一种用于糖尿病足伤口敷料的复合水凝胶、其制备方法以及应用

本申请涉及一种复合水凝胶，属于生物医用材料技术领域；具体而言，涉及一种用于糖尿病足伤口敷料的复合水凝胶、其制备方法及其在抗菌、足底减压与伤口修复中的应用。

背景技术：

糖尿病是一种慢性疾病，其发病率在世界范围内呈逐年增长的趋势。糖尿病足溃疡是糖尿病最严重的并发症之一，约25％的糖尿病患者会发生糖尿病足溃疡。糖尿病足溃疡若没有得到有效治疗，严重时溃疡的长时间不愈合会给患者带来截肢风险，对患者生活带来较大影响。伤口敷料能保持溃疡处的湿润环境、释放生物活性物质，从而减少溃疡感染，加快伤口的愈合，在糖尿病足溃疡治疗中起重要作用。水凝胶是一种常用的湿润伤口敷料，是由天然高分子或合成高分子通过共价键或非共价键构建的富含水的三维网络材料。其具有含水量高、生物相容性好、结构功能可调等优点。

然而，多数水凝胶敷料缺乏粘附功能，在使用过程中难以与组织形成有效贴合，影响治疗效果。另外，糖尿病足患者在轻症或病程前期时，其活动时足底受压力或剪切力影响，造成血供不足，并易受细菌感染，可能导致病情加重伤口恶化。并且，糖尿病足溃疡由于细菌感染及炎症反应等，伤口愈合缓慢。因此，理想的用于治疗糖尿病足的伤口敷料水凝胶应具有良好的力学性能、循环抗压性能，可缓解患处压力、并具有抗菌、抗炎、促愈合功能。

技术实现要素：

为了克服现有技术中的上述缺陷，本申请发明人制备了植物类多酚化合物与聚两性离子聚合物复合的水凝胶材料，通过植物类多酚化合物与聚两性离子聚合物复合提升材料的力学性能与抗疲劳性能，利用植物类多酚化合物的氢键与聚两性离子聚合物的静电作用，提升材料的组织粘附功能，同时，天然多酚具有良好的抗菌、消炎作用，促进糖尿病足伤口愈合，最终获得可适应于糖尿病足溃疡修复的水凝胶材料，并可将其拓展至在其他压力性损伤创面治疗方面的应用。

具体而言，本发明提供了一种用于糖尿病足伤口敷料的复合水凝胶，该复合水凝胶所采用的原料来源广、价格低、生物毒性低、聚合反应可控等优点。

本申请的一方面提供了一种用于糖尿病足伤口敷料的复合水凝胶，所述复合水凝胶包括两性离子聚合物和植物类多酚化合物，其中，所述两性离子聚合物通过两性离子单体化学交联形成，所述植物类多酚化合物与所述两性离子聚合物物理交联。

可选地，所述复合水凝胶的组织粘附功能是由两性离子聚合物和植物类多酚化合物提供。

可选地，所述植物类多酚化合物与所述两性离子聚合物通过氢键和/或离子键进行非共价交联。

可选地，所述植物类多酚化合物在所述复合水凝胶中的质量含量为0.5wt％～20wt％，优选地为1.5wt％～8wt％，更优选地为2wt％～8wt％，最优选地为6wt％～8wt％。

可选地，所述植物类多酚化合物在所述复合水凝胶中的质量含量为0.5wt％、1.5wt％、2wt％、3wt％、4wt％、6wt％、8wt％和20wt％中的任意值或任意两值确定的范围值。

可选地，所述两性离子聚合物中的两性离子单体结构单元在所述复合水凝胶中的质量含量为20wt％～60wt％，优选地为22wt％～52wt％。

可选地，所述两性离子聚合物中的两性离子单体结构单元在所述复合水凝胶中的质量含量为20wt％、22wt％、35wt％、48wt％、50wt％、51wt％、52wt％和60wt％中的任意值或任意两值确定的范围值。

可选地，所述两性离子单体为带有双键及阴阳离子基团的单体。

可选地，所述两性离子单体选自甲基丙烯酸磺酸甜菜碱和2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱中的至少一种。

