一种用于溃疡性结肠炎的水凝胶及其制备方法

技术领域

本发明属于水凝胶制备技术领域，具体涉及一种用于溃疡性结肠炎的水凝胶及其制备方法。

背景技术

溃疡性结肠炎是一种慢性、非特异性炎症性肠病，其特点是结肠和直肠的粘膜炎症反复发作，并经常导致严重的后果。发病特点是肠粘膜层损伤，导致肠道动力丧失，从而引起血性和粘液性腹泻，导致肠道pH值、肠道体积、肠道微生物区系和粘膜完整性的变化。发病机制与严重的炎症、结肠屏障的受损、氧化应激的增加和肠道微生物群的失调有关。患者常常需要进行药物灌肠治疗以缓解症状，然而，在实际应用中，药物灌肠往往面临一些挑战。其中最重要的一点是，药物可能在灌肠后较短时间内就被排出，从而影响药物在肠道的滞留时间，进一步影响药物的吸收和疗效。

针对这个问题，近年来，研究人员开始尝试利用新型的药物递送系统，比如水凝胶，以期提高药物在肠道的滞留时间和药效。水凝胶是一种高吸水性的网络结构聚合物材料，具有良好的生物相容性和可调控的药物释放性，有希望成为UC治疗的解决方案，它可以通过对药物活动的空间和时间控制来利用现有抗炎药物的治疗性能。一般来说，水凝胶本质上是由高度交联的聚合物单元组成的水溶网络，其中的聚合物链和孔隙为药物的有效装载提供了充足的空间。在理想情况下，这些基于水凝胶的给药平台应稳定地粘附在溃疡病灶上，并释放出封装的药物分子，以实现持续和局部治疗。然而，肠道的蠕动会对植入的水凝胶产生持续的收缩和拉伸力，这可能会导致其过早断裂和脱离所需的作用部位(这一点已经得到了证实)。此外，临床数据越来越多地显示，UC可能导致频繁的不规则肠道蠕动，进一步挑战水凝胶的结构稳定性。通过改变水凝胶的化学组成或者表面改性，可以设计出在接触到肠道壁时具有粘附性的水凝胶，使药物能贴在肠道壁上，防止药物流出，从而增加药物在肠道的滞留时间。

尽管这种方法目前还处于研究阶段，可能会遇到一些问题，如如何提高药物的加载和释放效率、水凝胶的制备技术等，但无疑，它提供了一个全新的视角和可能的解决方案，为改善溃疡性结肠炎患者的药物治疗提供了新的方向。

中国专利申请号为202310132180.8公开了一种多功能仿生水凝胶及其制备方法和应用，该多功能仿生水凝胶，由纤维蛋白(Fn)、HA-SH-DA(由硫醇、多巴胺(DA)和透明质酸(HA)通过酰胺反应得到的产物)、Ag+和凝血酶(包含碱性成纤维细胞生长因子和丙氨酰谷氨酰胺)组成。本发明的多功能仿生水凝胶中Ag+、HA-SH-DA和纤维蛋白原和凝血酶相互作用，形成双网络交织的水凝胶；本发明提供的多功能仿生水凝胶在溃疡性结肠炎(UC)条件下的酸性肠道环境中逐渐降解并持续释放治疗内容物，使其在制备治疗溃疡性结肠炎的药物方面具有良好的应用前景。但该专利并未提高水凝胶在肠道壁中的粘附性，其是否能延缓药物在肠道的滞留时间，从而减少换药次数，还有待商榷。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于溃疡性结肠炎的水凝胶及其制备方法，该水凝胶具有较好的抗氧化性能和抑菌性能，与肠道壁之间具有良好的黏附性能，缓解肠道炎症，可使药物在病变部位缓慢释放，延长作用时间，从而减少换药次数，为溃疡性结肠炎的保护及修复提供了一种新的方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于溃疡性结肠炎的水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

