CN113461877B - 一种各向异性水凝胶的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种各向异性水凝胶的制备方法，具体为：首先，将明胶与去离子水混合，得到明胶溶液；之后将N‑异丙基甲基丙烯酰胺单体与去离子水混合，振荡溶解，加入N,N‑亚甲基双丙烯酰胺和光引发剂溶液，混合均匀，得到聚合物混合溶液；最后，将聚合物混合溶液倒入明胶溶液中，搅拌，滴加酶溶液至溶液中，待混合物完全溶解且无气泡后倒入模具中，进行反应，冷却，即可得到各向异性水凝胶。本发明制备得到的水凝胶具有较高的强度和韧性，且呈现各向异性的特点，水凝胶无毒，无害，具有良好的生物相容性。
Description
技术领域
本发明属于多功能水凝胶制备技术领域，具体涉及一种各向异性水凝胶的制备方法。
背景技术
随着人们环保意识的增强和对可再生能源的追求，绿色环保型产物受到研究人员的广泛关注。水凝胶是一种由物理或化学交联的亲水高分子聚合物网络和大量水构成的一类高分子材料，它与生物体中的许多组织(比如肌肉、软骨、角膜和皮肤等)具有相似的结构，可以作为人造器官的理想材料。然而相比于生物软组织，通过传统方法合成的水凝胶在分子及宏观水平上都表现出各向同性结构，缺少有序结构，从而限制了水凝胶在各领域的应用。
各向异性水凝胶的合成在一定程度上可解决这一问题。水凝胶的各向异性结构是指通过一定的方法或者在一定的外界刺激下，使得分子在不同方向表现出不一样的物理性质，能够有序排列起来，从而使局部表现出高度有序的特殊结构，如细胞膜、结缔组织、软骨、肌肉、眼球等。因此，制备具有各向异性的水凝胶，提高其在人工肌肉、酶的固定、蛋白质的分离、组织工程支架、仿生学应用以及生物医学研究领域的应用，已成为当下研究的前沿性话题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种各向异性水凝胶的制备方法，制备得到的水凝胶具有较高的强度和韧性，且呈现各向异性的特点。
本发明所采用的技术方案是，一种各向异性水凝胶的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，将明胶与去离子水混合，放入恒温振荡器中进行反应，使其充分溶解，得到明胶溶液；
步骤2，将光引发剂溶解于去离子水中，得到光引发剂溶液；
步骤3，将N-异丙基甲基丙烯酰胺单体与去离子水混合，放置于超声震荡机中振荡溶解，溶解后加入交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺，最后加入光引发剂溶液，混合均匀，得到聚合物混合溶液；
步骤4，将聚合物混合溶液倒入明胶溶液中，搅拌，之后滴加酶溶液至溶液中，待混合物完全溶解且无气泡后倒入模具中，最后放入装有紫外灯的恒温振荡器中进行反应，冷却，即可得到各向异性水凝胶。
本发明的特点还在于，
步骤1中，明胶与去离子水的质量比为0.1-4：2-5；反应温度为30-100℃，反应时间为10-120min。
步骤2中，光引发剂为二苯丙酮BP、4-二乙基硫杂蒽酮或2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮；光引发剂与去离子水的质量比为0.0001-1：1-10。
步骤3中，N-异丙基甲基丙烯酰胺、N,N-亚甲基双丙烯酰胺与去离子水的摩尔比为1-2：0.1-0.02：1-200；振荡溶解时间为10-90min。
步骤4中，酶溶液是将TG酶溶解在去离子水中而得到的；TG酶与去离子水质量比为0.0001-1：1-10；聚合物混合溶液、明胶溶液、酶溶液的质量比为1-10：0.1-5：0.00001-0.1。
步骤4中，反应温度为40-60℃，反应时间为1-12h。
