CN102924860B

CN102924860B - 一种水凝胶原位杂化纳米银复合材料及其制备方法

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Publication number: CN102924860B
Application number: CN201210420836.8A
Authority: CN
Inventors: 王玮; 刘文广; 南文静; 孙亮; 赵睿
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2012-10-29
Filing date: 2012-10-29
Publication date: 2014-08-13
Anticipated expiration: 2032-10-29
Also published as: CN102924860A

Abstract

本发明公开了一种水凝胶原位杂化纳米银复合材料及其制备方法，将1-乙烯基咪唑、丙烯腈、交联剂和引发剂溶解在溶剂中，通过引发剂引发1-乙烯基咪唑、丙烯腈和交联剂分子上的不饱和键，在绝氧的条件下通过自由基聚合反应制备出获得水凝胶。利用咪唑环和Ag⁺的配位络合作用，将Ag⁺络合到三维水凝胶机制内部，利用维生素C将Ag⁺原位还原成纳米银粒子，纳米银均匀分布于三维水凝胶内，构建纳米银水凝胶复合材料。本发明制备方法简单、材料来源广泛、生产效率高，所制备的纳米银颗粒均匀，原位稳定的存在于三维水凝胶的内部。

Description

一种水凝胶原位杂化纳米银复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及水凝胶领域，更加具体地说，涉及一种水凝胶原位杂化纳米银复合材料及其制备方法。

背景技术

水凝胶是一种在水中溶胀，但不溶于水，并在其结构内部保持一定水分（20%以上）的一类亲水性高分子三维网络。它除了有良好的生物相容性外，还具有较高的水渗透性，有一定的强度，表面类似于生物体的软组织，这些特征使水凝胶可作为生物材料。水凝胶具有优良的理化性质和生物学性质，可控制药物释放，并具有生物粘附、生物相容和可生物降解等特性，目前己用于缓释、脉冲释放、触发式释放等新型给药系统的研制。

纳米银粒子作为新一代的抗菌剂具有以下特点：广谱抗菌、杀菌且无任何耐药性；强效杀菌，可在数分钟内杀死多种对人体有害的病菌；渗透性强，可由毛孔迅速渗入皮下杀菌，对普通细菌、顽固细菌、耐药菌以及真菌引起的感染具有良好的杀菌作用；促进愈合，改善创伤周围组织的微循环，有效地激活并促进组织细胞的生长，加速伤口的愈合，减少疤痕的生成；抗菌持久，能在人体内能逐渐的释放。

目前将纳米金属离子和水凝胶制备复合材料的方法主要分为三大类：1）将预先制备好的纳米金属粒子与凝胶基体直接共混，并利用凝胶对外界如温度、离子强度等条件的响应性，将纳米金属粒子吸附在凝胶表面或者渗透到凝胶内部，从而制备得到具有刺激响应性的智能型复合材料。2）将预先制备好的纳米金属粒子与凝胶单体进行混合，然后在引发剂的作用下引发聚合，形成聚合物凝胶，在聚合反应发生的过程中，金属纳米粒子将直接被包埋在凝胶的三维网络中，从而形成金属纳米粒子复合凝胶。3）原位还原法是通过将前驱体离子引入高分子凝胶内部或通过静电相互作用、配位作用等稳定于凝胶表面，然后通过启动沉淀、还原或氧化反应，这样在凝胶内部或表面将原位生成金属纳米粒子，从而得到金属纳米粒子复合凝胶。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，采用原位还原法，利用咪唑环和Ag⁺的配位络合作用，将Ag⁺络合到三维水凝胶基质内部，利用维生素C将Ag⁺原位还原成纳米银粒子，构建纳米银水凝胶复合材料。纳米银均匀分布于三维水凝胶内，该复合材料有望用于抗菌药物膜片。

