一种海藻酸钠基水凝胶及其制备方法与流程

本发明涉及一种一种海藻酸钠基水凝胶及其制备方法和应用，属于高分子材料领域。

技术背景

水凝胶是能在水中溶胀但不溶于水的高分子材料，通过分子间的交联，形成三维网状结构，其分子链上带有亲水性基团。一般认为，水凝胶具有良好的生物相容性，原因在于水凝胶中含有大量的水分，这与充满水性液体的机体组织极为相似。随着现代科技的发展，水凝胶在药物控释、组织工程、再生器官等领域多有应用。但是现有技术中，水凝胶的自愈能力和效率还较低，有待提高。

海藻酸钠是一种多糖类天然高分子聚合物，可溶于水，但不溶于乙醇、丙酮等有机溶剂。其分子链由β-D-甘露糖醛酸(M单元)和α-L-古洛糖醛酸(G单元)键接而成，其中G单元的刚性大于M单元，而M单元的生物相容性比G单元更优良。由于海藻酸钠良好的生物相容性、相对低廉的价格而被广泛应用于纺织、化妆品、医药等工业领域。

海藻酸钠可与二价离子如Ca²⁺、Zn²⁺、Cu²⁺形成离子型水凝胶，但是其中的二价离子易与凝胶周围环境介质中的离子发生离子交换，因而在生理环境下容易溶解，失去凝胶特性。此外，海藻酸盐降解分子量较高，很难从体内排出，需要研究一种较温和的方式以降低海藻酸盐的分子量。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述现有技术中存在的问题，提供一种海藻酸钠基水凝胶及其制备方法。所述海藻酸钠基水凝胶具有可注射、自愈合、可降解、生物相容性好等优点，可用于药物控释、组织工程支架等领域。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种海藻酸钠基水凝胶，其特征在于，它是由下述原料按重量份制备而成：

氨基化海藻酸钠100～300mg、L-赖氨酸20～100mg或L-精氨酸25～120mg或L-鸟氨酸18～90mg、纳米四氧化三铁磁性粒子20～100mg、氧化海藻酸钠50～300mg。

按上述方案，优选地，所述氨基化海藻酸钠由下述方法制备得到：配制浓度为5～30g/L的海藻酸钠水溶液，用盐酸调节其pH值至4.0～6.5,在60～90℃下搅拌0.5～6h后，冷却至15～45℃，再加入碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)或1-羟基苯并三氮唑(HOBt)共同活化羧基，然后加入二胺类化合物反应1～18h，透析，冷冻干燥，得氨基化海藻酸钠。优选地，所述二胺类化合物为乙二胺、己二胺或己二酸二酰肼。优选地，所述碳二亚胺盐酸盐、N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)或1-羟基苯并三氮唑(HOBt)、二胺类化合物与海藻酸钠的摩尔比为(0.5～4)：(0.5～2)：(0.5～10)：1。

按上述方案，优选地，所述纳米四氧化三铁磁性粒子的尺寸为200～300nm。

按上述方案，优选地，所述氧化海藻酸钠由下述方法制备得到：将海藻酸钠加入到正丙醇中得到海藻酸钠-正丙醇悬浮液，再加入氧化剂和稀酸溶液，在4～37℃下搅拌反应体系0.5～24h，再加入乙二醇终止反应，随后加入氯化钠，透析，冷冻干燥，得氧化海藻酸钠。优选地，所述海藻酸钠与所述氧化剂的用量比为40～400g：0.02～2.2mol。优选地，所述氧化剂为高碘酸钠水溶液、过氧化氢、高锰酸钾水溶液。优选地，所述稀酸溶液为硫酸、盐酸、磷酸、硝酸、醋酸。优选地，所述稀酸溶液的浓度为0.5～6.0mol/L，体积为正丙醇与氧化剂体积之和的4～24％。

本发明还提供了上述海藻酸钠基水凝胶的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

1、按重量份，将下述原料溶解于一定量的PBS溶液中：

氨基化海藻酸钠100～300mg，L-赖氨酸或L-精氨酸或L-鸟氨酸20～100mg，纳米四氧化三铁磁性粒子20～100mg；

2、将50～300mg氧化海藻酸钠溶解于一定量的硼砂溶液中；

3、将步骤1和步骤2得到的溶液混合并搅拌，在25～45℃下恒温反应0.5～24h，得海藻酸钠基水凝胶。

按上述方案，优选地，所述PBS溶液的pH值为7.4。

按上述方案，优选地，步骤1中所述PBS溶液与步骤2中所述的硼酸溶液的体积用量相等。

本发明反应原理如下：

1、反应原料氧化海藻酸钠的合成机理：

强氧化剂高碘酸钠的水溶液可以氧化邻二醇结构，使其成为醛或酮，海藻酸钠是由M单元和G单元按一定比例顺序键合而成，其糖醛单元具有顺式邻二醇结构，因此同样能再高碘酸钠、高锰酸钾的氧化作用下打开C-C键生成两个醛基，海藻酸钠可能的氧化机理如下所示：

