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International Journal of Biological Macromolecules 113 (2018) 1024–1031

国际生物大分子杂志

羧甲基壳聚糖硫酸盐/氧化魔芋葡甘聚糖水凝胶的制备与表征

文章 信息

文章历史：

2017年12月11日收到

2018年1月6日接受收到修订后的表格2018年1月15日在线提供2018年3月29日

关键词：

羧甲基壳聚糖硫酸盐

氧化魔芋葡甘聚糖

水凝胶

摘要

.水凝胶伤口敷料是一种新型生物材料，其性能优于传统和生物敷料。它已被广泛研究，在生物医学领域的应用很常见。在这项研究中，我们开发了一种简单无毒的方法来制备一种新型复合水凝胶，它是通过氧化魔芋葡甘聚糖（OKGM）的醛与羧甲基壳聚糖硫酸盐（CMS）的氨基之间的席夫碱反应形成的。通过变换红外光谱（FT-IR）表征该复合水凝胶的化学结构。通过扫描电子显微镜（SEM）分析水凝胶的微观形态。同时，还研究了复合水凝胶的凝胶化时间，溶胀能力，水分蒸发速率，溶血潜力和生物相容性等特性。结果表明，该复合水凝胶具有胶凝时间短，溶胀能力好，水分蒸发速率快，血液相容性好，生物相容性好等特点。考虑到这些优异的性能，这种复合水凝胶可用作伤口敷料来治疗受伤的皮肤

1. 绪论

皮肤是人体最大的器官，是保护内脏免受外部环境影响和防止水分流失的重要天然屏障[1,2]。皮肤创伤是化学或物理损伤的结果，破坏了皮肤组织的正常生理功能和解剖结构[3]。此外，在受伤时，尽快恢复皮肤屏障功能是很重要的。这是通过伤口愈合的复杂过程实现的，该过程涉及止血，炎症，增殖和组织重塑，最终导致瘢痕的形成[4]。临床上，泡沫，纱布，水凝胶，纤维，藻酸盐敷料和医用薄膜等通常用于治疗伤口[5-7]。在这些敷料中，水凝胶敷料可以创造潮湿的伤口愈合环境，吸收额外的分泌物，允许气体交换并且易于移除而不会损伤伤口[7-10]。更重要的是，水凝胶在结构上类似于天然细胞外基质（ECM），它们是3D网络结构，可以有益于细胞粘附，增殖，细胞因子的转运，营养和代谢废物[11,12]。因此，水凝胶是一种优良的伤口敷料材料。

联系作者.

E-mail addresses: lihongfan2000@163.com (L. Fan), caoqh@whu.edu.cn (Q. Cao).

https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2018.01.101

0141-8130/copy; 2018 Published by Elsevier B.V.

壳聚糖（CS）是一种天然阳离子多糖，具有生物相容性，生物降解性，无毒性，抗菌活性和抗氧化活性。CS在化学，生物和医学领域具有广阔的发展和应用前景，因为它们具有优异的优势[13-15]。然而，它在水中的溶解性差，是一个在很大程度上限制其应用的障碍[16]。因此，为了扩大应用范围，增加壳聚糖的水溶性将是一个先决条件[17,18]。羧甲基化壳聚糖（CMCS）是一种重要的壳聚糖衍生物，具有良好的水溶性，良好的纤维，薄膜和水凝胶形成能力，具有较好的生物活性，药用价值[19-23]。由于这些原因，CMC已在工业，农业，生化工业，医药卫生等许多领域得到更重要和广泛的应用[24,25]。特别是，它可以促进皮肤角质形成细胞和皮肤成纤维细胞的生长，成为良好的伤口敷料材料[26]。当硫酸基团被引入CMC时，CMC的分子结构将类似于肝素，肝素具有多种功能，可促进伤口愈合和与多种生长因子结合的能力[27-29]。更重要的是，CMS还保持了CMC的出色性能。因此，CMS提供了潜力作为其生物医学应用的替代方案[26]。

