CN105837838B - 一种内部多层不连续壳聚糖凝胶球及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种壳聚糖凝胶球及由其制备内部多层不连续壳聚糖凝胶球的方法。首先将壳聚糖溶液滴加到羧甲基壳聚糖溶液中低温静置一定时间并用去离子水洗涤后获得壳聚糖凝胶球。进一步将壳聚糖凝胶球的一半浸泡于氢氧化钠溶液中，一定时间后取出并完全浸泡在去离子水中；反复重复上述步骤数次，即得到内部多层不连续壳聚糖凝胶球。本发明的内部多层不连续壳聚糖凝胶球具有多通道、表面积大、内部结构复杂等特征，可应用于细胞培养、模版载体、药物缓释等常规领域，以及生物仿生、微反应器及催化载体等方面。而且本发明的工艺简单、用时短、条件温和可控，利用或可控或随机的方式自由选择刺激响应面，对壳聚糖凝胶球进行智能化响应。

Description

一种内部多层不连续壳聚糖凝胶球及其制备方法

技术领域

本发明属于天然高分子材料技术领域。更具体地，涉及一种内部多层不连续壳聚糖凝胶球及其制备方法。

背景技术

壳聚糖是由甲壳素在碱性条件下水解脱去乙酰基而得到的产物，因其具有优良的生物相容性、可降解性、抗菌性及低毒性等特点而得到广泛的应用。

壳聚糖水凝胶可根据交联方式的不同分为物理凝胶和化学凝胶。物理凝胶是通过分子间的弱相互作用力形成，如静电力、氢键、疏水作用等。而化学凝胶则是通过化学反应以化学键交联连接而成的三维网络聚合物，交联剂如戊二醛、甲醛和京尼平等，但这些交联剂具有一定的毒性使其在生物医学领域受到限制。

目前多糖水凝胶材料大多为无序结构，与实际的天然生物材料有着较大的差异，因此多糖水凝胶有序可控结构的构建及其机理的研究显示出巨大的应用前景。最近，多糖凝胶球（如壳聚糖、纤维素和海藻酸钠等）内部结构的研究引人注目，这是通过外界刺激响应诱导多糖凝胶球内部产生精确复杂结构，方法主要有：叠层法、层层自组装技术以及凝胶介质中的反应扩散技术。目前研究构建具有内部多层结构的多糖凝胶球多为同心圆结构，即“洋葱”结构。但由于该领域仍处于新兴发展阶段，研究机理不完善且多层结构类型单一。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术中制备时间长、凝胶强度不足的缺陷和技术不足，提供一种以聚电解质凝胶为外膜的壳聚糖凝胶球的制备方法，并完善目前构建内部多层有序结构多糖凝胶球结构类型单一的现状，提供一种新的内部多层不连续壳聚糖凝胶球。

本发明的目的是提供一种壳聚糖凝胶球及其制备方法。

本发明另一目的是提供一种利用上述壳聚糖凝胶球制备内部多层不连续壳聚糖凝胶球的方法。

本发明的再一目的是提供上述内部多层不连续壳聚糖凝胶球的应用。

本发明上述目的通过以下技术方案实现：

一种壳聚糖凝胶球，是将壳聚糖溶液滴加到羧甲基壳聚糖溶液中低温静置一定时间并用去离子水洗涤后获得。壳聚糖和羧甲基壳聚糖通过静电相互作用形成聚电解质凝胶膜包裹壳聚糖液体而得到壳聚糖凝胶球。

其中，优选地，所述低温静置一定时间是指0～8℃下静置15～60min。

更优选地，是0～8℃下静置15～30min。

所述壳聚糖凝胶球的制备原理为：将壳聚糖溶液滴加到羧甲基壳聚糖溶液的过程中，带正电荷的壳聚糖溶液与主要带负电荷的羧甲基壳聚糖溶液通过静电相互作用而形成一层聚电解质凝胶膜，这层凝胶膜作为球的外膜包裹着壳聚糖溶液。

