本发明涉及一种纳米复合水凝胶抗菌敷料，尤其是涉及一种天然聚多糖/纳米TiO2复合水凝胶光敏抗菌敷料及辐射合成方法。
背景技术：
传统的水凝胶敷料具有可吸收创面渗出液，保持创面湿润，减少疤痕形成，促进伤口愈合等优点，越来越受到人们的关注。特别适用于创伤、烫伤、烧伤等创面保护和治疗。这些水凝胶敷料产品普遍较厚，增加了生产成本，在一定程度上削弱了产品的舒适性，且不具有很好的自然光下的抗菌效果。从传统水凝胶敷料产品的结构上来看，有一定的透气能力，但是该普通粘附层的吸水能力不强，直接影响了日常使用。有些水凝胶产品中因含有PE、PP和PVC等不透气的材料而影响皮肤的正常呼吸，长期贴用这种材料会产生过敏等不良反应。传统的水凝胶敷料普遍采用化学交联法。但是，因交联剂或化学交联反应不完全，化学交联法容易导致水凝胶网络体系中残留聚合物单体，这些单体可能对人体产生毒性，难以得到高纯度的交联产物，同时会出现不均匀交联，局部发生“烧焦现象”，并且化学交联难以控制交联度，从而影响了水凝胶的生物相容性,制约了水凝胶作为多功能材料的应用。为克服化学交联法带来的不足，辐射交联合成智能水凝胶的方法应运而生。辐射交联相对于化学交联实现了有效的补充和完善，具体表现为：①反应过程不需要添加任何对人体有毒的物质，交联度高，水凝胶纯度高；②反应条件温和，在室温下即可进行；③通过控制聚合物组分和辐照条件可以准确调控水凝胶的力学性能；④水凝胶制备、塑形及灭菌过程可同步完成。从综合和长远的角度看，利用辐照技术制备水凝胶所花费的经济成本较低。因此，辐射合成技术已成为智能水凝胶制备极富前景的研究途径。天然聚多糖是绿色高分子，是指自然界生物体内存在的高分子化合物。其独特的结构不仅赋予同合成高分子相当甚至更好的功能，而且其常具有无(低)毒、良好生物组织细胞相容、可生物降解等特性使其应用更加广泛。基于各种天然聚多糖的功能性产品、材料越来越引人注目。其中，对壳聚糖、纤维素、明胶、淀粉、海藻酸钠、胶原蛋白等天然聚多糖作为智能水凝胶的优良基体材料受到广泛应用。纳米TiO2具有无色无味、不燃烧、理化性质稳定、生物相容性、高耐光性、环境亲和性、低成本和材料耐久性等优点决定其在生物医学、抗菌杀菌、环境净化等领域具有广泛的用途。但是，单一组分材料在实际应用时常有不足之处(特别是力学性能和生物、生理功能方面)，限制其作为功能材料的应用。因此，将纳米TiO2引入到天然聚多糖的网络结构中，能有效吸收自然光的能量，激发水分子产生活性自由基，从而提高水凝胶敷料的抗菌性能，同时也改善了天然聚多糖水凝胶的力学性能，实现了有利性能结合、力学性能提高和生物生理功能增强的协同增效效果。因此，使用透气的背衬层和与皮肤直接接触的复合光敏抗菌水凝胶敷料进行组合是解决传统敷料固有缺点的有效途径，这种复合型水凝胶敷料给创面提供一个湿润、透气、自然光下有效抗菌的舒适环境，并能充分缓冲外界给予创面的冲击力，是一种真正意义上的创面保护材料，具有广泛的应用前景。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种光敏抗菌的天然聚多糖/纳米TiO2复合水凝胶敷料，既实现了复合水凝胶性能的最大优化，将光敏、抗菌有机统一，也实现了纳米TiO2和天然聚多糖水凝胶多元复合协同抗菌效果。该复合水凝胶敷料具有透明、透气、不与组织粘接、柔韧性好等特点，适用于多种创面的保护和治疗。本发明的另一目的旨在于提供该光敏抗菌复合水凝胶敷料的辐射合成方法。本发明的天然聚多糖/纳米TiO2复合水凝胶光敏抗菌敷料结构是由背衬层(上层)、水凝胶敷料层(中层)和剥离层(下层)组成，其中，背衬层的厚度为10～100μm，水凝胶敷料层的厚度是0.1mm～10mm。其中，所述的背衬层是由无纺布或纤维织物中的涤纶、麻、棉、蚕丝、合成纤维中的一种组成。