CN107602884B

CN107602884B - 一种丝素/壳聚糖复合智能水凝胶及其制备方法

Info

Publication number: CN107602884B
Application number: CN201710792985.XA
Authority: CN
Inventors: 赵荟菁; 唐二妮
Original assignee: Nantong Textile and Silk Industrial Technology Research Institute
Current assignee: Nantong Textile and Silk Industrial Technology Research Institute
Priority date: 2017-09-05
Filing date: 2017-09-05
Publication date: 2021-01-12
Anticipated expiration: 2037-09-05
Also published as: CN107602884A

Abstract

本发明公开了一种丝素/壳聚糖复合智能水凝胶及其制备方法。蚕丝经脱胶、溶解、透析、离心、稀释处理后获得丝素溶液，再将其与壳聚糖的稀酸溶液混合，在交联剂1‑乙基‑3‑(3‑二甲氨基丙基)碳酰二亚胺(EDC)和N‑羟基丁二酰亚胺(NHS)的作用下，经丝素和壳聚糖交联后得到一种智能水凝胶。水凝胶的力学性能优良，生物相容性好，可生物降解，且具有温度、pH值、离子强度等多重响应性，在药物控制释放、组织工程支架、创伤敷料等生物医药领域具有广阔的应用前景。本发明提供的智能水凝胶，制备方法简单，工艺流程短，易于实现批量化生产。

Description

一种丝素/壳聚糖复合智能水凝胶及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种智能水凝胶及其制备方法，特别涉及一种丝素与壳聚糖复合的智能水凝胶及其制备方法，属于医用材料技术领域。

背景技术

水凝胶是一种由聚合物经物理交联或化学交联而形成的内部具有三维网络状结构的材料，它不溶于水但具有溶胀及保水特性。智能水凝胶是一种能够随着外部条件的变化而做出响应的水凝胶，其中外部条件包括pH值、温度、离子强度、电场强度、磁场强度等，而水凝胶可做出的响应包括力学性能、形状、溶胀度等的改变。基于水凝胶的以上特性，其被广泛应用于细胞培养、药物控制释放、组织工程支架、创伤敷料、生物传感器等生物医药领域。

丝素是从蚕丝中提取的天然高分子材料，在我国来源丰富，且具有良好的生物相容性和生物可降解性，其制成的水凝胶在人工皮肤、创伤敷料、药物缓释、组织工程支架等方面具有广阔的应用前景。壳聚糖是由甲壳素经脱乙酰反应后得到的产品，是一种碱性氨基多糖，来源广泛、储量丰富，具有良好的生物相容性、生物可降解性和天然抗菌作用，其制成的凝胶材料在生物医药领域将具有潜在的应用价值。然而，纯壳聚糖凝胶不易成型且力学性能较差，限制了壳聚糖水凝胶材料的进一步应用。

发明内容

本发明针对现有的壳聚糖水凝胶存在的不易成型、力学性能较差的不足，提供一种生物相容性良好、可生物降解、形态稳定、力学性能优良，且具有温度、pH值、离子强度等多重响应性的丝素/壳聚糖复合智能水凝胶及其制备方法。所提供的水凝胶材料可用于创伤敷料、药物控制释放、组织工程支架等领域。

为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案是提供一种丝素/壳聚糖复合智能水凝胶，所述水凝胶的含水率为94～97%，压缩强度为18～75 Pa；压缩至40%时，水凝胶的回弹率为45～90%。

本发明提供的丝素/壳聚糖复合智能水凝胶，当温度在室温～60℃范围变化时，所述智能水凝胶的溶胀度的变化范围为100～240%；当pH值在3～8范围变化时，所述智能水凝胶的溶胀度的变化范围为100～240%；当NaCl的质量浓度在0.6%～5%范围变化时，所述智能水凝胶的溶胀度的变化范围为80～170%。

本发明技术方案还包括如上所述丝素/壳聚糖复合智能水凝胶的制备方法，包括如下步骤：

1、制备丝素溶液：蚕丝经脱胶、溶解、透析、离心、稀释后，获得质量浓度为3～6%的丝素水溶液；

2、制备壳聚糖溶液：将壳聚糖溶解于质量浓度为1%的醋酸溶液中，制备体积浓度为1～3%的壳聚糖溶液；

3、制备交联剂：按质量比为2/1，将1-乙基-3-(3-二甲氨基丙基)碳酰二亚胺记作EDC和N-羟基丁二酰亚胺记作NHS加入到乙醇/水的混合溶剂中，搅拌均匀；乙醇与水的体积比为95/5，

4、制备复合凝胶：将丝素溶液和壳聚糖溶液在温度为25～60℃的水浴环境下混合均匀，再加入交联剂，其中，EDC为丝素质量的10～40%，搅拌均匀后，置于温度为25～60℃的培养箱内12～48 h，得到一种丝素/壳聚糖复合智能水凝胶。

