阅读说明：本技术 可注射型抗菌止血水凝胶粘合剂及其制备方法和应用 (Injectable antibacterial hemostatic hydrogel adhesive and preparation method and application thereof ) 是由 周祺惠 郝源萍 卢云 尹祥意 于 2020-07-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种可注射型抗菌止血水凝胶粘合剂及其制备方法和应用,该可注射型抗菌止血水凝胶粘合剂由醛基封端的聚乙二醇的可交联衍生物与带有氨基的高分子化合物交联得到,制备得到的可注射型抗菌止血水凝胶粘合剂综合了各原料众多优良功能和生物活性,不仅能为细胞提供生长、增殖以及分化的理想微环境,而且具有良好的抗菌活性,此外,该可注射型水凝胶粘合剂还具有较强的粘附性、自修复性能及较强的机械性能,在改善伤者伤口流血及感染和创面修复领域有非常好的应用前景。(The invention discloses an injectable antibacterial hemostatic hydrogel adhesive and a preparation method and application thereof, the injectable antibacterial hemostatic hydrogel adhesive is obtained by crosslinking a crosslinkable derivative of aldehyde-group-terminated polyethylene glycol and a macromolecular compound with amino, the prepared injectable antibacterial hemostatic hydrogel adhesive integrates a plurality of excellent functions and biological activities of raw materials, not only can provide an ideal microenvironment for growth, proliferation and differentiation for cells, but also has good antibacterial activity, and in addition, the injectable hydrogel adhesive also has stronger adhesiveness, self-repairing performance and stronger mechanical performance, and has very good application prospects in the fields of improving wound bleeding and infection of a wound and wound repair of a wound.)

可注射型抗菌止血水凝胶粘合剂及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及高分子复合材料技术领域，具体涉及可注射型抗菌止血水凝胶粘合剂及其制备方法和应用。

背景技术

在战场、交通事故和自然灾害等危急情况下，很短的时间内就会产生大量的伤员。在这些危急情况中，无法控制的出血和感染是最严重的死亡风险因素，其中一半以上伤员的死亡是由这些因素造成的。在许多极端情况下，想立即对伤口进行专业治疗是无法实现的，因此在患者获得专业治疗之前，简单而有效的出血控制和预防感染的急救措施对于挽救伤员的生命意义重大。

针对伤口出血、易感染等问题，如何制备出能够快速止血、防止感染且可修复的新型生物材料，使其集止血、抑菌、可修复等多重功能，以及高粘附性、高机械性等功效为一体，从而满足国内市场对于快速止血和防止伤口感染医用材料持续的需求，实现产学研有机结合，是我国医疗器械市场上亟待解决的实际问题。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明提供一种具有高黏附性、机械强度高的可注射型抗菌止血水凝胶粘合剂。

为了实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案：

可注射型抗菌止血水凝胶粘合剂，由醛基封端的聚乙二醇的可交联衍生物与带有氨基的高分子化合物交联得到。

优选地，所述聚乙二醇的可交联衍生物为星形多臂聚乙二醇、PF127中的一种或两种的混合物。

优选地，所述带有氨基的高分子化合物为水溶性羧甲基壳聚糖衍生物、聚乙烯亚胺(PEI)、明胶、星形多臂聚乙二醇的氨基衍生物中的一种或两种以上的混合物。

优选地，所述星形多臂聚乙二醇的臂数为2-8。特别优选地，所述星形多臂聚乙二醇的臂数为3或4。

进一步优选地，所述醛基封端的聚乙二醇的可交联衍生物为四臂聚乙二醇醛基(4-arm-PEG-CHO)。

进一步优选地，所述星形多臂聚乙二醇的分子量不小于2000。

进一步优选地，所述带有氨基的高分子化合物为羧甲基壳聚糖。

本发明另一目的是提供上述的可注射型抗菌止血水凝胶粘合剂的制备方法，包括步骤：

S1、将羧甲基壳聚糖溶于PBS缓冲液，得到羧甲基壳聚糖溶液，备用；

S2、合成四臂聚乙二醇醛基，将所述四臂聚乙二醇醛基溶于PBS缓冲液，得到四臂聚乙二醇醛基溶液；

S3、将步骤S1得到的羧甲基壳聚糖溶液和步骤S2得到的四臂聚乙二醇醛基溶液等体积迅速混合，得到所述可注射型抗菌止血水凝胶粘合剂。

优选地，所述羧甲基壳聚糖溶液中羧甲基壳聚糖的重量百分含量W₁为1％-15％。进一步优选地，所述羧甲基壳聚糖溶液中羧甲基壳聚糖的重量百分含量为2％-15％。特别优选地，所述羧甲基壳聚糖溶液中羧甲基壳聚糖的重量百分含量为5％-10％。

