一种微波-超声波耦合场中明胶基水凝胶的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种微波?超声波耦合场中明胶基水凝胶的制备方法。本发明采用具有优良生物相容性的聚乙烯醇、羧甲基纤维素为支架，壳聚糖衍生物为交联剂，对明胶进行交联改性制备明胶基水凝胶，其包括如下所述的制备步骤：（1）按壳聚糖衍生物/明胶质量比为1:10~1:4混合，加入明胶质量50%~150%的聚乙烯醇或羧甲基纤维素，添加适量高纯水保证溶液固含量为20%~50%；（2）调节溶液pH为3.5~5.0，并于50~95℃水浴中加热使之呈透明溶液，放入到微波?超声波耦合反应场中；（3）设置微波?超声波耦合场中微波的频率为300MHz~1000MHz、超声波频率为500~1500MHz，70~95℃条件下反应1~3h；（4）冷冻干燥得水凝胶样品。因明胶及壳聚糖分子中可反应的官能团较多，因此得到的水凝胶对重金属、染料有较好的吸附性。
【专利说明】
一种微波-超声波耦合场中明胶基水凝胶的制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种微波-超声波耦合场中明胶基水凝胶的制备方法，属于功能高分 子领域。
【背景技术】
[0002] 水凝胶是一种在水中能显著溶胀，但是又不会溶解的三维网格状的聚合物凝胶， 其通过分子缠结、氢键、疏水键、静电作用、Ji-JT堆叠等非共价键或亚氨键、双硫键、离子键等 作为交联点来实现其优异的保水性、生物相容性和化学物理性质。因其含水量高、材质柔 软、具有橡胶般的粘弹性和良好的生物相容性而被广泛用于医疗、医药、人工器官、环保等 方面[Hoffman AS. Hydrogels for biomedical applications[J] . Advanced Drug Delivery Reviews, 2002，43:3-12.]。在过去的几十年里，水凝胶的研究已取得了很大的 进展，已经成为材料科学的一个重要研究方向。虽然已经有一部分研究成果在社会生产生 活中得以应用，但是目前距离真正实现产业化及应用普及阶段尚有一段距离。例如几类典 型的温敏型水凝胶主要采用聚N-异丙基丙烯酰胺及其衍生物体系，虽然该体系水凝胶的低 临界溶液温度与人体生理温度(37°C)接近，但是由于N-异丙基丙烯酰胺单体对人体有致 畸、致癌等缺点，无法满足其在医学上的实际应用[王扬.聚乙二醇基多重响应的高强度智 能水凝胶的制备及性能研究[D].东华大学，2014.]。制备智能水凝胶材料的聚合物必须具 备以下两个条件:高分子有适当的交联网络结构，并且在其主链或侧链上有大量的亲水基 团[李富兰，周雪松，颜杰，张承红.NIPA系温敏凝胶的制备及应用研究进展[J].化学与生 物工程，2011,28(7):5-9.]。除了聚N-异丙基丙烯酰胺外，近年来基于多肽和蛋白质的水凝 胶体系受到广泛的关注，其凝胶化机制既可以是侧基之间的物理组装和聚集，也可以是反 应性残基之间的可控反应。现在关于这方面的研究多集中在多肽-高分子水凝胶，蛋白质-高分子水凝胶体系，而对于大多数体内应用来讲，合成高分子的生物相容性及可降解性仍 需慎重考虑，而完全基于多肽或蛋白质的水凝胶体系成为一个非常诱人的方向[王晓威，王 晓曼，冉隆豪，张文彬.基于多肽和蛋白质的水凝胶研究进展[J].高分子通报，2014, 27 (8): 44-55 .]。天然胶原是细胞外最重要的水不溶性纤维蛋白，其最普遍的结构特征是三 股螺旋结构，基本结构单元为原胶原，其一级结构具有(Gly-X-Y)重复序列，其中Gly为甘氨 酸，X常为脯氨酸，Y常为羟脯氨酸或羟赖氨酸，这些氨基酸通过酰胺键/肽键链接而成，同时 由于构成胶原蛋白的氨基酸侧链中含有大量的亲水及疏水性基团，具备聚N-异丙基丙烯酰 胺的基本结构。
