一种pH敏感光纤集成光热水凝胶及其制备方法和应用

本发明属于生物医用材料，具体涉及一种ph敏感光纤集成光热水凝胶及其制备方法和应用。

背景技术：

1、水凝胶作为一种具有三维(3d)网络结构的聚合物材料，具有良好的伤口渗出物吸收性能和较高的保水能力，可为伤口愈合提供适宜的愈合环境。此外，水凝胶的三维多孔聚合物网络结构类似于天然细胞外基质，可模拟细胞生长的微环境，加速伤口愈合。因此，水凝胶被认为是最有前途的伤口敷料。

2、羧甲基壳聚糖(cmcs)作为一种壳聚糖衍生物，具有良好的生物相容性和生物活性，良好的水溶性和抗菌活性。这使得cmcs在作为伤口敷料中具有广阔的应用前景。光热治疗(ptt)是一种高效的抗菌策略，不仅能够避免抗生素滥用引起的耐药性问题，而且具有时空可控性及对正常组织损伤小等优势。近些年，具有近红外热响应的无机材料(如碳纳米材料、贵重金属纳米材料、金属硫化物材料，等)得到了广泛研究，但这些无机纳米材料不能被降解，会长期停留在生物体内进而造成潜在的生物毒性。因此具有良好生物相容性，生物降解性和合成可控性的有机光热材料被认为是更有潜力的光热剂。

3、光纤传感器具有众多优点，如高灵敏度、小尺寸、电流隔离和对电磁场的免疫力，可用于监测各种物理和化学参数。聚二甲基硅氧烷(pdms)是一种柔软且可拉伸的聚合物，具有优异的机械性能、化学稳定性和光学性能，因此，它在光纤传感领域有着广泛的应用。然而，pdms光学传感光纤具有疏水表面的pdms光纤不利于细胞粘附和生长，当其与伤口直接接触时会阻碍伤口愈合。如何解决pdms光学生物传感器在伤口动态监测方面的应用是一个重要问题。

4、目前，用于监测伤口ph系统大多数基于电化学传感和比色传感(酸碱指示剂和碳量子点参杂)，但这些方法仍存在一定缺点，如：基于电化学传感用于监测ph系统设计复杂(电路的设计)且抗电磁干扰能力差(外界的磁场和电场变化会影响其传感效果)，而基于比色传感用于监测ph系统往往会涉及到酸碱指示剂和碳量子点参杂，通常这些指示剂得生物相容性较低，而碳量子点得可控制备与生物相容性(长期停留在生物体内而造成潜在的生物毒性)都存在着巨大得争议。相比之下，光纤传感具有灵活性，电流隔离和电磁场抗扰度等优势被用于监测各种物理和化学参数。尽管众多基于光纤传感用于监测ph系统被开发出来，但是用于监测伤口ph的光纤传感系统却罕为报道。因此，如何基于光纤传感开发出具有诊疗一体化平台用于伤口管理对光纤传感在生物医用方面发展具有着重要的意义。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于针对现有技术存在的问题和不足，提供一种ph敏感光纤集成光热水凝胶，具有优异的抗菌效果，良好的力学性能、良好的组织粘附性和自愈性；可为伤口提供良好的修复环境，加速细菌感染伤口的快速愈合；同时可快速、可逆、准确地实时监测伤口的ph值；可应用于伤口的治疗和管理；且涉及的制备方法较简单、操作方便，适合推广应用。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种ph敏感光纤集成光热水凝胶的制备方法，包括如下步骤：

4、1)将铁盐溶液加入原儿茶醛溶液中，加入碱液调节ph值，进行室温搅拌反应，浓缩，得原儿茶醛和铁的螯合物溶液；

5、2)将罗丹明b加入聚二甲基硅氧烷预聚物中均匀分散，脱气；注入模具(硅胶管等)中，加热进行聚合反应，得ph敏感的聚二甲基硅氧烷光纤；

6、3)将步骤1)所得螯合物溶液加入羧甲基壳聚糖溶液中，混合均匀；将所得混合溶液倒入模具中；再将步骤2)所得ph敏感的聚二甲基硅氧烷光纤包埋进混合溶液中，室温反应成胶，即得所述ph敏感光纤集成光热水凝胶。

