CN115068673B - 一种MXene基自催化导电水凝胶敷料的制备方法及其应用 - Google Patents

一种MXene基自催化导电水凝胶敷料的制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种MXene基自催化导电水凝胶敷料制备方法及其应用。本发明水凝胶可在室温下快速被制备。水凝胶具有优异的抗菌性和抗氧化性、良好的导电性、较强的黏附性和力学强度等特点。在电刺激的辅助下，对于感染型慢性伤口的修复显著，可以作为感染型慢性创面的敷料。可以制成应变传感器，在可穿戴电子设备、电子皮肤、个性化医疗检测、人机界面、信号监测等方面具有应用前景。

Description

一种MXene基自催化导电水凝胶敷料的制备方法及其应用
技术领域
本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及一种MXene基自催化导电水凝胶敷料的制备方法及其在电刺激辅助下对感染型慢性伤口修复的应用。
背景技术
细菌感染是影响伤口愈合的重要因素。严重的细菌感染往往导致创面渗出物增多，伤口氧合不足，营养物质减少，抑制肉芽组织的形成，从而阻碍了创面愈合，使伤口慢性化。此外，受损的伤口中过量的氧化应激也在很大程度上阻碍了伤口愈合的过程。过度的活性氧(Reactive oxygen species，ROS)在创面中积累，不仅可引起强烈的炎症反应，使创面脆弱，还可抑制内源性干细胞和巨噬细胞的功能，阻碍创面组织再生。众所周知，ROS可明显限制血管生成，导致内皮功能障碍，除伤口自身产生的ROS外，细菌感染产生的ROS可引起血管和内皮细胞的明显损伤，进而导致慢性伤口的形成。传统的创面敷料(例如纱布、绷带和创口贴等)不具有促进创面愈合的生化功能，因此对于感染性创面和一些特殊的慢性创面(如压疮、糖尿病溃疡和褥疮等)的治疗效果十分有限。因此，研究人员开发了水凝胶、高分子膜和纳米纤维膜等多种新型伤口敷料，并通过复合不同材料和生物活性物质赋予上述伤口敷料独特的功能，如导电性和抗氧化性等。
近年来，导电水凝胶因其可以改善伤口处的细胞行为，通过促进细胞增殖、模拟电子或离子导电性、药物化电流等方式控制细胞和组织的生长，促进伤口愈合而受到了广泛的关注。除在水凝胶中添加常用的导电高分子材料，如聚吡咯、聚苯胺、金属纳米线外，碳基材料因其良好的生物相容性和生物功能而得到了广泛的应用。MXene是一类由过渡金属碳化物组成的二维材料，由于其类金属的高导电性，亲水性，可化学修饰性，生物相容性和生物可降解性而得到了高度的关注。最近，MXene也成为聚合物水凝胶的导电纳米填料，在软电子领域和生物医学领域显示出巨大的潜力。
鉴于对组织和细胞适当的电刺激(ES)可以改善心脏、神经、骨骼和肌肉的生物功能，研究人员开始关注ES对于伤口愈合的辅助效果。据报道，ES可通过改变创面固有电流，下调核转录因子(Nuclear factor-kappaB，NF-κB)信号转导，影响细胞因子表达，促进内皮细胞增殖和迁移，加速血液循环以促进伤口愈合和组织再生。然而，ES作为一种独立的治疗方法时，其治疗效果并不理想。缺损的伤口处于信号传输受损的状态，ES不能提供伤口修复所需的抗菌和抗炎环境，因此，有必要开发一种结合ES和其他治疗方法的协同治疗策略。多功能导电水凝胶与ES的联合治疗可以在抗炎，抗感染的基础上显著促进胶原沉积，促血管化和表皮重塑，并加速伤口愈合，为慢性感染创面的修复与新型创面敷料的设计提供了新的思路。