[0003] 明胶为胶原的降解产物，属于一种天然多肽聚合物，其分子侧链中含有大量羟基、 羧基、胍基、酰胺键等，故而生物活性较强，可作为水凝胶的基体，然而未经修饰的明胶稳定 性和机械性较差，可通过交联的方法进一步改善明胶的性能[Bhuvanesh Gupta, Mythili Tummalapalli， B.L. Deopura, M.S. Alam. Preparation and characterization of in-situ crosslinked pectin-gelatin hydrogels [J]. Carbohydrate Polymers, 2014,106:312-318.]。聚乙烯醇及羧甲基纤维素一类常见的高分子有机物，来源丰富且可 再生，同时其可生物降解，可实现在自然界中的循环，是理想的绿色高分子材料。壳聚糖是 天然的高分子聚合物，降解产物是氨基葡萄糖单体，对人体无不良反应，具有优良的生物相 容性、无毒性及抗菌等作用。
[0004] 制备水凝胶的方法很多，常见的有:单体交联聚合、预聚体交联聚合、接枝共聚和 聚合物互穿网络。前三者多是在交联剂存在的条件下，通过辐射或引发剂引发单体或预聚 体，使之交联聚合而得到；而互穿网络是由两种或两种以上聚合物通过溶剂法各自交联、相 互贯穿形成的共混物[Kiatkamjornwong S, Chomsaksakul W, Sonsuk M. Radiation modification of water absorption of cassava starch by acrylic acid/acrylamide [J]· Radiation Physics and Chemistry, 2000,59(4):413-427.李凤娟，林讳，程庆，穆 畅道.新型胶原/聚丙烯酸互穿网络pH敏感水凝胶的制备及性能研究[J].材料导报， 2009，23(2): 46-57.]。近年来，采用超声波辅助化学反应的方法已有报道，该方法是化学法 与物理法的有机结合，超声波，是指频率在20~IOOkHz的声波，其对化学反应和过程有明显 的促进作用，主要是借助于超声波的机械分散及"空化"作用，如强烈的震动、分散、产生自 由基等。而微波是指频率在300MHz~300GHz的电磁波，其基本性质通常呈现穿透、反射和吸 收三个特性，应用在化学反应方面主要是精确升温。因此本研究以聚乙烯醇或透明质酸为 支架，壳聚糖衍生物和明胶为主体，在微波-超声波耦合场中制备明胶基水凝胶，通过改变 反应参数对水凝胶的性能进行调控，在保留其优点的同时克服各自缺点，通过冷冻干燥法 制备明胶基水凝胶。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种在微波-超声波耦合场中明胶基水凝胶的制备方法，选 用可生物降解的聚乙烯醇或羧甲基纤维素为支架，以明胶及壳聚糖衍生物为主体，将其置 于微波与超声波的耦合场中，通过调节聚乙烯醇或羧甲基纤维素、明胶、壳聚糖衍生物三者 的比例，反应时间，反应温度，耦合场参数等变量制备明胶基水凝胶。
[0006] -种微波-超声波耦合场中明胶基水凝胶的制备方法，具体的技术方案如下： 按壳聚糖衍生物/明胶质量比为1:10~1:4混合，加入明胶质量50%~150%的聚乙烯醇或 羧甲基纤维素，添加适量高纯水保证溶液固含量为20%~50%;调节溶液的pH为3.5~5.0，并于 50~95 °C水浴中加热使之呈透明溶液，放入到微波-超声波耦合反应场中，70~95 °C条件下反 应1~3h;冷冻干燥得明胶基水凝胶样品。
[0007] 所述的壳聚糖衍生物为氧化碱化壳聚糖、氧化壳聚糖中的一种。
[0008] 所述的微波-超声波耦合反应场的微波频率为300MHz~1000MHz，超声波的频率为 500~1500MHz〇
