CN107619452B

CN107619452B - 一种具有高效pH敏感性及高机械强度的物理交联壳聚糖基水凝胶的制备方法

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Publication number: CN107619452B
Application number: CN201610552906.3A
Authority: CN
Inventors: 车玉菊; 孟凡君; 李冬平; 其他发明人请求不公开姓名
Original assignee: Shandong University Weihai
Current assignee: Shandong University Weihai
Priority date: 2016-07-14
Filing date: 2016-07-14
Publication date: 2019-07-26
Anticipated expiration: 2036-07-14
Also published as: CN107619452A

Abstract

式（I）所示的具有高效pH敏感性及高机械强度的物理交联壳聚糖基水凝胶的制备方法，属于天然材料的高分子功能改性合成技术领域。以式(III)所示壳聚糖表面的羟基为接枝位点，由化学引发剂过硫酸钾‑硫代硫酸钠受热分解产生自由基，在壳聚糖上形成活性点，进一步引发一部分式(IV)所示的单体AAC和式(II)所示的单体DMAEMA接枝聚合到壳聚糖主链上，同时得到两种单体的共聚物分子链，穿插在壳聚糖接枝共聚物的大分子链之间形成半互穿网络，即得式(I)所示的水凝胶，产物冷冻干燥即得到固体产品，反应易操作、条件温和。该制备方法所得物理交联水凝胶具有高效pH敏感性及高机械强度，同时具有很好地生物相容性和较大的溶胀率，在医疗、医药领域的大分子溶质分离、药物释放系统、诊断疾病及日常监测等方面具有广泛的应用前景。

Description

一种具有高效pH敏感性及高机械强度的物理交联壳聚糖基水凝胶的制备方法

技术领域

本发明涉及一种具有高效pH敏感性及高机械强度的物理交联壳聚糖基水凝胶的制备方法，属于天然高分子材料的功能改性技术领域。

背景技术

智能水凝胶由于其独特的响应性在传感器、药物传输、组织工程、酶的固载等方面具有广泛的应用前景，此类水凝胶是指在外界环境发生变化时(如温度、pH值、电场、溶剂性质、光强度和光波长、压力、离子强度等)凝胶的性质随之发生相应的变化的水凝胶，其中pH响应水凝胶是最重要、研究最为广泛的智能性水凝胶之一。

pH敏感性水凝胶能随着外界pH值变化而发生性质改变(如溶胀度、形状等)，通常在凝胶的聚合物链上含有可离子化的酸性或碱性基团，如羧基、磺酸基或氨基等。当外界的pH值发生变化时，这些基团发生电离造成聚合物链内或链间氢键相互作用、离子相互作用及聚合物内外的离子浓度、聚合物与溶剂间的相互作用发生变化，从而导致凝胶网络结构发生变化，引起聚合物链蜷缩或伸展，反映在宏观上则是水凝胶发生体积相变，即对外界pH值的变化产生了响应。目前，所制备的pH敏感性水凝胶主要包括化学交联水凝胶及物理交联水凝胶两大类，其pH敏感性都有一定的延迟性，不能快速响应环境的变化，并且化学交联的水凝胶虽然具有较高的机械强度，但化学交联剂的使用往往使其具有一定的生物毒性，大大限制了其在生物工程方面的应用。物理交联水凝胶是通过物理作用力如静电作用、离子相互作用、氢键、链的缠绕等形成物理交联点，具有较好的生物相容性，但是由于相互作用较弱，机械强度不高，很容易被破坏，限制了其正常应用。因此，制备具有高效pH敏感性及高机械强度并且无毒的物理交联水凝胶具有很大的实用意义。

发明内容

针对目前pH敏感性的物理交联水凝胶存在的对外界刺激响应性慢、机械性能差等问题，本发明的目的是提供一种新型的pH敏感的物理水凝胶的制备方法，在不加化学交联剂的前提下，大幅提升所得水凝胶的pH敏感性和机械强度。

本发明提供式(I)所示的具有高效pH敏感性及高机械强度的物理交联水凝胶的制备方法，具体制备方法包括如下步骤：

式(I)中，m，q为1、2、3、4…自然数；式(III)中，n为1、2、3、4…自然数。

步骤(1)，室温下，将一定量的式(III)所示的壳聚糖(CS)溶于10mL质量分数1％的醋酸溶液中，搅拌过夜，制备不同质量分数的壳聚糖溶液。

步骤(2)，将一定质量比的式(II)所示的单体甲基丙烯酸N，N-二甲基氨基乙酯(DMAEMA)和式(IV)所示的单体丙烯酸(AAC)加入圆底烧瓶中，在0℃(冰水浴)中混合均匀。

