CN112661979A - 一种可见光响应的光催化抗菌促愈合水凝胶及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可见光响应的光催化抗菌促愈合水凝胶及其制备方法，属于生物医用材料技术领域。本发明以三聚氰胺为原料制备体相石墨相氮化碳，采用酸蚀和超声处理将体相石墨相氮化碳剥离成超薄的氮化碳纳米片；然后将制备的氮化碳纳米片分散液与胶原‑海藻酸钠溶液混合，获得凝胶前体；再用氯化钙溶液对凝胶前体进行交联，获得可见光响应的光催化抗菌促愈合水凝胶。本发明所制得的水凝胶不仅具有优异的可见光响应的光催化抗菌效果，而且具有良好的生物相容性以及溶胀性能，可吸收多余组织液，为伤口修复提供湿润环境，从而达到促进伤口愈合的效果。
Description
技术领域
本发明属于生物医用材料技术领域，具体涉及一种可见光响应的光催化抗菌促愈合水凝胶及其制备方法。
背景技术
伤口愈合通常伴随着细菌感染，通常需要使用抗生素进行治疗。然而，过度使用抗生素会导致耐药性和超级细菌的形成，也可能导致副作用损害免疫***。虽然有些无机抗菌药物和有机抗菌剂具有广谱的抗菌能力，但它们大多具有体内毒性而且作用缓慢。
医用敷料主要功能是覆盖保护破损皮肤，提供有助于伤口愈合的环境。传统的医用敷料，如脱脂棉纱布、纱布条、棉球和棉膜等，临床上用于保护伤口，具备物理隔离功能，但必须定期更换，频繁切除可能会造成更多的组织损伤。此外，它们通常没有减少感染的能力。
发明内容
水凝胶是具有生物降解性和优异生物相容性以及亲水和环境友好的三维聚合物，水凝胶具有以下优点：(1)保湿、吸湿性良好，能有效保留伤口渗液同时不形成积液；(2)伤口组织处粘连程度轻，不易与伤口渗液粘连成痂，减轻换药时的疼痛及新生组织损伤；(3)可以作为抗菌剂和组织再生材料的载体，预防伤口感染促进伤口愈合。
本发明首次将氮化碳纳米片结合应用到水凝胶中，所得水凝胶具有优异的可见光响应的光催化抗菌效果，除了减轻细菌感染，本发明的水凝胶具有良好的生物相容性，可促进成纤维细胞增殖，从而促进伤口愈合。
本发明的目的在于提供一种可见光响应的光催化抗菌促愈合水凝胶及其制备方法。本发明的水凝胶具有优异的可见光响应的光催化抗菌效果，良好的生物相容性和溶胀性能，在减轻细菌感染同时可吸收多余组织液，给伤口提供湿润的修复环境，促进成纤维细胞增殖，从而促进伤口愈合。
针对上述目的，本发明的技术方案为：
一种制备可见光响应的光催化抗菌促愈合水凝胶方法，所述方法是在胶原-海藻酸钠溶液中加入氮化碳纳米片，混匀后加入交联剂，制得可见光响应的光催化抗菌促愈合水凝胶；
所述胶原-海藻酸钠溶液的制备过程如下：将胶原溶于醋酸溶液中，调节pH至中性，获得胶原溶液；将海藻酸钠溶于水中，获得海藻酸钠溶液；然后将所得的胶原溶液于海藻酸钠溶液混合，即得胶原-海藻酸钠溶液。
在本发明的一种实施方式中，氮化碳纳米片相对胶原和海藻酸钠总质量的质量分数为3％-7％。
在本发明的一种实施方式中，胶原-海藻酸钠溶液中胶原与海藻酸钠的质量比为1：2。
在本发明的一种实施方式中，胶原溶液中胶原的质量浓度为1wt％；醋酸溶液的质量浓度为1wt％。
在本发明的一种实施方式中，海藻酸钠溶液中海藻酸钠浓度为2wt％。
在本发明的一种实施方式中，所述方法包括如下步骤：
(1)将胶原充分溶于醋酸溶液中，后用氢氧化钠溶液调pH至中性，得胶原溶液，将海藻酸钠溶于离子水中，得海藻酸钠溶液；
(2)在搅拌条件下，把步骤(1)中的海藻酸钠溶液加到步骤(1)中的胶原溶液中，充分搅拌，得胶原-海藻酸钠溶液；
(3)将氮化碳纳米片分散在去离子水中，超声处理30min，得氮化碳纳米片分散液；