优选地，所述四臂聚乙二醇醛基溶液中四臂聚乙二醇醛基的重量百分含量W₂为1％-20％。进一步优选地，所述四臂聚乙二醇醛基溶液中四臂聚乙二醇醛基的重量百分含量为5％-20％。特别优选地，所述四臂聚乙二醇醛基溶液中四臂聚乙二醇醛基的重量百分含量为12％-15％。

优选地，所述四臂聚乙二醇醛基溶液的重量百分含量与所述羧甲基壳聚糖溶液的重量百分含量之比(W₁/W₂)为14:1-1:14。进一步优选地，所述四臂聚乙二醇醛基溶液的重量百分含量与所述羧甲基壳聚糖溶液的重量百分含量之比(W₁/W₂)为10:5。

优选地，所述PBS缓冲液的pH为7.4。

优选地，所述四臂聚乙二醇醛基的合成方法具体包括：

(1)惰性气体氛围下，向干燥的溶剂中依次投入4-羧基苯甲醛、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐、4-二甲氨基吡啶和四臂聚乙二醇(4-arm-PEG-OH)，在20-40℃下搅拌12-36h；所述四臂聚乙二醇(4-arm-PEG-OH)与所述4-羧基苯甲醛的摩尔比为1:(1-10)；

(2)过滤，洗涤固体，真空干燥得到类白色固体粉末，即得。

进一步优选地，步骤(1)中4-羧基苯甲醛、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐和4-二甲氨基吡啶的摩尔比为2:2:1。

进一步优选地，反应温度为37℃，反应时间为18-24h，更优选为24小时；洗涤时，依次用1M HCl溶液、饱和NaHCO₃溶液和饱和食盐水洗涤。

本发明的另一目的是提供上述的可注射型抗菌止血水凝胶粘合剂在伤口组织密封与防渗漏、防组织黏连、组织填充、组织修复与再生以及制备抑菌皮肤敷料、抑菌药物制剂、药物输送、细胞封装和输送、组织工程支架、3D打印墨水中的应用。

本发明的有益效果体现在：

1、本发明提供的可注射型抗菌止血水凝胶粘合剂综合了各原料众多优良功能和生物活性，不仅能为细胞提供生长、增殖以及分化的理想微环境，而且具有良好的抗菌活性。

2、该可注射型水凝胶粘合剂还具有较强的粘附性、自修复性能及较强的机械性能。因此，本发明提供的可注射型抗菌止血水凝胶粘合剂可以应用于伤口组织密封与防渗漏、组织填充、组织修复与再生以及制备抑菌皮肤敷料、抑菌药物制剂、药物输送、细胞封装和输送、组织工程支架、3D打印墨水。

3、本发明提供的可注射型抗菌止血水凝胶粘合剂制备方法中，4-arm-PEG-CHO溶液与CMCS溶液通过双管注射器注射到模具中即可得到，该制备方法工艺简单、操作方便，适于大规模生产应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明

具体实施方式

或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明实施例提供的可注射型水凝胶粘合剂成胶示意图；

图2为本发明实施例提供的可注射型水凝胶粘合剂流变测试；

图3为本发明实施例提供的可注射型水凝胶粘合剂电镜图；

图4为本发明实施例提供的可注射型水凝胶粘合剂与各组分的红外光谱图；

图5A为本发明实施例提供的可注射型水凝胶粘合剂的自修复效果图；

图5B为本发明实施例提供的可注射型水凝胶粘合剂自修复的流变表征；

图6为本发明实施例提供的可注射型水凝胶粘合剂溶胀比测定；

图7为本发明实施例提供的可注射型水凝胶粘合剂在猪皮上的剪切粘附力测定；

图8为本发明实施例提供的可注射型水凝胶粘合剂用于猪皮切口的***压力测定；

图9A为本发明实施例提供的可注射型水凝胶粘合剂细胞毒性评价时染色的细胞的生长情况图；

图9B为本发明实施例提供的可注射型水凝胶粘合剂细胞毒性评价时细胞的增殖情况图；

图10为本发明实施例提供的可注射型水凝胶粘合剂材料表面抑菌性能；

图11为本发明实施例提供的可注射型水凝胶粘合剂材料止血性能。

具体实施方式

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

下面的实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为自常规生化试剂商店购买得到。以下实施例中的定量试验，均设置三次重复实验，数据为三次重复实验的平均值或平均值±标准差。

