CN102702559A - 一种微生物发酵超多孔水凝胶及其制备方法和应用 - Google Patents

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本发明涉及一种微生物发酵超多孔水凝胶及其制备方法和应用。本发明制备方法包括下述步骤：(1)凝胶预聚液的配制；(2)干酵母的复水活化；(3)超多孔凝胶的制备；(4)超多孔凝胶的纯化。其原理是干酵母复水活化后，在凝胶中进行发酵反应产生二氧化碳，从而起到发泡剂作用，生成超多孔凝胶。本发明的超多孔水凝胶将微生物的发酵技术和凝胶相互结合，可实现多孔凝胶制备工艺的无毒无害化和生产高效化，具有通用性和普适性，可用于染料吸附、重金属离子富集回收、药物载体和生物医学支架材料领域。

Description

一种微生物发酵超多孔水凝胶及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及微生物、智能高分子材料、生物医用和环境保护领域，具体涉及一种微生物发酵超多孔水凝胶及其制备方法和应用。
背景技术
水凝胶(hydrogels)是一种亲水性但不溶于水的高分子聚合物，在水中可迅速溶胀至一平衡体积而仍能保持其形状和三维空间网络结构，是一类集吸水、保水、缓释于一体并且发展迅速的功能高分子材料，因其独特的吸水、保水和仿生特性，水凝胶被广泛应用于工业、农业、医药和生物工程材料领域。传统水凝胶的溶胀和退溶胀时间可从几秒到数小时甚至数日，在凝胶中引入多孔结构，即制备超多孔水凝胶，可有效提高水凝胶的响应速率。超多孔水凝胶含有多个直径为微米至毫米范围的孔，这些孔互相连接，从而使吸收的溶剂自由移动通过通道(毛细管)，因而，其溶胀速率、退溶胀速率和保水率都远高于传统凝胶。
超多孔水凝胶的制备按照成孔机理可分为冷冻干燥法、相分离法、模板法、生孔剂法和发泡法。其中，乳液模板法中溶剂易残留，同时可能会造成环境问题；生孔剂法需要较长的制备时间，且生孔剂不易完全除去等。而发泡法是利用某些化学物质与酸作用或高温下分解产生气体的特性，从而在聚合过程中形成气泡，气泡膨胀后在聚合物中留下孔洞，而获得多孔结构聚合物。Chen等(J.Biomed.Mater.Res.，1999，44：53)以碳酸氢钠/酸为发泡体系制备系列乙烯基聚合物多孔水凝胶，最大孔径达到300μm，远大于微孔(10-100μm)和大孔(100nm-10μm)水凝胶。中国专利CN1253147C公开了一种超多孔水凝胶复合物，其制备方法及其在药剂学中的应用，其核心特征在于加入了起泡剂--碳酸氢钠(NaHCO3)。中国专利CN101588790A公开了一种改性的超多孔水凝胶(SPHs)和它们的形成方法，主要通过仔细地选择疏水/亲水反应活性成分和通过协调发泡和聚合反应进行制备。中国专利CN1264321A公开了一种具有快速溶胀、高机械强度和超吸收特性的水凝胶复合物和超多孔水凝胶复合物，其特征是在一种崩散剂和一种起泡剂(NaHCO3)的存在下，通过把一种或多种不饱和烯单体和一种多烯交联剂聚合，形成超多孔水凝胶复合物，所得超多孔水凝胶复合物的平均孔径在10μm到3000μm的范围内。
由上观之，发泡法制备的多孔凝胶多加入生孔剂及发泡剂等化学制剂，这同样对环境造成一定危害，而且步骤繁琐，大规模生产受限。若利用微生物中的发酵技术则可克服此类问题。1857年，法国化学家、微生物家巴斯德提出了著名的发酵理论：“一切发酵过程都是微生物作用的结果”。微生物具有五大共同特点，即体积小，比表面积大；吸收多，转化快；生长旺，繁殖速；适应强，易变异；种类多，分布广。真核微生物包括真菌(酵母菌、霉菌、黏菌)、单细胞藻类和原生动物。酵母菌是以单细胞、芽殖为主的一类低等真菌的统称。酵母菌是人类认识和利用最早的一类真核微生物，早在4000年前，古埃及人已经开始利用酵母菌酿酒与制作面包。中国也从很早就有了利用酵母菌发酵的记录。大多数酵母菌为单细胞，细胞形态多样，主要为球形、卵圆形或圆柱形，也有特殊形态，如柠檬形、瓶形或三角形等。
本发明综合考虑了微生物发酵技术、高分子水凝胶的软湿特性和多孔凝胶的高吸附性，将酵母菌和凝胶相互结合，一方面实现了微生物和高分子的有机融合，另一方面则可实现多孔凝胶制备工艺的无毒无害化、生产高效化，以及生产规模化，并应用于染料吸附和作为药物载体。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微生物发酵超多孔水凝胶及其制备方法和应用，制备过程无溶剂排放、反应设备简单、反应时间短、操作便捷，是一种节能、无污染且低成本的多孔材料制备工艺，所得超多孔水凝胶可用于染料吸附、重金属离子富集回收、药物载体和生物医学支架材料领域。
