CN116920165A - 一种原位产氧的水凝胶及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种原位产氧的水凝胶及其制备方法和应用，涉及医用生物材料技术领域。水凝胶包括苯硼酸改性季胺化壳聚糖，多巴胺改性氧化透明质酸和复合纳米颗粒。本发明利用二氧化锰可以诱导内源性活性氧分解为氧气，有效改善氧化应激和缺氧，将二氧化锰纳米颗粒引入到抗菌注射水凝胶中可以满足多种需求，即抗菌作用、活性氧消耗和氧气产生。

Description

一种原位产氧的水凝胶及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及医用生物材料技术领域，具体涉及一种原位产氧的水凝胶及其制备方法和应用。
背景技术
全球糖尿病患者约4.63亿人，预计2030年将增加到5.79亿人。糖尿病是一种复杂的代谢性疾病，对人体的多个器官都有不良影响。慢性糖尿病创面长期伴随着高血糖、高炎症、细菌感染等问题威胁糖尿病患者的健康。
正常皮肤创面再生主要经历炎症、增殖和重塑相互重叠的阶段，然而，糖尿病伤口的愈合过程通常被延迟。异常炎症反应的级联会干扰功能性细胞的行为，包括角化细胞、成纤维细胞和内皮细胞，甚至引起细胞损伤和凋亡。同时，在创面处招募的炎症细胞产生大量活性氧，加剧氧化应激，导致多种有害影响，包括胶原沉积和血管生成减少，细胞外基质和生长因子不适当降解，以及再上皮化延迟。高血糖可引起血管收缩，抑制血管生成，阻断供氧，阻碍愈合过程。同时，缺氧也被证明通过阻断成纤维细胞增殖、毛细血管生成、胶原蛋白生成和增加感染风险来抑制伤口愈合。理论上，糖尿病创面供氧有利于创面愈合。
水凝胶由于其多孔结构而受到越来越多的关注，并被认为是正常伤口愈合的潜在临床策略。传统的水凝胶敷料组织附着力弱，不适应创面形状，功能性不足，对不规则创面不能达到预期的治疗效果。近年来，可注射自愈合水凝胶因其形状适应性强、组织粘附性好、易于功能化、载药等优点而备受关注。因此，可注射自愈水凝胶作为伤口敷料在未来具有潜在的应用价值。
具有良好生物相容性的水凝胶可以帮助优化伤口愈合过程中涉及的生物和分子事件，包括细胞迁移、增殖和分化，从而加速愈合过程。然而，多药耐药细菌感染引起的血管病变和损伤，限制了水凝胶在糖尿病伤口愈合中的应用。
为了实现上述目的，本领域技术人员以海藻酸钠作为聚合物的骨架，通过多巴胺简单的改性后，与过氧化钙/聚合物产氧粒子混合，一步法制备物理化学双交联可注射产氧水凝胶。该可注射产氧水凝胶在生理条件下使用时，产氧粒子表面的聚合物具有疏水特性，能够阻碍水与产氧粒子的接触，从而延长过氧化钙产氧粒子的产氧时间。但是，产氧后会生成过量氧化应激，无法有效消除，从而阻碍组织修复。因此，针对糖尿病创面高氧化应激和低氧微环境特点，研制原位产氧水凝胶显得尤为重要。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的不足，主要针对糖尿病创面高氧化应激和低氧微环境特点，现有技术中由于延长过氧化钙产氧粒子的产氧时间，产氧后会生成过量氧化应激，无法有效消除，从而阻碍组织修复的问题。本发明提供一种原位产氧的水凝胶及其制备方法和应用，该水凝胶利用二氧化锰可以诱导内源性活性氧分解为氧气，有效改善氧化应激和缺氧，将二氧化锰纳米颗粒引入到抗菌注射水凝胶中可以满足多种需求，即抗菌作用、活性氧消耗和氧气产生。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种原位产氧的水凝胶，所述水凝胶包括苯硼酸改性季胺化壳聚糖，多巴胺改性氧化透明质酸和复合纳米颗粒；
所述复合纳米颗粒包括二氧化锰纳米颗粒，以及所述二氧化锰纳米颗粒表面上的壳聚糖涂层和所述壳聚糖涂层粘附的精氨酸。
优选的，所述苯硼酸改性季胺化壳聚糖，多巴胺改性氧化透明质酸和复合纳米颗粒的质量比为(2～4):(6～10):(0.25～1)。
优选的，所述水凝胶是由包括苯硼酸改性季胺化壳聚糖、多巴胺改性氧化透明质酸以及复合纳米颗粒通过形成席夫碱键和苯硼酸酯结构制备而成。
优选的，所述苯硼酸改性季胺化壳聚糖是按照以下步骤制得：
获取季胺化壳聚糖；
将季胺化壳聚糖分散于水溶剂中获取季胺化壳聚糖溶液；
