CN113318267A - 一种贻贝仿生的红外响应性抗菌水凝胶敷料及其制备方法 - Google Patents

一种贻贝仿生的红外响应性抗菌水凝胶敷料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种贻贝仿生的红外响应性抗菌水凝胶敷料及其制备方法，其中(1)将多巴胺溶液预聚合后加入抗生素溶解；(2)将明胶加入(1)产物中并加热溶解；(3)将丙烯酰胺单体、过硫酸钾、N,N’‑亚甲基双丙烯酰胺和N,N,N’,N’‑四甲基乙二胺与步骤(2)所形成的混合物搅拌混合，静置后形成水凝胶敷料。产品具有优异强力，优异的粘附性能以及红外响应性，而抗生素的引入则赋予水凝胶抗菌性能。因此，此水凝胶可以通过开启/关闭红外光来控制抗生素的释放，实现可控给药，可作为新型伤口敷料应用于生物医学。

Description

一种贻贝仿生的红外响应性抗菌水凝胶敷料及其制备方法
技术领域
本发明属于水凝胶敷料及其制备和应用领域，具体涉及一种贻贝仿生的红外响应性抗菌水凝胶敷料及其制备方法。
背景技术
足部溃疡是糖尿病患者最常见的并发症之一，在糖尿病患者的一生中，足部溃疡的发病率为19％-34％，目前全世界有超过910万人受到足部溃疡的影响。糖尿病引起的足部溃疡对这些患者生活质量造成了严重的影响。由于白细胞功能受损，导致代谢异常、巨噬细胞和中性粒细胞向伤口迁移不足，糖尿病患者有患慢性糖尿病疾病的危险，也有较高的创面风险。同时，皮肤溃疡等外源性伤口容易接触包括一些细菌在内的外源性微生物，从而导致更多的感染。临床上，糖尿病足部感染可引起浅表甲沟炎，甚至骨感染，危及患者生命。对于这种疾病，早期识别、适当评估和及时治疗至关重要，而手术和抗生素联合治疗对于足部溃疡几乎是必要的。因此，开发智能的创面敷料以防治细菌感染引起的皮肤溃疡是十分有意义的。
多巴胺作为海洋生物粘合剂的衍生物，由于其对基质的普适性，粘附过程迅速，强耐腐蚀性，高强度和良好的生物相容性等特点，使之被广泛应用在各种领域。通过形成共价或非共价相互作用，具有与贻贝粘附蛋白相似结构的聚多巴胺在各种底物上具有较高的粘附性能。此外，聚多巴胺中还有包括儿茶酚基团等许多功能基团，它们在药物的装载过程中提供锚定点的作用。传统的水凝胶止血敷料，具有生物相容性和吸水性好的优势，但存在功能单调的缺陷。近年来已有选用抗生素、季铵化聚乙烯亚胺、抗菌纳米粒子等材料实现抗菌功能水凝胶敷料的制备。中国专利CN208448217U、CN109010897A公布了采用季铵盐类化合物作为活性成分实现抗菌水凝胶敷料制备。此外，中国专利CN110075346A公布了高粘附水凝胶敷料及其制备方法。然而，上述专利敷料的功能相对单一化，且不具备刺激响应性，难以实现可控给药。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种贻贝仿生的红外响应性抗菌水凝胶敷料及其制备方法。制备所得水凝胶敷料具备红外响应、高粘附、抗菌作用，并可通过控制红外光的有无实现药物的可控释放。
本发明的第一方面，提供一种贻贝仿生的红外响应性抗菌水凝胶敷料，其特征在于，所述敷料是采用下述方法制备得到的，
(1)将多巴胺溶液预聚合后加入抗生素溶解；
(2)将明胶加入(1)产物中并加热溶解；
(3)将丙烯酰胺单体、过硫酸钾、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺和N,N,N’,N’-四甲基乙二胺与步骤(2)所形成的混合物搅拌混合，静置后形成水凝胶敷料。
其中，所述多巴胺溶液预聚合是将盐酸多巴胺在去离子水中溶解，用氢氧化钠溶液调节pH至9-12后，在空气中自聚合2-60min，得到聚多巴胺溶液。将抗生素加入聚多巴胺溶液中进行溶解搅拌1-6min。
