一种多功能双层水凝胶微针、制备方法及应用

本发明涉及水凝胶微针，尤其是涉及一种多功能双层水凝胶微针、制备方法及应用。

背景技术：

1、水凝胶微针主要由溶胀聚合物交联而成，是一种具有三维网络结构的聚合物微针，兼具良好的生物相容性和机械强度。当水凝胶微针刺入皮肤或皮肤处伤口后，微针针尖可以吸收间质液（isf）或伤口渗出液，然后迅速膨胀到凝胶状态，形成连续的水凝胶通道，从而释放存储在针尖或衬底内的药物。同时，水凝胶微针在液体环境下仍保持良好的机械韧性，使其在使用后可以完整地从皮肤中移除。目前，水凝胶微针凭借其独特设计，能够克服细菌生物膜及伤口物理屏障，递送多种化学药物、纳米材料及生物活性物质，以促进伤口愈合。然而，传统水凝胶微针功能通常较为单一，多针对细菌感染、过度炎症或ros过载等某一病理环节，对于多因素交织的糖尿病伤口往往疗效有限。

2、光疗因其毒性低、可时空控制、且不易引起细菌耐药性等优势，被视为一种具有前景的杀菌策略。光刺激响应性cus纳米颗粒因其固有的金属离子生物功能和光热响应性，被认为是一种可应用于光疗的生物纳米材料。如wang等人开发的一款抗菌水凝胶。通过将cus纳米颗粒引入水凝胶敷料中，赋予其光疗性能，使其能在近红外光（nir）照射下迅速升温并产生活性氧（ros）以消除细菌[wang hz, li d, meng qy, li x, guo kl, zou zh, pengjs, sun y, sun td. pom-based hydrogels for efficient synergisticchemodynamic/low-temperature photothermal antibacterial therapy（基于pom的高效协同化学动力学/低温光热抗菌水凝胶）. macromol rapid commun. 2024, 45(23).doi:10.1002/marc.202400415]。但是cus纳米颗粒在实际生物应用上存在水溶性差、易团聚和活性氧（ros）产量低等缺陷。

3、现有研究表明，一氧化氮（no）是一种具有多种生物功能的内源性分子，在伤口愈合过程中发挥了十分重要的作用，提供了杀菌，破坏细菌生物膜，促进血管生成、细胞迁移和胶原沉积等益处。目前，no的外源性递送主要通过多种供体化合物实现，包括s-硝基谷胱甘肽（gsno）、硝普钠（snp）和s-亚硝基-n-乙酰基-dl-青霉胺（snap）。其中，gsno因其更好的稳定性和生物活性而被广泛接受。光照和适度升温条件下，gsno的s-n键断裂，从而释放no。然而，gsno在高温和强光环境下释放no的速度过快，限制了其应用。

4、为了克服这一挑战，研究人员探索了多种药物递送系统来封装gsno，如纳米颗粒和水凝胶等，以控制no的释放速率。例如，tan等人将gsno封装于不对称藻酸盐（sa）水凝胶中，延缓了no的释放，在促进慢性伤口愈合方面显示出显著的抗菌、抗炎和促血管生成效果[tan jf, wen mn, zhang yf, zhang sy, fang m, xiang jx, liu xs, tian jh, lu l,luo bh, zhou cr, li lh. development of an asymmetric alginate hydrogel loadedwith s-nitrosoglutathione and its application in chronic wound healing（负载s-亚硝基谷胱甘肽的不对称海藻酸盐水凝胶的开发及其在慢性伤口愈合中的应用）. gels.2025, 11(5): 354. doi:10.3390/gels11050354]。然而，该策略亦存在不可忽视的局限性。首先，藻酸盐固有的低机械强度与过度溶胀倾向，在炎性渗出环境中易导致水凝胶骨架塌陷，削弱其物理屏障功能与结构不对称性；其次，gsno固有的光热不稳定性在制备过程中面临降解风险，且残留金属离子可能催化其提前失活。此外，该系统的释放动力学表现为被动缓慢释放，缺乏对伤口微环境（如ph或ros）的智能响应性，前期仍存在突释风险，后期又难以按需供给。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种多功能双层水凝胶微针、制备方法及应用，通过近红外激光照射巧妙地实现了光疗和no气体疗法的协同，同时借助气体的推进作用促进血管生成的药物的释放，加强微针的促血管生成的作用。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种多功能双层水凝胶微针的制备方法，包括以下步骤：