步骤(3)，在步骤(1)体系中加入一定质量浓度的过硫酸钾-硫代硫酸钠氧化还原引发剂及步骤(2)所制得的单体混合物，磁子搅拌均匀并通氮气除氧15min。

步骤(4)，将步骤(3)准备好的反应混合物倒入直径为5mm，长度为80mm的小试管中，然后用密封膜密封。

步骤(5)，将步骤(4)的小试管置于恒温水浴槽中，恒温下反应24h。

步骤(6)，反应结束后，从水槽中取出小试管，将充满凝胶的小试管小心地敲碎，取出合成好的块状凝胶，置于去离子水中浸泡4天，以除去未反应的单体，期间每隔4h换一次水。

步骤(7)，除去未反应的单体后，采用冷冻干燥的方法将水凝胶干燥至恒重，即得到式(I)所示的目标产物，一种具有高效pH敏感性及高机械强度的物理交联壳聚糖基水凝胶。

上述制备方法中，步骤(1)所用式(III)所示的壳聚糖(CS)醋酸溶液的质量分数范围为4.76～23％。

述制备方法中，步骤(2)所用式(II)所示的单体甲基丙烯酸N，N-二甲基氨基乙酯(DMAEMA)和式(IV)所示的单体丙烯酸(AAC)的单体的质量比范围为2.5:97.5～30:70。

上述制备方法中，步骤(3)所用的过硫酸钾-硫代硫酸钠氧化还原引发剂的质量浓度范围为0.1％～3％。

上述制备方法中，步骤(5)恒温水浴槽的温度为40～60℃。

下面对本发明方法的原理说明如下:

具有高效pH敏感性及高机械强度的物理交联壳聚糖基水凝胶的制备原理为：以壳聚糖表面的羟基为接枝位点，由化学引发剂过硫酸钾-硫代硫酸钠受热分解产生自由基，在壳聚糖及水溶液中形成活性点，进一步引发式(IV)所示的单体AAC和式(II)所示的DMAEMA单体接枝聚合到壳聚糖主链上，同时还可形成两种单体共聚物的分子链，穿插在壳聚糖接枝共聚物的大分子链之间形成半互穿网络，即得式(I)所示的产物水凝胶。

本发明制备的式(I)所示的水凝胶上同时含有可电离的酸性基团(AAC上的羧基)和碱性基团(CS上的氨基及DMAEMA上的叔氨基)，属于两性pH敏感水凝胶，其pH值敏感性来源于分子链上这两种基团的离子化作用。低pH值时碱性基团质子化，高pH值时酸性基团离子化，故两性水凝胶在酸碱溶液中均有较大的溶胀度，而在中性时溶胀度较小，具有高效的pH敏感性。同时由于壳聚糖结构上具有氨基与羧基，能与AAC及DMAEMA上的羧基及叔氨基形成很强的氢键作用，在不同的pH条件下，羧基与氨基及叔氨基会发生不同程度的电离，形成强度不同的静电作用，再加上DMAEMA分子和壳聚糖具有一定的疏水相互作用，所以凝胶内部会形成较多的物理交联点，因此本发明制备的式(I)所示的水凝胶具有很强的机械性能。

本发明的优良效果如下:

1.壳聚糖廉价易得、具有良好的生物相容性、可降解、使用安全、绿色环保。

2.采用水溶液自由基聚合，反应条件温和，对体系的纯净度、耐受度高，成本低、易操作。

3.采用了溶液聚合的方法，混合和散热简便，生产操作和温度都易于控制。

4.制备的水凝胶同时含有阴离子单体AAC和阳离子单体DMAEMA，使两性水凝胶在酸碱溶液中均有较大的溶胀度，只有在中性时溶胀度较小，水凝胶的pH敏感性显著。

5.水凝胶同时含有酸性基团(羧基)和碱性基团(氨基及叔氨基)，所以凝胶内部具有很强的物理交联作用，水凝胶具有很强的机械性能。相对于化学交联的水凝胶，本水凝胶具有更好的生物相容性。

上述诸多特点表明，本发明适于工业化生产，并且具有广泛的应用前景。

附图说明

图1红外(FT-IR)图谱(A)式(III)所示的壳聚糖，(B)式(I)所示的物理交联水凝胶。

图2式(I)所示的水凝胶的平衡溶胀率随pH值的变化图。

图3式(I)所示的水凝胶的压缩强度曲线图及压缩效果图。

具体实施方式

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

本发明下述实施例中，生物试剂级壳聚糖(脱乙酰度85％，分子量50000)，购买于青岛海汇生物工程有限公司，丙烯酸(AAC，纯度98％)、甲基丙烯酸N，N-二甲基氨基乙酯(DMAEMA，纯度98％)均购自百灵威(中国)有限公司，过硫酸钾和硫代硫酸钠购自天津瑞金特化学品有限公司。

