内创伤的生物胶水、其制备方法及应用

1.本发明涉及生物医用材料技术领域，具体涉及内创伤的生物胶水、其制备方法及应用。


背景技术：

2.近几十年，光响应胶水发展迅速，归根到底是由于其巨大的理化和生物学特性，包括精确的非接触式操作、严格的控制、低的成本和容易的操作。特别是紫外光响应的粘附胶水，显示出高能量、反应时间短、可控性和操作简单等特点，广泛应用在伤口愈合、组织粘合剂、药物递送、止血海绵和组织修复。然而，紫外光响应胶水存在几个致命的缺点，包括长时间的紫外光辐照可能会造成dna、细胞和组织的损伤。此外，其组织渗透能力较低，这导致紫外光在较深内部组织修复时，必须使用一个光纤导管和逐步的紫外交联，但是这会导致操作复杂、成本高和对组织造成二次伤害。因此，迫切希望采用简单的方法，旨在避免紫外光照射带来的潜在光毒性和组织穿透能力不足的问题。
3.最近，近红外光响应水凝胶备受关注，因为其具有巨大的组织穿透性、高稳定性、低的能量需求和生物相容性。其中，上转换纳米粒子已被用于3d打印、药物释放，因为其具备独特的优势，包括简单的操作、高发光量子效率、大光稳定性和生物相容性。因此，本发明通过使用上转换纳米粒子转换近红外光到紫外光作为内部二次光源用于更深度的内部组织的修复，拓宽现有光响应粘附胶水局限在紫外光响应区间的局限性，可以避免紫外光照射带来的潜在光毒性和组织穿透能力不足的问题，以诱导可用粘合剂反应，具有重大的意义。
4.另外，大自然中含有众多含有羧基和氨基的生物分子，其来源天然，无毒无害，广泛的应用于生物胶水的制备。例如：羧甲基壳聚糖和纤维素等作为生物大分子的一类天然物质，具有优异的生物相容性和可降解性。同时壳聚糖也是临床生物医学中应用最广泛的一类糖类物质，具有良好的抗菌特性，已经被广泛的应用在皮肤伤口愈合，生物支架，组织工程等领域，其在生物医用领域前景广阔，具有很大的社会应用价值。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供内创伤的生物胶水、其制备方法及应用。
6.本发明提供的内创伤的生物胶水，其由羧基天然生物大分子连接的o-硝基苄醇、上转换纳米粒子、氨基天然生物大分子溶于水获得；所述羧基天然生物大分子连接的o-硝基苄醇利用酰胺化反应将o-硝基苄醇小分子接枝到羧基天然生物大分子获得，其化学式为该生物胶水，其在近红外光灯照射下搅拌2～10分钟，即可与生物组织产生粘附结合。
7.在近红外光的照射下，本发明生物胶水中的上转换纳米粒子能产生波长320～500nm的紫外光，紫外光可促进羧基天然生物大分子连接的o-硝基苄醇的光响应变化，即羧基天然生物大分子连接的o-硝基苄醇发生羟基变为醛基的结构变化，使其可与带氨基的生物大分子和相关生物组织结合，从而产生与生物组织的粘附结合效果。本发明将拓宽现有光响应粘附胶水局限在紫外光响应区间的局限性，旨在避免紫外光照射带来的潜在光毒性和组织穿透能力不足的问题。
8.本发明中，可通过调整羧基天然生物大分子连接的o-硝基苄醇、水溶性上转换纳米粒子、氨基天然生物大分子的用量比，进而调整生物胶水的光响应时间以及物理化学性能、生物学性能，从而更好地提高粘附和止血性能，实现更高的组织穿透深度和更短的照射时间的完美协同。
9.本发明生物胶水组分优选为：
10.羧基天然生物大分子连接的o-硝基苄醇：20～50重量份；上转换纳米粒子：10～50重量份；氨基天然生物大分子：20～50重量份；水：100～1000重量份。
