CN112625650A - 一种明胶基水凝胶粘合剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种明胶基水凝胶粘合剂，以明胶(Gel)和2,3,4‑三羟基苯甲醛(THB)为原料，加入Fe3+促进邻苯三酚结构的氧化与共价偶联，并且与羧基、酚羟基形成离子络合，从而得到具有粘附性的水凝胶。该凝胶粘附强度随2,3,4‑三羟基苯甲醛水溶液的浓度增加而增大，对于PMMA、陶瓷、铁金属、玻璃、猪皮等基质材料都具有广泛粘附性，在生物医学领域有着巨大的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及水凝胶材料技术领域，特别是涉及一种明胶基水凝胶粘合剂及其制备方法和应用。
背景技术
水凝胶是指聚合物分子链通过物理、离子或者共价键的相互作用交联在一起，形成的含有大量水的三维网络聚合物材料。相较于传统材料，水凝胶具有不同的组成和结构，这就决定了水凝胶材料具有特殊的性能。随着对水凝胶研究的不断深入，各种功能性水凝胶相继被报道，如智能水凝胶、自愈合水凝胶、粘附性水凝胶、止血水凝胶等。其中，粘附性水凝胶可作为组织粘合剂，在生物医学领域有着良好的应用前景。例如，组织粘合剂可以代替临床手术当中的术后缝合，从而减少手术的二次创伤、简化手术步骤。
被囊动物是一种小型海洋无脊椎动物，其全身覆盖一层坚韧而柔软的被囊，这层被囊主要由纤维素纳米纤维(也叫动物纤维素)和富含连苯三酚结构的氨基酸(3,4,5-三羟基苯丙氨酸)多肽所组成。其中动物纤维素具有120GPa的硬度，为被囊提供机械支撑，而富含连苯三酚单元的粘附蛋白可以有效促进被囊损伤的愈合。在海水的pH值(约8.2)环境下，三羟基苯丙氨酸中的邻苯三酚单元容易被氧化，并且与动物纤维素、邻近的三羟基苯丙氨酸、蛋白质之间形成共价交联；另外，邻苯三酚单元可以与金属离子络合形成配合物，这些交联作用促使了被囊处伤口的愈合。
受此启发，研究者锐意创新，将邻苯三酚结构引入到聚合物链中，得到具有良好粘附性的水凝胶材料。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种明胶基水凝胶粘合剂，该粘合剂以明胶为原料，加入2,3,4-三羟基苯甲醛(THB)和FeCl3，均匀混合后可得到一种对于多种基质材料具有广泛粘附性的水凝胶粘合剂。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种明胶基水凝胶粘合剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：配制FeCl3水溶液，加入明胶，55-65℃下充分溶解得明胶溶液；
步骤2：配制2,3,4-三羟基苯甲醛水溶液；
步骤3：将所述2,3,4-三羟基苯甲醛水溶液加入至所述明胶溶液中，充分混合均匀，静置成胶，得到明胶基水凝胶粘合剂。
在上述技术方案中，步骤1中，所述FeCl3水溶液的浓度为20-40mmol/L。
在上述技术方案中，步骤1中，所述明胶的质量与所述FeCl3水溶液的体积比例为(0.1-0.2)：500；明胶质量单位为g，体积单位为ul。
在上述技术方案中，步骤2中，2,3,4-三羟基苯甲醛水溶液的浓度为0.03-0.67mol/L，所述2,3,4-三羟基苯甲醛水溶液与步骤1中所述FeCl3水溶液的体积比为3：5。
基于上述物质比例，在最终所得明胶基水凝胶粘合剂中，所述FeCl3在明胶基水凝胶粘合剂中的浓度为20-40mmol/L；所述明胶在明胶基水凝胶粘合剂中的质量分数为10-20wt％；2,3,4-三羟基苯甲醛在明胶基水凝胶粘合剂中的浓度为0.01-0.2mol/L。
在上述技术方案中，步骤3中，所述静置成胶的温度为30-40℃，优选37℃。
在上述技术方案中，步骤3中，所述静置成胶的时间为15-20min。
本发明的另一个目的，利用上述制备方法制备的明胶基水凝胶粘合剂。
在上述技术方案中，所述明胶基水凝胶粘合剂的粘附强度为10-150KPa。
在上述技术方案中，所述明胶基水凝胶粘合剂的粘附强度随2,3,4-三羟基苯甲醛水溶液的浓度增加而增大。
本发明的另一个目的，上述明胶基水凝胶粘合剂在生物医学领域的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的明胶基水凝胶粘合剂，以明胶(Gel)和2,3,4-三羟基苯甲醛(THB)为原料，加入Fe3+促进邻苯三酚结构的氧化与共价偶联，并且与羧基、酚羟基形成离子络合，从而得到具有粘附性的水凝胶。该凝胶对于PMMA、陶瓷、铁金属、玻璃、猪皮等基质材料都具有广泛粘附性，在生物医学领域有着巨大的应用前景。
