CN113527605A - 一种组织粘附导电多孔水凝胶及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于生物医用材料的技术领域，公开了一种组织粘附导电多孔水凝胶及其制备方法。方法：将甲基丙烯酸酐改性明胶与锂藻土的水溶液分散均匀，获得乳液；将导电组分、光引发剂与乳液混匀，获得混合乳液；或者将甲基丙烯酸酐改性明胶、锂藻土溶液、导电组分与光引发剂分散均匀，获得混合乳液；将混合乳液紫外光照聚合，获得组织粘附导电多孔水凝胶；导电组分为PEDOT:PSS或CNT。本发明的方法简单，所制备的多孔水凝胶材料具有良好生物相容性、组织粘附性和导电性。并且本发明的多孔水凝胶可以原位粘附在生物组织表面，促进皮肤伤口的止血和封闭。另外，本发明具有相互连通的孔洞结构，利于物质的扩散和渗透。
Description
技术领域
本发属于生物医用材料的技术领域，具体涉及一种多孔粘附导电水凝胶及其制备方法。
背景技术
要形成稳定的乳液一般都需要添加助剂，但是这些助剂通常具有生物毒性，使制备的水凝胶不能在生物医学领域中应用。为解决这个问题，有必要设计一种无需添加助剂就可以实现稳定乳液的模板。因此，近年来发展了许多不同机理的乳液制备方法，包括冷冻干燥法、致孔剂法、相分离法及模板法。模板法又分为表面活性剂模板法和乳液模板法。
乳液模板法与表面活性剂法类似，先制备出中间相乳液模板，聚合成功后与连续相和分散相分离，再进行处理除去模板得到多孔水凝胶。通过改变乳液模板的种类、尺寸、形状等相关因素实现对多孔材料的孔道控制。
然而，目前制备的多孔水凝胶，其多孔结构孔径分布不均匀，难以调控孔径大小，且在制备的过程中可能添加有机溶剂降低材料的生物相容性。此外，现有方法制备的多孔水凝胶孔与孔之间通常是封闭的，无法促进组织生长连接和细胞迁移。
本发明以水包空气乳液模板，通过添加锂藻土(Laponite)和导电组分PEDOT：PSS(聚(3，4-乙撑二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸盐)或者CNT(碳纳米管)，促进了乳液稳定性，提高了乳液的导电性，同时有利于制备良好生物相容性、组织粘附性和导电性的多孔水凝胶。本发明的多孔水凝胶具有连通多孔结构，能够有效促进营养物质的输送和代谢废物的排出，有利于细胞向内生长，促进组织修复连接。
发明内容
为了克服现有技术的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种组织粘附导电多孔水凝胶及其备方法。本发明以甲基丙烯酸酐改性明胶为稳定剂作为乳液模板，通过添加锂藻土和导电组分，使得所制备的多孔水凝胶具有良好生物相容性、组织粘附性和导电性。并且本发明的多孔水凝胶可以原位粘附在生物组织表面，可以促进皮肤伤口的止血和封闭。
为实现以上目的，本发明采用了以下技术方案：
一种组织粘附导电多孔水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
1)将甲基丙烯酸酐改性明胶(GelMA)与锂藻土溶液分散均匀，获得乳液；
2)将导电组分、光引发剂与乳液混匀，紫外光照聚合，获得组织粘附导电多孔水凝胶；所述锂藻土溶液为锂藻土。
所述锂藻土溶液为锂藻土水溶液；锂藻土(Laponite)为Laponite(XLG-XR)，购自德国毕克化学BYK。
所述锂藻土溶液的浓度为0.001～0.02g/mL即锂藻土与水的质量体积比为(0.1～2)g∶100mL。
所述甲基丙烯酸酐改性明胶与锂藻土的质量比为(2～20)g∶(0.1～2)g。所述甲基丙烯酸酐改性明胶与乳液中水的质量体积比为(2～20)g∶100mL。
所述光引发剂与步骤1)中锂藻土的质量比为(0.2～1)g∶(0.1～2)g。
所述光引发与水的质量体积比为(0.2～1)g∶100mL。
所述导电组分与步骤1)中锂藻土的质量比为(0.1～3)g∶(0.1～2)g。
所述导电组分与水的质量体积比为(0.1～3)g∶100mL。
步骤1)中分散均匀是指高速均质分散，转速为15000～17000rpm，高速均质分散的时间为1～3min；
甲基丙烯酸酐改性明胶的接枝率为65～90％(甲基丙烯酸酐在甲基丙烯酸酐改性明胶中的接枝率)
所述光引发剂为2-羟基-4′-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮(I2959)或者酰基亚膦酸锂(LAP)；