进一步，按重量份计，所述敷料的原料包括以下组分：丙烯酰胺100份；明胶10～60份；盐酸多巴胺0.01～0.2份；过硫酸钾1～5份；N,N’-亚甲基双丙烯酰胺0.05～2份；N,N,N’,N’-四甲基乙二胺0.1～1份；抗生素0.1～1份；水80～140份。
优选的，按重量份计，所述敷料的原料包括以下组分：丙烯酰胺100份；明胶15～55份；盐酸多巴胺0.02～0.18份；过硫酸钾2～4份；N,N’-亚甲基双丙烯酰胺1～1.5份；N,N,N’,N’-四甲基乙二胺0.2～0.8份；抗生素0.2～0.8份；水100～120份。
进一步，所述抗生素优选为盐酸四环素、环丙沙星、头孢、青霉素等。
本发明还提供了上述一种贻贝仿生的红外响应性抗菌水凝胶敷料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将多巴胺溶液预聚合后加入抗生素溶解；
(2)将明胶加入(1)产物中并加热溶解；
(3)将丙烯酰胺单体、过硫酸钾、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺和N,N,N’,N’-四甲基乙二胺与步骤(2)所形成的混合物搅拌混合，静置后形成水凝胶敷料。
进一步，所述多巴胺溶液预聚合是将盐酸多巴胺在去离子水中溶解，用氢氧化钠溶液调节pH至9-12后，在空气中自聚合2-60min，得到聚多巴胺溶液；
将抗生素加入到聚多巴胺溶液中进行溶解搅拌1-6min；
其中，步骤(2)是将明胶加入(1)产物中，温度加热至40-60℃溶解；
步骤(3)中静置时间为30-120min。
进一步，所述抗生素优选为盐酸四环素、环丙沙星、头孢、青霉素等。
本发明的优点在于：本发明通过改变明胶与丙烯酰胺的加入量，制备出具有优异强力的水凝胶材料。通过引入聚多巴胺赋予水凝胶优异的粘附性能以及红外响应性，而抗生素的引入则赋予水凝胶抗菌性能。因此，此水凝胶可以通过开启/关闭红外光来控制抗生素的释放，实现可控给药，可作为新型伤口敷料应用于生物医学。具体而言：
1、本发明敷料具有良好的吸水性，可以吸收伤口的液体分泌物，并可作为物理屏障，阻挡外界灰尘、细菌等物质对伤口的伤害。
2、本发明敷料，对创口具有良好的粘附性，可与伤口贴合紧密不易脱落。
3、本发明敷料具有抗菌性能，能够抑制创口处细菌的繁殖，减少细菌感染。
4、本发明敷料具有红外响应特性，实现可控给药。
本发明敷料可以促进伤口愈合，是治疗足部溃疡等易感染皮肤伤口的理想选择。
附图说明
图1 PAM水凝胶的微观形貌；
图2 450-3-PAM水凝胶的微观形貌；
图3 3-PAM，450-3-PAM水凝胶的红外响应性；
图4 450-3-PAM水凝胶粘附性；
图5 TH-450-3-PAM水凝胶中药物的红外控制释放性能；
图6 3-PAM，450-3-PAM水凝胶抗菌性；
图7 TH-450-3-PAM水凝胶的促愈合性能。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
本发明所用原料均来源于市售产品：(1)丙烯酰胺：化学纯，购自国药化学试剂有限公司；(2)氢氧化钠：分析纯，购自国药化学试剂有限公司；(3)盐酸四环素：分析纯，购自国药化学试剂有限公司；(4)盐酸多巴胺：分析纯，购自国药化学试剂有限公司；(5)N,N’-亚甲基双丙烯酰胺：化学纯，购自国药化学试剂有限公司；(6)N,N,N’,N’-四甲基乙二胺：化学纯，购自Adamas试剂有限公司；(7)明胶：化学纯，购自上海麦克林生化有限公司；(8)过硫酸钾：分析纯，购自上海阿拉丁生化科技有限公司。(9)PBS缓冲液购自生工生物科技有限公司。
本发明所采用的的测试方法如下：
微观形貌测试方法：
取样品新鲜切片，使用扫描电子显微镜(SEM,TM3030,Hitachi)观察其形貌，PAM水凝胶(聚丙烯酰胺水凝胶，制备方法参见对比例1)和450-3-PAM水凝胶(聚多巴胺-明胶-聚丙烯酰胺水凝胶，制备方法参见对比例3)的观察结果见图1和2。