将1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺分散于季胺化壳聚糖溶液中，再加入4-羧基苯硼酸的甲醇溶液，反应12～24h，经后处理，获取苯硼酸改性季胺化壳聚糖。
优选的，所述多巴胺改性氧化透明质酸是按照以下步骤制得：
将1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐、N-羟基琥珀酰亚胺和盐酸多巴胺分散于氧化透明质酸水溶液中，在氮气的保护下反应12～24h，经后处理，获取多巴胺改性氧化透明质酸。
优选的，所述复合纳米颗粒的粒径为105～165nm。
优选的，所述复合纳米颗粒制备方法，包括：
将牛血清白蛋白分散于多巴胺水溶液中，再加入高锰酸钾溶液，反应结束后，获得二氧化锰溶液；
将壳聚糖溶液分散于二氧化锰溶液中，获取壳聚糖-二氧化锰溶液；
将精氨酸水溶液分散于壳聚糖-二氧化锰溶液，反应结束后，经洗涤干燥后，获取复合纳米颗粒。
本发明第二方面提供一种原位产氧的水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
将多巴胺改性氧化透明质酸分散于去离子水中获取多巴胺改性氧化透明质酸溶液；将复合纳米颗粒分散于多巴胺改性氧化透明质酸溶液中，获取复合前驱液；
将苯硼酸改性季胺化壳聚糖溶解分散于去离子水中，获取苯硼酸改性季胺化壳聚糖前驱液；
将苯硼酸改性季胺化壳聚糖前驱液与复合前驱液，按照一定比例混合均匀后，获取原位产氧的水凝胶。
优选的，所述苯硼酸改性季胺化壳聚糖前驱液与复合前驱液体积比为1:1.5～3。
本发明第三方面提供一种原位产氧的水凝胶作为高氧化应激损伤创面敷料的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种原位产氧的水凝胶及其制备方法和应用，由产氧复合纳米颗粒和生物可降解的水凝胶组成，本发明产氧复合纳米颗粒，经过高锰酸钾、牛血清白蛋白和多巴胺之间的生物矿化和聚合作用，生成二氧化锰纳米颗粒，带负电且粒径分布为105～120nm。将二氧化锰纳米颗粒、壳聚糖和精氨酸通过静电自组装方法，即将带正电的壳聚糖分散在带负电的二氧化锰纳米颗粒水溶液中，通过静电自组装原理，得到壳聚糖涂层的二氧化锰纳米颗粒；再通过壳聚糖粘附作用，将精氨酸负载在二氧化锰纳米颗粒上，即可得到产氧复合纳米颗粒。本发明中生物可降解的水凝胶是由原料苯硼酸接枝季胺化壳聚糖和多巴胺改性氧化透明质酸通过形成席夫碱键和苯硼酸酯结构制备而成。席夫碱键和苯硼酸酯的简单双交联结构不仅增强了水凝胶的物理性能，使其具有自愈性能，还增强了其生物功效。引入的产氧复合纳米颗粒中精氨酸氨基与醛基反应形成席夫碱，进一步将产氧复合纳米颗粒引入到水凝胶中，通过水凝胶的降解从而释放复合纳米颗粒。释放的复合纳米颗粒中的二氧化锰可消耗过氧化氢产生氧气，以及复合纳米颗粒中负载的精氨酸在一氧化氮合成酶和氧气的作用下生成一氧化氮，能够有效舒张血管，增加血流量，并促进胶原蛋白的合成。
本发明提供的一种原位产氧水凝胶，能够在高氧化应激微环境下可将过氧化氢催化产生氧气，促进血管生成，并在氧气和一氧化氮合成酶作用下将精氨酸催化产生一氧化氮，利于血管舒张，增加血流量。同时本发明的产氧水凝胶具有良好的生物相容性，在体外能够促进细胞增殖和迁移以及对大肠杆菌(革兰氏阴性)、金黄色葡萄球菌(革兰氏阳性)和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(耐药菌)良好的抗菌效果，可应用于慢性感染创面的组织修复，在工程化组织构建中具有良好的应用前景。
本发明提供的一种原位产氧的水凝胶制备方法，依据复合纳米颗粒和水凝胶之间席夫碱相互作用，将产氧复合纳米颗粒负载在水凝胶中并且同时实现抗菌、缓解氧化应激和缓慢释放氧气功能，改进了现有产氧材料氧气释放速率过快以及功能单一的问题。在愈合机制方面，水凝胶可吸收创面渗出液，保持创面水分，并且为创面愈合提供充足氧气供应；可以保护创面免受细菌感染和氧化应激损伤；复合纳米颗粒的适时释放精氨酸可促进血管生成和创面愈合。通过水凝胶和复合纳米颗粒之间的协同作用即抗菌、改善氧化应激，同时释放氧气，促进血管生成，从而实现伤口的快速愈合。
附图说明