KGM由beta;-1,4-连接的D-甘露糖和D-葡萄糖组成，是一种具有多种生理功能的天然多糖，价格便宜，安全，无毒，生物相容，可生物降解，广泛应用[30,31]。因此，目前，KGM及其衍生物已被广泛研究并应用于食品和生物医学领域[32,33]。KGM可被高碘酸钠氧化产生OKGM。通过氧化反应，KGM分子链中顺式二醇基团的碳-碳键被裂解并产生反应性醛官能团[1,34]。因此，OKGM可用作生物交联剂，不仅可以替代常用的甲醛，乙二醛，戊二醛和其他有毒的化学交联剂来制备水凝胶，还有助于拓宽KGM的应用范围。[35]。

在这项研究中，我们通过席夫碱反应结合了两种生物有机聚合物。首先，我们将N（SO3Na）3作为新的硫酸化试剂代替传统的有机硫酸化剂，在水溶液中制备CMS。然后，我们用OKGM作为新的交联剂制备了这种新型复合水凝胶，取代了传统的有毒交联剂。研究了所得水凝胶的物理性质，如胶凝时间，溶胀能力，水蒸发速率。还通过溶血试验在体外评估水凝胶的血液相容性。此外，通过甲基噻唑基四唑（MTT）测定评估水凝胶的生物相容性。

2．实验

2.1材料

KGM（葡甘露聚糖含量高于85%）购自Konson konjac Corp.（中国湖北武汉）。CS（脱乙酰度=92%，Mw=5.2times;105）购自浙江玉环海洋生物化学有限公司。（中国）。新鲜的抗凝小鼠血液购自武汉第三医院。一氯乙酸，氢氧化钠，高碘酸钠，乙二醇，亚硫酸氢钠，亚硝酸钠和本发明中使用的其他试剂均为分析级，无需进一步纯化。它们购自国药集团化学试剂公司。

2.2CMS的制备

根据我们实验室常用的方法制备CMC[36]。称量10.0g氢氧化钠并配制成50%水溶液。向其中加入10.0g CS并使其在该溶液中充分混合，然后将混合物在冰箱中冷冻24小时。将碱化的CS转移到三颈烧瓶中，加入200mL异丙醇，并将混合物机械搅拌一段时间，直到CS充分分散。然后，分两批加入15.0g一氯乙酸并在60℃下机械搅拌5小时。反应后，过滤混合物并用无水乙醇洗涤，得到粗产物。将混合物溶于去离子水中并透析72小时。通过旋转蒸发浓缩透析的样品以获得CMC。将初始产物储存在恒温和干燥条件下以供进一步使用。

分别将一定量的亚硫酸氢钠和镍钠溶解在适当的蒸馏水中。将NaHSO 3溶液转移到配备有冷凝器的三颈烧瓶中。打开冷凝水并将系统温度控制在90℃。然后使用恒压漏斗将NaNO 2溶液缓慢滴入该三颈烧瓶中并机械搅拌1.5小时。之后，酯化剂N（获得SO3Na）3[37]。

将酯化剂调节至pH9.0，然后将酯化溶液转移至三颈烧瓶中，接着加入10.0g CMCS并在40℃下机械搅拌20小时。反应完成后，混合物为用无水乙醇和少量蒸馏水洗涤，通过抽吸得到粗产物过滤。然后将粗产物溶于去离子水中

透析72小时。通过旋转蒸发浓缩透析的样品并干燥以获得CMS。反应如方案1所示。

2.3OKGM的制备

文献[1]中描述了OKGM的制备。将5.0g魔芋加入500mL蒸馏水中并搅拌成均匀的水分散体。然后加入一定量的NaIO4粉末并将温度控制在30℃。在黑暗环境中反应12小时后，加入适量的乙二醇以继续反应2小时。去除未反应的氧化剂。反应后，将产物在蒸馏水中透析72小时，离心收集上清液。将上清液在恒温和干燥条件下储存。反应如方案2所示。

