以氧化透明质酸为交联剂的壳聚糖多肽衍生物自交联水凝胶
的制备方法及应用
技术领域
背景技术
[0002] 水凝胶是能在水中溶胀但不溶于水的高分子材料，通过分子间的交联，形成三维网状结构，其分子链上带有亲水性基团。随着现代科技的发展，水凝胶在药物
控释，组织工程，再生器官等领域多有应用。水凝胶
敷料是一种与人体组织细胞外基质类似的，具有良好的
生物相容性的新型医用敷料。水凝胶敷料表面柔软，易与伤口良好地贴合，可以为创面提供一个良好的润湿愈合环境，能够吸收伤口的渗出液，还能防止水分和
电解质的大量流失。
[0003] 壳聚糖是应用于生物医学领域的天然多糖中研究最为全面的，它具有良好的生物相容性、环境友好性，而且可降解、可再生。但是壳聚糖在水和其他
有机溶剂中较差的溶解性能，阻碍了其发展。羧甲基壳聚糖是壳聚糖的羧甲基化产物，是一种两性聚
电解质，其明显克服了壳聚糖
水溶性差的缺点，同时保留了壳聚糖优异的理化性能和生物学特性。羧甲基壳聚糖有类似于壳聚糖的抗菌活性，是因为其
氨基正离子能干扰细菌表面的大分子物质的合成，改变细胞壁渗透性。羧甲基壳聚糖还具有抗
肿瘤特性，肿瘤细胞表面带有一定的负电荷，能与羧甲基壳聚糖上的正电荷通过静电作用相互吸引，从而抑制肿瘤细胞生长。此外，羧甲基壳聚糖作为一种安全的
生物材料，其在促进创面愈合的同时还能减少疤痕的形成，故其在创面修复、整形等领域具有良好的应用前景。
胶原蛋白肽是胶原蛋白经过
水解得到的产物，亲水性好，易被人体吸收。胶原蛋白肽具有良好的生物活性，能够诱导细胞的增殖、粘附和迁移，除此之外，胶原蛋白肽还能够清除自由基，减少
炎症反应，在创面愈合和延缓衰老领域具有重要的作用。
[0004] 透明质酸是在细菌和高等动物体内具有重要生物学功能的天然糖胺聚糖，它存在于大多数结缔组织中，尤其集中在脐带、滑液、眼玻璃体液和鸡冠中。透明质酸具有多种重要的物理化学性质，比如：优异的吸水性能、独特的流变性能、可控的药物缓释性能等。此外，透明质酸还是细胞外基质的重要组成部分，在细胞和其它细胞外基质成分之间能够提供润滑和减震的作用，还能调节细胞内外阳离子浓度，并且能够参与多种生理学过程，包括有丝分裂、胚胎形成、细胞分化与增殖、组织增生等。
发明内容
[0005] 本发明的目的之一在于提供一种以氧化透明质酸为交联剂的壳聚糖多肽衍生物自交联水凝胶的制备方法，方法操作简单，有利于工业化大规模生产。
[0006] 本发明的目的之二在于提供一种所述的以氧化透明质酸为交联剂的壳聚糖多肽衍生物自交联水凝胶的制备方法制备的水凝胶在制备伤口敷料中的应用。
[0007] 本发明的目的之三在于提供一种所述的以氧化透明质酸为交联剂的壳聚糖多肽衍生物自交联水凝胶的制备方法制备的水凝胶在制备
止血药物中的应用。
[0008] 本发明实现目的之一所采用的方案是：一种以氧化透明质酸为交联剂的壳聚糖多肽衍生物自交联水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
[0009] (1)氧化透明质酸的制备：取一定量的透明质酸加水溶解得到透明质
酸溶液，取一定量的高碘酸钠溶于水中配成均一的溶液，再逐滴加入透明质酸溶液中，在一定
温度下避光反应一定时间后再加入乙二醇，终止反应，最后经
透析、
冷冻干燥，制得氧化透明质酸；
[0010] (2)羧甲基壳聚糖的制备：使用
碱溶液将壳聚糖碱化，加入异丙醇，搅拌均匀后调节至一定温度，再分批加入一定量的氯乙酸，继续搅拌至反应完全，反应结束后，待反应液冷却至室温，使用
