CN103965810A

CN103965810A - 一种可在潮湿表面粘接及水下固化的仿贻贝胶的制备方法

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Publication number: CN103965810A
Application number: CN201410142226.5A
Authority: CN
Inventors: 穆有炳; 李爱磊; 万晓波; 贾明辰; 王德龙
Original assignee: Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology of CAS
Current assignee: Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology of CAS
Priority date: 2014-04-11
Filing date: 2014-04-11
Publication date: 2014-08-06
Anticipated expiration: 2034-04-11
Also published as: CN103965810B

Abstract

本发明涉及可在潮湿表面粘接及水下固化的仿贻贝胶的制备方法，主要特征为：该胶由A、B双组分组成，A组分为含邻苯二酚基团的聚合物的甲醇溶液，其中含邻苯二酚基团的聚合物由N-乙烯吡咯烷酮和可聚合邻苯二酚衍生物单体经自由基共聚后，再经去保护后获得；B组分为交联固化剂。其优点在于：1）此合成方法简捷高效，且反应过程中所用的原料和试剂都廉价易得，易于操作过程的放大以及实现工业化生产；2）该胶具有一定的生物相容性及初粘性，可在潮湿表面粘接及水下固化，胶合强度可达到1MPa以上，能应用于人体组织粘接、常用基材的潮湿环境及水下粘接。本发明专利成功地实现了合成高分子与天然贻贝粘附蛋白的完美结合，可望突破当前仿生贻贝胶的技术瓶颈，同时也为基于贝类开发仿生高分子材料提供了新的途径。

Description

一种可在潮湿表面粘接及水下固化的仿贻贝胶的制备方法

技术领域

本发明涉及一种可在潮湿表面粘接及水下固化的仿生贻贝胶的制备方法，尤其涉及一种具有较高强度、较好生物相容性的基于聚乙烯吡咯烷酮的仿生贻贝胶的制备方法。

背景技术

水下或者潮湿环境下的黏结及水下固化一直是胶黏剂领域的难点之一，大多数合成类胶黏剂（如：氰基丙烯酸酯类胶黏剂）都很难实现在水下或者潮湿环境下的强力粘附。贻贝由于其独特的生理结构，在潮湿的水环境下所展现出的超强黏附性而备受关注。研究发现，在贻贝丝足黏附相关蛋白中存在大量的3, 4-二羟基苯丙氨酸(DOPA，多巴)。DOPA 中邻苯二酚基团具有很强配位能力, 能与金属形成可逆的有机金属络合物，而且邻苯二酚被氧化成醌后能与很多基团反应形成共价键，DOPA 这种强共价及非共价相互作用是贻贝黏附蛋白具有强力粘附力的主要原因。

然而传统的蛋白提取法和基因工程克隆法制备的贻贝粘附蛋白却面临诸多困境，如制备量极低、工艺复杂和价格昂贵等，10000只贻贝仅能提取1g 超强度黏液，难以满足需求。而通过化学手段合成的高分子简单易得，价格便宜，且候选对象多，方便实现性能调控。因此近年来，贻贝仿生高分子粘附材料受到极大的关注，通过高分子仿生的手段来获得天然贻贝粘附蛋白的神奇粘接性能成为焦点之一，这方面的专利包括：US2003087338，US2009036611，WO2007127225，CN200680046316.8，CN200710144021.0，CN201010186287.3，CN201310280022.3，CN201310624855.7，CN201310215587.3。尽管仿生贻贝胶材料的研究已取得可喜的进展，但是，实现强力的水下黏附仍然是一个棘手的难题。目前还没有可在湿润表面粘接剂及水下固化并且胶合强度能达1MPa以上的仿生贻贝胶的专利报道。

为实现在潮湿表面粘接及水下固化并达到较高的胶合强度，本发明开发了一种基于聚乙烯吡咯烷酮的仿生贻贝胶。利用聚乙烯吡咯烷酮优良的生物相容性、良好的粘接性及初粘性，结合天然贻贝粘附蛋白的结构特点，在聚乙烯吡咯烷酮主链上引入儿茶酚基团，可实现潮湿表面粘接及水下固化，胶合强度能达到1MPa以上，成功地实现了合成高分子对天然贻贝粘附蛋白性能的模拟，可望解决当前合成胶黏剂水下或者潮湿环境下粘附性能差的缺陷，是一种新型的仿生贻贝胶的合成技术，同时也为针对贝类的有效蛋白成分开发新型仿生高分子材料提供了新的途径。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可在潮湿表面粘接及水下固化的仿生贻贝胶的制备方法，以解决现有仿生贻贝胶在潮湿环境及水下粘接时胶合强度低的问题。