为实现上述目的，本发明提供了一种微生物发酵超多孔水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
1)凝胶预聚液的配制：将单体和交联剂依次加入去离子水中，搅拌15～35min，至全部溶解，即得凝胶预聚液；
2)酵母的复水活化：在25～32℃下将酵母溶解于去离子水中，保鲜膜密封，搅拌20～40min，加入活化剂继续搅拌5～20min，即得活性酵母菌溶液；
3)超多孔凝胶的制备：将活性酵母菌溶液加入至25～32℃的凝胶预聚液中，密封条件下搅拌15～35min，依次加入引发剂和催化剂，5min后将混合溶液缓慢倒入内直径为4～8cm的表面皿中，反应3～8h；
4)超多孔凝胶的纯化：将反应后的产物切成直径10mm的圆片，浸泡于50mL去离子水中，置于2～6℃冰箱进行溶胀，1周后置于-40～-60℃低温冰箱中冷冻干燥，即得到所述干燥的超多孔凝胶固体。
本发明步骤1～3中各个组分的质量百分比为：单体：5-15％，交联剂：0.10-1％，干酵母：2-6％，活化剂：1-3％，引发剂：0.01-1％，催化剂：0.01-1％，去离子水：73-91.88％。
所述的单体为(甲基)丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、N-羟甲基丙烯酰胺、2-(二甲氨基)乙基-甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酸2-羟基乙酯、N-乙烯基吡咯烷酮、丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酸叔丁酯、丙烯酸钠、2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙磺酸、多缩乙二醇单甲基丙烯酸酯，其无机盐，以及其混合物。
所述的交联剂为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、二(甲基)丙烯酸乙二醇酯、京尼平和含1，2二醇结构的交联剂中的任意一种。
所述的酵母为安琪高活性干酵母或香宾酵母。
所述的活化剂为蔗糖(红糖、白糖、砂糖、黄糖)、葡萄糖、果糖、半乳糖、乳糖、麦芽糖、羧甲基壳聚糖、牛奶和蜂蜜中的任意一种。
所述的引发剂为过硫酸铵或过硫酸钾，所述的催化剂为四甲基乙二胺、四甲基丙二胺或亚硫酸钠中的任意一种。
所述的微生物发酵超多孔水凝胶的制备方法是将干酵母复水活化。
所述的微生物发酵超多孔水凝胶的制备方法是将反应产物在去离子水中溶胀平衡后进行冷冻干燥。
所述的微生物发酵超多孔水凝胶的制备方法具有通用性，适合于微生物对高分子材料、复合材料和无机非金属材料的发泡成孔。
采用上述方法制备的超多孔水凝胶可用于染料吸附、重金属离子富集回收、药物载体和生物医学支架材料领域。
本发明的原理是：一方面，单体在引发剂和催化剂的氧化还原作用下，分子结构中的双键打开聚合，在交联剂的作用下形成三维网络聚合物——水凝胶。另一方面，干酵母在活化剂的水溶液中可进行发酵作用，生成乙醇和二氧化碳(CO2)，随发酵过程的进行活化剂逐渐减少，乙醇及CO2比例逐渐增大。生成的CO2要么留在凝胶基体中，要么逸出，并起到发泡剂的作用，从而使得反应产物形成大孔结构，同时伴随孔壁上的密集小孔结构。
与其它传统多孔水凝胶的制备方法相比，本发明有如下优点：
1.制备方法简单、操作便捷、反应时间短、条件温和、污染少、成本低，可大规模生产；
2.本发明制备的超多孔水凝胶不仅孔洞多而且孔大，最大孔尺寸可达毫米级，最小孔尺寸不到1微米，而且除大孔外，孔壁上也布满各种尺寸的小孔；
3.本发明制备的超多孔水凝胶的孔洞尺寸和形态可由酵母菌和活化剂的投料比、交联度和单体种类来调节；
4.本发明制备方法具有通用性和普适性，建立了微生物和材料间的关系，为微生物和材料的有机结合奠定了基础。
附图说明
图1为微生物发酵技术制备的超多孔水凝胶。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，其他的任何未违背本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
