一种自愈合和可注射的水凝胶及其制备方法与应用与流程

本发明属于水凝胶粘合剂的技术领域，具体涉及一种自愈合和可注射的水凝胶及其制备方法与应用。所述水凝胶用于生物粘合剂，特别是医用水凝胶粘合剂。

背景技术：

随着医学的不断进步，现代临床对手术技术和辅助材料的要求也越来越高。一直以来，临床上伤口缝合使用最多的方法是采用缝合线或铆钉等材料缝合伤口。这种方法虽然可以良好的缝合伤口并具有一定的机械强度，但会增加患者的疼痛以及痊愈后留下疤痕。而现代医学的理念就是最大可能地减少患者的痛苦，最短时间让患者康复，在最大程度内恢复功能的同时外观也能完美恢复。因此，这推动了医用粘合剂研究的不断发展以及医用粘合剂在临床的应用发展。过去的二十年，医护人员对医用粘合剂来取代和扩展传统的缝合方法越发感兴趣。原因是应用粘合剂可减轻患者痛苦，可有效封闭伤口防止体液的渗漏，以及不会留下疤痕和减少感染等。

目前，临床上常用的医用粘合剂包括纤维蛋白胶类和氰基丙烯酸酯类粘合剂。纤维蛋白胶类粘合剂是由血液中提取的纤维蛋白和凝血酶组成的。使用时将两者混合，涂敷在伤口处即可，使用方便且具有良好的生物相容性。但是纤维蛋白胶的粘合强度低，且由于从血液中提取有感染病毒的风险，易给患者带来二次伤害。而氰基丙烯酸酯则具有固化反应快，迅速粘合伤口且粘合强度大等优点，但是存在粘合表面过硬，粘合处弹性差，易产生炎症反应及降解产物有毒等缺点。

因此，研究人员一直在研究这两类商用粘合剂的替代品。thai等[thaitht,leejs,leey,parkhb,parkkm,parkkd.supramolecularcyclodextrinsupplementstoimprovethetissueadhesionstrengthofgelatinbioglues[j].acsmacroletters.2017,6(2):83-8.]通过在明胶中混合α-环糊精(α-cd)，显着增强水凝胶与猪皮组织接触时的粘附力。并且水凝胶和水凝胶胶界面之间的cd超分子可以增强生物胶的组织粘附力。

由于粘合剂在伤口处受力可能会遭到破坏，因此可能导致体液的渗漏及伤口感染等问题。但具有自愈合性能的水凝胶由于其快速的自愈合性能，在遭受破坏后能快速自愈合从而持久地保护和封闭伤口。另外，具有可注射功能的水凝胶可填充和粘合任何形状的伤口，使水凝胶紧紧地贴合伤口从而更好的促进伤口愈合。

技术实现要素：

为了克服现有技术的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种自愈合和可注射的水凝胶及其制备方法。本发明通过硫酸软骨素、明胶以及fe³⁺的联合使用，使得所制备的水凝胶生物相容性好，具有强的粘合性，快速的自愈合能力以及可注射性。

本发明的另一目的在于提供上述水凝胶的应用。所述水凝胶在生物粘合剂中的应用，特别是医用生物粘合剂，促进伤口的愈合。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种自愈合和可注射的水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

