CN105001442B - 一种微孔自发泡制备多孔水凝胶的方法 - Google Patents

一种微孔自发泡制备多孔水凝胶的方法 Download PDF

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Abstract

一种微孔自发泡制备多孔水凝胶的方法，步骤如下：A、室温下将4～7份重的聚谷氨酸和2～5份重的赖氨酸溶入45～55份重的蒸馏水中，以100～200r/min搅拌均匀，得到聚谷氨酸和赖氨酸的匀相溶液；B、在A步得到的匀相溶液中，加入3～7份重的1‑(3‑二甲氨基丙基)‑3‑乙基碳二亚胺盐酸盐，2～4份重的N‑羟基琥珀酰亚胺，以500～800r/min快速搅拌均匀，形成待发泡的匀相溶液；C、将B步得到的待发泡的匀相溶液倒入模具中，静置，即开始自行发泡形成水凝胶；D、将C步得到的水凝胶用酒精浸泡清洗，即完成制备。该方法操作流程简便、生产周期短、反应条件温和，且制备的多孔水凝胶具有良好的生物相容性。

Description

一种微孔自发泡制备多孔水凝胶的方法
技术领域
本发明涉及一种水凝胶材料的制备方法，特别是一种微孔自发泡制备多孔水凝胶材料的方法。
背景技术
水凝胶是一种有亲水性但不溶于水的高分子聚合物。它们在水中可迅速膨胀至平衡体积而能保持其形状和三维空间网络结构，并在一定的条件下脱水退溶胀，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，被广泛应用于工业，农业，工程医药和生物工程等领域。
多孔水凝胶是指在水凝胶中引入孔状结构，可以通过毛细管作用迅速使水吸入水凝胶；且孔状结构大大提高了凝胶内部的比表面积，使凝胶内部的亲水集团迅速的与水分子接触，进一步提高吸水率，解决了传统水凝胶吸水速率慢的问题。多孔水凝胶不仅有较高和较快的吸水率，还可以应用在组织工程领域促进细胞与外界进行营养物质的交换。现在多孔水凝胶的制备方法主要包括发泡法、致孔法、相分离法等。通常发泡法是指在聚合体系中加入发泡剂来形成多孔的方法，发泡剂根据发泡原理的不同可以分为两种，一种是能与反应单体发生化学反应生成气体如碳酸钠、碳酸氢钠等，另一种则是一些低沸点的有机溶剂如丙酮，乙醇等。这些发泡剂的加入无疑为以后物质的提纯增加了难度，对反应单体聚合也会有一定的阻聚作用，并且发泡剂需与反应单体之间发生化学反应产生气体，这就使此方法的应用有了一定的局限性。
致孔法是指在致孔剂存在的条件下，再用水或者酸溶液将致孔剂浸泡、溶解或者冲洗掉而在原来位置留下孔洞从而获得多孔结构的方法。致孔剂是溶于水或酸而不溶于有机溶剂的物质例如微粉状的蔗糖、聚乙二醇、NaCl、CaCO3和硅胶颗粒。致孔法的不足之处在于：溶解、水洗、浸泡除去去致孔剂所需时间较长延长了材料制备的时间；产物中易残留少量的致孔剂；孔结构的开孔性较差；用酸洗易破坏水凝胶网络结构。
相分离法是利用某些聚合物在聚合溶剂的不溶解性而产生聚合物相和溶剂相的分离，在接下来的干燥过程中，聚合物溶剂挥发脱除，在聚合物基体中留下多孔结构。这种方法需加入不同的有机溶剂作为溶剂相，这对聚合物的聚合有一定的阻聚作用，同时在除去溶剂的过程中延长了材料制备周期，某些有机溶剂的挥发会对对环境造成一定污染。
发明内容
本发明的目的是提供一种微孔自发泡制备多孔水凝胶的方法。该方法操作流程简便、生产周期短、反应条件温和，且制备的多孔水凝胶具有良好的生物相容性，在细胞培养，骨和软骨组织修复，药物释放以及医用敷料等相关领域有较好的应用前景。
本发明实现其发明目的所采取的技术手段是：一种微孔自发泡制备多孔水凝胶的方法，其步骤如下：
A、在室温下将4～7份重量的聚谷氨酸和2～5份重量的赖氨酸溶入45～55份重量的蒸馏水中，以100～200r/min的转速搅拌均匀，得到聚谷氨酸和赖氨酸的匀相溶液；
B、在A步得到的匀相溶液中，加入3～7份重量的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐，2～4份重量的N-羟基琥珀酰亚胺，以500～800r/min的转速快速搅拌均匀，形成待发泡的匀相溶液；
C、将B步得到的待发泡的匀相溶液倒入制备水凝胶的模具中，静置，即开始自行发泡形成水凝胶；
D、将C步得到的水凝胶用酒精浸泡清洗，除去未反应的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺，即完成多孔水凝胶的制备。
上述将C步得到的水凝胶用酒精浸泡清洗的具体操作是：将制备好的水凝胶放入80％的酒精中浸泡48小时，每个12小时换一次酒精。
本发明的原理是：根据亨利定律，在一定的温度和压力下，气体在溶液中的溶解度与液面上该溶质的平衡压力成正比，在搅拌过程和后来的发泡过程中，空气逐渐溶入到匀相溶液中。聚谷氨酸具有较大的黏度，可将气体包裹住使其在均相溶液中形成微小的气泡。同时，此反应为放热反应，在反应过程中放出大量的热量，温度升高使整个体系处于热力学不平衡的状态。又由于匀相溶液中不可避免地存在除气体和聚合物以外的游离杂质和添加剂，在气、液、固三相共存的交界面存在一个低能点，成核时气体分子在热力学不稳定的驱动下不停地向该低能点界面扩散，不停地聚集诱导气泡在该界面非均相形核。形核后，气体分子持续从均相溶液扩散进入泡核使其膨胀扩大。同时聚谷氨酸和赖氨酸通过交联剂1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)，N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)产生交联形成三维网状结构。随着气泡的长大，气泡与聚谷氨酸与赖氨酸形成的三维网状结构之间有良好的尺寸匹配，三维网络结构防止气泡在发泡的过程中溢出。然后，气泡之间不断的融合贯通，最终形成多孔的水凝胶材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、该方法引入微孔自发泡的原理，并利用氨基酸之间的交联反应即完成多孔水凝胶的制备，无需加入多致孔剂，工艺流程比较简单，反应条件温和，只需在室温下搅拌，投料，且整个生产周期短，有利于在工业上的大规模应用。
