一种仿贻贝双网络结构水凝胶材料及其在创口敷料中的应用的制作方法

1.本发明属于生物医用材料领域，具体涉及一种具有良好粘附性和生物相容性的仿贻贝双网络结构水凝胶材料及其在创口敷料中的应用。


背景技术：

2.皮肤覆盖人体表面，是人体最大的器官之一，约占人体总重量的十分之一。 皮肤直接与外界环境相接触，是抵御环境的屏障，具有保护、呼吸、感觉、分泌、排泄、体温调节以及免疫检测等功能，是人体的第一道防线。然而每年，有数百万人因烧伤、事故或战斗而遭受各种类型的表皮损伤，通常伴随着残疾等高成本治疗，有时甚至死亡。当皮肤受损后易受细菌感染，延缓伤口愈合，甚至危及生命。此外，伤口处过多的自由基在分子水平上破坏周围组织，也延缓伤口愈合。基于此，迫切需要研发一种新的伤口敷料，加速伤口愈合。
3.近年来已经设计和开发了多种伤口敷料材料，例如纱布、绷带、海绵等。其中纱布被广泛使用，可作为血液、血浆和其他液体的吸收材料。然而，纱布不能防止微生物感染和其他污染。根据以往的研究报道，保持伤口湿润的微环境可以促进愈合，所以理想的伤口敷料应具有高水汽渗透性、高液体容量，以提供具有良好生物相容性的湿润伤口环境，以及防止继发性微生物感染，这对促进伤口愈合至关重要。另外，敷料应具有令人满意且平衡的伤口壁粘附性，同时应在治疗后易于去除。如果伤口敷料粘性过高，在更换取下时可能对皮肤伤口造成二次伤害。所以理想的伤口敷料同时也应该是廉价、易得、无过敏性且易于移除无疼痛。水凝胶是一类极为亲水的三维网络结构凝胶，它在水中迅速溶胀并在此溶胀状态可以保持大量体积的水而不溶解。由于存在交联网络，水凝胶具有高含水量和固有渗透性，与干燥环境相比，水凝胶提供潮湿环境中的伤口愈合更有效、更快。同时，水凝胶可以控制结痂的形成并允许细胞增殖和上皮化过程。因此，水凝胶具有保持伤口湿润环境和加速伤口恢复的独特能力，被认为是最有前途的伤口敷料形式之一，但实现具有高抗菌、高粘附性等多重独特功能的水凝胶仍是一个挑战。
4.仿贻贝粘附性水凝胶和抗菌水凝胶是两种作为伤口敷料最常见的水凝胶。所以探究仿贻贝粘附性和抗菌水凝胶的粘附和抗菌机理是十分有必要的。在处理不规则伤口时，通常需要形状自适应的粘性水凝胶，附着在组织上进行保护和修复。所以在伤口愈合中具有粘附功能的水凝胶是迫切需要的。
5.目前，聚乙烯醇是最常见和最古老的合成聚合物之一，具有多种令人兴奋的特性，包括无毒、生物相容性和高亲水性，已被用作伤口敷料、伤口管理、药物输送系统等方面。然而，聚乙烯醇水凝胶机械强度不足，生物活性非常有限，亲水性不完全，限制了其单独作为伤口敷料聚合物膜的应用。


技术实现要素：

6.针对上述问题，本发明提供一种具有良好粘附性和优异生物活性的仿贻贝双网络结构水凝胶材料，该材料制备方法简单易行，条件温和，生产周期短，对生物体无毒无害。
7.为解决以上技术问题，本发明通过以下技术方案实现：一种仿贻贝双网络结构水凝胶材料，包括以下重量份的原料：聚乙烯醇4-6份、壳聚糖季铵盐溶液2.5-7.5份、水37.5
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42.5份和适量单宁酸溶液。
8.作为优选，所述壳聚糖季铵盐溶液的浓度为8-15 wt%的水溶液，所述单宁酸溶液的浓度为8-15 wt%的水溶液。
9.所述聚乙烯醇见下式中pva，优选聚乙烯醇 1799，采购自上海阿拉丁试剂有限公司。
10.所述壳聚糖季铵盐见下式中hacc，所述单宁酸见下式中ta。
[0011][0012]
上述仿贻贝双网络结构水凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：（1）将所述聚乙烯醇溶解在水中，然后与壳聚糖季铵盐溶液混合均匀得到水凝胶预聚液，再进行循环冻融，得到聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐水凝胶；循环冻融为：将水凝胶预聚液在-30至-10 ℃条件下冷冻10-20小时，然后在室温下解冻8-12小时，并重复多次，制得pva/hacc水凝胶；（2）将聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐水凝胶置于适量单宁酸溶液中浸泡，得到双网络结构水凝胶。
[0013]
