一种防紫外线水凝胶及其制备方法和应用与流程

本发明属于生物医用材料技术领域，特别是涉及一种防紫外线水凝胶及其制备方法和应用。

背景技术：

水凝胶是一种能在水中溶胀而不溶解的亲水性三维网络结构高分子聚合物，集吸水、保湿、缓释、柔软等特点于一体，在软性角膜接触镜、细胞和酶的固定、药物传输、组织工程等生物医学领域有着广泛应用。目前，制备物理水凝胶、化学水凝胶和动态化学水凝胶的方法各种各样，所制备的水凝胶的在结构和性能上各有特点，但制备多功能水凝胶依然是一个难点和热点。

天然高分子水凝胶的优点首先是来源丰富和价格低廉，其次是生物相容性好，因而正在引起越来越多的学者的重视。天然高分子水凝胶的缺点是考虑到其力学性能和材料的稳定性差异明显，其使用只能运用于特定的领域。

技术实现要素：

为了克服现有传统水凝胶存在的问题，本发明的目的之一在于提供一种聚多巴胺包覆二氧化钛增强的防紫外线水凝胶，本发明的目的之二在于提供这种防紫外线水凝胶的制备方法，本发明的目的之三在于提供这种防紫外线水凝胶的应用。

本发明的发明构思如下：聚多巴胺(pda)是天然黑色素中主要的色素之一，具有优异的光电效应和良好的生物相容性。pda化学结构中的邻苯二酚、多官能团胺和亚胺，可以作为共价键改性的起始点。pda具有与黑色素相似的光吸收性能，其在紫外光到可见光的范围内有宽波段的吸收，并且光吸收一直延伸至近红外区域。二氧化钛(tio2)具有无毒、化学性质稳定的特点，已成为光催化反应中最常用的催化剂，且由于其具有高折光性和高光活性，因此对紫外线具有折射作用，其折射的波长与粒径密切相关。为克服传统水凝胶的力学性能差的问题，本发明提出了一种聚多巴胺包覆二氧化钛粒子(tio2@pda)氢键增强的防紫外线水凝胶的方法。该方法由pda物质之间氢键、天然多糖基水凝胶基质之间席夫碱键和氢键，以及pda物质与天然多糖基物间氢键和酰胺键交联等多重作用机制相互作用获得水凝胶，可显著提高水凝胶的抗压强度，且由于tio2@pda粒子具有吸收和折射紫外线的作用，能够大幅度增强水凝胶的防紫外作用。所以，本发明通过水凝胶网络的结构设计，引入能量耗散的多重氢键交联网络，开发出了力学性能优异且能够防紫外线的新型水凝胶。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：

本发明第一方面提供了一种防紫外线水凝胶，该防紫外线水凝胶是由聚多巴胺包覆的二氧化钛与天然多糖基水凝胶交联形成。

优选的，这种防紫外线水凝胶中，二氧化钛为纳米二氧化钛；进一步优选的，二氧化钛的粒径为200nm～400nm。

这种防紫外线水凝胶中，天然多糖基水凝胶是通过化学交联或者物理交联已经成型的水凝胶。优选的，天然多糖基水凝胶选自壳聚糖、海藻酸钠水凝胶、氧化葡聚糖水凝胶、明胶水凝胶、果胶、卡拉胶、淀粉中的至少一种；进一步优选的，天然多糖基水凝胶选自壳聚糖、海藻酸钠水凝胶、氧化葡聚糖水凝胶、明胶水凝胶中的至少一种。

优选的，这种防紫外线水凝胶中，交联的方式包括聚多巴胺之间的氢键交联、天然多糖基水凝胶之间的席夫碱键和氢键交联、聚多巴胺与天然多糖基水凝胶之间的氢键和酰胺键交联。

本发明第二方面提供了上述防紫外线水凝胶的制备方法。

一种防紫外线水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

1)将多巴胺(da)溶液与二氧化钛混合反应，制得聚多巴胺包覆的二氧化钛；

2)将第一天然多糖基水凝胶溶液与聚多巴胺包覆的二氧化钛分散液混合，得到含有聚多巴胺包覆二氧化钛的天然多糖基水凝胶前驱液；

3)将含有聚多巴胺包覆二氧化钛的天然多糖基水凝胶前驱液与第二天然多糖基水凝胶溶液进行交联，得到上述的防紫外线水凝胶。

优选的，这种防紫外线水凝胶的制备方法中，第一天然多糖基水凝胶和第二天然多糖基水凝胶分别选自壳聚糖、海藻酸钠水凝胶、氧化葡聚糖水凝胶、明胶水凝胶、果胶、卡拉胶、淀粉水凝胶中的任意一种。

