CN101608029A - 聚多糖纳米粒复合超分子水凝胶及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种生物医学材料技术领域的生物质聚多糖纳米粒复合超分子水凝胶及制备方法，其组分及质量百分比分别为：0.01％～5％生物质聚多糖纳米粒、5％～20％α－环糊精，余量为水。本发明制得的聚多糖纳米粒复合超分子水凝胶具有剪切变稀的性质，能作为注射植入材料，可望用于组织工程、药物传递等方面；聚多糖纳米粒能够在一定程度上调控水凝胶的力学性能，拓展了物理水凝胶的应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种纳米技术领域的材料及制备方法，具体涉及一种具有生物相容性的聚多糖纳米粒复合超分子水凝胶及制备方法。
背景技术
环糊精(CD)是主客体化学中一类重要的主体分子，α-CD包合泊洛沙姆(聚氧化乙烯-聚氧化丙烯-聚氧化乙烯)形成刚性棒状的聚准多轮烷结构，聚准多轮烷的自聚集能够作为物理交联点诱导注射型超分子水凝胶的形成，并且环糊精与嵌段聚合物客体分子间的立体选择性以及聚准轮烷分子动态可逆特征赋予了水凝胶凝胶-溶胶可逆转变性质。这类超分子水凝胶是环糊精包合聚合物形成的最具有应用价值的材料之一，基于其良好的生物相容性可用于药物传递和组织工程。聚多糖纳米粒(如纤维素晶须、甲壳素晶须、淀粉纳米晶)除了具有纳米材料所特有的性质，如粒径小、高表面活性、高比表面积等纳米尺度效应，而且其本征刚性结构显示出高的特征强度和模量，可以有助于提高水凝胶的力学性能。同时，聚多糖纳米粒具有生物降解性和生物相容性，能避免无机纳米粉体所引发的关于纳米安全性和对人体健康影响的争议，可望减少无机纳米粒子服役后造成的堆积，此外，聚多糖纳米粒因表面富含活性羟基、氨基以及部分乙酰氨基，能较容易地经过化学改性或物理改性制备出具有更好的生物相容性及功能化的复合医用材料用于药物的缓控释。
经过对现有技术的检索发现，目前已合成了一种复合单壁碳纳米管超分子水凝胶。通过杂化单壁碳纳米管于可以加快水凝胶的形成，但同时单壁碳纳米管的引入会使得水凝胶最终强度下降(Wang，Z.；Chen，Y.Supramolecular HydrogelsHybridized with Single-Walled Carbon Nanotubes.Macromolecules 2007，40，3402-3407)。但上述技术合成水凝胶的过程较为复杂，且合成后所得到水凝胶的粘度和储能模量较低。众所周知，水凝胶的高强度能在一定程度上予以调控是其作为植入组织工程材料和药物控制释放载体的关键，因此急需在增强这类基于环糊精包合作用的超分子水凝胶方面探索出合适的方法。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种聚多糖纳米粒复合超分子水凝胶及制备方法，制备获得的水凝胶相比现有技术其粘度达到3到4倍的提升，同时该水凝胶的储能模量也分别的提升8.7倍以上，整套制备方法安全简单，易于实施。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及聚多糖纳米粒复合超分子水凝胶，其组分及质量百分比分别为：0.01％～5％聚多糖纳米粒、5％～20％α-环糊精，余量为水。
所述的聚多糖纳米粒是指：纤维素晶须、甲壳素晶须、淀粉纳米晶中的一种。
