一种基于多重交联与静电斥力驱动的复合水凝胶海绵及其制备方法与应用与流程

本发明属于生物医用材料，具体涉及一种基于多重交联与静电斥力驱动的复合水凝胶海绵及其制备方法与应用，特别涉及一种基于多重交联与静电斥力驱动的复合水凝胶海绵及其制备方法以及该海绵在非按压止血和光热物理抗菌创面修复中的应用。

背景技术：

1、在创伤急救、外科手术以及慢性感染创面治疗中，高性能的止血材料与创面敷料具有极其重要的临床需求。传统的海绵类材料（如明胶海绵、普通纤维素海绵）虽然具有一定的吸液能力，但在大量吸收血液或创面渗出液后，往往会发生湿态结构溃散，缺乏足够的机械强度和组织粘附性，难以应对高流速的动脉出血或高渗出的复杂创面。

2、为了提升水凝胶海绵的机械性能并赋予其额外的生物学功能（如光热/磁热抗菌、促凝血等），现有技术通常选择在海绵基质中引入具有无机刚性内核的纳米颗粒（例如四氧化三铁等金属氧化物纳米颗粒）。然而，这种设计存在以下缺陷：其一，无机刚性内核的纳米颗粒（例如四氧化三铁纳米颗粒）在开放性创面及体内降解缓慢，具有潜在的长期毒性风险；其二，更为致命的是，刚性的无机内核被引入水凝胶网络后，会形成“刚性应力集中点”，这不仅削弱了多孔海绵三维骨架的柔韧性，还严重阻碍了孔壁间同种电荷静电斥力的有效释放， 这导致现有的复合海绵在吸收液体后，容易发生不可逆的结构塌陷或脆性断裂，无法实现瞬间的极速吸液和高强度的抗压回弹。

3、因此，如何从底层高分子物理化学机理出发，开发一种兼具极速吸液动力学、卓越湿态抗压回弹性能，且无金属毒性风险的多功能水凝胶海绵，已成为该领域亟待突破的技术瓶颈。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中复合水凝胶海绵引入刚性无机颗粒导致的结构脆性、静电斥力受限以及潜在的材料长期残留毒性等问题，本发明提供了一种基于多重交联与静电斥力驱动的复合水凝胶海绵及其制备方法与应用，通过采用全有机功能性纳米颗粒纯聚多巴胺作为柔性交联节点，该功能性纳米颗粒不仅通过交联剂与纤维骨架形成坚固的共价酰胺键，还提供了丰富的氢键与π-π堆叠，从而提升了复合水凝胶海绵在大量吸血后的湿态抗压强度和结构完整性。

2、本发明的第一个目的是提供一种基于多重交联与静电斥力驱动的复合水凝胶海绵，所述复合水凝胶海绵通过在冰浴条件下，将纳米纤维悬浮液、功能性纳米颗粒分散液与交联剂混合，通过化学交联和物理交联形成复合水凝胶，再经真空冷冻干燥制得；

3、其中，所述柔性纳米纤维、功能性纳米颗粒与偶联剂的质量比为100:(10~80):(1~15)；优选为100:(20~50):(2~8)，且所述功能性纳米颗粒表面的极性活性官能团包括氨基和/或酚羟基。该特定质量比范围能够最大化物理-化学交联密度与静电斥力之间的平衡，实现复合水凝胶海绵最佳的力学性能。在本发明中，柔性纳米纤维、功能性纳米颗粒与偶联剂的质量比控制在100:(10~80):(1~15)是实现极速吸液、大变形湿态回弹以及抗溃散性三者协同的关键所在，具体分析如下：1）功能性纳米颗粒（如聚多巴胺纳米颗粒）比例的影响：聚多巴胺纳米颗粒作为多重交联的柔性节点，若柔性纳米纤维与全有机功能性纳米颗粒质量比低于100:10，体系中的化学交联密度和物理牺牲键（氢键与π-π堆叠）密度过低，无法形成足够强韧的杂化网络，导致多孔海绵在吸收pbs或血液处于湿态时，难以承受外界压力，极易发生网络松散和不可逆的溃散；相反，若柔性纳米纤维与功能性纳米颗粒的质量比高于100:80，由于颗粒表面富含活性极性基团，在混合过程中纳米颗粒极易发生自主团聚，形成微观相分离与物理缺陷。这不仅会严重堵塞冻干时由冰晶升华构筑的三维贯通孔道，大幅延长吸液至平衡的时间（由<15秒拖延至>90秒），还会使孔壁骨架脆性化，在受到循环压缩时直接发生开裂和崩塌。2）偶联剂（edc/nhs）用量的影响：偶联剂负责活化纤维素表面的羧基，与聚多巴胺表面的氨基发生缩合，构筑共价酰胺键；若柔性纳米纤维与偶联剂的质量比低于100:1，酰胺键交联不足，无法维持三维孔壁的基本骨架强度，海绵浸水后在多次压缩下会发生永久性的结构塌陷；若柔性纳米纤维与偶联剂的质量比高于100:15，会导致体系发生过度交联，网格孔径急剧缩小，阻碍孔壁表面未反应活性基团（如-coo⁻）的自由延伸，屏蔽了宏观静电斥力，使得溶胀率降至600%以下，且海绵失去极速吸液和高效回弹的性能。