其中，所述的剥离层是选自硅酮纸、PE膜、PP膜或PVC膜中的一种。其中，所述的水凝胶是由其重量百分比为10％～40％天然聚多糖、0.1％～10％的纳米TiO2、0.1％～5％辐照敏化剂、0.1％～3％pH调节剂、0.1％～3％表面活性剂和60％-95％水组成经辐射交联而成，辐射固化后其交联度为30％～74％，平衡吸水率为250％～800％。所述的天然聚多糖为壳聚糖、羧甲基壳聚糖、羧甲基纤维素、明胶、羧甲基淀粉、海藻酸钠、卡拉胶、细菌纤维素等中的一种或几种。一种或几种天然聚多糖在辐照的过程中，可以发生自交联或彼此相互交联，提高水凝胶力学性能和抗菌效果。同时，天然聚多糖可发生自降解，是一种绿色环保材料。所述的纳米TiO2是平均直径为10～80nm规则与不规则的球状微粒，其类型为P25、CdTe量子点敏化修饰的纳米TiO2、以及Se、Fe或Sr掺杂改性的纳米TiO2等中的一种或几种。复合水凝胶光敏抗菌敷料中引入光敏性的纳米TiO2，既可提高复合水凝胶的力学性能，又可使得复合水凝胶有效吸收自然光的能量，激发水分子产生活性自由基，从而提高复合水凝胶在自然光下的抗菌效果。所述的辐照敏化剂为胶原蛋白、聚乙烯醇、N-异丙基丙烯酰胺、过硫酸铵等一种或几种。在辐照过程中，辐照敏化剂首先迅速产生活性自由基，从而引发天然聚多糖产生活性自由基，彼此之间迅速发生交联而制备出复合水凝胶。辐照敏化剂的引入，调控其加入剂量，明显缩短辐照交联所需的时间，提高生产效率，确保复合水凝胶具有适当的交联度。所述的pH调节剂为氢氧化钠、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、亚氨基二乙酸、三乙醇胺中的一种。pH调节剂的引入，可以调节高分子和纳米材料形成的混合乳液体系的等电点和稳定的分散性，确保高分子自身不缠结，有利于后期辐射交联的顺利进行。所述的表面活性剂为Tween(吐温)、Span(斯盘)、Myrij(卖泽)、Brij(苄泽)、单硬脂酸甘油酯等一种或几种。表面活性剂能使得纳米TiO2有效稳定的分散到高分子溶液体系中，确保后期水凝胶层的均匀性和美观度。所述光敏抗菌复合水凝胶敷料的辐射合成方法包括以下步骤：1、利用超声波、表面活性剂(0.1％～3％)、蒸馏水或去离子水(60％～95％)共同分散纳米TiO2(0.1％～10％)的时间为0.5～2h，使其均匀形成稳定的乳液体系；2、制备水凝胶的材料天然聚多糖(10％～40％)、辐照敏化剂(0.1％～5％)、pH调节剂(0.1％～3％)溶于蒸馏水或去离子水中，搅拌制成均匀高分子溶液；3、将步骤2所得中间产品缓慢加入到步骤1所得的纳米TiO2乳液体系，超声搅拌均匀后，通入N2约为0.5～1h，之后抽真空脱泡；4、将步骤3所得混合体系浇注在摸具中或流延预制成0.5～3mm的薄膜，快速循环冷冻-干燥3～5次成型，将此成型的薄膜产品用PE密封包装；5、将步骤4所得产品置于伽马射线或电子射线产生的电离射线下进行辐射交联反应，选择辐射电压为1～5MeV，辐射剂量为10～150kGy，剂量率为10～80kGy/h，最后所得的产物即为天然聚多糖/纳米TiO2复合水凝胶光敏抗菌敷料；其中，水凝胶下的剥离层是一层涂有硅酮的离型纸或一层PE膜、PP膜、PVC膜等剥离膜，以便在使用前撕下来。