红外响应性能测试方法：
将水凝胶置于Philips 250w红外灯照射下，表征其红外光热能力。将直径为15mm、高度为10mm的圆柱形样品置于培养皿中。用前视红外辐射计红外成像相机(FLK-TIR32,USA)记录样品温度。
红外响应药物释放测试方法：
(1)盐酸四环素标准工作曲线的绘制
称取适量盐酸四环素，溶于PBS缓冲液中，制备TH浓度为1μg/mL、2μg/mL、4μg/mL、6μg/mL、8μg/mL、10μg/mL、20μg/mL、30μg/mL、40μg/mL、50μg/mL、60μg/mL的TH-PBS缓冲液。采用日本岛津UV-2450光谱仪在300-500nm波长范围内扫描溶液的吸光度。绘制了不同浓度盐酸四环素的PBS缓冲液的紫外-可见光谱图和盐酸四环素的吸光度-浓度标准工作曲线。
(2)体外药物释放
采用30mL PBS缓冲液在37℃下监测盐酸四环素的体外释放。在预定的时间间隔内，收集释放液(5mL)，并在释放液中加入等量的新鲜PBS缓冲液。紫外可见分光光度计(日本岛津UV-2450)在362nm的特征峰分析了溶液的药物释放。对每个样品进行了三次测试。累积药物释放量计算如下:
Figure BDA0003087065740000051
式中W0为四环素在水凝胶中的重量。Cn和Cn-1分别为在第n和n-1(n>0)次提取的释放液中盐酸四环素的浓度。
(3)红外光驱动TH-450-3-PAM水凝胶的药物释放
将TH-450-3-PAM水凝胶浸入10mL PBS缓冲液中，置于烧杯中。用红外灯(Philips,250W)照射水凝胶，每隔10min照射10min。在预定的时间间隔内收集5mL的释放液，并在烧杯中加入等量的新鲜PBS缓冲液。采用紫外-可见分光光度计(日本岛津UV-2450)分析溶液的释放度。在特征峰362nm处进行药物释放分析。对三个样品进行了检测，以确保结果的重现性。累积药物释放量计算如下:
Figure BDA0003087065740000061
式中W0为盐酸四环素在水凝胶中的重量。Cn和Cn-1分别为n和n-1(n>0)次提取的释放液中的盐酸四环素浓度。
粘附性能试验：
通过拉伸粘接试验，测定了水凝胶对各种材料(铝、玻璃、塑料、纤维素片)的粘接强度。其中，衬底尺寸为100mm×15mm×2mm。将两块基片(铝、玻璃、塑料、纤维素)放在一起，形成长方形(10mm×25mm)的重叠区域，并在基片重叠区域添加一薄层水凝胶进行测试。然后使用万能材料试验机(UH6502)拉伸基材两端，拉伸速度为5mm/min。每种底物测试三次。粘接强度是用最大载荷除以重叠面积得到的。
抗菌活性测试方法：
按照改进后的GB/T 20944.1-2007方法，采用琼脂圆盘扩散法评价水凝胶的抗菌活性。将直径为22mm的圆形水凝胶，115℃高压灭菌30min，置于大肠杆菌(E.coli)和金黄色葡萄球菌(S.aureus)培养琼脂平板上培育18h。
促愈合测试方法：
动物实验按照《实验动物关爱指南》进行，并符合上海市第九人民医院实验动物伦理委员会动物福利指南(许可证号：HKDL[2016]149)。本发明利用小鼠全层皮肤缺损模型研究水凝胶的体内创面愈合性能。简单地说，将6周龄雄性SD大鼠(150～200g)随机分配。在一个典型的实验中，采用标准的麻醉程序，腹腔注射水合氯醛(0.3mg/k体重)，用剃刀刮除大鼠背部以下、尾巴以上的背侧区域，以备手术。然后，用针活检创建直径为7毫米的全层圆形创面。大鼠创面覆盖TH-450-3-PAM水凝胶，空白创面不覆盖水凝胶作为对照组。随后，用TegadermTM膜(3M Health Care,USA)覆盖所有伤口。于第9天监测创面面积，评价创面再生情况。
实施例1
(1)将0.06份盐酸多巴胺在110份去离子水中溶解，用氢氧化钠溶液调节pH至10后，在空气中自聚合20min得到聚多巴胺；加入0.6份盐酸四环素进行溶解搅拌5min。
