肝素化聚多巴胺-壳聚糖水凝胶的制备及其抗菌性能.pdf

第 卷第 期 年 月塑料工业 合成工艺与 工 程肝素化聚多巴胺壳聚糖水凝胶的制备及其抗菌性能窦益永 张育玮 张 朔 章 虹(暨南大学生命科学技术学院 广东 广州)摘要:通过自由基交联聚合法()以聚丙烯酰胺()为水凝胶基质 引入肝素()、聚多巴胺()、羧甲基壳聚糖()形成的复合物制备出具有抗菌活性的复合水凝胶 通过紫外分光光度计()、核磁、电子扫描显微镜()、接触角测试仪等仪器分析其微观形貌及性能 并对水凝胶的亲水性、溶胀率、力学性能、抗菌性能进行探究 结果表明/水凝胶具有致密多孔、孔径均一的三维交联网络 具有良好的亲水性、力学性能和溶胀性能 抗菌试验表明/水凝胶对金黄色葡萄球菌和绿脓杆菌具有优异的抗菌效果 对金黄色葡萄球菌和绿脓杆菌的杀菌率可高达 、该研究为开发具有优异的抗菌活性的水凝胶伤口敷料提供了可行解决方案关键词:肝素 聚多巴胺 羧甲基壳聚糖 水凝胶 抗菌中图分类号:文献标识码:文章编号:():/开放科学(资源服务)标识码():():()()()()().()()././.:水凝胶是一类由亲水性高分子或者聚合物单体通过化学或者物理交联形成的三维网状结构的软材料在生物医学工程领域有着广泛的应用前景 水凝胶是一类良好的伤口敷料材料 其高含水量能够为脱水的组织提供水环境 同时有透水和透气性 且水凝胶的溶胀性能有助于伤口渗透液的吸收 伤口细菌感染在临床上有较高的发病率 抗菌水凝胶应运而生抗菌水凝胶通常固定抗生素以防止细菌感染 但是过量使用抗生素会导致细菌耐药 其他抗菌水凝胶将杀菌剂(比如银纳米颗粒等)结合到水凝胶网络中这可能会引起细胞毒性 因此 采用本身有抗菌活性的抗菌材料可能是开发持久高效的抗菌水凝胶的可行解决方案聚多巴胺()是受贻贝启发的一种材料合成方法温和 其化学结构上结合了许多官能团 例如儿茶酚、胺和亚胺 这些官能团赋予了其巨大的研究空间 可作为所需分子共价修饰的起点 也可作为负载过渡金属离子的锚点 在生物医学工程领域具有优异的前景 在伤口愈合方面 更是出色的抗菌材料 肝素是一种带负电荷的糖胺聚糖研究表明肝素()因其强负电性可通过与细菌形成静电相互作用而起到抗菌作用 羧甲基壳聚广东省自然科学基金()通信作者:章虹 女 年生 副研究员 研究方向为生物材料与组织工程 作者简介:窦益永 男 年生 硕士研究生 研究方向为生物材料与组织工程 塑 料 工 业 年 糖()是壳聚糖经羧甲基化反应后的一种壳聚糖衍生物 具有良好的水溶性、保湿保水性、生物相容性和抗菌活性 广泛用于伤口敷料的原材料本研究通过一锅法以非共价结合的方式形成/复合物 再将该复合物与丙烯酰胺单体混合通过自由基聚合反应制备出具有良好抗菌活性的抗菌水凝胶 该制备方法简易温和 复合水凝胶具有 良 好 的 亲 水 性、力 学 性 能 通 过 聚 多 巴 胺()、肝素()、羧甲基壳聚糖()三者的协同抗菌作用下展现出优异的抗菌性能 实验部分 主要原料肝素钠(优级纯)、过硫酸铵(分析纯)、丙烯酰胺(分析纯):阿拉丁试剂(上海)有限公司 盐酸多巴胺(分析纯)、氢氧化钠(分析纯)、亚甲基双丙烯酰胺(分析纯)、四甲基乙二胺(分析纯)、羧甲基壳聚糖(分析纯):上海麦克林生化科技有限公司 设备及仪器接触角测试仪()、扫描电子显微镜():公司 紫外分光光度计:日本岛津公司 电子万能试验机:公 司 核 磁 共 振 氢 谱 仪:德国 公司 /水凝胶的制备图 水凝胶成胶示意图 /水凝胶的制备是通过自由基交联聚合()来制得 首先 配置 /的肝素溶液 随之加入 /盐酸多巴胺()然后通过用 /将混合溶液调至碱性(值)条件 搅拌 再加入 /羧甲基壳聚糖()搅拌 形成/复 合 物 接 