一种抗菌、导电、异型水凝胶呼吸面罩的制备方法和应用与流程

1.本发明涉及高分子材料和医疗器械领域，具体涉及一种抗菌、导电、异型水凝胶呼吸面罩的制备方法和应用。


背景技术：

2.近年来，随着全球污染加剧，空气质量变差，人口老龄化加剧。呼吸系统疾病呈高发态势，发病率逐年上升，并已经成为我国居民死亡的主要原因之一。慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease，简称：copd)目前居全球死亡原因的第4位，据世界银行/世界卫生组织公布，至2020年慢性阻塞性肺疾病将位居世界疾病经济负担的第5位。在中国，哮喘和慢性阻塞性肺病是最常见的慢性呼吸系统疾病。相关数据显示，中国少年儿童的哮喘发病率为4％，诊疗率为86％，而成人哮喘发病率为1.78％，诊疗率仅为39％。慢性阻塞性肺病病人的增多，使呼吸道疾病成为我国人均寿命缩短的主要因素之一，亦是推动呼吸机市场增长的重要因素之一。
3.呼吸机作为一种在血液中氧含量较低的情况下帮助患者呼吸的设备，可以帮助患者恢复正常呼吸。面罩(mask)是呼吸机与患者皮肤直接接触的界面，主要有鼻罩式(nasal mask)、鼻枕式(nasal pillow)、全罩式(full pillow)。其中，鼻罩式面罩只罩住鼻子，鼻罩的部分通常是三角形的。目前，搭配呼吸机使用的呼吸面罩材质有聚氯乙烯(pvc)、热塑性聚氨酯弹性体橡胶(tpu)和硅胶。pvc材质舒适性差，对环境污染严重。tpu虽较pvc更加绿色但不易成型。硅胶材质虽然质地柔软，具有很好的韧性和弹性，可实现面部贴合位置的较好密封，且环保无毒，是目前普遍使用的材质。但长时间佩戴硅胶呼吸面罩会造成面部的局部温度高、面部压迫、血流不畅等问题易造成病人鼻、面部受压皮肤产生机械相关压力损伤(device-related pressure injury，drpi)增加病人不适感。由于呼吸面罩覆盖的患者脸部皮肤脂肪薄弱，骨头突出，若长时间接触，会压迫脸部血管进而形成压疮，造成皮肤红斑或破损，引发感染，加剧患者的不适，降低了患者通气治疗的耐受性和依从性，从而影响原发病的治疗效果。
4.目前改善呼吸面罩对皮肤压伤的方法主要有：(1)改进呼吸面罩结构，使其更加贴合患者脸部构造，但各个患者面部骨骼情况不一，难以满足需求；(2)增加并改良呼吸面罩保护垫，使较为柔软保护垫与皮肤直接接触来减轻面罩对皮肤的损害。
5.2019年，郭月红等(专利申请号：201922392752.8)公布了一种医用无菌面罩专用保护垫，此产品为一种异形硅凝胶复合保护垫，保护垫本体由三层材料复合而成，利用孔状硅凝胶层将面罩装置粘贴在患者口鼻部位周围的皮肤上，pu(polyurethane)防水膜与呼吸面罩的内壁相接触，保护皮肤，避免长时间佩戴呼吸面罩导致皮肤溃破以免造成二次损伤，利用高吸水性泡沫棉层可以吸收皮肤表面的汗液，使皮肤表面保持最佳湿度，提高病人的舒适度。
6.硅凝胶虽材质柔软，但仍具有透氧性差、吸水性差、易老化和致疮等缺点，在呼吸面罩领域应用仍有诸多局限。而水凝胶作为一种透氧性高、柔软、易于皮肤紧密贴合并吸收
皮肤渗出液的材料，已应用于临床来代替传统硅凝胶或纱布材料等，并与传统呼吸面罩结合，直接与皮肤贴合以改善受压处皮肤通气、清洁状况，预防面部压力性损伤。
