CN111548512B

CN111548512B - 基于环糊精基金属-有机骨架制备树突状水凝胶的方法

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Publication number: CN111548512B
Application number: CN202010240928.2A
Authority: CN
Inventors: 王胜男; 邵国强; 刘贺; 杨立娜; 李君�; 朱力杰; 宋虹; 周大宇; 何余堂; 马涛; 姜丽君; 陈简; 张弛; 赵贺开; 王冰冶
Original assignee: Bohai University
Current assignee: Bohai University
Priority date: 2020-03-31
Filing date: 2020-03-31
Publication date: 2022-10-25
Anticipated expiration: 2040-03-31
Also published as: CN111548512A

Abstract

本发明属于生物材料技术领域，具体涉及基于环糊精基金属‑有机骨架制备树突状水凝胶的方法。该方法先通过蒸汽扩散法，将β‑环糊精溶于碱金属离子溶液中，并通过滤膜，置于晶体生长所需的蒸汽环境中；再滴加不良溶剂，倾析或离心分离，洗涤，干燥，得到晶体；将收集到的晶体分散到多糖溶液中，并置于极性溶剂蒸汽环境中，倾析或过滤，洗涤，得到树突状水凝胶。现有技术中的制备方法存在复杂、稳定性差的问题。本发明通过向预先合成的CD‑MOF中添加大豆种皮多糖，制备了具有柔软和刚性特征的绿色可再生材料。

Description

基于环糊精基金属-有机骨架制备树突状水凝胶的方法

技术领域

本发明属于生物材料技术领域，具体涉及基于环糊精基金属-有机骨架制备树突状水凝胶的方法。

背景技术

金属有机骨架（MOF）是一类广泛的晶体多孔结构，其中有机配体和金属离子通过配位键桥接。由于其固有的高孔隙率和可调结构，它们被广泛应用于许多工程领域，最著名的是催化，储气，分离，光学成像，生物传感和输送系统等领域。MOF-5的合成标志着多孔MOFs材料在设计和构造阶段的发展进入了一个新时代。迄今为止，一系列经典的MOF衍生材料随后相继被合成（例如ZIF（ZIF-8和ZIF-67），MIL（MIL-53和MIL-101系列）和MAF（MAF-5和MAF-6等）。它们通常由有机配体连接金属离子而形成，与其他现有的传统材料相比，具有竞争性的化学和热力学稳定性。但是，生物医学和食品工程领域通常需要具有特定性质的材料，包括化学和热力学稳定性，低毒性，可降解性，生物相容性以及易于加工或功能化等。因为这类医药和食品类材料通常用于吸收或封装生物货物而不会影响其完整性，并且对于诸如药物输送和食品加工之类的体内应用是安全的。

目前，由于环糊精基金属-有机框架化合物（CD-MOF）稳定性差而受到限制，只能用作食品，水净化，输送系统和医疗领域的辅助材料，而且目前现有的制备工艺复杂，急需解决制备的原料存在的有毒、无法降解、成本高，合成复杂，不易模块化的问题。

发明内容

发明目的：

本发明旨在提出基于环糊精基金属-有机骨架制备树突状水凝胶的方法，以解决现有技术中的制备方法复杂、稳定性差的问题。

技术方案：

基于环糊精基金属-有机骨架制备树突状水凝胶的方法，该方法包括以下步骤：（1）通过蒸汽扩散法，将β-环糊精溶于碱金属离子溶液中，并通过滤膜，置于晶体生长所需的蒸汽环境中；

（2）再滴加不良溶剂，倾析或离心分离，洗涤，干燥，得到晶体；

（3）将收集到的晶体分散到多糖溶液中，并置于极性溶剂蒸汽环境中，倾析或过滤，洗涤，得到树突状水凝胶。

进一步的，蒸汽扩散法的具体步骤包括：将β-环糊精溶于碱金属离子溶液中，将该混合溶液通过滤膜过滤，再置于40-65℃，充满甲醛蒸汽的密闭环境中。

进一步的，碱金属溶液选择1.5~3mmol的氢氧化钾或氢氧化钠溶液；滤膜选择0.2-0.8μm。

进一步的，步骤（2）具体包括：在50-60℃，静置6-12h后，向晶体生长的混合溶液中滴加甲醇溶剂，晶体析出，倾析，甲醇洗涤多次，去除游离的β-环糊精配体，50 ℃真空干燥，得到晶体。

