阅读说明：本技术 伤口粘合水凝胶材料、制备方法及其应用 (Wound adhesive hydrogel material, preparation method and application thereof ) 是由 黄建永 田卓灵 苏醒 于 2020-04-29 设计创作，主要内容包括：一种伤口粘合水凝胶材料、制备方法及其应用。该伤口粘合水凝胶材料主要成分包括聚丙烯酸、壳聚糖、单宁酸和螯合剂,其中聚丙烯酸与壳聚糖通过静电相互作用形成互穿网络；单宁酸,用于增强伤口粘合水凝胶的粘性和酸性；螯合剂,用于将单宁酸与互穿网络中的聚丙烯酸及壳聚糖进行交联。该伤口粘合水凝胶材料在空气中和水中均呈现较高的粘接强度,且均可实现反复粘接,粘接稳定,不受酸碱影响,在水中呈现出对生物软组织的特异性粘接,对伤口具有抗菌和明显促愈合能力。其稳定的粘接强度,高粘接效率和可反复粘接大幅度节约手术时间,其水下对生物软组织的特异性粘附也方便医生操作,降低病人痛苦。除此之外还具有作为可穿戴设备基底的潜能。(A wound adhesive hydrogel material, a preparation method and application thereof. The main components of the wound adhesive hydrogel material comprise polyacrylic acid, chitosan, tannic acid and a chelating agent, wherein the polyacrylic acid and the chitosan form an interpenetrating network through electrostatic interaction; tannic acid to enhance the viscosity and acidity of the wound-adhesive hydrogel; and the chelating agent is used for crosslinking the tannic acid with the polyacrylic acid and the chitosan in the interpenetrating network. The wound adhesive hydrogel material has high adhesive strength in air and water, can realize repeated adhesion, is stable in adhesion, is not influenced by acid and alkali, can specifically adhere to biological soft tissues in water, and has antibacterial and obvious healing promotion capabilities on wounds. The stable bonding strength, the high bonding efficiency and the repeated bonding greatly save the operation time, the specific adhesion to the biological soft tissue underwater is convenient for the operation of doctors, and the pain of patients is reduced. Besides, the wearable device has the potential to be used as a base of the wearable device.)

伤口粘合水凝胶材料、制备方法及其应用

技术领域

本发明涉及一种可反复使用生物软组织超粘附与抗菌功能的伤口粘合水凝胶材料、制备方法及其应用，属于生物医用材料技术领域。

背景技术

近年来，许多新兴生物医用材料被用于伤口或创面愈合，包括多孔海绵、静电纺丝、生物薄膜等。如何快速止血，促进组织自修复成为了材料设计的关注重点。然而上述材料在实际操作中都需要包扎，伤口处理流程较为专业，对创可贴那样便捷无伤伤口粘合胶带的需求日益增长，粘性水凝胶材料逐渐走入人们的视野。

水凝胶材料是以水分散的高分子链，透气性能优良，但伤口处于开放状态，容易感染，因此赋予材料抗菌能力很有必要。除此之外，皮肤上汗腺发达，表面通常覆盖着汗液和油脂，湿润的组织表面对水凝胶的粘附十分不利，目前大部分水凝胶敷料都不具有长期可重复粘合性。因此亟需开发一种能够在湿润或油脂覆盖表面依旧保持循环粘性且具有抗菌性能的水凝胶。

常见粘性水凝胶材料在与水相互作用后，表面与水形成氢键，从而使得材料与其他物质相互作用下降，降低甚至丢失粘性。解决湿表面粘附问题关键在于，使材料表面恢复粘性，即保持材料表面一定的氢键密度。聚丙烯酸带有许多羧基，能与许多物质作用，形成氢键，从而具有粘性，尤其与组织里的氨基相互作用。部分解离的羧酸根能够与壳聚糖氨基上的正电互相作用，提供强的静电相互作用，维持结构的相对稳定，抑制其表面羧基与水的相互作用，在与水分子接触后，通过轻微挤压，质子化壳聚糖通过静电相互作用解开水与羧基的氢键，从而排出水分子，维持表面的氢键密度，从而具有水下粘附性能。

