CN114349979B

CN114349979B - 一种自愈合、抗菌的三元复合水凝胶材料及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN114349979B
Application number: CN202111456214.6A
Authority: CN
Inventors: 刘宣勇; 刘丹
Original assignee: Cixi Biomaterial Surface Engineering Center; Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Cixi Biomaterial Surface Engineering Center; Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date: 2021-12-01
Filing date: 2021-12-01
Publication date: 2023-08-04
Anticipated expiration: 2041-12-01
Also published as: CN114349979A

Abstract

本发明涉及一种自愈合、抗菌的三元复合水凝胶材料及其制备方法和应用。所述三元复合水凝胶材料具有三维多孔结构，主要成分为β‑环糊精、叔胺化聚乙烯亚胺、聚乙烯醇和水。

Description

一种自愈合、抗菌的三元复合水凝胶材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种抗菌水凝胶材料及其制备方法，更具体地涉及一种自愈合、抗菌的三元复合水凝胶材料及其制备方法及其在用于感染性创面的抗菌水凝胶敷料中的应用。

背景技术

近年来由于交通意外事故频发，急慢性创面损伤患者逐年增多。创面损伤如处理不当，易引发感染，形成感染性创面，难以修复。目前临床上多采用无菌纱布、无菌敷贴等作为传统敷料进行创面修复，但传统敷料本身不具备抗菌性能、与皮肤贴合性差，易脱落导致二次感染且与创面组织易黏连、难脱除，故不利于感染性创面的细菌杀伤及创面愈合。因此亟待发明一种理想创面敷料解决该问题。

理想敷料应当具备可吸收渗出液、易移除易更换，安全抗菌无污染及促进创面修复等特征；而水凝胶作为一种由共价键、氢键等作用交联形成的具有三维网络结构的亲水性高分子材料，具有独特的可吸水溶胀、软弹特性、基团多可设计性强以及良好的生物相容性非常契合理想敷料的设计需求。另外，在应用于创面修复时，水凝胶既可以保护创面免受外界二次损伤，同时又可以直接接触皮肤并促进细胞迁移、胶原沉积、微血管形成，从而实现创面修复。

为了解决上述问题，中国专利申请(申请号202110287 281.3)中公开了将海藻酸钠和碳酰肼等有机溶剂反应制备混合溶液，透析后加入硝酸银，搅拌即得到海藻酸钠纳米银抗菌水凝胶敷料。但是，采用此方法形成的抗菌凝胶不具备自愈合性能且凝胶的拉伸性能较差，因此在应用于创面敷料时，容易发生敷料的破裂、脱落，从而导致敷料失效；另外，用该方法形成的水凝胶不具备自愈合性能，因此材料寿命相对较短，故在应用于创面修复时受到一定限制。

β-CD是一种源自淀粉的天然分子，是由7个葡萄糖单元键接形成的环状低聚糖，特殊的空腔结构可用于药物装载与释放、与客体分子相互作用还可形成凝胶，多重反应位点为其可设计性提供了可能，因此广泛用于水凝胶构建。然而，由于单组份的β-CD凝胶力学性能较差、不具备抗菌活性，因此在应用于细菌感染性等慢性创面修复中，受到较大限制。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的是提供一种用于感染性创面修复的具有良好抗菌性能和自愈合性能的水凝胶材料及其制备方法。采用本发明的这种抗菌水凝胶应可与皮肤良好贴合，并具有良好的生物相容性、优异的抗菌性能和良好的拉伸性能及自愈合性能。

一方面，本发明提供了一种自愈合、抗菌的三元复合水凝胶材料，所述三元复合水凝胶材料具有三维多孔结构，主要成分为β-环糊精、叔胺化聚乙烯亚胺、聚乙烯醇和水。

较佳的，所述三维网络结构是β-环糊精和叔胺化聚乙烯亚胺化学交联后再与聚乙烯醇物理交联得到。其中，部分环糊精参与化学反应与聚乙烯亚胺形成二元聚合物；并且，环糊精中的羟基可与聚乙烯亚胺中的氨基、聚乙烯醇中的羟基形成物理交联点，形成物理交联网络。

