一种自修复、光敏感壳聚糖水凝胶及其制备方法与流程

本发明涉及一种水凝胶及其制备方法，特别涉及一种自修复、光敏感壳聚糖水凝胶及其制备方法。

背景技术：

壳聚糖是自然界中唯一的阳性线性多糖，其基本单位为葡萄糖胺，具有生物相容性好、无毒副作用、来源丰富等特点，己在食品工业、药物制剂、医用高分子材料的合成等领域得到广泛的开发和应用。基于不同机理(共价、离子、氢键)，壳聚糖可以形成水凝胶，这已经有不少相关报道。壳聚糖与戊二醛等可以形成化学凝胶，也可以和巯基乙酸、丙烯酸、草酸等形成物理凝胶。另外壳聚糖与金属离子或是其他生物聚合物(例如:还原胶、卡拉胶等)通过静电作用形成离子交联键而成为凝胶。然而，这些壳聚糖水凝胶的形成均需另外加入交联剂如戊二醛等，交联剂的使用存在以下缺陷：(1)由于戊二醛与壳聚糖上氨基发生交联反应极为迅速，导致戊二醛与壳聚糖水溶液很难混合均匀；(2)由于溶液黏度很大，难以在体系交联反应发生之前除去溶液中大量的气泡，导致凝胶内部存在大量的气孔，凝胶的均匀性很差，溶胀过程中极易发生破碎；(3)很多药物都带有氨基，若实施原位载药，极易与戊二醛发生反应；(4)戊二醛有毒，残留对人体有害。

为了消除使用化学交联剂而带来的诸多弊端，对于不需要化学交联剂的金属配位水凝胶的研究已引起人们的极大关注。配位作用可以使高分子与金属离子之间形成配位键而获得水凝胶，这种交联作用可以快速而有效地交联聚合物分子，而且所形成的水凝胶具有自修复性。最近，贻贝仿生化学引起了人们的极大兴趣，即在聚合物的侧链引入儿茶酚基团以得到可发生金属配位作用的衍生物，其溶液与金属离子(Fe³⁺、Ca²⁺、Ag⁺)配位作用形成水凝胶，可是这种水凝胶不具有光敏性，作为生物黏附材料、组织工程及可控释放药物载体方面应用有很大的局限性。

技术实现要素：

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明的第一目的是提供一种自修复、光敏感壳聚糖水凝胶，该水凝胶不含任何交联剂，同时具备自修复性和光敏性，可在紫外光照射下转变为水溶胶；本发明的第二目的是提供该壳聚糖水凝胶的制备方法。

技术方案：本发明所述的自修复、光敏感壳聚糖水凝胶，其分子结构式为：

本发明所述的一种自修复、光敏感壳聚糖水凝胶的制备方法，包括如下步骤：

(1)以羧甲基壳聚糖与硝基多巴胺为原料进行酰化反应，得到含硝基多巴胺基团的壳聚糖衍生物；

(2)将含硝基多巴胺基团的壳聚糖衍生物的水溶液与Fe³⁺溶液混合，调节混合溶液的pH至6.5～9.5，得到自修复、光敏感壳聚糖水凝胶。

具体的，步骤(1)中，将羧甲基壳聚糖溶解于水中，在惰性气体保护下加入硝基多巴胺进行酰化反应，反应后在水中透析、真空冷冻干燥，得到含硝基多巴胺基团的壳聚糖衍生物。

优选的，加入的羧甲基壳聚糖的质量与硝基多巴胺的摩尔数之比为100:0.5～5。

上述羧甲基壳聚糖的分子量M_n为10kDa～100kDa，取代度D_s为0.3～0.5。

较优的，酰化反应中加入组合催化剂，该组合催化剂为N-羟基丁二酰亚胺和1-乙基-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺。

进一步的，N-羟基丁二酰亚胺、1-乙基-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺与硝基多巴胺的摩尔比为0.5～5:0.5～5:0.5～5。