本发明提供了一种可注射型抗菌止血水凝胶粘合剂，其可以由醛基封端的聚乙二醇的可交联衍生物与带有氨基的高分子化合物交联得到。

具体地，聚乙二醇的可交联衍生物为星形多臂聚乙二醇、PF127中的一种或两种的混合物。

具体地，带有氨基的高分子化合物为水溶性羧甲基壳聚糖衍生物、聚乙烯亚胺(PEI)、星形多臂聚乙二醇的氨基衍生物中的一种或两种以上的混合物。

作为一种优选的实施例，星形多臂聚乙二醇的臂数为2-8；星形多臂聚乙二醇的分子量不小于2000。

作为一种特别优选的实施例，醛基封端的聚乙二醇的可交联衍生物为四臂聚乙二醇醛基(4-arm-PEG-CHO)。

作为一种优选的实施例，带有氨基的高分子化合物为羧甲基壳聚糖。

本发明所用的醛基封端的星形多臂聚乙二醇可以通过商业途径购买或合成得到。合成时，四臂聚乙二醇醛基的合成方法具体包括：

(1)惰性气体氛围下，向干燥的溶剂中依次投入4-羧基苯甲醛、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐和4-二甲氨基吡啶，然后加入0.5-5g四臂聚乙二醇(4-arm-PEG-OH)，20-40℃下搅拌12-36h；

(2)过滤，洗涤固体，真空干燥得到类白色固体粉末，即得。

以4-arm-PEG-CHO的合成为例，其合成方法参照文献(Biomacromolecules,2011,12,2894–2901)。具体合成方法如下：在氮气保护下，将4-羧基苯甲醛1-乙基-3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐(EDCI)和4-二甲氨基吡啶(DMAP)溶解于干燥的二氯甲烷中，然后加入4-arm-PEG-OH。该体系在37℃下反应24h后，反应混合液依次用1M HCl，饱和NaHCO₃和饱和食盐水洗涤，静置分离出的有机相后真空干燥得到类白色固体粉末。

4-arm-PEG-CHO是高质量的多臂PEG衍生物，在四个臂的每个末端修饰醛基官能团，可与氨基和蛋白质形成包含C＝N双键的亚胺。该材料具有良好的生物相容性以及组织粘附性。CMCS因其结构中含有大量氨基官能团从而具有抗菌性的天然材料。二者按照最优配比结合使材料具有可注射性、自修复等特点，同时具有快速止血和防止感染的功能，并且具有较高的机械强度和粘附性。

本发明中提到的聚乙二醇(PEG)是指通式H-(O-CH₂-CH₂)_n-OH(CAS No：25322-68-3)的聚合物。

PBS缓冲液为磷酸缓冲盐溶液。

下面结合具体实施例和对比例，对本发明作进一步说明。

实施例1

本实施例提供的可注射型抗菌止血水凝胶粘合剂的制备方法包括如下步骤：

S1、在氮气保护下，将4-羧基苯甲醛(150mg,10equiv)，1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐(EDCI,191.7mg,10equiv)和4-二甲氨基吡啶(DMAP,61.08mg,5equiv)溶解于干燥的二氯甲烷(40mL)中，然后加入4-arm-PEG-OH(1g,分子量为10000，1equiv)。该体系在37℃下反应24h后，反应混合液依次用1M HCl(3×40mL)，饱和NaHCO₃(3×40mL)和盐水(3×40mL)洗涤，静置分离出的有机相减压除水后真空干燥得到类白色固体粉末。

S2、在室温下将4-arm-PEG-CHO溶于PBS(pH 7.4)缓冲液配置成12wt％的溶液1于样品瓶中，再配置浓度3wt％的CMCS溶液2。

S3、采用双管注射器，将等体积的溶液1和2同时注射到模具中得到水凝胶Gel1。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，4-arm-PEG-CHO溶于PBS(pH 7.4)缓冲液配置成10wt％的溶液1于样品瓶中，再配置浓度5wt％的CMCS溶液2。制备得到水凝胶Gel2。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于，4-arm-PEG-CHO溶于PBS(pH 7.4)缓冲液配置成8wt％的溶液1于样品瓶中，再配置浓度7wt％的CMCS溶液2。制备得到水凝胶Gel3。