本发明的目的通过下述技术方案予以实现：

本发明公开了一种水凝胶原位杂化纳米银复合材料及其制备方法，其步骤如下：

将1-乙烯基咪唑、丙烯腈、交联剂和引发剂溶解在溶剂中，通过引发剂引发1-乙烯基咪唑、丙烯腈和交联剂分子上的不饱和键，在绝氧的条件下通过自由基聚合反应制备出获得水凝胶。利用咪唑环和Ag⁺的配位络合作用，将Ag⁺络合到三维水凝胶机制内部，利用维生素C将Ag⁺原位还原成纳米银粒子，纳米银均匀分布于三维水凝胶内，构建纳米银水凝胶复合材料。

在本发明的技术方案中，以1-乙烯基咪唑和丙烯腈作为共聚单体，以交联剂交联共聚单体，交联剂分子的分子链两端带有双键、分子链中间为“氧－碳－碳－氧”单键相连的骨架结构，即聚乙二醇分子的主链结构，（CH₂CH₂O）_n，采用光源使引发剂提供自由基，再由自由基引发1-乙烯基咪唑、丙烯腈和交联剂（如不同数均分子量的聚乙二醇二丙烯酸酯，M_n为575－2000）中的双键，使三者几乎同时引发，发生聚合反应，最终制备的水凝胶材料中，具有聚乙烯基咪唑、聚丙烯腈和交联剂三种物质的链段，其中乙烯基咪唑提供离子响应性和生物相容性，丙烯腈提高骨架中的机械性能，交联剂中的聚乙二醇结构提供柔性链段，上述三部分协同作用，使整个水凝胶材料体现出络合Ag⁺、生物相容性和一定的力学强度。

利用引发剂提供的自由基引发1-乙烯基咪唑、丙烯腈和交联剂发生反应。其中引发剂可以选择高分子聚合领域中常用的热引发剂，如偶氮二异丁腈（ABIN）、过氧化苯甲酰（BPO），或者光引发剂，如1－[4－（2－羟乙氧基）－亚苯基]－2－羟基－2′，2′-二甲基乙酮（Irgacure 2959）、甲基乙烯基酮、安息香。如果选择热引发剂，则需要首先利用惰性气体（如氮气、氩气或者氦气）排除反应体系中的氧，以避免其的阻聚作用，然后根据引发剂的活性和用量，将反应体系加热到所用引发剂的引发温度之上并保持相当长的时间，如1h以上或者更长（1-5h），以促使引发剂能够长时间产生足够多的自由基，引发反应体系持续发生自由基聚合反应，最终制备本发明的水凝胶。如果选择光引发剂，则可以选用透明密闭的反应容器，在紫外光照射的条件下引发自由基聚合，由于光引发效率高于热引发，因根据所选引发剂的活性和用量调整照射时间时，照射时间可短于热引发的加热时间，如20min或者更长（30min-1h）。

在本发明的技术方案中，应当根据1-乙烯基咪唑、丙烯腈、使用的引发剂、交联剂的溶解性，选择能够完全溶解上述四种物质或者能够与上述四种物质完全互溶的溶剂，以混合均匀反应体系。由于丙烯腈具有极性，1-乙烯基咪唑、引发剂和交联剂也能够溶解在极性溶剂中，因此可选择有机溶剂中的极性溶剂，如二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、四氢呋喃、二甲基亚砜。

在制备方案中，单体1-乙烯基咪唑和单体丙烯腈的质量比为（3-7）：1。交联剂质量与两种单体（1-乙烯基咪唑和丙烯腈）的质量和的比为（1：3）-（3：1），优选为1：2。引发剂的质量为单体与交联剂总质量的2%~3%。在反应结束后，从反应容器中取出共聚物，去除未参加反应的单体、引发剂、交联剂和溶剂后，浸泡在水中直至达到溶胀平衡（如浸泡7天，每隔12h更换一次水，达到溶胀平衡）。

