CN110776653A - 一种基于壳聚糖的高粘附、抗菌、自愈合水凝胶的制备方法 - Google Patents

一种基于壳聚糖的高粘附、抗菌、自愈合水凝胶的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于壳聚糖的高粘附、抗菌、自愈合水凝胶的制备方法，包括以下步骤：（1）制备壳聚糖‑杂多酸复合物溶液：在搅拌状态下，将杂多酸水溶液滴入壳聚糖水溶液中，调整pH至3‑5，继续搅拌30min；（2）制备基于壳聚糖的水凝胶：取步骤（1）得到的壳聚糖‑杂多酸复合物溶液，向其中加入亲水性单体和化学交联剂，搅拌15min，然后再加入氧化还原引发剂，搅拌，在室温下反应2h，即可。本发明提供的水凝胶，具有双重网络结构，粘附性好，且具有一定的自愈合性能和抗菌性能。

Description

一种基于壳聚糖的高粘附、抗菌、自愈合水凝胶的制备方法
技术领域
本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及一种基于壳聚糖的高粘附、抗菌、自愈合水凝胶的制备方法。
背景技术
水凝胶是一类具有三维高分子网络的高分子材料。由于高分子网络之间的亲和性，小分子的溶剂水被高分子网络通过氢键等作用封闭在三维网络空隙里面，够吸收大量水分而溶胀，并在溶胀之后能够继续保持其原有结构而不被溶解。因此水凝胶不但能像固体一样显示一定的机械性能，而且具有一定的流动性。又因水凝胶便于设计和改性，且其三维网络结构与天然细胞外基质相近，在可穿戴生物传感器，伤口敷料，生物组织3D打印，和组织粘合剂等领域拥有广阔的应用前景。然而，对于传统水凝胶来说，由于缺乏共价和非共价相互作用的合适相互作用位点，传统的水凝胶表现出对基底的较弱粘合能力，限制了水凝胶的应用。
多糖类高分子是一类具有多样性结构的生物高分子材料，其来源广泛，在自然界中含量丰富，在动植物、微生物（细菌和真菌）和藻类地衣体中都极易获取。多糖类高分子根据来源可以分成三类：动物系多糖（如甲壳素）、植物系多糖（如纤维素）以及细菌系多糖（如黄原胶）。多糖本身作为维持生命活动正常运转的基本物质之一，具有免疫调节、抗菌、抗病毒、抗凝血、降低血糖、降低血脂、抗肿瘤、抗氧化、延缓衰老等生物活性，在医疗保健、动物养殖、食品等领域都有着广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种基于壳聚糖的高粘附、抗菌、自愈合水凝胶的制备方法，以解决现有技术中凝胶粘附性不强，自愈合效率低，生物相容性差，无生物功能性等缺陷。
一种基于壳聚糖的高粘附、抗菌、自愈合水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
（1）制备壳聚糖-杂多酸复合物溶液：在搅拌状态下，将杂多酸水溶液滴入壳聚糖水溶液中，调整pH至3-5，继续搅拌30min；
（2）制备基于壳聚糖的水凝胶：取步骤（1）得到的壳聚糖-杂多酸复合物溶液，向其中加入亲水性单体和化学交联剂，搅拌15min，然后再加入氧化还原引发剂，搅拌，在室温下反应2h，即可。
优选地，步骤（1）中所述杂多酸水溶液是由杂多酸和蒸馏水按照质量比（0.05-0.15）：2混合组成；所述壳聚糖水溶液是由壳聚糖和蒸馏水按照质量比（0.4-0.6）：2混合组成；且步骤（1）中所述壳聚糖与杂多酸的质量比为（0.4-0.6）：（0.05-0.15）。
优选地，步骤（2）中所述壳聚糖-杂多酸复合物溶液、亲水性单体、化学交联剂的加入比例为4 mL：（0.8-1.6）g：（0.25-0.75）mg；所述氧化还原引发剂由等摩尔比的氧化剂与还原剂组成，且所述氧化剂和还原剂与亲水性单体的摩尔比均为（0.25%-0.75%）：1。
优选地，所述杂多酸为钨硅酸、磷钨酸、磷钼酸、硅钼酸中的至少一种。
优选地，所述亲水性单体为丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、丙烯酸、甲基丙烯酸、N-异丙基丙烯酰胺、甲基丙烯酸羟乙酯中的至少一种。
优选地，所述化学交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺或分子量为600的聚乙二醇二丙烯酸酯。
优选地，所述氧化还原引发剂为等摩尔比的过硫酸钾和四甲基乙二胺，或者等摩尔比的过硫酸铵和四甲基乙二胺。
本发明制备的水凝胶，具有双层互穿网络结构，杂多酸水溶液滴入壳聚糖水溶液中后，会形成一层物理交联的网络；然后加入亲水性单体、化学交联剂、氧化还原引发剂后，形成另外一层化学交联的网络。