进一步的，不良溶剂包括甲醇，乙醇，四氢呋喃，丙酮和氯仿有机溶剂。

进一步的，步骤（3）具体包括：将收集的晶体分散在0.05-1.0 wt%的大豆种皮多糖溶液中，然后滴加极性溶剂，缓慢搅拌，倾析或过滤，洗涤，收集，并在40-65 ℃、6-24 h条件下真空干燥，得到树突状水凝胶。

进一步的，极性溶剂选择甲醇、乙醇。

进一步的，β-环糊精与碱金属溶液的摩尔比为1:（6-10）。

优点及效果：

本发明具有以下优点和有益效果：

现有技术中，CD-MOF的稳定性主要是通过合成后修饰来提高的。本发明通过向预先合成的CD-MOF中添加大豆种皮多糖（SHP），制备了具有柔软和刚性特征的绿色可再生材料。

SHP（含有半乳糖，木糖，半乳糖醛酸，阿拉伯糖，葡萄糖和鼠李糖）可以与金属离子配位形成凝胶（例如K⁺，Na⁺，Ca²⁺和Mg²⁺）且对环境的离子强度和pH值也有响应。通过氮气吸附于解吸曲线可知，制备柔软的CD-MOF树枝状可再生材料具备不同的孔径，这将为其应用提供更多的选择空间。此外，可再生材料显示出完整的CD-MOF晶体和多孔结构，并具有柔软的树枝状形态，利用SHP制备的凝胶薄膜可以在CD-MOF表面形成保护结构，使其在酸性条件下稳定，碱性条件失稳，因此CD-MOFs@SHP运载药物和食品功能因子时，在胃环境中保持稳定，可以实现肠道内释放。

考虑到食品和生物医药领域的安全性，本发明采用钾离子或钠离子作为合成的金属离子，同时由于β-环糊精具有以下特征：（1）与其他环糊精（α和γ形式）相比，β-环糊精具有中等直径的腔体；（2）β-环糊精价格便宜，因为它易于在三种CD中进行纯化，在实际工业应用中，价格仅为γ-CD的十分之一左右。将原料限定为β-环糊精和钾离子。

本发明利用β-环糊精制备MOF不仅可以丰富CD-MOF系列，而且可以扩大潜在的应用范围，例如食品，化妆品，水净化和生物医学行业。

本发明采用甲醇蒸气扩散法，通过β-CD和K离子的配位制备了可食用的基于β-CD的MOF。CD-MOF的合成时间与反溶剂方法相结合可大大减少，同时也提高了其应用的安全性。

附图说明

图1为本发明中由环糊精基金属-有机骨架制备软硬兼备的树突状水凝胶的简便示意。

图2为不同处理时间的软硬兼备的树突状水凝胶CD-MOFs@SHP复合材料，处理时间为0 h，光学显微镜(a)，场发射扫描电镜(b)。

图3为不同处理时间的软硬兼备的树突状水凝胶CD-MOFs@SHP复合材料，处理时间为2 h，光学显微镜(a)，场发射扫描电镜(b)。

图4为不同处理时间的软硬兼备的树突状水凝胶CD-MOFs@SHP复合材料，处理时间为4 h，光学显微镜(a)，场发射扫描电镜(b)。

图5为不同处理时间的软硬兼备的树突状水凝胶CD-MOFs@SHP复合材料，处理时间为6 h，光学显微镜(a)，场发射扫描电镜(b)。

图6为不同处理时间的软硬兼备的树突状水凝胶CD-MOFs@SHP复合材料，处理时间为8 h，光学显微镜(a)，场发射扫描电镜(b)。

图7为不同处理时间的软硬兼备的树突状水凝胶CD-MOFs@SHP复合材料，处理时间为12 h，光学显微镜(a)，场发射扫描电镜(b)。

图8为不同处理时间的软硬兼备的树突状水凝胶CD-MOFs@SHP复合材料，处理时间为24 h，光学显微镜(a)，场发射扫描电镜(b)。

图9为不同处理时间的软硬兼备的树突状水凝胶CD-MOFs@SHP复合材料的傅里叶红外变换光谱。

图10为不同处理时间的软硬兼备的树突状水凝胶CD-MOFs@SHP复合材料的热重变化TG曲线。

图11为不同处理时间的软硬兼备的树突状水凝胶CD-MOFs@SHP复合材料的热重变化DTA曲线。

图12为不同处理时间的软硬兼备的树突状水凝胶CD-MOFs@SHP复合材料的X射线衍射谱。

图13为实施例1、5、7中软硬兼备的树突状水凝胶CD-MOFs@SHP复合材料的氮气吸附与解吸曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