2、原料氨基化海藻酸钠的合成机理：

在碳二亚胺盐酸盐存在的条件下，海藻酸钠上的羧基与乙二胺上得氨基反生成酰胺键，同时乙二胺上剩余一个氨基，从而在海藻酸钠上引入氨基，具体如下所示：

3、本发明海藻酸钠基水凝胶的制备机理

氧化海藻酸钠的醛基与氨基化海藻酸钠、L-赖氨酸或L-精氨酸或L-鸟氨酸的氨基反应生成酰胺键，在水凝胶中引入动态化学键，从而实现水凝胶的自愈合。同时，在制备过程中，引入纳米Fe₃O₄磁性粒子，使得到的水凝胶可被外界磁场吸引。

4、本发明中海藻酸钠分子量降解机理

在弱酸、60-90℃环境下，连接β-D-甘露糖醛酸(M单元)与α-L-古洛糖醛酸(G单元)的1-4糖苷键断裂，从而使海藻酸钠的分子量降低。海藻酸钠结构如下：

相比于现有技术，本发明的有益效果如下：

1、本发明提供的海藻酸钠基水凝胶具备良好的愈合能力。将所述海藻酸钠基水凝胶切开后拼合在一起，其能够在1～2分钟的时间内迅速依靠自身化学键重新连接为一个整体，且愈合后的水凝胶在37℃、pH＝7.4的磷酸缓冲盐溶液中2天可达溶胀平衡，溶胀率最高达到3.72。

2、本发明采用的基体为单一物质-海藻酸钠，原料易得，反应条件温和，易于实现。

3、本发明通过将水凝胶与纳米Fe₃O₄磁性粒子结合后，可通过改变外界磁场位置来引导水凝胶愈合。

4、现有技术中，海藻酸盐降解后的分子量仍较高，在体内较难排出，本发明在弱酸环境和较温和的反应条件下(较低的反应温度和较短的反应时间)，降低了海藻酸钠的分子量。

附图说明

图1为实施例1制得的海藻酸钠基水凝胶被切开后的照片；

图2为实施例1制得的海藻酸钠基水凝胶被切开后又愈合的照片。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和附图对本发明所述的技术方案做进一步的说明，如无特殊说明，下述原料均为市售获得。

实施例1

制备海藻酸钠基水凝胶，具体步骤如下：

1)制备氧化海藻酸钠:将5.0001g海藻酸钠加入到25mL正丙醇中,配成浓度为200g/L的海藻酸钠-正丙醇悬浮液,依次加入25ml 1.0mol/L的过氧化氢溶液、4ml 6.0mol/L的醋酸溶液，在8℃下避光搅拌反应2h后,加入5ml乙二醇反应30min,再加入0.7gNaCl，30min后结束反应。用透析袋将反应产物在去离子水中透析,一天换水两次,透析2天后冷冻干燥,得到氧化度为73.81％的氧化海藻酸钠。

2)制备接有氨基的海藻酸钠：将1.0002g(0.005mol)海藻酸钠100mL去离子水中,配成浓度为10g/L的海藻酸钠溶液，用1mol/L稀盐酸调节海藻酸钠溶液至pH＝5.25,90℃下加热3h,冷却至30℃后，加入2.5844g(0.013mol)碳二亚胺盐酸盐和0.9015g(0.008mol)N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)，30min后加入3.9g(0.034mol)己二胺，在45℃下搅拌反应6h后停止反应，将反应产物在去离子水中透析,一天换水两次,透析2天后冷冻干燥,得到接有氨基的海藻酸钠；

3)纳米四氧化三铁磁性粒子由下述方法制备得到：

称取8mmol柠檬酸三钠、8mmol FeCl₃·6H₂O、12mmol尿素置于锥形瓶中，用80ml蒸馏水进行磁力搅拌，直到完全溶解，再加入0.6g聚丙烯酞胺搅拌直到完全溶解，转移至100ml聚四氟乙烯内衬不锈钢高压釜，在200℃电热鼓风干燥箱中反应12h。待冷却到室温，去除上层清夜，进行离心分离，分别用馏水和无水乙醇离心洗涤2次，洗去未反应完全的原料，然后进行真空干燥烘干，再用滤膜筛分不同粒径的磁性粒子。取粒径集中分布在300nm的纳米四氧化三体磁性粒子，备用。

