CN112552534B - 可拉伸、自愈合、刺激响应的生物高分子水凝胶 - Google Patents

Abstract

可拉伸、自愈合、刺激响应生物高分子水凝胶，所述的水凝胶采用透明质酸水溶液在pH值调节至2‑5.5的条件下与金属离子混合得到，金属离子为Fe³⁺或Cu²⁺或Co²⁺或Ni²⁺或Zn²⁺或Cd²⁺或Ag⁺，金属离子以离子盐的形式加入，所述的透明质酸水溶液的浓度为1wt%‑4wt%，透明质酸钠的分子量为100‑200万，所述的水凝胶同时具有可拉伸、自愈合、刺激响应特性。本水凝胶基于天然的生物高分子，水凝胶的合成过程非常快速和简单，具有拉伸、自愈合、刺激响应系列本征功能。

Description

可拉伸、自愈合、刺激响应的生物高分子水凝胶

技术领域

本发明涉及水凝胶，特别涉及生物高分子水凝胶，属于化学技术领域。

背景技术

水凝胶是一种含水的三维网络结构的化学物质，可以由低分子量凝胶剂、生物高分子或者合成聚合物制备得到。截至目前，科学家已经设计合成了多种功能的水凝胶，例如可拉伸水凝胶、自愈合水凝胶、刺激响应水凝胶、光图案化水凝胶等等。然而，很少有水凝胶同时具备可拉伸、自愈合、刺激响应、光图案化的功能。一些生物组织（如皮肤）就是基于生物高分子的水凝胶，它表现出良好的延展性、快速的自愈能力以及对pH、温度、离子甚至光具有多重刺激响应。低分子量凝胶剂具有良好的刺激响应和触变性能，然而，这种自组装水凝胶通常具有很弱的力学性能，不能像生物组织那样被拉伸。由合成聚合物制成的水凝胶可以设计成高度可拉伸的材料，但共价交联会损害其自愈性和刺激响应性。动态化学键交联的聚合物是一种新型的合成聚合物，可以构建成具有生物组织性能的智能水凝胶，但复杂的合成过程和有毒的有机成分严重制约了其应用。

生物高分子是自然界中一类丰富的可再生的天然生物资源，是石油合成聚合物的理想替代品。中国专利申请号2015101889188证明天然的生物高分子壳聚糖可以通过金属离子交联形成多重刺激响应的可模塑水凝胶。然而，由于壳聚糖聚合物链中的胺基与金属离子之间的结合强度高，因此制备得到的水凝胶非常易碎。因此，这种水凝胶既不可拉伸也不可自愈合。因此，开发一种多功能的生物高分子水凝胶，将生物组织的这些特性结合起来具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可拉伸、自愈合、刺激响应的生物高分子水凝胶。

为实现本发明的目的，采用了下述的技术方案：可拉伸、自愈合、刺激响应生物高分子水凝胶，所述的水凝胶采用透明质酸水溶液在pH值调节至2-5.5的条件下与金属离子混合得到，金属离子为Fe³⁺或Cu²⁺或Co²⁺或Ni²⁺或Zn²⁺或Cd²⁺或Ag⁺，金属离子以离子盐的形式加入，所述的透明质酸水溶液的浓度为1wt%-4wt%，透明质酸钠的分子量为100-200万，所述的水凝胶同时具有可拉伸、自愈合、刺激响应特性。

