CN105294934A - 一种高强度抗菌水凝胶及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度抗菌水凝胶的制备方法，所述方法包括：用冷却后的煮沸蒸馏水，将顺丁烯二酸、丙烯酰胺、羧甲基壳聚糖、交联剂、引发剂、催化剂溶解在水溶液中，将配制好的溶液快速转移至玻璃模具中，密封后的模具置于45～55℃的环境下保温反应2～6h；然后取出模具内成型的水凝胶，浸泡在浓度为0.05～0.25M的可溶性金属盐溶液中24h，之后取出即为高强度抗菌的水凝胶。本发明所述的水凝胶在表现出了一定的机械强度的同时具备了良好的抗菌效果，以满足其在人体软骨修复、组织工程等方面的应用需求。

Description

一种高强度抗菌水凝胶及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种水凝胶的制备领域，尤其是高强度、高抗菌性能水凝胶的制备。

技术背景

水凝胶是功能高分子材料的一种，内部带有强烈的亲水基团，因而对水有特殊吸附作用，通过分子间交联，形成网状结构。吸水性凝胶材料吸水的特点不同于海绵、棉布等吸附材料，它可以吸收是自身质量成百上千倍的水，并与水牢固结合，然后膨胀形成水凝胶。这种凝胶中的水即使受到相当大的压力也很少被挤出。这一特殊功能使得吸水性高分子凝胶材料在被发现之后就得到了快速发展。制备水凝胶一般采用高分子材料，包括天然高分子材料和合成高分子材料。天然高分子材料因其生物相容性较好而常被选用，但是天然高分子也存在一些缺点：比如材料性能的重复性差，机械强度较差，而且结构与性能可调范围窄，致使其难以满足其各种实际要求。合成高分子水凝胶具有诸多优点：合成材料通过控制条件，其生产重复性好，可根据需要大量生产，通过简单的物理、化学改性，获得广泛的性能，以满足不同需要。但是合成高分子的生物相容性一般较差。为了解决上述问题，越来越多的研究者尝试了各种方法去合成新型的水凝胶。JournalofPolymerScience期刊在2004年有过这样一篇报道，Park等人采用冻融法合成了聚乙烯醇/聚维酮共聚物水凝胶，在合成过程中加入了芦荟成分已达到抗菌的效果，后来发现随着聚合物中芦荟含量的增加，凝胶的强度下降。因此制作一种具有一定机械强度同时具有良好抗菌性的水凝胶具有很大的实际应用意义及前景。

羧甲基壳聚糖(CMCH)是一种水溶性壳聚糖衍生物，有许多特性，如抗菌性强，具有保鲜作用，是一种两性聚电解质等。在化妆品、保鲜、医药等方面有多种应用，也是近年来研究得较多的壳聚糖衍生物之一。另外，顺丁烯二酸(MA)是一种含有两个羧基和一个不饱和双键的聚合物单体，可以在保留羧基的情况下与其他含有双键的单体产生共聚，共聚之后的大分子长链上由于含有大量羧基，从而可以和金属阳离子形成离子键，增强聚合物的机械强度。

国内对于高强度抗菌水凝胶的研究以及报道非常少，这是由于一般的水凝胶难以做到高强度与良好的抗菌性能同时兼顾，而且许多水凝胶本身存在一些缺陷，如接触细菌造成的感染等问题，某些医用水凝胶由于本身没有抗菌性能，因此在使用过程中必须通过各种方式灭菌等。本发明将顺丁烯二酸、丙烯酰胺(AM)和羧甲基壳聚糖在水溶液中通过催化剂、引发剂和交联剂发生反应，然后通过金属阳离子浸泡处理的方法构建出一种同时含有共价键交联和离子键交联的半互穿双网络水凝胶，这种水凝胶产品在表现出了一定的机械强度的同时具备了良好的抗菌效果。

发明内容

为制备一种新型高强度抗菌水凝胶，本发明将顺丁烯二酸、丙烯酰胺和羧甲基壳聚糖在水溶液中通过催化剂、引发剂和交联剂发生反应，然后依次通过金属阳离子浸泡处理的方法构建出一种同时含有共价键交联和离子键交联的半互穿双网络水凝胶。所制备的高强度水凝胶拉伸应变可达162％，拉伸强度可达1.44MPa，断裂能可达62.48MJ/m³。

