CN103289106B - 具有自愈合性能的天然葡聚糖水凝胶的制备方法 - Google Patents
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Abstract
具有自愈合性能的天然葡聚糖水凝胶的制备方法，采用2-富烯戊酸接枝的葡聚糖与两端修饰有二氯马来酸的聚乙二醇进行可逆狄尔斯-阿尔德(Diels–Alder)反应形成水凝胶，由于其中富烯基团与二氯马来酸中的双键在37℃磷酸盐缓冲溶液中的动态可逆的反应特征，因此其交联所形成的水凝胶网络中始终存在着未交联的反应物，这些反应物并未被凝胶网络所束缚，可以作为“流动相”在损伤处再次反应交联，为天然葡聚糖水凝胶的自愈合提供了条件。本发明的优点在于制备方法简单，合成条件温和，所制得的水凝胶具有自愈合性能。
Description
技术领域
本发明属于高分子材料技术领域，特别涉及一种具有自愈合性能的天然葡聚糖水凝胶的制备方法，具体是2-富烯戊酸接枝的葡聚糖与两端修饰有二氯马来酸的聚乙二醇通过可逆狄尔斯-阿尔德(Diels–Alder,DA)反应原位生成的一种新型具有自愈合功能的天然葡聚糖水凝胶。
背景技术
高分子水凝胶（hydrogel）是通过共价键或非共价键交联而成，并可在水中溶胀、保持一定形状的大分子聚集体。作为典型的含有三维网络结构的“软材料”，高分子水凝胶以其特有的高含水性、粘弹性和环境响应性等特性而在药物缓释、传感器、组织工程等领域具有广泛的应用前景。
自愈合的概念起初来源于生物学，属于仿生学概念。当生物组织受到外界环境损伤后，伤口通过细胞或组织的修复和再生而实现自我修复，进而恢复它们原有的力学和生物学功能。然而目前传统高分子水凝胶材料不具有自愈合功能，而且由于水凝胶一般含水率较高，导致其强度较弱，在加工或使用过程中因难以承受外力而更易于被破坏,极大的缩短了水凝胶材料的使用寿命，尤其在作为组织工程或药物缓释等生物材料时，一旦发生破损后难以检测和修复，不但造成严重的安全隐患而且增加使用成本。
因此，有必要将自愈合的概念融入到高分子水凝胶的材料设计中，研究开发具有自愈合功能的高分子水凝胶材料，解决软材料损伤修复问题，延长其使用寿命，对实现水凝胶材料进一步智能化和高效化具有重要意义。
发明内容
为了克服上述现有的不足和缺陷，本发明的目的在于提供一种具有自愈合性能的天然葡聚糖水凝胶的制备方法，首先合成小分子2-富烯戊酸，再通过羰基二咪唑活化后，与葡聚糖分子链上羟基进行酯化反应，得到2-富烯戊酸接枝的葡聚糖，再与两端修饰有二氯马来酸的聚乙二醇在中性的磷酸盐缓冲溶液(pH=7.0)中发生DA反应原位形成水凝胶，制备得到具有自愈合性能的天然葡聚糖水凝胶；本发明提供了一种新型自愈合水凝胶材料，并且本发明制备方法简单，合成条件温和。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
具有自愈合性能的天然葡聚糖水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
步骤一:在三口烧瓶中加入乙酰丙酸，用体积比为9:1的四氢呋喃和甲醇的混合溶液完全溶解乙酰丙酸，再相继加入新蒸的环戊二烯和催化剂吡咯烷，其中乙酰丙酸、环戊二烯和催化剂吡咯烷三者加入摩尔比为1:2.5:2，在氮气保护下0℃反应30分钟，后升回室温反应3小时，反应完成后，将反应液按体积比1:1的量倒入乙醚中，再用0.1mol/L盐酸酸洗，后用0.1mol/L氢氧化钠萃取乙醚层两次，将萃取液混合后倒入二氯甲烷中并酸化至pH=2，两相分离后用二氯甲烷萃取两次，再加入0.01g/mL无水硫酸镁去除有机相中的水，将过滤得到的有机相减压旋蒸蒸干，用硅胶柱色谱，通过乙酸乙酯洗脱，得到小分子产物2-富烯戊酸；
步骤二：将步骤1产物与羰基二咪唑按照1:1摩尔比加入在三口烧瓶中，再加入二甲基亚砜使其完全溶解，密闭后通N2气，搅拌使其充分溶解，在N2保护条件下，室温反应12小时；
