一种抗菌自愈合复合双网络水凝胶及其制备方法与应用

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1.本发明涉及水凝胶技术领域，具体涉及一种抗菌自愈合复合双网络水凝胶及其制备方法与应用。


背景技术：

2.优质的水凝胶伤口敷料不仅可以防止伤口感染，还可以促进伤口愈合。医用纱布、棉布等传统伤口敷料具有机械强度高、使用方便等优点，但缺乏生物学功能，易造成二次伤害。水凝胶具有3d网络，可以保留丰富的水分并为伤口提供潮湿的环境。研究表明，水凝胶在伤口治疗中起着至关重要的作用。与传统敷料相比，水凝胶伤口敷料具有吸水性高、透气性好和创造潮湿微环境的能力等优点。然而，水凝胶伤口敷料也存在着不足，如机械性能差、没有粘附性、没有抗菌能力、生物相容性差等。目前水凝胶伤口敷料的研究相对简单，主要集中在力学性能和生物学功能上。因此，设计一种具有优异力学性能与抗菌性能的多功能水凝胶伤口敷料来促进伤口闭合仍然是伤口愈合领域的挑战和迫切需求。
3.在水凝胶应用领域，改善水凝胶的力学性能尤为重要。近年来，已经提出了各种方法来构建具有显著力学性能的坚韧水凝胶，例如纳米复合(nc)水凝胶、双网络(dn)水凝胶、多交联水凝胶、离子水凝胶等。其中，自首次报道dn水凝胶构建以来，dn水凝胶引起了研究者的极大关注。除了dn增强机制外，将纳米填料掺入水凝胶基质中也被认为是合成坚韧水凝胶的理想方法。因此，可以将双网络和纳米填料结合制备水凝胶，以发挥dn水凝胶和nc水凝胶在增强水凝胶力学性能方面的协同作用。
4.在各种生物质纳米填料中，纤维素是自然界中最丰富的天然生物聚合物之一，是通过d型葡萄糖单元聚合形成的天然聚合物，可以从植物或少量细菌(如木醋杆菌)中提取。纤维素因其生物降解性、优异的生物相容性、无毒和良好的热化学稳定性等优点，已被广泛应用于制药、医疗、造纸、纺织等领域。对于纤维素或其衍生物而言，由于纤维素(或其衍生物)是一种长链线性聚合物，并且含有丰富的亲水官能团，包括羟基，羧基和醛基，因此易于相互修饰和交联，这使得纤维素或其衍生物成为合成水凝胶的理想原料。
5.作为受贻贝启发的粘合剂水凝胶的典型例子，聚多巴胺水凝胶因其出色的自粘能力、细胞亲和力和高化学反应性而被广泛应用于生物医学领域。但聚多巴胺水凝胶通常会遇到在不牺牲其它所备功能的情况下而具有良好机械性能的困难，这阻碍了聚多巴胺水凝胶的实际应用。