互穿网络聚合物是两种聚合物以网络的形式互相贯穿的聚集态结构，在互穿网络聚合物中至少有一种聚合物是合成交联的，另一种聚合物与前一种聚合物没有共价键结合，而是贯穿于前一种聚合物的网络之中。其中半互穿是指在由两种聚合物形成的网络中，如果有一种是线性分子，该网络称为半互穿聚合物网络；双网络水凝胶是指由两个互穿或半互穿的聚合物网络构成的水凝胶，它们在力学强度和韧性上优于其中任何一个单网络凝胶。在双网络凝胶中，其中一个网络的链段处于高度舒展并密实交联的状态，赋予凝胶强度和刚性；而另一个网络的链段则处于蜷曲且疏松交联的状态，使得凝胶具有柔性和韧性。

为了达到上述目的，本发明所采取的技术方案如下：

本发明提供一种新型高强度抗菌水凝胶，其特征在于，具有以下链单元：

其中各结构单元的质量比与顺丁烯二酸、丙烯酰胺和交联剂的投料比相同，即m：n：t＝MA(顺丁烯二酸)：AM(丙烯酰胺)：交联剂(质量，参照各实施例)；

优选的，所述高强度抗菌水凝胶，其特征在于，该水凝胶属于体型交联，理论上整个凝胶为一个大分子，其一个分子的质量等于整个凝胶的质量；

优选的，所述高强度抗菌水凝胶，其特征在于，其红外光谱具有以下波长的特征吸收峰：

3347～33493、3196～3198、2936～2938、1658～1660、1416～1418、1323～1325、1119～1121、691～693；其红外光谱如图5所示。

优选的，所述高强度抗菌水凝胶的拉伸应变为50～250％，拉伸强度为0～3MPa，断裂能30～70MJ/m³；

优选的，所述高强度抗菌水凝胶，由下述重量份的各个组分制备而成：

顺丁烯二酸0.5～2.5份、丙烯酰胺4～6份、羧甲基壳聚糖0.5～2份，可溶性金属盐0.05～0.25份，交联剂、引发剂、催化剂分别为顺丁烯二酸、丙烯酰胺和羧甲基壳聚糖三者总份数的0.02～0.08wt％、0.11～0.21wt％、0.18～0.3wt％；

所述的交联剂选自二甲基丙烯酸乙二醇酯、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、二乙烯基苯中的其中一种；

所述的引发剂选自过硫酸钾、过硫酸铵、过硫酸钠中的其中一种；

所述的催化剂选自五甲基二亚乙基三胺、四甲基乙二胺中的其中一种；

所述的可溶性金属盐选自FeCl₃，AlCl₃，CaCl₂，MgCl₂中的其中一种。

本发明还提供所述的水凝胶的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：

1)将蒸馏水煮沸密封冷却至室温以除去水中的氧气，冷却后的水备用；

2)抽真空并在持续搅拌条件下，取顺丁烯二酸、丙烯酰胺和羧甲基壳聚糖溶于步骤1)制备的水中，所述的顺丁烯二酸0.5～2.5份、丙烯酰胺4～6份、羧甲基壳聚糖0.5～2份；

3)真空、持续搅拌条件下，将交联剂、引发剂、催化剂加入步骤2)所得的溶液中，持续搅拌至溶液透明，无固体颗粒悬浮后，停止抽真空，所述的交联剂、引发剂、催化剂分别为顺丁烯二酸、丙烯酰胺和羧甲基壳聚糖三者总份数的0.02～0.08wt％、0.11～0.21wt％、0.18～0.3wt％；

4)将步骤3)配制好的溶液转移至玻璃模具中，密封后，置于45～55℃下，保温反应4～6h，即为成型的水凝胶；

5)将水凝胶浸泡在浓度为0.05～0.25M的可溶性金属盐水溶液中24小时，取出水凝胶继续在去离子水中浸泡24小时，即得产品。

优选的，所述的真空，为-0.1～0MPa的真空度。

在本发明中顺丁烯二酸与丙烯酰胺共聚并通过共价键交联形成大分子网络与溶液中的羧甲基壳聚糖大分子链互穿在一起，然后水凝胶通过金属阳离子溶液浸泡之后，羧甲基壳聚糖大分子链上的羧基、顺丁烯二酸上的羧基与金属阳离子形成离子键又进一步加强了这个混合网络的强度。