二、该方法所用的交联剂1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺具有良好的溶解性，只需将发泡得到多孔水凝胶浸泡在酒精中即可去除未反应的交联剂和杂质，大大缩短了除杂时间，且不会造成环境污染。
三、发泡过程是均相体系中气体不断聚合膨胀的过程，不需加热，只在室温下反应，节约了大量的能源。
四、本发明采用的原料具有良好的生物相容性，为制备得到的多孔水凝胶在细胞培养，骨和软骨组织修复，药物释放以及医用敷料等相关领域应用提供了有利条件。
附图说明
图1为本发明实施例一制备的多孔水凝胶放大50倍的电子扫描显微镜图像。
图2为本发明实施例一制备的多孔水凝胶放大100倍的电子扫描显微镜图像。
具体实施方式
实施例一
一种微孔自发泡制备多孔水凝胶的方法，其步骤如下：
A、在室温下将4份重量的聚谷氨酸和2份重量的赖氨酸溶入45份重量的蒸馏水中，以100r/min的转速搅拌均匀，得到聚谷氨酸和赖氨酸的匀相溶液；
B、在A步得到的匀相溶液中，加入3份重量的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐，2份重量的N-羟基琥珀酰亚胺，以500r/min的转速快速搅拌均匀，形成待发泡的匀相溶液；
C、将B步得到的待发泡的匀相溶液倒入制备水凝胶的模具中，静置，即开始自行发泡形成水凝胶；
D、将C步得到的水凝胶用酒精浸泡清洗，除去未反应的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺，即完成多孔水凝胶的制备。
图1为制备的多孔水凝胶50倍的电子扫描显微镜图像，图2为制备的多孔水凝胶100倍的电子扫描显微镜图像。
实施例二
一种微孔自发泡制备多孔水凝胶的方法，其步骤如下：
A、在室温下将7份重量的聚谷氨酸和5份重量的赖氨酸溶入55份重量的蒸馏水中，以200r/min的转速搅拌均匀，得到聚谷氨酸和赖氨酸的匀相溶液；
B、在A步得到的匀相溶液中，加入3～7份重量的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐，4份重量的N-羟基琥珀酰亚胺，以800r/min的转速快速搅拌均匀，形成待发泡的匀相溶液；
C、将B步得到的待发泡的匀相溶液倒入制备水凝胶的模具中，静置，即开始自行发泡形成水凝胶；
D、将C步得到的水凝胶用酒精浸泡清洗，除去未反应的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺，即完成多孔水凝胶的制备。
实施例三
一种微孔自发泡制备多孔水凝胶的方法，其步骤如下：
A、在室温下将5份重量的聚谷氨酸和3份重量的赖氨酸溶入50份重量的蒸馏水中，以150r/min的转速搅拌均匀，得到聚谷氨酸和赖氨酸的匀相溶液；
B、在A步得到的匀相溶液中，加入4份重量的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐，3份重量的N-羟基琥珀酰亚胺，以600r/min的转速快速搅拌均匀，形成待发泡的匀相溶液；
C、将B步得到的待发泡的匀相溶液倒入制备水凝胶的模具中，静置，即开始自行发泡形成水凝胶；
D、将C步得到的水凝胶用酒精浸泡清洗，除去未反应的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺，即完成多孔水凝胶的制备。
实施例四
一种微孔自发泡制备多孔水凝胶的方法，其步骤如下：
A、在室温下将6份重量的聚谷氨酸和4份重量的赖氨酸溶入52份重量的蒸馏水中，以130r/min的转速搅拌均匀，得到聚谷氨酸和赖氨酸的匀相溶液；
B、在A步得到的匀相溶液中，加入6份重量的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐，3份重量的N-羟基琥珀酰亚胺，以700r/min的转速快速搅拌均匀，形成待发泡的匀相溶液；
C、将B步得到的待发泡的匀相溶液倒入制备水凝胶的模具中，静置，即开始自行发泡形成水凝胶；
D、将C步得到的水凝胶用酒精浸泡清洗，除去未反应的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺，即完成多孔水凝胶的制备。

Claims (1)

1.一种微孔自发泡制备多孔水凝胶的方法，其步骤如下：
A、室温下将4～7份重量的聚谷氨酸和2～5份重量的赖氨酸溶入45～55份重量的蒸馏水中，以100～200r/min的转速搅拌均匀，得到聚谷氨酸和赖氨酸的匀相溶液；
B、在A步得到的匀相溶液中，加入3～7份重量的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐，2～4份重量的N-羟基琥珀酰亚胺，以500～800r/min的转速快速搅拌均匀，形成待发泡的匀相溶液；
C、将B步得到的待发泡的匀相溶液倒入制备水凝胶的模具中，静置，即开始自行发泡形成水凝胶；
D、将C步得到的水凝胶用酒精浸泡清洗，除去未反应的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺，即完成多孔水凝胶的制备。
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