(4)将步骤(3)中的氮化碳纳米片分散液与步骤(2)中的胶原-海藻酸钠溶液充分混合，加入交联剂，制得可见光响应的光催化抗菌促愈合水凝胶。
在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中所用的氢氧化钠溶液浓度为1M。
在本发明的一种实施方式中，步骤(3)中氮化碳纳米片分散液的浓度为0.6mg/mL-5.4mg/mL。
在本发明的一种实施方式中，步骤(3)中所用的氮化碳纳米片是以三氯氰胺为原料，具体制备过程为：将三聚氰胺放置于坩埚中，将其放置于马弗炉中在520℃下焙烧2h，研磨得到黄色粉末，即为体相石墨相氮化碳粉末；称取体相石墨相氮化碳粉末溶于浓硫酸中，搅拌2h后，缓慢地向浓硫酸中加入50mL去离子水，静置1-2h，离心洗涤至上清呈中性后取沉淀；将沉淀分散在去离子水中，制成0.2mg/mL的分散液，分批超声破碎30min。将超声处理后的分散液旋蒸，收集得白色粉末，放置于真空干燥箱中干燥48h，获得氮化碳纳米片。
在本发明的一种实施方式中，步骤(4)中所用的交联剂为1％的氯化钙溶液。
本发明利用上述方法提供一种可见光响应的光催化抗菌促愈合水凝胶。
本发明还提供将上述可见光响应的光催化抗菌促愈合水凝胶应用于制备医用敷料中。
本发明的有益效果在于：
本发明的方法简单，条件温和可控；所得水凝胶拥有三维孔隙结构，能够吸除伤口渗出液，同时提供湿润的修复环境。
本发明的水凝胶对革兰氏阳性和革兰氏阴性菌均表现出优异的可见光响应的光催化抗菌效果(其中，对表皮葡萄球菌具有显著的抑制作用，存活率不超过15％。)，同时具有良好的生物相容性，可促进成纤维细胞增殖，有助于促进伤口愈合。
附图说明
图1为实施例4中制备的可见光响应的光催化抗菌促愈合水凝胶示意图；
图2为实施例1-5制得的水凝胶在可见光催化下对大肠杆菌进行抗菌实验所得平板菌落结果图；
图3为实施例1-5制得的水凝胶在可见光催化下下对表皮葡萄球菌进行抗菌实验所得平板菌落结果图；
图4为实施例1-5制得的水凝胶的细胞毒性结果图。
具体实施方式
以下结合具体实施例和附图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。除非特殊说明，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。
石墨相氮化碳纳米片的制备：称取10g三聚氰胺放置于坩埚中，将其放置于马弗炉中在520℃下焙烧2h，研磨得到黄色粉末，即为体相石墨相氮化碳粉末；称取200mg体相石墨相氮化碳粉末溶于8mL浓硫酸中，搅拌2h后，缓慢地向浓硫酸中加入50mL去离子水，静置1-2h，离心洗涤至上清呈中性后取沉淀；将沉淀分散在去离子水中，制成0.2mg/mL的分散液，分批超声破碎30min。将超声处理后的分散液旋蒸，收集得白色粉末，放置于真空干燥箱中干燥48h，获得石墨相氮化碳纳米片。
实施例1：
称取20mg胶原溶于2mL 1％醋酸溶液中，充分搅拌使其溶解，后用1M氢氧化钠溶液调pH至中性，得胶原溶液。称取40mg海藻酸钠溶于2mL去离子水中，充分搅拌使其溶解，得海藻酸钠溶液。在搅拌条件下，将海藻酸钠溶液加到胶原溶液中，充分搅拌，得胶原-海藻酸钠溶液。将石墨相氮化碳纳米片分散在去离子水中，超声处理30min，得均匀的0.6mg/mL石墨相氮化碳纳米片分散液，将1mL氮化碳纳米片分散液与胶原-海藻酸钠溶液混合(石墨相氮化碳纳米片用量为胶原和海藻酸钠总质量的1％)，常温搅拌2h，离心除气泡，倒入模具中，静置，加入6mL 1wt％CaCl2溶液交联1h，随后于去离子水中清洗三次得可见光响应的光催化抗菌促愈合水凝胶。