图1表示产氧水凝胶的功能示意图。
图2表示产氧水凝胶的扫描电镜图。
图3表示产氧水凝胶的产氧效果。
图4表示产氧水凝胶的生物相容性效果；其中，图4(A)细胞活力检测；图4(B)细胞活/死染色结果。
图5表示产氧水凝胶的抗菌结果。
图6表示产氧水凝胶对MRSA感染的糖尿病伤口的治疗效果；其中，图6(A)表示第0、3、7和14天伤口图片和不同治疗组的抗菌效果；图6表示(B)伤口愈合率。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。
本发明提供了一种原位产氧的水凝胶，所述水凝胶包括苯硼酸改性季胺化壳聚糖，多巴胺改性氧化透明质酸和复合纳米颗粒；所述复合纳米颗粒包括二氧化锰纳米颗粒，以及所述二氧化锰纳米颗粒表面上的壳聚糖涂层和所述壳聚糖涂层粘附的精氨酸。
本发明采用的复合纳米颗粒用于催化过氧化氢产生氧气，其中，复合纳米颗粒中的二氧化锰纳米颗粒表面上的壳聚糖涂层用于静电组装精氨酸，壳聚糖涂层上粘附的精氨酸用于产生一氧化氮。
根据本发明，所述水凝胶是由包括苯硼酸改性季胺化壳聚糖、多巴胺改性氧化透明质酸以及复合纳米颗粒通过形成席夫碱键和苯硼酸酯结构制备而成。
在一实施例中，通过将苯硼酸改性季胺化壳聚糖溶液、多巴胺改性氧化透明质酸溶液以及复合纳米颗粒混合，混合反应过程中，其氨基与醛基形成席夫碱键，苯硼酸与邻苯二酚形成苯硼酸酯结构，即可得到原位产氧的水凝胶。在水凝胶中分散有复合纳米颗粒，该复合纳米颗粒中的二氧化锰能够在过氧化氢存在下产生氧气。
本发明提供的水凝胶由复合纳米颗粒和生物可降解的水凝胶组成，其中复合纳米颗粒由壳聚糖、精氨酸和二氧化锰纳米颗粒合成；水凝胶由苯硼酸改性季胺化壳聚糖和多巴胺改性氧化透明质酸之间的席夫碱和硼酸酯键形成。将复合纳米颗粒引入到水凝胶中可催化过氧化氢分解产生氧气，增加组织氧合，以改善局部的氧化应激和乏氧微环境，从而增强缺氧性相关疾病治疗的功效。
根据本发明，所述苯硼酸改性季胺化壳聚糖，多巴胺改性氧化透明质酸和复合纳米颗粒的质量比为(2～4):(6～10):(0.25～1)。
根据本发明，所述苯硼酸改性季胺化壳聚糖是按照以下步骤制得：
获取季胺化壳聚糖；
将季胺化壳聚糖分散于水溶剂中获取季胺化壳聚糖溶液；
将1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺分散于季胺化壳聚糖溶液中，再加入4-羧基苯硼酸的甲醇溶液，反应12～24h，经后处理，获取苯硼酸改性季胺化壳聚糖。
在一实施例中，将壳聚糖悬浮于去离子水中并加入冰醋酸溶解，在55℃搅拌0.5～1h后，加入环氧丙基三甲基氯化胺在55℃反应15～24h，然后再用去离子水透析并冷冻干燥获得季胺化壳聚糖；将季胺化壳聚糖溶于去离子水中，并加入4-羧基苯硼酸、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺，室温反应12～24h，随后在水中透析并冷冻干燥获得苯硼酸改性季胺化壳聚糖。
其中，季胺化壳聚糖的质量浓度为0.5wt％；1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐、N-羟基琥珀酰亚胺和4-羧基苯硼酸的摩尔比为1:1:(1～1.5)。
根据本发明，所述多巴胺改性氧化透明质酸是按照以下步骤制得：
将1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐、N-羟基琥珀酰亚胺和盐酸多巴胺分散于氧化透明质酸水溶液中，在氮气的保护下反应12～24h，经后处理，获取多巴胺改性氧化透明质酸。
在一实施例中，将透明质酸溶解在去离子水中，加入高碘酸钠溶液并黑暗反应2～4h，加入过量乙二醇终止反应1～2h，随后在水中透析并冷冻干燥获得氧化透明质酸。将氧化透明质酸完全溶解在去离子水中，添加1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐、N-羟基琥珀酰亚胺和盐酸多巴胺，并在25℃反应12～24h，pH值保持在约5.5，并一直通氮气，随后在酸性水中透析并冷冻干燥获得多巴胺改性氧化透明质酸。其中，氧化透明质酸的质量浓度为1wt％；1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐、N-羟基琥珀酰亚胺和盐酸多巴胺的摩尔比为1:1:(1～2)。