单宁酸具有类似贻贝中主要粘性物质多巴胺的邻酚二羟结构，其联苯结构提供更强的共轭作用，使其粘附性能更优于多巴胺。且单宁酸还具有一定的抗氧化性能，和抗菌性能，不仅能够清除伤口处自由基，还能抑制伤口感染，限制伤口的炎症反应，从而更有效地促进伤口修复。单宁酸的强还原性导致它容易阻聚，因此限制了其聚丙烯酸水凝胶中的含量。质子化壳聚糖能够与单宁酸上的酚羟基结合，从而阻止单宁酸氧化，降低它的阻聚效果。

发明内容

本发明旨在提供一种可反复使用生物软组织超粘附与抗菌功能的伤口粘合水凝胶材料、制备方法及其应用。

为达到上述一个目的，本发明提供了一种伤口粘合水凝胶材料，其主要成分包括聚丙烯酸、壳聚糖、单宁酸和螯合剂，其中：聚丙烯酸与壳聚糖通过静电相互作用形成互穿网络；单宁酸，用于增强伤口粘合水凝胶的粘性和酸性；螯合剂，用于将单宁酸与互穿网络中的聚丙烯酸及壳聚糖进行交联。

上述方案中，所述聚丙烯酸在伤口粘合水凝胶材料中作为主网络，在伤口粘合水凝胶材料中的质量分数为19％，用于提供基本力学强度和基本粘性。

上述方案中，所述壳聚糖在伤口粘合水凝胶材料中作为副网络，在伤口粘合水凝胶材料中的质量分数为2-3％；所述壳聚糖在聚丙烯酸酸性条件下质子化，抑制单宁酸氧化，降低单宁酸的阻聚作用，并与组织表面带负电的基团作用，提高粘性。

上述方案中，所述单宁酸用以辅助交联，在伤口粘合水凝胶材料中的质量分数为1-3％。

上述方案中，所述螯合剂为含Al³⁺的无机盐，所述含Al³⁺的无机盐为Al(NO₃)₃·9H₂O或AlCl₃。

上述方案中，该伤口粘合水凝胶材料还包括：甲叉丙烯酰胺BIS，用于交联丙烯酸。

为达到上述另一个目的，本发明还提供了一种上述伤口粘合水凝胶材料的制备方法，该方法采用一锅聚合法，具体包括：

利用聚丙烯酸与壳聚糖的静电相互作用形成互穿网络；

利用铝离子作为螯合剂将单宁酸与互穿网络中的聚丙烯酸及壳聚糖进行交联；以及

加入甲叉丙烯酰胺BIS，在60-80℃下水浴30-60分钟，得到可反复生物软组织特异性粘接的伤口粘合水凝胶材料。

上述方案中，在该方法中，通过改变铝离子螯合剂的含量来调控伤口粘合水凝胶材料的软硬度；和/或通过改变单宁酸的含量来合成粘接强度不同的伤口粘合水凝胶材料。

为达到上述再一个目的，本发明还提供了一种上述伤口粘合水凝胶材料在临床医学领域的应用。

上述方案中，所述伤口粘合水凝胶材料作为手术无创缝合及日常创面处理的伤口粘接剂。

从上述技术方案可以看出，本发明的有益效果：

1、本发明提供的伤口粘合水凝胶材料，具有优良的粘接强度，水下也可反复粘接，具有超高粘附效率，水下超粘附与瞬间自修复功能且抗菌，抗氧化的伤口粘合胶带是基于栉水母触手在海里对生物及甲壳类动物特异性捕捉的启发而开发，作为多功能伤口粘合胶带，可用于手术无创缝合，也可用于日常创面处理，且水下具有生物软组织特异性粘接，极大的方便了临床手术操作。具有超高粘接效率，节约手术时间，便于应急。

