基于温敏水凝胶纺织医用敷料的制备及释药机制的研究

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纺织医用敷料是一种用来暂时性覆盖伤口的重要医药产品,其作为生物医用材料的一个重要分支,是纺织科学与工程、材料科学与工程、机械学、生物学和医学等学科交叉与融合的产物,在保护伤口、吸收创面渗出液、避免感染以及促进愈合等方面发挥着积极作用。医用水凝胶敷料作为近几年发展起来的新型医用敷料,在吸水保湿、避免伤口粘连、减少更换敷料带来的二次损伤等方面有着自身的独特优势,但也存在着自身物理机械强力差的缺陷和药物利用效率低的问题。将水凝胶与传统纺织医用敷料相结合制备水凝胶复合织物,不仅使其具备纺织品柔软、机械强力好等特点,还兼顾了水凝胶集吸水、保湿、缓释等优势,同时在水凝胶中引入合理的温度响应性能,赋予其药物的温敏可控释放特性,对提高药物利用效率有着积极作用,具有较高的研究价值和现实意义。  本论文的研究工作主要包括以下几个方面:(1)采用自由基聚合和物理交联的方法制备海藻酸钙/聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAAm)互穿网络(IPN)温敏水凝胶,研究其热稳定性、表面形貌、溶胀率/消溶胀率、温敏敏感性以及温度脉冲响应性;(2)以海藻酸钙/PNIPAAm IPN温敏水凝胶作为药物载体材料,分别采用干态浸泡法和直接包埋法进行模型药物的装载,研究海藻酸钠/NIPAAm比例、载药量、载药方式、介质温度等因素对药物释放性能的影响,并深入研究药物在释放过程中的扩散机制,同时以抑菌圈和抑菌率为指标探讨载药水凝胶在环境温度高于或低于转变温度时的抗菌性能差异;(3)通过直接沉积法、1,2,3,4-丁烷四羧酸(BTCA)交联法、羧甲基螯合法和紫外光引发法等四种方法制备温敏水凝胶复合织物,探讨水凝胶复合织物的温敏特性,并深入研究水凝胶复合织物的服用性能,比较各方法之间的主要差异,(4)研究N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)/聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯(EGMA360)比例对海藻酸钙/P(NIPAAm-co-EGMA360) IPN温敏水凝胶热稳定性、转变温度以及玻璃化转变温度的影响;(5)研究海藻酸酸钙/P(19.5NIPAAm-co-0.5EGMA360) IPN温敏水凝胶复合织物的温敏特性和服用性能,在不影响水凝胶复合织物温敏特性的前提下,探索提高温敏水凝胶复合织物舒适性能的有效途径。具体研究结果如下:  (1)温敏水凝胶的制备工艺优化。采用自由基聚合和物理交联的方法,可通过改变单体NIPAAm、交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)以及引发剂过硫酸铵(APS)的用量实现溶胀性能的调控。在一定的范围内,随着单体NIPAAm含量的增加、引发剂APS以及交联剂MBAA用量的增加,海藻酸钙/PNIPAAm IPN温敏水凝胶的溶胀性能会逐渐下降。在SA和NIPAAm比例为1∶5/(w/w),交联剂MBAA用量为1.0mol%(相对于NIPAAm用量),引发剂APS用量为20 mg和促进剂N,N,N,N-四甲基乙二胺(TEMED)用量为6μL时,温敏水凝胶具有规则的蜂窝状孔洞结构,转变温度为34.34℃左右,溶胀率为1937g/g,若将环境温度从25℃升高到45℃时,其失水百分率达87.17%。表现出良好的温度响应性,适用于后续温敏水凝胶复合织物的构建。  (2)载药水凝胶的药物释放行为测试。采用干态浸泡法和直接包埋法对模型药物进行装载。海藻酸钠/NIPAAm比例、药物装载浓度、药物装载方式、环境温度等因素均对药物释放行为存在影响,其中,海藻酸钠比例越高,药物累积释放率越高;药物装载浓度越高,药物累积释放率略有下降;37℃的环境温度比25℃具有更高的药物累积释放率,两者达到平衡时的累积释放率之差达20%以上;此外,直接包埋法的速率常数k分布在0.113~0.216之间,远小于干态浸泡法(k分布在0.297~0.570),具有更优的缓释效果。  (3)载药水凝胶的抗菌性能评价。利用抑菌圈和抑菌率对载药水凝胶的抗菌性能展开评价,在固-固界面接触的情况下,25℃的环境温度下无抑菌圈存在,而37℃的环境条件下则可观察到明显的抑菌圈,并且在一定范围内,随着药物浓度的增加,抑菌圈直径增加,另一方面,在抑菌率实验中,当载药浓度相同时,37℃亦表现出更少的菌落数和更好的抑菌率,其在20μg/mL的药物浓度下即可达到99%以上的抑菌率,说明载药温敏水凝胶应用于医用敷料时可通过温敏响应而在37℃的人体温度下达到良好的抑菌的效果。  (4)海藻酸钙/PNIPAAm IPN温敏水凝胶复合织物的制备及其性能测试。直接沉积法、1,2,3,4-丁烷四羧酸交联法、羧甲基螯合法以及紫外光引发法均可将海藻酸钙/PNIPAAm IPN温敏水凝胶结合于棉织物基材表面而获得温敏水凝胶复合织物,并且其转变温度均可保持在34.26~35.72℃的区间范围内。该温敏水凝胶复合织物在37℃时的水蒸气透过率在600 g/(m2 day)左右,可维持创面局部湿润;同时,与纯水凝胶相比,水凝胶复合织物的断裂强力在91.12~105.80 N的范围内,表现出了良好的物理机械性能;此外,温敏水凝胶与棉织物基材之间的结合强度由大到小则依次为紫外光引发法、1,2,3,4-丁烷四羧酸交联法、羧甲基螯合法和直接沉积法;另一方面,与棉织物基材相比,水凝胶复合织物的综合手感有所下降,整体呈现出偏硬的综合手感。  (5)海藻酸钙/聚(N-异丙基丙烯酰胺-共聚-聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯(P(NIPAAm-co-EGMA360))互穿网络(IPN)温敏水凝胶及其复合织物的研究。合成一系列不同单体摩尔比的海藻酸钙/P(NIPAAm-co-EGMA360) IPN温敏水凝胶,随着单体EGMA360含量的增加,转变温度上升,玻璃化转变温度下降,热稳定性也略有下降。海藻酸钙/P(19.5NIPAAm-co-0.5EGMA360)IPN温敏水凝胶的转变温度为36.34℃,玻璃化转变温度为66.44℃,在使用的温度范围内,热稳定性良好;同时,该水凝胶复合织物在37℃的温度条件下仍保持着良好的温敏释药能力、高于99%的抑菌率、600 g/(m2 day)左右的水蒸气透过率以及100N左右的断裂强力;另一方面,与海藻酸钙/PNIPAAm IPN温敏水凝胶复合织物相比,由于EGMA360中柔性链段-乙氧基的存在,其综合手感值有很大幅度的下降,从75.720下降至28.065,有益于提高舒适性能,满足作为医用敷料时的舒适性功能要求。
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