根据本发明，所述复合纳米颗粒的粒径为105～165nm。
根据本发明，所述复合纳米颗粒制备方法，包括：
将牛血清白蛋白分散于多巴胺水溶液中，再加入高锰酸钾溶液，反应结束后，获得二氧化锰溶液；
将壳聚糖溶液分散于二氧化锰溶液中，获取壳聚糖-二氧化锰溶液；
将精氨酸水溶液分散于壳聚糖-二氧化锰溶液，反应结束后，经洗涤干燥后，获取复合纳米颗粒。
在一实施例中，复合纳米颗粒制备方法是：将盐酸多巴胺和牛血清白蛋白溶于去离子水中，加入高锰酸钾溶液室温反应2～4h，加入壳聚糖溶液反应0.5～1h以获得带正电的纳米颗粒；之后加入精氨酸并超声15～30min，离心、洗涤并冷冻干燥收集复合纳米颗粒。其中，高锰酸钾、盐酸多巴胺、牛血清白蛋白、壳聚糖和精氨酸的质量比为(0.2～1):1:2:(0.00125～0.01):(2～10)。
具体的，将100mg盐酸多巴胺和200mg牛血清白蛋白溶于100mL水中，间隔5min加入。将30mg的高锰酸钾溶解在2mL的去离子水中并滴加到上述混合物中，室温下搅拌2h。经透析、洗涤及冷冻干燥得到纯化的二氧化锰纳米颗粒。
将壳聚糖溶液以0.5mL/min的速度泵入二氧化锰溶液中，同时搅拌30min以获得带正电的纳米颗粒。经洗涤、离心、纯化得到壳聚糖-二氧化锰纳米颗粒。
将200mg精氨酸溶于水中，加入到壳聚糖-二氧化锰溶液中并超声15min。13900×g下离心10min，洗涤并冷冻干燥收集复合纳米颗粒(精氨酸-壳聚糖-二氧化锰纳米颗粒)。
所述二氧化锰纳米颗粒带负电，粒径为78～190nm，进一步优选105～120nm。所述壳聚糖-二氧化锰纳米颗粒带正电，粒径为68～190nm，进一步优选91～121nm。所述复合纳米颗粒带负电，粒径为91～190nm，进一步优选105～165nm。
其中，所述壳聚糖粘度为100～200mPa.s；所述复合纳米颗粒中锰离子含量为4％；所述复合纳米颗粒中精氨酸负载量为59.6mg/g。
本发明提供的一种原位产氧的水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
将多巴胺改性氧化透明质酸分散于去离子水中获取多巴胺改性氧化透明质酸溶液；将复合纳米颗粒分散于多巴胺改性氧化透明质酸溶液中，获取复合前驱液；
将苯硼酸改性季胺化壳聚糖溶解分散于去离子水中，获取苯硼酸改性季胺化壳聚糖前驱液；
将苯硼酸改性季胺化壳聚糖前驱液与复合前驱液，按照一定比例混合均匀后，获取原位产氧的水凝胶。
根据本发明，所述苯硼酸改性季胺化壳聚糖前驱液与复合前驱液体积比为1:1.5～3。优选的体积比为1:2。
在一实施例中，一种原位产氧的水凝胶的制备方法如下：
(1)将1g季胺化壳聚糖溶于去离子水中，并依次加入332.6mg1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐、246.6mgN-羟基琥珀酰亚胺和4-羧基苯硼酸。然后将混合溶液在室温下反应12～24h，经透析、冷冻干燥后得到苯硼酸改性季胺化壳聚糖。
(2)将1g氧化透明质酸溶解在100mL去离子中，依次加入0.474g1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐和0.285gN-羟基琥珀酰亚胺和0.388g盐酸多巴胺，并在25℃的氮气气氛下反应24h，pH值保持在5.5。经透析、冷冻干燥后得到多巴胺改性氧化透明质酸。
(3)将复合纳米颗粒按1mg/mL浓度分散于多巴胺改性氧化透明质酸溶液中，形成8wt％的复合纳米颗粒/多巴胺改性氧化透明质酸前驱液；
(4)取苯硼酸改性季胺化壳聚糖溶于去离子水中，加热溶解，形成3wt％苯硼酸改性季胺化壳聚糖前驱液；然后与步骤(3)复合纳米颗粒/多巴胺改性氧化透明质酸前驱液以1:2的体积比混合，混合后pH保持在7.5～8.5，得到产氧水凝胶。水凝胶由苯硼酸改性季胺化壳聚糖和多巴胺改性氧化透明质酸通过形成席夫碱键和苯硼酸酯结构制备而成。引入的复合纳米颗粒中精氨酸中氨基与醛基反应形成席夫碱，进一步将复合纳米颗粒引入到水凝胶中，通过水凝胶的降解从而释放复合纳米颗粒。
