CN114409940B - 一种具有pH响应性的鱼明胶水凝胶反蛋白石薄膜的制备方法及应用 - Google Patents

一种具有pH响应性的鱼明胶水凝胶反蛋白石薄膜的制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种具有pH响应性的鱼明胶水凝胶反蛋白石薄膜的制备方法，包括以下步骤：S1、将甲基丙烯酸酯化鱼明胶溶液和pH响应性聚合物单体溶液等体积混合，制备得到预凝胶溶液；S2、通过调整二氧化硅纳米颗粒的直径，制备得到具有不同结构色的胶体晶体正结构模板；S3、将步骤S1得到的预凝胶溶液灌注到步骤S2得到的胶体晶体正结构模板的表面和缝隙中，紫外照射固化后去除胶体晶体正结构模板，制备得到具有pH响应性的鱼明胶水凝胶反蛋白石薄膜。本发明制备的具有pH响应性的鱼明胶水凝胶反蛋白石薄膜用于创面修复以及创面环境pH动态监测。

Description

一种具有pH响应性的鱼明胶水凝胶反蛋白石薄膜的制备方法 及应用
技术领域
本发明涉及生物材料领域，具体涉及一种具有pH响应性的鱼明胶水凝胶反蛋白石薄膜及其制备方法。
背景技术
在创面修复这一研究课题上，目前已经涌现了大量先进的促进创面愈合的材料。其中，明胶水凝胶是使用最为广泛的水凝胶材料之一。明胶是一种从动物细胞外基质中提取的生物聚合物，具有独特的细胞粘附域和金属蛋白酶反应序列，因此细胞很容易在明胶支架中增殖和扩散。目前，由明胶衍生的材料——甲基丙烯酸酯化明胶水凝胶已经广泛应用于伤口修复的研究。
目前常用的明胶主要来源于猪，牛等哺乳类动物，免疫原性不够理想，在临床上存在产生免疫排斥反应的风险。此外，目前用于创面修复的材料通常结构和功能较为简单，通常只具有促进创面愈合的单一功能，而缺乏对创面愈合情况的实时报告。
鱼明胶是从鱼皮，鱼骨，鱼鳞等材料中提取出来的天然材料，与哺乳动物的明胶相比，它具有制备成本低、免疫原性低、宗教限制少等优势。通过将光交联基团嫁接到鱼明胶上，合成了甲基丙烯酸酯化鱼明胶。它在光引发剂的存在下，可以紫外诱导聚合形成稳定的水凝胶。反蛋白石水凝胶薄膜是由具有独特三维周期性多孔结构的柔性材料。当有光照射时，薄膜的多孔结构可以调制入射光的传播，从而在可见光波长范围内显示出明亮的结构色。特别地，当有响应性聚合物存在时，薄膜的内部结构和结构色可以随外部刺激而发生变化。因此，反蛋白石结构膜在生物传感方面具有重要应用价值。
基于以上几点，本发明以甲基丙烯酸酯化鱼明胶和pH响应性聚合物单体为主要原料，提供一种具有pH响应性的鱼明胶水凝胶反蛋白石薄膜及其制备方法。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供一种具有pH响应性的鱼明胶水凝胶反蛋白石薄膜的制备方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种具有pH响应性的鱼明胶水凝胶反蛋白石薄膜的制备方法，包括以下步骤：
S1、将甲基丙烯酸酯化鱼明胶溶液和pH响应性聚合物单体溶液等体积混合，制备得到预凝胶溶液，将预凝胶溶液超声混匀并避光保存；
S2、通过调整二氧化硅纳米颗粒的直径，制备得到具有不同结构色的胶体晶体正结构模板；具体的，在干净的玻片上，使用不同尺寸的二氧化硅纳米颗粒自组装形成具有不同结构色的胶体晶体正结构模板；
