壳聚糖交联2，5‑呋喃二甲醛水凝胶的制备方法与流程

【技术领域】

本发明属于天然高分子材料领域，特别涉及壳聚糖交联2，5-呋喃二甲醛水凝胶的制备方法。

背景技术：

水凝胶是具有三维网络结构的聚合物，在水中能够吸收大量水分而溶胀，并在溶胀之后能够继续保持其原有结构而不被溶解。近年来对水凝胶的研究和开发工作异常活跃，尤其是对具有生物相容性水凝胶已成为研究热点并获得了许多喜人的成就，己广泛应用于细胞分离与培养、组织工程、固定化酶、药物的控制释放和靶向药物等生物医学领域

已知市场上常见的水凝胶可由诸如壳聚糖、淀粉以及聚乙烯醇多羟基类聚合物制备。其中，壳聚糖水凝胶被认为是可生物降解和生物相容，这增加了其用于医疗、制药、化妆品和组织构建领域的应用潜力。壳聚糖是商业可得的天然的高分子聚合物，见于诸如甲壳动物、虾、蟹、真茵等生物的细胞骨架和硬壳中，每年的生物合成量达1000亿吨，是除纤维素之外的又一大类重要多糖。壳聚糖具有优异的凝胶特性，通过壳聚糖分子链中基团的特殊静电力、亲疏水作用和氢键作用，能够与一些胶凝剂产生复合，形成能够保持大量水分的胶态物质，具有很强的吸湿、保湿性能及生物相容性。

虽然壳聚糖水凝胶具有优异的环境敏感性，但是它们在凝胶强度以及凝胶尺寸的稳定性均无法令人满意，可喜的是壳聚糖分子链上存在c-nh2和c-oh两种活性官能团，可通过双官能团化合物(如戊二醛等)进行修饰反应，增强其凝胶性能。其中戊二醛价格低廉，是最常见的壳聚糖交联剂，它可以与壳聚糖分子中的氨基发生反应生成具有双schiff碱的交联网络结构，从而极大地增加凝胶的机械强度和化学稳定性。但是戊二醛易使组织硬化、钙化，具有非常强的细胞毒性，会降低正常细胞的存活率和破坏大分子药物的完整性，这导致了使用戊二醛进行交联处理的生物组织在植入人体以后在一定程度上影响了受体正常组织的生长，进而影响了创口的愈合和功能的恢复。

2，5-呋喃二甲醛是5-羟甲基糠醛的氧化衍生物，具有与糠醛相似的结构，并具有两个活性－c＝o基团，是一种潜在的交联剂。其中，5-羟甲基糠醛可由廉价的、可再生的六碳糖、低聚糖、高聚糖等生物质原料催化脱水得到，是一种重要的化工中间体，在国际上被视为一种介于生物基糖化学和石油基化学之间的关键桥梁化合物。

目前，2，5-呋喃二甲醛可通过对5-羟甲基糠醛进行选择性氧化制备，具体过程需要先将更容易氧化的醛基保护起来，再对羟基进行氧化。最初研究人员主要是直接采用传统的氧化剂(kmno4、naclo等)进行氧化，但是该氧化反应选择性低。需要高温、高压、碱性环境以及有机溶剂的大量使用，容易对环境造成影响。此外，由于在2，5-呋喃二甲醛的制备过程中，因原料5-羟甲基糠醛的分离和纯化技术难关尚未得到有效解决，导致其价格昂贵，从而限制了其衍生物2，5-呋喃二甲醛的进一步研究及工业应用，因此直接由糖类化合物如果糖、葡萄糖以及蔗糖等生物质，通过“一锅法”酸解、氧化制备2，5-呋喃二甲醛，并在反应混合物未经分离的基础上，合成高附加值的2，5-呋喃二甲醛衍生物成为了解决该问题的有效途径。镧铌酸是一种具有钙钛矿结构的层状金属氧化物，它显示出比其他同类金属氧化物材料更强的br&onsted酸性，可以在水溶液体系中催化糖类化合物脱水分解。

技术实现要素：

为了克服现有技术所存在的问题，本发明提供了一种壳聚糖交联2，5-呋喃二甲醛水凝胶的制备方法，利用“一锅法”催化糖类化合物制备2，5-呋喃二甲醛，在反应产物混合溶液未经分离的条件下与壳聚糖发生反应，制备具有网络交联结构的高附加值的壳聚糖交联2，5-呋喃二甲醛水凝胶。本发明工艺简单，生产成本低，极具工业化生产潜力。

为解决上述问题，本发明所采用的技术方案是：壳聚糖交联2，5-呋喃二甲醛水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