发明内容
本发明的目的是提供一种MXene基自催化导电水凝胶敷料的制备方法及其在电刺激辅助下对感染型慢性伤口修复的应用。
该方法首先制备了具有催化作用的Ag/TA@MXene纳米片，之后将不同体积的丙烯酸与水混溶后加入一定量的明胶溶液，搅拌均匀。然后，依次将引发剂过硫酸铵(APS)，交联剂N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)加入到上述混合溶液中，最后边搅拌边加入不同量的Ag/TA@MXene溶液，在不加热和不加加速剂的条件下，通过Ag/TA@Mxene对APS的催化作用可在室温下短时间内制备导电水凝胶。水凝胶表面丰富的官能团赋予了其良好的黏附性，Ag/TA@MXene的加入不仅具有自催化形成水凝胶的特性，而且使得水凝胶拥有了优良的抗菌性和抗氧化性。除此之外，该水凝胶生物相容性好，并具有优异的导电性能和机械性能。我们也通过细胞毒性试验，动物试验等进一步证明了该导电水凝胶作为敷料结合电刺激ES来应用于感染型慢性伤口修复方面的可行性。结合以上特点，这种多功能的自催化导电水凝胶有很大的潜力作为一种新型伤口敷料以进一步提高糖尿病溃疡，压疮等感染型慢性伤口的愈合效率，为新型创面敷料的设计和慢性感染创面的临床治疗提供了新策略。
本发明所述的Ag/TA@MXene纳米片以及自催化的多功能导电水凝胶的制备方法，其具体步骤如下：
(1)Ag/TA@MXene纳米片的制备：取5mL浓度为5mg/mL Ti3C2Tx纳米片分散液置于20mL玻璃反应瓶中。加入3-30mg多酚类物质，搅拌均匀后，加入200μL Tris缓冲液，调节混合溶液的pH≈8.0。之后加入30-90mg硝酸银，常温下剧烈搅拌2-4h，使用超声波震荡反应10～20min。反应后的溶液采用去离子水清洗和8800rpm离心反复操作三次，即制备得到Ag/TA@MXene纳米片。将其冻干后于4℃和氮气下保存备用。
(2)多功能导电水凝胶的制备：在单体与水质量比为1:4-1:2的18mL混合溶液中加入1.2mL浓度为20％的明胶溶液，搅拌均匀。然后，依次将50-120mg过硫酸铵APS，3.0-6.0mgN,N’-亚甲基双丙烯酰胺MBA加入到上述混合溶液中，最后边搅拌边加入15-30mg的Ag/TA@MXene纳米片，静置30-60s后即可得到Ag/TA@MXene催化的导电水凝胶敷料。不加Ag/TA@MXene纳米片的普通水凝胶组用PAA表示。
上述方法中，单体可以是丙烯酸，丙烯酰胺和N-异丙基丙烯酰胺等水溶性可聚合单体。
上述方法中，多酚类物质可以是单宁酸，茶多酚和葡多酚等。
本发明优点如下：1.水凝胶原料来源广，易保存，生物相容性好，有利于产品的商品化；2.水凝胶敷料制备操作过程简便，时间短，绿色无污染。3.水凝胶敷料具有较强的黏附性的同时仍具有一定的力学强度，便于固定与更换，也可以避免外力所带来的二次损伤；4.在不加热和不加加速剂的条件下，通过Ag/TA@Mxene对APS的催化作用可在室温下短时间内制备导电水凝胶。其具有优异的抗菌性和抗氧化性，可以防止伤口的继发感染；5.水凝胶良好的导电性可以通过促进表皮细胞间的信息交流加速伤口愈合；6.水凝胶冻干后的扫描电镜图显示其为疏松多孔结构，便于吸收伤口渗液；7.水凝胶敷料在电刺激(ES)的辅助下，对于感染型慢性伤口的愈合效率得到了进一步的提升；8.本发明适用于不同类型感染型慢性创面的敷料以及组织再生辅助材料等，具有广阔的应用前景；9.该导电水凝胶可以制成应变传感器，在可穿戴电子设备、电子皮肤、个性化医疗检测、人机界面、信号监测等方面具有应用前景。