在构建离子键交联的过程中，我们选择了顺丁烯二酸作为带有反应活性点的聚合单体。顺丁烯二酸相比较于丙烯酸拥有二倍当量的羧基可以提高更多的交联点，同时由于丙烯酸有较强的腐蚀性和毒性，采用顺丁烯二酸替代丙烯酸能够降低生产过程中的潜在危害。

本发明的有益效果：

1、本发明同时采用共价键交联与离子键交联的形式，构建一种半互穿双网络聚合物水凝胶，由于共价键交联的水凝胶自恢复能力差，运用离子键具有断裂后自主恢复的特性可以有效地改善该水凝胶的自恢复能力。

2、本发明采用羧甲基壳聚糖为反应物，在利用羧甲基壳聚糖分子链上的羧基与Fe³⁺离子形成离子键交联的同时，利用其本身稳定的性质和抗菌抗感染性能，使得该水凝胶同时具备了较强的力学性能和良好的抗菌性能。

3、本发明采用了顺丁烯二酸作为构建离子键交联的聚合物单体，在以丙烯酸为反应单体的水凝胶的基础上，解决了丙烯酸单体带来的毒性、腐蚀性的危害，同时顺丁烯二酸具有二倍当量的可以为网络提供更多的交联点从而增加网络强度。

综上所述，本发明制备的高强度和抗菌性能的水凝胶具有制备方法简单有效、力学强度大、抗菌性能好等优点。

附图说明

图1、图2为本发明实施例1～6所得的高强度水凝胶样品拉伸实验的应力-应变曲线。

图3、图4为本发明实施例4～8所得的高强度水凝胶样品的抗菌实验图。

图5为本发明实施例2所得的高强度水凝胶样品的红外图谱。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明，以下通过具体的实施例来说明本申请中具备超高力学强度和化学稳定性的新型水凝胶的制备方法。

实施例1

1)将蒸馏水煮沸密封冷却至室温以除去水中的氧气，冷却后的水备用；

2)抽真空至-0.1MPa并在持续搅拌条件下，取顺丁烯二酸、丙烯酰胺和羧甲基壳聚糖溶于步骤1)制备的水中，所述的顺丁烯二酸2.25份、丙烯酰胺5份、羧甲基壳聚糖0.75份；

3)真空(-0.1MPa)、持续搅拌条件下，将交联剂、引发剂、催化剂加入步骤2)所得的溶液中，持续搅拌至溶液透明，无固体颗粒悬浮后，停止抽真空，所述的交联剂、引发剂、催化剂分别为顺丁烯二酸、丙烯酰胺和羧甲基壳聚糖三者总份数的0.06wt％、0.16wt％、0.24wt％；

4)将步骤3)配制好的溶液转移至玻璃模具中，密封后，置于55℃下，保温反应5h，即为成型的水凝胶；

5)将水凝胶浸泡在浓度为0.15M的可溶性金属盐水溶液中24h，取出水凝胶继续在去离子水中浸泡24h，即得产品。

本实施例得到的高强度水凝胶产品命名为30％MA/AM/10％CMCH，其拉伸应变可达109％，拉伸强度可达1.45MPa。

实施例2

1)将蒸馏水煮沸密封冷却至室温以除去水中的氧气，冷却后的水溶液备用；

2)抽真空至-0.1MPa并在持续搅拌条件下，取顺丁烯二酸、丙烯酰胺和羧甲基壳聚糖溶于步骤1)制备的水中，所述的顺丁烯二酸1.5份、丙烯酰胺5.25份、羧甲基壳聚糖0.75份；

3)真空(-0.1MPa)、持续搅拌条件下，将交联剂、引发剂、催化剂加入步骤2)所得的溶液中，持续搅拌至溶液透明，无固体颗粒悬浮后，停止抽真空，所述的交联剂、引发剂、催化剂分别为顺丁烯二酸、丙烯酰胺和羧甲基壳聚糖三者总份数的0.06wt％、0.16wt％、0.24wt％；