(1)按重量份数计，将3～30份糖类化合物、0.2～1份金属盐以及100份去离子水倒入高压反应釜中，迅速密封后以300r/min的转速搅拌均匀，形成清澈的溶液；

(2)继续保持300r/min的搅拌速度，将二氧化碳和氧气的混合气体通入高压反应釜至釜内压力为0.2～0.5mpa，随后将高压反应釜的温度升至120～180℃，反应60～240min后停止反应，自然冷却至室温，反应溶液过0.45μm孔径的滤膜，即得澄清的降解混合液a；

(3)按重量份数计，将100份降解混合液a和1～2份氧化酶倒入高压反应器中，密封后抽真空，充入0.1～0.2mpa氮气，在温度为20～60℃、搅拌速度为300r/min的条件下反应6～12h，即得澄清的降解混合液b；

(4)按重量份数计，将100份降解混合液b和20～50份质量分数为2％的壳聚糖醋酸溶液放入反应器中，以300r/min的转速搅拌均匀后，用质量分数为2％的氢氧化钠溶液调节体系的ph值，然后升温至42℃，反应45min后即得水凝胶。

在本发明中，作为进一步说明，步骤(1)所述的糖类化合物为果糖、蔗糖、葡萄糖、淀粉以及纤维素中的任意一种，优选果糖和蔗糖。

在本发明中，作为进一步说明，步骤(1)所述的金属盐为镧铌酸钾。

进一步地，所述的镧铌酸钾具有片层结构，其化学式为klanb2o7。

在本发明中，作为进一步说明，步骤(2)所述的二氧化碳和氧气的混合气体中的二氧化碳和氧气的体积比为5～8：1。

在本发明中，作为进一步说明，步骤(3)所述的氧化酶为香蕉多酚氧化酶、苹果多酚氧化酶、水蜜桃多酚氧化酶以及龙眼多酚氧化酶中的任意一种，优选香蕉多酚氧化酶。

在本发明中，作为进一步说明，步骤(4)所述的壳聚糖为o-羧甲基壳聚糖、羟丙基壳聚糖以及壳聚糖季铵盐中的任意一种，优选o-羧甲基壳聚糖。

进一步地，所述的壳聚糖醋酸溶液中醋酸的浓度0.5～2wt％的醋酸溶液。

在本发明中，作为进一步说明，步骤(4)所述的ph值为7～10，优选ph值为7.2。

本发明具有以下有益效果：

1.2，5-呋喃二甲醛是由糖类化合物经由催化水解、定向氧化生成的一种重要平台化合物，但因该反应存在众多副反应，导致2，5-呋喃二甲醛的分离纯化变得异常复杂而难以现实资源化利用。本发明直接以未经分离纯化的糖类化合物脱水反应、酶催化氧化后的混合液作为2，5-呋喃二甲醛来源与壳聚糖发生缩合反应制备壳聚糖-5-羟甲基糠醛组合物，制备具有网络交联结构的壳聚糖交联2，5-呋喃二甲醛水凝胶，通过避免2，5-呋喃二甲醛繁杂的分离步骤，得到高附加值的水凝胶产品，具有较高的利润空间。

2.在本发明整个的工艺流程中，均没有涉及使用有机溶剂，可以有效降低成本，且更符合绿色化学的目标。

3.2，5-呋喃二甲醛是一个具有活性羟基的呋喃环刚性小分子。相对壳聚糖交联戊二醛类常见的水凝胶，壳聚糖交联2，5-呋喃二甲醛水凝胶的壳聚糖分子链将具有较大的间距和较低分子链缠绕度。故一些诸如水分子、金属盐等活性化合物可以更加容易的与壳聚糖交联2，5-呋喃二甲醛水凝胶发生相互作用，这对增加其诸如水化度、及金属配合能力、机械强度等性质是有利的。

【附图说明】

图1是实施例1中壳聚糖交联2，5-呋喃二甲醛水凝胶的扫描电镜图；

图2是实施例1中降解液的高效液相色谱图；

图3是实施例1中镧铌酸钾的扫描电镜图。

图2中字符含义的说明：hmf为5-羟甲基糠醛，dff为2，5-呋喃二甲醛，fdca为2，5-呋喃二甲酸。

【具体实施方式】

实施例1：

壳聚糖交联2，5-呋喃二甲醛水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

(1)按重量份数计，将6份果糖、0.4份镧铌酸钾以及100份去离子水倒入高压反应釜中，迅速密封后以300r/min的转速搅拌均匀，形成清澈的溶液；

(2)继续保持300r/min的搅拌速度，将二氧化碳和氧气的混合气体通入高压反应釜至釜内压力为0.35mpa，其中二氧化碳和氧气的混合气体中的二氧化碳和氧气的体积比为6：1，随后将高压反应釜的温度升至150℃，反应90min后停止反应，自然冷却至室温，反应溶液过0.45μm孔径的滤膜，即得澄清的降解混合液a；