本发明具有以下有益效果：（1）本发明采用聚乙烯醇作为基体材料。聚乙烯醇是最常见和最古老的合成聚合物之一，具有多种令人兴奋的特性，包括无毒、生物相容性和高亲水性。
[0014]
（2）本发明采用壳聚糖的衍生物壳聚糖季铵盐。壳聚糖是唯一的天然阳离子聚合物，是甲壳素的重要衍生物。由于其独特的阳离子性质，在生物医学领域有着重要的应用。壳聚糖季铵盐是海洋生物壳聚糖经化学改性修饰而制得的壳聚糖高级衍生物。壳聚糖季铵盐易溶于水，并且具有良好的抗菌性、成膜性、阳离子吸附性、吸湿保湿型、絮凝剂、抗静电性等性能。同时其抗菌性能优于壳聚糖及其它壳聚糖衍生物。
[0015]
（3）本发明采用单宁酸。单宁酸作为一种天然的弱酸性多酚化合物，在各种植物中大量存在，并且在其分子结构中含有高含量的儿茶酚和连苯三酚部分，易提取。单宁酸由于其五臂多酚结构而具有多种键合功能，通过氢和离子键合或疏水相互作用实现致密的聚合物交联。此外，大量研究表明，单宁酸具有优异的生物性能，如高粘附性、抗氧化、抗诱变、抗
菌、抗炎和良好的生物降解性等。因此，这种多酚与人体组织的接触具有多种益处，例如粘附、止血和抗菌性。
[0016]
（4）本发明采用循环冻融和浸泡两步法制备水凝胶伤口敷料。可以根据实际应用需要制备出不用形状、大小的伤口敷料，在具体应用中可节省原材料并实现个性化定制。
[0017]
（5）本发明采用氢键纯物理交联的方法，提高材料的力学性能的同时，不引入有毒有害化学交联剂，不产生对生物体有害的物质。
[0018]
（6）本发明制备了双层水凝胶，双层水凝胶可以长期维持伤口湿度，加速皮肤生成，治疗伤口。此外，双层水凝胶作为物理屏障可以有效防止细菌入侵，降低感染风险。
[0019]
（6）本发明中直接制备水凝胶伤口敷料，操作步骤简单，该制备工艺简单易行，条件温和，生产周期短，具有较大的应用推广价值。
附图说明
[0020]
图1为实施例1双网络结构水凝胶的自由成型性。
[0021]
图2为实施例3双网络结构水凝胶举起钢块。
[0022]
图3为实施例2双网络结构水凝胶对各种材料表面和组织有很强的附着力。
[0023]
图4为实施例2双网络结构水凝胶附着在手腕上，随手腕移动，不会对皮肤造成残留或刺激。
[0024]
图5为(a) pva/hacc
x
和(b) pva/hacc
x-ta双网络结构水凝胶在培养1、4和7天后的clsm图像，比例尺100
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m。
[0025]
图6为(a) pva/hacc
x
和(b) pva/hacc
x-ta双网络结构水凝胶培养1、4和7天后的细胞增殖活性。
实施方式
[0026]
下面结合实施例对本发明进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
[0027]
一种仿贻贝双网络结构水凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：（1）称取5.0 g聚乙烯醇（pva）加入到45 g去离子水中，在90 ℃水浴锅中磁力搅拌1 h直至聚乙烯醇（pva）溶解；得到聚乙烯醇（pva）溶液，备用。
[0028]
（3）将上述步骤（2）得到聚乙烯醇（pva）溶液在超声仪中超声，直至气泡消失；然后将混合溶液倒入模具当中，冷冻12 h，然后取出解冻12 h，如此循环冻融三次，得到聚乙烯醇水凝胶，备用。
[0029]
（4）将10 g单宁酸（ta）加入到90 g去离子水中，常温下磁力搅拌直至溶解完全，得到溶度为10 wt%的单宁酸溶液，备用。
[0030]
（5）将上述步骤（3）得到的聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐水凝胶浸泡在上述步骤（4）得到单宁酸溶液中48 h，最终得到双网络结构水凝胶伤口敷料。
实施例
[0031]
一种仿贻贝双网络结构水凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将1 g壳聚糖季铵盐（hacc）加入到9 g去离子水中，常温下磁力搅拌过夜，直至壳聚糖季铵盐溶解完全，得到的浓度为10wt%的壳聚糖季铵盐溶液，备用。
[0032]
