CN112430334B - 一种高强形状记忆壳聚糖基水凝胶及其制备方法与应用 - Google Patents

一种高强形状记忆壳聚糖基水凝胶及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于生物医学工程材料领域,公开了一种高强形状记忆壳聚糖基水凝胶及其制备方法与应用。将壳聚糖溶于乙酸/柠檬酸溶液,然后加入盐酸多巴胺、氧化石墨烯和盐酸多巴胺/氧化石墨烯中的一种,然后搅拌均匀,冷冻后再用碱液解冻,使用去离子水去洗至中性后冷冻干燥得到高强形状记忆壳聚糖基水凝胶,简单有效,操作简便,且所需时间较短。该高强形状记忆壳聚糖基水凝胶力学性能好,不含化学成分,具有形状记忆功能,将该高强形状记忆壳聚糖基水凝胶使用乙醇处理固定成临时形状,然后将临时形状的水凝胶,放入水,PBS溶液或血液中可重新恢复原来的形状,具有广泛的应用前景。

Description

一种高强形状记忆壳聚糖基水凝胶及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于生物医学工程材料领域,涉及一种高强形状记忆壳聚糖基水凝胶及其制备方法与应用。
背景技术
生物可降解型水凝胶具有类似天然组织的三维网络结构,可快速吸水,含水量高且不溶解,生物相容性良好,已被广泛应用于多种组织和器官(如骨、软骨、皮肤等)的修复和再生。壳聚糖是由甲壳素经脱乙酰处理后形成的生物大分子,主要由葡萄糖胺和N-乙酰葡糖胺通过1,4-β-糖苷键连接组成,具有来源丰富、价格低廉、生物相容性优良、生物可降解性和抗菌性等优势,是制备组织工程支架的一种常用的生物基功能材料。目前,壳聚糖及其衍生物已被广泛应用于伤口敷料、药物递送系统和组织填充物等生物医学领域,且在组织再生领域发挥着重要作用壳聚糖。但是目前壳聚糖基水凝胶缺乏力学性能和形状记忆性能。形状记忆材料在微创医疗领域受到越来越受到人们的关注。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的是提供一种高强形状记忆壳聚糖基水凝胶及其制备方法与应用,该壳聚糖基水凝胶具有较好的力学性能,且具有形状记忆功能,且制备方法简单有效,操作简便,所需制备时间较短。
本发明提供了一种高强形状记忆壳聚糖基水凝胶的制备方法,包括如下步骤:
(1)将壳聚糖溶于乙酸溶液后,搅拌4~6h后,加入柠檬酸,继续搅拌4~6h,得到壳聚糖溶液;
(2)向所述壳聚糖溶液中加入盐酸多巴胺或氧化石墨烯或两者混合物,超声反应时间为4~6h,得到壳聚糖基溶液,所述壳聚糖基溶液中壳聚糖的浓度为1~4wt%;
(3)将所述壳聚糖基溶液注入模具,冷冻8~24h后,用碱液进行解冻处理,脱模后用去离子水洗涤至中性,冷冻干燥后得到高强形状记忆壳聚糖基水凝胶。
进一步的,步骤(1)中,所述乙酸溶液的浓度为2~5wt%;所述壳聚糖溶液中,乙酸与柠檬酸的质量比(4~2):1。
进一步的,步骤(1)中,所述壳聚糖的脱乙酰度为80~100%。
进一步的,步骤(2)中,所述超声反应的温度为20~50℃。
进一步的,所述步骤(3)中,冷冻温度为-80~-20℃。
进一步的,所述步骤(3)中,解冻温度为室温,解冻时间为4~6h。
进一步的,所述步骤(3)中,碱液为0.5~1M的氢氧化钠溶液。
本发明还提供了一种权利要求上述制备方法制备得到的高强形状记忆壳聚糖基水凝胶。
本发明还提供了一种上述高强形状记忆壳聚糖基水凝胶在微创植入医用材料中的应用。
进一步的,所述应用过程包括以下步骤:
S1.用乙醇将所述高强形状记忆壳聚糖基水凝胶固定处理成固定临时形状的水凝胶,处理时间为0.5~4h,处理温度为20~50℃;