1)在水中，将硫酸软骨素或硫酸软骨素的盐与氧化剂反应，后续处理，获得醛基化硫酸软骨素；

2)将醛基化硫酸软骨素与明胶在溶剂中混合，获得预聚合反应液；

3)将预聚合反应液与fe³⁺溶液混合，获得自愈合和可注射的水凝胶。

步骤1)中所述氧化剂为高碘酸钠或四乙酸铅(pb(oac)4)；所述反应在避光的条件下进行，反应的温度为4～30℃，反应的时间为4～8h。

所述后续处理是指透析，干燥。所述透析是指用mw＝3500的透析袋透析，透析过程中加入硼砂，透析的时间为1～2天；所述干燥为冷冻干燥。

步骤1)中所述氧化剂与硫酸软骨素或硫酸软骨素的盐的摩尔比为(0.3～0.9)：1(硫酸软骨素或硫酸软骨素的盐的分子质量以500计算)；

硫酸软骨素的盐包括硫酸软骨素a钠盐、硫酸软骨素c钠盐。

步骤2)中所述醛基化硫酸软骨素：明胶的质量比为(1～2)：(1.5～5)，优选为1：(1.5～2.5)。

步骤2)中醛基化硫酸软骨素与明胶在溶剂中混合是指醛基化的硫酸软骨素以溶液的形式加入，明胶以溶液的形式加入，醛基化硫酸软骨素溶液与明胶溶液混合；所述醛基化硫酸软骨素溶液的浓度为10％～20％(w/v，100ml的醛基化硫酸软骨素溶液中含有10～20g的醛基化硫酸软骨素)，明胶溶液的浓度为15％～50％(w/v，100ml的明胶溶液中含有15～50g的明胶)；所述醛基化硫酸软骨素溶液与明胶溶液的体积比为1:1。

所述醛基化硫酸软骨素溶液中溶剂为水或pbs；明胶溶液中溶剂为水或pbs。

步骤2)中所述混合的温度为30～40℃，混合的时间为10～30s。

所用的明胶的胶强度为100gbloom；

步骤3)中所述fe³⁺溶液为三氯化铁溶液、硫酸铁溶液或硝酸铁溶液中至少一种，溶液的浓度为0.1～0.5mol/l，混合时溶液的温度为30～40℃，混合的时间为10～30s。

步骤3)中水凝胶预聚液与fe³⁺溶液的体积比为1:1。

所述水凝胶通过上述方法制备得到。

所述水凝胶在生物粘合剂中的应用，特别是医用生物粘合剂，促进伤口的愈合。本发明gel-ocs/fe³⁺水凝胶(即自愈合和可注射的水凝胶)置于双孔注射器/单孔注射器中，注射于伤口处，由于其高粘性和自愈合性能，水凝胶迅速形成整体从而粘合伤口。

本发明选用高碘酸钠、四乙酸铅作为硫酸软骨素的氧化剂，硫酸软骨素具有邻二醇结构，在氧化剂的氧化作用下打开c-c双键从而形成醛基。因为存在有效数量的醛基，可在室温下与含氨基的明胶自发发生反应，从而起到粘合作用。

与现有技术相比，本发明具有如下优点及有益效果：

本发明的水凝胶具有柔软的性质，其模量可与组织相匹配，同时有较好的拉伸性能，可以随组织的拉扯而持续地粘合组织，同时其快速的自愈合性能保证即使遭受破坏，也可快速的自愈合从而长久的粘合组织，防止液体的渗漏。同时本发明的方法简单、成本低。

总之，本发明的水凝胶具有良好的自愈合性能和较好的粘性，同时还具有可注射性。

附图说明

图1为实施例1制备的gel-ocs/fe³⁺水凝胶冻干后的扫描电镜图；

图2为实施例1制备的gel-ocs/fe³⁺水凝胶粘合两块玻璃片，测试粘合力的图；

图3为实施例1制备的gel-ocs/fe³⁺水凝胶(铁离子浸泡后的水凝胶)以及无铁离子溶液浸泡的水凝胶(无铁离子浸泡的水凝胶)的粘合力-形变量曲线；

图4为实施例1制备的gel-ocs/fe³⁺水凝胶自愈合测试图；

图5为实施例1制备的gel-ocs/fe³⁺水凝胶的粘度-剪切速率曲线图。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明作进一步详细地描述，但本发明的实施方式不限于此。硫酸软骨素的来源为通用的硫酸软骨素a钠盐(分子量为500)，购买自阿拉丁。

实施例1

(1)醛基化硫酸软骨素的制备：

称量5.00g硫酸软骨素a钠盐溶于80ml去离子水中，获得硫酸软骨素溶液；再称量1.28g高碘酸钠(naio4)溶于20ml去离子水中，获得高碘酸钠溶液；在避光条件下再将高碘酸钠溶液缓慢滴加至硫酸软骨素溶液中，反应温度为20℃，反应时间为6h；反应过后，加入3g硼砂，用mw＝3500的透析袋透析2天，每6h换一次水；再将产物倒入平的玻璃皿中，在-80℃下冷冻冻干得到醛基化的硫酸软骨素(ocs)；