7.张华(水胶体敷料在预防重症卧床制动患者无创通气面罩所致压疮的临床效果[j].皮肤病与性病，2020，42(2)：296-297)自2016年至2020年将水凝胶敷料运用于临床，对部分患者脸部被面罩压迫部位外用水凝胶敷料，其质地软、表面光滑，可牢固地粘贴于创口边缘皮肤，透气性好，且可完全吸收创面渗液。材料内的亲水性颗粒在吸收渗液后迅速膨胀变形，以半固体状态覆盖创口，提供并维持一种恰当的湿性环境以促进创面愈合；同时此敷料有很好的粘性，与皮肤严密接触形成密闭的环境，可促进巨噬细胞清除坏死组织，加速组织再生愈合；敷料含有内源性的酶，可发挥清创功能。在该研究中，使用水胶体敷料的患者压疮发生率仅为4.00％，而采用传统预防方法的患者压疮发生率高达24.00％，且使用水胶体敷料的患者压疮发生无iii期和iv期，而传统预防方法的患者中有3例iii期，说明对于预防压疮水胶体敷料的效果十分显著。同时，用水胶体敷料的患者面罩不适率及皮肤不适率明显低于常规护理的患者，有效证明水胶体敷料减轻了通气面罩使用上的不良影响，极大地提高了患者的舒适度。
[0008]
汤利(汤利.安普贴水胶对aecopd(急性加重期慢性阻塞性肺疾病，acute exacerbation of chronic obstructive pulmonary disease，缩写aecopd)合并ii型呼吸衰竭患者舒适度及皮肤损伤发生率的影响[j].疾病监测与控制，2019，13(6)：492-496)研究表明：对aecopd合并ii型呼吸衰竭机械通气患者采取安普贴水胶敷料保护面部两侧及鼻根部，能提升其面部舒适度。原因可能在于：此方法可依据aecopd合并ii型呼吸衰竭机械通气患者鼻部、面部特点，裁剪出大小合适的安普贴水胶敷料，再贴于面部两侧及鼻根部等受压部位，不但使面罩或鼻罩与皮肤之间形成一层保护垫，且可提升患者面部舒适度。
[0009]
基于上述分析可知，现有的硅胶呼吸面罩虽材质柔软，但透氧性差、吸水性差、易老化和致疮，而将具有高力学性能、良好的透水透气性、高保湿性、优异的生物活性和生物相容性等性能的水凝胶材质用于呼吸面罩，又多以敷料形式作为呼吸面罩垫片，而鲜有将水凝胶材料直接替换传统的硅胶等材料用于制备呼吸面罩。事实上，将水凝胶用于呼吸面罩不仅可以有效预防面部压疮，并且相较于结合水凝胶敷料的呼吸面罩，异形水凝胶呼吸面罩基于3d打印模具采用一体成型技术，工艺简单，性价比高，可实现绿色生产。特别是本发明的水凝胶呼吸面罩同时具备抗菌与导电性，可实时监控患者的呼吸情况，动态监控和治疗慢阻肺、呼吸功能不全、睡眠呼吸暂停综合症等疾病，为广大呼吸疾病患者提供高品质产品。


技术实现要素：

[0010]
本发明的目的在于提供一种抗菌、导电、异型水凝胶呼吸面罩的制备方法和应用，本发明操作简单、反应快速、性能优异，可批量生产，制备的水凝胶呼吸面罩利用水凝胶的高透明性、高韧性、抗菌性和导电特性，可作为新型软物质凝胶呼吸面罩替代传统鼻罩式硅胶面罩，应用于医疗器械和呼吸领域，还呼吸病患者一个畅通呼吸。
[0011]
为实现上述目的，本发明提供了一种抗菌、导电、异型水凝胶呼吸面罩的制备方法和应用，包括如下步骤：
[0012]
(1)凝胶预聚液配制：将单体、交联剂、导电离子和助剂依次加入去离子水中，水浴
加热至20-100℃并搅拌30-120min，待形成均一混合溶液后，取出并置于0.01-1mpa真空箱中脱泡0.5-2h，随后将混合溶液于20-100℃水浴加热并
[0013]
(2)模具组装：将采用3d打印的呼吸面罩塑料模具的上模具、下模具、上瓣内嵌芯和下瓣内嵌芯四块模具依照组装上下顺序组合起来，将模具组合的边界缝隙封实，仅留有模具上表面的三个注胶口和下表面的一个注胶口；
[0014]
(3)注胶：将步骤(1)中的凝胶预聚液用注射器(50ml)吸取后，缓慢从步骤(2)中的模具下表面注胶口注入，待填充至3/5-4/5的空间后，缓慢向模具内注射凝胶预聚液，直至模具上表面的三个注胶孔溢出；
[0015]
(4)水凝胶呼吸面罩成型：将步骤(3)中溢出的凝胶预聚液擦拭后立即将注射器移除并用防水胶带将模具下表面的注胶口封实，随后轻微敲击并超声振荡模具15-30min，确保模具内无残留气泡后，用塑料保鲜膜将模具完全裹住，并置于30-60℃的鼓风烘箱中，反应30-120min后，将模具取出室温下放置30-90min；
