CN102432895B - 一种温敏型纤维素季铵盐/β-甘油磷酸钠水凝胶的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种温敏型纤维素季铵盐/β-甘油磷酸钠水凝胶的制备方法，属于生物技术与组织工程领域。在0-20℃下将10wt％～60wt％甘油磷酸钠溶液滴加到1.5wt％～5.5wt％纤维素季铵盐溶液中制得纤维素季铵盐/β-甘油磷酸钠混合溶液，在体温下快速固化形成水凝胶。本发明的纤维素季铵盐/β-甘油磷酸钠溶液可以在室温下保持液态，因此能够很方便将细胞、蛋白质、酶和治疗性药物加入到该溶液中，可以作为细胞的支架材料或药物的载体。纤维素衍生物具有很好的生物相容性，因此这种新材料非常适合应用于生物技术与组织工程领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种温敏型纤维素季铵盐/β-甘油磷酸钠水凝胶的制备方法，属于材料和组织工程领域。
技术背景
近年，由于温敏型水凝胶在载药、细胞培养以及组织工程等方面具有许多突出的优点，因此受到越来越多研究者们的关注。这种溶液在处理前是可流动的液体，当注射到目标位置后，在生理环境中会快速固化形成水凝胶。温敏型水凝胶应用于生物医药方面具有很多的优点：1）由于注射前溶液流动性很好，因此能够很方便将药物、生长因子以及细胞等加入到溶液中；2）可以通过一个很小的创口将溶液注射到病变部位；3）溶液在病变部位快速固化形成水凝胶，既可以作为药物缓释的载体，也可以作为细胞培养的支架材料。（Yu L.,Ding J.,Chem.Soc.Rev.,2008,37,1473-1481.）
β-甘油磷酸钠在人骨髓基质细胞培养液中表现出良好的成骨性增强作用，它被用来诱导生理环境中壳聚糖溶液的溶胶-凝胶的转变。Chenite等于2000年首次报道了壳聚糖/β-甘油磷酸钠混合溶液具有热致凝胶效应并将其应用于药物的运载（Chenite A.,Chaput C.,Biomaterials,2000,21,2155-2161.）。Wang等利用β-甘油磷酸钠诱导胶原蛋白以及其与壳聚糖的混合溶液在生理环境中凝胶化，并将其应用于骨组织工程（Wang L.,Stegemann J.P.,Biomaterials,2010,31,3976-3985.）。
纤维素季铵盐是一类非常重要的阳离子聚电解质，具有良好的亲水性、成膜性、生物可降解性和抗菌性，已广泛应用于造纸、纺织、食品、化妆品和医药等领域。（Rodríguez R.,Alvarez-Lorenzo C.,Concheiro A.,Biomacromolecules,2001,2,886-893.Fayazpour F.,Lucas B.,Alvarez-Lorenzo C.,Sanders N.N.,Demeester J.,De Smedt S.C.,Biomacromolecules,2006,7,2856-2862.）。目前还没有关于纤维素季铵盐/β-甘油磷酸钠水凝胶的制备方法的报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种温敏型纤维素季铵盐/β-甘油磷酸钠水凝胶的制备方法。
本发明的制备方法包括如下步骤：
1）将取代度范围为0.2-0.5纤维素季铵盐溶解在水、酸或盐溶液中，配制成2~5.5wt%的纤维素季铵盐溶液；
2）将β-甘油磷酸钠粉末溶于去离子水中配成10~60wt%的溶液；
3）在0-20°C下将β-甘油磷酸钠溶液逐滴加到纤维素季铵盐溶液中，制得纤维素季铵盐和β-甘油磷酸钠的混合溶液；最终得到的混合溶液中β-甘油磷酸钠的浓度范围为1.5~9wt%，纤维素季铵盐的浓度范围为1.7~4.7wt%；
4）在人体温度下，纤维素季铵盐和β-甘油磷酸钠的混合溶液固化形成水凝胶。
上述方案中，取代度0.2-0.5的纤维素季铵盐可以从市场上购得，也可以自己制备。自己制备可以采用如下方法：
配置含7wt%NaOH，12wt%尿素的水溶液，预冷至–12.3°C，室温下加入纤维素，机械搅拌3~5分钟后得到透明澄清的2wt%纤维素溶液；向纤维素溶液中滴加适量的3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵水溶液，使得季铵化试剂与纤维素脱水葡萄糖单元的摩尔比为1:3~1:12，搅拌3~24小时后加入HCl中和反应液；反应液经蒸馏水透析7天，冷冻干燥，即得到白色纤维状纤维素季铵盐样品。
或者：
