阅读说明：本技术 一种缓释二氧化氯的水凝胶及其制备方法 (Hydrogel for slowly releasing chlorine dioxide and preparation method thereof ) 是由 范治平 程萍 王正平 韩军 于 2020-04-21 设计创作，主要内容包括：本发明涉及二氧化氯的缓释相关的技术领域,更具体地,本发明提供一种缓释二氧化氯的水凝胶及其制备方法。本发明第一方面提供一种缓释二氧化氯的水凝胶,其制备原料包括二氧化氯、酪胺接枝的聚谷氨酸溶液、半胱胺接枝的透明质酸溶液、辣根过氧化物酶、双氧水以及醇类物质；其中,醇类物质包括相对分子量为2000～5000的二元醇以及相对分子量为80～300的三元醇。本发明采用了酪胺接枝的聚谷氨酸与半胱胺接枝的透明质酸,在水凝胶体系中形成互穿网络结构,有效提高了水凝胶的力学强度；在特定二元醇与三元醇的协同作用下,形成适合于二氧化氯缓慢释放的耐低温抗冻的水凝胶体系,避免了由于二氧化氯溶液易结冰而使其使用条件受限的问题。(The invention relates to the technical field related to slow release of chlorine dioxide, and particularly provides a hydrogel for slow release of chlorine dioxide and a preparation method thereof. The invention provides a hydrogel for slowly releasing chlorine dioxide, which is prepared from raw materials including chlorine dioxide, tyramine-grafted polyglutamic acid solution, cysteamine-grafted hyaluronic acid solution, horseradish peroxidase, hydrogen peroxide and alcohol substances; wherein the alcohol substance comprises dihydric alcohol with the relative molecular weight of 2000-5000 and trihydric alcohol with the relative molecular weight of 80-300. According to the invention, tyramine-grafted polyglutamic acid and cysteamine-grafted hyaluronic acid are adopted to form an interpenetrating network structure in a hydrogel system, so that the mechanical strength of the hydrogel is effectively improved; under the synergistic effect of specific dihydric alcohol and trihydric alcohol, a low-temperature-resistant and anti-freezing hydrogel system suitable for the slow release of chlorine dioxide is formed, and the problem that the use condition of a chlorine dioxide solution is limited due to easy icing of the chlorine dioxide solution is avoided.)

一种缓释二氧化氯的水凝胶及其制备方法

技术领域

本发明涉及二氧化氯的缓释相关的技术领域，更具体地，本发明提供一种缓 释二氧化氯的水凝胶及其制备方法。

背景技术

二氧化氯是一种有效抗病毒化学试剂，二氧化氯具有广谱抗微生物作用， 而且对高等动物细胞无致痛、致畸、致突变作用，还具有消除甲醛的作用，具 有高度的安全性，被世界卫生组织列为Al级广谱、安全、高效消毒剂，被推 崇为第四代消毒剂。但是传统二氧化氯缓释凝胶只适用于温度较高的室温环 境，在低温环境中由于二氧化氯溶液结冰等原因，造成缓释凝胶无法释放抗病 毒的有效物质，低温环境适用性较差，因此合适载体及配方的缺乏使其应用受 到了一定限制。

缓释抗菌剂的凝胶剂大多采用人工合成高分子材料作为载体，但材料本身合 成步骤较多，环境经济性较差，用于医用领域有潜在生物毒性。并且传统凝胶载 体只适用于室温环境，在低温环境中由于结冰等原因，无法实现药物的缓释，或 缓释效果较差，天然高分子基生物水凝胶的出现为解决这一问题提供了较好方案， 其生物相容性良好，并且可在自然界中降解吸收，与药物结合还可以用于不同临 床病症，表现出广阔的应用前景，但其在使用过程中可能出现力学性能不佳、可 注射性不好等劣势。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明第一方面提供一种缓释二氧化氯的水凝胶，其 制备原料包括二氧化氯、酪胺接枝的聚谷氨酸溶液、半胱胺接枝的透明质酸溶液、 辣根过氧化物酶、双氧水以及醇类物质；其中，醇类物质包括相对分子量为 2000～5000的二元醇以及相对分子量为80～300的三元醇。

作为本发明的一种优选技术方案，水凝胶的pH为3.5～5.5。

作为本发明的一种优选技术方案，所述接枝的聚谷氨酸溶液与半胱胺接枝的 透明质酸溶液均是以5wt％的二氧化氯溶液为基底液，将聚谷氨酸溶液与半胱胺接 枝的透明质酸分别配制成溶液。

