CN115040702B - 一种温敏可注射抗菌水凝胶填充物及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于生物医用材料技术领域，具体涉及一种温敏可注射抗菌水凝胶填充物及其制备方法。所述温敏可注射抗菌水凝胶填充物的原料包括摩尔比为（300‑3000）：（1‑10）：（0.1‑1）的N‑异丙基丙烯酰胺（NIPAM）、镓盐和引发剂。通过引入镓离子使得该水凝胶填充物在室温下为液体，在体温下转变为水凝胶，从而实现了利用注射的方式对目标部位进行体内植入的目的。该温敏可注射抗菌水凝胶填充物具有抗菌、良好力学强度和生物兼容性良好的特点，在内镜下黏膜剥离等医疗场景中具有很好的应用前景。

Description

一种温敏可注射抗菌水凝胶填充物及其制备方法
技术领域
本发明涉及生物医用材料技术领域，具体的，涉及一种温敏可注射抗菌水凝胶填充物及其制备方法。
背景技术
水凝胶是一种以水为分散介质的具有三维交联网络结构的凝胶材料，能够在水中可逆地溶胀并保持溶胀状态，且达到饱和后能够维持其原有结构而不被溶解。由于水凝胶内部结构含有大量的水且保持一定的稳定性，以及良好的力学强度，十分类似于生物组织，所以水凝胶成为理想的生物医用材料（如植入物和药物缓释载体）。近年来，可注射水凝胶因可以被便捷地注射至目标部位处原位成型而备受关注。例如，专利申请CN112006976A公开了一种可注射短肽水凝胶，该水凝胶具有剪切变稀和快速自修复等特点，可用于消化道黏膜下填充手术，但剪切变稀型可注射水凝胶在较强剪切应变下的力学强度仍有待提高。相比之下，在外界刺激下能原位成型的可注射水凝胶具有更广阔的应用前景。例如，专利CN108992670B公布了一种近红外光引发聚合的可注射高分子水凝胶，其利用金纳米棒在近红外光照射下的光热效应，引发甲基丙烯酰羧甲基壳聚糖聚合后原位形成水凝胶，但近红外光等光线在机体组织中的穿透能力有限，这就增加了应用的复杂度。专利CN102573944B公布了一种基于酶触发苯酚-苯胺偶联反应的原位成型可注射水凝胶，然而，该专利中难以对已被注射至体内的酶等引发剂和凝胶前体进行搅拌，因为该水凝胶的化学交联反应在空间上进行得不均匀，从而影响了水凝胶性能的均一性和可重复性。
因此，为了满足医学手术的复杂需求，亟需研制出一种安全有效，且具有良好机械强度和生物兼容性的温敏可注射抗菌水凝胶填充物。
发明内容
基于上述现有技术的缺陷，本发明提供一种在体温下原位成型的具有良好机械强度和生物兼容性的温敏可注射抗菌水凝胶填充物及其制备方法。
为此，本发明提供一种温敏可注射抗菌水凝胶填充物（PGa），其原料包括摩尔比为（300-3000）：（1-10）：（0.1-1）的N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）、镓盐和引发剂。
优选的，所述镓盐选自Ga(NO3)3、GaCl3中的一种或多种。
优选的，所述引发剂选自(NH4)2S2O8、K2S2O8中的一种或多种。
本发明进一步提供一种上述温敏可注射抗菌水凝胶填充物的制备方法，包括以下步骤：分别配置NIPAM、镓盐以及引发剂的水溶液后进行混合，然后除氧、反应、提纯，得到所述温敏可注射抗菌水凝胶。
优选的，混合后溶液中NIPAM物质的量浓度为0.3-3.0 mol/L；和/或，镓盐溶液的物质的量浓度为1.0-10 mmol/L；和/或，引发剂的物质的量浓度为0.1-1.0 mmol/L。
优选的，所述混合的方式选自搅拌、超声中的一种或两种。
优选的，所述除氧的方式为鼓吹氮气。
优选的，所述反应的温度为10-65℃，所述反应时间为5-60h。
优选的，所述提纯的方式为磷酸缓冲液浸泡冲洗。
一种上述温敏可注射抗菌水凝胶填充物，或上述制备方法制备得到的温敏可注射抗菌水凝胶填充物在制备生物医用材料中的应用。
本发明的有益效果为：
1、本发明提供的温敏可注射抗菌水凝胶填充物以N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）、镓盐和引发剂为原料，N-异丙基丙烯酰胺与引发剂形成的聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）是温敏单元，镓离子（Ga3+）为物理交联剂和抗菌单元。PNIPAM与Ga3+基于金属-有机配位作用进行物理交联，而PNIPAM分子之间通过疏水相互作用结合，同时在低温下与水分子通过氢键进行结合。当温度较低（0-32℃）时，PNIPAM呈现舒展状态，可填充物以液体形式存在。当温度高于32℃时，PNIPAM因与水分子之间的氢键被破坏而卷曲收缩，填充物迅速变为凝胶态，因而起到支撑作用。因此，本发明提供的可注射抗菌水凝胶填充物具有体温引发快速成型的特点，有利于在内镜黏膜下剥离手术等医疗场景中用作可注射填充物。
