CN115536919A - 一种改性壳聚糖粘附水凝胶及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改性壳聚糖粘附水凝胶及其制备方法和应用。该方法首先将没食子酸偶联壳聚糖，接着，加入聚多巴胺复合，最后，加入氧化魔芋葡苷聚糖交联。通过化学加物理两种方法负载粘附性官能团，赋予该水凝胶优异的粘附、溶胀、生物相容、促进伤口愈合、抗菌和力学性能。聚多巴胺的引入使水凝胶的粘附性能有成倍的显著提升。本发明有望应用于伤口止血和修复、组织粘合与物品粘合材料中的制备。
Description
技术领域
本发明涉及生物医用材料和功能高分子技术领域，具体涉及一种改性壳聚糖粘附水凝胶及其制备方法和应用。
背景技术
医用粘合剂主要分为硬组织粘合剂和软组织粘合剂，目前，研究主要集中在丙烯酸酯类、聚酯类和聚乙二醇类。近年来，粘附性水凝胶引起了广泛关注，并有望取代缝合技术。与传统医用粘合技术相比，粘附性水凝胶不仅可以粘合不同的组织，而且还具有止血、吸收伤口渗出液和保持伤口湿润等基本性能，从而促进组织修复。此外，当对凝胶进一步改性后，还可增加其抗菌、释放药物和自愈合等功能特性。粘附性水凝胶应用前景广阔，包括骨修复、皮肤组织修复、止血剂和生物传感器等。
壳聚糖源于生物质，为一种重要的生物医用材料，具有优良的生物相容性，常用作水凝胶的基材。但是，壳聚糖水凝胶同样具有粘附、力学和抗菌性不足的问题，限制了其推广应用，因此，需要对壳聚糖水凝胶进行结构改性以赋予其应用(特别是作为生物医用材料)所需性能。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术存在的问题，提供了一种改性壳聚糖粘附水凝胶及其制备方法和应用。本发明采用化学和物理双重负载粘附性官能团的方法，先将没食子酸偶联到壳聚糖上，然后，复合聚多巴胺，最后，通过氧化魔芋葡苷聚糖进行交联成胶。没食子酸和聚多巴胺的引入共同提高改性壳聚糖水凝胶的粘附和抗菌性能。采用氧化魔芋葡苷聚糖进行交联可以提升改性壳聚糖粘附水凝胶的粘附和力学性能。
为实现上述目的，本发明设计的一种改性壳聚糖粘附水凝胶，该粘附水凝胶的原料包括没食子酸偶联壳聚糖衍生物水溶液、聚多巴胺分散液和氧化魔芋葡苷聚糖溶液，其中，所述聚多巴胺分散液的体积为没食子酸偶联壳聚糖衍生物溶液体积的10％；所述聚多巴胺分散液中，聚多巴胺用量为没食子酸改性壳聚糖衍生物水溶液中没食子酸改性壳聚糖衍生物质量的3.3％～10％；
所述氧化魔芋葡苷聚糖溶液的体积为没食子酸偶联壳聚糖衍生物溶液体积的4％～12％；所述氧化魔芋葡苷聚糖溶液中，氧化魔芋葡苷聚糖的用量为没食子酸偶联壳聚糖衍生物溶液中没食子酸偶联壳聚糖衍生物质量的10.7％～32％。
所述没食子酸偶联壳聚糖衍生物溶液的浓度为0.03g·mL-1；所述氧化魔芋葡苷聚糖溶液的浓度为0.08g·mL-1。
本发明还提供了一种改性壳聚糖粘附水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
(1)将壳聚糖溶于醋酸溶液，得到壳聚糖溶液；
(2)将没食子酸溶于乙醇的水溶液，得到没食子酸溶液；
(3)将1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺加入至没食子酸溶液中活化；
(4)将活化的溶液加入至壳聚糖溶液中反应，得到粗产品，透析，干燥得到没食子酸偶联壳聚糖衍生物；
(5)将没食子酸偶联壳聚糖衍生物溶于水，得到没食子酸偶联壳聚糖衍生物溶液；
(6)将聚多巴胺分散于水，得到聚多巴胺分散液；
(7)将步骤(6)得到的分散液加入至步骤(5)溶液中，搅拌均匀，再加入氧化魔芋葡苷聚糖溶液，交联得到改性壳聚糖粘附水凝胶。
进一步的，所述步骤(1)中，壳聚糖溶液浓度为0.01g·mL-1；
再进一步的，所述步骤(2)中，乙醇的水溶液由去离子水和无水乙醇按体积比1:1配制而成，没食子酸溶液浓度为0.025g·mL-1。
再进一步的，所述步骤(3)中，1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺的用量均为壳聚糖质量的100％，加入至没食子酸溶液中的活化时间为2小时；
