CN117919488A - 一种壳聚糖季铵盐可注射水凝胶复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种壳聚糖季铵盐可注射水凝胶复合材料及其制备方法和应用。包括步骤：步骤1，将透明质酸和甲基丙烯酸酐后接枝反应得到接枝甲基丙烯酸酐的透明质酸；步骤2，将壳聚糖与2,3‑环氧丙基三甲基氯化铵70‑85℃反应，产物纯化干燥得到壳聚糖季铵盐；步骤3，将所述接枝甲基丙烯酸酐的透明质酸和壳聚糖季铵盐混合在水中，加入苯基(2,4,6‑三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐，紫外光下交联得到所述壳聚糖季铵盐可注射水凝胶复合材料。该水凝胶具有优异的抗菌性，同时兼具生物相容性、良好的溶解性和力学性能，可用于不同形状的伤口起到杀菌效果，此外还具有良好的体外可降解性。
Description
技术领域
本发明涉及医用材料技术领域，具体涉及一种壳聚糖季铵盐可注射水凝胶复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
皮肤是身体的最外层组织，它不仅能够保护机体免受外界环境伤害，而且还能敏锐感知周围环境的变化并维持人体生理平衡。但由于其直接裸露于外界环境中，也最易受到各种不同形式的伤害，如烧伤、烫伤、冻伤、晒伤、慢性病并发症等。水凝胶是通过亲水分子的物理或化学交联制备的三维多孔聚合物网络，通常质软且湿润，含水量高达90％。
透明质酸是生物体内的重要成分之一，具有良好生物相容性和可生物降解性，在整个组织发育和再生过程中，对细胞分化、增殖和迁移起到非常重要的调节作用。化学改性的透明质酸已被开发为用于治疗皮肤损伤和损伤再生的生物材料。壳聚糖作为一种具有良好溶解性、生物相容性和抑菌性的聚合物，已被广泛应用于生物材料中。
CN112480435A公开一种可注射抗菌水凝胶材料及其制备方法，该水凝胶由接枝酰肼的透明质酸和氧化壳聚糖组成，具有可注射性、良好的生物相容性和组织黏附性能。此外，水凝胶形成过程中生成常见的杀菌剂次氯酸，可达到瞬间杀菌的作用，而氧化壳聚糖上所带正电荷能实现可持续抗菌。
CN 111154149 A公开了一种水凝胶，包含季铵盐壳聚
糖、醛基化透明质酸和氨基化透明质酸。本发明所述水凝胶保留了醛基化透明质酸和氨基化透明质酸的保水性能和生物相容性，季铵盐壳聚糖的加入为水凝胶提供了良好的力学性能。采用季铵盐壳聚糖、醛基化透明质酸和氨基化透明质酸制得的水凝胶具有抗菌性、可拉伸性和压缩性，能够促进海水浸泡伤口的愈合，促进胶原沉积，降低伤口处细菌数目和炎症水平，可应用于严重创伤愈合和开放性创伤感染的创面愈合方面。
但壳聚糖的水溶性不好，产品的水溶性往往需要酸性环境下，生物相容性会相对差一点。此外上述案件中壳聚糖与透明质酸的仅仅是物理混合得到，两者的结合力并不强。
发明内容
本发明针对天然高分子水凝胶抗菌性能不足的问题，提供一种壳聚糖季铵盐可注射水凝胶复合材料，该水凝胶具有优异的抗菌性，同时兼具生物相容性和良好的溶解性，可用于不同形状的伤口起到杀菌效果，此外还具有良好的体外可降解性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种壳聚糖季铵盐可注射水凝胶复合材料的制备方法，包括步骤：
步骤1，将透明质酸溶解在去离子水中，加入甲基丙烯酸酐后调节溶液pH至碱性，冰浴下反应，产物经透析纯化，冷冻干燥得到接枝甲基丙烯酸酐的透明质酸；
步骤2，将壳聚糖溶解在乙酸中并调节溶液pH至碱性，将溶液室温下分散在异丙醇中，加入2,3-环氧丙基三甲基氯化铵70-85℃反应，产物纯化干燥得到壳聚糖季铵盐；
步骤3，将所述接枝甲基丙烯酸酐的透明质酸和壳聚糖季铵盐混合在水中，加入苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐，紫外光下交联得到所述壳聚糖季铵盐可注射水凝胶复合材料。
本发明中采用壳聚糖季铵盐与透明质酸复合，壳聚糖季铵盐是壳聚糖的季胺化衍生物，侧季铵基团上含有永久正电荷，具有更好的水溶解性、生物相容性聚阳离子聚合物，基于季铵盐和壳聚糖均具有抑菌效果，得到的水凝胶复合材料抑菌性更优异。同时本发明中将甲基丙烯酸酐接枝于透明质酸上，在光引发作用下迅速交联，得到的复合材料力学性能更优异，同时保持透明质酸的生物相容性、保湿保水性。
步骤1中透明质酸的单体与甲基丙烯酸酐的摩尔比为1:3-1:10。为了获得尽可能高的接枝率，选择小分子过量3-10倍。
步骤1中，透明质酸在溶液中浓度为5-50mg/ml。
所述透明质酸分子量为2-5万，壳聚糖分子量为3-5万，脱乙酰度≥95％；
