CN102070788B - 一种仿生制备水凝胶的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种仿生制备水凝胶的方法，通过先制备超疏水性表面基板，再将水-高分子溶液精确分散到超疏水性表面基板上，在一定环境下静置得到水凝胶。通过本发明所述的方法制备的水凝胶可以很容易的从超疏水性表面基板上剥离，且所述基板可以再次利用，操作方便的同时有效节约了成本；所述水-高分子溶液中可以添加水溶性药物、细胞、蛋白质或磁性粒子等，从而得到不同功能的水凝胶，实现高效、广范围转载，并可作为智能微容器应用。本发明的方法简单有效、条件温和，在食品行业、化妆品行业以及农业中的控制杀虫剂和肥料的释放等方面具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及特定性能高分子的仿生制备方法，更具体地，是一种仿生制备水凝胶的方法。
背景技术
凝胶是一种能够吸收和保留大量水或生物流体并具备优异生物相容性的三维聚合物网络结构，广泛应用于生物医药、生物技术和生物化学等领域，具体包括组织工程的支撑和再生医学、生物选择器、药物、基因和酶的载体以及细胞与微生物的封装。为满足各种特殊应用的需求，已经提出了各种各样的方法制备特性凝胶，其中，化学交联法包括自由基聚合、高能辐射法、酶促交联和多余官能团的化学交联等；物理交联包括离子键相互作用、结晶和两亲性嵌段共聚物或者接枝共聚物等。大多数情况下，凝胶都是在液体环境下制备的，例如在絮凝浴中或在乳液中进行沉淀交联，在这个过程中当一个硬液体遇到另一种不溶的液体物质时就会转变成凝胶形式。在凝胶球形成的过程中，会丢掉一部分原本存在液相的分子，因此，经常用湿法制备凝胶的方法用来封装蛋白质或者其他小分子永远不可能达到100％的效率。药品通常是通过扩散引入到预先制备好的微粒中，但这个方法的装载率被大大限制了，而且，经常需要利用有机溶剂经过几个步骤才能得到最终的微粒，很难包埋活性细胞和微生物。
大自然教会人们无数种制备和研究新材料的方法，最典型的一个例子就是荷叶对水的极端排斥作用和自清洁功能，在不考虑接触角迟滞的情况下，水滴在荷叶上的接触角大于150℃。到目前为止，人们已经做了大量的工作将荷叶的这种超疏水特性应用于微流体、自组装技术、汽车的自清洁挡风玻璃、不湿纺织品、不沾雪的天线和窗户以及抗菌涂层等，一个有趣的应用是利用超疏水表面制备光学应用的自组装胶体，但目前还没有将超疏水表面用于制备生物材料和生物容器的研究。
发明内容
本发明目的在于提供一种在超疏水表面上仿生制备水凝胶的方法，具有操作简单方便以及成本低的特点。
本发明是通过如下技术手段实现的：针对液滴遇到超疏水性表面时会变成球形，在不需要接触到其他任何液体物质的情况下可以变硬成水凝胶的特点，通过将水-高分子溶液分散在超疏水性表面，提供一种只涉及到液体-空气-界面的仿生制备水凝胶的方法，操作简单方便且成本低。
本发明的仿生制备水凝胶的方法，包括如下步骤：
(1)制备超疏水性表面基板：将超疏水材料溶解在四氢呋喃溶剂中配制成浓度为50～80mg/mL的溶液，然后取所述溶液与乙醇按照体积比为2∶1～2∶1.5混溶得到混合液；将所述混合液铺展在平滑的基板上，再将基板浸入乙醇中50～100秒，取出后在氮气流中干燥，得到超疏水性表面基板；
(2)制备水凝胶：将重均分子量为15～40万的水溶性高分子聚合物溶于水中配制成浓度为8～30mg/mL的水-高分子溶液，用容量为1～30μm的微量进样器将水-高分子溶液精确分散到超疏水性表面基板上，然后将所述基板在室温下的饱和湿度环境中静置12～24小时，即得到水凝胶。
为了增强所述超疏水性表面基板的超疏水性能，本发明中所述的超疏水性表面基板为进一步在氩气环境下采用30～60W功率的等离子体改性15～50秒后，再用1H，1H，2H，2H-全氟癸基三甲氧基硅烷改性得到。
为实现水凝胶的不同用途，本发明中所述水-高分子溶液中进一步包括水溶性药物、细胞、蛋白质或磁性粒子。选择性地，所述水溶性药物选自茶碱或京尼平。
优选地，本发明中所述超疏水材料为聚苯乙烯或聚四氟乙烯。
优选地，本发明中所述水溶性高分子聚合物为聚异丙基丙烯酰胺或壳聚糖。
本发明中所述平滑的基板选自但不限于玻璃板或硅板。