所述导电组分为PEDOT：PSS(聚(3，2-乙撑二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸盐)或CNT(碳纳米管)。
步骤1)中分散时的温度为20～35℃；
步骤2)中的紫外光光强为50～500μw/cm2；
步骤2)中的紫外光照射时间为0.5～4min。
本发明的多孔水凝胶的孔隙率为43～62％，孔径为70μm～140μm。
本发明的多孔水凝胶可用于生物医药领域和组织工程领域。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1)本发明未使用任何化学交联剂和有机溶剂，有利于提高材料的安全性，具有良好的生物相容性；
2)本发明采用的GelMA乳液模板具有很高的稳定性，能够在聚合反应中维持乳液的基本结构，利于多孔水凝胶的形成；
3)本发明采用的Laponite对于乳液稳定具有促进作用，利于乳液的稳定和多孔水凝胶的制备；
4)本发明制备的粘附导电多孔水凝胶具有良好的导电性，粘附性，止血和力学性能；
5)本发明制备的粘附导电多孔水凝胶，其孔道尺寸、结构和其他性能可以通过调节Laponite的浓度和导电组分的含量灵活变化，以满足各种应用的需要；
6)本发明制备的粘附导电多孔水凝胶的形状可以通过改变模具的形状来实现，便于适应不同应用的需要；
7)本发明制备的粘附导电多孔水凝胶可以原位粘附在生物组织表面，可以促进皮肤伤口的止血和封闭；
8)本发明制备的粘附导电多孔水凝胶具有开放大孔结构和较高的孔隙率利于物质的扩散和渗透；
9)本发明制备的粘附导电多孔水凝胶制备工艺简单易行，原材料成本低，容易批量生产，有较大应用推广价值。
附图说明
图1为实施例3中步骤(3)制备的预聚液和步骤(4)制备的凝胶的光学图；A为预聚液，B为凝胶；
图2为实施例3制备的粘附导电多孔水凝胶内部多孔结构的扫描电镜图；
图3为不同含量的锂藻土和导电组分制备的粘附导电多孔水凝胶的导电性能测试柱状图；图中Laponite表示是锂藻土；
图4为实施例1～4制备的粘附导电多孔水凝胶的搭接剪切性能测试图，其中0wt％，0.5wt％，1wt％，2wt％分别对应实施例1，2，3，4；
图5为实施例3制备的粘附导电多孔水凝胶的粘附性能测试图；其中A～D分别为粘附导电多孔水凝胶对猪的心、肝、肺、肾组织的粘附性能测试图；E，F分别为水凝胶封闭离心管缺口部位前后的漏水情况图；G，H分别为利用载玻片和砝码(100g)测试水凝胶在空气和水中粘附性能的测试图；
图6为实施例1～4制备的粘附导电多孔水凝胶的凝血性能测试图，其中0wt％，0.5wt％，1wt％，2wt％分别对应实施例1，2，3，4。
具体实施方式
下面结合具体实施例来对本发明作进一步具体描述，但本发明的实施方式不限于此。
以下实施例所采用的原料来源说明：PEDOT：PSS、I2959、二甲基丙烯酸酐均购自Siqma-Aldrich；Laponite购自德国毕克BYK。
本发明利用Laponite、PEDOT：PSS和GelMA间的静电相互作用促进了三者均匀分布，稳定了水包空气乳液，增强了凝胶的交联网络密度。
实施例1
一种多孔粘附导电水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
(1)配制浓度为0wt％的锂藻土(Laponite)水溶液，1mL；
(2)在步骤(1)中加入0.1g的GelMA(GelMA在水中浓度为10wt％)溶解均匀，使用高速分散均质机在16000rpm下强烈搅拌2min，得到稳定乳液；
(3)在步骤(2)的乳液中加入0.01g导电组分PEDOT：PSS(在水中浓度为1wt％)和0.005g光引发剂I2959(在水中浓度为0.5wt％)溶解均匀；
(4)对步骤(3)所得的混合溶液用50μw/cm2光强的紫外灯照射2min，室温光引发聚合得到水凝胶。
实施例2
一种多孔粘附导电水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
(1)配制浓度为0.5wt％的锂藻土(Laponite)水溶液：锂藻土0.005g，溶剂水的体积1mL；
(2)在步骤(1)中加入0.1g的GelMA(在水中浓度为10wt％)溶解均匀，使用高速分散均质机在16000rpm下强烈搅拌2min，得到稳定乳液；
(3)在步骤(2)搅拌前所得的混合溶液中加入0.01g导电组分PEDOT：PSS(在水中浓度为1wt％)和0.005g光引发剂I2959(在水中浓度为0.5wt％)溶解均匀；
