一种抗菌水凝胶材料及其制备方法与流程

文档序号：16528032发布日期：2019-01-05 10:30阅读：448来源：国知局

本发明涉及有机合成技术领域，尤其涉及一种抗菌水凝胶材料及其制备方法。

背景技术：

水凝胶是一种三维网状并可以保持一定水量的聚合物材料，具有粘弹性、亲水性、生物相容性以及响应性等特点，可应用于药物传递、伤口敷料、组织修复及体内植入材料等。其中，抗菌水凝胶在健康、医疗器械、食品工业以及个人卫生等领域都有潜在的应用前景。

目前，常见的制备抗菌水凝胶的方法大多是通过无机或者有机的抗菌剂和本体材料复合制备，例如含有纳米银的水凝胶和含有抗生素的水凝胶等，但是这种释放型的水凝胶具有污染环境、短期有效性等缺点。

另一种制备抗菌水凝胶的方法是通过在材料表面接枝抗菌分子或者引入小分子抗菌单体，然后利用聚合以及化学或者物理方法交联而成，这种本体抗菌材料具有无污染、作用持久和不会引起细菌抗性等优点，作为医用敷料应用具有明显优势。例如peng等(n.peng,y.wang,q.ye,l.liang,y.an,q.li,etal.,carbohydr.polym.，2016，137：59-64)利用季胺化的纤维素和纤维素本体通过化学交联制备抗菌型水凝胶，可以有效杀灭金黄色葡萄球菌。hicyilmaz等(a.s.hicyilmaz,a.k.seckin,i.cerkez，reactiveandfunctionalpolymers，2017，115：109-116)制备了2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸钠盐水凝胶材料并通过卤化作用使水凝胶具有抑制革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌的性能。

聚乙烯醇基多孔材料是一种十分重要的高分子材料，在涂料、薄膜和医用敷料领域具有重要的应用。例如，聚乙烯醇基海绵对人体安全无毒，在湿态下质地柔软强韧，具有较高的吸液量和快速吸液的特点，并且保湿透气、不粘伤口、促进伤口愈合，在医用敷料方面可用作引流条、吸血海绵等。利用聚乙烯醇基材料表面的羟基基团，通过化学反应可以对聚乙烯醇进行改性，从而赋予其更多的性质。例如，林志丹等(林志丹，张秀菊，宋英，张瑞杰，杨松宵，孙土春，温煦，暨南大学学报，2007，3(28)：283-287)以强度和吸水能力较高的pvf泡沫塑料为基材，在pva与甲醛缩醛化反应形成泡沫过程中加入分子链相互缠结的壳聚糖/pva共混液，共混液中的pva进一步与未完全反应的泡沫表面发生缩醛化反应，从而使其缠结的壳聚糖贴在泡沫内表面，最后形成海绵表面内贴壳聚糖的改性pvf泡沫塑料。近来，pan等(y.pan,w.wang,c.peng,k.shi,y.luo,x.ji，rscadvances，2014，4：660-666；y.pan,k.shi,c.peng,w.wangetal.,acsappliedmaterials&interface，2014，6(11)：42-45)以聚乙烯醇基多孔材料为基底材料，利用化学反应分别制备了一系列亲水、疏水、亲疏水可调的聚乙烯醇基多孔材料，深入研究其化学组成、表面性质、孔结构与材料吸收/吸附性能间的关联，得到性能优异的新型高效吸收/吸附材料，为其在相关领域的广泛应用奠定基础。同时，关于pva基材料的抗菌改性也有一些报道，大多集中在对pva的功能化改性、静电纺丝成膜以及水凝胶等方面。例如，alipour等(s.alipour,m.nouri,j.mokhtarietal.，carbohydrateresearch，2009，344：2496-2501)将季铵化改性的壳聚糖(cs)与pva配成混合溶液，利用静电纺丝的方法得到含有cs和cs衍生物的pva纤维垫，具有优良的抗菌性能，对革兰氏阳性菌(葡萄球菌)和革兰氏阴性菌(大肠杆菌)有很好的杀灭作用。nguyen等(t.nguyen,y.kim,h.song,b.leeetal.,journalofbiomedicalmaterialsresearchpartb-appliedbiomaterials，2011，96b(2)：225-233)利用微波辐照和静电纺丝相结合的方法制得负载银纳米粒子(agnps)的pva纤维垫，通过后期的热处理使agnps迁移到纤维表面，来增加材料的抗菌性能，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有很好的杀灭作用。juby等(k.a.juby,c.dwivedi,m.kumaretal.,carbohydratepolymers，2012，89：906-913)采用一种简单的一锅法合成负载agnps的pva-ga(阿拉伯树胶)水凝胶，利用60co-γ射线辐照，原位生成agnps并使pva与ga产生交联，制得的水凝胶对革兰氏阴性菌(大肠杆菌)有很好的杀灭作用。