步骤2中，壳聚糖的乙酸溶液浓度为5-20mg/ml，2,3-环氧丙基三甲基氯化铵(GTA)配制成质量分数为40％-80％水溶液加入。
所述步骤1反应时间为20-30h；步骤2的反应时间为10-15h,步骤1中溶液pH调节至8-9；步骤2中pH调节至8-9。
步骤1和步骤2中加入氢氧化钠水溶液等无机碱调节pH。
步骤2中壳聚糖与2,3-环氧丙基三甲基氯化铵的质量比为1:3-1:10。小分子过量以获得较高的取代度。
步骤2中乙酸用量尽可能少，以能溶解壳聚糖即可；壳聚糖分散在异丙醇中，壳聚糖的质量浓度在2.5％以下，过多则难以分散。
步骤3中接枝甲基丙烯酸酐的透明质酸和壳聚糖季铵盐的体积比为0.1-1:1-0.1；步骤3中紫外光交联时间为10s以上，优选30-5min。
步骤3中接枝甲基丙烯酸酐的透明质酸和壳聚糖季铵盐的体积比为0.3-0.6:0.1。透明质酸含量越低，得到的水凝胶复合材料易不成型或力学性能较差，但抗菌性能越好，而壳聚糖季铵盐含量越低，抗菌性能越差，在优选范围内，材料成型良好且抑菌效果优异。
步骤3中苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐的质量与接枝甲基丙烯酸酐的透明质酸和壳聚糖季铵盐总体积的质量体积比为0.01-0.5mg/mL。
本发明还提供根据所述的制备方法制得的壳聚糖季铵盐可注射水凝胶复合材料。
本发明还提供所述的壳聚糖季铵盐可注射水凝胶复合材料在制备医疗敷料或美容制剂中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明中采用壳聚糖季铵盐与甲基丙烯酸酐接枝透明质酸复合，在光引发作用下迅速交联，由于甲基丙烯酸上的双键作用，两者的结合力更强更稳定，得到的复合材料力学性能更优异，最终获得兼具优异生物相容性、保湿保水性、抗菌性和力学性能的水凝胶材料，可用于制备医用敷料、可注射美容制剂等。
附图说明
图1为实施例1的HA,HA-MA的核磁谱图。
图2为实施例1的HA,HA-MA的红外谱图。
图3为实施例1的CS,HACC的核磁谱图。
图4为实施例1的CS,HACC的红外谱图。
图5为实施例1的水凝胶的实物图。
图6为实施例1的水凝胶的截面SEM图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本领域技术人员在理解本发明的技术方案基础上进行修改或等同替换，而未脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围内。
以下具体实施方式中所采用的原料均购于市场，实施例中用的透明质酸分子量为2.5万，壳聚糖分子量为5万，脱乙酰度≥95％。
实施例1
步骤1，取2g透明质酸(HA)溶于去离子水，将4mL甲基丙烯酸酐(MA)(透明质酸的单体：甲基丙烯酸酐＝1：10)通过滴液漏斗逐滴缓慢滴入到HA溶液中，再逐滴缓慢滴入1mol/L的NaOH溶液调节溶液pH值至pH＝8-9。持续搅拌，冰浴下反应24小时。反应结束后进行透析(截留分子量：12000kDa)，透析五天后冷冻干燥获得甲基丙烯酸透明质酸(HAMA)。HA、HA-MA的核磁谱图如图1所示，红外谱图如图2所示，可见MA顺利接枝到HA上。
步骤2，取1.5g壳聚糖(CS)溶于100mL1％的乙酸溶液中，缓慢滴入1mol/L的NaOH溶液将溶液pH值调节至pH＝9，离心获得碱化后的壳聚糖沉淀物。将沉淀物置于三口烧瓶中，以60ml异丙醇为溶剂，80℃油浴加热，恒温搅拌使碱化后的壳聚糖分散均匀。缓慢滴加质量分数为60％的2,3-环氧丙基三甲基氯化铵(GTA)水溶液(CS/GTA质量比为1∶4)，恒温反应12h，产物用乙醇进行沉淀纯化三次，真空干燥获得壳聚糖季铵盐(HACC)。CS、HACC的核磁谱图如图3所示，红外谱图如图4所示，可见壳聚糖成功季铵化。
步骤3，将上述制备的HAMA配置为3wt％的HAMA溶液，HACC配置1wt％的HACC溶液，HAMA和HACC以体积比4：1进行混合，加入光引发剂LAP(苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐)用量1mg，在365nm紫外光照射下常温迅速交联(大约1min，以观察到呈凝胶状态为终点)成水凝胶。
得到的水凝胶交联前和交联后的实物图如图5所示，截面的SEM微观形貌如图6所示。
实施例2：
步骤1，取2g透明质酸(HA)溶于去离子水，将2mL甲基丙烯酸酐(MA)(透明质酸单体：甲基丙烯酸酐摩尔比＝1：5))通过滴液漏斗逐滴缓慢滴入到HA溶液中，再逐滴缓慢滴入1mol/L的NaOH溶液调节溶液pH值至pH＝8-9。持续搅拌，冰浴下反应24小时。反应结束后进行透析(截留分子量：12000kDa)，透析五天后冷冻干燥获得甲基丙烯酸透明质酸(HAMA)。
