介孔二氧化硅/单宁酸复合水凝胶止血材料的制备及性能研究

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在日常生活中,院前失血和感染是人类生命安全面临的两大挑战。及时止血是降低死亡率的主要措施之一。因此,开发出具有止血抗菌性能的多功能生物材料显得尤为重要。介孔二氧化硅材料由于其表面带有负电荷,可以激活FXII凝血因子,进行内源性凝血;具有介孔结构其毛细管效应可以吸收血液中的水分使血细胞聚集,因此,作为止血剂在临床上得到广泛应用。然而,介孔二氧化硅与其它无机止血剂的粘附性较差、易残留限制了其在大出血中的应用。单宁酸是一种天然植物多酚,作为一种多巴胺衍生物,具有丰富的邻苯二酚和邻苯三酚结构。由于苯环上丰富-OH基团可以与亲水表面形成很强的氢键,可以与机体组织产生黏附作用快速封闭伤口,从而快速止血;邻苯二酚和邻苯三酚基团可以吸附在细菌细胞壁表面,物理地杀死细菌,使材料具有一定的抗菌效果。以聚丙烯酰胺水凝胶为基础的有机材料具有三维网络状结构,可吸收渗出液、维持创面湿润、保护创面、抵御外界细菌的入侵、减少伤口被感染的机会;但其机械性能差、止血效果差、抗菌性能差,限制了其应用。因此,可以将介孔二氧化硅和单宁酸与水凝胶进行复合,在提高水凝胶机械性能、止血性能、抗菌性能、抗氧化性能的同时还能降低介孔二氧化硅在止血过程中的伤口残留量。本文以不同形貌、不同孔道结构的介孔二氧化硅,单宁酸和丙烯酰胺为原料,制备了具有良好的止血性能、抗菌性能、力学性能、组织粘附性、抗氧化性的多功能水凝胶止血材料。具体研究内容如下:(1)通过溶胶-凝胶法制备了具有不同形貌、孔道结构、粒径、孔径大小的介孔二氧化硅。利用扫描电镜、透射电镜、比表面积测试仪等对所制备的介孔二氧化硅材料的形貌和物理性能进行表征。结果表明成功合成球形具有无序孔道结构的介孔二氧化硅(SMS)、腰果状具有二维六方有序孔道结构的介孔二氧化硅(SBA-15)、球形二氧化硅纳米颗粒(SNP)。其中介孔二氧化硅材料具有高的比表面积(SMS:505 m~2/g,SBA-15:666 m~2/g),大的孔容(SMS:0.39 cm~3/g,SBA-15:0.82 cm~3/g)。球形二氧化硅具有均一的粒径(SMS:300 nm,SNP:300 nm)。(2)通过控制二氧化硅种类及单宁酸掺杂含量(6.4 wt%)相同的条件下改变二氧化硅的掺杂含量(0.6 wt%,1.4 wt%,2.2 wt%)探究对水凝胶溶胀率、机械性能、止血性能的影响。实验结果表明水凝胶的溶胀率以及压缩强度随着介孔二氧化硅含量的增加呈现先增加后减少的趋势,水凝胶的抗压强度提高了33%-167%,最高可达1.55 MPa。大鼠断尾止血实验表明当球形无序孔道结构的介孔二氧化硅SMS掺杂含量为1.4 wt%时复合材料具有更好的止血性能,相较于纱布出血量从2318 mg减少到37 mg,出血时间从662 s减少到200 s。实验结果表明单宁酸的加入使材料具有更好的抗氧化性、抗菌性。随着单宁酸含量的增加复合材料的抗菌性能增加,其抑菌率从21.6%提高到81.6%。(3)为了进一步提高水凝胶抗菌止血效果,选取具有最好止血效果的PAAM-TA-SMS并对其进行改性,将SMS负载Ag+,以及将Ca2+与水凝胶交联,最终制备Ag/Ca/SMS/单宁酸复合水凝胶。实验结果表明Ag+的负载对SMS的比表面积、孔容、孔径影响很小;Ag+、Ca2+的引入对水凝胶化学结构没有影响,使水凝胶的机械性能、溶胀率有所降低,但抗菌效果、止血效果增强,抑菌率从21.6%提高至83.5%。止血时间相较于SMS掺杂从200 s缩短至169 s,出血量从37 mg减少到30 mg。综上所述Ag/Ca/SMS/单宁酸复合水凝胶具有最优异的止血抗菌性能。综上所述,所制备的介孔二氧化硅/单宁酸复合水凝胶止血材料具有优异的止血抗菌抗氧化性能。本工作从多方面提高材料的止血性能,促进血液凝固。为今后多功能止血材料的研究和发展提供了理论依据和实际应用意义。
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