再进一步的，所述步骤(4)中，反应需避光进行，氮气保护，反应时间为24小时，透析时间为3天，干燥为烘干或冷冻干燥。
再进一步的，所述步骤(5)中，没食子酸偶联壳聚糖衍生物溶液的浓度为0.03g·mL-1。
再进一步的，所述步骤(6)中，聚多巴胺分散液体积为没食子酸偶联壳聚糖衍生物溶液体积的10％；聚多巴胺分散液中聚多巴胺用量为没食子酸偶联壳聚糖衍生物水溶液中没食子酸偶联壳聚糖衍生物质量的3.3％～10％。
再进一步的，所述步骤(7)中，氧化魔芋葡苷聚糖溶液的体积为没食子酸偶联壳聚糖衍生物溶液体积的4％～12％，氧化魔芋葡苷聚糖溶液中氧化魔芋葡苷聚糖的用量为没食子酸偶联壳聚糖衍生物质量的10.7％～32％，且氧化魔芋葡甘聚糖的浓度为0.08g·mL-1，反应时间10分钟～48小时。
本发明还提供了一种上述改性壳聚糖粘附水凝胶在制备伤口止血和修复、组织粘合与物品粘合材料中的应用。
本发明改性壳聚糖粘附水凝胶的制备机理：
本发明的改性壳聚糖粘附水凝胶采用化学偶联和物理共混两种方法引入两种粘附性官能团，制备了一种新型微观结构的水凝胶。首先，将没食子酸偶联到壳聚糖分子链上，接着，将聚多巴胺与上述衍生物复合，然后，通过氧化魔芋葡苷聚糖进行交联，最终生成改性壳聚糖衍生物/聚多巴胺粘附水凝胶。此外，氧化魔芋葡苷聚糖、壳聚糖偶联没食子酸衍生物和聚多巴胺之间存在共价键、氢键和分子链缠绕等多种相互作用，与上述偶联共同作用获得水凝胶优异的粘附、抗菌、力学和溶胀等综合性能。
本发明的有益效果：
1.本发明的改性壳聚糖粘附水凝胶采用物理加化学两种方式负载粘附性基团，比传统一种负载形式的负载量更大。
2.本发明提供的水凝胶综合性能突出，同时具有优异的粘附、抗菌、力学和溶胀等性能。
3.本发明解决了传统壳聚糖水凝胶没有粘附和抗菌性不足的问题。聚多巴胺的引入使本发明的改性壳聚糖水凝胶粘附性能有成倍的显著提高。
4.本发明的改性壳聚糖粘附水凝胶同时存在多种粘附性基团，适用于皮肤和组织等多种材料的粘附，适用范围比传统一种粘附性基团更广。
5.本发明的改性壳聚糖粘附水凝胶同时引入两种粘附性基团，比传统的单粘附结构更稳定，粘附性更强。
6.本发明的改性壳聚糖粘附水凝胶以天然高分子为基材，且改性后仍然具有良好的生物相容性。
7.本发明的改性壳聚糖粘附水凝胶可以稳定粘附于伤口表面，并可有效促进伤口愈合。
8.本发明的改性壳聚糖粘附水凝胶的制备方法简单易行，便于产业化应用。
附图说明
图1为改性壳聚糖粘附水凝胶的促进伤口愈合效果。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细描述，以便本领域技术人员理解。
实施例1
1)称取5g壳聚糖溶于500mL醋酸溶液中，室温下磁力搅拌至溶解均匀。
2)另称取5g没食子酸溶于200mL乙醇的水溶液中(V去离子水:V无水乙醇＝1:1)，磁力搅拌至溶解均匀，接着，加入5g 1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐和5g N-羟基琥珀酰亚胺进行活化2小时，然后，加入至上述壳聚糖溶液中，在氮气保护下避光进行反应24小时，得到粗产品。
3)将得到的粗产品在去离子水中透析3天，烘干得到没食子酸偶联壳聚糖衍生物。
4)称取300mg没食子酸偶联壳聚糖衍生物于烧杯中，加入10mL去离子水，磁力搅拌至溶解均匀制得没食子酸偶联壳聚糖衍生物溶液。
5)称取30mg聚多巴胺，分散于1mL去离子水，搅拌均匀。
6)将步骤5)得到的聚多巴胺分散液加入步骤4)得到的没食子酸偶联壳聚糖衍生物溶液中，磁力搅拌均匀。
7)加入800uL氧化魔芋葡苷聚糖溶液至步骤6)得到的混合溶液，其中，氧化魔芋葡苷聚糖的浓度为0.08g·mL-1，反应10分钟，得到改性壳聚糖粘附水凝胶1。
以猪皮模拟人类皮肤，粘附在水凝胶的两侧，通过对两边猪皮的平行反方向拉伸，直至断裂，此时即为水凝胶的粘附强度。水凝胶1对皮肤的粘附强度为25.7kPa，若不含聚多巴胺(其它工艺完全相同)，水凝胶对皮肤的粘附强度仅为8.3kPa。此外，水凝胶1对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率分别达到90.2％和83.7％，压缩强度为37.6kPa，pH 7.4磷酸缓冲液中的溶胀为17.5g·g-1。结果表明，水凝胶1具有优异的综合性能。
