CN108178838A - 一种壳聚糖/丙烯酰胺粘韧双网络水凝胶及其制备方法 - Google Patents

一种壳聚糖/丙烯酰胺粘韧双网络水凝胶及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种壳聚糖/丙烯酰胺粘韧双网络水凝胶的制备方法。所述的壳聚糖/丙烯酰胺粘韧双网络水凝胶是由第一网络和第二网络互穿构成的。基于壳聚糖大分子的溶解特性以及其可修饰位点，本发明用FeCl3溶液来溶解壳聚糖，该方法既为壳聚糖的溶解提供了酸性条件，同时Fe3+与壳聚糖通过配位相互作用形成物理交联，进而实现一步法溶解并交联壳聚糖以形成第一网络，使水凝胶具有良好的生物相容性和一定的粘性。同时引入丙烯酰胺化学交联作为第二网络，使该水凝胶具有良好的生物相容性和粘性的同时也具有优异的力学性能。本发明的一种壳聚糖/丙烯酰胺粘韧双网络水凝胶的粘性剥离力最高可达310.15N/m，拉伸强度最高可达167.35kPa。拓宽了水凝胶的应用领域。

Description

一种壳聚糖/丙烯酰胺粘韧双网络水凝胶及其制备方法
技术领域
本发明提供了一种壳聚糖/丙烯酰胺粘韧双网络水凝胶及其制备方法，属于高分子水凝胶技术领域。
背景技术
壳聚糖作为除纤维素外第二大类天然高分子材料，是唯一一种可再生的碱性多糖类高分子，由甲壳素经脱乙酰而得到。壳聚糖具有来源丰富、生物相容性好、生物可降解、药物活性和抗菌性等特点，在食品工业，纺织工业、环境保护、医药保健等领域受到广泛亲睐，因此对壳聚糖材料的进一步开发和应用有着重要意义。
水凝胶是一种亲水的三维网状高分子聚合物，吸水后重量可达到自身重量的几十到几百倍，自身不溶于水，可以在水中保持其形貌和特征。 可以吸收大量水分且具有三维网络结构的软物质。壳聚糖的多糖单元结构，决定其分子内和分子间存在大量氢键，从而可以形成网状结构的水凝胶。壳聚糖水凝胶具有良好的亲水性和生物相容性，已被广泛应用于卫生用品、载药、烧伤敷料等领域。但是一方面由于壳聚糖属于大分子多糖且不易溶于水，传统上壳聚糖水凝胶的制备需将壳聚糖先溶解于多种无机酸，如盐酸，乙酸等以及某些有机酸中，或对其进行化学改性，才能进一步利用，制备工艺较复杂。另一方面，已有的壳聚糖水凝胶制品多数存在机械性能差的问题，大大限制其广泛的应用。因此，开发一种制备简单，力学性能优异的壳聚糖水凝胶具有深远意义。将拓宽其应用领域。
中国专利(CN 103467754 A)描述了一种壳聚糖水凝胶及其制备方法，包括步骤：S1将壳聚糖溶于稀酸溶剂中，配置壳聚糖溶液；S2在氧化剂存在下，是所述壳聚糖溶液发生氧化还原反应，得到预聚体溶液；S3在酸性条件下使所述的预聚体溶液发生自交联反应，得到壳聚糖水凝胶。本发明采用了本体自交联方法制备壳聚糖水凝胶，工艺简单，获得的壳聚糖水凝胶在具备良好的稳定性的同时，还保持了良好的生物相容性。此水凝胶保持了很好的生物相容性且制备工艺简单，但未提及其力学性能和粘性。
中国专利(CN 104140630 A)描述了一种壳聚糖基双网络水凝胶及其制备方法，其中第一网络为壳聚糖接枝水凝胶，所述壳聚糖接枝水凝胶由壳聚糖溶液，引发剂，第一单体以及交联剂进行接枝反应而成，第二网络穿插在第一网络的内部，第二网络为由第二单体，交联剂和光引发剂在紫外光照射下聚合而成的水凝胶，该水凝胶具有较高的压缩强度和拉伸强度。并且由于壳聚糖的引入，提高了该水凝胶的生物相容性，从而提高了该水凝胶在生物医药、建筑业、化工业、矿业等领域的应用。此水凝胶展现出良好的力学性能和生物相容性，但其制备工艺较繁琐而且未提及其粘性。
发明内容
为了解决已有技术存在的问题，本发明提供了一种壳聚糖/丙烯酰胺粘韧双网络水凝胶的制备方法。
本发明的一种壳聚糖/丙烯酰胺粘韧双网络水凝胶，其特征在于通过第一网络和第二网络互穿构成的，所述的第一网络为壳聚糖与Fe3+通过配位相互作用形成物理交联网络，第二网络是丙烯酰胺通过化学交联形成的网络。
本发明的一种壳聚糖/丙烯酰胺粘韧双网络水凝胶的制备方法的步骤和条件如下：
(1) 配置壳聚糖水溶液
配置质量分数为1.5～5%的壳聚糖水溶液，称取不同质量（0.3～1.0g）的壳聚糖，向其中加入FeCl3溶液，放在水浴锅中搅拌并升温至40～50℃，待壳聚糖完全溶于FeCl3溶液中，停止加热；
(2) 壳聚糖/丙烯酰胺粘韧双网络水凝胶的制备
a、将步骤(1)得到的溶液中加入丙烯酰胺（3.0～3.7g，即壳聚糖与丙烯酰胺的质量分数为8.11～33.33%），溶解后再加入交联剂和引发剂，搅拌20～30分钟，得到均匀的混合溶液；
b、将上述步骤a得到的均匀混合溶液放入密封的模具中，加热至60～70℃，恒温6～8小时，反应结束，将得到的凝胶在室温下放置2～3小时，得到壳聚糖/丙烯酰胺粘韧双网络水凝胶。
有益效果：