在制备方案中，将制备的水凝胶浸入在硝酸银水溶液中，避光条件下进行静置可得到络合银离子的水凝胶，静置时间可根据络合银离子数量的多少进行调整，可选择至少6小时，例如配制0.01mol/L的硝酸银溶液，取10ml配制好的溶液放置在做好避光措施的离心管中，将制得的水凝胶做成浸入硝酸银溶液，放置6小时后即可得到络合银离子的水凝胶。

在制备方案中，将制备的络合银离子的水凝胶避光的条件下放入维生素C的水溶液中，静止即可获得水凝胶原位杂化纳米银复合材料，静置时间可根据络合银离子数量的多少进行调整，可选择至少1小时。

本发明提供的一种水凝胶原位杂化纳米银复合材料的制备方法是以1-乙烯基咪唑和丙烯腈为原料，在交联剂和引发剂存在下共聚制成，实现乙烯基咪唑作为水凝胶组分和能够高效的络合Ag⁺，将Ag⁺络合到三维水凝胶基质内部，利用维生素C将Ag⁺原位还原成纳米银粒子，纳米银均匀分布于三维水凝胶内，构建纳米银水凝胶复合材料。同时丙烯腈的引入增强了凝胶的机械性能，使其能够操作和应用。

本发明制备方法简单、材料来源广泛、生产效率高，所制备的纳米银颗粒均匀，原位稳定的存在于三维水凝胶的内部。

附图说明

图1水凝胶的化学结构示意图

图2水凝胶的扫描电镜照片（SEM的型号：Philips Nova Nanosem 430），其中A为初始水凝胶的扫描电镜照片，B为水凝胶原位杂化纳米银复合材料的扫描电镜照片

具体实施方法

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案，以下结合实例进一步说明本发明，但这些实例并不用来限制本发明。

实施例

A．准备制备水凝胶的模具，将两片玻璃板清洗干净，将表面水吹干。取出夹子6枚用于固定塑料薄片，将事先剪好的凹状橡胶片清洗干净，将橡胶片置于两个塑料板之间，用夹子夹住三个方向，留取一个方向用来注入液体。

B．用二甲基亚砜配制1-乙烯基咪唑（VI）、丙烯腈（AN）、交联剂聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA-575）和引发剂1-[4-（2-羟乙氧基）-亚苯基]-2-羟基-2′,2′-二甲基乙酮（Irgacure2959）的溶液。将配好单体、交联剂、引发剂的离心管放置于离心管架上，再取一支新离心管，将单体、交联剂和引发剂按照比例加入离心管中，搅拌均匀。

其中第一组单体1-乙烯基咪唑和单体丙烯腈的质量比分别为3：1、7：1、5：1，交联剂质量与两种单体（1-乙烯基咪唑和丙烯腈）的质量和的比为1：2，引发剂的质量为单体与交联剂总质量的3%。

第二组单体1-乙烯基咪唑和单体丙烯腈的质量比分别为5：1，交联剂质量与两种单体（1-乙烯基咪唑和丙烯腈）的质量和的比为1：3、1：1、3：1，引发剂的质量为单体与交联剂总质量的3%。

第三组单体1-乙烯基咪唑和单体丙烯腈的质量比分别为5：1，交联剂质量与两种单体（1-乙烯基咪唑和丙烯腈）的质量和的比为1：2，引发剂的质量为单体与交联剂总质量的2%。

C．将配制好的混合液用移液枪注入第一步中的薄片中，将其放入紫外固化箱，开启紫外固化箱并将反应时间设定为1800秒。反应完成后取出薄片，取掉周围夹子，这时加入的液体已经成为凝胶状物质，将其拨入盛有去离子水的培养皿中。在水中浸泡一天后，其中的有机溶剂会和水发生交换，获得初始水凝胶，水凝胶的化学结构如图1所示。

D．配制0.01mol/L的硝酸银溶液，取10ml配制好的溶液放置在做好避光措施的离心管中，将制得的水凝胶做成浸入硝酸银溶液，放置6小时后即可得到络合银离子的水凝胶。