11.本发明生物胶水组分进一步优选为：
12.羧基天然生物大分子连接的o-硝基苄醇：30重量份；上转换纳米粒子：30重量份；氨基天然生物大分子：30重量份；水：1000重量份。
13.进一步的，羧基天然生物大分子为羧甲基纤维素、羧甲基壳聚糖、透明质酸、海藻酸钠、胶原蛋白、明胶、丝素蛋白中的一种或多种。
14.进一步的，氨基天然生物大分子为羧甲基壳聚糖、壳聚糖、明胶、胶原蛋白、丝素蛋白中的一种或多种。
15.本发明提供的内创伤的生物胶水的制备方法，包括步骤：
16.(1)合成具紫外光响应的o-硝基苄醇小分子；
17.(2)利用酰胺化反应将o-硝基苄醇小分子接枝到羧基天然生物大分子，得到羧基天然生物大分子连接的o-硝基苄醇；
18.(3)将羧基天然生物大分子连接的o-硝基苄醇、上转换纳米粒子、氨基天然生物大分子溶解于水，即得内创伤的生物胶水。
19.在一些具体实施方式中，步骤(2)具体为：
20.以3-(3-二甲基氨基丙基)-1-乙基氨基丙基二酰亚胺盐酸盐和n-羟基琥珀酰亚胺为催化剂，利用酰胺化反应将o-硝基苄醇小分子接枝到羧基天然生物大分子，得到浅黄色溶液，依次经过透析、冻干，得到羧基天然生物大分子连接的o-硝基苄醇粉末。
21.在一些具体实施方式中，步骤(3)具体为：
22.先将羧基天然生物大分子连接的o-硝基苄醇完全溶解于水溶液中，再向水溶液中加入氨基天然生物大分子并搅拌溶解，最后加入上转换纳米粒子并搅拌溶解。
23.下面将提供上述制备方法的一种具体实施过程，步骤如下：
24.(1)利用香兰素合成具具紫外光响应的o-硝基苄醇小分子；
25.(2)取10～20重量份的o-硝基苄醇小分子，取20～50重量份的羧基天然生物大分子，取250～500重量份的3-(3-二甲基氨基丙基)-1-乙基氨基丙基二酰亚胺盐酸盐和150～300重量份的n-羟基琥珀酰亚胺为催化剂，利用酰胺化反应将o-硝基苄醇小分子接枝到羧基天然生物大分子，得到浅黄色溶液，依次经透析、冻干，得到羧基天然生物大分子连接的
o-硝基苄醇粉末；
26.(3)将羧基天然生物大分子连接的o-硝基苄醇粉末加入水中，室温搅拌2～5h，直到完全溶解；
27.(4)将氨基天然生物大分子加入到水溶液中，室温搅拌2～5h，使氨基天然生物大分子均匀分散于水溶液中；
28.(5)将上转换纳米粒子加入到水溶液中，室温搅拌2～5h，使上转换纳米粒子均匀分散于水溶液中，得到本发明生物胶水。
29.本发明内创伤的生物胶水具有强大的组织粘附性，较强的止血作用，良好的生物相容性和体内可降解性，可用作伤口组织修复材料，由于其还具有可注射性，可将其用于临床上的缝合材料，以替换目前临床上使用的缝合线。
30.和现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
31.(1)本发明将上转换纳米粒子与具紫外光响应的羧基天然生物大分子连接的o-硝基苄醇组合，获得生物胶水对内外部创伤创面的修复效果优良，具有良好的组织穿透深度和粘附作用，为临床更高深度的创面修复提供了一种新的选择，应用前景良好。