优选的，这种防紫外线水凝胶的制备方法中，第一天然多糖基水凝胶和第二天然多糖基水凝胶不相同。

优选的，这种防紫外线水凝胶的制备方法中，步骤1)具体是：将二氧化钛分散液和多巴胺溶液混合，在碱性条件下进行聚合反应，得到聚多巴胺包覆的二氧化钛。

优选的，这种制备方法的步骤1)中，二氧化钛与多巴胺的质量比为1：(2～10)；进一步优选的，步骤1)中，二氧化钛与多巴胺的质量比为1：(3～5)。

优选的，这种制备方法的步骤1)中，二氧化钛与碱的质量比为1：(0.5～5)；进一步优选的，步骤1)中，二氧化钛与碱的质量比为1：(0.7～4)。

优选的，这种制备方法的步骤1)中，二氧化钛分散液的二氧化钛含量为1mg/ml～10mg/ml；进一步优选的，步骤1)中，二氧化钛分散液的二氧化钛含量为5mg/ml～10mg/ml。

优选的，这种制备方法的步骤1)中，二氧化钛为亲水性二氧化钛纳米粒子，即二氧化钛纳米粒子带有亲水基团。

优选的，这种制备方法的步骤1)中，多巴胺溶液的多巴胺浓度为10mg/ml～50mg/ml；进一步优选的，步骤1)中，多巴胺溶液的多巴胺浓度为10mg/ml～30mg/ml。

优选的，这种制备方法的步骤1)中，碱性条件是指采用碱溶液参与反应。

优选的，这种制备方法的步骤1)中，碱溶液的碱溶度为5mg/ml～50mg/ml；进一步优选的，步骤1)中，碱溶液的碱溶度为10mg/ml～15mg/ml。

优选的，这种制备方法的步骤1)中，碱选自碱金属氢氧化物、碱金属碳酸盐、碱金属碳酸氢盐中的至少一种；进一步优选的，步骤1)中，碱选自氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾中的至少一种；再进一步优选的，步骤1)中，碱选自氢氧化钠、氢氧化钾中的至少一种。

优选的，这种制备方法的步骤1)中，二氧化钛分散液与多巴胺溶液的体积比为1：(0.5～5)；进一步优选的，步骤1)中，二氧化钛分散液与多巴胺溶液的体积比为1：(1～4)。

优选的，这种制备方法的步骤1)中，二氧化钛分散液和多巴胺溶液之和与碱溶液的体积比为1：(0.5～2)；进一步优选的，步骤1)中，二氧化钛分散液和多巴胺溶液之和与碱溶液的体积比为1:1。

优选的，这种制备方法的步骤1)中，反应是在20℃～30℃下进行；进一步优选的，步骤1)中，反应是在室温(25℃)下进行。

优选的，这种制备方法的步骤1)中，反应是在避光条件下进行。

优选的，这种制备方法的步骤1)中，反应的时间为1h～48h；进一步优选的，步骤1)中，反应的时间为12h～36h；再进一步优选的，步骤1)中，反应的时间为20h～30h。

优选的，这种防紫外线水凝胶的制备方法的步骤2)中，聚多巴胺包覆的二氧化钛与第一天然多糖基水凝胶的质量比为1：(1～10)；进一步优选的，步骤2)中，聚多巴胺包覆的二氧化钛与第一天然多糖基水凝胶的质量比为1：(2～8)。

优选的，这种防紫外线水凝胶的制备方法的步骤2)中，第一天然多糖基水凝胶溶液的第一天然多糖基水凝胶浓度为10mg/ml～50mg/ml；进一步优选的，步骤2)中，第一天然多糖基水凝胶溶液的第一天然多糖基水凝胶浓度为20mg/ml～40mg/ml。

优选的，这种防紫外线水凝胶的制备方法的步骤2)中，第一天然多糖基水凝胶溶液中还含有酸；第一天然多糖基水凝胶溶液中酸的质量百分比优选为0.5％～2％；第一天然多糖基水凝胶溶液中的酸可选用醋酸。

优选的，这种防紫外线水凝胶的制备方法的步骤2)中，第一天然多糖基水凝胶选自壳聚糖、海藻酸钠水凝胶、氧化葡聚糖水凝胶、明胶水凝胶中的至少一种。第一天然多糖基水凝胶优选含有大量羟基和氨基活性基团的水凝胶基质。在本发明一些优选的具体实施方式中，第一天然多糖基水凝胶选用壳聚糖。