实施例2：
称取20mg胶原溶于2mL 1％醋酸溶液中，充分搅拌使其溶解，后用1M氢氧化钠溶液调pH至中性，得胶原溶液。称取40mg海藻酸钠溶于2mL去离子水中，充分搅拌使其溶解，得海藻酸钠溶液。在搅拌条件下，将海藻酸钠溶液加到胶原溶液中，充分搅拌，得胶原-海藻酸钠溶液。将石墨相氮化碳纳米片分散在去离子水中，超声处理30min，得均匀的1.2mg/mL石墨相氮化碳纳米片分散液，将1mL氮化碳纳米片分散液与胶原-海藻酸钠溶液混合(石墨相氮化碳纳米片用量为胶原和海藻酸钠总质量的2％)，常温搅拌2h，离心除气泡，倒入模具中，静置，加入6mL 1wt％CaCl2溶液交联1h，随后于去离子水中清洗三次得可见光响应的光催化抗菌促愈合水凝胶。
实施例3：
称取20mg胶原溶于2mL 1％醋酸溶液中，充分搅拌使其溶解，后用1M氢氧化钠溶液调pH至中性，得胶原溶液。称取40mg海藻酸钠溶于2mL去离子水中，充分搅拌使其溶解，得海藻酸钠溶液。在搅拌条件下，将海藻酸钠溶液加到胶原溶液中，充分搅拌，得胶原-海藻酸钠溶液。将石墨相氮化碳纳米片分散在去离子水中，超声处理30min，得均匀的1.8mg/mL石墨相氮化碳纳米片分散液，将1mL氮化碳纳米片分散液与胶原-海藻酸钠溶液混合(石墨相氮化碳纳米片用量为胶原和海藻酸钠总质量的3％)，常温搅拌2h，离心除气泡，倒入模具中，静置，加入6mL 1wt％CaCl2溶液交联1h，随后于去离子水中清洗三次得可见光响应的光催化抗菌促愈合水凝胶。
实施例4：
称取20mg胶原溶于2mL 1％醋酸溶液中，充分搅拌使其溶解，后用1M氢氧化钠溶液调pH至中性，得胶原溶液。称取40mg海藻酸钠溶于2mL去离子水中，充分搅拌使其溶解，得海藻酸钠溶液。在搅拌条件下，将海藻酸钠溶液加到胶原溶液中，充分搅拌，得胶原-海藻酸钠溶液。将氮化碳纳米片分散在去离子水中，超声处理30min，得均匀的4.2mg/mL石墨相氮化碳纳米片分散液，将1mL石墨相氮化碳纳米片分散液与胶原-海藻酸钠溶液混合(石墨相氮化碳纳米片用量为胶原和海藻酸钠总质量的7％)，常温搅拌2h，离心除气泡，倒入模具中，静置，加入6mL 1wt％CaCl2溶液交联1h，随后于去离子水中清洗三次得可见光响应的光催化抗菌促愈合水凝胶。
实施例5：
称取20mg胶原溶于2mL 1％醋酸溶液中，充分搅拌使其溶解，后用1M氢氧化钠溶液调pH至中性，得胶原溶液。称取40mg海藻酸钠溶于2mL去离子水中，充分搅拌使其溶解，得海藻酸钠溶液。在搅拌条件下，将海藻酸钠溶液加到胶原溶液中，充分搅拌，得胶原-海藻酸钠溶液。将氮化碳纳米片分散在去离子水中，超声处理30min，得均匀的5.4mg/mL石墨相氮化碳纳米片分散液，将1mL石墨相氮化碳纳米片分散液与胶原-海藻酸钠溶液混合(保证石墨相氮化碳纳米片用量为胶原和海藻酸钠总质量的9％)，常温搅拌2h，离心除气泡，倒入模具中，静置，加入6mL 1wt％CaCl2溶液交联1h，随后于去离子水中清洗三次得可见光响应的光催化抗菌促愈合水凝胶。
实施例6:
将实施例1、2、3、4、5中制备得到的可见光响应的光催化抗菌促愈合水凝胶分别命名为hydrogel1、hydrogel 2、hydrogel 3、hydrogel 4、hydrogel5，并进行溶胀性能测试。
实验方法：
称取5mg左右的干燥凝胶样品，记录凝胶质量(W0)将其浸泡在PBS缓冲液(pH 7.4)中，2h后取出，用吸水纸吸干凝胶表面的水分后称重，得凝胶的湿重Wt，溶胀率(SR)按下式计算：SR(％)＝(Wt－W0)×100/W0。
实验结果：
可见光响应的光催化抗菌促愈合水凝胶溶胀性能测试见表1。
