一种制备超高强度明胶或胶原基复合水凝胶的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于复合水凝胶技术领域，具体涉及一种制备超高强度明胶或胶原基复合水凝胶的方法。
【背景技术】
[0002]水凝胶是一类具有强亲水性，但在水中不能溶解只能发生溶胀的材料，是自然界普遍存在的一种物质形态。高分子水凝胶是由高分子的三维交联网络与溶液所组成的多元体系，在水中可保持一定形状和三维空间网络结构。从微观尺度上看，高分子水凝胶具有三维网络结构，由于水合作用，高分子链中的亲水性基团将水分子束缚在三维网络结构中，从而赋予了高分子水凝胶良好的保水性能，同时水难以从水凝胶网络中挤压出来。人体除了牙齿和骨头以外，都是由生物软组织构成的，研究与生物软组织的结构和性能相似的高分子水凝胶材料具有重要的科学意义和应用价值。例如，高分子水凝胶在组织工程支架中具有重要的应用前景。水凝胶用作组织工程支架材料时，需要能承受足够的应用而不被破坏。然而，大多数水凝胶都较脆，其断裂能为10 J/m2左右，而软骨的断裂能为1000 J/m2左右，两者之间尚存在较大差距。近年来，如何提高高分子水凝胶的强度成为许多研究者关注的问题。
【发明内容】
[0003]本发明目的在于克服现有技术缺陷，提供一种高强度明胶或胶原基复合水凝胶的制备方法。
[0004]为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
一种制备超高强度明胶或胶原基复合水凝胶的方法，其包括如下步骤:
1)对纤维素进行微纤化处理，获得MFC悬浮液(即微纤化纤维素悬浮液)；
2)用高碘酸盐对MFC悬浮液进行氧化处理，氧化处理结束后，用去离子水透析1一 3天以去除未反应完的高碘酸盐，获得双醛MFC悬浮液；
3)制备双醛MFC/明胶复合水凝胶或双醛MFC/胶原复合水凝胶:
将双醛MFC悬浮液与明胶混匀，然后于30 - 50°C、pH 7-9下反应1 一 3 h，获得双醛MFC/明胶复合水凝胶；
或者将双醛MFC悬浮液进行冷冻干燥获得双醛MFC海绵，然后将双醛MFC海绵加入到胶原醋酸溶液中，在37°C、pH 7.4的条件下反应1 一 3 h，获得双醛MFC/胶原复合水凝胶。
[0005]进一步优选，步骤1)中，微纤化处理具体为:将纤维素与水按质量比(1 - 10):(90 — 99)混合后，加入高压均质机中，于500 — 1500 bar下均质10 — 30次，然后离心浓缩，获得MFC含量为1 一 6wt%的MFC悬浮液。
[0006]步骤2)中，氧化处理具体为:将高碘酸钠加入到MFC悬浮液中，室温下避光搅拌36 - 48 h ;其中，MFC悬浮液以MFC干重计，高碘酸钠与MFC的质量比为1 一 9:10。如高碘酸钠与MFC的质量比可以为1:10、3:10、5:10、7:10、9:10等。
[0007]步骤3)中，双醛MFC悬浮液以双醛MFC干重计，双醛MFC添加量占双醛MFC与明胶或胶原两者质量总和的0.1-40%ο
[0008]上述双醛MFC/明胶复合水凝胶与双醛MFC/胶原复合水凝胶的制备过程略有不同:
由于明胶可以溶解在温水中，因此在制备双醛MFC/明胶复合水凝胶时，可以将明胶颗粒直接加入到双醛MFC悬浮液中，使明胶溶解后与双醛MFC发生反应。但是胶原却不能溶解在水中，因此是将胶原首先溶解在醋酸溶液中获得胶原醋酸溶液，再将双醛MFC悬浮液经过冷冻干燥制成双醛MFC海绵，然后将双醛MFC海绵加入胶原醋酸溶液中，使双醛MFC与胶原发生反应。由于胶原超过40°C会发生变性，失去作为生物材料所必需的生活活性，因此反应在37°C进行。同样为了保留胶原的生物活性，反应体系的pH限定为7.4。
[0009]MFC悬浮液可以由机械法(如高压均质法、高速研磨法、高速搅拌法等)制备的。双醛MFC是由微晶纤维素经过高压均质的方法(采用的压力为500 — 1500 bar、均质次数为10 - 30次)先制得直径为纳米级且具有三维网络状结构的微纤化纤维素MFC (纳米纤维素)，然后再用高碘酸盐对其进行氧化，制得双醛MFC。双醛MFC与明胶或胶原发生化学反应，使整个复合水凝胶体系形成具有巨大网络结构的水凝胶。