(2)醛基化硫酸软骨素-明胶水凝胶的制备：

用pbs缓冲液分别配制15％w/v醛基化的硫酸软骨素溶液(100ml的醛基化硫酸软骨素溶液中含有15g的醛基化硫酸软骨素)和30％w/v的明胶溶液(100ml的明胶溶液中含有30g的明胶)(明胶溶液在50℃下溶解配制)；将两种溶液等体积混合，发生席夫碱反应，混合的温度为37℃，混合的时间为20s，得到gel-ocs水凝胶预聚液；

(3)醛基化硫酸软骨素-明胶水凝胶/fe³⁺水凝胶的制备：

将得到的gel-ocs水凝胶预聚液与三氯化铁溶液等体积混合，三氯化铁溶液的浓度为0.21mol/l，混合时溶液的温度为37℃，混合时间为20s，获得gel-ocs/fe³⁺水凝胶。

gel-ocs/fe³⁺水凝胶的流变学和粘合力测试：

将gel-ocs/fe³⁺水凝胶制成直径为25mm，高度为1mm的圆盘，置于旋转流变仪的圆盘载具上，剪切应变为5％，扫描范围为1～100rad/s。在频率为10rad/s时，水凝胶的储存模量为1342pa。

将gel-ocs/fe³⁺水凝胶制成面积为1cm×1cm，厚度为1mm的片状，置于两片1cm×3cm的猪皮上，使两片皮肤粘合，测试粘合力。水凝胶的粘合力为3.54n/cm²。

将实施例1得到的gel-ocs/fe³⁺水凝胶冻干后经过场发射扫描电镜得到图1。图1为实施例1制备的gel-ocs/fe³⁺水凝胶冻干后的扫描电镜图。由图1得水凝胶呈现均匀多孔的致密结构，大孔的骨架上存在许多小孔是fe³⁺的进一步交联造成的。

将实施例1得到的gel-ocs/fe³⁺水凝胶粘合两块玻璃片，并在玻璃片的下端悬挂500g的砝码，见图2。图2为实施例1制备的gel-ocs/fe³⁺水凝胶粘合两块玻璃片，测试粘合力的图。玻璃片不滑落，表明水凝胶具有强的粘合力(该粘合力3.54n)。

图3为实施例1得到的gel-ocs/fe³⁺水凝胶以及未在铁离子溶液中浸泡获得水凝胶的粘合力-形变量曲线。图3所示，加入铁离子浸泡的粘合力大于未加铁离子的。

将实施例1得到的gel-ocs/fe³⁺水凝胶切成2片后，再紧挨着放置，见图4。图4为实施例1制备的gel-ocs/fe³⁺水凝胶自愈合测试图。水凝胶迅速自愈合(切成两片，挨着就开始自愈合，5min完全自愈合)，且在切割表面不存在划痕，表明水凝胶具有良好的自愈合性能。

将实施例1得到的gel-ocs/fe³⁺水凝胶置于旋转流变仪上，测试随剪切速率的的增大，水凝胶的黏度变化趋势而得到图5。图5为实施例1制备的gel-ocs/fe³⁺水凝胶的粘度-剪切速率曲线图。从图5可得，水凝胶的黏度对剪切速率的增大而急速减小，表明水凝胶具有剪切变稀效应，从而具有可注射性。

实施例2

(1)醛基化硫酸软骨素的制备与实施例1中的步骤(1)相同

(2)醛基化硫酸软骨素-明胶水凝胶的制备：

用pbs缓冲液分别配制15％w/v醛基化的硫酸软骨素和22.5％w/v的明胶溶液(明胶溶液在50℃下溶解配制)；将两种溶液等体积混合，发生席夫碱反应，混合反应温度为37℃，混合时间为20s，得到gel-ocs水凝胶预聚液；