可选地，所述植物类多酚化合物选自单宁酸、没食子酸、原花青素及其衍生物中的至少一种。

本申请的另一方面提供了上述复合水凝胶的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

(1)将植物类多酚化合物、两性离子单体、化学交联剂、引发剂溶于去离子水中，混合均匀获得预聚液；

(2)将所述预聚液中的氧气除去；以及

(3)所述预聚液在预设条件下发生自由基聚合以获得所述复合水凝胶。

可选地，在所述步骤(2)中，通过向预聚液内通入氮气10～60min来除去氧气。

可选地，在所述步骤(3)中，所述自由基聚合方式为温度引发或光照引发自由基聚合中的至少一种。

可选地，所述植物类多酚化合物在所述预聚液中的质量含量为0.5wt％～20wt％，优选地为1.5wt％～8wt％，更优选地为2wt％～8wt％，最优选地为6wt％～8wt％。

可选地，所述植物类多酚化合物在所述预聚液中的质量含量为0.5wt％、1.5wt％、2wt％、3wt％、4wt％、6wt％、8wt％和20wt％中的任意值或任意两值确定的范围值。

可选地，所述两性离子单体在所述预聚液中的质量含量为20wt％～60wt％，优选地为22wt％～52wt％。

可选地，所述两性离子单体在所述预聚液中的质量含量为20wt％、22wt％、35wt％、48wt％、50wt％、51wt％、52wt％和60wt％中的任意值或任意两值确定的范围值。

可选地，所述化学交联剂在所述预聚液中的质量含量为0.1wt％～0.4wt％。

可选地，所述化学交联剂在所述预聚液中的质量含量为0.1wt％、0.2wt％、0.25wt％、0.3wt％、和0.4wt％中的任意值或任意两值确定的范围值。

可选地，所述引发剂在所述预聚液中的质量含量为0.04wt％～0.2wt％。

可选地，所述引发剂在所述预聚液中的质量含量为0.04wt％、0.05wt％、0.1wt％和0.2wt％中的任意值或任意两值确定的范围值。

可选地，所述两性离子单体为带有双键及阴阳离子基团的单体；优选地，所述两性离子单体选自甲基丙烯酸磺酸甜菜碱和2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱中的至少一种。

可选地，所述植物类多酚化合物选自单宁酸、没食子酸、原花青素及其衍生物中的至少一种。

可选地，所述引发剂包括自由基聚合引发剂。

可选地，所述引发剂选自过硫酸铵、过硫酸钾和2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮的至少一种。

可选地，所述化学交联剂包括端基带双键的交联剂。

可选地，所述化学交联剂选自聚乙二醇二丙烯酸酯和n,n'-亚甲基双丙烯酰胺中的至少一种。

本申请的再一方面提供了上述复合水凝胶和/或根据上述方法制备的复合水凝胶在制备用于预防与治疗糖尿病足的伤口敷料中的应用。

本申请能产生的有益效果包括：

1)本申请的复合水凝胶的制备方法简单且可控，仅仅采用两性离子单体与植物类多酚化合物在少量化学交联剂存在条件下进行自由基聚合，并且制作快捷、成本低，易于工业化生产，能极大地方便医护人员对糖尿病足溃疡的处理与治疗。

2)本申请所制备的复合水凝胶的机械性能可通过植物类多酚化合物与两性离子单体结构单元的相对含量来进行调控。

3)本申请所提供的复合水凝胶利用植物类多酚化合物和化学交联剂分别形成物理交联和化学交联的高分子网络。该植物类多酚化合物-两性离子聚合物复合水凝胶内部通过化学交联及大量氢键、离子-偶极作用、偶极-偶极作用维持网络结构。同时制备的复合水凝胶中存在非共价交联和共价交联的协同作用，该协同作用使得复合水凝胶具有优异的组织粘合性，能直接紧密粘合于伤口，防止外部感染。

4)本申请所制备的复合水凝胶具有优异的抗压性能与抗疲劳性能，并且在多次循环压缩实验中展现出稳定的压缩强度，因此其作为糖尿病足伤口敷料应用于足底时可以减轻患处压力，减少换药次数，避免换药时对组织的二次损伤，减少疼痛，节省医疗成本等。