(4)对步骤(3)所得的混合溶液用100μw/cm2光强的紫外灯照射3min，室温光引发聚合得到物理凝胶。
实施例3
一种多孔粘附导电水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
(1)配制浓度为1wt％的锂藻土(Laponite)溶液：锂藻土0.01g，溶剂水的体积为1mL；
(2)在步骤(1)中加入0.1g的GelMA(在水中浓度为10wt％)溶解均匀，使用高速分散均质机在16000rpm下强烈搅拌2min，得到稳定乳液；
(3)在步骤(2)搅拌前所得的混合溶液中加入0.01g导电组分PEDOT：PSS(在水中浓度为1wt％)和0.005g光引发剂I2959(在水中浓度为0.5wt％)溶解均匀；
(4)对步骤(3)所得的混合溶液用250μw/cm2光强的紫外灯照射1min，室温光引发聚合得到物理凝胶。
实施例4
一种多孔导电水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
(1)配制浓度为2wt％的锂藻土(Laponite)溶液：锂藻土0.02g，溶剂水为1mL；
(2)在步骤(1)中加入0.1g的GelMA(在水中浓度为10wt％)溶解均匀，使用高速分散均质机在16000rpm下强烈搅拌2min，得到稳定乳液；
(3)在步骤(2)搅拌前所得的混合溶液中加入0.01g导电组分PEDOT：PSS(在水中浓度为1wt％)和0.005g光引发剂I2959(在水中浓度为0.5wt％)溶解均匀；
(4)对步骤(3)所得的混合溶液用500μw/cm2光强的紫外灯照射0.5min，室温光引发聚合得到物理凝胶。
实施例5
一种多孔导电水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
(1)配制浓度为1wt％的锂藻土(Laponite)溶液：锂藻土为0.01g，溶剂水为1mL；
(2)在步骤(1)中加入0.1g的GelMA(在水中浓度为10wt％)溶解均匀，使用高速分散均质机在16000rpm下强烈搅拌2min，得到稳定乳液；
(3)在步骤(2)搅拌前所得的混合溶液中加入0.005g导电组分PEDOT：PSS(在水中浓度为0.5wt％)和0.005g光引发剂I2959(在水中浓度为0.5wt％)溶解均匀；
(4)对步骤(3)所得的混合溶液用50μw/cm2光强的紫外灯照射2min，室温光引发聚合得到物理凝胶。
实施例1～4所制备的凝胶孔隙率分别为43.6％，52.2％，57.2％，61.3％。
图1为实施例3中步骤(3)制备的预聚液和步骤(4)制备的凝胶的光学图；A为预聚液，B为凝胶；
图2为实施例3制备的粘附导电多孔水凝胶内部多孔结构的扫描电镜图。
图3为不同含量的锂藻土和导电组分制备的粘附导电多孔水凝胶的导电性能测试柱状图；图中Laponite表示是锂藻土；其中粘附导电多孔水凝胶在制备的过程中除了锂藻土和导电组分发生变化时，其他条件同实施例3。
图4为实施例1～4制备的粘附导电多孔水凝胶的搭接剪切性能测试图，其中0wt％，0.5wt％，1wt％，2wt％分别对应实施例1，2，3，4。
搭接剪切测试根据针对组织粘合剂修改的ASTM F2255-05标准进行[Annabi N，Rana D，Sani E S，et al.Engineering a sprayable and elastic hydrogel adhesivewith antimicrobial properties for wound healing[J].Biomaterials，2017，139∶229-243.]。即先将20wt％明胶溶液在45℃下涂敷在载玻片上，室温静置干燥形成1em×1cm的明胶层，为控制面积使用1cm直径的橡胶圆圈，再将200μL预聚乳液(含有导电成分和光引发剂的混合溶液)注射到橡胶圆圈后固定两片载玻片的相对位置，并用高强度紫外灯(50～500mW/cm2)照射0.5～4min光引发聚合，使载玻片粘合在一起。使用质构仪固定载玻片的一端，另一端以1mm/min的应变速率拉伸，在分离点记录最大拉伸应力。
图5为实施例3制备的粘附导电多孔水凝胶的粘附性能测试图；其中A～D分别为粘附导电多孔水凝胶对猪的心、肝、肺、肾组织的粘附性能测试图；E，F分别为水凝胶封闭离心管缺口部位前后的漏水情况图；G，H分别为利用载玻片和砝码(100g)测试水凝胶在空气和水中粘附性能的测试图。
图6为实施例1～4制备的粘附导电多孔水凝胶的凝血性能测试图，其中0wt％，0.5wt％，1wt％，2wt％分别对应实施例1，2，3，4。