本发明的一种壳聚糖/丙烯酰胺粘韧双网络水凝胶不同于以往壳聚糖水凝胶在使用时需要先用酸将溶解，该发明点在于采用FeCl3溶液来溶解壳聚糖，该方法既为壳聚糖的溶解提供了酸性条件，同时Fe3+与壳聚糖通过配位相互作用形成物理交联，实现一步法溶解并交联壳聚糖以形成第一网络，进而赋予了水凝胶良好的生物相容性和一定的粘性，同时，丙烯酰胺通过化学交联形成第二网络引入到水凝胶中，使水凝胶在具有良好生物相容性和粘性的同时又具有了良好的力学性能，本发明的一种壳聚糖/丙烯酰胺粘韧双网络水凝胶的粘性剥离力最高可达310.15N/m，拉伸强度最高可达到167.35 kPa。拓宽了水凝胶的应用领域。
具体实施方式
一种壳聚糖/丙烯酰胺粘韧双网络水凝胶，其特征在于通过第一网络和第二网络互穿构成的，所述的第一网络为壳聚糖与Fe3+通过配位相互作用形成物理交联网络，第二网络是丙烯酰胺通过化学交联形成的网络。其制备方法的步骤和条件如以下实施例。
实施例1 一种壳聚糖/丙烯酰胺粘韧双网络水凝胶的制备方法的步骤和条件如下：
(1) 配置壳聚糖水溶液
配置质量分数为1.5%的壳聚糖水溶液，称取质量为0.3g的壳聚糖，向其中加入20mLFeCl3溶液,，放在水浴锅中搅拌并升温至40℃，待壳聚糖完全溶于FeCl3溶液中，停止加热；
(2) 壳聚糖/丙烯酰胺粘韧双网络水凝胶的制备
a、将步骤(1)得到的溶液中加入3.7g丙烯酰胺（即壳聚糖与丙烯酰胺的质量分数为8.11%），溶解后再加入0.002g交联剂(N,N,-亚甲基双丙烯酰胺)和0.02g引发剂(过硫酸钾)，搅拌20分钟，得到均匀的混合溶液；
b、将上述步骤a得到的均匀混合溶液放入密封的模具中，加热至70℃，恒温6小时，反应结束，将得到的凝胶在室温下放置2小时，得到壳聚糖/丙烯酰胺粘韧双网络水凝胶。
本发明制备的壳聚糖/丙烯酰胺粘韧双网络水凝胶的粘性性能测试方法：用模具制备长约为80mm，宽为10mm，厚为5mm的长方形水凝胶样条，取本实施例条件下的3个样条在CT3-1000质构仪上进行粘性剥离力实验，标距为80mm，剥离速度为5mm/min，剥离角度为90。测定其粘性性能。
本发明制备的壳聚糖/丙烯酰胺粘韧双网络水凝胶的力学性能测试方法：用1mL注射器做模具，制备出直径为4mm，长约为6cm的棒状的水凝胶样条，取本实施例条件下的3个样条在Instron6022万能材料试验机上进行力学拉伸实验，标距为15mm，拉伸速度80mm/min，测定其力学性能。
拉伸强度按下式计算：
εt=P/πR2
式中：P是最大载荷，单位为N;R为试样直径，单位mm。
断裂伸长率按下式计算
ε=L/L0
式中：L是拉伸机的拉伸长度，单位为cm；L0是试样的原始长度，单位为cm。
实施例1制备的壳聚糖/丙烯酰胺粘韧双网络水凝胶的粘性剥离力平均值为137.50N/m；其拉伸强度和断裂伸长率，平均值分别为65.15kPa和1450%。
实施例2
(1) 配置壳聚糖水溶液
配置质量分数为2.0%的壳聚糖水溶液，称取质量为0.4g的壳聚糖，向其中加入20mLFeCl3溶液,，放在水浴锅中搅拌并升温至50℃，待壳聚糖完全溶于FeCl3溶液中，停止加热；
(2) 壳聚糖/丙烯酰胺粘韧双网络水凝胶的制备
a、将步骤(1)得到的溶液中加入3.6g丙烯酰胺（即壳聚糖与丙烯酰胺的质量分数为11.11%），溶解后再加入0.002g交联剂(N,N,-亚甲基双丙烯酰胺)和0.02g引发剂(过硫酸钾)，搅拌30分钟，得到均匀的混合溶液；
b、将上述步骤a得到的均匀混合溶液放入密封的模具中，加热至70℃，恒温7小时，反应结束，将得到的凝胶在室温下放置3小时，得到壳聚糖/丙烯酰胺粘韧双网络水凝胶。
用实例1的测试方法，实施例2制备的壳聚糖/丙烯酰胺粘韧双网络水凝胶的粘性剥离力平均值为310.15N/m；其拉伸强度和断裂伸长率，平均值分别为167.35kPa和1780%。
实施例3
(1) 配置壳聚糖水溶液
配置质量分数为4.0%的壳聚糖水溶液，称取质量为0.8g的壳聚糖，向其中加入20mLFeCl3溶液,，放在水浴锅中搅拌并升温至50℃，待壳聚糖完全溶于FeCl3溶液中，停止加热；
(2) 壳聚糖/丙烯酰胺粘韧双网络水凝胶的制备
a、将步骤(1)得到的溶液中加入3.2g丙烯酰胺（即壳聚糖与丙烯酰胺的质量分数为25.00%），溶解后再加入0.002g交联剂(N,N,-亚甲基双丙烯酰胺)和0.02g引发剂(过硫酸钾)，搅拌30分钟，得到均匀的混合溶液；
b、将上述步骤a得到的均匀混合溶液放入密封的模具中，加热至60℃，恒温8小时，反应结束，将得到的凝胶在室温下放置3小时，得到壳聚糖/丙烯酰胺粘韧双网络水凝胶。
用实例1的测试方法，实施例3制备的壳聚糖/丙烯酰胺粘韧双网络水凝胶的粘性剥离力平均值为65.50N/m；其拉伸强度和断裂伸长率，平均值分别为68.37kPa和1380%。

