CN110016160A - 一种多糖基水凝胶的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多糖基水凝胶的制备方法，该方法由以下步骤组成：(1)取微晶纤维素，按微晶纤维素∶离子液体＝1∶20的质量比加入离子液体置于油浴锅中，在90～100℃的条件下溶解并以磁力搅拌3～5h，然后按微晶纤维素∶亚麻籽胶＝1∶1～5∶1的质量比加入亚麻籽胶混合，继续磁力搅拌3～5h；(2)冷却至室温，加入异丙醇水溶液浸泡10～14d，并在浸泡期间多次更换异丙醇水溶液，洗去粘附在胶体上多余离子液体；(3)用去离子水将胶体洗涤干净后，冷冻干燥，得到所述的多糖基复合水凝胶。本方法所制得的多糖基水凝胶具有对人体无剌激和生物相容性的优点。

Description

一种多糖基水凝胶的制备方法
技术领域
本发明涉及高分子凝胶，具体涉及多糖类水凝胶。
背景技术
水凝胶是由聚合物等材料通过三维交联网络结构和介质共同组成的多元体系。水凝胶因其优异的溶胀-退溶胀特性和刺激反应行为，在软性隐形眼镜、化学传感器、药物控释材料、组织工程、创面敷料和诊断技术等领域得到了广泛的应用。但一些水凝胶本身具有的问题也暴露出来，这些问题严重阻碍了凝胶的进一步发展。现阶段，水凝胶面临的最主要的问题之一就是凝胶机械性能差。凝胶由于自身含水率极高和交联密度低，链与链之间作用力小等原因，导致水凝胶表现出机械性能差且韧性不足的特点，水凝胶的强度直接关系着水凝胶应用的安全性。
随着科研人员对水凝胶研究的深入，多种用来提升凝胶机械性能的策略被发明出来。共混改性是高分子物质常用的改性方法，指釆用适当的工艺混合两种性能差异很大或功能不同的聚合物，形成稳定的结合，从而实现各个组分间的性能互补。
纤维素是由许多个葡萄糖残基通过糖苷键连接而成的大分子多糖，结构多样，分子链上含有大量的羟基，是自然界中最丰富的聚合物原料，可从不同的植物，细菌和动物来源获得。但由于较高的结晶度和分子间氢键作用力的存在，纤维素不但难溶于常规的溶剂也不能被加热熔融，造成其可塑性能与加工性能较差，使纤维素的开发利用受到了限制。离子液体能够溶解纤维素，是因为解离成的离子液体阳离子与纤维素羟基上的O结合，离子液体阴离子与纤维素的羟基中的H结合，破坏了纤维素的氢键网络使其溶解。
亚麻籽胶是一种能够缓慢的吸水形成一种具有较低粘度的分散体系的大分子聚合物，作为一种发展前景广阔的新型食用胶，广泛应用于食品工业。其胶液具有非牛顿流体的流变性，在pH6～12时粘度基本稳定,具有良好的起泡性、稳定性、乳化性，但具有弱凝胶的特性，自身不能形成凝胶，需要加入其它胶凝剂才能形成凝胶。它与纤维素的结构非常相似，这种相似性使它对纤维素有很强的亲和性，可进一步提高水凝胶的性能。
公开号为CN 106478963A的专利申请公开了一种亚麻籽胶/纤维素复合水凝胶的制备方法，该方法主要制备步骤为：利用尿素和氢氧化钠分别配制亚麻籽胶溶液和纤维素溶液，然后将这两种溶液混合，加入交联剂环氧氯丙烷进行交联反应，接着倒入模具进行凝固得到亚麻籽胶/纤维素水凝胶。但是上述专利的方法仍存在下述问题：一方面该专利侧重运用于农业上的吸水和保水材料，未涉及医学用途的指标，不能有力证明其可应用于医学领域。另一方面，该专利使用的试剂较多，其中制备过程使用的交联剂(环氧氯丙烷)属于危险化学品，是对人体有害的成分，其生物相容性差，对人体有剌激作用，使得该专利作为医学用途材料受到限制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种多糖基水凝胶的制备方法，该方法所制得的多糖基水凝胶具有对人体无剌激和生物相容性的优点。