实施例2
1)称取5g壳聚糖溶于500mL醋酸溶液中，室温下磁力搅拌至溶解均匀。
2)另称取5g没食子酸溶于200mL乙醇的水溶液中(V去离子水:V无水乙醇＝1:1)，磁力搅拌至溶解均匀，接着，加入5g 1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐和5g N-羟基琥珀酰亚胺进行活化2小时，然后，加入至上述壳聚糖溶液中，在氮气保护下避光进行反应24小时，得到粗产品。
3)将得到的粗产品在去离子水中透析3天，烘干得到没食子酸偶联壳聚糖衍生物。
4)称取300mg没食子酸偶联壳聚糖衍生物于烧杯中，加入10mL去离子水，磁力搅拌至溶解均匀制得没食子酸偶联壳聚糖衍生物溶液。
5)称取20mg聚多巴胺，分散于1mL去离子水，搅拌均匀。
6)将步骤5)得到的聚多巴胺分散液加入步骤4)得到的没食子酸偶联壳聚糖衍生物溶液中，磁力搅拌均匀。
7)加入1200uL氧化魔芋葡苷聚糖溶液至步骤6)得到的混合溶液，其中，氧化魔芋葡苷聚糖的浓度为0.08g·mL-1，反应10分钟，得到改性壳聚糖粘附水凝胶2。
上述方法所得水凝胶2对皮肤的粘附强度为24.5kPa，压缩强度为35.6kPa，pH 7.4磷酸缓冲液中的溶胀为13.2g·g-1。
实施例3
1)称取5g壳聚糖溶于500mL醋酸溶液中，室温下磁力搅拌至溶解均匀。
2)另称取5g没食子酸溶于200mL乙醇的水溶液中(V去离子水:V无水乙醇＝1:1)，磁力搅拌至溶解均匀，接着，加入5g 1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐和5g N-羟基琥珀酰亚胺进行活化2小时，然后，加入至上述壳聚糖溶液中，在氮气保护下避光进行反应24小时，得到粗产品。
3)将得到的粗产品在去离子水中透析3天，烘干得到没食子酸偶联壳聚糖衍生物。
4)称取300mg没食子酸偶联壳聚糖衍生物于烧杯中，加入10mL去离子水，磁力搅拌至溶解均匀制得没食子酸偶联壳聚糖衍生物溶液。
5)称取20mg聚多巴胺，分散于1mL去离子水，搅拌均匀。
6)将步骤5)得到的聚多巴胺分散液加入步骤4)得到的没食子酸偶联壳聚糖衍生物溶液中，磁力搅拌均匀。
7)加入800uL氧化魔芋葡苷聚糖溶液至步骤6)得到的混合溶液，其中，氧化魔芋葡苷聚糖的浓度为0.08g·mL-1，反应10分钟，得到改性壳聚糖粘附水凝胶3。
上述方法所得水凝胶3对皮肤的粘附强度为24.8kPa，压缩强度为36.8kPa。
实施例4
1)称取5g壳聚糖溶于500mL醋酸溶液中，室温下磁力搅拌至溶解均匀。
2)另称取5g没食子酸溶于200mL乙醇的水溶液中(V去离子水:V无水乙醇＝1:1)，磁力搅拌至溶解均匀，接着，加入5g 1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐和5g N-羟基琥珀酰亚胺进行活化2小时，然后，加入至上述壳聚糖溶液中，在氮气保护下避光进行反应24小时，得到粗产品。
3)将得到的粗产品在去离子水中透析3天，烘干得到没食子酸偶联壳聚糖衍生物。
4)称取300mg没食子酸偶联壳聚糖衍生物于烧杯中，加入10mL去离子水，磁力搅拌至溶解均匀制得没食子酸偶联壳聚糖衍生物溶液。
5)称取15mg聚多巴胺，分散于1mL去离子水，搅拌均匀。
6)将步骤5)得到的聚多巴胺分散液加入步骤4)得到的没食子酸偶联壳聚糖衍生物溶液中，磁力搅拌均匀。
7)加入800uL氧化魔芋葡苷聚糖溶液至步骤6)得到的混合溶液，其中，氧化魔芋葡苷聚糖的浓度为0.08g·mL-1，反应10分钟，得到改性壳聚糖粘附水凝胶4。
