一种基于电场调控的快速制备不同粒径多价金属-海藻酸钠凝胶微球的方法及应用

本发明涉及抗菌复合材料领域，具体涉及一种基于电场调控的快速制备不同粒径多价金属-海藻酸钠凝胶微球的方法，及制备得到的多价金属-海藻酸钠凝胶微球在抗菌领域的应用。

背景技术：

1、与致病菌有关的感染是食品和医药领域最严重的风险之一，导致全世界近三分之一的死亡，并对公共卫生和经济构成严重威胁。抗生素作为一种被广泛接受的治疗方法，已被广泛用于治疗细菌感染。然而，抗生素的滥用导致了许多耐药菌甚至多重耐药菌的出现；另一方面，对开发新化学类抗生素的深入研究无法应对细菌耐药性的迅速上升。因此，发现和开发替代抗菌策略至关重要。ag、au、cu和zn等金属具有固有的广谱抗菌活性，并因其抗菌特性而被使用了数千年。例如，自波斯国王时代起，由cu和ag制成的容器就被用于水消毒和食品保存。即使在今天，金属仍广泛应用于抗菌涂料、织物和伤口敷料中。此外，研究人员发现，金属的抗菌行为很大程度上依赖于金属离子的释放，金属离子会破坏膜结构，损伤dna和蛋白质，并产生过量的活性氧自由基(ros)。然而，金属对人体健康的毒性是一个无法回避的话题，也是限制金属材料在抗菌领域进一步应用的最大原因。另一个缺陷是抗时效:金属离子释放过快导致毒性积累，抗菌持续时间短。因此，如何研究出具有良好抗菌性和生物相容性的金属复合抗菌材料是目前的研究热点。

2、海藻酸钠来源于褐藻，是一种离子型亲水性多糖，由α-l-古鲁醛酸(g单元)和β-d-甘露醛酸(m单元)组成，以g和m单元穿插排列。海藻酸钠是一种无毒无害的天然多糖，广泛应用于食品、医药等诸多领域。海藻酸钠高分子链中含有丰富的羧基和羟基，容易与多种金属离子相互作用螯合形成交联结构的水凝胶。除了研究最多的海藻酸钠与ca的体系外，最近的研究表明，许多其他种类的金属离子也可以与海藻酸钠络合，如fe、cu、zn、sr、ba、v等。此外，金属离子与配体螯合后，可在一定程度上延缓金属离子的释放，达到缓释的效果。

3、近些年来，水凝胶抗菌材料由于其良好的生物相容性和吸湿性，越来越多地被用作伤口敷料，用于治疗伤口感染。与创可贴、纱布等传统敷料相比，水凝胶能够吸收创面积液，提供有利于创面愈合的环境，从而加速创面愈合，而不会在置换过程中造成二次损伤。但是目前水凝胶的制备大多采用化学交联法，此过程需要引入额外的引发剂、交联剂，反应过程较为复杂，且存在残留毒性的问题，不适用于大批量的工业生产。此外，在实际使用过程中，针对不同的使用场景，水凝胶的尺寸大小也十分重要，而当前领域水凝胶常见的制备方法制备得到的尺寸通常较为单一、难以调控，或是尺寸难以控制大小不均，因此能够快速制备不同大小、粒径可控可调的水凝胶具有重大意义，能够极大地扩展材料的应用范围。基于此，本发明提出一种基于电场调控的快速制备不同粒径多价金属-海藻酸钠凝胶微球的方法，天然可降解的高分子海藻酸钠能和cu2+等多价金属迅速发生交联，从而形成水凝胶，此过程快速简便，且交联的水凝胶不用引入额外的引发剂和交联剂；并且，通过调控电压可以实现凝胶微球尺寸的可调可控，具有更实际的应用意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术中存在的问题，提供了一种基于电场调控的快速制备不同粒径的多价金属-海藻酸钠凝胶微球的方法。本发明的原理是通过利用电场力的束缚制备不同粒径的凝胶，反应的原理是当海藻酸钠溶液滴落在可溶性多价金属盐溶液中后，海藻酸钠中的钠离子和溶液中的多价金属离子进行置换，从而将海藻酸钠高分子链交联起来形成凝胶。通过在海藻酸钠溶液和多价金属盐溶液之间施加高压，利用电场力的束缚成功制得了不同粒径且粒径可控可调的多价金属-海藻酸钠凝胶微球。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明的目的之一是提供一种基于电场调控的快速制备不同粒径多价金属-海藻酸钠凝胶微球的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)配置海藻酸钠溶液和可溶性多价金属盐溶液；

