CN110041537A

CN110041537A - 一种离子交联羧甲基可德胶物理水凝胶及其制备方法

Info

Publication number: CN110041537A
Application number: CN201910334279.XA
Authority: CN
Inventors: 张洪斌; 蔡志祥; 吴敏; 李瑞琪; 王鹏广
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2019-04-24
Filing date: 2019-04-24
Publication date: 2019-07-23

Abstract

本发明公开了一种离子交联羧甲基可德胶物理水凝胶，涉及高分子材料领域，其特征在于，所述水凝胶包含羧甲基可德胶和金属离子，所述羧甲基可德胶和金属离子通过静电作用交联在一起，该离子交联羧甲基可德胶物理水凝胶的制备方法包括以下步骤：1、将羧甲基可德胶溶于水中，一定温度下搅拌使其完全溶解；2、配制一定摩尔浓度的金属离子盐溶液；3、将2配制的金属离子盐溶液滴1配制的羧甲基可德胶水溶液中，充分搅拌后静置得到所述物理水凝胶。本发明采用金属离子在室温下进行交联从而制备羧甲基可德胶物理水凝胶，制备方法简单方便，也不引入任何对生物体有毒副作用的物质。同时所得凝胶的强度和透明度可以调节，具有广泛的应用潜力。

Description

一种离子交联羧甲基可德胶物理水凝胶及其制备方法

技术领域

本发明涉及高分子材料技术领域，尤其涉及一种离子交联羧甲基可德胶物理水凝胶及其制备方法。

背景技术

可得然胶(Curdlan)，亦称可德胶，是一种有着重要应用价值的具有生物活性的天然大分子。可德胶完全由β-1,3-D糖苷键构成，为直链型葡聚糖，可由微生物Alcaligenesfaecalis var.myxogenes发酵产生。可德胶中不含酸性组分，是一种中性多糖，分子量在数万至上百万之间，固体为白色粉末，无毒无味，不溶于水，但可溶于碱溶液和DMSO溶剂。这种天然生物聚合物由于具有独特的凝胶特性和较好的生物活性，因此可被广泛用于食品工业以及生物医学领域。1996年美国食品药品管理局(FDA)批准可德胶可以作为增稠剂、胶凝剂、稳定剂等用于食品领域，在韩国、中国台湾和日本可德胶作为膳食纤维也得到了广泛的应用。我国于2006 年5月批准可德胶用作食品添加剂。可德胶独特的凝胶特性表现在其水悬浮液根据加热温度的高低，既能形成低强度热可逆凝胶，又能形成高强度的热不可逆凝胶，这种凝胶特性在所有的天然多糖中都是独一无二的。除此之外，可德胶还具有免疫调节作用及一定的抗肿瘤活性。然而，其水不溶性限制了可德胶在生物医学方面的广泛应用，这使得同样具有生物活性并且溶解性较好的化学改性可德胶衍生物的研究应运而生。

多糖水凝胶按交联方式的不同一般分为化学凝胶和物理凝胶两类。化学交联是利用多糖分子链上的某些功能基团，通过自由基聚合、醛缩合或辐射交联等方法使聚合物链之间形成共价键，从而得到化学凝胶。美国专利US20130196944A1 描述了化学交联β-D-葡聚糖作为新型组织填充材料的应用，其中使用了二甲基亚砜、戊二醛、1,4-丁二醇二缩水甘油醚等交联剂；美国专利US005574023A描述了 1，3-β-D-葡聚糖的分子内交联方法，其中也使用了包括二胺、二酰肼等化学交联剂。这些通过共价交联形成的化学凝胶在其制备过程中会涉及到有机溶剂和交联剂的使用，如果这些有机物质在后处理中不能完全除去，就会在凝胶中产生残留，从而存在潜在细胞毒性，这样就会限制化学凝胶在医药及生物医药领域的广泛应用。

与化学交联凝胶相比，物理凝胶是通过诸如静电作用的离子交联、氢键作用、结晶或疏水作用等非共价键作用而制备的，在其制备过程中不会涉及任何共价键交联的化学反应，避免了毒性化学交联剂和有机溶剂的使用，且形成条件温和易控，在一定程度上克服了化学凝胶的不足。