1)凝胶预聚液的配制：将2.0g丙烯酰胺和0.1g N,N’-亚甲基双丙烯酰胺依次加入10mL去离子水中，搅拌20min，至全部溶解，即得凝胶预聚液；
2)酵母的复水活化：在30℃下将0.8g安琪高活性干酵母溶解于10mL去离子水中，保鲜膜密封，搅拌20min，加入0.4g白糖继续搅拌5min，即得活性酵母菌溶液；
3)超多孔凝胶的制备：将活性酵母菌溶液加入至30℃的凝胶预聚液中，密封条件下搅拌20min，依次加入0.01g过硫酸铵和160μL四甲基乙二胺，5min后将混合溶液缓慢倒入内直径为6cm的表面皿中，反应6h；
4)超多孔凝胶的纯化：将反应后的产物切成直径10mm的圆片，浸泡于50mL去离子水中，置于3℃冰箱进行溶胀，1周后置于-40℃低温冰箱中冷冻干燥，即得到所述干燥的超多孔聚丙烯酰胺凝胶固体。
采用紫外可见分光光度计测试，25℃下所得超多孔聚丙烯酰胺凝胶固体在60min时对阳离子染料结晶紫的吸附量为20mg/g。
实施例2
1)凝胶预聚液的配制：将1.0g异丙基丙烯酰胺和0.1g N,N’-亚甲基双丙烯酰胺依次加入10mL去离子水中，搅拌15min，至全部溶解，即得凝胶预聚液；
2)酵母的复水活化：在26℃下将1.0g安琪高活性干酵母溶解于5mL去离子水中，保鲜膜密封，搅拌25min，加入0.4g葡萄糖继续搅拌10min，即得活性酵母菌溶液；
3)超多孔凝胶的制备：将活性酵母菌溶液加入至26℃的凝胶预聚液中，密封条件下搅拌15min，依次加入0.1g过硫酸钾和80μL四甲基乙二胺，5min后将混合溶液缓慢倒入内直径为4cm的表面皿中，反应4h；
4)超多孔凝胶的纯化：将反应后的产物切成直径10mm的圆片，浸泡于50mL去离子水中，置于4℃冰箱进行溶胀，1周后置于-40℃低温冰箱中冷冻干燥，即得到所述干燥的超多孔聚异丙基丙烯酰胺凝胶固体。
采用紫外可见分光光度计测试，25℃下所得超多孔聚异丙基丙烯酰胺凝胶固体在60min时对阳离子染料结晶紫的吸附量为15mg/g。
实施例3
1)凝胶预聚液的配制：将1.5g2-(二甲氨基)乙基-甲基丙烯酰胺和0.15g二(甲基)丙烯酸乙二醇酯依次加入10mL去离子水中，搅拌20min，至全部溶解，即得凝胶预聚液；
2)酵母的复水活化：在28℃下将1.2g香宾酵母溶解于12mL去离子水中，保鲜膜密封，搅拌30min，加入0.6g羧甲基壳聚糖继续搅拌20min，即得活性酵母菌溶液；
3)超多孔凝胶的制备：将活性酵母菌溶液加入至28℃的凝胶预聚液中，密封条件下搅拌20min，依次加入0.05g过硫酸钾和100μL四甲基丙二胺，5min后将混合溶液缓慢倒入内直径为8cm的表面皿中，反应4h；
4)超多孔凝胶的纯化：将反应后的产物切成直径10mm的圆片，浸泡于50mL去离子水中，置于2℃冰箱进行溶胀，1周后置于-60℃低温冰箱中冷冻干燥，即得到所述干燥的超多孔聚2-(二甲氨基)乙基-甲基丙烯酰胺凝胶固体。
采用紫外可见分光光度计测试，25℃下所得超多孔聚2-(二甲氨基)乙基-甲基丙烯酰胺凝胶固体在60min时对重金属离子(cr3+)的吸附量为8mg/g。
实施例4
1)凝胶预聚液的配制：将2.0g甲基丙烯酸2-羟基乙酯和0.2g二(甲基)丙烯酸乙二醇酯依次加入10mL去离子水中，搅拌35min，至全部溶解，即得凝胶预聚液；
2)酵母的复水活化：在30℃下将1.0g安琪高活性干酵母溶解于10mL去离子水中，保鲜膜密封，搅拌25min，加入0.5g半乳糖继续搅拌15min，即得活性酵母菌溶液；
3)超多孔凝胶的制备：将活性酵母菌溶液加入至30℃的凝胶预聚液中，密封条件下搅拌30min，依次加入0.1g过硫酸铵和0.1g亚硫酸钠，5min后将混合溶液缓慢倒入内直径为8cm的表面皿中，反应6h；
4)超多孔凝胶的纯化：将反应后的产物切成直径10mm的圆片，浸泡于50mL去离子水中，置于3℃冰箱进行溶胀，1周后置于-60℃低温冰箱中冷冻干燥，即得到所述干燥的超多孔聚甲基丙烯酸2-羟基乙酯凝胶固体。
采用紫外可见分光光度计测试，25℃下所得超多孔聚甲基丙烯酸2-羟基乙酯凝胶固体在60min时对药物黄芩苷的吸附量为35mg/g。
实施例5
1)凝胶预聚液的配制：将2.0g丙烯酸和0.1g N,N’-亚甲基双丙烯酰胺依次加入10mL去离子水中，搅拌15min，至全部溶解，即得凝胶预聚液；
2)酵母的复水活化：在30℃下将0.6g安琪高活性干酵母溶解于10mL去离子水中，保鲜膜密封，搅拌25min，加入0.6g蜂蜜继续搅拌20min，即得活性酵母菌溶液；