然而，上述方案中，静电纺丝方法对实验设备要求较高，且不易大规模生产。关于对pva改性的研究较少，其原因可能是改性后的pva溶解性和成膜性能有所改变，不易调控。一般制备pva水凝胶大多是通过冻融循环等物理交联或者用化学交联的方法，并将抗菌剂混入到凝胶本体中，根据抗菌机理其属于释放型的抗菌材料，其不属于表面改性范畴，且抗菌作用不稳定也不够持久。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种抗菌水凝胶材料及其制备方法，采用本发明的制备方法制备的抗菌水凝胶材料的抗菌效果较优。同时，本发明的制备方法简单易行，条件可控，设备要求简单，可以大规模生产。

一种抗菌水凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：

在酸性条件下，将单体在氧化剂的存在下与聚乙烯醇缩醛泡沫材料进行接枝反应，得到抗菌水凝胶材料；

所述单体为甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵。

优选的，所述酸性条件由酸性水溶液提供；

所述酸性水溶液包括硝酸水溶液、盐酸水溶液和磷酸水溶液中的一种或几种；

所述酸性水溶液的浓度为0.01～1mol/l。

优选的，所述制备方法具体为：

将酸性水溶液、氧化剂的溶液、单体的溶液和聚乙烯醇缩醛泡沫材料混合，进行接枝反应，得到抗菌水凝胶材料。

优选的，所述混合在无氧的条件下进行；所述接枝反应在惰性气氛下进行。

优选的，所述氧化剂的溶液中，氧化剂与溶剂的用量比为0.17～2.04g：5～50ml；

所述单体的溶液中，单体与溶剂的用量比优选为0.5～6g：10～50ml。

优选的，所述聚乙烯醇缩醛泡沫材料为聚乙烯醇缩甲醛泡沫材料；

所述聚乙烯醇缩醛泡沫材料的孔隙率为80％～90％。

优选的，所述氧化剂包括焦磷酸锰、硝酸铈铵、硫酸铈铵和高氯酸铈中的一种或几种。

优选的，所述氧化剂与所述单体的质量比为1～4：2～8；

所述单体与聚乙烯醇缩醛泡沫材料的质量比为2～8：6。

优选的，所述接枝反应的温度为0～50℃；所述接枝反应的时间为3～48h。

本发明还提供了一种上文所述制备方法制备的抗菌水凝胶材料。

本发明提供了一种抗菌水凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：在酸性条件下，将单体在氧化剂的存在下与聚乙烯醇缩醛泡沫材料进行接枝反应，得到抗菌水凝胶材料；所述单体为甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵。本发明利用水溶性氧化-还原引发体系在聚乙烯醇缩醛泡沫上引入甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵，所得材料保持了聚乙烯醇缩醛泡沫材料本身所特有的孔道结构，同时还具有优异的抗菌性。现有技术中，虽然具有抗菌作用或可以改性成具有抗菌作用的单体有很多，但大多数都无法在pvf材料表面接枝，也就得不到抗菌水凝胶材料。本申请人创造性地发现，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵通过氧化还原引发自由基聚合在聚乙烯醇缩甲醛泡沫表面发生接枝反应，使得到的抗菌水凝胶材料具有优异的抗菌性。其中，引发剂包括氧化剂和还原剂，所述聚乙烯醇缩醛泡沫材料作为接枝改性的前体的同时，还作为还原剂，和所述氧化剂一起作为引发剂引发接枝反应。聚乙烯醇缩醛泡沫材料本身所特有的高孔隙率使得单体能与其网络结构中的活性位点充分作用并引发接枝聚合，同时，聚乙烯醇缩醛泡沫材料良好的力学性能确保其开孔结构在接枝后保持不变，从而保持了pvf原有的特点，丰富的孔结构更易吸附细菌并增加抗菌分子链和细菌的接触，因此，本发明制备的抗菌水凝胶材料的抗菌效果较优。另外，本发明提供的制备方法具有反应条件温和，方法简便易行的特点，且制备周期短，条件可控，设备要求简单，可以大规模生产。

