CN109666150B - 一种低氧诱导水凝胶及其制备方法 - Google Patents

一种低氧诱导水凝胶及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种低氧诱导水凝胶及其制备方法，利用甲基丙烯酸酐得到甲基丙烯酰化的明胶，引入双键；利用香草醛上的醛基和甲基丙烯酰化的明胶上氨基反应将香草醛接枝上去，得到聚合物，利用该聚合物上的双键能和带巯基的透明质酸反应形成水凝胶，同时加入漆酶，构建一种低氧诱导水凝胶。同时本发明的优点在于制备方法简单，反应条件温和且具有可降解性。

Description

一种低氧诱导水凝胶及其制备方法
技术领域
本发明属于水凝胶技术领域，涉及一种低氧诱导水凝胶的材料合成及其制备方法，更具体地说，涉及一种接枝改性的明胶(Geln-MA-Van)及其制备方法，该聚合物能够和漆酶作用形成低氧环境，能够通过与带巯基的透明质酸反应形成水凝胶。
背景技术
明胶作为一种生物可降解材料，由于其生物相容性，可降解性，广泛的用于水凝胶的制备中，在这里，我们可以通过甲基丙烯酸酐对明胶进行改性，形成甲基丙烯酰化的明胶，在明胶上引入双键结构，从而使其能够与带巯基的透明质酸反应成胶。在很多方面都可以得到很好的应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种低氧诱导水凝胶及其制备方法，旨在通过带双键的明胶和带巯基的透明质酸通过漆酶诱导构建一种能够产生低氧的微环境。由于香草醛上的酚羟基可以在漆酶的作用下，消耗氧气，产生一种低氧环境，在这里我们利用这点将香草醛接枝到甲基丙烯酰化的明胶上，从而构建一种低氧诱导水凝胶体系。
本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：
一种低氧诱导水凝胶及其制备方法，以香草醛分散在无水乙醇中并加入到明胶的水溶液中，利用明胶的氨基和香草醛的醛基反应将香草醛接枝到明胶上，再将产物和带巯基的透明质酸配制成水溶液并加入漆酶，室温下静置即可得到水凝胶；明胶为甲基丙烯酰化明胶。
而且，甲基丙烯酰化明胶按照下述步骤进行制备：将明胶使其在40℃水浴下搅拌至完全溶解，加入极少量的氢氧化钠；然后量取二甲基甲酰胺(DMF)缓慢加入明胶溶液中，搅拌混合均匀后加入甲基丙烯酸酐，之后40℃下搅拌反应2h。在反应结束后，将反应溶液倒入无水乙醇中搅拌沉降，倒掉清液，留下沉降物并剪成小块，加入少量无水乙醇进一步搅拌，抽滤干燥，将干燥后的产物溶于适量的去离子水中，完全溶解后放入冻干机中冻干，得到白色泡沫塑料状甲基丙烯酰化明胶，具体参考Lee B H,Shirahama H,Cho N J,etal.Efficient and Controllable Synthesis of Highly Substituted GelatinMethacrylamide for Mechanically Stiff Hydrogels[J].Rsc Advances,2015,5(128):106094-106097。在制备甲基丙烯酰化的明胶中，温度过低，明胶不能够溶解于水中，未能发生反应。而当温度过高时，甲基丙烯酸酐在高温下不稳定，容易分解，因此选择最佳的反应温度为40—45度；考察 Geln-MA的制备反应时间，反应时间过短，可能会使产物的枝化程度不高；反应时间过长，可能会使产物过度枝化而相互交联，继而影响最终产物的性能，因此选择的反应时间为2—3小时；明胶和甲基丙烯酸酐的含量会影响所需最终产物的形成与性能，因此选择的明胶的含量为4g，甲基丙烯酸酐的含量为290μl。
而且，利用明胶的氨基和香草醛的醛基反应将香草醛接枝到明胶上，之后用丙酮沉淀，将沉淀放入真空干燥箱中20—24h，即得到产物(Geln-MA-Van)，香草醛和明胶的质量比为1：(1—5)，优选1：(2—5)，反应温度为35—38摄氏度，反应时间为40—80h，优选60—74h。
而且，将明胶和香草醛反应产物、带巯基的透明质酸配制成水溶液，固含量为10—30wt％，优选15—25wt％，明胶和香草醛反应产物(Geln-MA-Van)的双键(碳碳双键) 和带巯基的透明质酸的巯基为等摩尔比；固含量为明胶和香草醛反应产物、带巯基的透明质酸的质量之和/(明胶和香草醛反应产物、带巯基的透明质酸和水的质量之和)。
