一种增强改性羧甲基壳聚糖水凝胶的制备方法与流程

本发明涉及一种增强改性羧甲基壳聚糖水凝胶的制备方法及其应用，属于高分子材料改性及其应用技术领域。

背景技术：

水凝胶是由亲水性聚合物构成的三维网络结构与溶剂水组成的呈溶胀状态的体系，介于液体和固体之间,既有固体的稳定性，又具有一定的柔顺性和弹性，能够在水中溶胀并且保持大量水分而又不溶解，也不能熔融，小分子物质能在其中扩散或进行交换，因而被广泛应用于药物控制释放、固定化酶、生物材料培养提纯、医用敷料等领域。

壳聚糖是甲壳素的脱乙酰基产物,是自然界中仅次于纤维素的第二大生物资源，是自然界存在的唯一的阳离子氨基多糖，表现出多种独特的生物活性和功能，包括无毒性、可生物降解性、无免疫原性、抗肿瘤活性、生物粘附性、生物相容性、广谱抗菌性、环境友好性、可再生性及其多功能反应性。

羧甲基壳聚糖是壳聚糖的衍生物，它具有优良的增稠性、分散性、絮凝性等。羧甲基壳聚糖既保留了壳聚糖的优点，又极大地改善了水溶性，并可以在任何ph溶液内溶解，且无毒、生物相容性好，这些丰富而独特的功能性质使羧甲基壳聚糖在许多领域中得到了很好的应用。

虽然由壳聚糖及其衍生物制备的水凝胶在医用领域有广泛的用途，但是该材料目前尚存的缺陷在于：制成品的强度不够，膜的力学性能差，脆性较大，吸收渗液能力不强，因此需要增强改性。以往虽然有些文献报道羧甲基壳聚糖的增强改性，但是往往方法复杂、条件苛刻、制备难度高、产物脆性大，作为贴在皮肤上的医用敷料使用性能不好。

技术实现要素：

针对壳聚糖及其衍生物制备的水凝胶目前存在的问题，本发明提供一种增强改性羧甲基壳聚糖水凝胶的制备方法，将3-氨丙基多面体低聚倍半硅氧烷与羧甲基壳聚糖在水溶液中直接反应，再选择水溶性高分子交联剂聚乙二醇二缩水甘油醚，将羧甲基壳聚糖交联制备水凝胶。同时通过3-氨丙基多面体低聚倍半硅氧烷中的氨基与交联剂中环氧基团的反应，使3-氨丙基多面体低聚倍半硅氧烷与羧甲基壳聚糖共价相连，均匀分布在羧甲基壳聚糖水凝胶体系中，从而对其增强改性。

在具体方法中，

步骤1)：将去离子水、乙醇、乙腈和四乙基氢氧化铵的混合溶液缓慢加入到3-氨丙基三乙氧基硅烷中，室温下搅拌，油浴升温至55℃，反应30h后降温至20℃，加入反应液体积4倍的四氢呋喃，在10℃温度下密封静置沉淀一夜，过滤，产物在40℃下烘干48h，研磨，过筛，得到粉末状3-氨丙基多面体低聚倍半硅氧烷；

步骤2)：将羧甲基壳聚糖粉末溶解在去离子水中，水浴加热，搅拌反应，得到粘稠羧甲基壳聚糖溶液，备用；

步骤3)：将聚乙二醇二缩水甘油醚溶解在去离子水中，温水加热，搅拌反应，得到聚乙二醇二缩水甘油醚溶液，备用；

步骤4)：在玻璃容器中加入羧甲基壳聚糖溶液，再将上述粉末状3-氨丙基多面体低聚倍半硅氧烷缓缓加入到羧甲基壳聚糖溶液中，搅拌1.5h，观察到溶液完全均匀后，滴加上述聚乙二醇二缩水甘油醚溶液，25℃继续搅拌30min，将溶液转入模具中，置于电热恒温干燥箱中，恒温反应后取出，得到增强改性羧甲基壳聚糖水凝胶。

在一种实施例中，步骤1中，所述去离子水、乙醇、乙腈和四乙基氢氧化铵的体积比为25：10：2：1.2；所述3-氨丙基三乙氧基硅烷与去离子水的体积比为2：1～1.5。

在一种实施例中，步骤2中，所述水浴温度为35℃，搅拌时间为8h。

在一种实施例中，步骤2中，所述羧甲基壳聚糖溶液的质量百分浓度为4％。

在一种实施例中，步骤3中，所述水浴温度为35℃，搅拌时间为40min。

在一种实施例中，步骤3中，所述聚乙二醇二缩水甘油醚溶液的质量百分浓度为10％。

在一种实施例中，步骤4中，所述粉末状3-氨丙基多面体低聚倍半硅氧烷与羧甲基壳聚糖溶液中所含羧甲基壳聚糖质量比为1:4.4～8.0。

在一种实施例中，步骤4中，所述羧甲基壳聚糖溶液与聚乙二醇二缩水甘油醚溶液的体积比为100:3～9。

在一种实施例中，步骤4中，所述恒温反应的温度为50℃，反应时间为1h。

本发明的另一个目的是提供一种增强改性羧甲基壳聚糖水凝胶的应用，按上述任一种增强改性羧甲基壳聚糖水凝胶的制备方法所得的改性水凝胶，将改性水凝胶置于去离子水中溶胀24小时，取出剪裁成所需尺寸作为医用敷料。

