CN114957711A - 一种壳聚糖溶液及壳聚糖温敏凝胶的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于再生医学技术领域，提供了一种壳聚糖溶液的制备方法，采用双层透析袋构建可发生较强质子化反应物质在透析袋中心，可发生较弱质子化反应物质在其周围的向心梯度质子化反应系统，将其放置于壳聚糖溶液中，利用其向袋中心方向的梯度质子化反应内驱力，更有效地吸引壳聚糖溶液中的氢离子通过透析袋向袋中心迁移，进一步提高了质子化反应效率和程度，更有效地提高壳聚糖溶液的pH值，并且反应结束后可以通过移除透析袋以彻底去掉额外添加的这些物质，没有任何残留。
Description
技术领域
本发明属于再生医学技术领域，尤其涉及一种壳聚糖溶液及壳聚糖温敏凝胶的制备方法。
背景技术
壳聚糖为天然多糖甲壳素脱除部分乙酰基的产物，壳聚糖具有生物降解性、生物相容性、无毒性，能够抑菌、止血、抗癌、增强免疫、促伤口愈合，因此广泛应用于生物医学领域。
常规壳聚糖溶液的pH值一般不超过5，而pH值对壳聚糖分子间的相互作用有重要影响，如果能够提高壳聚糖溶液本身的pH值，例如接近6.2，这会造成壳聚糖分子蜷曲程度的下降，分子之间相互作用的增强，在这种条件下当加入β-甘油磷酸钠之后，壳聚糖分子对温度升高响应得更快，能够显著加速成胶。
然而，如何提高壳聚糖溶液本身的pH值是目前面临的瓶颈问题之一。一种解决思路是提高壳聚糖溶液的浓度。当壳聚糖浓度增加时，更多的壳聚糖分子链上游离的氨基和自由氢离子发生质子化，会使得溶液的pH值升高。然而，壳聚糖在稀酸中的溶解度十分有限。另一种解决思路是降低稀酸的浓度，然而酸浓度过低的话会显著降低壳聚糖的溶解度，影响成胶。因此，迫切需要发展新的制备方法来克服现有技术的缺陷，提高壳聚糖溶液的pH值。
发明内容
本发明实施例提供一种壳聚糖溶液及壳聚糖温敏凝胶的制备方法，旨在解决提高壳聚糖溶液本身的pH值及加快体温下成胶的问题。
本发明一方面提供一种壳聚糖溶液的制备方法，该方法包括如下步骤：
S1.将壳聚糖粉末加入到酸溶液中获得壳聚糖溶液；
S2.取步骤S1中壳聚糖粉末质量的1～4倍的可发生较弱质子化反应的物质粉末加入透析袋中；
S3.取步骤S1中壳聚糖粉末质量的1～2倍的可发生较强质子化反应的物质粉末加入至另一个透析袋中；
S4.将步骤S3中的含有可发生较强质子化反应物质粉末的透析袋放置在步骤S2中的含可发生较弱质子化反应物质粉末的透析袋的中心部位，使其四周均为可发生较弱质子化反应物质粉末；
S5.将步骤S4中的含有可发生较弱及较强质子化反应物质粉末的内外层透析袋加入步骤S1得到的壳聚糖溶液中；
S6.对步骤S5得到的含有透析袋的壳聚糖溶液搅拌至少4h；
S7.将两个透析袋取出，即可得到pH值5～6.18的壳聚糖溶液。
可选地，所述步骤S1中酸溶液为0.05～0.2mol/L的盐酸溶液或0.18～0.72mol/L的醋酸溶液。
可选的，所述步骤S1中壳聚糖溶液的浓度为0.005～0.05g/mL。
可选的，所述步骤S2及S3中透析袋的截留分子量为≤4000Da。所述步骤S2中可发生较弱质子化反应的物质为壳聚糖及聚乙烯吡咯烷酮的混合物。
可选的，所述聚乙烯吡咯烷酮与壳聚糖的质量比为（3∶1）～（30∶1），所述聚乙烯吡咯烷酮的分子量为20000～300000Da。
