CN106117570B - 一种负载聚酰胺-胺树状分子的海藻酸钠抗菌水凝胶及其制备方法和应用 - Google Patents

一种负载聚酰胺-胺树状分子的海藻酸钠抗菌水凝胶及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于功能高分子材料技术领域，具体涉及一种负载聚酰胺‑胺树状分子的海藻酸钠抗菌水凝胶及其制备方法和应用。所述水凝胶由聚酰胺‑胺树状分子和海藻酸钠在交联剂的作用下通过物理交联制备而成。本发明以海藻酸钠和聚酰胺‑胺树状分子为原料，在交联剂作用下，通过物理交联法获得负载聚酰胺‑胺树状分子的海藻酸钠抗菌水凝胶，其中聚酰胺‑胺树状分子通过其自身大量氨基与海藻酸钠中羧基间静电作用而被有效负载；并且相对于化学交联，所采用的物理交联剂无毒无害，无环境污染，可以减少后期化学交联剂的清除过程；本发明所述水凝胶对革兰氏阴性和革兰氏阳性菌具有良好的抗菌性能；且具有良好的溶胀和pH敏感性。

Description

一种负载聚酰胺-胺树状分子的海藻酸钠抗菌水凝胶及其制 备方法和应用
技术领域
本发明属于功能高分子技术领域，也属于生物医用材料技术领域，具体涉及一种负载聚酰胺-胺树状分子的抗菌水凝胶及其制备方法和应用。
背景技术
水凝胶是一种三维网络结构的高聚物，具有良好的吸水、溶胀和渗透性等，因此，广泛应用于生物医用材料、食品和农业等领域。根据水凝胶本身能否对外界刺激产生响应，可以分为普通水凝胶和智能水凝胶。大部分的水凝胶由化学交联形成，也可以是物理交联。目前医药领域的水凝胶产品较多采用化学交联，然而，化学交联过程中添加的交联剂一般都有毒副作用，且难以清除干净。因此解决这些问题需要更复杂的后处理工艺，且在应用方面受到了一定的限制。
海藻酸钠为一种天然高分子多糖，其结构由β-D-甘露糖醛酸和α-L-古洛糖醛酸组成，具有良好的生物相容性且无毒，在水溶液中可表现出聚阴离子行为，具有一定黏附性，可用作药物载体和食品添加剂等。由于海藻酸钠结构中存在大量的羟基和羧基，可以通过离子交联和化学交联将其制成水凝胶。相对于化学交联，物理交联(如钙离子交联)可以减少后期化学交联剂的清除过程。海藻酸钠水凝胶除了上述原料的特性外，还具有优异的机械性能，是一种理想的生物医用材料。然而，在使用过程中，由于该水凝胶没有抗菌性从而无法满足某些具体需要，通过引入抗菌组分可以提高其抗菌性能。
近年来，聚酰胺-胺作为一种新型合成抗菌分子引起了广泛关注。因为高度支化、对称、呈辐射状的树状分子结构中含有大量的末端氨基，所以使其不仅具有突出的抗菌性，而且不易产生耐药性。本发明针对传统海藻酸钠水凝胶缺少抗菌性的问题，采用聚酰胺-胺作为抗菌组分，研发了一种负载聚酰胺-胺树状分子的海藻酸钠抗菌水凝胶。该水凝胶拓宽了传统海藻酸钠水凝胶的使用范围，有望应用于生物医用材料，如创面修复材料和药物载体等，因此具有重要的理论和现实意义。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种负载聚酰胺-胺树状分子的抗菌水凝胶及其制备方法和应用。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种负载聚酰胺-胺树状分子的海藻酸钠抗菌水凝胶，由海藻酸钠和聚酰胺-胺树状分子在交联剂的作用下通过物理交联制备而成，所述聚酰胺-胺树状分子通过其上大量的氨基与海藻酸钠的羧基间静电作用而被有效负载，所述海藻酸钠和聚酰胺-胺树状分子的用量总和为100重量份，其中，所述海藻酸钠的用量为60～95重量份，所述聚酰胺-胺树状分子的用量为5～40重量份。
上述方案中，所述交联剂为碳酸钙和葡萄糖酸内酯(D-gluconic acidδ-lactone，GDL)，所述交联剂的用量为：碳酸钙与海藻酸钠的摩尔比为大于0.3；碳酸钙与葡萄糖酸内酯的摩尔比为1:2。