可德胶经羧甲基化改性后，水溶性明显提高，并能赋予可德胶优异的生物活性。不仅可以作为免疫化妆品中重要的添加剂，在作为药物缓释载体方面也有应用前景。羧甲基可德胶(CMCD)的凝胶性质在很大程度上取决于羧甲基的取代度(DS) 及其取代度分布。PCT/CN2016/093011描述了一种羧甲基可德胶水溶液或水凝胶及其制备方法和应用，研究发现，当CMCD取代度较低时，类似可德胶的性质，其水溶液粘度较高，并且在一定浓度下自身能够形成物理凝胶，形成凝胶的驱动力为氢键作用力，而当取代度过高则会丧失原有的凝胶特性。羧甲基可德胶水溶液在低pH值时，通过冷冻解冻的方法也可以形成物理水凝胶，专利 CN200910054602.4介绍了一种通过冷冻解冻来形成高取代度(取代度为0.50～1.0)的羧甲基可德胶物理水凝胶的制备方法，一定程度上拓展了其应用范围。但是冷冻技术耗能大，制备成本也高。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种低能耗、低成本、高生物相容性的羧甲基可德胶物理水凝胶及其制备方法。

本发明在常温中性条件下，通过加入金属离子，使CMCD与金属离子之间产生静电相互作用从而形成物理水凝胶，制备过程简单。而且加入不同类型的金属离子盐溶液即可形成强度不同的可德胶物理水凝胶，因此这种制备羧甲基可德胶物理凝胶的新方法可在更大程度上提高其应用价值、扩展其应用范围，且无需加入有机溶剂或化学交联剂，因此所得到的水凝胶可以被广泛用于负载蛋白质或作为生物细胞的基质。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是开发一种低能耗、低成本、高生物相容性的羧甲基可德胶物理水凝胶及其制备方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种离子交联羧甲基可德胶物理水凝胶，其特征在于，所述水凝胶包含羧甲基可德胶和金属离子，所述羧甲基可德胶和金属离子通过静电作用交联在一起。

进一步地，所述羧甲基可德胶分子式如下：

其中R为CH₂COONa或H。

进一步地，所述CH₂COONa的取代度为0.1～1。

进一步地，所述n的取值为300～6000。

进一步地，所述金属离子包括但不限于一价金属离子K⁺，二价金属离子Ca²⁺、Mg²⁺、Cu²⁺、Ba²⁺、Zn²⁺，三价金属离子Al³⁺、Fe³⁺。

一种离子交联羧甲基可德胶物理水凝胶的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1、将羧甲基可德胶溶于水中，一定温度下搅拌使其完全溶解，配成一定浓度的羧甲基可德胶水溶液；

步骤2、配制一定摩尔浓度的金属离子盐溶液；

步骤3、将所述步骤2中配制的所述金属离子盐溶液滴入所述步骤1所配制的所述羧甲基可德胶水溶液中，充分搅拌后静置，从而得到所述离子交联可德胶物理水凝胶。

进一步地，所述步骤1中所述一定温度为室温。

进一步地，所述步骤1中所述水为纯水。

进一步地，所述步骤1中所述羧甲基可德胶水溶液的质量百分比浓度为1％-5 ％。

本发明采用金属离子在室温下进行交联从而制备羧甲基可德胶物理水凝胶，制备方法简单方便，形成凝胶过程中，无需调节pH值，也不引入任何对生物体有毒副作用的有机溶剂或化学交联剂。同时所得凝胶的强度和透明度可以通过调节金属盐离子的类型和浓度以及羧甲基可德胶溶液的浓度获得，具有广泛的应用潜力。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的较佳实施例的离子交联羧甲基可德胶物理水凝胶的弹性模量G′和粘性模量G″及强度对比图；

图2是本发明的较佳实施例的离子交联羧甲基可德胶物理水凝胶的形貌图。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