本发明解决上述问题的技术方案如下：
一种多糖基水凝胶的制备方法，该方法由以下步骤组成：
(1)取微晶纤维素，按微晶纤维素∶离子液体＝1∶20的质量比加入离子液体置于油浴锅中，在90～100℃的条件下溶解并以磁力搅拌3～5h，然后按微晶纤维素∶亚麻籽胶＝1∶1～5∶1的质量比加入亚麻籽胶混合，继续磁力搅拌3～5h；其中，
所述的微晶纤维素为茶叶微晶纤维素、玉米微晶纤维素或燕麦微晶纤维素；
所述的离子液体为[AMIm]Cl离子液体、[Bdmim]Cl离子液体、[R1R2mim]Cl离子液体、[C2mim]Br离子液体或[Hemim]Br离子液体；
(2)冷却至室温，加入异丙醇水溶液浸泡10～14d，并在浸泡期间多次更换异丙醇水溶液，洗去粘附在胶体上多余离子液体；其中所述的异丙醇水溶液由异丙醇与水等体积混合得到；
(3)用去离子水将胶体洗涤干净后，冷冻干燥，得到所述的多糖基复合水凝胶。
上述方案中，所述磁力搅拌的转速为50～100转/min；所述冷冻干燥的温度为-80℃。
本发明所述的方法以离子液体为交联剂，所得到的多糖基水凝胶不仅具有对人体无剌激和生物相容性的优点，而且表面致密、性能稳定，可作为组织工程材料、药物控释放材料广泛用于临床中。
此外，本发明所用交联剂离子液体，还具有无毒，对环境友好的优点。
附图说明
图1为本发明的工艺流程示意图。
图2为本发明所述方法得到的多糖基水凝胶置于试管中的形态示意图。
图3为本发明所述方法得到的多糖基水凝胶的扫描电镜(SEM)图。
图4为本发明所述方法得到的多糖基水凝胶的红外光谱图。
图5为本发明所述方法得到的多糖基水凝胶的X射线衍射图；
图6为本发明所述方法得到的多糖基水凝胶的热重曲线图；
图7为本发明所述方法得到的多糖基水凝胶对水的吸附曲线图；
图8为本发明所述方法得到的多糖基水凝胶对亚甲基蓝的吸附动力曲线图；
图9为本发明所述方法得到的多糖基水凝胶对亚甲基蓝的释放动力曲线图；
图10为本发明所述方法与现有方法得到的多糖基水凝胶生物相容性的显微照片，其中，左边为本发明所述方法得到的多糖基水凝胶(实验组)生物相容性结果，右边为现有方法得到的多糖基水凝胶(对照组)生物相容性结果。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明。
实施例1
参见图1，所述多糖基水凝胶的制备方法由以下步骤组成：
(1)取0.50g茶叶微晶纤维素，加入10g[AMIm]Cl离子液体置于油浴锅中，在95℃的条件下溶解并以80转/min的转速磁力搅拌3h，然后加入0.30g亚麻籽胶混合，继续磁力搅拌5h；
(2)冷却至室温，加入异丙醇水溶液浸泡12d，并在浸泡期间多次更换异丙醇水溶液，洗去粘附在胶体上多余离子液体；其中所述的异丙醇水溶液由异丙醇与水等体积混合得到；
(3)用去离子水将胶体洗涤干净后，-80℃冷冻干燥，得到所述的多糖基复合水凝胶。
上述方法制备得到的多糖基水凝胶置于试管中的形态如图2所示。
将上述方法制备得到的水凝胶进行了如下所述的性能测定。
(1)形态观察