实验例1水凝胶成胶时间的测定

制备时本发明的可注射型水凝胶材料还测定了成胶时间。用倾斜法确定凝胶化时间(Acta Biomaterialia,2012,8,3261-3269)。在样品瓶中配置水凝胶，将倾斜瓶子时无液体流动的时间定为凝胶化时间。每样平行测三次，得出成胶时间如表1所示。

表1不同实施例成胶时间

	4-arm-PEG-CHO	CMCS	4-arm-PEG-CHO:CMCS	成胶时间(min)
					Gel1	24％	6％	12:3	3
Gel2	20％	10％	10:5	3
					Gel3	16％	14％	8:7	5

实验例2可注射型水凝胶流变学分析

利用Anton Paar(MCR301)高速旋转流变仪检测本发明实施例制备得到的可注射型水凝胶的流变性能(图2)。测试在直径为25mm的平板上进行，测试温度控制在37℃，在1％应力水平下测试Gel1-Gel3的存储模量(G′)和损耗模量(G″)。流变学分析结果如图2所示。结果表明，当总固体含量为15％，4-arm-PEG-CHO/CMCS浓度比为4:1时，该混合水凝胶的力学性能较强。

实验例3可注射型水凝胶的表征鉴定

将本发明实施例制备得到的可注射型水凝胶材料经扫描电镜(Vega3,Tescan)和傅里叶红外光谱仪(Thermo Scientific Nicolet iN10)测定其理化性能，如图3和图4。

图3为可注射型水凝胶材料的扫描电镜照片，从图中可以看出，可注射型水凝胶呈现出不规则的3D多孔微观结构，对比三个质量分数比的电镜图，不难发现，随着4-arm-PEG-CHO与CMCS质量分数比的减小，孔洞尺寸逐渐变大。

图4为CMCS、4-arm-PEG-CHO和Gel1的FTIR图谱。从图4可以看出，当CMCS与4-arm-PEG-CHO混合后，4-arm-PEG-CHO在1723cm^-1和1702cm^-1处的两个羰基伸缩振动峰变为一个峰，位置为1717cm^-1，这说明，二者混合生成了亚胺键，消耗了醛基，导致一个羰基峰消失。

实验例4可注射型水凝胶的自修复性能

由于该水凝胶是通过芳香族席夫碱反应形成的，因此基于席夫碱与含醛基和氨基反应物之间的动态平衡，该水凝胶网络中动态发生的共价键的断裂和再连接，决定了其具有自修复的能力。为了探究这一特性，我们采用水溶性染料将直径为2cm，厚度为5mm的样品分别染为红色和绿色，用手术刀片将样品平均切成两半，将不同颜色的水凝胶切面拼在一起，结果发现，在不受外界刺激的情况下，10min后不同颜色的水凝胶能重新合成完整的圆形，且修复后的水凝胶强度足以用镊子提起(镊子所夹持的一侧为绿色)，如图5A所示。利用旋转流变仪对水凝胶的自修复性能做了进一步研究。我们将复合水凝胶在10Hz频率下进行交替应力扫描，震荡应力在1％和200％之间交替进行，连续测量1800s，如图5B所示。结果表明高应变力能够破坏水凝胶网络结构，而在低应变下，G′迅速回到初始值，水凝胶通过共价键再连接又恢复了正常结构。因此，该水凝胶结构破坏以后可以快速的自我修复。经过多次破坏和自修复，该水凝胶仍能表现出原有的结构性能。

实验例5可注射型水凝胶的溶胀比测定

根据文献(Materials Science and Engineering:C,2014,45,250-260)，溶胀比的测试在PBS(pH 7.4)中进行。将待测凝胶Gel1至Gel3在-20℃下预冷冻后放入冻干机(Alpha 1–2LDplus；

