CN117771423A - 一种改性壳聚糖复合水凝胶的制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改性壳聚糖复合水凝胶的制备方法及应用。本发明提供一种具有抗炎抑菌作用、并能促进细胞增殖修复、有较好力学性能的改性壳聚糖复合水凝胶。将绿原酸改性壳聚糖与PNIPAm通过物理共混制备得到双分子水凝胶,制备方法简单便捷,不仅提升了复合水凝胶的力学性能,还能促进细胞增殖,具有较好的抗炎抑菌效果,没有溶血性,具有生物安全性和细胞相容性,对人皮肤创面刺激性较小;复合水凝胶的相转变点为32~33℃,在32℃以下为液体,凝胶后能更加贴合创面形状,提升了水凝胶整体的机械强度,比传统的壳聚糖基水凝胶抗炎抑菌效果、力学性能更好,使用场景更为广泛,为制备改性壳聚糖复合水凝胶提供了研究思路和基础。
Description
技术领域
本发明属于生物医药材料以及水凝胶制备技术领域。更具体地,涉及一种改性壳聚糖复合水凝胶的制备方法及应用。
背景技术
水凝胶(Hydrogel)是一类极为亲水的三维网络结构凝胶,它在水中迅速溶胀并在此溶胀状态可以保持大量体积的水而不溶解,具有良好的亲水性,充分膨胀后具有与机体组织相似的物理性质,如柔软、有弹性、与生物液之间的界面张力低等,常作为医学辅料使用。壳聚糖(chitosan,CS)是一种天然碱性多糖,具有生物活性、良好的生物相容性、完全可降解性及无毒性等优点,是良好的药物控制释放载体材料。以壳聚糖为基材,通过物理方法或化学方法可制备出pH敏感型、温敏型、光敏型等多种形式的不同性能的水凝胶。
壳聚糖基水凝胶具有良好的生物相容性和降解性,还具有一些特异性功能如抗菌性、抗氧化性、以及止血能力,因此,壳聚糖基水凝胶在生物医用材料上有广泛的应用;例如组织修复、药物缓释等。因为壳聚糖不溶于水,所以在水凝胶制备领域常进行改性后使用,如若不进行改性则需要复合其他化学制剂使用,进行复杂的反应制备。但由于壳聚糖基水凝胶的力学性能较差,其抗炎抑菌效果和修复性能也有限,且其制备方法也复杂繁琐,这严重限制了其在实际中的应用。如现有技术公开的壳聚糖-绿原酸-氧化透明质酸-去铁胺(CCOD)复合水凝胶材料,其制备方法复杂,力学性能还有待提升。虽然现有技术采用绿原酸改性壳聚糖后能提升其抑菌性能,但是采用绿原酸改性壳聚糖后在不进行冻干的条件下无法成胶,就算冻干成胶之后的溶胀性能也不好,力学性能较差。因此,为了提高壳聚糖基水凝胶的机械强度,提升壳聚糖基水凝胶的抗炎抑菌效果,降低对人体皮肤创面的刺激性,更加贴合创面形状,有必要研究和开发出更多的、具有更好力学性能以及抗炎抑菌效果的改性壳聚糖复合水凝胶,为制备生物医用材料提供更多的技术手段和方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在壳聚糖基水凝胶的力学性能较差,其抗炎抑菌效果和修复性能有待提升,制备方法也复杂繁琐的缺陷和不足,提供一种改性壳聚糖复合水凝胶的制备方法及应用。
本发明的目的是提供一种改性壳聚糖复合水凝胶。
本发明另一目的是提供改性壳聚糖复合水凝胶的制备方法。
本发明又一目的是提供改性壳聚糖复合水凝胶的应用。
本发明上述目的通过以下技术方案实现:
本发明提供一种改性壳聚糖复合水凝胶,由以下质量份数的原料构成:绿原酸改性壳聚糖1~2份,PNIPAm 1~4份。
本发明将绿原酸改性壳聚糖与PNIPAm在特定的配比下,通过物理共混的方式,制备得到双分子水凝胶,具有良好的抗炎抑菌作用、能促进细胞增殖修复,其原料组分之间具有一定的协同效果,将绿原酸改性壳聚糖与PNIPAM复合后提升了水凝胶的力学性能;在一定的配比下,复合水凝胶的质构发生变化,其效果优于纯PNIPAm水凝胶,且在较少PNIPAm用量下能达到更好效果。本发明提供的复合水凝胶无溶血活性,有较好的生物安全性和细胞相容性,对人皮肤创面刺激性小,并提高了壳聚糖基水凝胶的机械强度,为制备抗炎抑菌类药物提供了基础。