本发明的有益效果是：采用光刻法，以明胶为基体，使用TG酶催化制备水凝胶，同时引入智能响应性聚合物分子N-异丙基甲基丙烯酰胺，在加入光引发剂后和交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺分子两端的双键交联发生自由基聚合，有序的改变明胶各区域交联网络的密度，形成具有各向异性的双网络水凝胶。本发明制备得到的水凝胶具有较高的强度和韧性，且呈现各向异性的特点，水凝胶无毒，无害，具有良好的生物相容性。
附图说明
图1为制备的明胶水凝胶的SEM图；
图2为本发明方法制备的各向异性明胶基水凝胶的SEM图；
图3为本发明方法制备的各向异性水凝胶的拉伸应力-应变曲线图；
图4为本发明方法制备的各向异性水凝胶缠绕和悬挂图；
图5为制备的明胶水凝胶和本发明方法制备的各向异性水凝胶的细胞活力图；
图6为制备的明胶水凝胶和本发明方法制备的各向异性水凝胶的表面孵育1、3和5天时存活和空间分布图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种各向异性水凝胶的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，将明胶与去离子水混合，放入恒温振荡器中进行反应，使其充分溶解，得到明胶溶液；
明胶与去离子水的质量比为0.1-4：2-5；
反应温度为30-100℃，反应时间为10-120min；
步骤2，将光引发剂溶解于去离子水中，得到光引发剂溶液；
光引发剂为二苯丙酮BP、4-二乙基硫杂蒽酮或2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮；
光引发剂与去离子水的质量比为0.0001-1：1-10；
步骤3，将N-异丙基甲基丙烯酰胺单体与去离子水混合，放置于超声震荡机中振荡溶解，溶解后加入交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺，最后加入光引发剂溶液，混合均匀，得到聚合物混合溶液；
N-异丙基甲基丙烯酰胺(NIPMAM)、N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)与去离子水的摩尔比为1-2：0.1-0.02：1-200；
振荡溶解时间为10-90min；
步骤4，将聚合物混合溶液倒入明胶溶液中，缓慢搅拌使其充分混合，之后滴加酶溶液至溶液中，待混合物完全溶解且基本无较多气泡后倒入模具中，最后放入装有紫外灯的恒温振荡器中进行反应，冷却至室温，即可得到各向异性水凝胶；
酶溶液是将TG酶溶解在去离子水中而得到的；TG酶与去离子水质量比为0.0001-1：1-10；
聚合物混合溶液、明胶溶液、酶溶液的质量比为1-10：0.1-5：0.00001-0.1；
反应温度为40-60℃，反应时间为1-12h；
实施例1
本发明一种各向异性水凝胶的制备方法，具体按照以下步骤实施：
前期准备：称取1.5g明胶置于烧杯中，取3.5mL去离子水在40℃下溶解30分钟。然后取10mL去离子水将0.005g的光引发剂在玻璃杯中搅拌溶解备用。
材料处理：准确称取单体NIPMAM 0.2g，加入3mL去离子水，放置于超声震荡机中溶解20min，溶解后加入交联剂MBAA 0.0243g，最后加入1mL光引发剂溶液，混合均匀；将聚合物混合溶液倒入明胶溶液中，缓慢搅拌3min使其充分混合。
光刻反应：最后称取0.0075g TG酶使用1mL去离子水溶解，滴加酶溶液至混合液中，至混合物完全溶解且基本无较多气泡后倒入模具中，然后用夹子夹在石英板两端，放入装有紫外灯的恒温振荡器中，调节温度至45℃，反应4h取出，使其冷却至室温，即可得各向异性水凝胶，得到的水凝胶的模量为0.12MPa。
实施例2
本发明一种各向异性水凝胶的制备方法，具体按照以下步骤实施：
前期准备：称取2g明胶置于烧杯中，取4mL去离子水在45℃下溶解35分钟。然后取10mL去离子水将0.01g的光引发剂在玻璃杯中搅拌溶解备用。
材料处理：准确称取单体NIPMAM 0.1g，加入3mL去离子水，放置于超声震荡机中溶解40min，溶解后加入交联剂MBAA 0.028g，最后加入1mL光引发剂溶液，混合均匀；将聚合物混合溶液倒入明胶溶液中，缓慢搅拌5min使其充分混合。