附图说明
图1所示为凝胶(Gel-THB-20-0.2)的凝胶流变学时间扫描图。
图2所示为不同THB含量的凝胶对于不同基质材料的粘附强度图。
其中：a为凝胶(Gel-THB-20-0.01)，b为凝胶(Gel-THB-20-0.05)，c为凝胶(Gel-THB-20-0.1)，d为凝胶(Gel-THB-20-0.2)。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
所述的水凝胶的制备原料中，明胶、THB和FeCl3·6H2O均为购买试剂。
其中，明胶来源于美国Sigma-Aldrich公司(规格：Type A,from porcine skin)；THB来源于天津希恩思生化科技有限公司(纯度97％)；FeCl3·6H2O来源于天津市科密欧化学试剂有限公司(分析纯)。
实施例1
制备明胶、THB含量分别为20wt％、0.2mol/L的凝胶(Gel-THB-20-0.2)：
用电子天平称取0.8649g FeCl3·6H2O溶于100mL去离子水中，搅拌使其完全溶解，配制成32mmol/L的Fe3+水溶液，放在一旁备用。
用电子天平称取0.2g明胶于4mL离心管中，用移液枪准确移取500μL上述Fe3+水溶液加入其中，随后放置于60℃下，使明胶充分溶解。
用电子天平称取0.0308g THB于4mL离心管中，用移液枪准确移取300μL去离子水加入其中，经涡旋使其溶解。
将THB溶液趁热加入至溶解好的明胶溶液当中，迅速涡旋使两者充分混合，随后将其37℃静置一段时间成胶，即可得凝胶(Gel-THB-20-0.2)1.0g体积1ml，其中所述FeCl3在凝胶(Gel-THB-20-0.2)中的浓度为16mmol/L；明胶在凝胶(Gel-THB-20-0.2)中的质量分数为20wt％；2,3,4-三羟基苯甲醛在凝胶(Gel-THB-20-0.2)中的浓度为0.2mol/L。
在静置成胶过程中，THB中的醛基与明胶中的氨基可发生希夫碱反应，从而形成亚胺键使THB的邻苯三酚结构修饰到明胶分子链上，另外，Fe3+一方面可氧化邻苯三酚，促进共价偶联，另一方面可与明胶中的羧基络合，形成离子交联，从而促进分子链间的交联与缠结，形成凝胶网络。控制成胶温度为37℃，避免由明胶室温固化所导致的凝胶化的发生。
实施例2
制备明胶、THB含量分别为20wt％、0.1mol/L的凝胶(Gel-THB-20-0.1)：
用电子天平称取0.8649g FeCl3·6H2O溶于100mL去离子水中，搅拌使其完全溶解，配制成32mmol/L的Fe3+水溶液，放在一旁备用。
用电子天平称取0.2g明胶于4mL离心管中，用移液枪准确移取500μL上述Fe3+水溶液加入其中，随后放置于60℃下，使明胶充分溶解。
用电子天平称取15.4mgTHB于4mL离心管中，用移液枪准确移取300μL去离子水加入其中，经涡旋使其溶解。
将THB溶液加入至溶解好的明胶溶液当中，迅速涡旋使两者充分混合，随后将其37℃静置一段时间，即可得凝胶(Gel-THB-20-0.1)。
实施例3
制备明胶、THB含量分别为20wt％、0.05mol/L的凝胶(Gel-THB-20-0.05)：
用电子天平称取0.8649g FeCl3·6H2O溶于100mL去离子水中，搅拌使其完全溶解，配制成32mmol/L的Fe3+水溶液，放在一旁备用。
用电子天平称取0.2g明胶于4mL离心管中，用移液枪准确移取500μL上述Fe3+水溶液加入其中，随后放置于60℃下，使明胶充分溶解。
用电子天平称取7.7mg THB于4mL离心管中，用移液枪准确移取300μL去离子水加入其中，经涡旋使其溶解。
将THB溶液加入至溶解好的明胶溶液当中，迅速涡旋使两者充分混合，随后将其37℃静置一段时间，即可得凝胶(Gel-THB-20-0.05)。
实施例4
制备明胶、THB含量分别为20wt％、0.01mol/L的凝胶(Gel-THB-20-0.01)：
用电子天平称取0.8649g FeCl3·6H2O溶于100mL去离子水中，搅拌使其完全溶解，配制成32mmol/L的Fe3+水溶液，放在一旁备用。
用电子天平称取0.2g明胶于4mL离心管中，用移液枪准确移取500μL上述Fe3+水溶液加入其中，随后放置于60℃下，使明胶充分溶解。
用电子天平称取1.54mgTHB于4mL离心管中，用移液枪准确移取300μL去离子水加入其中，经涡旋使其溶解。
