一种邻苯二酚改性壳聚糖-海藻酸盐双网络水凝胶的制备方法
技术领域
本发明涉及高分子水凝胶领域，尤其是涉及一种邻苯二酚改性壳聚糖-海藻酸盐双网络水凝胶的制备方法。
背景技术
水凝胶是一种富含大量水分子，具有三维网状交联结构的软材料，被广泛应用在组织工程，再生医学，药物传输系统中。传统水凝胶一般仅有一层共价交联网络或物理交联网络构成，其机械性能较弱，与人体组织的强度相差较远，因而其应用受到较大限制。传统壳聚糖单网络水凝胶由于其交联网络的单一组成而表现出力学性能不足的缺点，限制了其在组织工程中的应用，因而高强度水凝胶的构建就显得极为重要。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种邻苯二酚改性壳聚糖-海藻酸盐双网络水凝胶的制备方法，该邻苯二酚改性壳聚糖-海藻酸盐双网络水凝胶具备优异的机械强度。
本发明所采取的技术方案是：
本发明的第一方面，提供一种邻苯二酚改性壳聚糖-海藻酸盐双网络水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
(1)取壳聚糖和改性剂，反应得到壳聚糖衍生物，所述壳聚糖衍生物为邻苯二酚接枝改性的壳聚糖；
(2)取所述壳聚糖衍生物和海藻酸盐，加入氧化剂，氧化交联反应制得邻苯二酚改性壳聚糖单网络水凝胶；
(3)将所述邻苯二酚改性壳聚糖单网络水凝胶与金属盐溶液进行二次交联固化，所述金属盐溶液中的金属阳离子为二价以上，制备得到邻苯二酚改性壳聚糖-海藻酸盐双网络凝胶。
根据本发明的一些实施例的邻苯二酚改性壳聚糖-海藻酸盐双网络水凝胶的制备方法，所述改性剂为3,4-二羟基苯甲醛。
根据本发明的一些实施例的邻苯二酚改性壳聚糖-海藻酸盐双网络水凝胶的制备方法，步骤(1)具体为：将壳聚糖溶于乙酸溶液中，加入3,4-二羟基苯甲醛进行反应，然后加入氰基硼氢化钠继续反应得到壳聚糖衍生物，加入冷乙醇对所述壳聚糖衍生物进行沉淀。
进一步根据本发明的一些实施例，乙酸溶液的浓度为0.5％-5％w/v。
进一步根据本发明的一些实施例，3,4-二羟基苯甲醛：氰基硼氢化钠的摩尔比为1：(1～10)。
根据本发明的一些实施例的邻苯二酚改性壳聚糖-海藻酸盐双网络水凝胶的制备方法，步骤(1)中所述壳聚糖：3,4-二羟基苯甲醛的摩尔比为(0.5～5)：(1～100)。
根据本发明的一些实施例的邻苯二酚改性壳聚糖-海藻酸盐双网络水凝胶的制备方法，所述金属阳离子为钙离子或铝离子。
根据本发明的一些实施例的邻苯二酚改性壳聚糖-海藻酸盐双网络水凝胶的制备方法，步骤(1)中反应的温度为4～30℃，反应的时间为2～48h。
根据本发明的一些实施例的邻苯二酚改性壳聚糖-海藻酸盐双网络水凝胶的制备方法，所述氧化剂为高碘酸钠。
根据本发明的一些实施例的邻苯二酚改性壳聚糖-海藻酸盐双网络水凝胶的制备方法，所述海藻酸盐为海藻酸钠，所述海藻酸钠的粘度为20～800mpa.s。
根据本发明的一些实施例的邻苯二酚改性壳聚糖-海藻酸盐双网络水凝胶的制备方法，步骤(1)中壳聚糖的粘度为100～500mpa.s。
根据本发明的一些实施例，步骤(2)取壳聚糖衍生物和海藻酸盐分别溶于乙酸溶液或水溶液中，混合后加入氧化剂，氧化交联反应制得邻苯二酚改性壳聚糖单网络水凝胶。