光刻反应：最后称取0.01g TG酶使用1mL去离子水溶解，滴加酶溶液至混合液中，至混合物完全溶解且基本无较多气泡后倒入模具中，然后用夹子夹在石英板两端，放入装有紫外灯的恒温振荡器中，调节温度至48℃，反应5h取出，使其冷却至室温，即可得各向异性水凝胶，得到的水凝胶的模量为0.14MPa。
实施例3
本发明一种各向异性水凝胶的制备方法，具体按照以下步骤实施：
前期准备：称取2.5g明胶置于烧杯中，取6mL去离子水在48℃下溶解40分钟。然后取10mL去离子水将0.02g的光引发剂在玻璃杯中搅拌溶解备用。
材料处理：准确称取单体NIPMAM 0.3g，加入3mL去离子水，放置于超声震荡机中溶解30min，溶解后加入交联剂MBAA 0.031g，最后加入1mL光引发剂溶液，混合均匀；将聚合物混合溶液倒入明胶溶液中，缓慢搅拌8min使其充分混合。
光刻反应：最后称取0.02g TG酶使用1mL去离子水溶解，滴加酶溶液至混合液中，至混合物完全溶解且基本无较多气泡后倒入模具中，然后用夹子夹在石英板两端，放入装有紫外灯的恒温振荡器中，调节温度至45℃，反应6h取出，使其冷却至室温，即可得各向异性水凝胶，得到的水凝胶的模量为0.17MPa。
实施例4
本发明一种各向异性水凝胶的制备方法，具体按照以下步骤实施：
前期准备：称取1.5g明胶置于烧杯中，取4mL去离子水在50℃下溶解45分钟。然后取10mL去离子水将0.03g的光引发剂在玻璃杯中搅拌溶解备用。
材料处理：准确称取单体NIPMAM 0.4g，加入3mL去离子水，放置于超声震荡机中溶解35min，溶解后加入交联剂MBAA 0.032g，最后加入1mL光引发剂溶液，混合均匀；将聚合物混合溶液倒入明胶溶液中，缓慢搅拌6min使其充分混合。
光刻反应：最后称取0.03g TG酶使用1mL去离子水溶解，滴加酶溶液至混合液中，至混合物完全溶解且基本无较多气泡后倒入模具中，然后用夹子夹在石英板两端，放入装有紫外灯的恒温振荡器中，调节温度至45℃，反应4h取出，使其冷却至室温，即可得各向异性水凝胶，得到的水凝胶的模量为0.2MPa。
实施例5
本发明一种各向异性水凝胶的制备方法，具体按照以下步骤实施：
前期准备：称取1.5g明胶置于烧杯中，取5mL去离子水在42℃下溶解50分钟。然后取10mL去离子水将0.005g的光引发剂在玻璃杯中搅拌溶解备用。
材料处理：准确称取单体NIPMAM 0.5g，加入4.2mL去离子水，放置于超声震荡机中溶解25min，溶解后加入交联剂MBAA 0.034g，最后加入1mL光引发剂溶液，混合均匀；将聚合物混合溶液倒入明胶溶液中，缓慢搅拌5min使其充分混合。
光刻反应：最后称取0.04g TG酶使用1mL去离子水溶解，滴加酶溶液至混合液中，至混合物完全溶解且基本无较多气泡后倒入模具中，然后用夹子夹在石英板两端，放入装有紫外灯的恒温振荡器中，调节温度至45℃，反应4h取出，使其冷却至室温，即可得各向异性水凝胶，得到的水凝胶的模量为2.2MPa。
图1为制备的明胶水凝胶的SEM图，图2为本发明方法制备的各向异性明胶基水凝胶的SEM图，两者均表现出均匀且致密的三维网状结构。相比于明胶水凝胶，各向异性水凝胶表面更加致密，这是因为在光引发的作用下，聚合物单体NIPMAM与交联剂MBAA发生交联，从而形成更为致密的交联网络。
其中，明胶水凝胶的制备方法是，将明胶与去离子水混合，放入恒温振荡器中进行反应，使其充分溶解，得到明胶溶液；之后滴加酶溶液至溶液中，待混合物完全溶解且基本无较多气泡后倒入模具中，最后放入装有紫外灯的恒温振荡器中进行反应，冷却至室温，即可得到明胶水凝胶；酶溶液是将TG酶溶解在去离子水中而得到的。
图3为本发明各向异性水凝胶的拉伸应力-应变曲线图，纵向取样的曲线(黑色)，横向取样的曲线(灰色)，由不同向取样的应力应变图可得，纵向拉伸的拉伸应力为142kPa，断裂伸长率为311％，而横向拉伸水凝胶的拉伸应力能达到200kPa，断裂伸长率达365％。这一结果表明横向拉伸比纵向拉伸的力学性能好，该材料能够表现出力学各向异性。
