一种具有温敏和抗菌功能的水凝胶材料及其制备方法和用途

本发明属于生物化学领域，具体涉及一种具有温敏和抗菌功能的水凝胶材料及其制备方法和用途。

背景技术：

1、糖尿病是一种慢性代谢性疾病，对患者的生活质量造成严重影响。慢性伤口是糖尿病患者的常见并发症，由于高血糖、慢性炎症和感染等导致伤口愈合受阻。当前，治疗糖尿病慢性伤口的方法包括皮肤移植、伤口敷料和负压伤口疗法等，但通常需要手术干预。传统的伤口敷料(如纱布和高分子绷带)以及普通水凝胶敷料的治疗效果有限，难以满足慢性伤口的治疗需求。此外，伤口微生物感染会延缓愈合过程，甚至导致严重并发症。尽管越来越多的患者转向局部或全身抗生素的使用，但抗生素滥用会加剧细菌耐药性，进而增加并发症的风险。

2、为克服这些问题，纳米粒子(如金或银)因其特殊的物理化学特性，已成为克服细菌感染的有效工具。单宁酸(ta)是一种含量丰富的植物源多酚，具有强抗氧化性，能有效清除过量自由基和活性氧。同时，ta还可作为绿色还原剂制备银纳米粒子，其与银纳米粒子络合的酚/醌结构，可赋予水凝胶长期粘附性。

3、水凝胶作为一种常用的敷料材料，具有良好的生物相容性和保湿性，在伤口愈合中发挥着重要作用。然而，传统的水凝胶往往缺乏温度响应性和抗菌性能，难以满足糖尿病伤口治疗的需要。

4、在此应用背景下，本发明的发明人欲提供具有温敏、抗菌等功能的水凝胶，期望应用于糖尿病伤口治疗的创新材料，为患者提供更有效、更舒适的治疗方案。

技术实现思路

1、本发明所解决的第一个技术问题是提供一种全新的具有温敏和抗菌功能的水凝胶材料。本发明水凝胶材料首先通过单宁酸(ta)在蒙脱土(clay)表面原位还原制备ag@clay-ta纳米粒子，然后将ag@clay-ta纳米粒子掺入水凝胶网络中制备而得，凝胶网络中gelda和ag@clay-ta上的醛基和酚/醌基团可通过席夫碱反应和迈克尔加成与组织表面亲核基团(-nh2和-sh)形成强相互作用，确保水凝胶与皮肤组织的稳定粘附。在皮肤温度触发下，水凝胶有效收缩带动伤口闭合，并释放ag@clay-ta纳米粒子，从而加快伤口的治疗进程，是一种同时具有温敏、抗菌等多功能的水凝胶材料。

2、本发明具有温敏和抗菌功能的水凝胶材料的制备方法包括如下步骤：

3、a、制备ag@clay-ta纳米粒子：

4、a1、水中加入蒙脱土(clay)、单宁酸(ta)混合，搅拌，离心，去除上清液，加水分散，得单宁酸-蒙脱土混合物(ta-clay混合物)；

5、a2、取agno3溶液缓慢滴加氨水至溶液澄清，形成agno3-nh3h2o溶液；

6、a3、将步骤a2所得agno3-nh3h2o溶液加入到步骤a1所得单宁酸-蒙脱土混合物(ta-clay混合物)中，搅拌，离心，去除上清液，干燥即得ag@clay-ta纳米粒子；

7、b、制备水凝胶材料：

8、b1、n-异丙基丙烯酰胺(nipam)溶解于超纯水中，然后加入丙烯酸(aa)，n,n-亚甲基双丙烯酰胺(mbaa)，甲基丙烯酰化丝素蛋白(sfma)和多巴胺功能化明胶(gelda)充分溶解，得混合材料；

9、b2、步骤b1所得混合材料加入步骤a所得ag@clay-ta纳米粒子，然后在0-4℃条件下加入苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基亚磷酸锂(lap)；

10、b3、蓝光灯照射下形成水凝胶材料(pacn/ag@clay-ta)。

11、上述技术方案步骤a1中：

12、步骤a1所述混合蒙脱土(clay)和单宁酸(ta)的水、分散重悬的水为超纯水或去离子水。

13、步骤a1所述混合物加水量为每10ml水加入50-100mg蒙脱土(clay)和50-100mg单宁酸(ta)；分散加水量与混合物加水量相当。分散加水量可确保clay和ta能够充分混合并结合。混合物加水量目的为了去除未与clay结合的游离ta，避免对后续ag纳米粒子原位还原造成干扰。