进一步有效地，所述壳聚糖凝胶球由包含以下步骤的方法制备而成：

S1.将壳聚糖加入到乙酸溶液中搅拌均匀，得到壳聚糖浓度为2%～4%（w/v）的壳聚糖酸性溶液，低温（0～8℃）保存备用；

S2.将羧甲基壳聚糖加入到去离子水中搅拌均匀，得到羧甲基壳聚糖浓度为2%～4%（w/v）的羧甲基壳聚糖溶液，低温（0～8℃）保存备用；

S3.将步骤S1制备的壳聚糖酸性溶液滴加到步骤S2制备的羧甲基壳聚糖溶液中，且壳聚糖酸性溶液液滴完全浸没在羧甲基壳聚糖溶液中，低温下静置15～60min，并用去离子水洗涤残余羧甲基壳聚糖溶液后即得到壳聚糖凝胶球。

其中，优选地，步骤S1所述壳聚糖的粘度为20～800mPa·s，脱乙酰度70%～90%。

优选地，步骤S2所述羧甲基壳聚糖的粘度（1%水溶液）为10～80mPa·s，羧化度≧80%。

优选地，步骤S1所述乙酸溶液的摩尔浓度为0.1～0.2mol/L。

优选地，步骤S3所述壳聚糖酸性溶液与羧甲基壳聚糖溶液的体积比为1～5：10～100。

优选地，步骤S3所述低温为0～8℃。

优选地，步骤S3所述静置的时间为15～30min。

一种内部多层不连续壳聚糖凝胶球，由包含以下步骤的方法制备得到：

S1.将上述制备的壳聚糖凝胶球浸泡于氢氧化钠溶液中，壳聚糖凝胶球的一半浸泡于氢氧化钠溶液中而另一半则裸露于空气中不接触溶液，一定时间后取出并完全浸泡在去离子水中；

S2.反复重复步骤S1数次，至壳聚糖凝胶球由外至内形成多层不连续乳白色的凝胶小球，取出并用去离子水洗涤，即得到内部多层不连续壳聚糖凝胶球。

所述内部多层不连续壳聚糖凝胶球的制备原理为：（1）将去离子水洗涤过的壳聚糖凝胶球半泡在氢氧化钠溶液的过程中，氢氧根扩散到壳聚糖凝胶球内与质子化壳聚糖中和而形成凝胶；控制浸泡时间，使得聚电解质膜界面与氢氧根扩散临界前沿之间的壳聚糖溶液完全被中和而形成凝胶，此时第一层凝胶形成；该凝胶层厚度由于液体的毛细现象并非等厚，而是呈现小球底部厚中间薄的剖切面为月牙形的层状结构；（2）将形成第一层凝胶的小球完全浸泡在去离子水中，由于第一层凝胶层仍有未被消耗掉的氢氧根使得氢氧根继续向里扩散，此时第二层凝胶形成；壳聚糖分子的沉积并不是无规的，而是在氢氧根浓度梯度诱导作用下有序地沉积；（3）质子化壳聚糖因去质子化过程而形成壳聚糖水凝胶，直接导致质子化壳聚糖分子间静电排斥力消失以及壳聚糖分子间的氢键重构，使得壳聚糖水凝胶产生体积收缩，最终导致凝胶层与凝胶层之间出现间隙通道；（4）由于壳聚糖凝胶球每次浸泡氢氧化钠溶液选择的一半体积均是随机的，这种随机性的外界局部刺激响应使其具有复杂的内部结构。

另外，进一步优选地，步骤S1所述壳聚糖凝胶球在氢氧化钠溶液中的浸泡时间为30～180s。

优选地，步骤S1所述壳聚糖凝胶球在去离子水中的浸泡时间为30～180s。

优选地，步骤S1所述壳聚糖凝胶球在氢氧化钠溶液中的浸泡时间和在去离子水中的浸泡时间相同。

优选地，步骤S1所述氢氧化钠溶液的浓度为1%～10%（w/v）。

优选地，在多次重复步骤S1的过程中，可以采用两种方式：选择哪一半壳聚糖凝胶球浸泡于氢氧化钠溶液的几率是随机的，或根据需要控制每次选择哪一半壳聚糖凝胶球浸泡于氢氧化钠溶液中。

