本发明属于材料科学领域，具体涉及一种多功能纳米纤维复合凝胶敷料的制备方法。
背景技术：
皮肤是人体组织的重要器官，皮肤的烧伤及擦伤容易造成体液流失、细菌感染并引起各类并发症甚至导致患者死亡，通常需要使用医用敷料来及时保护损伤部位避免感染和促进伤口愈合。随着伤口高质量护理及高端医药产品的发展，对医用敷料提出了更高的要求，如何快速促进伤口愈合、减少疤痕和疼痛等问题，成为新型医用敷料研究的主要目标。然而，伤口愈合过程往往较为复杂，不同阶段所对应的治疗需求各有不同，而大多医用敷料仅具有较为单一的生物活性，限制了其对伤口愈合的多重促进效果，目前仍未发现哪一种敷料能够完全应对伤口愈合的整个过程，频繁的更换敷料不仅会影响伤口的愈合效果、增加患者痛苦，还会造成巨大的资源浪费。基于以上所述，构建具有多层次结构的复合型敷料有望缓解这一难题，仿生结构可提供模拟皮肤组织独特的微环境，多种构成组分及选择性负载活性药物，可从功能上满足伤口愈合不同阶段的治疗需求，多层结构可实现药物自上而下的分层梯度缓释，从时间上满足伤口愈合发生的不同时期，实现对伤口愈合不同阶段的“靶向”治疗，延长医用敷料的治疗效果、最大程度的促进伤口愈合。目前新型医用敷料已在美国、日本以及欧洲国家得到广泛的应用，而我国高端医用敷料仍主要依靠进口，不仅价格昂贵而且治疗效果有限。因此，如何通过对加工工艺进行设计和控制，制备出具有特定结构及功能的新型敷料是学界的研究热点，也是打破国外高端医用敷料市场垄断的必经之路。因此，本项目的研究目标是通过构建一种具有仿生多层结构的复合膜，探讨膜的结构与多组分药物分层梯度缓释等功能之间的内在关系，阐明药物分层梯度缓释的运行机理，为多层复合薄膜材料在促进伤口愈合方面的研究提供理论基础。
新型医用敷料主要包括薄膜类、水凝胶类、藻酸盐类、泡沫类、水胶体类和药用类等，其中水凝胶敷料因其含水量大、吸水性强、表面光滑不粘连伤口、良好的生物相容性等优点，在促进伤口愈合方面表现出独特的优势，如高含水量可持续为伤口提供湿润环境并能促进伤口自溶性清创，特殊的三维空间结构可提供高度模拟细胞外基质的微环境，规则的孔隙可为细胞的增殖提供更大的有效面积，促使成纤维细胞迅速附着、扩散和增殖，良好的刺激响应性可实现药物的负载和缓释。另外，最新研究报道指出，基于粘多糖的水凝胶可以通过静电作用吸取组织细胞释放至伤口处的趋化因子，从而避免因其过量而诱发的慢性炎症，同时可抑制嗜中性粒细胞和单核细胞的迁移，对慢性伤口的愈合起到了良好的促进作用，表明水凝胶材料已成为新型医用敷料发展的研究热点。
水凝胶质软可以与不规则创面紧密贴合，但力学性能较差且单一化学组分极大的限制了水凝胶敷料的功能与应用，往往需要通过与其它材料共混和多层敷料进行辅助治疗，从而在提高力学强度的同时将多种材料的优异性能有效结合，通过简单的调节溶液浓度、配比及制备方法可对复合凝胶的微观结构及性能进行控制。目前，对于制备多层复合敷料的研究报道有很多，如采用浸渍沉淀相反转法和湿干相反转法均可制得具有不对称结构的双层膜，其微孔状致密表层可阻止细菌的渗透和提高保水性能，而大孔海绵状的内层可通过毛细作用排除伤口处的分泌物，同时保持良好的透氧能力和吸水能力，可负载磺胺嘧啶银来抑制伤口感染，对伤口愈合表现出良好的促进效果。另外，利用叠层法和层层自组装法可构筑较多层数及厚度可控的水凝胶薄膜，能够显著的提高凝胶力学性能和有效的控制药物缓慢释放。