步骤三：室温搅拌下，将摩尔量二倍于步骤1产物的重均分子量10000-40000葡聚糖用二甲基亚砜完全溶解，并加入步骤2的溶液中，再搅拌反应24个小时，反应完成后，用与反应液等体积的去离子水稀释反应产物，再用透析袋在去离子水中透析，8小时换一次水，透析5天后冷冻干燥，可得到取代度为4%的产物；
步骤四：在三口烧瓶中加入数均分子量为200-8000的聚乙二醇和摩尔量为其2.5倍的二氯马来酸酐，用甲苯完全溶解，在氮气保护下120℃回流10小时，待冷却后，再加入2倍于反应液体积的乙醚中沉淀，减压抽滤，后在真空干燥箱中烘干24小时，得到淡黄色产物；
步骤五：将步骤三与步骤四产物按摩尔比为1:2混合，混合后按照总质量分数为10%、20%和25%分别溶解在pH=7磷酸盐缓冲溶液中，混合后涡旋震荡均匀，放置37℃水浴中反应10分钟，分别得到质量分数为10%、20%，25%的水凝胶。
本发明采用2-富烯戊酸接枝的葡聚糖与两端修饰有二氯马来酸的聚乙二醇进行可逆狄尔斯-阿尔德(Diels–Alder)反应制备具有自愈合性能的天然水凝胶。其中富烯基团与二氯马来酸中的双键在37℃的磷酸盐缓冲溶液中具有动态可逆的反应特征，该反应基于热力学平衡体系，交联所形成的动态共价化学键是一种特殊的共价键。一方面，它在一定程度上保持了共价键的性质而较为稳定，另一方面它又具有可逆性，键的断裂和形成可以达到可逆的动态平衡。因此，自愈合水凝胶网络中始终存在着未交联的反应物，这些反应物并未被凝胶网络所束缚，可以作为“流动相”在损伤处再次反应交联，为天然葡聚糖水凝胶的自愈合提供了条件。
本发明提供的是一种基于动态共价化学原理所制备的自愈合材料的新方法。这类材料的共同特征是使材料成型的交联反应和化学键的动态特性，不仅在一定程度上保持了共价键的性质而较为稳定，而且由于其化学键具有可逆性的特点，在一些外界因素，如pH、温度等的影响下，键的断裂和形成可以达到可逆的动态平衡，为材料的自愈合提供了理论基础，而又因为形成材料的动态化学键分布在整个材料中，解决了传统自愈合材料自修复的可重复性问题。另外，本发明所采用的均为生物相容性好的天然高分子材料葡聚糖和聚乙二醇作为水凝胶骨架，将2-富烯戊酸接枝的葡聚糖水溶液与两端修饰有二氯马来酸的聚乙二醇水溶液在室温下混合即可原位形成水凝胶。此类基于天然葡聚糖的新型自愈合水凝胶在生物医学和组织工程领域具有良好的应用前景。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作更详细的说明。
实施例一：
本实施例，包括以下步骤：
步骤一:在三口烧瓶中加入乙酰丙酸4g,35mmol，用体积比为9:1的四氢呋喃45ml和甲醇5ml的混合溶液完全溶解乙酰丙酸，再相继加入新蒸的环戊二烯7.3ml,5.9g,87.5mmol和催化剂吡咯烷5.8ml,4.5g,70mmol，在氮气保护下0℃反应30分钟，后升回室温反应3小时，反应完成后，将反应液按体积比1:1的量倒入100ml乙醚中，再用0.1mol/L盐酸酸洗，后用0.1mol/L氢氧化钠100ml萃取乙醚层两次，将萃取液混合后倒入200ml二氯甲烷中并酸化至pH=2，两相分离后用二氯甲烷萃取两次，再将有机相混合加入10g无水硫酸镁干燥，减压旋蒸蒸干，用硅胶柱色谱，通过乙酸乙酯洗脱，得到小分子产物2-富烯戊酸；
步骤二：将步骤1产物1.01g,6.17mmol与羰基二咪唑1.0g,6.17mmol按照1:1摩尔比加入在三口烧瓶中，再加入二甲基亚砜10ml使其完全溶解，密闭后通N2气，搅拌使其充分溶解，在N2保护条件下，室温反应12小时；
步骤三：室温搅拌下，将摩尔量二倍于步骤1产物的重均分子量40000葡聚糖2.0g,12.34mmol用二甲基亚砜20mL完全溶解，并加入步骤2的溶液中，再搅拌反应24个小时，反应完成后，用与反应液等体积的去离子水20ml稀释反应产物，再用截留分子量8000的透析袋在去离子水中透析，8小时换一次水，透析5天后冷冻干燥，可得到取代度为4%的产物；