本发明的优点：
本发明提供的水凝胶，具有双重网络结构，粘附性好，且具有一定的自愈合性能和抗菌性能。
附图说明
图1 是实施例1制备的一种基于壳聚糖的高粘附、抗菌、自愈合水凝胶的扫描电镜图；
图2 是实施例1制备的一种基于壳聚糖的高粘附、抗菌、自愈合水凝胶的粘附力测试图；
图3 是实施例1制备的一种基于壳聚糖的高粘附、抗菌、自愈合水凝胶的自愈合流变学测试图；
图4 是实施例1制备的一种基于壳聚糖的高粘附、抗菌、自愈合水凝胶的抗菌效果图。
具体实施方式
实施例1
一种基于壳聚糖的高粘附、抗菌、自愈合水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
（1）制备壳聚糖-杂多酸复合物溶液：在搅拌状态下，将400 mg壳聚糖、150 mg钨硅酸分别溶于2 mL蒸馏水，形成壳聚糖水溶液和钨硅酸水溶液，将钨硅酸水溶液缓慢滴入壳聚糖水溶液中，调整pH至4，继续搅拌30min，得到壳聚糖-钨硅酸复合物溶液；
（2）制备基于壳聚糖的水凝胶：取步骤（1）得到的4 mL壳聚糖-钨硅酸复合物溶液，向其中加入1.2 g丙烯酰胺单体、0.75 mg N,N-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌15min，然后再分别加入丙烯酰胺单体摩尔量0.5%的过硫酸钾、四甲基乙二胺，搅拌均匀，在室温下反应2h，得到棕黄色水凝胶。
实施例2
一种基于壳聚糖的高粘附、抗菌、自愈合水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
（1）制备壳聚糖-杂多酸复合物溶液：在搅拌状态下，将400 mg壳聚糖、150 mg磷钨酸分别溶于2 mL蒸馏水，形成壳聚糖水溶液和磷钨酸水溶液，将磷钨酸水溶液缓慢滴入壳聚糖水溶液中，调整pH至4，继续搅拌30min，得到壳聚糖-磷钨酸复合物溶液；
（2）制备基于壳聚糖的水凝胶：取步骤（1）得到的4mL壳聚糖-磷钨酸复合物溶液，向其中加入1.2 g丙烯酰胺单体、0.75 mg N,N-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌15min，然后再分别加入丙烯酰胺单体摩尔量0.5%的过硫酸钾、四甲基乙二胺，搅拌均匀，在室温下反应2h，得到棕黄色水凝胶。
实施例3
一种基于壳聚糖的高粘附、抗菌、自愈合水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
（1）制备壳聚糖-杂多酸复合物溶液：在搅拌状态下，将400 mg壳聚糖、150 mg钨硅酸分别溶于2 mL蒸馏水，形成壳聚糖水溶液和钨硅酸水溶液，将钨硅酸水溶液缓慢滴入壳聚糖水溶液中，调整pH至4，继续搅拌30min，得到壳聚糖-钨硅酸复合物溶液；
（2）制备基于壳聚糖的水凝胶：取步骤（1）得到的4mL壳聚糖-钨硅酸复合物溶液，向其中加入1.2 g甲基丙烯酸羟乙酯单体、0.75 mg N,N-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌15min，然后再分别加入甲基丙烯酸羟乙酯单体摩尔量0.5%的过硫酸钾、四甲基乙二胺，搅拌均匀，在室温下反应2h，得到淡棕黄色水凝胶。
实施例4
一种基于壳聚糖的高粘附、抗菌、自愈合水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
（1）制备壳聚糖-杂多酸复合物溶液：在搅拌状态下，将400 mg壳聚糖、50 mg钨硅酸分别溶于2 mL蒸馏水，形成壳聚糖水溶液和钨硅酸水溶液，将钨硅酸水溶液缓慢滴入壳聚糖水溶液中，调整pH至4，继续搅拌30min，得到壳聚糖-钨硅酸复合物溶液；
（2）制备基于壳聚糖的水凝胶：取步骤（1）得到的4mL壳聚糖-钨硅酸复合物溶液，向其中加入0.8 g甲基丙烯酰胺单体、0.25 mg聚乙二醇二丙烯酸酯（分子量600），搅拌15min，然后再分别加入甲基丙烯酰胺单体摩尔量0.5%的过硫酸钾、四甲基乙二胺，搅拌均匀，在室温下反应2h，得到棕黄色水凝胶。
实施例5
一种基于壳聚糖的高粘附、抗菌、自愈合水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
（1）制备壳聚糖-杂多酸复合物溶液：在搅拌状态下，将600 mg壳聚糖、150 mg磷钼酸分别溶于2 mL蒸馏水，形成壳聚糖水溶液和磷钼酸水溶液，将磷钼酸水溶液缓慢滴入壳聚糖水溶液中，调整pH至4，继续搅拌30min，得到壳聚糖-磷钼酸复合物溶液；
