适用于高原医学诊疗的一体化水凝胶的制备及其应用
阅读说明：本技术 适用于高原医学诊疗的一体化水凝胶的制备及其应用 (Preparation and application of integrated hydrogel suitable for plateau medical diagnosis and treatment ) 是由 鲁雄 李盈岐 谢超鸣 孙红玉 于 2021-09-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种适应于高原医学诊疗的一体化水凝胶的制备及其应用,属于生物材料技术领域。首先将钙离子与多巴胺还原氧化石墨烯鳌合原位制备形成过氧化钙-多巴胺还原氧化石墨烯(CaO-(2)-PGO)纳米片；然后利用甘油体系将CaO-(2)-PGO纳米片掺杂到含有多糖等水凝胶中制得CaO-(2)-PGO/AM。甘油体系赋予了水凝胶在高原低温环境下抗冻能力；CaO-(2)-PGO纳米片赋予了水凝胶在高原低氧环境释氧能力,并且能够在光热效应作用下能够进一步促进氧气释放；CaO-(2)-PGO纳米片为水凝胶提供了导电性、粘附性和组织亲和性。该水凝胶可应用于高原环境下的组织修复与肌电或心电生理传导监测。(The invention discloses preparation and application of an integrated hydrogel suitable for plateau medical diagnosis and treatment, and belongs to the technical field of biomaterials. Firstly, chelating calcium ions with dopamine reduced graphene oxide to prepare calcium peroxide-dopamine reduced graphene oxide (CaO) in situ 2 -PGO) nanoplatelets; then CaO is added by using a glycerol system 2 CaO is prepared by doping-PGO nano-sheets into hydrogel containing polysaccharide and the like 2 -PGO/AM. The glycerin system endows the hydrogel with freezing resistance in a plateau low-temperature environment; CaO (CaO) 2 The PGO nano sheets endow the hydrogel with oxygen release capacity in a plateau hypoxic environment, and can further promote oxygen release under the action of photothermal effect; CaO (CaO) 2 The PGO nanoplates provide conductivity, adhesion and tissue affinity to the hydrogel. The hydrogel can be applied to tissue repair and myoelectricity or electrocardio physiological conduction monitoring in plateau environments.)