4)制备海藻酸钠基水凝胶:称取0.1000g步骤1)产物氧化海藻酸钠溶解在1ml硼砂溶液中；再称取0.1381g步骤2)产物带有氨基的氨基化海藻酸钠、0.0256g L-赖氨酸、0.0200g粒径集中分布在300nm的四氧化三铁磁性粒子溶解在1ml pH＝7.4的PBS溶液中；将前述两溶液混合搅拌后，于37℃下反应1h，得到海藻酸钠基水凝胶。

将本实施例制得的海藻酸钠基水凝胶切开后拼合在一起，1分钟后其能够依靠自身化学键重新连接为一个整体(切开后和拼合后的水凝胶分别见如图1、2)。将愈合后的水凝胶置于37℃、pH＝7.4的磷酸缓冲盐溶液中，2天后凝胶溶胀平衡，溶胀率为3.72。

实施例2

制备海藻酸钠基水凝胶，具体步骤如下：

1)制备氧化海藻酸钠:将2.5003g海藻酸钠加入到25mL正丙醇中，配成浓度为100g/L的海藻酸钠-正丙醇悬浮液，依次加入25ml 0.3mol/L的高碘酸钠水溶液、12ml 1.0mol/L的硫酸溶液，在15℃下避光搅拌反应6h后，加入5ml乙二醇反应30min，再加入0.7gNaCl，30min后结束反应。用透析袋将反应产物在去离子水中透析，一天换水两次，透析2天后冷冻干燥,得到氧化度为53.82％的氧化海藻酸钠；

2)制备接有氨基的海藻酸钠：将0.5002g(0.0025mol)海藻酸钠100mL去离子水中,配成浓度为50g/L的海藻酸钠溶液，用1mol/L稀盐酸调节海藻酸钠溶液pH＝4.05,70℃下加热1h,冷却至25℃后，加入1.2921g(0.007mol)碳二亚胺盐酸盐和0.4536g(0.003mol)1-羟基苯并三氮唑(HOBt),30min后加入1.9683g(0.017mol)己二酸二酰肼，在45℃下搅拌反应2h后停止反应，将反应产物在去离子水中透析,一天换水两次,透析2天后冷冻干燥,得到接有氨基的海藻酸钠；

3)制备海藻酸钠基水凝胶:称取0.3000g步骤一产物氧化海藻酸钠溶解在1ml硼砂溶液中；称取0.2742g步骤二产物带有氨基的氨基化海藻酸钠、0.0972g L-赖氨酸、0.0800g粒径集中分布在200nm的四氧化三铁磁性粒子(制备方法同实施例1中步骤3))，溶解在1ml pH＝7.4的PBS溶液中，两溶液混合搅拌后，于37℃下反应17h，得到海藻酸钠基水凝胶。

将本实施例制得的海藻酸钠基水凝胶切开后拼合在一起，2分钟后其能够依靠自身化学键重新连接为一个整体。将愈合后的水凝胶置于37℃、pH＝7.4的磷酸缓冲盐溶液中，2天后凝胶溶胀平衡，溶胀率为2.71。

实施例3

制备海藻酸钠基水凝胶，具体步骤如下：

1)制备氧化海藻酸钠:将1.0000g海藻酸钠加入到25mL正丙醇中，配成4％(w/v)的海藻酸钠-正丙醇悬浮液，依次加入25ml 0.1mol/L的高碘酸钠水溶液、6ml 4.0mol/L的稀盐酸溶液，在25℃下避光搅拌反应12h后，加入5ml乙二醇反应30min，再加入0.7gNaCl，30min后结束反应。用透析袋将反应产物在去离子水中透析，一天换水两次，透析2天后冷冻干燥,得到氧化度为36.64％的氧化海藻酸钠；

2)制备接有氨基的海藻酸钠:将2.0001g海藻酸钠(0.010mol)溶解在100mL去离子水中，配成2％(w/v)的海藻酸钠溶液，用1mol/L稀盐酸调节海藻酸钠溶液pH＝4.57，90℃下加热2h，冷却至21℃后，加入5.1723g(0.027mol)碳二亚胺盐酸盐和1.8124g(0.016mol)N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)，30min后加入7.8g(0.067mol)己二胺，在45℃下搅拌12h后停止反应，将反应产物在去离子水中透析，一天换水两次，透析2天后冷冻干燥，得到接有氨基的海藻酸钠；

3)制备海藻酸钠基水凝胶:称取0.2000g步骤1)产物氧化海藻酸钠溶解在1ml硼砂溶液中,依次称取0.2660g步骤2)产物带有氨基的氨基化海藻酸钠、0.0788g L-精氨酸、0.1000g粒径分布集中在300nm的四氧化三铁磁性粒子(制备方法同实施例1中步骤3))，溶解在1ml pH＝7.4的PBS溶液中，两溶液混合搅拌后，于25℃下反应24h，得到海藻酸钠基水凝胶。

