CN110237782B - 一种高强度抗氧化壳聚糖/聚多巴胺复合水凝胶的制备方法 - Google Patents

一种高强度抗氧化壳聚糖/聚多巴胺复合水凝胶的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于天然高分子化学技术领域，具体公开了一种高强度抗氧化壳聚糖/聚多巴胺复合水凝胶的制备方法，该复合水凝胶的基本组成为壳聚糖和聚多巴胺。该方法采用LiOH、KOH和尿素的混合水溶液为溶剂，将壳聚糖加入溶剂通过冻融得到壳聚糖碱性溶液，然后加入适量的多巴胺盐酸盐和/或环氧氯丙烷搅拌预凝胶，然后在水、70%酒精水溶液或工业酒精中凝固，洗涤后得到水凝胶。本发明的水凝胶具有良好的力学性能、抗菌活性、抗氧化性，且具有无毒、无害、安全性高及可生物降解性。本发明的水凝胶在医药、化妆品及环保等领域具有广阔应用前景，而且生产过程简单、方便、无污染。

Description

一种高强度抗氧化壳聚糖/聚多巴胺复合水凝胶的制备方法
技术领域
本发明涉及天然高分子化学技术领域，具体涉及一种高强度抗氧化壳聚糖/聚多巴胺复合水凝胶的制备方法。
背景技术
壳聚糖又称脱乙酰甲壳素，是由自然界广泛存在的甲壳素经过脱乙酰作用得到，化学名称为聚葡萄糖胺(1-4)-2-氨基-B-D葡萄糖，分子式为(C6H11NO4)n。甲壳素广泛存在于甲壳纲动物壳体中，是储存量仅次于纤维素的第二大天然高分子。通常把脱乙酰度大于55％的甲壳素称为壳聚糖。壳聚糖具有原料来源广、生物相容性好、易降解等优点。但是，传统壳聚糖酸性水溶液通过物理和化学方法形成的水凝胶，它们的力学性能较弱并且没有抗氧化性，限制了此类材料在食品和医用材料的应用范围。
多巴胺是一种生物神经递质，是L-DOPA的儿茶酚衍生物，在碱性有氧条件下可以发生氧化聚合反应，其聚合产物能够附着在基质表面，形成一层聚多巴胺涂层。具有良好的自由基清除功能和生物相容性。近年来，有大量的文献报道将其作为抗氧剂制备抗氧化复合生物材料的研究。
发明内容
针对现有技术中存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种高强度抗氧化壳聚糖/聚多巴胺复合水凝胶的简单制备方法，该复合水凝胶具有较好的抗氧化性、pH响应性、制备工艺简单、无环境污染、操作方便、成本低。
本发明提供了一种交联壳聚糖/聚多巴胺复合水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
向壳聚糖碱性溶液中加入交联剂和/或盐酸多巴胺，室温下搅拌一段时间后离心脱泡，放置于0-5℃冰箱冷藏10-36小时，得到壳聚糖/聚多巴胺碱性流体，将其置于非溶剂中12-36h，再生，水洗后得到物理交联或者物理化学交联的壳聚糖/聚多巴胺复合水凝胶；
当向壳聚糖碱性溶液中只加入交联剂时或者当向壳聚糖碱性溶液中加入交联剂和盐酸多巴胺时，得到物理化学交联的壳聚糖/聚多巴胺复合水凝胶；
当向壳聚糖碱性溶液中只加入盐酸多巴胺时，得到物理交联的壳聚糖/聚多巴胺复合水凝胶；
所述壳聚糖碱性溶液中壳聚糖浓度为3-7wt％，优选为5wt％；
所述壳聚糖碱性溶液制备方法如下：将壳聚糖和碱性溶剂混合后搅拌分散，于-40℃至-25℃下冷冻，然后在室温下搅拌解冻，将解冻完全的溶液在0-10℃下离心脱泡，即得；
所述碱性溶剂为：将LiOH、KOH、尿素和H2O混合得到；
碱性溶剂中LiOH、KOH、尿素浓度分别为：LiOH 3.0～6.0wt％、KOH 5.0～10.0wt％、尿素7.0～10.0wt％；
优选的，将LiOH、KOH、尿素和H2O按质量比5:7:8:80混合得到所述碱性溶剂；
所述壳聚糖，脱乙酰度为80～95％，分子量为10～15万。