多层水凝胶材料近年来因其特殊的仿生结构而备受关注，虽然力学强度和功能有所改善，但是制备过程一般较为复杂，部分使用有机化学试剂容易造成污染和使负载的活性因子失活；另外高分子溶液粘度高、分子量大，难以对其所制备的凝胶层厚及孔隙结构进行精确控制，并且随着凝胶层数增多而导致其制备难度成倍增加，极大的限制了复杂结构水凝胶材料的设计及构筑。虽然通过静电纺丝和3d打印等技术可从纳米尺度构建多层载药薄膜，但往往对设备要求较高，并且需要较长的时间来制备样品，难以满足医用敷料庞大的市场需求。
壳聚糖是甲壳素的脱乙酰化产物，化学名称为聚葡萄糖胺(1-4)-2-氨基-b-d葡萄糖，主要来源于虾、蟹等甲壳类动物的外壳以及菌、藻类低等植物的细胞壁，是自然界中仅次于纤维素的第二大生物衍生资源。近年来，壳聚糖在生物材料领域的应用日益引起人们的重视，由于壳聚糖独特的生理活性，具有止痛、止血、促进伤口愈合、减小疤痕、抑菌、良好的生物相容性和可降解性等多重优异性能，研究表明壳聚糖在伤口愈合多个阶段都能起到一定的促进作用。此外，壳聚糖还具有特殊ph响应性，是目前发现的唯一能在电场诱导下形成水凝胶的天然阳离子聚合物，经电场刺激可诱导壳聚糖分子(pka～6.3)发生去质子化作用而从溶液中析出，在电极表面形成一层质地均匀透明的凝胶薄膜，该薄膜可以从电极表面轻易取下，能够在自然条件下稳定保存，中断其凝胶化过程可形成分层结构，是构筑多层复合型水凝胶敷料的理想选择。
电泳沉积法是近些年来逐渐发展起来制备壳聚糖水凝胶薄膜的一种新兴方法，相对于物理化学及辐射交联等方法制备壳聚糖水凝胶，电泳沉积法显示出其独特的优势：(1)操作简单、反应温和、不需添加其它化学试剂、能在水相中进行且反应过程不改变溶液组份，有利于活性药物的负载；(2)制备所需电压低(～2v)且耗时短(～3min)，可选择合适尺寸及组合电极进行工作，无需精密仪器，适和规模化生产；(3)凝胶形貌、微观结构可控(如，转移电量q＝∫idt)及功能化过程简单，薄膜厚度可控制在几微米到几百微米之间，重复性好，有利于对膜的组成、结构和功能进行精细调控。
综上所述，多层水凝胶敷料已有广泛的研究，但主要集中物理、化学及辐射交联的方法制备单层和双层敷料，对于更多层水凝胶在伤口敷料方面的研究较少，主要原因在于水凝胶质软难以对其结构进行精确控制，然而多层水凝胶的内部结构包括层数、层厚及各层孔隙结构等是实现活性药物负载和分层梯度释放的关键因素，因此，本项目提出构建一种多功能壳聚糖纳米纤维复合凝胶薄膜敷料，实现多组分药物的分时/层梯度控制缓释。其中构建多层复合凝胶膜需解决的关键问题是：(1)选取具有良好生物相容性及可降解的材料构建凝胶复合膜；(2)多层凝胶复合膜快速构建方法的选取及机制。
技术实现要素：
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种多功能纳米纤维复合凝胶敷料的制备方法，将纳米纤维模板法及电泳沉积技术相结合，该薄膜可作为敷料进行药物的控制缓释，达到智能修复的效果。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种多功能纳米纤维复合凝胶敷料的制备方法，包括如下步骤：
1)纳米纤维微孔模板的制备：