上述酰化反应在室温条件下进行，反应时间为5～50h。

上述步骤(2)中，含硝基多巴胺基团的壳聚糖衍生物水溶液的浓度为10～80mg/mL，Fe³⁺溶液中Fe³⁺的浓度为5～150mmol/L。

进一步的，Fe³⁺溶液为Fe³⁺的酸性溶液，反应时，使溶胶pH值变化缓慢，可防止凝胶过快，影响其机械性能。

发明原理：首先，通过羧甲基壳聚糖的羧基与硝基多巴胺的氨基发生酰胺化反应引入具有很好金属配位能力和光敏感的硝基多巴胺基团，反应过程如下式：

然后将得到的含硝基多巴胺基团的壳聚糖衍生物与金属离子配位发生交联，使制得的壳聚糖水凝胶实现自修复性，同时，多巴胺具有很好生物相容性，从而可降低水凝胶对生物体的毒性，最终得到的壳聚糖水凝胶具有生物黏附性、自修复性和光敏性。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)本发明的自修复、光敏感壳聚糖水凝胶具有黏附性强、顺应性良好、时空可控性强的特点，作为伤口敷料，可以在创伤面上较长时间地维持一个最佳湿润环境，促进细胞迁移，从而可以促进伤口的上皮化，加速伤口的愈合；(2)本发明的自修复、光敏感壳聚糖水凝胶不仅具有自修复性，还具有光敏性，在波长365nm紫外光照射下，该壳聚糖水凝胶可转变为水溶胶，作为伤口愈合敷料、组织工程粘结剂、药物可控释放载体材料具有广阔的应用前景；(3)本发明一改过去通过化学交联来制备水凝胶的方法，而采用贻贝仿生化学的方法，多巴胺具有很好生物相容性，通过将含硝基多巴胺基团的壳聚糖衍生物与金属离子配位发生交联，降低了传统方法制备的水凝胶对生物体的毒性。

附图说明

图1为本发明的自修复、光敏感壳聚糖水凝胶的分子结构式；

图2为本发明的自修复、光敏感壳聚糖水凝胶在制备过程中的形态变化图；

图3为本发明的自修复、光敏感壳聚糖水凝胶在自修复过程中的形态变化图；

图4为本发明的自修复、光敏感壳聚糖水凝胶在紫外灯光照射下的形态变化图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明的自修复、光敏感壳聚糖水凝胶，其分子结构式如图1。

该自修复、光敏感壳聚糖水凝胶的制备方法包括如下步骤：

(1)以羧甲基壳聚糖和硝基多巴胺为原料，通过羧甲基壳聚糖的羧基与硝基多巴胺的氨基发生酰胺化反应为壳聚糖引入具有很好金属配位能力和光敏感的硝基多巴胺基团，得到含硝基多巴胺基团的壳聚糖衍生物；

(2)将一定浓度的含硝基多巴胺基团的壳聚糖衍生物的水溶液与一定浓度的Fe³⁺溶液混合，Fe³⁺与多巴胺可形成单齿、双齿及三齿配合物，同时Fe³⁺还兼具氧化作用，从而可得到具有自修复性和生物黏附性的壳聚糖水凝胶，如图2。

壳聚糖是天然生物高分子，来源极为广泛、安全无毒，价格低廉，与合成高分子相比，具有良好的生物相容性和生物可降解性，因此，以壳聚糖为原料，制得的壳聚糖水凝胶作为伤口敷料具有很高的环境友好性和生物安全性。

实施例1

(1)制备含硝基多巴胺基团的壳聚糖衍生物

取100mg羧甲基壳聚糖(Mn＝1.0×10⁴Da，D_S＝0.3)溶解于50mL的去离子水中，在通氮气保护下加入5mL含58mg(0.5mmol)N-羟基丁二酰亚胺(NHS)和99mg(0.5mmol)硝基多巴胺硫酸氢盐(Mn＝198)的DMF溶液，再加入96mg(0.5mmol)1-乙基-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺(EDC)，室温条件下搅拌反应24h。在去离子水中透析两天、真空冷冻干燥，得到含硝基多巴胺基团的壳聚糖衍生物。

(2)制备自修复、光敏感壳聚糖水凝胶

将步骤(1)制备的含硝基多巴胺基团的壳聚糖衍生物溶于20mL水得到浓度为10mg/mL的溶液，与5mL5mmol/L FeCl₃醋酸溶液混合搅拌，慢慢滴加1mol/L的NaOH溶液调节溶液的pH至6.5，得到黄褐色的壳聚糖水凝胶。

对本实施例制得的壳聚糖水凝胶的性能进行检测，具体实验方法及测试结果如下实验一至实验四。

实验一：壳聚糖水凝胶的自修复性实验

采用步骤(1)～(2)的方法制得两份壳聚糖水凝胶，然后将它们紧贴放置，由图3可以看出，5分钟后发现两个凝胶连在一起，可见，本发明制得的壳聚糖水凝胶具有良好的自修复性。