表1实施例1-5所得水凝胶的凝胶溶胀性能结果
| 水凝胶 | 溶胀率 |
| 实施例1 | 1858.55％ |
| 实施例2 | 1850.23％ |
| 实施例3 | 1845.51％ |
| 实施例4 | 1518.89％ |
| 实施例5 | 1298.56％ |
结果表面，所有凝胶都可以急剧溶胀，作为伤口敷料，可快速吸收组织渗出液，避免伤口进一步感染，同时为维持伤口环境湿润。
实施例7:
将实施例1、2、3、4、5中制备得到的可见光响应的光催化抗菌促愈合水凝胶分别命名为hydrogel1、hydrogel 2、hydrogel 3、hydrogel 4、hydrogel5，并进行抗菌性能研究，以未用水凝胶处理的细菌作为空白对照。
实验方法：
分别培养大肠杆菌、表皮葡萄球菌至对数期，用无菌生理盐水溶液(0.9％NaCl)洗涤细菌，接着将细菌密度调节至约105CFU/mL。然后将水凝胶加到2mL细菌悬液中，并在黑暗中放置60min。接着进行光催化抗菌，光催化抗菌过程中使用的光源为300W氙灯，光照时长为60min光照时间取一定量的菌液稀释后涂布于LB固体培养基上，放入37℃生化培养箱中培养16h，用计数法统计不同光照时间后菌液中的菌群数。
实验结果：
可见光响应的光催化抗菌促愈合水凝胶在可见光催化下对大肠杆菌进行抗菌实验结果见图2。结果表明，可见光照射60min，相对于对照组，实施例1、2、3、4、5的凝胶对大肠杆菌都有不同程度的抗菌效果，其中实施例4、5的凝胶可在60min杀灭大肠杆菌。可见光响应的光催化抗菌促愈合水凝胶在可见光催化下对表皮葡萄球菌进行抗菌实验结果见图3和表2。
表2实施例1-5所得水凝胶的抗菌实验结果
| 水凝胶 | 大肠杆菌存活率 | 表皮葡萄球菌存活率 |
| 对照 | 100％ | 100％ |
| 实施例1 | 87.67％ | 64.87％ |
| 实施例2 | 65.45％ | 43.76％ |
| 实施例3 | 14.50％ | 5.89％ |
| 实施例4 | 0％ | 0.40％ |
| 实施例5 | 0％ | 0％ |
结果表明，可见光照射60min，相对于对照组，实施例1-2所得水凝胶对表皮葡萄球菌的抑制效果较弱，实施例3、4、5所得水凝胶对表皮葡萄球菌具有显著的抑制作用。
实施例8:
将实施例1、2、3、4、5中制备得到的可见光响应的光催化抗菌促愈合水凝胶分别命名为hydrogel1、hydrogel 2、hydrogel 3、hydrogel 4、hydrogel5，并进行细胞毒性测试。
实验方法：
使用NIH-3T3细胞通过MTT方法确定水凝胶的体外细胞毒性。首先，将水凝胶用紫外线灭菌1小时，然后用PBS冲洗3次，然后将其浸入DMEM培养基中24小时以产生条件培养基。然后，将5×103个NIH-3T3细胞与条件培养基在37℃含5％CO2和95％空气的加湿培养箱中分别培养24h和48h。之后，将噻唑基蓝溶液(MTT，0.5mg/mL，100μL)添加到细胞培养板中，对活细胞染色4h。之后，将MTT溶液替换为100μL二甲基亚砜(DMSO)，然后在摇床上摇动10-15分钟，以完全溶解甲瓒。之后，测量570nm处的光密度(OD)。用平均值±标准偏差测试细胞生存力，并且将用无条件培养基培养的细胞测试为对照组。
细胞存活率(％)＝实验组OD/对照组OD×100％。
实验结果：
可见光响应的光催化抗菌促愈合水凝胶细胞毒性测试结果见图4和表3。
表3实施例1-5所得水凝胶的细胞毒性测试结果
| 水凝胶 | 培养1天细胞存活率 | 培养2天细胞存活率 |
| 对照 | 100％ | 100％ |