可选的，所述步骤S3中可发生较强质子化反应的物质为聚乙烯亚胺，所述聚乙烯亚胺的分子量为300～70000Da。
可选的，所述搅拌时间为4～12h，所述搅拌转数为500～10000rpm。
本发明另一方面还提供一种壳聚糖温敏凝胶的制备方法，取β-甘油磷酸钠溶液并将β-甘油磷酸钠溶液逐滴加入到如权利要求1～7任一项所述的壳聚糖溶液中并搅拌得到成胶溶液，此成胶溶液在37℃条件下0.5～5分钟之内可快速转变为水凝胶。
可选地，所述β-甘油磷酸钠溶液浓度为0.45～0.65g/mL。
可选地，所述壳聚糖溶液与β-甘油磷酸钠溶液的体积比为（2∶1）～（20∶1）。
本发明有益效果：采用双层透析袋构建可发生较强质子化反应物质在透析袋中心，可发生较弱质子化反应物质在其周围的向心梯度质子化反应系统，将其放置于壳聚糖溶液中，利用其向袋中心方向的梯度质子化反应内驱力，更有效地吸引壳聚糖溶液中的氢离子通过透析袋向袋中心迁移，进一步提高了质子化反应效率和程度，更有效地提高壳聚糖溶液的pH值，并且反应结束后可以通过移除透析袋以彻底去掉额外添加的这些物质，没有任何残留。本发明技术方法易于操作，成本低，所制备的高pH值壳聚糖溶液在滴加β-甘油磷酸钠溶液之后可获得温度敏感性显著提高的温敏凝胶成胶溶液，此成胶溶液与常规手段制备的相同浓度的壳聚糖溶液相比，在37℃下成胶时间大大缩短，从而能够更好地满足体内原位快速固定药物、细胞以及组织快速填充的需要。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，结合以下实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。
本发明采用双层透析袋及可发生强、弱质子化反应的物质粉末构建向透析袋中心的梯度质子化反应系统，将其放置于壳聚糖溶液中，利用其向袋中心方向的梯度质子化反应内驱力，更有效地吸引壳聚糖溶液中的氢离子通过透析袋向袋中心迁移，进一步提高了质子化反应效率和程度，更有效地提高壳聚糖溶液的pH值，并且反应结束后可以通过移除透析袋以彻底去掉额外添加的这些物质，没有任何残留。
壳聚糖溶液中存在自由氢离子，如果向壳聚糖溶液中额外加入能够发生质子化反应的物质粉末将进一步消耗氢离子，进而提高溶液pH值。然而，直接向壳聚糖溶液中加入这些物质会造成壳聚糖溶液的污染，如果采用截留分子量低于这些物质分子量的透析袋装载这些物质再放入壳聚糖溶液中，透析袋可以在保证氢离子进入透析袋与这些物质发生质子化反应的同时有效阻隔这些物质不进入壳聚糖溶液，从而反应之后可以通过移除透析袋以彻底去掉额外添加的这些物质，且没有任何残留。另外，如果在上述透析袋中心位置再利用一个内层透析袋放置可发生较强质子化反应的物质，而此内层透析袋外围放置可发生较弱质子化反应的物质，将在透析袋内形成向中心的梯度质子化反应系统，产生由四周向中心方向的梯度质子化反应内驱力，更有效地吸引氢离子向袋中心迁移，进一步提高质子化反应效率和程度，更有效地提高壳聚糖溶液的pH值。