所述的纤维素晶须是指纤维素的单晶纤维。
所述的甲壳素晶须是指甲壳素的单晶纤维。
所述的淀粉纳米晶是指：淀粉经酸水解制得的片状淀粉纳米晶。
本发明涉及聚多糖纳米粒复合超分子水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
第一步、向聚多糖纳米粒中依次加入聚氧化乙烯-聚氧化丙烯-聚氧化乙烯(泊洛沙姆)和去离子水并搅拌均匀，制得聚多糖悬浮溶液；
所述的聚多糖悬浮溶液中泊洛沙姆的质量百分比浓度为10～200mg/mL。
所述的泊洛沙姆的分子量为3400～14600，其中聚氧化乙烯的含量为25～82.5％。
所述的聚多糖纳米粒是指：2～1000mg的纤维素晶须、甲壳素晶须、淀粉纳米晶中的一种。
第二步、将聚多糖悬浮溶液与α-环糊精水溶液混合后进行超声处理，最后静置得到聚多糖纳米粒复合超分子水凝胶。
所述的α-环糊精水溶液是指：质量百分比浓度为80～180mg/mL的α-环糊精的水溶液。
所述的聚多糖纳米粒复合超分子水凝胶中聚多糖纳米粒的质量百分比浓度为0.01％～5％。
所述的超声处理是指：在超声输出功率为60～100w，输出频率为20～40kHz的环境下超声分散3～30min。
本发明制得的聚多糖纳米粒复合超分子水凝胶具有剪切变稀的性质，适合应用于注射植入材料、组织工程以及药物传递领域，通过加载聚多糖纳米粒能够进一步提高其粘度和储能模量，调控水凝胶的力学性能，拓展了物理水凝胶的应用范围。同时本发明制备方法步骤简单易于操作。
附图说明
图1为实施例1透射电镜照片。
图2为实施例1中水凝胶形成过程示意图。
图3为实施例2和实施例3中纤维素晶须复合水凝胶稳态流变行为示意图；
其中：a为纤维素晶须质量浓度0.1wt％复合超分子水凝胶，b为纤维素晶须质量浓度0.5wt％复合超分子水凝胶。
图4为实施例2和实施例3中纤维素晶须复合水凝胶动态流变行为示意图；
其中：a为纤维素晶须质量浓度0.1wt％复合超分子水凝胶，b为纤维素晶须质量浓度0.5wt％复合超分子水凝胶。
图5为实施例4透射电镜照片。
图6为实施例4中水凝胶形成过程示意图。
图7为实施例5和实施例6中淀粉纳米晶复合水凝胶稳态流变行为示意图；
其中：a为淀粉纳米晶质量浓度0.1wt％复合超分子水凝胶，b为淀粉纳米晶质量浓度0.5wt％复合超分子水凝胶。
图8为实施例5和实施例6中淀粉纳米晶复合水凝胶稳态流变行为示意图；
其中：a为淀粉纳米晶质量浓度0.1wt％复合超分子水凝胶，b为淀粉纳米晶质量浓度0.5wt％复合超分子水凝胶。
图9为实施例7中透射电镜照片。
图10为实施例8和实施例9中甲壳素晶须复合水凝胶稳态流变行为示意图；
其中：a为甲壳素晶须质量浓度0.1wt％复合超分子水凝胶，b为甲壳素晶须质量浓度0.5wt％复合超分子水凝胶。
图11为实施例8和实施例9中甲壳素晶须复合水凝胶稳态流变行为示意图；
其中：a为甲壳素晶须质量浓度0.1wt％复合超分子水凝胶，b为甲壳素晶须质量浓度0.5wt％复合超分子水凝胶。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1制备纤维素晶须纳米粒复合超分子水凝胶
制备纤维素晶须：首先准确称取20.0g棉短绒(CLP)，置于三颈瓶中，然后再加入配制好的30％(V/V)的H2SO4溶液175mL，使体系分散均匀。