如图1所示，本发明的制备方法是在CD-MOFs的基础上引入植物多糖，通过交联，反溶剂沉淀制备而成。获得的树突状水凝胶既包含MOF的刚性晶体结构，又具备水凝胶的特性。这一可再生的复合材料在食品，环境保护和药品配方等领域显示出潜在的优势。此外，由于原料的安全、无毒、可降解以及易获取，价格低廉，易商业化生产。

环糊精（CDs）是通过淀粉或淀粉衍生物的酶促降解而形成的天然环状寡糖。单质的圆锥形多糖CDs具有结晶性，且不具有吸湿性。天然的CDs（α，β和γ形式）由六至八个通过α-1,4键连接的D-（+）-吡喃葡萄糖基单元组成，并具有带疏水性内腔的截头圆锥形。考虑到食品和生物医药领域的安全性，要求制备的金属-有机框架化合物（MOF）具有低毒性，因此K，Na，Ca，Mg，Zn，Fe等金属离子配体是具有较高安全性的。当前，钾离子已被广泛用于合成基于CD的碳水化合物类MOF（CD-MOFs）。

在天然CD中，β-环糊精（β-CD）作为主体基质已被用于合成β-CD基MOF（CD-MOFs）具有以下特征：（1）与其他CD（α和γ形式）相比，β-CD具有中等直径的腔体；（2）β-CD价格便宜，因为它易于在三种CD中进行纯化，在实际工业应用中，价格仅为γ-CD的十分之一左右。尽管对β-CD的探索仍处于起步阶段（可控制的孔隙率转换），使用β-CD制备MOF不仅可以丰富CD-MOF系列，而且可以扩大潜在的应用范围（例如食品，化妆品，水净化和生物医学行业）。研究报告称，β-CD可以用于合成MOF，这是因为其碳环骨架（主要和次要表面）在与碳原子骨架形成配位时配位时具有-OCCO-结合基序。本申请采用甲醇蒸气扩散法，通过β-CD和K离子的配位制备了可食用的基于β-CD的MOF。考虑到添加十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）可能会增加产品的安全风险， CD-MOFs的尺寸未作调整。结果表明，CD-MOF的合成时间与反溶剂方法相结合可大大减少。此外，由于环糊精基金属-有机框架化合物（CD-MOF）稳定性差，其应用也受到极大的限制。一般而言，CD-MOF的稳定性主要是通过合成后修饰来提高的。我们通过向预先合成的CD-MOF中添加大豆种皮多糖（SHP），制备了具有柔软和刚性特征的绿色可再生材料。SHP（含有半乳糖，木糖，半乳糖醛酸，阿拉伯糖，葡萄糖和鼠李糖）可以与金属离子配位形成凝胶（例如K⁺，Ca²⁺和Mg²⁺）且对环境的离子强度和pH值也有响应。这些可再生材料显示出完整的CD-MOF晶体和多孔结构，并具有柔软的树枝状形态，良好的稳定性。此外，由于原料的安全、无毒、可降解以及易获取，价格低廉，易商业化生产，生产效率提高和环境友好等特点，它们在食品，环境保护和药品配方等领域具有潜在的优势。

综上所述，制备的树突状水凝胶CD-MOFs@SHP可再生材料可通过CD-MOF与大豆多糖处理时间来控制其形貌及其表面凝胶化，实现对其表面功能化和形态的调控。其中，研究发现，在处理时间8-24 h内，制备的树突状水凝胶可再生材料CD-MOFs@SHP表现出良好的凝胶形态。这一结果将为实施例和实际生产应用提供良好的指导效果，并拓展其作为药物和食品功能因子递送载体的应用前景。