2.4CMSS/OKGM水凝胶的制备

在蒸馏水中加入一定量的CMSS和OKGM，在室温下连续磁搅拌至溶解至最终浓度6%wt。将体积为2、4、6、8和10 mL的OKGM溶液加入CMSS溶液中，其体积保持在10 mL。混合物放置一段时间以得到CMSS/OKGM水凝胶。根据OKGM的含量，水凝胶分别标记为OKCS-2、OKCS-4、OKCS-6、OKCS-8和OKCS-10。合成水凝胶的步骤如图3所示。

2.5特征

2.5.1红外光谱测量

用Nicolet 170SX傅里叶变换红外分光光度计（美国）测量了CS、CMCS、CMSS、KGM、OKGM和OKCS-6水凝胶样品在400~4000cm-1波长范围内的FT-IR光谱。所有试验样品均采用KBr圆盘法。

2.5.2扫描电镜测量

扫描电子显微镜（JEOL JSM-5610，日本）拍摄SEM图像。水凝胶样品放置在液氮中一段时间，打掉后，在-20°C的冰箱中预先冷冻，并用冷冻干燥机冷冻干燥24小时。经真空喷雾处理后，观察了水凝胶的断面形貌。

2.6胶凝时间试验

水凝胶样品的凝胶时间通过管倾倒法测量[38]。取3毫升混合样品，倒入10毫米透明试管中。尽可能将样品加入试管底部，不要接触管壁，当观察到系统没有流动性时，立即开始计时并保持倾斜或翻转试管并停止计时。在此过程中液体系统的流动时间是水凝胶的凝胶时间。

2.7膨胀性能试验

在室温下，在pH7.4的PBS缓冲溶液中称取一定质量的冻干水凝胶样品（柱，直径20 mm，高度10 mm）。一段时间后，水凝胶膨胀至平衡，然后过滤掉部分水，水凝胶样品表面上残留的水被滤纸完全吸收和去除。然后，称重膨胀的水凝胶，重复试验三次。根据以下公式计算水凝胶的膨胀率：

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Scheme 1. Synthesis route of CMSS.

其中SR是水凝胶的溶胀速率，mt是水凝胶溶胀后的重量，m0是水凝胶的初始重量。

2.8条。水分蒸发率

将冻干水凝胶样品（柱，直径20 mm，高度10 mm）浸入蒸馏水中。当水凝胶达到膨胀平衡时，取出样品，将水凝胶表面的含水量完全去除，称取m1；然后将样品置于恒温下，将烘箱置于50℃和50%湿度下。定期取凝胶测定其重量，标记为m2。一段时间后，水凝胶完全干燥，重量几乎不变，测量其恒重，记为m3，每组实验重复3次。根据下列公式计算水凝胶的水分蒸发率

式中，m1、m2、m3分别为水凝胶的初始重量、测量重量和最终重量。

2.9溶血试验

材料的溶血率是生物材料血液相容性的重要指标。当异物与血液接触时，会破坏血液中的红细胞，即溶血现象。测得的溶血率越小，材料的血液相容性越好。将2毫升新鲜抗凝全血放入试管中，加入2.5毫升生理盐水，摇匀试管，使血液均匀混合。最后，将稀释后的抗凝全血用于其他用途。称取不同质量为25mg的水凝胶样品粉末于试管中，加生理盐水10ml于试管中（取试管中蒸馏水10ml为阳性对照，试管中生理盐水10ml为阴性对照）。然后将所有试管放入37°C恒温水浴30分钟，取出试管，加入0.1毫升稀释抗凝全血，摇匀，置37°C恒温水浴60分钟，取出试管，以1500转/分离心10分钟用紫外分光光度计测定上清液在545nm处的吸光度值。溶血率的计算方法如下

Scheme 2. The synthesis of OKGM.