32.(2)现有的紫外光响应胶水存在不少弊端，例如组织渗透低，具有光毒性。本发明生物胶水为近红外光响应胶水，在近红外光照射下，本发明生物胶水在胶水与组织的界面处可形成亚胺交联的和非共价键，可与生物组织进行强的粘附结合；且具有良好的组织穿透深度，因此本发明生物胶水可拓宽现有光响应粘附胶水局限在紫外光响应区间的局限性，旨在避免紫外光照射带来的潜在光毒性和组织穿透能力不足的问题。本发明生物胶水给医学和临床研究的高穿透深度内部组织修复提供了更有前途的方法。
33.(3)本发明生物胶水具有可注射性，且对伤口组织修复有良好的效果，可将其作为伤口组织修复材料，还可取代临床上现有的手术缝合线。
34.(4)本发明生物胶水无毒安全且制备工艺简单。
附图说明
35.图1为实施例1中o-硝基苄醇的合成路径以及对应产物的核磁共振氢谱图，其中，图(a)为o-硝基苄醇的合成路径，图(b)为对应产物的核磁共振氢谱图；
36.图2为实施例1中合成的o-硝基苄醇和羧甲基纤维素连接的o-硝基苄醇的核磁共振氢谱图，其中，图(a)为o-硝基苄醇核磁共振氢谱图，图(b)为羧甲基纤维素连接的o-硝基苄醇的核磁共振氢谱图；
37.图3为实施例1中合成的上转换纳米粒子的电镜图；
38.图4为实施例1中合成的上转换纳米粒子的上转换光谱图；
39.图5为实施例1中合成的胶水
③
的电镜图；
40.图6为实施例1中合成的胶水
③
具可注射性的图片示意；
41.图7为实施例3中负载胶水
①
、胶水
②
、胶水
③
的猪皮粘附的最大拉伸力；
42.图8为实施例4中负载胶水
①
、胶水
②
、胶水
③
时大鼠肝脏的止血效果，其中，图(a)为胶水
①
对大鼠肝脏的止血效果，图(b)为胶水
②
对大鼠肝脏的止血效果，图(c)为胶水
③
对大鼠肝脏的止血效果；
43.图9为实施例4中负载胶水
①
、胶水
②
、胶水
③
时大鼠肝脏的干燥血液损失质量；
44.图10为实施例5中负载胶水
①
、胶水
②
、胶水
③
时细胞的存活和死亡的染色示意图；
45.图11为实施例6中外敷胶水
①
、胶水
②
、胶水
③
时大鼠的伤口修复照片；
46.图12为实施例7中外敷胶水
①
、胶水
②
、胶水
③
时新西兰兔的喉部伤口缝合照片；
47.图13为实施例8所合成羧基天然生物大分子连接的o-硝基苄醇的核磁共振氢谱图；
48.图14为实施例8所合成生物胶水冻干后的紫外光谱图。
具体实施方式
49.以下将结合实施例来进一步说明本发明。以下实施例为本发明较佳的实施方式，并不对本发明保护范围做任何形式的限定。除非特别说明，实施例中所采用的试剂、方法和设备均为本技术领域的常规试剂、方法和设备。除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。
50.实施例1
51.本实施例的具体步骤如下：
52.(1)采用香兰素合成具有紫外光响应的o-硝基苄醇小分子，采用酰胺化反应将o-硝基苄醇小分子接枝到羧甲基纤维素，得到浅黄色溶液，依次经透析、冻干获得粉末，即羧甲基纤维素连接的o-硝基苄醇，羧甲基纤维素连接的o-硝基苄醇的化学结构式为本发明酰胺化反应中需使用催化剂，催化剂采用常见的酰胺化反应催化剂即可。本实施例中催化剂选择3-(3-二甲基氨基丙基)-1-乙基氨基丙基二酰亚胺盐酸盐和n-羟基琥珀酰亚胺，显然催化剂并不限于此。
53.香兰素合成o-硝基苄醇小分子可采用现有技术实现，本实施例合成o-硝基苄醇小分子的具体步骤如下：
