一种具有抗菌抗氧化止血功效的可注射水凝胶及其制备方法和应用与流程

1.本发明属于生物组织工程材料技术领域，涉及一种可注射水凝胶及其制备方法和应用，具体涉及一种具有抗菌抗氧化止血功效的可注射水凝胶及其制备方法和应用。


背景技术：

2.医用止血材料是患者伤口出现大量血后，能起到快速止血的材料。传统的止血材料如无机矿物质(沸石，蒙脱土等)、表面创伤绷带，纱布，海绵等止血能力低，无法长时间保持创口的湿润环境，导致创面愈合缓慢。在现代医学技术研究中，各种生物材料已用于伤口的快速愈合，包括静电纺纳米纤维，多孔泡沫，生物相容性膜和功能性水凝胶。
3.在这些材料中，水凝胶具有引起了更多关注，因为它们的天然多孔结构和高含水量特性，可以吸收组织渗出液，保持伤口组织湿润，在组织缺损部位保持潮湿的环境，防止结痂形成疤痕，同时水凝胶吸收量有限，不会持续吸收导致出血量增加；其次，可以通过吸收渗出液，提高组织局部凝血因子浓度提高，加速伤口血液凝结；并保持良好的氧气和水磁导率。同时水凝胶的多孔结构利于细胞增殖和迁移，有利于营养物质的传递。水凝胶材料还可以在某种程度上提高组织局部凝血因子浓度，加速伤口止血愈合。
4.其中可注射水凝胶由于其独特的原位成型特性受到了广泛关注。与预成型的医用材料相比，可注射水凝胶具有一定的流动性，可填充不规则的缺损部位，与缺损部位吻合性较好；其次注射填充的手术创伤微小且易于操作。例如将凝胶通过在剖宫产手术中子宫肌层缝合后，将凝胶注射填充在微小的伤口表面。可注射水凝胶还可以实现负载细胞或药物，原位包裹生物活性分子并粘附到伤口位置，实现药物缓释和促进伤口愈合等。尤其是可注射的水凝胶与天然聚合物结合，例如壳聚糖，明胶，透明质酸及其衍生物是最有力的候选材料。透明质酸(ha)是一种天然的由d-葡萄糖醛酸及n-乙酰葡糖胺组成的非硫酸化葡糖胺聚糖。ha是细胞外基质(ecm)的重要组成部分，增加细胞粘附性，高保水性和固有的溶胀性，已经广泛用作医用生物相容性和生物降解性材料。ha可以刺激细胞迁移，血管生成并减少炎症。但是，由于它本身降解过快、机械性能差等缺点导致其不能单纯被用于止血材料。
5.此外伤口愈合分为：止血，炎症，增殖，重塑/成熟四个阶段。在整个过程中，细胞代谢产生副产物-活性氧(ros)，在高浓度时，ros可以破坏细胞氧化剂-抗氧化剂平衡，严重损害人体细胞皮肤受损，甚至造成第二次伤害。


技术实现要素：

6.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可注射水凝胶及其制备方法和应用，具体提供一种具有抗菌抗氧化止血功效的可注射水凝胶及其制备方法和应用。
7.为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
8.第一方面，本发明提供一种具有抗菌抗氧化止血功效的可注射水凝胶的制备方法，所述具有抗菌抗氧化止血功效的可注射水凝胶的制备方法包括：
150)ml，例如5g:20ml、5g:40ml、5g:50ml、5g:70ml、5g:100ml、5g:120ml、5g:130ml、5g:140ml、5g:150ml等；所述高碘酸钠水溶液的浓度为0.03-1mol/l，例如0.03mol/l、0.05mol/l、0.1mol/l、0.3mol/l、0.5mol/l、0.8mol/l、1mol/l等；上述各项数值范围内的其他具体点值均可选择，在此便不再一一赘述。
31.优选地，所述避光反映在15-40℃(例如15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃等)下进行1-10h(例如1h、3h、5h、6h、7h、10h等)；上述各项数值范围内的其他具体点值均可选择，在此便不再一一赘述。
32.优选地，所述终止剂包括乙二醇。
33.优选地，所述透析的时间为3-7天，例如3天、4天、5天、6天、7天等，该数值范围内的其他具体点值均可选择，在此便不再一一赘述。