[0016]
(5)水凝胶呼吸面罩的切割与包装：冷水冲洗模具20min，开模，取出水凝胶呼吸面罩用手术剪刀将水凝胶呼吸面罩残边和注胶孔处凝胶进行修剪，或利用冲压设备快速切割，即得到抗菌、导电、异型水凝胶呼吸面罩，消毒和灭菌处理后置于真空密封袋中保存。
[0017]
所述步骤(1)中，各个组分的质量百分比为：单体：25％-55％，导电离子：0％-1％，交联剂：0％-1％，助剂：2％-4％，引发剂：0％-1％，催化剂：0％-1％，去离子水：37％-73％；其中，单体为丙烯酰胺、丙烯酸、丙烯酸钠、聚乙烯醇、羧甲基壳聚糖、海藻酸钠、蚕丝蛋白、聚氨基酸、水溶性纤维素、琼脂糖、明胶、卡拉胶中的任意两种或其混合物，抑或其衍生物；导电离子为钾盐、钠盐、锂盐、锌盐中的任意一种；交联剂为n，n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺、二甲基丙烯酸乙二醇酯、无机纳米黏土硅酸镁锂、β-甘油磷酸钠和京尼平中的一种；助剂为液体万用复方抗菌剂、抗氧剂、保湿剂以及水溶性色素中的任意一种或其混合物；引发剂为过硫酸铵或过硫酸钾中的任意一种；催化剂为n，n，n’，n
’‑
四甲基乙二胺或亚硫酸钠中的任意一种。
[0018]
所述步骤(2)中的呼吸面罩塑料模具为3d打印口鼻呼吸面罩模具，该模具材料为丙烯酸改性醇酸树脂，采用3d打印技术以及反向工程技术对呼吸面罩进行复刻建模、模型处理和3d打印光固化成型。
[0019]
所述步骤(3)中注射器为无菌医用注射器，在将凝胶预聚液吸入注射器时应缓慢匀速进行避免产生气泡。
[0020]
所述步骤(4)中为避免面罩有气泡残留，一方面轻敲排出凝胶预聚液中的气泡，一方面超声振荡排出气泡，成型后过夜放置进一步排出气泡。
[0021]
所述步骤(4)中为增加水凝胶呼吸面罩强度，可将取出的模具进一步浸泡于离子溶液中，具体为氯化钙、乳酸钙、氯化铁、硫酸铜、氯化亚铁以及易溶于水的金属离子化合物中的任意一种。
[0022]
所述步骤(5)中的消毒方式为机械湿热消毒、酸性氧化电位水消毒、75％乙醇消毒中的任意一种，其中，对于湿热消毒后直接使用的器械，处理温度通常不低于90℃，时间则是要求不少于2.5min。
[0023]
所述步骤(5)中的灭菌处理方式为压力蒸汽灭菌、干热灭菌和低温灭菌中的任意一种。
[0024]
所述的水凝胶呼吸面罩加入碳纳米管、石墨、碳纤维、等离子体材料增加了水凝胶呼吸面罩的导电传感功能、抗菌性和多彩功能。
[0025]
所述的水凝胶呼吸面罩的力学强度可由单体和交联剂的摩尔比来调节，反应速度可由单体浓度、引发剂和催化剂用量、反应温度和时间来控制。
[0026]
一种抗菌、导电、异型水凝胶呼吸面罩的应用，其特征在于：在呼吸和医疗器械领域的应用，配合呼吸机使用可辅助和改善呼吸功能，增加肺通气量，治疗慢阻肺、呼吸功能不全、睡眠呼吸暂停综合症疾病。
[0027]
相比于市场上已经存在的硅胶面罩，本发明有如下优势：
[0028]
1.操作简单、反应速度可调、反应条件温和、无污染、成本低，可进行批量生产。
[0029]
2.本发明的水凝胶呼吸面罩具有强抗变形能力、透明度极高、弹性良好、韧性高，没有灼烧感和压迫感。
[0030]
3.本发明的水凝胶呼吸面罩具有通用性，通过设计模具可以形成不同类型的凝胶产品，可以代替部分硅胶类产品。
[0031]
4.相比于传统的硅胶面罩，本发明的水凝胶面罩直接一步形成3d异型结构，且具有良好的生物相容性和生物可降解性，可广泛应用于鼻腔堵塞、口鼻干燥以及口腔漏气的患者，治疗慢阻肺、呼吸功能不全、睡眠呼吸暂停综合症等疾病。