乙醇洗涤，再经过透析、干燥，制得羧甲基壳聚糖；
[0011] (3)羧甲基壳聚糖/胶原蛋白肽的制备：使用Na2HPO4/NaH2PO4缓冲溶液分别配制羧甲基壳聚糖溶液、胶原蛋白肽溶液和
转谷氨酰胺酶溶液，配制完成后，在一定温度下搅拌反应，随后升温，使转谷氨酰胺酶失活，待反应液冷却至室温，依次经过过滤、透析、冷冻干燥，制得羧甲基壳聚糖/胶原蛋白肽；
[0012] (4)水凝胶的制备：分别配制羧甲基壳聚糖/胶原蛋白肽溶液和氧化透明质酸溶液，在一定温度下均匀混合，自交联得到水凝胶。
[0013] 所述步骤(1)-(3)中，透析截留分子量均为8000及以上。
[0014] 优选地，所述步骤(1)中，透明质酸与高碘酸钠的
质量比为1:0.3～3，在30℃下避光反应2h。
[0015] 优选地，所述步骤(1)中，制得的氧化透明质酸的氧化度为30％～60％。
[0016] 优选地，所述步骤(2)中，碱溶液为50％的氢氧化钠溶液，碱溶液与壳聚糖的质量比为1:1，在55℃下加入氯乙酸，壳聚糖与氯乙酸的质量比为1:1。
[0017] 优选地，所述步骤(2)中，制得的羧甲基壳聚糖为0.84。
[0018] 优选地，所述步骤(3)中，Na2HPO4/NaH2PO4缓冲溶液的浓度为0.15～0.2mol/L，pH为5.5～6.0，羧甲基壳聚糖溶液的浓度为0.015～0.02g/mL，胶原蛋白肽溶液的浓度为0.01～0.02g/mL，转谷氨酰胺酶溶液的浓度为0.0015～0.002g/mL，在50℃下反应，升温至100℃以上使转谷氨酰胺酶高温失活。
[0019] 优选地，所述步骤(3)中，制得的羧甲基壳聚糖/胶原蛋白肽的取代度为0.3～0.6。
[0020] 优选地，所述步骤(4)中，氧化透明质酸溶液的浓度与羧甲基壳聚糖/胶原蛋白肽溶液的浓度相同，氧化透明质酸与羧甲基壳聚糖/胶原蛋白肽溶液混合的体积比为0.2～1:1，混合温度为0-50℃。另一优选的，氧化透明质酸溶液的浓度与羧甲基壳聚糖/胶原蛋白肽溶液的浓度均为5wt％。
[0021] 本发明的制备方法以转谷氨酰胺酶为催化剂，催化胶原蛋白肽和羧甲基壳聚糖合成以酰胺键连接的羧甲基壳聚糖/胶原蛋白肽
复合材料，反应条件温和。以氧化透明质酸为交联剂，与羧甲基壳聚糖/胶原蛋白肽复合材料发生席夫碱反应制备得到复合水凝胶。
[0022] 本发明实现目的之二所采用的方案是：一种所述的以氧化透明质酸为交联剂的壳聚糖多肽衍生物自交联水凝胶的制备方法制备的水凝胶在制备伤口敷料中的应用。
[0023] 本发明实现目的之三所采用的方案是：一种所述的以氧化透明质酸为交联剂的壳聚糖多肽衍生物自交联水凝胶的制备方法制备的水凝胶在制备止血药物中的应用。
[0024] 本发明具有以下优点和有益效果：
[0025] (1)本发明的制备方法以天然生物材料为原材料，考虑到单一材料的局限性，结合多种生物材料，致
力于制备出理化性能优异、生物相容性好的复合水凝胶，推动其在医用敷料领域的发展。
[0026] (2)本发明采用转谷氨酰胺酶为催化剂催化羧甲基壳聚糖和胶原蛋白肽进行接枝反应，工艺简单，反应条件温和，催化反应所形成的共价键牢固，无生物毒性，重复性好，具有较好的经济价值。
[0027] (3)本发明使用氧化透明质酸作为交联剂，替代传统有毒小分子交联剂，制得产品无毒无害，具有良好生物相容性。
[0028] (4)本发明的制备方法所制备的水凝胶具有连续稳定的三维结构，适宜的凝胶时间，优异的溶胀性能，优良的保水能力和良好的血液相容性，最大溶胀率达到1600％，最短凝胶时间为47s，溶血率在2.4～4.2％之间。
