一种具有粘附性的可导电自愈合水凝胶及其制备方法
阅读说明：本技术 一种具有粘附性的可导电自愈合水凝胶及其制备方法 (Conductive self-healing hydrogel with adhesiveness and preparation method thereof ) 是由 袁伟忠 王春堯 马晓蝶 于 2021-08-12 设计创作，主要内容包括：一种可应用于伤口粘合剂的具有粘附性的可导电自愈合水凝胶及其制备方法,其特征在于,通过甲基丙烯酸酐和多巴胺盐酸盐的亲核加成-消除反应得到甲基丙烯酰胺化的多巴胺(DMA),通过丙烯酰氯与鸟嘌呤的酰氯反应得到丙烯酸酯化的鸟嘌呤(GA),通过EDC反应制备得到胞嘧啶接枝的海藻酸钠(SA-C)；随后,将适量的SA-C,DMA,GA与AM单体在水溶液中溶解得到SA-GAD溶液,形成第一重G-C碱基配对氢键动态网络；随后在紫外灯(365nm,22.4mW/cm～(2))下进行光聚合30分钟,得到SA-GAD水凝胶,形成第二重化学交联网络；最后将凝胶在氯化钙溶液中浸泡适宜的时间,形成第三重离子交联动态网络。(An adhesive conductive self-healing hydrogel applicable to wound adhesives and characterized in thatThen, methacrylic acid anhydride and dopamine hydrochloride are subjected to nucleophilic addition-elimination reaction to obtain methacrylic amidated Dopamine (DMA), acryloyl chloride is subjected to reaction with guanine acyl chloride to obtain acrylated Guanine (GA), and cytosine grafted sodium alginate (SA-C) is prepared through EDC reaction; then, dissolving a proper amount of SA-C, DMA, GA and AM monomers in an aqueous solution to obtain an SA-GAD solution, and forming a first heavy G-C base pairing hydrogen bond dynamic network; followed by UV lamp (365nm,22.4 mW/cm) 2 ) Carrying out photopolymerization for 30 minutes to obtain SA-GAD hydrogel, and forming a second chemical crosslinking network; finally, the gel is soaked in calcium chloride solution for a proper time to form a third heavy ion crosslinking dynamic network.)
技术领域
本发明属于智能仿生材料，高分子材料，生物医学工程领域，具体涉及一种可应用于伤口粘合剂的具有粘附性的可导电自愈合水凝胶。
技术背景
道路交通伤害与战争中造成的严重外伤，或手术中发生的无法控制的出血严重威胁着人类的生命。目前，手术缝合是临床上常用的止血方法。然而，这在手术室外是不可行的，在大多数紧急情况下也没有条件实施。随着材料科学的发展，许多新材料已被用于快速封闭创面，如纤维蛋白胶、明胶、胶原蛋白、氧化纤维素、多肽、聚合物和水凝胶等。在这些材料中，水凝胶材料具有较强的机械强度和韧性，在组织修复、伤口封闭等方面有着广泛的应用。聚合物水凝胶(hydrogel) 由于其类似于细胞外基质的柔软特性，可调节的物理和化学特性，以及适应伤口多样形状的特点而成为一种有前景的选择。自愈合水凝胶(self-healing hydrogel) 在出现伤口裂纹时可以自行修复，进一步保证了凝胶整体的机械性能。然而，大多数常规水凝胶缺乏对湿润组织的粘附能力，因为水凝胶中的水分子容易降低基质的表面能，削弱了水凝胶对组织的粘附能力。因此，开发新型粘性水凝胶材料起到止血剂的作用，同时促进创伤处的愈合过程是非常可取的(Wang et al. Advanced FunctionalMaterials,2017,27,1604894)。