作为本发明的一种优选技术方案，酪胺接枝的聚谷氨酸溶液浓度为 100～300mg/mL；半胱胺接枝的透明质酸溶液的浓度为100～300mg/mL；优选地， 接枝的聚谷氨酸溶液与半胱胺接枝的透明质酸溶液的体积比为1：(0.5～1.5)。

作为本发明的一种优选技术方案，双氧水的浓度为1～30mM。

作为本发明的一种优选技术方案，辣根过氧化物酶的含量为1～50U/mL。

作为本发明的一种优选技术方案，醇类物质占水凝胶总体积的5～25％。

作为本发明的一种优选技术方案，二元醇与三元醇的体积比为1：(1.2～4.3)。

作为本发明的一种优选技术方案，二元醇的结构选自HO(CH₂CH₂O)_nH、 HO(CH₂CH₂CH₂CH₂O)_mH、中的任一种或多种的组合，其中，n、 m、p分别独立为35～75。

作为本发明的一种优选技术方案，三元醇选自丙三醇和\或三羟甲基丙烷。

本发明的第二方面提供一种所述缓释二氧化氯的水凝胶的制备方法，包括步 骤：酪胺接枝的聚谷氨酸溶液、半胱胺接枝的透明质酸溶液、醇类物质混合，再 加入辣根过氧化物酶与双氧水，调节pH，再于室温下静置，即得所需水凝胶。

与现有技术相比，本发明提供的缓释二氧化氯的水凝胶具有如下的有益效果：

(1)采用了酪胺接枝的聚谷氨酸与半胱胺接枝的透明质酸，在水凝胶体系中 形成互穿网络结构，有效提高了水凝胶的力学强度；

(2)在特定二元醇与三元醇的协同作用下，形成适合于二氧化氯缓慢释放的 耐低温抗冻的水凝胶体系，避免了由于二氧化氯溶液易结冰而使其使用条件受限 的问题；

(3)本申请提供的水凝胶体系的各种组分均源自天然来源的天然多糖大分子 或天然聚氨基酸，二者结合制备凝胶，得到环境友好、可降解吸收的材料，解决 了以往载体材料易环境污染，不易回收利用的缺点；

(4)本发明所提供的原位交联可降解缓释凝胶含有药物二氧化氯，可以实现 缓释时间更长的、可调节的释药周期，并且释放出来的药物表现出良好的药物活 性；相比现有用药方式，该凝胶制剂复合物可显著延长药效时间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例 或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的 附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造 性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1：接枝酪胺的聚谷氨酸和接枝半胱胺的透明质酸形成水凝胶的示意图；

图2：实施例2透明质酸接枝前后的核磁谱图；

图3：I3水凝胶内部结构示意图；

图4：图3的局部放大结构示意图。

具体实施方式

除非另有说明、从上下文暗示或属于现有技术的惯例，如果现有技术中披露 的具体术语的定义与本申请中提供的任何定义不一致，则以本申请中提供的术语 定义为准。下面结合具体实施方式对本发明提供技术方案中的技术特征作进一步 清楚、完整的描述，并非对其保护范围的限制。

本发明中的词语“优选的”、“优选地”、“更优选的”等是指，在某些情况下可 提供某些有益效果的本发明实施方案。然而，在相同的情况下或其他情况下，其 他实施方案也可能是优选的。此外，对一个或多个优选实施方案的表述并不暗示 其他实施方案不可用，也并非旨在将其他实施方案排除在本发明的范围之外。

本发明第一方面提供一种缓释二氧化氯的水凝胶，其制备原料包括二氧化氯、 酪胺接枝的聚谷氨酸溶液、半胱胺接枝的透明质酸溶液、辣根过氧化物酶、双氧 水以及醇类物质；优选地，所述水凝胶的pH为3.5～5.5；更优选为4.5。

本发明所述酪胺接枝的聚谷氨酸(PGA-Ty)是采用水相法将酪胺接枝于聚谷 氨酸分子中；聚谷氨酸(PGA)分子结构上是一类尼龙-4的衍生物，重复单元的 4位碳上接枝有一个羧基。PGA具有的众多性质，如：水溶性、可降解性、可食 用性及对人类和环境的友好性等。