34.优选地，所述季铵化壳聚糖的制备方法包括：
35.(1)向壳聚糖水溶液中滴加冰乙酸水溶液进行反应；
36.(2)然后加入2,3-环氧丙基三甲基氯化铵进行反应，得到反应液；
37.(3)将反应液离心处理收集上清液，与乙醇混合进行沉淀，抽滤干燥即得。
38.优选地，所述壳聚糖的分子量mw＝10-300w，例如10w、50w、100w、150w、200w、300w等，脱乙酰度》85％，例如88％、90％、95％、98％等，上述各项数值范围内的其他具体点值均可选择，在此便不再一一赘述。
39.优选地，所述壳聚糖水溶液中壳聚糖与2,3-环氧丙基三甲基氯化铵的摩尔比为(1-6):(1-30)。
40.所述(1-6)中的具体点值可以选择1、2、3、4、5、6等。
41.所述(1-30)中的具体点值可以选择1、5、10、15、20、25、30等。
42.上述各项数值范围内的其他具体点值均可选择，在此便不再一一赘述。
43.优选地，所述壳聚糖水溶液中壳聚糖与冰乙酸水溶液的用量比为5g:(0.5-300)ml，例如5g:0.5ml、5g:1ml、5g:10ml、5g:50ml、5g:100ml、5g:200ml、5g:300ml等；所述冰乙酸水溶液的浓度为0.01-0.3mol/l，例如0.01mol/l、0.1mol/l、0.15mol/l、0.2mol/l、0.25mol/l、0.3mol/l等；上述各项数值范围内的其他具体点值均可选择，在此便不再一一赘述。
44.优选地，步骤(1)所述反应在50-60℃(例如50℃、52℃、55℃、58℃、60℃等)下进行10-300min(例如10min、50min、100min、150min、200min、250min、300min等)；上述各项数值范围内的其他具体点值均可选择，在此便不再一一赘述。
45.优选地，步骤(2)所述反应在40-60℃(例如40℃、45℃、50℃、55℃、60℃等)下进行12-36h(例如12h、18h、24h、30h、36h等)；上述各项数值范围内的其他具体点值均可选择，在此便不再一一赘述。
46.优选地，步骤(3)所述乙醇的体积为上清液体积的5-8倍，例如5倍、6倍、7倍、8倍等，该数值范围内的其他具体点值均可选择，在此便不再一一赘述。
47.第二方面，本发明提供一种如第一方面所述的制备方法制得的具有抗菌抗氧化止血功效的可注射水凝胶。
48.第三方面，本发明提供一种如第二方面所述的具有抗菌抗氧化止血功效的可注射水凝胶在制备组织填充材料、组织修复材料、组织工程支架中的应用。
49.本发明所涉及的可注射水凝胶特别适用于下面领域的外科手术应用：
50.1)普通外科(尤其是一些较深、形状不规则的伤口)；
51.2)口腔科(促进拔牙或其他牙周疾病、促进创口愈合等)；
52.3)内分泌科(局部给药治疗糖尿病足溃疡等)；
53.4)泌尿外科(治疗膀胱炎等)；
54.5)矫形术(双眼皮切割术，涂敷在伤口处，消炎促进愈合等)；
55.6)妇产科(剖宫产、剖腹产等手术缝合后，注射填充在切口表面)。
56.优选地，所述具有抗菌抗氧化止血功效的可注射水凝胶的使用方法包括：
57.将氧化透明质酸溶液和单宁酸溶液混合后置于注射器a，季铵化壳聚糖溶液置于注射器b，注射器a与b互推1-20次，混匀后集中抽取到一个注射器中，注射到目标部位，待其形成凝胶即可；
58.或者氧化透明质酸溶液和单宁酸溶液混合后置于注射器a，季铵化壳聚糖溶液置于注射器b，使用时两组分经注射器混合针头注射到目标部位，原位形成凝胶即可。
59.本发明所涉及的可注射水凝胶可原位成胶，将一定流动性的液体通过注射器填充在不规则的缺损部位，快速实现凝胶化转变，解决了传统填料需二次手术取出的缺点，减少病人痛苦时间。同时可通过调节反应基团比例和固含量调节反应时间，提高反应速率且不会堵塞针头。
60.相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