(3)醛基化硫酸软骨素-明胶水凝胶/fe³⁺水凝胶的制备与实施例1中的(3)相同。

本实施例中gel-ocs/fe³⁺水凝胶的流变学和粘合力测试与实施例1相同。

gel-ocs/fe³⁺水凝胶的存储模量为986pa，粘合力为3.03n/cm²(猪皮测试粘合力)。

实施例3

(1)醛基化硫酸软骨素的制备与实施例1中的步骤(1)相同；

(2)醛基化硫酸软骨素-明胶水凝胶的制备：

用pbs缓冲液分别配制10％w/v醛基化的硫酸软骨素溶液和20％w/v的明胶溶液，明胶溶液在50℃下溶解配制；将两种溶液等体积混合，发生席夫碱反应，混合反应温度为37℃，混合时间为20s，得到gel-ocs水凝胶预聚液；

(3)醛基化硫酸软骨素-明胶水凝胶/fe³⁺水凝胶的制备与实施例1中的(3)相同。

本实施例中gel-ocs/fe³⁺水凝胶的流变学和粘合力测试与实施例1相同

gel-ocs/fe³⁺水凝胶的存储模量为679pa，粘合力为2.43n/cm²。

实施例4

(1)醛基化硫酸软骨素的制备与实施例1中的(1)相同；

(2)醛基化硫酸软骨素-明胶水凝胶的制备：

用pbs缓冲液分别配制10％w/v醛基化的硫酸软骨素溶液和15％w/v的明胶溶液(明胶溶液在50℃下溶解配制)，将两种溶液等体积混合使其发生席夫碱反应，混合反应温度为37℃，混合时间为20s，得到gel-ocs水凝胶预聚液；

(3)醛基化硫酸软骨素-明胶水凝胶/fe³⁺水凝胶的制备与实施例1中的(3)相同。

本实施例中gel-ocs/fe³⁺水凝胶的流变学和粘合力测试与实施例1相同

gel-ocs/fe³⁺水凝胶的存储模量为586pa，粘合力为2.03n/cm²。

实施例5

(1)醛基化硫酸软骨素的制备与实施例1中的(1)相同；

(2)醛基化硫酸软骨素-明胶水凝胶的制备：

用pbs缓冲液分别配制20％w/v醛基化的硫酸软骨素溶液和40％w/v的明胶溶液，明胶溶液在50℃下溶解配制；将两种溶液等体积混合，发生席夫碱反应，混合反应温度为37℃，混合时间为20s，得到gel-ocs水凝胶预聚液；

(3)醛基化硫酸软骨素-明胶水凝胶/fe³⁺水凝胶的制备与实施例1中的(3)相同。

本实施例中gel-ocs/fe³⁺水凝胶的流变学和粘合力测试与实施例1相同

gel-ocs/fe³⁺水凝胶的存储模量为1986pa，粘合力为4.23n/cm²。

实施例6

(1)醛基化硫酸软骨素的制备与实施例1中的(1)相同；

(2)醛基化硫酸软骨素-明胶水凝胶的制备：

用pbs缓冲液分别配制20％w/v醛基化的硫酸软骨素溶液和30％w/v的明胶溶液，明胶溶液在50℃下溶解配制；将两种溶液等体积混合使其发生席夫碱反应，混合反应温度为37℃，混合时间为10s，得到gel-ocs水凝胶预聚液；

(3)醛基化硫酸软骨素-明胶水凝胶/fe³⁺水凝胶的制备与实施例1中的(3)相同。

本实施例中gel-ocs/fe³⁺水凝胶的流变学和粘合力测试与实施例1相同。

gel-ocs/fe³⁺水凝胶的存储模量为1486pa，粘合力为3.43n/cm²。

实施例2～6制备的gel-ocs/fe³⁺水凝胶都具有自愈合和可注射性，自愈合时间都比较接近，切开后挨着就开始自愈合，5～10min可以完全自愈合。另外，明胶和醛基化硫酸软骨素的浓度越高，起始黏度越大，粘度随剪切速率增大而减小。

在本发明的水凝胶制备中，铁离子的加入增加了水凝胶内的非共价键数目，增强了其自愈合性能，同时铁离子也可以粘合组织，从而增大了粘合力。