CN115887738B

CN115887738B - 一种聚丙烯酰胺-壳聚糖/高岭土多孔材料及其制备方法

Info

Publication number: CN115887738B
Application number: CN202211618645.2A
Authority: CN
Inventors: 唐硕; 蒋柳云; 苏胜培
Original assignee: Hunan Normal University
Current assignee: Hunan Normal University
Priority date: 2022-12-16
Filing date: 2022-12-16
Publication date: 2024-05-10
Anticipated expiration: 2042-12-16
Also published as: CN115887738A

Abstract

本发明公开了一种聚丙烯酰胺‑壳聚糖/高岭土多孔材料及其制备方法，该多孔材料是指将阴离子性聚丙烯酰胺、壳聚糖及高岭土混合均匀后加适量去离子水超声搅拌均匀后，再添加少量冰醋酸，搅拌至得到复合物凝胶，再将其放入冰箱中冷冻，最后用冷冻干燥至恒重。由于阴离子性聚丙烯酰胺与壳聚糖酸性溶液的阳离子有强烈的离子交联作用，以及与高岭土的相互作用，使得该多孔材料相比于单纯的壳聚糖基多孔材料，其力学性能及降解性能大有改善，且吸水率明显提高。该新型多孔材料所用原料来源丰富，制备方法简单，且可通过多孔材料的组分含量来调控多孔材料的力学性能、降解性能、吸水性能及抗菌性能，有望获得性能优异的多孔材料用于止血材料。

Description

一种聚丙烯酰胺-壳聚糖/高岭土多孔材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种聚丙烯酰胺-壳聚糖/高岭土多孔材料及其制备方法，属于生物医用材料领域。

背景技术

日常生活导致的交通事故、股动脉出血等各种紧急突发事件中，大量出血成为死亡的主要原因，因而止血是急诊医疗中的一个重要步骤，且有效快速止血对于外科手术和紧急创伤至关重要，传统的止血材料包括绷带和止血敷料等，对于体表的创伤出血呈现较好的效果，但对于比较深的大出血部位如贯穿伤或不可压缩部位，常规的止血材料难以满足其止血效果。特别是骨科手术中，如松质骨创面出血是颅脑外科、骨科、矫形外科医生的棘手问题。目前临床上常采用骨蜡进行松质骨创面止血，其主要成分为蜂蜡、麻油等，导致的缺点是生物相容性差，难以降解、残留在局部对骨愈合造成很大的阻碍，不利于骨痂的形成，从而造成骨不愈合。因此开发新型止血产品以满足临床或紧急事故的止血需求始终是临床医学、生物材料及医疗器械领域关注的重点之一。

理想的止血材料应具有良好的生物相容性，具有较高的孔隙率及较高的吸水率，且能被挤干水分后继续反复使用，同时具有可降解性。目前常用的止血材料包括胶原蛋白（Col）、明胶（GE）、藻酸盐（AG）、氧化纤维素、氰基丙烯酸组织粘合剂和多孔沸石，以上材料都具有有效的止血功能，但也有一些固有缺点，如：胶原蛋白组织粘附性差，多孔沸石从血液中吸收水分时会产生大量热量，导致伤口发炎，羧甲基纤维素敷料不能在伤口中降解等，也有一些止血剂在阻止严重出血方面无效且昂贵或引起安全问题。因此对开发新型可生物降解且能抗菌的止血材料具有重要的临床意义。壳聚糖(Chitosan，CS)是自然界中少见的一种带正电荷的碱性多糖，其降解产物为氨基葡萄糖。壳聚糖对人体及组织无毒、无害、无刺激、生物相容性好，具有固有的生物粘附性和抗菌性，它可以通过与红细胞（RBC）的带负电细胞膜的静电相互作用诱导止血，从而牢固地粘附并密封出血部位，2001年壳聚糖获得美国食品药品监督管理局（FDA）批准作为GRAS（公认安全）物质，基于壳聚糖的止血产品已上市，包括Celox®（英国柴郡有限公司MedTrade products Ltd.）TraumaStat®（美国俄勒冈州黎巴嫩Ore-Medix有限责任公司）和HemCon®绷带（美国俄勒冈波特兰Hem Con MedicalTechnologies股份有限公司）。然而，提高壳聚糖基止血产品的止血性能还是一大挑战。通过物理和化学结合制备的一系列不同形式的新型改性CS及其衍生物、或与其他功能材料结合具有潜在的协同效应的止血剂，则可提高其性能，因此备受关注。

