一种基于物理导电水凝胶的骨折急性肿胀诊断及消肿药物同步释放系统

1.本发明涉及水凝胶制备技术，具体涉及一种基于物理导电水凝胶的骨折急性肿胀诊断及消肿药物同步释放系统。


背景技术：

2.骨折是一种非常常见的外伤，是指骨的完整性和连续性中断。通常骨折出现时会导致骨断端周围的软组织和肌肉发生损伤，导致血管破裂进而出现内出血的症状，同时周围组织的血液循环也会受阻，导致血液滞留于骨折部位，因此骨折会伴随疼痛、急性肿胀、淤青等症状。
3.如果肿胀不能及时消除，将会影响肢体的血液循环以及营养物质的供给，并且如果肿胀的程度严重将会导致组织内的压力接近动脉血压，从而影响血供，有造成肢体残疾的巨大风险。
4.一般骨折患者肢体发生肿胀的高峰期在骨折后的48-72小时内。但是很多肿胀现象由于没有实时的监测设备，导致患者没有得到最为及时的治疗，对于后期手术造成延误，严重时会出现肌筋膜综合症，存在着截肢的风险，对患者造成巨大的生理负担。
5.因此，本发明设计了一种基于物理导电水凝胶的骨折急性肿胀诊断及消肿药物同步释放系统，实现对于骨折后急性肿胀的自动监测及自动给药，有效地实现了对该症状的诊疗一体化。


技术实现要素：

6.本发明的目的是针对临床骨折以后病人肢体发生急性肿胀的问题，提供一种基于物理导电水凝胶的骨折急性肿胀诊断及消肿药物同步释放系统。
7.本发明采用以下技术方案实现：
8.该具有骨折急性肿胀诊断及消肿药物同步释放功能的物理导电水凝胶材料使用简单的物理共混法制得，具体制备步骤包括如下：
9.1)首先取一定的氧化石墨烯，搅拌、超声分散均匀，再加入植酸，在剧烈搅拌、涡旋和超声三重分散工艺下进行分散，然后加入苯胺单体，也需在剧烈搅拌、涡旋和超声三重工艺下进行分散，最后滴加引发剂溶液，剧烈磁力搅拌条件下实现具有高分散性的氧化石墨烯/聚苯胺纳米填料的制备，洗涤、低温烘干；再将上述制备的样品浸泡于含有n-异丙基丙烯酰胺和n,n'-亚甲基双丙烯酰胺(mbaa)的溶液中，实现吸附平衡，然后于60℃条件下加入引发剂，聚合4-8小时，获得氧化石墨烯/聚苯胺-植酸/聚(n-异丙基丙烯酰胺)纳米填料，洗涤、离心、低温烘干；最后将上述纳米填料浸泡于消肿药物溶液中，吸附平衡以后，高速离心，低温烘干，待用。
10.2)在氧化石墨烯水溶液中加入一定量的多巴胺，在剧烈搅拌条件下进行多巴胺自聚合反应，通过氧化石墨烯片层之间的微纳结构介导多巴胺的自聚合反应，反应4-8小时后
使用离心收集氧化石墨烯/多巴胺纳米填料；
11.3)将海藻酸钠、聚丙烯酸溶解于水和丙三醇的两相混合溶剂体系中，再依次加入氧化石墨烯/多巴胺纳米填料、氧化石墨烯/聚苯胺-植酸/ 聚(n-异丙基丙烯酰胺)纳米填料、羟基磷灰石，混合均匀后低速脱泡，然后浇筑于模具中，陈化3-7天。
12.上述技术方案中，进一步的，步骤1)中所述的氧化石墨烯的浓度为0.01-0.05wt％；植酸的浓度为0.12-0.25wt％；苯胺的浓度为 0.005-0.015wt％；引发剂可以是过硫酸钠、过硫酸钾、过硫酸铵的一种或几种，浓度为0.25-0.60wt％；聚合时间为4-8小时；
