摘 要

水凝胶具有溶胀吸水而不变形、材质柔软、组织亲和性强等优点，是近几年较热门的新型材料之一，被广泛应用于生物医学材料之中。本文优化了合成步骤，将癸二酸、木糖醇和聚乙二醇聚合后的产物酰基化，合成出聚合物PEGXS，聚合物PEGXS能迅速光聚形成凝胶。为了测试其作为药物载体的能力和扩展其生物性能，本文将壳聚糖掺杂进PEGXS水凝胶里面，然后测试了PEGXS水凝胶和PEGXS-CS水凝胶的溶胀比，并进行了细胞毒性和抑菌圈实验等生物特征评价。实验结果表明PEGXS水凝胶具有良好的溶胀吸水能力，对细胞的毒性较低；添加壳聚糖后制成的壳聚糖水凝胶仍拥有良好的溶胀吸水能力，但是抑菌效果方面还需要加以研究改进。总而言之，本文制备的壳聚糖水凝胶能在紫外灯照射下迅速光聚，具有成为组织支架、伤口敷料、药物载体等方面的潜能，是一类极具发展前景的水凝胶。

关键词：PEGXS水凝胶;壳聚糖;医用材料

Abstract

Hydrogels have the advantages of swelling, water absorption without deformation, soft materials, strong tissue affinity, etc. It is one of the more popular new materials in recent years and it was widely used in biomedical materials. In this paper, the synthesis step was optimized, and the polymerized product of sebacic acid, xylitol and polyethylene glycol was acylated to synthesize the polymer PEGXS. The polymer PEGXS can rapidly photopolymerize to form a gel. In order to test its ability as a drug carrier and expand its biological properties, chitosan was doped into a PEGXS hydrogel, and then the swelling ratios of the PEGXS hydrogel and the PEGXS-CS hydrogel were tested. Biological characteristics such as cytotoxicity and inhibition zone tests were performed. The experimental results show that PEGXS hydrogel has good swelling and water absorption capacity, and has low toxicity to cells. The chitosan hydrogel made after addition of chitosan still has good swelling and water absorption capacity, but the antibacterial effect still needs to be improved. All in all, the chitosan hydrogels prepared in this paper can be rapidly photopolymerized under ultraviolet light irradiation, and have the potential to become tissue scaffolds, wound dressings, drug carriers, etc. It is a very promising hydrogel.