5)植物类多酚通过非共价作用与两性离子聚合物交联，由于植物类多酚的抗菌性及抗氧化性、两性离子聚合物的抗污性，本申请的复合水凝胶对革兰氏阳性菌(如：金黄色葡萄球菌)等具有明显的抑制效果，对糖尿病足溃疡的感染及炎症反应有一定抑制作用。

附图说明

图1为根据本申请的实施例1至3的水凝胶的合成示意图。

图2a示出了根据本申请的实施例1至3的水凝胶的压缩性能曲线。

图2b示出了根据本申请实施例1的水凝胶循环使用后的压缩性能曲线。

图2c为图2b中水凝胶循环使用1至5次后的压缩性能曲线的放大图。

图2d为图2b中水凝胶循环使用2995至3000次后的压缩性能曲线的放大图。

图3a示出了足底减压实验示意图。

图3b示出了本申请实施例1的复合水凝胶的足底减压性能。

图4示出了根据本申请的实施例1至3和对比例1的水凝胶的组织表面粘附性能曲线。

图5示出了根据本申请的实施例1至3和对比例1的水凝胶的抗氧化性能。

图6示出了根据本申请实施例1至3和对比例的水凝胶的抗菌结果示意图。

图7示出了根据本申请实施例1和对比例的水凝胶制成的伤口敷料在促进糖尿病小鼠伤口愈合方面的效果示意图。

具体实施方式

下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。

在本申请中所公开的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解包括接近这些范围或值。对于数值范围而言，各个范围的端点值和单独的点值之间，可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应该被视为在本文中具体公开。

如无特别说明，本申请的实施例中的原料(例如两性离子单体、植物类多酚化合物、化学交联剂和引发剂等)均通过商业途径购买。

如无特别说明，本申请的实施例中所用的测试设备均为现有技术中常用的设备。

实施例1

将3.7g单宁酸(tannicacid)、22.3g[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵(sbma，即甲基丙烯酸磺酸甜菜碱)、90mg聚乙二醇二丙烯酸酯(pegda，mw＝700)、23mg过硫酸铵(即，aps)加入20ml去离子水中，得到预聚液。向预聚液通氮气30min除氧，将除氧后的预聚液注射至密闭的玻璃模具中，放入60℃水浴箱中过夜，利用热引发自由基聚合制备水凝胶(如图1所示)。将该实施例制备的水凝胶命名为t8s4。

实施例2

将1.8g单宁酸、22.3gsbma、90mgpegda(mw＝700)、23mg过硫酸铵加入20ml去离子水中，得到预聚液。向预聚液通氮气30min除氧，将除氧后的预聚液注射至密闭的玻璃模具中，放入60℃水浴箱中过夜，利用热引发自由基聚合制备水凝胶(如图1所示)。该实施例制备的水凝胶命名为t4s4。

实施例3

将0.9g单宁酸、22.3gsbma、90mgpegda(mw＝700)、23mg过硫酸铵加入20ml去离子水中，得到预聚液。向预聚液通氮气30min除氧，将除氧后的预聚液注射至密闭的玻璃模具中，放入60℃水浴箱中过夜，利用热引发自由基聚合制备水凝胶(如图1所示)。将该实施例制备的水凝胶命名为t2s4。

实施例4

将0.4g没食子酸(gallicacid)、5.9g2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱(2-methacryloyloxyethylphosphorylcholine)、82mgn,n'-亚甲基双丙烯酰胺、27mg过硫酸钾(即kps)加入20ml去离子水中，得到预聚液。向预聚液通氮气30min除氧，将除氧后的预聚液注射至密闭的玻璃模具中，放入60℃水浴箱中过夜，利用热引发自由基聚合制备水凝胶。将该实施例制备的水凝胶命为g8m1。

实施例5

将1g原花青素(proanthocyanidins)、11.8g2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱、82mgn,n'-亚甲基双丙烯酰胺、16.5mg2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮加入20ml去离子水中，得到预聚液。向预聚液通氮气30min除氧，将除氧后的预聚液注射至密闭的玻璃模具中，在365nm波长的紫外光下照射30min，利用光引发自由基聚合制备水凝胶。将该实施例制备的水凝胶命名为p8m2。