使用扫描电子显微镜(SEM)在常规研究条件下观察本发明超微结构。用双面胶将冷冻干燥后的益生菌微胶囊粘在样品台上，喷金后用扫描电镜观察微胶囊表面结构，其结果见图3。此结果表明本发明表面光滑平整，没有纤维素的束状结构，结构致密、均一稳定。
(2)红外光谱
对纤维素、亚麻籽胶、水凝胶进行红外扫描。采用KBr压片法测定，扫描范围4 000～400cm-1，分辨率4cm-1，扫描次数为32次。
由图4(a)可知，3423cm-1是羟基O-H的伸缩振动峰；2922cm-1是甲基、亚甲基和次甲基中C-H的伸缩振动峰；1654cm-1为C＝O的伸缩振动峰，是样品中的吸附水信号峰；1401cm-1附近是-CH2的剪切振动吸收峰，是纤维素结构的特征峰，一般认为与纤维素I型结晶有关；1159cm-1处的峰是纤维素上C-O的振动引起的，也是纤维素的特征吸收峰；1069cm-1是由C-O和C-C伸缩振动和半纤维素中C-OH混合振动造成的；897cm-1处是C-1基团振动频率所在，即β-糖苷键连接，一般认为与纤维素的非结晶区有关。亚麻籽胶(见图4b)、复合水凝胶(见图4c)与纤维素的红外吸收峰位置基本一致，说明离子液体对纤维素及亚麻籽胶的加热溶解过程中并没有发生衍生化反应，仅起到溶解作用。
(3)X射线衍射
X射线衍射分析(X-ray diffraction，XRD)方法为：铜靶，入射线波长0.15418nm，Ni滤波片，管压40kV，管流40mA，扫描角度范围5～60°扫描步长0.04°，扫描速度38.4s/step，狭缝DS＝0.5°，RS＝8mm(对应LynxExe阵列探测器)。
纤维素(图5a)在衍射角2θ为13.8°、22.1°附近出现了明显衍射峰，其中2θ＝13.8°的衍射峰对应(101)晶面，2θ＝22.1°的主峰对应(002)晶面，与纤维素晶型Ⅰ的特征峰位置基本一致，其他位置出现许多小峰，说明微晶纤维素中含有无定形成分。亚麻籽胶(图5b)的X射线衍射图谱在2θ＝20.3°附近出现特征峰，说明在亚麻籽胶的结构中存在一定的结晶区域。当纤维素溶解于离子液体[AMIm]Cl，并与亚麻籽胶共混，制备为水凝胶后，如图5c显示，产物的衍射峰与纤维素的较接近。在一定程度上说明了共混水凝胶的性质更接近纤维素，亚麻籽胶的加入并没有破坏纤维素水凝胶的晶型结构。这可能亚麻籽胶添加量较少(10％)，且衍射峰与微晶纤维素的主峰较为接近，信号被掩盖。此外，水凝胶的X射线衍射图除两个主要衍射峰外，其他位置的峰减小，即图谱更为平滑，可能是纤维素的无定形成分在离子液体[AMIm]Cl溶解再生过程中重新取向，转变为纤维素结晶。
(4)热重分析
热重分析是指在程控温度下测量试样的质量对温度的依赖关系，可以用于判断材料的热稳定性与纯度。称量7～10mg干燥样品，放入热重分析仪中，设置氮气流量为25mL/min，升温速率为20℃/min，温度范围为30～600℃，升温速率：10℃/min，在氮气氛围下进行测试，气体流动速度设为50mL/min。
热重量分析法(TGA)的热分析图如图6所示。从图6中观察可以发现水凝胶的分解过程包括两个失重平台。第一个失重平台主要在小于200℃的位置，水凝胶出现了少量重量减小过程，这部分的质量损失约为2.0％左右，因为吸附材料中含有大量的羟基会和周围环境空气中的水分子间形成氢键作用，因此会有少量的水分吸附在材料的表面，所以这部分的重量损失要归因于吸附在材料表面水分的蒸发。水凝胶的主要重量损失过程发生在300-360℃，在这个温度范围内共混网络骨架的分解则是造成重量损失的主要原因，而这一部分的热分解过程是重量损失最主要的过程，同时损失的重量也最明显的，损失速率最快的部分。当温度超过350℃时，水凝胶的重量变化速率会明显下降，当温度达到450℃，形成第二个失重平台，热分解过程已经基本完成。水凝胶的重量损失为82.84％。最大失重速率的温度为332.66℃。