本发明的有益效果：

1.通过3-氨丙基多面体低聚倍半硅氧烷中的氨基与交联剂中环氧基团的反应，使3-氨丙基多面体低聚倍半硅氧烷与羧甲基壳聚糖共价相连，均匀分布在羧甲基壳聚糖水凝胶体系中，从而增强水凝胶的力学性能和热稳定性。

2.选用高分子交联剂聚乙二醇二缩水甘油醚，使所得羧甲基壳聚糖水凝胶具有较好的柔顺性，克服了脆性，作为医用敷料，使用性能增强。

3.交联剂中的环氧基团与羧甲基壳聚糖的氨基和3-氨丙基多面体低聚倍半硅氧烷中的氨基反应容易，一步法得到水凝胶，合成工艺更具有工业化实用价值。

4.选用高分子交联剂聚乙二醇二缩水甘油醚,克服了小分子交联剂例如戊二醛等的毒性。

附图说明

图1为实施例1-4所得增强改性羧甲基壳聚糖水凝胶的红外谱图；

图2为实施例1-4所得增强改性羧甲基壳聚糖水凝胶的热重分析图；

图3为实施例1-4所得增强改性羧甲基壳聚糖水凝胶的差热式扫描量热分析；

图4为实施例1-4所得增强改性羧甲基壳聚糖水凝胶的拉伸强度；

图5为实施例3及实施例5-8所得增强改性羧甲基壳聚糖水凝胶的断裂伸长率变化；

图6为实施例1所得增强改性羧甲基壳聚糖水凝胶在去离子水中溶胀24h的变化图。

具体实施方式

实施例1

步骤1)：3-氨丙基多面体低聚倍半硅氧烷的合成：量取3-氨丙基三乙氧基硅烷50ml加入到250ml反应瓶中，再将25ml去离子水、10ml乙醇、2ml乙腈和1.2ml四乙基氢氧化铵依次加入到反应瓶中，室温下用磁力搅拌器搅拌使溶液充分混合，将温度升至55℃，在油浴条件下反应30小时后降温至20℃,将样品倾倒在大烧杯中，倒入反应液体积4倍的四氢呋喃，密封在10℃温度下静置沉淀一夜，过滤得到白色固体产物，将产物在40℃真空干燥箱中烘干48h，取出用研钵研磨粉碎，用100目筛子过筛，得到粉末状3-氨丙基多面体低聚倍半硅氧烷，代号为apos。

步骤2)：羧甲基壳聚糖(cs)溶液的配制：将羧甲基壳聚糖粉末4g溶解在96g去离子水中，在35℃恒温水浴锅内，用jj-1型增力电动搅拌器搅拌8h，得到质量百分浓度为4％的羧甲基壳聚糖溶液，备用；

步骤3)：聚乙二醇二缩水甘油醚溶液的配制：将聚乙二醇二缩水甘油醚(epeg)10g溶解在90g去离子水中，在35℃恒温水浴锅内，磁力搅拌40分钟，得到质量浓度为10％的聚乙二醇二缩水甘油醚溶液，备用；

步骤4)：增强改性羧甲基壳聚糖水凝胶的制备：将上述粉末状3-氨丙基多面体低聚倍半硅氧烷0.5g加入到盛有100ml质量浓度为4％的羧甲基壳聚糖溶液中，用jj-1型增力电动搅拌器搅拌1.5小时，观察到溶液完全均匀后，添加质量浓度为10％的聚乙二醇二缩水甘油醚溶液7ml，25℃下继续搅拌30分钟，将溶液转入模具中，置于电热恒温干燥箱中，设置温度为50℃，反应1h后取出，得到增强改性羧甲基壳聚糖水凝胶，编号为csap-1。