将温度升至60℃稳定，搅拌速度以使棉短绒自然分散为宜，如此搅拌降解反应6h，降解完全后将三颈瓶内白色产物倒入离心管内，再加蒸馏水调节各离心管质量，待平衡后放入离心机，以8000rpm速率离心15min以除去多余H2SO4。反复离心除酸至PH≈7。将整个产物倒入透析袋中先于去离子水中透析1天，后置于蒸馏水中透析2-3天。将透析后的物质经高速分散器中速(10000r/min)分散三次。悬浮液通过冷冻干燥成粉待用。
第一步、向纤维素晶须4mg中依次加入分子量为14600，聚氧化乙烯的含量为82.5％的泊洛沙姆200mg和去离子水10mL并搅拌均匀，制得质量浓度为0.04wt％的纤维素晶须悬浮溶液
第二步、取α-环糊精1.8g，加水10mL，形成α-环糊精水溶液；
第三步、将纤维素晶须的悬浮溶液与α-环糊精水溶液混合，此时纤维素晶须在混合水溶液中的质量浓度为0.02wt％，超声3min，静置70min后得纤维素晶须复合超分子水凝胶。
如图1所示，为本实施例制备得到的纤维素晶须的生物质纳米粒的透射电镜照片。
如图2所示，分别为：a超声3min后混合溶液的状态，b静置25min时混合溶液的状态，c出静置70min后制得的纤维素晶须复合超分子水凝胶。
纤维素晶须纳米粒复合超分子水凝胶具有传统水凝胶剪切变稀的性质，复合纤维素晶须纳米粒可以加快水凝胶的形成速度，并且在一定程度提高水凝胶的强度，可用于药物传递和组织工程等领域。
实施例2：
用加纤维素晶须20mg替代实施例1中加纤维素晶须4mg，此时形成质量浓度为0.2wt％的纤维素晶须悬浮溶液，此时纤维素晶须在混合水溶液中的质量浓度为0.1wt％。其余步骤与实施例1相同。
实施例3：
用加纤维素晶须100mg替代实施例1中加纤维素晶须4mg，此时形成质量浓度为1wt％的纤维素晶须悬浮溶液，此时纤维素晶须在混合水溶液中的质量浓度为0.5wt％。其余步骤与实施例1相同。
如图3所示，为纤维素晶须质量浓度分别为0.1，0.5wt％复合水凝胶的稳态流变行为；
如图4所示，为纤维素晶须质量浓度分别为0.1，0.5wt％复合水凝胶的动态流变行为。
实施例4制备淀粉纳米晶复合超分子水凝胶
制备淀粉纳米晶：将4.69g的豌豆淀粉分散于100mL的3.16M H2SO4中，然后于40℃、100rpm条件下反应5天。然后所得的悬浮液通过反复的水洗、离心至中性，即得淀粉纳米晶悬浮液，最后将淀粉纳米晶悬浮液通过冷冻干燥成粉制成淀粉纳米晶待用。
第一步、向淀粉纳米晶4mg中依次加入分子量为14600，聚氧化乙烯的含量为82.5％的泊洛沙姆200mg和去离子水10mL并搅拌均匀，制成质量浓度为0.04wt％的淀粉纳米晶悬浮溶液；
第二步、取α-环糊精1.8g，加水10mL，形成α-环糊精水溶液；
第三步、将淀粉纳米晶的悬浮溶液与α-环糊精水溶液混合，此时淀粉纳米晶在混合水溶液中的质量浓度为0.02wt％，超声3min，静置90min后得纤维素晶须复合超分子水凝胶。
如图5所示，为制备得到的淀粉纳米晶的生物质纳米粒的透射电镜照片；
如图6所示，分别为图6A超声3min后混合溶液的状态，图6B静置25min时混合溶液的状态，图6C静置90min后制得的淀粉纳米晶复合超分子水凝胶。
淀粉纳米晶纳米粒复合超分子水凝胶具有传统水凝胶剪切变稀的性质，复合淀粉纳米晶纳米粒可以加快水凝胶的形成速度，并且在一定程度提高水凝胶的强度，可用于药物传递和组织工程等领域。
