技术领域
本发明属于生物医学工程材料领域,特别涉及一种抗菌性超分子水凝胶 及其制备方法和应用。
背景技术
以环糊精为主体、通过主客体组装作用形成的超分子结构水凝胶因其在 组织工程、药物载体及控释等领域的潜在应用而备受关注。这类凝胶材料是 由环糊精与一类含有聚乙二醇链段的聚合物通过主客体相互作用,组装形成 的具有超分子结构的凝胶材料。其制备条件温和、对温度和浓度要求较低、 不涉及有机溶剂、溶胶-凝胶可逆,并且可作为一类新型的可注射凝胶应用 于药物分子的负载和释放。同时,环糊精分子上大量的羟基为材料的进一步 功能化提供了可能。近来,将功能性纳米粒子掺杂于凝胶网络当中形成的一 类杂化凝胶材料引起了人们的广泛关注。功能性纳米粒子的引入不但能够调 节凝胶的物理机械性质,而且可以赋予凝胶新的功能化,大大拓展了凝胶的 应用领域。
纳米银被认为是一种无毒的、环境友好材料,且具有良好的抗菌性,被 广泛应用于各种抗菌制剂中。在实际应用中,利用水凝胶的载体和赋型作用, 将纳米银分散于聚合物凝胶网络中,得到了一系列具备抗菌功能的凝胶材 料。Geckeler等(Polymer,2007,48:158-164)通过化学反应首先制备出了聚 异丙基丙烯酰胺与聚丙烯酸钠交联形成的凝胶网络,然后将凝胶浸入硝酸银 溶液中溶胀,待凝胶网络吸收硝酸银达到平衡状态后,再将其浸入硼氢化钠 溶液中进行还原,最终得到了具备抗菌功能的杂化凝胶材料。但是此类凝胶 的形成过程存在化学反应,容易造成材料中有机小分子的残留进而导致材料 的生物毒性;纳米银溶胶的制备也是通过硼氢化钠还原,同样不可避免地造 成了无机盐副产物的残留。中国发明专利CN 101062055A公开的含纳米银抗 菌凝胶制剂的制备方法,首先用维生素C还原硝酸银溶液得到纳米银,然后 利用纳米二氧化硅为载体,将已制备好的纳米银负载于二氧化硅表面,得到 了纳米银溶胶;再将此溶胶与一定比例的卡波姆(carbomer)等赋型剂混合, 得到了含纳米银的抗菌凝胶制剂。此类凝胶的形成虽然避免了化学副产物的 残留,但是存在得到的纳米银颗粒粒径分布宽、凝胶的制备对浓度、温度等 条件要求较高、以及步骤繁多等缺点。
聚合物Pluronic为一类聚乙二醇-聚丙二醇-聚乙二醇 (PEO-PPO-PEO)三嵌段聚合物的商品名,具有良好的生物相容性,是少数 被美国FDA批准可作为药品和食品添加剂的合成化合物之一。利用Pluronic 聚合物自身对硝酸银的还原作用以及对纳米银的分散稳定作用,可以在水溶 液中原位制得纳米银溶胶;然后再通过其与环糊精的主客体相互作用,形成 超分子结构水凝胶。迄今为止,通过聚合物与环糊精的主客体相互作用原位 制备含纳米银的抗菌凝胶及其应用尚未见报道。此方法有望改善纳米银的分 散及其稳定性,并且避免了化学反应,有望在生物医学工程领域得到广泛的 应用。
发明内容
为解决现有技术存在的不足之处,本发明的首要目的在于提供一种原位 制备抗菌性超分子水凝胶的方法。
本发明的另一目的在于提供一种上述方法制备的水凝胶。
本发明的再一目的在于提供上述水凝胶在生物医学材料工程领域的应 用。
本发明的目的通过下述技术方案实现:一种原位制备抗菌性超分子水凝 胶的方法,包括以下操作步骤:
(1)在室温下,将1.0~10.0mg硝酸银晶体加入到1.0mL质量百分浓 度为5.0%~20%(w/w)的聚乙二醇-聚丙二醇-聚乙二醇(PEO-PPO-PEO) 三嵌段共聚物溶液中,在搅拌条件下使晶体溶解,得到聚合物与硝酸银的混 合溶液;