[0032]
5.水凝胶呼吸面罩引入导电离子，可实现实时检测使用者呼吸情况并同步传输数据等功能。
附图说明
[0033]
图1水凝胶呼吸面罩外观图；
[0034]
图2水凝胶呼吸面罩模具外观图。
具体实施方式
[0035]
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域技术人员应该了解本发明不受下述实施例的限制，下述实施例仅为本发明的较佳实施例而已，不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
[0036]
实施例1
[0037]
(1)凝胶预聚液配制：将34g丙烯酰胺，1.5g海藻酸钠，0.03g氯化钾，2ml甘油，500μl复方抗菌剂和0.01g n，n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺依次加入50ml去离子水中，加热60℃搅拌30min，直至形成均一透明的溶液；取出并置于0.1mpa真空箱中脱泡1h，在室温中将100μl过硫酸铵溶液(40wt％)和20μl n，n，n’，n
’‑
四甲基乙二胺(2wt％)加入混合液体中搅拌5min后得到凝胶预聚液；
[0038]
(2)模具组装：将采用3d打印的呼吸面罩塑料模具的上模具、下模具、上瓣内嵌芯和下瓣内嵌芯四块模具依照组装上下顺序组合起来，将模具组合的边界缝隙封实，仅留有模具上表面的三个注胶口和下表面的一个注胶口；
[0039]
(3)注胶：将步骤(1)中的凝胶预聚液用注射器(50ml)吸取后，缓慢从步骤(2)中的
模具下表面注胶口注入，待填充至3/5的空间后，缓慢向模具内注射凝胶预聚液，直至模具上表面的三个注胶孔溢出；
[0040]
(4)呼吸面罩成型：将步骤(3)中溢出的凝胶预聚液擦拭后立即将注射器移除并用防水胶带将模具下表面的注胶口封实，随后轻微敲击并超声震荡模具30min，确保模具内无残留气泡后，用塑料保鲜膜将模具完全裹住，并置于60℃的鼓风烘箱中，反应90min后，将模具取出室温下放置90min，并将磨具浸泡在110g/ml的无水氯化钙溶液中60min；
[0041]
(5)呼吸面罩的切割与包装：冷去离子水冲洗模具20min，开模，取出水凝胶呼吸面罩用手术剪刀将水凝胶呼吸面罩残边和注胶孔处凝胶进行修剪，即得到抗菌、导电、异型水凝胶呼吸面罩，90℃蒸汽湿热消毒并压力蒸汽灭菌处理后置于真空密封袋中保存。
[0042]
实施例2
[0043]
(1)凝胶预聚液配制：将35g丙烯酰胺，3g聚乙烯醇，1g蚕丝蛋白，0.05g氯化钠，0.01g碳纳米管和0.02g无机纳米黏土硅酸镁锂依次加入50ml去离子水中，加热60℃搅拌30min，直至形成均一溶液；取出并置于0.1mpa真空箱中脱泡1h，在室温中将100μl过硫酸钾溶液(40wt％)和20μl n，n，n’，n
’‑
四甲基乙二胺(2wt％)加入混合液体中搅拌5min后得到凝胶预聚液a；
[0044]
(2)模具组装：将采用3d打印的呼吸面罩塑料模具的上模具、下模具、上瓣内嵌芯和下瓣内嵌芯四块模具依照组装上下顺序组合起来，将模具组合的边界缝隙封实，仅留有模具上表面的三个注胶口和下表面的一个注胶口；
[0045]
(3)注胶：将步骤(1)中的凝胶预聚液用注射器(50ml)吸取后，缓慢从步骤(2)中的模具下表面注胶口注入，待填充至3/5的空间后，缓慢向模具内注射凝胶预聚液，直至模具上表面的三个注胶孔溢出；
[0046]
(4)呼吸面罩成型：将步骤(3)中溢出的凝胶预聚液擦拭后立即将注射器移除并用防水胶带将模具下表面的注胶口封实，随后轻微敲击并超声震荡模具30min，确保模具内无残留气泡后，用塑料保鲜膜将模具完全裹住，并置于60℃的鼓风烘箱中，反应90min后，将模具取出室温下放置90min；
