本发明涉及复合材料领域，具体涉及一种生物相容性纳米复合水凝胶的制备方法及应用。
背景技术：
水凝胶是一种由天然高分子或合成高分子经适度交联而具有三维网络结构的功能高分子材料。它不溶于水，但能显著地溶胀于水中，吸收大量的水，并有很强的保水能力。智能水凝胶能够感知外界环境的微小变化，如ph值、温度、离子强度、磁场、电场等，并通过体积的溶胀或收缩，对这些刺激做出迅速响应。
海藻酸钠因其生物相容性、生物可降解性、成本较低以及加入二价阳离子(如ca2 )而具有良好的成胶性能常被作为制备水凝胶的材料。海藻酸钠与钙离子的交联反应温和且速度较快，但是其强度通常较弱。因为钙离子属于小分子，与海藻酸钠交联的时候通常是一个钙离子与海藻酸钠分子链上的两个羧基发生反应，交联密度较低，这限制了该水凝胶的应用。
纤维素是目前地球上最为丰富且可再生的资源，纳米原纤化纤维素，是纳米纤维素的一种，由有序分离的基本纤维束组成，具有很高的生成纠缠网络的可能性。根据植物原料种类的不同，纳米原纤化纤维素的直径为10～100nm，长度为微米级。
纳米原纤化纤维素主要通过机械强剪切力处理纤维素原料得到，处理过程中纤维素的无定形区通常不被去除，最终的纳米原纤化纤维素仍由结晶区和无定形区构成；与纳米微晶纤维素相比，长径比较大，柔韧性较好。纳米原纤化纤维素不但具有普通纤维素来源广、可再生、可降解、无毒等特点，还具有显著的阻隔性、力学性能和胶体性能以及比表面积大、密度低、透明等优势，上述性能使纳米原纤化纤维素在造纸、复合材料、包装、涂料、生物医药、汽车等领域有着广阔的应用前景。
随着生产和科技的发展，具备高性能、高生物相容性以及绿色的新型复合水凝胶材料是高分子水凝胶材料发展的方向。因此，本发明致力于研究一种生物相容性纳米复合水凝胶的制备方法，以来源广、比表面积大、生物相容性优的纳米原纤化纤维素作为增强相，基于静电作用、氢键作用、纳米填料制备纳米复合水凝胶，并应用于负载吲哚美辛药物，实现药物缓释的目的，为生物相容性纳米复合水凝胶的制备与应用开拓新的思路，具有一定的理论意义和应用价值。
技术实现要素：
为解决上述技术问题，本发明旨在提供一种生物相容性纳米复合水凝胶的制备方法及应用。
本发明通过如下技术方案实现：
一种生物相容性纳米复合水凝胶的制备方法包括如下步骤：
(1)首先，按摩尔比1:2称取氯化胆碱、草酸置于三口烧瓶中，在90℃油浴加热搅拌半小时，得到澄清透明的低共熔溶剂。其次，将棉纤维粉加入以上低共熔溶剂中，固液比为1:20，在100～120℃下进行纯化预处理1～5小时。然后，利用去离子水、无水乙醇洗涤去除残留的低共熔溶剂得到纯化纤维素。接着，将纯化纤维素直接加入球磨罐中进行湿法球磨12～20h，然后以8000r/min离心分离8min，离心5次。最后经旋转蒸发制得质量浓度为2％的纳米原纤化纤维素胶体。
(2)首先，取一定体积的纳米原纤化纤维素胶体分散在去离子水中，用超声波超声分散一定时间。其次，称量一定量的海藻酸钠粉末加入纳米原纤化纤维素水相分散液中，用高速分散机分散一定时间。再次，称量一定量的壳聚糖粉末加入到以上混合液中，继续用高速分散机分散一定时间，并置于真空干燥箱抽真空消泡一定时间，制得海藻酸钠/壳聚糖/纳米原纤化纤维素混合液。随后，利用头部切除的一次性注射器抽取一定量的海藻酸钠/壳聚糖/纳米原纤化纤维素混合液，在2mol/l的稀盐酸中静置24h。最后，将一次性注射器中的水凝胶挤出，用去离子水浸泡3天，洗净表面残留的盐酸，制得海藻酸钠/壳聚糖/纳米原纤化纤维素纳米复合水凝胶。