所述非溶剂是水、有机溶剂或者水与有机溶剂的混合溶液；
优选的，所述非溶剂是乙醇与水的混合物或所述非溶剂是工业酒精；
最优的，所述非溶剂是工业酒精。
优选的，所述交联剂是环氧化合物；
最优的，所述交联剂为环氧氯丙烷；
当加入了交联剂时，所述交联剂用量与所述壳聚糖碱性溶液中壳聚糖的比例为(0.5-3.5)mL：5g，最优为1.5mL：5g；
当加入了盐酸多巴胺时，所述盐酸多巴胺用量与所述壳聚糖碱性溶液中壳聚糖的质量比例为(1-60)：100，优选为(10-60)：100。
反应机理：低温的碱-脲水溶液具有很强的氢键键合能力，从而破坏壳聚糖分子内、分子间氢键，从而导致壳聚糖的溶解。多巴胺可以在碱性条件下氧化自聚成聚多巴胺，因此，多巴胺加入到壳聚糖的碱性溶液中可以得到壳聚糖/聚多巴胺碱性溶液。
与现有技术相比，本发明的优点和有益效果在于：
本发明提供了一种廉价、无污染、简便的方法得到高质量壳聚糖/聚多巴胺溶液，并利用这种溶液进一步制备水凝胶。本发明的优点在于：这种方法生产工艺绿色环保、成本低、而且产品性能优异，具有高强度和好的抗氧化性以及pH响应性。
附图说明
图1为本发明实施例5制备的物理化学交联的壳聚糖/聚多巴胺复合水凝胶的扫描电镜照片；可以观察到凝胶内部具有均匀的微孔结构；说明壳聚糖与聚多巴胺很好的复合。
图2为本发明实施例6制备的物理化学交联的壳聚糖/聚多巴胺复合水凝胶的红外图；1509cm-1是聚多巴胺苯环中C＝C双键的特征峰，表明壳聚糖/聚多巴胺复合水凝胶成功制备。
图3为本发明实施例5制备的物理化学交联的壳聚糖/聚多巴胺复合水凝胶对DPPH自由基清除实验图；样品的自由基清除用紫外可见光分光光度计(UV-250)测定，配制50mL0.25μg/mL的DPPH溶液，并取0.3g样品放入5mL DPPH溶液中，每隔一段时间取样测定一次，对比自由基清除情况。实验结果表明，随着时间的延长，DPPH的特征吸收峰减小，自由基的浓度减小，说明壳聚糖/聚多巴胺复合水凝胶具有自由基清除性能。120分钟，可以清除自由基62％。
图4为本发明实施例4制备的物理化学交联的壳聚糖/聚多巴胺复合水凝胶在2wt％醋酸中的溶胀实验；取0.5g壳聚糖/聚多巴胺复合水凝胶放置于50mL 2wt％醋酸溶液中，每隔5min测一次质量，测3h，再每隔30min测一次，测3h，最后每隔24h测一次，根据数据做出时间-膨胀倍数图。表明本发明方法制备的物理化学交联的壳聚糖/聚多巴胺复合水凝胶具有很好的酸溶胀能力，具有pH响应性。
图5为人食管癌细胞ECA109在本发明实施例5制备的物理化学交联的壳聚糖/聚多巴胺复合水凝胶表面的生长状态的光学显微镜图片。人食管癌细胞ECA109购买自江苏凯基生物技术股份有限公司，将其接种于含10％胎牛血清的DMEM培养基中扩增。接种细胞之前，将水凝胶依次用医用乙醇和紫外灯灭菌。将扩增后的、对数生长期的人食道癌细胞ECA109以1×104cell/cm2的密度接种于壳聚糖/聚多巴胺凝胶表面作为实验室组，接种于空白孔板中作为对照组。放回培养箱分别继续培养6h；培养结束后，弃去培养皿中的上清液，PBS洗三次后，直接加入500μL活/死细胞染色剂钙黄绿素(Calcein/AM)溶液，在培养箱中避光继续培养20min，随后用PBS清洗三次，除去残留的Calcein/AM溶液。最后在405nm通道下观察细胞的生长状态。如图5所示，细胞能够在凝胶表面很好地粘附和增殖，表明本发明方法制备的物理化学交联的壳聚糖/聚多巴胺复合水凝胶具有很好的生物相容性。
图6为本发明实施例3和6制备的水凝胶样品材料对金色葡萄糖球菌的抑菌效果图。抗菌性能测试：将灭菌后的固体培养基加热溶解，冷却至50℃左右将其倒入培养皿中(约2-3mm高度)，待其凝固后采用稀释涂布平板法将菌种分别接至培养皿中，然后将实施例3和6制备的水凝胶分别放入培养皿中。实验完成后将培养皿倒置封口，放入细菌培养箱中37℃恒温培养24h，观察并记录实验现象。如图6所示，壳聚糖/聚多巴胺材料比单纯的壳聚糖材料的抑菌圈大，说明聚多巴胺与壳聚糖复合，具有更好的抑菌行为。
