CN110272548B - 一种提高水凝胶导电性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高水凝胶导电性的方法，其特征在于：在水凝胶的预聚体溶液中混入聚丙烯酸盐，所述聚丙烯酸盐为醛基化聚丙烯酸盐；进一步地，在水凝胶的预聚体溶液中混入固含量为0.3％～0.7％的聚丙烯酸盐。本发明中通过醛基化聚丙烯酸钠修饰水凝胶，显著提升了水凝胶的导电性能，并且制备得到的水凝胶具有良好的导电性、弹性以及生物相容性；本发明中通过将水凝胶制备成具有双层网络的水凝胶以及在水凝胶中加入金属离子修饰，进一步提升了水凝胶的力学性能。

Description

一种提高水凝胶导电性的方法
技术领域
本发明涉及一种提高水凝胶导电性的方法。
背景技术
聚合物支架具有良好的生物相容性和降解性，在组织工程和药物传递中扮演重要角色。从天然蛋白质和多糖中提取的水凝胶是组织工程的理想支架，因为它们类似于由多种氨基酸和糖基大分子组成的组织细胞外基质。
从天然聚合物中提取的水凝胶模仿细胞外基质的许多特性，因此有潜力在组织再生和伤口愈合过程中指导细胞的迁移、生长和组织。其中许多还表现出足够的生物相容性和生物降解性。合成水凝胶常见的交联方法主要包括单体的光聚合、酶交联与金属离子的化学交联或通过戊二醛、碳二亚胺、己二酰二肼等交联剂实现。然而，光聚合往往需要光致敏剂和长时程的辐照，从而限制其使用。与金属离子的交联在体内通常是可逆的，具有细胞毒性作用。与戊二醛、聚环氧化物、异氰酸酯等聚合物底物结合的试剂毒性高，易在底物的生物降解过程中渗入体内。潜在的毒性较低的试剂，如己二酸二肼和氧化多糖已被研究作为交联剂。
传统的导电水凝胶是水凝胶与导电高分子材料聚合交联的混合物，它结合了水凝胶的生物形容性、传输小分子的能力、高水合作用与导电聚合物的氧化还原性、良好的导电性，是一种新型的复合生物材料。常见的导电高分子材料包括碳纳米管、还原性氧化石墨烯、聚苯胺、聚噻吩以及聚吡咯等(化学聚合或氧化聚合等方式引入水凝胶)。这些导电高分子材料的加入大大提高了水凝胶的导电性能，然而毒性和易聚积性等缺点限制了它们的广泛应用。近年来，科学家们一直致力于寻找生物相容性好的天然导电高分子材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高水凝胶导电性的方法。
本发明所采取的技术方案是：
一种提高水凝胶导电性的方法，通过在水凝胶的预聚体溶液中混入聚丙烯酸盐提高水凝胶导电性，所述聚丙烯酸盐为醛基化聚丙烯酸盐；进一步地，在水凝胶的预聚体溶液中混入固含量为0.3％～0.7％的聚丙烯酸盐。
进一步地，聚丙烯酸盐为聚丙烯酸钠。
进一步地，预聚体溶液中含有氧化海藻酸钠和明胶；进一步地，预聚体溶液中氧化海藻酸钠的固含量为6％～8％；更进一步地，预聚体溶液中明胶的固含量为10％～12％。
进一步地，上述方法包括以下步骤：
1)将醛基化聚丙烯酸盐溶液加入到氧化海藻酸钠溶液中的混合溶液A；
2)将混合溶液A加入到明胶溶液中混匀，交联反应得到导电水凝胶。
进一步地，预聚体溶液中还含有金属离子，优选地，金属离子为Ca2+、Mg2+、Fe3+中的至少一种。
进一步地，预聚体溶液中金属离子浓度为0.02～1mmol/L。
进一步地，上述方法包括以下步骤：
1)将醛基化聚丙烯酸盐溶液加入到氧化海藻酸钠溶液中的混合溶液A；
2)将混合溶液A加到明胶溶液中混匀，加入金属离子溶液，交联反应得到导电水凝胶。
进一步地，混合溶液A加到明胶溶液中之前还需要在混合溶液A中加入溶液B，溶液B中含有甲基丙烯酰胺化的明胶、聚乙二醇二丙烯酸酯和过硫酸铵。
进一步地，交联反应前，还需要将预聚体溶液冷冻、常温融解。
上述方法制备得到的水凝胶在组织工程修复中的应用。
本发明的有益效果是：本发明中通过醛基化聚丙烯酸钠修饰水凝胶，显著提升了水凝胶的导电性能，并且制备得到的水凝胶具有良好的导电性、弹性以及生物相容性；本发明中通过将水凝胶制备成具有双层网络的水凝胶以及在水凝胶中加入金属离子修饰，进一步提升了水凝胶的力学性能；本发明中制备的导电水凝胶在生物医学、软体机器人以及人工器官等领域有着广阔的应用前景。
附图说明
图1为三种类型聚丙烯酸钠的核磁结果图；
图2为实施例2水凝胶的电导率结果图；