将聚乙烯醇/聚乙烯(pva/pe)与醋酸丁酸纤维素(cab)共混高温熔融挤出，将挤出物拉伸得到pva-co-pe与cab的混合纤维；
将上述得到的混合纤维在丙酮中80℃连续萃取72小时，除去混合纤维中的cab，将萃取干净的pva-co-pe纳米纤维取出，晾干，得到纯净的pva-co-pe纳米纤维；
将上述得到的干燥的纳米纤维分散于醇水混合溶液中，高速旋转剪切，得到混合均匀的pva-co-pe纳米纤维墨水；
将pdms压模与纳米纤维墨水接触，然后将浸有纳米纤维墨水的pdms压模压到钛片电极上，在钛片电极表面构筑出具有不同孔隙阵列结构的纳米纤维膜，即得到修饰有纳米纤维微孔薄膜层的钛片；
2)沉积前驱液的配制：
称取壳聚糖于去离子水中，加入1m盐酸，搅拌6小时至其完全溶解，去除难溶杂质，得到壳聚糖(cs)溶液，在4℃条件下保存备用；
量取上述壳聚糖溶液，向其中加入nacl，搅拌均匀后制得含不同浓度nacl的壳聚糖溶液，含有nacl的溶液现配现用；
3)复合凝胶薄膜的电泳沉积制备：
利用金属pt作阳极，步骤1)中得到的修饰有纳米纤维微孔薄膜层的钛片作阴极，用步骤2)中制备的不同浓度nacl的壳聚糖溶液依次进行电泳沉积，制备出壳聚糖凝胶层，通电结束后将电极从壳聚糖溶液中取出，离子水冲洗后，将凝胶从电极表面剥离，得到壳聚糖/纳米纤维复合凝胶薄膜。
具体的，所述步骤1)中的钛片电极可替换为表面是金、银、铜或铁金属涂层的片状电极。
具体的，所述步骤1)中pdms压模与纳米纤维墨水接触可替换为通过气流辅助喷铸或滴铸在pdms弹性副模板上。
具体的，所述步骤1)得到的纳米纤维膜厚度控制在10μm～500μm；微孔直径5μm～200μm。
具体的，所述步骤2)中的配置壳聚糖溶液浓度为0.5％～2％，nacl浓度控制在0m～0.7m。
具体的，所述步骤3)中的电极形状为弧形电极。
具体的，所述步骤3)中阴阳两电极分别连接至电化学工作站，控制两电极间距为50mm，电极浸没深度为25mm～10mm，采用恒电流输出模式，设置沉积电流密度为20a/m2，在质量分数为1％，ph＝5的壳聚糖溶液中进行电泳沉积。
具体的，所述步骤3)中片状电极单侧有效面积为0.4cm2～100cm2；设置恒定工作电流密度为0.5～40a/m2；沉积时间为1min～30min；沉积层数控制在2层～10层。
具体的，所述步骤2)中配制壳聚糖溶液分为两组，向其中一份溶液中添加0.4mnacl，另一份溶液不添加nacl，在钛片表面进行电泳沉积，设置沉积电流密度为20a/m2，各通电3分钟，分别制备出含有疏松型壳聚糖凝胶层或致密型壳聚糖凝胶层的壳聚糖/纳米纤维复合凝胶薄膜。
上述任一种多功能纳米纤维复合凝胶敷料的制备方法，所述步骤2)中将活性药物添加到所配制的壳聚糖溶液中，搅拌均匀后再进行共混沉积，生成负载药物的复合凝胶薄膜。
本发明的有益效果在于：
1)本发明将纳米纤维微孔模板与壳聚糖电泳沉积技术相结合，能够快速制备出具有多层结构的纳米复合凝胶薄膜，利用消耗电量q＝∫idt和沉积次数，使薄膜厚度及层数精确可控，薄膜成型后可轻易从电极表面揭下并保持稳定。
2)本发明可在纳米纤维膜提供的微孔阵列模板内形成壳聚糖微凝胶，可作为给药通道，通过控制微孔的结构实现所负载药物的控制缓释，延长治疗效果。