为实现上述目的，本发明开发了一种基于聚乙烯吡咯烷酮合成仿生贻贝胶的制备方法，其制备方法为：该胶由A、B双组份组成，A组分为含邻苯二酚基团的聚合物的甲醇溶液，B组分为交联固化剂， A组分和B组分按一定比例混合后即得仿生贻贝胶。A组分中含邻苯二酚基团的聚合物的质量分数为10-50%，A、B组分混合时B组分用量为A组分中邻苯二酚基团含量的1/3(摩尔分数)。

其中：含邻苯二酚基团的聚合物由N-乙烯吡咯烷酮和可聚合邻苯二酚衍生物单体经自由基共聚后，再经去保护后获得，其结构可为如下两种（聚合物I′和聚合物Ⅱ′）：

聚合物I′中x:y(摩尔比)=3:97~1:2，数均分子量为5000-50000；聚合物Ⅱ′中m:n(摩尔比)=3:97~1:2，数均分子量为5000-100000。

合成聚合物I′所用的可聚合邻苯二酚衍生物单体的结构如下。

合成聚合物Ⅱ′所用的可聚合邻苯二酚衍生物单体包含如下结构。

利用自由基共聚合成聚合物时采用常规的溶液聚合，聚合时所用引发剂为能引发双键进行自由基共聚的偶氮类或过氧类引发剂，溶剂为四氢呋喃或卤代烷烃。

所用交联固化剂为FeCl₃、Fe(NO₃)₃等其它含Fe³⁺的化合物或高碘酸钠、高碘酸锂、四丁基高碘酸铵等其它含IO₄ ^-的化合物。

与现有技术相比，本发明有如下优点：

本发明从价廉易得的工业原料N-乙烯吡咯烷酮出发，通过简单的化学反应引入儿茶酚基团，采用常规的自由基共聚手段，高效地合成了具有儿茶酚基团的聚乙烯吡咯烷酮共聚物；合成方法简捷高效，且反应过程中所用的原料和试剂都廉价易得，易于操作过程的放大以及实现工业化生产；开发的仿生贻贝胶可在潮湿表面粘接及水下固化，胶合强度达1MPa以上，由于主链含有聚乙烯吡咯烷酮，具有较好的生物相容性及初粘性，实现了合成高分子与天然贻贝粘附蛋白的完美结合，可望突破当前仿生贻贝胶的技术瓶颈，同时也为基于贝类开发仿生高分子材料提供了新的途径。

具体实施方式

通过下述实施例将有助于理解本发明，但不限制本发明的内容。

实施例1

于50ml反应瓶中加入N-乙烯吡咯烷酮（NVP)( 2.22g 0.02mol)、邻苯二酚衍生物MSt ( 0.10g 0.6mmol)和THF(5mL),加入AIBN (0.04mmol 6.6mg)，通氩气30min，60℃下反应24h。降至室温，于正己烷（100mL)中沉淀，将沉淀物反复溶解沉淀三次，干燥，得到共聚物I _m（2.1g)（M_n=51KDa M_w/M_n=1.7）。

于50ml 反应瓶中加入所制备共聚物I _m，四氢呋喃（6mL), 三溴化硼（0.7g 2.8mmol), 在氩气保护下反应10小时。将浓缩后的反应溶液在搅拌下滴入正己烷（50mL)中，将沉淀物反复溶解沉淀三次，干燥，得到聚合物I′ _m (1.7g)。聚合物I′ _m溶于2mL无水乙醇，加入0.03g三氯化铁，搅拌均匀即得仿生贻贝胶。

实施例2

于50ml反应瓶中加入N-乙烯吡咯烷酮（NVP)( 2.22g 0.02mol)、邻苯二酚衍生物BSt ( 3.64g 0.1mol)和THF(10mL),加入AIBN (0.4mmol 66mg)，通氩气30min，60℃下反应48h。降至室温，于正己烷（100mL)中沉淀，将沉淀物反复溶解沉淀三次，干燥，得到共聚物I _B（4.1g)（M_n=4.9KDa M_w/M_n=2.1）。

于50ml 反应瓶中加入所制备共聚物I _B，四氢呋喃（15mL), 浓盐酸（2mL), 在氩气保护下反应10小时。将浓缩后的反应溶液在搅拌下滴入正己烷（50mL)中，将沉淀物反复溶解沉淀三次，干燥，得到聚合物I′ _B (3.1g)。聚合物I′ _B溶于35mL无水乙醇，加入0.57g三氯化铁，搅拌均匀即得仿生贻贝胶（基材为铝时，湿润表面粘接于水下固化后胶合强度为1.2MPa）。