E.将制备的络合银离子的水凝胶避光的条件下放入维生素C的水溶液中，静置1小时，即可获得水凝胶原位杂化纳米银复合材料。将所得水凝胶烘干，然后在SEM下观察水凝胶的形貌，同时采用能谱研究水凝胶中元素组成。结果分别如图2和下表所示。结果显示，初始水凝胶表面平整，能谱显示其中仅含有碳、氧、氮元素。而纳米银原位杂化水凝胶显示出均一分布的纳米颗粒，通过能谱显示水凝胶中银元素的含量达到73%，充分证实了纳米银原位杂化水凝胶的制备成功。

表：能谱获得水凝胶的元素组成

将本发明的水凝胶进行抗菌实验如下：

凝胶片的准备以及灭菌处理：分别称取纳米银杂化水凝胶0.1g，0.01g，0.005g放入三个10mL的离心管中，每份三组平行样品；同时取同样质量的普通水凝胶作为对照组。将上述水凝胶放入75%的酒精水溶液（v/v）中灭菌处理2小时，然后采用高压蒸汽灭菌过的无菌水，每15min换水一次，处理4小时，将水凝胶片中所有酒精全部置换。同时取三个10mL的空离心管作为空白对照。

大肠杆菌培养：大肠杆菌菌种pGL3-control购自Promega（Madison,WI,USA）。大肠杆菌LB培养基购自北京鼎国生物技术公司，LB培养基经高压蒸汽灭菌后使用。

细菌培养过程：在上述含凝胶的离心管中，加入4mL的LB培养基，然后加入大肠杆菌菌液100μL，在37℃振荡（250rpm），培养16小时。

检测：分别取1mL上述的培养基于石英比色杯中，采用TU-1810紫外可见分光光度计（北京普析通用仪器），检测在600nm处的吸光度值，用不加任何水凝胶的细菌培养基的吸光度值归一化处理，得到加入不同质量的普通水凝胶和纳米银杂化水凝胶的抗菌效果。普通水凝胶对于大肠细菌的生长没有影响。表1显示不同质量纳米银杂化水凝胶杀死大肠杆菌的比例。

表1不同质量纳米银杂化水凝胶杀死大肠杆菌的比例

纳米银杂化水凝胶的用量	大肠杆菌的杀死比例
		0.005g	23.7±3.4%
0.01g	31.4±2.9%
		0.1g	58.9±3.6%

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种水凝胶原位杂化纳米银复合材料，其特征在于，将1-乙烯基咪唑、丙烯腈、交联剂和引发剂溶解在溶剂中，通过引发剂引发1-乙烯基咪唑、丙烯腈和交联剂分子上的不饱和键，在绝氧的条件下通过自由基聚合反应制备出获得水凝胶，利用咪唑环和Ag⁺的配位络合作用，将Ag⁺络合到三维水凝胶机制内部，利用维生素C将Ag⁺原位还原成纳米银粒子，纳米银均匀分布于三维水凝胶内，构建纳米银水凝胶复合材料。

2.根据权利要求1所述的一种水凝胶原位杂化纳米银复合材料，其特征在于，单体1-乙烯基咪唑和单体丙烯腈的质量比为(3－7)：1，交联剂质量与两种单体1-乙烯基咪唑和丙烯腈的质量和的比为(1：3)－(3：1)，引发剂的质量为单体与交联剂总质量的2％～3％。

3.根据权利要求2所述的一种水凝胶原位杂化纳米银复合材料，其特征在于，交联剂质量与两种单体1-乙烯基咪唑和丙烯腈的质量和的比为1：2。

4.根据权利要求1所述的一种水凝胶原位杂化纳米银复合材料，其特征在于，所述交联剂为聚乙二醇二丙烯酸酯，M_n为575－2000。

5.根据权利要求1所述的一种水凝胶原位杂化纳米银复合材料，其特征在于，所述引发剂选择热引发剂偶氮二异丁腈、过氧化苯甲酰，将反应体系加热到所用引发剂的引发温度之上，或者光引发剂1－[4－(2－羟乙氧基)－亚苯基]－2－羟基－2′，2′－二甲基乙酮、甲基乙烯基酮、安息香，在紫外光照射的条件下引发自由基聚合。