着 加 入 丙 烯 酰 胺 单 体()、过硫酸铵()、亚甲基双丙烯酰胺()和四甲基乙二胺()搅拌 将预聚液转移至模具中 直至形成/水凝胶 成胶示意图如图 所示 测试与表征紫外光谱分析:按照 中步骤制备/复合物 利用可见分光光度计扫描吸光度 在 处测定单溶液()和混合溶液(、/)的紫外光谱 并根据所得数据绘制图像核磁分析:实验采用 核磁共振波谱仪测定新合成/的核磁共振氢谱 溶剂采用重水 首先将/溶液与重水旋涡混匀 再将其加入到核磁管中 进行核磁共振氢谱分析 得到数据绘制 图 分析:将水凝胶冷冻干燥 后黏附于导电板上并喷金 用电子扫描显微镜观察其微观形貌亲疏水性测试:使用接触角测角仪获得接触角()结果 在液滴(值 )和水凝胶表面之间测量 以确定制备的水凝胶的亲/疏水性力学性能测试:通过电子万能试验机对水凝胶进行压缩和拉伸 测试其力学性能 并绘制水凝胶的压缩及拉伸应力应变曲线溶胀率测试:精确称量冻干的水凝胶的质量 记为 将水凝胶浸泡于大量的 值 的 缓冲溶液中 然后在 的摇床上振荡 并在预定的时间间隔取出 用滤纸擦拭水凝胶表面的水分 再精确称量溶胀后的水凝胶的质量 记为 重复上述操作直至水凝胶达到溶胀平衡 每个样品测试三个平行样 水凝胶的溶胀率()由公式()计算:()抗菌 性 能 测 试:取 光 密 度()的 和 细菌悬液 将浓度稀释至/取 于胶的顶部 共培养 共培养结束后加入 的无菌磷酸缓冲溶液()没过胶的顶部 超声 然后用 将悬浮液稀释十倍 取 菌液在琼脂板上进行均匀涂板 置于 细菌培养箱培养 培养结束后拍照计数 按照公式()计算杀菌率():()式中 和 分别为空白对照组和实验组的菌落数第 卷第 期窦益永 等:肝素化聚多巴胺壳聚糖水凝胶的制备及其抗菌性能 结果与分析 /溶液的紫外及核磁分析酚醛环吸收紫外线的能力使紫外可见光谱成为评估酚醛化合物性能和含量的合适技术 图 为/溶液的紫外吸收光谱 从图 可看出 在 处显示出明显的儿茶酚基芳香环的特征吸收峰 这跟文献报道的一致 加入 后形成的 溶液其的吸收峰在 处出现 发生了明显的蓝移 随之再加入 后形成的/溶液其的吸收峰在 处出现 也发生了蓝移 如图 化学位移在 之间是肝素的特征峰 可看到在加入 之后 的核磁氢谱图在化学位移 左右出现了苯环的氢原子峰 此外/的核磁氢谱图也出现了苯环的氢原子峰和肝素的特征峰 并在化学位移 左右出现了 的特征峰 通过紫外和核磁结果可推断、和 三者之间形成了复合物紫外光谱图核磁氢谱图图 紫外光谱图和核磁氢谱图 /水凝胶的微观形貌分析通过 观察水凝胶的微孔结构 结果如图 所示 如图 所示 水凝胶呈多孔结构 在引入 之后 使得/水凝胶的多孔交联网络更加致密 并出现了微纤维结构 分析原因可能是 与 之间的非共价相互作用、氢键作用、静电相互作用等 但/水凝胶的孔径不均 而再引入 后形成的/水凝胶交联网络更加致密 且孔径均一 其孔径约 /图 、/、/水凝胶的 图 /水凝胶的亲疏水性/图 、/、/水凝胶的接触角图 /塑 料 工 业 年 研究表明 增加表面亲水性至少在体外可以改善医疗设备的生物相容性 常常用来评价水凝胶的体外润湿性 越小 亲水性越好 水凝胶的 是 为亲水性表面/水凝胶表面 值为 其对水的亲和力增强是由于 含有亲水的儿茶酚基团和丰富的羧基和磺酸盐基团 使/水凝胶表面亲水性增强 含有亲水的的羟基和氨基 再引入 之后 与 二者发挥协同作用进一步提高了/水凝胶表面的亲水性 其 为 /水凝胶的力学性能理想的生物材料应具备良好的力学性能 通过研究其力学性能 对其进行了压缩和拉伸试验压缩应力应变曲线压缩强度拉伸应力应变曲线拉伸强度图 水凝胶压缩的应力应变曲线、压缩强度、水凝胶拉伸的应力应变曲线、拉伸强度 