（2）制备基于壳聚糖的水凝胶：取步骤（1）得到的4mL壳聚糖-磷钼酸复合物溶液，向其中加入1.2 g丙烯酸单体、0.75 mg N,N-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌15min，然后再分别加入丙烯酸单体摩尔量0.5%的过硫酸钾、四甲基乙二胺，搅拌均匀，在室温下反应2h，得到棕黄色水凝胶。
实施例6
一种基于壳聚糖的高粘附、抗菌、自愈合水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
（1）制备壳聚糖-杂多酸复合物溶液：在搅拌状态下，将400mg壳聚糖、100 mg硅钼酸分别溶于2 mL蒸馏水，形成壳聚糖水溶液和硅钼酸水溶液，将硅钼酸水溶液缓慢滴入壳聚糖水溶液中，调整pH至4，继续搅拌30min，得到壳聚糖-硅钼酸复合物溶液；
（2）制备基于壳聚糖的水凝胶：取步骤（1）得到的4mL壳聚糖-硅钼酸复合物溶液，向其中加入1.2 g甲基丙烯酸单体、0.75 mg N,N-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌15min，然后再分别加入甲基丙烯酸单体摩尔量0.5%的过硫酸钾、四甲基乙二胺，搅拌均匀，在室温下反应2h，得到棕黄色水凝胶。
实施例7
一种基于壳聚糖的高粘附、抗菌、自愈合水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
（1）制备壳聚糖-杂多酸复合物溶液：在搅拌状态下，将400mg壳聚糖、150 mg钨硅酸分别溶于2 mL蒸馏水，形成壳聚糖水溶液和钨硅酸水溶液，将钨硅酸水溶液缓慢滴入壳聚糖水溶液中，调整pH至5，继续搅拌30min，得到壳聚糖-钨硅酸复合物溶液；
（2）制备基于壳聚糖的水凝胶：取步骤（1）得到的4mL壳聚糖-钨硅酸复合物溶液，向其中加入1.2 g N-异丙基丙烯酰胺单体、0.75 mg N,N-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌15min，然后再分别加入N-异丙基丙烯酰胺单体摩尔量0.5%的过硫酸铵、四甲基乙二胺，搅拌均匀，在室温下反应2h，得到淡棕黄色水凝胶。
实施例8
一种基于壳聚糖的高粘附、抗菌、自愈合水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
（1）制备壳聚糖-杂多酸复合物溶液：在搅拌状态下，将400mg壳聚糖、150 mg钨硅酸分别溶于2 mL蒸馏水，形成壳聚糖水溶液和钨硅酸水溶液，将钨硅酸水溶液缓慢滴入壳聚糖水溶液中，调整pH至4，继续搅拌30min，得到壳聚糖-钨硅酸复合物溶液；
（2）制备基于壳聚糖的水凝胶：取步骤（1）得到的4mL壳聚糖-钨硅酸复合物溶液，向其中加入1.6 g丙烯酰胺单体、0.75 mg N,N-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌15min，然后再分别加入丙烯酰胺单体摩尔量0.5%的过硫酸钾、四甲基乙二胺，搅拌均匀，在室温下反应2h，得到棕黄色水凝胶。
实施例9
一种基于壳聚糖的高粘附、抗菌、自愈合水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
（1）制备壳聚糖-杂多酸复合物溶液：在搅拌状态下，将400mg壳聚糖、150 mg钨硅酸分别溶于2 mL蒸馏水，形成壳聚糖水溶液和钨硅酸水溶液，将钨硅酸水溶液缓慢滴入壳聚糖水溶液中，调整pH至4，继续搅拌30min，得到壳聚糖-钨硅酸复合物溶液；
（2）制备基于壳聚糖的水凝胶：取步骤（1）得到的4mL壳聚糖-钨硅酸复合物溶液，向其中加入1.2 g丙烯酰胺单体、0.5 mg N,N-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌15min，然后再分别加入丙烯酰胺单体摩尔量0.25%的过硫酸钾、四甲基乙二胺，搅拌均匀，在室温下反应2h，得到棕黄色水凝胶。
实施例10
一种基于壳聚糖的高粘附、抗菌、自愈合水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
（1）制备壳聚糖-杂多酸复合物溶液：在搅拌状态下，将400mg壳聚糖、150 mg钨硅酸分别溶于2 mL蒸馏水，形成壳聚糖水溶液和钨硅酸水溶液，将钨硅酸水溶液缓慢滴入壳聚糖水溶液中，调整pH至3，继续搅拌30min，得到壳聚糖-钨硅酸复合物溶液；