优选地,改性壳聚糖复合水凝胶由以下质量份数的原料构成:绿原酸改性壳聚糖1~2份,PNIPAm 1~2份。
更优选地,改性壳聚糖复合水凝胶由以下质量份数的原料构成:绿原酸改性壳聚糖1份,PNIPAm 1~2份。
进一步地,所绿原酸改性壳聚糖由活化后的绿原酸混合溶液与壳聚糖溶液混合反应得到;所述活化后的绿原酸混合溶液与壳聚糖溶液的用量比例(1~10):1。
更进一步地,所述活化后的绿原酸混合溶液由绿原酸和1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐溶于70~80%(v/v)乙醇溶液,后加入N-羟基琥珀酰亚胺,进行冰浴反应得到;所述壳聚糖溶液由壳聚糖溶于1~3%(v/v)乙酸溶液中得到。
优选地,活化后的绿原酸混合溶液与壳聚糖溶液的质量比为(1~2):1。
进一步地,所述PNIPAm由NIPAm、交联剂、引发剂、催化剂制备得到;所述交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺,催化剂为无水亚硫酸钠,引发剂为过硫酸铵;所述NIPAm、交联剂、引发剂、催化剂的质量比为(90~110):(1~2):(0.5~2):(1~4)。
优选地,NIPAm、交联剂、引发剂、催化剂的质量比为100:1:1:2。
本发明制备的复合水凝胶不仅具有较好的力学性能,且复合水凝胶的相转变点为32~33℃,在32℃以下为液体,在32~33℃条件下1min后凝胶,凝胶后能更加贴合创面形状,得到的水凝胶均一,相比于现有技术采用PNIPAm与未改性壳聚糖制备的水凝胶(成黏糊胶状,容易产生沉淀)能够更好地应用于伤口处。本发明简化了水凝胶的制备工艺,制备方法简单,全程不需要加热,方便快捷,直接进行物理共混即可,无需进行接枝反应、或者复合改性就能制备得到复合水凝胶。
本发明提供复合水凝胶的制备方法,包括以下步骤:
S1.绿原酸改性壳聚糖的制备:将绿原酸和有机物A溶于70~80%(v/v)乙醇溶液中,后加入有机物B,进行冰浴反应得到活化后的绿原酸混合溶液;再将壳聚糖溶于乙酸溶液中得到壳聚糖溶液;按滴法将活化后的绿原酸混合溶液滴加到壳聚糖溶液中,先进行冰浴反应,后进行暗室反应,最后离心、透析,得到绿原酸改性壳聚糖;
S2.PNIPAm的制备:将NIPAm与催化剂、交联剂混合后,于一定温度下加入引发剂,进行反应,反应完成之后透析处理,即得PNIPAm;
S3.改性壳聚糖水凝胶的复合:将绿原酸改性壳聚糖和PNIPAm按照比例进行物理混合,制备得到改性壳聚糖复合水凝胶。
优选地,步骤S1中有机物A为1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐,有机物B为N-羟基琥珀酰亚胺;绿原酸与1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐、N-羟基琥珀酰亚胺的质量比(1~2):(1~6):(1~4);乙酸溶液浓度为1~3%(v/v)。
优选地,绿原酸与1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐、N-羟基琥珀酰亚胺的质量比2:1:1。
更优选地,所述乙醇溶液浓度为70%(v/v),所述乙酸溶液浓度为1%(v/v)。
优选地,步骤S1中冰浴反应条件为:在-20~-4℃条件下,反应10~30min;所述暗室反应条件为:黑暗条件下反应12~24h;所述离心条件为:9000~11000rpm/min,离心20~40min:所述透析采用10000~14000Da透析袋,透析时间为4~5天。