根据本发明的一些实施例，步骤(2)中壳聚糖衍生物的浓度为3％～10％w/v，海藻酸盐的浓度为0.5％～5％w/v。
根据本发明的一些实施例，步骤(2)中氧化交联反应的温度为10～30℃，交联时间为0.5～3h。
根据本发明的一些实施例的邻苯二酚改性壳聚糖-海藻酸盐双网络水凝胶的制备方法，金属盐溶液中金属阳离子的浓度为0.1～5mol/L。
根据本发明的一些实施例，金属阳离子为钙离子或铝离子。
根据本发明的一些实施例，步骤(3)采用将所述邻苯二酚改性壳聚糖单网络水凝胶浸泡在金属盐溶液的方式进行二次交联固化，优选浸泡的时间为2～500min。
本发明实施例的有益效果是：
本发明实施例提供了一种邻苯二酚改性壳聚糖-海藻酸盐双网络水凝胶的制备方法，具有以下优势：
(1)使用的原料壳聚糖和海藻酸钠都是自然界中广泛存在的天然多糖，其来源广泛，价格低廉，有利于后续的大范围应用，有一定的经济和实用价值。壳聚糖骨架带正电荷，海藻酸钠骨架带负电荷，二者有一定的相互作用，且二者作为天然的聚电解质材料，可以较好的在水中溶胀，有利于两种交联网络的充分交织与作用，这是合成双网络水凝胶的必要前提条件。邻苯二酚基团是贻贝足丝粘附功能的主要承担者，通过将邻苯二酚基团修饰到壳聚糖骨架上，这样制得的水凝胶除了机械强度高以外，同时还具有一定的生物组织粘附能力，可以增加水凝胶的使用范围。
(2)目前合成的双网络水凝胶几乎没有抗疲惫的能力，一次形变之后就无法完全自行恢复了，这是由于其交联网络是共价键组成的原因，该种类型的成键一旦断裂就无法自我愈合。本发明实施例按照特定的交联顺序，先制备形成的疏松壳聚糖共价交联网络有利于海藻酸钠-阳离子的物理性交联网络的互穿作用，最终形成天然高强度的双网络水凝胶，同时该双网络水凝胶中的离子键具备可反复断裂-恢复的能力，具备较强键能同时又可以自我愈合的成键方式来代替共价交联网络，使得形成的双网络水凝胶具备抗疲惫性能，能够自行恢复。
(3)传统的壳聚糖单网络水凝胶或海藻酸钠单网络水凝胶的力学性能较弱，不适合单独应用在组织工程中，本发明将两者进行有机结合能够形成机械性能明显提高的高机械强度的双网络水凝胶，扩大了应用范围，在伤口愈合敷料、人工皮肤和生物组织替代材料中具有良好的应用前景。
附图说明
图1为邻苯二酚接枝改性的的壳聚糖的制备过程示意图；
图2为邻苯二酚改性壳聚糖-海藻酸盐双网络凝胶的制备过程示意图；
图3为实施例1中制备得到的邻苯二酚改性壳聚糖-海藻酸盐双网络凝胶的数码照片；
图4为实施例1中的邻苯二酚改性壳聚糖单网络水凝胶对猪皮的粘附力测试结果图；
图5为实施例1中邻苯二酚改性壳聚糖-海藻酸盐双网络凝胶承担重物的数码照片；
图6为效果实施例1中邻苯二酚改性壳聚糖单网络水凝胶、海藻酸钠单网络水凝胶和邻苯二酚改性壳聚糖-海藻酸盐双网络凝胶耐压-恢复性能对比图；
图7为效果实施例1中邻苯二酚改性壳聚糖单网络水凝胶、海藻酸钠单网络水凝胶和邻苯二酚改性壳聚糖-海藻酸盐双网络凝胶的最大断裂强度对比图；
图8为效果实施例2中不同成胶顺序制得的水凝胶的力学性能对比图。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提供一种邻苯二酚改性壳聚糖-海藻酸盐双网络水凝胶，按照以下步骤制备：