其中，步骤(1)中的季胺化壳聚糖的质量浓度为0.5wt％；壳聚糖季胺化程度为35％；1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐、N-羟基琥珀酰亚胺和4-羧基苯硼酸的摩尔比为1:1:(1～1.5)；4-羧基苯硼酸需用甲醇溶解；4-羧基苯硼酸改性率为23.1％。
步骤(2)中的氧化透明质酸的质量浓度为1wt％；透明质酸的氧化度为34％；1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐、N-羟基琥珀酰亚胺和盐酸多巴胺的摩尔比为1:1:(1～2)；多巴胺接枝率为25.2％。
所述步骤(4)中，苯硼酸改性季胺化壳聚糖浓度范围为2～4wt％；多巴胺改性氧化透明质酸浓度范围为6～10wt％；水凝胶中复合纳米颗粒的浓度为0.25～1mg/mL。
本发明提供的一种原位产氧的水凝胶作为高氧化应激损伤创面敷料的应用。优选的，原位产氧水凝胶作为耐甲氧西林金黄色葡萄球菌感染的糖尿病创面修复凝胶的应用。
下文将结合具体实施例对本发明的技术方案做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
需要说明的是，本发明中采用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；采用的试剂和材料，如无特殊说明，均可在市场上购买得到。
实施例1
二氧化锰产氧纳米颗粒的制备
在牛血清白蛋白存在下，通过高锰酸钾引发聚合和生物矿化作用，合成了二氧化锰纳米颗粒。具体步骤：
将30mg的高锰酸钾溶解在2mL的去离子水中，将100mg多巴胺溶于100mL水中，间隔5min加入200mg牛血清白蛋白。将溶解的高锰酸钾溶液滴加到述混合物中，将混合物在室温下搅拌2h。用透析袋(分子量3500Da)透析除去未反应的小分子，经冷冻干燥得到纯化的二氧化锰纳米颗粒，二氧化锰粒径为78～190nm，进一步优选105～140nm，所述二氧化锰纳米颗粒带负电。
实施例2
壳聚糖-二氧化锰产氧纳米颗粒的制备
通过静电自组装方法制备壳聚糖-二氧化锰纳米颗粒，具体步骤：
将30mg的高锰酸钾溶解在2mL的去离子水中，将100mg多巴胺溶于100mL水中，间隔5min加入200mg牛血清白蛋白。将溶解的高锰酸钾溶液滴加到述混合物中，将混合物在室温下搅拌2h。将1mg/mL壳聚糖溶液以0.5mL/min的速度泵入二氧化锰溶液中，同时搅拌30min以获得带正电的纳米颗粒。经洗涤、离心、纯化得到壳聚糖-二氧化锰纳米颗粒，其粒径为68～190nm，进一步优选91～141nm。
实施例3
复合纳米颗粒(精氨酸-壳聚糖-二氧化锰产氧纳米颗粒)的制备
通过静电自组装方法制备精氨酸-壳聚糖-二氧化锰纳米颗粒，具体步骤：
将30mg的高锰酸钾溶解在2mL的去离子水中，将100mg多巴胺溶于100mL水中，间隔5min加入200mg牛血清白蛋白。将溶解的高锰酸钾溶液滴加到述混合物中，将混合物在室温下搅拌2h。将1mg/mL壳聚糖溶液以0.5mL/min的速度泵入二氧化锰溶液中，同时搅拌30min以获得带正电的纳米颗粒。
将5mg/mL精氨酸溶于水中，并加入到壳聚糖-二氧化锰溶液中超声15min。13900×g下离心10min，用去离子水洗涤三次，并冷冻干燥收集精氨酸-壳聚糖-二氧化锰纳米颗粒，所述精氨酸-壳聚糖-二氧化锰纳米颗粒带负电，粒径为91～190nm，进一步优选105～165nm。
实施例4
一种原位产氧的水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
(1)苯硼酸改性季胺化壳聚糖的制备
称取1.5g季胺化壳聚糖溶于270mL去离子水中，室温搅拌直至季胺化壳聚糖完全溶解。在上述季胺化壳聚糖溶液中加入997.8mg1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐和739.8mgN-羟基琥珀酰亚胺继续搅拌。将1.545g4-羧基苯硼酸溶于30mL甲醇溶液中，缓慢滴加到上述混合溶液中，室温搅拌24h(pH5.5)。将混合物转移至透析袋(MWCO：8-14KDa)中用去离子水室温透析3d，以除去未反应的小分子。透析液经冻干燥后得到苯硼酸改性季胺化壳聚糖。