具体实施方式
下面申请人将结合具体的实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明。应理解，所举实施例的目的在于进一步阐述本发明的内容，而不能在任何意义上解释为对本发明保护范围的限制。
以下实施例中，所用壳聚糖粉末购自国药，脱乙酰度为85％，分子量13万。
盐酸多巴胺购自阿拉丁。
其他原料均为常见市售商品。
实施例1
一种物理交联的壳聚糖水凝胶，其制备方法如下：
配制95克LiOH、KOH、尿素和H2O按质量比5:7:8:80混合的碱性溶剂，将5克壳聚糖粉末加入上述碱性溶剂中搅拌5min分散，于-30℃下冷冻，然后在室温下搅拌解冻。将解冻完全的溶液在5℃以7000rpm转速的条件下离心10min脱泡，得到澄清透明的5wt％壳聚糖碱性溶液。将其置于工业酒精中24h再生，水洗得到物理交联的壳聚糖水凝胶。使用万能试验机，测试速率为0.5mm/min，测得水凝胶压缩强度为2.4MPa，断裂应变为82％。
实施例2
一种物理交联的壳聚糖/聚多巴胺复合水凝胶，其制备方法如下：
配制95克LiOH、KOH、尿素和H2O按质量比5:7:8:80混合的碱性溶剂，将5克壳聚糖粉末加入上述碱性溶剂中搅拌5min分散，于-30℃下冷冻，然后在室温下搅拌解冻。将解冻完全的溶液在5℃以7000rpm转速的条件下离心10min脱泡，得到澄清透明的5wt％壳聚糖碱性溶液。然后向该壳聚糖碱性溶液中加入0.5克盐酸多巴胺，室温搅拌30分钟，离心脱泡，放置于5℃冰箱冷藏24小时，得到深棕色壳聚糖/聚多巴胺碱性流体，将其置于工业酒精中24h再生，水洗得到物理交联的壳聚糖/聚多巴胺复合水凝胶。使用万能试验机，测试速率为0.5mm/min，测得水凝胶压缩强度为2.7MPa，断裂应变为78％。
实施例3
一种物理化学交联的壳聚糖水凝胶，其制备方法如下：
配制95克LiOH、KOH、尿素和H2O按质量比5:7:8:80混合的碱性溶剂，将5克壳聚糖粉末加入上述碱性溶剂中搅拌5min分散，于-30℃下冷冻，然后在室温下搅拌解冻。将解冻完全的溶液在5℃以7000rpm转速的条件下离心10min脱泡，得到澄清透明的5wt％壳聚糖碱性溶液。然后向该壳聚糖碱性溶液中加入1.5mL环氧氯丙烷，室温搅拌30分钟，离心脱泡，放置于5℃冰箱冷藏24小时，得到壳聚糖碱性预凝胶，将其置于工业酒精中24h再生，水洗得到物理化学交联的壳聚糖水凝胶。使用万能试验机，测试速率为0.5mm/min，测得水凝胶压缩强度为3.0MPa，断裂应变为85.5％。
实施例4
一种物理化学交联的壳聚糖/聚多巴胺复合水凝胶，其制备方法如下：
配制95克LiOH、KOH、尿素和H2O按质量比5:7:8:80混合的碱性溶剂，将5克壳聚糖粉末加入上述碱性溶剂中搅拌5min分散，于-30℃下冷冻，然后在室温下搅拌解冻。将解冻完全的溶液在5℃以7000rpm转速的条件下离心10min脱泡，得到澄清透明的5wt％壳聚糖碱性溶液。然后向该壳聚糖碱性溶液中加入1.5mL环氧氯丙烷和1克盐酸多巴胺，室温搅拌30分钟，离心脱泡，放置于5℃冰箱冷藏24小时，得到深棕色壳聚糖/聚多巴胺碱性预凝胶，将其置于工业酒精中24h再生，水洗得到物理化学交联的壳聚糖/聚多巴胺复合水凝胶。使用万能试验机，测试速率为0.5mm/min，测得水凝胶压缩强度为3.4MPa，断裂应变为82.3％。
实施例5
一种物理化学交联的壳聚糖/聚多巴胺复合水凝胶，其制备方法如下：