实施例5：
用加淀粉纳米晶20mg替代实施例4中加淀粉纳米晶4mg，此时形成质量浓度为0.2wt％的淀粉纳米晶悬浮溶液，此时淀粉纳米晶在混合水溶液中的质量浓度为0.1wt％。其余步骤与实施例4相同。
实施例6：
用加淀粉纳米晶100mg替代实施例4中加淀粉纳米晶4mg，此时形成质量浓度为1wt％的淀粉纳米晶悬浮溶液，此时淀粉纳米晶在混合水溶液中的质量浓度为0.5wt％。其余步骤与实施例4相同。
如图7所示，为淀粉纳米晶质量浓度分别为0.1，0.5wt％复合水凝胶稳态流变行为。
如图8所示，为淀粉纳米晶质量浓度分别为0.1，0.5wt％复合水凝胶动态流变行为。
实施例7制备甲壳素晶须纳米粒复合超分子水凝胶
制备甲壳素晶须：甲壳素在沸腾的5wt％KOH溶液中搅拌6小时除去蛋白质；得到的悬浮液在室温下搅拌一夜，过滤，用蒸馏水洗涤数次；用含0.3M的乙酸钠缓冲液的17g/L的NAClO2水溶液在80℃下漂白6小时。悬浮液在5wt％KOH溶液中保持48小时除去残留的蛋白质。之后在3600转/分的离心机中离心15分钟，甲壳素晶须的制备，3N/30mL HCl对应1g甲壳素在沸腾状态下酸解，搅拌90分钟。将所得的混浊液用蒸馏水稀释，再次离心3600转/分15分钟(3次)。之后将混浊液在流水中透析2小时再在蒸馏水中透析过夜，直到PH值达到4。悬浮液通过冷冻干燥成粉待用。
第一步、向甲壳素晶须4mg中依次加入分子量为14600，聚氧化乙烯的含量为82.5％的泊洛沙姆200mg和去离子水10mL并搅拌均匀，形成质量浓度为0.04wt％的甲壳素晶须悬浮溶液；
第二步、取α-环糊精1.8g，加水10mL，形成α-环糊精水溶液；
第三步、将甲壳素晶须的悬浮溶液与α-环糊精水溶液混合，此时甲壳素晶须在混合水溶液中的质量浓度为0.02wt％，超声3min，静置90min后得甲壳素晶须复合超分子水凝胶。
如图9所示，为制备的甲壳素晶须的聚多糖纳米粒的透射电镜照片；
如图10所示，为甲壳素晶须质量浓度分别为0.1，0.5wt％复合水凝胶稳态流变行为。
如图11所示，为甲壳素晶须质量浓度分别为0.1，0.5wt％复合水凝胶动态流变行为。
甲壳素晶须纳米粒复合超分子水凝胶具有传统水凝胶剪切变稀的性质，复合甲壳素晶须纳米粒可以加快水凝胶的形成速度，并且在一定程度提高水凝胶的强度，可用于药物传递和组织工程等领域。
实施例8：
用加甲壳素晶须20mg替代实施例7中加甲壳素晶须4mg，此时形成质量浓度为0.2wt％的甲壳素晶须悬浮溶液，此时甲壳素晶须在混合水溶液中的质量浓度为0.1wt％。其余步骤与实施例7相同。
实施例9：
用加甲壳素晶须100mg替代实施例7中加甲壳素晶须4mg，此时形成质量浓度为1wt％的甲壳素晶须悬浮溶液，此时甲壳素晶须在混合水溶液中的质量浓度为0.5wt％。其余步骤与实施例7相同。
实施例10：
用超声10min，替代实施例1中的超声3min，其余步骤与实施例1相同。
实施例11：
用取分子量为14600，聚氧化乙烯的含量为82.5％的泊洛沙姆150mg和取α-环糊精1.35g替代实施例1中的分子量为14600，聚氧化乙烯的含量为82.5％的泊洛沙姆200mg和取α-环糊精1.8g，其余步骤与实施例1相同。
实施例12：