4、所述柔性纳米纤维悬浮液中柔性纳米纤维的质量浓度为2 wt%~6wt%；所述功能性纳米颗粒分散液中功能性纳米颗粒的质量浓度为0.5wt%~3wt%；优选地，所述柔性纳米纤维悬浮液中柔性纳米纤维的质量浓度为4wt%；所述全有机功能性纳米颗粒分散液中功能性纳米颗粒的质量浓度为1wt%~2wt%。所述柔性纳米纤维悬浮液的质量浓度必须严格控制在2wt%~6wt% 之间。其主要原因在于：1）若柔性纳米纤维悬浮液的质量浓度高于 6wt%，前驱体悬浮液的粘度成指数级剧烈上升，展现出极强的剪切变稀和屈服应力，在冰浴搅拌混合时，粘稠的悬浮液无法与聚多巴胺纳米颗粒分散液和交联剂在分子尺度上达到均一相容，容易引入微小气泡并造成交联网络的不均匀分布，这种不均匀性在宏观上表现为海绵内部的“强弱相交替”，极易在受压时于局部产生应力集中而发生断裂；2）若柔性纳米纤维悬浮液的质量浓度低于2wt%，前驱体溶液中的固含量过低，分子间距离过大，在冻干过程中，冰晶生长推动纳米纤维向孔壁聚集时，无法形成具有足够厚度和支撑力的三维多孔壁，在冰晶升华瞬间，孔壁会在强大的毛细管张力作用下发生大面积自发塌陷，导致最终产物无法成型或成为无定形粉末。

5、优选地，所述交联剂由n-(3-二甲基氨基丙基)-n'-乙基碳二亚胺盐酸盐（edc）和n-羟基丁二酰亚胺（nhs）按质量比按质量比为3:1~8:1，优选为5:1。

6、本发明的第二个目的是提供一种上述基于多重交联与静电斥力驱动的复合水凝胶海绵的制备方法，包括以下步骤：

7、将纳米纤维和功能性纳米颗粒分别分散于水中，形成纳米纤维悬浮液和功能性纳米颗粒分散液；其中，纳米纤维表面接枝有同种电荷的活性基团；功能性纳米颗粒具备近红外光热响应特性且不含无机刚性内核，其表面富含能够同时参与共价化学交联与非共价物理交联的极性活性官能团；

8、在冰浴条件下，将所述纳米纤维悬浮液与功能性纳米颗粒分散液混合，再加入交联剂，功能性纳米颗粒表面的极性活性官能团与纳米纤维表面的活性基团发生共价化学交联反应，同时功能性纳米颗粒与纳米纤维之间通过氢键和/或π-π堆叠形成物理交联，得复合水凝胶；

9、将所述复合水凝胶进行真空冷冻干燥，利用冰晶升华原位构筑贯通的多孔网络，制得所述复合水凝胶海绵；

10、其中，交联反应完成后，复合水凝胶的三维孔壁表面保留有未反应的同种电荷活性基团以维持宏观静电斥力；且所得复合水凝胶海绵具有极速吸液动力学特征，在接触液体后15秒内即可达到溶胀平衡。

11、优选地，所述纳米纤维为羧基化纤维素纳米纤维（cnf-c）；所述功能性纳米颗粒为纯聚多巴胺（pda）纳米颗粒或者具有内核且表面完全包覆有聚多巴胺活性层的核壳结构纳米颗粒。

12、优选地，所述纯聚多巴胺（pda）纳米颗粒的制备方法如下：将多巴胺前驱体分散在tris-hcl缓冲溶液中，在弱碱性及黑暗条件下发生氧化自聚合反应，再经离心、洗涤和干燥，即得纯聚多巴胺（pda）纳米颗粒。

