CN115678047A - 一种超分子-高分子复合水凝胶材料的制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超分子‑高分子复合水凝胶材料的制备方法及其应用，属于生物医用材料技术领域。本发明的技术方案要点为：将氯化血红素和硼酸酯交联的鸟苷共组装为具有类辣根过氧化物酶的纳米纤维水凝胶与过渡金属离子交联的羧基天然高分子水凝胶相结合，并原位模拟酶催化引入聚苯胺高分子网络，最终得到具有内在抗菌、抗氧化和导电性的超分子‑高分子复合水凝胶材料；其中过渡金属离子给予该复合水凝胶优异的抗菌性，硼酸酯交联的鸟苷纤维具有良好的抗氧化性，聚苯胺赋予水凝胶优异的导电性，这些水凝胶的内在多功能性，不依赖于传统的抗炎和抗生素等药物，在促进复杂创面和慢性伤口愈合方面具有重要的应用价值。

Description

一种超分子-高分子复合水凝胶材料的制备方法及应用

技术领域

本发明属于生物医用材料技术领域，具体涉及一种具有内在抗菌、抗氧化和导电性等多功能的超分子-高分子复合水凝胶的模拟酶催化制备方法，及其作为敷料在促进皮肤伤口愈合中的应用。

背景技术

皮肤创伤，主要包括急性创伤和慢性炎症，这些创伤会给伤者们带来各种各样的问题，包括创面会分泌大量的体液，需要及时处理；因为在潮湿的环境下富有营养物质的分泌物会滋生大量细菌，从而导致创面感染，并延迟伤口愈合过程，甚至威胁患者的生命安全。在诸多传统类型的伤口敷料中，仅能起到止血的作用，不具有促进创面愈合的生物功能性；而水凝胶敷料相比于传统的伤口敷料具有独特的优势，其多孔结构不仅有利于营养物质的传输，还可吸收伤口部位的渗出液以及可以负载各类药物等，用以实现特定的功能以促进伤口愈合；但是负载特定药物的方法具有高度特异性的缺点，不具有广谱抗菌性能，而设计制备具有内在广谱抗菌性能兼具内在多功能性的水凝胶伤口敷料在临床应用方面具有重要的意义。

授权公告号为CN112807483B的发明专利公开了一种抗炎、抗菌、止血的“双网络”水凝胶及其制备方法和应用，所述“双网络”水凝胶是由键合了消炎药吲哚美辛的多肽纳米纤维和壳聚糖分子组成的具有双重网络微观结构的水凝胶。其中，吲哚美辛多肽通过非共价作用自组装成纳米纤维，进而相互交织形成第一网络，而京尼平与壳聚糖分子化学交联形成第二网络。“双网络”水凝胶用作伤口敷料时，除了快速止血作用外，还具有良好的抗炎和抗菌效果，可以防止伤口感染，并提供良好的伤口愈合微环境。然而该方法制得的“双网络”抗菌水凝胶是通过键合消炎药的方式实现水凝胶材料的抗菌功能，会产生耐药性等副作用，在伤口愈合医用材料领域有必要进一步提升改进。

发明内容

本发明的目的在于针对现有水凝胶敷料存在的不足，提供了一种具有内在抗菌、抗氧化和导电性等多功能的超分子-高分子复合水凝胶材料的制备方法及应用，首先将氯化血红素和硼酸酯交联的鸟苷共组装为具有类辣根过氧化物酶的纳米纤维水凝胶与过渡金属离子交联的羧基天然高分子水凝胶相结合，并原位模拟酶催化引入聚苯胺高分子网络，最终得到超分子-高分子复合水凝胶材料。本发明使用生物相容性良好的天然来源鸟苷和羧基天然高分子作为凝胶骨架，过渡金属离子给予该复合水凝胶优异的抗菌性，硼酸酯交联的鸟苷纤维具有良好的抗氧化性，聚苯胺赋予水凝胶优异的导电性，这些水凝胶的内在多功能性，不依赖于传统的抗炎和抗生素等药物，在促进复杂创面和慢性伤口愈合方面具有重要的应用价值。