进一步的；所述的金属离子为Fe³⁺，所述的水凝胶同时具有可拉伸、自愈合、刺激响应、光图案化特性。

进一步的；所述的透明质酸水溶液采用透明质酸钠粉末与水混合制成，水凝胶中透明质酸钠粉末与金属离子的比例为1g：2-4mmol。

进一步的；所述的水凝胶采用透明质酸水溶液在pH值调节至3.5-4.5的条件下与金属离子混合得到。

进一步的；所述的水凝胶拉伸长度为原长度的50倍以上，自愈合时间小于等于10秒。

本发明的积极有益效果在于：本水凝胶基于天然的生物高分子，水凝胶的合成过程非常快速和简单，只需将透明质酸与含适当pH的金属离子混合即可轻松得到，凝胶化在2秒内就可完成。所得的水凝胶以水为主，含水量大于97%。即便如此，该类水凝胶仍然可以拉伸到原来长度的50倍。当水凝胶被切成两片时，在没有任何愈合剂或加热的情况下，它可以在10秒内迅速自愈合。此外，该类水凝胶可以经历一个可逆的溶胶-凝胶转变，对多种外界刺激（包括pH、温度、化学物质和光）具有较好的响应。由于透明质酸的光降解特性，采用Fe³⁺制成的透明质酸-Fe水凝胶还具有光图案化能力。在本征性能上，首次发现这么简单的体系，得到的水凝胶比绝大多数的高分子及小分子水凝胶要好，具有拉伸、自愈合、刺激响应、光图案化系列本征功能，这些功能集合于这么一个简单无毒无害的生物高分子水凝胶，目前还没有看到同类的相关报道。

附图说明

图1是透明质酸和金属离子在水中的配位交联形成透明质酸-金属离子网络水凝胶的原理示意图。

图2是过渡金属离子和透明质酸中的羟基、羧酸根和酰胺键基团之间配位形成交织网络结构的原理示意图。

图3是透明质酸-与不同的金属离子形成的水凝胶。

图4是透明质酸-Fe水凝胶拉伸前后的照片，λ为拉伸倍数，其中图的上半部分为实物拉伸前后对应的图片，下半部分是网络结构拉伸前后的原理示意图。

图5是透明质酸-Fe干凝胶的SEM图像。

图6是透明质酸和透明质酸-Fe水凝胶的流变图。

图7是透明质酸粉末和透明质酸-Fe干凝胶的XRD图谱。

图8是透明质酸粉末和透明质酸-Fe干凝胶的FT-IR光谱。

图9是透明质酸-Fe水凝胶的流变图。

图10是透明质酸-Fe凝胶的阶跃性流变图。

图11是透明质酸-Fe凝胶的自愈合示意图，其中i）切片后；ii）愈合10秒；iii）拉伸愈合的凝胶（cut箭头表示初始的切口处）。

图12是光照前后透明质酸-Fe水凝胶的流变图。

图13是光照前后透明质酸-Fe水凝胶粘度的变化。

图14是将覆盖有五角星形铝箔膜的透明质酸-Fe水凝胶用光照射1分钟时的图片。

图15是图14用光照射后凝胶用水冲洗去除溶胶并揭除铝膜后的形貌。

附图中，HA表示透明质酸，HA-Fe表示透明质酸-Fe水凝胶。

具体实施方式

为了更充分的解释本发明的实施，提供本发明的实施实例，这些实施实例仅仅是对本发明的阐述，不限制本发明的范围。

本申请中的水凝胶制备方法很简单，可通过以下步骤：

A：透明质酸钠水溶液的配制：以配制透明质酸水溶液的浓度为3wt%为例：透明质酸钠粉末3.00克逐渐加入97毫升去离子水中的，继续搅拌8小时直至澄清透明呈粘稠状，得到透明质酸钠水溶液，置于4℃冰箱备用，选用的透明质酸钠分子量在100万到200万；

B:金属离子溶液配置：将一定质量的金属氯化盐或金属硝酸盐溶于100毫升水中，搅拌溶解，本实施例中，配置成0.5M的金属盐溶液备用；金属盐溶液也可以配制成其它浓度，在加入时只要满足水凝胶中透明质酸粉末与金属离子的比例为1g：2-10mmol即可，Fe³⁺或Cu²⁺或Co²⁺或Ni²⁺或Zn²⁺或Cd²⁺或Ag⁺；