本发明的有益效果是：1、辐照技术无毒、反应条件温和，反应过程不添加交联剂、引发剂以及任何对人体有毒的物质，对皮肤不会产生任何不良影响且具有保湿降温、止血收敛、抑菌杀菌、促进伤口愈合、吸附伤口渗出液、保持伤口环境湿润等功能；2、水凝胶制备、塑形及灭菌过程可同步完成，大大简化了生产工艺，节约成本，提高了产品的保质期和使用寿命；3、通过控制聚合物组分和辐照条件可以准确调控水凝胶的力学性能，能赋予水凝胶更良好的吸水性、柔韧性、生物相容性、有效性及安全性，特别适用于保湿美容美白面膜、降温退热贴，烧伤、烫伤、糖尿病溃疡等创面伤口的保护和愈合，且在愈合过程中不结痂，减少疤痕的形成；4、将复合水凝胶用作光催化剂，水凝胶能为光催化提供极其有利的光敏协同增效的催化平台，使得抗菌效果进一步增强；5、采用了生物可降解的天然聚多糖材料，自身缓慢降解的同时留存的纳米TiO2可回收利用，达到了循环利用之目的，进一步节约了生产成本；6、将光敏、抗菌有机统一，改变了水凝胶的力学性能、生理生化性能及其使用寿命，多元复合的协同增效也改变了光催化途径，使得纳米TiO2的作用得以最大发挥。具体实施方式下面通过实施例对本发明作进一步说明。实施例1：1、取羧甲基壳聚糖3.64g、纳米TiO20.036g、聚乙烯醇(聚合度1670)0.036g、磷酸二氢钠0.364g、Tween0.036g和水32ml备用；2、取上述去离子水25ml、纳米TiO2、Tween依次加入容器中，置于超声发生器中超声1h，形成稳定的纳米TiO2乳液体系；3、取聚乙烯醇(聚合度1670)投入到95℃的7ml去离子水中，搅拌速率为150r/min，加热搅拌时间2h，完全溶解后，冷却至50℃，分别加入羧甲基壳聚糖、磷酸二氢钠，搅拌1h，使其完全溶解形成均匀溶液；4、将步骤3所获的溶液与步骤2所获的纳米TiO2乳液体系混合，搅拌0.5h后静置2h，抽真空脱泡后注入到15×5×1mm3的PE模具中，快速真空冷冻—干燥成型，将干燥成型物用PE薄膜袋真空封装置于室温下解冻，再经3次循环冷冻—解冻过程后，获纳米TiO2复合水凝胶片；5、将步骤4所获的纳米TiO2复合水凝胶片用电子束加速器辐照，选用辐照剂量为30kGy，小车速度6m/min，电压为750KeV，束流10mA的条件进行辐照，获纳米TiO2复合水凝胶光敏抗菌敷料；6、在纳米TiO2复合水凝胶光敏抗菌敷料一面覆盖无纺布，另一面覆盖PE膜，裁切成形后装入塑料袋密封，再用伽马射线辐照灭菌后的产品为天然聚多糖/纳米TiO2复合水凝胶光敏抗菌敷料；7、纳米TiO2复合水凝胶光敏抗菌敷料的交联度和吸水性能测试结果如下：交联度为36％，平衡吸水率为286.5％。对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌圈均大于6mm，且大于无纳米TiO2水凝胶敷料的抑菌圈。通过自动细菌计数器测试得出抗菌率为80％以上，具有光敏协同抗菌功能。实施例2：1、取羧甲基纤维素钠40g、胶原蛋白3g、P255g、CdTe量子点敏化修饰的纳米TiO25g、氢氧化钠3g、Span1g、Tween1g、Brij1g和水43ml备用；2、取上述去离子水17ml、P25、CdTe量子点敏化修饰的纳米TiO2、Span、Tween、Brij依次加入容器中，置于超声发生器中超声1h，形成稳定的纳米TiO2乳液体系；3、将40g羧甲基纤维素钠、3g胶原蛋白、3g氢氧化钠投入到35℃的26ml去离子水中，加热搅拌时间2h，在搅拌下，加入到纳米TiO2胶体体系中；4、将步骤3所获的溶液与步骤2所获的纳米TiO2胶体体系混合，搅拌0.5h后静置2h，将搅拌均匀的胶冻状样品研压成团，用压片机压片后，装入自封袋中，抽真空脱气，获每片的厚度不得超过1mm；5、将步骤4所获的纳米TiO2复合水凝胶片用电子束加速器辐照，选用辐照剂量为25kGy，小车速度6m/min，电压为750KeV，束流10mA的条件进行辐照，获纳米TiO2复合水凝胶光敏抗菌敷料；6、在纳米TiO2复合水凝胶光敏抗菌敷料一面覆盖合成纤维布，另一面覆盖PE膜，裁切成形后装入塑料袋密封，再用伽马射线辐照灭菌后的产品为天然聚多糖/纳米TiO2复合水凝胶光敏抗菌敷料；7、纳米TiO2复合水凝胶光敏抗菌敷料的交联度和吸水性能测试结果如下：水凝胶交联度为31％，平衡吸水率为797.8％。