实施例1

对照组：软硬兼备的树突状水凝胶复合材料的制备。

（1）反应瓶中加入50 ml的蒸馏水，0.25 mmol的β-CD和2 mmol的氢氧化钾，并将该混合溶液通过0.45 μm的滤膜过滤。随后将溶液放置于50 ℃，充满甲醇蒸汽的密闭环境中，使有机配体β-CD和金属离子K⁺桥接，CD-MOFs晶体开始生长。静置6 h后，向晶体生长的混合溶液中滴加甲醇溶剂，是CD-MOFs晶体析出，倾析，甲醇洗涤3次，去除游离的β-CD配体，50℃真空干燥，备用。

（2）将收集到的CD-MOFs晶体分散在50 mL，水溶液中，然后滴加一定量的无水乙醇，缓慢搅拌，并在50 ℃下维持0 h。倾析，洗涤，收集样品并在50 ℃条件下真空干燥，制备软硬兼备的树突状水凝胶CD-MOFs。

实施例2

软硬兼备的树突状水凝胶复合材料的制备。

（1）反应瓶中加入50 ml的蒸馏水，0.25 mmol的β-CD和2.5 mmol的氢氧化钾，并将该混合溶液通过0.45 μm的滤膜过滤。随后将溶液放置于60 ℃，充满甲醇蒸汽的密闭环境中，使有机配体β-CD和金属离子K⁺桥接，CD-MOFs晶体开始生长。静置6 h后，向晶体生长的混合溶液中滴加甲醇溶剂，是CD-MOFs晶体析出，倾析，甲醇洗涤3次，去除游离的β-CD配体，50 ℃真空干燥，备用。

（2）将收集到的CD-MOFs晶体分散在50 mL，0.1 wt%的大豆种皮多糖溶液中，然后滴加一定量的无水乙醇，缓慢搅拌，并在60 ℃下维持2 h。倾析，洗涤，收集样品并在50 ℃条件下真空干燥，制备软硬兼备的树突状水凝胶CD-MOFs@SHP 复合材料。

实施例3

软硬兼备的树突状水凝胶复合材料的制备。

（1）反应瓶中加入50 ml的蒸馏水，0.25 mmol的β-CD和1.5 mmol的氢氧化钾，并将该混合溶液通过0.45 μm的滤膜过滤。随后将溶液放置于60 ℃，充满甲醇蒸汽的密闭环境中，使有机配体β-CD和金属离子Na⁺桥接，CD-MOFs晶体开始生长。静置6 h后，向晶体生长的混合溶液中滴加甲醇溶剂，是CD-MOFs晶体析出，倾析，甲醇洗涤3次，去除游离的β-CD配体，50 ℃真空干燥，备用。

（2）将收集到的CD-MOFs晶体分散在50 mL，0.1 wt%的大豆种皮多糖溶液中，然后滴加一定量的无水乙醇，缓慢搅拌，并在60 ℃下维持4 h。倾析，洗涤，收集样品并在50 ℃条件下真空干燥，制备软硬兼备的树突状水凝胶CD-MOFs@SHP复合材料。

实施例4

软硬兼备的树突状水凝胶复合材料的制备。

（1）反应瓶中加入50 ml的蒸馏水，0.25 mmol的β-CD和2 mmol的氢氧化钾，并将该混合溶液通过0.45 μm的滤膜过滤。随后将溶液放置于60 ℃，充满甲醇蒸汽的密闭环境中，使有机配体α-CD和金属离子K⁺桥接，CD-MOFs晶体开始生长。静置12 h后，向晶体生长的混合溶液中滴加甲醇溶剂，是CD-MOFs晶体析出，倾析，甲醇洗涤3次，去除游离的α-CD配体，50℃真空干燥，备用。

（2）将收集到的CD-MOFs晶体分散在50 mL，0.2 wt%的大豆种皮多糖溶液中，然后滴加一定量的无水乙醇，缓慢搅拌，并在60 ℃下维持6 h。倾析，洗涤，收集样品并在50 ℃条件下真空干燥，制备软硬兼备的树突状水凝胶CD-MOFs@SHP复合材料。