所述酪胺接枝的聚谷氨酸的具体制备过程不做特别限定，可以通过本领域技术人员熟知的方法制备得到，一种实施方式中，所述酪胺接枝的聚谷氨酸的制备方法 为：将聚谷氨酸溶解于蒸馏水中，再加入酪胺盐酸盐；随后EDC和NHS加入到混 合溶液中引发反应，随着反应的进行，用1M的氢氧化钠和盐酸溶液调节体系的pH 稳定于4.8；在室温下搅拌过夜，将体系pH值调回7后，反应溶液被转移到截流 分子量为1000Da的透析袋中，首先在100mM的氯化钠溶液中透析2天，再于水 和乙醇的混合溶液(体积比3:1)中透析1天，最后在纯水中透析1天，透析纯化 的产品溶液最终冻干形成白色絮状样品，4℃冷冻保存，即得所需的酪胺接枝的聚谷 氨酸，所述酪胺盐酸盐与聚谷氨酸的重量比为1：(1～1.2)；所述酪胺盐酸盐、EDC、 NHS的重量比为1：(4～5)：(2.4～2.9)；其具体反应过程与原理如反应式(1)所示。

本发明所述半胱胺接枝的透明质酸(HA-CA)是采用水相法将半胱胺接枝于透 明质酸分子中，透明质酸(HA)是一种酸性粘多糖，是由D-葡萄糖醛酸及N-乙酰 葡糖胺组成的双糖单位，透明质酸具有独特的分子结构和优良的生物相容性，在机 体内显示出多种重要的生理功能，如润滑关节，调节血管壁的通透性，调节蛋白质， 水电解质扩散及运转，促进创伤愈合等。

所述半胱胺接枝的透明质酸的具体制备过程不做特别限定，可以通过本领域技术人员熟知的方法制备得到，一种实施方式中，所述半胱胺接枝的透明质酸的具体 制备方法为：称取透明质酸溶于去离子水中，用磁力搅拌器恒温搅拌至完全溶解， 称取半胱胺盐酸盐，1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)和N-羟基 琥珀酰亚胺(NHS)溶于的蒸馏水中，室温活化1h，将活化液加入到透明质酸溶液 中，室温搅拌过夜，反应液移入透析袋中蒸馏水透析3天，透析纯化的产品溶液最 终冻干形成白色絮状样品，4℃冷冻保存，即得所需的半胱胺接枝的透明质酸，所述 半胱胺盐酸盐与透明质酸的重量比为1：(1～1.3)；所述半胱胺盐酸盐、EDC、NHS 的重量比为1：(1.45～1.75)：(1～1.2)；其具体反应过程与原理如反应式(2) 所示。

在一种实施方式中，接枝的聚谷氨酸溶液与半胱胺接枝的透明质酸溶液的重量比为1：(0.5～1.5)；优选地，接枝的聚谷氨酸溶液与半胱胺接枝的透明质酸溶液 的重量比为1：(0.8～1.2)；更优选地，接枝的聚谷氨酸溶液与半胱胺接枝的透明 质酸溶液的体积比为1：1。

本发明所述接枝的聚谷氨酸溶液与半胱胺接枝的透明质酸溶液均是以5wt％的二氧化氯溶液为基底液，将聚谷氨酸溶液与半胱胺接枝的透明质酸分别配制成溶液； 酪胺接枝的聚谷氨酸溶液的浓度为30～300mg/mL；优选为40～100mg/mL；进一步优 选为40～70mg/mL；半胱胺接枝的透明质酸溶液的的浓度为100～300mg/mL； 30～300mg/mL；优选为40～100mg/mL；进一步优选为40～70mg/mL；本发明对所述 二氧化氯溶液的购买厂家不做特别限制，一种实施方式中，二氧化氯溶液购自上海 阿达玛斯试剂公司。

优选地，二氧化氯溶液的含量为水凝胶的70～90wt％。

所述辣根过氧化物酶的含量为1～50U/mL；优选为5～30U/mL；进一步优选为 5～20U/mL；辣根过氧化物酶(HRP)由于其良好的生物相容性及高度的稳定性， 被广泛应用于酶交联水凝胶体系中，在双氧水存在的条件下，苯酚衍生化的聚合物 可以在辣根过氧化物酶的催化下形成交联网络，而HRP介导的水凝胶通常应用于天 然高分子材料中，例如透明质酸、葡聚糖、明胶、壳聚糖等；合成高分子材料，如 聚(l-谷氨酸)、四臂PPO-PEO也适用酶交联方法，得到相关水凝胶，但由于合成 高分子材料复杂的合成步骤及添加剂的潜在毒性，使其临床应用受到很大的限制。