（2）称取5.0 g聚乙烯醇（pva）加入到42.5 g去离子水中，在90 ℃水浴锅中磁力搅拌1 h直至聚乙烯醇（pva）溶解；称取2.5 g上述步骤（1）得到的壳聚糖季铵盐溶液加入到聚乙烯醇（pva）溶液当中，再在90℃水浴锅中磁力搅拌2 h，得到聚乙烯醇（pva）和壳聚糖季铵盐（hacc）混合溶液，备用。
[0033]
（3）将上述步骤（2）得到聚乙烯醇（pva）和壳聚糖季铵盐（hacc）混合溶液在超声仪中超声，直至气泡消失；然后将混合溶液倒入模具当中，冷冻12 h，然后取出解冻12 h，如此循环冻融三次，得到聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐水凝胶，备用。
[0034]
（4）将10 g单宁酸（ta）加入到90 g去离子水中，常温下磁力搅拌直至溶解完全，得到溶度为10 wt%的单宁酸溶液，备用。
[0035]
（5）将上述步骤（3）得到的聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐水凝胶浸泡在上述步骤（4）得到单宁酸溶液中48 h，最终得到双网络结构水凝胶伤口敷料。
实施例
[0036]
一种仿贻贝双网络结构水凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：（1）将1 g壳聚糖季铵盐（hacc）加入到9 g去离子水中，常温下磁力搅拌过夜，直至壳聚糖季铵盐溶解完全，得到的浓度为10wt%的壳聚糖季铵盐溶液，备用。
[0037]
（2）称取5.0 g聚乙烯醇（pva）加入到40.0 g去离子水中，在90 ℃水浴锅中磁力搅拌1 h直至聚乙烯醇（pva）溶解；称取5.0 g上述步骤（1）得到的壳聚糖季铵盐溶液加入到聚乙烯醇（pva）溶液当中，再在90 ℃水浴锅中磁力搅拌2 h，得到聚乙烯醇（pva）和壳聚糖季铵盐（hacc）混合溶液，备用。
[0038]
（3）将上述步骤（2）得到聚乙烯醇（pva）和壳聚糖季铵盐（hacc）混合溶液在超声仪中超声，直至气泡消失；然后将混合溶液倒入模具当中，冷冻12 h，然后取出解冻12 h，如此循环冻融三次，得到聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐水凝胶，备用。
[0039]
（4）将10 g单宁酸（ta）加入到90 g去离子水中，常温下磁力搅拌直至溶解完全，得到溶度为10 wt%的单宁酸溶液，备用。
[0040]
（5）将上述步骤（3）得到的聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐水凝胶浸泡在上述步骤（4）得到单宁酸溶液中48h，最终得到双网络结构水凝胶伤口敷料。
实施例
[0041]
一种仿贻贝双网络结构水凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：（1）将1 g壳聚糖季铵盐（hacc）加入到9 g去离子水中，常温下磁力搅拌过夜，直至壳聚糖季铵盐溶解完全，得到的浓度为10 wt%的壳聚糖季铵盐溶液，备用。
[0042]
（2）称取5.0 g聚乙烯醇（pva）加入到37.5 g去离子水中，在90 ℃水浴锅中磁力搅拌1 h直至聚乙烯醇（pva）溶解；称取7.5 g上述步骤（1）得到的壳聚糖季铵盐溶液加入到聚乙烯醇（pva）溶液当中，再在90℃水浴锅中磁力搅拌2 h，得到聚乙烯醇（pva）和壳聚糖季铵盐（hacc）混合溶液，备用。
[0043]
（3）将上述步骤（2）得到聚乙烯醇（pva）和壳聚糖季铵盐（hacc）混合溶液在超声仪
中超声，直至气泡消失；然后将混合溶液倒入模具当中，冷冻12 h，然后取出解冻12 h，如此循环冻融三次，得到聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐水凝胶，备用。
[0044]
（4）将10 g单宁酸（ta）加入到90 g去离子水中，常温下磁力搅拌直至溶解完全，得到溶度为10 wt%的单宁酸溶液，备用。
[0045]
（5）将上述步骤（3）得到的聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐水凝胶浸泡在上述步骤（4）得到的单宁酸溶液中48 h，最终得到双网络结构水凝胶伤口敷料。