用取分子量为14600，聚氧化乙烯的含量为82.5％的泊洛沙姆150mg和取α-环糊精1.35g替代实施例2中的分子量为14600，聚氧化乙烯的含量为82.5％的泊洛沙姆200mg和取α-环糊精1.8g，其余步骤与实施例2相同。
实施例13：
用取分子量为14600，聚氧化乙烯的含量为82.5％的泊洛沙姆150mg和取α-环糊精1.35g替代实施例3中的分子量为14600，聚氧化乙烯的含量为82.5％的泊洛沙姆200mg和取α-环糊精1.8g，其余步骤与实施例3相同。
降低α-环糊精用量制备的复合超分子水凝胶同样具有传统水凝胶剪切变稀的性质，但减缓了复合纤维素晶须纳米粒水凝胶的形成速度，同时在一定程度减低了水凝胶的强度，可用于药物传递和组织工程等领域。
实施例14：
用取分子量为3400，聚氧化乙烯的含量为25％的泊洛沙姆替代实施例1中的分子量为14600，聚氧化乙烯的含量为82.5％的泊洛沙姆其余步骤与实施例1相同。
实施例15：
用取分子量为8400，聚氧化乙烯的含量为80％的泊洛沙姆替代实施例1中的分子量为14600，聚氧化乙烯的含量为82.5％的泊洛沙姆其余步骤与实施例1相同。
取用分子量较小以及聚氧化乙烯含量较少的泊洛沙姆制备的复合超分子水凝胶同样具有传统水凝胶剪切变稀的性质，但复合纤维素晶须纳米粒水凝胶的形成速率明显减缓，同时水凝胶的强度在一定程度下降，可用于药物传递和组织工程等领域。
Claims (9)
1、一种聚多糖纳米粒复合超分子水凝胶，其特征在于，该水凝胶的组分及质量百分比分别为：0.01％～5％聚多糖纳米粒、5％～20％α-环糊精，余量为水。
2、根据权利要求1所述的聚多糖纳米粒复合超分子水凝胶，其特征是，所述的聚多糖纳米粒是指：纤维素晶须、甲壳素晶须、淀粉纳米晶中的一种。
3、根据权利要求1所述的聚多糖纳米粒复合超分子水凝胶，其特征是，所述的淀粉纳米晶是指：淀粉经酸水解制得的片状淀粉纳米晶。
4、一种根据权利要求1所述的聚多糖纳米粒复合超分子水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步、向聚多糖纳米粒中依次加入聚氧化乙烯-聚氧化丙烯-聚氧化乙烯，即泊洛沙姆，和去离子水并搅拌均匀，制得聚多糖悬浮溶液；
第二步、将聚多糖悬浮溶液与α-环糊精水溶液混合后进行超声处理，最后静置得到聚多糖纳米粒复合超分子水凝胶。
5、根据权利要求4所述的聚多糖纳米粒复合超分子水凝胶的制备方法，其特征是，所述的聚多糖悬浮溶液中泊洛沙姆的质量百分比浓度为10～200mg/mL。
6、根据权利要求4或5所述的聚多糖纳米粒复合超分子水凝胶的制备方法，其特征是，所述的泊洛沙姆的分子量为3400～14600，其中聚氧化乙烯的含量为25～82.5％。
7、根据权利要求4所述的聚多糖纳米粒复合超分子水凝胶的制备方法，其特征是，所述的α-环糊精水溶液是指：质量百分比浓度为80～180mg/mL的α-环糊精的水溶液。
8、根据权利要求4所述的聚多糖纳米粒复合超分子水凝胶的制备方法，其特征是，所述的聚多糖纳米粒复合超分子水凝胶中聚多糖纳米粒的质量百分比浓度为0.01％～5％。
9、根据权利要求4所述的聚多糖纳米粒复合超分子水凝胶的制备方法，其特征是，所述的超声处理是指：在超声输出功率为60～100w，输出频率为20～40kHz的环境下超声分散3～30min。
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