图3为实施例2水凝胶的应力-应变曲线和弹性模量结果图；
图4为实施例2水凝胶的压缩试验结果；
图5为实施例2水凝胶内部孔隙及孔径大小的扫描电镜结果；
图6为实施例2水凝胶上接种的心肌细胞活死染色和细胞毒性结果；
图7为实施例2水凝胶上接种的心肌细胞F-actin染色结果；
图8为实施例3水凝胶力学性能测试结果；
图9为实施例4水凝胶循环压缩试验结果；
图10为实施例4水凝胶拉伸试验结果；
图11为实施例5水凝胶细胞毒性检测。
具体实施方式
下面进一步列举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域技术人员根据本发明阐述的原理做出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适范围内的选择，而并非要限定于下文示例的具体数据。
实施例1
醛基修饰聚丙烯酸钠的制备方法
将4g丙烯酸钠、45mg偶氮二异丁腈和2ml 1,4-二氧六环和巴豆醛(分别为350mg和700mg,PAA350,PAA700)混合均匀后，投入液氮，迅速冷冻后抽真空，解冻后置于60度水浴搅拌至液体黏稠，立即用液氮冷冻终止反应，透析后冻干待用，即得到醛基修饰的聚丙烯酸钠。用氘代DMSO分别溶解20mg单纯聚丙烯酸钠(PAApure)，PAA350，PAA700，予以600M H1谱核磁检测特征峰。如图1，PAA700的巴豆醛的接枝率更高，在位移9.46处显示明显的醛基峰。
实施例2
导电水凝胶的制备方法
分别称取固含量为20％的氧化海藻酸钠和明胶，溶于PBS溶液中，50℃水浴搅拌30分钟，配制成均一溶液，调pH至8，静置待用；根据实施例1合成巴豆醛修饰的聚丙烯酸钠，用PBS配置固含量为10％的溶液，按一定体积比(10％、15％、20％)加入氧化海藻酸钠溶液中，调节pH至8；将加有聚丙烯酸钠的氧化海藻酸钠溶液以体积比4:6加入明胶溶液中，混匀，常温反应数分钟，即得到棕褐色的导电弹性水凝胶。
实施例3
具备双层网络的导电水凝胶的制备方法
分别称取固含量为20％的氧化海藻酸钠和明胶，溶于PBS溶液中，50℃水浴搅拌30分钟，配制成均一溶液，将两种溶液pH调成8，静置待用；配置固含量为10％的巴豆醛修饰的聚丙烯酸钠溶液，按一定体积比(10％、15％、20％)加到氧化海藻酸钠溶液中，调节pH至8；称取固含量为10％的甲基丙烯酸酐化的明胶和20％的聚乙二醇二丙烯酸酯，溶解后，加入3μL 10％的过硫酸铵，混匀后加入到上述氧化海藻酸钠溶液中，以体积比4:6加入明胶溶液中，混匀；加入1μL四甲基乙二胺，震荡混匀后，负20℃过夜；于常温融解20分钟后，继续交联成胶，得到棕褐色的具备双层网络的导电弹性水凝胶。
实施例4
一种导电水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
分别称取固含量为40％的氧化海藻酸钠和明胶，溶于PBS溶液中，50℃水浴搅拌30分钟，配制成均一溶液，调pH至8，静置待用；用PBS配置固含量为10％的巴豆醛修饰的聚丙烯酸钠溶液，按一定体积比(10％、15％、20％)加入氧化海藻酸钠溶液中，调节pH至8；将加有聚丙烯酸钠的氧化海藻酸钠溶液以体积比4:6加入明胶溶液中，混匀；加入0.5mmol/L浓FeCl3溶液后，37℃反应过夜，即得到棕褐色的具备双层网络结构的黏性导电弹性水凝胶。
实施例5
一种导电水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
分别称取固含量为20％的氧化海藻酸钠和明胶，溶于PBS溶液中，50℃水浴搅拌30分钟，配制成均一溶液，调pH至8，静置待用；用PBS配置固含量为10％的巴豆醛修饰的聚丙烯酸钠溶液，按体积比20％加入氧化海藻酸钠溶液中，调节pH至8；将加有聚丙烯酸钠的氧化海藻酸钠溶液以体积比4:6加入明胶溶液中，混匀；加入一定浓度(0.05M、0.025M、0.005M、0.001M、0.2mM)的FeCl3溶液后，37℃反应过夜，即得到棕褐色的具备双层网络结构的黏性导电弹性水凝胶。
对比例1
氧化海藻酸钠-明胶水凝胶的制备方法