13.上述技术方案中，进一步的，步骤1)中所述的剧烈搅拌、涡旋和超声三重分散工艺，剧烈搅拌指搅拌速率大于1000转/min，搅拌时间10-20min；涡旋时间10-20min；超声功率大于100w，超声时间20-40min。通过上述三重分散工艺，可以实现表面带有含氧官能团的氧化石墨烯在酸性溶液中的良好分散，否则极易发生氧化石墨烯的团聚；
14.上述技术方案中，进一步的，步骤1)中所述的氧化石墨烯/聚苯胺纳米填料浓度为0.01-0.05wt％，n-异丙基丙烯酰胺的浓度为1-4 wt％，mbaa的浓度为0.0025-0.01wt％；引发剂可以是过硫酸钠、过硫酸钾、过硫酸铵的一种或几种，浓度为0.05-0.10wt％；
15.上述技术方案中，进一步的，步骤1)中所述的消肿药物包括甘露醇、地塞米松、地奥斯明中的一种或几种，浓度为10-100mg/ml；
16.上述技术方案中，进一步的，步骤2)中所述的氧化石墨烯的浓度为0.01-0.1wt％，多巴胺的浓度为0.1-1wt％；剧烈搅拌转速大于 1000转/min；
17.上述技术方案中，进一步的，步骤3)中所述的海藻酸钠的浓度为0.5-2wt％，分子量为500000-1500000；聚丙烯酸浓度为1-3wt％，分子量为500000-2000000；氧化石墨烯/多巴胺纳米填料、氧化石墨烯/聚苯胺-植酸/聚(n-异丙基丙烯酰胺)纳米填料、羟基磷灰石的浓度为1：1：1，均在0.1-1wt％之间。
18.上述技术方案中的基于物理导电水凝胶的骨折急性肿胀诊断及消肿药物同步释放系统，其工作原理如下所示：当上述水凝胶依靠自黏附作用贴附在有可能发生急性肿胀的骨折部位(无开放性伤口)，一旦发生肿胀，水凝胶的长度会发生实时的变化。一方面，水凝胶内部的消肿药物会自动释放；另一方面，水凝胶的长度变化会导致电阻同步改变，通过在水凝胶两端外接无菌导线、电阻仪和电信号转换装置，可以将凝胶的拉伸长度转变成电阻仪的信号，进一步基于前期测得的导电水凝胶长度-电阻的标准曲线，电信号转换装置将电阻值转换成水凝胶的长度变化，最后绘制骨折部位的肿胀监测曲线，实现对骨折引起的急性肿胀的实时监测，并且结合响应的凝胶伸长率-肿胀分级标准，可实现对患者急性肿胀的自动分级。
19.相对于现有技术，本发明具有以下优点：
20.1)本发明涉及的系统包括导电水凝胶元件、电阻仪及电信号转换装置。其中的水凝胶元件同时具有高倍拉伸、抗挥发性、导电性能、力敏性、药物控制释放性能、自黏附性能和生物相容性，且各项性能之间可实现协同增效。自黏附性使得水凝胶在使用时无需外界胶带进行固定；力敏性使得水凝胶可以监测骨折引起的急性肢体肿胀的程度和发展趋势，通过外接电阻仪和电信号转换装置，可以将肿胀引起的水凝胶的形变，转换成电阻仪的信号，并进一步通过电信号转换装置转换成实时的肿胀监测曲线；水凝胶随着肢体肿胀发生形变时，表面积随之增大，同时引发内部的氧化石墨烯/聚苯胺-植酸/聚(n-异丙基丙烯酰
胺)纳米填料也发生形变释放消肿药物，并且如果肿胀程度过于严重，还可凭借氧化石墨烯/聚苯胺的光热效应，通过外界nir照射，聚(n-异丙基丙烯酰胺)发生收缩进一步促进药物释放，达到消肿目的；而由于该水凝胶制备过程为物理过程，不使用引发剂、交联剂等具有一定生物毒性的原料，所以具有高生物相容性，而且也省去了透析步骤，高效地在凝胶基体内保留了消肿药物。