实验结果表明，本发明制备的抗菌水凝胶材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率均在99.9％以上。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种抗菌水凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：

在酸性条件下，将单体在氧化剂的存在下与聚乙烯醇缩醛泡沫材料进行接枝反应，得到抗菌水凝胶材料；

所述单体为甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵。

在本发明中，所述酸性条件优选由酸性水溶液提供。所述酸性水溶液优选包括硝酸水溶液、盐酸水溶液和磷酸水溶液中的一种或几种。所述酸性水溶液的浓度优选为0.01～1mol/l。在本发明的某些实施例中，所述酸性水溶液的浓度为0.01mol/l或0.1mol/l。本发明对所述酸性水溶液的配制方法并无特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的溶液的配制方法即可。

优选的，所述制备方法具体为：

将酸性水溶液、氧化剂的溶液、单体的溶液和聚乙烯醇缩醛泡沫材料混合，进行接枝反应，得到抗菌水凝胶材料。

在本发明中，所述氧化剂优选包括焦磷酸锰、硝酸铈铵、硫酸铈铵和高氯酸铈中的一种或几种。所述氧化剂的溶液中的溶剂优选为硝酸溶液。所述硝酸溶液的浓度优选为0.01～0.1mol/l。在本发明的某些实施例中，所述硝酸溶液的浓度为0.01mol/l。所述氧化剂与溶剂的用量比优选为0.17～2.04g：5～50ml。在本发明的某些实施例中，所述氧化剂与溶剂的用量比为2.04g：20ml、3.06g：20ml、0.25g：20ml或0.35g：20ml。本发明对所述氧化剂的溶液的配制方法并无特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的溶液的配制方法即可。

所述单体为甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(dmc)。所述单体的溶液中的溶剂优选为硝酸溶液。所述硝酸溶液的浓度优选为0.01～0.1mol/l。在本发明的某些实施例中，所述硝酸溶液的浓度为0.01mol/l。所述单体与溶剂的用量比优选为0.5～6g：10～50ml。在本发明的某些实施例中，所述单体与溶剂的用量比为2g：20ml、3g：20ml、4g：20ml、6g：20ml、0.8g：20ml或1g：20ml。本发明对所述单体的溶液的配制方法并无特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的溶液的配制方法即可。

所述氧化剂与所述单体的质量比优选为1～4：2～8。在本发明的某些实施例中，所述氧化剂与所述单体的质量比为2.04：2、3.06：3、2.04：4、2.04：6、2.5：6或1.4：4。

所述聚乙烯醇缩醛泡沫材料优选为聚乙烯醇缩甲醛泡沫材料。所述聚乙烯醇缩醛泡沫材料的孔隙率优选为80％～90％。

所述单体与聚乙烯醇缩醛泡沫材料的质量比优选为2～8：6。在本发明的某些实施例中，所述单体与聚乙烯醇缩醛泡沫材料的质量比为2：6、3：6、4：6、6：6或4.8：6。

所述聚乙烯醇缩醛泡沫材料与所述酸性水溶液的用量比优选为1～6g：100～500ml。在本发明的某些实施例中，所述聚乙烯醇缩醛泡沫材料与所述酸性水溶液的用量比为6g：480ml或1g：100ml。

本发明将酸性水溶液、氧化剂的溶液、单体的溶液和聚乙烯醇缩醛泡沫材料混合，进行接枝反应，得到抗菌水凝胶材料。

所述混合优选在无氧的条件下进行。

在本发明的某些实施例中，所述混合为：

在无氧的条件下，先将酸性水溶液和聚乙烯醇缩醛泡沫材料混合，再加入氧化剂的溶液和单体的溶液。

所述接枝反应优选在惰性气氛下进行。所述惰性气氛优选由惰性气体提供。所述惰性气体优选为氮气或氩气。

所述接枝反应的温度优选为0～50℃。在本发明的某些实施例中，所述接枝反应的温度为20℃、25℃或30℃。所述接枝反应的时间优选为3～48h。在本发明的某些实施例中，所述接枝反应的时间为24h或48h。