其中，关于如何随机选择刺激响应面：每次（用吸管或镊子）从去离子水中随机取出凝胶球，即不刻意吸取或夹取哪一面的凝胶球，放到有无纺布支撑的氢氧化钠溶液中，放的时候也不刻意选择哪面浸泡；这样就能达到随机效果。

关于如何控制聚糖凝胶球的一半浸泡于氢氧化钠溶液：如附图1所示，控制氢氧化钠溶液高度与凝胶球半径一致即可。实际操作过程中，无需百分之百精确，允许少量误差。

优选地，步骤S1所述一定时间是指1～2min。

优选地，步骤S1所述完全浸泡在去离子水中1～2min。

优选地，上述方法制备得到的内部多层不连续壳聚糖凝胶球的凝胶层剖切面为月牙型，层数为2～16层。

本发明采用局部PH响应刺激壳聚糖凝胶球的方法使其在氢氧根浓度梯度诱导作用下有序地沉积凝胶化进而构建一种全新的多层、不连续、表面积大、多通道复杂的壳聚糖凝胶球内结构。制备得到的内部多层不连续壳聚糖凝胶球除了在细胞培养、模版载体及药物缓释等常规领域应用以外，还有望应用于生物仿生、微反应器及催化载体等方面。

另外，上述内部多层不连续壳聚糖凝胶球在细胞培养、模版载体、药物缓释载体、生物仿生、微反应器或催化载体等方面的应用，也在本发明的保护范围之内。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供了一种内部多层不连续壳聚糖凝胶球的制备方法，制备得到的内部多层不连续壳聚糖凝胶球具有多通道、表面积大等特征，其复杂的内部结构完善了目前构建内部多层有序结构多糖凝胶球结构类型单一的现状。这种全新内部结构的多糖凝胶球除了在细胞培养、模版载体及药物缓释等常规领域应用以外，有望应用于生物仿生、微反应器及催化载体等方面。

另外，本发明的制备方法工艺简单、所需时间短、条件温和可控，利用或可控或随机的方式自由选择刺激响应面，可对壳聚糖凝胶球进行智能化响应。

附图说明

图1为壳聚糖凝胶球半泡在氢氧化钠溶液中的操作示意剖面图。

图2为内部多层不连续壳聚糖凝胶球合成过程及结构示意图。

图3为实施例1中八层不连续壳聚糖凝胶球的立体显微镜照片；其中，（a）为壳聚糖凝胶球的立体显微镜照片；（b）为壳聚糖凝胶球浸泡一次氢氧化钠和一次去离子水即一个周期共两层的立体显微镜照片；（c）为壳聚糖凝胶球浸泡两个周期共四层的立体显微镜照片；（d）为壳聚糖凝胶球浸泡三个周期共六层的立体显微镜照片；（e）为壳聚糖凝胶球浸泡四个周期共八层的立体显微镜照片；标尺均为1mm。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。

实施例1

1、制备壳聚糖凝胶球

S1.称取2g脱乙酰度为90%、粘度为20~800mpa的壳聚糖加入到预先配制好的100ml摩尔浓度为0.1mol/L的乙酸溶液中搅拌均匀，得到浓度为2%（w/v）的壳聚糖酸性溶液。

S2.同样地，称取2g粘度（1%水溶液）为10~80mPa·s、羧化度≧80%的羧甲基壳聚糖加入到100ml去离子水中搅拌均匀，得到浓度为2%（w/v）的羧甲基壳聚糖溶液。

上述两种溶液均真空消气泡后置于温度为0~8℃的冰箱保存备用。

S3.用滴管吸取壳聚糖酸性溶液滴加到羧甲基壳聚糖溶液中，使壳聚糖酸性溶液液滴完全浸泡在羧甲基壳聚糖溶液中，低温静置15min以上。静置后取出壳聚糖小球并用去离子水洗涤残余的羧甲基壳聚糖溶液后即可获得壳聚糖凝胶球。