进一步说，步骤(2)中所述的海藻酸钠/壳聚糖/纳米原纤化纤维素的添加比例为海藻酸钠、壳聚糖的质量比为1:1；以添加的海藻酸钠和壳聚糖总质量为基准m，纳米原纤化纤维素添加量为0.5～2％m。
进一步说，步骤(2)中所述的超声分散超声强度300w、超声时间30min；一次高速分散速度650r/min、时间1h；二次高速分散速度650r/min、时间2h；真空消泡时间3h。
进一步说，步骤(2)中所述制得的海藻酸钠/壳聚糖/纳米原纤化纤维素复合水凝胶为呈多孔三维网络结构，孔隙率维持在90％以上，溶胀率达1321％。
进一步说，一种生物相容性纳米复合水凝胶的应用：利用海藻酸钠/壳聚糖/纳米原纤化纤维素复合水凝胶负载吲哚美辛药物。称取一定质量的吲哚美辛，溶解于20ml氨水中，超声得到不同浓度的吲哚美辛溶液(1、3、5、7mg/ml)。将藻酸钠/壳聚糖/纳米原纤化纤维素复合水凝胶浸泡于20ml吲哚美辛溶液中24h，取出置于50℃烘箱中烘干，即得到吲哚美辛负载的藻酸钠/壳聚糖/纳米原纤化纤维素复合水凝胶。
更进一步说，一种生物相容性纳米复合水凝胶的药物缓释应用中所制得的海藻酸钠/壳聚糖/纳米原纤化纤维素水凝胶对吲哚美辛模型药物的释放具有ph敏感性，表现出了缓慢释放的性质，释放时间12～24h；并且，改变纳米原纤化纤维素的添加量，吲哚美辛的释放量和释放速率发生明显变化。当纳米原纤化纤维素添加量为1％时，在模拟胃液中的释放量降低了50.8％。通过药物释放机理探究，海藻酸钠/壳聚糖/纳米原纤化纤维素复合水凝胶在模拟人体胃肠液的释放符合零级释药模型以及在模拟肠液中符合r-p模型。
本发明的有益效果：
本发明以纳米原纤化纤维素作为增强相，基于静电作用、氢键作用、纳米填料制备纳米复合水凝胶。一方面，壳聚糖粉末在海藻酸钠/壳聚糖纳米原纤化纤维素混合液中溶胀却不溶解，当浸泡在盐酸中时，盐酸相当于小分子“引发剂”，迅速扩散，壳聚糖溶解，分子链上的氨基分子发生质子化产生铵根离子，与海藻酸钠分子链上的羧酸根离子发生静电作用形成三维网络结构；与此同时，纳米原纤化纤维素由于其纳米尺寸，高力学性能，作为填料加入，使三维网络更致密；并且纳米原纤化纤维素表面带负电，在酸性环境中又容易与海藻酸钠形成氢键，在静电作用，氢键作用下使复合水凝胶整体的力学性能更优秀。另一方面，该复合水凝胶具有一定的ph响应能力，具备药物负载、缓释的潜力。纳米原纤化纤维素的添加有利于减少吲哚美辛药物在胃液中的释放，减弱了吲哚美辛药物对胃的副作用。本发明原料易得，制备工艺简单，生产成本低，有利于工业化生产。
附图说明
图1生物相容性纳米复合水凝胶的形成机理图；
图2不同纳米原纤化纤维素(nfc)添加量的生物相容性纳米复合水凝胶的微观形貌；
图3不同纳米原纤化纤维素(nfc)添加量对生物相容性纳米复合水凝胶孔隙率的影响；
图4不同纳米原纤化纤维素(nfc)添加量对生物相容性纳米复合水凝胶溶胀性能的影响；