54.第一步，将香兰素、4-溴丁酸甲酯、碳酸钾溶解于n，n-二甲基甲酰胺(dmf)中，所得混合物在环境温度下搅拌16h后倒入冷水；再依次经沉淀、过滤、洗涤、干燥、减压除溶剂，得到白色固体4-(4-甲酰基-2-甲氧基苯氧基)丁酸甲酯，其分子式即合成路线中分子1。
55.第二步，将4-(4-甲酰基-2-甲氧基苯氧基)丁酸甲酯缓慢加入到预冷却到-2℃的硝酸溶液，并搅拌3h发生硝化反应；再依次经沉淀、过滤、洗涤、干燥、减压除溶剂，得到浅黄色粉末4-(4-甲酰基-2-甲氧基-5-硝基苯氧基)丁酸甲酯，其分子式即合成路线中分子2。
56.第三步，在0℃下将硼氢化钠缓慢加入到4-(4-甲酰基-2-甲氧基-5-硝基苯氧基)丁酸甲酯的乙醇/thf溶液，反应3小时后，真空除去所有溶剂，对残余物依次进行萃取、干燥等，得到黄色固体的粗产物，将粗产物通过硅胶上的柱色谱法纯化，获得浅黄色粉末mnb，其分子式即合成路线中分子3。
57.第四步，将mnb和乙二胺溶解在甲醇中，将混合物回流过夜，直到通过薄层色谱法无法检测到起始的单个成分。反应完成后，真空蒸发溶剂。将粗沉淀物溶解在甲醇中，依次
经沉淀、干燥，直到nb以浅黄色粉末形式出现，该浅黄色粉末即o-硝基苄醇小分子。
58.图1中左边的图(a)为o-硝基苄醇的合成路径，图(b)为对应产物的核磁共振氢谱图，核磁共振氢谱图
①
、
②
、
③
分别为分子1、分子2、分子3对应的核磁共振氢谱图。图中字母a、b、c、d、e、f、g等用来将左侧分子结构上基团对应到右侧的峰核磁峰上。对合成的o-硝基苄醇和羧甲基纤维素连接的o-硝基苄醇分别进行核磁共振检测，获得图2所示的核磁共振氢谱图，其中图(a)为o-硝基苄醇核磁共振氢谱图，图(b)为羧甲基纤维素连接的o-硝基苄醇的核磁共振氢谱图，图中a、b指o-硝基苄醇分子苯环上对应的核磁峰。
59.(2)准备上转换纳米粒子，上转换纳米粒子可市购或自行合成。本实施例通过金属的化学反应合成具有均匀粒径和优良上转换光谱的上转换纳米粒子。
60.图3为所合成上转换纳米粒子的电镜图，从图中看出本实施例合成的上转换纳米粒子粒径均匀。图4为所合成上转换纳米粒子的上转换光谱图，从图中可以看出其具有优良的上转换光谱性。
61.(3)将30重量份羧甲基纤维素连接的o-硝基苄醇、30重量份羧甲基壳聚糖以及0、10重量份、30重量份的上转换纳米粒子加入到水溶液之中，于常温下搅拌2～5h，即得内创伤的生物胶水。将用量为0、10重量份、30重量份的上转换纳米粒子对应的生物胶水分别记为胶水
①
、胶水
②
、胶水
③
。采用扫描电镜观察胶水
③
，见图5，从图5可以看到上转换纳米粒子成功负载，且胶水
③
具有可注射性，见图6所示；且胶水
③
能在近红外光照射下5分钟成胶。
62.实施例2
63.本实施例用来分析羧甲基纤维素连接的o-硝基苄醇、羧甲基壳聚糖不同配比下的成胶状况。
64.第一组胶水中羧甲基纤维素连接的o-硝基苄醇和羧甲基壳聚糖均为20重量份；第二组胶水中羧甲基纤维素连接的o-硝基苄醇为30重量份，羧甲基壳聚糖为50重量份；第三组胶水中羧甲基纤维素连接的o-硝基苄醇为50重量份，羧甲基壳聚糖为30重量份；第四组胶水中羧甲基纤维素连接的o-硝基苄醇和羧甲基壳聚糖均为50重量份。四组胶水中上转换纳米粒子的占比均为30重量份。
65.对四组胶水均1.5cm距离照射红外光5min，判断成胶状况。根据成胶效果发现，照射5min四组胶水即可成胶，但第一组和第四组胶水均有最佳成胶效果，即羧甲基纤维素连接的o-硝基苄醇和羧甲基壳聚糖的最佳用量比为1:1。
