一种物理交联粘附性水凝胶及其一锅法制备方法和应用

本发明涉及物理交联粘附性水凝胶，具体涉及一种物理交联粘附性水凝胶及其一锅法制备方法及应用制备方法和应用，属于组织工程材料制备。

背景技术：

1、壳聚糖（cs）是一种天然的阳离子多糖，存在于虾壳、蟹壳等，是一种可再生利用的资源，广泛应用于生物医用材料领域，具有良好的生物相容性、抗菌性、可降解、可凝胶化和价格低廉等优点，但壳聚糖不溶于水，只能溶于酸性溶液中，如醋酸、盐酸等。此外，壳聚糖水凝胶的形成需要化学改性或与其他功能性材料发生反应等，反应步骤多且复杂。目前，市面上使用的壳聚糖水凝胶敷料，一般使用醋酸或者盐酸溶液溶解壳聚糖，平时实验室溶解壳聚糖也主要是将冰醋酸或者盐酸加入到水溶液中形成酸性溶剂再去溶解壳聚糖。然而这些强挥发性的冰醋酸或盐酸溶液具有一定的刺激性气味，会对人体健康有影响，需要在通风橱操作，同时这也不利于细胞的生长，影响了壳聚糖及其水凝胶产品的开发应用。因此，改变壳聚糖的传统溶解方法和成胶机制，开发出一种价格低廉、步骤简便、无毒性的溶解和成胶方法，具有很好的应用价值和经济效益。

2、α-酮戊二酸（α-ka）是一种谷氨酸脱氨基的酮酸产物，可作为膳食补充品出售，并且是三羧酸循环中的一个重要环节，在循环中的位置为异柠檬酸之后和琥珀酰辅酶 a 之前，连接细胞内碳-氮代谢，参与机体的氧化供能和体内多种物质的化学合成，其对机体维持正常生理功能有重要作用。研究表明其可通过复杂的信号通路去调节肌肉、骨骼发育、干细胞分化、免疫和炎症反应等，可延缓细胞寿命、促进免疫功能发挥、调节糖代谢改善胰岛素敏感性并促进脂肪组织燃烧分解以治疗糖尿病、延缓脂肪细胞炎症、促进干细胞增殖与分化等。此外，研究表明，α-ka的羧基可以与组织表面的氨基形成分子间氢键或静电作用，赋予凝胶粘附性，且其是一种弱酸，故可以作为壳聚糖溶解的溶剂，不用担心残留并可发挥其生物学功能。但在组织工程材料制备中，α-ka 常被用作引发剂。目前把α-ka作为溶剂的方法仅有本发明人早先提出的、公开日为2022年11月04日、专利公开号为cn115286820a的中国发明专利申请，其公开一种光交联胶原基水凝胶及其制备方法和应用，包括以下步骤：1）将胶原蛋白均 匀溶于α-酮戊二酸；2）加入n-羟基琥珀酰亚胺丙烯酸酯并搅拌均匀，用naoh溶液调节体系的ph值为中性；3）经过紫外光固化，得到胶原基水凝胶。

3、原儿茶酸（pca）是一种广泛分布的天然水溶性低分子量酚酸，存在于多种可食用植物中，并具有多种药理活性，如抗炎、抗氧化、抗高血糖、抗菌、抗癌、抗衰老、抗肿瘤、抗哮喘、抗溃疡等。目前，pca大多是通过偶联剂接枝在壳聚糖上形成水凝胶的，反应步骤多且复杂。

4、如公开日为2021年09月24日、专利公开号为cn113425893a的中国发明专利申请公开一种载药水凝胶的制备方法及其应用，其包括以下步骤：1）氧化葡聚糖的制备：在葡聚糖溶液中加入高碘酸钠粉末室温下避光反应4 h，其中葡聚糖溶液的葡聚糖单体与高碘酸钠摩尔比为1：1.5，反应结束后，滴加乙二醇终止反应，然后将反应液透析3天后，冷冻干燥待用；2）接枝原儿茶酸的明胶的制备：将明胶溶液、原儿茶酸溶液，调ph值为4-5，向明胶溶液中充入氮气30 min，同时在原儿茶酸溶液中加入交联剂活化30 min，将活化后的原儿茶酸溶液加入到明胶溶液中继续充氮气30 min，封口隔绝空气反应24 h，将反应液透析3天后，冷冻干燥得到接枝原儿茶酸的明胶；3）载药水凝胶制备：配制2%的氧化葡聚糖溶液，接枝原儿茶酸的明胶溶液，浓度梯度依次为0.6%-1.4%，然后按照体积比1：1的反应体系将其吹打均匀，通过席夫碱反应交联制备出载药水凝胶。