61.本发明所涉及的可注射水凝胶一方面具有天然多孔结构和高含水量可以吸收大量的渗出物或血液，并起着微生物的屏障，在组织缺损部位保持潮湿的环境，有利于伤口愈合且不宜结痂。一方面通过将透明质酸化学交联在壳聚糖单元上降低了透明质酸的降解速度，同时通过共价键化学交联提高分子间的结合牢度，大大的提高了凝胶的机械强度，具有良好的力学支撑性能。克服了现有技术透明质酸壳聚糖水凝胶机械强度差，降解快等缺点；通过希夫碱反应原位成胶，无需使用交联剂，绿色安全。本发明所涉及的可注射水凝胶均由天然高分子组成，生物相容性好，无细胞毒性。
62.一方面，季铵化改性后的壳聚糖水溶性更好，具有良好的抗菌性、成膜性、阳离子吸附性、吸湿保湿性、絮凝性、抗静电性等性能，其抗菌性能优于壳聚糖及其它壳聚糖衍生物。
63.一方面，单宁酸的多酚自由基清除活性可防止透明质酸和壳聚糖等天然高分子解聚，并使其免受人体组织中产生的ros攻击，有利于伤口抗菌和消炎，有效抑制由ros引起的氧化应激损伤，同时单宁酸可以凝结受损的胶原蛋白，在烧伤等提供了有效的体内止血作用，更重要的是，引入单宁酸后，可进一步增强凝胶的机械强度。
64.一方面本发明所涉及的可注射水凝胶可原位成胶，将一定流动性的液体通过注射器填充在不规则的缺损部位，快速实现凝胶化转变，解决了传统填料需二次手术取出的缺点，减少病人痛苦时间。同时可通过调节反应基团比例和固含量调节反应时间，提高反应速率且不会堵塞针头。
附图说明
65.图1为实施例1制备季铵化壳聚糖聚合物的反应路线图；
66.图2为实施例2制备氧化透明质酸的反应路线图；
67.图3为实施例3制备可注射水凝胶的过程示意图；
68.图4为可注射水凝胶的断面形貌电镜图；
69.图5为可注射水凝胶的弹性模量统计结果图；
70.图6为可注射水凝胶的溶胀率统计结果图；
71.图7为可注射水凝胶对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌抗菌杀伤率统计结果图；
72.图8为可注射水凝胶对自由基清除效率统计结果图；
73.图9为可注射水凝胶使用过程示意图；
74.图10为小鼠皮下注射水凝胶样品试验结果图(a为qcs-oha水凝胶、b为qcs-oha/ta10水凝胶、c为qcs-oha/ta20水凝胶、d为qcs-oha/ta30水凝胶)；
75.图11为3m敷料和可注射水凝胶样品对小鼠组织创面的促进愈合效果对比图。
具体实施方式
76.下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
77.实施例1
78.本实施例提供一种季铵化壳聚糖，制备方法如下：
79.先将0.5g壳聚糖(mw＝200000-1500000，脱乙酰度＝90％)溶解到去离子水中，随后一边搅拌一边滴加20ml冰乙酸水溶液(浓度为0.05mol/l)，在55℃下反应180分钟，然后加入0.8g 2,3-环氧丙基三甲基氯化铵，在55℃反应18h，将反应溶液在转速4000r/min离心10分钟，得到上清液，加入5倍体积的乙醇，沉淀完全，最后抽滤干燥，得到季铵化壳聚糖聚合物。其反应路线如图1所示。
80.实施例2
81.本实施例提供一种氧化透明质酸，制备方法如下：
82.先将2g透明质酸(mw＝100000-2000000)溶解于100ml去离子水中，完全溶解后，边搅拌边滴加25ml、0.04mol/l的高碘酸钠水溶液，然后避光25℃下反应4h，反应结束后加入5ml乙二醇终止反应；将反应液装入透析袋中，放入超纯水中透析4天，每隔一段时间跟换超纯水，冷冻干燥后得到氧化透明质酸聚合物。其反应路线如图2所示。
83.实施例3
84.本实施例提供一种可注射水凝胶，制备方法如下：
85.将实施例1制得的季铵化壳聚糖聚合物用pbs缓冲液配制成质量浓度为30mg/ml的季铵化壳聚糖溶液；将实施例2制得的氧化透明质酸用pbs缓冲液配制成质量浓度为50mg/ml的溶液；季铵化壳聚糖溶液、氧化透明质酸溶液的体积比为100:35。将氧化透明质酸溶液与季铵化壳聚糖溶液混匀后即可。