壳聚糖本身就具有氨基，是能够发生质子化反应的物质。聚乙烯吡咯烷酮与壳聚糖具有很强的氢键反应，其与壳聚糖混合可以使壳聚糖分子之间的作用力减弱，分子链更为伸展，更充分地暴露氨基基团，提高质子化效率和程度。而聚乙烯亚胺也具有可质子化的氨基氮原子，且其阳离子电荷密度高于壳聚糖，具有更强的质子化能力。由此，我们提供一种壳聚糖溶液及壳聚糖温敏凝胶的制备新方法，即利用双层透析袋构建聚乙烯亚胺在中心，壳聚糖与聚乙烯吡咯烷酮混合物在其周围的向心梯度质子化反应系统，将其放置于壳聚糖溶液中，利用其向袋中心方向的梯度质子化反应内驱力，更有效地吸引壳聚糖溶液中的氢离子向袋中心迁移，进一步提高质子化反应效率和程度，从而更有效地提高壳聚糖溶液的pH值。本发明技术方法易于操作，成本低，所制备的高pH值壳聚糖溶液在滴加β-甘油磷酸钠溶液之后可获得温度敏感性显著提高的温敏凝胶成胶溶液，此成胶溶液与常规手段制备的相同浓度的壳聚糖溶液相比，在37℃下成胶时间大大缩短，从而能够更好地满足体内原位快速固定药物、细胞以及组织快速填充的需要。
实施例一
配制0.05mol/L的盐酸溶液，取10g脱乙酰度为95%、分子量为5000Da的壳聚糖粉末加入到0.05mol/L的盐酸溶液中获得0.05g/mL壳聚糖溶液200ml。取1.29g壳聚糖及38.71g聚乙烯吡咯烷酮（聚乙烯吡咯烷酮与壳聚糖的质量比为30∶1；聚乙烯吡咯烷酮分子量为20000Da）的混合粉末加入到截留分子量4000Da的透析袋中。取10g分子量为70000Da的聚乙烯亚胺加入到截留分子量4000Da的另一个透析袋中。之后，将含有聚乙烯亚胺的透析袋放置在含有壳聚糖及聚乙烯吡咯烷酮的透析袋的中心部位，使其四周均为壳聚糖及聚乙烯吡咯烷酮的混合粉末。然后，将此内外层透析袋放入之前配制的壳聚糖溶液中，利用搅拌装置在室温下充分搅拌（500rpm，4h），之后取出两个透析袋，即获得高pH值（pH 6.18）的壳聚糖溶液。然后，将上述壳聚糖溶液在冰浴磁力搅拌条件下（1500rpm）逐渐滴加0.45g/mLβ-甘油磷酸钠溶液（壳聚糖溶液与β-甘油磷酸钠溶液的体积比为2∶1），混合均匀之后即获得成胶溶液，取0.5ml成胶溶液到离心管中，之后竖直浸没于37℃水浴中，并开始计时，每隔30s将离心管快速取出，倾斜90度观察是否溶液液面相对于离心管发生移动，若溶液可流动则继续浸泡，若不移动，则离心管再倒立180度，若还不移动，则记录此时时间，作为成胶时间。通过上述检测发现，利用高pH值（pH 6.18）的壳聚糖溶液所制备的成胶溶液成胶时间为0.5min。
实施例二
配制0.2mol/L的盐酸溶液，取1g脱乙酰度为97%、分子量为400000Da的壳聚糖粉末加入到0.2mol/L的盐酸溶液中获得0.005g/mL壳聚糖溶液200ml。取0.25g壳聚糖及0.75g聚乙烯吡咯烷酮（聚乙烯吡咯烷酮与壳聚糖的质量比为3∶1；聚乙烯吡咯烷酮分子量为300000Da）的混合粉末加入到截留分子量3000Da的透析袋中。取2g分子量为300Da的聚乙烯亚胺加入到截留分子量3000Da的另一个透析袋中。之后，将含有聚乙烯亚胺的透析袋放置在含有壳聚糖及聚乙烯吡咯烷酮的透析袋的中心部位，使其四周均为壳聚糖及聚乙烯吡咯烷酮的混合粉末。然后，将此内外层透析袋放入之前配制的壳聚糖溶液中，利用搅拌装置在室温下充分搅拌（10000rpm，12h），之后取出两个透析袋，即获得高pH值（pH 6.10）的壳聚糖溶液，将上述壳聚糖溶液在冰浴上搅拌条件下（1500rpm）逐渐滴加0.65g/mLβ-甘油磷酸钠溶液（壳聚糖溶液与β-甘油磷酸钠溶液的体积比为20∶1）, 取0.5ml成胶溶液到离心管中，之后竖直浸没于37℃水浴中，并开始计时，每隔30s将离心管快速取出，倾斜90度观察是否溶液液面相对于离心管发生移动，若溶液可流动则继续浸泡，若不移动，则离心管再倒立180度，若还不移动，则记录此时时间，作为成胶时间。通过上述检测发现，利用高pH值（pH6.10）的壳聚糖溶液所制备的成胶溶液成胶时间为1min。