配制95克LiOH、KOH、尿素和H2O按质量比5:7:8:80混合的碱性溶剂，将5克壳聚糖粉末加入上述碱性溶剂中搅拌5min分散，于-30℃下冷冻，然后在室温下搅拌解冻。将解冻完全的溶液在5℃以7000rpm转速的条件下离心10min脱泡，得到澄清透明的5wt％壳聚糖碱性溶液。然后向该壳聚糖碱性溶液中加入1.5mL环氧氯丙烷和2克盐酸多巴胺，室温搅拌30分钟，离心脱泡，放置于5℃冰箱冷藏24小时，得到深棕色壳聚糖/聚多巴胺碱性预凝胶，将其置于工业酒精中24h再生，水洗得到物理化学交联的壳聚糖/聚多巴胺复合水凝胶。使用万能试验机，测试速率为0.5mm/min，测得水凝胶压缩强度为3.8MPa，断裂应变为79.7％。
实施例6
一种物理化学交联的壳聚糖/聚多巴胺复合水凝胶，其制备方法如下：
配制95克LiOH、KOH、尿素和H2O按质量比5:7:8:80混合的碱性溶剂，将5克壳聚糖粉末加入上述碱性溶剂中搅拌5min分散，于-30℃下冷冻，然后在室温下搅拌解冻。将解冻完全的溶液在5℃以7000rpm转速的条件下离心10min脱泡，得到澄清透明的5wt％壳聚糖碱性溶液。然后向该壳聚糖碱性溶液中加入1.5mL环氧氯丙烷和3克盐酸多巴胺，室温搅拌30分钟，离心脱泡，放置于5℃冰箱冷藏24小时，得到深棕色壳聚糖/聚多巴胺碱性预凝胶，将其置于工业酒精中24h再生，水洗得到物理化学交联的壳聚糖/聚多巴胺复合水凝胶。使用万能试验机，测试速率为0.5mm/min，测得水凝胶压缩强度为4.2MPa，断裂应变为75.6％。

Claims (6)

1.一种交联壳聚糖/聚多巴胺复合水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
向壳聚糖碱性溶液中加入交联剂和盐酸多巴胺，室温下搅拌一段时间后离心脱泡，放置于0-5℃冰箱冷藏10-36小时，得到壳聚糖/聚多巴胺碱性流体，将其置于非溶剂中12-36h，再生，水洗后得到物理化学交联的壳聚糖/聚多巴胺复合水凝胶；
所述壳聚糖碱性溶液中壳聚糖浓度为3-7wt%；
所述壳聚糖，脱乙酰度为80~95%，分子量为10~15万；
所述壳聚糖碱性溶液制备方法如下：将壳聚糖和碱性溶剂混合后搅拌分散，于-40℃至-25℃下冷冻，然后在室温下搅拌解冻，将解冻完全的溶液在0-10℃下离心脱泡，即得；
所述碱性溶剂为：将LiOH、KOH、尿素和H2O混合得到；
碱性溶剂中LiOH、KOH、尿素浓度分别为：LiOH 3.0～6.0wt%、KOH 5.0～10.0wt%、尿素7.0～10.0wt%；
所述交联剂用量与所述壳聚糖碱性溶液中壳聚糖的比例为（0.5-3.5）mL：5g；
所述盐酸多巴胺用量与所述壳聚糖碱性溶液中壳聚糖的质量比例为（1-60）：100；
所述交联剂是环氧化合物。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：将LiOH、KOH、尿素和H2O按质量比5:7:8:80混合得到所述碱性溶剂。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述非溶剂是水、有机溶剂或者水与有机溶剂的混合溶液。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述非溶剂是乙醇与水的混合物或所述非溶剂是工业酒精。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述非溶剂是工业酒精。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述交联剂为环氧氯丙烷。
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