本发明为实现上述目的采用如下技术方案，一种超分子-高分子复合水凝胶材料的制备方法，其特征在于具体步骤为：

步骤S1：将含有羧基的天然高分子化合物溶解在去离子水中，再加入催化剂和己二酸二酰肼，于室温反应后透析冻干得到接枝有酰肼的天然高分子衍生物，然后将接枝有酰肼的天然高分子衍生物溶于去离子水中得到天然高分子衍生物溶液，其中含有羧基的天然高分子化合物为透明质酸钠、海藻酸钠、硫酸软骨素、羧甲基纤维素、羧甲基茯苓多糖或γ-聚谷氨酸中的一种或多种，催化剂为1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐或4-(4,6-二甲氧基三嗪)-4-甲基吗啉盐酸盐中的一种或多种；

步骤S2：向步骤S1得到的天然高分子衍生物溶液中加入鸟苷、硼砂、钾盐和氯化血红素，加热至完全溶解，再加入可溶性过渡金属盐溶液并充分混合，然后将得到的混合溶液在室温下静置得到中间体水凝胶，其中钾盐为氢氧化钾、碳酸钾、碳酸氢钾、氯化钾、硫酸钾、磷酸二氢钾或磷酸氢二钾中的一种或多种，可溶性过渡金属盐中的金属离子为银离子、锌离子或二价铜离子中的一种或多种；

步骤S3：将苯胺溶解在酸性缓冲溶液中得到苯胺溶液，再将步骤S2得到的中间体水凝胶浸泡在苯胺溶液中，然后加入双氧水，在室温下静置将中间体水凝胶转变为具有内在抗菌、抗氧化和导电性的超分子-高分子复合水凝胶材料。

进一步限定，步骤S1中所述含有羧基的天然高分子化合物中的羧基与己二酸二肼的摩尔比为0.1~4:1，所述催化剂与含有羧基的天然高分子化合物中的羧基的摩尔比为0.2~4:1，所述天然高分子衍生物溶液的浓度为5~100mg/mL。

进一步限定，步骤S2中所述鸟苷浓度为5~40mg/mL，所述鸟苷、硼砂和钾盐的摩尔比为2:1:1，所述氯化血红素的浓度为0.05~0.5mg/mL，加热温度为80~100℃，所述过渡金属盐溶液中金属离子的浓度为5~100mg/mL。

进一步限定，步骤S3中所述苯胺溶液的浓度为0.4~10mg/mL，所述酸性缓冲溶液pH值为1~6，所述中间体水凝胶在苯胺溶液中浸泡时间为10~180min，所述双氧水终浓度为0.01~0.1mol/L。

进一步限定，步骤S3中所述酸性缓冲溶液为4-羟乙基哌嗪乙磺酸缓冲溶液、磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液、柠檬酸-氢氧化钠-盐酸缓冲溶液、柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液、甘氨酸-盐酸缓冲溶液、邻苯二甲酸-盐酸缓冲溶液或乙酸-乙酸钠缓冲溶液。

本发明所述的超分子-高分子复合水凝胶材料在制备生物医用敷料中的应用。

本发明所述的超分子-高分子复合水凝胶材料在制备促进创伤愈合医用水凝胶伤口敷料中的应用。

本发明与现有技术相比具有以下优点和有益效果：本发明制备的具有内在抗菌、抗氧化和导电性的超分子-高分子复合水凝胶材料包含生物相容性良好的天然高分子、提供优良光谱抗菌性能的过渡金属离子、提供优异抗氧化性能的硼酸酯交联鸟苷纤维以及具有导电性的聚苯胺，避免了通过负载抗炎或抗菌药物所带来的耐药性缺点，为促进创面愈合提供良好的微环境。

附图说明

图1是本发明实施例1制备的具有内在抗菌、抗氧化和导电性的超分子-高分子复合水凝胶材料冻干后的扫描电子显微镜图，可以观察到三维网状凝胶骨架结构。

图2是本发明实施例1制备的具有内在抗菌、抗氧化和导电性的超分子-高分子复合水凝胶材料的抗菌性能测试结果，相对于空白组，制备的超分子-高分子复合水凝胶材料对革兰氏阴性的大肠杆菌和革兰氏阳性的金黄色葡萄球菌展现出优异的抗菌性能。

图3是本发明实施例1制备的具有内在抗菌、抗氧化和导电性的超分子-高分子复合水凝胶材料的抗氧化性测试结果，制备的超分子-高分子复合水凝胶材料对ABTS⁺自由基展现出良好的清除能力。