实施例三
配制0.1mol/L的盐酸溶液，取5g脱乙酰度为98%、分子量为200000Da的壳聚糖粉末加入到0.1mol/L的盐酸溶液中获得0.025g/mL壳聚糖溶液200ml。取0.59g壳聚糖及9.41g聚乙烯吡咯烷酮（聚乙烯吡咯烷酮与壳聚糖的质量比为16∶1；聚乙烯吡咯烷酮分子量为160000Da）的混合粉末加入到截留分子量2000Da的透析袋中。取7.5g分子量为35000Da的聚乙烯亚胺加入到截留分子量2000Da的另一个透析袋中。之后，将含有聚乙烯亚胺的透析袋放置在含有壳聚糖及聚乙烯吡咯烷酮的透析袋的中心部位，使其四周均为壳聚糖及聚乙烯吡咯烷酮的混合粉末。然后，将此内外层透析袋放入之前配制的壳聚糖溶液中，利用搅拌装置在室温下充分搅拌（5000rpm，8h），之后取出两个透析袋，即获得高pH值（pH 5.90）的壳聚糖溶液，将上述壳聚糖溶液在冰浴上搅拌条件下（1500rpm）逐渐滴加0.55g/mLβ-甘油磷酸钠溶液（壳聚糖溶液与β-甘油磷酸钠溶液的体积比为11∶1）, 取0.5ml成胶溶液到离心管中，之后竖直浸没于37℃水浴中，并开始计时，每隔30s将离心管快速取出，倾斜90度观察是否溶液液面相对于离心管发生移动，若溶液可流动则继续浸泡，若不移动，则离心管再倒立180度，若还不移动，则记录此时时间，作为成胶时间。通过上述检测发现，利用高pH值（pH5.90）的壳聚糖溶液所制备的成胶溶液成胶时间为4min。
实施例四
配制0.18mol/L的醋酸溶液，取4g脱乙酰度为99%、分子量为30000Da的壳聚糖粉末加入到0.18mol/L的醋酸溶液中获得0.02g/mL壳聚糖溶液200ml。取1.2g壳聚糖粉末及10.8g聚乙烯吡咯烷酮（聚乙烯吡咯烷酮与壳聚糖的质量比为9∶1；聚乙烯吡咯烷酮分子量为100000Da）的混合粉末加入到截留分子量3000Da的透析袋中。取4.8g分子量为20000Da的聚乙烯亚胺加入到截留分子量4000Da的另一个透析袋中。之后，将含有聚乙烯亚胺的透析袋放置在含有壳聚糖及聚乙烯吡咯烷酮的透析袋的中心部位，使其四周均为壳聚糖及聚乙烯吡咯烷酮的混合粉末。然后，将此内外层透析袋放入之前配制的壳聚糖溶液中，利用搅拌装置在室温下充分搅拌（1000rpm，6h），之后取出两个透析袋，即获得高pH值（pH 5.71）的壳聚糖溶液，将上述壳聚糖溶液在冰浴上搅拌条件下（1500rpm）逐渐滴加0.56g/mLβ-甘油磷酸钠溶液（壳聚糖溶液与β-甘油磷酸钠溶液的体积比为7∶1）, 取0.5ml成胶溶液到离心管中，之后竖直浸没于37℃水浴中，并开始计时，每隔30s将离心管快速取出，倾斜90度观察是否溶液液面相对于离心管发生移动，若溶液可流动则继续浸泡，若不移动，则离心管再倒立180度，若还不移动，则记录此时时间，作为成胶时间。通过上述检测发现，利用高pH值（pH5.71）的壳聚糖溶液所制备的成胶溶液成胶时间为5min。
实施例五