[0047]
(5)呼吸面罩的切割与包装：冷去离子水冲洗模具20min，开模，取出水凝胶呼吸面罩利用冲压设备快速切割，即得到抗菌、导电、异型水凝胶呼吸面罩，90℃蒸汽湿热消毒并压力蒸汽灭菌处理后置于真空密封袋中保存。
[0048]
实施例3
[0049]
(1)凝胶预聚液配制：将30g丙烯酰胺，0.5g琼脂糖，0.3g羟乙基纤维素，0.01g n，n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺和0.02g京尼平依次加入50ml去离子水中，加热98℃搅拌120min，直至形成均一溶液；取出并置于0.1mpa真空箱中脱泡30min，在室温中将100μl过硫酸钾溶液(40wt％)和400μl n，n，n’，n
’‑
四甲基乙二胺(2wt％)加入混合液体中搅拌5min后得到凝胶预聚液a；
[0050]
(2)模具组装：将采用3d打印的呼吸面罩塑料模具的上模具、下模具、上瓣内嵌芯和下瓣内嵌芯四块模具依照组装上下顺序组合起来，将模具组合的边界缝隙封实，仅留有模具上表面的三个注胶口和下表面的一个注胶口；
[0051]
(3)注胶：将步骤(1)中的凝胶预聚液用注射器(50ml)吸取后，缓慢从步骤(2)中的模具下表面注胶口注入，待填充至3/5的空间后，缓慢向模具内注射凝胶预聚液，直至模具
上表面的三个注胶孔溢出；
[0052]
(4)呼吸面罩成型：将步骤(3)中溢出的凝胶预聚液擦拭后立即将注射器移除并用防水胶带将模具下表面的注胶口封实，随后轻微敲击并超声震荡模具30min，确保模具内无残留气泡后，用塑料保鲜膜将模具完全裹住，并置于45℃的鼓风烘箱中，反应30min后，将模具取出室温下放置90min；
[0053]
(5)呼吸面罩的切割与包装：冷去离子水冲洗模具20min，开模，取出水凝胶呼吸面罩利用冲压设备快速切割，即得到抗菌、导电、异型水凝胶呼吸面罩，90℃蒸汽湿热消毒并压力蒸汽灭菌处理后置于真空密封袋中保存。
[0054]
实施例4
[0055]
(1)凝胶预聚液配制：将25g丙烯酰胺，1g羟甲基壳聚糖，0.3g卡拉胶，0.3氯化锌，0.02g氧化石墨烯和0.03g n，n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺依次加入50ml去离子水中，加热60℃搅拌60min，直至形成均一溶液；取出并置于0.1mpa真空箱中脱泡40min，在室温中将100μl过硫酸铵溶液(40wt％)和400μl亚硫酸钠(2wt％)加入混合液体中搅拌5min后得到凝胶预聚液a；
[0056]
(2)模具组装：将采用3d打印的呼吸面罩塑料模具的上模具、下模具、上瓣内嵌芯和下瓣内嵌芯四块模具依照组装上下顺序组合起来，将模具组合的边界缝隙封实，仅留有模具上表面的三个注胶口和下表面的一个注胶口；
[0057]
(3)注胶：将步骤(1)中的凝胶预聚液用注射器(50ml)吸取后，缓慢从步骤(2)中的模具下表面注胶口注入，待填充至3/5的空间后，缓慢向模具内注射凝胶预聚液，直至模具上表面的三个注胶孔溢出；
[0058]
(4)呼吸面罩成型：将步骤(3)中溢出的凝胶预聚液擦拭后立即将注射器移除并用防水胶带将模具下表面的注胶口封实，随后轻微敲击并超声震荡模具30min，确保模具内无残留气泡后，用塑料保鲜膜将模具完全裹住，并置于60℃的鼓风烘箱中，反应60min后，将模具取出室温下放置90min；
[0059]
(5)呼吸面罩的切割与包装：冷去离子水冲洗模具20min，开模，取出水凝胶呼吸面罩利用冲压设备快速切割，即得到抗菌、导电、异型水凝胶呼吸面罩，90℃蒸汽湿热消毒并压力蒸汽灭菌处理后置于真空密封袋中保存。