壳聚糖基多孔海绵具有较高的吸水性，它从血液中吸收水分而浓缩凝血因子，从而促进凝血，且能形成水凝胶，导致相邻红细胞的血浆破裂和血小板活化。为了获得更好的止血剂，文献 [Mater. Lett. 2017, 197, 150–155]报道了利用氧化纳米纤维素麻纤维的羧基和壳聚糖的氨基通过肽键形成稳定的水凝胶网络，无需添加交联剂制备了氧化纳米纤维素-壳聚糖止血海绵，原位交联水凝胶网络可为快速吸收血液和促进血液凝固提供了稳定的框架，且大鼠肝脏创伤植入实验表明止血效果良好，是一种潜在的外科止血剂。但仅靠止血材料的多孔结构形成水凝胶网络其止血效果有待提高。而聚丙烯酰胺是一种线性的高分子聚合物，其本身具有絮凝、粘附和增稠等多种作用，常用做水处理的絮凝剂，同时其因具有较好的生物相容性、可降解和对细胞无毒等优点而应用于药物载体、软组织填充剂、非凝血酶原粒化剂、外科、隐形眼镜原料、微胶囊的外层包复料，并用作制造高质量的止血拴，妇女卫生巾及小儿尿布等，但其能否用于止血材料未见报道。若能将聚阴离子性的聚丙烯酰胺与壳聚糖通过静电作用自装成多孔海绵，则有望既可利用其多孔结构的高吸水性而形成水凝胶网络而止血，又可发挥聚丙烯酰胺本身的絮凝剂作用而使血液凝结而达到快速止血的目的。

另外，在多孔海绵中引入止血无机粒子既可通过不同止血机理而协同发挥止血作用，又有利于提高多孔海绵的机械性能。高岭土是硅酸铝，它可通过快速吸收出血部位血液中的水分，通过浓缩凝血因子激活凝血的内在途径而止血，被认为是一种很有前途的将止血性能应用于伤口敷料的途径，商业高岭土浸渍敷料已证明在战斗和创伤环境中促进止血非常成功。但高岭土能否被成功地引入聚丙烯酰胺-壳聚糖中获得高吸水性多孔材料，以致能能协同发挥止血作用未见报道。

发明内容

针对上述情况，本发明的目的在于提供一种聚丙烯酰胺-壳聚糖/高岭土止血材料及其制备方法。本发明制备的聚丙烯酰胺-壳聚糖/高岭土多孔材料具有较高的吸水性能、降解性能及生物相容性，是一种新型可降解多孔材料，能满足止血材料性能的基本要求。

本发明采用以下技术方案：聚丙烯酰胺是指分子量为1500~1800万，水解度为25~30%的聚阴离子型聚丙烯酰胺；壳聚糖的脱乙酰度为90 %以上，粘均分子量在20~40万；高岭土是指纯度96%，粒径为1.5~3.0 um的微米级粒子。

本发明的聚丙烯酰胺-壳聚糖/高岭土多孔材料，由下述技术方案实现的，其特征在于采用如下工艺步骤：

将一定量的聚丙烯酰胺、壳聚糖及高岭土加适量去离子水搅拌并超声分散均匀后，加入体积浓度为2~4 %的冰醋酸，搅拌至得到复合物凝胶；将上述混合的复合凝胶放入冰箱中冷冻，再用冷冻干燥机冷冻干燥至恒重；将干燥后的多孔支架浸泡于5~10 wt%的NaOH 溶液中30 min，再用去离子水洗至中性，40℃真空烘箱中烘干即可。