实施例2

同实施例1，但是改变步骤4)中3-氨丙基多面体低聚倍半硅氧烷用量为0.7g，其余操作相同，得到增强改性羧甲基壳聚糖水凝胶，编号为csap-2。

实施例3

同实施例1，但是改变步骤4)中3-氨丙基多面体低聚倍半硅氧烷用量为0.8g，其余操作相同，得到增强改性羧甲基壳聚糖水凝胶，编号为csap-3。

实施例4

同实施例1，但是改变步骤4)中3-氨丙基多面体低聚倍半硅氧烷用量为0.9g，其余操作相同，得到增强改性羧甲基壳聚糖水凝胶，编号为csap-4。

实施例5

同实施例3，但是改变步骤4)中聚乙二醇二缩水甘油醚溶液为的用量为3ml，得到增强改性羧甲基壳聚糖水凝胶，编号为csap-5。

实施例6

同实施例3，但是改变步骤4)中聚乙二醇二缩水甘油醚溶液的用量为5ml，得到增强改性羧甲基壳聚糖水凝胶，编号为csap-6。

实施例7

同实施例3，但是改变步骤4)中聚乙二醇二缩水甘油醚溶液的用量为8ml，得到增强改性羧甲基壳聚糖水凝胶，编号为csap-7。

实施例8

同实施例3，但是改变步骤4)中聚乙二醇二缩水甘油醚溶液的用量为9ml，得到增强改性羧甲基壳聚糖水凝胶，编号为csap-8。

实施例9

对比样csap-0的制备：先配制质量百分浓度为4％的羧甲基壳聚糖溶液备用；再配制质量浓度为10％的聚乙二醇二缩水甘油醚溶液备用；在100ml质量浓度为4％的羧甲基壳聚糖溶液中，添加质量浓度为10％的聚乙二醇二缩水甘油醚溶液7ml，搅拌30分钟，将溶液转入模具中，置于电热恒温干燥箱中，设置温度为50℃，反应1h后取出，得到羧甲基壳聚糖水凝胶对比样，编号为csap-0。

表1增强改性羧甲基壳聚糖水凝胶的合成配方

实施例10测试方法

1.红外光谱分析(ft-ir)：分别取从实施例1、实施例2、实施例3和实施例4得到的增强改性羧甲基壳聚糖水凝胶各0.5g，装于表面皿中，放在40℃真空干燥箱中烘干24h，采用赛墨飞世尔科技有限公司nicoletis50型号的全反射傅里叶红外光谱仪进行红外光谱分析，结果在图1，可以看到：3300～3500cm^-1处宽峰为cooh和oh振动峰的叠加；2878cm^-1处为亚甲基ch2伸缩振动；1127cm^-1和1032cm^-1处为3-氨丙基多面体低聚倍半硅氧烷中的si-o-si伸缩振动峰；在1582cm^-1处的是c＝o伸缩振动峰；在1113cm^-1处的是epeg中c-o-c伸缩振动峰。

2.热重分析(tga)：分别剪取从实施例1、实施例2、实施例3和实施例4得到的增强改性羧甲基壳聚糖水凝胶各0.5g，装于表面皿中，放在40℃真空干燥箱中烘干24h，用瑞士mettlertoledo的tga/dsci/1100sf热重分析仪进行热重分析，将约10mg样品放在坩埚中，在n2气氛中，n2流速控制在50ml/min，控制温度从25℃升高到600℃，升温速度为20℃/min，记录热重曲线。结果在图2，可以看到：聚合物在400℃左右快速分解，从csap-1到csap-4分解残留物增加，因为csap-4有较高的硅含量，残余质量会增加，产物的热稳定性能提高。

3.差热式扫描量热分析(dsc)：分别剪取从实施例1、实施例2、实施例3和实施例4得到的增强改性羧甲基壳聚糖水凝胶各0.5g，装于表面皿中，放在40℃真空干燥箱中烘干24h，使用瑞士mettlertoledo公司的(pe)dsc8000型差热式扫描量热仪进行测试，将约5mg粉末状样品放在坩埚中，n2气氛中，n2流速控制在50ml/min，控制温度从25℃升高到220℃，速度为10℃/min，记录dsc曲线，结果在图3，可以看到：玻璃化转变温度从csap-1到csap-4是增加的，说明3-氨丙基多面体低聚倍半硅氧烷的加入阻碍了聚合物链段的运动，提高了热稳定性。

4.拉伸性能的测试：分别取实施例1、实施例2、实施例3和实施例4得到的增强改性羧甲基壳聚糖水凝胶，装于表面皿中，放在40℃真空干燥箱中烘干24h，用标准裁刀将样品裁成哑铃形，参照[gb/t13022]标准，使用深圳凯强利机械有限公司的wct-10微机控制电子万能试验机进行测试，拉伸速率50mm/min.每个样品测试三次取平均值。结果在图4，可以看到：将3-氨丙基多面体低聚倍半硅氧烷引入到羧甲基壳聚糖水凝胶中，与对比样品(csap-0)相比，添加后产物拉伸强度大大增强，随着3-氨丙基多面体低聚倍半硅氧烷的含量提高，产物拉伸强度逐步提高。

取实施例3和实施例5-8的增强改性羧甲基壳聚糖水凝胶进行断裂伸长率测试测试，结果如图5所示，当epeg用量分别为3ml、5ml、7ml、8ml、9ml时，断裂伸长率分别为16％、18％、20％、21.5％、21.9％，克服了产物的脆性。

5.形态观察：取实施例1得到的增强改性羧甲基壳聚糖水凝胶小片，放在表面皿中，在40℃真空干燥箱中烘干24h，称重后放置于去离子水中浸泡，在不同的浸泡时间取出，取出用滤纸擦干其表面，用数码相机拍照，结果见图6。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域的技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。