本发明所述双氧水的浓度为1～30mM；优选为5～20mM；进一步优选为7～15mM。

本发明采用了酪胺接枝的聚谷氨酸与半胱胺接枝的透明质酸，在过氧化氢以及辣根过氧化物酶作用下，体系发生原位交联，即在聚谷氨酸大分子链上引入酚羟基 通过氧化酶催化酚羟基氧化交联和含有巯基的透明质酸通过氧化交联构成互穿网络 水凝胶，其过程如图1所示，在交联过程中出现的两种新共价键：一种是苯环上相 邻两个碳原子之间形成的碳碳键；一种是邻位碳原子与酚氧原子之间的碳氧键。 HA-CA因双氧水的存在，也会影响其自交联过程，最终形成稳定交联的二硫键；形 成的两个网络协同作用提高了水凝胶的力学强度和药物缓释能力；该制备方法既可 克服化学交联剂带来的毒性，又可解决物理交联效果不佳的缺点，自身材料还可实 现无毒无害降解；此外，为减少过氧化氢对体系的影响，本申请的技术方案中采用 较低浓度的过氧化氢。

本发明所述醇类物质包括相对分子量为2000～5000的二元醇以及相对分子量为80～300的三元醇；优选地，醇类物质占水凝胶总体积的5～25％；优选为8～20％； 进一步优选为10～16％；更优选为14％。

所述二元醇的结构选自HO(CH₂CH₂O)_nH、HO(CH₂CH₂CH₂CH₂O)_mH、 中的任一种或多种的组合，其中，n、m、p分别独立为35～75； 优选地，二元醇为PEG4000、PEG6000、PEG8000中的任一种或多种的组合；更优 选地，二元醇为PEG4000。

所述三元醇选自丙三醇和\或三羟甲基丙烷；优选地，三元醇为甘油。

本发明所述二元醇与三元醇的体积比为1：(1.2～4.3)；优选地，二元醇与三 元醇的体积比为1：(1.7～3.5)；进一步优选地，二元醇与三元醇的体积比为1： (2.1～2.9)；更优选地，二元醇与三元醇的体积比为1：2.5。

申请人在实验过程中发现采用特定的二元醇与三元醇协同作用下，尤其采用PEG4000与甘油共同作用，并控制PEG4000与甘油的体积比为1：(2.1～2.9)，体 系pH在4～5之间；有利于形成适合于二氧化氯缓慢释放的耐低温抗冻的水凝胶体 系，并且其与水凝胶中的其他组分形成的水凝胶体系的可注射性较好，在实际使用 过程中的可操作性较好，这可能是由于通过PEG4000、甘油调节体系有机组分的粘 度以及羟值，从而提高体系中不同组分之间的水合作用，降低水凝胶的结冰温度， 并提高水凝胶体系的可注射性能。

本发明的第二方面提供一种所述缓释二氧化氯的水凝胶的制备方法，包括步骤：将酪胺接枝的聚谷氨酸溶液、半胱胺接枝的透明质酸溶液、醇类物质混合，再加入 辣根过氧化物酶与双氧水，调节pH，再于室温下静置，即得所需水凝胶。

优选地，所述缓释二氧化氯的水凝胶的制备方法，包括步骤：将PGA-Ty溶液 和HA-CA溶液加入PBS中，再加入醇类物质充分溶解形成溶液，最后加入HRP， 调节pH，最后加入H₂O₂快速搅拌形成载药凝胶，于室温下静置过夜，确保交联反 应彻底完成；形成凝胶过程中，凝胶时间采用小瓶倾斜法进行测试，即样品瓶倒置 一分钟之内没有观察到流体流动，则可判定样品达到凝胶状态。

所述用于调节pH的试剂为柠檬酸/磷酸二氢钠；优选地，柠檬酸/磷酸二氢钠总 加入量占水凝胶总体积7～9％；进一步优选地，柠檬酸/磷酸二氢钠的重量比为1： (0.8～1.2)。

实施例1

本发明的实施例1提供一种酪胺接枝的聚谷氨酸(PGA-Ty)，其制备过程为： 将1g聚谷氨酸溶解于50毫升蒸馏水中，再加入1.076g酪胺盐酸盐；随后4.457g EDC 和2.674gNHS加入到混合溶液中引发反应；随着反应的进行，用1M的氢氧化钠和 盐酸溶液调节体系的pH稳定于4.8；在室温下搅拌过夜，将体系pH值调回7后， 反应溶液被转移到截流分子量为1000Da的透析袋中；首先在100mM的氯化钠溶 液中透析2天，再于水和乙醇的混合溶液(体积比3:1)中透析1天，最后在纯水 中透析1天；透析纯化的产品溶液最终冻干形成白色絮状样品，4℃冷冻保存，经测 试收率86％左右。

