医用水胶体敷料的制备、性能及伤口应用效果

2021-09-22李巧兰

粘接 2021年9期

关键词：微球

李巧兰

摘要：针对传统敷料易粘附伤口，无法为创伤部位提供保护，无法抵抗外部细菌感染，进而导致组织再次损伤的问题，提出一种生物降解的抗菌医用水凝胶敷料，用于伤口愈合。首先通过化学改性法制备海藻酸钠（OAlg），利用席夫碱交联反应制备水凝胶OAlg/CMCS;再利用乳化交联法制备载盐酸四环素明胶微球（TH/GMs）。在水凝胶中加入不同浓度的TH/GMs，制备不同浓度的TH/GMs/Gel，性能测试结果表明，当TH/GMs为30mg/mL时，凝胶时间适宜;吸水溶胀和降解稳定性最好;最大压缩应力达到102.6MPa;压缩模量值达到8.18kPa;储能模量超过10kPa，弹性性能好，是一种结构良好，机械能力优异的医学敷料。

关键词：医用敷料;水凝胶;微球;席夫碱交联反应

中图分类号：TQ437 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）09-0044-05

Preparation， Properties and Wound Application Effect of Medical Hydrocolloid Dressing

Li Qiaolan

（Wuhan NO.1 Hospital， Wuhan 430000， China）

Abstract：In view of the problem that traditional dressings are easy to adhere to wounds， they can not provide protection for trauma sites， and can not resist external bacterial infection， and then cause tissue damage again. A biodegradable antibacterial medical hydrogel dressing is proposed for wound healing. Firstly， sodium alginate （OAlg） was prepared by chemical modification method， and hydrogel OAlg/CMCS was prepared by cross-linking reaction of Schiff base. Then， tetracycline gelatin microspheres （TH/GMs） were prepared by emulsion crosslinking method. Different concentrations of TH/GMs were added into the hydrogel to prepare TH/GMs/Gel with different concentrations. The performance test results show that when TH/GMs is 30mg/mL， the gel time is suitable， the water swelling and degradation stability are the best， the maximum compressive stress reaches 102.6MPa， the compression modulus reaches 8.18kPa， the storage modulus is over 10kPa， and the elastic property is good， so it is a medical dressing with good structure and excellent mechanical capability.

Key words：medical dressing; hydrogel; microsphere; Schiff base crosslinking reaction

现代医学技术逐年提高，药品和医用器械也走向现代化，但医用敷料却还停留在传统的纱布、绷带、棉花等物。这些敷料虽然能帮助伤口引流，但比较干燥，易粘附伤口，无法为创伤部位提供保护。另外纱布敷料还需经常更换，不仅会增加成本，还可能会造成重复性组织损伤。寻找一种与细胞相容性较高，能提供湿润的组织接触环境的医用敷料，是目前较为重要的研究话题。朱新华（2019）等人尝试以医用银离子作为主要材料制备抗菌水凝胶敷料[1];鲁手涛（2020）等人则尝试用高分子材料制备水凝胶伤口敷料[2]，这些学者的研究为医用敷料制备提供了新的方向，但是在具体实现中还是有一定困难。在此背景下，本文尝试用经化学氧化后的海藻酸钠与载盐酸四环素明胶微球作为基础制备水凝胶医用敷料，为医用敷料的进一步研究提供新的思考。

1 材料与方法

1.1 试剂与仪器

本试验所用试剂与仪器如表1、表2所示。

1.2 试验步骤

1.2.1 氧化海藻酸钠/羧甲基壳聚糖水凝胶的制备

本试验利用高碘酸钠氧化海藻酸钠（Alg），得到带有醛基的氧化海藻酸钠（OAlg），并以此为基础制备氧化海藻酸钠/羧甲基壳聚糖水凝膠，具体步骤如下：

（1）用电子天平精准称取海藻酸钠6g，量取300mL去离子水，两者混合后利用磁力搅拌器搅拌至完全溶解，得到浓度为2%（w/v）的海藻酸钠溶液。

（2）用电子天平精准称取3g高碘酸钠，完全溶解于10mL去离子水，得到高钾酸钠溶液。将制备的溶液以缓慢滴加的方式加入海藻酸钠溶液，滴加完成后置于室温避光环境反应24h。

（3）反应完成后加入4mL乙二醇进行反应，反应时间为2h，待反应完成后，加入1g氯化钠。

（4）将上述步骤制备的溶液装入MWCO 14000透析袋，在去离子水中避光透析，透析时间为3d，每天换水3～5次。

（5）透析结束后纯化，将纯化后的溶液进行干燥冷冻，产物为白色絮状体。此时可利用碘量法计算氧化海藻酸钠的氧化度，计算结果为44.5%。

（6）配制质量分数为15%（w/v）的OAlg水溶液，避光保存，用时配制。配制质量分数为4%（w/v）的CMCS水溶液，同样用时配制。

（7）配置好的OAlg溶液和CMCS溶液在室温条件下，按照1∶4的体积比混合搅拌均匀，37℃下进行凝胶，凝胶时间为30min，得到氧化海藻酸钠/羧甲基壳聚糖水凝胶（OAlg）。