上述方案中，所述聚酰胺-胺树状分子的代数为1代～5代。
上述负载聚酰胺-胺树状分子的海藻酸钠抗菌水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
(1)将海藻酸钠加入到水中，充分搅拌使其溶解后得到海藻酸钠溶液；
(2)将聚酰胺-胺树状分子溶于水，利用盐酸调节pH值为中性，得到聚酰胺-胺树状分子溶液；
(3)将聚酰胺-胺树状分子溶液加入到海藻酸钠溶液中，混合均匀后，加入碳酸钙粉末快速搅拌均匀，然后加入葡萄糖酸内酯粉末并充分搅拌均匀，静置，通过缓慢释放钙离子进行交联反应，反应结束后，用水洗干燥，即得到负载聚酰胺-胺树状分子的海藻酸钠抗菌水凝胶。
上述方案中，所述海藻酸钠溶液的质量百分浓度为1～5％。
上述方案中，所述交联反应的时间大于6小时。
上述方案中，所述干燥为冷冻干燥或烘干，所述烘干的温度低于60℃。
上述负载聚酰胺-胺树状分子的海藻酸钠抗菌水凝胶在生物医用材料领域的应用，如创面修复材料和药物载体等。
本发明的有益效果如下：(1)本发明以海藻酸钠和聚酰胺-胺树状分子为原料，在交联剂作用下，通过物理交联法获得负载聚酰胺-胺树状分子的海藻酸钠抗菌水凝胶，其中聚酰胺-胺树状分子通过其自身大量氨基与海藻酸钠中羧基间静电作用而被有效负载；相对于化学交联，所采用的物理交联剂无毒无害，无环境污染，可以减少后期化学交联剂的清除过程；(2)本发明所述负载聚酰胺-胺树状分子的海藻酸钠抗菌水凝胶对革兰氏阴性和革兰氏阳性菌都具有良好的抗菌性能，且抗菌性能均随着水凝胶中聚酰胺-胺树状分子含量先增加后降低；(3)本发明所述负载聚酰胺-胺树状分子的海藻酸钠抗菌水凝胶具有良好的溶胀和pH敏感性，在pH 1.0和pH 7.4环境中的溶胀度分别可达到1.04(g/g)和8.46(g/g)，且在pH 7.4中溶胀显著大于pH 1.0中溶胀；(4)本发明所述负载聚酰胺-胺树状分子的海藻酸钠水凝胶的抗菌和溶胀性能可根据不同使用需要，通过改变海藻酸钠浓度、聚酰胺-胺树状分子用量和交联剂用量等工艺参数进行调控；(5)本发明制备方法工艺简单，成本低，有望实现产业化应用。
附图说明
图1为负载聚酰胺-胺树状分子的海藻酸钠抗菌水凝胶的微观结构示意图。
图2为负载聚酰胺-胺树状分子的海藻酸钠抗菌水凝胶的扫描电镜图。
图3为不同聚酰胺-胺树状分子含量的水凝胶抗菌性能(抗大肠杆菌)。
图4为不同聚酰胺-胺树状分子含量的水凝胶抗菌性能(抗金黄色葡萄球菌)。
图5为不同海藻酸钠浓度的水凝胶溶胀性能(pH＝1.0和pH＝7.4)。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
一种负载聚酰胺-胺树状分子的海藻酸钠抗菌水凝胶，聚酰胺-胺树状分子和海藻酸钠的用量见下表1，交联剂碳酸钙的用量为0.7(碳酸钙与海藻酸钠摩尔比)，葡萄糖酸内酯的用量为2:1(葡萄糖酸内酯与碳酸钙的摩尔比)；所述聚酰胺-胺树状分子的代数为2代。
表1抗菌水凝胶中各原料组分的用量
一种负载聚酰胺-胺树状分子的海藻酸钠抗菌水凝胶，通过如下方法制备得到：
(1)按照表1中各原料用量称取原料；
(2)将海藻酸钠加入到水中，充分搅拌使其溶解后得到质量百分浓度为3％的海藻酸钠溶液；
(3)将聚酰胺-胺树状分子溶于水，通过盐酸调节pH值为中性，得到聚酰胺-胺树状分子溶液；
(4)将聚酰胺-胺树状分子溶液加入到海藻酸钠溶液中，混合均匀后，接着加入碳酸钙粉末快速搅拌均匀，然后加入葡萄糖酸内酯粉末并充分搅拌均匀，静置，通过缓慢释放钙离子进行交联反应24小时；
(5)反应结束后，用水洗涤，最后冷冻干燥即可得到负载聚酰胺-胺树状分子的海藻酸钠抗菌水凝胶。