图4为本发明各向异性水凝胶缠绕和悬挂图，从图4可以看出合成后的各向异性水凝胶能够任意的拉伸和缠绕，具有很好的柔韧性且能够承受一定的重量，可以满足生物应用的需求。
图5为制备的明胶水凝胶和本发明的各向异性水凝胶的细胞活力图，图5显示了1、3、5天的细胞活力，从图中可以看出5天以后各向异性水凝胶细胞活力没有降低，说明该材料无毒无害。
图6为制备的明胶水凝胶和本发明的各向异性水凝胶的表面孵育1、3和5天时存活和空间分布情况，从图中可以看出细胞数目随时间的延长呈递增趋势。细胞能够在水凝胶内部正常生长是因为其内部网络结构可以为细胞提供一定的生长空间，有助于细胞的黏附和增殖。上述结果表明，合成后的各向异性水凝胶材料无毒，这主要是因为构成水凝胶的主体网络为明胶，而明胶的结构类似于人体组织和器官的细胞外基质成分，具有良好的生物相容性。
Claims (6)
1.一种各向异性水凝胶的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1，将明胶与去离子水混合，放入恒温振荡器中进行反应，使其充分溶解，得到明胶溶液；
步骤2，将光引发剂溶解于去离子水中，得到光引发剂溶液；
步骤3，将N-异丙基甲基丙烯酰胺单体与去离子水混合，放置于超声震荡机中振荡溶解，溶解后加入交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺，最后加入光引发剂溶液，混合均匀，得到聚合物混合溶液；
步骤4，将聚合物混合溶液倒入明胶溶液中，搅拌，之后滴加酶溶液至溶液中，待混合物完全溶解且无气泡后倒入模具中，最后放入装有紫外灯的恒温振荡器中进行反应，冷却，即可得到各向异性水凝胶。
2.根据权利要求1所述的一种各向异性水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，明胶与去离子水的质量比为0.1-4：2-5；反应温度为30-100℃，反应时间为10-120min。
3.根据权利要求1所述的一种各向异性水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，光引发剂为二苯丙酮BP、4-二乙基硫杂蒽酮或2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮；光引发剂与去离子水的质量比为0.0001-1：1-10。
4.根据权利要求1所述的一种各向异性水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，N-异丙基甲基丙烯酰胺、N,N-亚甲基双丙烯酰胺与去离子水的摩尔比为1-2：0.1-0.02：1-200；振荡溶解时间为10-90min。
5.根据权利要求1所述的一种各向异性水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，酶溶液是将TG酶溶解在去离子水中而得到的；TG酶与去离子水质量比为0.0001-1：1-10；聚合物混合溶液、明胶溶液、酶溶液的质量比为1-10：0.1-5：0.00001-0.1。
6.根据权利要求1所述的一种各向异性水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，反应温度为40-60℃，反应时间为1-12h。
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| 任小梅等.基于转谷氨酰胺酶交联明胶水凝胶的脂肪干细胞培养研究.《中国修复重建外科杂志》.2016,(第12期), * |
| 吉静等.明胶-异丙基丙烯酰胺水凝胶的溶胀性.《石油化工》.2002,(第07期), * |
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