1.2.2 载盐酸四环素明胶微球的制备

利用乳化交联法制备载盐酸四环素明胶微球，具体步骤如下：

（1）用电子天平精准称取1g明胶，量取10mL去离子水，两者混合后在磁力搅拌器作用下搅拌至完全溶液，搅拌温度为30℃，得到浓度为10%（w/v）的明胶溶液，将此作为水相备用。

（2）按照明胶质量与盐酸四环素质量比10∶1称取盐酸四环素，溶解于提前配制好质量分数为10%（w/v）明胶溶液中，搅拌使之混合均匀。

（3）量取60mL植物油作为油相，将1mL span80作为乳化剂，两者在烧杯中混合均匀后进行预热，预热温度为60℃。

（4）将同样预热至60℃的明胶溶液缓慢滴加到油相中，在800r/min的转速下机械搅拌至混合均匀，然后进行热水浴乳化，水浴温度和時间为60℃、15min，使溶液形成均一的乳液。

（5）待乳化完成后，将热水换为冰水，继续搅拌，搅拌时间和转速为5min和800r/min。待乳液完全冷却后，向乳液中慢慢的滴加1mL50%的戊二醛溶液进行交联固化，搅拌转速不变，固化时间为60min，待固化完成后得到交联聚合物。

（6）待交联结束后，往交联聚合物中加入30mL冷丙酮进行脱水絮凝，搅拌转速不变，絮凝时间为40min，微球逐渐固化沉降后用离心机进行离心分离，离心转速和时间分别为2500r/min、5min。

（7）得到明胶微球后用异丙醇和乙醇清洗微球4次，将其表面的油相洗净后进行冷冻干燥，得到载盐酸四环素明胶微球（TH/GMs）。

1.2.3 微球复合水凝胶抗菌敷料的制备

微球复合水凝胶抗菌敷料制备是在制备OAlg/CMCS时加入定量载药明胶微球TH/GMs，具体步骤如下：

（1）将明胶微球在室温条件下与质量分数为4%（w/v）的CMCS水溶液混合，使之均匀分散在CMCS水溶液中，得到TH/GMs溶液。

（2）按照OAlg：TH/GMs体积比1∶4混合，搅拌均匀后等待凝胶。凝胶温度和凝胶时间分别为37℃和30min，得到微球复合水凝胶抗菌敷料。

（3）以空白OAlg/CMCS水凝胶作为对照，分别设置TH/GMs在OAlg/CMCS水凝胶中浓度为10mg/mL、20mg/mL、30mg/mL、40mg/mL的试验组，分析TH/GMs对水凝胶性能的影响。

为简化试验阐述，本研究将微球复合水凝胶抗菌敷料简称为TH/GMs/Gel空白OAlg/CMCS水凝胶为Gel。

1.3 性能测试

1.3.1 凝胶时间分析

本试验采取倾斜法测定TH/GMs/Gel的凝胶时间，具体步骤为：在5cm的玻璃瓶中加入一定量质量分数为15%（w/v）的OAlg溶液，然后在玻璃瓶中加入指定体积的TH/GMs的4%（w/v）CMCS溶液，两种溶液接触后就开始计时，并轻轻摇晃，使溶液混合均匀。然后倾斜玻璃瓶，观察溶液的流动情况，待玻璃瓶倒置时溶液不再流动，并固化成一定形态，则已经形成水凝胶，停止计时，该时间即为TH/GMs/Gel的凝胶时间。

1.3.2 力学性能测试

分别将浓度为10mg/mL、20mg/mL、30mg/mL、40mg/mL的TH/GMs/Gel溶液和Gel溶液在注射器模具中制备成为柱状水凝胶，水凝胶的直径和高分别为15mm和10mm。将制备的水凝胶进行预热，预热温度和时间分别为37℃和30min，利用万能力学测试机对预热好的水凝胶按照1mm/min的恒定位移速率进行压缩力学测试，应力达到屈服点时，水凝胶内部会发生断裂，测试完成。根据结果绘制应力应变曲线，计算所测样品在线性范围内应变范围内的压缩模量。

1.3.3 体外降解研究

将浓度为10mg/mL、20mg/mL、30mg/mL、40mg/mL的TH/GMs/Gel溶液和Gel溶液制备成直径15mm，高10mm的水凝胶样品并称重（W0）。将样品浸泡在含有20mL PBS离心管中，在恒温振荡摇床进行培养，培养温度和频率分别为37℃和70r/min。分别将样品培养0h、3h、6h、12h、24h（1d）、2d、3d、4d、6d、8d、10d、12d、14d后将样品取出，用滤纸将表面水分吸干并称重（Wt）。降解率和质量剩余率可用公式（1）、公式（2）表示，并通过降解率和质量剩余率绘制时间变化曲线。