图4是本发明实施例1制备的具有内在抗菌、抗氧化和导电性的超分子-高分子复合水凝胶材料的阻抗测试结果，制备的超分子-高分子复合水凝胶材料在引入聚苯胺以后，阻抗明显减小，导电性增强。

图5是本发明实施例1制备的具有内在抗菌、抗氧化和导电性的超分子-高分子复合水凝胶材料在小鼠皮肤全层伤口实验第14天时伤口组织的HE染色图（比例尺：500μm）；黑色实线区域为未完全愈合的伤口皮肤组织，可以明显看出凝胶组愈合较好，新生皮肤组织具有较多成熟的皮肤附属器官。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

步骤S1：将2.0g透明质酸钠溶解在120mL去离子水中，再加入0.22g 1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳化二亚胺盐酸盐和1.7g己二酸二肼，在室温下反应24h。在去离子水中透析3天后，通过冻干获得接枝己二酸二酰肼的透明质酸钠白色絮状物，然后溶于去离子水得到浓度为20mg/mL的透明质酸钠衍生物溶液。

步骤S2： 向3mL步骤S1得到的透明质酸钠衍生物溶液中加入85mg鸟苷、57mg硼砂、8.4mg氢氧化钾和0.3mg氯化血红素，加热至80℃得到澄清溶液，然后加入0.15mL硫酸铜溶液(12.5mg/mL）充分混合，在25℃静置2h得到中间体水凝胶。

步骤S3：将15mg苯胺溶解在10mL（pH=3）的4-羟乙基哌嗪乙磺酸缓冲溶液中得到苯胺溶液，再将步骤S2得到的中间体水凝胶浸泡在苯胺溶液中，2h后加入5.0μL过氧化氢水溶液（30wt%），在37℃静置1h，得到具有内在抗菌、抗氧化和导电性的超分子-高分子复合水凝胶材料。

实施例2

步骤S1：将1.0g海藻酸钠溶解在100mL去离子水中，再加入0.5g 4-(4,6-二甲氧基三嗪)-4-甲基吗啉盐酸盐和1.0g己二酸二肼，在室温下反应24h。在去离子水中透析3天后，通过冻干获得接枝己二酸二酰肼的海藻酸钠白色絮状物，然后溶于去离子水得到浓度为10mg/mL的海藻酸钠衍生物溶液。

步骤S2：向3mL步骤S1得到的海藻酸钠衍生物溶液中加入60mg鸟苷、40mg硼砂、14.6mg碳酸钾和0.5mg氯化血红素，加热至80℃得到澄清溶液，然后加入0.15mL硫酸锌溶液(15mg/mL）充分混合，在25℃静置2h得到中间体水凝胶。

步骤S3：将24mg苯胺溶解在10mL（pH=4）的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液中得到苯胺溶液，再将步骤S2得到的中间体水凝胶浸泡在苯胺溶液中，1h后加入7.5μL过氧化氢水溶液（30wt%），在37℃静置0.5h，得到具有内在抗菌、抗氧化和导电性的超分子-高分子复合水凝胶材料。

为了说明本发明制备的具有内在抗菌、抗氧化和导电性的超分子-高分子复合水凝胶材料的各项性能，对实施例1制备的具有内在抗菌、抗氧化和导电性的超分子-高分子复合水凝胶材料进行测试，测试结果见图1~5。

图1是实施例1制备的具有内在抗菌、抗氧化和导电性的超分子-高分子复合水凝胶材料冻干后的扫描电子显微镜图，由图可以观察到三维网状凝胶骨架结构。

图2是实施例1制备的具有内在抗菌、抗氧化和导电性的超分子-高分子复合水凝胶材料的抗菌性能测试结果，相对于空白组，实施例1制备的超分子-高分子复合水凝胶材料作为敷料对革兰氏阴性的大肠杆菌和革兰氏阳性的金黄色葡萄球菌展现出优异的抗菌性能。

图3是实施例1制备的具有内在抗菌、抗氧化和导电性的超分子-高分子复合水凝胶材料的抗氧化性测试结果，由图可以看出，制备的超分子-高分子复合水凝胶材料作为敷料对ABTS⁺自由基展现出良好的清除能力。

图4是实施例1制备的具有内在抗菌、抗氧化和导电性的超分子-高分子复合水凝胶材料的阻抗测试结果，由图可以看出，制备的超分子-高分子水凝胶材料作为敷料在引入聚苯胺以后，阻抗明显减小，导电性增强。