步骤四：在三口烧瓶中加入数均分子量为2000的聚乙二醇5g,2.5mmol和摩尔量为其4倍的二氯马来酸酐1.67g,10mmol，用甲苯20ml完全溶解，在氮气保护下120℃回流10小时，待冷却后，再加入40ml乙醚中沉淀，减压抽滤，后在真空干燥箱中烘干24小时，得到淡黄色产物；
步骤五：将步骤三与步骤四产物按摩尔比为1:2混合，混合后按照总质量分数为20%溶解在pH=7磷酸盐缓冲溶液中，混合后涡旋震荡均匀，放置37℃水浴中反应10分钟，得到质量分数20%的水凝胶。
通过用显微镜观察不同时间间隔的该自愈合葡聚糖水凝胶表面切口的愈合程度可以证实，4小时后切口模糊甚至消失，该种水凝胶具有良好的自愈合性能。将两块圆形自愈合葡聚糖水凝胶(其中一块用罗丹明B染色)切开后，相互交换重新紧密合并在一起。24小时后观察，两块不同半圆的水凝胶切口变小模糊，并且被镊子提起后可以承受自身重量，证实该种水凝胶具有良好的自愈合性能。
实施例二：
本实施例，包括以下步骤：
步骤一:在三口烧瓶中加入乙酰丙酸4g,35mmol，用体积比为9:1的四氢呋喃45ml和甲醇5ml的混合溶液完全溶解乙酰丙酸，再相继加入新蒸的环戊二烯7.3ml,5.9g,87.5mmol和催化剂吡咯烷5.8ml,4.5g,70mmol，在氮气保护下0℃反应30分钟，后升回室温反应3小时，反应完成后，将反应液按体积比1:1的量倒入乙醚100ml中，再用0.1mol/L盐酸酸洗，后用0.1mol/L氢氧化钠100ml萃取乙醚层两次，将萃取液混合后倒入二氯甲烷200ml中并酸化至pH=2，两相分离后用二氯甲烷200ml萃取两次，再将有机相混合加入10g无水硫酸镁干燥，减压旋蒸蒸干，用硅胶柱色谱，通过乙酸乙酯洗脱，得到小分子产物2-富烯戊酸；
步骤二：将步骤1产物1.01g,6.17mmol与羰基二咪唑1.01g,6.17mmol按照1：1摩尔比加入在三口烧瓶中，再加入二甲基亚砜10ml使其完全溶解，密闭后通N2气，搅拌使其充分溶解，在N2保护条件下，室温反应12小时；
步骤三：室温搅拌下，将摩尔量二倍于步骤1产物的重均分子量20000葡聚糖2.0g,12.34mmol用二甲基亚砜20mL完全溶解，并加入步骤2的溶液中，再搅拌反应24个小时，反应完成后，用与反应液等体积的去离子20ml水稀释反应产物，再用截留分子量8000透析袋在去离子水中透析，8小时换一次水，透析5天后冷冻干燥，可得到取代度为4%的产物；
步骤四：在三口烧瓶中加入数均分子量为1000的聚乙二醇2.5g,2.5mmol和摩尔量为其2.5倍的二氯马来酸酐1.67g,10mmol，用甲苯15ml完全溶解，在氮气保护下120℃回流10小时，待冷却后，再加入30ml乙醚中沉淀，减压抽滤，后在真空干燥箱中烘干24小时，得到淡黄色产物；
步骤五：将步骤三与步骤四产物按摩尔比为1:2混合，混合后按照总质量分数为20%溶解在pH=7磷酸盐缓冲溶液中，混合后涡旋震荡均匀，放置37℃水浴中反应10分钟，得到质量分数20%的水凝胶。
通过用显微镜观察不同时间间隔的该自愈合葡聚糖水凝胶表面切口的愈合程度可以证实，4小时后切口模糊甚至消失，该种水凝胶具有良好的自愈合性能。将两块圆形自愈合葡聚糖水凝胶(其中一块用罗丹明B染色)切开后，相互交换重新紧密合并在一起。24小时后观察，两块不同半圆的水凝胶切口变小模糊，并且被镊子提起后可以承受自身重量，证实该种水凝胶具有良好的自愈合性能。
实施例三
本实施例，包括以下步骤：
步骤一:在三口烧瓶中加入乙酰丙酸4g,35mmol，用体积比为9:1的四氢呋喃45ml和甲醇5ml的混合溶液完全溶解乙酰丙酸，再相继加入新蒸的环戊二烯7.3ml,5.9g,87.5mmol和催化剂吡咯烷5.8ml,4.5g,70mmol，在氮气保护下0℃反应30分钟，后升回室温反应3小时，反应完成后，将反应液按体积比1:1的量倒入100ml乙醚中，再用0.1mol/L盐酸酸洗，后用0.1mol/L氢氧化钠100ml萃取乙醚层两次，将萃取液混合后倒入200ml二氯甲烷中并酸化至pH=2，两相分离后用二氯甲烷萃取两次，再将有机相混合加入10g无水硫酸镁干燥，减压旋蒸蒸干，用硅胶柱色谱，通过乙酸乙酯洗脱，得到小分子产物2-富烯戊酸；