对比例1

将22.3gsbma、90mgpegda(mw＝700)、23mg过硫酸铵加入20ml去离子水中，得到预聚液。向预聚液通氮气30min除氧，将除氧后的预聚液注射至密闭的玻璃模具中，放入60℃水浴箱中过夜，利用热引发自由基聚合制备水凝胶。将该实施例制备的水凝胶命名为s4。

实施例6

压缩性能测试：将实施例1至5的水凝胶制成直径10mm、厚度2mm的圆片形样品，进行单次压缩，压缩速度为10％应变/min，样品压缩至90％应变。其中，实施例1-3制备的水凝胶压缩性能如图2a所示。

从图2a可知，在相同的应变条件下，单宁酸的引入提高了复合水凝胶的抗压缩性能，且复合水凝胶中单宁酸的含量越高，所需的压缩应力越大。由此说明，随着复合水凝胶中单宁酸含量的增加，复合水凝胶的抗压缩性能越强。尤其当单宁酸与预聚液的质量比为8wt％(即实施例1)时，复合水凝胶表现出优异的抗压缩性能。

具体而言，在相同测试条件下，实施例1的压缩强度(即压缩应力)为20mpa，实施例2的压缩强度为11mpa，实施例3的压缩强度为7mpa，实施例4的压缩强度为8mpa，实施例5的压缩强度为13mpa。

另外，将实施例1的水凝胶进行3000次压缩循环测试，压缩至60％应变，其他条件同上，结果如图2b所示。

从图2b可知，对水凝胶进行3000次循环压缩，水凝胶表现出优异的循环压缩性能以及优异的恢复性能。

图2c为图2b中水凝胶循环使用1至5次后的压缩性能曲线的放大图，其显示出实施例1中的水凝胶循环使用1至5次后具有优异的循环压缩性能以及优异的恢复性能。

图2d为图2b中水凝胶循环使用2995至3000次后的压缩性能曲线的放大图，其显示出实施例1中的水凝胶循环使用2995至3000次后具有优异的循环压缩性能以及优异的恢复性能。

实施例7

足底压力测试：按图3a所示在实施例1水凝胶上方放置薄膜压力传感器(直径20mm)，上方站立体重约为65千克的成年男性，使水凝胶及薄膜传感器位于足底第三跖趾关节(图3a中足底a部位)或侧后跟处(图3中足底b部位)，测试足底压力。对照组为测试无水凝胶时足底相同位置的压力。收集传感器信号值-压力曲线如图3b所示，测得试验对象正常站立时足底a、b部位压力分别为61.4kpa(对应图3b上的点a0)和84.8kpa(对应图3b上的点b0)，足底放入水凝胶后足底a、b部位压力分为降低至47.6kpa(对应图3b上的点a1)和54.7kpa(对应图3b上的点b1)。可见水凝胶可明显减轻足底压力，有利于足底伤口的修复。

虽然未图示，实施例2至5所制备的水凝胶也可明显减轻足底压力，有利于足底伤口的修复。

实施例8

组织表面粘附性能测试：取新鲜猪皮切成40mm×15mm×3mm样条，在两块猪皮之间分别贴上实施例1至5及对比例1的水凝胶样品(15mm×15mm×2mm)，在猪皮-水凝胶-猪皮上放置100g砝码并保持5分钟。使用万能试验机夹具加紧猪皮末端，以50mm/min的速度进行拉伸，直到粘合部位完全剥离。界面粘合强度为最大载荷除以粘合面积。测得实施例1-3及对比例1制备的水凝胶的粘附性能如图4所示。

从图4可知，单宁酸的引入明显提高了复合水凝胶的界面粘合强度，即提高了复合水凝胶的组织粘附性。并且随着单宁酸的含量越高，界面粘合强度越大。由此说明，随着复合水凝胶中单宁酸含量的增加，复合水凝胶的组织粘附性越来越强。尤其当单宁酸与预聚液的质量比为8wt％(即实施例1)时，复合水凝胶表现出优异的组织粘附性。实施例2至3制备的复合水凝胶也表现出优异的组织粘附性。

