一种短肽/二氧化硅/透明质酸复合水凝胶的制备方法与流程

本发明涉及医用水凝胶材料技术领域，尤其涉及一种可用作创伤敷料支架材料的二氧化硅复合水凝胶的制备方法。

背景技术：

皮肤是人体与外界的物理、化学和生物屏障，皮肤的损伤会破坏这种屏障，引起新陈代谢加剧、体温下降、水分和蛋白质的过度流失及细菌感染等，严重的甚至危及生命。因此有必要在创伤处以适当的敷料加以遮盖，以保护伤口、降低感染风险、促进创面愈合。基于干燥环境有利于创面愈合的传统理论，纱布、棉球等是较早使用的敷料，虽有一定的吸湿和保护作用，但易粘连伤口，在更换时易造成二次损伤，给患者带来更多痛苦，其本身也不具有阻止细菌入侵和促进伤口愈合作用。

1962年，伦敦大学的Winter博士论证了湿润环境对创面愈合的积极作用(参见Winter,G.D.,《自然》1962，193,293-294)，随后大量的动物及临床研究也表明湿润的环境伤口愈合的更快，而且，湿润的环境也有助于抑制疤痕的形成，因此湿性敷料受到了更多地关注。相继发展了薄膜型、泡沫型、水凝胶型、水胶体型敷料，每种敷料的特点和适应创伤情况不同。其中水凝胶型敷料具有三维网络结构，与细胞外基质的结构相似；水分含量高、柔软、有弹性，与生物液体产生的界面张力低。用作创面敷料时，透水、透气且能控制水分蒸发，不会造成敷料与创面之间的积液。与创面无粘连，能够减轻更换敷料时的疼痛(李晶等，《中国组织工程研究》，2013,17，2225-2232)。此外，水凝胶还具有药物释放载体的功能，可根据需要将具有消炎作用的药物分子或促进伤口愈合的活性因子包埋在水凝胶内，从而达到消炎抑菌和促进创面愈合的目的(王刚等，《中国药房》，2011，22,1217-1220)。因此，水凝胶敷料成为最受人们重视的创伤敷料之一。

作为创伤敷料，水凝胶设计需要考虑的两个重要原则是机械性能和生物功 能性。而现今高分子水凝胶最大的缺点是相对较低的机械强度，因此在保持含水量的前提下提高凝胶的机械强度成为当前研究重点。可以通过交联、结晶、聚合物互穿网络或与其它材料复合等方法加以改善，其中，有机-无机复合水凝胶无论是在力学性能还是在生物功能上均具有显著优势。尽管水凝胶敷料能够与创面有较好的贴合，但由于无粘性，与创面之间难以形成封闭环境，还是存在细菌侵入的风险。因此，采用抗菌材料形成水凝胶或在水凝胶中添加抗菌活性成分，也是水凝胶敷料设计应该重视的一个问题。近些年来，一些阳离子型肽分子的抗菌活性逐渐被人们所认识(Chen C.等,《生物大分子》，2010,11,402-411)，该类生物分子无毒无刺激性，且不易产生耐药性，适用于包括耐药性细菌感染在内的所有创面感染。而且，将抗菌肽采用二氧化硅薄层覆盖之后，在保持其抗菌活性的同时能够提高其对热及生物酶的稳定性(Eby D.M.等，《生物大分子》，2008,9,2487-2494)，这为新型水凝胶敷料的设计提供了灵感。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种短肽/二氧化硅/透明质酸复合水凝胶的制备方法，可作为医用敷料三维支架材料使用，具有良好且可调控的机械性能，同时能够负载多种药物分子或生物活性物质，达到消炎抑菌和促进伤口愈合的功效。