66.实施例3
67.本实施例用来检测胶水
①
、胶水
②
、胶水
③
与组织的粘合强度。
68.准备若干长50mm、宽25mm、厚3mm的猪皮，然后在猪皮表面均匀地涂覆胶水
①
、胶水
②
、胶水
③
。再采用近红外光在约1.5cm的距离照射，照射5min。最后，通过空气和水下的重量拉伸试验比较胶水的粘合强度，见图7所示。根据粘合强度数据发现，照射5min即可与生物组织产生粘附，粘合强度随上转换纳米粒子负载量增加粘附强度逐渐增加。
69.实施例4
70.本实施例用来检测胶水
①
、胶水
②
、胶水
③
的止血效果。
71.将十二只大鼠(25
±
5g)随机分为四组，通过使用肝片作为伤口愈合前的模型确定它们的止血能力。使用1ml注射器在肝脏中制作一个小孔，然后施加胶水
①
、胶水
②
、胶水
③
，用近红外光在约1.5cm距离照射5min。照射期间，用滤纸收集血液损失，记录停止出血的时间，照射结束通过称量滤纸来测定干燥血液损失质量。图8所示负载胶水
①
、胶水
②
、胶水
③
时大鼠肝脏的止血效果，图9为负载胶水
①
、胶水
②
、胶水
③
时大鼠肝脏的干燥血液损失质量。从图8和图9可以发现，随着上转换纳米粒子负载量的增加止血效果逐渐变好。
72.实施例5
73.以胶水
①
、胶水
②
、胶水
③
为培养载体，将成纤维细胞悬浮进行表面接种在该膜材料上，具体步骤如下：
74.(1)将成纤维细胞接种在培养瓶中，培养至细胞覆盖达80％～90％时，用含0.125％edta的0.25％胰蛋白酶对其进行消化传代，并制成细胞悬液；其中培养基中包含如下组分：100μg/ml青霉素，100μg/ml链霉素，10％胎牛血清，余量为l-dmem和/或dmem/f12；
75.(2)将胶水
①
、胶水
②
、胶水
③
表面接种成纤维细胞培养：将上述灭菌处理的复合水凝胶材料平铺于6孔板中，接种纯化后的成纤维细胞悬液，孵育10～60min后加适量的培养基置于37℃、5％co2培养箱中培养。
76.显微镜观察显示，细胞在该薄膜材料表面贴附良好，随着培养时间延长，细胞逐渐覆盖于材料表面，表明其状态良好，说明该胶水
①
、胶水
②
、胶水
③
对细胞无明显毒性，具有较好的细胞相容性，且对细胞的吸引、诱导、调控生长的作用明显增强。图10所示为负载胶水
①
、胶水
②
、胶水
③
的细胞存活和死亡的染色图，图(a)-(c)分别为负载胶水
①
、胶水
②
、胶水
③
对应的细胞存活染色示意图，图(d)-(f)分别为负载胶水
①
、胶水
②
、胶水
③
对应的细胞死亡示意图。
77.实施例6
78.本实施例为用胶水
①
、胶水
②
、胶水
③
促进大鼠皮下创伤修复的动物试验，具体步骤如下：
79.(1)从四川大学动物中心购买15只sd大鼠(25
±
5mg)；
80.(2)皮下伤口损伤模型的建立：先用手术刀对小鼠的背部皮肤进行感染切割，创伤造成伤口；
81.(3)试验分组和上样方法；取小鼠15只，按体重随机分为3组，对照组5只(涂敷胶水
①
)，实验组5只(涂敷胶水
②
)，实验组5只(涂敷胶水
③
)，上样方式为外敷，创伤模型制备完成后立即敷料。
82.(4)采用近红外光在1.5cm距离照射5min，每天观察创口愈合的情况，并近距离对小鼠的皮下创伤面进行拍照，见图11。
83.在图11中，图(a-1)、(a-2)、(a-3)、(a-4)分别为涂敷胶水