(2)在室温下,将步骤(1)所得混合溶液按照搅拌15分钟、超声分 散5分钟的步骤交替进行2~4小时,得到聚合物还原、分散稳定的纳米银 溶胶;
(3)向步骤(2)所得纳米银溶胶中加入1.0mL质量百分浓度为10%~ 20%(w/w)的α-环糊精溶液,搅拌混合均匀,室温下静置,得到水凝胶。
步骤(1)~(3)所述室温为5~35℃。
步骤(1)所述聚乙二醇-聚丙二醇-聚乙二醇三嵌段共聚物的分子量为 6000~15000,其中乙二醇单元占乙二醇单元和丙二醇单元总数的57%~ 85%。
所述聚乙二醇-聚丙二醇-聚乙二醇三嵌段共聚物可选用工业化的 Pluronic系列,常见的Pluronic型号包括F-68(EO76-PO29-EO76)、F-127 (EO100-PO65-EO100)等。
步骤(1)所述聚乙二醇-聚丙二醇-聚乙二醇三嵌段共聚物溶液是将聚乙 二醇-聚丙二醇-聚乙二醇三嵌段共聚物溶解在水或缓冲试剂中;步骤(3)所 述α-环糊精溶液是将α-环糊精溶解在水或缓冲试剂中;所述缓冲试剂是琥珀 酸盐或柠檬酸盐。
步骤(2)所述搅拌的搅拌速度为300~900转/分钟;所述超声分散的超 声频率为50~90KHz。
步骤(3)所述静置的时间为6~12小时。
一种根据上述方法制备的抗菌性超分子水凝胶。
上述抗菌性超分子水凝胶在制备可注射药物载体中的应用。
本发明的原理是:本发明首先利用聚乙二醇-聚丙二醇-聚乙二醇 (PEO-PPO-PEO)三嵌段共聚物自身的还原作用,在水溶液中还原硝酸银, 得到了分散稳定的纳米银溶胶;然后再通过PEO-PPO-PEO共聚物与α-环糊 精的主客体组装相互作用,进一步得到了含有纳米银的超分子结构水凝胶, 水凝胶形成的主要作用力为环糊精组装之后的结晶作用和聚丙二醇链段的 疏水作用。
本发明与现有的技术相比,有以下优点:
(1)本发明制备方法简单,操作方便快捷;室温下形成,条件温和, 对浓度以及温度条件要求较低;
(2)反应体系不需外加还原剂,而是依靠(PEO-PPO-PEO)三嵌段共 聚物自身的还原作用,可有效地避免还原反应副产物的残留;
(3)凝胶的网络结构是依靠环糊精的结晶作用和聚合物之间的疏水作 用力等物理作用形成的,可以有效地避免化学交联反应后残余的小分子副产 物可能引起的生物毒性;
(4)凝胶的强度和凝胶化时间可通过聚合物浓度调控,随着聚合物浓 度的增加,凝胶的弹性模量增加,凝胶化时间缩短;
(5)纳米银首先借助于聚合物在水溶液中形成分散稳定的溶胶,进而 利用溶胶-凝胶技术,通过聚合物与环糊精的主客体组装作用掺杂于凝胶基 质中;这种制备方法保证了纳米银颗粒在凝胶基质中的均匀分散,在银含量 较低的条件下仍赋予超分子凝胶良好的抗菌性能;
(6)聚合物在体系中起着还原剂、分散稳定剂以及凝胶基质的多重作 用,可简化凝胶配方,节省成本;
(7)本发明水凝胶成分简单,生物相容性好,抗菌性能好,具备良好 的剪切变稀的特性,应用方便快捷,有望作为可注射的药物载体广泛应用于 生物医学工程材料领域。
附图说明
图1为超分子凝胶的广角X射线衍射图谱图。
图2为纳米银溶胶的透过率随时间的变化曲线图。
图3为纳米银溶胶的透射电镜图。
图4为含纳米银的杂化超分子凝胶的扫描电镜图。
图5为杂化超分子凝胶粘度随剪切速率的变化曲线图。
图6为超分子凝胶对大肠杆菌的抑菌实验结果图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述,但本发明的实施 方式不限于此。