实验二：壳聚糖水凝胶的光敏感性实验

将步骤(2)制得的壳聚糖水凝胶用波长为365nm、功率为20W的紫外灯光照射，有图4可以看出，照射10分钟后，该壳聚糖水凝胶变成了水溶胶。

实验三：壳聚糖水凝胶的吸水率实验

将完全干燥的壳聚糖水凝胶切割成方块型样品并称量。然后，将样品沉浸在磷酸盐缓冲液(pH值7.4；PBS)，在特定的时间间隔，即分别于12小时后迅速将样品拿出溶液。用纸巾擦试样品后，称量其重量，直至样品吸水饱和后，停止测量。壳聚糖水凝胶的吸水率按下述公式进行计算：

吸水率(％)＝(Ws-Wd)×100/Wd；

式中，Wd代表水凝胶干燥时的重量，而Ws代表水凝胶吸水饱和时的重量。

实验测得本实施例制得的壳聚糖水凝胶的吸水率为102％。

实验四：壳聚糖水凝胶的黏附强度实验

取猪的新鲜背部正常皮肤组织切割成条状(4.0cm×2.0cm，厚1.5mm)，将两块皮肤组织2.0cm一边紧密地平贴；将步骤(1)制得的含硝基多巴胺基团的壳聚糖衍生物溶解得到其水溶液(10mg/mL)，取10μL该壳聚糖水溶液与2μL Fe³⁺溶液混合滴入两皮肤组织紧邻的空隙，再缓缓滴入1mol/L的NaOH溶液，可以观察到空隙处逐渐形成黄褐色的壳聚糖水凝胶。5分钟后，用力学测试机来测试其黏附强度。

实验测得空隙处形成的壳聚糖水凝胶的黏附强度为135.8kPa。

实施例2

(1)制备含硝基多巴胺基团的壳聚糖衍生物

取100mg羧甲基壳聚糖(Mn＝3.6×10⁴Da，D_S＝0.4)溶解于50mL的去离子水中，在通氮气保护下加入5mL含230mg(2.0mmol)N-羟基丁二酰亚胺(NHS)和792mg(4.0mmol)硝基多巴胺硫酸氢盐(Mn＝198)的DMF溶液，再加入384mg(2.0mmol)1-乙基-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺(EDC)，室温条件下搅拌反应5h。然后在去离子水中透析两天、真空冷冻干燥，得到含硝基多巴胺基团的壳聚糖衍生物。

(2)自修复、光敏感壳聚糖凝胶的制备

将步骤(1)制备的含硝基多巴胺基团的壳聚糖衍生物溶于20mL水得到浓度为40mg/mL溶液，与5mL80mmol/L的FeCl₃醋酸溶液混合搅拌，慢慢滴加1mol/L的NaOH溶液调节溶液的pH为7.5，得到黄褐色的壳聚糖水凝胶。

实验一：壳聚糖水凝胶的自修复性实验

采用步骤(1)～(2)的方法制得两份壳聚糖水凝胶，然后将它们紧贴放置，7分钟后发现两个凝胶连在一起。

实验二：壳聚糖水凝胶的光敏感性实验

将步骤(2)制得的壳聚糖水凝胶用波长为365nm、功率为20W的紫外灯光照射，照射8分钟后，该壳聚糖水凝胶变成了水溶胶。

实验三：壳聚糖水凝胶的吸水率实验

参照实施例1中的吸水率测试方法，测得本实施例制得的壳聚糖水凝胶的吸水率为96.8％。

实验四：壳聚糖水凝胶的黏附强度实验

参照实施例1的黏附强度测试方法，以本实施例中步骤(1)制得的含硝基多巴胺基团的壳聚糖衍生物为原料在两皮肤组织紧邻空隙处形成壳聚糖水凝胶，并测量形成的壳聚糖水凝胶的黏附强度，实验测得的黏附强度为141.5kPa。

实施例3

(1)制备含硝基多巴胺基团的壳聚糖衍生物

取100mg羧甲基壳聚糖(Mn＝5×10⁴Da，D_S＝0.4)溶解于50mL的去离子水中，在通氮气保护下加入10mL含345mg(3.0mmol)N-羟基丁二酰亚胺(NHS)和990mg(5.0mmol)硝基多巴胺硫酸氢盐的DMF溶液，再加入576mg(3.0mmol)1-乙基-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺(EDC)，室温条件下搅拌反应50h。然后在去离子水中透析两天、真空冷冻干燥，得到含硝基多巴胺基团的壳聚糖衍生物。

