一种具有创面修复功效的水凝胶及其制备方法与流程

本发明涉及一种具有创面修复功效的水凝胶及其制备方法，属于生物新材料领域。

技术背景

随工业事故的频发以及环境恶化带来的健康问题，全球每年约2.342亿人需进行外科手术，加之全球老龄化伴随出现的慢性溃疡病例的增多，医用敷料的研究与开发日益引起社会的关注。上世纪70年代末，由天然棉纤维加工而成的棉纱布开始在外科手术的伤口护理中广泛使用。棉纱布的化学成分为纤维素，其独特的聚多糖结构赋予棉纱布优良的柔韧性、吸液能力、生物相容性和可降解特性。近年来，人们发明了合成纤维、胶原蛋白、海藻酸盐类等新型医用敷料，但因为明显的价格优势，纤维素棉纱布目前仍是全球使用最广泛的医用敷料，市场份额占据50％以上(Int.J.Pharm.2014，463，127-136)。然而，纤维素存在不抗菌和生物活性(如促进伤口愈合)差两大显著缺点，已严重滞后于现代伤口敷料的发展。纤维素作为自然界最丰富、易得的生物质资源，设计构筑以其作为主体的新型功能性医用敷料及其绿色、经济加工方法符合国家的可持续发展战略。ZnO不仅具有抑菌性，研究表明(ACS Appl.Mater.Interfaces，2012，4，2618-262；Br.J.Dermatol.1969，8，759-762)外用ZnO可通过调节皮肤伤口愈合的多个环节(如炎症、纤维增生和组织重塑)促进创面愈合，效果堪比昂贵的酶成分药物，而这被认为与ZnO持续释放少量的锌离子有关，锌是生物体内金属酶、调节蛋白和生物膜的重要组成部分，特别是人体表皮中的锌含量比深层组织要高约6倍，目前市场上多种治疗创伤的霜剂、膏剂和敷料均含有ZnO成分。目前使用ZnO改性纤维素制备生物材料主要通过溶液浸渍法制备得到：首先将锌盐前驱体(硫酸锌，硝酸锌，醋酸锌)溶于水中，其次取传统纤维素基棉纱布放入上述锌盐溶液中，然后再加入碱液使锌盐发生溶胶-凝胶转换，最后水洗、烘干制备得到含有ZnO的纤维素基生物材料。上述方法存在明显的缺点与不足：1)ZnO主要分布于纤维素基棉纱布的表面，稳定性差，因此制备过程中需要使用高温(如160℃)熟化(Carbohydr.Polym.2011，83，920-925)或交联剂(正硅酸乙酯、硅烷偶联剂)(RSC Adv.2015，5，21562-21571)以增强纳米颗粒与纤维素基质的粘附力；2)制备过程中ZnO易发生聚集，需使用有机溶剂(如异丙醇)或高能超声手段帮助分散。3)纤维素以惰性形式存在，而研究表明含有纳米纤维结构的生物相容高分子以其氧气透过性能高、比面积大，特别是与天然细胞外基质的形态学相似性，可加速细胞粘附、迁移和组织的形成，在组织修复再生领域有很好的应用前景(Angew.Chem.Int.Ed.2015，54，5152-5156)。

技术实现要素：

要解决的技术问题：纤维素作为自然界最丰富的天然高分子，具有柔韧性好、理化性质稳定、生物相容性好以及廉价易得的特性，作为生物材料使用具有得天独厚的优势。但是不抗菌和生物活性差两大缺点阻碍了其进一步的应用。其中ZnO可以较好的弥补纤维素这两大缺点，但是目前ZnO改性纤维素主要通过溶液浸渍法进行，存在费力、有污染且效果不佳等缺点。

技术方案：针对上述问题，本发明提供一种具有创面修复功效的新型纤维素水凝胶及其制备方法。所述的一种具有创面修复功效的新型纤维素水凝胶由纤维素纳米微纤、纳米氧化锌和水构筑而成，其中纤维素纳米微纤的直径为40～80nm，纳米ZnO的粒径为80～150nm。

一种具有创面修复功效的水凝胶的制备方法包括以下步骤：

1)将聚集态纤维素原料浸入组合水体系中，组合水体系由6～10wt％氢氧化钠，0.5～1.8wt％锌酸钠，5～15wt％尿素和水组成；

2)将聚集态纤维素原料与组合水体系组成的混合物一块冷冻至-15～-21℃，然后25～40℃条件下搅拌解冻得到分子水平均匀分散的纤维素水溶胶，其中水溶胶中纤维素浓度为4～8wt％；

3)将上述水溶胶倒入方形模具然后浸入中性蒸馏水中，使其发生溶胶-凝胶转变，其中所用水溶胶和蒸馏水的质量比为1∶10～1∶20，蒸馏水温度为20～40℃。

4)使用去离子水洗至中性。

与已有技术相比较，采用本发明技术方案有显著进步，且能取得有益效果：

a)本发明不使用任何有机溶剂，整个过程绿色无污染，不存在有毒有害分子残留问题，非常适合制备生物材料；

b)本发明将纤维素原料和锌酸钠(ZnO前驱体)经冷冻-解冻法共同分散于组合水体系中得到水溶胶，然后再在蒸馏水中一起发生溶胶-凝胶转变得到由纤维素纳米纤维和纳米ZnO构筑而成的水凝胶(见附图1)；水凝胶中的纳米纤维和纳米ZnO使其具有较好的柔韧性、细胞粘附性和抗菌性，以达到明显促进伤口愈合作用。

