CN115227866A - 兼具组织黏附、多重杀菌和电刺激组织再生功能的可注射水凝胶伤口敷料及其制备方法 - Google Patents

兼具组织黏附、多重杀菌和电刺激组织再生功能的可注射水凝胶伤口敷料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种兼具组织黏附、多重杀菌和电刺激组织再生功能的可注射水凝胶伤口敷料及其制备方法。其制备方法包括：①制备植酸掺杂的氧化石墨烯/聚苯胺纳米填料；②将纳米填料于多巴胺/Tris缓冲液中聚合得到氧化石墨烯/聚苯胺/聚多巴胺纳米填料；③将得到的纳米填料加入硝酸银溶液中，制得氧化石墨烯/聚苯胺/聚多巴胺/纳米银复合纳米填料；④将GelMA加入PBS中60℃水浴溶解后降温至30℃，依次加入季铵化壳聚糖、儿茶酚改性壳聚糖、复合纳米填料，搅拌溶解，低速离心脱泡，通过原位光固化工艺制得。该水凝胶材料具有优异的湿态组织粘附性、导电性能、抗菌性、可注射性和生物相容性，可作为新型伤口敷料实现各类不规则伤口的治疗。

Description

兼具组织黏附、多重杀菌和电刺激组织再生功能的可注射水 凝胶伤口敷料及其制备方法
技术领域
本发明涉及水凝胶制备领域，具体涉及一种兼具组织黏附、多重杀菌和电刺激组织再生功能的可注射水凝胶伤口敷料及其制备方法。
背景技术
皮肤是人体最大的器官，皮肤损伤是人体最为常见的外科伤口。并且皮肤损伤极易发生创面感染，造成伤口的愈合减缓；尤其是皮肤大面积烧伤和烫伤，更易引发炎症反应，严重时威胁生命。
目前，临床的治疗手段主要分为两类：对于大面积的烧烫伤采用植皮技术，但是易造成二次创伤，且取皮部位会留疤；对于普通的皮肤外伤采用抗菌药物加敷料进行治疗，但是存在敷料形状与伤口性质不匹配、抗菌效果差、抗菌时效短、容易发生二次感染、无促组织再生功能。综上，皮肤创伤的治疗技术具有较大的提升空间。
水凝胶作为一种三维含水聚合物网络，与细胞外基质结构非常相似，且水凝胶的网络结构可调节，有利于细胞生长；同时水凝胶内部可以负载活性组分，如抗菌剂、纳米功能填料等，进一步丰富其功能。因此，目前水凝胶敷料已经成为该领域的研究热点。
针对上述普通皮肤外伤敷料存在的缺陷，本发明设计了一种兼具组织黏附、多重杀菌和电刺激组织再生功能的可注射水凝胶伤口敷料，可以达到抗伤口感染及促皮肤再生的目的，减轻患者的痛苦，具有巨大的临床意义。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，以及结合各类材料和工艺的优点，提供一种兼具组织黏附、多重杀菌和电刺激组织再生功能的可注射水凝胶伤口敷料及其制备方法。
本发明采用以下技术方案实现：
兼具组织黏附、多重杀菌和电刺激组织再生功能的可注射水凝胶伤口敷料的制备方法，包括如下步骤：
1)首先取氧化石墨烯于去离子水中搅拌、超声分散均匀，再加入植酸，在剧烈搅拌、涡旋和超声三重工艺下进行分散，然后加入苯胺单体，继续在剧烈搅拌、涡旋和超声三重工艺下进行分散，最后滴加引发剂溶液，剧烈搅拌条件下通过苯胺在氧化石墨烯表面原位自由基聚合实现具有高分散性的氧化石墨烯/聚苯胺纳米填料的制备，洗涤、冻干；
2)将步骤1)中制备得到的氧化石墨烯/聚苯胺纳米填料超声分散于2mg/ml DA 和10mM Tris缓冲溶液(pH＝8.5)中，反应持续2-6小时，以实现聚多巴胺在上述纳米填料表面的自聚合，得到氧化石墨烯/聚苯胺/聚多巴胺纳米填料；
3)再于避光条件下，配制硝酸银溶液，将步骤2)中的氧化石墨烯/聚苯胺/聚多巴胺纳米填料置于上述溶液中反应12-24小时，凭借聚多巴胺的还原性，在其表面沉积纳米银，制得氧化石墨烯/聚苯胺/聚多巴胺-纳米银纳米填料；