| 实施例1 | 134.79％ | 171.68％ |
| 实施例2 | 134.02％ | 164.24％ |
| 实施例3 | 132.27％ | 161.76％ |
| 实施例4 | 114.83％ | 105.87％ |
| 实施例5 | 98.26％ | 92.78％ |
其中，对照是指：用无条件培养基培养的细胞
与对照组相比，实施例1-5凝胶对NIH-3T3细胞无明显毒性，证实所制备的可见光响应的光催化抗菌促愈合水凝胶具有良好的生物相容性。但实施例1-4所得水凝胶能够表现出显著促进成纤维细胞增殖，有助于促进伤口愈合；而实施例5所得水凝胶无促进细胞增殖生长的作用。
Claims (10)
1.一种制备可见光响应的光催化抗菌促愈合水凝胶的方法，其特征在于，所述方法是在胶原-海藻酸钠溶液中加入氮化碳纳米片，混匀后加入交联剂，制得可见光响应的光催化抗菌促愈合水凝胶；其中，氮化碳纳米片相对胶原和海藻酸钠总质量的质量分数为3％-7％；
所述胶原-海藻酸钠溶液的制备过程如下：将胶原溶于醋酸溶液中，调节pH至中性，获得胶原溶液；将海藻酸钠溶于水中，获得海藻酸钠溶液；然后将所得的胶原溶液于海藻酸钠溶液混合，即得胶原-海藻酸钠溶液。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述胶原-海藻酸钠溶液中胶原与海藻酸钠的质量比为1：2。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，胶原溶液中胶原的质量浓度为1wt％；醋酸溶液的质量浓度为1wt％。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，海藻酸钠溶液中海藻酸钠浓度为2wt％。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)将胶原充分溶于醋酸溶液中，后用氢氧化钠溶液调pH至中性，得胶原溶液；将海藻酸钠溶于离子水中，得海藻酸钠溶液；
(2)在搅拌条件下，把步骤(1)中的海藻酸钠溶液加到步骤(1)中的胶原溶液中，充分搅拌，得胶原-海藻酸钠溶液；
(3)将氮化碳纳米片分散在去离子水中，超声处理，得氮化碳纳米片分散液；
(4)将步骤(3)中的氮化碳纳米片分散液与步骤(2)中的胶原-海藻酸钠溶液充分混合，加入交联剂，制得可见光响应的光催化抗菌促愈合水凝胶。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中氮化碳纳米片分散液的浓度为0.6mg/mL-5.4mg/mL。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中所用的交联剂为1％的氯化钙溶液。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中所用的氮化碳纳米片是以三氯氰胺为原料，具体制备过程为：将三聚氰胺置于马弗炉中焙烧，然后研磨得到黄色粉末，即为体相石墨相氮化碳粉末；称取体相石墨相氮化碳粉末溶于浓硫酸中，搅拌，然后缓慢地向浓硫酸中加入水，静置、离心、收集固体沉淀，洗涤至中性；将固体沉淀分散在水，超声处理，旋蒸，收集得白色粉末，干燥，获得氮化碳纳米片。
9.权利要求1-8任一项所述方法制备得到的一种可见光响应的光催化抗菌促愈合水凝胶。
10.权利要求9所述的可见光响应的光催化抗菌促愈合水凝胶在制备医用敷料中的应用。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210416 |