(1)参见图1，以壳聚糖(CS)为原料，通过与3,4-二羟基苯甲醛进行反应得到邻苯二酚接枝改性的的壳聚糖(即壳聚糖衍生物Cat-CS)。
具体过程：取1g壳聚糖(CS)充分溶解于200mL 1％的乙酸溶液中，充分搅拌至完全溶解，得到无色澄清的壳聚糖溶液。50mL溶解有3g 3,4-二羟基苯甲醛的DMF溶液滴加到上述壳聚糖溶液中，室温搅拌6h。然后100mL溶解有3g NaBH3CN的水溶液滴加到上述溶液中，室温搅拌6h，反应结束后，将混合溶液导入2000mL冷乙醇中进行沉淀，得到许多絮状产物，过滤回收，并对滤饼用水和乙醇反复洗涤几次，室温真空干燥，得到灰白色固体即为邻苯二酚接枝改性的壳聚糖(即壳聚糖衍生物Cat-CS)。
(2)参见图2，将得到的壳聚糖衍生物(Cat-CS)与海藻酸钠(Alginate)分别溶解于乙酸溶液或水溶液中，充分混合，再加入高碘酸钠(NaIO4)作为氧化剂引发形成邻苯二酚改性壳聚糖单网络水凝胶。
具体过程：取100mg Cat-CS溶解于1mL 3％的乙酸溶液中，充分搅拌至完全溶解，随后加入50mg海藻酸钠，充分搅拌至完全溶解。此后加入1％浓度的高碘酸钠溶液0.1mL。室温下，充分搅拌至水凝胶成型，形成邻苯二酚改性壳聚糖单网络水凝胶。
(3)将交联完成的邻苯二酚改性壳聚糖单网络水凝胶泡入铝离子溶液中，进行二次交联固化，得到具备良好力学强度的邻苯二酚改性壳聚糖-海藻酸盐双网络凝胶。
具体过程：取上述邻苯二酚改性壳聚糖单网络水凝胶浸入0.5M的铝离子溶液中进行二次交联，10min后取出，即可得到邻苯二酚改性壳聚糖-海藻酸盐双网络凝胶，如图3所示。
取步骤(2)制备得到的邻苯二酚改性壳聚糖单网络水凝胶，测定其对猪皮的粘附力，结果如图4所示，制备得到的邻苯二酚改性壳聚糖单网络水凝胶具备一定的生物材料粘附能力，对猪皮的粘附力达到了0.12MPa。
参见图5，步骤(3)制得的邻苯二酚改性壳聚糖-海藻酸盐双网络凝胶具有很好的机械强度，可以支撑起4500g的重物。
效果实施例1
对比例1：在海藻酸钠溶液中，加入0.5M的铝离子溶液，交联形成海藻酸钠单网络水凝胶。
对实施例1中的邻苯二酚改性壳聚糖单网络水凝胶、邻苯二酚改性壳聚糖-海藻酸盐双网络凝胶和对比例1的海藻酸钠单网络水凝胶进行耐压-恢复性能对比，结果如6所示，从图中可以看出，经相同压力压缩后，邻苯二酚改性壳聚糖单网络水凝胶和海藻酸钠单网络水凝胶在受到外力挤压发生变形后，当撤去外力时，二者均无法恢复到原来的形状，而本发明实施例制备得到的邻苯二酚改性壳聚糖-海藻酸盐双网络凝胶兼具良好的机械性能和抗疲惫性能，表现出了很好的恢复能力，主要是利用海藻酸钠与金属离子之间的离子键可以反复断裂-恢复的特性，来耗散外力，弥补第一层壳聚糖交联的共价键断裂后不可恢复的缺陷，使双网络水凝胶具备撤去外力后恢复原状的能力。
对实施例1中的邻苯二酚改性壳聚糖单网络水凝胶、邻苯二酚改性壳聚糖-海藻酸盐双网络凝胶和对比例1的海藻酸钠单网络水凝胶的最大断裂强度进行测试，结果如图7所示，三者的力学强度也证明了双网络水凝胶的力学性能不仅仅是单网络水凝胶简单的叠加而已，邻苯二酚改性壳聚糖单网络水凝胶的最大断裂强度为0.1MPa左右，海藻酸钠单网络水凝胶的最大断裂强度为0.4MPa左右，而本发明实施例由两者按顺序形成的双网络水凝胶最大断裂强度达到了4MPa，整体的力学强度得到了明显的提升。