本发明的多孔材料与现有的多孔材料相比，其优越性在于：

（1）本发明所用的原材料来源广泛，价格便宜，都具有较好的生物相容性及可降解；且聚丙烯酰胺带负电，而壳聚糖溶液的氨基质子化后带正电，因而两者将会产生离子交联，从而提高复合多孔材料的力学性能，且比单纯的未发生交联作用的壳聚糖多孔材料相比，其吸水率明显提高，且机械强度高，吸水后的稳定性更好，可操作性好；且壳聚糖有较好的抗菌性、聚丙烯酰胺也具有较强的氧化杀菌作用，尤其是对微生物作用效果较好；另外添加的高岭土也具有较好的止血功效，可与聚丙烯酰胺-壳聚糖多孔材料协同发挥止血作用。综上所述，本发明所选用的各种材料有利于提高复合多孔材料的止血性能及降解性能，同时还可赋予其抗菌性。

（2）本发明提供的聚丙烯酰胺-壳聚糖/高岭土多孔材料，其制备方法简单易行，成本低，绿色环保，适合大规模生产；且可通过多孔材料的组分含量的改变来调控多孔材料的止血性能及降解性能，同时还可添加不同抗菌药物或其他凝血因子得到性能更好的止血材料。

附图说明

图1为不同聚丙烯酰胺-壳聚糖/高岭土多孔材料的孔结构和吸水前后的外观图。

具体实施方式

实施例1：称取0.2 g聚阴离子型聚丙烯酰（分子量为1500万，水解度为25%）、1.6 g壳聚糖（脱乙酰度90 %，分子量为20万），0.1 g高岭土（粒径为1.5 um）加入100 ml去离子水，超声搅拌4 h后，加入3 ml冰醋酸，即得聚丙烯酰胺-壳聚糖/高岭土三元复合凝胶物。放入-20 ℃的冰箱中冷冻48 h。用冷冻干燥机冷冻干燥至恒重。然后将其置于10 % 的NaOH溶液中浸泡30分钟，洗至中性，干燥。将其切割成10 mm×10 mm×10 mm的块状材料，测得抗压强度为1.6 MPa左右, 孔隙率为86%，吸水率为304%，支架完整可挤干水分后继续吸水。

实施例2：称取0.2 g聚阴离子型聚丙烯酰（分子量为1800万，水解度为30%）、1.0 g壳聚糖（脱乙酰度95 %，分子量为30万），0.8 g高岭土（粒径为3.0 um）加入100 ml去离子水，超声搅拌4 h后，加入2 ml冰醋酸，即得聚丙烯酰胺-壳聚糖/高岭土三元复合凝胶物。放入-20 ℃的冰箱中冷冻48 h。用冷冻干燥机冷冻干燥至恒重。然后将其置于10 % 的NaOH溶液中浸泡30分钟，洗至中性，干燥。将其切割成10 mm×10 mm×10 mm的块状材料，测得抗压强度为1.8 MPa左右, 孔隙率为80%，吸水率为252%，支架完整可挤干水分后继续吸水。

实施例3：称取0.4 g聚阴离子型聚丙烯酰（分子量为1800万，水解度为30%）、1.0 g壳聚糖（脱乙酰度95 %，分子量为30万），0.6 g高岭土（粒径为2.0 um）加入100 ml去离子水，超声搅拌4 h后，加入2 ml冰醋酸，即得聚丙烯酰胺-壳聚糖/高岭土三元复合凝胶物。放入-20 ℃的冰箱中冷冻48 h。用冷冻干燥机冷冻干燥至恒重。然后将其置于10 % 的NaOH溶液中浸泡30分钟，洗至中性，干燥。将其切割成10 mm×10 mm×10 mm的块状材料，测得抗压强度为1.3 MPa左右, 孔隙率为82%，吸水率为265%，支架完整可挤干水分后继续吸水。

实施例4：称取0.8 g聚阴离子型聚丙烯酰（分子量为1500万，水解度为25%）、0.8 g壳聚糖（脱乙酰度95 %，分子量为30万），0.4 g高岭土（粒径为2.0 um）加入100 ml去离子水，超声搅拌4 h后，加入2 ml冰醋酸，即得聚丙烯酰胺-壳聚糖/高岭土三元复合凝胶物。放入-20 ℃的冰箱中冷冻48 h。用冷冻干燥机冷冻干燥至恒重。然后将其置于10 % 的NaOH溶液中浸泡30分钟，洗至中性，干燥。将其切割成10 mm×10 mm×10 mm的块状材料，测得抗压强度为1.8 MPa左右, 孔隙率为84%，吸水率为283%，支架完整可挤干水分后继续吸水。