S1、将壳聚糖加入去离子水中，接着加入乙酸溶液调节pH至2.5-4，搅拌均匀，随后加入1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐/N-羟基丁酰亚胺盐酸盐溶液，搅拌1-2h后加入3,4,5-三羟基苯甲酸溶液，氮气条件下进行搅拌反应，反应完成后透析，冷冻干燥得改性壳聚糖；

S2、将蒙脱土加入乙醇水溶液中，接着加入钛酸四丁酯、醋酸酐，进行水热反应，反应完成后过滤、洗涤、干燥，得到固体产物；将固体产物加入硅烷偶联剂乙醇溶液，进行加热反应，反应完成后得到改性蒙脱土；

S3、将步骤S2中得到的改性蒙脱土加入药物溶液中，接着加入海藻酸钠，室温下搅拌1-2h，调节溶液的pH为4-5，得到海藻酸钠/蒙脱土混合物；

S4、将步骤S1中的改性壳聚糖加入去离子水中，搅拌均匀后，接着加入步骤S3中的海藻酸钠/蒙脱土混合物、丙烯酰胺、N,N-亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸钾，搅拌均匀后加入模具中，进行交联反应，反应完成后放入氯化钙溶液中静置24h，然后洗涤、干燥，即所述用于溃疡性结肠炎的水凝胶。

优选的，步骤S1中所述壳聚糖、去离子水、1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐/N-羟基丁酰亚胺盐酸盐溶液、3,4,5-三羟基苯甲酸溶液的质量比为2-4:100-150:90-110:10-20。

优选的，步骤S1中所述1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐/N-羟基丁酰亚胺盐酸盐溶液中1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐的质量分数为1-3％，N-羟基丁酰亚胺盐酸盐的质量分数为1-3％，所述3,4,5-三羟基苯甲酸溶液的质量分数为15-20％；所述搅拌反应的温度为40-50℃，时间为6-8h。

优选的，步骤S2中所述蒙脱土、钛酸四丁酯、醋酸酐的质量比为20:30-50:10-15，所述硅烷偶联剂乙醇溶液中硅烷偶联剂的质量分数为3-6％，所述硅烷偶联剂为乙烯基三乙氧基硅烷。

优选的，步骤S2中所述水热反应的温度为70-80℃，反应时间为6-10h；所述加热反应的温度为40-50℃，反应时间为2-4h。

优选的，步骤S3中改性蒙脱土、药物溶液、海藻酸钠的质量比为10:100-150:1-2；

优选的，步骤S3中所述药物溶液的浓度为2-4g/L，所述药物溶液中的药物为盐酸阿霉素、异烟肼、利福平中的一种。

优选的，步骤S4中所述改性壳聚糖、去离子水、海藻酸钠/蒙脱土混合物、丙烯酰胺、N,N-亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸钾的质量比为20:150-200:110-160:80-100:0.4-0.8:1-1.5。

优选的，步骤S4中所述交联反应的温度为3-6℃，时间为10-15h；所述氯化钙的质量分数为2-4％，静置的温度为0-5℃。

本发明还保护一种所述制备方法得到的用于溃疡性结肠炎的水凝胶。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明提供的用于溃疡性结肠炎的水凝胶，先将壳聚糖进行改性，使3,4,5-三羟基苯甲酸接入壳聚糖中，增加壳聚糖中酚羟基数量而使其具有很强的粘附性，从而提高其与肠道壁的黏附性，持久粘附于创伤组织，避免脱落引发二次感染，利于创伤修复，随后将改性蒙脱土浸渍在药物溶液中，并加入海藻酸钠，使药物负载在海藻酸钠和改性蒙脱土内，再将改性壳聚糖与海藻酸钠/蒙脱土混合物、丙烯酰胺进行混合，进行交联反应，形成聚丙烯酰胺/壳聚糖/海藻酸钠互穿网络结构，一方面可提高水凝胶的力学性能，保证了肠道蠕动下水凝胶结构的稳定性，另一方面水凝胶也不易在人们体液中降解流失，保证了药物的平缓释放；并且在结肠的环境下，海藻酸钙和聚丙烯酰胺结构的变化，使得药物可以被缓慢释放，从而可以达到长时间的释放药物的功能，延长作用时间。