2、本发明提供的伤口粘合水凝胶材料，经临床实验，在空气中对新鲜猪皮粘接强度达63.3kPa，且可实现反复粘接，提高操作的容错率，减轻病患痛苦。

3、本发明提供的伤口粘合水凝胶材料，具有超高粘附效率，达6.33kPa/s，是目前技术的10倍，能在10秒内达到稳定粘接，提高手术效率。

4、本发明提供的伤口粘合水凝胶材料，在水下具有生物软组织特异性粘接，水下粘接强度达18.1kPa。手术中不会粘在手套或手术器具上，且不需要处理创口处的血液，也可实现迅速粘接，方便医生操作。不限于手术中使用，户外运动受伤也可使用，具有作为可穿戴设备基底的潜能。

5、本发明提供的伤口粘合水凝胶材料，具有优良的抗菌性能。当实验中选取的大肠杆菌万.coli和金黄色葡萄球菌S.aureus作为致病菌模型时，该水凝胶制剂显示出显著的抗菌能力。

6、本发明提供的伤口粘合水凝胶材料，具有良好的细胞，动物生物相容性和抗氧化性。并具有良好的自愈性和优良的力学性能，可形变能力强。

7、本发明提供的伤口粘合水凝胶材料的制备方法，是采用一锅法聚合而成的抗菌水凝胶制剂。粘合胶带可根据需要制成所需大小形状，直接覆盖创口即可。

8、本发明提供的伤口粘合水凝胶材料的制备方法，简单方便，制备完毕后，方便储存和携带。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为依照本发明实施例的一种可反复粘接，具有超高粘附效率，水下超粘附与瞬间自修复功能且抗菌，抗氧化的伤口粘合水凝胶材料的合成示意图。

图2为依照本发明实施例的伤口粘合水凝胶材料的红外谱图。

图3为依照本发明实施例的伤口粘合水凝胶材料的扫描电子显微镜图。

图4为依照本发明实施例的伤口粘合水凝胶材料的循环拉伸测试图。

图5为依照本发明实施例的伤口粘合水凝胶材料的自愈能力评估图。

图6为依照本发明实施例的伤口粘合水凝胶材料在空气中的粘接能力数据图。

图7为依照本发明实施例的伤口粘合水凝胶材料在水下的粘接能力数据图。

图8为依照本发明实施例的伤口粘合水凝胶材料的抗菌效果图。

图9为依照本发明实施例的伤口粘合水凝胶材料浸提液在体外L929细胞毒性测试图。

图10为依照本发明实施例的伤口粘合水凝胶材料促大鼠伤口愈合效果图。

图11为依照本发明实施例的伤口粘合水凝胶材料作为可穿戴设备基底的潜能。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明实施例是一种可反复使用生物软组织超粘附与抗菌功能的伤口粘合水凝胶材料、制备方法及其应用。本发明实施例的可反复使用生物软组织超粘附与抗菌功能的伤口粘合水凝胶材料，是以栉水母触手为灵感，能够设计更适用于手术中的伤口粘合胶带。其稳定的粘接强度，高粘接效率和可反复粘接大幅度节约手术时间，节约粘合胶带。其水下对生物软组织的特异性粘附也方便医生操作，进一步节约手术时间，降低病人痛苦。除此之外还具有作为可穿戴设备基底的潜能。

如图1所示，图1为依照本发明实施例的一种可反复粘接，具有超高粘附效率，水下超粘附与瞬间自修复功能且抗菌，抗氧化的伤口粘合水凝胶材料的示意图。该伤口粘合水凝胶材料，其主要成分包括聚丙烯酸、壳聚糖、单宁酸和螯合剂，其中：聚丙烯酸与壳聚糖通过静电相互作用形成互穿网络；单宁酸，用于增强伤口粘合水凝胶的粘性和酸性；螯合剂，用于将单宁酸与互穿网络中的聚丙烯酸及壳聚糖进行交联。

在本发明提供的一个实施例中，所述聚丙烯酸在伤口粘合水凝胶材料中作为主网络，在伤口粘合水凝胶材料中的质量分数为19％，用于提供基本力学强度和基本粘性。

在本发明提供的一个实施例中，所述壳聚糖在伤口粘合水凝胶材料中作为副网络，在伤口粘合水凝胶材料中的质量分数为2-3％；所述壳聚糖在聚丙烯酸酸性条件下质子化，抑制单宁酸氧化，降低单宁酸的阻聚作用，并与组织表面带负电的基团作用，提高粘性。