本发明提供了一种短肽/二氧化硅/透明质酸复合水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

1)将两亲性短肽分子溶于水中，超声分散，调节至指定pH值，在一定温度下放置使其组装，得到两亲性短肽自组装体；

2)将二氧化硅前驱体加入到所述两亲性短肽组装体溶液中，振荡使其分散均匀，恒温放置使其矿化得到短肽/二氧化硅水凝胶；

3)将上述短肽/二氧化硅水凝胶与一定浓度的透明质酸溶液按一定比例混合，使短肽/二氧化硅水凝胶充分吸附透明质酸，得到短肽/二氧化硅/透明质酸复合水凝胶；

可选的，两亲性短肽的疏水部分由3-10个甘氨酸、丙氨酸、亮氨酸或异亮 氨酸组成，亲水部分由1-3个赖氨酸、精氨酸或组氨酸构成，疏水部分和亲水部分通过肽键连接；

优选的，两亲性短肽溶解于水后，将pH值调节至3-7的范围，组装温度范围为15-35℃；

优选的，两亲性短肽在水中能形成稳定的一维组装体；

可选的，二氧化硅前驱体为正硅酸四甲酯、正硅酸四乙酯、甲基三乙氧基硅烷中的一种或两种；

优选的，凝胶化反应中二氧化硅前驱体的浓度为5-200mM；短肽组装体的浓度为0.5-12mM；

优选的，凝胶化反应的温度为20-50℃；

优选的，透明质酸溶液的浓度为0.01-2wt％，短肽/二氧化硅水凝胶与透明质酸溶液的混合体积比为2:1-10:1；

本发明的另一方面提供了如上述技术方案中任一项所述的一种短肽/二氧化硅/透明质酸复合水凝胶的制备方法所制备得到的短肽/二氧化硅/透明质酸复合水凝胶；

本发明的再一方面提供了如上述技术方案所述的短肽/二氧化硅/透明质酸复合水凝胶作为三维支架材料在医用敷料中的应用。

本发明提供了一种短肽/二氧化硅/透明质酸复合水凝胶的制备方法，可作为医用敷料的三维支架材料在创伤修复中应用。与已有的技术相比，本发明具有以下优势：(1)机械性能的改善：通过二氧化硅层将短肽分子自组装形成的纤维保护起来，纤维之间主要通过Si-O-Si化学键连接形成交联网络，这样一种由一维材料构建的有机/无机复合三维网络可以大大改善水凝胶的机械强度，且可以通过反应物组成和制备工艺的变化在较大范围对其强度进行调控；(2)良好的生物学功能：凝胶由阳离子型肽分子、二氧化硅和透明质酸复合而成，在改善凝胶机械强度的同时，提高了其抑菌和保湿能力，促进创伤愈合；(3)兼具药物负载和释放功能：凝胶中二氧化硅表面含有大量羟基，便于一些功能分子包括药物分子、抗菌生物分子或生物活性因子等的负载和缓释；(4)绿色、简便的合成工艺：该发明通过仿生矿化与溶胶凝胶相结合的方法制备复合水凝胶， 具有节能环保、工艺简单、经济高效的特点。

附图说明

图1A为本发明实施例所制备得到的短肽/二氧化硅/透明质酸复合水凝胶的数码照片；

图1B为本发明实施例所制备得到的短肽/二氧化硅/透明质酸复合水凝胶的扫描电子显微镜照片；

图2为本发明实施例所制备得到的短肽/二氧化硅/透明质酸复合水凝胶的流变曲线；

图3为本发明实施例所制备得到的短肽/二氧化硅/透明质酸复合水凝胶的保水性曲线；

图4为本发明实施例所制备得到的短肽/二氧化硅/透明质酸复合水凝胶的细胞毒性；

图5A为本发明实施例所制备得到的短肽/二氧化硅/透明质酸复合水凝胶对于模型药物分子的负载曲线；

图5B为本发明实施例所制备得到的短肽/二氧化硅/透明质酸复合水凝胶对于模型药物分子的释放曲线。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明。应当指出的是，所描述的仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供了一种短肽/二氧化硅/透明质酸复合水凝胶的制备方法，包括：