[0009] 相比于现有技术，本发明具有以下优点：1、制备了一种无毒且可生物降解的明胶 基水凝胶，解决了现有技术中水凝胶基体的致畸致癌等生物毒性的问题。2、本发明的明胶 基水凝胶以聚乙烯醇或羧甲基纤维素为支架，可通过改变聚乙烯醇或羧甲基纤维素与明胶 的比例、壳聚糖衍生物与明胶的反应条件(如用量比、温度、时间、微波频率、超声波频率等） 来调控水凝胶的力学性能及其最大吸水性，从而增加其强度及溶胀率，拓宽了应用范围，具 有广阔的应用前景。
【具体实施方式】
[0010] 为了加深对本发明的理解，以下结合具体实施方案对本发明做进一步详述，但不 以任何方式限制本发明。
[0011] 实施例1 称取一定量的明胶加入到三颈瓶中，加入明胶质量10%的氧化碱化壳聚糖、50%的聚乙 烯醇，添加适量高纯水保证混合溶液的固含量为20%，调节混合液pH至3.5并于95°C水浴中 加热使之呈透明溶液，放入到微波/超声波耦合反应场中，调节微波频率为300MHz、超声波 频率为500MHz，于70°C条件下反应Ih，后冷冻干燥得水凝胶样品。
[0012] 实施例2 称取一定量的明胶加入到三颈瓶中，加入明胶质量20%的氧化碱化壳聚糖、50%的聚乙 烯醇，添加适量高纯水保证混合溶液的固含量为20%，调节混合液pH至3.5并于95°C水浴中 加热使之呈透明溶液，放入到微波/超声波耦合反应场中，调节微波频率为300MHz、超声波 频率为500MHz，于70°C条件下反应Ih，后冷冻干燥得水凝胶样品。
[0013] 实施例3 称取一定量的明胶加入到三颈瓶中，加入明胶质量25%的氧化碱化壳聚糖、50%的聚乙 烯醇，添加适量高纯水保证混合溶液的固含量为20%，调节混合液pH至3.5并于95°C水浴中 加热使之呈透明溶液，放入到微波/超声波耦合反应场中，调节微波频率为300MHz、超声波 频率为500MHz，于70°C条件下反应Ih，后冷冻干燥得水凝胶样品。
[0014] 实施例4 称取一定量的明胶加入到三颈瓶中，加入明胶质量10%的氧化碱化壳聚糖、50%的羧甲 基纤维素，添加适量高纯水保证混合溶液的固含量为20%，调节混合液pH至3.5并于65 °C水 浴中加热使之呈透明溶液，放入到微波/超声波耦合反应场中，调节微波频率为300MHz、超 声波频率为500MHz，于70°C条件下反应Ih，后冷冻干燥得水凝胶样品。
[0015] 实施例5 称取一定量的明胶加入到三颈瓶中，加入明胶质量25%的氧化碱化壳聚糖、50%的羧甲 基纤维素，添加适量高纯水保证混合溶液的固含量为20%，调节混合液pH至3.5并于65 °C水 浴中加热使之呈透明溶液，放入到微波/超声波耦合反应场中，调节微波频率为300MHz、超 声波频率为500MHz，于70°C条件下反应Ih，后冷冻干燥得水凝胶样品。
[0016] 实施例6 称取一定量的明胶加入到三颈瓶中，加入明胶质量10%的氧化碱化壳聚糖、100%的聚乙 烯醇，添加适量高纯水保证混合溶液的固含量为20%，调节混合液pH至3.5并于95°C水浴中 加热使之呈透明溶液，放入到微波/超声波耦合反应场中，调节微波频率为300MHz、超声波 频率为500MHz，于70°C条件下反应Ih，后冷冻干燥得水凝胶样品。
[0017] 实施例7 称取一定量的明胶加入到三颈瓶中，加入明胶质量10%的氧化碱化壳聚糖、150%的聚乙 烯醇，添加适量高纯水保证混合溶液的固含量为20%，调节混合液pH至3.5并于95°C水浴中 加热使之呈透明溶液，放入到微波/超声波耦合反应场中，调节微波频率为300MHz、超声波 频率为500MHz，于70°C条件下反应Ih，后冷冻干燥得水凝胶样品。
[0018] 实施例8 称取一定量的明胶加入到三颈瓶中，加入明胶质量10%的氧化碱化壳聚糖、50%的聚乙 烯醇，添加适量高纯水保证混合溶液的固含量为20%，调节混合液pH至4.0并于95 °C水浴中 加热使之呈透明溶液，放入到微波/超声波耦合反应场中，调节微波频率为300MHz、超声波 频率为500MHz，于70°C条件下反应Ih，后冷冻干燥得水凝胶样品。