步骤二：将步骤1产物1.01g,6.17mmol与羰基二咪唑1.0g,6.17mmol按照1:1摩尔比加入在三口烧瓶中，再加入二甲基亚砜10ml使其完全溶解，密闭后通N2气，搅拌使其充分溶解，在N2保护条件下，室温反应12小时；
步骤三：室温搅拌下，将摩尔量二倍于步骤1产物的重均分子量10000葡聚糖2.0g,12.34mmol用二甲基亚砜20mL完全溶解，并加入步骤2的溶液中，再搅拌反应24个小时，反应完成后，用与反应液等体积的去离子水20ml稀释反应产物，再用截留分子量8000的透析袋在去离子水中透析，8小时换一次水，透析5天后冷冻干燥，可得到取代度为4%的产物；
步骤四：在三口烧瓶中加入数均分子量为800的聚乙二醇1.5g,2.5mmol和摩尔量为其4倍的二氯马来酸酐1.67g,10mmol，用甲苯10ml完全溶解，在氮气保护下120℃回流10小时，待冷却后，再加入20ml乙醚中沉淀，减压抽滤，后在真空干燥箱中烘干24小时，得到淡黄色产物；
步骤五：将步骤三与步骤四产物按摩尔比为1:2混合，混合后按照总质量分数为20%溶解在pH=7磷酸盐缓冲溶液中，混合后涡旋震荡均匀，放置37℃水浴中反应10分钟，得到质量分数20%的水凝胶。
通过用显微镜观察不同时间间隔的该自愈合葡聚糖水凝胶表面切口的愈合程度可以证实，4小时后切口模糊甚至消失，该种水凝胶具有良好的自愈合性能。将两块圆形自愈合葡聚糖水凝胶(其中一块用罗丹明B染色)切开后，相互交换重新紧密合并在一起。24小时后观察，两块不同半圆的水凝胶切口变小模糊，并且被镊子提起后可以承受自身重量，证实该种水凝胶具有良好的自愈合性能。
Claims (1)
1.具有自愈合性能的天然葡聚糖水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一:在三口烧瓶中加入乙酰丙酸，用体积比为9:1的四氢呋喃和甲醇的混合溶液完全溶解乙酰丙酸，再相继加入新蒸的环戊二烯和催化剂吡咯烷，其中乙酰丙酸、环戊二烯和催化剂吡咯烷三者加入摩尔比为1:2.5:2，在氮气保护下0℃反应30分钟，后升回室温反应3小时，反应完成后，将反应液按体积比1:1的量倒入乙醚中，再用0.1mol/L盐酸酸洗，后用0.1mol/L氢氧化钠萃取乙醚层两次，将萃取液混合后倒入二氯甲烷中并酸化至pH＝2，两相分离后用二氯甲烷萃取两次，再加入0.01g/mL无水硫酸镁去除有机相中的水，将过滤得到的有机相减压旋蒸蒸干，用硅胶柱色谱，通过乙酸乙酯洗脱，得到小分子产物2-富烯戊酸；
步骤二：将步骤1产物与羰基二咪唑按照1:1摩尔比加入在三口烧瓶中，再加入二甲基亚砜使其完全溶解，密闭后通N2气，搅拌使其充分溶解，在N2保护条件下，室温反应12小时；
步骤三：室温搅拌下，将摩尔量二倍于步骤1产物的重均分子量10000-40000葡聚糖用二甲基亚砜完全溶解，并加入步骤2的溶液中，再搅拌反应24个小时，反应完成后，用与反应液等体积的去离子水稀释反应产物，再用透析袋在去离子水中透析，8小时换一次水，透析5天后冷冻干燥，可得到取代度为4％的产物；
步骤四：在三口烧瓶中加入数均分子量为200-8000的聚乙二醇和摩尔量为其2.5倍的二氯马来酸酐，用甲苯完全溶解，在氮气保护下120℃回流10小时，待冷却后，再加入2倍于反应液体积的乙醚中沉淀，减压抽滤，后在真空干燥箱中烘干24小时，得到淡黄色产物；
步骤五：将步骤三与步骤四产物按摩尔比为1:2混合，混合后按照总质量分数为10％、20％和25％分别溶解在pH＝7磷酸盐缓冲溶液中，混合后涡旋震荡均匀，放置37℃水浴中反应10分钟，分别得到质量分数为10％、20％，25％的水凝胶。
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