凝血性能测试：将新鲜兔全血(枸橼酸钠抗凝)在37℃恒温摇床中复温，同时将凝胶切成厚为1mm，直径为10mm的圆片，先后用去离子水和PBS润洗3次，再用滤纸吸干表面水分后放入48孔板，置于37℃恒温摇床中。先后将30μL0.2M CaCl2溶液和300μL新鲜兔全血加入孔板中使凝胶完全浸没，摇床速度60r/min，一段时间后用吸管或移液枪吸出未凝固血液，加适量PBS润洗3次后观察凝血状况并拍摄图像，同时试验空白组作为对照。
结论：
从图1可知，通过水包空气乳液模板制备的水凝胶透明度降低，体积增大。
从图2可知，凝胶具有连通多孔结构，且孔径分布均匀，孔径大小为96.9±19.9μm。
从图3可知，Laponite和PEDOT：PSS的浓度增大均能增强凝胶的导电性能。
从图4可知，随Laponite浓度增大搭接剪切强度增加。
从图5可知，该多孔凝胶能够有效粘附猪的心、肝、肺、肾等组织，且能封闭装有水的离心管缺口，在水下也能具有一定的粘附效果。
从图6可知，该多孔凝胶有效促进了血液凝结，且凝血效果随Laponite浓度的增大而增强。
实施例中GelMA可以通过以下方法制备：
①称取6g明胶于100ml容器中，加入60ml磷酸缓冲溶液，密封容器，300rpm匀速搅拌，在50℃水浴下溶解30min至明胶完全溶解为淡黄色澄清液体；
②在步骤①所得溶液中加入12ml甲基丙烯酸酸酐(MA)，控制体系pH为7.4～11.0，MA的滴加速率控制为4-6s一滴；
③反应5h，将混合液与磷酸缓冲溶液以1：10的体积混合终止反应，过夜静置混合液后除去沉淀物；再用去离子水透析反应液7d，每天换水2次，透析袋截留分子量为14000，随后取出透析袋中液体冻干，最终得到泡沫状固体产物GelMA，-20℃下密封保存备用。
Claims (9)
1.一种组织粘附导电多孔水凝胶的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)将甲基丙烯酸酐改性明胶与锂藻土溶液分散均匀，获得乳液；
2)将导电组分、光引发剂与乳液混匀，获得混合乳液；将混合乳液紫外光照聚合，获得组织粘附导电多孔水凝胶；所述锂藻土溶液为锂藻土的水溶液；
所述导电组分为PEDOT：PSS或CNT。
2.根据权利要求1所述组织粘附导电多孔水凝胶的制备方法，其特征在于：所述锂藻土溶液的浓度为0.001～0.02g/mL即锂藻土与水的质量体积比为(0.1～2)g∶100mL；
所述甲基丙烯酸酐改性明胶与锂藻土的质量比为(0.02～0.2)g∶(0.001～0.02)g；所述甲基丙烯酸酐改性明胶与乳液中水的质量体积比为(2～20)g∶100mL；
所述导电组分与步骤1)中锂藻土的质量比为(0.001～0.03)g∶(0.001～0.02)g。
3.根据权利要求1所述组织粘附导电多孔水凝胶的制备方法，其特征在于：所述光引发剂与步骤1)中锂藻土的质量比为(0.002～0.01)g∶(0.001～0.02)g；
所述光引发与水的质量体积比为(0.2～1)g∶100mL；
所述导电组分与水的质量体积比为(0.1～3)g∶100mL。
4.根据权利要求1所述组织粘附导电多孔水凝胶的制备方法，其特征在于：步骤1)中分散均匀是指高速均质分散，转速为15000～17000rpm，高速均质分散的时间为1～3min。
5.根据权利要求1所述组织粘附导电多孔水凝胶的制备方法，其特征在于：所述甲基丙烯酸酐改性明胶的接枝率为65～90％；
所述光引发剂为2-羟基-4′-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮或者酰基亚膦酸锂；
步骤2)中的紫外光光强为50～500μw/cm2；
步骤2)中的紫外光照射时间为0.5～4min；
步骤2)中紫外光照为常温紫外光照。
6.根据权利要求1所述组织粘附导电多孔水凝胶的制备方法，其特征在于：
步骤2)中所述混合溶液或通过以下方法制备：将甲基丙烯酸酐改性明胶、锂藻土溶液、导电组分与光引发剂分散均匀得到。
7.一种由权利要求1～6任一项所述制备方法得到的组织粘附导电多孔水凝胶。
8.根据权利要求7所述组织粘附导电多孔水凝胶的应用，其特征在于：所述组织粘附导电多孔水凝胶用于制备生物组织修复材料、生物组织细胞培养载体或支架。
9.根据权利要求7所述组织粘附导电多孔水凝胶的应用，其特征在于：
所述组织粘附导电多孔水凝胶用于制备伤口敷料。
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