在本发明提供的一个实施例中，所述单宁酸用以辅助交联，在伤口粘合水凝胶材料中的质量分数为1-3％。

在本发明提供的一个实施例中，所述螯合剂为含Al³⁺的无机盐，所述含Al^计的无机盐为Al(NO₃)₃·9H₂O或AlCl₃等。

在本发明提供的一个实施例中，该伤口粘合水凝胶材料还包括：甲叉丙烯酰胺BIS，用于交联丙烯酸。

本发明实施例的可反复使用生物软组织超粘附与抗菌功能的伤口粘合水凝胶材料，在空气中和水中均呈现较高的粘接强度，且均可实现反复粘接，且粘接稳定，不受酸碱影响。粘接效率超出目前可反复粘接水凝胶10倍，高达6.33kPa/s。且其在水中呈现出对生物软组织的特异性粘接。其粘接性能不受酸碱影响，对伤口具有抗菌和明显促愈合能力。

本发明实施例还提供了一种上述伤口粘合水凝胶材料的制备方法，该方法采用一锅聚合法，具体包括：

利用聚丙烯酸与壳聚糖的静电相互作用形成互穿网络；

利用铝离子作为螯合剂将单宁酸与互穿网络中的聚丙烯酸及壳聚糖进行交联；以及

加入甲叉丙烯酰胺BIS，在60-80℃下水浴30-60分钟，得到可反复生物软组织特异性粘接的伤口粘合水凝胶材料。

在上述伤口粘合水凝胶材料的制备方法中，通过改变铝离子螯合剂的含量来调控伤口粘合水凝胶材料的软硬度；和/或通过改变单宁酸的含量来合成粘接强度不同的伤口粘合水凝胶材料。

本发明实施例还提供了一种上述伤口粘合水凝胶材料在临床医学领域的应用，所述伤口粘合水凝胶材料作为手术无创缝合及日常创面处理的伤口粘接剂。

实施例1：

伤口粘合水凝胶材料的制备方法及对制备的伤口粘合水凝胶材料性能的测试

伤口粘合水凝胶材料的制备方法：将3g丙烯酸和0.2-0.3g壳聚糖加入10-13g(77％)蒸馏水中充分搅拌，再加入0.06-0.08g九水合硝酸铝，加入0.2-0.3g单宁酸，加入10mg氮氮亚甲基双丙烯酰胺，最后加入0.08g过硫酸铵，搅拌充分后于60-80℃下水浴30-60分钟制得具有超高粘附效率的可反复粘接的伤口粘合水凝胶材料。

利用红外光谱和扫描电子显微镜对上述伤口粘合水凝胶材料组分的相互作用进行分析：红外是图2，比较不同物质的红外谱图，说明了P-0.08Al-0.3C-0.3T(即本发明，P代表聚丙烯酸，Al代表铝离子，C代表壳聚糖，T代表单宁酸)中不同物质间的相互作用。对于P-0.3C-0.3T与不含单宁酸物质相比，在3444cm^-1and 3214cm^-1处特征峰变大，是由于单宁酸的酚羟基引起，说明了单宁酸的存在，且峰变窄，向左移，表明单宁酸酚羟基与壳聚糖有相互作用。2848cm^-1and 2915cm^-1处是聚丙烯酸羧基上的羟基，变尖锐说明单宁酸与聚丙烯酸上的羟基有相互作用。单独聚丙烯酸的羰基特征峰1695cm^-1处出现红移，表明聚丙烯酸与铝或壳聚糖之间有相互作用。本发明在3434cm^-1附近处峰值变大，代表聚丙烯酸与壳聚糖之间形成氢键。在1317cm^-1出现的独特的峰是单宁酸(TA)与Al³⁺的相互作用。图3是所述伤口粘合胶带的扫描电子显微镜的图，该样品拥有致密的空隙横截面，氢键作用与静电相互作用大大增加了交联密度。