(2)多巴胺改性氧化透明质酸的制备
将2.0g氧化透明质酸溶解在200mL去离子水中，室温搅拌直到获得澄清溶液。向氧化透明质酸溶液中分别加入0.948g1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐、0.57gN-羟基琥珀酰亚胺和0.776g盐酸多巴胺，并在氮气保护下反应12h，pH值保持在5.5。然后用酸性去离子水将混合物透析3d以去除未反应的副产物，将纯化产物冷冻干燥即可得到多巴胺改性氧化透明质酸。
(3)产氧水凝胶制备
将多巴胺改性氧化透明质酸以6wt％的浓度溶解在去离子水中，并将复合纳米颗粒以0.5mg/mL的浓度分散在多巴胺改性氧化透明质酸溶液中，形成复合纳米颗粒/多巴胺改性氧化透明质酸前驱液。将苯硼酸改性季胺化壳聚糖溶解在去离子水中，配置成2wt％的前驱液溶液。将苯硼酸改性季胺化壳聚糖前驱液和复合纳米颗粒/多巴胺改性氧化透明质酸前驱液按1:2比例混合均匀，即可制备出原位产氧水凝胶，参见图1所示，从图1中可知，通过氨基和醛基之间的席夫碱反应以及苯硼酸和邻苯二酚之间的硼酸酯结构最终形成动态水凝胶网络，同时负载产氧复合纳米颗粒，从而形成原位产氧水凝胶，其中产氧纳米颗粒能够在高氧化应激环境中将过氧化氢催化产生氧气，并在一氧化氮合成酶和氧气存在下生成一氧化氮。图1中：PBA-QCS表示苯硼酸接枝季胺化壳聚糖；DA-OHA表示多巴胺改性氧化透明质酸；ACMNPs表示产氧复合纳米颗粒。
实施例5
与实施例4相同，不同之处在于，步骤(3)中，将多巴胺改性氧化透明质酸以8wt％的浓度溶解在去离子水中，并将复合纳米颗粒以0.5mg/mL的浓度分散在多巴胺改性氧化透明质酸溶液中，形成复合纳米颗粒/多巴胺改性氧化透明质酸前驱液。将苯硼酸改性季胺化壳聚糖溶解在去离子水中，配置成3wt％的前驱液溶液。将苯硼酸改性季胺化壳聚糖前驱液和复合纳米颗粒/多巴胺改性氧化透明质酸前驱液按1:2比例混合均匀，即可制备出原位产氧水凝胶。
实施例6
与实施例4相同，不同之处在于，步骤(3)中，将多巴胺改性氧化透明质酸以10wt％的浓度溶解在去离子水中，并将复合纳米颗粒以0.5mg/mL的浓度分散在多巴胺改性氧化透明质酸溶液中，形成复合纳米颗粒/多巴胺改性氧化透明质酸前驱液。将苯硼酸改性季胺化壳聚糖溶解在去离子水中，配置成2.5wt％的前驱液溶液。将苯硼酸改性季胺化壳聚糖前驱液和复合纳米颗粒/多巴胺改性氧化透明质酸前驱液按1:2比例混合均匀，即可制备出原位产氧水凝胶。
对比例1
一种水凝胶的制备方法，与实施例4相同，不同之处在于，步骤(3)中，未加入复合纳米颗粒。
为了说明本发明提供的复合纳米颗粒以及水凝胶的相关性能，仅对实施例3提供的复合纳米颗粒、实施例4提供的产氧水凝胶以及对比例1提供的水凝胶相关性能进行说明。
对实施例4提供的产氧水凝胶结构性能表征，首先制备不同浓度产氧水凝胶样品，将其立即置于液氮中充分速冻，并置于冷冻干燥机中冻干，将冻干的水凝胶粘贴在导电胶上真空喷金，使用钨灯丝扫描电镜观察水凝胶的表面形貌，EDS分析各元素在水凝胶中的分布情况。通过ImageJ软件分析水凝胶的孔径大小，参见图2所示。图2表示产氧水凝胶的扫描电镜图。由图2可知，产氧水凝胶内部孔径结构均匀，复合纳米颗粒均匀分布。
对实施例3提供的复合纳米颗粒(精氨酸-壳聚糖-二氧化锰纳米颗粒)产氧性能以及实施例4提供的水凝胶产氧性能表征，参见图3所示。图3表示实施例4提供产氧水凝胶的产氧效果。图3中，PBS+ACM表示PBS溶液中产氧复合纳米颗粒释氧特性；PBS+PDM表示PBS溶液中产氧水凝胶释氧特性；H2O2+ACM表示含10mMH2O2的PBS溶液中产氧复合纳米颗粒释氧特性；H2O2+PDM表示含10mMH2O2的PBS溶液中产氧水凝胶释氧特性；图3可知，在其他条件相同的情况下，复合纳米颗粒在PBS溶液中几乎没有氧气产生，而在H2O2溶液中持续产生氧气长达6h，这有利于改善糖尿病伤口氧化应激状态以及缓解伤口缺氧微环境，促进伤口愈合。在PBS和H2O2中分别监测水凝胶释放氧气的能力，将600μLPDM水凝胶样品加入20mL10mMH2O2溶液中，立即将溶解氧计的探针浸入其中，在预定时间记录氧气浓度。作为对照，在20mLPBS中加入600μL样品进行氧浓度检测。由图3可知，实施例4制备的产氧水凝胶可在H2O2溶液中持续释放氧气，并且水凝胶可以缓解氧气的释放。