S2.利用水、PBS或血液将步骤S1得到的高强形状记忆壳聚糖基水凝胶恢复成所述高强形状记忆壳聚糖基水凝胶的初始形状,处理时间20~300S,处理温度为常温。
现有技术相比,本发明利用盐酸多巴胺、氧化石墨烯或两种混合的壳聚糖溶液反应制备水凝胶得到的高强形状记忆壳聚糖基水凝胶力学性能大大提高,不含化学成分,具有形状记忆功能,水、PBS或血液等流体均可实现变形后水凝胶的形状回复,回复程度达90%以上,制备与应用过程简单,且可实现多次循环回复,具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为对比例得到的纯壳聚糖水凝胶与实施例1-3得到的高强形状记忆壳聚糖基水凝胶的形貌图,其中A为对比例纯壳聚糖水凝胶形貌图;B为实施例1的盐酸多巴胺壳聚糖水凝胶形貌图;C为实施例2的氧化石墨烯壳聚糖水凝胶形貌图;D为实施例3的盐酸多巴胺还原的氧化石墨烯壳聚糖水凝胶形貌图;
图2为实施例3得到的壳聚糖基水凝胶压缩固定后回复过程图;
图3为对比例得到的纯壳聚糖水凝胶与实施例1-3得到的壳聚糖基水凝胶的压缩性能图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做更进一步地解释,下列实施例仅用于说明本发明,但并不用来限定本发明的实施范围。
实施例1
在室温下,称取0.21g脱乙酰度为90%的壳聚糖溶于10g浓度为3wt%乙酸溶液中,25℃条件下在磁力搅拌器上搅拌6h后加入0.09g柠檬酸,继续搅拌4小时,得到壳聚糖溶液,然后向壳聚糖溶液中加入0.05g盐酸多巴胺继续在磁力搅拌器上搅拌6h,形成的壳聚糖基溶液倒入模具中(排除气泡)放入-20℃冰柜中冷冻12h。冷冻取出后用0.5M氢氧化钠溶液解冻6h,完全解冻后用蒸馏水洗涤至pH为中性,冷冻干燥后,得到高强形状记忆壳聚糖基水凝胶。该高强形状记忆壳聚糖基水凝胶形貌图如图1B所示,根据图1B可见,该高强形状记忆壳聚糖基水凝胶具有较致密的多孔结构,这主要源自于盐酸多巴胺聚合交联作用。
形状记忆检测:将该实施例1得到的圆柱形状的高强形状记忆壳聚糖基水凝胶在乙醇溶液中压缩固定0.5h,加入PBS溶液,常温恢复25S,水凝胶回到原始状态。
实施例2
在室温下,称取0.21g脱乙酰度为90%的壳聚糖溶于10g浓度为3wt%乙酸溶液中,25℃条件下在磁力搅拌器上搅拌6h后加入0.09g柠檬酸,继续搅拌4小时,得到壳聚糖溶液,然后向壳聚糖溶液中加入0.007g氧化石墨烯,用超声清洗器超声15min继续在磁力搅拌器上搅拌6h。形成的壳聚糖基溶液倒入模具中(排除气泡)放入-20℃冰柜中冷冻12h。冷冻取出后用0.5M氢氧化钠溶液解冻6h,完全解冻后用蒸馏水洗涤至pH为中性,冷冻干燥后,得到高强形状记忆壳聚糖基水凝胶。该高强形状记忆壳聚糖基水凝胶形貌图如图1C所示,根据图1C可见,该高强形状记忆壳聚糖基水凝胶呈片层的多孔结构。
形状记忆检测:将该实施例2得到的圆柱形高强形状记忆水凝胶在乙醇溶液中压缩固定1h,加入兔的血液,常温恢复1min,水凝胶回到原始状态。
实施例3
在室温下,称取0.21g脱乙酰度为90%的壳聚糖溶于10g浓度为3wt%乙酸溶液中,25℃条件下在磁力搅拌器上搅拌6h后加入0.09g柠檬酸,继续搅拌4小时,得到壳聚糖溶液,然后向壳聚糖溶液中加入0.05g盐酸多巴胺和0.007g氧化石墨烯,用超声清洗器超声15min继续在磁力搅拌器上搅拌6h。形成的壳聚糖基溶液倒入模具中(排除气泡)放入-20℃冰柜中冷冻12h。冷冻取出后用0.5M氢氧化钠溶液解冻6h,完全解冻后用蒸馏水洗涤至pH为中性,冷冻干燥后,得到高强形状记忆壳聚糖基水凝胶。该高强形状记忆壳聚糖基水凝胶形貌图如图1C所示,根据图1C可见,该高强形状记忆壳聚糖基水凝胶具有致密的多孔结构(图1C)。