①
的小鼠在第1天、第2天、第4天、第7天的皮下创伤照片，图(b-1)、(b-2)、(b-3)、(b-4)分别为涂敷胶水
②
的小鼠在第1天、第2天、第4天、第7天的皮下创伤照片，图(c-1)、(c-2)、(c-3)、(c-4)分别为涂敷胶水
③
的小鼠在第1天、第2天、第4天、第7天的皮下创伤照片。从图中可以看出，随着时间的延长，上转换纳米粒子负载量的增加，伤口逐渐愈合，而且根据创伤面积大小可知，上转换纳米粒子负载量增大可加速伤口愈合。
84.实施例7
85.本实施例为用胶水
①
、胶水
②
、胶水
③
促进新西兰兔皮下创伤修复的动物试验，具体步骤如下：
86.(1)从四川大学动物中心购买6只普通级新西兰兔(2
±
0.2kg)；
87.(2)皮下伤口损伤模型的建立：先用手术刀对大白兔的喉部进行切割，创伤造成伤口；
88.(3)试验分组和上样方法；取口腔损伤模型的6只，按体重随机分为3组，对照组2只(涂敷胶水
①
，实验组2只(涂敷胶水
②
)，实验组2只(涂敷胶水
③
)，上样方式为外敷，创伤模型制备完成后立即敷料；
89.(4)采用近红外光在喉部外面，照射距离约1.5cm，照射5min。每天观察创口愈合的情况，并近距离对大白兔的创伤面进行拍照，见图12。
90.在图12中，图(a-1)、(a-2)、(a-3)分别为涂敷胶水
①
的大白兔在第1天、第2天、第3天的创伤面照片，图(b-1)、(b-2)、(b-3)分别为涂敷胶水
②
的大白兔在第1天、第2天、第3天的创伤面照片，图(c-1)、(c-2)、(c-3)分别为涂敷胶水
③
的大白兔在第1天、第2天、第3天的创伤面照片。从图12可以看出，近红外光可以穿透皮肤组织，而且随着上转换纳米粒子负载量的增加以及照射时间的增加，伤口逐渐愈合，而且根据面积大小可知，粒子量负载增大和光照时间延长可以加速伤口愈合。
91.实施例8
92.本实施例采用实施例1的方法，选择不同的羧基天然生物大分子来合成羧基天然生物大分子连接的o-硝基苄醇。本实施例将o-硝基苄醇小分子分别与明胶、聚丙烯酸、海藻酸钠、羧甲基壳聚糖、透明质酸、胶原小肽等进行接枝，并分别检测核磁共振氢谱图，分别见图13中谱图(a)-(f)所示。从图可以看出，o-硝基苄醇小分子可接枝到明胶、聚丙烯酸、海藻酸钠、羧甲基壳聚糖、透明质酸、胶原小肽等羧基天然生物大分子上。
93.分别取明胶、聚丙烯酸、海藻酸钠、羧甲基壳聚糖、透明质酸、胶原小肽连接的o-硝基苄醇，将其与氨基天然大分子明胶、上转换纳米粒子制备成生物胶水。其中羧基天然生物大分子连接的o-硝基苄醇、明胶、上转换纳米粒子的用量比均为1：1：1，所制备的胶水在近红外光下照射2min，均具有与组织粘附的效果。图14所示为所得6种生物胶水冻干后的紫外光谱图，从图中可以看出o-硝基苄醇小分子在365nm和290nm左右处的峰产生，证明胶水的成功制备，可用于进一步的光响应使用。
94.本领域的普通技术人员将会意识到，在本发明各方法实施例中，所述各步骤的序号并不能用于限定各步骤的先后顺序，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，对各步骤的先后变化也在本发明的保护范围之内。这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。