[0010]纤维素是自然界最为丰富的可再生高分子资源，其来源丰富且价格低廉，具有无污染、易生物降解等优点。纤维素具有多级的聚集态结构。一根纤维是由若干根微纤维组成的，一根微纤维又是由若干根纤维素分子链平行排列而成。采用适当的方法(如酸水解法、酶水解法和机械分离法)可以分离出纤维素中的纳米级微纤维，其中，机械分离法不引入污染性化学物质，是环境友好的物理方法。用机械分离法中的高压均质法对纤维素进行微纤化，可以制备出直径在几十纳米，长径比非常大的微纤化纤维素(也称为纳米纤维素，MFC)，并且这些MFC并不断裂，而是形成相互连接的网络结构。巨大的表面积和精细的网络结构使纳米纤维素可以充分发挥出纤维素优异的力学性能，使其成为一种优良的增强剂。MFC的纤维素分子链上有数量众多的羟基基团，可以方便地对其改性。例如，可以对MFC进行氧化，将其中的部分羟基基团转变为醛基基团，从而制备出具有新的化学官能团的双醛MFC。[0011 ] 将自身就具有网络结构的双醛MFC与明胶或胶原进行复合，制备双醛MFC/明胶复合水凝胶或双醛MFC/胶原复合水凝胶，在此过程中，双醛MFC上的醛基基团可以与明胶或胶原分子链上的氨基基团发生化学反应，使MFC在起到增强剂作用的同时又起到交联剂的作用，使整个双醛MFC/明胶复合水凝胶或双醛MFC/胶原复合水凝胶成为一个巨大的网络，从而使明胶基或胶原基复合水凝胶的机械强度得到极大提高。
[0012]和现有技术相比，本发明的有益效果:
本发明方法中的主要原料(纤维素、明胶和胶原)均来源于天然高分子材料，具有来源广泛、生物相容性好、可生物降解等优点，且制备步骤简单、无毒无害、安全性高。MFC具有三维网络状结构和较高的机械强度，经氧化后在纳米MFC分子链上引入醛基基团，醛基与明胶或胶原发生化学反应，使双醛MFC既起到增强剂作用又起到交联剂作用，使明胶或胶原基复合水凝胶的机械强度得到大幅度提高。
【附图说明】
[0013]图1为不同组成成分的复合支架材料扫描电镜图；图中，a为纯明胶、b为MFC/明胶，C为双醛MFC/明胶；从图中可以看出:三者均能形成多孔结构；纯明胶中，孔直径为50 - 200 μ m ;加入MFC和双醛MFC后，体系中的孔呈扁平状，直径减小，孔洞变得密集；
图2为不同组成成分复合水凝胶的数码照片图；从图中可以看出:纯明胶水凝胶由于强度较低，从模具中剥离时易发生破碎，导致凝胶表面出现裂痕;MFC和双醛MFC的加入使体系弹性增加，脆性减小，因此复合水凝胶表面光滑，没有裂痕；
图3为不同组成成分水凝胶的压缩强度；
图4为采用本发明方法制备的不同双醛MFC含量的双醛MFC/明胶基复合水凝胶的压缩强度；
图5为采用本发明方法制备的不同氧化度的双醛MFC/明胶基复合水凝胶的压缩强度。
【具体实施方式】
[0014]以下结合实施例对本发明的技术方案作进一步地详细介绍，但本发明的保护范围并不局限于此。
[0015]下述实施例中，所使用的微晶纤维素均经以下预处理:取20 g微晶纤维素、40 gNaOH和340 g水加入烧杯，在60°C水浴下搅拌2 h，目的在于使纤维在NaOH的作用下溶胀、活化，以利于高压均质时纤维素发生微纤化。碱处理后抽滤，然后用去离子水充分洗涤至中性，悬浮液可用于高压均质。
[0016]实施例1
一种制备超高强度明胶基复合水凝胶的方法，其包括如下步骤:
1)取20g微晶纤维素，加蒸馏水稀释至1000 mL，转入到高压均质机中，在1000 bar下均质25次，离心，去除部分上清液后，获得MFC含量为2.56wt%的MFC悬浮液；
2)将8.96 g高碘酸钠加入到500 g MFC悬浮液中，室温下避光搅拌36 h，然后用去离子水透析2天，静置去除部分上层清液后，获得固含量为3.49 %的双醛MFC悬浮液；
3)取25.27 g双醛MFC悬浮液，加入25.61 g蒸馏水以使水的质量补足为50 g，在40°C水浴下搅拌均匀；然后加入5 g明胶(以使明胶的质量浓度为10%)，在40°C和pH为7.4的条件下搅拌反应2 h，采用超声振荡器对混合液进行排气泡，然后将混合液倒入模具中，室温冷却12 h形成凝胶，获得双醛MFC/明胶复合水凝胶，双醛MFC的含量为15wt%。