S3、在玻片的两端分别放置垫片，将另一块洁净的玻片放在胶体晶体正结构模板的上方，将步骤S1得到的预凝胶溶液灌注到步骤S2得到的胶体晶体正结构模板的表面和缝隙中，填满两个玻片之间的空隙，静止一段时间后紫外照射固化，然后去除胶体晶体正结构模板，制备得到具有pH响应性的鱼明胶水凝胶反蛋白石薄膜。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
进一步地，步骤S1中，所述甲基丙烯酸酯化鱼明胶溶液的浓度为15-30％，保存于45℃水浴中防止甲基丙烯酸酯化鱼明胶溶液低温成胶；pH响应性聚合物单体溶液的浓度为5-15％。
进一步地，步骤S1中，所述pH响应性聚合物单体选自丙烯酸(AA)、乙烯基膦酸(VPA)和乙烯基咪唑(VI)中的一种。
进一步地，步骤S1中，所述预凝胶溶液中添加有交联剂，交联剂的添加比例为0.1-0.5w/v％，交联剂优选为N，N-亚甲基双丙烯酰胺。
进一步地，步骤S1中，所述预凝胶溶液中添加有光引发剂，光引发剂的添加比例为1-2v/v％，光引发剂优选为2-羟基-2-甲基苯丙酮。
进一步地，步骤S2中，所述二氧化硅纳米颗粒的直径为200-300nm。
进一步地，步骤S3中，紫外照射时间为1-3min。
进一步地，步骤S3中，所述胶体晶体正结构模板通过氢氟酸的稀溶液腐蚀二氧化硅纳米颗粒去除。
本发明的具有pH响应性的鱼明胶水凝胶反蛋白石薄膜用于创面修复。
本发明的具有pH响应性的鱼明胶水凝胶反蛋白石薄膜用于创面环境pH动态监测。
本发明的有益效果是：
1)本发明以甲基丙酸酯化鱼明胶和pH响应性聚合物为主要材料，制备了一种具有pH响应性的鱼明胶水凝胶反蛋白石薄膜；与常用的明胶相比，采用天然的鱼明胶作为原料具有成本低、免疫原性低的优势，甲基丙烯酸酯化鱼明胶上嫁接的光交联基因可以在光引发剂的存在下，通过紫外诱导聚合形成稳定的水凝胶；此外，在反蛋白石薄膜内添加pH响应性聚合物，可以刺激反蛋白石薄膜的内部结构和结构色变化；将甲基丙酸酯化鱼明胶和pH响应性聚合物添加到反蛋白石薄膜中，制备的具有pH响应性的鱼明胶水凝胶反蛋白石薄膜在生物传感方面具有应用价值，且该薄膜制备方法简单，操作方便，价格低廉，不需要很高的技术要求；
2)本发明设计了一种具有pH响应性的鱼明胶水凝胶反蛋白石薄膜，该鱼明胶水凝胶反蛋白石薄膜的结构色随着环境pH的变化发生改变，实现了对创面环境pH的动态监测；
3)本发明提供的具有pH响应性的鱼明胶水凝胶反蛋白石薄膜，可用于促进创面修复，免疫原性低且更加安全、高效。
附图说明
图1为具有pH响应性的鱼明胶水凝胶反蛋白石薄膜的制备流程示意图；
图2为具有pH响应性的鱼明胶水凝胶反蛋白石薄膜的工作原理图；其中A为鱼明胶水凝胶反蛋白石薄膜在酸性环境下的结构，纳米孔间距较小，B为鱼明胶水凝胶反蛋白石薄膜在碱性环境下的结构，鱼明胶水凝胶反蛋白石薄膜溶胀导致纳米孔间距增大，结构色红移；
图3为具有pH响应性的鱼明胶水凝胶反蛋白石薄膜在pH改变时的反射峰变化。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
具有pH响应性的鱼明胶水凝胶反蛋白石薄膜的制备流程如图1所示：
S1、称取0.6g甲基丙烯酸酯化鱼明胶固体溶解于1.4mL的去离子水中制备浓度为30％的甲基丙烯酸酯化鱼明胶溶液，并保存于45℃的水浴中防止溶液低温成胶；将200μL丙烯酸和6.7mg的N，N-亚甲基双丙烯酰胺(交联剂)溶解在1.8mL去离子水中，制备浓度为10％的丙烯酸溶液；将甲基丙烯酸酯化鱼明胶溶液和丙烯酸溶液等体积均匀混合，得到最终的含15％甲基丙烯酸酯化鱼明胶与5％丙烯酸的预凝胶溶液，加入1v/v％的2-羟基-2-甲基苯丙酮(光引发剂)，超声混匀并避光保存；