对实施例3提供的复合纳米颗粒、实施例4提供的产氧水凝胶以及对比例提供的水凝胶生物相容性表征，将L929细胞以10000/孔的密度接种在48孔板中并贴壁生长12h。制备直径5mm，厚度1mm的水凝胶圆片，75％医用酒精浸泡灭菌，PBS清洗3遍。将灭菌的产氧水凝胶加入到细胞中共孵育，其中，将未加入产氧水凝胶、实施例3提供的复合纳米颗粒以及对比例1提供的水凝胶作为对照组。孵育1、3和5天后，弃掉水凝胶和培养基，用PBS清洗细胞1遍。加入MTT溶液并培养4h，加入DMSO，摇床振荡孵育10min，使用多功能酶标仪测定490nm处吸光度值。根据下列公式计算细胞活力：细胞活力(％)＝(ODh-ODn)/ODn×100％；参见图4所示。图4(A)细胞活力检测；图4(B)细胞活/死染色结果。其中：ODh为水凝胶孵育1、3和5天后的吸光度值，ODn为对照组的吸光度值。结果如图4(A)。其中，图4表示产氧水凝胶的生物相容性效果；图4中，Control：不做任何处理；ACM：实施例3提供的复合纳米颗粒；PD：对比例1提供的水凝胶；PDM：实施例4提供的产氧水凝胶。同时，将L929细胞分别与未加入产氧水凝胶、实施例3提供的复合纳米颗粒以及对比例1提供的水凝胶和实施例4提供的产氧水凝胶共孵育，培养5天后，加入Calcein-AM/PI检测工作液，37℃避光孵育30min，在倒置荧光显微镜下观察染色效果。结果如图4(B)，产氧水凝胶与L929共培养，细胞相容性好，无细胞毒性。
对实施例4提供的产氧水凝胶抗菌性表征，将细菌与产氧水凝胶孵育4h后，4％多聚甲醛固定过夜，梯度酒精脱水(70％、75％、80％、85％、90％、95％、无水乙醇)，每次10min。放入冻干机中干燥并喷金，使用SEM观察细菌形貌，参见图5所示。图5表示产氧水凝胶的抗菌结果，利用SEM研究E.coil、S.aureus和MRSA分别与产氧水凝胶孵育后的形态学变化，发现正常细菌表面光滑，没有观察到明显的损伤，当微生物附着在产氧水凝胶表面时，其形态受到影响，表面变得粗糙、细胞膜凹陷受损，表明产氧水凝胶具有优良的抗菌效果，其将未加入产氧水凝胶作为对照组。其中，图5中，E.coil：大肠杆菌；S.aureus：金黄色葡萄球菌；MRSA：耐甲氧西林金黄色葡萄球菌。
对实施例4提供的产氧水凝胶用于MRSA感染糖尿病动物伤口愈合测试，基于MRSA感染的全层糖尿病创面小鼠模型评估产氧水凝胶在体内的创面愈合效果。简而言之，首先在糖尿病小鼠背部脊柱处(尾巴以上2cm)，用特制打孔器切除全层皮肤，形成直径为7mm圆形创面，创面深至皮下，未伤及脊柱旁或腹部肌肉上的脂肪和筋膜。将30μLMRSA菌液滴加到创面处，然后对伤口采取不做任何处理、3M膜处理、水凝胶处理、产氧水凝胶四种措施进行实验。分别在第0、3、7和14天拍摄创面并记录伤口状况，参见图6所示。
图6表示产氧水凝胶对MRSA感染的糖尿病伤口的治疗效果；图6中Control：不做任何处理；ACM：实施例3提供的复合纳米颗粒；PD：对比例1提供的水凝胶；PDM：实施例4提供的产氧水凝胶。其中，图6(A)表示第0、3、7和14天伤口图片和不同治疗组的抗菌效果；图6表示(B)伤口愈合率。
从图6可以发现，产氧水凝胶组显示出比其他三组较好的伤口愈合效果，在第3天，由于对照组和复合纳米颗粒组中没有任何抗菌成分，导致伤口表面出现黄色的细菌膜，其伤口愈合率远小于水凝胶和产氧水凝胶组。创面使用水凝胶治疗后，第3天，对照组创面愈合率最低，为10.7％。与对照组相比，单独的水凝胶和复合纳米颗粒的治疗显著减少了伤口面积，伤口愈合率分别为16.0％和27.5％。值得注意的是，产氧水凝胶具有最佳的治疗效果，治愈率为49.6％。第7天，所有组的创面都明显缩小，水凝胶和复合纳米颗粒组保持相近的伤口愈合率，分别为43.1％和46.7％，显著高于对照组(33.8％)，产氧水凝胶组的伤口愈合率最高为72.7％。在第14天，产氧水凝胶组皮肤缺损几乎完全消失，而在对照组、复合纳米颗粒和水凝胶组中仍观察到伤口区域，其伤口愈合率分别为89.9％、94.9％和96.2％。