技术领域
本发明涉及生物材料技术领域，具体涉及一种适用于高原医学诊疗的一体化水凝胶的制备及其应用。
背景技术
医学上，皮肤伤口可以定义为受到外部刺激或自身因素所造成的皮肤缺陷或破裂。在增殖、迁移、基质合成和收缩阶段，每一种细胞类型的行为，以及出现在伤口部位的生长因子和基质信号都至关重要。对于这些信号如何控制伤口细胞活动的细节的影响都可能会使得正常的成人修复过程被重新调整。由于高原氧分压低(海拔4000m约为海平面的61％)、气候干燥寒冷、紫外线强等原因，对创伤失血的应激能力降低，如发生创伤，机体对创伤的应答就不完全同于低海拔地区，休克发生率高，伤情重，死亡率高。此外，易发生内脏并发症。因此，应对高原恶劣环境中的皮肤伤口修复要结合其环境特殊性，即低氧，低温，强紫外以及低温干燥的特点并满足患者生理信号检测的需求。
迄今为止，文献报道了通过载药的方式利用液体敷料或富氧敷料促进高原伤口修复，但是它们都未能满足高原医学伤口修复的要求，即能够克服高原的氧气稀薄，紫外线强烈，气候寒冷等环境问题的影响。水凝胶由于具有高的含水量与多孔结构等利于细胞生长的条件，能够促进细胞生长繁殖、诱导细胞分泌更多的生长因子、促进组织修复损伤，此外，水凝胶能够通过功能化设计以满足不同应用场景的需求，因此是组织修复的理想材料。本课题组针对高原恶劣环境中的皮肤伤口修复要结合其环境特殊性，即低氧，低温干燥，以及强紫外的特点并满足患者生理信号检测的需求，设计出高原医学诊疗的一体化水凝胶，拟期通过改善传统敷料均存在着各种方面的不足，或低温失效，或释氧效果差，或抗紫外效果差，或吸收伤口渗液能力差，或在促进细胞生长创口愈合方面存在的不足。
发明内容
本发明目的是提供一种适用于高原医学诊疗的一体化水凝胶，使之具有良好的组织粘附性，长期释氧，并能够传导检测生理信号的抗紫外抗冻释氧导电黏附水凝胶的制备及其应用。
实现本发明目的技术解决方案如下：
一种适用于高原医学诊疗的一体化水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：将一定量的CaCl2和多巴胺还原氧化石墨烯溶解分散在有机溶剂当中，在一定温度条件下充分搅拌；之后，向该混合物中加入一定量的质量分数为30％的过氧化氢H2O2，随后，缓慢逐滴添加一定量的1mol/L NH3·H2O并使得混合物反应搅拌8小时，最后通过将混合物离心获得CaO2-多巴胺还原氧化石墨烯纳米片；
步骤2：将步骤1得到CaO2-多巴胺还原氧化石墨烯纳米片加入到甘油/PBS混合溶液中均匀分散后，加入丙烯酰胺，多糖，并加入引发剂以及交联剂，即得所需适用于高原医学诊疗的一体化水凝胶CaO2-PGO/AM；
步骤1中所述的有机溶剂为甲醇或乙醇,所述的分散是通过超声进行分散，处理时间为5-10min；所述的温度条件为冰浴0-4℃；所述的30％的过氧化氢H2O2，其加入体积与CaCl2的质量比为5ml:1g；步骤1中所述的1mol/L NH3·H2O，其加入体积与CaCl2的质量比为5ml:1g；步骤2所述的混合溶液为甘油/PBS，其比例为1:4、1:3、1:2；步骤2中所述均匀分散是通过超声进行分散，处理时间为1min-2min。
进一步的，步骤1中所述缓慢逐滴是通过注射器以0.05ml/min-0.1ml/min的速率逐滴滴加NH3·H2O。
进一步的，步骤2中所述的多糖为岩藻多糖、黄芪多糖、麦冬多糖的一种。
进一步的，步骤2中的引发剂为过硫酸盐和N,N,N',N'-四甲基二乙胺组成的引发体系；交联剂为甲叉双丙烯酰胺；其中过硫酸盐包括过硫酸铵、过硫酸钾、过硫酸钠中的一种。
更进一步的，一种适用于高原医学诊疗的一体化水凝胶制备方法制备的水凝胶的应用，其特征在于，该水凝胶可用于高原环境下的机体皮肤修复和机体肌电与心电监测，实时稳定监测机体生理信号。