配制0.72mol/L的醋酸溶液，取6g脱乙酰度为95%、分子量为160000Da的壳聚糖粉末加入到0.72mol/L的醋酸溶液中获得0.03g/mL壳聚糖溶液200ml。取3g壳聚糖及15g聚乙烯吡咯烷酮（聚乙烯吡咯烷酮与壳聚糖的质量比为5∶1；聚乙烯吡咯烷酮分子量为80000Da）的混合粉末加入到截留分子量4000Da的透析袋中。取10.2g分子量为50000Da的聚乙烯亚胺加入到截留分子量2000Da的另一个透析袋中。之后，将含有聚乙烯亚胺的透析袋放置在含有壳聚糖及聚乙烯吡咯烷酮的透析袋的中心部位，使其四周均为壳聚糖及聚乙烯吡咯烷酮的混合粉末。然后，将此内外层透析袋放入之前配制的壳聚糖溶液中，利用搅拌装置在室温下充分搅拌（6000rpm，5h），之后取出两个透析袋，即获得高pH值（pH 5.52）的壳聚糖溶液，将上述壳聚糖溶液在冰浴上搅拌条件下（1500rpm）逐渐滴加0.6g/mLβ-甘油磷酸钠溶液（壳聚糖溶液与β-甘油磷酸钠溶液的体积比为4∶1）, 取0.5ml成胶溶液到离心管中，之后竖直浸没于37℃水浴中，并开始计时，每隔30s将离心管快速取出，倾斜90度观察是否溶液液面相对于离心管发生移动，若溶液可流动则继续浸泡，若不移动，则离心管再倒立180度，若还不移动，则记录此时时间，作为成胶时间。通过上述检测发现，利用高pH值（pH 5.52）的壳聚糖溶液所制备的成胶溶液成胶时间为5min。
实施例六
配制0.45mol/L的醋酸溶液，取3g脱乙酰度为98%、分子量为8000Da的壳聚糖粉末加入到0.45mol/L的醋酸溶液中获得0.015g/mL壳聚糖溶液200ml。取0.15g壳聚糖及3.6g聚乙烯吡咯烷酮（聚乙烯吡咯烷酮与壳聚糖的质量比为24∶1；聚乙烯吡咯烷酮分子量为220000Da）的混合粉末加入到截留分子量2500Da的透析袋中。取4.35g分子量为1000Da的聚乙烯亚胺加入到截留分子量3500Da的另一个透析袋中。之后，将含有聚乙烯亚胺的透析袋放置在含有壳聚糖及聚乙烯吡咯烷酮的透析袋的中心部位，使其四周均为壳聚糖及聚乙烯吡咯烷酮的混合粉末。然后，将此内外层透析袋放入之前配制的壳聚糖溶液中，利用搅拌装置在室温下充分搅拌（8000rpm，10h），之后取出两个透析袋，即获得高pH值（pH 5.66）的壳聚糖溶液，将上述壳聚糖溶液在冰浴上搅拌条件下（1500rpm）逐渐滴加0.5g/mLβ-甘油磷酸钠溶液（壳聚糖溶液与β-甘油磷酸钠溶液的体积比为6∶1）, 取0.5ml成胶溶液到离心管中，之后竖直浸没于37℃水浴中，并开始计时，每隔30s将离心管快速取出，倾斜90度观察是否溶液液面相对于离心管发生移动，若溶液可流动则继续浸泡，若不移动，则离心管再倒立180度，若还不移动，则记录此时时间，作为成胶时间。通过上述检测发现，利用高pH值（pH5.66）的壳聚糖溶液所制备的成胶溶液成胶时间为4min。
本发明采用双层透析袋及可发生强、弱质子化反应的物质粉末构建向透析袋中心的梯度质子化反应系统，将其放置于壳聚糖溶液中，利用其向袋中心方向的梯度质子化反应内驱力，更有效地吸引壳聚糖溶液中的氢离子通过透析袋向袋中心迁移，进一步提高了质子化反应效率和程度，更有效地提高壳聚糖溶液的pH值，并且反应结束后可以通过移除透析袋以彻底去掉额外添加的这些物质，没有任何残留。本发明技术方法易于操作，成本低，所制备的高pH值壳聚糖溶液在滴加β-甘油磷酸钠溶液之后可获得温度敏感性显著提高的温敏凝胶成胶溶液，此成胶溶液与常规手段制备的相同浓度的壳聚糖溶液相比，在37℃下成胶时间大大缩短，从而能够更好地满足体内原位快速固定药物、细胞以及组织快速填充的需要。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种壳聚糖溶液的制备方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