技术实现要素：

6.本发明提供了一种抗菌自愈合复合双网络水凝胶及其制备方法，以解决现有技术中抗菌型水凝胶无自愈合性能、机械性能差、粘附性能不强等问题。
7.单宁酸是一种植物多酚，具有与多巴胺相似的邻苯二酚基团，被认为是构建粘合剂水凝胶的最佳候选。此外，单宁酸还具有优异的生物相容性、抗氧化性、抗菌性和抗炎性。本发明通过将单宁酸和纤维素纳米纤维嵌入硼砂-聚乙烯醇/聚丙烯酸水凝胶网络中，采用
化学和物理双重交联网络构建的方法，制备得到具有抗菌性、粘附性和自愈合性能的纳米复合双网络水凝胶。
8.本发明所要解决的技术问题采用以下的技术方案来实现：
9.本发明的目的之一是提供一种抗菌自愈合复合双网络水凝胶，由以下质量百分比的原料制成：
10.丙烯酸15％、聚乙烯醇7.5％、纤维素纳米纤维1.50～2.23％、硼砂0.25％、单宁酸0.37～0.74％、交联剂0.06％、引发剂0.22％，余量为水。
11.本发明的目的之二是提供一种所述抗菌自愈合复合双网络水凝胶的制备方法，包括如下制备步骤：
12.(1)将纤维素纳米纤维和单宁酸加入到去离子水中，搅拌至单宁酸完全溶解，超声分散，得到单宁酸-纤维素纳米纤维分散液；
13.(2)将步骤(1)制备的单宁酸-纤维素纳米纤维分散液和聚乙烯醇加入到去离子水中，升温搅拌直至形成均质溶液，然后加入硼砂、丙烯酸和交联剂，继续搅拌，降温静置以形成水凝胶第一网络；
14.(3)向步骤(2)制备的水凝胶第一网络中加入引发剂，快速震荡后倒入玻璃模具中，将玻璃模具放入烘箱中反应以形成水凝胶第二网络，最终得到复合双网络水凝胶。
15.本发明的目的之三是提供所述抗菌自愈合复合双网络水凝胶在制备伤口敷料、抗菌材料、人造皮肤、韧带中的应用。
16.本发明的有益效果是：
17.1)本发明利用聚乙烯醇水溶液中单宁酸-纤维素纳米纤维和丙烯酸单体的原位聚合，在聚乙烯醇/聚丙烯酸和单宁酸-纤维素纳米纤维之间进行离子配位，制备得到了一类新型的复合双网络水凝胶；聚乙烯醇与聚丙烯酸之间形成氢键而排列成有序的层状结构，是形成双网络结构水凝胶刚性部分的理想组分之一；纤维素纳米纤维作为增强纳米填料，也是形成双网络结构水凝胶刚性部分的理想组分，进一步增强水凝胶的力学性能；单宁酸因其丰富的酚羟基和优越的生物性能作为抗菌剂，进一步提高水凝胶对细菌的抗菌活性以及体外抗氧化能力；由此制备得到具有粘附性能突出、生物相容性优异、抗氧化能力强和抗菌活性强等优点的复合双网络型水凝胶，有望作为伤口敷料应用于更广泛的生物医学领域。
18.2)本发明利用原位聚合的方法，在聚乙烯醇/聚丙烯酸和单宁酸-纤维素纳米纤维之间进行离子配位，在整个水凝胶体系中，来自硼砂的单硼酸根离子可以与聚乙烯醇、纤维素纳米纤维和单宁酸中的顺二醇反应形成可逆的动态硼酸酯络合物，增加这些组分之间的强相互作用，可逆的硼酸酯键赋予水凝胶自愈合性能。同时，链缠结、分子间和分子内氢键也有助于水凝胶内三维网络的形成；由此本发明制备的单宁酸-纤维素/聚乙烯醇/聚丙烯酸复合双网络水凝胶具有自愈合性能，在人造皮肤、韧带以及作为伤口敷料等领域具有广阔的前景。
附图说明：
19.图1为本发明制备的复合双网络水凝胶的扫描电镜图。
具体实施方式：
20.为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例和图示，进一步阐述本发明。
21.本发明提供了一种抗菌自愈合复合双网络水凝胶，由以下质量百分比的原料制成：
22.丙烯酸15％、聚乙烯醇7.5％、纤维素纳米纤维1.50～2.23％、硼砂0.25％、单宁酸0.37～0.74％、交联剂0.06％、引发剂0.22％，余量为水。
23.本发明还提供了一种所述抗菌自愈合复合双网络水凝胶的制备方法，包括如下制备步骤：
24.(1)将纤维素纳米纤维和单宁酸加入到去离子水中，搅拌至单宁酸完全溶解，超声分散，得到单宁酸-纤维素纳米纤维分散液；
25.(2)将步骤(1)制备的单宁酸-纤维素纳米纤维分散液和聚乙烯醇加入到去离子水中，升温搅拌直至形成均质溶液，然后加入硼砂、丙烯酸和交联剂，继续搅拌，降温静置以形成水凝胶第一网络；
26.(3)向步骤(2)制备的水凝胶第一网络中加入引发剂，快速震荡后倒入玻璃模具中，将玻璃模具放入烘箱中反应以形成水凝胶第二网络，最终得到复合双网络水凝胶。
27.优选地，步骤(2)中，所述升温搅拌的温度为90～95℃。