实施例1
(1)在室温25℃下,取0.05g聚乙二醇-聚丙二醇-聚乙二醇(Pluronic F-68)溶于0.95g水中,配成5%的聚乙二醇-聚丙二醇-聚乙二醇三嵌段共聚 物溶液溶液;将5.0mg硝酸银晶体加入到1.0mL上述共聚物溶液中,搅拌 使晶体溶解,得到聚合物与硝酸银的混合溶液;
(2)在室温下,将步骤(1)所得混合溶液按照转速为300转/分钟的磁 力搅拌15分钟、以90KHz超声频率超声分散5分钟的步骤交替进行2小时, 得到分散稳定的纳米银溶胶;
(3)向步骤(2)所得纳米银溶胶中加入1.0mL质量百分浓度为15% 的α-环糊精溶液,搅拌混合均匀,室温下静置6小时,得到可注射的杂化超 分子凝胶A。
实施例2:
(1)在室温25℃下,取0.10g聚乙二醇-聚丙二醇-聚乙二醇(Pluronic F-68)溶于0.90g水中,配成10%的聚乙二醇-聚丙二醇-聚乙二醇三嵌段共 聚物溶液;将5.0mg硝酸银晶体加入到1.0mL上述共聚物溶液中,搅拌使 晶体溶解,得到聚合物与硝酸银的混合溶液;
(2)在室温下,将步骤(1)所得混合溶液按照转速为300转/分钟的磁 力搅拌15分钟、以90KHz超声频率超声分散5分钟的步骤交替进行2小时, 得到分散稳定的纳米银溶胶;
(3)向步骤(2)所得纳米银溶胶中加入1.0mL质量百分浓度为15% 的α-环糊精溶液,搅拌混合均匀,室温下静置6小时,得到可注射的杂化超 分子凝胶B。
实施例3:
(1)在室温25℃下,取0.20g聚乙二醇-聚丙二醇-聚乙二醇(Pluronic F-68)溶于0.80g水中,配成20%的聚乙二醇-聚丙二醇-聚乙二醇三嵌段共 聚物溶液;将5.0mg硝酸银晶体加入到1.0mL上述共聚物溶液中,搅拌使 晶体溶解,得到聚合物与硝酸银的混合溶液;
(2)在室温下,将步骤(1)所得混合溶液按照转速为300转/分钟的磁 力搅拌15分钟、以90KHz超声频率超声分散5分钟的步骤交替进行2小时, 得到分散稳定的纳米银溶胶;
(3)向步骤(2)所得纳米银溶胶中加入1.0mL质量百分浓度为15% 的α-环糊精溶液,搅拌混合均匀,室温下静置6小时,得到可注射的杂化超 分子凝胶C。
实施例4:
(1)在室温35℃下,取0.10g聚乙二醇-聚丙二醇-聚乙二醇(Pluronic F-68)溶于0.90g水中,配成10%的聚乙二醇-聚丙二醇-聚乙二醇三嵌段共 聚物溶液;将5.0mg硝酸银晶体加入到1.0mL上述共聚物溶液中,搅拌使 晶体溶解,得到聚合物与硝酸银的混合溶液;
(2)在室温下,将步骤(1)所得混合溶液按照转速为300转/分钟的磁 力搅拌15分钟、以90KHz超声频率超声分散5分钟的步骤交替进行2小时, 得到分散稳定的纳米银溶胶;
(3)向步骤(2)所得纳米银溶胶中加入1.0mL质量百分浓度为15% 的α-环糊精溶液,搅拌混合均匀,室温下静置6小时,得到可注射的杂化超 分子凝胶。
实施例5:
(1)在室温5℃下,取0.10g聚乙二醇-聚丙二醇-聚乙二醇(Pluronic F-68)溶于0.90g水中,配成10%的聚乙二醇-聚丙二醇-聚乙二醇三嵌段共 聚物溶液;将5.0mg硝酸银晶体加入到1.0mL上述共聚物溶液中,搅拌使 晶体溶解,得到聚合物与硝酸银的混合溶液;
(2)在室温下,将步骤(1)所得混合溶液按照转速为300转/分钟的磁 力搅拌15分钟、以90KHz超声频率超声分散5分钟的步骤交替进行2小时, 得到分散稳定的纳米银溶胶;