更优选地,冰浴时间为30min;暗室反应时间为24h;离心条件为11000rpm/min,离心时间为30min;透析袋为14000Da,透析时间为3天。
优选地,步骤S2中反应温度为0~25℃,反应时间为4~8h;透析采用1000~3500Da透析袋,透析1~2天。
更优选地,反应温度为4℃;PNIPAm透析袋为3500Da,透析时间为1天。
本发明还提供复合水凝胶在制备抗炎抑菌、促进细胞修复增殖的产品中的应用。
进一步地,所述产品为医用敷料或缓释材料。
本发明具有以下有益效果:
本发明提供一种改性壳聚糖复合水凝胶,其主要有效成分为绿原酸改性壳聚糖和PNIPAm,研究显示本发明提供的改性壳聚糖复合水凝胶比传统的壳聚糖基水凝胶的力学性能、抗炎抑菌效果更好。同时,本发明采用绿原酸改性后的壳聚糖与NIPAm通过使用物理共混的方法,将两种改性壳聚糖进行复合,方法简单便捷,制备得到的复合水凝胶在32℃以下为液体,凝胶后能更加贴合创面形状,得到的水凝胶均一,相比于现有技术PNIPAm和未改性壳聚糖制备的水凝胶能够更好地应用于伤口处;且复合后的改性壳聚糖水凝胶具有优异的抗炎抑菌的作用,同时复合后的水凝胶能促进细胞增殖修复,无溶血活性,有较好的生物安全性和细胞相容性,还降低了对人体皮肤创面的刺激性,为制备生物医用材料提供更多的技术手段和方法。
附图说明
图1为复合水凝胶红外光谱检测结果。
图2为复合水凝胶各组24h细胞毒性结果。
图3为复合水凝胶各组对LPS诱导的Raw264.7细胞的CD86荧光标记结果。
图4为复合水凝胶各组对LPS诱导的Raw264.7细胞的CD206荧光标记结果。
图5为复合水凝胶对金黄色葡萄球菌及大肠杆菌的抑菌实验结果。
图6为复合水凝胶于不同浓度下的溶血性能。
图7为复合水凝胶于不同比例复合后的振荡剪切流变学检测结果。
图8为复合水凝胶的液体状态和成胶状态图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本发明,但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明,本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
除非特别说明,以下实施例所用试剂和材料均为市购。
实施例1改性壳聚糖复合水凝胶的制备
S1.绿原酸改性壳聚糖
按质量份数计,将绿原酸2份和1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐1份溶于25mL用量的70%(v/v)乙醇溶液中,后加入N-羟基琥珀酰亚胺1份,冰浴反应30min。再将壳聚糖溶于100mL用量的1%(v/v)乙酸溶液中。按滴法将反应后的绿原酸混合溶液加入壳聚糖溶液中,两种溶液的质量比例2:1,先进行冰浴反应30min,后进行暗室反应24h。反应完成后进行离心透析处理,离心条件为11000rpm/min,离心时间30min,透析袋为14000Da,透析时间3天,得到绿原酸改性壳聚糖。
同时,采用壳聚糖与上述制备得到的绿原酸改性壳聚糖进行红外光谱分析,使用仪器为研究型红外光谱仪(厂家:Thermo-Filsher,型号:Nicolet 6700)。结果如图1所示,可以看出在于1608.3cm-1处的壳聚糖伯胺双峰在反应后发生了改变,变成了1610.2cm-1的仲酰胺单峰,且于775.2cm-1左右出现了酰胺Ⅴ峰,即显示绿原酸成功接入壳聚糖,绿原酸改性壳聚糖制备成功。
S2.PNIPAm的制备