对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌圈均大于6mm,且大于无纳米TiO2水凝胶敷料的抑菌圈。抗菌率为80％以上，具有光敏协同抗菌功能。实施例3：1、取细菌纤维素1g、Se掺杂改性的纳米TiO20.1g、聚乙烯醇(聚合度1670)6g、磷酸二氢钠0.1g、磷酸氢二钠0.1g、单硬脂酸甘油酯0.1g、Myrij0.1g和水50ml备用；2、取上述去离子水25ml、Se掺杂改性的纳米TiO2、单硬脂酸甘油酯、Myrij依次加入容器中，置于超声发生器中超声1h，形成稳定的纳米TiO2乳液体系；3、取聚乙烯醇(聚合度1670)投入到95℃的25ml去离子水中，搅拌速率为150r/min，加热搅拌时间2h，完全溶解后，冷却至50℃，分别加入细菌纤维素、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠，搅拌1h，使其完全溶解形成均匀溶液；4、将步骤3所获的溶液与步骤2所获的纳米TiO2乳液体系混合，搅拌0.5h后静置2h，抽真空脱泡后注入到15×5×1mm3的PE模具中，快速真空冷冻—干燥成型，将干燥成型物用PE薄膜袋真空封装置于室温下解冻，再经3次循环冷冻—解冻过程后，获纳米TiO2复合水凝胶片；5、将步骤4所获的纳米TiO2复合水凝胶片用电子束加速器辐照，选用辐照剂量为150kGy，小车速度6m/min，电压为750KeV，束流10mA的条件进行辐照，获纳米TiO2复合水凝胶光敏抗菌敷料；6、在纳米TiO2复合水凝胶光敏抗菌敷料一面覆盖蚕丝布，另一面覆盖PE膜，裁切成形后装入塑料袋密封，再用伽马射线辐照灭菌后的产品为天然聚多糖/纳米TiO2复合水凝胶光敏抗菌敷料；7、纳米TiO2复合水凝胶光敏抗菌敷料的交联度和吸水性能测试结果如下：水凝胶交联度为47％，平衡吸水率为343.2％。对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌圈均大于6mm，且大于无纳米TiO2水凝胶敷料的抑菌圈。抗菌率为80％以上，具有光敏协同抗菌功能。实施例4：1、取细菌纤维素1g、羧甲基壳聚糖4g、P250.05g、Fe掺杂改性的纳米TiO20.05g、N-异丙基丙烯酰胺1g、三乙醇胺0.1g、Myrij0.1g和水50ml备用；2、取上述去离子水25ml、P25、Fe掺杂改性的纳米TiO2、Myrij依次加入容器中，置于超声发生器中超声1h，形成稳定的纳米TiO2乳液体系；3、将4g羧甲基壳聚糖、N-异丙基丙烯酰胺1g，分别投入到25ml去离子水中，搅拌时间1h，完全溶解后，分别加入1g细菌纤维素、0.1g三乙醇胺，搅拌1h，使其完全溶解形成均匀溶液；4、将步骤3所获的溶液与步骤2所获的纳米TiO2乳液体系混合，搅拌0.5h后静置2h，抽真空脱泡后注入到15×5×1mm3的PE模具中，快速真空冷冻—干燥成型，将干燥成型物用PE薄膜袋真空封装置于室温下解冻，再经3次循环冷冻—解冻过程后，获纳米TiO2复合水凝胶片；5、将步骤4所获的纳米TiO2复合水凝胶片用电子束加速器辐照，选用辐照剂量为80kGy，小车速度6m/min，电压为750KeV，束流10mA的条件进行辐照，获纳米TiO2复合水凝胶光敏抗菌敷料；6、在纳米TiO2复合水凝胶光敏抗菌敷料一面覆盖麻布，另一面覆盖PE膜，裁切成形后装入塑料袋密封，再用伽马射线辐照灭菌后的产品为天然聚多糖/纳米TiO2复合水凝胶光敏抗菌敷料；7、纳米TiO2复合水凝胶光敏抗菌敷料的交联度和吸水性能测试结果如下：水凝胶交联度为35％，平衡吸水率为412.6％。对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌圈均大于6mm，且大于无纳米TiO2水凝胶敷料的抑菌圈。