图5不同纳米原纤化纤维素(nfc)添加量对生物相容性纳米复合水凝胶ph响应性能的影响；
图6不同纳米原纤化纤维素(nfc)添加量对生物相容性纳米复合水凝胶药物缓释效果的影响。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
(1)首先，称量摩尔比为1:2的氯化胆碱、草酸置于三口烧瓶中，90℃油浴加热搅拌半小时，得到澄清透明的低共熔溶剂；其次，将棉纤维粉加入以上低共熔溶剂中，固液比为1:20，在110℃下进行纯化预处理3小时；然后，利用去离子水、无水乙醇洗涤去除残留的低共熔溶剂得到纯化纤维素。接着，将纯化纤维素直接加入球磨罐中进行湿法球磨16h，然后以8000r/min离心分离8min，离心5次，最后经旋转蒸发制得浓度为2％的纳米原纤化纤维素胶体。
(2)首先，取一定体积(纳米原纤化纤维素含量为海藻酸钠/壳聚糖的0.5％)的纳米原纤化纤维素胶体分散在去离子水中，用300w超声波超声分散30min；其次，称量一定量的海藻酸钠粉末溶于纳米原纤化纤维素水相分散液中，用高速分散机以650r/min转速分散1h；再次，称量一定量的壳聚糖聚电解质粉末加入到以上混合液中，继续用高速分散机以650r/min转速分散2h，并置于真空干燥箱抽真空消泡5h，制得海藻酸钠/壳聚糖纳米原纤化纤维素混合液。随后，利用头部切除的5ml一次性注射器抽取一定量的海藻酸钠/壳聚糖纳米原纤化纤维素混合液，在2mol/l的稀盐酸中静置24h；最后，将一次性注射器中的水凝胶挤出，用去离子水浸泡3天，洗净表面残留的盐酸，制得海藻酸钠/壳聚糖/纳米原纤化纤维素复合水凝胶。
应用：利用制备的海藻酸钠/壳聚糖/纳米原纤化纤维素纳米复合水凝胶负载吲哚美辛药物。称量一定质量的吲哚美辛，溶解于20ml氨水中，超声得到1mg/ml的吲哚美辛溶液。将海藻酸钠/壳聚糖/纳米原纤化纤维素纳米复合水凝胶浸泡于20ml吲哚美辛溶液中24h，取出置于50℃烘箱中烘干，即得到吲哚美辛负载的海藻酸钠/壳聚糖/纳米原纤化纤维素纳米复合水凝胶。
实施例2
(1)首先，称量摩尔比为1:2的氯化胆碱、草酸置于三口烧瓶中，90℃油浴加热搅拌半小时，得到澄清透明的低共熔溶剂；其次，将棉纤维粉加入以上低共熔溶剂中，固液比为1:20，在120℃下进行纯化预处理1小时；然后，利用去离子水、无水乙醇洗涤去除残留的低共熔溶剂得到纯化纤维素。接着，将纯化纤维素直接加入球磨罐中进行湿法球磨20h，然后以8000r/min离心分离8min，离心5次，最后经旋转蒸发制得浓度为2％的纳米原纤化纤维素胶体。
(2)首先，取一定体积(纳米原纤化纤维素含量为海藻酸钠/壳聚糖的1％)的纳米原纤化纤维素胶体分散在去离子水中，用300w超声波超声分散30min；其次，称量一定量的海藻酸钠粉末溶于纳米原纤化纤维素水相分散液中，用高速分散机以650r/min转速分散1h；再次，称量一定量的壳聚糖聚电解质粉末加入到以上混合液中，继续用高速分散机以650r/min转速分散2h，并置于真空干燥箱抽真空消泡5h，制得海藻酸钠/壳聚糖纳米原纤化纤维素混合液。随后，利用头部切除的5ml一次性注射器抽取一定量的海藻酸钠/壳聚糖纳米原纤化纤维素混合液，在2mol/l的稀盐酸中静置24h；最后，将一次性注射器中的水凝胶挤出，用去离子水浸泡3天，洗净表面残留的盐酸，制得海藻酸钠/壳聚糖/纳米原纤化纤维素复合水凝胶。