(2)待(1)中混合物温度加热至50℃后，加入25份明胶并将其溶解。
(3)将100份丙烯酰胺单体、3.08份过硫酸钾、1.2份N,N’-亚甲基双丙烯酰胺和0.6份N,N,N’,N’-四甲基乙二胺与步骤(2)所形成的混合物搅拌混合，静置后60min后形成水凝胶敷料，命名为TH-450-3-PAM水凝胶。
图5为TH-450-3-PAM水凝胶中药物的红外控制释放性能；记录了红外光照射可以控制水凝胶中盐酸四环素的释放速度。
图7为水凝胶的促愈合性能，记录了空白样(不覆盖水凝胶)与TH-450-3-PAM水凝胶对于大鼠创面的影响。
实施例2
(1)将0.08份盐酸多巴胺在120份去离子水中溶解，用氢氧化钠溶液调节pH至9后，在空气中自聚合25min得到聚多巴胺；加入0.7份盐酸四环素进行溶解搅拌6min。
(2)待(1)中混合物温度加热至50℃后，加入40份明胶并将其溶解。
(3)将100份丙烯酰胺单体、2.4份过硫酸钾、1.1份N,N’-亚甲基双丙烯酰胺和0.7份N,N,N’,N’-四甲基乙二胺与步骤(2)所形成的混合物搅拌混合，静置后120min后形成水凝胶敷料。
对比例1
与实施例1比较，区别在于不添加多巴胺和明胶，具体制备步骤为：
将100份丙烯酰胺单体、3.25份过硫酸钾、1.2份N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、0.6份N,N,N’,N’-四甲基乙二胺和100份去离子水搅拌混合，静置后30min后形成水凝胶敷料，命名为PAM水凝胶。
图1为PAM水凝胶的微观形貌。
对比例2
与实施例1比较，区别在于不添加多巴胺，具体制备步骤为：
(1)将110份去离子水加热至40-60℃后，加入20份明胶并将其溶解。
(2)将100份丙烯酰胺单体、3.25份过硫酸钾、1.2份N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、0.6份N,N,N’,N’-四甲基乙二胺搅拌混合，静置后30-120min后形成水凝胶敷料，命名为3-PAM水凝胶。
对比例3
(1)将0.06份盐酸多巴胺在110份去离子水中溶解，用氢氧化钠溶液调节pH至10后，在空气中自聚合20min得到聚多巴胺；
(2)待(1)中混合物温度加热至40℃后，加入25份明胶并将其溶解。
(3)将100份丙烯酰胺单体(AM)、3.08份过硫酸钾、1.2份N,N’-亚甲基双丙烯酰胺和0.5份N,N,N’,N’-四甲基乙二胺与步骤(2)所形成的混合物搅拌混合，静置后30min后形成水凝胶敷料，命名为450-3-PAM水凝胶。
图2记录了450-3-PAM水凝胶的微观形貌。图3是水凝胶的红外响应性，分别记录了450-3-PAM水凝胶和3-PAM水凝胶的红外响应性。图4记录了450-3-PAM水凝胶粘附性。图6记录了3-PAM，TH-450-3-PAM水凝胶抗菌性。
将实施例1-2以及对比例1-3获得的水凝胶进行性能测试，结果分别记录于表1和表2中。
表1水凝胶的红外响应性、粘附性和促愈合性
Figure BDA0003087065740000091
其中，促愈合性(％)＝(原始创面面积-9天后创面面积)*100％/原始创面面积。
表2水凝胶的抗菌活性
Figure BDA0003087065740000101
通过实施例1-2与对比例1-3可以发现，我们将一种类似贻贝结构、高粘附、红外响应和抗菌复合水凝胶用于伤口再生。该发明是通过将盐酸四环素-多巴胺复合物分散到凝胶-聚丙烯酰胺网络中制备的。明胶的加入增强了纯聚丙烯酰胺水凝胶的力学性能，而盐酸四环素和多巴胺的协调作用，使水凝胶对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有明显的抑菌活性。此外，该水凝胶可以通过红外光控制抗生素的释放，因此，该水凝胶具有实现药物控释的潜力。最后，以小鼠全层皮肤缺损创面模型评价水凝胶在创面修复中的作用，说明此水凝胶具有良好的促进伤口愈合和多功能性能，是治疗足部溃疡等易感染皮肤伤口的理想选择。