Germany)中，在-60℃，0.12mbar条件下冻干，精确称其重量为Wd，然后将样品浸入50mL的PBS缓冲液中，恒温37℃下保持。在设定的时间点测量样品重量，记作Ws。溶胀比(％)＝(Ws-Wd)/Wd×100％。每个样品平行测三次，得出溶胀比如图6所示。结果表明，当4-arm-PEG-CHO与CMCS的质量分数比为2:1时，溶胀比是最大的，这说明这个组分比例的水凝胶的吸水能力最强。当4-arm-PEG-CHO与CMCS的质量分数比为4:1时，溶胀比最小。

实验例6可注射型水凝胶在猪皮上的剪切粘附力测试

为了评价水凝胶的粘附性，我们研究了它们在猪皮上的粘附力。将猪皮固定在载玻片上，用双管注射器在猪皮表面上原位形成水凝胶，用100g砝码按压20min后测试剪切粘附力。从图7的结果可以看出，该材料能承受至少200g砝码的质量，两块玻璃板没有脱落分离。采用万能机(Instron 5500R)测试了Gel1至Gel3的剪切粘附力曲线图(如图7中C图所示)，结果表明，当4-arm-PEG-CHO与CMCS的质量分数比为2:1时，即Gel2所能承受的剪切粘附力最大。

实验例7可注射型水凝胶在猪皮切口上***压力测定

按照Azuma等人描述的方法进行***压力实验(Biomaterials,2015,42,20-29)。本实验将猪皮连接到一个注射泵上，在里面充满PBS缓冲液。在猪皮表面开一个10mm的切口，之后在穿刺部位原位注射水凝胶。在水凝胶形成20分钟后测出破裂压力。压力开始下降时的最高压力为破裂压力。从图8中的结果可以看出，随着Gel1至Gel3中羧甲基壳聚糖含量的增大，水凝胶的耐压能力逐渐下降，这说明羧甲基壳聚糖中的氨基与4-arm-PEG-CHO中的醛基反应，消耗了醛基导致其与组织中的氨基结合量变少，粘附力减小。

实验例8可注射型水凝胶的细胞毒性评价

用含10％胎牛血清和1％双抗的MEM培养基培养hGFs(人牙龈成纤维细胞)用于评价可注射水凝胶的细胞毒性。将hGFs以1×10⁴个/孔的密度接种于24孔板里培养12h，将灭菌的4-arm-PEG-CHO与CMCS水溶液各200μL注入24孔板中形成水凝胶，用灭菌的PBS冲洗三次后与细胞共培养24h。然后取出水凝胶，用组织固定液固定细胞，再用DAPI和FTTC-Phalloidin染色可以看到细胞的生长情况，如图9(A)所示。同时将材料与细胞共培养1、3和5天(每天更换一次培养基)后，采用CCK8试剂盒处理，用酶标仪在450nm处测定其吸光度，每组样品平行三次。细胞增殖结果如图9(B)所示。

结合图9(A)和图9(B)的结果可以看出，该水凝胶材料对细胞的生长形态和增殖都没有明显的影响，具有良好的生物相容性，适用于后续的动物体内实验，尤其是在添加了重组牛碱性成纤维细胞生长因子后对细胞增殖具有显著性的促进作用。

实验例9可注射型水凝胶的体外抑菌性能评价

首先准备水凝胶样品。配置水凝胶Gel1至Gel3注射到96孔板中，在37℃放置10min后用DPBS冲洗三次，再用TSB冲洗五次，最后两次在37℃下孵育10min。选取E.coli(革兰氏阴性菌)和S.aureus(革兰氏阳性菌)作为菌种。以E.coli为例，从琼脂生长板上分离得到单菌落并悬浮在5mL的LB培养基中，置于37℃恒温振荡箱内培养10h。采用CFU平板菌落计数法评价水凝胶的抑菌性能。将菌液稀释50倍后与各组分材料共培养18h后，取10μL稀释浓度为10⁶CFU mL^-1菌液涂板，将培养皿置于37℃恒温培养箱中培养24h后，记录每个培养皿的单菌落数目。每个样品测三组，杀死率结果如图10所示。从图中可以看出，水凝胶Gel1至Gel3对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均具有良好的杀死率，随着CMCS比例的增大，水凝胶的抑菌效果显著增加。

实验例10可注射型水凝胶的止血性能评价

将4-arm-PEG-CHO、CMCS和水凝胶Gel1至Gel3分别与500μL的全血混合，止血结果如图11所示。从图中可以看出，所制备的水凝胶可以快速地将血液固定防止其流动；特别地，全血在水中未见溶出或者变红说明水凝胶已经达到凝血的效果。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。