附图说明
图1：为实施例1所制备Ag/TA@MXene纳米片的宏观溶液和透射电镜图，可以看到Ag/TA@MXene纳米片溶液的颜色为棕黄色，且原位形成的Ag纳米粒子较为均匀的分布在MXene纳米片的表面。
图2：为实施例1所制备的多功能导电水凝胶敷料的相转变图。通过比较倾斜的试剂瓶中物质的前后变化我们可以看出，在加入Ag/TA@MXene纳米片后，可在室温下短时间内快速形成导电水凝胶敷料。
图3：为实施例1所制备的多功能导电水凝胶敷料冻干后的扫描电镜图。从图中我们可以清楚的看到水凝胶内部疏松多孔的结构，利于渗液的吸收以及物质交换。
图4：为实施方案1所制备的水凝胶的电导率柱状图。如图所示，加入Ag/TA@MXene纳米片后水凝胶的电导率有了明显的提高，且电导率随着水凝胶中Ag/TA@MXene纳米片含量的升高而升高。
图5：为实施方案1所制备的多功能水凝胶敷料的体外抗菌实验图。通过比较抑菌环的大小我们可以看到Ag/TA@MXene纳米片赋予了导电水凝胶良好的抗菌性，表明我们的水凝胶有很好的抑菌效果。
图6：为实施方案1中不同组别修复小鼠感染型慢性伤口宏观图(图A)和二维伤口面积测量图(图B)。从图中我们可以看到在经过12天的伤口治疗后，对照组和普通水凝胶组小鼠伤口愈合速度较慢，导电水凝胶加电刺激组的小鼠伤口愈合速度最快，说明我们制备的导电水凝胶伤口敷料和ES辅助的协同治疗方法可以进一步促进感染型慢性伤口的愈合。
具体实施方式
实施例1：
(1)Ag/TA@MXene纳米片的制备：取5mL浓度为5mg/mLTi3C2Tx纳米片分散液置于20mL玻璃反应瓶中。加入25mg单宁酸，搅拌均匀后，加入200μL Tris缓冲液，调节混合溶液的pH≈8.0。之后加入90mg硝酸银，常温下剧烈搅拌4h，使用超声波震荡反应15min。反应后的溶液采用去离子水清洗和8800rpm离心反复操作三次，即制备得到Ag/TA@MXene纳米片。将其冻干后于4℃和氮气下保存备用。
(2)多功能导电水凝胶的制备：在丙烯酰胺与水质量比为1:2的18mL混合溶液中加入1.2mL浓度为20％的明胶溶液，搅拌均匀。然后，依次将50mg APS，3.0mg MBA加入到上述混合溶液中，最后边搅拌边加入15mg的Ag/TA@MXene纳米片，静置40s后即可得到Ag/TA@MXene催化的导电水凝胶敷料。
实施例2：
(1)Ag/TA@MXene纳米片的制备：取5mL浓度为5mg/mL Ti3C2Tx纳米片分散液置于20mL玻璃反应瓶中。加入25mg单宁酸，搅拌均匀后，加入200μL Tris缓冲液，调节混合溶液的pH≈8.0。之后加入90mg硝酸银，常温下剧烈搅拌4h，使用超声波震荡反应20min。反应后的溶液采用去离子水清洗和8800rpm离心反复操作三次，即制备得到Ag/TA@MXene纳米片。将其冻干后于4℃和氮气下保存备用。
(2)多功能导电水凝胶的制备：在丙烯酸与水质量比为1:2的18mL混合溶液中加入1.2mL浓度为20％的明胶溶液，搅拌均匀。然后，依次将50mg APS，3.0mg MBA加入到上述混合溶液中，最后边搅拌边加入15mg的Ag/TA@MXene纳米片，静置40s后即可得到Ag/TA@MXene催化的导电水凝胶敷料。
实施例3：