3、制备针尖水凝胶前驱溶液：称取药物、s-硝基谷胱甘肽gsno、光引发剂，溶于去离子水中，随后加入双键修饰的天然材料溶液，均匀混合后得到针尖水凝胶前驱溶液；

4、制备背衬水凝胶前驱溶液：称取背衬溶液，在背衬溶液中加入明胶/cus纳米酶，得到背衬水凝胶前驱溶液；

5、微成型法制备微针：用注射器吸取针尖水凝胶前驱溶液注入微针模具中，置于真空干燥箱内室温下抽真空，随后刮掉多余的针尖水凝胶前驱溶液，冰浴下紫外光固化；然后注入背衬水凝胶前驱溶液，置于烘箱内干燥，最后脱模得到多功能双层微针。

6、优选的，药物、s-硝基谷胱甘肽gsno、光引发剂、去离子水、双键修饰的天然材料溶液的比例为（1-20mg）：（100-500μg）：（2-10mg）：（0.1-1.0ml）：（0.1-1.0ml）；

7、药物包括促进血管生成的药物；

8、明胶/cus纳米酶和背衬溶液的比例为（50-400μg）：（0.1-1.0ml）；

9、制备多功能双层微针时，针尖水凝胶前驱溶液与背衬水凝胶前驱溶液的体积比为（50-500）：（100-800）。

10、优选的，双键修饰的天然材料溶液的浓度为0.5~10%（w/v）。

11、优选的，光引发剂包括irgacure 2959、lap、α-酮戊二酸、钌/过硫酸钠；

12、双键修饰的天然材料溶液包括甲基丙烯酰化的透明质酸hama、甲基丙烯酰化的明胶gelma、甲基丙烯酰化的丝素蛋白sfma、甲基丙烯酰化的壳聚糖csma；

13、背衬溶液包括合成聚合物、多糖类、蛋白类、聚酯类。

14、合成聚合物如聚乙烯醇（pva）、聚乙烯吡咯烷酮（pvp）、聚乙二醇（peg）及其衍生物、聚丙烯酸（paa）、聚（n-异丙基丙烯酰胺）（pnipam）；

15、多糖类如海藻酸钠、透明质酸、壳聚糖、羧甲基纤维素、羟丙基纤维素、硫酸软骨素、普鲁兰多糖；

16、蛋白类如明胶、丝素蛋白；

17、聚酯类如聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚己内酯、聚氨酯。

18、优选的，促进血管生成的药物具体为去铁铵dfo、红景天苷、丹酚酸b、促血管生成肽。

19、优选的，明胶/cus纳米酶的制备方法，包括以下步骤：

20、称取明胶溶于去离子水中，在水浴下磁力搅拌至完全溶解，并用稀盐酸调ph值呈弱酸性；随后向明胶溶液中缓慢滴加cucl2·2h2o水溶液；然后缓慢滴加na2s·9h2o水溶液，40-60℃水浴下搅拌反应，反应结束后将反应液透析、冷冻干燥后冷藏保存；

21、明胶、cucl2·2h2o水溶液、na2s·9h2o水溶液的比例为（50-800mg）：（1-6g）：（2-10g）。

22、优选的，抽真空的时间为5-40min，紫外光固化的时间为1-30min，烘箱内干燥的干燥温度25-45℃和干燥时间为1-3天。

23、优选的，基板层厚度范围为200-700微米，针头高度范围为300-800微米，单针直径范围为100-500微米。

24、一种多功能双层水凝胶微针的制备方法制备得到的多功能双层水凝胶微针通过近红外激光照射对针尖no和药物释放调控。

25、多功能双层水凝胶微针在促进伤口愈合的应用。

26、因此，本发明采用上述的一种多功能双层水凝胶微针、制备方法及应用，技术效果如下：

27、本研究采用明胶来辅助合成cus纳米酶。明胶是一种理想的生物生长模板和稳定剂，可为铜离子提供成核位点，并引导形成尺寸稳定的cus纳米酶。与常规cus纳米颗粒相比，在明胶分子上原位生成的cus纳米酶（明胶/cus纳米酶）具有更好的水分散性、更高的稳定性以及增强的酶催化活性，从而能够产生更多活性氧，并提升光热转化效率，实现更显著的杀菌效果。

28、微针的针尖选用了高生物相容性的双键修饰的天然材料作为基材，并负载了gsno和促进血管生成的药物。这种设计使得no能够在伤口深处持续释放，有效杀灭深层细菌并破坏细菌生物膜。

29、此外，气体的推进作用能够促进药物的释放，来增强no的促血管生成作用；微针的背衬部分则将明胶/cus纳米酶嵌入背衬溶液的基质中，即清除伤口浅表细菌，又通过温和的光热效应提高针尖内no的释放量，实现协同抗菌作用。