28.优选地，步骤(2)中，所述交联剂为n,n
′‑
亚甲基双丙烯酰胺。
29.优选地，步骤(3)中，所述引发剂为过硫酸铵或过硫酸钾。
30.优选地，步骤(3)中，所述烘箱的温度为60～65℃。
31.本发明还提供了所述抗菌自愈合复合双网络水凝胶在制备伤口敷料、抗菌材料、人造皮肤、韧带中的应用。
32.以下通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明：
33.实施例1
34.(1)将0.6g纤维素纳米纤维和0.1g单宁酸加入到10g去离子水中，搅拌至单宁酸完全溶解后，超声振荡5min，获得分散均匀的单宁酸-纤维素纳米纤维分散液。
35.(2)将步骤(1)制备的单宁酸-纤维素纳米纤维分散液、2g聚乙烯醇加入到10g去离子水中，90℃下搅拌形成均质溶液，然后加入0.067g硼砂、4g丙烯酸和0.016g n,n
′‑
亚甲基双丙烯酰胺，继续搅拌直至完全溶解，降温至60℃静置15min以形成水凝胶第一网络。
36.(3)向步骤(2)制备的水凝胶第一网络中加入0.06g过硫酸铵并快速振荡，然后倒入玻璃模具中，将玻璃模具放入60℃烘箱中反应4h，以形成水凝胶第二网络，最终得到单宁酸-纤维素/聚乙烯醇/聚丙烯酸复合双网络水凝胶。
37.实施例2
38.(1)将0.4g纤维素纳米纤维和0.2g单宁酸加入到10g去离子水中，搅拌至单宁酸完全溶解后，超声振荡5min，获得分散均匀的单宁酸-纤维素纳米纤维分散液。
39.(2)将步骤(1)制备的单宁酸-纤维素纳米纤维分散液、2g聚乙烯醇加入到10g去离子水中，90℃下搅拌形成均质溶液，然后加入0.067g硼砂、4g丙烯酸和0.016g n,n
′‑
亚甲基双丙烯酰胺，继续搅拌直至完全溶解，降温至60℃静置15min以形成水凝胶第一网络。
40.(3)向步骤(2)制备的水凝胶第一网络中加入0.06g过硫酸铵并快速振荡，然后倒
入玻璃模具中，将玻璃模具放入60℃烘箱中反应4h，以形成水凝胶第二网络，最终得到单宁酸-纤维素/聚乙烯醇/聚丙烯酸复合双网络水凝胶。
41.实施例3
42.(1)将0.4g纤维素纳米纤维和0.1g单宁酸加入到10g去离子水中，搅拌至单宁酸完全溶解后，超声振荡5min，获得分散均匀的单宁酸-纤维素纳米纤维分散液。
43.(2)将步骤(1)制备的单宁酸-纤维素纳米纤维分散液、2g聚乙烯醇加入到10g去离子水中，90℃下搅拌形成均质溶液，然后加入0.067g硼砂、4g丙烯酸和0.016g n,n
′‑
亚甲基双丙烯酰胺，继续搅拌直至完全溶解，降温至60℃静置15min以形成水凝胶第一网络。
44.(3)向步骤(2)制备的水凝胶第一网络中加入0.06g过硫酸铵并快速振荡，然后倒入玻璃模具中，将玻璃模具放入60℃烘箱中反应4h，以形成水凝胶第二网络，最终得到单宁酸-纤维素/聚乙烯醇/聚丙烯酸复合双网络水凝胶。
45.对照例
46.将2g聚乙烯醇加入到20g去离子水中，90℃下搅拌至聚乙烯醇完全溶解，然后加入0.067g硼砂、4g丙烯酸和0.016g n,n
′‑
亚甲基双丙烯酰胺，继续搅拌直至完全溶解，降温至60℃静置15min；加入0.06g过硫酸铵并快速振荡，然后倒入玻璃模具中，将玻璃模具放入60℃烘箱中反应4h，得到聚乙烯醇/聚丙烯酸水凝胶。
47.对上述实施例和对照例制备的水凝胶进行抗菌性能测试，结果见表1。
48.表1水凝胶的抗菌率(％)
[0049] 对照例实施例1实施例2实施例3大肠杆菌95.799.299.899.2金黄色葡萄球菌96.899.599.999.5
[0050]
从表1可以看出，增加单宁酸含量，可以显著提升水凝胶的抗菌性。由此可见，本发明制备的水凝胶具有较好的抗菌性能。
[0051]
通过cck-8试验测定上述实施例制备的水凝胶对l929细胞的细胞毒性。将l929细胞与水凝胶培养24h，利用酶标仪测定在450nm处的光密度(od)值，计算细胞存活率，从而评估水凝胶的生物相容性，结果见表2。
[0052]
表2水凝胶的生物相容性
[0053] 细胞存活率/％实施例189实施例292实施例390
[0054]
从表2可以看出，本发明制备的水凝胶具有良好的生物相容性。
[0055]
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