一种理想的止血水凝胶应该具有以下几个综合特性：对湿组织有很强的附着力；适当的机械强度和韧性，以匹配皮肤组织的机械性能，能抵抗出血位置的压力；易从生物组织脱落，对伤口无不良影响；良好的细胞亲和力，有利于细胞生长和组织再生。本发明从以上几个方面对自愈合水凝胶进行了功能性修饰。
发明内容
本发明受贻贝对潮湿表面的强附着力以及粘附DNA结构的启发，将邻苯二酚基团、鸟嘌呤和胞嘧啶引入至水凝胶的结构可以极大的提高其对湿润组织的粘附性(Han etal.ACS Nano,2017,11,2561)。鸟嘌呤与胞嘧啶之间产生的可逆动态键氢键提供了凝胶中的一重网络结构，并赋予了水凝胶自愈合的性能。在水凝胶中添加多重网络对机械强度有明显的提高。由非可逆共价交联与物理交联构成的水凝胶由于基体中同时存在稳定的不可逆共价键和可逆价键，可逆价键可以再次重组，可以进行多次破坏-重连循环，及时吸收外界的能量，从而限制了基体内的应力积累量(Darabi et al.Advanced Materials,2017,29,1700533)。本发明中，除了紫外光诱导的化学交联之外，同时引入了碱基配对的氢键作用，钙离子和海藻酸盐的离子作用，形成三重网络制备了具有高强度高韧性的自愈合水凝胶。钙离子在水凝胶连通的孔隙中构成导电通路。
本发明通过紫外光聚合以及离子置换的方式，制备了包载钙离子的可导电的具有优异粘附性能和机械性能的CaSA-GAD自愈合水凝胶。该水凝胶表现出对湿润生物组织的强粘附作用，并证明了该水凝胶具有粘合新鲜猪肚创口的能力。
为此，本发明的目的在于提供一种可应用于伤口粘合剂的具有粘附性的可导电自愈合水凝胶及其制备方法。本发明方法是通过甲基丙烯酸酐和多巴胺盐酸盐的亲核加成-消除反应得到甲基丙烯酰胺化的多巴胺(DMA)，通过丙烯酰氯与鸟嘌呤的酰氯反应得到丙烯酸酯化的鸟嘌呤(GA)，通过EDC反应制备得到胞嘧啶接枝的海藻酸钠(SA-C)；随后，将适量的SA-C,DMA,GA与AM单体在水溶液中溶解得到SA-GAD溶液，形成第一重G-C碱基配对氢键动态网络；随后在紫外灯(365nm,22.4mW/cm2)下进行光聚合30分钟，得到SA-GAD水凝胶，形成第二重化学交联网络；最后将凝胶在氯化钙溶液中浸泡适宜的时间，形成第三重离子交联动态网络。
具体步骤如下：
(1)将NaHCO3、Na2B4O7·10H2O、盐酸多巴胺(DA·HCl)以质量比为 1:2～3:1.2～1.5溶解在去离子水中，体系除氧并鼓氮气20min；将甲基丙烯酸酐溶解在四氢呋喃(THF)中，逐滴滴加到上述反应体系中，在此过程中滴加溶液A(1 mol/L)并保持反应体系pH为8，在氮气环境中搅拌反应10～20h。将产物用乙酸乙酯洗涤三次并过滤，将滤液用HCl溶液(6mol/L)调节pH保持在2以下。用乙酸乙酯萃取3次棕色有机层，产物用无水MgSO4干燥过夜并抽滤得到滤液并旋蒸浓缩液体，用冷冻溶剂B沉淀出棕色固体并烘干得到DMA。
(2)将鸟嘌呤、三乙胺和丙烯酰氯以摩尔比为1:1～1.5:1～1.5溶解在溶剂C 中冰浴搅拌30min，在氮气保护下连续搅拌反应4～8h，在大量乙醚里沉淀出丙烯酸酯化鸟嘌呤(GA)，最后在真空烘箱中烘干。
(3)将海藻酸钠溶解于去离子水中，将胞嘧啶、EDC和NHS以摩尔比为 1:3～5:1～2溶解在上述溶液中，在室温下反应24～48h。然后对反应产物通过蒸馏水进行透析，冷冻干燥得到SA-C。