4)在60℃的PBS中溶解一定量的GelMA得到均匀溶液，降温至30℃后，再依次加入季铵化壳聚糖、儿茶酚改性壳聚糖、步骤3)制得的氧化石墨烯/聚苯胺/ 聚多巴胺-纳米银纳米填料，分散均匀，低速离心脱泡；
5)使用注射装置在伤口部位注射步骤4)中制得的混合溶液，原位紫外光固化得到任意形状的水凝胶敷料，实现对伤口的准确覆盖。
上述技术方案中，进一步的，步骤1)中，氧化石墨烯的浓度为0.01-0.05wt％；植酸的浓度为0.12-0.25wt％；苯胺的浓度为0.005-0.015wt％；引发剂为过硫酸钠、过硫酸钾、过硫酸铵的一种或几种，浓度为0.25-0.60wt％；聚合时间为4-8 小时。
进一步的，步骤1)中，剧烈搅拌、涡旋和超声三重分散工艺中，剧烈搅拌指搅拌速率大于1000转/min，搅拌时间10-20min；涡旋时间10-20min；超声功率大于100W，超声时间20-40min。通过上述三重分散工艺，可以实现表面带有含氧官能团的氧化石墨烯在酸性溶液中的良好分散，否则极易发生氧化石墨烯的团聚；
进一步的，步骤2)中氧化石墨烯/聚苯胺纳米填料浓度为0.05-0.15wt％。
进一步的，步骤3)中氧化石墨烯/聚苯胺/聚多巴胺纳米填料浓度为0.05-0.15wt％；硝酸银溶液的浓度为5-15wt％；操作全程避光。
进一步的，步骤4)GelMA的浓度为5-30wt％，取代度为60-90％；季铵化壳聚糖的浓度为0.5-1.5wt％，分子量为5000-20000；儿茶酚改性壳聚糖的浓度为0.5-2.0wt％，分子量为500000-1500000。
进一步的，步骤5)中使用的紫外光激发波长为405nm，光固化时间为10s-5 min。
相对于现有技术，本发明具有以下优点：
1)该水凝胶中的纳米填料为自行设计的功能型填料，同时使用了氧化石墨烯、苯胺、多巴胺、硝酸银等四种功能组分，其中氧化石墨烯作为内核，可以作为苯胺聚合的模板，并且可以促进聚苯胺的分散；聚苯胺则是作为导电功能组分；多巴胺的引入在促进氧化石墨烯/聚苯胺纳米填料分散的同时，可以作为纳米银合成的还原剂还原硝酸银，在氧化石墨烯/聚苯胺/聚多巴胺纳米填料的表面进一步引入纳米银，得到氧化石墨烯/聚苯胺/聚多巴胺-纳米银纳米功能填料；
2)该水凝胶的基体使用季铵化壳聚糖、儿茶酚改性壳聚糖和GelMA复合而成，其中季铵化壳聚糖提供抗菌功能，儿茶酚改性壳聚糖提供湿态组织黏附性能， GelMA通过原位紫外光固化工艺实现材料的可注射性，以及符合伤口的不规则性，满足其使用需求；
3)该复合水凝胶材料的制备同时使用了多步原位溶液聚合、原位还原、纳米复合、可注射、紫外光固化等组合工艺制得，工艺路线根据凝胶的实际制备需求制定，具有独创性；
4)该水凝胶材料同时具备可注射性、湿态组织黏附性、导电性、抗菌性和生物相容性，多种功能之间相辅相成：首先通过水凝胶的可注射性实现材料在不规则的伤口表面实现包覆，并通过原位紫外光固化工艺实现凝胶化，再凭借凝胶基体内的季铵化壳聚糖实现第一重抗菌，纳米填料中的纳米银组分实现第二重抗菌，如果伤口感染程度严重，还可通过NIR引发氧化石墨烯和聚苯胺的光热杀菌功能实现第三重抗菌。除此以外，同时由于该水凝胶具有导电性能，可以外接无菌电路和可调节电源，通过电信号促进伤口周围的细胞增殖和伤口愈合。该水凝胶是根据皮肤伤口感染治疗及伤口愈合的需求设计而成，各组分有机结合制得所需水凝胶材料，同时各组分分别提供治疗阶段所需的各项功能，且各项功能之间有机协同，共同完成多功能伤口敷料所承担的治疗任务。