技术特征：
1.一种抗菌自愈合复合双网络水凝胶，其特征在于，由以下质量百分比的原料制成：丙烯酸15％、聚乙烯醇7.5％、纤维素纳米纤维1.50～2.23％、硼砂0.25％、单宁酸0.37～0.74％、交联剂0.06％、引发剂0.22％，余量为水。2.权利要求1所述的抗菌自愈合复合双网络水凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下制备步骤：(1)将纤维素纳米纤维和单宁酸加入到去离子水中，搅拌至单宁酸完全溶解，超声分散，得到单宁酸-纤维素纳米纤维分散液；(2)将步骤(1)制备的单宁酸-纤维素纳米纤维分散液和聚乙烯醇加入到去离子水中，升温搅拌直至形成均质溶液，然后加入硼砂、丙烯酸和交联剂，继续搅拌，降温静置以形成水凝胶第一网络；(3)向步骤(2)制备的水凝胶第一网络中加入引发剂，快速震荡后倒入玻璃模具中，将玻璃模具放入烘箱中反应以形成水凝胶第二网络，最终得到复合双网络水凝胶。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述升温搅拌的温度为90～95℃。4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述交联剂为n,n
′‑
亚甲基双丙烯酰胺。5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述引发剂为过硫酸铵或过硫酸钾。6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述烘箱的温度为60～65℃。7.权利要求1所述的抗菌自愈合复合双网络水凝胶或通过权利要求2-6任一项所述的制备方法得到的抗菌自愈合复合双网络水凝胶在制备伤口敷料、抗菌材料、人造皮肤、韧带中的应用。

技术总结
本发明公开了一种抗菌自愈合复合双网络水凝胶及其制备方法与应用，涉及水凝胶技术领域，所述抗菌自愈合复合双网络水凝胶由以下质量百分比的原料制成：丙烯酸15％、聚乙烯醇7.5％、纤维素纳米纤维1.50～2.23％、硼砂0.25％、单宁酸0.37～0.74％、交联剂0.06％、引发剂0.22％，余量为水；本发明通过将单宁酸和纤维素纳米纤维嵌入硼砂-聚乙烯醇/聚丙烯酸水凝胶网络中，采用化学和物理双重交联网络构建的方法，制备得到具有抗菌性、粘附性和自愈合性能的纳米复合双网络水凝胶。合性能的纳米复合双网络水凝胶。合性能的纳米复合双网络水凝胶。


技术研发人员：杨建军 计烨 彭盼盼 吴庆云 吴明元 张建安 刘久逸
受保护的技术使用者：安徽大学
技术研发日：2023.05.05
技术公布日：2023/9/14