5、又如公开日为2022年07月22日、专利公开号为cn114773630a的中国发明专利申请公开一种光热杀菌的粘附性水凝胶及其制备方法与应用，其具体步骤如下：1）通过原儿茶酸（3,4-二羟基苯甲酸）对壳聚糖改性，获得具有邻苯二酚基团的壳聚糖chi-c；2）获得聚多巴胺纳米粒子dpa nps分散液；3）将所述chi-c和所述dpa nps分散液和β-甘油磷酸钠水溶液混匀，在生理温度下，1分钟内形成负载聚多巴胺纳米粒子的邻苯二酚改性壳聚糖/β-甘油磷酸钠水凝胶，即dpa-chi-c/β-gp。

6、再如公开日为2022年08月30日、专利公开号为cn114957720a的中国发明专利申请公开一种自交联的抗氧化型pca-g-cmcs/osa席夫碱水凝胶及其制备方法，其包括如下步骤：1）制备两性电解质cmcs：通过羧甲基修饰cs得到可以在ph ＞6.4范围溶解的cmcs；2）制备pca-g-cmcs抗氧化接枝物：通过碳二亚胺法将pca接枝到cmcs上合成pca-g-cmcs；3）制备提供大量醛基活性位点的氧化海藻酸钠（osa）并纯化；4）制备pca-g-cmcs/osa水凝胶：将2）、3）制备的产物分别溶于pbs中，分别得到其溶液，并以体积比为1~10：1混合，得到湿态的pca-g-cmcs/osa席夫碱水凝胶，冷冻干燥后得到pca-g-cmcs/osa干态支架。

7、此外，化学反应会影响pca的生物学效应，如cn113425893a、cn114957720a所制得的水凝胶破坏了pca的抗菌性能，而cn114773630a所制得的水凝胶虽然具有抗菌性能，但需要近红外激光照射，才能表现出良好杀菌性能。因此，进一步探索pca与其他化合物可能的协同效应、进而在形成水凝胶的同时保留其生物学功能，具有重要的意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种物理交联粘附性水凝胶及其一锅法制备方法，其以α-酮戊二酸（α-ka）和原儿茶酸（pca）作为溶剂，无需使用冰醋酸、盐酸等刺激性酸、无需额外加入交联剂、也无需对壳聚糖进行改性、接枝等步骤，直接一步成胶的同时保留pca的抗菌性能；进而为解决现有技术中存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益选择或创造条件。

2、本发明采用如下技术方案。

3、一种物理交联粘附性水凝胶及其一锅法制备方法，其具体步骤如下：先用α-酮戊二酸和原儿茶酸（3，4二羟基苯甲酸，pca）溶液溶解壳聚糖，然后温育形成物理交联粘附性水凝胶。

4、温育过程中，α-酮戊二酸的一部分羧基变为醛基、与壳聚糖的氨基反应，同时α-酮戊二酸的一部分羧基再与原儿茶酸的羧基形成反应，脱羧接上酚羟基，得到高粘附强度和抗菌性水凝胶。

5、其中，α-酮戊二酸（α-ka）和原儿茶酸（pca）水溶液作为溶剂。

6、本发明中，优选所述壳聚糖（cs）的浓度为30-60mg/ml，进一步优选为30-40mg/ml。这里的浓度是指将壳聚糖均匀溶于α-酮戊二酸（α-ka）和原儿茶酸（pca）去离子水溶液后的壳聚糖浓度。

7、本发明中，优选所述原儿茶酸（pca）的浓度为10-30mg/ml，进一步优选为10-20mg/ml。这里的浓度是指将原儿茶酸均匀溶于去离子水后的原儿茶酸浓度。