4)将步骤3)配制好的溶液转移至玻璃模具中，密封后，置于55℃下，保温反应5h，即为成型的水凝胶；

5)将水凝胶浸泡在浓度为0.15M的可溶性金属盐水溶液中24h，取出水凝胶继续在去离子水中浸泡24h，即得产品。

本实施例得到的高强度水凝胶产品命名为20％MA/AM/10％CMCH，其拉伸应变可达162％，拉伸强度可达1.44MPa。

实施例3

1)将蒸馏水煮沸密封冷却至室温以除去水中的氧气，冷却后的水溶液备用；

2)抽真空至-0.1MPa并在持续搅拌条件下，取顺丁烯二酸、丙烯酰胺和羧甲基壳聚糖溶于步骤1)制备的水中，所述的顺丁烯二酸0.75份、丙烯酰胺6份、羧甲基壳聚糖0.75份；

3)真空(-0.1MPa)、持续搅拌条件下，将交联剂、引发剂、催化剂加入步骤2)所得的溶液中，持续搅拌至溶液透明，无固体颗粒悬浮后，停止抽真空，所述的交联剂、引发剂、催化剂分别为顺丁烯二酸、丙烯酰胺和羧甲基壳聚糖三者总份数的0.06wt％、0.16wt％、0.24wt％；

4)将步骤3)配制好的溶液转移至玻璃模具中，密封后，置于55℃下，保温反应5h，即为成型的水凝胶；

5)将水凝胶浸泡在浓度为0.15M的可溶性金属盐水溶液中24h，取出水凝胶继续在去离子水中浸泡24h，即得产品。

本实施例得到的高强度水凝胶产品命名为10％MA/AM/10％CMCH，其拉伸应变可达152％，拉伸强度可达0.74MPa。

实施例4

1)将蒸馏水煮沸密封冷却至室温以除去水中的氧气，冷却后的水溶液备用；

2)抽真空至-0.1MPa并在持续搅拌条件下，取顺丁烯二酸、丙烯酰胺和羧甲基壳聚糖溶于步骤1)制备的水中，所述的顺丁烯二酸1.5份、丙烯酰胺5.25份、羧甲基壳聚糖0.75份；

3)真空(-0.1MPa)、持续搅拌条件下，将交联剂、引发剂、催化剂加入步骤2)所得的溶液中，持续搅拌至溶液透明，无固体颗粒悬浮后，停止抽真空，所述的交联剂、引发剂、催化剂分别为顺丁烯二酸、丙烯酰胺和羧甲基壳聚糖三者总份数的0.06wt％、0.16wt％、0.24wt％；

4)将步骤3)配制好的溶液转移至玻璃模具中，密封后，置于55℃下，保温反应5h，即为成型的水凝胶；

5)将水凝胶浸泡在浓度为0.15M的可溶性金属盐水溶液中24h，取出水凝胶继续在去离子水中浸泡24h，即得产品。

本实施例得到的高强度水凝胶产品命名为10％CMCH/AM/20％MA，其拉伸应变可达162％，拉伸强度可达1.44MPa。

实施例5

1)将蒸馏水煮沸密封冷却至室温以除去水中的氧气，冷却后的水溶液备用；

2)抽真空至-0.1MPa并在持续搅拌条件下，取顺丁烯二酸、丙烯酰胺和羧甲基壳聚糖溶于步骤1)制备的水中，所述的顺丁烯二酸1.5份、丙烯酰胺4.875份、羧甲基壳聚糖1.125份；

3)真空(-0.1MPa)、持续搅拌条件下，将交联剂、引发剂、催化剂加入步骤2)所得的溶液中，持续搅拌至溶液透明，无固体颗粒悬浮后，停止抽真空，所述的交联剂、引发剂、催化剂分别为顺丁烯二酸、丙烯酰胺和羧甲基壳聚糖三者总份数的0.06wt％、0.16wt％、0.24wt％；

