通过一步法制备出的多功能改性壳聚糖水凝胶，具有优异的综合性能

《International Journal of Biological Macromolecules》：Multifunctional modified chitosan hydrogel with excellent comprehensive properties by one pot

　　

何光华|田世林|周亚倩|张顺娜|范丽红

武汉工业大学化学、化学工程与生命科学学院，中国武汉430070

摘要

传统多功能水凝胶通过多步反应引入多种官能团，制备过程较为复杂。本文采用一锅法制备了多功能水凝胶，该方法简单且以水为溶剂。以壳聚糖（CS）和3,4-二羟基苯甲醛（DHB）为原料，冰氯化铝六水合物（AlCl?·6H?O）作为交联剂，制备了壳聚糖-二羟基苯甲醛（CS-DHB）多功能水凝胶。通过扫描电子显微镜（SEM）观察了水凝胶的内部结构，其连通的孔隙结构为其膨胀性能提供了基础。Schiff碱与儿茶酚的偶联反应方法简便易行，所得水凝胶的粘附强度高达80.2 kPa。该水凝胶可在原位快速凝胶化（60秒内），在0.1–50 Hz的频率范围内表现出类似固体的行为（G’ > G”），表明其网络结构稳定。17天后，水凝胶的降解率超过80%。该水凝胶能够清除稳定的自由基（2,2-二苯基-1-吡啶肼，DPPH），对金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）和大肠杆菌（Escherichia coli）的抑菌率分别为90%和98%，显示出优异的抗氧化和抗菌性能。此外，该水凝胶具有良好的细胞相容性和血液相容性。

引言

每年都有数百万人遭受有意或无意的组织损伤，这引发了严重的社会和经济问题。为加速治疗和康复过程，人们开发了多种生物材料作为伤口敷料。其中，水凝胶因具有吸收伤口渗出物、保持水分、允许氧气扩散以及模拟细胞外基质（ECM）结构等优点而备受关注[1]。

伤口愈合是一个复杂的过程，需要具备粘附性、抗菌性、抗氧化性和保湿性等多重特性。目前，具有优异性能的粘附性水凝胶在伤口闭合方面受到了更多关注，旨在连接受损组织并促进愈合并。受贻贝来源的粘附蛋白中儿茶酚结构的启发，越来越多的研究利用儿茶酚化合物来制备粘附性水凝胶，主要集中在儿茶酚的偶联或改性上。儿茶酚基团在许多生物过程中发挥着重要作用，例如抗氧化和粘附作用。Liang[2]开发了一种可注射的水凝胶敷料；Dopamine赋予了该水凝胶抗氧化、组织粘附和止血功能；Guo[3]利用Fe3?和原儿茶醛实现了儿茶酚与铁的配位，最终制备出具有高韧性的可回收、生物相容性的聚己内酯-聚酰胺铁复合弹性体用于伤口处理。然而，大多数基于儿茶酚的水凝胶前体需要复杂的化学修饰和多步制备及纯化过程[4]。因此，有必要开发新的策略，以最简单的条件以及最少的合成步骤来制备多功能敷料。

许多天然植物中的分子对环境和人体都非常友好。其中，3,4-二羟基苯甲醛（DHB）可以低成本从亚麻科植物中提取，并已被用于冠心病的临床治疗，表明其具有良好的生物相容性。DHB是一种含有两个酚羟基和一个醛基的天然多酚化合物，具有抗氧化和抗菌特性[5]。由于含有醛基和儿茶酚基，DHB还可以通过醛基与胺基的偶联反应以及儿茶酚与金属离子的配位，生成具有动态可逆相互作用的三维网络[6]。壳聚糖（CS）是一种类似糖胺聚糖的天然线性多糖，已被证明能促进细胞增殖和粘附[7]。作为第二丰富的天然聚合物，壳聚糖是一种独特的阳离子聚合物，能够破坏细菌的负电荷膜并表现出良好的抗菌性能[8]。

相关水凝胶通常使用Fe3?进行交联[9][10]，但Fe3?具有氧化性，容易氧化儿茶酚基团，从而影响水凝胶的粘附性和抗氧化性能。本研究选择了非氧化性的Al3?进行交联，能够较好地保留儿茶酚基团及其相关性质。此外，现有文献中报道的相关水凝胶的儿茶酚基团偶联方法通常使用1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺/N-羟基琥珀酰亚胺（EDC/NHS）反应[11][12]，该反应需要数小时的时间以及昂贵的EDC和NHS试剂。而且这种反应操作复杂，对条件要求严格，需要使用缓冲溶液精确控制pH值。相比之下，本研究中使用的Schiff碱反应耗时不到半小时，试剂成本较低，操作简单且对反应条件不敏感。鉴于上述问题，本研究通过简单的水基方法制备出了具有优异综合性能的多功能水凝胶，如抗氧化性、强组织粘附性和抗菌活性。通过用3,4-二羟基苯甲醛对壳聚糖的伯氨基进行化学修饰，获得了壳聚糖与儿茶酚的偶联物。随后，壳聚糖溶液与Al3?溶液共价形成水凝胶。通过紫外光谱（UV）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）、1H核磁共振（1H NMR）、扫描电子显微镜（SEM）和热重分析（TG）对水凝胶的结构、形貌和热稳定性进行了表征，并系统测试了其膨胀性、粘附性、抗氧化性、抗菌性、生物相容性和降解性能。

章节摘要

材料

壳聚糖（脱乙酰度95%，分子量200 kDa）和3,4-二羟基苯甲醛（纯度98%）购自Aladdin Reagent Co., Ltd.；冰氯化铝六水合物（纯度97%）、乙酸、无水乙醇和氢氧化钠为分析级试剂，购自Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd.；鱼肽购自上海Macklin生化科技有限公司；金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）和大肠杆菌（Escherichia coli）从北京生物宝库采购。其他所需试剂均为常规实验室级别。

水凝胶的制备机制

本研究选择生物相容性的壳聚糖和3,4-二羟基苯甲醛作为原料，利用金属离子作为交联剂，通过一锅法制备了CS-DHB多功能水凝胶。制备过程如图1a所示。壳聚糖的伯氨基与3,4-二羟基苯甲醛发生可逆的Schiff碱反应，形成壳聚糖与儿茶酚的偶联物。

结论

通过Al3?的配位，采用一锅法简单制备了CS-DHB多功能水凝胶（见表S2、S3）。FTIR、XPS和1H NMR的结果证实了壳聚糖与DHB之间成功形成了Schiff碱键。SEM图像展示了水凝胶的内部孔隙结构；热重分析（TG）结果表明该水凝胶具有良好热稳定性，能承受日常使用中的温度变化；膨胀性测试表明其膨胀率符合预期。

作者贡献声明

何光华：负责撰写初稿、资料收集、方法设计、实验设计、资金申请和概念构思。田世林：负责撰写初稿、实验数据处理。周亚倩：负责数据可视化、实验分析及数据处理。张顺娜：负责结果验证。范丽红：负责论文修订与编辑、项目管理和资金申请。

作者声明没有已知的可能影响本研究结果的财务利益或个人关系。

国家自然科学基金（项目编号：51773161和51303145）对本研究的共同支持。