S2、将直径为220nm的二氧化硅纳米颗粒置于洁净的玻片上，二氧化硅纳米颗粒在毛细作用力驱动下自组装形成了胶体晶体正结构模板；
S3、在玻片两端放置0.4mm的垫片，将另一块洁净的玻片放在胶体晶体正结构模板的上方，用预凝胶溶液填满两个玻璃片的空隙，静止1min后，紫外照射1min固化；除去顶部玻片后就得到了固化在胶体晶体正结构模板上的反蛋白石水凝胶薄膜，用氢氟酸的稀溶液腐蚀二氧化硅纳米颗粒，完全腐蚀后就得到了如图2所示的结构色为明亮蓝色的具有pH响应性的鱼明胶水凝胶反蛋白石薄膜。
实施例2
具有pH响应性的鱼明胶水凝胶反蛋白石薄膜的制备流程如图1所示：
S1、称取0.6g甲基丙烯酸酯化鱼明胶固体溶解于1.4mL的去离子水中制备浓度为30％的甲基丙烯酸酯化鱼明胶溶液，并保存于45℃的水浴中防止溶液低温成胶；将200μL丙烯酸和6.7mg的N，N-亚甲基双丙烯酰胺(交联剂)溶解在1.8mL去离子水中，制备浓度为10％的丙烯酸溶液；将甲基丙烯酸酯化鱼明胶溶液和丙烯酸溶液等体积均匀混合，得到最终的含15％甲基丙烯酸酯化鱼明胶与5％丙烯酸的预凝胶溶液，加入1v/v％的2-羟基-2-甲基苯丙酮(光引发剂)，超声混匀并避光保存；
S2、将直径为250nm的二氧化硅纳米颗粒置于洁净的玻片上，二氧化硅纳米颗粒在毛细作用力驱动下自组装形成了胶体晶体正结构模板；
S3、在玻片两端放置0.4mm的垫片，将另一块洁净的玻片放在胶体晶体正结构模板的上方，用预凝胶溶液填满两个玻璃片的空隙，静止1min后，紫外照射1min固化；除去顶部玻片后就得到了固化在胶体晶体正结构模板上的反蛋白石水凝胶薄膜，用氢氟酸的稀溶液腐蚀二氧化硅纳米颗粒，完全腐蚀后就得到了如图2所示的结构色为明亮绿色的具有pH响应性的鱼明胶水凝胶反蛋白石薄膜。
实施例3
具有pH响应性的鱼明胶水凝胶反蛋白石薄膜的制备流程如图1所示：
S1、称取0.6g甲基丙烯酸酯化鱼明胶固体溶解于1.4mL的去离子水中制备浓度为30％的甲基丙烯酸酯化鱼明胶溶液，并保存于45℃的水浴中防止溶液低温成胶；将100μL丙烯酸和3.3mg的N，N-亚甲基双丙烯酰胺(交联剂)溶解在1.9mL去离子水中，制备浓度为10％的丙烯酸溶液；将甲基丙烯酸酯化鱼明胶溶液和丙烯酸溶液等体积均匀混合，得到最终的含15％甲基丙烯酸酯化鱼明胶与2.5％丙烯酸的预凝胶溶液，加入1v/v％的2-羟基-2-甲基苯丙酮(光引发剂)，超声混匀并避光保存；
S2、将直径为220nm的二氧化硅纳米颗粒置于洁净的玻片上，二氧化硅纳米颗粒在毛细作用力驱动下自组装形成了胶体晶体正结构模板；
S3、在玻片两端放置0.4mm的垫片，将另一块洁净的玻片放在胶体晶体正结构模板的上方，用预凝胶溶液填满两个玻璃片的空隙，静止1min后，紫外照射1min固化；除去顶部玻片后就得到了固化在胶体晶体正结构模板上的反蛋白石水凝胶薄膜，用氢氟酸的稀溶液腐蚀二氧化硅纳米颗粒，完全腐蚀后就得到了如图2所示的结构色为明亮蓝色的具有pH响应性的鱼明胶水凝胶反蛋白石薄膜。