将THB溶液加入至溶解好的明胶溶液当中，迅速涡旋使两者充分混合，随后将其37℃静置一段时间，即可得凝胶(Gel-THB-20-0.01)。
实施例5
本实施例是基于实施例1-4制备的凝胶进行测试表征。
流变学时间扫描测定体系成胶时间，即THB溶液与明胶溶液混合均匀后，立即进行流变学时间扫描，G’数值高于G”时，即为体系凝胶化时间。
图1为实施例1中凝胶(Gel-THB-20-0.2)的凝胶流变学时间扫描，表征其成胶时间以及凝胶强度，测试条件确定为频率1Hz、应变1％、温度37℃。将明胶溶液与THB溶液混合后，马上进行流变学时间扫描，测试结果表明该组分凝胶成胶时间为18±2min，并且随着熟化时间的延长，G’数值增大，即凝胶强度增大，最后趋于平稳。
将混合液迅速涡旋使其混合均匀后，在其凝胶化之前的粘性流体状态下，将其涂抹于PMMA、陶瓷、猪皮等各种基材的表面，通过分子渗透以及与邻苯三酚单元相关的各种物理化学相互作用(如共价偶联、氢键、金属离子配位等)，可使原位固化的水凝胶材料粘附于所用基材的表面。将两片基材的表面通过该水凝胶粘合剂粘合到一起，利用搭接剪切粘附测试来测定其粘附强度。
采用搭接剪切粘附测试表征凝胶对于各种基质材料的粘附强度，具体操作步骤如下，将约200μL还未凝胶完全的黏性前体溶液均匀涂抹于片状基材(基质材料规格为70×20×2mm)表面，随后立即错位搭接另一块同样的基材(搭接面积约为15×20mm)，轻轻按压使凝胶在基材中间更加贴合，随后将搭接好的粘附样品密封放置于37℃恒温箱中2h。采用万能拉力试验机进行测试，拉伸速率固定为50mm min-1，粘附强度(AS)按照F/S进行计算，其中F为搭接样品拉伸时的最大载荷(N)，S为搭接面积(m2)。
图2为不同THB含量的凝胶对于不同基质材料(PMMA、金属铁片、陶瓷、玻璃、猪皮)的粘附强度，其中的明胶与Fe3+含量分别确定为20wt％、16mmol/L不变。测试结果表明，在测试范围内，随着THB含量的提高，凝胶对于各种基材的粘附强度逐渐增大，但增大的幅度逐渐减小，这主要是由于THB含量提高，凝胶内部交联网络更加密集，凝胶强度增大，并且有更多的酚羟基与基质材料界面间产生相互作用，导致凝胶粘附强度增大，但受THB在水中溶解度的限制，没有进一步提高THB的用量，其含量最高即为0.2mol/L。
依照本发明内容进行工艺参数调整，均可制备本发明的水凝胶，并表现出与实施例1基本一致的性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种明胶基水凝胶粘合剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：配制FeCl3水溶液，加入明胶，55-65℃下充分溶解得明胶溶液；
步骤2：配制2,3,4-三羟基苯甲醛水溶液；
步骤3：将所述2,3,4-三羟基苯甲醛水溶液加入至所述明胶溶液中，充分混合均匀，静置成胶，得到明胶基水凝胶粘合剂。
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FeCl3水溶液的浓度为20-40mmol/L。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述明胶的质量与所述FeCl3水溶液的体积比例为(0.1-0.2)：500。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，2,3,4-三羟基苯甲醛水溶液的浓度为0.03-0.67mol/L，所述2,3,4-三羟基苯甲醛水溶液与步骤1中所述FeCl3水溶液的体积比为3：5。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述静置成胶的温度为30-40℃，优选37℃。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述静置成胶的时间为15-20min。
7.利用权利要求1-6任一项所述的制备方法制备的明胶基水凝胶粘合剂。
8.如权利要求7所述的明胶基水凝胶粘合剂，其特征在于，所述明胶基水凝胶粘合剂的粘附强度为10-150KPa。
9.如权利要求7所述的明胶基水凝胶粘合剂，其特征在于，所述明胶基水凝胶粘合剂的粘附强度随2,3,4-三羟基苯甲醛水溶液的浓度增加而增大。
10.如权利要求7所述的明胶基水凝胶粘合剂在生物医学领域的应用。
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