上述丝素/壳聚糖复合智能水凝胶的制备方法中，丝素和壳聚糖的质量比为9/1～6/4。步骤（4）的pH值为4～6。

与现有技术相比，采用本发明所提供的技术方案，具有以下明显的优点：

1.本发明通过化学交联剂在丝素和壳聚糖之间形成稳定的化学键，内部具有三维网络状结构，因此复合水凝胶形态稳定，具有良好的强度、弹性及溶胀特性，且其含水率可达到94%以上。

2.本发明提供的丝素/壳聚糖复合智能水凝胶制备工艺简单，可以通过调节丝素/壳聚糖的比重、凝胶温度、交联剂的用量等条件实现对凝胶性能的可控性。

3.本发明提供的丝素/壳聚糖复合智能水凝胶对温度、pH值、离子强度均具有良好的响应性，可应用于创伤敷料、药物控制释放、组织工程支架等生物医药领域。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种丝素/壳聚糖复合智能水凝胶的扫描电镜图；

图2是本发明各实施例提供的丝素/壳聚糖不同比例的复合智能水凝胶的宏观形貌照片对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步的阐述。

实施例1

1．制备丝素溶液：将2 L去离子水加热至沸腾，加入4.24 g无水碳酸钠粉末，待其完全溶解后，将预先用精密天平称取的5 g家蚕丝放入其中，边煮边搅拌30 min。随后取出丝并用去离子水清洗干净，放置于60 ℃的烘箱中烘干得到纯丝素纤维。将烘干的丝素纤维用浓度为9.3 mol/L的溴化锂溶液在60 ℃下溶解约4-6 h，浴比 2.7:10。冷却后装入透析袋中密封，去离子水中透析72 h，再用离心机在9000 r/min的转速下离心20 min，重复两次。将得到的丝素溶液稀释至质量浓度为3%，放置于4 ℃冰箱中备用。

2．制备壳聚糖溶液：室温下，用精密天平准确称取2.00 g壳聚糖，溶解在100 ml浓度为1%的醋酸溶液中，充分搅拌使其混合均匀，直至壳聚糖溶液变得清澈，最终获得浓度为2%的壳聚糖溶液，储存在4 ℃冰箱中待用。

3．制备交联剂溶液：将1-乙基-3-(3-二甲氨基丙基)碳酰二亚胺（EDC）和N-羟基丁二酰亚胺（NHS）加入到溶剂乙醇/水中搅拌均匀，EDC/NHS 质量比为2/1，乙醇与水的体积比为95/5，其中EDC占丝素质量的10%；

4．制备复合凝胶：将步骤1的丝素溶液和步骤2的壳聚糖溶液按质量比为9/1在室温下混合均匀，再加入所制备的交联剂，搅拌均匀后，在室温下放置48 h，即可得到复合水凝胶。

参见附图1，它是本实施例提供的丝素/壳聚糖复合智能水凝胶的扫描电镜图，该水凝胶呈规整孔隙结构，且孔间相互连通。

所获得的智能水凝胶含水率为94%，压缩强度为18 Pa，压缩至40%时，回弹率为45%。

当温度在室温与60℃之间变化时，所提供的智能水凝胶的溶胀度在100～130%之间变化。

当pH值在3到8之间变化时，智能水凝胶的溶胀度在100～130%之间变化。

当NaCl浓度在0.6～5%之间变化时，智能水凝胶的溶胀度在80～100%之间变化。

实施例2

1．制备丝素溶液：将2 L去离子水加热至沸腾，加入4.24 g无水碳酸钠粉末，待其完全溶解后，将预先用精密天平称取的5 g家蚕丝放入其中，边煮边搅拌30 min。随后取出丝并用去离子水清洗干净，放置于60 ℃的烘箱中烘干得到纯丝素纤维。将烘干的丝素纤维用浓度为9.3 mol/L的溴化锂溶液在60 ℃下溶解约4～6 h，浴比 2.7:10。冷却后装入透析袋中密封，去离子水中透析72 h，再用离心机在9000 r/min的转速下离心20 min，重复两次。将得到的丝素溶液稀释至3%，放置于4 ℃冰箱中备用。

3．准备交联剂：室温下，将质量比为2/1的EDC/NHS加入到乙醇/水中搅拌均匀，乙醇与水的体积比为95/5，其中EDC占丝素质量的20%。

4．制备复合凝胶：将步骤（1）的丝素溶液和步骤（2）的壳聚糖溶液按质量比为8/2在37℃的水浴环境下混合均匀，然后加入（3）所制备的交联剂，搅拌均匀后，在37℃培养箱内放置18 h，即可得到复合水凝胶。

经检测，本实施例制备的智能水凝胶含水率为96%，压缩强度为75 Pa，压缩至40%时，回弹率为90%。

当温度在室温与60℃之间变化时，该智能水凝胶的溶胀度在100～150%之间变化。

当pH值在3到8之间变化时，该智能水凝胶的溶胀度在100～150%之间变化。

当NaCl浓度在0.6%～5%之间变化时，该智能水凝胶的溶胀度在80～130%之间变化。

实施例3

3．准备交联剂：室温下，将质量比为2/1的EDC/NHS加入到乙醇/水中搅拌均匀，乙醇与水的体积比为95/5，其中EDC占丝素质量的30%。

4．制备复合凝胶：将步骤1的丝素溶液和步骤2的壳聚糖溶液按质量比为7/3在60℃的水浴环境下混合均匀，然后加入3所制备的交联剂，搅拌均匀后，在60℃培养箱内放置24 h，即可得到复合水凝胶。