[0046]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为有效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
[0047]
对比例1一种聚乙烯醇水凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：（1）称取5.0 g聚乙烯醇（pva）加入到45 g去离子水中，在90 ℃水浴锅中磁力搅拌1 h直至聚乙烯醇（pva）溶解；得到聚乙烯醇（pva）溶液，备用。
[0048]
（3）将上述步骤（2）得到聚乙烯醇（pva）溶液在超声仪中超声，直至气泡消失；然后将混合溶液倒入模具当中，冷冻12 h，然后取出解冻12 h，如此循环冻融三次，得到聚乙烯醇水凝胶。
[0049]
对比例2一种聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐水凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：（1）将1 g壳聚糖季铵盐（hacc）加入到9 g去离子水中，常温下磁力搅拌过夜，直至壳聚糖季铵盐溶解完全，得到的浓度为10wt%的壳聚糖季铵盐溶液，备用。
[0050]
（2）称取5.0 g聚乙烯醇（pva）加入到42.5 g去离子水中，在90 ℃水浴锅中磁力搅拌1 h直至聚乙烯醇（pva）溶解；称取2.5 g上述步骤（1）得到的壳聚糖季铵盐溶液加入到聚乙烯醇（pva）溶液当中，再在90℃水浴锅中磁力搅拌2 h，得到聚乙烯醇（pva）和壳聚糖季铵盐（hacc）混合溶液，备用。
[0051]
（3）将上述步骤（2）得到聚乙烯醇（pva）和壳聚糖季铵盐（hacc）混合溶液在超声仪中超声，直至气泡消失；然后将混合溶液倒入模具当中，冷冻12 h，然后取出解冻12 h，如此循环冻融三次，得到聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐水凝胶。
[0052]
对比例3一种聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐水凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：（1）将1 g壳聚糖季铵盐（hacc）加入到9 g去离子水中，常温下磁力搅拌过夜，直至壳聚糖季铵盐溶解完全，得到的浓度为10wt%的壳聚糖季铵盐溶液，备用。
[0053]
（2）称取5.0 g聚乙烯醇（pva）加入到40.0 g去离子水中，在90 ℃水浴锅中磁力搅拌1 h直至聚乙烯醇（pva）溶解；称取5.0 g上述步骤（1）得到的壳聚糖季铵盐溶液加入到聚乙烯醇（pva）溶液当中，再在90 ℃水浴锅中磁力搅拌2 h，得到聚乙烯醇（pva）和壳聚糖季铵盐（hacc）混合溶液，备用。
[0054]
（3）将上述步骤（2）得到聚乙烯醇（pva）和壳聚糖季铵盐（hacc）混合溶液在超声仪中超声，直至气泡消失；然后将混合溶液倒入模具当中，冷冻12 h，然后取出解冻12 h，如此循环冻融三次，得到聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐水凝胶。
[0055]
对比例4
一种聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐水凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：（1）将1 g壳聚糖季铵盐（hacc）加入到9 g去离子水中，常温下磁力搅拌过夜，直至壳聚糖季铵盐溶解完全，得到的浓度为10 wt%的壳聚糖季铵盐溶液，备用。
[0056]
（2）称取5.0 g聚乙烯醇（pva）加入到37.5 g去离子水中，在90 ℃水浴锅中磁力搅拌1 h直至聚乙烯醇（pva）溶解；称取7.5 g上述步骤（1）得到的壳聚糖季铵盐溶液加入到聚乙烯醇（pva）溶液当中，再在90℃水浴锅中磁力搅拌2 h，得到聚乙烯醇（pva）和壳聚糖季铵盐（hacc）混合溶液，备用。
[0057]