（2）制备基于壳聚糖的水凝胶：取步骤（1）得到的4mL壳聚糖-钨硅酸复合物溶液，向其中加入1.2 g丙烯酰胺单体、0. 75 mg N,N-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌15min，然后再分别加入丙烯酰胺单体摩尔量0.75%的过硫酸钾、四甲基乙二胺，搅拌均匀，在室温下反应2h，得到棕黄色水凝胶。
性能检测
1. 扫描电镜
对实施例1制备得到的水凝胶做扫描电镜测试，结果如图1，由图1可以说明水凝胶形成了稳固的、蜂巢状、3D多孔网络结构。
2. 粘附力测试
检测实施例1制备得到的水凝胶的粘附力，将水凝胶涂覆在两片基材（聚四氟乙烯、聚丙烯、玻璃、不锈钢）中间，施加一定的压力持续2 min，然后使用拉力机将两片基材竖直平行剥离，检测其剪切强度，结果见图2；由图2可知：水凝胶对于聚四氟乙烯、聚丙烯、玻璃、不锈钢等有机、无机及金属类材料都具有良好的粘附效果。
3. 自愈合流变学测试
检测实施例1制备得到的水凝胶的自愈合性能：对水凝胶进行阶梯应力流变学测试，使用小于凝胶态转变应力的小应力10 Pa，大于凝胶态转变应力的大应力9000 Pa，对凝胶进行循环剪切振荡，结果见图3；由图3可知：每次循环之后体系的储能模量（G′）和损耗模量（G″）基本都可以完全恢复，4次循环剪切振荡之后自愈合效率可以达到90%以上。
4. 抗菌效果测试
使用盘扩散法测试水凝胶的抗菌性能，检测纯水凝胶（图4中1），不添加钨硅酸、其他同实施例1制备得到的水凝胶（图4中2），实施例1制备得到的水凝胶（图4中3）的抗菌性能，结果见图4，由图4可知：纯PAM水凝胶（图4中1）对于大肠杆菌并没有明显的抑制效果；引入壳聚糖之后，培养基上出现一定的抑制区（图4中2）；继续引入钨硅酸后，培养基上也出现明显的抑制区（图4中3），说明实施例1中使用壳聚糖和杂多酸构建的水凝胶拥有良好的抗菌性能。

Claims (7)

1.一种基于壳聚糖的高粘附、抗菌、自愈合水凝胶的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）制备壳聚糖-杂多酸复合物溶液：在搅拌状态下，将杂多酸水溶液滴入壳聚糖水溶液中，调整pH至3-5，继续搅拌30min；
（2）制备基于壳聚糖的水凝胶：取步骤（1）得到的壳聚糖-杂多酸复合物溶液，向其中加入亲水性单体和化学交联剂，搅拌15min，然后再加入氧化还原引发剂，搅拌，在室温下反应2h，即可。
2.根据权利要求1所述基于壳聚糖的高粘附、抗菌、自愈合水凝胶的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述杂多酸水溶液是由杂多酸和蒸馏水按照质量比（0.05-0.15）：2混合组成；所述壳聚糖水溶液是由壳聚糖和蒸馏水按照质量比（0.4-0.6）：2混合组成；且步骤（1）中所述壳聚糖与杂多酸的质量比为（0.4-0.6）：（0.05-0.15）。
3.根据权利要求1所述基于壳聚糖的高粘附、抗菌、自愈合水凝胶的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所述壳聚糖-杂多酸复合物溶液、亲水性单体、化学交联剂的加入比例为4mL：（0.8-1.6）g：（0.25-0.75）mg；所述氧化还原引发剂由等摩尔比的氧化剂与还原剂组成，且所述氧化剂和还原剂与亲水性单体的摩尔比均为（0.25%-0.75%）：1。
4.根据权利要求1或2或3所述基于壳聚糖的高粘附、抗菌、自愈合水凝胶的制备方法，其特征在于：所述杂多酸为钨硅酸、磷钨酸、磷钼酸、硅钼酸中的至少一种。
5.根据权利要求1或2或3所述基于壳聚糖的高粘附、抗菌、自愈合水凝胶的制备方法，其特征在于：所述亲水性单体为丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、丙烯酸、甲基丙烯酸、N-异丙基丙烯酰胺、甲基丙烯酸羟乙酯中的至少一种。
6.根据权利要求1或2或3所述基于壳聚糖的高粘附、抗菌、自愈合水凝胶的制备方法，其特征在于：所述化学交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺或分子量为600的聚乙二醇二丙烯酸酯。
7.根据权利要求1或2或3所述基于壳聚糖的高粘附、抗菌、自愈合水凝胶的制备方法，其特征在于：所述氧化还原引发剂为等摩尔比的过硫酸钾和四甲基乙二胺，或者等摩尔比的过硫酸铵和四甲基乙二胺。
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