本发明通过上述技术措施与制备，初步获得所需适用于高原医学诊疗的一体化水凝胶CaO2-PGO/AM；命名为负载过氧化钙-多巴胺还原氧化石墨烯纳米片丙烯酰胺水凝胶。
本发明的有益效果是：
(1)本发明所使用的原位制备过氧化钙-多巴胺还原氧化石墨烯纳米片的方法，可通过将钙离子鳌合在多巴胺还原氧化石墨烯原位制备过氧化钙，使其能均匀分布在多巴胺还原氧化石墨烯表面；由于PGO比表面积大，可高效装载过氧化钙，提供既可以供氧又能导电的纳米复合物。
(2)本发明制备的过氧化钙-多巴胺还原氧化石墨烯纳米片，可以赋予水凝胶在高原低氧环境释放氧气能力，结合PGO的光热效应，加速氧气释放效率；而且过氧化钙-多巴胺还原氧化石墨烯纳米片上的多巴胺具有组织亲和性；多糖成分可提高水凝胶生物相容性；结合甘油体系的抗冻能力，可实现高原环境下的组织修复。
(3)本发明制备得到的过氧化钙-多巴胺还原氧化石墨烯纳米片，可赋予水凝胶导电能力。同时，纳米片上的多巴胺可提搞水凝胶的粘附性。因此，该水凝胶可在高原环境下实时稳定监测机体生理信号。
附图说明
图1A、图1B、图1C为本发明实施例制备的水凝胶不同比例SEM图。
图2A、2B、2C、2D为本发明实施例制备获得的水凝胶应用状态图。
图3为本发明所述水凝胶抗紫外对比实验测定水凝胶紫外透过率曲线图。
图4为本发明所述水凝胶溶氧实验测定的氧气释放性能曲线图。
图5为本发明实施例制备的水凝胶作为自粘附电极用于监测机体心电信号图。
图6为本发明实施例制备的水凝胶作为自粘附电极用于监测机体肌电信号图。
具体实施方式
结合附图及实施例对本发明做进一步的具体说明:
说明书附图图1A、图1B、图1C图示本发明水凝胶的SEM图，比例尺分别为(500μm，100μm，1μm)图中可以看出，水凝胶内部具有均匀的多孔结构，结构平滑，内部交联分布良好；过氧化钙-多巴胺还原氧化石墨烯纳米片分布在水凝胶内，且过氧化钙原位生长在多巴胺还原氧化石墨烯纳米片上。
附图2A、图2B、图2C、图2D为本发明实施例制备获得的水凝胶应用状态图，可以看出，由于本发明中甘油与水分子形成了很强的氢键作用，能够在低温下抑制水结冰。通过抗冻实验，将水凝胶放置于-20℃环境7天后，以图片方式展示本发明水凝胶的抗冻性能与不同状态使用方式。
图3为本发明所述水凝胶抗紫外对比实验测定水凝胶紫外透过率曲线图，其抗紫外实验方法:在-20℃条件下，通过测定水凝胶的紫外透过率来证明本发明水凝胶的抗紫外性能；实验组:CaO2-PGO丙烯酰胺水凝；对照组:丙烯酰胺水凝胶。可以看出瞬时度与波长比是很低的，其原理是由于多巴胺还原石墨烯本身具有抗紫外功能，其均匀分布在水凝胶中并赋予其抗紫外性能。
图4为本发明所述水凝胶溶氧实验测定的氧气释放性能曲线图。该释氧实验方法：实验组:CaO2-PGO丙烯酰胺水凝，空白组:低氧水；在0-4℃的低氧条件下，通过将水凝胶放置于排尽(<0.1mg/ml溶解氧)的水中，测定其溶解氧证明水凝胶的释氧性能。释氧机理:由于过氧化钙随多巴胺石墨烯纳米片均匀分布在水凝胶中，其与水凝胶网络中的水发生反应所产生氧气。
图5、图6为本发明实施例制备的水凝胶作为自粘附电极用于监测机体心电信号与监测机体肌电信号图。可以看出，作为心电以及肌电检测的自粘附电极，是在模拟高原条件的低温条件下试验得出的。在-20℃的条件下，将本发明水凝胶作为传感器粘附在机体外上，用多通道生理信号采集和处理系统用于记录肌电信号、心电信号。显示出本发明实施例的水凝胶在低温条件下的优良传导性能。
上述实验所需材料来源除了多巴胺还原石墨烯是实验室(西南交通大学教育部材料科学与工程重点实验室)自己制备存留的，其余均来自实验室购置的阿拉丁化学试剂。