7、上述方案中，所述铁盐可选用氯化铁(fecl3)等。

8、上述方案中，步骤1)中所述铁盐与原儿茶醛的摩尔比为1:(2～4)。

9、上述方案中，所述铁盐(如fecl3)溶液的浓度为0.1～0.3mol/ml；原儿茶醛溶液的浓度为0.3～0.6mol/ml。

10、上述方案中，步骤1)中所述ph值为9～11。

11、上述方案中，所述室温搅拌反应时间为1～4h。

12、上述方案中，所述聚二甲基硅氧烷预聚物可直接采用市售产品。

13、上述方案中，所述罗丹明b与聚二甲基硅氧烷预聚物的质量比为(2～3)×10-4:1。

14、上述方案中，所述混合溶液采用真空脱气条件。

15、上述方案中，所述聚合反应采用的温度为70～90℃，时间为30～50min。

16、上述方案中，所述ph敏感的聚二甲基硅氧烷光纤的长度为2.5～3cm；直径为0.5～0.8mm。

17、上述方案中，所述羧甲基壳聚糖溶液的浓度为11～13％w/v。

18、上述方案中，所述原儿茶醛和铁的螯合物溶液中螯合物的浓度为0.5～1mol/ml。

19、上述方案中，所述羧甲基壳聚糖溶液与螯合物溶液体积比为1:(0.02～0.04)。

20、上述方案中，步骤3)中所述ph敏感的聚二甲基硅氧烷光纤包埋于螯合物与羧甲基壳聚糖混合溶液中。

21、上述方案中，步骤3)中所述室温反应时间为25～30min。

22、根据上述方案制备的ph敏感光纤集成光热水凝胶，其具有良好的力学性能、优异的自愈性、近红外响应性、良好的组织粘附性和生物相容性。

23、上述一种ph敏感光纤集成光热水凝胶在抗菌领域中的应用，利用所得水凝胶固有的抗菌性能并结合近红外辅助抗菌效果，可大大提高抗菌效率；水凝胶能够为伤口提供良好的修复环境，加速细菌感染伤口的快速愈合；此外，该水凝胶可快速、可逆、准确地实时监测伤口的ph值，并可通过智能设备收集伤口的ph值变化。这有助于实时监测伤口愈合过程，并提供有效的抗菌治疗；可应用于伤口的治疗和管理。

24、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

25、1)本发明所述水凝胶具有良好的力学性能、良好的组织粘附性和自愈性；可高效封闭伤口，避免伤口感染，有利于为伤口提供良好的修复环境；此外，ph光纤包埋在水凝胶中避免了光纤直接与伤口的直接接触而影响伤口的愈合；同时，水凝胶的多孔结构和高溶胀性能够快速吸收伤口渗出液，进一步促进渗透液能够与ph敏感光纤充分接触，进而促进实现更加稳定、快速地监测伤口ph值的效果；

26、2)本发明以pa与fe3+络合形成的螯合物作为交联剂，使具有良好生物相容性和抗菌活性的羧甲基壳聚糖形成水凝胶，形成的可逆共价键课赋予水凝胶具有自主愈合和刺激响应等特性；此外，该螯合物在近红外照射下产生的光热效应能够大大提高水凝胶的抗菌性；这种光热疗法(ptt)是一种有效的抗菌策略，不仅可以避免抗生素滥用引起的耐药性问题，而且具有时空可控性和对正常组织损伤小的优点；

27、3)本发明首次提出将ph敏感的聚二甲基硅氧烷传感光纤整合到水凝胶中，可快速、可逆、准确地实时监测伤口的ph值，同步实现伤口的愈合和监测。

技术特征：

1.一种ph敏感光纤集成光热水凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铁盐与原儿茶醛的摩尔比为1:(2～4)。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铁盐溶液的浓度为0.1～0.3mol/ml；原儿茶醛溶液的浓度为0.3～0.6mol/ml。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述罗丹明b与聚二甲基硅氧烷预聚物的质量比为(2～3)×10-4:1。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚合反应采用的温度为70～90℃，时间为30～50min。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述羧甲基壳聚糖溶液的浓度为11～13wt％；所述原儿茶醛和铁的螯合物溶液中螯合物的浓度为0.5～1mol/ml。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述羧甲基壳聚糖溶液与螯合物溶液体积比为1:(0.02～0.04)。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中所述室温反应时间为25～30min。

9.权利要求1～8任一项所述制备方法制备的ph敏感光纤集成光热水凝胶。

10.权利要求9所述ph敏感光纤集成光热水凝胶的应用。

技术总结
本发明公开了一种pH敏感光纤集成光热水凝胶的制备方法，包括如下步骤：1)将铁盐溶液加入原儿茶醛溶液中进行室温搅拌反应，浓缩，得原儿茶醛和铁的螯合物溶液；2)将罗丹明B加入聚二甲基硅氧烷预聚体中，加热聚合得pH敏感的聚二甲基硅氧烷光纤；3)将步骤1)所得螯合物加入羧甲基壳聚糖溶液中，再将步骤2)所得pH敏感的聚二甲基硅氧烷光纤包埋进混合溶液中，室温反应成胶，即得所述pH敏感光纤集成光热水凝胶。本发明结合水凝胶固有的抗菌性能和近红外辅助抗菌效果，可大大提高抗菌效果，为伤口提供良好的修复环境，加速细菌感染伤口的快速愈合；同时可快速、可逆、准确地实时监测伤口的pH值，适用性广。

技术研发人员：赵政,闵亚军,陈诗璐,李冠霖,韩蕊嘉
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13