S1：将两亲性短肽分子溶于水中，超声分散，调节至指定pH值，在一定温度下放置使其组装，得到两亲性短肽自组装体；

本步骤中，利用两亲性短肽分子间的非共价相互作用构建一维短肽自组装 体。具体的，将称量的短肽粉末溶解于超纯水中，超声助其分散，静置使其组装，在下一步使用前要保证其充分组装，可以利用圆二色光谱和红外光谱分析其二级结构，利用原子力显微镜或透射电子显微镜观察其组装情况。

S2：将二氧化硅前驱体加入到所述两亲性短肽组装体溶液中，振荡使其分散均匀，恒温放置使其矿化得到短肽/二氧化硅水凝胶。

本步骤中为克服普通的两亲性阳离子短肽水凝胶机械强度差，对热及生物酶稳定性较差的问题，通过仿生矿化得到由二氧化硅包覆两亲性阳离子短肽的一维纳米结构，并进一步交联形成水凝胶。具体的，取一定量的二氧化硅前驱体分散到所述两亲性短肽组装体溶液中，并不断震荡使其混合均匀，然后置于一定温度下使其反应。矿化进行的程度可以通过²⁹Si固体核磁中Si-O-Si化学位移的出现与否以及相对强度来决定，也可以通过红外光谱中1020-1200cm^-1的红外吸收来判断。更加直观的，在TEM中的衬度、纤维直径以及附带的能谱仪也能帮助判断矿化进行的程度。

S3：将上述短肽/二氧化硅水凝胶与一定浓度的透明质酸溶液按一定比例混合，使短肽/二氧化硅水凝胶充分吸附透明质酸，得到短肽/二氧化硅/透明质酸复合水凝胶。

本步骤中，加入透明质酸的目的是进一步提高复合凝胶的保水性以及生物功能性。在二氧化硅水凝胶中，二氧化硅表面分布着大量羟基，具有较好的保湿性能，而透明质酸由于表面分布着众多的羟基和羧基，也具有优异的保湿性能，且透明质酸具有优异的生物活性，能促进细胞在其表面的附着和生长，具有促进创伤愈合的作用。只是由于其本身的水溶性而不适合单独作为敷料来进行使用。在本发明中，通过透明质酸与短肽/二氧化硅水凝胶的复合在增强凝胶机械性能的同时进一步提高其保湿能力和促进创伤修复功能。

在本发明的一实施例中，所述的两亲性短肽疏水部分由3-10个甘氨酸、丙氨酸、亮氨酸或异亮氨酸组成，亲水部分由1-3个赖氨酸、精氨酸或组氨酸构成，疏水部分和亲水部分通过酰胺键连接。两亲性短肽通过分子间非共价相互作用在水中形成组装体，亲水的赖氨酸、精氨酸或组氨酸在非碱性溶液中容易质子化而使组装体表面带有正电荷，通过亲疏水单元组成的变化可以调控其组装体 形态和带电性质，以及作为模板诱导二氧化硅形成的能力。

在本发明的一实施例中，将两亲性短肽溶解于水后，将pH值调节至3-7的范围，组装温度范围为15-35℃。在本实施例中，两亲性短肽的组装依赖于分子间的弱相互作用，包括氢键、静电、疏水相互作用等，因此环境对于组装结果具有一定影响。可以理解的是可将pH值调节到3,4,5,6,7不等或上述范围内的其它任何一点均可，本领域技术人员可根据实际情况调节。

在本发明的一实施例中，所选用的二氧化硅前驱体为正硅酸四甲酯、正硅酸四乙酯、甲基三乙氧基硅烷中的一种或两种。在本实施例中由于不同的二氧化硅前驱体具有不同的水解速率，因此通过一种或者多种前驱体间的调节，可以控制矿化反应速率，再结合其它条件的控制，制备出不同结构和性质的水凝胶。