(3)向步骤(2)所得纳米银溶胶中加入1.0mL质量百分浓度为15% 的α-环糊精溶液,搅拌混合均匀,室温下静置6小时,得到可注射的杂化超 分子凝胶。
实施例6:
(1)在室温25℃下,取0.10g聚乙二醇-聚丙二醇-聚乙二醇(Pluronic F-68)溶于0.90g水中,配成10%的聚乙二醇-聚丙二醇-聚乙二醇三嵌段共 聚物溶液;将1.0mg硝酸银晶体加入到1.0mL上述共聚物溶液中,搅拌使 晶体溶解,得到聚合物与硝酸银的混合溶液;
(2)在室温下,将步骤(1)所得混合溶液按照转速为300转/分钟的磁 力搅拌15分钟、以90KHz超声频率超声分散5分钟的步骤交替进行2小时, 得到分散稳定的纳米银溶胶;
(3)向步骤(2)所得纳米银溶胶中加入1.0mL质量百分浓度为15% 的α-环糊精溶液,搅拌混合均匀,室温下静置6小时,得到可注射的杂化超 分子凝胶。
实施例7:
(1)在室温25℃下,取0.10g聚乙二醇-聚丙二醇-聚乙二醇(Pluronic F-68)溶于0.90g水中,配成10%的聚乙二醇-聚丙二醇-聚乙二醇三嵌段共 聚物溶液;将10.0mg硝酸银晶体加入到1.0mL上述共聚物溶液中,搅拌使 晶体溶解,得到聚合物与硝酸银的混合溶液;
(2)在室温下,将步骤(1)所得混合溶液按照转速为300转/分钟的磁 力搅拌15分钟、以90KHz超声频率超声分散5分钟的步骤交替进行2小时, 得到分散稳定的纳米银溶胶;
(3)向步骤(2)所得纳米银溶胶中加入1.0mL质量百分浓度为15% 的α-环糊精溶液,搅拌混合均匀,室温下静置6小时,得到可注射的杂化超 分子凝胶。
实施例8:
(1)在室温10℃下,取0.10g聚乙二醇-聚丙二醇-聚乙二醇(Pluronic F-68)溶于0.90g琥珀酸钠试剂中,配成10%的聚乙二醇-聚丙二醇-聚乙二 醇三嵌段共聚物溶液;将5.0mg硝酸银晶体加入到1.0mL上述共聚物溶液 中,搅拌使晶体溶解,得到聚合物与硝酸银的混合溶液;
(2)在室温下,将步骤(1)所得混合溶液按照转速为900转/分钟的磁 力搅拌15分钟、以50KHz超声频率超声分散5分钟的步骤交替进行2小时, 得到分散稳定的纳米银溶胶;
(3)向步骤(2)所得纳米银溶胶中加入1.0mL质量百分浓度为15% 的α-环糊精溶液,搅拌混合均匀,室温下静置6小时,得到可注射的杂化超 分子凝胶。
实施例9:
(1)在室温25℃下,取0.10g聚乙二醇-聚丙二醇-聚乙二醇(Pluronic F-127)溶于水中,配成10%的聚乙二醇-聚丙二醇-聚乙二醇三嵌段共聚物溶 液;将5.0mg硝酸银晶体加入到1.0mL上述共聚物溶液中,搅拌使晶体溶 解,得到聚合物与硝酸银的混合溶液;
(2)在室温下,将步骤(1)所得混合溶液按照转速为900转/分钟的磁 力搅拌15分钟、以50KHz超声频率超声分散5分钟的步骤交替进行2小时, 得到分散稳定的纳米银溶胶;
(3)向步骤(2)所得纳米银溶胶中加入1.0mL质量百分浓度为15% 的α-环糊精溶液,搅拌混合均匀,室温下静置6小时,得到可注射的杂化超 分子凝胶。
实施例10:
(1)在室温25℃下,取0.10g聚乙二醇-聚丙二醇-聚乙二醇(Pluronic F-127)溶于0.90g琥珀酸钠试剂中,配成10%的聚乙二醇-聚丙二醇-聚乙二 醇三嵌段共聚物溶液;将5.0mg硝酸银晶体加入到1.0mL上述共聚物溶液 中,搅拌使晶体溶解,得到聚合物与硝酸银的混合溶液;