3)本发明通过nacl调控，可制备出各层具有不同致密程度或孔隙结构的多层复合凝胶，并各层选择负载活性目标药物，可根据各凝胶层层厚、空间位置及孔隙结构，实现药物的分层梯度释放。
4)本发明可以通过改变工作电极的大小及形状，可制备出具有不同宏观形貌的凝胶薄膜，以满足不同的应用需求，如：眼贴、鼻贴及面膜。
5)本发明无需去除模板，纳米纤维薄膜可作为载体提高整体力学强度，所用材料均具有良好生物相容性及可降解性，无污染，可快速批量制备，适合工业化生产。
附图说明
图1为实施例1中壳聚糖/纳米纤维复合凝胶薄膜制备过程的示意图；
图2为实施例2中壳聚糖/纳米纤维复合凝胶薄膜制备过程的示意图；
图3为实施例3中壳聚糖/纳米纤维复合凝胶薄膜制备过程的示意图；
图4为实施例4中不同nacl浓度下壳聚糖电泳沉积所制备凝胶薄膜孔隙结构形貌的sem测试结果图；
图5为实施例5中多层复合凝胶薄膜作为智能伤口敷料时药物分层梯度控制缓释的机制示意图。
具体实施方式
为了更好地解释本发明，以下结合具体实施例进一步阐明本发明的主要内容，但本发明的内容不仅仅局限于以下实施例。
以下实施例制备纳米纤维微孔模板，即得到修饰有纳米纤维微孔薄膜层的钛片的过程均相同，具体步骤如下：
a)采用相分离技术将两不相容体系熔融共混，使用双螺杆挤出机将pva-co-pe与cab以一定比例共混高温熔融挤出，将挤出物拉伸得到pva-co-pe与cab的混合纤维。
b)将得到的混合纤维均匀缠绕在自制的不锈钢钢架上，然后放入自制的索氏萃取装置中，通过冷凝回流作用在丙酮中80℃连续萃取72h，除去混合纤维中的cab，将萃取干净的pva-co-pe纳米纤维取出，放入通风橱中晾干，得到纯净的pva-co-pe纳米纤维，
c)将干燥的纳米纤维分散于一定比例混合的醇水混合溶液中，在乳化机高速旋转剪切作用下，得到混合均匀的pva-co-pe纳米纤维墨水。
d)以具有不同几何结构的聚二甲基硅氧烷(pdms)为弹性副模板，将具有不同浓度、流变性能和表面张力的纳米纤维墨水通过气流辅助喷铸或滴铸在pdms模板上，固化过程中，由于纳米材料降低表面能的内在要求和分子间相互作用力的存在，纳米纤维相互缠结、聚集成型；或将pdms压模与纳米纤维墨水接触，然后将浸有纳米纤维墨水的pdms压模压到片状电极上，通过控制压模的带液量、分布等构筑出表面具有不同孔隙阵列结构的纳米纤维膜，其纳米纤维膜厚度为10μm～500μm，微孔直径为5μm～200μm。
凝胶薄膜的电泳沉积制备过程均在室温条件下进行，使用两电极体系，阴极为纳米纤维薄膜修饰的钛片，背面经绝缘胶封闭，阳极采用铂丝，将两电极分别连接至电化学工作站(624d，chiinstrument，上海)，控制两电极间距为50mm，电极浸没深度为25mm～10mm，采用恒电流输出模式。
实施例1
该实例阐释了壳聚糖在纳米纤维微孔模板基础上进行电泳沉积制备复合凝胶薄膜，通电后壳聚糖分子会在纳米纤维膜表面及微孔内形成壳聚糖凝胶层，同时添加活性药物后，可通过共混电泳沉积将活性药物包埋于壳聚糖凝胶内，利用微孔内形成的微凝胶给药通道实现活性药物的控制释放。
具体步骤为：
制备得到的纳米纤维微孔模板上纳米纤维膜厚度为163μm，微孔直径为30μm。