附图说明

图1为本专利所述的具有创面修复功效的水凝胶的扫描电镜(SEM)图像。

具体实施方法

以下结合具体的实施例对本发明的技术方案进一步地说明。

实施例1

第一步将纤维素棉浆粕浸入组合水体系中，组合水体系由6wt％氢氧化钠，0.5wt％锌酸钠，5wt％尿素和水组成；第二步将棉浆粕与组合水体系组成的混合物一块冷冻至-15℃，然后25℃条件下搅拌解冻得到分子水平均匀分散的纤维素水溶胶，其中水溶胶中纤维素浓度为4wt％；第三步将上述水溶胶倒入方形模具然后浸入中性蒸馏水中，使其发生溶胶-凝胶转变，其中所用水溶胶和蒸馏水的质量比为1∶10，蒸馏水温度为20℃；第四步使用去离子水洗至中性。

制得的水凝胶由纤维素纳米微纤、纳米ZnO和水构筑而成，其中纤维素纳米纤维的直径为40nm，纳米ZnO的粒径为80nm，所得水凝胶的拉伸强度和断裂伸长率分别为1.97MPa和192％，细胞在水凝胶上(72h)的存活率为96％，小鼠表皮伤口修复实验表明新型水凝胶相对于棉纱布可提前3天。

实施例2

第一步将纤维素竹浆粕浸入组合水体系中，组合水体系由10wt％氢氧化钠，1.8wt％锌酸钠，15wt％尿素和水组成；第二步将聚集态纤维素与组合水体系组成的混合物一块冷冻至-21℃，然后40℃条件下搅拌解冻得到分子水平均匀分散的纤维素水溶胶，其中水溶胶中纤维素浓度为8wt％；第三步将上述水溶胶倒入方形模具然后浸入中性蒸馏水中，使其发生溶胶-凝胶转变，其中所用水溶胶和蒸馏水的质量比为1∶20，蒸馏水温度为30℃，第四步使用去离子水洗至中性。

制得的水凝胶由纤维素纳米微纤、纳米ZnO和水构筑而成，其中纤维素纳米纤维的直径为80nm，纳米ZnO的粒径为150nm，所得水凝胶的拉伸强度和断裂伸长率分别为2.8MPa和150％，细胞在水凝胶上(72h)的存活率为95％，小鼠表皮伤口修复实验表明新型水凝胶相对于棉纱布可提前4天。

实施例3

第一步将纤维素木浆浸入组合水体系中，组合水体系由7wt％氢氧化钠，1.0wt％锌酸钠，7wt％尿素和水组成；第二步将聚集态纤维素与组合水体系组成的混合物一块冷冻至-17℃，然后30℃条件下搅拌解冻得到分子水平均匀分散的纤维素水溶胶，其中水溶胶中纤维素浓度为5wt％；第三步将上述水溶胶倒入方形模具然后浸入中性蒸馏水中，使其发生溶胶-凝胶转变，其中所用水溶胶和蒸馏水的质量比为1∶15，蒸馏水温度为35℃；第四步使用去离子水洗至中性。

制得的水凝胶由纤维素纳米微纤、纳米ZnO和水构筑而成，其中纤维素纳米纤维的直径为60nm，纳米ZnO的粒径为90nm，所得水凝胶的拉伸强度和断裂伸长率分别为2.5MPa和170％，压缩强度为0.08MPa，细胞在水凝胶上(72h)的存活率为95％，小鼠表皮伤口修复实验表明新型水凝胶相对于棉纱布可提前3天。

实施例4

第一步将纤维素棉浆粕浸入组合水体系中，组合水体系由7wt％氢氧化钠，1.5wt％锌酸钠，11wt％尿素和水组成；第二步将聚集态纤维素与组合水体系组成的混合物一块冷冻至-18℃，然后35℃条件下搅拌解冻得到分子水平均匀分散的纤维素水溶胶，其中水溶胶中纤维素浓度为5wt％；第三步将上述水溶胶倒入方形模具然后浸入中性蒸馏水中，使其发生溶胶-凝胶转变，其中所用水溶胶和蒸馏水的质量比为1∶12，蒸馏水温度为35℃，第四步使用去离子水洗至中性。

制得的水凝胶由纤维素纳米微纤、纳米ZnO和水构筑而成，其中纤维素纳米纤维的直径为60nm，纳米ZnO的粒径为100nm，所得水凝胶的拉伸强度和断裂伸长率分别为2.3MPa和150％，压缩强度为0.07MPa，细胞在水凝胶上(72h)的存活率为95％，小鼠表皮伤口修复实验表明新型水凝胶相对于棉纱布可提前4天。

实施例5

第一步将纤维素木浆浸入组合水体系中，组合水体系由8wt％氢氧化钠，1.6wt％锌酸钠，14wt％尿素和水组成；第二步将聚集态纤维素与组合水体系组成的混合物一块冷冻至-19℃，然后35℃条件下搅拌解冻得到分子水平均匀分散的纤维素水溶胶，其中水溶胶中纤维素浓度为6wt％；第三步将上述水溶胶倒入方形模具然后浸入中性蒸馏水中，使其发生溶胶-凝胶转变，其中所用水溶胶和蒸馏水的质量比为1∶16，蒸馏水温度为40℃，第四步使用去离子水洗至中性。

制得的水凝胶由纤维素纳米微纤、纳米ZnO和水构筑而成，其中纤维素纳米纤维的直径为70nm，纳米ZnO的粒径为120nm，所得水凝胶的拉伸强度和断裂伸长率分别为2.4MPa和160％，压缩强度为0.1MPa，细胞在水凝胶上(72h)的存活率为95％，小鼠表皮伤口修复实验表明新型水凝胶相对于棉纱布可提前3天。