采用同样的测试方法，对实施例4和5也进行了组织表面粘附性能测试，实施例4和5制备的复合水凝胶也表现出优异的组织粘附性。

具体而言，在相同测试条件下，实施例1的界面粘合强度为20kpa，实施例2的界面粘合强度为12kpa，实施例3的界面粘合强度为6kpa，实施例4的界面粘合强度为7kpa，实施例5的界面粘合强度为11kpa，对比例1的界面粘合强度为1.4kpa。

实施例9

抗氧化性能：将100mg水凝胶样品置于3ml0.1mm的1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(dpph)溶液，在避光条件下室温反应30min，使用紫外分光光度计测量溶液在517nm处的吸光度，计算dpph自由基清除率：dpph清除率＝(ablank-asample)/ablank×100％，其中ablank是dpph溶液与水凝胶反应前吸光度，asample是dpph溶液与水凝胶混合后反应30min的吸光度。

测得实施例1至3以及对比例1所制备水凝胶的抗氧化性能如图5所示。从图5可知，单宁酸的引入明显提高了复合水凝胶的自由基清除活性，即提高了复合水凝胶的抗氧化性能。随着单宁酸的含量增加，其抗氧化性能增加。当单宁酸与预聚液的质量比为8wt％(即实施例1)时，100mg复合水凝胶的dpph自由基清除率为38％，对比例1所制备水凝胶无dpph自由基清除活性。

在实施例2中，100mg复合水凝胶的dpph自由基清除率为17％；在实施例3中，100mg复合水凝胶的dpph自由基清除率为11％。

虽然未图示，实施例4和5制备的水凝胶也具有优异的抗氧化性能。与实施例1至3相同的测试方法。在实施例4中，100mg复合水凝胶的dpph自由基清除率为6％，在实施例5中，100mg复合水凝胶的dpph自由基清除率为15％。

由上述数据可知，实施例1至5制备的复合水凝胶具有优异的抗氧化性能。

实施例10

抗菌性能：将过夜培养的金黄色葡萄球菌菌液用胰蛋白胨大豆肉汤培养基稀释1000倍。取100μl菌液均匀涂布到琼脂培养基上，在培养基表面分别放置实施例1至5以及对比例1的直径9mm、厚度3mm的圆柱形水凝胶样品，将贴片的琼脂培养板放入恒温培养箱37℃培养18小时，测量并比较水凝胶样品周围抑菌圈的直径大小。从图6可知，本申请实施例1至3制备的复合水凝胶具有优异的抗菌效果。

具体而言，对比例1的水凝胶的抑菌圈的直径几乎为0，实施例1的水凝胶的抑菌圈的直径为27.9mm，实施例2的水凝胶的抑菌圈的直径为22.4mm，实施例3的水凝胶的抑菌圈的直径为20.2mm，实施例4的水凝胶的抑菌圈的直径为15.1mm，实施例5的水凝胶的抑菌圈的直径为18.3mm。

实施例11

糖尿病动物伤口愈合测试：使用糖尿病小鼠的全层皮肤缺损模型评估实施例1和对比例1水凝胶在动物体内的促伤口愈合性能。简而言之，使用打孔器在糖尿病小鼠的背部皮肤上形成直径为10mm的伤口。在皮肤缺损部位放置实施例1和对比例1水凝胶制成的伤口敷料(直径10mm，厚度1mm)，对照组小鼠的皮肤缺损部位不做处理。分别在第0、2、4、7、14和21天(分别对应d0、d2、d4、d7、d14、d21)拍摄伤口部位的照片并记录。从图7可以看出，覆盖实施例1水凝胶组的小鼠皮肤伤口比覆盖对比例1水凝胶组和不做处理组的小鼠伤口愈合速度更快，这表明实施例1制备的复合水凝胶作为伤口敷料具有较好的糖尿病伤口修复功能。

虽然未图示，实施例2至5所制备的复合水凝胶制成的伤口敷料也具有较好的糖尿病伤口修复功能。

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。