配置含8wt%LiOH·H2O，15wt%尿素的水溶液，预冷至–10°C，室温下加入纤维素，机械搅拌3~5分钟后得到透明澄清的2wt%纤维素溶液；向纤维素溶液中滴加适量的3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵水溶液，使得季铵化试剂与纤维素脱水葡萄糖单元的摩尔比为1:3~1:12，磁力搅拌3~24小时后加入HCl中和反应液；反应液经蒸馏水透析7天，冷冻干燥，即得到白色纤维状纤维素季铵盐样品。
通过改变添加3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵的量和反应时间，得到不同取代度的纤维素季铵盐。
溶解纤维素季铵盐的酸或盐的浓度≤1mol/L。
溶解纤维素季铵盐的酸为盐酸、乳酸或醋酸等一元酸。
本发明方法制备的纤维素季铵盐/β-甘油磷酸钠溶液在低温（20°C）下保持液态，在体温下快速固化形成水凝胶。能够很方便将细胞、蛋白质、酶和治疗性药物加入到该溶液中，当温度升高到人体温度后，快速固化形成水凝胶，可以作为细胞的支架材料或药物的载体。纤维素衍生物具有很好的生物相容性，因此这种新材料非常适合应用于生物技术与组织工程领域。
本发明方法的有益效果是
1）纤维素季铵盐/β-甘油磷酸钠溶液具有生理的pH值。
2）本发明使用的原料纤维素季铵盐、β-甘油磷酸钠均无毒且有良好的生物相容性。
3）本发明制备纤维素季铵盐/β-甘油磷酸钠水凝胶方法简单，原料成本低廉。
附图说明
图1为本发明实施例2制得的混合溶液在室温下的照片。
图2为本发明实施例2制得的混合溶液在体温下静置30s的照片。
图3为本发明实施例2制备得到的水凝胶冷冻干燥后的扫描电镜照片，可以观察到凝胶内部具有均匀的微孔结构。
具体实施方式：
实施例1
配置含8wt% LiOH·H2O，15wt%尿素的水溶液550mL，预冷至–10°C，室温下加入纤维素11克，机械搅拌3~5分钟后得到纤维素溶液（2wt%）。向纤维素溶液中滴加111.0克3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵水溶液（69wt%），搅拌24小时后加入HCl中和反应液。反应液经蒸馏水透析7天，冷冻干燥，即得到白色纤维状纤维素季铵盐样品（取代度DS=0.34，氮含量2.23%）。
将250mg纤维素季铵盐（DS=0.34）溶于8.5mL 0.1mol/L乙酸水溶液中混合均匀，配成2.9wt%溶液。将650mg β-甘油磷酸钠溶于1.5mL去离子水中，配成43.3wt%溶液。在15°C下，将1.5mL β-甘油磷酸钠溶液逐滴加入到8.5mL纤维素季铵盐溶液中，充分搅拌得到纤维素季铵盐/β-甘油磷酸钠溶液，最终得到的混合溶液中β-甘油磷酸钠的浓度6.5wt%，纤维素季铵盐的浓度为2.5wt%，静置于37°C水浴中，1分钟内溶液即快速固化形成水凝胶。
实施例2
按实施例1方法，制得取代度DS=0.34的白色纤维状纤维素季铵盐样品。
将250mg纤维素季铵盐（DS=0.34）溶于8.5mL 0.1mol/L乙酸水溶液中混合均匀，配成2.9wt%溶液。将760mg β-甘油磷酸钠溶于1.5mL去离子水中，配成50.7wt%溶液。在冰水浴4°C下，将1.5mL β-甘油磷酸钠溶液逐滴加入到8.5mL纤维素季铵盐溶液中，充分搅拌得到纤维素季铵盐/β-甘油磷酸钠溶液，最终得到的混合溶液中β-甘油磷酸钠的浓度7.6wt%，纤维素季铵盐的浓度为2.5wt%，静置于37°C水浴中，30秒内溶液即快速固化形成水凝胶。
实施例3
按实施例1方法，制得取代度DS=0.34的白色纤维状纤维素季铵盐样品。
将400mg纤维素季铵盐（DS=0.34）溶于8.5mL 0.1mol/L乙酸水溶液中混合均匀，配成4.7wt%溶液。将300mg β-甘油磷酸钠溶于1.5mL去离子水中，配成20wt%溶液。在冰水浴4°C下，将1.5mL β-甘油磷酸钠溶液逐滴加入到8.5mL纤维素季铵盐溶液中，充分搅拌得到纤维素季铵盐/β-甘油磷酸钠溶液，最终得到的混合溶液中β-甘油磷酸钠的浓度3wt%，纤维素季铵盐的浓度为4wt%，静置于37°C水浴中，30秒内溶液即快速固化形成水凝胶。
实施例4
按实施例1方法，制得取代度DS=0.34的白色纤维状纤维素季铵盐样品。
将250mg纤维素季铵盐（DS=0.34）溶于8.5mL 0.05mol/L乙酸和0.05mol/L氯化钠混合溶液中混合均匀，配成2.9wt%溶液。将650mg β-甘油磷酸钠溶于1.5mL去离子水中，配成43.3wt%溶液。在15°C下，将1.5mL β-甘油磷酸钠溶液逐滴加入到8.5mL纤维素季铵盐溶液中，充分搅拌得到纤维素季铵盐/β-甘油磷酸钠溶液，静置于37°C水浴中，最终得到的混合溶液中β-甘油磷酸钠的浓度6.5wt%，纤维素季铵盐的浓度为2.5wt%，1分钟内溶液即快速固化形成水凝胶。
实施例5