应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明的技术内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本发明所附权利要求书所限定的范围。

Claims (9)

1.一种贻贝仿生的红外响应性抗菌水凝胶敷料，其特征在于，所述水凝胶敷料是采用下述方法制备得到的：
(1)将多巴胺溶液预聚合后加入抗生素溶解；
(2)将明胶加入(1)产物中并加热溶解；
(3)将丙烯酰胺单体、过硫酸钾、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺和N,N,N’,N’-四甲基乙二胺与步骤(2)所形成的混合物搅拌混合，静置后形成水凝胶敷料。
2.根据权利要求1所述的一种贻贝仿生的红外响应性抗菌水凝胶敷料，其特征在于，(1)中所述多巴胺溶液预聚合是将盐酸多巴胺在去离子水中溶解，用氢氧化钠溶液调节pH至9-12后，在空气中自聚合2-60min，得到聚多巴胺溶液。
3.根据权利要求2所述的一种贻贝仿生的红外响应性抗菌水凝胶敷料，其特征在于，按重量份计，所述水凝胶敷料的原料包括以下组分：丙烯酰胺100份；明胶10～60份；盐酸多巴胺0.01～0.2份；过硫酸钾1～5份；N,N’-亚甲基双丙烯酰胺0.05～2份；N,N,N’,N’-四甲基乙二胺0.1～1份；抗生素0.1～1份；水80～140份。
4.根据权利要求3所述的一种贻贝仿生的红外响应性抗菌水凝胶敷料，其特征在于，按重量份计，所述水凝胶敷料的原料包括以下组分：丙烯酰胺100份；明胶15～55份；盐酸多巴胺0.02～0.18份；过硫酸钾2～4份；N,N’-亚甲基双丙烯酰胺1～1.5份；N,N,N’,N’-四甲基乙二胺0.2～0.8份；抗生素0.2～0.8份；水100～120份。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种贻贝仿生的红外响应性抗菌水凝胶敷料，其特征在于，所述抗生素为盐酸四环素、环丙沙星、头孢、青霉素。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种贻贝仿生的红外响应性抗菌水凝胶敷料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将多巴胺溶液预聚合后加入抗生素溶解；
(2)将明胶加入(1)产物中并加热溶解；
(3)将丙烯酰胺单体、过硫酸钾、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺和N,N,N’,N’-四甲基乙二胺与步骤(2)所形成的混合物搅拌混合，静置后形成水凝胶敷料。
7.根据权利要求6所述的一种贻贝仿生的红外响应性抗菌水凝胶敷料的制备方法，其特征在于，(1)中所述多巴胺溶液预聚合是将盐酸多巴胺在去离子水中溶解，用氢氧化钠溶液调节pH至9-12后，在空气中自聚合2-60min，得到聚多巴胺溶液；然后将抗生素加入到聚多巴胺溶液中进行溶解搅拌1-6min。
8.根据权利要求6所述的一种贻贝仿生的红外响应性抗菌水凝胶敷料的制备方法，其特征在于，步骤(2)是将明胶加入(1)产物中，温度加热至40-60℃溶解；步骤(3)中静置时间为30-120min。
9.根据权利要求6所述的一种贻贝仿生的红外响应性抗菌水凝胶敷料的制备方法，其特征在于，所述抗生素优选为盐酸四环素、环丙沙星、头孢、青霉素。
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