附图说明
[0029] 图1为
实施例1中原料CS、制备的CMCS和CMCS/COP的傅里叶红外图；
[0030] 图2为实施例1中制备的CMCS和CMCS/COP的核磁氢谱图；
[0031] 图3为实施例1中制备的CMCS和CMCS/COP的XRD图谱；
[0032] 图4为实施例1中原料HA和制备的OHA的核磁氢谱图；
[0033] 图5为实施例1中原料HA、制备的OHA和实施例3所制备的CCHA-6水凝胶的红外
光谱图；
[0034] 图6为实施例3中制备的CCHA-6水凝胶横截面的扫描电镜图；
[0035] 图7为实施例1～5中所制备的水凝胶的凝胶时间示意图；
[0036] 图8为实施例1～5中所制备的水凝胶的溶胀率示意图；
[0037] 图9为实施例1～5中所制备的水凝胶的水
蒸发率示意图；
[0038] 图10为实施例1～5中所制备的水凝胶的溶血率示意图。
具体实施方式
[0039] 为更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
[0040] 实施例1:
[0041] 1、羧甲基壳聚糖(CMCS)的制备：
[0042] (1)壳聚糖(CS)的碱化：量取20mL蒸馏水于烧杯中，放入磁力搅拌子搅拌，加入20g NaOH固体，配制得到50％的NaOH溶液，作为CS的碱化剂。待NaOH溶液完全冷却后，向其中分批缓慢加入20g CS，一边加入一边用玻璃棒搅拌，直至成蓬松状态，最后放入-5℃
冰箱中冷冻24h。
[0043] (2)CMCS的制备反应：从冰箱取出冻存24h之后的CS，待温度回升至室温后，称取30g碱化后的CS加入三口烧瓶中，再加入200mL异丙醇作为分散介质，机械搅拌30min并将温度调至55℃。随后称取5g氯乙酸加入三口烧瓶中，15min后，再称取10g氯乙酸缓慢加入其中，设置反应时间为6h，持续搅拌。反应结束后，待反应液冷却至室温，使用乙醇重复洗涤三次，得到的CMCS粗品溶于蒸馏水中，定期换水透析三天，透析截留分子量为8000，随后进行
旋转蒸发浓缩，恒温干燥，得到纯化的CMCS。使用电位滴定法测定CMCS的取代度为0.84。
[0044] 2、羧甲基壳聚糖/胶原蛋白肽(CMCS/COP)的制备：
[0045] (1)缓冲溶液的配制：分别称取一定量的Na2HPO4和NaH2PO4溶于蒸馏水，加入1000mL容量瓶，配制为0.2mol/L的标准溶液。将两种标准溶液混合，调节其pH为5.5～6.0，作为缓冲溶液，备用。
[0046] (2)转谷氨酰胺酶(MTGase)的纯化：将购置的MTGase加入上述配置好的缓冲溶液中，机械搅拌充分溶解，设置离心机转速为3500rpm/min，离心15min。取上层清液，
真空抽滤三次，置于蒸馏水中透析三天，每天换两次水，随后使用
冷冻干燥机干燥，得到纯化后的MTGase粉末，存放于4℃冰箱，备用。
[0047] (3)使用上述缓冲溶液分别配制质量分数均为1wt％的CMCS溶液、胶原蛋白肽(COP)溶液和纯化后的MTGase溶液。配制完成后，将它们倒入三口烧瓶中，放置于油浴锅反应，设置温度为50℃，机械搅拌4h，随后将温度调为100℃，保持10min使MTGase高温失活。待反应液冷却至室温，经过循环抽滤三次，置于蒸馏水中透析三天，透析截留分子量为8000，定期换水，随后使用冷冻干燥机干燥得到CMCS/COP复合材料，采用紫外分光光度法测得取代度为0.36。
[0048] 3、氧化透明质酸(OHA)的制备：