而且，漆酶在水溶液中加入量为20—25U/mL。
本发明的水凝胶在室温20—25摄氏度下平均在1min内实现成胶，优选在20—45秒内成胶。
与现有技术相比，本发明提供的一种低氧诱导水凝胶，以Geln-MA-Van和HA-SH 为原料，在加入漆酶的作用下，利用双键和巯基的反应，在室温下静置半分钟得到。本发明制备方法简单，材料来源广泛，生产效率高。
附图说明
图1为纯明胶(Gelain)和甲基丙烯酰化明胶(Geln-MA)的核磁共振氢谱谱图。
图2为本发明制备的低氧诱导水凝胶(Geln-MA-Van)的核磁共振氢谱谱图。
图3为本发明制备低氧诱导水凝胶中不同比例的Geln-MA-Van和HA-SH的成胶示意图。
具体实施方式
下面结合具体实例进一步说明本发明的技术方案，以下结合实例进一步说明本发明，但这些实例并不用来限制本发明。使用药品如下：
名称 厂商 规格
明胶 Sigma
氢氧化钠 天津光复精细化工有限公司 98％
N,N-二甲基甲酰胺(DMF) 天津光复精细化工有限公司 分析纯
甲基丙烯酸酐 希恩斯 98％
无水乙醇 天津光复精细化工有限公司 分析纯
香草醛 北京伊诺凯科技有限公司 99％
丙酮 天津市元立化工有限公司 分析纯
巯基化透明质酸(HA-SH) 美国ESI-BIO公司 化学纯
漆酶 上海源叶生物科技有限公司 120U/g
准备实验所需要的器具，清洗反应用的圆底烧瓶，烧杯，量筒，转子等并置于烘箱中烘干。用托盘天平称量4g的猪皮明胶，量取200mL的去离子水，132mL的二甲基甲酰胺(DMF)。
设置好水浴锅的温度(40摄氏度)和转速(400rmp)，然后将500mL的圆底烧瓶置于水浴锅中，先加入4g的猪皮明胶，再加入200mL的去离子水，并放入小磁子，使明胶充分溶解于水中，加入极少量的氢氧化钠；然后将132mL的二甲基甲酰胺(DMF) 缓慢加入明胶溶液中，搅拌混合均匀后用移液枪量取290μl的甲基丙烯酸酐，十分钟后再加入292μl的甲基丙烯酸酐，之后40℃下搅拌反应2h，具体参考Lee B H,Shirahama H, Cho N J,etal.Efficient and Controllable Synthesis of Highly Substituted GelatinMethacrylamide for Mechanically Stiff Hydrogels[J].Rsc Advances,2015, 5(128):106094-106097。
反应结束后，关闭水浴锅，戴上布手套取出圆底烧瓶，用洁净的卫生纸擦干圆底烧瓶，再打开瓶盖用磁铁吸出小磁子。待反应物冷却后倒入装有500mL无水乙醇的烧杯中搅拌沉淀，倒掉上清液，将沉淀物用剪刀剪成小块，倒进装有200mL无水乙醇中搅拌，待沉淀物发硬后，抽滤。抽滤后将沉淀物倒入装有130mL去离子水的烧杯中，用保鲜膜封好，在37度恒温箱中使其过夜完全溶解。完全溶解后，将产物水溶液装入冻干盒中，然后用保鲜膜包好，并将盖在冻干盒上面的保鲜膜上扎满小孔以方便冻干。冻干处理完成后，将冻干产物置于4摄氏度中保存备用。即可得到产物Geln-MA。
如附图1所示，纯明胶(Gelain)和甲基丙烯酰化明胶(Geln-MA)的核磁共振氢谱谱图，查阅文献知碳碳双键的特征吸收峰为δ＝5.63和δ＝5.29。通过Geln和Geln-MA 这两个谱图对比发现，Geln-MA谱图上δ＝5.63和δ＝5.29的位置上有明显的两个峰 (图2中黑色箭头所指)，表明了Geln-MA的成功合成，即明胶实现甲基丙烯酸化。
将0.5g明胶溶于10ml水中，0.25g香草醛溶于1ml无水乙醇中，分别加入到小玻璃瓶中，将其放置于37度恒温箱中3天，3天后用大量丙酮沉淀，将沉淀放入真空干燥箱中24h，即得到产物(Geln-MA-Van)。如附图2所示，本发明制备的低氧诱导水凝胶 (Geln-MA-Van)的核磁共振氢谱谱图，香草醛的特征吸收峰分别在δ＝9.55(苯环上羟基的吸收峰)δ＝6.88，δ＝7.23，δ＝7.42(苯环上C＝C的伸缩振动峰)，而图三中所标注的吸收峰表明了Geln-MA-Van的成功合成，如下化学式所示：