在本发明中，通过环氧氯丙烷将阳离子聚合物聚乙烯亚胺进行叔胺化处理，再与β-环糊精进行化学改性，使环糊精基体凝胶具有优异的抗菌性能且具有一定的生物相容性。聚乙烯亚胺的氨基可提高凝胶的黏合能力，可以与皮肤组织良好贴合。同时聚乙烯醇可以上述二元复合物的力学性能得以改善，且生物相容性进一步提高；且氨基与羟基可以通过物理交联网络的形成，赋予水凝胶的自愈合性能，并提高凝胶的稳定性。

较佳的，所述三元复合水凝胶材料的组成包括：β-环糊精0.5～10wt％、叔胺化聚乙烯亚胺1～4wt％、聚乙烯醇0.1～30wt％、水56～98％，总量为100wt％。这些组分的组合以及各组分的上述比例范围，是通过大量试验确定的，上述组合以及比例范围使本发明复合水凝胶具有上述自愈合性能、抗菌性能和生物相容性的优良平衡。

较佳的，所述三元复合水凝胶材料的储能模量G’高于损耗模量G”，其中G’的范围为10～10000Pa，G”的范围为0～10000Pa。

较佳的，所述三元复合水凝胶材料在1000％剪切应变下仍保持凝胶态，具有可变形性。

另一方面，本发明提供了一种自愈合、抗菌的三元复合水凝胶材料的制备方法，包括：

(A)在碱性环境中，在0～50℃温度范围下，利用有机溶剂改性聚乙烯亚胺，得到叔胺化聚乙烯亚胺；

(B)在20～80℃下，利用环糊精与叔胺化聚乙烯亚胺进行化学交联，得到二元复合水凝胶；(C)在20～95℃下，将所得二元复合水凝胶和聚乙烯醇溶液进行混合(共混)，再经静置消泡和冻融，得到所述自愈合、抗菌的三元复合水凝胶。其中，步骤(C)中共混和与冻融是两步，共混的目的是使其充分混合并保持均一，冻融是通过结晶产生物理交联点。

较佳的，步骤(A)中，碱性环境由碱性水溶液提供；所述碱包括氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸氢钠中的至少一种；所述碱性水溶液的浓度为0.01～2mol/L；所述有机溶剂为环氧氯丙烷；所述有机溶剂环氧氯丙烷的添加量为聚乙烯亚胺质量的11.48～114.85wt％。

较佳的，步骤(B)中，先将叔胺化聚乙烯亚胺溶液和超纯水混合后，再加入β-环糊精和交联剂完全溶解后，在20～80℃下反应0.5～8h；所述交联剂为环氧氯丙烷；所述交联剂的加入量为β-环糊精10.43～104.32wt％。

较佳的，步骤(C)中，所述聚乙烯醇溶液的浓度为3～30wt％；

所述静置消泡在常温常压下进行，时间为0.5～24h；

所述冻融包括：先在-20～-18℃下冷冻2～12h，再在4～25℃下解冻；优选地，所述冻融次数为1～5次。

再一方面，本发明还提供了一种自愈合、抗菌的三元复合水凝胶材料在制备感染性创面的抗菌水凝胶敷料中的应用。

有益效果：

本发明中，三元复合水凝胶通过物理化学反应制备，并具备较强的抗菌性能(对于浓度为10⁷CFU/mL的金葡菌与大肠杆菌的杀伤率为100％)及自愈合性能，且具有良好的生物相容性。该水凝胶的储能模量G’高于损耗模量G”，且G’的范围为10～10000Pa，G”的范围为0～10000Pa。该水凝胶可承受较大剪切应变，在1000％剪切应变下，仍保持凝胶态，具有较强的可变形性。