应用：利用制备的海藻酸钠/壳聚糖/纳米原纤化纤维素纳米复合水凝胶负载吲哚美辛药物。称量一定质量的吲哚美辛，溶解于20ml氨水中，超声得到3mg/ml的吲哚美辛溶液。将海藻酸钠/壳聚糖/纳米原纤化纤维素纳米复合水凝胶浸泡于20ml吲哚美辛溶液中24h，取出置于50℃烘箱中烘干，即得到吲哚美辛负载的海藻酸钠/壳聚糖/纳米原纤化纤维素纳米复合水凝胶。
实施例3
(1)首先，称量摩尔比为1:2的氯化胆碱、草酸置于三口烧瓶中，90℃油浴加热搅拌半小时，得到澄清透明的低共熔溶剂；其次，将棉纤维粉加入以上低共熔溶剂中，固液比为1:20，在100℃下进行纯化预处理5小时；然后，利用去离子水、无水乙醇洗涤去除残留的低共熔溶剂得到纯化纤维素。接着，将纯化纤维素直接加入球磨罐中进行湿法球磨12h，然后以8000r/min离心分离8min，离心5次，最后经旋转蒸发制得浓度为2％的纳米原纤化纤维素胶体。
(2)首先，取一定体积(纳米原纤化纤维素含量为海藻酸钠/壳聚糖的1.5％)的纳米原纤化纤维素胶体分散在去离子水中，用300w超声波超声分散30min；其次，称量一定量的海藻酸钠粉末溶于纳米原纤化纤维素水相分散液中，用高速分散机以650r/min转速分散1h；再次，称量一定量的壳聚糖聚电解质粉末加入到以上混合液中，继续用高速分散机以650r/min转速分散2h，并置于真空干燥箱抽真空消泡5h，制得海藻酸钠/壳聚糖纳米原纤化纤维素混合液。随后，利用头部切除的5ml一次性注射器抽取一定量的海藻酸钠/壳聚糖纳米原纤化纤维素混合液，在2mol/l的稀盐酸中静置24h；最后，将一次性注射器中的水凝胶挤出，用去离子水浸泡3天，洗净表面残留的盐酸，制得海藻酸钠/壳聚糖/纳米原纤化纤维素复合水凝胶。
应用：利用制备的海藻酸钠/壳聚糖/纳米原纤化纤维素纳米复合水凝胶负载吲哚美辛药物。称量一定质量的吲哚美辛，溶解于20ml氨水中，超声得到5mg/ml的吲哚美辛溶液。将海藻酸钠/壳聚糖/纳米原纤化纤维素纳米复合水凝胶浸泡于20ml吲哚美辛溶液中24h，取出置于50℃烘箱中烘干，即得到吲哚美辛负载的海藻酸钠/壳聚糖/纳米原纤化纤维素纳米复合水凝胶。
以下对附图进行进一步说明：
图1为生物相容性纳米复合水凝胶的形成机理图。机理分析：壳聚糖粉末在海藻酸钠/壳聚糖纳米原纤化纤维素混合液中溶胀却不溶解，当浸泡在盐酸中时，盐酸相当于小分子“引发剂”，迅速扩散，壳聚糖溶解，分子链上的氨基分子发生质子化产生铵根离子，与海藻酸钠分子链上的羧酸根离子发生静电作用形成三维网络结构。与此同时，nfc由于其纳米尺寸，高力学性能，作为填料加入，使三维网络更致密；并且nfc表面带负电，在酸性环境中又容易与海藻酸钠形成氢键，在静电作用，氢键作用下形成了海藻酸钠/壳聚糖/纳米原纤化纤维素复合水凝胶。