实施例2

本发明的实施例2提供一种半胱胺接枝的透明质酸(HA-CA)，其制备过程为： 称取透明质酸2g溶于100ml去离子水中，用磁力搅拌器恒温搅拌至完全溶解；称 取半胱胺盐酸盐1.68g，EDC 2.73g和NHS 1.72g溶于100ml的蒸馏水中，室温活 化1h(pH＝4.8)，将活化液加入到透明质酸溶液中，室温搅拌过夜；反应液移入透 析袋中蒸馏水透析3天，透析纯化的产品溶液最终冻干形成白色絮状样品，4℃冷冻 保存，经测试收率92％左右，其透明质酸接枝前后的核磁谱图如图2所示，在2.6～2.8 之间有峰产生。

实施例3

本发明的实施例3提供了缓释二氧化氯的水凝胶，其制备原料包括酪胺接枝的 聚谷氨酸溶液、半胱胺接枝的透明质酸溶液、辣根过氧化物酶、双氧水以及醇类物 质；辣根过氧化物酶的含量为10U/mL；双氧水的浓度为10mM；醇类物质占水凝 胶总体积的14％；调节酪胺接枝的聚谷氨酸溶液浓度与半胱胺接枝的透明质酸溶液 的浓度以及酪胺接枝的聚谷氨酸溶液与半胱胺接枝的透明质酸溶液的体积比，形成 不同的缓释二氧化氯的水凝胶，其具体浓度以及体积比如下表1所示；

所述接枝的聚谷氨酸溶液与半胱胺接枝的透明质酸溶液均是以5wt％的二氧化氯溶液为基底液，将聚谷氨酸溶液与半胱胺接枝的透明质酸分别配制而成；二氧化 氯溶液的含量为水凝胶的80wt％；醇类物质包括二元醇以及三元醇；二元醇与三元 醇的体积比为1：2.5；二元醇为PEG4000；三元醇为甘油；

所述缓释二氧化氯的水凝胶的制备方法，包括步骤：将PGA-Ty溶液和HA-CA 溶液加入PBS中，再加入醇类物质充分溶解形成溶液，最后加入HRP，调节pH至 4.5，最后加入H₂O₂快速搅拌形成载药凝胶，于室温下静置过夜，确保交联反应彻 底完成；形成凝胶过程中，凝胶时间采用小瓶倾斜法进行测试，即样品瓶倒置一分 钟之内没有观察到流体流动，则可判定样品达到凝胶状态；用于调节pH的试剂为 柠檬酸/磷酸二氢钠；柠檬酸/磷酸二氢钠的重量比为1：1。

表1

实施例4

本发明的实施例4提供了缓释二氧化氯的水凝胶，其具体实施方式同实施例3 中I3的体系相同，不同之处在于，没有甘油。

实施例5

本发明的实施例5提供了缓释二氧化氯的水凝胶，其具体实施方式同实施例3 中I3的体系相同，不同之处在于，二元醇为PEG6000。

实施例6

本发明的实施例6提供了缓释二氧化氯的水凝胶，其具体实施方式同实施例3 中I3的体系相同，不同之处在于，二元醇为PEG8000。

性能评估

1.水凝胶内部型貌测试：选取实施例3中的水凝胶I3为样品，首先将样品放入-20℃ 冰箱冻成冰，之后放入冻干机冻干得到SEM样品；冻干样品放在SEM载物台表面， 用导电胶带粘结固定并形成导电通路，随后将固定好的样品喷金1分钟，使样品表 面形成致密的镀金薄膜；样品形貌在5KV加速电压下进行观测；需要注意的是，样 品冻干制备过程容易破坏内部形貌，为了真实反映凝胶内部结构形貌，应在样品冻 结成固态时进行脆断。

测试结果如图3～图4所示，可以看出水凝胶内部均具有多孔结构，并且孔之间 具有良好的贯穿性；图4是图3结构中的局部放大图。

2.水凝胶可注射性表征：将实施例3中的所有样品与实施例4～6所得水凝胶样品进 行可注射性表征，即观察水凝胶是否可以进行可以通过注射的方式使用；每个样品 取100个试样，其可注射性的评价等级与标准为：A级：出现不可注射的样品个数 为0～5个；B级：出现不可注射的样品个数为6～17个；C级：出现不可注射的样品 个数为18～40个；D级：出现不可注射的样品个数为大于等于41；

3.水凝胶耐低温性表征：将实施例3中的所有样品与实施例4～6所得水凝胶样品进 行耐低温特性表征，所得水凝胶呈圆柱状，样品置于分别置于室温与-10℃2h，再分 别于室温与-10℃下使用万能材料测试仪(WDW-50，济南恒乐兴科仪器有限公司)进 行压缩实验测试，测试仪设置压缩速率为20mm/min，观察压缩百分比为20％时(压 缩百分比由样品压缩形变高度除以样品原有高度计算得到)，水凝胶是否破裂。

表1

以上所述为本发明较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明 的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、 替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。