（3）将上述步骤（2）得到聚乙烯醇（pva）和壳聚糖季铵盐（hacc）混合溶液在超声仪中超声，直至气泡消失；然后将混合溶液倒入模具当中，冷冻12 h，然后取出解冻12 h，如此循环冻融三次，得到聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐水凝胶。
[0058]
为了评估在水凝胶上生长的细胞的增殖和形态，进行了live/dead染色。nih 3t3成纤维细胞在含有10 v/v%胎牛血清（fbs）的dmem培养基中于37 ℃培养。所有直径为6 mm、高度为1 mm的水凝胶在进行细胞检测前通过紫外线照射30 min进行消毒。然后，将细胞播种在水凝胶表面。根据制造商的说明，使用live/dead染色试剂盒对细胞进行染色。使用荧光显微镜对live/dead染色的细胞进行成像见图5。nih 3t3成纤维细胞在水凝胶上的细胞增殖能力是使用细胞计数试剂盒-8（cck-8，dojindo实验室）检测的。为了进行细胞增殖评估，在细胞培养1、4和7天时，分别取出培养液并换成cck-8工作液，然后在37 ℃下培养1 h。此外，使用thermo scientific multiskan go elisa测量上清液在450 nm处的吸光度。每个样品测试五次，得到平均结果，见图6。
[0059]
在这项研究中，nih 3t3成纤维细胞被用来评估水凝胶的生物相容性。如图5所示，nih 3t3成纤维细胞可以粘附在pva/hacc
x
和pva/hacc
x-ta水凝胶上，并随着细胞培养时间的增加逐渐增殖。这表明nih 3t3成纤维细胞可以粘附在多孔支架上并增殖。如图6所示，cck-8分析显示，随着培养时间的增加，水凝胶上nih 3t3成纤维细胞的数量明显增加。如图6a所示，pva/hacc水凝胶之间存在着明显的差异。另外，如图6b所示，pva/hacc-ta水凝胶之间也有统计学差异。这些结果阐明了nih 3t3成纤维细胞在水凝胶材料上具有优越的粘附和增殖能力，水凝胶中壳聚糖季铵盐含量的增加可以促进细胞生长。更重要的是，该水凝胶对细胞生长和增殖具有良好的体外生物相容性。

技术特征：
1. 一种仿贻贝双网络结构水凝胶材料，其特征在于，包括以下重量份的原料：聚乙烯醇4-6份、壳聚糖季铵盐溶液2.5-7.5份、水37.5
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42.5份和适量单宁酸溶液。2. 根据权利要求1所述的仿贻贝双网络结构水凝胶材料，其特征在于：所述壳聚糖季铵盐溶液的浓度为8-15 wt%的水溶液。3. 根据权利要求1所述的仿贻贝双网络结构水凝胶材料，其特征在于：所述单宁酸溶液的浓度为8-15 wt%的水溶液。4.权利要求1-3任一项所述仿贻贝双网络结构水凝胶材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）将所述聚乙烯醇溶解在水中，然后与壳聚糖季铵盐溶液混合均匀得到水凝胶预聚液，再进行循环冻融，得到聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐水凝胶；（2）将聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐水凝胶置于适量单宁酸溶液中浸泡，得到双网络结构水凝胶。5. 根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述循环冻融为：将水凝胶预聚液在-30至-10 ℃条件下冷冻10-20小时，然后在室温下解冻8-12小时，并重复多次，制得水凝胶。

技术总结
本发明属于生物医用高分子材料领域，涉及一种具有良好粘附性和生物相容性的仿贻贝双网络结构水凝胶材料，包括以下重量份的原料：聚乙烯醇4-6份、壳聚糖季铵盐溶液2.5-7.5份、水37.5-42.5份和适量单宁酸溶液，采用两步法制备了聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐-单宁酸双网络结构水凝胶。本发明具有优异的力学性能、粘附性能和抑菌性能且对皮肤无毒，无过敏特征的水凝胶在生物医学应用尤其是伤口敷料领域具有巨大的应用潜力。巨大的应用潜力。巨大的应用潜力。


技术研发人员：李云 尧琴 周武艺
受保护的技术使用者：广东云曌医疗科技有限公司
技术研发日：2023.05.23
技术公布日：2023/8/4