86.实施例4
87.本实施例提供一系列抗菌抗氧化的可注射水凝胶，制备方法如下：
88.将实施例1制得的季铵化壳聚糖聚合物用pbs缓冲液配制成质量浓度为30mg/ml的季铵化壳聚糖溶液；将实施例2制得的氧化透明质酸用pbs缓冲液配制成质量浓度为50mg/ml的溶液；将单宁酸用pbs缓冲液配制成质量浓度为100mg/ml的溶液；季铵化壳聚糖溶液、
氧化透明质酸溶液和单宁酸溶液的体积比为100:35:10(或100:35:20或100:35:30，分别记为产品qcs-oha/ta10、qcs-oha/ta20、qcs-oha/ta30)。将氧化透明质酸和单宁酸混合液与季铵化壳聚糖溶液混匀后即可。其制备过程如图3所示。
89.测试例1
90.对实施例3(qcs-oha)和实施例4制得的产品(qcs-oha/ta10)溶胀至平衡状态后，液氮淬断，冷冻干燥后用sem拍取断面形貌，每组样品做三组平行样，进行观察，如图4所示：水凝胶孔径均一，结构规整。水凝胶的3维多孔疏松结构，有利于营养物质的传输与细胞在凝胶中增殖与迁移。
91.测试例2
92.水凝胶的机械性能测试：
93.对实施例3(qcs-oha)和实施例4制得的产品(qcs-oha/ta10、qcs-oha/ta20)采用万能试验仪测试水凝胶的压缩性能，将水凝胶制备成厚度2cm，直径3cm的圆柱，在万能测试仪圆形压缩模具表面涂抹硅油，减小模具与水凝胶间摩擦力。以10mm/min的速度压缩水凝胶，绘制应力-应变曲线，计算水凝胶模量。结果如图5所示：计算得到季铵化壳聚糖-氧化透明质酸/单宁酸水凝胶的模量在2-20kpa，并且随着单宁酸含量增加，凝胶的模量有所提高。水凝胶较好的机械强度为其在临床上的应用奠定了基础。
94.测试例3
95.水凝胶的体外模拟溶胀测试：
96.对实施例3(qcs-oha)和实施例4制得的产品(qcs-oha/ta10、qcs-oha/ta20、qcs-oha/ta30)称重，记录重量为w0，后置于0.1mol/l pbs缓冲液中，30min取出擦干表面游离水，称重记录重量为w
t
。溶胀率＝(w
t-w0)/w0×
100％，每组样品做三组平行样。结果如图6所示：实验得到水凝胶的溶胀率在20-150％，即水凝胶可吸收组织渗出液，但吸收力有限不会持续吸收导致出血量过多。水凝胶可吸收创面渗出液，提高凝血因子等浓度，实现快速止血的效果。
97.测试例4
98.水凝胶的抗菌性能测试：
99.对实施例3(qcs-oha)和实施例4制得的产品(qcs-oha/ta10、qcs-oha/ta20、qcs-oha/ta30)进行了水凝胶表面抗菌活性测试。将制备好的水凝胶贴片放入48孔板中，用无菌pbs冲洗3次。然后，将10μl细菌悬浮液无菌(pbs，浓度为106cfu ml-1
)均匀涂抹在48孔培养板的每个水凝胶表面上。接种后的水凝胶在37℃孵育2h，微孔板内部相对湿度不低于90％。之后，然后将1ml无菌pbs添加到每个孔中以重新悬浮任何细菌幸存者。将细菌存活菌铺在琼脂板上，37℃培养24h。10μl细菌悬液(106cfu ml-1
)悬浮于1ml pbs中作为阴性对照。计数琼脂平板(培养皿)上的菌落形成单位。每组重复测试3次，结果表示为杀灭百分比：
100.杀菌率＝(对照组细菌数量-凝胶组细菌数量)/对照组细菌数量
×
100％
101.结果如图7所示(a为大肠杆菌，b为金黄色葡萄球菌)：所有的凝胶组都可以有效地杀死其表面的细菌(》90％)，包括革兰氏阴性菌大肠杆菌和革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌，说明该水凝胶具有优良的抗菌消炎能力。
102.测试例5
103.水凝胶的抗氧化性能测试：