4)将步骤3)配制好的溶液转移至玻璃模具中，密封后，置于55℃下，保温反应5h，即为成型的水凝胶；

5)将水凝胶浸泡在浓度为0.15M的可溶性金属盐水溶液中24h，取出水凝胶继续在去离子水中浸泡24h，即得产品。

本实施例得到的高强度水凝胶产品命名为15％CMCH/AM/20％MA，其拉伸应变可达102％，拉伸强度可达1.34MPa。

实施例6

1)将蒸馏水煮沸密封冷却至室温以除去水中的氧气，冷却后的水溶液备用；

2)抽真空至-0.1MPa并在持续搅拌条件下，取顺丁烯二酸、丙烯酰胺和羧甲基壳聚糖溶于步骤1)制备的水中，所述的顺丁烯二酸1.5份、丙烯酰胺4.5份、羧甲基壳聚糖1.5份；

3)真空(-0.1MPa)、持续搅拌条件下，将交联剂、引发剂、催化剂加入步骤2)所得的溶液中，持续搅拌至溶液透明，无固体颗粒悬浮后，停止抽真空，所述的交联剂、引发剂、催化剂分别为顺丁烯二酸、丙烯酰胺和羧甲基壳聚糖三者总份数的0.06wt％、0.16wt％、0.24wt％；

4)将步骤3)配制好的溶液转移至玻璃模具中，密封后，置于55℃下，保温反应5h，即为成型的水凝胶；

5)将水凝胶浸泡在浓度为0.15M的可溶性金属盐水溶液中24h，取出水凝胶继续在去离子水中浸泡24h，即得产品。

本实施例得到的高强度水凝胶产品命名为20％CMCH/AM/20％MA，其拉伸应变可达81％，拉伸强度可达1.36MPa。

实施例7

1)将蒸馏水煮沸密封冷却至室温以除去水中的氧气，冷却后的水溶液备用；

2)抽真空至-0.1MPa并在持续搅拌条件下，取顺丁烯二酸和丙烯酰胺溶于步骤1)制备的水中，所述的顺丁烯二酸1.5份、丙烯酰胺6份；

3)真空(-0.1MPa)、持续搅拌条件下，将交联剂、引发剂、催化剂加入步骤2)所得的溶液中，持续搅拌至溶液透明，无固体颗粒悬浮后，停止抽真空，所述的交联剂、引发剂、催化剂分别为顺丁烯二酸和丙烯酰胺二者总份数的0.06wt％、0.16wt％、0.24wt％；

4)将步骤3)配制好的溶液转移至玻璃模具中，密封后，置于55℃下，保温反应5h，即为成型的水凝胶；

5)将水凝胶浸泡在浓度为0.15M的可溶性金属盐水溶液中24h，取出水凝胶继续在去离子水中浸泡24h，即得产品。

本实施例得到的高强度水凝胶产品命名为20％MA/AM，其拉伸应变可达275.8％，拉伸强度可达1.25MPa。

实施例8

1)将蒸馏水煮沸密封冷却至室温以除去水中的氧气，冷却后的水溶液备用；

2)抽真空至-0.1MPa并在持续搅拌条件下，取顺丁烯二酸、丙烯酰胺和羧甲基壳聚糖溶于步骤1)制备的水中，所述的顺丁烯二酸1.5份、丙烯酰胺5.25份、羧甲基壳聚糖0.75份；

3)真空(-0.1MPa)、持续搅拌条件下，将交联剂、引发剂、催化剂加入步骤2)所得的溶液中，持续搅拌至溶液透明，无固体颗粒悬浮后，停止抽真空，所述的交联剂、引发剂、催化剂分别为顺丁烯二酸、丙烯酰胺和羧甲基壳聚糖三者总份数的0.06wt％、0.16wt％、0.24wt％；

4)将步骤3)配制好的溶液转移至玻璃模具中，密封后，置于55℃下，保温反应5h，即为成型的水凝胶，即得产品。

本实施例得到的高强度水凝胶产品由于没有铁离子交联，具有极低的拉伸强度以及极高的断裂伸长率，超出所测的万能实验机范围，故无拉伸数据。

实验例

色谱分析：在波长为3348.6和3197.3位置是O-H和N-H的吸收峰，波长为2937.0位置是C-H的吸收峰，波长为1659.8位置是C＝O吸收峰，波长为1417.6位置是C-H吸收峰，波长为1324.0和1120.3位置是C-O的吸收峰，波长为692.3位置是C-H的吸收峰。其红外光谱如图5所示。