如图1所示，是实施例1-4获得的Ba²⁺交联CMCD物理水凝胶、Ca²⁺交联CMCD 物理水凝胶、Mg²⁺交联CMCD物理水凝胶、K⁺交联CMCD物理水凝胶，利用TA AR G2型旋转流变仪进行测试得到的弹性模量G'、粘性模量G"随频率的变化。Ba²⁺交联 CMCD物理水凝胶的弹性模量远大于粘性模量，即G'>>G"，两个模量均随频率变化不大，形成的凝胶强度较大，表明Ba²⁺对CMCD的交联作用较大，分子之间的静电相互作用较大；Ca²⁺交联CMCD物理水凝胶的弹性模量远大于粘性模量，即G'>>G"，两个模量均随频率变化不大，形成的凝胶强度稍微低于Ba²⁺型凝胶；Mg²⁺交联 CMCD物理水凝胶的弹性模量远大于粘性模量，即G'>>G"，两个模量均随频率变化不大，形成的凝胶强度稍微低于Ba²⁺型凝胶，与Ca²⁺型凝胶强度类似形；K⁺交联CMCD物理水凝胶的弹性模量大于粘性模量，即G'>G"，两个模量均随频率一定变化，呈现弱凝胶的性质，表明K⁺对CMCD的交联作用比二价金属离子小。

如图2所示，实施例1-5获得的Ba²⁺交联CMCD物理水凝胶、Ca²⁺交联CMCD 物理水凝胶、Mg²⁺交联CMCD物理水凝胶、K⁺交联CMCD物理水凝胶及Na⁺和 CMCD的混合体系的形貌图。Ba²⁺交联CMCD物理水凝胶的凝胶颜色泛白，呈现不透明的状态；Ca²⁺交联CMCD物理水凝胶的凝胶颜色略微泛白，呈现半透明的状态； Mg²⁺交联CMCD物理水凝胶的凝胶颜色较透明；K⁺交联CMCD物理水凝胶的凝胶呈现较为透明的状态；Na⁺和CMCD的混合体系呈浓溶液状态，表明Na⁺对CMCD 无交联作用，体系无法形成凝胶。