S1.将壳聚糖粉末加入到酸溶液中获得壳聚糖溶液；
S2.取步骤S1中壳聚糖粉末质量的1～4倍的可发生较弱质子化反应的物质粉末加入透析袋中；
S3.取步骤S1中壳聚糖粉末质量的1～2倍的可发生较强质子化反应的物质粉末加入至另一个透析袋中；
S4.将步骤S3中的含有可发生较强质子化反应物质粉末的透析袋放置在步骤S2中的含可发生较弱质子化反应物质粉末的透析袋的中心部位，使其四周均为可发生较弱质子化反应物质粉末；
S5.将步骤S4中的含有可发生较弱及较强质子化反应物质粉末的内外层透析袋加入步骤S1得到的壳聚糖溶液中；
S6.对步骤S5得到的含有透析袋的壳聚糖溶液搅拌至少4h；
S7.将两个透析袋取出，即可得到pH值5～6.18的壳聚糖溶液。
2.如权利要求1所述的壳聚糖溶液的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中酸溶液为0.05～0.2mol/L的盐酸溶液或0.18～0.72mol/L 的醋酸溶液，所述步骤S1中壳聚糖粉末的脱乙酰度为95%及以上，所述步骤S1中壳聚糖的分子量为5000～400000Da。
3.如权利要求1所述的壳聚糖溶液的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中壳聚糖溶液的浓度为0.005～0.05g/mL。
4.如权利要求1所述的壳聚糖溶液的制备方法，其特征在于，所述步骤S2及S3中透析袋的截留分子量为≤4000Da，所述步骤S2中可发生较弱质子化反应的物质为壳聚糖与聚乙烯吡咯烷酮的混合物。
5.如权利要求4所述的壳聚糖溶液的制备方法，其特征在于，所述聚乙烯吡咯烷酮与壳聚糖的质量比为（3∶1）～（30∶1），所述聚乙烯吡咯烷酮的分子量为20000～300000Da。
6.如权利要求1所述的壳聚糖溶液的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中可发生较强质子化反应的物质为聚乙烯亚胺，所述聚乙烯亚胺的分子量为300～70000Da。
7.如权利要求1所述的壳聚糖溶液的制备方法，其特征在于，所述搅拌时间为4～12h，所述搅拌转数为500～10000rpm。
8.一种壳聚糖温敏凝胶的制备方法，其特征在于，取β-甘油磷酸钠溶液并将β-甘油磷酸钠溶液逐滴加入到如权利要求1～7任一项所述的壳聚糖溶液中并搅拌得到成胶溶液，此成胶溶液在37℃条件下0.5～5分钟之内可快速转变为水凝胶。
9.如权利要求8所述的壳聚糖温敏凝胶的制备方法，其特征在于，所述β-甘油磷酸钠溶液浓度为0.45～0.65g/mL。
10.如权利要求8所述的壳聚糖温敏凝胶的制备方法，其特征在于，所述壳聚糖溶液与β-甘油磷酸钠溶液的体积比为（2∶1）～（20∶1）。
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