抗菌率为80％以上，具有光敏协同抗菌功能。实施例5：1、取羧甲基纤维素钠30g、卡拉胶5g、Sr掺杂改性的纳米TiO21g、过硫酸铵1g、氢氧化钠0.9g、Tween0.05g、Brij0.05g和水63ml备用；2、取上述去离子水20ml、Sr掺杂改性的纳米TiO2、Tween、Brij依次加入容器中，置于超声发生器中超声1h，形成稳定的纳米TiO2胶体体系；3、将30g羧甲基纤维素钠、5g卡拉胶、过硫酸铵1g、0.9g氢氧化钠投入到35℃的43ml去离子水中，加热搅拌时间2h，在搅拌下，加入到纳米TiO2胶体体系中；4、将步骤3所获的溶液与步骤2所获的纳米TiO2胶体体系混合，搅拌0.5h后静置2h，将搅拌均匀的胶冻状样品研压成团，用压片机压片后，装入自封袋中，抽真空脱气，获每片的厚度不得超过1mm；5、将步骤4所获的纳米TiO2复合水凝胶片用电子束加速器辐照，选用辐照剂量为40kGy，小车速度6m/min，电压为750KeV，束流10mA的条件进行辐照，获纳米TiO2复合水凝胶光敏抗菌敷料；6、在纳米TiO2复合水凝胶光敏抗菌敷料一面覆盖棉布，另一面覆盖PE膜，裁切成形后装入塑料袋密封，再用伽马射线辐照灭菌后的产品为天然聚多糖/纳米TiO2复合水凝胶光敏抗菌敷料；7、纳米TiO2复合水凝胶光敏抗菌敷料的交联度和吸水性能测试结果如下：水凝胶交联度为31％，平衡吸水率为642.4％。对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌圈均大于6mm，且大于无纳米TiO2水凝胶敷料的抑菌圈。抗菌率为80％以上，具有光敏协同抗菌功能。实施例6：1、取羧甲基淀粉1g、P250.05g、CdTe量子点敏化修饰的纳米TiO20.05g、细菌纤维素2g、胶原蛋白0.5g、三乙醇胺0.1g、Tween0.05g、单硬脂酸甘油酯0.025g、Myrij0.025g和水50ml备用；2、取上述去离子水25ml、P25、CdTe量子点敏化修饰的纳米TiO2、Tween、单硬脂酸甘油酯、Myrij依次加入容器中，置于超声发生器中超声1h，形成稳定的纳米TiO2乳液体系；3、将8g羧甲基淀粉投入到25ml去离子水中，搅拌时间1h，完全溶解后，分别加入2g细菌纤维素、0.5g胶原蛋白、0.1g三乙醇胺，搅拌1h，使其完全溶解形成均匀溶液；4、将步骤3所获的溶液与步骤2所获的纳米TiO2乳液体系混合，搅拌0.5h后静置2h，抽真空脱泡后注入到15×5×1mm3的PE模具中，快速真空冷冻—干燥成型，将干燥成型物用PE薄膜袋真空封装置于室温下解冻，再经3次循环冷冻—解冻过程后，获纳米TiO2复合水凝胶片；5、将步骤4所获的纳米TiO2复合水凝胶片用电子束加速器辐照，选用辐照剂量为40kGy，小车速度6m/min，电压为750KeV，束流10mA的条件进行辐照，获纳米TiO2复合水凝胶光敏抗菌敷料；6、在纳米TiO2复合水凝胶光敏抗菌敷料一面覆盖涤纶布，另一面覆盖PE膜，裁切成形后装入塑料袋密封，再用伽马射线辐照灭菌后的产品为天然聚多糖/纳米TiO2复合水凝胶光敏抗菌敷料；7、纳米TiO2复合水凝胶光敏抗菌敷料的交联度和吸水性能测试结果如下：水凝胶交联度为38％，平衡吸水率为376.7％。对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌圈均大于6mm,且大于无纳米TiO2水凝胶敷料的抑菌圈。抗菌率为80％以上，具有光敏协同抗菌功能。以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计的前提下，其他人员对本发明的技术方案作出的各种改进和优化，均应包括在本发明权利要求书确定的保护范围内。