(3)按重量份数计，将100份降解混合液a和1.8份香蕉多酚氧化酶倒入高压反应器中，密封后抽真空，充入0.15mpa氮气，在温度为25℃、搅拌速度为300r/min的条件下反应12h，即得澄清的降解混合液b；

(4)按重量份数计，将100份降解混合液b和50份质量分数为2％的壳聚糖醋酸溶液放入反应器中，其中的壳聚糖为o-羧甲基壳聚糖，以300r/min的转速搅拌均匀后，用质量分数为2％的氢氧化钠溶液调节体系的ph值为7.2，然后升温至42℃，反应45min后即得水凝胶。

经检测，所得壳聚糖交联2，5-呋喃二甲醛水凝胶的溶胀度为897.32％。

实施例2：

壳聚糖交联2，5-呋喃二甲醛水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

(1)按重量份数计，将25份葡萄糖、0.5份镧铌酸钾以及100份去离子水倒入高压反应釜中，迅速密封后以300r/min的转速搅拌均匀，形成清澈的溶液；

(2)继续保持300r/min的搅拌速度，将二氧化碳和氧气的混合气体通入高压反应釜至釜内压力为0.45mpa，其中二氧化碳和氧气的混合气体中的二氧化碳和氧气的体积比为8：1，随后将高压反应釜的温度升至180℃，反应60min后停止反应，自然冷却至室温，反应溶液过0.45μm孔径的滤膜，即得澄清的降解混合液a；

(3)按重量份数计，将100份降解混合液a和1.3份苹果多酚氧化酶倒入高压反应器中，密封后抽真空，充入0.2mpa氮气，在温度为60℃、搅拌速度为300r/min的条件下反应12h，即得澄清的降解混合液b；

(4)按重量份数计，将100份降解混合液b和50份质量分数为2％的壳聚糖醋酸溶液放入反应器中，其中的壳聚糖为羟丙基壳聚糖，以300r/min的转速搅拌均匀后，用质量分数为2％的氢氧化钠溶液调节体系的ph值为9，然后升温至42℃，反应45min后即得水凝胶。

经检测，所得壳聚糖交联2，5-呋喃二甲醛水凝胶的溶胀度为521.2％。

实施例3：

壳聚糖交联2，5-呋喃二甲醛水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

(1)按重量份数计，将3份淀粉、0.2份镧铌酸钾以及100份去离子水倒入高压反应釜中，迅速密封后以300r/min的转速搅拌均匀，形成清澈的溶液；

(2)继续保持300r/min的搅拌速度，将二氧化碳和氧气的混合气体通入高压反应釜至釜内压力为0.5mpa，其中二氧化碳和氧气的混合气体中的二氧化碳和氧气的体积比为5：1，随后将高压反应釜的温度升至160℃，反应240min后停止反应，自然冷却至室温，反应溶液过0.45μm孔径的滤膜，即得澄清的降解混合液a；

(3)按重量份数计，将100份降解混合液a和2份龙眼多酚氧化酶倒入高压反应器中，密封后抽真空，充入0.15mpa氮气，在温度为40℃、搅拌速度为300r/min的条件下反应6h，即得澄清的降解混合液b；

(4)按重量份数计，将100份降解混合液b和30份质量分数为2％的壳聚糖醋酸溶液放入反应器中，其中的壳聚糖为壳聚糖季铵盐，以300r/min的转速搅拌均匀后，用质量分数为2％的氢氧化钠溶液调节体系的ph值为7，然后升温至42℃，反应45min后即得水凝胶。

经检测，所得壳聚糖交联2，5-呋喃二甲醛水凝胶的溶胀度为447.48％。

实施例4：

壳聚糖交联2，5-呋喃二甲醛水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

(1)按重量份数计，将30份纤维素、0.8份镧铌酸钾以及100份去离子水倒入高压反应釜中，迅速密封后以300r/min的转速搅拌均匀，形成清澈的溶液；

(2)继续保持300r/min的搅拌速度，将二氧化碳和氧气的混合气体通入高压反应釜至釜内压力为0.3mpa，其中二氧化碳和氧气的混合气体中的二氧化碳和氧气的体积比为6：1，随后将高压反应釜的温度升至150℃，反应140min后停止反应，自然冷却至室温，反应溶液过0.45μm孔径的滤膜，即得澄清的降解混合液a；

(3)按重量份数计，将100份降解混合液a和1.3份苹果多酚氧化酶倒入高压反应器中，密封后抽真空，充入0.1mpa氮气，在温度为35℃、搅拌速度为300r/min的条件下反应10h，即得澄清的降解混合液b；