(2)本发明提供的用于溃疡性结肠炎的水凝胶，将蒙脱土进行二氧化钛包覆改性，一方面可提高水凝胶的抗菌性，另一方面，由于蒙脱土的多层结构，可吸附更多药物分子，从而提高水交凝胶的药物负载量，并且将乙烯基硅烷引入蒙脱土表面，可吸附水凝胶中有机分子和聚合物链，在受到外力时，聚合物链在蒙脱土表面可逆的脱吸附来耗散能量以增强水凝胶的韧性，保证了水凝胶稳定的力学性能。

(3)本发明提供的用于溃疡性结肠炎的水凝胶，具有较好的抗氧化性能和抑菌性能，与肠道壁之间具有良好的黏附性能，缓解肠道炎症，可使药物在病变部位缓慢释放，延长作用时间，从而减少换药次数，为溃疡性结肠炎的保护及修复提供了一种新的方法，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例1与对比例1-3制备的水凝胶在模拟人体结肠环境不同的时间下的药物释放率图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

所述壳聚糖购自睿诚康医药科技(陕西)有限公司，型号CP2020；所述蒙脱土购自上海源叶生物科技有限公司，CAS号为1318-93-0，货号S42017，比表面积为240m

实施例1

一种用于溃疡性结肠炎的水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

S1、将3g壳聚糖加入150g去离子水中，接着加入5wt％乙酸溶液调节pH至3，搅拌均匀，随后加入100g(EDC·HCl)/(NHS·HCl)溶液(EDC·HCl的质量分数为2％，NHS·HCl的质量分数为2％)，搅拌2h后加入15g质量分数为20％的3,4,5-三羟基苯甲酸溶液，氮气条件下进行搅拌反应，反应的温度为45℃，时间为7h，反应完成后在pH为5的盐酸水溶液中透析3天，再用蒸馏水透析4h，冷冻干燥得改性壳聚糖；

S2、将20g蒙脱土加入500mL乙醇水溶液(乙醇、水的体积比为1:1)中，接着加入40g钛酸四丁酯、12g醋酸酐，在75℃下水热反应8h，反应完成后过滤、洗涤、干燥，得到固体产物；将20g固体产物加入300g乙烯基三乙氧基硅烷乙醇溶液(乙烯基三乙氧基硅烷的质量分数为5％)，在45℃下反应3h，反应完成后过滤、洗涤、干燥，得到改性蒙脱土；

S3、将步骤S2中的10g改性蒙脱土加入130g浓度为3g/L的盐酸阿霉素溶液中，接着加入1.5g海藻酸钠，室温下搅拌2h，调节溶液的pH为4.5，得到海藻酸钠/蒙脱土混合物(此步骤在避光条件下进行)；

S4、将步骤S1中的20g改性壳聚糖加入180g去离子水中，搅拌均匀后，接着加入步骤S3中的140g海藻酸钠/蒙脱土混合物、90g丙烯酰胺、0.6g N,N-亚甲基双丙烯酰胺、1.3g过硫酸钾，搅拌均匀后加入模具中，在5℃下交联反应13h，反应完成后放入质量分数为3％的氯化钙溶液中，3℃下静置24h，然后洗涤、真空干燥，即所述用于溃疡性结肠炎的水凝胶(此步骤在避光条件下进行)。

实施例2

一种用于溃疡性结肠炎的水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

S1、将3g壳聚糖加入130g去离子水中，接着加入5wt％乙酸溶液调节pH至3，搅拌均匀，随后加入100g(EDC·HCl)/(NHS·HCl)溶液(EDC·HCl的质量分数为3％，NHS·HCl的质量分数为1％)，搅拌1.5h后加入15g质量分数为15％的3,4,5-三羟基苯甲酸溶液，氮气条件下进行搅拌反应，反应的温度为45℃，时间为7h，反应完成后在pH为5的盐酸水溶液中透析3天，再用蒸馏水透析4h，冷冻干燥得改性壳聚糖；