104.对实施例3(qcs-oha)和实施例4制得的产品(qcs-oha/ta10、qcs-oha/ta20、qcs-oha/ta30)通过测试dpph的清除效率来评估，具体操作为：使用研钵将水凝胶研磨成匀浆。0.5g qcs-oha、qcs-oha/ta10、qcs-oha/ta20和qcs-oha/ta30水凝胶样品分别浸入4ml dpph(100μm，在99wt％乙醇中)溶液中，并在暗处孵育60分钟。然后使用紫外-可见分光光度计测量混合溶液在517nm处的吸光度值。使用以下等式计算：
105.dpph清除率＝(对照组吸光度-凝胶组吸光度)/对照组吸光度
×
100％
106.结果如图8所示：相比于未加入单宁酸的组，季铵化壳聚糖-氧化透明质酸/单宁酸水凝胶具有良好的抗氧化能力，随着单宁酸含量的提高，dpph的清除能力也相应增加。
107.测试例6
108.水凝胶的小鼠体内注射成胶实验：
109.对实施例4制得的产品(qcs-oha、qcs-oha/ta10、qcs-oha/ta20和qcs-oha/ta30水凝胶样品)在雌性大鼠中通过皮下给药进行体内凝胶形成试验(小鼠体重为240g)。首先，通过注射10％水合氯醛麻醉动物；大鼠麻醉后，将季胺化壳聚糖溶液与氧化透明质酸/单宁酸溶液分别置于注射器a和注射器b，a、b注射器互推10次，混匀后集中抽取到一个注射器中，注射到背部皮下(操作示意图如图9所示)。五分钟后，通过颈椎脱臼处死动物。将注射部位切开，拍摄水凝胶包裹在皮肤中和从皮肤上剥离的情况。凝胶体内成胶情况如图10所示(qcs-oha水凝胶(a)、qcs-oha/ta10水凝胶(b)、qcs-oha/ta20水凝胶(c)和qcs-oha/ta30水凝胶(d)样品)，可看出，凝胶具有优异的注射性能，可在目标部位实现凝胶化转变。流动的凝胶前体溶液注射到目标部位后，溶液充分填充目标部位，快速成胶，封堵填充目标部位。由于凝胶具有较好的机械性能，机体活动时，凝胶也不会破碎、移位，凝胶从小鼠体内取出后形状保持较好，结构完整。
110.测试例7
111.水凝胶的促进小鼠伤口愈合性能实验：
112.对实施例3(qcs-oha)和实施例4制得的产品(qcs-oha/ta10)通过小鼠全层组织缺损模型观测本发明制备的凝胶促进伤口愈合的性能，操作方法为：本研究采用体重30-40g、5-6周龄的雌性昆明小鼠。所有小鼠随机分为3组。这三组分别是对照组(3m tegaderm
tm
薄膜)、qcs-oha水凝胶和qcs-oha/ta水凝胶。每组包含12只小鼠。所有小鼠在手术前适应环境1周。所有手术过程均在无菌条件下进行。手术部分，小鼠腹腔注射水合氯醛(0.3mg/kg体重)麻醉，在尾部和背部之间的背部剃毛。通过针活检形成直径为7mm的全层皮肤圆形伤口。去除伤口皮肤后，对照伤口加入40μl pbs和3m tegaderm
tm
薄膜。对于水凝胶组伤口，40μl qcs-oha水凝胶和qcs-oha/ta水凝胶涂抹在伤口上，不使用任何敷料。分别在第5、10、15、20天，收集所有创面组织并在分析前-80℃保存。结果如图11所示：本发明制备的水凝胶相较于市用3m敷料，促进小鼠创面愈合的效果较为明显，尤其是在第20天，凝胶组小鼠创面完全愈合，体毛生长良好，基本可覆盖创面。
113.申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的一种具有抗菌抗氧化止血功效的可注射水凝胶及其制备方法和应用，但本发明并不局限于上述实施例，即不意味着本发明必须依赖上述实施例才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
114.以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
115.另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。