21.2)该水凝胶使用物理共混法即可制备，凝胶制备过程中(即本发明步骤3)中)不使用交联剂、引发剂等原料，所以也无需透析工艺除杂，因此凝胶基体内的消肿药物得以完整地保留；
22.3)该水凝胶具有三重纳米复合和双网络结构，其中三种纳米填料在增强的基础上，还有分别具有特定的功能：氧化石墨烯/多巴胺纳米填料提供自黏附性，氧化石墨烯/聚苯胺-植酸/聚(n-异丙基丙烯酰胺) 纳米填料提供导电性能和药物刺激响应性，羟基磷灰石作为钙离子库，配合陈化工艺缓慢释放钙离子交联凝胶基体，为水凝胶构建双网络；
23.4)设计了一种新型功能型纳米填料：使用氧化石墨烯作为核，先后通过两步原位自由基聚合法，制得一种新型氧化石墨烯/聚苯胺-植酸 /聚(n-异丙基丙烯酰胺)纳米填料。其中氧化石墨烯作为核可以提升聚苯胺的分散性能；聚(n-异丙基丙烯酰胺)的引入在氧化石墨烯/聚苯胺-植酸纳米填料表面形成凝胶外层结构，并且聚(n-异丙基丙烯酰胺)具有温敏性能，在外接nir作用下，可以通过氧化石墨烯/ 聚苯胺-植酸纳米填料的光热效应，实现消肿药物的释放；
24.5)该水凝胶的药物刺激释放具有双重响应作用：应变引起氧化石墨烯/聚苯胺-植酸/聚(n-异丙基丙烯酰胺)纳米填料中聚(n-异丙基丙烯酰胺)网络的形变，促进药物的释放；并且可以人为结合水凝胶监测的肢体肿胀数据，通过氧化石墨烯和聚苯胺的光热效应，引入nir 实现药物的紧急释放；
25.6)该多功能复合导电水凝胶材料有望应用于骨折引起的急性肢体肿胀症状的监测(诊断)以及同步的药物刺激释放(治疗)。
具体实施方式：
26.下面结合具体实例进一步说明本发明。
27.本发明系统中的导电水凝胶元件为一种具有三重纳米复合结构和双网络结构的物理水凝胶，制备过程如下：
①
通过两步原位自由基聚合法先后在氧化石墨烯表面聚合聚苯胺和聚(n-异丙基丙烯酰胺)，制备氧化石墨烯/聚苯胺-植酸/聚(n-异丙基丙烯酰胺)纳米填料；将上述填料分离、洗涤烘干以后，浸渍于含有消肿药物的溶液中，溶胀平衡以后离心分离，低温烘干待用；
②
通过多巴胺在氧化石墨烯片层之间的有限纳米空间中的自聚合反应制得氧化石墨烯/多巴胺纳米填料，离心分离；
③
将聚丙烯酸、海藻酸钠溶解于水和丙三醇两相溶剂体系中，然后依次加入氧化石墨烯/多巴胺纳米填料、吸附消肿药物的氧化石墨烯/聚苯胺-植酸/聚(n-异丙基丙烯酰胺)纳米填料和羟基磷灰石，搅拌均匀以后低速离心脱泡，最后浇筑于模具中，陈化3-7天以后得到所需导电水凝胶材料。该水凝胶同时具有高倍拉伸、抗挥发性、导电性能、力敏性、药物控制释放性能、自黏附性能和生物相容性。并且上述多种功能之间具有协同作用：自黏附性使得水凝胶在使用时无需外界胶带进行固定；力敏性使得水凝胶可以监测骨折引起的急性肢体肿胀的程度和发展趋势，通过外接电