附图说明

图1为实施例1制备的三元复合凝胶的溶胶凝胶光学图像，证明可顺利制备均一、稳定的复合凝胶；

图2为实施例1制备的三元复合凝胶(CPP)的流变学测试结果，其中三元凝胶CPP的储能模量(G’)明显高于凝胶损耗模量(G”)，进一步证实凝胶成功、稳定制备。与对比例2制备的聚乙烯醇(PVA)凝胶相比较，复合凝胶的储能模量与损耗模量得以提高，说明复合凝胶的强度与稳定性更强。且通过图2中的b图可证实该凝胶在1000％应变下，仍保持良好的凝胶状态，证实该复合凝胶的拉伸性能优异、可变形性良好；

图3为实施例2制备的三元复合凝胶的自愈合性能表征，将条状凝胶进行切割、染色后，可通过拼接得到“小船”形状的凝胶，且冻融后，“小船”状水凝胶可承受一定的拉伸，证明凝胶自愈合性能优异；

图4为对实施例1制备的CPP凝胶先破坏再自愈合后进行拉伸测试，测试结果表明，凝胶自愈合效果优异，仍可承受150％的拉伸。即说明，凝胶经过切割被完全破坏后，再次拼接，仍可具有一定的拉伸性能；

图5为实施例1制备的三元复合凝胶的细胞毒性表征，证实凝胶对小鼠成纤维细胞L929没有明显的细胞毒性，生物相容性良好；

图6为实施例1制备的三元复合凝胶的细胞活死荧光显微照片。将凝胶与L929细胞共培养后，对细胞进行活死染色，并拍摄荧光显微照片(其中，活细胞为绿色，死细胞为红色)。活死染色结果进一步证实凝胶具有良好的生物相容性；

图7为细菌涂板结果，将1mL浓度为10⁷CFU/mL的金黄色葡萄球菌、大肠杆菌分别与100μl凝胶共培养24h后，进行涂板。细菌涂板结果表明，三元复合凝胶的抗菌效果优异；

图8为动物体内抗菌实验结果，该实验证实凝胶在动物体内仍具有明显的抗菌效果；

图9为动物感染性的创面愈合情况，该实验结果表明，与对比例1和2相比，按照实施例1制备的三元复合凝胶CPP(D组)对于感染性创面具有明显的促愈合效果。

具体实施方式

以下通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

在本公开中，三元复合水凝胶的主要成分是β-环糊精、叔胺化聚乙烯亚胺和聚乙烯醇通过物理、化学反应形成的，其余大部分组分为水。其中，部分环糊精参与化学反应与聚乙烯亚胺形成二元聚合物。并且，环糊精中的羟基可与聚乙烯亚胺中的氨基、聚乙烯醇中的羟基形成物理交联点，形成物理交联网络。

在可选的实施方式中，三元复合水凝胶中各组分的质量比为：β-环糊精0.5～10％，叔胺化聚乙烯亚胺1～4％，聚乙烯醇0.01～52％，水30～98％，总量为100wt％。

在进一步优选的方式中，三元自愈合复合水凝胶的β-环糊精、聚乙烯亚胺和聚乙烯醇的质量比为：β-环糊精0.5～5wt％、聚乙烯亚胺1～4wt％、聚乙烯醇0.1～30wt％、水61～98％，总量为100wt％。

本发明中，三元复合水凝胶中的环糊精、聚乙烯亚胺通过交联剂环氧氯丙烷进行化学反应后，再与聚乙烯醇通过物理共混及冻融法制得。所述可自愈合水凝胶体系内含有大量氢键和物理微晶。该水凝胶因具有大量氢键及物理微晶区，因此具有优良的自愈合能力。当凝胶在外力作用下分子间作用力减弱，物理网络破坏，凝胶产生微裂纹，耗散外力；当外力撤去后，微裂纹处的分子间氢键重新形成，构成新的物理网络，微裂纹修复，完成自愈合。