(4)将干燥后的SA-C、DMA、GA和AM按照质量比为1:1～3:0.2～0.3:3 溶解在去离子水中，在溶液中加入交联剂(MBA)(1mg)和光引发剂2-羟基-2-甲基 -1-苯基-1-丙酮(8μL)，放入20mL样品瓶内并进行体系除氧操作，随后在紫外灯 (365nm,22.4mW/cm2)下进行光聚合20～30分钟，得到SA-GAD水凝胶。将 SA-GAD水凝胶浸泡在溶液D(300mg/mL)中适宜的时间，擦干表面水分得到 CaSA-GAD水凝胶。
本发明中，溶液A是氢氧化钠或氢氧化钾的水溶液。
本发明中，溶剂B是正己烷、环己烷、甲苯或二氯甲烷中的一种或几种。
本发明中，溶剂C是N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二乙基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二氯甲烷或三氯甲烷中的一种或几种。
本发明中，溶液D是氯化钙、硫酸钙或碳酸钙的水溶液。
上述方法所制备的自愈合水凝胶具有对多种表面的强粘附能力，尤其在与动物器官与皮肤组织的粘接中表现出优秀的粘附与可剥离性能；其具有较高的韧性，使凝胶在进行拉伸，压缩等操作时不受破坏，快速的自愈合性能进一步保证了凝胶的机械性能；通过负载钙离子大幅度降低凝胶的阻抗，在伤口粘合的同时可以监测伤口处的变化情况；新鲜制备的与冻干后的水凝胶均可以实现猪肚上的大创口的粘合。本发明所述合成方法简单易行，原料均可工业化生产，产品便于储存与携带，具有很好的推广应用价值。
本发明的优点：原料来源广泛，合成方法简单易行，产品性质稳定。本发明制备的自愈合水凝胶材料具有良好的生物相容性、机械性能、粘附性能与导电性能，其导电性有助于加快创面修复的进程，并且可以作为传感器实时监测伤口状态；新鲜制备的与冻干后的水凝胶均对新鲜猪肚的大创口表现出显著的粘合作用。本发明所述合成方法简单易行，原料均可工业化生产，产品便于储存与携带，具有很好的推广应用价值。
附图说明
图1为实施例1中CaSA-GAD水凝胶的机械性能。新制备的针管状的CaSA-GAD水凝胶表现出优异的机械强度和韧性，可以进行扭转，按压，刀切以及拉伸等操作而不受破坏，并且恢复至原来的形状。
图2为实施例1中CaSA-GAD水凝胶在(a)循环拉伸和(b)循环压缩下记录的电信号输出。为了测试CaSA-GAD水凝胶作为应变传感器的灵敏度，研究了不同应变下CaSA-GAD水凝胶的实时相对电流的变化情况。随着水凝胶长度从2 cm增加到2.5,3,3.5和4cm，CaSA-GAD水凝胶的相对电流呈阶梯式增加(如图 2(a))。对凝胶进行循环压缩后电信号仍然可以保持稳定变化。CaSA-GAD水凝胶在应变恢复到初始值时，相对电流能够恢复到初始状态。拉伸和压缩后，CaSA- GAD水凝胶的电阻基本保持不变。结果表明，CaSA-GAD水凝胶具有较高的应变灵敏度和良好的电稳定性。
图3为实施例1中CaSA-GAD水凝胶对多种基质的粘附作用。CaSA-GAD 水凝胶对金属、玻璃、塑料、天然材料和动物组织等材料均表现出较强的附着力。
图4为实施例1中新鲜制备的和冻干后的CaSA-GAD水凝胶对猪肚创口的粘合作用。在猪肚的中下侧位置用手术刀制造一枚横纵各为7mm的十字形创口，将猪肚装满水时可看到水流从创口位置喷涌而出。将新鲜制备的或冻干后的 CaSA-GAD水凝胶贴至创口位置，创口位置的流水立即消失，并可以在20min 内保持不变，从而模拟了止血时的情景。
图5本发明制备反应示意。
具体实施方式
以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明的范围。
实施例1
将Na2B4O7·10H2O(10.0g)、NaHCO3(4.0g)溶解在去离子水(100mL)中，体系除氧并鼓氮气20min；在体系中加入DA·HCl(5.0g)并溶解；将MAA(4.7 mL)溶解在THF(25mL)溶液中，逐滴滴加到反应体系中，在此过程中滴加NaOH 溶液(1mol/L)并保持反应体系pH为8；在25℃的条件下，在氮气环境中搅拌反应14h，得到泥浆状溶液。将产物用乙酸乙酯洗涤三次并过滤，将滤液用HCl 溶液(6mol/L)调节pH保持在2以下。用乙酸乙酯(50mL)萃取3次棕色有机层，产物用无水MgSO4干燥过夜并抽滤得到滤液并旋蒸浓缩液体至25mL，用冷冻正己烷沉淀出棕色固体并烘干即得到DMA。