2、制备内部多层不连续壳聚糖凝胶球

S1.将壳聚糖凝胶球半泡在加有浓度为2.5%（w/v）氢氧化钠溶液的培养皿内，并且培养皿底部垫有预先裁剪好无纺布以固定壳聚糖凝胶球（如附图1所示）。静置浸泡1min后取出放入去离子水中浸泡1min。

S2.如此反复操作步骤S1四个周期，取出后用去离子水浸泡洗涤残余的氢氧化钠溶液后即可得到内部多层不连续壳聚糖凝胶球。如附图3所示，所得不连续凝胶层为八层。

实施例2

1、制备壳聚糖凝胶球

S1.称取4g脱乙酰度为90%、粘度为20~800mpa的壳聚糖加入到预先配制好的100ml、摩尔浓度为0.2mol/L的乙酸溶液中搅拌均匀，得到浓度为4%（w/v）的壳聚糖酸性溶液。

S2.同样地，称取4g粘度（1%水溶液）为10~80mPa·s、羧化度≧80%的羧甲基壳聚糖加入到100ml去离子水中搅拌均匀，得到浓度为4%（w/v）的羧甲基壳聚糖溶液。

上述两种溶液均真空消气泡后置于温度为0~8℃的冰箱保存备用。

S3.用滴管吸取壳聚糖酸性溶液滴加到羧甲基壳聚糖溶液中，使壳聚糖酸性溶液液滴完全浸泡在羧甲基壳聚糖溶液中低温静置15min以上。静置后取出壳聚糖小球并用去离子水洗涤残余的羧甲基壳聚糖溶液后即可获得壳聚糖凝胶球。

2、制备内部多层不连续壳聚糖凝胶球

S1.将壳聚糖凝胶球半泡在加有浓度为2.5%（w/v）氢氧化钠溶液的培养皿内，并且培养皿底部垫有预先裁剪好无纺布以固定壳聚糖凝胶球。静置浸泡1min后取出放入去离子水中浸泡1min。

S2.如此反复操作步骤S1直至壳聚糖凝胶球由外而内形成不连续多层乳白色的凝胶层。取出后用去离子水浸泡洗涤残余的氢氧化钠溶液后即可得到内部多层不连续壳聚糖凝胶球。

实施例3

1、制备壳聚糖凝胶球

S1.称取2g脱乙酰度为90%、粘度为20~800mpa的壳聚糖加入到预先配制好的100ml、摩尔浓度为0.1mol/L的乙酸溶液中搅拌均匀，得到浓度为2%（w/v）的壳聚糖酸性溶液。

S2.同样地，称取2g粘度（1%水溶液）为10~80mPa·s、羧化度≧80%的羧甲基壳聚糖加入到100ml去离子水中搅拌均匀，得到浓度为2%（w/v）的羧甲基壳聚糖溶液。

上述两种溶液均真空消气泡后置于温度为0~8℃的冰箱保存备用。

S3.用滴管吸取壳聚糖酸性溶液滴加到羧甲基壳聚糖溶液中，使壳聚糖酸性溶液液滴完全浸泡在羧甲基壳聚糖溶液中低温静置15min以上。静置后取出壳聚糖小球并用去离子水洗涤残余的羧甲基壳聚糖溶液后即可获得壳聚糖凝胶球。

2、制备内部多层不连续壳聚糖凝胶球

S1.将壳聚糖凝胶球半泡在加有浓度为1%（w/v）氢氧化钠溶液的培养皿内，并且培养皿底部垫有预先裁剪好无纺布以固定壳聚糖凝胶球。静置浸泡1min后取出放入去离子水中浸泡1min。

S2.如此反复操作步骤S1直至壳聚糖凝胶球由外而内形成不连续多层乳白色的凝胶层。取出后用去离子水浸泡洗涤残余的氢氧化钠溶液后即可得到内部多层不连续壳聚糖凝胶球。

实施例4

1、制备壳聚糖凝胶球

S1.称取2g脱乙酰度为90%、粘度为20~800mpa的壳聚糖加入到预先配制好的100ml、摩尔浓度为0.1mol/L的乙酸溶液中搅拌均匀，得到浓度为2%（w/v）的壳聚糖酸性溶液。