称取一定量壳聚糖粉末于去离子水中，用胶头滴管逐滴加入1m盐酸，磁力搅拌6小时至其完全溶解，利用真空抽滤装置将难溶杂质去除，最终得到ph约为5、质量分数为1(w/v)％的壳聚糖(cs)溶液，在4℃条件下保存备用。向溶液中添加0.5mnacl，在纳米纤维微孔薄膜修饰的钛片表面进行电泳沉积，片状电极单侧有效面积为100cm2，电极浸没溶液深度为20mm，设置沉积电流密度为20a/m2，通电30分钟，待沉积过程结束后将电极与电化学工作站断开连接并从溶液中取出，利用去离子水清洗之后，利用镊子可将所制备的壳聚糖纳米纤维复合凝胶薄膜整体揭下。
该薄膜可在室温下保持稳定，将该薄膜定向覆盖于皮肤表层，利用微凝胶给药通道可精确控制有效接触面积和药物的控制缓释，可为皮肤提供湿润环境、阻挡细菌感染、同时保持一定抗菌活性，可作为医用敷料等产品。
实施例2
该实例阐释了可通过改变电极形状可快速制备出不同形貌的复合凝胶薄膜，采用弧形电极进行电泳沉积，壳聚糖分子可选择性在电极表面进行凝胶化转变，形成特殊形状的凝胶复合薄膜。
具体步骤为：
制备得到的纳米纤维微孔模板上纳米纤维膜厚度为245μm，微孔直径为60μm。
称取一定量壳聚糖粉末于去离子水中，用胶头滴管逐滴加入1m盐酸，磁力搅拌6小时至其完全溶解，利用真空抽滤装置将难溶杂质去除，最终得到ph为5、质量分数为1(w/v)％的壳聚糖(cs)溶液，在4℃条件下保存备用。向溶液中添加0.4mnacl，在纳米纤维微孔薄膜修饰的弧形钛片表面进行电泳沉积，片状电极单侧有效面积为80cm2，电极浸没溶液深度为10mm，设置沉积电流密度为30a/m2，通电10分钟，待沉积过程结束后将电极与电化学工作站断开连接并从溶液中取出，利用去离子水清洗之后，利用镊子可将所制备的壳聚糖纳米纤维复合凝胶薄膜整体揭下。
该薄膜可在室温下保持稳定，不需剪裁即可得到特定形状，可作为眼贴实现眼部肌肉的护理。
实施例3
该实例阐释了可通过改变nacl浓度制备出不同孔隙结构的壳聚糖凝胶层，通过连续电泳沉积过程，制备出壳聚糖多层复合凝胶薄膜，利用各凝胶层不同的层厚、空间位置、孔隙致密程度等因素，实现多种药物的负载及其分层梯度释放。
具体步骤为：
制备得到的纳米纤维微孔模板上纳米纤维膜厚度为300μm，微孔直径为128μm。
称取一定量壳聚糖粉末于去离子水中，用胶头滴管逐滴加入1m盐酸，磁力搅拌6小时至其完全溶解，利用真空抽滤装置将难溶杂质去除，最终得到ph为5、质量分数为0.5(w/v)％的壳聚糖(cs)溶液，在4℃条件下保存备用。向溶液中添加0.4mnacl，在纳米纤维微孔薄膜修饰的弧形钛片表面进行电泳沉积，片状电极单侧有效面积为35cm2，电极浸没溶液深度为25mm，设置沉积电流密度为25a/m2，通电20分钟；然后放入不含nacl的壳聚糖溶液中沉积15分钟，可分别制备出壳聚糖疏松型凝胶层和致密型凝胶层，待沉积过程结束后将电极与电化学工作站断开连接并从溶液中取出，利用去离子水清洗之后，利用镊子可将所制备的壳聚糖纳米纤维复合凝胶薄膜整体揭下。
该薄膜可在室温下保持稳定，将该薄膜定向覆盖于皮肤表层，利用微凝胶给药通道可精确控制有效接触面积和药物的控制缓释，利用各层凝胶的层厚、空间位置、孔隙致密程度等因素，实现多种药物的负载及其分层梯度释放，同时可为皮肤伤口提供湿润环境、阻挡细菌感染、保持一定抗菌活性，可作为医用敷料对皮肤表层伤口进行智能型护理。
实施例4