将N-异丙基丙烯酰胺(NIPAm)按照质量比例1:10加入去离子水后,按质量份数计,取100份NIPAm,加入1份的交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺后,于一定温度下快速加入1份引发剂过硫酸铵与2份催化剂无水亚硫酸钠进行反应,反应温度为4℃,反应时间为4~8h。反应完成之后进行透析处理,透析袋为3500Da,透析时间1天,制备得到聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAm)。
S3.改性壳聚糖水凝胶的复合
按质量份数计,将上述透析后的绿原酸改性壳聚糖1份和PNIPAm 1份进行物理混合均匀后即制备完成,得到改性壳聚糖复合水凝胶。
实施例2改性壳聚糖复合水凝胶的制备
制备方法同实施例1,唯一区别在于,步骤S3中绿原酸改性壳聚糖与PNIPAm的质量比为1:2。
实施例3改性壳聚糖复合水凝胶的制备
制备方法同实施例1,唯一区别在于,步骤S3中绿原酸改性壳聚糖与PNIPAm的质量比为2:1。
实施例4改性壳聚糖复合水凝胶的制备
制备方法同实施例1,唯一区别在于,步骤S3中绿原酸改性壳聚糖与PNIPAm的质量比为1:4。
对比例1绿原酸改性壳聚糖水凝胶
绿原酸改性壳聚糖制备方法同实施例1,唯一区别在于,不采用PNIPAm,直接使用绿原酸改性壳聚糖冻干复溶后,直接制备得到绿原酸改性壳聚糖水凝胶。
对比例2PNIPAm水凝胶
PNIPAm的制备同实施例1,唯一区别在于,不采用绿原酸改性壳聚糖,直接使用PNIPAm透析液制备到纯PNIPAm水凝胶。
对比例3
改性壳聚糖复合水凝胶的制备同实施例1,唯一区别在于,步骤S3中绿原酸改性壳聚糖与PNIPAm水凝胶的质量比为1:10。
对比例4
改性壳聚糖复合水凝胶的制备同实施例1,唯一区别在于,步骤S3中绿原酸改性壳聚糖与PNIPAm水凝胶的质量比为10:1。
测试例1改性壳聚糖复合水凝胶的细胞毒性测试
使用人源的Hacat细胞(购自源普诺赛),进行培养消化等操作后得到Hacat细胞悬液,将细胞悬液浓度稀释到1×105个/mL,之后取100μL进行种板。在种板24h后去除培养基后,使用DMEM高糖基础培养基稀释后的不同处理组共混培养24h,处理组设置为Control组(只含DMEM高糖培养基)、CA组(只含有绿原酸溶液,由无水乙醇配制得到)、CA@CS组(对比例1)、PNIPAm组(对比例2)、CAS/PNIPAm组(实施例1),各组的浓度、添加量相同,在24h后去除上清液加入浓度为0.5mg/mL的MTT溶液培养4h后于570nm处测量其吸光度,检测不同水凝胶处理组对于Hacat细胞的细胞毒性。
结果如图2所示,复合后的水凝胶对Hacat细胞没有细胞毒性,效果优于其他处理组,具有较好的细胞相容性,能促进细胞增殖,对于皮肤伤口可能具有较好的修复效果。
测试例2改性壳聚糖复合水凝胶的抗炎测试
使用鼠源的Raw264.7细胞(购自博辉生物),进行培养消化等操作后得到Raw264.7细胞悬液,将细胞悬液浓度稀释到1×105个/mL,之后取1mL进行种板。种板24h后,去除培养基后,使用DMEM基础培养基稀释后的不同处理组共混培养2h,加入1μL浓度为1mg/mL的脂多糖进行炎症模型诱导培养;以只加入DMEM基础培养基不加入LPS的为空白组;以加入DMEM基础培养基和LPS不加入水凝胶的为模型组;以加入DMEM基础培养基和LPS同时加入实施例2及对比例2的水凝胶材料为复合水凝胶组;分别为培养24h后,统计细胞中CD86和CD206的数量,使用CD86和CD206的抗体和试剂进行免疫荧光实验,并对其进行标记染色处理,于倒置显微镜下对空白组、模型组、实施例2及对比例2观察,并统计结果。