上述方法所得水凝胶4在pH 7.4磷酸缓冲液中的溶胀为24.9g·g-1。细胞毒性测试结果表明，水凝胶4具有良好的生物相容性，成纤维细胞的存活率为88.2％。水凝胶4促进伤口愈合效果如图1所示，大鼠伤口在第十四天时，从三组效果图整体来看，空白组和缝合组的大鼠伤口还有一小部分没有完全愈合，而凝胶组的伤口已经基本完全愈合，伤口处有新的毛发生长，且整个过程中大鼠没有任何不良的反应。从而可以证明改性壳聚糖粘附水凝胶对伤口愈合有良好的促进作用，所以适用于伤口愈合领域。
其它未详细说明的部分均为现有技术。尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其它实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。
Claims (9)
1.一种改性壳聚糖粘附水凝胶，其特征在于：该粘附水凝胶的原料包括没食子酸偶联壳聚糖衍生物溶液、聚多巴胺分散液和氧化魔芋葡苷聚糖溶液，其中，所述聚多巴胺分散液的体积为没食子酸偶联壳聚糖衍生物溶液体积的10％；所述聚多巴胺分散液中，聚多巴胺用量为没食子酸改性壳聚糖衍生物水溶液中没食子酸改性壳聚糖衍生物质量的3.3％～10％；
所述氧化魔芋葡苷聚糖溶液的体积为没食子酸偶联壳聚糖衍生物溶液体积的4％～12％；所述氧化魔芋葡苷聚糖溶液中，氧化魔芋葡苷聚糖的用量为没食子酸偶联壳聚糖衍生物溶液中没食子酸偶联壳聚糖衍生物质量的10.7％～32％。
2.根据权利要求1所述改性壳聚糖粘附水凝胶，其特征在于：所述没食子酸偶联壳聚糖衍生物溶液的浓度为0.03g·mL-1；所述氧化魔芋葡苷聚糖溶液的浓度为0.08g·mL-1。
3.一种改性壳聚糖粘附水凝胶的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将壳聚糖溶于醋酸溶液，得到壳聚糖溶液；
(2)将没食子酸溶于乙醇的水溶液，得到没食子酸溶液；
(3)将1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺加入至没食子酸溶液中活化；
(4)将活化的溶液加入至壳聚糖溶液中反应，得到粗产品，透析，干燥得到没食子酸偶联壳聚糖衍生物；
(5)将没食子酸偶联壳聚糖衍生物溶于水，得到没食子酸偶联壳聚糖衍生物溶液；
(6)将聚多巴胺分散于水，得到聚多巴胺分散液；
(7)将步骤(6)得到的分散液加入至步骤(5)溶液中，搅拌均匀，再加入氧化魔芋葡苷聚糖溶液，交联得到改性壳聚糖粘附水凝胶。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，壳聚糖溶液的浓度为0.01g·mL-1；
所述步骤(2)中，乙醇的水溶液由去离子水和无水乙醇按体积比1:1配制而成，没食子酸溶液的浓度为0.025g·mL-1。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺的用量均为壳聚糖质量的100％，加入至没食子酸溶液中的活化时间为2小时；
所述步骤(4)中，反应需避光进行，氮气保护，反应时间为24小时，透析时间为3天，干燥为烘干或冷冻干燥。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)中，没食子酸偶联壳聚糖衍生物溶液浓度为0.03g·mL-1。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(6)中，聚多巴胺分散液体积为没食子酸偶联壳聚糖衍生物溶液体积的10％；聚多巴胺用量为没食子酸改性壳聚糖衍生物水溶液中没食子酸偶联壳聚糖衍生物质量的3.3％～10％。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(7)中，氧化魔芋葡苷聚糖溶液的体积为没食子酸偶联壳聚糖衍生物溶液体积的4％～12％，氧化魔芋葡苷聚糖溶液中，氧化魔芋葡苷聚糖的用量为没食子酸改性壳聚糖衍生物质量的10.7％～32％，且氧化魔芋葡甘聚糖溶液的浓度为0.08g·mL-1，反应时间10分钟～48小时。
9.一种权利要求1所述改性壳聚糖粘附水凝胶在制备伤口止血和修复、组织粘合与物品粘合材料中的应用。
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