C在玻璃瓶内置入1-4wt%上述配置备用的透明质酸溶液，加入0.1M的盐酸调节pH至2~5.5之间，优选调节pH至3.5~4.5之间，剧烈摇动使之混合均匀，然后加入现配置的金属离子溶液，加入的离子溶液量要满足水凝胶中透明质酸粉末与金属离子的比例为1g：2-4mmol，剧烈摇动使之混合均匀，便得到本申请可拉伸、自愈合、刺激响应、光图案化的生物高分子水凝胶。

以下以透明质酸-Fe水凝胶为例进行说明和测试实验。

透明质酸-Fe水凝胶的制备：透明质酸钠粉末3.00克搅拌下逐渐加入97毫升的去离子水中，继续搅拌8小时直至澄清透明呈粘稠状，置于4℃冰箱备用；配置0.5M的氯化铁溶液备用，在玻璃瓶内置入8毫升3.0wt%上述配置备用的透明质酸钠溶液，加入0.1M盐酸调节pH为3.5，剧烈摇动使之混合均匀，然后加入0.5M现配置的氯化铁溶液1.6毫升，剧烈摇动使之混合均匀，便得到澄清透明，呈黄色的弹性凝胶，即透明质酸-Fe水凝胶。

本申请的关键是调控pH。在适当的pH值下，具有适当羧酸/羧酸根比例的透明质酸通过弱氢键和强金属-羧酸盐基团配位键均匀交联形成动态网络结构（见图2）。在低pH下，完全质子化的透明质酸由于羧酸基团之间的氢键作用形成了螺旋结构，导致水凝胶非常脆弱。添加金属离子不能将聚合物交联（因为在这种条件和几何形状下，金属离子与透明质酸之间的相互作用相当弱）。在高pH下，完全去质子化的透明质酸可以与金属离子作用交联，但透明质酸中的羧酸根基团与金属离子之间的作用力太强，最终得到的是类似沉淀的金属透明质酸络合物或不均匀的凝胶。

通过仔细调整pH，发现在pH 2-5.5、优化的在pH 3.5 ~ 4.5范围内，透明质酸聚合物部分质子化，形成部分分子间氢键网络，但同时保留了一部分游离的羧酸根基团。当加入金属离子并剧烈振荡时，羧酸根与金属离子相互作用，在2秒内即可交联得到高弹性、高透明的水凝胶。该方法适用于Fe³⁺、Cu²⁺，Co²⁺、Ni²⁺、Zn²⁺、Cd²⁺和Ag⁺（见图3）。此外，每种水凝胶中水的含量高达97%，临界凝胶浓度小于1 wt%，这个值低于大多数报道的基于合成聚合物或生物高分子的水凝胶体系。

当使用钢镊子取出透明质酸-Fe水凝胶时，发现它可以拉伸超过其原始长度的50倍（图4），尽管水含量高达97%。这种高拉伸性可以用双重动态相互作用的性质解释，当水凝胶被拉伸时，金属-透明质酸高分子网络以及氢键网络发生脱离和再生。此外，透明质酸-Fe水凝胶强烈粘附在钢镊子上，表现出优异的粘附性能，说明钢表面和透明质酸-Fe动态网络之间具有较强的作用。我们还检测了透明质酸-Fe水凝胶的生物粘附性，发现它对生物组织有很强的粘附性，如肝脏、猪肉、肺等。因此，透明质酸-Fe水凝胶可以作为一种新型的生物粘附剂基质。

以下选择透明质酸-Fe水凝胶作为模型体系，阐明了其内部结构和交联机理，研究了Fe³⁺与羧酸/羧酸根基团间的结合常数。首先采用扫描电子显微镜观察了透明质酸与Fe³⁺离子交联前后的形貌。如图5所示，透明质酸-Fe水凝胶干凝胶由相互连接的片状结构组成，而单独的透明质酸由大的光滑束组成，这表明交织网络由Fe³⁺离子交联。结果与图7的XRD图谱一致，当与Fe³⁺离子交联时，透明质酸-Fe水凝胶干凝胶粉末在2θ=16°处的结晶峰强度显著降低，这是由于Fe³⁺离子与透明质酸中的羧基之间的强络合作用，从而破坏了透明质酸之间的氢键网络。