S2、将20g蒙脱土加入500mL乙醇水溶液(乙醇、水的体积比为1:1)中，接着加入40g钛酸四丁酯、13g醋酸酐，在75℃下水热反应8h，反应完成后过滤、洗涤、干燥，得到固体产物；将20g固体产物加入300g乙烯基三乙氧基硅烷乙醇溶液(乙烯基三乙氧基硅烷的质量分数为4％)，在45℃下反应3h，反应完成后过滤、洗涤、干燥，得到改性蒙脱土；

S3、将步骤S2中得到的10g改性蒙脱土加入120g浓度为3g/L的盐酸阿霉素溶液中，接着加入1.5g海藻酸钠，室温下搅拌1.5h，调节溶液的pH为5，得到海藻酸钠/蒙脱土混合物(此步骤在避光条件下进行)；

S4、将步骤S1中的20g改性壳聚糖加入180g去离子水中，搅拌均匀后，接着加入步骤S3中的130g海藻酸钠/蒙脱土混合物、90g丙烯酰胺、0.6g N,N-亚甲基双丙烯酰胺、1.2g过硫酸钾，搅拌均匀后加入模具中，在4℃下交联反应13h，反应完成后放入质量分数为3％的氯化钙溶液中，2℃下静置24h，然后洗涤、真空干燥，即所述用于溃疡性结肠炎的水凝胶(此步骤在避光条件下进行)。

实施例3

一种用于溃疡性结肠炎的水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

S1、将2g壳聚糖加入100g去离子水中，接着加入5wt％乙酸溶液调节pH至4，搅拌均匀，随后加入90g(EDC·HCl)/(NHS·HCl)溶液(EDC·HCl的质量分数为1％，NHS·HCl的质量分数为3％)，搅拌1h后加入10g质量分数为15％的3,4,5-三羟基苯甲酸溶液，氮气条件下进行搅拌反应，反应的温度为40℃，时间为8h，反应完成后在pH为5的盐酸水溶液中透析3天，再用蒸馏水透析4h，冷冻干燥得改性壳聚糖；

S2、将20g蒙脱土加入500mL乙醇水溶液(乙醇、水的体积比为1:1)中，接着加入30g钛酸四丁酯、10g醋酸酐，在70℃下水热反应10h，反应完成后过滤、洗涤、干燥，得到固体产物；将20g固体产物加入300g乙烯基三乙氧基硅烷乙醇溶液(乙烯基三乙氧基硅烷的质量分数为3％)，在40℃下反应4h，反应完成后过滤、洗涤、干燥，得到改性蒙脱土；

S3、将步骤S2中得到的10g改性蒙脱土加入100g浓度为3g/L的盐酸阿霉素溶液中，接着加入1g海藻酸钠，室温下搅拌1h，调节溶液的pH为5，得到海藻酸钠/蒙脱土混合物(此步骤在避光条件下进行)；

S4、将步骤S1中的20g改性壳聚糖加入150g去离子水中，搅拌均匀后，接着加入步骤S3中的110g海藻酸钠/蒙脱土混合物、80g丙烯酰胺、0.4g N,N-亚甲基双丙烯酰胺、1g过硫酸钾，搅拌均匀后加入模具中，在3℃下交联反应15h，反应完成后放入质量分数为2％的氯化钙溶液中，5℃下静置24h，然后洗涤、真空干燥，即所述用于溃疡性结肠炎的水凝胶(此步骤在避光条件下进行)。

实施例4

一种用于溃疡性结肠炎的水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

S1、将4g壳聚糖加入150g去离子水中，接着加入5wt％乙酸溶液调节pH至2.5，搅拌均匀，随后加入110g(EDC·HCl)/(NHS·HCl)溶液(EDC·HCl的质量分数为2％，NHS·HCl的质量分数为2％)，搅拌2h后加入20g质量分数为20％的3,4,5-三羟基苯甲酸溶液，氮气条件下进行搅拌反应，反应的温度为50℃，时间为6h，反应完成后在pH为5的盐酸水溶液中透析3天，再用蒸馏水透析4h，冷冻干燥得改性壳聚糖；