该实例阐释了可通过改变nacl浓度制备出不同孔隙结构的壳聚糖凝胶层，对比不同nacl浓度制得壳聚糖凝胶层的结构，为制备多层壳聚糖凝胶及各层不同孔隙结构凝胶提供依据。
具体步骤为：
制备得到的纳米纤维微孔模板上纳米纤维膜厚度为60μm，微孔直径为10μm。
称取一定量壳聚糖粉末于去离子水中，用胶头滴管逐滴加入1m盐酸，磁力搅拌6小时至其完全溶解，利用真空抽滤装置将难溶杂质去除，最终得到ph为5、质量分数为1(w/v)％的壳聚糖(cs)溶液，在4℃条件下保存备用。将所配制壳聚糖溶液分为两组，向其中一份溶液中添加0.4mnacl，另一份溶液不添加nacl，两组均在钛片表面进行电泳沉积，片状电极单侧有效面积为65cm2，电极浸没溶液深度为15mm，设置沉积电流密度为15a/m2，通电5分钟，待沉积过程结束后将电极与电化学工作站断开连接并从溶液中取出，利用去离子水清洗之后，利用镊子将所制备的两组壳聚糖凝胶薄膜整体揭下，经液氮冷冻定型后，放入真空冷冻干燥机中，在-40℃条件下冷冻干燥12小时。将冷冻干燥之后的凝胶样品喷金后，利用扫描电子显微镜对两组样品界面进行观察。
sem结果显示，在不含nacl样品中，壳聚糖分子呈一定取向性排列且保持较为致密孔隙结构，此时药物在凝胶内扩散速率较低；在含一定量nacl样品中，壳聚糖分子无序排列且保持较大孔隙网状结构，此时药物在凝胶内扩散速率相对较高。通过该结果可表明，利用凝胶各层凝胶孔隙结构的显著差异，可实现药物的梯度释放。
实施例5
该实例阐释了所制备的多层壳聚糖/纳米纤维复合凝胶薄膜对药物释放过程的影响：可通过盐离调控和连续电泳沉积，在纳米纤维微孔模板修饰的钛片电极表面，相继制备出疏松型和致密型壳聚糖凝胶层，沉积过程中添加活性药物，可将多种药物分别包埋与个凝胶层内，利用各凝胶层不同的层厚、空间位置、孔隙致密程度等因素，实现多种药物的负载及其分层梯度释放；利用微凝胶给药通道对药物释放速率进行调控，达到持续缓释的效果。
具体步骤为：制备得到的纳米纤维微孔模板上纳米纤维膜厚度为350μm，微孔直径为60μm。
称取一定量壳聚糖粉末于去离子水中，用胶头滴管逐滴加入1m盐酸，磁力搅拌6小时至其完全溶解，利用真空抽滤装置将难溶杂质去除，最终得到ph为5、质量分数为1(w/v)％的壳聚糖(cs)溶液，在4℃条件下保存备用。向溶液中添加0.4mnacl，在纳米纤维微孔薄膜修饰的弧形钛片表面进行电泳沉积，片状电极单侧有效面积为35cm2，电极浸没溶液深度为25mm，设置沉积电流密度为20a/m2，通电15分钟；然后放入不含nacl的壳聚糖溶液中沉积15分钟，可分别制备出壳聚糖疏松型凝胶层和致密型凝胶层，待沉积过程结束后将电极与电化学工作站断开连接并从溶液中取出，利用去离子水清洗之后，利用镊子可将所制备的壳聚糖纳米纤维复合凝胶薄膜整体揭下。
该薄膜可在室温下保持稳定，将该薄膜定向覆盖于皮肤表层，利用微凝胶给药通道可精确控制有效接触面积和药物的控制缓释，利用各层凝胶的层厚、空间位置、孔隙致密程度等因素，实现多种药物的负载及其分层梯度释放，同时可为皮肤伤口提供湿润环境、阻挡细菌感染、保持一定抗菌活性，可作为医用敷料对皮肤表层伤口进行智能型护理。
将所制备的壳多层聚糖/纳米纤维复合凝胶薄膜从电极表面揭下，定向覆盖于小鼠皮肤表层伤口处，可实现对伤口持续性管理及伤口愈合多阶段的靶向修复功能，减少敷料更换次数及促进伤口愈合效果。