拉伸测试：采用万能材料试验机(LR10KPlus)对长度、宽度、厚度分别为50mm、10mm、3mm的片状水凝胶样品进行拉伸测试，标距为10mm，拉伸速率为50mm/min。同一种样品测试三次，测试结果取平均值。实施例1、2、3、4、5、6中所得样品拉伸测试结果如图1、图2所示。

抗菌测试：分别将实施例4～8的水凝胶制成圆柱状，待用；取出摇床培养18h的金黄色葡萄球菌菌液，然后在无菌操作台内分别用移液枪吸取100uL金黄色葡萄球菌打在营养琼脂平板上，接着用涂布器将菌液涂布均匀。然后将实施例4～8的水凝胶放入的平板圆心处。将放有样品的平板正置放到恒温培养箱进行培养约18h。以杀死附近细菌的范围半径为衡量指标。实施例4、5、6、7、8中所得样品抗菌测试结果如图3、图4所示。检测结果表明：该水凝胶对金黄色葡萄球菌具有强力杀灭效果。

表1.培养细菌死亡范围半径

Claims (1)

1.本发明提供一种新型高强度抗菌水凝胶，其特征在于，具有以下链单元：

其中各结构单元的质量比与顺丁烯二酸、丙烯酰胺和交联剂的投料比相同，即m：n：t＝MA(顺丁烯二酸)：AM(丙烯酰胺)：交联剂(质量，参照各实施例)；

优选的，所述高强度抗菌水凝胶，其特征在于，该水凝胶属于体型交联，理论上整个凝胶为一个大分子，其一个分子的质量等于整个凝胶的质量；

优选的，所述高强度抗菌水凝胶，其特征在于，其红外光谱具有以下波长的特征吸收峰：

3347～33493、3196～3198、2936～2938、1658～1660、1416～1418、1323～1325、1119～1121、691～693；其红外光谱如图5所示。

优选的，所述高强度抗菌水凝胶的拉伸应变为50～250％，拉伸强度为0～3MPa，断裂能30～70MJ/m³；

优选的，所述高强度抗菌水凝胶，由下述重量份的各个组分制备而成：

顺丁烯二酸0.5～2.5份、丙烯酰胺4～6份、羧甲基壳聚糖0.5～2份，可溶性金属盐0.05～0.25份，交联剂、引发剂、催化剂分别为顺丁烯二酸、丙烯酰胺和羧甲基壳聚糖三者总份数的0.02～0.08wt％、0.11～0.21wt％、0.18～0.3wt％；

所述的交联剂选自二甲基丙烯酸乙二醇酯、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、二乙烯基苯中的其中一种；

所述的引发剂选自过硫酸钾、过硫酸铵、过硫酸钠中的其中一种；

所述的催化剂选自五甲基二亚乙基三胺、四甲基乙二胺中的其中一种；

所述的可溶性金属盐选自FeCl₃，AlCl₃，CaCl₂，MgCl₂中的其中一种。

本发明还提供所述的水凝胶的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：

1)将蒸馏水煮沸密封冷却至室温以除去水中的氧气，冷却后的水备用；

2)抽真空并在持续搅拌条件下，取顺丁烯二酸、丙烯酰胺和羧甲基壳聚糖溶于步骤1)制备的水中，所述的顺丁烯二酸0.5～2.5份、丙烯酰胺4～6份、羧甲基壳聚糖0.5～2份；

3)真空、持续搅拌条件下，将交联剂、引发剂、催化剂加入步骤2)所得的溶液中，持续搅拌至溶液透明，无固体颗粒悬浮后，停止抽真空，所述的交联剂、引发剂、催化剂分别为顺丁烯二酸、丙烯酰胺和羧甲基壳聚糖三者总份数的0.02～0.08wt％、0.11～0.21wt％、0.18～0.3wt％；

4)将步骤3)配制好的溶液转移至玻璃模具中，密封后，置于45～55℃下，保温反应4～6h，即为成型的水凝胶；

5)将水凝胶浸泡在浓度为0.05～0.25M的可溶性金属盐水溶液中24小时，取出水凝胶继续在去离子水中浸泡24小时，即得产品。

优选的，所述的真空，为-0.1～0MPa的真空度。