实施例3

于50ml反应瓶中加入N-乙烯吡咯烷酮（NVP)( 2.22g 0.02mol)、邻苯二酚衍生物ENVP( 0.32g 0.6mmol)和THF(10mL),加入AIBN (0.5mmol 82mg)，通氩气30min，60℃下反应48h。降至室温，于正己烷（100mL)中沉淀，将沉淀物反复溶解沉淀三次，干燥，得到共聚物Ⅱ _E（2.0g)（M_n=5.1KDa M_w/M_n=1.8）。

于50ml 反应瓶中加入所制备共聚物Ⅱ _E，四氢呋喃（15mL), 浓盐酸（2mL), 在氩气保护下反应10小时。将浓缩后的反应溶液在搅拌下滴入正己烷（50mL)中，将沉淀物反复溶解沉淀三次，干燥，得到聚合物Ⅱ′ _E (1.4g)。聚合物Ⅱ′ _E溶于10mL无水乙醇，按聚合物中邻苯二酚基团含量的1/3(摩尔分数)加入三氯化铁，搅拌均匀即得仿生贻贝胶（基材为铝时，湿润表面粘接于水下固化后胶合强度为1.18MPa）。

实施例4

于50ml反应瓶中加入N-乙烯吡咯烷酮（NVP)( 2.22g 0.02mol)、邻苯二酚衍生物HNVP( 1.09g 2mmol)和THF(10mL),加入AIBN (0.1mmol 16.4mg)，通氩气30min，60℃下反应48h。降至室温，于正己烷（100mL)中沉淀，将沉淀物反复溶解沉淀三次，干燥，得到共聚物Ⅱ _H（2.32g)（M_n=17KDa M_w/M_n=1.9）。

于50ml 反应瓶中加入所制备共聚物Ⅱ _H，四氢呋喃（15mL), 浓盐酸（2mL), 在氩气保护下反应10小时。将浓缩后的反应溶液在搅拌下滴入正己烷（50mL)中，将沉淀物反复溶解沉淀三次，干燥，得到聚合物Ⅱ′ _H (1.6g)。聚合物Ⅱ′ _H溶于10mL无水乙醇，按聚合物中邻苯二酚基团含量的1/3(摩尔分数)加入三氯化铁，搅拌均匀即得仿生贻贝胶。

实施例5

于50ml反应瓶中加入N-乙烯吡咯烷酮（NVP)( 2.22g 0.02mol)、邻苯二酚衍生物PNVP( 2.51g 5mmol)和THF(10mL),加入AIBN (0.02mmol 3.3mg)，通氩气30min，60℃下反应48h。降至室温，于正己烷（100mL)中沉淀，将沉淀物反复溶解沉淀三次，干燥，得到共聚物Ⅱ _P（3.36g)（M_n=101KDa M_w/M_n=1.8）。

于50ml 反应瓶中加入所制备共聚物Ⅱ _P，四氢呋喃（15mL), 浓盐酸（2mL), 在氩气保护下反应10小时。将浓缩后的反应溶液在搅拌下滴入正己烷（50mL)中，将沉淀物反复溶解沉淀三次，干燥，得到聚合物Ⅱ′ _P (2.3g)。聚合物Ⅱ′ _P溶于10mL无水乙醇，按聚合物中邻苯二酚基团含量的1/3(摩尔分数)加入三氯化铁，搅拌均匀即得仿生贻贝胶。

实施例6

于50ml反应瓶中加入N-乙烯吡咯烷酮（NVP)( 2.22g 0.02mol)、邻苯二酚衍生物TNVP( 5.42g 0.01mol)和THF(15mL),加入AIBN (0.1mmol 16.4mg)，通氩气30min，60℃下反应48h。降至室温，于正己烷（100mL)中沉淀，将沉淀物反复溶解沉淀三次，干燥，得到共聚物Ⅱ _T（5.42g)（M_n=21KDa M_w/M_n=2.1）。

于50ml 反应瓶中加入所制备共聚物Ⅱ _T，四氢呋喃（15mL), 浓盐酸（2mL), 在氩气保护下反应10小时。将浓缩后的反应溶液在搅拌下滴入正己烷（50mL)中，将沉淀物反复溶解沉淀三次，干燥，得到聚合物Ⅱ′ _T (3.8g)。聚合物Ⅱ′ _T溶于10mL无水乙醇，按聚合物中邻苯二酚基团含量的1/3(摩尔分数)加入三氯化铁，搅拌均匀即得仿生贻贝胶（基材为铝时，湿润表面粘接于水下固化后胶合强度为1.35MPa）。

实施例7

于50ml反应瓶中加入N-乙烯吡咯烷酮（NVP)( 2.22g 0.02mol)、邻苯二酚衍生物CNVP( 2.81g 0.005mol)和THF(15mL),加入AIBN (0.067mmol 11mg)，通氩气30min，60℃下反应48h。降至室温，于正己烷（100mL)中沉淀，将沉淀物反复溶解沉淀三次，干燥，得到共聚物Ⅱ _C（3.57g)（M_n=28KDa M_w/M_n=2.2）。