一种用于高原医学组织修复的诊疗一体化水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将一定量的CaCl2和多巴胺还原氧化石墨烯溶解分散在有机溶剂当中，在一定温度条件下充分搅拌；之后，向该混合物中加入一定量的质量分数为30％的H2O2，随后，缓慢逐滴添加一定量的1mol/L NH3·H2O并使得混合物反应搅拌8小时，最后将混合物离心获得CaO2-多巴胺还原氧化石墨烯纳米片；
其中所述有机溶剂为甲醇或乙醇,所述的分散是通过超声进行分散，处理时间为5-10min；所述的温度条件为冰浴0-4℃；所述的过氧化氢H2O2质量分数为30％，其加入体积与CaCl2的质量比为5ml:1g；步骤1中所述的1mol/L NH3·H2O，其加入体积与CaCl2的质量比为5ml:1g；
步骤2：将步骤1得到的CaO2-多巴胺还原氧化石墨烯纳米片加入到甘油/PBS混合溶液中均匀分散后，加入丙烯酰胺，多糖，并加入引发剂以及交联剂，即得所需粘附水凝胶。
多糖为岩藻多糖、黄芪多糖、麦冬多糖的一种；引发剂为过硫酸盐和N,N,N',N'-四甲基二乙胺组成的引发体系；交联剂为甲叉双丙烯酰胺；其中过硫酸盐包括过硫酸铵、过硫酸钾、过硫酸钠中的一种。
步骤2所述的混合溶液为甘油/PBS，其比例为1:4、1:3、1:2；步骤2中所述均匀分散是通过超声进行分散，处理时间为1min-2min。
实施例1
一种用于高原医学组织修复的诊疗一体化水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
CaO2-多巴胺还原氧化石墨烯纳米片的制备：将1g CaCl2和0.1g多巴胺还原氧化石墨烯溶解在无水乙醇当中通过超声进行分散，处理时间为10min后在0-4℃冰浴条件下充分搅拌；之后，向该混合物中加入5ml的质量分数为30％的H2O2；随后，缓慢逐滴添加5ml 1mol/L NH3·H2O溶液并使得混合物反应搅拌8小时；最后通过将混合物离心获得CaO2-多巴胺还原氧化石墨烯纳米片；其中所述的温度条件为冰浴条件0-4℃；
诊疗一体化水凝胶的制备：配制10ml的甘油与PBS混合溶液中，其中比例为1:4、1:3、1:2；本实施例选甘油：PBS体积比为1:4；加入2.6g丙烯酰胺和0.3g岩藻多糖，0.01g N,N-亚甲双丙烯酰胺后加入0.2g CaO2-多巴胺还原氧化石墨烯纳米片进行均匀分散即超声分散1min，再加入0.5g过硫酸铵、25μlN,N,N',N'-四甲基乙二胺，充分反应后得到所述水凝胶。
实施例2
一种用于高原医学组织修复的诊疗一体化水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
CaO2-多巴胺还原氧化石墨烯纳米片的制备：将1gCaCl2和0.1g多巴胺还原氧化石墨烯溶解在无水乙醇当中通过超声进行分散，处理时间为10min后在0-4℃冰浴条件下充分搅拌。之后，向该混合物中加入5ml的质量分数为30％的H2O2；随后，缓慢逐滴添加5ml 1mol/L NH3·H2O溶液并使得混合物反应搅拌过夜；最后通过将混合物离心获得CaO2-多巴胺还原氧化石墨烯纳米片；其中所述的温度条件为冰浴条件0-4℃。
诊疗一体化水凝胶的制备：配制10ml的甘油与PBS混合溶液中，其中甘油:PBS体积比为1:3，加入2.6g丙烯酰胺和0.3g岩藻多糖，0.01g N,N-亚甲双丙烯酰胺后进行超声分散1min，再加入0.5g过硫酸铵、25μlN,N,N',N'-四甲基乙二胺，充分反应后得到所述水凝胶。
实施例3
一种用于高原医学组织修复的诊疗一体化水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