具体实施方式
下面结合具体实例进一步说明本发明。
实例1：
1)首先配制0.05wt％的氧化石墨烯于去离子水中，搅拌、超声分散均匀，再加入植酸，在1000转/min搅拌20min、涡旋20min和100w超声20min三重工艺下进行分散，然后加入0.010wt％苯胺单体，继续在上述相同的三重分散工艺下进行分散，最后0.40wt％过硫酸铵引发剂溶液，剧烈磁力搅拌条件下通过苯胺在氧化石墨烯表面原位自由基聚合实现具有高分散性的氧化石墨烯/聚苯胺纳米填料的制备，洗涤、冻干；
2)将步骤1)中制备得到的氧化石墨烯/聚苯胺纳米填料(0.10wt％)超声分散于2mg/ml DA和10mM Tris缓冲溶液(pH＝8.5)中，反应持续4小时，以实现聚多巴胺在上述纳米填料表面的自聚合，最终得到氧化石墨烯/聚苯胺/聚多巴胺纳米填料；
3)再于避光条件下，配制5wt％硝酸银溶液，将步骤2)中的氧化石墨烯/聚苯胺/聚多巴胺纳米填料(0.1wt％)置于上述溶液中反应12小时，凭借聚多巴胺的还原性，在其表面沉积纳米银，制得氧化石墨烯/聚苯胺/聚多巴胺-纳米银纳米填料；
4)在60℃的PBS中溶解10wt％GelMA得到均匀溶液，降温至30℃后，再依次加入0.5wt％分子量为5000的季铵化壳聚糖、0.5wt％分子量为500000的儿茶酚改性壳聚糖、步骤3)制得的氧化石墨烯/聚苯胺/聚多巴胺-纳米银纳米填料，分散均匀，3500rpm低速离心3min脱泡；
5)使用注射装置在伤口部位注射步骤4)中制得的混合溶液，原位紫外光(405 nm)固化30s得到任意形状的水凝胶敷料，实现对伤口的准确覆盖；
该水凝胶24小时的杀菌效率为90％，电导率可达0.54S/m，湿态黏附强度可以达到11.3kPa，NIR照射10min凝胶温度可从23℃升高至约56℃。
实例2：
1)首先配制0.05wt％的氧化石墨烯于去离子水中，搅拌、超声分散均匀，再加入植酸，在1000转/min搅拌20min、涡旋20min和100w超声20min三重工艺下进行分散，然后加入0.01wt％苯胺单体，继续在上述相同的三重分散工艺下进行分散，最后0.40wt％过硫酸铵引发剂溶液，剧烈磁力搅拌条件下通过苯胺在氧化石墨烯表面原位自由基聚合实现具有高分散性的氧化石墨烯/聚苯胺纳米填料的制备，洗涤、冻干；
2)将步骤1)中制备得到的氧化石墨烯/聚苯胺纳米填料(0.10wt％)超声分散于2mg/ml DA和10mM Tris缓冲溶液(pH＝8.5)中，反应持续4小时，以实现聚多巴胺在上述纳米填料表面的自聚合，最终得到氧化石墨烯/聚苯胺/聚多巴胺纳米填料；
3)再于避光条件下，配制15wt％硝酸银溶液，将步骤2)中的氧化石墨烯/聚苯胺/聚多巴胺纳米填料(0.1wt％)置于上述溶液中反应12小时，凭借聚多巴胺的还原性，在其表面沉积纳米银，制得氧化石墨烯/聚苯胺/聚多巴胺-纳米银纳米填料；
4)在60℃的PBS中溶解10wt％GelMA得到均匀溶液，降温至30℃后，再依次加入0.5wt％分子量为5000的季铵化壳聚糖、0.5wt％分子量为500000的儿茶酚改性壳聚糖、步骤3)制得的氧化石墨烯/聚苯胺/聚多巴胺-纳米银纳米填料，分散均匀，3500rpm低速离心3min脱泡；
5)使用注射装置在伤口部位注射步骤4)中制得的混合溶液，原位紫外光(405 nm)固化30s得到任意形状的水凝胶敷料，实现对伤口的准确覆盖；
相比于实例1，步骤3)中的硝酸银用量增加，该水凝胶24小时的杀菌效率为 99％，电导率可达0.58S/m，湿态黏附强度可以达到109kPa，NIR照射10min 凝胶温度可从23℃升高至约57℃。