利用STS10N型万能试验机对该伤口粘合水凝胶材料进行拉伸，自愈能力评价：拉伸评价实验测试温度为25℃，负载力为10N，拉伸速率为100mm/min。循环拉伸评价样条长15mm，直径5mm，5倍拉长。得到曲线如图4所示。自愈能力评价实验测试参数同拉伸评估，将样条切开，将断面对齐，保持30s后进行拉伸测试，自愈能力测试图如图5所示。

利用STS10N型万能试验机对该伤口粘合水凝胶材料进行空气和水下粘接能力评价：实验测试温度为25℃，负载力为10N，拉伸速率为5mm/min。采用医药行业标准YY/T0729.1-2009规定的新鲜猪皮制备程序，准备长度20mm、宽度10mm、厚度2mm的猪皮。在空气中或水下，用面积为10×10mm²的伤口粘合水凝胶材料将两块猪皮搭接，轻轻按压10s后，利用剪切模型进行水上水下粘附能力测试，每组样品至少重复测定三次以上，记录其应力应变曲线。如图6(空气)，7(水下)所示。图6中，所述伤口粘合水凝胶材料粘接能力最高。图7说明在水下所述伤口粘合水凝胶材料的粘附能力与单宁酸浓度成正比。由图6，7可知所述伤口粘合水凝胶材料最佳配比是19％(质量分数)的聚丙烯酸，2％的单宁酸，2％的壳聚糖。在空气中粘附强度可达63.3kPa，在水中粘附强度可达18.1kPa。

利用大肠杆菌(E.coli)和金黄色葡萄球菌(S.aureus)为致病菌模型评价伤口粘合水凝胶材料的抗菌性能。取0.1g用紫外照射30min的水凝胶，与10⁸CFU/mL的细菌悬浊液中共培养24h后涂板来评估抗菌性能。如图8所示，对大肠杆菌与金黄色葡萄球菌的抑制率分别均高达99.9％以上。显示该伤口粘合水凝胶材料具有良好的抗菌应用前景。

根据GB/T 16886中体外细胞毒性的标准，评价材料的生物相容性。按0.1g/mL标准，制备浸提液。取1g伤口粘合胶带于10mL RPMI 1640培养基，37℃浸提24h。无菌滤膜过滤后与L929成纤维细胞共培养24h，48h，96h。Cell Count Kit-8试剂盒用于细胞毒性分析，酶标仪检测其在450nm处的吸光值。检测本实验设计了空白组、含不同组分的伤口粘合水凝胶材料进行了细胞实验。结果如图9所示，所述伤口粘合水凝胶材料(P-0.08Al-0.3C-0.3T)浸提液处理的细胞活性在70％以上，且出现明显增值，在培养96h后，与对照组相比活性超过100％。表明所述伤口粘合水凝胶材料具有良好的生物相容性，和促细胞增殖作用。

本实验设计了空白组，缝合组，不加单宁酸的伤口粘合水凝胶材料和加单宁酸的伤口粘合水凝胶材料四个实验组，来评估所述伤口粘合水凝胶材料促伤口修复及愈合的效果。每组6只大鼠作为平行对照，将大鼠腹腔注射麻醉，剔除背部毛发，在背部划四道2cm的伤口，碘伏擦拭后，分别对四处伤口进行不同处理，分为空白组，手术线缝合组，不加单宁酸的伤口粘合水凝胶材料覆盖粘合，加单宁酸的伤口粘合水凝胶材料覆盖粘合。于1，3，5，7天观察伤口愈合情况，并做H.E切片观察。实验结果如图10所示，(a)中含单宁酸的伤口粘合水凝胶材料促伤口愈合效果最明显。(b)切片结果显示含单宁酸的伤口粘合水凝胶材料处理的小鼠表皮间隙和真皮间隙最小，表明促伤口愈合效果最明显。(c)，(d)为距离统计结果。

实施例2：所述伤口粘合水凝胶材料作为可穿戴设备基底的潜能。

切长30mm、宽10mm、厚2mm的样条，放置在手指关节处。外接电化学工作站，将手指弯曲45°、90°，观察到电信号变化，如图11所示，微弱电流刺激能促伤口愈合，表明伤口粘合水凝胶材料具有作为可穿戴设备基底的潜能。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。