将鸟嘌呤(1.51g,0.01mol)和三乙胺(1.05mL,0.013mol)在DMF(20mL)中冰浴搅拌30min，然后在反应体系中加入丙烯酰氯(1.3mL,0.011mmol)。在氮气保护下，在室温下连续搅拌6h，在大量乙醚里沉淀出丙烯酸酯化鸟嘌呤(GA)，最后在真空烘箱中烘干即得到GA。
将海藻酸钠(1.80g,6mmol单元糖环)溶解在去离子水(150mL)中，将胞嘧啶(0.24g,1.5mmol)加入至反应体系中并溶解，随后依次加入EDC(0.76g,4mmol) 与NHS(0.23g,2mmol)，在室温下反应36h。然后对反应产物通过蒸馏水进行透析(透析袋截留分子量：8000-14000Da)，冷冻干燥得到SA-C。
将干燥后的SA-C(0.1g)溶解在去离子水(4mL)中，在上述水溶液中依次加入单体DMA(0.15g)，GA(0.025g)和AM(0.3g)充分溶解20min，在溶液中加入交联剂(MBA)(1mg)和光引发剂2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮(8μL)，放入20mL 样品瓶或抽取在直径为5mm的针头内并进行体系除氧操作，随后在紫外灯(365 nm,22.4mW/cm2)下进行光聚合30分钟，得到SA-GAD水凝胶。将SA-GAD水凝胶浸泡在CaCl2溶液(300mg/mL)中10min，擦干表面水分得到CaSA-GAD水凝胶。
实施例2
将Na2B4O7·10H2O(5.0g)、NaHCO3(2.0g)溶解在去离子水(50mL)中，体系除氧并鼓氮气20min；在体系中加入DA·HCl(3.0g)并溶解；将MAA(2.3mL) 溶解在THF(13mL)溶液中，逐滴滴加到反应体系中，在此过程中滴加KOH溶液(1mol/L)并保持反应体系pH为8；在25℃的条件下，在氮气环境中搅拌反应 15h，得到泥浆状溶液。将产物用乙酸乙酯洗涤三次并过滤，将滤液用HCl溶液 (6mol/L)调节pH保持在2以下。用乙酸乙酯(50mL)萃取3次棕色有机层，产物用无水MgSO4干燥过夜并抽滤得到滤液并旋蒸浓缩液体至25mL，用冷冻环己烷沉淀出棕色固体并烘干即得到DMA。
将鸟嘌呤(1.51g,0.01mol)和三乙胺(1.05mL,0.013mol)在DMF(20mL)中冰浴搅拌30min，然后在反应体系中加入丙烯酰氯(1.3mL,0.011mmol)。在氮气保护下，在室温下连续搅拌6h，在大量乙醚里沉淀出丙烯酸酯化鸟嘌呤(GA)，最后在真空烘箱中烘干即得到GA。
将海藻酸钠(1.80g,6mmol单元糖环)溶解在去离子水(150mL)中，将胞嘧啶(0.24g,1.5mmol)加入至反应体系中并溶解，随后依次加入EDC(0.76g,4mmol) 与NHS(0.23g,2mmol)，在室温下反应36h。然后对反应产物通过蒸馏水进行透析(透析袋截留分子量：8000-14000Da)，冷冻干燥得到SA-C。
将干燥后的SA-C(0.1g)溶解在去离子水(4mL)中，在上述水溶液中依次加入单体DMA(0.15g)，GA(0.025g)和AM(0.3g)充分溶解20min，在溶液中加入交联剂(MBA)(1mg)和光引发剂2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮(8μL)，放入20mL 样品瓶或抽取在直径为5mm的针头内并进行体系除氧操作，随后在紫外灯(365 nm,22.4mW/cm2)下进行光聚合30分钟，得到SA-GAD水凝胶。将SA-GAD水凝胶浸泡在CaCl2溶液(300mg/mL)中10min，擦干表面水分得到CaSA-GAD水凝胶。
实施例3