实施例1：

(1)准确称取取代度DS＝0.5羧甲基可德胶0.20g溶于超纯水中，配制质量分数浓度为2％的羧甲基可德胶水溶液。

(2)准确称取一定量的固体BaCl₂溶于超纯水中，配制摩尔浓度为1M的BaCl₂溶液；

(3)使用移液枪量取300μL步骤(2)中配制的BaCl₂溶液置于3mL步骤(1) 所配制的可德胶水溶液中，充分搅拌，静置从而得到Ba²⁺交联可德胶物理水凝胶。

羧甲基可德胶的分子式为：

其中：R为CH₂COONa或H，CH₂COONa的取代度为0.5，n的取值为3000，反应温度为25℃。

实施例2：

(1)准确称取DS＝0.5羧甲基可德胶0.20g溶于超纯水中，配制质量分数浓度为2％的羧甲基可德胶水溶液。

(2)准确称取一定量的固体CaCl₂溶于超纯水中，配制摩尔浓度为1M的CaCl₂溶液；

(3)使用移液枪量取300μL步骤(2)中配制的CaCl₂溶液置于3mL步骤(1) 所配制的可德胶水溶液中，充分搅拌，静置从而得到Ca²⁺交联可德胶物理水凝胶。

羧甲基可德胶的分子式为：

实施例3：

(2)准确称取一定量的固体MgCl₂溶于超纯水中，配制摩尔浓度为1M的 MgCl₂溶液；

(3)使用移液枪量取300μL步骤(2)中配制的MgCl₂溶液置于3mL步骤(1) 所配制的可德胶水溶液中，充分搅拌，静置从而得到Mg²⁺交联可德胶物理水凝胶。

羧甲基可德胶的分子式为：

实施例4：

(2)准确称取一定量的固体KCl溶于超纯水中，配制摩尔浓度为2M的KCl 溶液；

(3)使用移液枪量取300μL步骤(2)中配制的KCl溶液置于3mL步骤(1) 所配制的可德胶水溶液中，充分搅拌，静置从而得到K⁺交联可德胶物理水凝胶。

羧甲基可德胶的分子式为：

实施例5：

(2)准确称取一定量的固体NaCl溶于超纯水中，配制摩尔浓度为2M的NaCl 溶液；

(3)使用移液枪量取300μL步骤(2)中配制的NaCl溶液置于3mL步骤(1) 所配制的可德胶水溶液中，充分搅拌，静置观察凝胶形成情况。

羧甲基可德胶的分子式为：

实施例6：

(2)准确称取一定量的固体CuCl₂溶于超纯水中，配制摩尔浓度为1M的CuCl₂溶液；

(3)使用移液枪量取300μL步骤(2)中配制的CuCl₂溶液置于3mL步骤(1) 所配制的可德胶水溶液中，充分搅拌，静置从而得到Cu²⁺交联可德胶物理水凝胶。

羧甲基可德胶的分子式为：

实施例7：

(2)准确称取一定量的固体ZnCl₂溶于超纯水中，配制摩尔浓度为1M的ZnCl₂溶液；

(3)使用移液枪量取300μL步骤(2)中配制的Z_nCl₂溶液置于3mL步骤(1) 所配制的可德胶水溶液中，充分搅拌，静置从而得到Zn²⁺交联可德胶物理水凝胶。

羧甲基可德胶的分子式为：

实施例8：

(2)准确称取一定量的固体FeCl₃溶于超纯水中，配制摩尔浓度为1M的F_eCl₃溶液；

(3)使用移液枪量取300μL步骤(2)中配制的FeCl₃溶液置于3mL步骤(1) 所配制的可德胶水溶液中，充分搅拌，静置从而得到Fe³⁺交联可德胶物理水凝胶。

羧甲基可德胶的分子式为：

实施例9：

(2)准确称取一定量的固体Al₂(SO₄)₃溶于超纯水中，配制摩尔浓度为0.5M 的Al₂(SO₄)₃溶液；

(3)使用移液枪量取300μL步骤(2)中配制的Al₂(SO₄)₃溶液置于3mL步骤 (1)所配制的可德胶水溶液中，充分搅拌，静置从而得到Al³⁺交联可德胶物理水凝胶。

羧甲基可德胶的分子式为：

实施例10：

(1)准确称取DS＝0.1羧甲基可德胶0.20g溶于超纯水中，配制质量分数浓度为1％的羧甲基可德胶水溶液。

羧甲基可德胶的分子式为：

其中：R为CH₂COONa或H，CH₂COONa的取代度为0.1，n的取值为300，反应温度为25℃。

实施例10：

(1)准确称取DS＝1羧甲基可德胶0.20g溶于超纯水中，配制质量分数浓度为 5％的羧甲基可德胶水溶液。

(2)准确称取一定量的固体BaCl₂溶于纯水中，配制摩尔浓度为1M的BaCl₂溶液；

羧甲基可德胶的分子式为：

其中：R为CH₂COONa或H，CH₂COONa的取代度为1，n的取值为6000，反应温度为25℃。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims

1.一种离子交联羧甲基可德胶物理水凝胶，其特征在于，所述水凝胶包含羧甲基可德胶和金属离子，所述羧甲基可德胶和金属离子通过静电作用交联在一起。

2.如权利要求1所述的离子交联羧甲基可德胶物理水凝胶，其特征在于，所述羧甲基可德胶分子式如下：

其中R为CH₂COONa或H。

3.如权利要求2所述的离子交联羧甲基可德胶物理水凝胶，其特征在于，所述CH₂COONa的取代度为0.1～1。

4.如权利要求2所述的离子交联羧甲基可德胶物理水凝胶，其特征在于，所述n的取值为300～6000。

5.根据权利要求1所述的离子交联羧甲基可得胶物理水凝胶，其特征在于，所述金属离子包括但不限于一价金属离子K⁺，二价金属离子Ca²⁺、Mg²⁺、Cu²⁺、Ba²⁺、Zn²⁺，三价金属离子Al³ ⁺、Fe³⁺。

6.一种离子交联羧甲基可德胶物理水凝胶的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤2、配制一定摩尔浓度的金属离子盐溶液；

步骤3、将步骤2中配制的所述金属离子盐溶液滴入步骤1配制的所述羧甲基可德胶水溶液中，充分搅拌后静置，从而得到所述离子交联可德胶物理水凝胶。

7.如权利要求6所述的离子交联羧甲基可德胶物理水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤1中所述一定温度为室温。

8.如权利要求6所述的离子交联羧甲基可德胶物理水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤1中所述水为纯水。

9.如权利要求6所述的离子交联羧甲基可德胶物理水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤1中所述羧甲基可德胶水溶液的质量百分比浓度为1％-5％。