5、(2)在一定电压下，将海藻酸钠溶液以一定速率加入至可溶性多价金属盐溶液中，随后充分交联后，得到多价金属-海藻酸钠凝胶微球。

6、优选的，所述步骤(1)中海藻酸钠溶液的质量分数为1～2％。

7、优选的，所述步骤(1)中可溶性多价金属盐溶液以金属离子计浓度为50～100mmol/l。

8、优选的，所述步骤(1)中可溶性多价金属盐包括硫酸铜、氯化铜、醋酸铜、硝酸铜、硫酸铁、氯化铁、硫酸锌、氯化锌、硫酸镍、氯化镍、硫酸钴、氯化钴的至少一种。

9、优选的，所述步骤(2)中电压范围在1～5kv之间。

10、优选的，所述步骤(2)中以0.5ml/min的速率将海藻酸钠溶液加入至可溶性多价金属盐溶液中。

11、优选的，所述步骤(2)中海藻酸钠溶液和金属盐溶液体积比为1：5。

12、优选的，所述步骤(2)中，将海藻酸钠溶液通过注射泵注射入可溶性多价金属盐溶液中；更优选的，注射泵的注射针头的尺寸为18g～22g，更优选针头型号为22g；更优选的，将海藻酸钠溶液注入针筒中，并排尽针筒内的空气，将装有海藻酸钠的针筒加载到精密注射泵上，并用软管连接注射针头，此时，高压电源连接在注射针头和可溶性多价金属盐溶液之间，开启注射泵，将海藻酸钠溶液推入可溶性多价金属盐溶液中。

13、优选的，所述步骤(2)中交联时间为不低于5min，更优选为不低于10min。

14、优选的，所述步骤(2)中交联后还包括有后处理步骤，更优选所述后处理步骤包括抽滤、洗涤、收集等常规处理步骤，更优选洗涤步骤为去离子水洗涤至少3次。

15、优选的，所述的制备方法具体包括步骤如下：

16、(1)配置质量体积分数为2％的海藻酸钠溶液；

17、(2)将步骤(1)得到的海藻酸钠溶液注入针筒中，并排尽针筒内的空气；更优选所用针筒量程为10ml；

18、(3)将步骤(2)得到的装有海藻酸钠的针筒加载到精密注射泵上，并用软管连接注射针头；更优选装载针头型号为22g；

19、(4)将高压电源连接在注射针头和硫酸铜溶液之间，开启注射泵，以0.5ml/min的速率推入硫酸铜溶液中，并调节电压以获得不同粒径的凝胶微球；更优选加载电压在1～5kv之间；

20、(5)待步骤(4)中制得的凝胶球充分交联后，进行抽滤，洗涤，然后收集微球备用，得到粒径可调的铜-海藻酸钠凝胶微球；更优选充分交联时间为10min～2h，洗涤步骤为去离子水洗涤三次。更优选还可以将硫酸铜溶液换为其他多价金属盐溶液，能够得到其他相应的多价金属-海藻酸钠凝胶微球。

21、优选的，所述的制备方法制备得到的多价金属-海藻酸钠凝胶微球的粒径在300～1500μm范围内可调。更优选的，所述的多价金属-海藻酸钠凝胶微球由三维网络骨架组成，多价金属离子均匀地分布在网络中。

22、本发明的目的之二是提供一种上述的制备方法制备得到的多价金属-海藻酸钠凝胶微球在抗菌领域的应用。

23、优选的，所述的多价金属-海藻酸钠凝胶微球应用于抗菌领域中，在和细菌接触时，带正电的多价金属离子如铜离子会结合到带负电的细菌细胞膜表面，从而破坏细菌细胞膜。更优选的，所述的多价金属-海藻酸钠凝胶微球应用于抗菌敷料。

24、本发明采用外接的高压电源，利用电场力的束缚能够在短时间内合成出大量的尺寸均一且可调的多价金属-海藻酸钠凝胶微球。经测试，本发明的凝胶微球对革兰氏阴性菌大肠杆菌(e.coli)和革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌(s.aureus)均具有十分优异的杀灭效果，并且对于常见的多重耐药菌耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(mrsa)和耐碳青霉烯肺炎克雷伯菌(crkp)也具有十分优异的杀灭效果，并且主体成分海藻酸钠能够促进伤口愈合。因此该水凝胶微球有望成为抗菌敷料的备选材料。不仅如此，该发明生产的不同粒径的凝胶微球，有望应用于各种抗菌领域。

25、与现有技术相比，本发明具有有益效果如下：

26、本发明可以通过精密注射泵控制制备，整个交联过程无需人力参与，并且简便快捷，易于实现工业化量产。

27、本发明制备方法不涉及额外的引发剂、交联剂等物质的引入，制备得到的产品安全可靠、且制备过程绿色无污染，符合绿色化学理念。

28、本发明通过电场调控可以得到不同粒径且尺寸均一的凝胶微球，能够实现凝胶微球粒径的可控可调，而不同粒径的微球可以具有不同的用途，例如用作水体消毒，伤口敷料等等，在不同领域发挥优秀的抗菌效果，具有广阔的市场化应用前景。