(4)按重量份数计，将100份降解混合液b和20份质量分数为2％的壳聚糖醋酸溶液放入反应器中，其中的壳聚糖为羟丙基壳聚糖，以300r/min的转速搅拌均匀后，用质量分数为2％的氢氧化钠溶液调节体系的ph值为7，然后升温至42℃，反应45min后即得水凝胶。

经检测，所得壳聚糖交联2，5-呋喃二甲醛水凝胶的溶胀度为510.28％。

实施例5：

壳聚糖交联2，5-呋喃二甲醛水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

(1)按重量份数计，将25份淀粉、1份镧铌酸钾以及100份去离子水倒入高压反应釜中，迅速密封后以300r/min的转速搅拌均匀，形成清澈的溶液；

(2)继续保持300r/min的搅拌速度，将二氧化碳和氧气的混合气体通入高压反应釜至釜内压力为0.2mpa，其中二氧化碳和氧气的混合气体中的二氧化碳和氧气的体积比为7：1，随后将高压反应釜的温度升至140℃，反应120min后停止反应，自然冷却至室温，反应溶液过0.45μm孔径的滤膜，即得澄清的降解混合液a；

(3)按重量份数计，将100份降解混合液a和1.7份水蜜桃多酚氧化酶倒入高压反应器中，密封后抽真空，充入0.14mpa氮气，在温度为50℃、搅拌速度为300r/min的条件下反应8h，即得澄清的降解混合液b；

(4)按重量份数计，将100份降解混合液b和40份质量分数为2％的壳聚糖醋酸溶液放入反应器中，其中的壳聚糖为壳聚糖季铵盐，以300r/min的转速搅拌均匀后，用质量分数为2％的氢氧化钠溶液调节体系的ph值为10，然后升温至42℃，反应45min后即得水凝胶。

经检测，所得壳聚糖交联2，5-呋喃二甲醛水凝胶的溶胀度为674.97％。

实施例6：

壳聚糖交联2，5-呋喃二甲醛水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

(1)按重量份数计，将18份蔗糖、1份镧铌酸钾以及100份去离子水倒入高压反应釜中，迅速密封后以300r/min的转速搅拌均匀，形成清澈的溶液；

(2)继续保持300r/min的搅拌速度，将二氧化碳和氧气的混合气体通入高压反应釜至釜内压力为0.3mpa，其中二氧化碳和氧气的混合气体中的二氧化碳和氧气的体积比为5：1，随后将高压反应釜的温度升至120℃，反应60min后停止反应，自然冷却至室温，反应溶液过0.45μm孔径的滤膜，即得澄清的降解混合液a；

(3)按重量份数计，将100份降解混合液a和1份龙眼多酚氧化酶倒入高压反应器中，密封后抽真空，充入0.15mpa氮气，在温度为50℃、搅拌速度为300r/min的条件下反应7h，即得澄清的降解混合液b；

(4)按重量份数计，将100份降解混合液b和45份质量分数为2％的壳聚糖醋酸溶液放入反应器中，其中的壳聚糖为o-羧甲基壳聚糖，以300r/min的转速搅拌均匀后，用质量分数为2％的氢氧化钠溶液调节体系的ph值为8，然后升温至42℃，反应45min后即得水凝胶。

经检测，所得壳聚糖交联2，5-呋喃二甲醛水凝胶的溶胀度为573.57％。

实施例7：

壳聚糖交联2，5-呋喃二甲醛水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

(1)按重量份数计，将3份果糖、0.3份镧铌酸钾以及100份去离子水倒入高压反应釜中，迅速密封后以300r/min的转速搅拌均匀，形成清澈的溶液；

(2)继续保持300r/min的搅拌速度，将二氧化碳和氧气的混合气体通入高压反应釜至釜内压力为0.32mpa，其中二氧化碳和氧气的混合气体中的二氧化碳和氧气的体积比为8：1，随后将高压反应釜的温度升至170℃，反应150min后停止反应，自然冷却至室温，反应溶液过0.45μm孔径的滤膜，即得澄清的降解混合液a；

(3)按重量份数计，将100份降解混合液a和2份香蕉多酚氧化酶倒入高压反应器中，密封后抽真空，充入0.15mpa氮气，在温度为20℃、搅拌速度为300r/min的条件下反应11h，即得澄清的降解混合液b；

(4)按重量份数计，将100份降解混合液b和28份质量分数为2％的壳聚糖醋酸溶液放入反应器中，其中的壳聚糖为羟丙基壳聚糖，以300r/min的转速搅拌均匀后，用质量分数为2％的氢氧化钠溶液调节体系的ph值为9，然后升温至42℃，反应45min后即得水凝胶。

经检测，所得壳聚糖交联2，5-呋喃二甲醛水凝胶的溶胀度为682.18％。

上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。