S2.同样地，称取2g粘度（1%水溶液）为10~80mPa·s、羧化度≧80%的羧甲基壳聚糖加入到100ml去离子水中搅拌均匀，得到浓度为2%（w/v）的羧甲基壳聚糖溶液。

上述两种溶液均真空消气泡后置于温度为0~8℃的冰箱保存备用。

S3.用滴管吸取壳聚糖酸性溶液滴加到羧甲基壳聚糖溶液中，使壳聚糖酸性溶液液滴完全浸泡在羧甲基壳聚糖溶液中低温静置15min以上。静置后取出壳聚糖小球并用去离子水洗涤残余的羧甲基壳聚糖溶液后即可获得壳聚糖凝胶球。

2、制备内部多层不连续壳聚糖凝胶球

S1.将壳聚糖凝胶球半泡在加有浓度为2.5%（w/v）氢氧化钠溶液的培养皿内，并且培养皿底部垫有预先裁剪好无纺布以固定壳聚糖凝胶球。静置浸泡2min后取出放到去离子水中2min。

S2.如此反复操作步骤S1直至壳聚糖凝胶球由外而内形成不连续多层乳白色的凝胶层。取出后用去离子水浸泡洗涤残余的氢氧化钠溶液后即可得到内部多层不连续壳聚糖凝胶球。

本发明通过上述实施方式进行详细说明，但本发明并不限制于上述实施例。本领域的技术人员可在不脱离本发明原理的前提下进行一定的修改和润色。对于本领域的普通技术人员来说，在上述说明及思路的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种内部多层不连续壳聚糖凝胶球，其特征在于，由包含以下步骤的方法制备得到：

S1.将壳聚糖凝胶球的一半浸泡于氢氧化钠溶液中，一定时间后取出并完全浸泡在去离子水中；

S2.反复重复步骤S1数次，即得到内部多层不连续壳聚糖凝胶球；

其中，步骤S1所述的壳聚糖凝胶球，由包含以下步骤的方法制备而成：

S11.将壳聚糖加入到乙酸溶液中搅拌均匀，得到壳聚糖浓度为2%～4%（w/v）的壳聚糖酸性溶液；

S12.将羧甲基壳聚糖加入到去离子水中搅拌均匀，得到羧甲基壳聚糖浓度为2%～4%（w/v）的羧甲基壳聚糖溶液；

S13.将步骤S11制备的壳聚糖酸性溶液滴加到步骤S12制备的羧甲基壳聚糖溶液中，且壳聚糖酸性溶液液滴完全浸没在羧甲基壳聚糖溶液中，0～8℃温度条件下静置15～30min，并用去离子水洗涤残余羧甲基壳聚糖溶液后即得到壳聚糖凝胶球；

另外，步骤S11所述壳聚糖的粘度为20～800mPa·s，脱乙酰度70%～90%；步骤S12所述羧甲基壳聚糖的粘度为10～80mPa·s，羧化度≧80%；步骤S13所述壳聚糖酸性溶液与羧甲基壳聚糖溶液的体积比为1～5：10～100。

2.根据权利要求1所述内部多层不连续壳聚糖凝胶球，其特征在于，步骤S1所述氢氧化钠溶液的浓度为1%～10%。

3.根据权利要求1所述内部多层不连续壳聚糖凝胶球，其特征在于，在多次重复步骤S1的过程中，采用两种方式：选择哪一半壳聚糖凝胶球浸泡于氢氧化钠溶液的几率是随机的，或根据需要控制每次选择哪一半壳聚糖凝胶球浸泡于氢氧化钠溶液中。

4.根据权利要求1所述内部多层不连续壳聚糖凝胶球，其特征在于，得到的内部多层不连续壳聚糖凝胶球的凝胶层剖切面为月牙型，层数为2～16层。

5.权利要求1～4任一所述内部多层不连续壳聚糖凝胶球在细胞培养、模版载体、药物缓释载体、生物仿生、微反应器或催化载体方面的应用。