流变性能测试表明，天然透明质酸水凝胶在低频段表现为粘弹性溶液，在高频段表现为弹性。相比之下，透明质酸-Fe水凝胶在整个频率范围内表现出更强的力学性能，G’>G”（G’和G”分别表示储能模量和损耗模量），表明凝胶网络更密集（见图6）。还比较了天然透明质酸凝胶和透明质酸-Fe水凝胶的FT-IR光谱，以检测Fe³⁺离子与透明质酸之间的络合位置。如图8所示，在与Fe³⁺交联后，1633 cm^-1处的酰胺I的特征带移到1620 cm^-1，1412 cm^-1处的ν_sym（OCO）带移到1443 cm^-1，红外结果证明了Fe³⁺离子与酰胺以及羧酸根基团之间的络合作用。此外，由于1042 cm^-1和1150 cm^-1处的一级和三级羟基的强度分别显著降低，说明Fe³⁺离子也可以结合到透明质酸双糖单元的羟基上。因此，我们认为透明质酸-Fe水凝胶的形成机制是：透明质酸通过部分氢键作用首先形成弱粘弹性缠结，被Fe³⁺离子进一步交联后形成第二弹性和动态网络（见图2）。当γ<600%时，γ即strain（应变），HA-Fe水凝胶表现出弹性响应。当γ达到600%时，G”开始超过G'，表明凝胶的完整性被破坏，显示了透明质酸-Fe水凝胶的触变响应。当进行连续分步应变测量时，我们发现这种凝胶到溶胶的转变是瞬时可逆的（图10）。在20℃下对透明质酸-Fe水凝胶施加一个小的振荡剪切应变（γ = 1%，频率 = 6rad/s），样品表现出典型的凝胶特征，其模量均随时间保持不变。随后，施加一个大的时长300秒的振荡剪切应变（γ = 600%，频率 = 6 rad/s），G'值急剧下降并接近G''值，意味着凝胶状态的破裂。然而，当振荡应变再次改变为1%时，凝胶状态瞬间恢复，G'恢复到原始值，表明透明质酸-Fe水凝胶具有典型的自愈能力。这种在各种剪切应变下凝胶状态的破坏和恢复可以重复多次。

基于透明质酸-Fe水凝胶的瞬时自愈性能，进一步测定了是否具有类似于生物组织的伤口愈合能力。如图11所示，将一块透明质酸-Fe水凝胶切成2块（图11 i），然后在轻轻压缩下将2个切割面连接，10 s后水凝胶实现了自愈合（图11 ii），修复后的水凝胶可以像原始样品一样拉伸，并在切割点周围没有观察到任何裂痕（图11 iii）。这表明透明质酸-Fe水凝胶具有较强的自修复能力，这是迄今为止报道的最快速的自愈合水凝胶。透明质酸-Fe水凝胶的这种快速自愈能力可以用高度动态的网络来解释：透明质酸中的部分氢键网络以及Fe³⁺离子和透明质酸之间的离子键合，使得Fe³⁺离子在切割和愈合过程中能够快速扩散和迁移。