2、本发明中使用的PNIPAM生物兼容性良好，Ga3+生物安全性好，且Ga3+具有较高的杀菌能力，可有效促进伤口的愈合，因此，本发明中的温敏可注射抗菌水凝胶填充物在生物医用领域具有很好的应用前景。
附图说明
图1为实施例1的温敏可注射抗菌水凝胶填充物的温敏流变学测试结果；
图2为实施例1的温敏可注射抗菌水凝胶填充物的可注射性能表征；
图3为实施例2的温敏可注射抗菌水凝胶填充物与商业化的PF127、HA的力学性能对比结果；
图4为实施例2的温敏可注射抗菌水凝胶填充物的细胞毒性测试结果；
图5为实施例3的温敏可注射抗菌水凝胶填充物对大肠杆菌的抗菌测试结果；
图6为实施例3的温敏可注射抗菌水凝胶填充物对金黄色葡萄球菌的抗菌测试结果；
图7为对比例1所制得的反应液在室温和体温下的照片；
图8为对比例2所制得的反应液在体温下黏度和剪切应力随剪切速率的变化关系图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都涉及本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提供一种温敏可注射抗菌水凝胶填充物，其原料包括摩尔比为300：10：1的NIPAM、Ga(NO3)3和K2S2O8。
上述温敏可注射抗菌水凝胶填充物的制备方法，包括以下步骤：
（1）配置物质的量浓度为0.3 mol/L NIPAM水溶液，加入Ga(NO3)3溶液，使Ga(NO3)3在体系中的物质的量浓度为10 mmol/L，搅拌均匀，加入引发剂K2S2O8溶液，使K2S2O8在体系中的物质的量浓度为1.0 mmol/L，搅拌均匀；
（2）通过鼓吹氮气去除溶液中的氧气，随后将容器密封，在10℃下反应60 h后将其置于37℃的恒温水浴槽中，待成胶后将水凝胶取出放置于37℃的PBS溶液中，浸泡24 h以除去其中未反应的单体和引发剂等杂质，即可得到温敏可注射抗菌水凝胶填充物。
使用安东帕MCR 302旋转流变仪对该温敏可注射抗菌水凝胶填充物的温敏力学转变性能进行表征，其中温度扫描范围设置为20-50℃，升温速率为2℃/min，剪切频率为1Hz，剪切应变为0.1%，结果如图1所示，本实施例可注射水凝胶在体温下具有转变为具有较好力学性能水凝胶的能力。
图2为本实施例填充物的可注射性能表征，其中a），将本实施例填充物注射于室温（25℃）水中，温敏可注射抗菌水凝胶填充物为液体状态，与水混为一体。b），将本实施例填充物注射于37℃的水中，可以看出填充物可快速转变为凝胶体，该状态下有利于进行体内植入。
实施例2
本实施例提供一种温敏可注射抗菌水凝胶填充物，其原料包括摩尔比为1200:1.0:0.5的NIPAM、Ga(NO3)3和K2S2O8。
上述温敏可注射抗菌水凝胶填充物的制备方法，包括以下步骤：
（1）配置物质的量浓度为1.2 mol/L NIPAM水溶液，加入Ga(NO3)3溶液使之在体系中的物质的量浓度为1.0mmol/L，超声使之混合均匀，加入引发剂K2S2O8溶液使之在体系中的物质的量浓度为0.5 mmol/L，超声使之混合均匀；
（2）通过鼓吹氮气去除溶液中的氧气，随后将容器密封，在65℃下反应5 h后将其置于37℃的恒温水浴槽中，待成胶后将水凝胶取出放置于37℃的PBS溶液中，浸泡24 h以除去其中未反应的单体和引发剂等杂质，即可得到温敏可注射抗菌水凝胶填充物。
使用安东帕MCR 302旋转流变仪表征本实施例中温敏可注射抗菌水凝胶填充物的力学性能，并与商业化的PF127和HA做对比，其中剪切应变扫描范围为0.1-100%，剪切频率为1 Hz，如图3所示，结果表明本实施例水凝胶具有更好的力学强度，因此其更有利于在体内进行支撑。
图4为本实施例温敏可注射抗菌水凝胶填充物的MTT细胞毒性测试结果（参照GB/T16886.5-2017医疗器械生物学评价第5部分：体外细胞毒性试验中有关规定进行测试），结果表明其具有很好的生物兼容性，有利于进行体内应用。
实施例3
本实施例提供一种温敏可注射抗菌水凝胶填充物，其原料包括摩尔比为3000:5.0:0.1的NIPAM、Ga(NO3)3和(NH4)2S2O8。
上述温敏可注射抗菌水凝胶填充物的制备方法，包括以下步骤：
（1）配置物质的量浓度为3.0 mol/L NIPAM水溶液，加入Ga(NO3)3溶液，使之在体系中的物质的量浓度为5.0 mmol/L，搅拌均匀，加入引发剂(NH4)2S2O8溶液，使之在体系中的物质的量浓度为0.1 mmol/L，搅拌均匀；
（2）通过鼓吹氮气去除溶液中的氧气，随后将容器密封，在28℃下反应18 h后将其置于37℃的恒温水浴槽中，待成胶后将水凝胶取出放置于37℃的PBS溶液中，浸泡24 h以除去其中未反应的单体和引发剂等杂质，即可得到温敏可注射抗菌水凝胶填充物。