Key word：PEGXS hydrogel; Chitosan; Medical material

目录

含壳聚糖抗菌水凝胶研究 1

第1章绪论 1

1.1水凝胶的介绍 1

1.2PEGXS水凝胶的介绍 1

1.3壳聚糖的介绍 2

1.4 PEGXS-CS复合水凝胶的介绍 2

1.5本文研究内容及意义 3

第2章实验材料及设备 4

2.1实验材料与试剂 4

2.2实验仪器与设备 5

第3章PEGXS水凝胶的制备及测试 6

3.1引言 6

3.2PEGXS水凝胶的制备步骤 6

3.3PEGXS水凝胶的性能测定 8

3.3.1溶胀度的测试 8

3.3.2细胞毒性的测试 8

3.4结果与讨论 9

3.4.1核磁与红外的结果分析 9

3.4.2材料溶胀度的结果分析 11

3.4.3细胞毒性评价 13

3.5本章小结 15

第4章PEGXS-CS复合水凝胶的制备及测试 16

4.1引言 16

4.2PEGXS-CS复合水凝胶的制备步骤 16

4.3PEGXS-CS复合水凝胶的性能测定 17

4.3.1溶胀比的测定 17

4.3.2抑菌圈的测试 17

4.4结果讨论与分析 18

4.4.1材料溶胀度结果分析 18

4.4.2抑菌圈结果分析 19

4.5本章小结 21

第5章结语 22

5.1主要结论 22

5.2存在的问题及展望 22

第1章绪论

1.1水凝胶的介绍

随着科技水平和材料研究水平的进步，人们已经不在满足于纱布、胶囊等传统医用材料，许多新型的医用材料应运而生。水凝胶便是近几年研究的较多的新材料，在工业材料、生物医学材料都有很广泛的应用。水凝胶（Hydrogel）是一种交联聚合物，当以水或生物体液作为分散介质时，能够在吸收水分溶胀的同时维持其初始形状。均聚物或共聚物经交联（化学或物理）后可形成水凝胶，由亲水聚合物构成其三维网状结构，是一种可大量吸收并储存水分的高分子聚合物^[1]。根据对外界环境刺激的反应程度可将水凝胶分为两类，一类是传统高分子水凝胶，它对环境刺激不敏感、不会因周围环境的改变而造成物理形态或化学性质变化；一类是智能型高分子水凝胶，它可以能感应外界环境如光、PH、温度等微小变化，并使其本身发生相应的物理形态或化学性质变化^[2]。由于水凝胶和生命组织有相似的特性，而且材质柔软温和，表面光滑不易黏附蛋白质等物质，故在与血液、生物体液及生命组织相接触时能够表现出良好的生物相容性；另外，水凝胶由于含有大量的水分而非常柔软，并且类似于生物体组织，故作为人体植入物可以减少不良反应^[3,4]。因此，水凝胶在生物医用材料、组织工程等方面得到了广泛应用，如可作为组织填充物、医用敷料、药物缓释试剂、蛋白质电泳、酶的包埋、人工血浆、人造皮肤、细胞支架材料等^[5]。由于水凝胶展现出的良好的物理特性和生物特性，许多生物医用材料工作者对水凝胶产生了强烈的研究兴趣，使其得到了广泛的应用和发展。

1.2 PEGXS水凝胶的介绍

癸二酸，在工业、材料制造业等行业用途广泛，其酯类化合物可作为增塑剂，表面涂料，特殊香料等。聚甘油癸二酸酯（PGS），是一种具有弹性的新型生物材料，由于独特的三维聚酯网络，使其具有良好的生物相容性、高度可调的机械性能和良好的可降解性，主要被应用于如心肌组织、人工血管、软骨组织、神经导管、等组织工程材料中^[6],另外也用于药物转运载体、组织粘附材料等方面研究，此外，癸二酸价格便宜，已被广泛应用于多种医用材料之中^[7]。木糖醇是人体正常糖类代谢的中间代谢产物，易溶于水，其聚合物具有较好的生物相容性、良好的可降解性和低毒性^[8]。癸二酸和木糖醇可发生聚合反应，聚癸二酸木糖醇酯是一种生物弹性体，具有有较好的力学性能^[9]。相较于甘油，木糖醇的毒性更低，水溶性更好，以木糖醇为原料制备而成的PEGXS水凝胶在软组织工程中更容易与细胞结合。所以本文参考Alpesh Patel等人（2013）所阐述的关于聚乙二醇多聚癸二酸甘油（PEG-PGS）的合成方法^[10]，将甘油用水溶性更好的木糖醇替换，拟将合成出一种具有易光聚，高生物相容性、低毒性和良好的力学性能的高分子水凝胶。

1.3壳聚糖的介绍

壳聚糖(chitosan)又称脱乙酰甲壳素，是甲壳素脱乙酰基得到的产物。化学名称为聚葡萄糖胺(1-4)-2-氨基-B-D葡萄糖，是由2-乙酰氨基-2-脱氧-D吡喃葡萄糖和2-氨基-2-脱氧-D-吡喃葡萄糖通过-（14）糖苷键连接的二元线性聚合物^[11]。甲壳素广泛存在于甲壳类动物的外壳和软骨中以及真菌、植物等的细胞壁中。壳聚糖是一种具有良好生物相容性和生物可降解的大分子多糖，对人体的毒性较低，并且能够加速伤口痊愈、促进组织重建，具有广谱抗菌性^[12]。壳聚糖本身就是一类高分子量的物质可形成高分子聚合物，因此采用物理或化学方法交联可使壳聚糖凝胶化，并且物理交联条件温和，壳聚糖凝胶化形成的水凝胶对生物组织具有亲和性，特别利于生物医用。在生物医学领域,壳聚糖作为天然大分子具有低毒、生物相容性好、可被人体降解等性质,还具有抗菌、抗肿瘤、防溃疡等活性,能够阻止或减弱刺激性药物对胃造成的损伤等^[13]。此外，甲壳素或壳聚糖及其衍生物可以制备手术缝合线、水凝胶、抗菌敷料和各种医用膜。但是，壳聚糖只能溶于如乙酸、稀盐酸等部分无机酸，不溶于水、弱碱试剂和许多无机溶剂中，这个特性限制了壳聚糖的应用。将壳聚糖改性之后可增强其水溶性，壳聚糖的衍生物和改性方法有很多，如经过羧甲基化的壳聚糖可应用于生物材料及药物传递系统中^[14]，可作为支架应用于骨及皮肤等组织的修复^[15]，可制备成水凝胶应用于心肌组织工程等^[16]。随着科学技术的提高，廉价有具有极高应用价值的壳聚糖将会等到更广泛的应用和发展，特别是在组织工程、药物缓释、水凝胶、生物支架等医用材料方面。