在本发明的一实施例中，所选用的凝胶化反应中二氧化硅前驱体的浓度为5-200mM；短肽组装体的浓度为0.5-12mM。不同的短肽和二氧化硅前驱体浓度影响二氧化硅生成的速率、二氧化硅层的厚度及形成凝胶的强度。在本实施例中，为了形成稳定的复合水凝胶，按上述浓度加入二氧化硅的前驱体和肽溶液。可以理解的是，在上述范围内所配制的前驱体溶液均可制备得到水凝胶，因此本领域技术人员可根据需要在上述范围内进行调节，例如二氧化硅前驱体浓度为5mM、10mM、40mM、60mM、100mM、200mM或之间的任一值，短肽浓度为0.5mM、2mM、4mM、6mM、8mM、10mM、12mM或之间的任一值。

在本发明的一实施例中，所选用的凝胶化反应的温度为20-50℃。是因为在该温度下前驱体的水解缩聚速率相对较稳定，便于控制且在矿化过程中形成稳定的结构，同时在该温度下不会对短肽的生物活性造成比较大的影响。可以理解的是，提高反应温度可以适当的缩短凝胶化的周期，在上述温度范围的任意温度，均可用以制备水凝胶。

在本发明的一实施例中，所选用的透明质酸溶液的浓度为0.01-2wt％，短肽溶液与透明质酸溶液体积比为2:1-10:1。在本实例中，透明质酸的加入能大大改善凝胶的保水性以及生物活性。可以理解的是，由上述范围内体积比所制备得 到的短肽/二氧化硅/透明质酸复合水凝胶在强度、保水性能、细胞毒性等方面均符合要求。优选的，短肽/二氧化硅水凝胶与透明质酸溶液的体积比可以为2:1、4:1、6:1、10:1等。可以理解的是，短肽/二氧化硅水凝胶与透明质酸溶液的体积比并不局限于上述所列举的，只要符合上述范围条件均可。

本发明的另一实施例提供了一种如上述实施例中任一项所述的短肽/二氧化硅/透明质酸复合水凝胶的制备方法所制备得到的短肽/二氧化硅/透明质酸复合水凝胶。由本发明实施例制备得到的短肽/二氧化硅/透明质酸复合水凝胶具有以下特点：(1)机械性能的改善：通过二氧化硅层将短肽分子自组装形成的纤维保护起来，纤维之间主要通过Si-O-Si化学键连接形成交联网络，这样一种由一维材料构建的有机/无机复合三维网络可以大大改善水凝胶的机械强度，且可以通过反应物组成和制备工艺的变化在较大范围对其强度进行调控；(2)良好的生物学功能：凝胶由阳离子型短肽分子、二氧化硅和透明质酸复合而成，在改善水凝胶机械强度的同时，提高了其抑菌和保湿能力，促进创伤愈合；(3)兼具药物负载和释放功能：水凝胶中二氧化硅表面含有大量羟基，便于一些功能分子包括药物分子、抗菌生物分子或生物活性因子等的负载和缓释；(4)绿色、简便的合成工艺：该发明通过仿生矿化与溶胶凝胶相结合的方法制备复合水凝胶，具有节能环保、工艺简单、经济高效的特点。

本发明的再一实施例提供了一种如上述实施例中任一项所述的一种短肽/二氧化硅/透明质酸复合水凝胶作为三维支架材料在医用敷料中的应用。由本发明实施例制备得到的短肽/二氧化硅/透明质酸复合水凝胶具有良好且可调控的机械性能、抗菌性质及良好的生物相容性以及与功能分子复合的能力，因此可作为医用敷料的三维支架材料在创伤修复中应用，有望大大提高创面的愈合速度，减轻患者痛苦。

为了更清楚详细地介绍本发明实施例所提供的短肽/二氧化硅/透明质酸复合水凝胶的制备方法，以下将结合具体实施例进行说明。

实施例1

首先将两亲性短肽I₅K溶解于水中，超声分散，配成浓度为1mM的溶液，并将pH值调节到6使其在20℃组装；向组装好的两亲性短肽溶液中加入正硅 酸四甲酯(最终浓度50mM)，振荡均匀后在20℃反应得到短肽/二氧化硅水凝胶；将所得到的水凝胶与0.5wt％透明质酸溶液混合，最终得到短肽/二氧化硅/透明质酸复合水凝胶1。