刺激响应性水凝胶具有与生物组织相似的对环境产生响应的能力，在许多领域具有巨大的应用潜力。由于双重氢键网络和离子键网络交联的透明质酸-Fe水凝胶是高度动态的，我们研究了多种外部环境（包括pH、温度、化学物质和光照）诱导的可逆溶胶-凝胶转变。当向透明质酸-Fe水凝胶（1 mL）中添加酸（100μL 0.5 M HCl）时，透明质酸-Fe水凝胶经历凝胶-溶胶转变，原因是降低pH值会使羧酸基团质子化，从而破坏离子键。进一步加入等量的NaOH溶液，可以恢复凝胶状态。加热透明质酸-Fe水凝胶到90℃也会导致凝胶-溶胶转变，因为随着温度的升高，氢键网络会被破坏。冷却后，氢键网络再次恢复，促进凝胶的重新形成。将金属螯合剂草酸（0.5m，100μL）加入到1mL 透明质酸-Fe水凝胶中，草酸与水凝胶中的Fe³⁺离子结合，破坏了凝胶状态。当添加Fe³⁺时，离子键重新形成，凝胶网络恢复。还采用其它条件来实现了透明质酸-Fe不可逆的凝胶-溶胶转变。例如，透明质酸聚合物在金属离子存在下可被过氧化氢分解。因此，在1 mL 透明质酸-Fe水凝胶中加入少量过氧化氢溶液（30%，30μL），发现凝胶在2小时内转变为溶液状态。此外，在透明质酸-Fe水凝胶中加入化学计量比的带正电荷的壳聚糖溶液，由于壳聚糖与透明质酸之间的强离子络合作用，可以观察到快速的凝胶-溶胶转变。根据报道，在紫外光（365nm）照射下，生物聚合物中羧酸铁的相互作用可以加速聚合物链的分解。因此，用汞灯（500 W）照射我们的透明质酸-Fe水凝胶，发现凝胶在1分钟内分解，表明良好的光响应性。

透明质酸-Fe水凝胶的光响应机制是通过在UV照射下由Fe³⁺-羧酸盐络合物介导的光电子fenton反应产生自由基，从而分解透明质酸高分子链。光照后，透明质酸-Fe水凝胶的凝胶状态转变为典型的溶液状态（图12），粘度显著降低（图13），表明透明质酸聚合物分解为低分子量的物质。光响应生物高分子水凝胶是生物相关应用中光图案化器件和药物释放载体的理想基质。借此，研究了透明质酸-Fe水凝胶的光图案化能力，在透明质酸-Fe水凝胶的上面覆盖一层具有特定形状或图案的铝箔膜，并用汞灯照射，1分钟后，暴露于光照下未覆盖区域的水凝胶被分解成可流动的溶液（图14）。然而，覆盖有铝膜的凝胶区域仍然完好无损。将分解的溶液小心冲洗掉，即得到特定形状或图案的水凝胶（图15）。这种简便快速的光图案化能力有望用于生物组织相关领域。

本申请中，采用Cu²⁺，Co²⁺、Ni²⁺、Zn²⁺、Cd²⁺和Ag⁺制成的水凝胶同时具有可拉伸、自愈合、刺激响应性能，采用Fe³⁺制成的透明质酸-Fe水凝胶在具有上述功能的同时，还具有光图案化功能，在水凝胶制备领域，如此简便的制备方法得到水凝胶、如此简单的水凝胶体系具有这么多优异的本征性能，尚未见报道。

在详细说明本发明的实施方式之后，熟悉该项技术的人士可清楚地了解，在不脱离上述申请专利范围与精神下可进行各种变化与修改，凡依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围，且本发明亦不受限于说明书中所举实例的实施方式。

Claims (1)

1.可拉伸、自愈合、刺激响应生物高分子水凝胶的制备方法，采用以下步骤：

A：透明质酸钠水溶液的配制：配制的透明质酸水溶液的浓度为3wt%，透明质酸钠粉末3克逐渐加入97毫升去离子水中，继续搅拌8小时直至澄清透明呈粘稠状，得到透明质酸钠水溶液，置于4℃冰箱备用，选用的透明质酸钠分子量为100万到200万；

B:金属离子溶液配置：将金属氯化盐或金属硝酸盐溶于100毫升水中，搅拌溶解，所述的金属离子为Fe3+，金属氯化盐或金属硝酸盐为氯化铁或硝酸铁；

C：在玻璃瓶内置入3wt%上述配置备用的透明质酸溶液，加入0.1M的盐酸调节pH至3.5~4.5之间，剧烈摇动使之混合均匀，然后加入现配置的金属离子溶液，加入的离子溶液量要满足水凝胶中透明质酸粉末与金属离子的比例为1g：2-4mmol，剧烈摇动使之混合均匀，便得到可拉伸、自愈合、刺激响应、光图案化的生物高分子水凝胶。

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