1.4 PEGXS-CS复合水凝胶的介绍

与传统材料相比，高分子水凝胶具有高含水率、柔软平滑、摩擦系数低等优点，和细胞外基质部分有一些相同的性质，这些特点与生物体软组织类似，此外水凝胶还表现出较好的组织亲和性和生物相容性^[17]。水凝胶比其它人工合成的生物材料都接近活体组织，溶胀吸水后可减少对周围组织的摩擦和机械作用，显著改善材料的生物学性能^[18]。天然生物大分子（如聚多糖、蛋白质）由于其本身具有良好的生物相容性、低毒性和生物降解性，常被用来作为合成水凝胶的结构材料。在这些天然生物大分子中，壳聚糖是一种具有对细菌和动物病原体具有免疫功能同时不会产生排异反应的可降解的多糖类生物大分子，是一种理想的水凝胶合成材料^[19]。壳聚糖水凝胶兼具壳聚糖止血、促愈合和抑菌等特点及水凝胶的优点，在创伤修复方面有极大的优势，是新型敷料研究热点之一^[20-22]。但是，目前对于壳聚糖水凝胶的研究主要集中在改性的壳聚糖中，壳聚糖的改性方法多种多样，而且操作繁琐，改性时间长，所以本文计划将壳聚糖粉末和壳聚糖溶液直接掺杂进PEGXS水凝胶，制备出PEGXS-CS复合水凝胶。PEGXS-CS复合水凝胶理论上应具有PEGXS水凝胶良好的溶胀比和力学性能，并且兼具壳聚糖的抗菌性和其它优秀的生物学性能，是一种具有研究潜力的新型水凝胶。

1.5本文研究内容及意义

水凝胶不仅具有溶胀吸水并维持初始形状的特性，还因具有良好的生物相容性和组织亲和性而被广泛应用于医学领域。目前水凝胶在医学方面涉及的研究领域主要有组织工程、心血管支架、伤口敷料、药物载体和组织填充物等^[23,24]。壳聚糖水凝胶而属于天然水凝胶的范畴，具有良好的生物相容性和低毒性，但是其力学性能差，而且壳聚糖水凝胶通常需要对壳聚糖进行改性，改性的方法有很多种，但是操作都较为复杂。癸二酸可被人体代谢降解，木糖醇是人体代谢的中间产物，壳聚糖生物相容性好，毒性低又具有一定的抗菌能力。癸二酸和木糖醇的聚合物拥有不错的物理性能和生物特性，为了加强其水溶性使之能光聚形成水凝胶，本文用用聚乙二醇作为辅助增强其水溶性，合成出一种力学性能优越，生物相容性好的PEGXS水凝胶。然后将壳聚糖以固体和溶液的方式直接掺入PEGXS水凝胶中，合成出一种PEGXS-CS复合水凝胶，进一步优化PEGXS水凝胶的生物学性能。本文旨在探究出一种成本低，合成方法简单的水凝胶，探索其在组织工程支架、伤口敷料和药物缓释的应用上的可能性。

第2章实验材料及设备

2.1实验材料与试剂

本文所用的实验材料与试剂如表2.1所示。

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