形状记忆检测:将该实施例3得到的圆柱形高强形状记忆水凝胶在乙醇溶液中压缩固定1h,加入水溶液,常温恢复30S,水凝胶回到原始状态,压缩固定后回复过程及各阶段水凝胶状态如图2所示。
对比例
在室温下,称取0.21g脱乙酰度为90%的壳聚糖溶于10g浓度为3wt%乙酸溶液中,25℃条件下在磁力搅拌器上搅拌6h后加入0.09g柠檬酸,形成的壳聚糖基溶液倒入模具中(排除气泡)放入-20℃冰柜中冷冻12h。冷冻取出后用0.5M氢氧化钠溶液解冻6h,完全解冻后用蒸馏水洗涤至pH为中性,即制备出壳聚糖基水凝胶,冷冻干燥后,得纯壳聚糖基水凝胶,形貌图如图1A所示,根据图1A可见,该纯壳聚糖基水凝胶具有多孔结构(图1A)。
对对比例得到的纯壳聚糖基水凝胶和实施例1-3得到的壳聚糖基水凝胶进行压缩性能测试,测试结果如图3所示,根据图3可知,纯壳聚糖水凝胶样品40%应变下的压缩性能最低,压缩强度约为0.012MPa,实施例1得到的高强形状记忆壳聚糖基水凝胶(聚多巴胺壳聚糖水凝胶)的压缩性能得到显著改善,压缩强度提高到约为0.020MPa,实施例2得到的高强形状记忆壳聚糖基水凝胶(氧化石墨烯壳聚糖水凝胶)的压缩强度提高到约为0.016MPa,实施例3得到的高强形状记忆壳聚糖基水凝胶(多巴胺还原石墨烯壳聚糖水凝胶)压缩强度提高到约为0.019Mpa。
本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种高强形状记忆壳聚糖基水凝胶的制备方法,其特征在于:包括如下步骤:
(1)将壳聚糖溶于乙酸溶液后,搅拌4~6h后,加入柠檬酸,继续搅拌4~6h,得到壳聚糖溶液;
(2)向所述壳聚糖溶液中加入盐酸多巴胺或氧化石墨烯与盐酸多巴胺的混合物,超声反应时间为4~6 h,得到壳聚糖基溶液,所述壳聚糖基溶液中壳聚糖的浓度为1~4 wt%;
(3)将所述壳聚糖基溶液注入模具,-20℃冷冻8~24h后,用碱液进行解冻处理,脱模后用去离子水洗涤至中性,冷冻干燥后得到高强形状记忆壳聚糖基水凝胶;所述碱液为0.5~1M的氢氧化钠溶液。
2.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,所述乙酸溶液的浓度为2~5wt%;所述壳聚糖溶液中,乙酸与柠檬酸的质量比(4~2):1。
3.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,所述壳聚糖的脱乙酰度为80~100%。
4.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,所述超声反应的温度为20~50℃。
5.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述步骤(3)中,解冻温度为室温,解冻时间为4~6 h。
6.一种权利要求1~5任一项所述制备方法制备得到的高强形状记忆壳聚糖基水凝胶。
7.权利要求6所述的高强形状记忆壳聚糖基水凝胶在微创植入医用材料中的应用。
8.根据权利要求7所述的应用,其特征在于,包括以下步骤:
S1. 用乙醇将所述高强形状记忆壳聚糖基水凝胶固定处理成固定临时形状的水凝胶,处理时间为0.5~4 h,处理温度为20~50 ℃;
S2. 利用水、PBS或血液将步骤S1处理得到的高强形状记忆壳聚糖基水凝胶恢复成所述高强形状记忆壳聚糖基水凝胶的初始形状,处理时间20~300 S,处理温度为常温。
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