Figure RE-GDA0001495987580000041
按照Geln-MA-Van的双键和巯基化透明质酸的巯基等摩尔比制备水凝胶，图三从左到右固含量分别为20％，15％，10％，5％，均能够成胶，室温20—25摄氏度下平均在1min内实现成胶。但固含量为5％的成胶性能不太稳定。使用溶解氧测试盒分别测量了去离子水，Geln水溶液(固含量10wt％)，Geln-MA水溶液(固含量10wt％)，Geln-MA-Van 水溶液(固含量10wt％)，Geln-MA-Van和漆酶的水溶液(10wt％和25U/mL漆酶)中溶解氧含量，其溶解氧含量分别约为6mg/L,5mg/L,5mg/L,5mg/L,2mg/L.这个结果表明在 Geln-MA-Van和漆酶作用下，水中的氧气含量明显下降，即能够产生低氧环境。
根据本发明内容进行制备工艺参数的调整，均可实现本发明水凝胶的制备且表现出与实施例基本一致的性能。以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种低氧诱导水凝胶，其特征在于，以香草醛分散在无水乙醇中并加入到明胶的水溶液中，利用明胶的氨基和香草醛的醛基反应将香草醛接枝到明胶上，再将产物和带巯基的透明质酸配制成水溶液并加入漆酶，室温下静置即可得到水凝胶；明胶为甲基丙烯酰化明胶，香草醛和明胶的质量比为1：(1—5)；将明胶和香草醛反应产物、带巯基的透明质酸配制成水溶液，固含量为10—30wt％，明胶和香草醛反应产物的双键和带巯基的透明质酸的巯基为等摩尔比。
2.根据权利要求1所述的一种低氧诱导水凝胶，其特征在于，利用明胶的氨基和香草醛的醛基反应将香草醛接枝到明胶上，之后用丙酮沉淀，将沉淀放入真空干燥箱中20—24h，即得到产物，香草醛和明胶的质量比为1：(2—5)，反应温度为35—38摄氏度，反应时间为40—80h。
3.根据权利要求2所述的一种低氧诱导水凝胶，其特征在于，利用明胶的氨基和香草醛的醛基反应将香草醛接枝到明胶上，反应时间为60—74h。
4.根据权利要求1所述的一种低氧诱导水凝胶，其特征在于，将明胶和香草醛反应产物、带巯基的透明质酸配制成水溶液，固含量为15—25wt％。
5.根据权利要求1所述的一种低氧诱导水凝胶，其特征在于，漆酶在水溶液中加入量为20—25U/mL。
6.根据权利要求1所述的一种低氧诱导水凝胶，其特征在于，在室温20—25摄氏度下平均在1min内实现成胶。
7.根据权利要求6所述的一种低氧诱导水凝胶，其特征在于，在室温20—25摄氏度下平均在20—45秒内成胶。
8.一种低氧诱导水凝胶的制备方法，其特征在于，以香草醛分散在无水乙醇中并加入到明胶的水溶液中，利用明胶的氨基和香草醛的醛基反应将香草醛接枝到明胶上，再将产物和带巯基的透明质酸配制成水溶液并加入漆酶，室温下静置即可得到水凝胶；明胶为甲基丙烯酰化明胶，香草醛和明胶的质量比为1：(1—5)；将明胶和香草醛反应产物、带巯基的透明质酸配制成水溶液，固含量为10—30wt％，明胶和香草醛反应产物的双键和带巯基的透明质酸的巯基为等摩尔比。
9.根据权利要求8所述的一种低氧诱导水凝胶的制备方法，其特征在于，利用明胶的氨基和香草醛的醛基反应将香草醛接枝到明胶上，之后用丙酮沉淀，将沉淀放入真空干燥箱中20—24h，即得到产物，香草醛和明胶的质量比为1：(2—5)，反应温度为35—38摄氏度，反应时间为40—80h。
10.根据权利要求9所述的一种低氧诱导水凝胶的制备方法，其特征在于，利用明胶的氨基和香草醛的醛基反应将香草醛接枝到明胶上，反应时间为60—74h。
11.根据权利要求8所述的一种低氧诱导水凝胶的制备方法，其特征在于，将明胶和香草醛反应产物、带巯基的透明质酸配制成水溶液，固含量为15—25wt％。
12.根据权利要求8所述的一种低氧诱导水凝胶的制备方法，其特征在于，漆酶在水溶液中加入量为20—25U/mL。
13.根据权利要求8所述的一种低氧诱导水凝胶的制备方法，其特征在于，在室温20—25摄氏度下平均在1min内实现成胶。
14.根据权利要求13所述的一种低氧诱导水凝胶的制备方法，其特征在于，在室温20—25摄氏度下平均在20—45秒内成胶。
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