通过对炎症标志物的检测,结果如图3、图4所示,复合水凝胶组别的CD86(促M1表型标记物)的荧光统计显著低于模型组,CD206(促M2表型标记物)的荧光统计显著高于模型组,表明本发明制备的复合水凝胶对LPS诱导的Raw264.7炎症细胞模型具有较好的抗炎作用。
测试例3改性壳聚糖复合水凝胶的抑菌性能测试
本测试例采用的细菌为大肠杆菌(购自聚合美,菌株编号ER2738)和金黄色葡萄球菌(购自环凯,菌株编号ATCC25923),分别将细菌原液使用PBS稀释到OD600=0.01,之后分别与50mg/mL的实施例1改性壳聚糖复合水凝胶、以及对比例2的PNIPAm水凝胶材料进行共培养24h,之后将共培养的菌液稀释1000倍后进行平板涂布,检测不同的水凝胶对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的抑菌效果。
结果如图5所示,显示绿原酸与PNIPAm复合后的材料相比于复合前的材料,对于金黄色葡萄球菌及大肠杆菌的抑菌性能得到了明显的提升。
测试例4改性壳聚糖复合水凝胶的溶血安全性能测试
取无菌脱纤维羊血(购自鸿泉生物)加入37℃的PBS中,混匀后,离心15min后去除上清液中的蛋白质层,重复3次,重复完成后,加入37℃的PBS后,加入不同浓度(12.5、25、50、100、200mg/mL)的实施例1改性壳聚糖复合水凝胶材料于37℃共混1h后,离心,并于560nm处检测吸光度,检测不同浓度的水凝胶对于无菌脱纤维羊血的溶血性能。
结果如图6所示,显示本发明提供的改性壳聚糖复合水凝胶浓度为100mg/mL时对血液的溶血率<2%,低于国家标准(<5%),在较高浓度下没有溶血性,具有生物安全性,能够很好地用于伤口敷料的制备与应用。
测试例5改性壳聚糖复合水凝胶的机械学性能
将上述实施例1-3及对比例2制备的改性壳聚糖复合水凝胶进行机械学性能测试,使用流变仪(型号HAAKE MARS60,厂家科学指南针)在1%应变,37℃条件下的振荡剪切测定其水凝胶的流变学的力学性能,其中,1C1N组为实施例1、1C2N组为实施例2,2C1N组为实施例3,PNIPAm组为对比例2。
结果如图7所示,在测试的实验组中,弹性模量最高的为1C1N组(实施例1),且复合后的水凝胶组的弹性模量大于复合前的纯PNIPAm组(对比例2),故复合后的水凝胶流变学性能得到了提升,力学性能更好。在一定的配比下,复合水凝胶的质构发生变化,其效果优于纯PNIPAm水凝胶,且在较少PNIPAm用量下能达到更好效果;显示各原料组分之间具有一定的协同效果,将绿原酸改性壳聚糖与PNIPAM复合后提升了水凝胶的力学性能。
同时,采用对比1制备的绿原酸改性壳聚糖水凝胶进行力学性能测定,由于该水凝胶在冻干之后复溶1h后稍微振荡下就散开了,其力学性能较差,无法测定。本发明制备的复合水凝胶不仅具有较好的力学性能,且复合水凝胶的相转变点为32~33℃,在32℃以下为液体,在32~33℃条件下1min后凝胶,如图8所示,凝胶后能更加贴合创面形状,得到的水凝胶均一;由于未改性的壳聚糖不溶于水,利用PNIPAm来提升其力学性能时,制备得到的水凝胶,不仅容易产生沉淀,且制备得到的水凝胶呈黏糊状,还需添加其他化学试剂进行制备,影响壳聚糖基水凝胶的应用。而本发明提供的改性壳聚糖复合水凝胶相比于现有技术采用PNIPAm与未改性壳聚糖制备的水凝胶(成黏糊胶状,容易产生沉淀)能够更好地应用于伤口处。
进一步地,本发明还对对比例1~4制备的水凝胶进行了上述测试例1~4的测定,结果显示,在相同浓度用量下,含有单一改性壳聚糖水凝胶以及不同改性步骤、配比的水凝胶效果不及本发明制备的改性壳聚糖复合水凝胶的效果。