图5-6分别为本实施例的温敏可注射抗菌水凝胶填充物对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌测试结果（参考GB/T 20944.1-2007纺织品 抗菌性能的评价 第1部分_ 琼脂平皿扩散法中有关规定进行测试），以不加水凝胶的琼脂平皿为空白对照，结果表明本发明提供的水凝胶填充物具有良好的抗菌效果，其有利于降低填充位置的炎症，从而促进伤口的愈合，具有广泛的应用前景。
对比例1
本对比例提供一种水凝胶反应液，其原料包括摩尔比为3000:0.1的NIPAM和(NH4)2S2O8。
上述水凝胶反应液的制备方法，包括以下步骤：
（1）配置物质的量浓度为3.0 mol/L NIPAM水溶液，加入引发剂(NH4)2S2O8溶液使之在体系中的物质的量浓度为0.1 mmol/L，搅拌均匀；
（2）通过鼓吹氮气去除溶液中的氧气，随后将容器密封，在28℃下反应18 h后，将其置于37℃的恒温水浴槽中，即可得水凝胶反应液。
如图7所示，反应所得溶液在室温下为无色透明液体，而在升温至体温条件下时变为无色透明状，但倒置后仍为液体。这说明Ga3+对于构筑可注射抗菌水凝胶填充物具有重要的作用，在缺少Ga3+的情况下，制备得到的线性PNIPAM无法单独形成水凝胶，因而不能用作水凝胶填充物。
对比例2
本对比例提供一种水凝胶反应液，其原料包括摩尔比为3000:5:0.1的NIPAM、ZnCl2和(NH4)2S2O8。
上述水凝胶反应液的制备方法，包括以下步骤：
（1）配置物质的量浓度为3.0 mol/L NIPAM水溶液，加入ZnCl2溶液使之在体系中的物质的量浓度为5.0 mmol/L，搅拌均匀，加入引发剂(NH4)2S2O8使之在体系中的物质的量浓度为0.1 mmol/L，搅拌均匀；
（2）通过鼓吹氮气去除溶液中的氧气，随后将容器密封，在28℃下反应18 h后，将其置于37℃的恒温水浴槽中，即可得水凝胶反应液。
使用安东帕MCR 302旋转流变仪对本对比例中反应所得溶液的黏度和剪切应力在体温下随剪切速率的变化关系，其中剪切速率为0-100 s-1，温度设置为37℃，同时测试体系的黏度和剪切应力，如图8所示，随着剪切速率的升高，体系黏度逐渐下降，剪切应力逐渐增加，这说明该体系在体温条件下仍为假塑性流体，无法形成水凝胶，即Zn2+的引入无法构筑该温敏可注射抗菌水凝胶填充物。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种温敏可注射抗菌水凝胶填充物，其特征在于，其原料由摩尔比为（300-3000）：（1-10）：（0.1-1）的N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）、镓盐和引发剂组成。
2.根据权利要求1所述的温敏可注射抗菌水凝胶填充物，其特征在于，所述镓盐选自Ga(NO3)3、GaCl3中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的温敏可注射抗菌水凝胶填充物，其特征在于，所述引发剂选自(NH4)2S2O8、K2S2O8中的一种或多种。
4.一种权利要求1-3任一项所述温敏可注射抗菌水凝胶填充物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：分别配置NIPAM、镓盐以及引发剂的水溶液后进行混合，然后除氧、反应、提纯，得到所述温敏可注射抗菌水凝胶。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，混合后溶液中NIPAM物质的量浓度为0.3-3.0 mol/L；和/或，镓盐溶液的物质的量浓度为1.0-10 mmol/L；和/或，引发剂的物质的量浓度为0.1-1.0 mmol/L。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述混合的方式选自搅拌、超声中的一种或两种。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述除氧的方式为鼓吹氮气。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述反应的温度为10-65℃，所述反应时间为5-60h。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述提纯的方式为磷酸缓冲液浸泡冲洗。
10.一种权利要求1-3任一项所述温敏可注射抗菌水凝胶填充物，或权利要求4-9任一项所述制备方法制备得到的温敏可注射抗菌水凝胶填充物在制备生物医用材料中的应用。
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