所述接枝反应后，优选还包括：将所述接枝反应后的产物进行洗涤，得到抗菌水凝胶材料。

所述洗涤用于除去未反应的单体和金属盐离子。所述洗涤优选为：用蒸馏水和磷酸二氢钠溶液洗涤。本发明对所述洗涤的时间并无特殊的限制，可以根据实际情况进行确定。在本发明的某些实施例中，所述洗涤的时间为3d。

本发明提供的抗菌水凝胶材料的制备方法中，所述接枝反应后，无需进行水解反应，即可得到抗菌水凝胶材料。制备方法简单易行，条件可控，设备要求简单，可以大规模生产。

本发明对上述所采用的原料的来源并无特殊的限制，可以为一般市售。

本发明根据公式(1)计算所述接枝反应的接枝率：

gp＝(w1-w0)/w0×100(1)；

式(1)中，gp为接枝率，单位为％；

w0为接枝前聚乙烯醇缩醛泡沫材料的干重，单位为g；

w1为接枝后得到的改性聚乙烯醇缩醛泡沫材料的干重，单位为g。

计算结果表明，聚乙烯醇缩醛泡沫材料的接枝率在20％～80％，接枝率高达80％。

本发明根据公式(2)计算所述接枝反应的接枝效率：

ge＝(w1-w0)/w2×100(2)；

式(2)中，ge为接枝效率，单位为％；

w0为接枝前聚乙烯醇缩醛泡沫材料的干重，单位为g；

w1为接枝后得到的改性聚乙烯醇缩醛泡沫材料的干重，单位为g；

w2为加入单体的质量，单位为g。

计算结果表明，接枝反应的接枝效率在50％～90％之间。接枝效率说明的是单体反应的程度，接枝效率越高说明单体反应越完全。

本发明还提供了一种上文所述制备方法制备的抗菌水凝胶材料。

所述抗菌水凝胶材料的孔隙率优选为85％～95％。所述抗菌水凝胶材料的平均孔径为60～100μm。

本发明制备的抗菌水凝胶材料的抗菌效果较优，经检测可知，所述抗菌水凝胶材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率在99.9％以上。

本发明提供了一种抗菌水凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：在酸性条件下，将单体在氧化剂的存在下与聚乙烯醇缩醛泡沫材料进行接枝反应，得到抗菌水凝胶材料；所述单体为甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵。本发明利用水溶性氧化-还原引发体系在聚乙烯醇缩醛泡沫上引入甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵，所得材料保持了聚乙烯醇缩醛泡沫材料本身所特有的孔道结构，同时还具有优异的抗菌性。其中，引发剂包括氧化剂和还原剂，所述聚乙烯醇缩醛泡沫材料作为接枝改性的前体的同时，还作为还原剂，和所述氧化剂一起作为引发剂引发接枝反应。聚乙烯醇缩醛泡沫材料本身所特有的高孔隙率使得单体能与其网络结构中的活性位点充分作用并引发接枝聚合，同时，聚乙烯醇缩醛泡沫材料良好的力学性能确保其开孔结构在接枝后保持不变，从而保持了pvf原有的特点，丰富的孔结构更易吸附细菌并增加抗菌分子链和细菌的接触，因此，本发明制备的抗菌水凝胶材料的抗菌效果较优。另外，本发明提供的制备方法具有反应条件温和，方法简便易行的特点，且制备周期短，条件可控，设备要求简单，可以大规模生产。

实验结果表明，本发明制备的抗菌水凝胶材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率均在99.9％以上。

为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种抗菌水凝胶材料及其制备方法进行详细描述，但不能将其理解为对本发明保护范围的限定。

以下实施例中所用的原料均为一般市售。

实施例1

在1000ml两口烧瓶中，在无氧的条件下，加入480ml0.01mol/l硝酸水溶液和6g聚乙烯醇缩甲醛泡沫材料，然后，将2.04g硝酸铈铵和2g甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(dmc)分别溶于20ml0.01mol/l的硝酸溶液中，并加入到烧瓶中，在氮气的气氛下，于30℃反应24h，样品取出后用蒸馏水和磷酸二氢钠溶液洗涤3d，除去未反应的单体和铈盐离子，得到抗菌水凝胶材料。称量质量，根据公式(1)计算所述接枝反应的接枝率为20％。根据公式(2)计算所述接枝反应的接枝效率为60％。采用压汞仪测试得到抗菌水凝胶材料孔隙率为94.4％，平均孔径为60μm。