(5)润胀性能与保水实验
将本实施例得到的水凝胶与公开号为CN 106478963A专利申请实施例1得到的水凝胶进行润胀性能进行比较。
采用常规的重量分析法测定水凝胶干燥后的润胀率。于烧杯中准确称量已干燥衡重的水凝胶，加入大量去离子水，室温下浸泡4天使之达到润胀平衡状态。然后，从水中取出样品并用滤纸拭干胶体的表面水分称重。为研究水凝胶的润胀动力学，浸泡在水中的水凝胶每间隔一定时间(t)取出称量并计算润胀时间t时的润胀率。润胀实验重复三次。润胀率根据以下公式进行计算：
润胀率(％)＝(ms-md)/md*100--------------------------------------(1)
式中，ms为平衡润胀状态下水凝胶的质量(g)；md为润胀前干燥水凝胶的质量(g)。
表1润胀性能与保水性能对比
由图7可得，在实验最开始的5min复合水凝胶迅速吸水润胀，并且在浸泡30min后，缓慢上升，接近平衡，大小不等。结合表1可知，本发明表现出优秀的润胀性能，且优于CN106478963A专利申请。肉眼上看，CN 106478963A专利申请实施例1的水凝胶呈透明状，但吸水润胀后，容易松散开来，不能很好地保持初始形态。而本专利发明的水凝胶即使泡在水中也可以很好地维持形态。
(6)药物吸附及药物缓释实验
亚甲基蓝标准曲线的绘制：准确称取0.05g亚甲基蓝溶解于去离子水中并定容至100mL得浓度为500mg/L亚甲基蓝标准溶液。然后将上述溶液稀释成浓度梯度为1mg/L、2mg/L、3mg/L、4mg/L、5mg/L的标准溶液。用可见分光光度计测量其在665nm处的吸光值，以亚甲基蓝溶液的浓度为横坐标，对应的吸光值为纵坐标，绘制标准曲线，得到标准曲线的回归方程为y＝0.0117x+0.1406，R2＝0.9949。
准确称取样品0.050g冷冻干燥后的凝胶样品于50mL血清瓶中，加入浓度为100.0mg/L的亚甲基蓝溶液25.0mL。室温条件下放置，每隔一定时间取样，通过可见分光光度计测定溶液在665nm处的吸光值，通过亚甲基蓝标准曲线计算出溶液中亚甲基蓝的剩余含量。样品对亚甲基蓝的吸附容量根据以下公式计算：
吸附容量＝(C0-Ct)V/m-------------------------------------------(2)
式中，C0为亚甲基蓝溶液的初始浓度(mg/L)；Ct为亚甲基蓝溶液在t时刻时的浓度(mg/L)；V为亚甲基蓝溶液的体积(mL)；m为载药前水凝胶的质量(g)。
从图8可知，本实施例的多糖基水凝胶(Sample)对亚甲基蓝的吸附容量较高，吸附容量可高达5.19±0.36mg/g。
载药结束后，取出样品，用去离子水冲洗三次并干燥至恒重后称量，放入锥形瓶中，加入200mL去离子水作为释放介质。每隔一段时间吸取5mL释放介质，采用紫外可见光分光光度计测量吸光值并根据亚甲基蓝溶液标准曲线计算出亚甲基蓝溶液的浓度，药物累计释放率根据以下公式计算：