所获得的智能水凝胶含水率为95%，压缩强度为37 Pa，压缩至40%时，回弹率为90%。

当温度在室温与60℃之间变化时，该智能水凝胶的溶胀度在100%～120%之间变化。

当pH值在3到8之间变化时，该智能水凝胶的溶胀度在100%～120%之间变化。

当NaCl浓度在0.6%～5%之间变化时，该智能水凝胶的溶胀度在80%～130%之间变化。

实施例4

3．准备交联剂：室温下，将质量比为2/1的EDC/NHS加入到乙醇/水中搅拌均匀，乙醇与水的体积比为95/5，其中EDC占丝素质量的40%。

4．制备复合凝胶：将步骤1的丝素溶液和步骤2的壳聚糖溶液按质量比为6/4在37℃的水浴环境下混合均匀，然后加入3所制备的交联剂，搅拌均匀后，在37℃培养箱内放置10 h，即可得到复合水凝胶。

所获得的智能水凝胶含水率为96.7%，压缩强度为20 Pa，压缩至40%时，回弹率为91%。

当温度在室温与60℃之间变化时，该智能水凝胶的溶胀度在140%～200%之间变化。

当pH值在3到8之间变化时，该智能水凝胶的溶胀度在140%～200%之间变化。

当NaCl浓度在0.6%～5%之间变化时，该智能水凝胶的溶胀度在120%～160%之间变化。

实施例5

4．制备复合凝胶：将步骤1的丝素溶液和步骤2的壳聚糖溶液按质量比为7/3在37℃的水浴环境下混合均匀，然后加入3所制备的交联剂，搅拌均匀后，在37℃培养箱内放置12 h，即可得到复合水凝胶。

所获得的智能水凝胶含水率为97%，压缩强度为34 Pa，压缩至40%时，回弹率为90%。

当温度在室温与60℃之间变化时，该智能水凝胶的溶胀度在200%～240%之间变化。

当pH值在3到8之间变化时，该智能水凝胶的溶胀度在180%～240%之间变化。

当NaCl浓度在0.6%～5%之间变化时，该智能水凝胶的溶胀度在80%～170%之间变化。

参见附图2，它是本发明上述实施例提供的丝素/壳聚糖不同比例的复合智能水凝胶的宏观形貌照片对比图。丝素与壳聚糖的比例为9/1（A）图、8/2（B）图、7/3（C）图、6/4（D）图时均形成了结构完整且具有一定强度的智能水凝胶，其力学性能随着交联剂的用量变化而有所改变。各比例智能水凝胶的含水率均在94%以上，其平均压缩回弹率为80%左右，且各比例的智能水凝胶均具有温度、pH值及离子强度响应性。

Claims

1.一种丝素/壳聚糖复合智能水凝胶，其特征在于：所述水凝胶的含水率为94～97%，压缩强度为18～75 Pa；压缩至40%时，水凝胶的回弹率为45～90%；当温度在室温～60℃范围变化时，所述智能水凝胶的溶胀度的变化范围为100～240%；当pH值在3～8范围变化时，所述智能水凝胶的溶胀度的变化范围为100～240%；当NaCl的质量浓度在0.6%～5%范围变化时，所述智能水凝胶的溶胀度的变化范围为80～170%；

所述丝素/壳聚糖复合智能水凝胶的制备方法，包括如下步骤：

（1）制备丝素溶液：蚕丝经脱胶、溶解、透析、离心、稀释后，获得质量浓度为3～6%的丝素水溶液；

（2）制备壳聚糖溶液：将壳聚糖溶解于质量浓度为1%的醋酸溶液中，制备体积浓度为1～3%的壳聚糖溶液；

（3）制备交联剂：按质量比为2/1，将1-乙基-3-(3-二甲氨基丙基)碳酰二亚胺记作EDC和N-羟基丁二酰亚胺记作NHS加入到乙醇/水的混合溶剂中，搅拌均匀；乙醇与水的体积比为95/5，

（4）制备复合凝胶：将丝素溶液和壳聚糖溶液在温度为25～60℃的水浴环境下混合均匀，再加入交联剂，其中，EDC为丝素质量的10～40%，搅拌均匀后，置于温度为25～60℃的培养箱内12～48 h，得到一种丝素/壳聚糖复合智能水凝胶。

2.一种丝素/壳聚糖复合智能水凝胶的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

3.根据权利要求2所述的一种丝素/壳聚糖复合智能水凝胶的制备方法，其特征在于：丝素和壳聚糖的质量比为9/1～6/4。

4.根据权利要求2所述的一种丝素/壳聚糖复合智能水凝胶的制备方法，其特征在于：步骤（4）的pH值为4～6。