CaO2-多巴胺还原氧化石墨烯纳米片的制备：将1gCaCl2和0.1g多巴胺还原氧化石墨烯溶解在无水乙醇当中通过超声进行分散，处理时间为10min后在0-4℃冰浴条件下充分搅拌。之后，向该混合物中加入5ml的质量分数为30％的H2O2；随后，缓慢逐滴添加5ml 1mol/L NH3·H2O溶液并使得混合物反应搅拌过夜；最后通过将混合物离心获得CaO2-多巴胺还原氧化石墨烯纳米片；其中所述的温度条件为冰浴条件0-4℃。
诊疗一体化水凝胶的制备：配制10ml的甘油与PBS混合溶液中，其中甘油:PBS体积比为1:2。加入2.6g丙烯酰胺和0.3g岩藻多糖，0.01g N,N-亚甲双丙烯酰胺后加入0.2gCaO2-多巴胺还原氧化石墨烯纳米片进行超声分散1min，再加入0.5g过硫酸铵、25μlN,N,N',N'-四甲基乙二胺，充分反应后得到水凝胶。
实施例4
一种用于高原医学组织修复的诊疗一体化水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
CaO2-多巴胺还原氧化石墨烯纳米片的制备：将1g CaCl2和0.1g多巴胺还原氧化石墨烯溶解在无水乙醇当中通过超声进行分散，处理时间为10min后在0-4℃冰浴条件下充分搅拌；之后，向该混合物中加入5ml的质量分数为30％的H2O2；随后，缓慢逐滴添加5ml 1mol/L NH3·H2O溶液并使得混合物反应搅拌8小时；最后通过将混合物离心获得CaO2-多巴胺还原氧化石墨烯纳米片；其中所述的温度条件为冰浴条件0-4℃。
诊疗一体化水凝胶的制备：配制10ml的甘油与PBS混合溶液中，其中甘油:PBS体积比为1:2，加入2.6g丙烯酰胺和0.3g黄芪多糖，0.01g N,N-亚甲双丙烯酰胺后加入0.2gCaO2-多巴胺还原氧化石墨烯纳米片进行超声分散1min，再加入0.5g过硫酸铵、25μlN,N,N',N'-四甲基乙二胺，充分反应后得到所述水凝胶。
实施例5
一种用于高原医学组织修复的诊疗一体化水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
CaO2-多巴胺还原氧化石墨烯纳米片的制备：将1g CaCl2和0.1g多巴胺还原氧化石墨烯溶解在无水乙醇当中通过超声进行分散，处理时间为10min后在0-4℃冰浴条件下充分搅拌；之后，向该混合物中加入5ml的质量分数为30％的H2O2；随后，缓慢逐滴添加5ml1mol/LNH3·H2O溶液并使得混合物反应搅拌8小时；最后通过将混合物离心获得CaO2-多巴胺还原氧化石墨烯纳米片；其中所述的温度条件为冰浴条件0-4℃。
诊疗一体化水凝胶的制备：配制10ml的甘油与PBS混合溶液中，其中甘油:PBS体积比为1:2，加入2.6g丙烯酰胺和0.3g麦冬多糖，0.01g N,N-亚甲双丙烯酰胺后加入0.1gCaO2-多巴胺还原氧化石墨烯纳米片进行超声分散1min，再加入0.5g过硫酸铵、25μlN,N,N',N'-四甲基乙二胺，充分反应后得到所述水凝胶。
本发明首先制备了一种过氧化钙纳米片，将钙离子与多巴胺还原氧化石墨烯鳌合进行原位制备过氧化钙，形成CaO2-多巴胺还原氧化石墨烯纳米片；然后将CaO2-多巴胺还原氧化石墨烯纳米片掺杂到水凝胶中制备得适用于高原医学诊疗的一体化水凝胶；CaO2均匀原位生长在多巴胺还原氧化石墨烯表面，提高了水凝胶释氧效率并且在光热效应作用下能够进一步促进水凝胶释放氧气；与此同时，由于还原石墨烯的导电性，该纳米片能够赋予水凝胶传感性能，可用于肌电或心电监测。实现了本发明所述水凝胶能够初步克服高原环境特殊性并在促进组织修复的同时能够监测心电肌电生理信号的发明目的。