实施例5

软硬兼备的树突状水凝胶复合材料的制备。

（1）反应瓶中加入50 ml的蒸馏水，0.25 mmol的β-CD和1.5 mmol的氢氧化钾，并将该混合溶液通过0.45 μm的滤膜过滤。随后将溶液放置于60 ℃，充满乙醇蒸汽的密闭环境中，使有机配体γ-CD和金属离子K⁺桥接，CD-MOFs晶体开始生长。静置6 h后，向晶体生长的混合溶液中滴加乙醇溶剂，是CD-MOFs晶体析出，倾析，乙醇洗涤3次，去除游离的γ-CD配体，50 ℃真空干燥，备用。

（2）将收集到的CD-MOFs晶体分散在50 mL，0.5 wt%的大豆种皮多糖溶液中，然后滴加一定量的乙醇，缓慢搅拌，并在60 ℃下维持8 h。倾析，洗涤，收集样品并在50 ℃条件下真空干燥，制备软硬兼备的树突状水凝胶CD-MOFs@SHP复合材料。

实施例6

软硬兼备的树突状水凝胶复合材料的制备。

（1）反应瓶中加入50 ml的蒸馏水，0.25 mmol的β-CD和3 mmol的氢氧化钾，并将该混合溶液通过0.45 μm的滤膜过滤。随后将溶液放置于60 ℃，充满乙醇蒸汽的密闭环境中，使有机配体β-CD和金属离子K⁺桥接，CD-MOFs晶体开始生长。静置24 h后，向晶体生长的混合溶液中滴加乙醇溶剂，是CD-MOFs晶体析出，倾析，乙醇洗涤3次，去除游离的β-CD配体，50℃真空干燥，备用。

（2）将收集到的CD-MOFs晶体分散在50 mL，1.0 wt%的大豆种皮多糖溶液中，然后滴加一定量的乙醇，缓慢搅拌，并在60 ℃下维持12 h。倾析，洗涤，收集样品并在50 ℃条件下真空干燥，制备软硬兼备的树突状水凝胶CD-MOFs@SHP复合材料。

实施例7

软硬兼备的树突状水凝胶复合材料的制备。

（1）反应瓶中加入50 ml的蒸馏水，0.25 mmol的β-CD和2 mmol的氢氧化钾，并将该混合溶液通过0.45 μm的滤膜过滤。随后将溶液放置于50 ℃，充满甲醇蒸汽的密闭环境中，使有机配体β-CD和金属离子K⁺桥接，CD-MOFs晶体开始生长。静置24 h后，向晶体生长的混合溶液中滴加甲醇溶剂，是CD-MOFs晶体析出，倾析，甲醇洗涤3次，去除游离的β-CD配体，50℃真空干燥，备用。

（2）将收集到的CD-MOFs晶体分散在50 mL，0.5 wt%的大豆种皮多糖溶液中，然后滴加一定量的乙醇，缓慢搅拌，并在50 ℃下维持24 h。倾析，洗涤，收集样品并在50 ℃条件下真空干燥，制备软硬兼备的树突状水凝胶CD-MOFs@SHP复合材料。

现有技术的γ环糊精的吸附量只能达到120 m²/g左右，负载量为158.2 mg/g，比表面积为119 m²/g，与现有技术的γ环糊精相比，本发明的吸附量能达到250.8 m²/g，负载量为224.6 mg/g，比表面积为285.3 m²/g，远远高于现有的γ环糊精。

根据最优组实施例7将分散在大豆种皮多糖中的处理时间分别限定在2h、4h、6h、8h、12h、24h，同时与实施例1中没有分散到多糖中进行对照。在相同条件下，处理时间超过24h，之后由于处理时间过长，树突状水凝胶的比表面积和负载量下降。

如图2~图8所示，将CD-MOF加入到水溶液和多糖中制备的CD-MOFs@SHP可再生材料，由于体系中存在大豆种皮多糖，均匀分散的CD-MOF晶体，逐渐呈现出树突状水凝胶的形貌。此外，随着处理时间的增加，在8-24 h内，多糖逐渐在CD-MOF表面凝胶化，形成的膜状凝胶覆盖在CD-MOF表面，同时也具备良好的树突状形态。