S2、将20g蒙脱土加入500mL乙醇水溶液(乙醇、水的体积比为1:1)中，接着加入50g钛酸四丁酯、15g醋酸酐，在80℃下水热反应6h，反应完成后过滤、洗涤、干燥，得到固体产物；将20g固体产物加入300g乙烯基三乙氧基硅烷乙醇溶液(乙烯基三乙氧基硅烷的质量分数为6％)，在50℃下反应2h，反应完成后过滤、洗涤、干燥，得到改性蒙脱土；

S3、将步骤S2中得到的10g改性蒙脱土加入150g浓度为3g/L的盐酸阿霉素溶液中，接着加入2g海藻酸钠，室温下搅拌2h，调节溶液的pH为4，得到海藻酸钠/蒙脱土混合物(此步骤在避光条件下进行)；

S4、将步骤S1中的20g改性壳聚糖加入200g去离子水中，搅拌均匀后，接着加入步骤S3中的160g海藻酸钠/蒙脱土混合物、100g丙烯酰胺、0.8g N,N-亚甲基双丙烯酰胺、1.5g过硫酸钾，搅拌均匀后加入模具中，在6℃下交联反应10h，反应完成后放入质量分数为4％的氯化钙溶液中，0℃下静置24h，然后洗涤、真空干燥，即所述用于溃疡性结肠炎的水凝胶(此步骤在避光条件下进行)。

对比例1

一种用于溃疡性结肠炎的水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

S1、将3g壳聚糖加入150g去离子水中，接着加入5wt％乙酸溶液调节pH至3，搅拌均匀，随后加入100g(EDC·HCl)/(NHS·HCl)溶液(EDC·HCl的质量分数为2％，NHS·HCl的质量分数为2％)，搅拌2h后加入15g质量分数为20％的3,4,5-三羟基苯甲酸溶液，氮气条件下进行搅拌反应，反应的温度为45℃，时间为7h，反应完成后在pH为5的盐酸水溶液中透析3天，再用蒸馏水透析4h，冷冻干燥得改性壳聚糖；

S2、将步骤S1中的20g改性壳聚糖加入180g去离子水中，接着加入10g蒙脱土、130g浓度为3g/L的盐酸阿霉素溶液，搅拌均匀后，继续加入90g丙烯酰胺、0.6g N,N-亚甲基双丙烯酰胺、1.3g过硫酸钾，搅拌均匀后加入模具中，在5℃下交联反应13h，反应完成后放入质量分数为3％的氯化钙溶液中，3℃下静置24h，然后洗涤、真空干燥，即所述用于溃疡性结肠炎的水凝胶(此步骤在避光条件下进行)。

对比例2

一种用于溃疡性结肠炎的水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

S1、将20g蒙脱土加入500mL乙醇水溶液(乙醇、水的体积比为1:1)中，接着加入40g钛酸四丁酯、12g醋酸酐，在75℃下水热反应8h，反应完成后过滤、洗涤、干燥，得到固体产物；将20g固体产物加入300g乙烯基三乙氧基硅烷乙醇溶液(乙烯基三乙氧基硅烷的质量分数为5％)，在45℃下反应3h，反应完成后过滤、洗涤、干燥，得到改性蒙脱土；

S3、将步骤S2中的10g改性蒙脱土加入130g浓度为3g/L的盐酸阿霉素溶液中，接着加入1.5g海藻酸钠，室温下搅拌2h，调节溶液的pH为4.5，得到海藻酸钠/蒙脱土混合物(此步骤在避光条件下进行)；