实例3：
1)首先配制0.05wt％的氧化石墨烯于去离子水中，搅拌、超声分散均匀，再加入植酸，在1000转/min搅拌20min、涡旋20min和100w超声20min三重工艺下进行分散，然后加入0.05wt％苯胺单体，继续在上述相同的三重分散工艺下进行分散，最后0.60wt％过硫酸铵引发剂溶液，剧烈磁力搅拌条件下通过苯胺在氧化石墨烯表面原位自由基聚合实现具有高分散性的氧化石墨烯/聚苯胺纳米填料的制备，洗涤、冻干；
2)将步骤1)中制备得到的氧化石墨烯/聚苯胺纳米填料(0.10wt％)超声分散于2mg/ml DA和10mM Tris缓冲溶液(pH＝8.5)中，反应持续4小时，以实现聚多巴胺在上述纳米填料表面的自聚合，最终得到氧化石墨烯/聚苯胺/聚多巴胺纳米填料；
3)再于避光条件下，配制5wt％硝酸银溶液，将步骤2)中的氧化石墨烯/聚苯胺/聚多巴胺纳米填料(0.1wt％)置于上述溶液中反应12小时，凭借聚多巴胺的还原性，在其表面沉积纳米银，制得氧化石墨烯/聚苯胺/聚多巴胺-纳米银纳米填料；
4)在60℃的PBS中溶解10wt％GelMA得到均匀溶液，降温至30℃后，再依次加入0.5wt％分子量为5000的季铵化壳聚糖、0.5wt％分子量为500000的儿茶酚改性壳聚糖、步骤3)制得的氧化石墨烯/聚苯胺/聚多巴胺-纳米银纳米填料，分散均匀，3500rpm低速离心3min脱泡；
5)使用注射装置在伤口部位注射步骤4)中制得的混合溶液，原位紫外光(405 nm)固化30s得到任意形状的水凝胶敷料，实现对伤口的准确覆盖；
相比于实例1，步骤1)中苯胺的用量增加，该水凝胶24小时的杀菌效率为91％，电导率可达0.84S/m，湿态黏附强度可以达到10.9kPa，NIR照射10min凝胶温度可从23℃升高至约59℃。
实例4：
1)首先配制0.05wt％的氧化石墨烯于去离子水中，搅拌、超声分散均匀，再加入植酸，在1000转/min搅拌20min、涡旋20min和100w超声20min三重工艺下进行分散，然后加入0.010wt％苯胺单体，继续在上述相同的三重分散工艺下进行分散，最后0.40wt％过硫酸铵引发剂溶液，剧烈磁力搅拌条件下通过苯胺在氧化石墨烯表面原位自由基聚合实现具有高分散性的氧化石墨烯/聚苯胺纳米填料的制备，洗涤、冻干；
2)将步骤1)中制备得到的氧化石墨烯/聚苯胺纳米填料(0.10wt％)超声分散于2mg/ml DA和10mM Tris缓冲溶液(pH＝8.5)中，反应持续4小时，以实现聚多巴胺在上述纳米填料表面的自聚合，最终得到氧化石墨烯/聚苯胺/聚多巴胺纳米填料；
3)再于避光条件下，配制5wt％硝酸银溶液，将步骤2)中的氧化石墨烯/聚苯胺/聚多巴胺纳米填料(0.1wt％)置于上述溶液中反应12小时，凭借聚多巴胺的还原性，在其表面沉积纳米银，制得氧化石墨烯/聚苯胺/聚多巴胺-纳米银纳米填料；
4)在60℃的PBS中溶解10wt％GelMA得到均匀溶液，降温至30℃后，再依次加入1.5wt％分子量为5000的季铵化壳聚糖、1.5wt％分子量为500000的儿茶酚改性壳聚糖、步骤3)制得的氧化石墨烯/聚苯胺/聚多巴胺-纳米银纳米填料，分散均匀，3500rpm低速离心3min脱泡；
5)使用注射装置在伤口部位注射步骤4)中制得的混合溶液，原位紫外光(405 nm)固化30s得到任意形状的水凝胶敷料，实现对伤口的准确覆盖；
相比于实例1，步骤4)中季铵化壳聚糖和儿茶酚改性壳聚糖的浓度增加，该水凝胶24小时的杀菌效率为93％，电导率可达0.49S/m，湿态黏附强度可以达到 14.5kPa，NIR照射10min凝胶温度可从23℃升高至约53℃。