(2)自修复、光敏感壳聚糖凝胶的制备

将步骤(1)制备的含硝基多巴胺基团的壳聚糖衍生物溶于20mL水得到浓度为80mg/mL溶液，与5mL100mmol/L的FeCl₃醋酸溶液混合搅拌，慢慢滴加1mol/L的NaOH溶液调节溶液的pH为8.5，得到黄褐色的壳聚糖水凝胶。

对制得的壳聚糖水凝胶进行自修复性实验和光敏感性实验，实验结果与实施例1相近，即制得的壳聚糖水凝胶具备良好的自修复性和光敏感性。

参照实施例1中的吸水率测试方法及黏附强度测试方法，测得本实施例制得的壳聚糖水凝胶的吸水率为113.7％，黏附强度为121.4kPa。

实施例4

(1)制备含硝基多巴胺基团的壳聚糖衍生物

取100mg羧甲基壳聚糖(Mn＝10×10⁴Da，D_S＝0.5)溶解于50mL的去离子水中，在通氮气保护下加入5mL含575mg(5mmol)N-羟基丁二酰亚胺(NHS)和990mg(5mmol)硝基多巴胺硫酸氢盐(Mn＝198)的DMF溶液，再加入910mg(5mmol)1-乙基-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺(EDC)，室温条件下搅拌反应50h。然后在去离子水中透析两天、真空冷冻干燥，得到含硝基多巴胺基团的壳聚糖衍生物。

(2)自修复、光敏感壳聚糖凝胶的制备

将步骤(1)制备的含硝基多巴胺基团的壳聚糖衍生物溶于25mL水得到浓度为80mg/mL溶液，与5mL150mmol/L的FeCl₃醋酸溶液混合搅拌，慢慢滴加1mol/L的NaOH溶液调节溶液的pH为9.5，得到黄褐色的壳聚糖水凝胶。

对制得的壳聚糖水凝胶进行自修复性实验和光敏感性实验，实验结果与实施例1相近，即制得的壳聚糖水凝胶具备良好的自修复性和光敏感性。

参照实施例1中的吸水率测试方法及黏附强度测试方法，测得本实施例制得的壳聚糖水凝胶的吸水率为116.3％，黏附强度为137.5kPa。

实施例5硝基多巴胺的量对制得的壳聚糖水凝胶性能的影响

参照实施例1的方法，进行5组平行实验，区别在于步骤(1)中加入的硝基多巴胺的量分别为0.1mmol、0.5mmol、3mmol、5mmol和7mmol，最终制得的壳聚糖水凝胶的性能如下表1。

表1加入不同量的硝基多巴胺制得的壳聚糖水凝胶的性能

由表1可以看出，酰化反应中加入的硝基多巴胺的量直接影响形成的壳聚糖水凝胶的自修复性能、吸水性和粘附性，当加入的羧甲基壳聚糖的质量与硝基多巴胺的摩尔数之比为100:0.5～5时，壳聚糖水凝胶的自修复凝胶化时间明显缩短，仅为5～6min，同时，其吸水性和粘附性显著提升，吸水率达到102％～107％，黏附强度达到135.8～141kpa，可以较好地黏附在创面上，并在创伤面上较长时间地维持一个最佳湿润环境，加速伤口的愈合。

实施例6羧甲基壳聚糖的取代度对制得的壳聚糖水凝胶性能的影响

参照实施例1的方法，进行5组平行实验，区别在于步骤(1)中羧甲基壳聚糖的取代度分别为0.2、0.3、0.4、0.5和0.6，最终制得的壳聚糖水凝胶的性能如下表2。

表2以不同取代度的羧甲基壳聚糖为原料制得的壳聚糖水凝胶的性能

由表2可知，羧甲基壳聚糖的取代度也是影响壳聚糖水凝胶性能的重要因素，当选取的羧甲基壳聚糖的取代度为0.3～0.5时，形成的壳聚糖水凝胶的自修复性、吸水性和粘附性均达到最强，其自修复凝胶化时间仅为5～6min，同时，其吸水率为102％～112％，黏附强度为135.8～142kpa，用作伤口愈合敷料、组织工程粘结剂等方面性能优异；当羧甲基壳聚糖的取代度大于0.5或小于0.3时，形成的壳聚糖水凝胶的自修复性、吸水性和粘附性均大幅减弱。