实施例1.式(I)所示的具有高效pH敏感性及高机械强度的物理交联壳聚糖基水凝胶的制备

步骤(1)，室温下，将1.0g式(III)所示的壳聚糖溶于10mL质量分数1％的醋酸溶液中，搅拌过夜，制备透明的壳聚糖溶液。

步骤(2)，将式(II)所示的单体DMAEMA和式(IV)所示的单体AAC(质量比为2.5:97.5)加入圆底烧瓶中，在0℃(冰水浴)中混合均匀。

步骤(3)，在步骤(1)体系中加入质量浓度为0.16％的过硫酸钾-硫代硫酸钠氧化还原引发剂，再加入步骤(2)所得的单体混合物，磁子搅拌均匀并通氮气除氧15min。

步骤(5)，将步骤(4)的小试管置于50℃恒温水浴槽中，恒温下反应24h。

步骤(6)，反应结束后，从水槽中取出小试管，将充满凝胶的小试管小心地敲碎，取出合成好的块状凝胶，置于去离子水中浸泡4天，以除去未反应的单体。期间每隔4h换一次水。

步骤(7)，除去未反应的单体后，采用冷冻干燥的方法将水凝胶干燥至恒重，即得到式(I)所示的目标产物，一种具有高效pH敏感性及高机械强度的壳聚糖基水凝胶。该凝胶在pH7.4的磷酸盐缓冲溶液中的溶胀率为30.18，最大压缩强度为0.05994MPa。

实施例2.如实施例1所述，所不同的是改变式(III)所示的壳聚糖的质量为2g，凝胶的溶胀率变为16.43，最大压缩强度变为0.0326MPa。

实施例3.如实施例1所述，所不同的是改变式(II)所示的单体DMAEMA和式(IV)所示的单体AAC的质量比为5:95，凝胶的溶胀率变为22.79，最大压缩强度变为0.1309MPa。

实施例4.如实施例1所述，所不同的是改变式(II)所示的单体DMAEMA和式(IV)所示的单体AAC的质量比为10:90，凝胶的溶胀率变为18.47，最大压缩强度变为0.278MPa。

实施例5.如实施例1所述，所不同的是改变式(II)所示的单体DMAEMA和式(IV)所示的单体AAC的质量比为30:70，凝胶的溶胀率变为15.92，最大压缩强度变为0.7725MPa。

实施例6.如实施例1所述，所不同的是改变体系中过硫酸钾-硫代硫酸钠氧化还原引发剂质量浓度为3％，凝胶的溶胀率变为23.56，最大压缩强度变为0.0204MPa。

Claims

1.式(I)所示的具有高效pH敏感性及高机械强度的物理交联壳聚糖基水凝胶的制备方法，以式(III)所示的壳聚糖表面的羟基为接枝位点，由化学引发剂过硫酸钾-硫代硫酸钠受热分解产生自由基，在壳聚糖及水溶液中形成活性点，进一步引发式(IV)所示的单体AAC和式(II)所示的DMAEMA单体接枝聚合到壳聚糖主链上，同时还可形成两种单体共聚物的分子链，穿插在壳聚糖接枝共聚物的大分子链之间形成半互穿网络，即得式(I)所示的产物水凝胶，具体步骤如下：

式(I)中，m，q为1、2、3、4…自然数；式(III)中，n为1、2、3、4…自然数；

步骤(1)，室温下，将一定量的式(III)所示的壳聚糖(CS)溶于10mL质量分数1％的醋酸溶液中，搅拌过夜，制备不同质量分数的壳聚糖溶液；

步骤(2)，将一定质量比的式(II)所示的单体甲基丙烯酸N，N-二甲基氨基乙酯(DMAEMA)和式(IV)所示的单体丙烯酸(AAC)加入圆底烧瓶中，在0℃(冰水浴)中混合均匀；

步骤(3)，在步骤(1)体系中加入一定质量浓度的过硫酸钾-硫代硫酸钠氧化还原引发剂及步骤(2)所制得的单体混合物，磁子搅拌均匀并通氮气除氧15min；

步骤(4)，将步骤(3)准备好的反应混合物倒入直径为5mm，长度为80mm的小试管中，然后用密封膜密封；

步骤(5)，将步骤(4)的小试管置于恒温水浴槽中，恒温下反应24h；

步骤(6)，反应结束后，从水槽中取出小试管，将充满凝胶的小试管小心地敲碎，取出合成好的块状凝胶，置于去离子水中浸泡4天，以除去未反应的单体，期间每隔4h换一次水；

步骤(7)，除去未反应的单体后，采用冷冻干燥的方法将水凝胶干燥至恒重，即得到式(I)所示的目标产物，一种具有高效pH敏感性及高机械强度的壳聚糖基水凝胶。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)所用式(III)所示的壳聚糖(CS)溶液的质量分数范围为4.76～23％。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)所用式(II)所示的单体甲基丙烯酸N，N-二甲基氨基乙酯(DMAEMA)和式(IV)所示的单体丙烯酸(AAC)的单体质量比的范围为2.5:97.5～30:70。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(3)所用的过硫酸钾-硫代硫酸钠氧化还原引发剂的质量浓度范围为0.1％～3％。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(5)恒温水浴槽的温度为40～60℃。