于50ml 反应瓶中加入所制备共聚物Ⅱ _C，四氢呋喃（15mL), 浓盐酸（2mL), 在氩气保护下反应10小时。将浓缩后的反应溶液在搅拌下滴入正己烷（50mL)中，将沉淀物反复溶解沉淀三次，干燥，得到聚合物Ⅱ′ _C (2.4g)。聚合物Ⅱ′ _C溶于10mL无水乙醇，按聚合物中邻苯二酚基团含量的1/3(摩尔分数)加入三氯化铁，搅拌均匀即得仿生贻贝胶（基材为铝时，湿润表面粘接于水下固化后胶合强度为1.05MPa）。

实施例8

于50ml反应瓶中加入N-乙烯吡咯烷酮（NVP)( 2.22g 0.02mol)、邻苯二酚衍生物NNVP( 3.28g 0.005mol)和氯仿(15mL),加入AIBN (0.067mmol 11mg)，通氩气30min，60℃下反应48h。降至室温，于正己烷（100mL)中沉淀，将沉淀物反复溶解沉淀三次，干燥，得到共聚物Ⅱ _N（3.91g)（M_n=31KDa M_w/M_n=2.3）。

于50ml 反应瓶中加入所制备共聚物Ⅱ _N，四氢呋喃（15mL), 浓盐酸（2mL), 在氩气保护下反应10小时。将浓缩后的反应溶液在搅拌下滴入正己烷（50mL)中，将沉淀物反复溶解沉淀三次，干燥，得到聚合物Ⅱ′ _N (3.1g)。聚合物Ⅱ′ _N溶于10mL无水乙醇，按聚合物中邻苯二酚基团含量的1/3(摩尔分数)加入四丁基高碘酸铵，搅拌均匀即得仿生贻贝胶。

实施例9

于50ml反应瓶中加入N-乙烯吡咯烷酮（NVP)( 2.22g 0.02mol)、邻苯二酚衍生物QNVP( 2.87g 0.005mol)和THF(15mL),加入AIBN (0.067mmol 11mg)，通氩气30min，60℃下反应48h。降至室温，于正己烷（100mL)中沉淀，将沉淀物反复溶解沉淀三次，干燥，得到共聚物Ⅱ _Q（3.61g)（M_n=26KDa M_w/M_n=2.1）。

于50ml 反应瓶中加入所制备共聚物Ⅱ _Q，四氢呋喃（15mL), 浓盐酸（2mL), 在氩气保护下反应10小时。将浓缩后的反应溶液在搅拌下滴入正己烷（50mL)中，将沉淀物反复溶解沉淀三次，干燥，得到聚合物Ⅱ′ _Q (3.0g)。聚合物Ⅱ′ _Q溶于33mL无水乙醇，按聚合物中邻苯二酚基团含量的1/3(摩尔分数)加入四丁基高碘酸铵，搅拌均匀即得仿生贻贝胶（基材为铝时，湿润表面粘接于水下固化后胶合强度为1.12MPa）。

Claims

1.一种可在潮湿表面粘接及水下固化的仿贻贝胶的制备方法，其特征在于：

该胶为A、B双组份胶粘剂，A组分为含邻苯二酚基团的聚合物的甲醇溶液，B组分为交联固化剂，A组分和B组分按一定比例混合后即得仿生贻贝胶；A组分中含邻苯二酚基团的聚合物的质量分数为10-50%，A、B组分混合时B组分用量为A组分中邻苯二酚基团含量的1/3(摩尔分数)；

2.根据权利要求1所述的一种可在潮湿表面粘接及水下固化的仿贻贝胶的制备方法，其特征在于合成聚合物I′所用的可聚合邻苯二酚衍生物单体的结构如下。

3.根据权利要求1所述的一种可在潮湿表面粘接及水下固化的仿贻贝胶的制备方法，其特征在于合成聚合物Ⅱ′所用的可聚合邻苯二酚衍生物单体包含如下结构。

4.根据权利要求1所述的一种可在潮湿表面粘接及水下固化的仿贻贝胶的制备方法，其特征在于利用自由基共聚合成聚合物时采用常规的溶液聚合，聚合时所用引发剂为能引发双键进行自由基共聚的偶氮类或过氧类引发剂，溶剂为四氢呋喃或卤代烷烃。

5.根据权利要求1所述的一种可在潮湿表面粘接及水下固化的仿贻贝胶的制备方法，其特征在于所用交联固化剂为FeCl₃、Fe(NO₃)₃等其它含Fe³⁺的化合物或高碘酸钠、高碘酸锂、四丁基高碘酸铵等其它含IO₄ ^-的化合物。