配置含8wt% LiOH·H2O，15wt%尿素的水溶液550mL，预冷至–10°C，室温下加入纤维素11g，机械搅拌3~5分钟后得到透明澄清的纤维素溶液（2wt%）。向纤维素溶液中滴加145.3克3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵水溶液（69wt%），搅拌24小时后加入HCl中和反应液。反应液经蒸馏水透析7天，冷冻干燥，即得到白色纤维状纤维素季铵盐样品（DS=0.40，氮含量2.51%）。
将250mg纤维素季铵盐（DS=0.40）溶于8.5mL 0.1mol/L乙酸水溶液中混合均匀，配成2.9wt%溶液。将900mg β-甘油磷酸钠溶于1.5mL去离子水中，配成60%（w/w）溶液。在15°C下，将1.5mL β-甘油磷酸钠溶液逐滴加入到8.5mL纤维素季铵盐溶液中，充分搅拌得到纤维素季铵盐/β-甘油磷酸钠溶液，最终得到的混合溶液中β-甘油磷酸钠的浓度9wt%，纤维素季铵盐的浓度为2.5wt%，静置于37°C水浴中，3分钟内溶液即快速固化形成水凝胶。
实施例6
配置含7wt% NaOH，12wt%尿素的水溶液550mL，预冷至–12.3°C，室温下加入纤维素11克，机械搅拌3~5分钟后得到透明澄清的纤维素溶液（2wt%）。向纤维素溶液中滴加118.1克3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵水溶液（69wt%），搅拌8小时后加入HCl中和反应液。反应液经蒸馏水透析7天，冷冻干燥，即得到白色纤维状纤维素季铵盐样品（DS=0.47，氮含量2.81%）。
将250mg纤维素季铵盐（DS=0.47）溶于8.5mL 0.1mol/L乙酸水溶液中混合均匀，配成2.9wt%溶液。将760mg β-甘油磷酸钠溶于1.5mL去离子水中，配成50.7wt%溶液。在20°C下，将1.5mL β-甘油磷酸钠溶液逐滴加入到8.5mL纤维素季铵盐溶液中，充分搅拌得到纤维素季铵盐/β-甘油磷酸钠溶液，最终得到的混合溶液中β-甘油磷酸钠的浓度7.6wt%，纤维素季铵盐的浓度为2.5wt%，静置于37°C水浴中，8分钟内溶液即快速固化形成水凝胶。
实施例7
配置含7wt% NaOH，12wt%尿素的水溶液550mL，预冷至-12.3°C，室温下加入纤维素11克，机械搅拌3~5分钟后得到透明澄清的纤维素溶液（2wt%）。向纤维素溶液中滴加64.6克3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵水溶液（69wt%），搅拌24小时后加入HCl中和反应液。反应液经蒸馏水透析7天，冷冻干燥，即得到白色纤维状纤维素季铵盐样品（DS=0.24，氮含量1.67%）。
将200mg纤维素季铵盐（DS=0.24）溶于8.5mL 0.1mol/L乙酸水溶液中混合均匀，配成2.35wt%溶液。将300mg β-甘油磷酸钠溶于1.5mL去离子水中，配成20wt%溶液。在冰水浴4°C下，将1.5mL β-甘油磷酸钠溶液逐滴加入到8.5mL纤维素季铵盐溶液中，充分搅拌得到纤维素季铵盐/β-甘油磷酸钠溶液，最终得到的混合溶液中β-甘油磷酸钠的浓度3wt%，纤维素季铵盐的浓度为2wt%，静置于37°C水浴中，6分钟内溶液即快速固化形成水凝胶。
实施例8
按实施例6相似的方法，改变3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵的添加量和反应时间，制得取代度DS=0.35（氮含量2.26%）的白色纤维状纤维素季铵盐样品。
将250mg纤维素季铵盐（DS=0.35）溶于8.5mL去离子水中混合均匀，配成2.9wt%溶液。将650mg β-甘油磷酸钠溶于1.5mL去离子水中，配成43.3wt%溶液。在15°C下，将1.5mL β-甘油磷酸钠溶液逐滴加入到8.5mL纤维素季铵盐溶液中，充分搅拌得到纤维素季铵盐/β-甘油磷酸钠溶液，最终得到的混合溶液中β-甘油磷酸钠的浓度6.5wt%，纤维素季铵盐的浓度为2.5wt%，静置于37°C水浴中，2分钟内溶液即快速固化形成水凝胶。
实施例9
按实施例6相似的方法，改变3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵的添加量和反应时间，制得取代度DS=0.35（氮含量2.26%）的白色纤维状纤维素季铵盐样品。
将250mg纤维素季铵盐（DS=0.35）溶于8.5mL 0.1mol/L氯化钠水溶液中混合均匀，配成2.9wt%溶液。将650mg β-甘油磷酸钠溶于1.5mL去离子水中，配成43.3wt%溶液。在15°C下，将1.5mL β-甘油磷酸钠溶液逐滴加入到8.5mL纤维素季铵盐溶液中，充分搅拌得到纤维素季铵盐/β-甘油磷酸钠溶液，最终得到的混合溶液中β-甘油磷酸钠的浓度6.5wt%，纤维素季铵盐的浓度为2.5wt%，静置于37°C水浴中，30秒内溶液即快速固化形成水凝胶。