由图9可知，CD-MOF具有一个细微的宽吸收峰，该峰来自C-O-C拉伸振动（1020-1150 cm-1）。这是因为CD-MOFs中来自CD的1,4-连接的α-D-D-吡喃葡萄糖基残基之间的交联，而游离的β-CD则很尖锐。然而，在不同时间添加了SHP的CD-MOF并没有引起C-O-C带吸收峰的变化，这主要是由于多糖分子具有相似的基团。但是，FT-IR光谱显示了样品中包含多糖中的C = O拉伸带（1740-1630 cm^-1），表明CD-MOFs晶体随着处理时间的增加而捕获了SHP分子。 CD-MOFs @ SHP复合物在不同处理时间下的OH谱带从更长的波长从3392 cm^-1（CD-MOFs）转移到3386 cm^-1（2 h），3382 cm^-1（4 h），3378 cm^-1（6 h），3374 cm^-1（8 h），3365 cm^-1（12 h）和3359 cm^-1（24 h）。这些数据表明分子链之间的氢键增强，多糖和CD-MOF之间以氢键结合。

图10所示，通过热重数据可知，实施例中的热重曲线彼此接近，显示出多糖的凝胶化处理CD-MOF并未引起CD-MOF热稳定性的丧失，保证了多糖处理后的稳定性。

如图11所示，从热重变化DTA曲线分析可知，树突状水凝胶CD-MOFs@SHP复合材料在300 ℃附近出现了一个吸热峰，主要是由于材料发生了相的转变引起的。并且添加的SHP热解发生在430 ℃附近。

如图12所示，通过粉末XRD可知，不同处理时间制备的树突状水凝胶CD-MOFs @SHP可再生材料保留了CD-MOF晶体结构，同时也未引入物相的转变。

如图13所示，通过对实施例1、5、7中制备的树突状水凝胶CD-MOFs @SHP可再生材料进行氮气吸附与解吸测试，发现随着多糖添加量的提升，处理时间的增加，CD-MOF表面凝胶膜厚度的增大，CD-MOFs@SHP复合材料的孔径逐渐变大，同时证明，制备的树突状水凝胶CD-MOFs@SHP可再生材料具有可调的多孔结构。

Claims

1.基于环糊精基金属-有机骨架制备树突状水凝胶的方法，其特征在于：该方法采用以下步骤：

（1）通过蒸汽扩散法，将β-环糊精溶于碱金属离子溶液中，并通过滤膜，置于晶体生长所需的甲醛蒸汽环境中；

（3）将收集的晶体分散在0.05-1.0 wt%的大豆种皮多糖溶液中，然后滴加极性溶剂，缓慢搅拌，处理时间8~24小时，倾析或过滤，洗涤，收集，并在40-65 ℃、6-24 h条件下真空干燥，得到树突状水凝胶；

碱金属离子溶液选择1.5~3mmol的氢氧化钾或氢氧化钠溶液；极性溶剂选择甲醇或乙醇。

2.根据权利要求1所述的基于环糊精基金属-有机骨架制备树突状水凝胶的方法，其特征在于：蒸汽扩散法的具体步骤包括：

将β-环糊精溶于碱金属离子溶液中，将混合溶液通过滤膜过滤，再置于40-65℃，充满甲醛蒸汽的密闭环境中。

3.根据权利要求2所述的基于环糊精基金属-有机骨架制备树突状水凝胶的方法，其特征在于：滤膜选择0.2-0.8μm。

4. 根据权利要求1所述的基于环糊精基金属-有机骨架制备树突状水凝胶的方法，其特征在于：步骤（2）具体包括：在50-60℃，静置6-12h后，向晶体生长的混合溶液中滴加甲醇溶剂，晶体析出，倾析，甲醇洗涤多次，去除游离的β-环糊精配体，50 ℃真空干燥，得到晶体。

5.根据权利要求1所述的基于环糊精基金属-有机骨架制备树突状水凝胶的方法，其特征在于：不良溶剂包括甲醇，乙醇，四氢呋喃，丙酮或氯仿有机溶剂。

6.根据权利要求1所述的基于环糊精基金属-有机骨架制备树突状水凝胶的方法，其特征在于：β-环糊精与碱金属溶液的摩尔比为1:（6-10）。