3)超多孔凝胶的制备：将活性酵母菌溶液加入至30℃的凝胶预聚液中，密封条件下搅拌20min，依次加入0.05g过硫酸钾和100μL四甲基丙二胺，5min后将混合溶液缓慢倒入内直径为4cm的表面皿中，反应8h；
4)超多孔凝胶的纯化：将反应后的产物切成直径10mm的圆片，浸泡于50mL去离子水中，置于4℃冰箱进行溶胀，1周后置于-60℃低温冰箱中冷冻干燥，即得到所述干燥的超多孔聚丙烯酸凝胶固体。
所得超多孔聚丙烯酸凝胶固体作为三维支架用于大鼠骨髓间充质干细胞(MSCs)的培养，在第7天仍具有良好的细胞活性。

Claims (10)

1.一种微生物发酵超多孔水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
1)凝胶预聚液的配制：将单体和交联剂依次加入去离子水中，搅拌15～35min，至全部溶解，即得凝胶预聚液；
2)酵母的复水活化：在25～32℃下将酵母溶解于去离子水中，保鲜膜密封，搅拌20～40min，加入活化剂继续搅拌5～20min，即得活性酵母菌溶液；
3)超多孔凝胶的制备：将活性酵母菌溶液加入至25～32℃的凝胶预聚液中，密封条件下搅拌15～35min，依次加入引发剂和催化剂，5min后将混合溶液缓慢倒入内直径为4～8cm的表面皿中，反应3～8h；
4)超多孔凝胶的纯化：将反应后的产物切成直径10mm的圆片，浸泡于50mL去离子水中，置于2～6℃冰箱进行溶胀，1周后置于-40～-60℃低温冰箱中冷冻干燥，即得到所述干燥的超多孔凝胶固体。
2.根据权利要求1所述的一种微生物发酵超多孔水凝胶的制备方法，其特征在于，本发明步骤1～3中各个组分的质量百分比为：单体：5-15％，交联剂：0.10-1％，干酵母：2-6％，活化剂：1-3％，引发剂：0.01-1％，催化剂：0.01-1％，去离子水：73-91.88％。
3.根据权利要求1所述的一种微生物发酵超多孔水凝胶的制备方法，其特征在于：所述的单体为(甲基)丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、N-羟甲基丙烯酰胺、2-(二甲氨基)乙基-甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酸2-羟基乙酯、N-乙烯基吡咯烷酮、丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酸叔丁酯、丙烯酸钠、2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙磺酸、多缩乙二醇单甲基丙烯酸酯，其无机盐，以及其混合物。
4.根据权利要求1所述的一种微生物发酵超多孔水凝胶的制备方法，其特征在于：所述的交联剂为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、二(甲基)丙烯酸乙二醇酯、京尼平和含1，2二醇结构的交联剂中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的一种微生物发酵超多孔水凝胶的制备方法，其特征在于：所述的酵母为安琪高活性干酵母或香宾酵母，所述的活化剂为蔗糖(红糖、白糖、砂糖、黄糖)、葡萄糖、果糖、半乳糖、乳糖、麦芽糖、羧甲基壳聚糖、牛奶和蜂蜜中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的一种微生物发酵超多孔水凝胶的制备方法，其特征在于：所述的微生物发酵超多孔水凝胶的制备方法是将干酵母复水活化。
7.根据权利要求1所述的一种微生物发酵超多孔水凝胶的制备方法，其特征在于：所述的微生物发酵超多孔水凝胶的制备方法是将反应产物在去离子水中溶胀平衡后进行冷冻干燥。
8.根据权利要求1所述的一种微生物发酵超多孔水凝胶的制备方法，其特征在于：所述的微生物发酵超多孔水凝胶的制备方法具有通用性，适合于微生物对高分子材料、复合材料和无机非金属材料的发泡成孔。
9.一种微生物发酵超多孔水凝胶，其特征在于：所述的超多孔水凝胶是由权利要求1所述的制备方法制备的。
10.一种微生物发酵超多孔水凝胶的应用，其特征在于：采用微生物发酵超多孔水凝胶可用于染料吸附、重金属离子富集回收、药物载体和生物医学支架材料领域。
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