按照本发明的仿生法制备水凝胶，整个过程中只涉及到液体-空气-界面，液滴遇到超疏水表面时变成球形，在不需要接触到其他任何液体物质的情况下变硬成为水凝胶，在固化阶段，液滴基本只接触空气，同时由于与固体界面的接触面积极小，可以忽略不计，为制备球形水凝胶开拓了一个新平台，可以为不同领域如生物技术领域和生物医学领域等制备出具有直接应用价值的球形水凝胶；本发明具有操作简便、成本低、条件温和、环境友好以及高收益的特点，利用本发明制备的水凝胶极易从超疏水性表面基板剥离，轻轻摇晃一下基板即可再次使用，且可通过在水-高分子溶液中添加细胞、蛋白质、可溶性药物、磁性粒子等并实现对其高效负载，所得水凝胶可作为智能微容器应用；利用恰当的设备分散液滴，可以获得窄粒径分布的非团聚颗粒，使得所得产品应用范围更广。本发明在食品行业、化妆品行业以及农业中的控制杀虫剂和肥料的释放等方面具有广泛的应用前景。
具体实施方式
以下描述本发明的优选实施方式，但并非用以限定本发明。
实施例1：
按照如下方法制备水凝胶：
(1)制备超疏水性表面基板：将聚苯乙烯溶解在四氢呋喃溶剂中配制成浓度为60mg/mL的溶液，然后取所述溶液与乙醇按照体积比为2∶1.3混溶得到混合液；将所述混合液铺展在平滑的玻璃基板上，再将玻璃基板浸入乙醇中60秒，取出后在氮气流中干燥，进一步地，在氩气环境下，将所述玻璃基板利用功率为30W的等离子体改性20秒后，再用1H，1H，2H，2H-全氟癸基三甲氧基硅烷改性，得到超疏水性表面基板；
(2)制备水凝胶：将重均分子量为20万的壳聚糖溶于水中配制成浓度为10mg/mL的壳聚糖溶液，同时加入水溶性药物京尼平，其中，京尼平的浓度为2mg/mL，用容量为2μm的微量进样器将壳聚糖溶液精确分散到超疏水性表面基板上，然后将所述基板在室温下的饱和湿度环境中静置12小时，即得到含京尼平的球形水凝胶。
实施例2：
按照如下方法制备水凝胶：
(1)制备超疏水性表面基板：将聚四氟乙烯溶解在丙酮溶剂中配制成浓度为50mg/mL的溶液，然后取所述溶液与乙醇按照体积比为2∶1混溶得到混合液；将所述混合液铺展在平滑的硅板上，再将硅板浸入乙醇中80秒，取出后在氮气流中干燥，进一步地，在氩气环境下，将所述基板利用功率为30W的等离子体改性50秒后，再用1H，1H，2H，2H-全氟癸基三甲氧基硅烷改性，得到超疏水性表面基板；
(2)制备水凝胶：将重均分子量为10万的聚异丙基丙烯酰胺溶于水中配制成浓度为30mg/mL的聚异丙基丙烯酰胺溶液，同时加入氧化铁磁性粒子，其中，氧化铁磁性粒子的浓度为10mg/mL，用容量为2μm的微量进样器将混合溶液精确分散到超疏水性表面基板上，然后将所述基板在室温下的饱和湿度环境中静置12小时，即得到含氧化铁磁性粒子的球形水凝胶。
实践证明，本发明的仿生制备水凝胶的方法具有操作简单、节约成本的特点，且整个过程只涉及到液体-空气-界面，为制备球形水凝胶开拓了一个新平台，且条件温和、环境友好，且所述超疏水性表面基板上的凝胶极易剥离，有利于基板的回收再利用；针对需要添加的物质可实现不同功能，增强了水凝胶的使用范围，对水溶性药物的转载效率达到100％，解决了现有技术中一直存在的转载效率不高的难题，在食品行业、化妆品行业以及农业中的控制杀虫剂和肥料的释放等方面具有广泛的应用前景。
Claims (4)
1.一种仿生制备水凝胶的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)制备超疏水性表面基板：将超疏水材料溶解在四氢呋喃溶剂中配制成浓度为50～80mg/mL的溶液，然后取所述溶液与乙醇按照体积比为2∶1～2∶1.5混溶得到混合液；将所述混合液铺展在平滑的基板上，再将基板浸入乙醇中50～100秒，取出后在氮气流中干燥，得到超疏水性表面基板；
(2)制备水凝胶：将重均分子量为15～40万的水溶性高分子聚合物溶于水中配制成浓度为8～30mg/mL的水-高分子溶液，用容量为1～30μL的微量进样器将水-高分子溶液精确分散到超疏水性表面基板上，然后将所述基板在室温下的饱和湿度环境中静置12～24小时，即得到水凝胶；
其中，所述水溶性高分子聚合物为聚异丙基丙烯酰胺；所述平滑的基板为玻璃板或硅板。
2.根据权利要求1所述的仿生制备水凝胶的方法，其特征在于，所述超疏水性表面基板为进一步在氩气环境下采用30～60W功率的等离子体改性15～50秒后，再用1H，1H，2H，2H-全氟癸基三甲氧基硅烷改性得到。
3.根据权利要求1所述的仿生制备水凝胶的方法，其特征在于，所述水-高分子溶液中进一步包括水溶性药物、细胞、蛋白质或磁性粒子。
4.根据权利要求1～3任一项所述的仿生制备水凝胶的方法，其特征在于，所述超疏水材料为聚苯乙烯或聚四氟乙烯。
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