Claims (8)

1.一种兼具组织黏附、多重杀菌和电刺激组织再生功能的可注射水凝胶伤口敷料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)首先取氧化石墨烯于去离子水中搅拌、超声分散均匀，再加入植酸，在剧烈搅拌、涡旋和超声三重工艺下进行分散，然后加入苯胺单体，继续在剧烈搅拌、涡旋和超声三重工艺下进行分散，最后滴加引发剂溶液，剧烈搅拌条件下通过苯胺在氧化石墨烯表面原位自由基聚合实现具有高分散性的氧化石墨烯/聚苯胺纳米填料的制备，洗涤、冻干；
2)将步骤1)中制备得到的氧化石墨烯/聚苯胺纳米填料超声分散于2mg/ml DA和10mMTris缓冲溶液(pH＝8.5)中，反应持续2-6小时，得到氧化石墨烯/聚苯胺/聚多巴胺纳米填料；
3)再于避光条件下，配制硝酸银溶液，将步骤2)中的氧化石墨烯/聚苯胺/聚多巴胺纳米填料置于上述溶液中反应12-24小时，制得氧化石墨烯/聚苯胺/聚多巴胺-纳米银纳米填料；
4)在60℃的PBS中溶解一定量的GelMA得到均匀溶液，降温至30℃后，再依次加入季铵化壳聚糖、儿茶酚改性壳聚糖、步骤3)制得的氧化石墨烯/聚苯胺/聚多巴胺-纳米银纳米填料，分散均匀，低速离心脱泡；
5)使用注射装置在伤口部位注射步骤4)中制得的混合溶液，原位紫外光固化得到任意形状的水凝胶敷料，实现对伤口的准确覆盖。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，氧化石墨烯的浓度为0.01-0.05wt％；植酸的浓度为0.12-0.25wt％；苯胺的浓度为0.005-0.015wt％；引发剂为过硫酸钠、过硫酸钾、过硫酸铵的一种或几种，浓度为0.25-0.60wt％；聚合时间为4-8小时。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中，剧烈搅拌、涡旋和超声三重分散工艺中，剧烈搅拌指搅拌速率大于1000转/min，搅拌时间10-20min；涡旋时间10-20min；超声功率大于100W，超声时间20-40min。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤2)中氧化石墨烯/聚苯胺纳米填料浓度为0.05-0.15wt％。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤3)中氧化石墨烯/聚苯胺/聚多巴胺纳米填料浓度为0.05-0.15wt％；硝酸银溶液的浓度为5-15wt％；操作全程避光。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤4)GelMA的浓度为5-30wt％，取代度为60-90％；季铵化壳聚糖的浓度为0.5-1.5wt％，分子量为5000-20000；儿茶酚改性壳聚糖的浓度为0.5-2.0wt％，分子量为500000-1500000。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤5)中使用的紫外光激发波长为405nm，光固化时间为10s-5min。
8.一种兼具组织黏附、多重杀菌和电刺激组织再生功能的可注射水凝胶伤口敷料，其特征在于，采用如权利要求1-7任一项所述的方法制得。
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