对比实施例1：称取2.0 g 壳聚糖（脱乙酰度95 %，分子量为30万），加入100 ml去离子水，搅拌4 h后，加入2 ml冰醋酸，溶解后放入-20 ℃的冰箱中冷冻48 h。用冷冻干燥机冷冻干燥至恒重。然后将其置于10 % 的NaOH溶液中浸泡30分钟，洗至中性，干燥。将其切割成10 mm×10 mm×10 mm的块状材料，测得抗压强度为0.3 MPa左右, 孔隙率为70 %，吸水率为201%，支架大部分已碎难以顺利取出。

对比实施例2：称取1.6 g 壳聚糖（脱乙酰度95 %，分子量为30万），0.4 g高岭土（粒径为2.0 um）加入100 ml去离子水，超声搅拌4 h后，加入2 ml冰醋酸，即得壳聚糖/高岭土三元复合凝胶物。放入-20 ℃的冰箱中冷冻48 h。用冷冻干燥机冷冻干燥至恒重。然后将其置于10 % 的NaOH溶液中浸泡30分钟，洗至中性，干燥。将其切割成10 mm×10 mm×10 mm的块状材料，测得抗压强度为0.6 MPa左右, 孔隙率为75%，吸水率为183%，支架有碎块，可取出。

对比实施例3：称取1.0 g 壳聚糖（脱乙酰度95 %，分子量为30万），1.0g聚阴离子型聚丙烯酰（分子量为1800万，水解度为30%），加入100 ml去离子水，磁力超声搅拌4 h后，加入3 ml冰醋酸，即得聚丙烯酰胺-壳聚糖复合凝胶物。放入-20 ℃的冰箱中冷冻48 h。用冷冻干燥机冷冻干燥至恒重。然后将其置于10 % 的NaOH溶液中浸泡30分钟，洗至中性，干燥。将其切割成10 mm×10 mm×10 mm的块状材料，测得抗压强度为0.4 MPa左右, 孔隙率为81%，吸水率为281%，支架有小部分碎块，可取出。

抗压强度测试条件：将切好的10 mm×10 mm×10 mm块状材料用万能材料试验机（SANSCMT4503，中国深圳SANS公司）测试其压缩变形为40 %时的压缩性能。测试温度为20℃±2℃，加载速度为1 mm/min。每组测试五个平行样，结果取平均值。

孔隙率的测定：向量筒中加入适量无水乙醇，将切好的10 mm×10 mm×10 mm块状材料称干重记为m₁，放入无水乙醇中，称乙醇和样品初始体积记为V₁。在室温下浸泡1周后将材料取出称材料湿重为m₂，剩余乙醇体积为V₂。则孔隙率按以下公式计算。每个样品测三个平行样，取平均值。

吸水率的测定：将切好的10 mm×10 mm×10 mm块状材料称干重记为M₀，向量筒中加入适量水，在室温下浸泡1周后将材料取出称材料湿重为M₁，40℃真空干燥后称材料干重为M₂。则吸水率按以下公式计算。每个样品测三个平行样，取平均值。

Claims

1.一种聚丙烯酰胺-壳聚糖/高岭土多孔止血材料，其特征是指聚阴离子型聚丙烯酰胺与壳聚糖、高岭土加适量去离子水，保持浓度为2 wt%，超声搅拌4 h后，加入体积浓度为2~4%的冰醋酸，搅拌至得到复合物凝胶；将上述混合的复合凝胶放入-20 ℃的冰箱中冷冻48h，再用冷冻干燥机冷冻干燥至恒重；将干燥后的多孔支架浸泡于5~10 wt%的NaOH 溶液中30 min，再用去离子水洗至中性，干燥即可，所述聚丙烯酰胺是指分子量为1500~1800万，水解度为25~30%的阴离子性聚丙烯酰胺；高岭土是指粒径为1.5~3.0 um微米级粒子。