步骤2，取1.5g壳聚糖(CS)溶于100mL1％的乙酸溶液中，缓慢滴入1mol/L的NaOH溶液将溶液pH值调节至pH＝9，离心获得碱化后的壳聚糖沉淀物。将沉淀物置于三口烧瓶中，以60ml异丙醇为溶剂，80℃油浴加热，恒温搅拌使碱化后的壳聚糖分散均匀。缓慢滴加质量分数为60％的2,3-环氧丙基三甲基氯化铵(GTA)水溶液(CS/GTA质量比为1∶4)，恒温反应12h，产物用乙醇进行沉淀纯化三次，真空干燥获得壳聚糖季铵盐(HACC)。
步骤3，将上述制备的HAMA配置为3wt％的HAMA溶液，HACC配置1wt％的HACC溶液，HAMA和HACC以体积比4：1的比例进行混合，加入光引发剂LAP(苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐)用量1mg，在365nm紫外光照射下迅速交联成水凝胶。
对比例1：
首先，取2g透明质酸(HA)溶于去离子水，将5mL甲基丙烯酸酐(MA)通过滴液漏斗逐滴缓慢滴入到HA溶液中，再逐滴缓慢滴入1mol/L的NaOH溶液调节溶液pH值至pH＝8-9。持续搅拌，冰浴下反应24小时。反应结束后进行透析(截留分子量：12000kDa)，透析五天后冷冻干燥获得甲基丙烯酸透明质酸(HAMA)。
将上述制备的HAMA配置为3wt％的HAMA溶液，加入光引发剂LAP(苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐)，在365nm紫外光照射下常温迅速交联成水凝胶。
对比例2
步骤1，取2g透明质酸(HA)溶于去离子水，将4mL甲基丙烯酸酐(MA)(透明质酸单体：甲基丙烯酸酐＝1：10)通过滴液漏斗逐滴缓慢滴入到HA溶液中，再逐滴缓慢滴入1mol/L的NaOH溶液调节溶液pH值至pH＝8-9。持续搅拌，冰浴下反应24小时。反应结束后进行透析(截留分子量：12000kDa)，透析五天后冷冻干燥获得甲基丙烯酸透明质酸(HAMA)。
步骤2，取1.5g壳聚糖(CS)溶于100mL1％的乙酸溶液中，缓慢滴入1mol/L的NaOH溶液将溶液pH值调节至pH＝9，离心获得碱化后的壳聚糖沉淀物。将沉淀物置于三口烧瓶中，以60ml异丙醇为溶剂，80℃油浴加热，恒温搅拌使碱化后的壳聚糖分散均匀。缓慢滴加质量分数为60％的2,3-环氧丙基三甲基氯化铵(GTA)水溶液(CS/GTA质量比为1∶4)，恒温反应12h，产物用乙醇进行沉淀纯化三次，真空干燥获得壳聚糖季铵盐(HACC)。
步骤3，将上述制备的HAMA配置为3wt％的HAMA溶液，HACC配置1wt％的HACC溶液，HAMA和HACC以体积比2：1进行混合，加入光引发剂LAP(苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐)用量1mg，在365nm紫外光照射下常温迅速交联成水凝胶。可形成凝胶，但凝胶随后很快会碎开，无法进行后续性能测试。
性能测试
一、溶胀性能测试
水凝胶的吸水性通过溶胀率来评估。将上述制备的水凝胶切成大小体积均相等的片状圆柱形固体。记录下每个样品的初始重量W0。在室温下浸入同等体积的去离子水(完全浸入水中)中24h后将样品取出，用滤纸快速沾干其表面的水分后再次对其进行称重并记录溶胀重量Wt。平行测试五次取平均值，通过下式计算溶胀率W％。结果如表1所示：
表1实施和对比例制备的水凝胶的溶胀性能测试结果
| 序号 | 实施例1 | 实施例2 | 对比例1 |
| 溶胀率％ | 293.1 | 355.6 | 286.4 |
由表1可以看出，随着甲基丙烯酸酐接枝率的增加，交联位点增加，凝胶的交联密度增加，溶胀率减少；同时，壳聚糖季铵盐的加入对交联密度的影响不大，故水凝胶具有良好的溶胀率和保湿保水性。
二、抗菌性能测试
为了测试水凝胶的抗菌性能，选取金黄色葡萄球菌(S.aureus)和大肠杆菌(E.coli)作为革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的代表。采用琼脂平板计数试验来评估三组水凝胶对这些细菌的抗菌活性。测试方法如下：
将水凝胶切成直径为1cm的圆形置于24孔板中，经酒精浸泡灭菌处理后向其中加入1mL浓度为1×107CFU/mL的细菌液。将实施例1，实施例2和对比例1制备的圆形水凝胶与1mL菌液混合后以220rpm的震荡速度孵育3h后，梯度稀释后铺板计数，不添加水凝胶的对照组也将进行相同的测试步骤，并在37℃恒温培养箱中培养24h后进行铺板计数。每组测试重复5次，并取平均值来评估水凝胶的抗菌性能。结果如表2所示：
表2实施例和对比例水凝胶的抗菌性能测试结果
| 序号 | 对照 | 实施例1 | 实施例2 | 对比例1 |