图5是实施例1制备的具有内在抗菌、抗氧化和导电性的超分子-高分子复合水凝胶材料在小鼠皮肤全层伤口实验第14天时伤口组织的HE染色图（比例尺：500μm）；黑色实线区域为未完全愈合的伤口皮肤组织，可以明显看出凝胶组愈合较好，新生皮肤组织具有较多成熟的皮肤附属器官。

综上，本发明制备的具有内在抗菌、抗氧化和导电性的超分子-高分子复合水凝胶材料展现出良好的抗菌、抗氧化、导电等性能，并在小鼠皮肤全层伤口实验中，能够促进较为完整的皮肤组织及其附属器官再生从而加速伤口的愈合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改进，这些变化和改进都要求落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种超分子-高分子复合水凝胶材料的制备方法，其特征在于具体步骤为：

步骤S1：将含有羧基的天然高分子化合物溶解在去离子水中，再加入催化剂和己二酸二酰肼，于室温反应后透析冻干得到接枝有酰肼的天然高分子衍生物，然后将接枝有酰肼的天然高分子衍生物溶于去离子水中得到天然高分子衍生物溶液，其中含有羧基的天然高分子化合物为透明质酸钠、海藻酸钠、硫酸软骨素、羧甲基纤维素、羧甲基茯苓多糖或γ-聚谷氨酸中的一种或多种，催化剂为1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐或4-(4,6-二甲氧基三嗪)-4-甲基吗啉盐酸盐中的一种或多种；

步骤S2：向步骤S1得到的天然高分子衍生物溶液中加入鸟苷、硼砂、钾盐和氯化血红素，加热至完全溶解，再加入可溶性过渡金属盐溶液并充分混合，然后将得到的混合溶液在室温下静置得到中间体水凝胶，其中钾盐为氢氧化钾、碳酸钾、碳酸氢钾、氯化钾、硫酸钾、磷酸二氢钾或磷酸氢二钾中的一种或多种，可溶性过渡金属盐中的金属离子为银离子、锌离子或二价铜离子中的一种或多种；

步骤S3：将苯胺溶解在酸性缓冲溶液中得到苯胺溶液，再将步骤S2得到的中间体水凝胶浸泡在苯胺溶液中，然后加入双氧水，在室温下静置将中间体水凝胶转变为具有内在抗菌、抗氧化和导电性的超分子-高分子复合水凝胶材料。

2.根据权利要求1所述的超分子-高分子复合水凝胶材料的制备方法，其特征在于：步骤S1中所述含有羧基的天然高分子化合物中的羧基与己二酸二肼的摩尔比为0.1~4:1，所述催化剂与含有羧基的天然高分子化合物中的羧基的摩尔比为0.2~4:1，所述天然高分子衍生物溶液的浓度为5~100mg/mL。

3.根据权利要求1所述的超分子-高分子复合水凝胶材料的制备方法，其特征在于：步骤S2中所述鸟苷浓度为5~40mg/mL，所述鸟苷、硼砂和钾盐的摩尔比为2:1:1，所述氯化血红素的浓度为0.05~0.5mg/mL，加热温度为80~100℃，所述过渡金属盐溶液中金属离子的浓度为5~100mg/mL。

4.根据权利要求1所述的超分子-高分子复合水凝胶材料的制备方法，其特征在于：步骤S3中所述苯胺溶液的浓度为0.4~10mg/mL，所述酸性缓冲溶液pH值为1~6，所述中间体水凝胶在苯胺溶液中浸泡时间为10~180min，所述双氧水终浓度为0.01~0.1mol/L。

5.根据权利要求1所述的超分子-高分子复合水凝胶材料的制备方法，其特征在于：步骤S3中所述酸性缓冲溶液为4-羟乙基哌嗪乙磺酸缓冲溶液、磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液、柠檬酸-氢氧化钠-盐酸缓冲溶液、柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液、甘氨酸-盐酸缓冲溶液、邻苯二甲酸-盐酸缓冲溶液或乙酸-乙酸钠缓冲溶液。

6.根据权利要求1~5中任意一项所述的方法制备的超分子-高分子复合水凝胶材料在制备生物医用敷料中的应用。

7.根据权利要求1~5中任意一项所述的方法制备的超分子-高分子复合水凝胶材料在制备促进创伤愈合医用水凝胶伤口敷料中的应用。

Images