分别称取固含量为20％的氧化海藻酸钠和明胶，溶于PBS溶液中，50℃水浴搅拌30分钟，配制成均一溶液，将两种溶液pH调成8；以体积比4:6将氧化海藻酸钠溶液与明胶溶液混匀，37℃反应过夜，即得到氧化海藻酸钠-明胶水凝胶。
对比例2
水凝胶的制备方法
分别称取固含量为20％的氧化海藻酸钠和明胶，溶于PBS溶液中，50℃水浴搅拌30分钟，配制成均一溶液，将两种溶液pH调成8，静置待用；配置固含量为10％的聚丙烯酸钠溶液，按体积比10％加入氧化海藻酸钠溶液中，调节pH至8；将加有聚丙烯酸钠的氧化海藻酸钠溶液以体积比4:6加入明胶溶液中，混匀，常温反应数分钟，即得到棕褐色的导电弹性水凝胶。
对比例3
水凝胶的制备方法
分别称取固含量为20％的氧化海藻酸钠和明胶，溶于PBS溶液中，50℃水浴搅拌30分钟，配制成均一溶液，将两种溶液pH调成8，静置待用；配置固含量为10％的聚丙烯酸钠溶液，按体积比15％加入氧化海藻酸钠溶液中，调节pH至8；将加有聚丙烯酸钠的氧化海藻酸钠溶液以体积比4:6加入明胶溶液中，混匀，常温反应数分钟，即得到棕褐色的导电弹性水凝胶。
对比例4
水凝胶的制备方法
分别称取固含量为20％的氧化海藻酸钠和明胶，溶于PBS溶液中，50℃水浴搅拌30分钟，配制成均一溶液，将两种溶液pH调成8，静置待用；配置固含量为10％的聚丙烯酸钠溶液，按体积比20％加入氧化海藻酸钠溶液中，调节pH至8；将加有聚丙烯酸钠的氧化海藻酸钠溶液以体积比4:6加入明胶溶液中，混匀，常温反应数分钟，即得到棕褐色的导电弹性水凝胶。
对比例5
具备大孔隙结构的MA-gelatin水凝胶的制备方法分别称取固含量为固含量为10％的甲基丙烯酸酐化的明胶和20％的聚乙二醇二丙烯酸酯，溶解后，加入3μL 10％的过硫酸铵，混匀，加入1μL四甲基乙二胺，震荡混匀后，负20℃过夜，即得到MA-gelatin大孔隙水凝胶。
对比例6
具备双层网络的水凝胶制备方法
分别称取固含量为20％的氧化海藻酸钠和明胶，溶于PBS溶液中，50℃水浴搅拌30分钟，配制成均一溶液，将两种溶液pH调成8，以体积比4:6将氧化海藻酸钠溶液与明胶溶液混匀静置待用；称取固含量为10％的甲基丙烯酸酐化的明胶和20％的聚乙二醇二丙烯酸酯，溶解后，加入3μL 10％的过硫酸铵，混匀后加入到上述氧化海藻酸钠溶液中，混匀，加入1μL四甲基乙二胺，震荡混匀后，负20℃过夜；于常温融解20分钟后，继续交联成胶，得到棕褐色的具备双层网络的导电弹性水凝胶。
水凝胶性能检测
一、实施例2制备的导电水凝胶性能检测
1、导电性
分别检测对比例1～4和实施例2中制备的水凝胶以及对比例中制备的未经聚丙烯酸钠修饰的水凝胶的导电性。室温下采用三探针检测器(ST2253，中国)检测水凝胶的导电性能。以贴附在玻碳电极表面的水凝胶为工作电极，铂电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极。每组材料测10次，用GraphPad Prism 6软件对数值进行分析。结果如图2所示，经醛基修饰后的聚丙烯酸钠制备的水凝胶与未经修饰聚丙烯酸钠制备的水凝胶相比，其导电性得到了明显的提高。
2、力学性能
压缩实验
通过Electro Force试验机(～50N)检测对比例1和实施例2中制备的水凝胶的力学性能，压缩速率为0.02mm/s，测试三次。处理数据后作应力-应变曲线，并计算各组水凝胶的弹性模量。如图3所示，由结果可知经醛基修饰后的聚丙烯酸钠制备的水凝胶与单纯未经聚丙烯酸钠修饰的水凝胶弹性均较良好好，压缩形变均能达到80％以上，与单纯未经聚丙烯酸钠修饰的水凝胶相比，经醛基修饰后的聚丙烯酸钠制备的水凝胶弹性模量增加，均在200kpa左右。
将对比例1和实施例2中制备的水凝胶进行压缩实验，图4显示了聚丙烯酸钠天然导电弹性水凝胶(PAA体积比为20％)具有易压缩、回弹快的优点。
3、微观结构
将对比例1和实施例2中制备的水凝胶冻干后进行扫描电镜制样并拍摄，如图5所示，四组水凝胶孔隙率丰富，对比例中水凝胶孔径大小在50-100μm之间，经醛基修饰的聚丙烯酸钠修饰后，三组份水凝胶孔径明显增大，20％PAA修饰组孔径大小在100-200μm之间，适于细胞的粘附和迁移。
4、生物相容性