优选的，这种防紫外线水凝胶的制备方法的步骤2)中，聚多巴胺包覆的二氧化钛分散液中聚多巴胺包覆的二氧化钛的含量为5mg/ml～40mg/ml；进一步优选的，步骤2)中，聚多巴胺包覆的二氧化钛分散液中聚多巴胺包覆的二氧化钛的含量为10mg/ml～20mg/ml。

优选的，这种防紫外线水凝胶的制备方法的步骤2)中，第一天然多糖基水凝胶溶液与聚多巴胺包覆的二氧化钛分散液的体积比为(0.5～5)：1；进一步优选的，步骤2)中，第一天然多糖基水凝胶溶液与聚多巴胺包覆的二氧化钛分散液的体积比为(1～4)：1。

优选的，这种防紫外线水凝胶的制备方法的步骤3)中，含有聚多巴胺包覆二氧化钛的天然多糖基水凝胶与第二天然多糖基水凝胶的质量比为1：(5～50)；进一步优选的，步骤3)中，含有聚多巴胺包覆二氧化钛的天然多糖基水凝胶与第二天然多糖基水凝胶的质量比为1：(8～30)。

优选的，这种防紫外线水凝胶的制备方法的步骤3)中，第二天然多糖基水凝胶溶液的第二天然多糖基水凝胶浓度为50mg/ml～150mg/ml；进一步优选的，步骤3)中，第二天然多糖基水凝胶溶液的第二天然多糖基水凝胶浓度为80mg/ml～120mg/ml。

优选的，这种防紫外线水凝胶的制备方法的步骤3)中，第二天然多糖基水凝胶选自壳聚糖、海藻酸钠水凝胶、氧化葡聚糖水凝胶、明胶水凝胶中的至少一种。第二天然多糖基水凝胶优选含有大量羟基和醛基活性基团的水凝胶基质。在本发明一些优选的具体实施方式中，第二天然多糖基水凝胶选用氧化葡聚糖水凝胶。

在本发明一些优选的具体实施方式中，天然多糖基水凝胶选用壳聚糖和氧化葡聚糖水凝胶，这两种天然多糖基水凝胶不仅含有羟基，分别还具有氨基和醛基，两者的结合不仅能形成氢键还能形成席夫碱键，并且多糖中的醛基还可以与多巴胺中的氨基相互形成席夫碱键。所以，优选这两种多糖形成水凝胶的优势在于不仅多糖之间能形成氢键和席夫碱键，还能与掺杂多巴胺之间形成席夫碱键有利于力学性能的改善。同时，在基于生物医学应用的角度考虑，这两种天然多糖基水凝胶还具有生物相容性好的优点。

优选的，这种防紫外线水凝胶的制备方法的步骤3)中，含有聚多巴胺包覆二氧化钛的天然多糖基水凝胶前驱液与第二天然多糖基水凝胶溶液的体积比为1：(1～10)；进一步优选的额，步骤3)中，含有聚多巴胺包覆二氧化钛的天然多糖基水凝胶前驱液与第二天然多糖基水凝胶溶液的体积比为1：(2.5～5)。

这种防紫外线水凝胶的制备方法的步骤3)中，交联的方法可以是共价键交联，或者是非共价键交联。优选的，步骤3)中，交联的方法选自氢键交联、希夫碱键交联、双键交联、巯基-双键交联、离子交联中的至少一种；进一步优选的，步骤3)中，交联的方法为席夫碱键交联和氢键交联。

优选的，这种防紫外线水凝胶的制备方法的步骤3)中，交联的温度为20℃～30℃；进一步优选的，步骤3)中，交联的温度为室温(25℃)。

优选的，这种防紫外线水凝胶的制备方法的步骤3)中，交联的时间为5min～30min；进一步优选的，步骤3)中，交联的时间为10min～15min。

本发明第三方面提供了上述防紫外线水凝胶的应用。

上述的防紫外线水凝胶在药物载体或医用敷料中的应用。

优选的，应用中，医用敷料为防紫外敷料。

本发明的有益效果是：

本发明提供的这种防紫外线水凝胶的抗压性更强，抗紫外线性能明显增强，综合性能明显提高，应用前景广阔。

具体来说：本发明提供这种聚多巴胺包覆二氧化钛增强的防紫外线水凝胶的制备方法，是一种对富含羟基的水凝胶的后处理二次增强的方法。所用的制备原料具有良好的生物形容性和生物稳定性，得到的水凝胶力学性能显著增强，防紫外线能明显提升，综合性能好，可以应用作为药物载体或医用敷料材料。