(2)在室温下,将步骤(1)所得混合溶液按照转速为600转/分钟的磁 力搅拌15分钟、以70KHz超声频率超声分散5分钟的步骤交替进行2小时, 得到分散稳定的纳米银溶胶;
(3)向步骤(2)所得纳米银溶胶中加入1.0mL质量百分浓度为15% 的α-环糊精溶液,搅拌混合均匀,室温下静置6小时,得到可注射的杂化超 分子凝胶。
实施例11:
(1)在室温25℃下,取0.10g聚乙二醇-聚丙二醇-聚乙二醇(Pluronic F-68)溶于0.90g水中,配成10%的聚乙二醇-聚丙二醇-聚乙二醇三嵌段共 聚物溶液;将5.0mg硝酸银晶体加入到1.0mL上述共聚物溶液中,搅拌使 晶体溶解,得到聚合物与硝酸银的混合溶液;
(2)在室温下,将步骤(1)所得混合溶液按照转速为600转/分钟的磁 力搅拌15分钟、以70KHz超声频率超声分散5分钟的步骤交替进行4小时, 得到分散稳定的纳米银溶胶;
(3)向步骤(2)所得纳米银溶胶中加入1.0mL质量百分浓度为15% 的α-环糊精溶液,搅拌混合均匀,室温下静置6小时,得到可注射的杂化超 分子凝胶。
实施例12:
(1)在室温25℃下,取0.10g聚乙二醇-聚丙二醇-聚乙二醇(Pluronic F-127)溶于0.90g柠檬酸钠缓冲试剂中,配成10%的聚乙二醇-聚丙二醇-聚 乙二醇三嵌段共聚物溶液;将5.0mg硝酸银晶体加入到1.0mL上述共聚物 溶液中,搅拌使晶体溶解,得到聚合物与硝酸银的混合溶液;
(2)在室温下,将步骤(1)所得混合溶液按照转速为600转/分钟的磁 力搅拌15分钟、以70KHz超声频率超声分散5分钟的步骤交替进行3小时, 得到分散稳定的纳米银溶胶;
(3)向步骤(2)所得纳米银溶胶中加入1.0mL质量百分浓度为10% 的α-环糊精溶液,搅拌混合均匀,室温下静置8小时,得到可注射的杂化超 分子凝胶。
实施例13:
(1)在室温20℃下,取0.10g聚乙二醇-聚丙二醇-聚乙二醇(Pluronic F-68)溶于0.90g水中,配成10%的聚乙二醇-聚丙二醇-聚乙二醇三嵌段共 聚物溶液;将8.0mg硝酸银晶体加入到1.0mL上述共聚物溶液中,搅拌使 晶体溶解,得到聚合物与硝酸银的混合溶液;
(2)在室温下,将步骤(1)所得混合溶液按照转速为700转/分钟的磁 力搅拌15分钟、以80KHz超声频率超声分散5分钟的步骤交替进行4小时, 得到分散稳定的纳米银溶胶;
(3)向步骤(2)所得纳米银溶胶中加入1.0mL质量百分浓度为20% 的α-环糊精溶液,搅拌混合均匀,室温下静置12小时,得到可注射的杂化 超分子凝胶。
实施例14:
(1)在室温25℃下,取0.10g聚乙二醇-聚丙二醇-聚乙二醇(Pluronic F-68)溶于0.90g琥珀酸钠缓冲试剂中,配成10%的聚乙二醇-聚丙二醇-聚 乙二醇三嵌段共聚物溶液;将3.0mg硝酸银晶体加入到1.0mL上述共聚物 溶液中,搅拌使晶体溶解,得到聚合物与硝酸银的混合溶液;
(2)在室温下,将步骤(1)所得混合溶液按照转速为600转/分钟的磁 力搅拌15分钟、以70KHz超声频率超声分散5分钟的步骤交替进行3小时, 得到分散稳定的纳米银溶胶;
(3)向步骤(2)所得纳米银溶胶中加入1.0mL质量百分浓度为17% 的α-环糊精溶液,搅拌混合均匀,室温下静置10小时,得到可注射的杂化 超分子凝胶。
实施例15:
(1)在室温25℃下,取0.10g聚乙二醇-聚丙二醇-聚乙二醇(Pluronic F-68)溶于0.90g柠檬酸钠缓冲试剂中,配成10%的聚乙二醇-聚丙二醇-聚 乙二醇三嵌段共聚物溶液;将3.0mg硝酸银晶体加入到1.0mL上述共聚物 溶液中,搅拌使晶体溶解,得到聚合物与硝酸银的混合溶液;
(2)在室温下,将步骤(1)所得混合溶液按照转速为600转/分钟的磁 力搅拌15分钟、以70KHz超声频率超声分散5分钟的步骤交替进行3小时, 得到分散稳定的纳米银溶胶;
(3)向步骤(2)所得纳米银溶胶中加入1.0mL质量百分浓度为17% 的α-环糊精溶液,搅拌混合均匀,室温下静置10小时,得到可注射的杂化 超分子凝胶。
实施例16:
将实施例2得到的超分子凝胶B进行广角X射线衍射测定,结果如图1 所示,曲线1为不含纳米银的超分子凝胶对照,曲线2为本发明超分子凝胶 B。从图1可见,本发明超分子凝胶B在2θ=19.8度处存在明显的结晶峰, 此结晶峰对应于α-环糊精穿到聚合物链上形成的“准多轮烷”的结晶峰 (Macromolecules,1990,23:2821-2823)。此外,本发明含有纳米银的超分子 凝胶B还存在明显的纳米银晶体的特征衍射峰。
实施例17:
通过紫外-可见分光光度计跟踪实施例1、2、3的步骤(2)所得纳米 银溶胶的透过率随时间的变化曲线(如图2所示,线a、线b、线c分别对 应于实施例1、2、3中的纳米银溶胶)以及实施例2的步骤(2)所得纳米 银溶胶的透射电镜(如图3所示)表征,发现利用聚合物自身的还原和分散 稳定的双重作用,可以得到粒径均一、分散良好的纳米银溶胶,且聚合物浓 度越高,其稳定性越好;对步骤(3)通过溶胶-凝胶技术原位制得的杂化 超分子凝胶B进行电镜扫描,电镜扫描图片如图4所示,可见纳米银颗粒均 匀分散于凝胶基质中,且粒径均一。
实施例18:
将实施例1、实施例2和实施例3所得超分子凝胶A、超分子凝胶B和 超分子凝胶C进行超分子凝胶粘度随剪切速率的变化曲线测定,结果如图5 所示。从图5可以看出,超分子凝胶具备明显的剪切变稀的特性,且随着体 系中聚合物浓度的增加,凝胶体系粘度增大;因此可以选择适当的注射器, 将此凝胶应用于可注射药物载体或组织工程等领域。
实施例19:
将实施例1、实施例2和实施例3所得超分子凝胶A、超分子凝胶B和 超分子凝胶C进行大肠杆菌的抑菌实验,以未加纳米银的超分子凝胶做对 照,结果如图6和表1所示。从图6可以看出,未加纳米银的超分子凝胶(native hydrogel)对大肠杆菌无抑菌作用,而含有纳米银的超分子凝胶(A、B和C) 周围则出现明显的抑菌环;表1的数据表明,聚合物浓度对凝胶的抑菌性没 有明显的影响,不同聚合物浓度的杂化超分子凝胶均有明显的抑菌环。此超 分子凝胶材料有望发展成为一类新型的抗菌凝胶制剂应用于生物医学工程 材料领域。
表1抗菌性超分子凝胶的抑菌性能结果
样品编号 凝胶样品大小(mm) 抑菌环大小(mm) 未加纳米银的超分子凝胶 7 0 A 7 9.8 B 7 10.6 C 7 10.8
注:抑菌试验结果由广东省微生物分析检测中心提供。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述 实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、 修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护 范围之内。