6.根据权利要求5所述的一种水凝胶原位杂化纳米银复合材料，其特征在于，所述引发剂选择热引发剂，将反应体系加热到所用引发剂的引发温度之上并保持1－5h。

7.根据权利要求5所述的一种水凝胶原位杂化纳米银复合材料，其特征在于，所述引发剂选择光引发剂，在紫外光照射的条件下引发自由基聚合，照射时间为20分钟或者30min－1h。

8.根据权利要求1所述的一种水凝胶原位杂化纳米银复合材料，其特征在于，将制备的水凝胶浸入在硝酸银水溶液中，避光条件下进行静置可得到络合银离子的水凝胶，然后将制备的络合银离子的水凝胶避光的条件下放入维生素C的水溶液中，静止即可获得水凝胶原位杂化纳米银复合材料。

9.一种水凝胶原位杂化纳米银复合材料的制备方法，其特征在于，按照下述步骤进行：将1-乙烯基咪唑、丙烯腈、交联剂和引发剂溶解在溶剂中，通过引发剂引发1-乙烯基咪唑、丙烯腈和交联剂分子上的不饱和键，在绝氧的条件下通过自由基聚合反应制备出获得水凝胶，利用咪唑环和Ag⁺的配位络合作用，将Ag⁺络合到三维水凝胶机制内部，利用维生素C将Ag⁺原位还原成纳米银粒子，纳米银均匀分布于三维水凝胶内，构建纳米银水凝胶复合材料。

10.根据权利要求9所述的一种水凝胶原位杂化纳米银复合材料的制备方法，其特征在于，单体1-乙烯基咪唑和单体丙烯腈的质量比为(3－7)：1，交联剂质量与两种单体1-乙烯基咪唑和丙烯腈的质量和的比为(1：3)－(3：1)，引发剂的质量为单体与交联剂总质量的2％～3％。

11.根据权利要求10所述的一种水凝胶原位杂化纳米银复合材料的制备方法，其特征在于，所述交联剂质量与两种单体1-乙烯基咪唑和丙烯腈的质量和的比为1：2。

12.根据权利要求9所述的一种水凝胶原位杂化纳米银复合材料的制备方法，其特征在于，所述交联剂为聚乙二醇二丙烯酸酯，M_n为575－2000。

13.根据权利要求9所述的一种水凝胶原位杂化纳米银复合材料的制备方法，其特征在于，所述引发剂选择热引发剂偶氮二异丁腈、过氧化苯甲酰，将反应体系加热到所用引发剂的引发温度之上，或者光引发剂1－[4－(2－羟乙氧基)－亚苯基]－2－羟基－2′，2′－二甲基乙酮、甲基乙烯基酮、安息香，在紫外光照射的条件下引发自由基聚合。

14.根据权利要求13所述的一种水凝胶原位杂化纳米银复合材料的制备方法，其特征在于，所述引发剂选择热引发剂，将反应体系加热到所用引发剂的引发温度之上并保持1－5h。

15.根据权利要求13所述的一种水凝胶原位杂化纳米银复合材料的制备方法，其特征在于，所述引发剂选择光引发剂，在紫外光照射的条件下引发自由基聚合，照射时间为20分钟或者30min－1h。

16.根据权利要求9所述的一种水凝胶原位杂化纳米银复合材料的制备方法，其特征在于，将制备的水凝胶浸入在硝酸银水溶液中，避光条件下进行静置可得到络合银离子的水凝胶，然后将制备的络合银离子的水凝胶避光的条件下放入维生素C的水溶液中，静止即可获得水凝胶原位杂化纳米银复合材料。