将Na2B4O7·10H2O(10.0g)、NaHCO3(4.0g)溶解在去离子水(100mL)中，体系除氧并鼓氮气20min；在体系中加入DA·HCl(5.0g)并溶解；将MAA(4.7 mL)溶解在THF(25mL)溶液中，逐滴滴加到反应体系中，在此过程中滴加NaOH 溶液(1mol/L)并保持反应体系pH为8；在25℃的条件下，在氮气环境中搅拌反应14h，得到泥浆状溶液。将产物用乙酸乙酯洗涤三次并过滤，将滤液用HCl 溶液(6mol/L)调节pH保持在2以下。用乙酸乙酯(50mL)萃取3次棕色有机层，产物用无水MgSO4干燥过夜并抽滤得到滤液并旋蒸浓缩液体至25mL，用冷冻正己烷沉淀出棕色固体并烘干即得到DMA。
将鸟嘌呤(1.51g,0.01mol)和三乙胺(0.81mL,0.01mol)在DMF(20mL)中冰浴搅拌30min，然后在反应体系中加入丙烯酰氯(1.2mL,0.01mmol)。在氮气保护下，在室温下连续搅拌6h，在大量乙醚里沉淀出丙烯酸酯化鸟嘌呤(GA)，最后在真空烘箱中烘干即得到GA。
将海藻酸钠(1.80g,6mmol单元糖环)溶解在去离子水(150mL)中，将胞嘧啶(0.24g,1.5mmol)加入至反应体系中并溶解，随后依次加入EDC(0.76g,4mmol) 与NHS(0.23g,2mmol)，在室温下反应36h。然后对反应产物通过蒸馏水进行透析(透析袋截留分子量：8000-14000Da)，冷冻干燥得到SA-C。
将干燥后的SA-C(0.1g)溶解在去离子水(4mL)中，在上述水溶液中依次加入单体DMA(0.15g)，GA(0.025g)和AM(0.3g)充分溶解20min，在溶液中加入交联剂(MBA)(1mg)和光引发剂2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮(8μL)，放入20mL 样品瓶或抽取在直径为5mm的针头内并进行体系除氧操作，随后在紫外灯(365 nm,22.4mW/cm2)下进行光聚合30分钟，得到SA-GAD水凝胶。将SA-GAD水凝胶浸泡在CaCl2溶液(300mg/mL)中10min，擦干表面水分得到CaSA-GAD水凝胶。
实施例4
将Na2B4O7·10H2O(10.0g)、NaHCO3(4.0g)溶解在去离子水(100mL)中，体系除氧并鼓氮气20min；在体系中加入DA·HCl(5.0g)并溶解；将MAA(4.7 mL)溶解在THF(25mL)溶液中，逐滴滴加到反应体系中，在此过程中滴加NaOH 溶液(1mol/L)并保持反应体系pH为8；在25℃的条件下，在氮气环境中搅拌反应14h，得到泥浆状溶液。将产物用乙酸乙酯洗涤三次并过滤，将滤液用HCl 溶液(6mol/L)调节pH保持在2以下。用乙酸乙酯(50mL)萃取3次棕色有机层，产物用无水MgSO4干燥过夜并抽滤得到滤液并旋蒸浓缩液体至25mL，用冷冻正己烷沉淀出棕色固体并烘干即得到DMA。
将鸟嘌呤(1.51g,0.01mol)和三乙胺(1.05mL,0.013mol)在DMF(20mL)中冰浴搅拌30min，然后在反应体系中加入丙烯酰氯(1.3mL,0.011mmol)。在氮气保护下，在室温下连续搅拌6h，在大量乙醚里沉淀出丙烯酸酯化鸟嘌呤(GA)，最后在真空烘箱中烘干即得到GA。
将海藻酸钠(1.80g,6mmol单元糖环)溶解在去离子水(150mL)中，将胞嘧啶(0.48g,3mmol)加入至反应体系中并溶解，随后依次加入EDC(1.52g,8mmol) 与NHS(0.46g,4mmol)，在室温下反应24h。然后对反应产物通过蒸馏水进行透析(透析袋截留分子量：8000-14000Da)，冷冻干燥得到SA-C。
将干燥后的SA-C(0.1g)溶解在去离子水(4mL)中，在上述水溶液中依次加入单体DMA(0.15g)，GA(0.025g)和AM(0.3g)充分溶解20min，在溶液中加入交联剂(MBA)(1mg)和光引发剂2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮(8μL)，放入20mL 样品瓶或抽取在直径为5mm的针头内并进行体系除氧操作，随后在紫外灯(365 nm,22.4mW/cm2)下进行光聚合30分钟，得到SA-GAD水凝胶。将SA-GAD水凝胶浸泡在CaSO4溶液(300mg/mL)中10min，擦干表面水分得到CaSA-GAD水凝胶。