Claims (3)

1.一种壳聚糖/丙烯酰胺粘韧双网络水凝胶，其特征在于通过第一网络和第二网络互穿构成的，所述的第一网络为壳聚糖与Fe3+通过配位相互作用形成物理交联网络，第二网络是丙烯酰胺通过化学交联形成的网络。
2.如权利要求1所述的一种壳聚糖/丙烯酰胺粘韧双网络水凝胶，其特征在于，其制备方法的步骤和条件如下 ：
(1) 配置壳聚糖水溶液
配置质量分数为1.5～5.0%的壳聚糖水溶液，称取不同质量（0.3～1.0g）的壳聚糖，向其中加入FeCl3溶液，放在水浴锅中搅拌并升温至40～50℃；待壳聚糖完全溶于FeCl3溶液中，停止加热；
(2) 壳聚糖/丙烯酰胺粘韧双网络水凝胶的制备
a、将步骤(1)得到的溶液中加入丙烯酰胺（3.0～3.7g，即壳聚糖与丙烯酰胺的质量分数为8.11～33.33%），溶解后再加入交联剂和引发剂，搅拌20～30分钟，得到均匀的混合溶液；
b、将上述步骤a得到的均匀混合溶液放入密封的模具中，加热至60～70℃，恒温6～8小时，反应结束，将得到的凝胶在室温下放置2～3小时，得到壳聚糖/丙烯酰胺粘韧双网络水凝胶。
3. 如权利要求2所述的一种壳聚糖/丙烯酰胺粘韧双网络水凝胶，其特征在于，其制备方法的步骤和条件如下：
(1) 配置壳聚糖水溶液
配置成质量分数为2.5%的壳聚糖水溶液，称取质量为0.5g的壳聚糖，向其中加入20mLFeCl3溶液,，放在水浴锅中搅拌并升温至40～50℃，待壳聚糖完全溶于FeCl3溶液中，停止加热；
(2) 壳聚糖/丙烯酰胺粘韧双网络水凝胶的制备
a、将步骤(1)得到的溶液中加入3.5g丙烯酰胺（即壳聚糖与丙烯酰胺的质量分数为14.29%），溶解后再加入交联剂和引发剂，搅拌30分钟，得到均匀的混合溶液；
b、将上述步骤 a 得到的均匀混合溶液放入密封的模具中，加热至60～70℃，恒温6～8小时，反应结束，将得到的凝胶在室温下放置2～3小时，得到壳聚糖/丙烯酰胺粘韧双网络水凝胶。
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