实施例2

首先将两亲性短肽A₆K溶解于水中，超声分散，配成浓度为4mM的溶液，并将pH值调节到5使其在30℃组装；向组装好的两亲性短肽溶液中加入正硅酸四甲酯和三甲氧基硅烷的混合溶液(摩尔比为9:1，总摩尔浓度100mM)，振荡均匀后使其在30℃反应得到短肽/二氧化硅水凝胶；将所得到的水凝胶与2wt％透明质酸溶液混合，最终得到短肽/二氧化硅/透明质酸复合水凝胶2。

实施例3

首先将两亲性短肽I₃K溶解于水中，超声分散，配成浓度为10mM的溶液，并将pH值调节到7使其在25℃组装；向组装好的两亲性短肽溶液中加入正硅酸四乙酯(摩尔浓度50mM)，振荡均匀后使其在25℃反应得到短肽/二氧化硅水凝胶；将所得到的水凝胶与1wt％透明质酸溶液混合，最终得到短肽/二氧化硅/透明质酸复合水凝胶3。

由上述实施例1-3所制备得到的短肽/二氧化硅/透明质酸复合水凝胶在外观、三维结构、保水性能和细胞毒性方面比较相似，只是在凝胶强度不同。以下将以实施例3得到的短肽/二氧化硅/透明质酸复合水凝胶3为例进行具体描述。

实施例4

短肽/二氧化硅/透明质酸复合水凝胶的形态及结构表征

通过普通的数码相机获得短肽/二氧化硅/透明质酸复合水凝胶的照片，如图1A所示，所得凝胶质地均匀且无色透明，一方面说明组成凝胶的单元较小，另一方面说明其与水有很好的结合能力。

短肽/二氧化硅/透明质酸复合水凝胶的微观结构通过扫描电子显微镜获得。所用仪器：日立公司所生产的S-4800冷场发射扫描电子显微镜，采用加速电压5kV。

本实施例结合场发射扫描电子显微镜观察短肽/二氧化硅/透明质酸复合水 凝胶的微观结构。具体的，首先对凝胶进行预处理，分别用40％、60％、80％、100％的乙醇水溶液进行浸泡，逐步的把凝胶中的水替换成乙醇，通过超临界干燥在不破坏凝胶空间结构的前提下除去溶剂获得干凝胶。对样品喷金1-2min增加导电性，然后放入样品室，找到样品并调到适当放大倍率进行扫描拍照。

由图1B中可以看出，三维凝胶是由一维的纳米纤维结构堆积而成。一维纳米纤维的直径在10nm左右，表面较为光滑，反映了二氧化硅是以分子的形式逐步沉积在短肽组装体表面的。这种无机材料包覆有机组装体形成的一维结构在强度提高的同时保留了有机组装体的弹性，因此，由这些一维复合纤维间交联形成的水凝胶具有良好的机械性能。

实施例5

短肽/二氧化硅/透明质酸复合水凝胶的机械强度测定

采用哈克MARSIII型旋转流变仪，选用35^。/2的锥板型转子，测试温度为25℃。首先采用应力扫描模式在较低频率下测定储能模量(G')、耗能模量(G")随应力的变化情况，选择合适的线性粘弹区，即G'、G"不随应力变化而变化的区域，该应力值即为频率扫描时选定的值。然后采用频率扫描模式，测试频率从0.01-10Hz下G'与G"的变化情况，其中G'的值即可以认为是凝胶材料的机械强度。

由图2中可以看出，G':G">10符合凝胶G':G"的理论值,同时G'的值可以达到100000左右，说明通过该手段制备的水凝胶具有较高的机械强度。另外，通过改变反应物的组成及合成工艺，G'值可在较大范围内进行调控。