将本实施例制得的海藻酸钠基水凝胶切开后拼合在一起，1分钟后其能够依靠自身化学键重新连接为一个整体。将愈合后的水凝胶置于37℃、pH＝7.4的磷酸缓冲盐溶液中，1天后凝胶溶胀平衡，溶胀率为2.35。

实施例4

制备海藻酸钠基水凝胶，具体步骤如下：

1)制备氧化海藻酸钠:将7.5004g海藻酸钠加入到25mL正丙醇中,配成浓度为300g/L的海藻酸钠-正丙醇悬浮液,依次加入25ml 2.0mol/L的高锰酸钾水溶液、6ml浓度为4.0mol/L的磷酸溶液，在37℃下避光搅拌反应24h后,加入5ml乙二醇反应30min，再加入0.7gNaCl，30min后结束反应。用透析袋将反应产物在去离子水中透析,一天换水两次,透析2天后冷冻干燥,得到氧化度为90.13％的氧化海藻酸钠；

2)制备接有氨基的海藻酸钠：将3.0001g(0.015mol)海藻酸钠100mL去离子水中,配成浓度为30g/L的海藻酸钠溶液，用1mol/L稀盐酸调节海藻酸钠溶液pH＝6.45,90℃下加热2h,冷却至30℃后，加入7.6081g(0.040mol)碳二亚胺盐酸盐和2.3015g(0.020mol)N-羟基琥珀酰亚胺(NHS),30min后加入10ml(0.149mol)乙二胺，在45℃下搅拌反应8h后停止反应，将反应产物在去离子水中透析,一天换水两次,透析2天后冷冻干燥,得到接有氨基的海藻酸钠；

3)制备海藻酸钠基水凝胶:称取0.2000g步骤一产物氧化海藻酸钠溶解在1ml硼砂溶液中,依次称取0.2561g步骤二产物带有氨基的氨基化海藻酸钠、0.0431g L-鸟氨酸、0.0401g粒径集中分布在200nm的四氧化三铁磁性粒子(制备方法同实施例1中步骤3))，溶解在1ml pH＝7.4的PBS溶液中，两溶液混合搅拌后，于45℃下反应0.5h，得到海藻酸钠基水凝胶。

将本实施例制得的海藻酸钠基水凝胶切开后拼合在一起，1分钟后其能够依靠自身化学键重新连接为一个整体。将愈合后的水凝胶置于37℃、pH＝7.4的磷酸缓冲盐溶液中，2天后凝胶溶胀平衡，溶胀率为3.61。

实施例5

制备海藻酸钠基水凝胶，具体步骤如下：

1)制备氧化海藻酸钠:将10.0003g海藻酸钠加入到25mL正丙醇中,配成浓度为400g/L的海藻酸钠-正丙醇悬浮液,依次加入25ml 1.2mol/L的高碘酸钠水溶液、8ml 2.0mol/L的稀硝酸溶液，在37℃下避光搅拌反应12h后,加入5ml乙二醇反应30min,再加入0.7gNaCl，30min后结束反应。用透析袋将反应产物在去离子水中透析,一天换水两次,透析2天后冷冻干燥,得到氧化度为52.69％的氧化海藻酸钠；

2)制备接有氨基的海藻酸钠：将2.5002g(0.0126mol)海藻酸钠100mL去离子水中,配成浓度为25g/L的海藻酸钠溶液，用1mol/L稀盐酸调节海藻酸钠溶液pH＝6.05,80℃下加热0.5h,冷却至45℃后，加入6.3401g(0.033mol)碳二亚胺盐酸盐和1.9186g(0.017mol)N-羟基琥珀酰亚胺(NHS),30min后加入9.7g(0.083mol)己二胺，在45℃下搅拌反应10h后停止反应，将反应产物在去离子水中透析,一天换水两次,透析2天后冷冻干燥,得到接有氨基的海藻酸钠；

3)制备海藻酸钠基水凝胶:称取0.1000g步骤一产物氧化海藻酸钠溶解在2ml硼砂溶液中,依次称取0.3656g步骤二产物带有氨基的氨基化海藻酸钠、0.1436g L-赖氨酸、0.0801g粒径集中分布在200nm的四氧化三铁磁性粒子(制备方法同实施例1中步骤3))，溶解在2ml pH＝7.4的PBS溶液中，两溶液混合搅拌后，于37℃下反应12h，得到海藻酸钠基水凝胶。

将本实施例制得的海藻酸钠基水凝胶切开后拼合在一起，2分钟后其能够依靠自身化学键重新连接为一个整体。将愈合后的水凝胶置于37℃、pH＝7.4的磷酸缓冲盐溶液中，2天后凝胶溶胀平衡，溶胀率为2.48。

上述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围或实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，可以对本发明的技术方案做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的修改或等同替换仍处于本发明创造的保护范围之内。