阻仪和电信号转换装置，可以将肿胀引起的水凝胶的形变，转换成电阻仪的信号，并进一步通过电信号转换装置转换成实时的肿胀监测曲线；水凝胶随着肢体肿胀发生形变时，表面积随之增大，同时引发内部的氧化石墨烯/聚苯胺-植酸/聚(n-异丙基丙烯酰胺)纳米填料也发生形变释放消肿药物，并且如果肿胀程度过于严重，还可凭借氧化石墨烯/聚苯胺的光热效应，通过外界nir照射，聚(n-异丙基丙烯酰胺)发生收缩进一步促进药物释放，达到消肿目的；而由于该水凝胶制备过程为物理过程，不使用引发剂、交联剂等具有一定生物毒性的原料，所以具有高生物相容性，而且也省去了透析步骤，高效地在凝胶基体内保留了消肿药物。实例1：
28.1)首先0.01wt％氧化石墨烯，搅拌、超声分散均匀，再加入0.12wt％植酸，1000转/min剧烈搅拌10min、涡旋10min和100w超声10min 三重分散工艺下进行分散，然后加入0.005wt％苯胺单体，也需在与上述同样参数的剧烈搅拌、涡旋和超声三重工艺下进行分散，最后滴加0.25wt％过硫酸钠引发剂溶液，剧烈磁力搅拌条件下实现具有高分散性的氧化石墨烯/聚苯胺纳米填料的制备，洗涤、低温烘干；再将上述制备的纳米填料样品稀释成0.01wt％浓度，浸泡于含有1wt％n
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异丙基丙烯酰胺和0.0025wt％mbaa的溶液中，实现吸附平衡，然后于60℃条件下加入0.05wt％过硫酸钠引发剂，500转/min搅拌聚合4小时，获得氧化石墨烯/聚苯胺-植酸/聚(n-异丙基丙烯酰胺)纳米填料，洗涤、离心、低温烘干；最后将上述纳米填料浸泡于10mg/ml 地塞米松溶液中，吸附平衡以后，离心、低温烘干，待用。
29.2)在0.01wt％氧化石墨烯水溶液中加入多巴胺(0.1wt％)，1000转/min 剧烈搅拌条件下进行多巴胺自聚合反应，通过氧化石墨烯片层之间的微纳结构介导多巴胺的自聚合反应，反应4小时后使用离心收集氧化石墨烯/多巴胺纳米填料；
30.3)将0.5wt％500000分子量的海藻酸钠、1wt％500000分子量的聚丙烯酸溶解于水和丙三醇的两相混合溶剂体系(水与丙三醇的体积比 3：7)中，再依次加入0.1wt％氧化石墨烯/多巴胺纳米填料、0.1wt％氧化石墨烯/聚苯胺-植酸/聚(n-异丙基丙烯酰胺)纳米填料、0.1wt％羟基磷灰石，混合均匀后低速脱泡，然后浇筑于模具中，陈化3天。
31.本例制得水凝胶的断裂伸长率254％，拉伸强度489kpa，电导率 3.66s/m，黏附强度14.6kpa。
32.实例2：
33.1)首先0.01wt％氧化石墨烯，搅拌、超声分散均匀，再加入0.12wt％植酸，1000转/min剧烈搅拌10min、涡旋10min和100w超声10min 三重分散工艺下进行分散，然后加入0.005wt％苯胺单体，也需在与上述同样参数的剧烈搅拌、涡旋和超声三重工艺下进行分散，最后滴加0.25wt％过硫酸钠引发剂溶液，剧烈磁力搅拌条件下实现具有高分散性的氧化石墨烯/聚苯胺纳米填料的制备，洗涤、低温烘干；再将上述制备的纳米填料样品稀释成0.01wt％浓度，浸泡于含有1wt％n
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异丙基丙烯酰胺和0.0025wt％mbaa的溶液中，实现吸附平衡，然后于60℃条件下加入0.05wt％过硫酸钠引发剂，500转/min搅拌聚合4小时，获得氧化石墨烯/聚苯胺-植酸/聚(n-异丙基丙烯酰胺)纳米填料，洗涤、离心、低温烘干；最后将上述纳米填料浸泡于10mg/ml 地塞米松溶液中，吸附平衡以后，离心、低温烘干，待用。