实施例6

短肽/二氧化硅/透明质酸复合水凝胶的保水性能测试

作为医用敷料，其保水能力对其应用性质有重要影响。本实施例对短肽/二氧化硅/透明质酸复合水凝胶的保水性能进行了测试。具体的，将样品置于37℃、45％湿度下的恒温箱中，每12h测试一次凝胶的质量，通过凝胶在一定时间内质量减少的速率来判断样品的保水能力。

从图3可以看出，相比纯水，短肽/二氧化硅水凝胶具有一定的保水效果。在复合透明质酸之后，其保水能力进一步提高。纯水样品在60小时的失水率接 近100％，而短肽/二氧化硅/透明质酸在96小时的时候仍能保留30％左右的水分，说明其具有良好的保水能力，能够满足作为医用敷料支架使用的要求。

实施例7

短肽/二氧化硅/透明质酸复合水凝胶的细胞毒性测试

按照实施例3中的反应物组成和工艺条件在96孔聚苯乙烯细胞培养板中成胶，2天后用70％的乙醇水溶液浸泡凝胶样品，每12h更换一次液体，2天后于超净台紫外灯下灭菌半小时后分别用无菌磷酸盐缓冲溶液(PBS)和达尔伯克改良伊格尔(DMEM)培养基置换数次，然后接种细胞并进行细胞毒性实验。培养使用DMEM高糖培养基(培养基中含有10％的胎牛血清)培养小鼠的成纤维干细胞(NIH-3T3)，在37℃、5％的二氧化碳氛围下培养一天后，加入少量噻唑蓝(MTT)溶液(浓度为0.5mg/mL)，作用4h后吸弃培养基并加入一定量二甲基亚砜(DMSO)待甲臜完全溶解后于酶标仪中读取490nm处的吸光度值。通过转换即可得到细胞在材料中的生长情况。其结果如图4所示，可以看出，无论是短肽/二氧化硅水凝胶，还是短肽/二氧化硅/透明质酸复合水凝胶，其细胞存活率均在90％以上，符合医学上的使用标准。

实施例8

短肽/二氧化硅/透明质酸复合水凝胶的药物吸附及释放性质

本实施例中使用的是日本岛津公司生产的UV2450型紫外可见分光光度计，设置扫描范围200-800nm，狭缝宽度1nm，测量速度为中速，测量步长为1nm，取1mL的样品加入到光程为1cm的比色皿中进行扫描。

本发明中所制备的短肽/二氧化硅/透明质酸复合水凝胶具有药物负载和缓释的功能，本实施例通过对不同模型药物的吸附实验对其药物负载能力进行了表征。具体的，将制备好的水凝胶取出，分别浸泡在电正性的中性红、电中性的罗丹明B和电负性的溴酚蓝PBS缓冲溶液中(pH 7.4)，每隔一段时间取样，并利用紫外分光光度计测试缓冲液中模型药物分子的含量，且每次测试样液体回收，通过朗博比尔定律即可计算出凝胶对不同模型药物分子的吸附量。如图5A所示，发现短肽/二氧化硅/透明质酸复合水凝胶对不同电荷的模型药物均具有一定的吸附能力，且吸附量随带电性不同而有一定的差异。

类似的，本实施例对吸附有模型药物分子的短肽/二氧化硅/透明质酸复合水凝胶的释放能力进行了验证。具体的，将吸附模型药物分子达到饱和的短肽/二氧化硅/透明质酸复合水凝胶样品，用超纯水清洗2-3次，然后加入到5mL的PBS缓冲液，每隔一段时间取出1mL释放液测试，然后补充1mL的新鲜PBS缓冲液。其累计释放结果如图5B所示，可以看出，短肽/二氧化硅/透明质酸复合水凝胶能够将吸附的模型药物分子逐渐释放出来，且对不同电荷的模型药物释放性能也有一定的差异。

综合以上实施例，通过两亲性短肽的自组装、仿生矿化以及溶胶凝胶法构筑的短肽/二氧化硅/透明质酸复合水凝胶，具有良好的机械性能、优异的保水性能、较低的毒性和对药物分子的负载与缓释能力，适合作为医用敷料的三维支架材料在创伤修复中进行应用。