2 结果与讨论

2.1 凝胶时间分析

图1为加入不同浓度TH/GMs的复合水凝胶凝胶时间，观察图1可以发现，随着TH/GMs浓度增加，凝胶时间呈逐渐减少趋势。当TH/GMs浓度为0mg/mL、10mg/mL时，TH/GMs/Gel凝胶时间相近，都在140s以上，当TH/GMs浓度达到40mg/mL时，凝胶时间最短，为70s。出现此现象的原因为两种溶液混合后，CMCS将TH/GMs包裹，OAlg加入后，TH/GMs发挥吸水性，将溶液中的水分吸收，增加了CMCS、OAlg浓度，促进席夫碱反应的发生，导致凝胶速率增加。同时，生物高分子微球本质为亲水性物质，TH/GMs的加入会提高其他高分子溶液浓度，使CMCS与OAlg的交联机会增加，凝胶时间缩短。

但高浓度的TH/GMs在混合过程表现出体系不均匀的现象，而且结构内部会出现很多气泡，这就导致临床操作十分不便，所以TH/GMs浓度为40mg/mL时，虽然凝胶时间较短，但并不是适用。当TH/GMs浓度为30mg/mL时，制备的TH/GMs/Gel凝胶时间适宜，表面形态较为完好，所以TH/GMs浓度为30mg/mL时为最佳选择。

2.2 力学性能测试结果

表3是在不同TH/GMs浓度下的最大应变和最大压缩应力，观察表3可知，随TH/GMs浓度增加，TH/GMs/Gel最大应变值逐漸减小。出现此现象的原因为，随TH/GMs的增加，TH/GMs/Gelu含水量逐渐减小，韧性随之减小，最大应变值也减小。而与空白水凝胶相比，加入TH/GMs后，最大压缩应力增加，当TH/GMs浓度达到30mg/mL时，最大压缩应力达到最高102.62MPa。当浓度超过30mg/mL时，TH/GMs水凝胶中无法分散均匀，使得水凝胶内部裂缝加速产生，出现水凝胶过早断裂的现象。

图2为加入不同浓度TH/GMs的TH/GMs/Gel的压缩模量图，通过图2可看出，TH/GMs/Gel的压缩模量随TH/GMs的增加而增加，在TH/GMs浓度为40mg/mL时达到最大，此时TH/GMs/Gel压缩模量值为9.24kPa，出现该现象的原因仍是因为TH/GMs的吸水性，导致高分子聚合物浓度升高，制备的TH/GMs/Gel强度更高，表现出更高的机械性能。

2.3 体外降解测试结果

图3是加入不同浓度TH/GMs的TH/GMs/Gel降解性能图，从图3可看出，TH/GMs/Gel在刚开欧的12h内质量明显增加，这是由于TH/GMs/Gel的溶胀效应导致的。在正常情况下，TH/GMs浓度越低，TH/GMs/Gel具有更高的溶胀度，TH/GMs/Gel中TH/GMs含量越少就越容易降解。所以空白凝胶的降解速度最快，降解了14d后，质量剩余率只剩下了30.8%。在最后阶段，TH/GMs浓度为20～30mg/mL时，TH/GMs/Gel表现出了很好的稳定性，14d后质量剩余率分别为132.5%和112.8%。出现此现象的原因是加入TH/GMs后，交联体系中的高分子溶液浓度变大，所以TH/GMs/Gel表现出了很好的固性，进而降低了TH/GMs/Gel的溶胀度，进而延缓了水凝胶的降解速率。而TH/GMs浓度为40mg/mL时，14d后质量剩余率为94.7%，这是由于TH/GMs浓度过高，在降解过程中易出现团聚现象，所以降解剩余率有所降低。

3 结论

研究通过席夫碱交联反应制备OAlg/CMCS交联水凝胶，利用乳化交联法制备载盐酸四环素明胶微球TH/GMs，最后将不同浓度的TH/GMs加入OAlg/CMCS中，制备出含有不同TH/GMs的TH/GMs/Gel。其中的CMCS溶液浓度为4%（m/v）;OAlg溶液浓度为15%（w/v）;TH/GMs载药比为10：1;OAlg：TH/GMs体积比1∶4。并探究了该水凝胶的性能测试，具体结论如下：

（1）通过对凝胶时间的分析试验发现，随TH/GMs浓度的增加，TH/GMs/Gel凝胶时间逐渐减少，但当TH/GMs浓度达到40mg/mL时，TH/GMs在体系中分布不均匀，且结构内部会出现很多气泡，所以TH/GMs浓度为30mg/mL时，性能最佳。

（2）力学性能测试结果表明，随TH/GMs的加入导致TH/GMs/Gel最大压缩应力增加，当TH/GMs浓度达到30mg/mL时，最大压缩应力达到最高102.62MPa，压缩模量值为8.18kPa，表现出良好的机械性能。

（3）体外降解测试结果表明，TH/GMs会影响TH/GMs/Gel的溶胀度，TH/GMs浓度越高，溶胀度越低，越不易降解。当TH/GMs浓度达到30mg/mL时，14d后剩余率达到112.8%，表现出很好的稳定性。

综上所述，当TH/GMs浓度为30mg/mL时，凝胶时间适宜，吸水溶胀能力和降解稳定性较好，压缩应力值达到最大，储存模量达到10kPa，弹性性能好，是一种力学性能优异，可用于伤口恢复的临床医学中的凝胶敷料。

参考文献

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