本实施例制备得到负载聚酰胺-胺树状分子的海藻酸钠抗菌水凝胶的微观结构示意图见图1，截面微观结构的扫描电镜照片见图2。水凝胶的抗菌性能采用吸光度法进行测试，抑菌率按式(1)计算：
A0为不加水凝胶的细菌培养基吸光度，A为加入水凝胶的细菌培养基吸光度。
水凝胶对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的抗菌性能分别见图3(抗金黄色葡萄球菌)和图4(抗大肠杆菌)。图1说明了聚酰胺-胺树状分子在水凝胶中的存在形式为直接物理包覆，或通过其自身大量氨基与海藻酸钠中羧基间静电作用而被有效负载。图2的扫描电镜结果表明水凝胶被成功制备，且形成了良好且稳定的网络结构。从图1和图2可以看出，本发明中聚酰胺-胺树状分子中大量氨基与海藻酸钠中羧基之间形成了一种新的离子间相互作用，并且使得聚酰胺-胺树状分子通过该离子间相互作用从而被有效负载在水凝胶中；图3～4水凝胶的抗菌结果表明：负载聚酰胺-胺树状分子的海藻酸钠水凝胶具有良好的抗菌性能(对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌)，且抗菌性能均随着水凝胶中聚酰胺-胺树状分子含量先增加后降低。
实施例2
一种负载聚酰胺-胺树状分子的海藻酸钠抗菌水凝胶，通过如下方法制备得到：
(1)称取原料：海藻酸钠80％，聚酰胺-胺树状分子20％，交联剂碳酸钙的用量为0.7(碳酸钙与海藻酸钠摩尔比)，葡萄糖酸内酯的用量为2:1(葡萄糖酸内酯与碳酸钙的摩尔比)；
(2)将设定量的海藻酸钠分别加入到水中，充分搅拌使其溶解后得到质量百分浓度为1～5％的海藻酸钠溶液；
(3)将聚酰胺-胺树状分子溶于水，通过盐酸调节pH值为中性，得到聚酰胺-胺树状分子溶液；
(4)将聚酰胺-胺树状分子溶液加入到海藻酸钠溶液中，混合均匀后，接着加入碳酸钙粉末快速搅拌均匀，然后加入葡萄糖酸内酯粉末并充分搅拌均匀，静置，通过缓慢释放钙离子进行交联反应24小时；
(5)反应结束后，用水洗涤，最后在低于60℃烘箱中干燥即可得到负载聚酰胺-胺树状分子的海藻酸钠抗菌水凝胶。
水凝胶的溶胀性能采用称重法进行测试，溶胀度按式(2)计算：
Wt为t时刻的凝胶重量(g)，W0为干燥后的凝胶初始质量(g)。
本实施例制备得到负载聚酰胺-胺树状分子的海藻酸钠抗菌水凝胶的溶胀性能结果见图5。该图为不同海藻酸钠浓度制备得到的抗菌水凝胶在pH＝1.0和pH＝7.4的条件下的溶胀性能结果。结果表明，水凝胶在pH 1.0和pH 7.4环境中的最大溶胀度分别为0.97(g/g)和6.20(g/g)，具有良好的pH敏感性；并且溶胀度随着海藻酸钠浓度的增加先增大后降低。
实施例3
一种负载聚酰胺-胺树状分子的海藻酸钠抗菌水凝胶，通过如下方法制备得到：
(1)称取原料：海藻酸钠80％，聚酰胺-胺树状分子20％，交联剂碳酸钙的用量为0.3(碳酸钙与海藻酸钠摩尔比)，葡萄糖酸内酯的用量为2:1(葡萄糖酸内酯与碳酸钙的摩尔比)；
(2)将不同设定量的海藻酸钠分别加入到水中，充分搅拌使其溶解后得到质量百分浓度为3％的海藻酸钠溶液；
(3)将聚酰胺-胺树状分子溶于水，通过盐酸调节pH值为中性，得到聚酰胺-胺树状分子溶液；
(4)将聚酰胺-胺树状分子溶液加入到海藻酸钠溶液中，混合均匀后，接着加入碳酸钙粉末快速搅拌均匀，然后加入葡萄糖酸内酯粉末并充分搅拌均匀，静置，通过缓慢释放钙离子进行交联反应24小时；
(5)反应结束后，用水洗涤，最后在低于60℃烘箱中干燥即可得到负载聚酰胺-胺树状分子的海藻酸钠抗菌水凝胶。
本实施例制备得到负载聚酰胺-胺树状分子的海藻酸钠抗菌水凝胶在pH＝1.0和pH＝7.4环境中的溶胀分别为0.44(g/g)和8.10(g/g)，抑菌率分别为55.29％(抗金黄色葡萄球菌)和57.65％(抗大肠杆菌)。
