例2和对比例1所得样品材料的细胞毒性。其中，细胞的培养方式为将10％的胎牛血清(FBS)加入到DMEM培养基中共同孵育，培养的氛围为含有5％CO₂的潮湿气氛，温度维持在37℃。进一步，将培养好的NIH 3T3细胞以每孔1000个细胞的密度在96孔板中孵育24h，以不同浓度样品再处理24h及48h，然后采用MTT比色法检测相应细胞存活率。

从实验结果中可以看出，经过水凝胶的处理后，在所采用的三个浓度下，细胞活性均较高，且随着材料施加浓度的提升，细胞活性变化不大，在24h与48h两个时间节点都有相似的统计结果。

实验例4

本实施例为用实施例1的水凝胶促进大鼠口腔创伤的动物试验，具体步骤如下：

(1)从四川大学动物中心购买15只SD大鼠(25±5g)；

(2)口腔伤口损伤模型的建立：先用手术刀对小鼠的口腔皮肤进行感染切割，创伤造成伤口；

(3)上样方法；取小鼠15只，上样方式为外敷水凝胶，然后用紫外光照射两分钟。

发现在照射过程中，水凝胶立即粘附在口腔组织中，从电镜图中可以看出，伤口与组织基本粘附在一起。

本发明中，可通过调整聚丙烯酸连接的邻硝基苄醇(10-100)和氨基糖苷抗生素(5-20)的含量，进而调整具抗菌和粘附的修复水凝胶的光响应时间以及物理化学性能、生物学性能，从而更好地提高抗菌和止血性能，实现更高的粘附强度和更短的照射时间的完美协同。具体的，聚丙烯酸连接的邻硝基苄醇的含量越大，成胶效果越好，粘附效果越好，氨基糖苷量越大，抗菌效果越好。

从以上实施例和实验例可见，本发明具紫外光响应的口腔修复水凝胶具有强大的组织粘附性，较强的止血作用，良好的生物相容性和体内可降解性，以及完美的抗菌作用，可用作伤口组织修复材料，可将其用于临床上的口腔创伤修复材料。

本领域的普通技术人员将会意识到，在本发明各方法实施例中，所述各步骤的序号并不能用于限定各步骤的先后顺序，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，对各步骤的先后变化也在本发明的保护范围之内。这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种具抗菌和粘附的修复水凝胶，其特征在于：包括聚丙烯酸大分子连接的邻硝基苄醇，氨基糖苷类抗菌药物和水。

2.根据权利要求1所述的一种具抗菌和粘附的修复水凝胶，其特征在于：

所述聚丙烯酸大分子连接的邻硝基苄醇利用酰胺化反应将邻硝基苄醇小分子接枝聚丙烯酸大分子获得。

3.根据权利要求2所述的一种具抗菌和粘附的修复水凝胶，其特征在于：所述具抗菌和粘附的修复水凝胶，将聚丙烯酸连接的邻硝基苄醇、氨基糖苷类药物溶解于水，搅拌溶解，然后在紫外光的照射获得。

4.根据权利要求1至3任一所述的一种具抗菌和粘附的修复水凝胶，其特征在于：

所述具抗菌和粘附的修复水凝胶组分含量为，

聚丙烯酸连接的邻硝基苄醇为10～100重量份；

氨基糖苷类抗菌药物为5～20重量份；

水为10～100重量份。

5.根据权利要求1至3任一所述的一种具抗菌和粘附的修复水凝胶，其特征在于：

所述具抗菌和粘附的修复水凝胶组分含量为：

羧基天然生物大分子连接的邻硝基苄醇：50重量份；

氨基糖苷类抗菌药物为10重量份；

水为100重量份。

6.一种具抗菌和粘附的修复水凝胶的制备方法，其特征在于：其步骤包括，

7.根据权利要求6所述的具抗菌和粘附的修复水凝胶的制备方法，其特征在于：S1具体为，在催化剂作用下，采用酰胺化反应将邻硝基苄醇小分子接枝到聚丙烯酸，得到浅黄色溶液，依次经透析、冻干，得到聚丙烯酸大分子连接的邻硝基苄醇粉末。

8.根据权利要求7所述的具抗菌和粘附的修复水凝胶的制备方法，其特征在于：

S2中的催化剂为3-(3-二甲基氨基丙基)-1-乙基氨基丙基二酰亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺为催化剂。

9.根据权利要求6至8任一所述的具抗菌和粘附的修复水凝胶的制备方法，其特征在于：S2中聚丙烯酸连接的邻硝基苄醇为10～100重量份，氨基糖苷类抗菌药物为5～20重量份，水为10～100重量份。

10.根据权利要求9所述具抗菌和粘附的修复水凝胶的制备方法，其特征在于：紫外光的作用时间为1～10分钟。