13、优选地，所述真空冷冻干燥的真空度为5pa~20pa，优选为8pa~12pa；真空冷冻干燥的冷冻温度为-50℃~-80℃，优选为 -60 ℃~-70℃；真空冷冻干燥的时间为36h~72h，优选为48h。所述真空冷冻干燥的真空度、冷冻温度及时间是维持原始微观网络不塌陷的核心工艺壁垒。其主要原因在于：1）若空冷冻干燥的温度高于-50℃或真空度低于20pa（即气压高于20pa），水凝胶体系中冻结的冰晶无法完全处于固体升华区，在升华过程中会发生局部的微融化，产生液态水；液态水的表面张力极高，会在冰/水/高分子三相界面处产生强烈的毛细管收缩力，拉扯纳米纤维孔壁发生相互粘连和闭孔化，使得海绵失去贯通的微观孔道，极速吸液和回弹性能完全丧失；2）若空冷冻干燥的干燥时间短于36h，水凝胶内部深处的结合水未完全升华脱除，当海绵移出冷冻干燥机恢复室温时，残留的水分会自发润胀尚未完全定型的骨架，导致多孔海绵在空气中迅速回潮并发生大面积收缩塌陷。

14、优选地，交联反应完成后，所述复合水凝胶海绵的表面zeta电位处于

15、-15mv~-25mv；其平衡溶胀率大于1200%。

16、本发明的第三个目的是提供一种上述复合水凝胶海绵在制备非按压快速止血医疗器械或光热物理抗菌创面敷料中的应用。其中，在非按压快速止血医疗器械中应用原理：所述复合水凝胶海绵利用宏观静电斥力与三维多孔结构在15秒内迅速吸收局部血液，并通过近红外光照射触发所述功能性纳米颗粒的光热转换效应，加速血液浓缩与血凝块稳定，实现高流速出血的非按压止血。在光热物理抗菌创面敷料中应用的原理：所述复合水凝胶海绵在近红外光辅助下产生局部温升，对创面病原菌产生物理杀伤作用，实现无抗生素依赖的感染控制，并促进肉芽组织形成与胶原重塑。

17、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

18、（1）本发明通过在冰浴条件下，将纳米纤维悬浮液、功能性纳米颗粒分散

19、液与偶联剂按柔性纳米纤维、功能性纳米颗粒与偶联剂的质量比为100:(10~80):(1~15)混合，经化学交联和物理交联形成复合水凝胶，再经真空冷冻干燥制得复合水凝胶海绵。首先，冰浴条件下的低温混合确保了纳米纤维与功能性纳米颗粒（功能性纳米颗粒的表面极性活性官能团包括氨基和/或酚羟基）均匀分散并充分反应，避免了刚性内核的引入，从而在真空冷冻干燥后形成孔壁富含游离羧基且无应力集中点的柔性三维网络；在此基础上，功能性纳米颗粒一方面通过edc/nhs与纳米纤维形成坚固的共价酰胺键（化学交联），另一方面提供丰富的氢键和/或π-π堆叠（物理交联），这些“牺牲键”在受力时可逆断裂与重组以耗散能量；而冰浴-冻干工艺则精准保留了该化学-物理双重交联网络的原始孔隙结构与孔壁柔韧性。当海绵受压时，由于无刚性内核阻隔，孔壁同种电荷间的强烈静电斥力得以完整释放，驱动瞬间回弹；同时，稳定的连通孔道结合高负电荷产生强烈的毛细效应，实现15秒内溶胀平衡、溶胀率大于1200%的极速吸液；在大量吸血后的湿态下，物理牺牲键的动态可逆重组又赋予海绵高抗压强度与结构完整性。而且，本发明将柔性纳米纤维、功能性纳米颗粒与偶联剂的质量比控制在100:(10~80):(1~15)范围内，是实现复合水凝胶海绵极速吸液、大变形湿态回弹以及抗溃散性的关键所在。综上，纳米纤维提供骨架基础，功能性纳米颗粒赋予柔性交联与耗能机制，冰浴-真空冷冻干燥工艺保障结构精准成型，三者协同作用，从根本上解决了现有技术中水凝胶海绵柔韧性差、易塌陷、回弹慢及重金属材料带来的长期毒性风险的技术问题。

20、（2） 针对高流速急性出血，本发明所得复合水凝胶海绵利用极速膨胀实现瞬间物理填塞；同时，全有机光热纳米颗粒在近红外光（如808nm）照射下展现出优异的光热转换效率，通过温和的局部光热效应加速血液浓缩、促进血凝块稳固，彻底改变了传统止血需要持续用力按压的窘境。

21、（3）本发明的复合水凝胶海绵未引入金属类无机刚性内核的纳米颗粒，完全消除了金属离子长期残留的毒性风险；且该全有机海绵在近红外光辅助下，对常见创面致病菌（如大肠杆菌、金黄色葡萄球菌）的物理杀灭率可达90%以上，避免了抗生素耐药性问题，有效促进感染创面的早期再上皮化与胶原重塑。