以下示例性地说明自愈合、抗菌的三元复合水凝胶材料的制备方法。

在碱性环境中，在0～50℃温度范围下，利用有机溶剂改性聚乙烯亚胺，制备得到叔胺化聚乙烯亚胺。碱性环境由碱性水溶液提供。碱性水溶液包括氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸氢钠中的一种或几种。碱性水溶液的浓度可为0.01～2mol/L。所述有机溶剂为环氧氯丙烷，该环氧氯丙烷添加量：聚乙烯亚胺＝0.2～2mL:2mL。

作为一个详细的示例，将2mL的聚乙烯亚胺加入到1～5mL碱性溶液中，在室温下搅拌至溶解，得到聚乙烯亚胺的碱溶液。在一定温度下，将一定量的环氧氯丙烷，在搅拌条件下逐滴滴加至聚乙烯亚胺的碱溶液中，保持搅拌2h，得到叔胺化聚乙烯亚胺。

在20～80℃的温度范围下，利用环糊精与叔胺化聚乙烯亚胺反应，制备二元复合水凝胶。向叔胺化聚乙烯亚胺溶液(0.5～5mL)中加超纯水(2～10mL)，并称取β-环糊精(1.134g～5.670g)，加入该体系中，均速搅拌20min直至完全溶解。再在向体系中逐滴加入环氧氯丙烷(0.2～2ml)，继续在20～80℃的温度范围下反应0.5～8h。

在20～95℃温度范围下，将二元复合水凝胶与一定浓度聚乙烯醇溶液进行共混，得到混合物。所用聚乙烯醇溶液的浓度范围在3～30wt％。作为一个示例，在温度范围95～98℃下，在烧杯中加入50～100mL水溶液，将聚乙烯醇在水溶液中充分溶解，得到聚乙烯醇溶液。控制转速为200～600rpm/min，将二元复合水凝胶与溶解好的聚乙烯醇溶液充分混合，得到混合物(实质为凝胶)。

将共混后的混合物静置消泡后，进行多次冻融，制得自愈合、抗菌三元复合水凝胶。静置消泡在常温常压下，消泡时间为0.5～24h。冻融包括：冷冻和解冻。其中，冷冻的温度可为-20～-18℃。冷冻的时间可为2～12h。其中，解冻的温度可为4～25℃，解冻的时间可为2～12h。作为一个示例，混合均匀后，将该凝胶注射至模具中，静置消泡，消泡后放入-20℃冰箱中冷冻2～12h，再在常温下解冻2～12h。

更优选地，还通过多次(1～5次，优选1～3次)冻融，复合凝胶可形成微晶区，提高凝胶的强度和稳定性。超过5次以上的自愈合效果变差，且材料性能提升不明显，且材料制备耗时较久。

若无特殊说明，上述制备过程涉及的温度一般为常温(20～25℃)，反应压力一般为常压。

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。在以下实施例和对比例中，用断裂伸长率(％)表示凝胶的拉伸性能，这一数值越高，说明凝胶的可变形性能越好；用储能模量与损耗模量表征凝胶的粘弹性能，当储能模量G’＞G”时，证明凝胶形成且稳定性良好；抗菌率(％)表示凝胶的抗菌效果，这一数值越高，说明抗菌性能越好；用细胞存活率(％)表示凝胶的生物相容性，这一数值越高，说明凝胶的生物相容性越好。将凝胶完全破坏后进行拼接，表征其自愈合性能的有无：若凝胶可重新拼接成新的凝胶并承受自身重量，则证明有自愈合性能；反之则无。

实施例1

(A)在冰水浴条件下取2mL聚乙烯亚胺溶于1mL浓度为0.01mol/L的NaOH溶液中，

加入400μL环氧氯丙烷，制备叔胺化聚乙烯亚胺；

(B)在60℃下，将1.134g环糊精及200μL环氧氯丙烷与步骤(A)所得叔胺化聚乙烯亚胺反应，制备二元复合水凝胶；

(C)升高温度至95℃，将步骤(B)二元复合水凝胶与质量浓度为15％的聚乙烯醇(50mL)进行共混，并静置消泡。冻融3次(每次冻融为：-20℃冰箱中冷冻2～12h，再在20℃下解冻2～12h)后制得三元复合水凝胶。然后进行相关理化性能及生物学性能表征，在表1中列出了测试结果。所得三元复合水凝胶材料的组成包括：β-环糊精1.62wt％、叔胺化聚乙烯亚胺2.94wt％、聚乙烯醇22.46wt％、余量为水。