附图说明

图1为对比例1的水凝胶和实施例1的水凝胶的宏观图；

图2为对比例1的水凝胶和实施例1的水凝胶溶胀前和溶胀过程测试图；

图3为对比例1的水凝胶和实施例1的水凝胶在水中溶胀的体积变化比率图；

图4为对比例1的水凝胶和实施例1的水凝胶的抗压测试图；

图5为对比例1的水凝胶和实施例1的水凝胶的紫外可见吸收光谱图。

具体实施方式

以下通过具体的实施例对本发明的内容作进一步详细的说明。实施例和对比例中所用的原料、试剂或装置如无特殊说明，均可从常规商业途径得到，或者可以通过现有技术方法得到。除非特别说明，试验或测试方法均为本领域的常规方法。

实施例中所用的二氧化钛为亲水性二氧化钛粒子，粒径为300nm。

实施例1

一、tio2@pda纳米粒子的制备

(1)将亲水性tio2纳米粒子分散于水溶液中，超声分散30分钟，形成均匀分散液；

(2)将tio2分散液(5mg/ml)和da溶液(20mg/ml)按体积比1:1混合，磁力搅拌均匀后，随后加入与上述液体混合后同等体积的氢氧化钠溶液(10mg/ml)，室温搅拌24h，形成tio2@pda纳米粒子溶液，最后冷冻干燥获得tio2@pda纳米粒子。

二、tio2@pda粒子增强的防紫外线水凝胶

(1)将步骤一获得的tio2@pda纳米粒子配制成20mg/ml水溶液，逐滴滴加到配制好的20mg/ml的壳聚糖(含1wt％醋酸)水溶液中，壳聚糖溶液与tio2@pda纳米粒子水溶液的体积比为2:1，磁力搅拌均匀，获得含有tio2@pda纳米粒子的壳聚糖前驱液；

(2)配制100mg/ml氧化葡聚糖的水溶液，随后将氧化葡聚糖水溶液与壳聚糖前驱液(v/v＝5/1)共混，在室温经过10min后，混合液形成tio2@pda纳米粒子掺杂的壳聚糖/氧化葡聚糖水凝胶，即tio2@pda粒子增强的防紫外线水凝胶。

实施例2

一、tio2@pda纳米粒子的制备

(1)将亲水性tio2纳米粒子分散于水溶液中，超声分散40分钟，形成均匀分散液；

(2)将tio2分散液(10mg/ml)和da溶液(30mg/ml)按体积比1:1混合，磁力搅拌均匀后，随后加入与上述液体混合后同等体积的氢氧化钠溶液(15mg/ml)，室温搅拌24h，形成tio2@pda纳米粒子溶液，最后冷冻干燥获得tio2@pda纳米粒子。

二、tio2@pda粒子增强的防紫外线水凝胶

(1)将步骤一获得的tio2@pda纳米粒子配制成10mg/ml水溶液，逐滴滴加到配制好的20mg/ml的壳聚糖(含1wt％醋酸)水溶液中，壳聚糖溶液与tio2@pda纳米粒子水溶液的体积比为4:1，磁力搅拌均匀，获得含有tio2@pda纳米粒子的壳聚糖前驱液；

(2)配制100mg/ml氧化葡聚糖的水溶液，随后将氧化葡聚糖水溶液与壳聚糖前驱液(v/v＝5/2)共混，在室温经过15min后，混合液形成tio2@pda纳米粒子掺杂的壳聚糖/氧化葡聚糖水凝胶，即tio2@pda粒子增强的防紫外线水凝胶。

实施例3

一、tio2@pda纳米粒子的制备

(1)将亲水性tio2纳米粒子分散于水溶液中，超声分散30分钟，形成均匀分散液；

(2)将tio2分散液(10mg/ml)和da溶液(10mg/ml)按体积比1:4混合，磁力搅拌均匀后，随后加入与上述液体混合后同等体积的氢氧化钠溶液(10mg/ml)，室温搅拌24h，形成tio2@pda纳米粒子溶液，最后冷冻干燥获得tio2@pda纳米粒子。

二、tio2@pda粒子增强的防紫外线水凝胶

(1)将步骤一获得的tio2@pda纳米粒子配制成20mg/ml水溶液，逐滴滴加到配制好的40mg/ml的壳聚糖(含1wt％醋酸)水溶液中，壳聚糖溶液与tio2@pda纳米粒子水溶液的体积比为1:1，磁力搅拌均匀，获得含有tio2@pda纳米粒子的壳聚糖前驱液；