实施例10
配置8wt% LiOH·H2O/15wt%尿素水溶液550mL，预冷至-10°C，室温下加入纤维素11.0g，机械搅拌3~5min后得到透明澄清的纤维素溶液（2wt%）。向纤维素溶液中滴加201.9克3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵水溶液，搅拌24小时后加入HCl中和反应液。反应液经蒸馏水透析7天，冷冻干燥，即得到白色纤维状纤维素季铵盐样品（DS=0.52，氮含量3.01%）。
将350mg纤维素季铵盐（DS=0.52）溶于8.5mL 0.1mol.L-1乙酸水溶液中混合均匀，配成4.1wt%溶液。将760mg β-甘油磷酸钠溶于1.5mL去离子水中，配成50.7wt%溶液。在冰水浴4°C下，将1.5mL β-甘油磷酸钠溶液逐滴加入到8.5mL纤维素季铵盐溶液中，充分搅拌得到纤维素季铵盐/β-甘油磷酸钠溶液，静置于37°C水浴中，溶液长时间保持溶液状态，不能形成凝胶。
Claims (6)
1.一种温敏型纤维素季铵盐/β-甘油磷酸钠水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
1）将取代度范围为0.2-0.5纤维素季铵盐溶解在水、酸或盐溶液中，配制成2~5.5wt%的纤维素季铵盐溶液；
2）将β-甘油磷酸钠粉末溶于去离子水中配成10~60wt%的溶液；
3）在0-20°C下将β-甘油磷酸钠溶液逐滴加到纤维素季铵盐溶液中，制得纤维素季铵盐和β-甘油磷酸钠的混合溶液；最终得到的混合溶液中β-甘油磷酸钠的浓度范围为1.5~9wt%，纤维素季铵盐的浓度范围为1.7~4.7wt%；
4）在人体温度下，纤维素季铵盐和β-甘油磷酸钠的混合溶液固化形成水凝胶。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的纤维素季铵盐采用如下方法制备：配置含7wt% NaOH，12wt%尿素的水溶液，预冷至–12.3°C，室温下加入纤维素，机械搅拌3~5分钟后得到透明澄清的2wt%纤维素溶液；向纤维素溶液中滴加适量的3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵水溶液，使得季铵化试剂与纤维素脱水葡萄糖单元的摩尔比为1:3~1:12，搅拌3~24小时后加入HCl中和反应液；反应液经蒸馏水透析7天，冷冻干燥，即得到白色纤维状纤维素季铵盐样品。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的纤维素季铵盐采用如下方法制备：配置含8wt%LiOH·H2O，15wt%尿素的水溶液，预冷至–10°C，室温下加入纤维素，机械搅拌3~5分钟后得到透明澄清的2wt%纤维素溶液；向纤维素溶液中滴加适量的3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵水溶液，使得季铵化试剂与纤维素脱水葡萄糖单元的摩尔比为1:3~1:12，搅拌3~24小时后加入HCl中和反应液；反应液经蒸馏水透析7天，冷冻干燥，即得到白色纤维状纤维素季铵盐样品。
4.根据权利要求1、2或3所述的制备方法，其特征在于，溶解纤维素季铵盐的酸或盐的浓度≤1mol/L。
5.根据权利要求1、2或3所述的制备方法，其特征在于，溶解纤维素季铵盐的酸为一元酸。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，溶解纤维素季铵盐的一元酸为盐酸、乳酸或醋酸。
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Owner name: HUBEI GEDIAN HUMANWELL PHARMACEUTICAL EXCIPENTS CO Free format text: FORMER OWNER: WUHAN UNIVERSITY Effective date: 20140428 |
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| COR | Change of bibliographic data |
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| TR01 | Transfer of patent right |
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