实施例2

按照上述比例重复实施例1中的方法，区别在于：仅实施例1步骤A的温度条件改为10℃。然后进行相关理化性能及生物学性能表征，在表1中列出了测试结果。

实施例3

按照上述比例重复实施例1中的方法，区别在于：仅实施例1步骤B中的温度改为70℃。β-环糊精1.62wt％、叔胺化聚乙烯亚胺2.94wt％、聚乙烯醇22.46wt％、余量为水。然后进行相关理化性能及生物学性能表征，在表1中列出了测试结果。

实施例4

按照上述比例重复实施例1中的方法，区别在于：仅实施例1步骤C中的温度改为90℃。所得三元复合水凝胶材料的组成包括：β-环糊精1.62wt％、叔胺化聚乙烯亚胺2.94wt％、聚乙烯醇22.46wt％、余量为水。然后进行相关理化性能及生物学性能表征，在表1中列出了测试结果。

实施例5

按照上述比例重复实施例1中的方法，区别在于：仅实施例1步骤C中的聚乙烯醇浓度分别改为5wt％、10wt％、20wt％、25wt％、30wt％；

当聚乙烯醇溶液浓度为5wt％，所得三元复合水凝胶材料的组成包括：β-环糊精1.89wt％、叔胺化聚乙烯亚胺3.44wt％、聚乙烯醇8.35wt％、余量为水；

当聚乙烯醇溶液浓度为10wt％，所得三元复合水凝胶材料的组成包括：β-环糊精1.74wt％、叔胺化聚乙烯亚胺3.17wt％、聚乙烯醇15.4wt％、余量为水；

当聚乙烯醇溶液浓度为20wt％，所得三元复合水凝胶材料的组成包括：β-环糊精1.51wt％、叔胺化聚乙烯亚胺2.75wt％、聚乙烯醇26.7wt％、余量为水；

当聚乙烯醇溶液浓度为25wt％，所得三元复合水凝胶材料的组成包括：β-环糊精1.42wt％、叔胺化聚乙烯亚胺2.58wt％、聚乙烯醇31.3wt％、余量为水；

然后进行相关理化性能及生物学性能表征，在表1中列出了测试结果。

实施例6

按照上述比例重复实施例1中的方法，区别在于：冻融次数为0。不冷冻无法形成均一凝胶，为粘稠液体，无法进行划痕实验。

实施例7

按照上述比例重复实施例1中的方法，区别在于：冻融次数为1。

实施例8

按照上述比例重复实施例1中的方法，区别在于：冻融次数为5。

实施例9

按照上述比例重复实施例1中的方法，区别在于：冻融次数为7。

对比例1

仅按照实施例1中的配比及步骤A和步骤B制备二元复合水凝胶：

(A)冰水浴条件下取2mL聚乙烯亚胺溶于1mL浓度为0.01mol/L的NaOH溶液中，加入400μL环氧氯丙烷制备叔胺化聚乙烯亚胺；

(B)在60℃下，将1.134g环糊精及200μL环氧氯丙烷与叔胺化聚乙烯亚胺反应，制备二元复合水凝胶。然后进行相关理化性能及生物学性能表征，在表1中列出了测试结果。

对比例2

仅按照实施例1中的配比及步骤C制备PVA凝胶。在95℃条件下，配制质量浓度为15％的聚乙烯醇，并进行充分溶解，消泡后冻融3次后制得水凝胶。然后进行相关理化性能及生物学性能表征，在表1中列出了测试结果。