本发明提供的具有pH响应性的鱼明胶水凝胶反蛋白石薄膜的工作原理如图2所示：由于反蛋白石薄膜中添加了具有pH响应性能的丙烯酸，因此pH的变化会引起反蛋白石薄膜的体积发生可逆的变化：在低pH环境下，丙烯酸的-COOH基团的去质子化被抑制，由于-COOH基团之间的氢键作用，鱼明胶水凝胶收缩，膨胀程度降低，因此此时鱼明胶水凝胶的体积很小；随着环境pH值的增加，-COOH基团逐渐解离成-COO-，-COOH基团的电离会导致网络中的电荷密度逐渐增加，由此产生的渗透压和静电排斥使鱼明胶水凝胶交联变得相对松散，并导致鱼明胶水凝胶的体积膨胀，鱼明胶水凝胶体积膨胀则进一步造成纳米孔尺寸的增加，反射波长及鱼明胶水凝胶的颜色也随之改变。
鱼明胶水凝胶反蛋白石薄膜在pH改变时的反射峰变化如图3所示：将鱼明胶水凝胶反蛋白石薄膜泡在不同的pH溶液中，使用光谱仪检测并统计了该薄膜的反射峰峰值随pH变化。
需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有pH响应性的鱼明胶水凝胶反蛋白石薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将甲基丙烯酸酯化鱼明胶溶液和pH响应性聚合物单体溶液等体积混合，制备得到预凝胶溶液；所述预凝胶溶液中添加有交联剂和光引发剂；
S2、通过调整二氧化硅纳米颗粒的直径，制备得到具有不同结构色的胶体晶体正结构模板；
S3、将步骤S1得到的预凝胶溶液灌注到步骤S2得到的胶体晶体正结构模板的表面和缝隙中，紫外照射固化后去除胶体晶体正结构模板，制备得到具有pH响应性的鱼明胶水凝胶反蛋白石薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种具有pH响应性的鱼明胶水凝胶反蛋白石薄膜的制备方法，其特征在于，
步骤S1中，所述甲基丙烯酸酯化鱼明胶溶液的浓度为15-30%，pH响应性聚合物单体溶液的浓度为5-15%。
3.根据权利要求1所述的一种具有pH响应性的鱼明胶水凝胶反蛋白石薄膜的制备方法，其特征在于，
步骤S1中，所述pH响应性聚合物单体选自丙烯酸、乙烯基膦酸和乙烯基咪唑中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种具有pH响应性的鱼明胶水凝胶反蛋白石薄膜的制备方法，其特征在于，
步骤S1中，交联剂的添加比例为0.1-0.5w/v%。
5.根据权利要求1所述的一种具有pH响应性的鱼明胶水凝胶反蛋白石薄膜的制备方法，其特征在于，
步骤S1中，光引发剂的添加比例为1-2v/v%。
6.根据权利要求1所述的一种具有pH响应性的鱼明胶水凝胶反蛋白石薄膜的制备方法，其特征在于，
步骤S2中，所述二氧化硅纳米颗粒的直径为200-300nm。
7.根据权利要求1所述的一种具有pH响应性的鱼明胶水凝胶反蛋白石薄膜的制备方法，其特征在于，
步骤S3中，紫外照射时间为1-3min。
8.根据权利要求1所述的一种具有pH响应性的鱼明胶水凝胶反蛋白石薄膜的制备方法，其特征在于，
步骤S3中，所述胶体晶体正结构模板通过氢氟酸的稀溶液腐蚀二氧化硅纳米颗粒去除。
9.如权利要求1-8任意一项所述的具有pH响应性的鱼明胶水凝胶反蛋白石薄膜在创面修复中的应用。
10.如权利要求1-8任意一项所述的具有pH响应性的鱼明胶水凝胶反蛋白石薄膜在创面环境pH动态监测中的应用。
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GR01 Patent grant
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