(2)配制100mg/ml氧化葡聚糖的水溶液，随后将氧化葡聚糖水溶液与壳聚糖前驱液(v/v＝5/2)共混，在室温经过10min后，混合液形成tio2@pda纳米粒子掺杂的壳聚糖/氧化葡聚糖水凝胶，即tio2@pda粒子增强的防紫外线水凝胶。

对比例1

一、配制壳聚糖溶液和氧化葡聚糖水溶液

将2g壳聚糖溶解于100ml(含1wt％醋酸)的水溶液中，磁力搅拌3h，获得壳聚糖水溶液。将1g氧化葡聚糖溶解于10ml的水溶液中，磁力搅拌3h，获得氧化葡聚糖水溶液。

二、壳聚糖/氧化葡聚糖水凝胶

将氧化葡聚糖水溶液与壳聚糖前驱液(v/v＝5/1)共混，经过10min后，混合液形成壳聚糖/氧化葡聚糖水凝胶。

实施例1制得的tio2@pda粒子增强的防紫外线水凝胶和对比例1制得的壳聚糖/氧化葡聚糖水凝胶的宏观图如附图1所示。

性能测试

将实施例1制得的tio2@pda粒子增强的防紫外线水凝胶和对比例1制得的壳聚糖/氧化葡聚糖水凝胶进行性能测试。

1、溶胀对比

将实施例1tio2@pda粒子增强的防紫外线水凝胶和对比例1壳聚糖/氧化葡聚糖水凝胶在水中溶胀，附图2是实施例1tio2@pda粒子增强的防紫外线水凝胶和对比例1壳聚糖/氧化葡聚糖水凝胶溶胀前和溶胀过程测试图。经过tio2@pda粒子增强的水凝胶由白色变成棕褐色，表明有tio2@pda粒子氢键交联存在。

2、溶胀体积变化

附图3是实施例1tio2@pda粒子增强的防紫外线水凝胶和对比例1壳聚糖/氧化葡聚糖水凝胶在水中溶胀的体积变化比率图。

3、机械性能测试(抗压测试)

水凝胶的模量由万能力学实验机(instron5540a)测定。水凝胶脱模后为直径15mm，高度3mm的圆柱体。测试过程中压缩速率为5mm/min。应力-应变曲线线性区域处的斜率(5-10％)定义为水凝胶的抗压性能。

附图4是实施例1tio2@pda粒子增强的防紫外线水凝胶和对比例1壳聚糖/氧化葡聚糖水凝胶的抗压测试图。从图4可见，壳聚糖/氧化葡聚糖水凝胶的力学强度约为57kpa，tio2@pda粒子增强的防紫外线水凝胶的力学强度约为18kpa，弹性强度增强3倍以上，说明tio2@pda粒子增强的防紫外线水凝胶的抗压缩性能明显增强。

4、抗紫外线性能测试

采用紫外可见吸收光谱测试实施例1tio2@pda粒子增强的防紫外线水凝胶和对比例1壳聚糖/氧化葡聚糖水凝胶对紫外光吸收强度。将实施例1和对比例1水凝胶置于紫外可见吸收光谱仪的样品池中，对水凝胶进行紫外光扫描，扫描波长为200-800nm，观察样品的吸收峰波长以及强度。

附图5是实施例1tio2@pda粒子增强的防紫外线水凝胶和对比例1壳聚糖/氧化葡聚糖水凝胶的紫外可见吸收光谱图。从图5对比可知，经过tio2@pda粒子的掺杂使得水凝胶的在300nm附近的紫外光吸收强度显著增强，具有抗紫外线功能。

经过性能测试结果可知，实施例1制得的这种tio2@pda粒子增强的防紫外线水凝胶与对比例1的壳聚糖/氧化葡聚糖水凝胶相比，其抗压缩性能更强，防紫外线增强，综合性能相对更优。

综上所述，本发明以多糖(壳聚糖/氧化葡聚糖)为原料，通过tio2@pda粒子作掺杂，将氢键自交联与分子间氢键交联引入水凝胶体系，得到新型增强水凝胶。采用该方法制备的tio2@pda/壳聚糖/氧化葡聚糖水凝胶具有抗压缩性能显著增强且可调控、防紫外线效果明显增强、生物相容性优异等特点。该制备方法简单易行、能耗低、节省时间和材料、重复性好，所构建的tio2@pda/壳聚糖/氧化葡聚糖水凝胶可以广泛应用于组织工程领域，如可用于作为药物载体或医用敷料材料(如抗紫外医用敷料)，具有良好的临床应用前景。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。