表1中各实施例和对比例所得水凝胶的拉伸率、抗菌性能和生物相容性的测试数据说明：

从表1中可知，无论单一性能上，还是综合性能上，本发明实施例制备的水凝胶材料都明显地优于对比例1和2的水凝胶材料。上述自愈合性能有无测试需划痕实验检验，具体划痕实验步骤包括：制备等体积的水凝胶于尺寸相同且洁净的圆盘模具中，用小刀沿圆盘直径切开，完全破坏水凝胶。再将破坏的水凝胶在室温(25℃)下静置，并计时，待到水凝胶的划痕完全“愈合”后，停止计时。(完全“愈合”标准为：水凝胶表面的划痕完全消失，且用镊子在原划痕的位置上拨动，无法将水凝胶沿原划痕位置分开。)通过观察划痕完全愈合所需时间，评判其自愈合性能。其中“无”的含义为：进行划痕实验后，开始计时，观察30min分钟后划痕无变化，水凝胶被分割为两部分且无法“愈合”成为一个整体。拉伸率的全称为拉伸断裂伸长率，即：(拉伸至断裂的长度L₁－原始长度L₀)/原始长度L₀*100％。

Claims

1. 一种自愈合、抗菌的三元复合水凝胶材料，其特征在于，所述三元复合水凝胶材料具有三维多孔结构，主要成分为β-环糊精、叔胺化聚乙烯亚胺、聚乙烯醇和水；所述三维多孔结构是β-环糊精和叔胺化聚乙烯亚胺化学交联后再与聚乙烯醇物理交联得到；所述三元复合水凝胶材料的组成包括：β-环糊精0.5～10 wt%、叔胺化聚乙烯亚胺1～4 wt%、聚乙烯醇8.35～52 wt%、水30～98 wt%，总量为100 wt%；

所述自愈合、抗菌的三元复合水凝胶材料的制备方法包括：

（A）在碱性环境中，在0～50℃温度范围下，利用有机溶剂改性聚乙烯亚胺，得到叔胺化聚乙烯亚胺；所述有机溶剂为环氧氯丙烷；

（B）先将叔胺化聚乙烯亚胺溶液和超纯水混合后，再加入β-环糊精和交联剂完全溶解后，在20～80℃下反应0.5～8h，得到二元复合水凝胶；所述交联剂为环氧氯丙烷；

（C）在20～95℃下，将所得二元复合水凝胶和聚乙烯醇溶液进行混合，再经静置消泡和冻融，得到所述自愈合、抗菌的三元复合水凝胶；所述冻融次数为1～5次。

2. 根据权利要求1所述的三元复合水凝胶材料，其特征在于，所述三元复合水凝胶材料的储能模量 G’高于损耗模量 G’’，其中 G’的范围为 10～10000 Pa，G’’的范围为 0～10000 Pa。

3.根据权利要求1所述的三元复合水凝胶材料，其特征在于，所述三元复合水凝胶材料在1000%剪切应变下仍保持凝胶态，具有可变形性。

4. 根据权利要求1所述的三元复合水凝胶材料，其特征在于，步骤（A）中，碱性环境由碱性水溶液提供；所述碱包括氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸氢钠中的至少一种；所述碱性水溶液的浓度为0.01～2 mol/L；所述环氧氯丙烷的添加量为聚乙烯亚胺质量的11.48～114.85wt%。

5. 根据权利要求1所述的三元复合水凝胶材料，其特征在于，步骤（B）中，所述环氧氯丙烷的加入量为β-环糊精10.43～104.32 wt%。

6. 根据权利要求1所述的三元复合水凝胶材料，其特征在于，步骤（C）中，所述聚乙烯醇溶液的浓度为3～30 wt%；

所述静置消泡在常温常压下进行，时间为0.5～24h；

所述冻融包括：先在-20～-18℃下冷冻2～12h，再在4～25℃下解冻。

7.一种权利要求1-6中任一项所述的自愈合、抗菌的三元复合水凝胶材料在制备感染性创面的抗菌水凝胶敷料中的应用。