药物累计释放率(％)＝(Wt/Wtotal)×100％-----------------------(3)
式中，Wt为时刻t时亚甲基蓝总的释放量(g)；Wtotal为药物释放前亚甲基蓝总装载的质量(g)。
图9显示了饱和装载亚甲基蓝后，水凝胶对亚甲基蓝的释放动力学曲线。前30min，亚甲基蓝的释放主要由扩散控制为主，水凝胶对亚甲基蓝的累计释放速率较快。48min后，水凝胶的亚甲基蓝累计释放率趋于平衡，达到15％左右。本实施例所得到的多糖基水凝胶可实现亚甲基蓝的缓慢释放，控释效果优于对照组。
(7)生物相容性实验
将制备得到水凝胶铺于24孔板中，然后用75％乙醇液溶浸杀菌24小时，再用磷酸缓冲液多次充分洗净残存的乙醇溶液。然后，3T3细胞用培养液稀释到所需细胞数并加入到24孔板中，培养24h后显微镜下作细胞形态学观察。结果见图10，显示水凝胶样品的细胞呈梭形，细胞无裂解，成片、贴壁生长，细胞生长情况比对照组好。
实施例2
参见图1，所述多糖基水凝胶的制备方法由以下步骤组成：
(1)取0.50g玉米微晶纤维素，加入10g[Bdmim]Cl离子液体置于油浴锅中，在100℃的条件下溶解并以50转/min的转速磁力搅拌5h，然后加入0.10g亚麻籽胶混合，继续磁力搅拌3h；
(2)冷却至室温，加入异丙醇水溶液浸泡14d，并在浸泡期间多次更换异丙醇水溶液，洗去粘附在胶体上多余离子液体；其中所述的异丙醇水溶液由异丙醇与水等体积混合得到；
(3)用去离子水将胶体洗涤干净后，-80℃冷冻干燥，得到所述的多糖基复合水凝胶。
实施例3
参见图1，所述多糖基水凝胶的制备方法由以下步骤组成：
(1)取0.50g燕麦微晶纤维素，加入10g[C2mim]Br离子液体置于油浴锅中，在90℃的条件下溶解并以100转/min的转速磁力搅拌3h，然后加入0.50g亚麻籽胶混合，继续磁力搅拌4h；
(2)冷却至室温，加入异丙醇水溶液浸泡10d，并在浸泡期间多次更换异丙醇水溶液，洗去粘附在胶体上多余离子液体；其中所述的异丙醇水溶液由异丙醇与水等体积混合得到；
(3)用去离子水将胶体洗涤干净后，-80℃冷冻干燥，得到所述的多糖基复合水凝胶。

Claims (3)

1.一种多糖基水凝胶的制备方法，该方法由以下步骤组成：
(1)取微晶纤维素，按微晶纤维素∶离子液体＝1∶20的质量比加入离子液体置于油浴锅中，在90～100℃的条件下溶解并以磁力搅拌3～5h，然后按微晶纤维素∶亚麻籽胶＝1∶1～5∶1的质量比加入亚麻籽胶混合，继续磁力搅拌3～5h；其中，
所述的微晶纤维素为茶叶微晶纤维素、玉米微晶纤维素或燕麦微晶纤维素；
所述的离子液体为[AMIm]Cl离子液体、[Bdmim]Cl离子液体、[R1R2mim]Cl离子液体、[C2mim]Br离子液体或[Hemim]Br离子液体；
(2)冷却至室温，加入异丙醇水溶液浸泡10～14d，并在浸泡期间多次更换异丙醇水溶液，洗去粘附在胶体上多余离子液体；其中所述的异丙醇水溶液由异丙醇与水等体积混合得到；
(3)用去离子水将胶体洗涤干净后，冷冻干燥，得到所述的多糖基复合水凝胶。
2.根据权利要求1所述的一种多糖基水凝胶的制备方法，其特征在于，所述的磁力搅拌的转速为50～100转/min。
3.根据权利要求1所述的一种多糖基水凝胶的制备方法，其特征在于，所述的冷冻干燥的温度为-80℃。
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