[0049] 称取5g透明质酸(HA)添加至三口烧瓶中，加入500mL蒸馏水，常温下机械搅拌至HA完全溶解。取3.2g NaIO4溶于30mL蒸馏水中配成均一溶液，逐滴加入HA溶液中，控制温度为30℃，避光反应2h。加入10mL C2H6O2与过量的NaIO4反应，1h后停止，将反应液倒入渗析袋中，透析72h，透析截留分子量为8000，每天换两次水，冷冻干燥后备用，所得的产物即为OHA，通过碘量法测定氧化度为35％。OHA进行核磁表征，原料HA和制备的OHA的核磁氢谱图见附图4，表明HA成功氧化为OHA。
[0050] 4、水凝胶的制备：
[0051] 称取一定量制备的CMCS/COP样品加入蒸馏水中，机械搅拌直到完全溶解，配制为5wt％的CMCS/COP溶液，置于冰箱中保存备用。同样称取制备的OHA加入蒸馏水中配制5wt％的OHA溶液。取0.4mL的OHA溶液加入到2.0mL的CMCS/COP溶液之中，充分搅拌后静置形成凝胶，编号为CCHA-2。
[0052] 对实施例1中制备的CMCS和CMCS/COP进行傅里叶红外表征、核磁表征和XRD表征。红外图谱见附图1，表明了羧甲基成功引入壳聚糖(CS)分子链上，且主要是在糖环C6位-OH上发生羧甲基化反应，得到产物为O-CMCS，COP成功接枝到了CMCS上，且以酰胺键的形式相连接，制备得到CMCS/COP。
[0053] 实施例1中制备的CMCS和CMCS/COP的核磁氢谱图见附图2，实施例1中制备的CMCS和CMCS/COP的XRD图谱见附图3，图2和图3均表明了CMCS和CMCS/COP的成功制备。
[0054] 实施例2:
[0055] 水凝胶的制备：
[0056] 本实施例与实施例1的区别在于，取0.8mL的OHA溶液加入到2.0mL的CMCS/COP溶液之中，充分搅拌后静置形成凝胶，编号为CCHA-4。
[0057] 实施例3:
[0058] 水凝胶的制备：
[0059] 本实施例与实施例1的区别在于，取1.2mL的OHA溶液加入到2.0mL的CMCS/COP溶液之中，充分搅拌后静置形成凝胶，编号为CCHA-6。
[0060] 对实施例1中原料HA、制备的OHA和实施例3所制备的CCHA-6水凝胶进行红外表征，红外图谱见附图5，结果表明CMCS/COP中的氨基和OHA中的
醛基发生了交联反应，且以酰胺键形式相连接，形成了复合水凝胶。对实施例3中制备的CCHA-6水凝胶进行扫描电镜表征，水凝胶样品断面的扫描电镜图见附图6，结果显示：这种水凝胶具有均匀分布的孔洞结构，连续性好，孔洞结构光滑而平整，并有一定厚度。这种优异三维空间结构，有利于水分子的自由扩散，其牢固的骨架结构，使得水凝胶能吸收大量水分，溶胀而不破裂。若将该复合水凝胶用于伤口敷料，可以与创面紧密贴合，并提供一个良好的湿润愈合微环境，还能够吸收伤口渗出液，防止感染，还可以达到快速止血的效果。
[0061] 实施例4:
[0062] 水凝胶的制备：
[0063] 本实施例与实施例1的区别在于，取1.6mL的OHA溶液加入到2.0mL的CMCS/COP溶液之中，充分搅拌后静置形成凝胶，编号为CCHA-8。
[0064] 实施例5:
[0065] 水凝胶的制备：
[0066] 本实施例与实施例1的区别在于，取2.0mL的OHA溶液加入到2.0mL的CMCS/COP溶液之中，充分搅拌后静置形成凝胶，编号为CCHA-10。
[0067] 实验与分析：
[0068] 1、对实施例1～5中所制备的水凝胶进行凝胶时间测定：将制备的CMCS/COP和OHA分别溶于水配制为5wt％的溶液。取CMCS/COP水溶液用