| 抗菌率％ | 0 | 77.1 | 73.4 | 0 |
水凝胶中壳聚糖季铵盐分子中的质子化铵(-NH3+)带正电，可在细菌表面吸附并形成一层高分子膜，阻止营养物质输送到细胞，从而具备抑制和杀灭细菌的作用。故水凝胶具有良好的抗菌性能。
Claims (10)
1.一种壳聚糖季铵盐可注射水凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：
步骤1，将透明质酸溶解在去离子水中，加入甲基丙烯酸酐后调节溶液pH至碱性，冰浴下反应，产物经透析纯化，冷冻干燥得到接枝甲基丙烯酸酐的透明质酸；
步骤2，将壳聚糖溶解在乙酸中并调节溶液pH至碱性，将溶液室温下分散在异丙醇中，加入2,3-环氧丙基三甲基氯化铵70-85℃反应，产物纯化干燥得到壳聚糖季铵盐；
步骤3，将所述接枝甲基丙烯酸酐的透明质酸和壳聚糖季铵盐混合在水中，加入苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐，紫外光下交联得到所述壳聚糖季铵盐可注射水凝胶复合材料。
2.根据权利要求1所述的壳聚糖季铵盐可注射水凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1中透明质酸的单体与甲基丙烯酸酐摩尔比为1:3-10。
3.根据权利要求1所述的壳聚糖季铵盐可注射水凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，所述透明质酸分子量为2-5万，壳聚糖分子量为2-5万。
4.根据权利要求1所述的壳聚糖季铵盐可注射水凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1反应时间为20-30h；步骤2的反应时间为10-15h,步骤1中溶液pH调节至8-9；步骤2中pH调节至8-9。
5.根据权利要求1所述的壳聚糖季铵盐可注射水凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2中壳聚糖与2,3-环氧丙基三甲基氯化铵的质量比为1:3-10。
6.根据权利要求1所述的壳聚糖季铵盐可注射水凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，步骤3中接枝甲基丙烯酸酐的透明质酸和壳聚糖季铵盐的体积比为0.1-1:1-0.1；步骤3中紫外光交联时间在10s以上。
7.根据权利要求1所述的壳聚糖季铵盐可注射水凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，步骤3中接枝甲基丙烯酸酐的透明质酸和壳聚糖季铵盐的体积比为0.1-0.5:0.1。
8.根据权利要求1所述的壳聚糖季铵盐可注射水凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，步骤3中苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐的质量与接枝甲基丙烯酸酐的透明质酸和壳聚糖季铵盐总体积的质量体积比为0.01-0.5mg/mL。
9.根据权利要求1-8任一项所述的制备方法制得的壳聚糖季铵盐可注射水凝胶复合材料。
10.根据权利要求9所述的壳聚糖季铵盐可注射水凝胶复合材料在制备医疗敷料或美容制剂中的应用。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311847954.1A CN117919488A (zh) | 2023-12-29 | 2023-12-29 | 一种壳聚糖季铵盐可注射水凝胶复合材料及其制备方法和应用 |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
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Publications (1)
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| CN117919488A true CN117919488A (zh) | 2024-04-26 |
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2023
- 2023-12-29 CN CN202311847954.1A patent/CN117919488A/zh active Pending
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