14、优选的，步骤a1所述混合加水量为每10ml水加入100mg蒙脱土(clay)和50mg单宁酸(ta)；分散加水量与混合加水量相当。

15、步骤a1所述蒙脱土(clay)和单宁酸(ta)的质量比为2:1-1:1。

16、优选的，步骤a1所述蒙脱土(clay)和单宁酸(ta)的质量比为2:1。

17、步骤a1所述搅拌时间为12-36h。

18、优选的，步骤a1所述搅拌时间为24h。

19、步骤a1所述离心条件为转速10000-12000rmp、时间5-20min。

20、优选的，步骤a1所述离心条件为转速10000rmp、时间10min。

21、步骤a1所述加水分散后得到单宁酸-蒙脱土混合物(ta-clay混合物)。

22、上述技术方案步骤a2中：

23、步骤a2所述agno3溶液浓度为2-10mg/ml。

24、优选的，步骤a2所述agno3溶液浓度为5mg/ml。

25、步骤a2所述氨水浓度为2-10wt％。

26、优选的，步骤a2所述氨水浓度为5wt％。

27、上述技术方案步骤a3中：

28、步骤a3所述agno3-nh3h2o溶液按agno3计算，与单宁酸-蒙脱土混合物(ta-clay混合物)的质量配比为：agno32-4份:单宁酸-蒙脱土混合物2-4份。

29、优选的，步骤a3所述agno3-nh3h2o溶液按agno3计算，与单宁酸-蒙脱土混合物(ta-clay混合物)的质量配比为：agno3 2份:单宁酸-蒙脱土混合物3份。

30、步骤a3所述搅拌条件为温度25-60℃，搅拌时间20-60min。

31、优选的，步骤a3所述搅拌条件为温度25℃，搅拌时间30min。

32、步骤a3所述干燥采用冷冻干燥或真空干燥。

33、优选的，步骤a3所述干燥采用冷冻干燥。

34、上述技术方案步骤b1中：步骤b中，所得水凝胶材料各配料按如下重量配比关系制备：每100份n-异丙基丙烯酰胺(nipam)，添加10-20份丙烯酸(aa)，5-10份甲基丙烯酰化丝素蛋白(sfma)、2-5份多巴胺功能化明胶(gelda)、0.5-1份n,n-亚甲基双丙烯酰胺(mbaa)、0.2-0.5份苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基亚磷酸锂(lap)、0.01-0.2份ag@clay-ta纳米粒子。其中，nipam和aa的比例控制会影响水凝胶的温度响应收缩性能，符合本发明水凝胶材料的响应温度设定。sfma和mbaa的含量影响水凝胶的强度，同样也会对温度响应收缩造成影响。gelda的含量可调控水凝胶的粘附性能。

35、步骤b3中所述蓝光为照射条件为：365nm或405nm，照射2-10min。

36、优选的，步骤b3中所述蓝光为照射条件为：波长405nm，照射5min。

37、所述甲基丙烯酰化丝素蛋白(sfma)的制备方法如下：

38、(a1)蚕茧采用na2co3水溶液去除丝胶，然后用去离子水反复清洗去除蚕丝表面的丝胶，干燥，得丝素蛋白；

39、(a2)将步骤(a1)所得丝素蛋白采用溴化锂(libr)水溶液溶解，然后加入甲基丙烯酸缩水甘油酯(gma)，氮气保护条件下反应；

40、(a3)去离子水稀释步骤(a2)所得溶液，过滤去除杂质，透析去除多余的溴化锂(libr)和甲基丙烯酸缩水甘油酯(gma)；

41、(a4)透析液冷冻干燥，即得改性蚕丝蛋白；

42、上述技术方案甲基丙烯酰化丝素蛋白(sfma)的制备方法中：

43、步骤(a1)所述na2co3水溶液的浓度为0.4-1％(w/v)。

44、优选的，步骤(a1)所述na2co3水溶液的浓度为0.5％(w/v)。

45、天然家蚕丝是由丝素蛋白组成，丝素蛋白被丝胶蛋白包裹。采用na2co3水溶液处理的目的就是去除丝胶蛋白，具体的，步骤(a1)所述蚕茧采用na2co3水溶液去除丝胶是在煮沸条件下煮沸0.5-1小时。

46、优选的，步骤(a1)所述蚕茧采用na2co3水溶液去除丝胶是在煮沸条件下煮沸1小时。

47、步骤(a2)所述丝蛋白、溴化锂(libr)水溶液、甲基丙烯酸缩水甘油酯(gma)的配比关系如下：每10g丝蛋白加入50-100ml9.3m溴化锂(libr)水溶液、2-8ml甲基丙烯酸缩水甘油酯(gma)。

48、优选的，步骤(a2)所述丝蛋白、溴化锂(libr)水溶液、甲基丙烯酸缩水甘油酯(gma)的配比关系如下：每10g丝蛋白加入75ml9.4m溴化锂(libr)水溶液、2ml甲基丙烯酸缩水甘油酯(gma)。