进一步通过在LB琼脂板上培养创面部位的细菌，评估产氧水凝胶的体内抗菌性能。结果表明，对照组可以观察到大量的细菌菌落，而产氧组菌落数量最少，说明产氧水凝胶在体内具有抗菌作用，有效抑制MRSA感染的糖尿病小鼠皮肤缺损处的细菌生长，有利于创面愈合。综上，单独的水凝胶和单一的复合纳米颗粒对糖尿病伤口愈合的积极作用有限，综合二者形成的产氧表现出最佳的治疗效果，推测复合纳米颗粒的氧气释放与水凝胶抗菌性间具有的协同促进伤口愈合作用，这表明实施例4制备的产氧水凝胶具有促MRSA感染的糖尿病伤口修复作用。
本发明提供的产氧水凝胶，基于原位产氧的水凝胶和复合纳米颗粒之间的协同作用，即抗菌、改善氧化应激，同时释放氧气，可实现组织血管快速生成、增加伤口的愈合率，实现伤口的快速愈合等功能。该原位产氧的水凝胶能够有效地改善糖尿病创面氧化应激和缺氧微环境。同时具有良好的生物相容性、抗菌性、止血功能和促细胞增殖功能。本发明提供的产氧的水凝胶制剂可用作高氧化应激损伤创面的治疗。
本发明描述了优选实施例及其效果。但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种原位产氧的水凝胶，其特征在于，所述水凝胶包括苯硼酸改性季胺化壳聚糖，多巴胺改性氧化透明质酸和复合纳米颗粒；
所述复合纳米颗粒包括二氧化锰纳米颗粒，以及所述二氧化锰纳米颗粒表面上的壳聚糖涂层和所述壳聚糖涂层粘附的精氨酸。
2.根据权利要求1所述的原位产氧的水凝胶，其特征在于，所述苯硼酸改性季胺化壳聚糖，多巴胺改性氧化透明质酸和复合纳米颗粒的质量比为(2～4):(6～10):(0.25～1)。
3.根据权利要求1所述的原位产氧的水凝胶，其特征在于，所述水凝胶是由包括苯硼酸改性季胺化壳聚糖、多巴胺改性氧化透明质酸以及复合纳米颗粒通过形成席夫碱键和苯硼酸酯结构制备而成。
4.根据权利要求1所述的原位产氧的水凝胶，其特征在于，所述苯硼酸改性季胺化壳聚糖是按照以下步骤制得：
获取季胺化壳聚糖；
将季胺化壳聚糖分散于水溶剂中获取季胺化壳聚糖溶液；
将1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺分散于季胺化壳聚糖溶液中，再加入4-羧基苯硼酸的甲醇溶液，反应12～24h，经后处理，获取苯硼酸改性季胺化壳聚糖。
5.根据权利要求1所述的原位产氧的水凝胶，其特征在于，所述多巴胺改性氧化透明质酸是按照以下步骤制得：
将1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐、N-羟基琥珀酰亚胺和盐酸多巴胺分散于氧化透明质酸水溶液中，在氮气的保护下反应12～24h，经后处理，获取多巴胺改性氧化透明质酸。
6.根据权利要求1所述的原位产氧的水凝胶，其特征在于，所述复合纳米颗粒的粒径为105～165nm。
7.根据权利要求1所述的原位产氧的水凝胶，其特征在于，所述复合纳米颗粒制备方法，包括：
将牛血清白蛋白分散于多巴胺水溶液中，再加入高锰酸钾溶液，反应结束后，获得二氧化锰溶液；
将壳聚糖溶液分散于二氧化锰溶液中，获取壳聚糖-二氧化锰溶液；
将精氨酸水溶液分散于壳聚糖-二氧化锰溶液，反应结束后，经洗涤干燥后，获取复合纳米颗粒。
8.一种权利要求1～7任一项所述的原位产氧的水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将多巴胺改性氧化透明质酸分散于去离子水中获取多巴胺改性氧化透明质酸溶液；将复合纳米颗粒分散于多巴胺改性氧化透明质酸溶液中，获取复合前驱液；
将苯硼酸改性季胺化壳聚糖溶解分散于去离子水中，获取苯硼酸改性季胺化壳聚糖前驱液；
将苯硼酸改性季胺化壳聚糖前驱液与复合前驱液，按照一定比例混合均匀后，获取原位产氧的水凝胶。
9.根据权利要求8所述的原位产氧的水凝胶的制备方法，其特征在于，所述苯硼酸改性季胺化壳聚糖前驱液与复合前驱液体积比为1:1.5～3。
10.一种权利要求1～7任一项所述的原位产氧的水凝胶作为高氧化应激损伤创面敷料的应用。
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