34.2)在0.01wt％氧化石墨烯水溶液中加入多巴胺(0.1wt％)，1000转/min 剧烈搅拌条件下进行多巴胺自聚合反应，通过氧化石墨烯片层之间的微纳结构介导多巴胺的自聚合反应，反应4小时后使用离心收集氧化石墨烯/多巴胺纳米填料；
35.3)将0.5wt％500000分子量的海藻酸钠、1wt％500000分子量的聚丙烯酸溶解于水和丙三醇的两相混合溶剂体系(水与丙三醇的体积比 3：7)中，再依次加入0.2wt％氧化石墨烯/多巴胺纳米填料、0.2wt％氧化石墨烯/聚苯胺-植酸/聚(n-异丙基丙烯酰胺)纳米填料、0.2wt％羟基磷灰石，混合均匀后低速脱泡，然后浇筑于模具中，陈化3天。
36.相比于实例1，步骤1)中的氧化石墨烯/多巴胺纳米填料、氧化石墨烯/聚苯胺-植酸/聚(n-异丙基丙烯酰胺)纳米填料、羟基磷灰石浓度增加，水凝胶的断裂伸长率231％，拉伸强度504kpa，电导率 3.92s/m，黏附强度15.4kpa。
37.实例3：
38.1)首先0.01wt％氧化石墨烯，搅拌、超声分散均匀，再加入0.12wt％植酸，1000转/min剧烈搅拌10min、涡旋10min和100w超声10min 三重分散工艺下进行分散，然后加入0.005wt％苯胺单体，也需在与上述同样参数的剧烈搅拌、涡旋和超声三重工艺下进行分散，最后滴加0.25wt％过硫酸钠引发剂溶液，剧烈磁力搅拌条件下实现具有高分散性的氧化石墨烯/聚苯胺纳米填料的制备，洗涤、低温烘干；再将上述制备的纳米填料样品稀释成0.01wt％浓度，浸泡于含有1wt％n
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异丙基丙烯酰胺和0.0025wt％mbaa的溶液中，实现吸附平衡，然后于60℃条件下加入0.05wt％过硫酸钠引发剂，500转/min搅拌聚合4小时，获得氧化石墨烯/聚苯胺-植酸/聚(n-异丙基丙烯酰胺)纳米填料，洗涤、离心、低温烘干；最后将上述纳米填料浸泡于10mg/ml 地塞米松溶液中，吸附平衡以后，离心、低温烘干，待用。
39.2)在0.01wt％氧化石墨烯水溶液中加入多巴胺(1wt％)，1000转/min 剧烈搅拌条件下进行多巴胺自聚合反应，通过氧化石墨烯片层之间的微纳结构介导多巴胺的自聚合反应，反应4小时后使用离心收集氧化石墨烯/多巴胺纳米填料；
40.3)将0.5wt％500000分子量的海藻酸钠、1wt％500000分子量的聚丙烯酸溶解于水和丙三醇的两相混合溶剂体系(水与丙三醇的体积比 3：7)中，再依次加入0.1wt％氧化石墨烯/多巴胺纳米填料、0.1wt％氧化石墨烯/聚苯胺-植酸/聚(n-异丙基丙烯酰胺)纳米填料、0.1wt％羟基磷灰石，混合均匀后低速脱泡，然后浇筑于模具中，陈化3天。
41.相比于实例1，步骤2)中多巴胺用量增加，水凝胶的断裂伸长率251％，拉伸强度472kpa，电导率3.70s/m，黏附强度18.9kpa。