[0019] 实施例9 称取一定量的明胶加入到三颈瓶中，加入明胶质量10%的氧化碱化壳聚糖、50%的聚乙 烯醇，添加适量高纯水保证混合溶液的固含量为20%，调节混合液pH至5.0并于95 °C水浴中 加热使之呈透明溶液，放入到微波/超声波耦合反应场中，调节微波频率为1000MHz、超声波 频率为1500MHz，于95°C条件下反应3h，后冷冻干燥得水凝胶样品。
[0020] 实施例10 称取一定量的明胶加入到三颈瓶中，加入明胶质量20%的氧化碱化壳聚糖、100%的聚乙 烯醇，添加适量高纯水保证混合溶液的固含量为20%，调节混合液pH至5.0并于95 °C水浴中 加热使之呈透明溶液，放入到微波/超声波耦合反应场中，调节微波频率为1000MHz、超声波 频率为1500MHz，于95°C条件下反应3h，后冷冻干燥得水凝胶样品。
[0021] 实施例11 称取一定量的明胶加入到三颈瓶中，加入明胶质量25%的氧化碱化壳聚糖、150%的聚乙 烯醇，添加适量高纯水保证混合溶液的固含量为20%，调节混合液pH至5.0并于95 °C水浴中 加热使之呈透明溶液，放入到微波/超声波耦合反应场中，调节微波频率为1000MHz、超声波 频率为1500MHz，于95°C条件下反应3h，后冷冻干燥得水凝胶样品。
[0022] 对比例 称取一定量的明胶加入到三颈瓶中，加入适量的壳聚糖衍生物、聚乙烯醇或羧甲基纤 维素，添加适量高纯水，调节混合液PH，并水浴加热使之呈透明溶液，机械搅拌条件下于水 浴中反应一定时间，后冷冻干燥得水凝胶样品。
备注：对比{列为与头"11i PU TH口：J yiv ΠΤΙ L· Wi]兄 TT、Λ?νη=ΓΛ?μ Λ?Φ1」符口：J/JVi 挑队样品 O
[0023]水凝胶平衡溶胀度的测定:常温下，将一定质量的干凝胶样品（其质量记为Wd)放 入蒸馏水中溶胀，隔一定时间取出并用滤纸拭去其表面的水滴，用电子天平称重，之后再放 回蒸馏水中溶胀，再取出称重直至质量恒定，此时的质量记为W e，其平衡溶胀度SRe算式如 下： 测试结果如下：
【主权项】
1. 一种微波-超声波耦合场中明胶基水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤如下： (1) 按壳聚糖衍生物/明胶质量比为1:10~1:4混合，加入明胶质量50%~150%的聚乙烯醇 或羧甲基纤维素，添加适量高纯水保证溶液固含量为20%~50%; (2) 调节溶液pH为3.5~5.0，并于50~95°C水浴中加热使之呈透明溶液，放入到微波-超 声波耦合反应场中，70~95 °C条件下反应1~3h; (3) 设置微波-超声波耦合场中微波的频率为300MHz~1000MHz、超声波频率为500~ 1500MHz； (4) 冷冻干燥得样品。2. 根据权利要求1所述的使用微波-超声波耦合场制备明胶基水凝胶的方法，其特征在 于，所述的耦合场由微波与超声波组合而得。3. 根据权利要求1所述的使用微波-超声波耦合场制备明胶基水凝胶的方法，其特征在 于，所用的壳聚糖衍生物为氧化碱化壳聚糖或氧化壳聚糖。4. 根据权利要求1或2所述的使用微波-超声波耦合场制备明胶基水凝胶的方法，其特 征在于:微波的频率为300MHz~1000MHz，超声波的频率为500~1500MHz。
【文档编号】C08L5/08GK105860099SQ201610259359
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月25日
【发明人】王亚娟, 狄肖麟, 张鑫, 李亚, 蒋岚, 邵双喜
【申请人】宁波工程学院