S4、将20g壳聚糖加入180g去离子水中，搅拌均匀后，接着加入步骤S3中的140g海藻酸钠/蒙脱土混合物、90g丙烯酰胺、0.6gN,N-亚甲基双丙烯酰胺、1.3g过硫酸钾，搅拌均匀后加入模具中，在5℃下交联反应13h，反应完成后放入质量分数为3％的氯化钙溶液中，3℃下静置24h，然后洗涤、真空干燥，即所述用于溃疡性结肠炎的水凝胶(此步骤在避光条件下进行)。

对比例3

一种用于溃疡性结肠炎的水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

S1、将3g壳聚糖加入150g去离子水中，接着加入5wt％乙酸溶液调节pH至3，搅拌均匀，随后加入100g(EDC·HCl)/(NHS·HCl)溶液(EDC·HCl的质量分数为2％，NHS·HCl的质量分数为2％)，搅拌2h后加入15g质量分数为20％的3,4,5-三羟基苯甲酸溶液，氮气条件下进行搅拌反应，反应的温度为45℃，时间为7h，反应完成后在pH为5的盐酸水溶液中透析3天，再用蒸馏水透析4h，冷冻干燥得改性壳聚糖；

S2、将20g蒙脱土加入500mL乙醇水溶液(乙醇、水的体积比为1:1)中，接着加入40g钛酸四丁酯、12g醋酸酐，在75℃下水热反应8h，反应完成后过滤、洗涤、干燥，得到固体产物；将20g固体产物加入300g乙烯基三乙氧基硅烷乙醇溶液(乙烯基三乙氧基硅烷的质量分数为5％)，在45℃下反应3h，反应完成后过滤、洗涤、干燥，得到改性蒙脱土；

S3、将步骤S1中的20g改性壳聚糖加入180g去离子水中，接着加入步骤S2中的10g改性蒙脱土、130g浓度为3g/L的盐酸阿霉素溶液，搅拌均匀后，接着加入0.6g N,N-亚甲基双丙烯酰胺、1.3g过硫酸钾，搅拌均匀后加入模具中，在5℃下交联反应13h，反应完成后3℃下静置24h，然后洗涤、真空干燥，即所述用于溃疡性结肠炎的水凝胶(此步骤在避光条件下进行)。

将实施例1-4和对比例1-2制备得到的水凝胶进行性能测试，其中拉伸性能测试如下：将水凝胶的两端夹在拉伸试验机上，保证水凝胶自然垂下，以100mm/min的拉伸速度进行拉伸实验，测试其拉伸强度和断裂伸长率；粘结强度测试如下：取2块洁净猪皮(10mm×15mm)放置水平台面上，中间放置水凝胶(10mm×10mm)进行粘结，粘在猪皮与水凝胶接触区域上放置20g砝码，10min后，采用拉力试验机以10mm/min的速度进行剪切测试，直到两块猪皮被拉开。每组样品测试3次，取平均值。粘结强度的计算公式为：σ＝P/S，式中σ为粘结强度，MPa；P为最大拉伸作用力，N；S为水凝胶粘结的面积，mm

表1

将实施例1和对比例1-3制备的水凝胶在模拟人体结肠环境pH＝7.4的碱性介质时释药量进行测量，每组样品称取50mg水凝胶，同时加入25ml的PBS(pH为7.4)，然后分别于0h、2h、4h、8h、12h、16h、24h、36h、72h取上清液5ml，同时对应加入5ml PBS，一切都在模拟人体温度的摇床中且在避光下进行(37.2℃，100rpm)，然后用紫外分光光度计测其在480nm处(因为盐酸阿霉素的特征峰在480nm处)的吸光度值，取平均值。然后根据标准曲线计算其释放质量，测试结果如图1。

从图1中可以看出，本发明制备的用于溃疡性结肠炎的水凝胶在模拟人体结肠环境pH＝7.4的碱性条件下，对药物的释放速度平缓，持续释放时间为72h，释放率达80％；而对比例1-3制备的水凝胶药物释放速率较快，不利于延长药物的作用时间，使患者换药次数增加。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。