取对比例1和实施例2中制备的水凝胶，将原代心肌细胞与水凝胶共培养3～7天，利用cck-8分析法、活死染色试剂盒、骨架染色评估水凝胶材料的生物相容性。如图6、图7所示，基于聚丙烯酸钠构建的天然水凝胶材料其生物相容性良好，有利于心肌细胞的粘附和伸展。
二、实施例3制备的水凝胶性能检测
力学性能
通过Electro Force试验机(～50N)检测对比例5、6和实施例3中制备的双层水凝胶以及对比例中制备的未经聚丙烯酸钠修饰的双层水凝胶的力学性能，压缩速率为0.02mm/s，测试三次。处理数据后作应力-应变曲线，并计算各组水凝胶的弹性模量。如图8所示，相比较于MA单层弹性胶，经醛基修饰后的聚丙烯酸钠制备的双层水凝胶弹性模量增加(经体积比15％和20％醛基修饰后聚丙烯酸钠水凝胶尤为明显)。
三、实施例4制备的水凝胶性能检测
1、力学性能
1.1循环压缩实验
通过Electro Force试验机(～50N)检测对比例1和实施例4中制备的水凝胶的力学性能，压缩速率为0.02mm/s，循环压缩50次，测试三次。处理数据后作应力-应变曲线，并计算各组水凝胶的弹性模量。三组经醛基修饰后的聚丙烯酸钠制备的水凝胶在经历50次的快速压缩后，均能恢复原来的形状，并未出现任何损坏(图9)。
1.2拉伸实验
通过Electro Force试验机(～50N)检测对比例1和实施例4中制备的水凝胶的力学性能，拉伸速率为0.02mm/s，测试三次。处理数据后作应力-应变曲线，并计算各组水凝胶的弹性模量。如图10所示，相比较于未经修饰聚丙烯酸钠制备的水凝胶，经醛基修饰后的聚丙烯酸钠制备的水凝胶(尤其经体积比20％醛基修饰聚丙烯酸钠水凝胶)的拉伸性能显著提高。
2、生物相容性
取实施例5中制备的水凝胶，将原代心肌细胞与水凝胶共培养3天，利用cck-8分析法评估水凝胶材料的生物相容性，结果如图11所示，分别经浓度为0.001mol/L、0.2mmol/L铁离子修饰的水凝胶生物相容性较好。

Claims (12)

1.一种提高水凝胶导电性的方法，其特征在于：在水凝胶的预聚体溶液中混入固含量为0.3%～0.7%的聚丙烯酸盐，所述聚丙烯酸盐为醛基化聚丙烯酸盐；
所述预聚体溶液中含有氧化海藻酸钠和明胶。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：聚丙烯酸盐为聚丙烯酸钠。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：预聚体溶液中氧化海藻酸钠的固含量为6%～8%。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：预聚体溶液中明胶的固含量为10%～12%。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)将醛基化聚丙烯酸盐溶液加入到氧化海藻酸钠溶液中得混合溶液A；
2)将混合溶液A加入到明胶溶液中混匀，交联反应得到导电水凝胶。
6.根据权利要求1～4任一项所述的方法，其特征在于：预聚体溶液中还含有金属离子。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：金属离子为Ca2+、Mg2+、Fe3+中的至少一种。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：预聚体溶液中金属离子浓度为0.02～1mmol/L。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)将醛基化聚丙烯酸盐溶液加入到氧化海藻酸钠溶液中的混合溶液A；
2)将混合溶液A加到明胶溶液中混匀，加入金属离子溶液，交联反应得到导电水凝胶。
10.根据权利要求5或9所述的方法，其特征在于：混合溶液A加到明胶溶液中之前还需要在混合溶液A中加入溶液B，溶液B中含有甲基丙烯酰胺化的明胶、聚乙二醇二丙烯酸酯和过硫酸铵。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：交联反应前，还需要将预聚体溶液冷冻、常温融解。
12.权利要求1～11任一项所述方法制备得到的水凝胶在制备组织工程修复材料中的应用。
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