(1)Ag/TA@MXene纳米片的制备：浓度为5mg/mL Ti3C2Tx纳米片分散液置于20mL玻璃反应瓶中。加入25mg茶多酚，搅拌均匀后，加入200μL Tris缓冲液，调节混合溶液的pH≈8.0。之后加入90mg硝酸银，常温下剧烈搅拌4h，使用超声波震荡反应10min。反应后的溶液采用去离子水清洗和8800rpm离心反复操作三次，即制备得到Ag/TA@MXene纳米片。将其冻干后于4℃和氮气下保存备用。
(2)多功能导电水凝胶的制备：在丙烯酸与水质量比为1:2的18mL混合溶液中加入1.2mL浓度为20％的明胶溶液，搅拌均匀。然后，依次将50mg APS，3.0mg MBA加入到上述混合溶液中，最后边搅拌边加入15mg的Ag/TA@MXene纳米片，静置40s后即可得到Ag/TA@MXene催化的导电水凝胶敷料。

Claims (8)

1.一种MXene基自催化导电水凝胶敷料的制备方法，其特征在于：具体步骤如下：
（1）Ag/TA@MXene纳米片的制备：取5 mL 浓度为5 mg/mL Ti3C2Tx纳米片分散液置于20mL玻璃反应瓶中；加入3-30 mg多酚类物质，搅拌均匀后，加入200 μL Tris缓冲液，调节混合溶液的pH ≈ 8.0；之后加入30-90mg硝酸银，常温下剧烈搅拌2-4 h，使用超声波震荡反应10~20 min；反应后的溶液采用去离子水清洗和8800 rpm离心反复操作三次，即制备得到Ag/TA@MXene纳米片；将其冻干后于4 ℃和氮气下保存备用；
（2）多功能导电水凝胶的制备：在单体与水质量比为1:4-1:2的18 mL混合溶液中加入1.2mL浓度为20%的明胶溶液，搅拌均匀；然后，依次将50-120 mg 过硫酸铵APS，3.0-6.0 mgN, N’-亚甲基双丙烯酰胺MBA加入到上述混合溶液中，最后边搅拌边加入15-30 mg的Ag/TA@MXene纳米片，静置30-60 s后即可得到Ag/TA@MXene催化的导电水凝胶敷料。
2.如权利要求1所述的一种MXene基自催化导电水凝胶敷料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述的多酚类物质是单宁酸或茶多酚或葡多酚。
3.如权利要求1所述的一种MXene基自催化导电水凝胶敷料的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所述的单体是丙烯酸或丙烯酰胺或N-异丙基丙烯酰胺水溶性可聚合单体。
4.如权利要求1所述的一种MXene基自催化导电水凝胶敷料的制备方法，其特征在于：在不加热和不加加速剂的条件下，通过Ag/TA@Mxene的催化作用能在室温下短时间内制备水凝胶。
5.权利要求1-4任一项所述的一种MXene基自催化导电水凝胶敷料的制备方法制备的水凝胶，其特征在于：该水凝胶为疏松多孔结构，便于吸收伤口渗液；该水凝胶具有良好的导电性，通过促进表皮细胞间的信息交流加速伤口修复。
6.权利要求1-4任一项所述的一种MXene基自催化导电水凝胶敷料的制备方法制备的水凝胶，其特征在于：水凝胶用于制备修复感染型慢性创面的敷料。
7.权利要求1-4任一项所述的一种MXene基自催化导电水凝胶敷料的制备方法制备的水凝胶，其特征在于：所述的水凝胶制成应变传感器，并利用无线技术，将信号显示在手机移动终端上，实现运动检测。
8.权利要求1-4任一项所述的一种MXene基自催化导电水凝胶敷料的制备方法制备的水凝胶，其特征在于：所述的水凝胶用于制备穿戴电子设备或电子皮肤。
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