49、步骤(a2)所述氮气保护条件为100-500rpm、40-70℃。

50、优选的，步骤b2)所述氮气保护条件为400rpm、60℃。

51、步骤(a2)所述反应时间为2-4h。

52、优选的，步骤b2)所述反应时间为3h。

53、步骤(a3)所述过滤去除杂质是采用无菌注射器配合0.22-0.45μm的外用滤头过滤。

54、步骤(a3)所述过滤去除杂质是采用无菌注射器配合0.22μm或0.45μm的外用滤头过滤。

55、步骤(a3)所述透析条件为截留分子量5-14kda。

56、优选的，步骤(a3)所述透析条件为截留分子量14kda。

57、步骤(a3)所述透析时控制透析环境温度低于30℃。

58、步骤(a3)所述去离子水稀释步骤b2)所得溶液为稀释至5-6倍体积。

59、在甲基丙烯酰化丝素蛋白(sfma)的制备中需注意溶解蛋白的搅拌速度要严格控制，透析前需对混合溶液进行稀释，同时还要控制透析环境温度。因为上述参数控制是为了避免因快速搅拌、高浓度透析和高温导致的丝素蛋白产生结晶。

60、所述多巴胺功能化明胶(gelda)的制备方法如下：

61、(b1)取明胶加入mes缓冲液中，搅拌直到明胶完全溶解；

62、(b2)将多巴胺、1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐和n-羟基丁二酰亚胺加入到步骤(b1)所得溶液中，在氮气密封、40-60℃下反应12-36h；

63、(b3)将步骤(b2)所得反应溶液透析，冷冻干燥即得多巴胺功能化明胶(gelda)。

64、上述技术方案多巴胺功能化明胶(gelda)的制备方法中：

65、步骤(b1)所述mes缓冲液为2-(n-吗啡啉)乙磺酸加水溶解，用naoh调ph值至4.5-6.5，浓度为10-100mm。

66、优选的，步骤(b1)所述mes缓冲液为2-(n-吗啡啉)乙磺酸加水溶解，用naoh调ph值至5.0，浓度为50mm。

67、步骤(b1)按照每1g明胶添加50-150ml mes缓冲液。

68、优选的，步骤(b1)按照每1g明胶添加100ml mes缓冲液。

69、步骤(b1)搅拌条件为40-60℃。

70、优选的，步骤(b1)搅拌条件为50℃。

71、步骤(b2)中多巴胺、1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐和n-羟基丁二酰亚胺添加量为：按照每1g明胶用量加入0.4-1g多巴胺、0.4-1g1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐和0.01-0.05g n-羟基丁二酰亚胺。

72、优选的，步骤(b2)中多巴胺、1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐和n-羟基丁二酰亚胺添加量为：按照每1g明胶用量加入0.6g多巴胺、0.74g 1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐和0.02gn-羟基丁二酰亚胺。

73、优选的，步骤(b2)在氮气密、40℃下反应24h。注意整个反应在氮气下密封保护进行，避免氧气进入。

74、步骤(b3)所述透析条件中分子截留量为2000-14000da。

75、优选的，步骤(b3)所述透析条件中分子截留量为3500da。

76、步骤(b3)所述透析采用超纯水或去离子水。

77、步骤(b3)所述透析时间为2-4天。

78、优选的，步骤(b3)所述透析时间为3天。

79、步骤(b3)所述透析采用透析袋。

80、本发明水凝胶材料在制备伤口敷料中的应用。具体的，本发明水凝胶材料针对的伤口主要是糖尿病患者的慢性伤口。所述慢性伤口包括糖尿病足溃疡、压力性损伤(俗称褥疮)和下肢溃疡(俗称老烂腿)。

81、本发明水凝胶材料是一种同时具有温度响应、抗菌等多功能的水凝胶材料，本发明水凝胶材料采用了温度敏感的聚合物，使其在受到体温或局部温度变化时具有可逆的物理性质变化，从而实现了对伤口温度的响应。此外，本发明水凝胶中添加了抗菌剂ag@clay-ta纳米粒子，能够有效抑制伤口周围的细菌生长，减少感染的风险。相比传统水凝胶，本发明水凝胶具有以下优点：1)温度响应性能：根据伤口周围温度变化调整物理性质(温度响应收缩性能)，提供更贴合、更舒适的治疗体验，促进伤口愈合。2)抗菌性能：添加抗菌剂，有效抑制伤口周围细菌的生长，降低感染风险，加速伤口愈合过程。3)生物相容性：材料具有良好的生物相容性，适用于长期使用，不会引起过敏或其他不良反应。故本发明水凝胶材料为临床糖尿病患者的慢性伤口愈合提供了一种全新的选择。