图2为不同nfc添加量的生物相容性纳米复合水凝胶的微观形貌。图中显示了不同nfc的添加量的水凝胶的微观形貌，nfc的添加量分别为0％(a、b)，1％(c、d)，2％(e、f)。整体上看，nfc的添加并不改变水凝胶的三维网络结构，所有水凝胶样品均呈现较好的三维网络结构。具体而言，当nfc添加量为1％、2％时，可以看到长度在微米级，直径在纳米级别的nfc。可以发现，nfc对于孔径的影响较小，因为nfc粒径较小，相对于直径在30～50μm的孔洞影响较小。
图3为不同nfc添加量对生物相容性纳米复合水凝胶孔隙率的影响。由图可知，nfc的添加量对水凝胶的孔隙率影响较小，几种添加量的水凝胶的孔隙率都维持在90～95％之间。从图3的扫描电镜图也可以看出，水凝胶的孔径在30～50μm，相对于nfc的粒径来说的是非常大的。因此，nfc的添加对水凝胶孔隙率的影响较小，保持较高的孔隙率有利于水凝胶在组织工程、药物缓释中的应用。
图4为不同nfc添加量对生物相容性纳米复合水凝胶溶胀性能的影响。由图可知，整体来说，所有的水凝胶样品的溶胀率随着时间的增加而增大，在24h左右达到溶胀平衡；并且随着nfc含量的增加，水凝胶的溶胀率呈现下降的趋势。具体来说，当达到溶胀平衡时，0％nfc添加量的水凝胶的溶胀率为1455.5％，而nfc添加量为1％、1.5％、2％的水凝胶溶胀率分别为1321.4％、1378.4％、1204.8％，分别下降了9.2％、5.3％和17.2％。这是可能是因为溶胀度主要由亲水性的官能团控制，而高度结晶的nfc亲水性更低；除此之外，nfc作为纳米填料可以与水凝胶基体形成氢键作用，使三维网络结构变得更致密，这也会进一步降低水凝胶的溶胀度。
图5为不同nfc添加量对生物相容性纳米复合水凝胶ph响应性能的影响。如图所示，总整体上看，nfc的添加量并没有改变水凝胶的ph响应性能，添加不同比例的nfc水凝胶在不同ph缓冲液中依旧表现出了相似的溶胀率，即在ph＝7.4的磷酸盐缓冲液溶胀性好，在ph＝1.2的盐酸缓冲液溶胀性较差。但是，nfc的添加削弱了水凝胶整体的溶胀性能，在每种缓冲溶液中的溶胀性能都有所下降。具体的说，当nfc添加量为1.5％时，在ph＝7.4、ph＝6.5、ph＝1.2的缓冲溶液中的溶胀率分别下降了5.3％、4.1％、8.0％。这意味着调整nfc的添加，不仅可以改变水凝胶的力学性能，同时可以影响水凝胶的溶胀性能，从而在一定范围内调整水凝胶的载药与释药
图6为不同nfc添加量对生物相容性纳米复合水凝胶药物缓释效果的影响。为了避免吲哚美辛药物对胃的副作用，水凝胶应在模拟胃液(ph＝1.2)中不释放或者尽量少释放。由图可知，所有的样品在模拟胃液中的累积释放量较少，累积释放率都低于10％。nfc的添加有利于减少吲哚美辛在模拟胃液的释放量，当不添加nfc时，2h内的吲哚美辛释放量为1177.9μg；当nfc的添加量为0.5、1、1.5、2％时，2h的释放量分别为834.1、579.6、746.2、558.4μg，吲哚美辛的释放量分别下降了29.2％、50.8％、36.6％和52.6％。这主要是由于多孔的海藻酸钠基质对胃酸的优异抗性以及nfc的添加使水凝胶获得了更加致密的三维网络结构，这种网络结构可以有效的延缓吲哚美辛在胃酸中的释放，下表给出药物释放机理探究及模型分析。
表1