注射器注入平底试管中，注射时直接注入底部切勿触碰管壁，采用磁力搅拌方式，然后在平底试管中加入
铁氟龙磁力搅拌子，设置转速为100rpm/min，待转动稳定后，再加入OHA水溶液，并开始计时，直到磁力搅拌子停止转动，所花总时间即为凝胶时间，每组实验重复三次。各组水凝胶的凝胶时间分析见附图7，结果显示所有凝胶样品的凝胶时间均在47-64s之间，适合临床操作。
[0069] 2、对实施例1～5中所制备的水凝胶进行溶胀率测定：将CCHA-2、CCHA-4、CCHA-6、CCHA-8、CCHA-10水凝胶样品置于冷冻干燥机，48h后取出，称重，记录为初始重量M1，配制Na2HPO4/NaH2PO4缓冲溶液，使其pH为7.4。将冻干后的样品置于缓冲溶液中吸水溶胀，定时称量，直至样品重量不再增加，即达到溶胀平衡，擦除样品表面残留水分，记录此时重量为溶胀平衡重量M2，根据公式(1)计算水凝胶样品的溶胀率(Swelling rate，SR)，实验重复三次。各组水凝胶的溶胀性能分析见附图8，结果显示所有水凝胶的溶胀率在580-1600％之间，具有优异的溶胀性能。
[0070]
[0071] 3、对实施例1～5中所制备的水凝胶进行水蒸发率测定：取冷冻干燥的CCHA-2、CCHA-4、CCHA-6、CCHA-8、CCHA-10水凝胶样品，浸没在蒸馏水中，达到溶胀平衡后，擦除样品表面残留水分，称重，记录为溶胀平衡质量Ma；设置真空干燥箱温度为50℃，将达到溶胀平衡后的样品放置其中，定期测定样品的重量，记录为Mb；直至水凝胶样品的重量不再减少，称重，记录为Mc。按照公式(2)计算水凝胶样品的水蒸发率(Water evaporation rate，WER)，实验重复三次。各组水凝胶的水蒸发率分析见附图9，结果显示各复合水凝胶水蒸发率随时间的变化趋势大体相似，先快后慢，24h后基本达到稳定，且水凝胶仍然保有一定的水分(约为20-30％)，这可能与透明质酸和胶原蛋白肽自身优异的吸水保水能力有关，同时也可能与水凝胶的空间结构有关。该复合水凝胶适宜的水蒸发率可为
伤口愈合提供一个长时间的湿润环境。
[0072]
[0073] 4、对实施例1～5中所制备的水凝胶进行溶血率测定：将新鲜抗凝老鼠血用等量生理盐水稀释，保存于冰箱，备用。将冷冻干燥后的CCHA-2、CCHA-4、CCHA-6、CCHA-8、CCHA-10水凝胶样品
研磨成粉，称取25mg均匀分散于10mL生理盐水中，加入0.1mL稀释后的抗凝老鼠血，放置于恒温水槽中，37.5℃，保温1h。随后，使用离心机离心10min(转速为1500rpm/min)，设置紫外可见分光光度计
波长为545nm，测定上层离心液的吸光度。根据公式(3-4)计算水凝胶样品的溶血率(Hemolysis rate，HR)，实验重复三次。实施例1-5中制备的水凝胶的溶血率分析见附图10，结果显示所有水凝胶样品的溶血率均在2.4％至4.2％之间，符合生物材料溶血率低于5％的标准，表明该复合水凝胶材料与血液
接触时，不会破坏血细胞的结构，具有良好的血液相容性。
[0074]
[0075] 式中，HR代表溶血率，A1代表水凝胶样品组的吸光度，A2为阳性对照组(10mL蒸馏水，0.1mL稀释后的抗凝老鼠血，无水凝胶材料)的吸光度，A3为阴性对照组(10mL生理盐水，0.1mL稀释后的抗凝老鼠血，无水凝胶材料)的吸光度。
[0076] 以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。