图、为不同水凝胶在 应变下压缩的应力应变曲线及压缩强度柱状图、/、/在 形变下的最大抗压强度分别为()、()、()可以看到水凝胶的强度随着、/的加入有所提高 图 为不同水凝胶的拉伸应力应变图 拉伸能力提高的趋势与压缩的一致/的引入大大增强了其拉伸能力/水凝胶断裂伸长率可达到自身的两倍左右 压缩和拉伸试验表明/的引入提高/水凝胶的力学性能 这都归因于是/与 之间的非共价相互作用、氢键作用、静电相互作用等 形成了均一混合的交联网络结构 /水凝胶的溶胀率不同水凝胶在 中的溶胀率如图 所示 所有水凝胶均在 内迅速吸水 然后减速并逐渐达到平衡 溶胀率大小比对分别是:/分析原因可能是相比之下/水凝胶的交联网络多且致密 形成的孔洞均一又小图 水凝胶浸泡在 中的溶胀曲线 第 卷第 期窦益永 等:肝素化聚多巴胺壳聚糖水凝胶的制备及其抗菌性能 /水凝胶的抗菌性能为了探究水凝胶的抗菌性能 通过平板菌落计数法对其进行抗菌试验 如图 所示 在空白培养底物的情况下 即对照组 菌体在琼脂板上均匀生长 与对照组相比/水凝胶上的菌落总数有大幅度的下降 其杀菌率归因于 对细菌强有力的捕获能力及其通过离子/蛋白质的螯合和静电效应破坏细菌细胞膜的结构 同时研究表明肝素因其负电性可通过与细菌形成静电作用而起到杀菌效果 大量研究发现 具 有 优 异 的 抗 菌 活 性 在 引 入 后/水凝胶相较于对照组和/水凝胶组 通过 和 的协同抗菌的作用下 其抗菌能力有更加明显的提高 如图 所示 其中对金黄色葡萄球菌和绿脓杆菌的杀菌率可高达()、()图 金黄色葡萄球菌和绿脓杆菌在空白培养底物、/、/水凝胶上的生长情况 /图 水凝胶的抗菌率 结论)本研究通过自由基交联聚合法()以聚丙烯酰胺()为水凝胶基质 引入以非共价结合的方式形成的/复合物成功制备出复合水凝胶 该水凝胶制备方法简易温和)通过紫外、核磁证明了/复合物的形成 同时 表明了该水凝胶具有三维多孔致密网络结构且孔径均一 其具有良好的亲水性、溶胀性能和力学性能)通过聚多巴胺()、肝素()、羧甲基壳聚糖()三者的协同抗菌作用下展现出优异的抗菌性能 对金黄色葡萄球菌和绿脓杆菌的杀菌率达 、其优异的抗菌性能使其在水凝胶伤口敷料和其他生物医学工程领域上展现出良好的应用前景参 考 文 献 宫程铭 王霞.生物相容性水凝胶的研究进展.山东化工 ().().:.():.:.:.():.:.:.:.:.:“”.():.:.:.():.(下转第 页)第 卷第 期武 聪 等:偶联剂改性对铜箔抗剥强度及 树脂基板性能的影响 .():.郑衍年.电解铜箔表面处理工艺与结晶形态.印制电路信息 ():.():.周洪庆 刘敏 王晓钧 等.微波复合介质基片的频率温度特性研究.微波学报 ():.():.黄全全 袁颖.掺杂量对/复合材料性能的影 响 .电 子 元 件 与 材 料 ():./.():.贾倩倩 赖占平 李强 等.空心球陶瓷粉填充 基复合基板的制备及性能 .电子元件与材料 ():.():./.():.郭立功.新型电解铜箔表面锌镍复合镀处理工艺研究.世界有色金属 ():.():.刘耀 陆冰沪 樊小伟 等.钨酸钠复合添加剂深镀粗化电解铜箔表面处理工艺研究.表面技术 ():.():.徐树民 杨祥魁 刘建广 等.挠性印刷电路板用超低轮廓铜箔的表面处理工艺.电镀与涂饰 ().().(本文于 收到)(上接第 页)./().():.和圆圆 谢光银 关立平.羧甲基壳聚糖研究进展.浙江纺织服装职业技术学院学 报 ():.():.李明 刘杨 龚浩 等.羧甲基壳聚糖复合水凝胶的制备及其性能研究.中国海洋药物 ():.():.():.():.:.():.():.(本文于 收到)欢迎订阅!欢迎投稿!欢迎惠登广告!