综上,本发明提供一种具有抗炎抑菌作用、并能促进细胞增殖修复、有较好力学性能的改性壳聚糖复合水凝胶。将绿原酸改性壳聚糖与PNIPAm通过物理共混制备得到双分子水凝胶,制备方法简单便捷,按照特定比例制备的复合水凝胶效果最佳,不仅提高了壳聚糖基水凝胶的力学性能,能明显减少炎症反应以及降低有害菌株的数量,具有抗炎抑菌效果;还无溶血活性,具有较好的生物安全性和细胞相容性,对人皮肤创面的刺激性较小,能促进细胞增殖作用;凝胶前为液体,凝胶后能更加贴合创面形状,得到的水凝胶均一,比传统的壳聚糖基水凝胶的抗炎抑菌效果、力学性能更好,使用场景更为广泛,为制备改性壳聚糖复合水凝胶提供了研究思路和基础。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种改性壳聚糖复合水凝胶,其特征在于,由以下质量份数的原料构成:绿原酸改性壳聚糖1~2份,PNIPAm 1~4份。
2.根据权利要求1所述复合水凝胶,其特征在于,由以下质量份数的原料构成:绿原酸改性壳聚糖1~2份,PNIPAm 1~2份。
3.根据权利要求1或2所述复合水凝胶,其特征在于,所述绿原酸改性壳聚糖由活化后的绿原酸混合溶液与壳聚糖溶液混合反应得到;所述活化后的绿原酸混合溶液与壳聚糖溶液的质量比为(1~10):1。
4.根据权利要求1或2所述复合水凝胶,其特征在于,所述PNIPAm由NIPAm、交联剂、引发剂、催化剂制备得到;所述交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺,催化剂为无水亚硫酸钠,引发剂为过硫酸铵;所述NIPAm、交联剂、引发剂、催化剂的质量比为(90~110):(1~2):(0.5~2):(1~4)。
5.权利要求1~4任一所述复合水凝胶的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1.绿原酸改性壳聚糖的制备:将绿原酸和有机物A溶于70~80%(v/v)乙醇溶液中,后加入有机物B,进行冰浴反应得到活化后的绿原酸混合溶液;再将壳聚糖溶于乙酸溶液中得到壳聚糖溶液;按滴加法将活化后的绿原酸混合溶液滴加到壳聚糖溶液中,先进行冰浴反应,后进行暗室反应,最后离心、透析,得到绿原酸改性壳聚糖;
S2.PNIPAm的制备:将NIPAm与催化剂、交联剂混合后,于一定温度下加入引发剂,进行反应,反应完成之后透析处理,即得PNIPAm;
S3.改性壳聚糖水凝胶的复合:将绿原酸改性壳聚糖和PNIPAm按照比例进行物理混合,制备得到改性壳聚糖复合水凝胶。
6.根据权利要求5所述制备方法,其特征在于,步骤S1中有机物A为1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐,有机物B为N-羟基琥珀酰亚胺;绿原酸与1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐、N-羟基琥珀酰亚胺的质量比为(1~2):(1~6):(1~4);所述乙酸溶液浓度为1~3%(v/v)。
7.根据权利要求5所述制备方法,其特征在于,步骤S1中冰浴反应条件为:在-20~-4℃条件下,反应10~30min;所述暗室反应条件为:黑暗条件下反应12~24h;所述离心条件为:9000~11000rpm/min,离心20~40min:所述透析采用10000~14000Da透析袋,透析时间为4~5天。
8.根据权利要求5所述制备方法,其特征在于,步骤S2中反应温度为0~25℃,反应时间为4~8h;透析采用1000~3500Da透析袋,透析1~2天。
9.权利要求1~4任一所述复合水凝胶在制备抗炎抑菌、促进细胞修复增殖的产品中的应用。
10.根据权利要求9所述应用,所述产品为医用敷料或缓释材料。
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