从表1中可以看出，吲哚美辛的释放过程主要由2个阶段组成：在ph为1.2的模拟胃液中，模型药物呈线性释放，符合零级模型；在ph为6.5和7.4的模拟肠液中，模型药物的释放规律更贴近于r-p模型。在r-p模型中，当n＜0.45时为扩散；当n＞0.89为骨架溶蚀，实验测得的n的值分别为0.49和0.51，在0.45～0.89的范围内，表明此时的药物释放既有扩散又有溶蚀，是两者协同作用的结果。
1.一种生物相容性纳米复合水凝胶的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）首先，按摩尔比1:2称取氯化胆碱、草酸置于三口烧瓶中，在90°c油浴加热搅拌半小时，得到澄清透明的低共熔溶剂；
其次，将棉纤维粉加入以上低共熔溶剂中，固液比为1:20，在100~120°c下进行纯化预处理1~5小时；
然后，利用去离子水、无水乙醇洗涤去除残留的低共熔溶剂得到纯化纤维素；
接着，将纯化纤维素直接加入球磨罐中进行湿法球磨12~20h，然后以8000r/min离心分离8min，离心5次；
最后经旋转蒸发制得质量浓度为2%的纳米原纤化纤维素胶体；
（2）首先，取一定体积的纳米原纤化纤维素胶体分散在去离子水中，用超声波超声分散一定时间；
其次，称量一定量的海藻酸钠粉末加入纳米原纤化纤维素水相分散液中，用高速分散机分散一定时间；
再次，称量一定量的壳聚糖粉末加入到以上混合液中，继续用高速分散机分散一定时间，并置于真空干燥箱抽真空消泡一定时间，制得海藻酸钠/壳聚糖/纳米原纤化纤维素混合液；
随后，利用头部切除的一次性注射器抽取一定量的海藻酸钠/壳聚糖/纳米原纤化纤维素混合液，在2mol/l的稀盐酸中静置24h；
最后，将一次性注射器中的水凝胶挤出，用去离子水浸泡3天，洗净表面残留的盐酸，制得海藻酸钠/壳聚糖/纳米原纤化纤维素纳米复合水凝胶。
2.根据权利要求1所述的一种生物相容性纳米复合水凝胶的制备方法，其特征在于：
步骤（2）中所述的海藻酸钠/壳聚糖/纳米原纤化纤维素的添加比例为海藻酸钠、壳聚糖的质量比为1:1；以添加的海藻酸钠和壳聚糖总质量为基准m，纳米原纤化纤维素添加量为0.5~2%m。
3.根据权利要求1所述的一种生物相容性纳米复合水凝胶的制备方法，其特征在于：
步骤（2）中所述的超声分散超声强度300w、超声时间30min；第一次高速分散速度650r/min、时间1h；第二次高速分散速度650r/min、时间2h；真空消泡时间3h。
4.根据权利要求1所述的一种生物相容性纳米复合水凝胶的制备方法，其特征在于：
步骤（2）中所述制得的海藻酸钠/壳聚糖/纳米原纤化纤维素纳米复合水凝胶为呈多孔三维网络结构，孔隙率维持在90%以上，溶胀率达1321%。
5.一种根据权利要求1所制备的生物相容性纳米复合水凝胶在负载吲哚美辛药物中的应用。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于：
称取一定质量的吲哚美辛，溶解于20ml氨水中，超声得到不同浓度的吲哚美辛溶液；
将复合水凝胶浸泡于20ml吲哚美辛溶液中24h，取出置于50°c烘箱中烘干，即得到吲哚美辛负载的海藻酸钠/壳聚糖/纳米原纤化纤维素纳米复合水凝胶。
技术总结