实施例4
一种负载聚酰胺-胺树状分子的海藻酸钠抗菌水凝胶，通过如下方法制备得到：
(1)称取原料：海藻酸钠80％，聚酰胺-胺树状分子20％，交联剂碳酸钙的用量为0.5(碳酸钙与海藻酸钠摩尔比)，葡萄糖酸内酯的用量为2:1(葡萄糖酸内酯与碳酸钙的摩尔比)；
(2)将不同设定量的海藻酸钠分别加入到水中，充分搅拌使其溶解后得到质量百分浓度为3％的海藻酸钠溶液；
(3)将聚酰胺-胺树状分子溶于水，通过盐酸调节pH值为中性，得到聚酰胺-胺树状分子溶液；
(4)将聚酰胺-胺树状分子溶液加入到海藻酸钠溶液中，混合均匀后，接着加入碳酸钙粉末快速搅拌均匀，然后加入葡萄糖酸内酯粉末并充分搅拌均匀，静置，通过缓慢释放钙离子进行交联反应24h；
(5)反应结束后，用水洗涤，最后于在低于60℃烘箱中干燥即可得到负载聚酰胺-胺树状分子交联海藻酸钠抗菌水凝胶。
本实施例制备得到负载聚酰胺-胺树状分子的海藻酸钠抗菌水凝胶在pH＝1.0和pH＝7.4环境中的溶胀分别为0.38(g/g)和5.91(g/g)。抑菌率分别为48.89％(抗金黄色葡萄球菌)和40.04％(抗大肠杆菌)。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明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。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种负载聚酰胺-胺树状分子的海藻酸钠抗菌水凝胶，其特征在于，由聚酰胺-胺树状分子和海藻酸钠在交联剂的作用下通过物理交联制备而成，所述聚酰胺-胺树状分子通过其上大量的氨基与海藻酸钠的羧基间静电作用而被有效负载，所述海藻酸钠和聚酰胺-胺树状分子的用量总和为100重量份，其中，所述海藻酸钠的用量为60~95重量份，所述聚酰胺-胺树状分子的用量为5~40重量份；所述交联剂为碳酸钙和葡萄糖酸内酯，所述交联剂的用量为：碳酸钙与海藻酸钠的摩尔比大于0.3；碳酸钙与葡萄糖酸内酯的摩尔比为1:2。
2.根据权利要求1所述的负载聚酰胺-胺树状分子的海藻酸钠抗菌水凝胶，其特征在于，所述聚酰胺-胺树状分子的代数为1代~5代。
3.权利要求1~2任一所述的负载聚酰胺-胺树状分子的海藻酸钠抗菌水凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将海藻酸钠加入到水中，充分搅拌使其溶解后得到海藻酸钠溶液；
（2）将聚酰胺-胺树状分子溶于水，通过盐酸调节pH值为中性，得到聚酰胺-胺树状分子溶液；
（3）将聚酰胺-胺树状分子溶液加入到海藻酸钠溶液中，混合均匀后，接着加入碳酸钙粉末快速搅拌均匀，然后加入葡萄糖酸内酯粉末并充分搅拌均匀，静置，通过缓慢释放钙离子进行交联反应，反应结束后，水洗干燥，即得到负载聚酰胺-胺树状分子的海藻酸钠抗菌水凝胶。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述海藻酸钠溶液的质量百分浓度为1～5%。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述交联反应的时间大于6小时。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述干燥为冷冻干燥或烘干，所述烘干的温度低于60℃。
7.权利要求1~2任一所述的负载聚酰胺-胺树状分子的海藻酸钠抗菌水凝胶在生物医用材料领域的应用。
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