8、本发明中，优选所述α-酮戊二酸（α-ka）的浓度为10-30mg/ml，进一步优选为10-15mg/ml。

9、本发明中，优选所述溶解壳聚糖后，温育的温度为 37℃-80℃，进一步优选为37℃-60℃。

10、本发明中，优选所述溶解壳聚糖后，温育时间为12-24 h，进一步优选为24 h。

11、本发明提供的一种物理交联粘附性水凝胶及其一锅法制备方法，以壳聚糖为基底材料，创新使用天然的α-酮戊二酸和原儿茶酸作为溶解壳聚糖的溶剂，解决冰醋酸、盐酸等强挥发性酸带来的刺激性及细胞毒性等，且无需对壳聚糖进行改性，省去了壳聚糖改性需要除去催化剂、交联剂等的复杂步骤，并减少原儿茶酸接枝于壳聚糖的化学反应对其生物学效应的影响，通过壳聚糖、α-酮戊二酸、原儿茶酸之间简单的共混温育，从而实现壳聚糖的无毒、简便溶解和无需改性一步成胶。

12、并且，利用本发明的制备方法制备物理交联粘附性水凝胶时，可以通过调节壳聚糖、α-酮戊二酸、原儿茶酸的含量来控制水凝胶成胶时间、力学强度、粘附性能、溶胀性能、降解性能、抗菌性能等，得到性能可控的物理粘附性水凝胶。

13、本发明提供的一种物理交联粘附性水凝胶及其一锅法制备方法，壳聚糖溶解条件温和无刺激性、并将α-酮戊二酸和原儿茶酸作为溶剂，无需额外加入引发剂、交联剂、凝胶成胶的操作步骤简便、具有多孔结构、良好的力学性能、细胞相容性、抗菌性、可降解性、生物活性和性能可控等，可作为组织工程和再生医学领域的生物医用材料，具有操作简便、高强度粘附性、可自愈性、形状适应性和生物活性等优势，手术操作性强，可自适应调控填充不同形状缺损组织部位，高强度粘合性可粘附创面无需手术缝合线缝合。

14、相对于现有技术，本发明具有如下的优点及有益效果。

15、1）本发明原料来源丰富且全部都属于天然材料，壳聚糖来源于虾壳蟹壳，属于可循环再生资源。α-酮戊二酸为谷氨酸脱氨基的酮酸产物，可作为膳食补充品出售，并且是弱酸。原儿茶酸存在于多种可食用植物中，具有抗炎、抗氧化、抗菌等多种药理活性，上述两种酸作为壳聚糖的溶剂无刺激性，溶解操作简单，且无需对壳聚糖进行改性成胶，避免额外加入催化剂和交联剂所带来的成本及潜在的细胞毒性等，且α-酮戊二酸和原儿茶酸可赋予凝胶抗菌、抗氧化、抗炎、促组织再生修复等生物活性。

16、2）本发明中的原料α-酮戊二酸和原儿茶酸的组合可以充分发挥原儿茶酸的抗菌性能、抗感染性能，且其抗菌、抗感染性能无需经近红外激光照射就具有良好的抗菌、抗感染性能，可以赋予凝胶的高强度粘附性等。但单纯的酮戊二酸没有酚羟基，与壳聚糖反应和组织形成简单的静电作用，只能赋予水凝胶低粘附性；单纯的原儿茶酸具有酚羟基，与壳聚糖通过静电作用和氢键反应已经消耗掉一部分酚羟基，因此也只能赋予水凝胶低粘附性。

17、3）本发明制备得物理交联粘附性水凝胶的反应体系条件温和、操作简便和性能可控。

18、4）本发明可以通过调节壳聚糖、α-酮戊二酸（α-ka）、原儿茶酸（pca）等的含量，来调控水凝胶成胶时间、力学强度、粘附性能、溶胀性能、降解性能、抗菌性能等，得到性能可控的物理粘附性水凝胶。

19、5）本发明制备的物理粘附性水凝胶操作简便，具有高强度粘附性、可自愈性、形状可适应。