效果实施例2
对比例2：对比例2提供一种水凝胶，按照先对交联海藻酸钠再交联壳聚糖的顺序制备，具体制备过程如下：
(1)按照实施例1的方式制备邻苯二酚接枝改性的壳聚糖衍生物(Cat-CS)；
(2)取100mg Cat-CS溶解于1mL 3％的乙酸溶液中，充分搅拌至完全溶解，随后加入50mg海藻酸钠，充分搅拌至完全溶解，加入0.5M的铝离子溶液进行第一次交联；
(3)在第一次交联后形成的凝胶中，加入1％浓度的高碘酸钠溶液0.1mL进行第二次交联。室温下，充分搅拌至水凝胶成型。
取对比例2的水凝胶(标记为海藻酸钠-壳聚糖顺序)和实施例1中的邻苯二酚改性壳聚糖-海藻酸盐双网络水凝胶(标记为壳聚糖-海藻酸钠顺序)，对两种不同成胶顺序制得的水凝胶的力学性能进行测试，结果如图8所示。本发明实施例采取先形成邻苯二酚改性壳聚糖交联体系，再形成海藻酸钠金属离子的交联体系的原因是：壳聚糖交联网络一般较为疏松(30-60微米)，而海藻酸钠交联网络非常致密(5-10微米)。疏松的交联网络有利于后一层交联网络的均匀形成，而过于致密的交联网络会严重限制体系内的聚合物或交联剂的扩散，使得交联过程缓慢或者不均匀。如图8所示，两种不同交联顺序制得的水凝胶的应力-应变曲线可以直接证明成胶顺序的重要性，当采用先形成壳聚糖共价交联网络再形成海藻酸钠交联网络时，体系表现出明显的双网络水凝胶力学特性，断裂强度达到4MPa；而对比例2中采用先形成海藻酸钠交联网络再形成壳聚糖交联网络时，体系的力学强度完全达不到双网络水凝胶的标准，这是由于海藻酸钠与金属离子的致密交联网络会限制交联剂的扩散以及其与邻苯二酚改性壳聚糖接触引发共价交联的反应，进而会导致力学性能无法有效提高。实验结果表明，利用本发明实施例采用的交联顺序，是能够成功制备高强度邻苯二酚改性壳聚糖-海藻酸盐双网络水凝胶的关键。
实施例2
本实施例提供一种邻苯二酚改性壳聚糖-海藻酸盐双网络水凝胶，按照以下步骤制备：
(1)取0.5g壳聚糖(CS)充分溶解于100mL 1％的乙酸溶液中，充分搅拌至完全溶解，得到无色澄清的壳聚糖溶液。30mL溶解有2g 3,4-二羟基苯甲醛的DMF溶液滴加到上述壳聚糖溶液中，室温搅拌3h。然后50mL溶解有3g NaBH3CN的水溶液滴加到上述溶液中，室温搅拌6h，反应结束后，将混合溶液导入1000mL冷乙醇中进行沉淀，得到许多絮状产物，过滤回收，并对滤饼用水和乙醇反复洗涤几次，室温真空干燥，得到灰白色固体即为邻苯二酚接枝改性的壳聚糖(即壳聚糖衍生物Cat-CS)。
(2)取150mg Cat-CS溶解于1mL 3％的乙酸溶液中，充分搅拌至完全溶解，随后加入20mg海藻酸钠，充分搅拌至完全溶解。此后加入1％浓度的高碘酸钠溶液0.1mL。室温下，充分搅拌至水凝胶成型。
(3)取上述水凝胶浸入1M的钙离子溶液中进行二次交联，5min后取出，即可得到邻苯二酚改性壳聚糖-海藻酸盐双网络水凝胶。
取本实施例制得的双网络水凝胶进行测试，同样具有很好的机械强度，可以支撑起4500g的重物。