42.使用球形半透膜膨胀实验模拟人体骨折后肢体急性肿胀的情况 (将水凝胶贴附于半透膜的下侧外表面，半透膜内侧装有半透膜体积 1/3的pbs溶液以收集释放的地塞米松；缓慢向半透膜内注射气体，以模拟肿胀的场景)，8小时内该水凝胶被拉伸14.6％，其表面积变大，同时凝胶内部的氧化石墨烯/聚苯胺-植酸/聚(n-异丙基丙烯酰胺)纳米填料也因拉伸发生变形，内部的地塞米松有25.2％被释放至皮肤肿胀处(地塞米松释放的量通过uv-vis对半透膜内部的pbs溶液进行检测得到，下同)；进一步使用nir照射至水凝胶温度达到48℃，内部氧化石墨烯/聚苯胺-植酸/聚(n-异丙基丙烯酰胺)纳米填料由于聚 (n-异丙基丙烯酰胺)的温敏效应发生收缩，促进地塞米松的释放， nir作用后一小时内另有36.4％的药物发生释放，可促进对急性肿胀的治疗。
43.实例4：
44.1)首先0.01wt％氧化石墨烯，搅拌、超声分散均匀，再加入0.12wt％植酸，1000转/min剧烈搅拌10min、涡旋10min和100w超声10min 三重分散工艺下进行分散，然后加入0.005wt％苯胺单体，也需在与上述同样参数的剧烈搅拌、涡旋和超声三重工艺下进行分
散，最后滴加0.25wt％过硫酸钠引发剂溶液，剧烈磁力搅拌条件下实现具有高分散性的氧化石墨烯/聚苯胺纳米填料的制备，洗涤、低温烘干；再将上述制备的纳米填料样品稀释成0.01wt％浓度，浸泡于含有4wt％n
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异丙基丙烯酰胺和0.01wt％mbaa的溶液中，实现吸附平衡，然后于60℃条件下加入0.10wt％过硫酸钠引发剂，500转/min搅拌聚合8 小时，获得氧化石墨烯/聚苯胺-植酸/聚(n-异丙基丙烯酰胺)纳米填料，洗涤、离心、低温烘干；最后将上述纳米填料浸泡于10mg/ml 地塞米松溶液中，吸附平衡以后，离心、低温烘干，待用。
45.2)在0.01wt％氧化石墨烯水溶液中加入多巴胺(0.1wt％)，1000转/min 剧烈搅拌条件下进行多巴胺自聚合反应，通过氧化石墨烯片层之间的微纳结构介导多巴胺的自聚合反应，反应4小时后使用离心收集氧化石墨烯/多巴胺纳米填料；
46.3)将0.5wt％500000分子量的海藻酸钠、1wt％500000分子量的聚丙烯酸溶解于水和丙三醇的两相混合溶剂体系(水与丙三醇的体积比 3：7)中，再依次加入0.1wt％氧化石墨烯/多巴胺纳米填料、0.1wt％氧化石墨烯/聚苯胺-植酸/聚(n-异丙基丙烯酰胺)纳米填料、0.1wt％羟基磷灰石，混合均匀后低速脱泡，然后浇筑于模具中，陈化3天。
47.相比于实例1，步骤1)中n-异丙基丙烯酰胺和mbaa的浓度增加，水凝胶的断裂伸长率238％，拉伸强度506kpa，电导率3.57s/m，黏附强度13.7kpa。
48.将上述导电水凝胶贴附于患者无外伤的右胫骨骨折部位表面，12 小时内，患者出现肢体肿胀情况，水凝胶被拉伸，水凝胶的电阻增大至原来的173％，使用信号转换模块转换以后得到凝胶伸长率为 26.3％，对照相对应的肿胀标准分级，其为2度肿胀；同时水凝胶被拉伸以后，内部的消肿药物开始加速释放，起到消肿的效果。