一種殼聚糖水凝膠及其制備方法
【專利摘要】本發明涉及高分子水凝膠領域，具體公開一種殼聚糖水凝膠的制備方法，包括步驟：S1將殼聚糖溶于稀酸溶劑中，配制殼聚糖溶液；S2在氧化劑存在下，使所述殼聚糖溶液發生氧化反應，得到預聚體溶液；S3在酸性條件，使所述預聚體溶液發生自交聯反應，得到殼聚糖水凝膠。本發明采用本體自交聯方法制備殼聚糖水凝膠，工藝簡單，獲得的殼聚糖水凝膠在具備良好穩定性的同時，還保持了良好生物相容性；且其理化性質可以通過調控工藝條件得以調節。
【專利說明】一種殼聚糖水凝膠及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及高分子水凝膠領域，具體涉及一種殼聚糖水凝膠及其制備方法。
【背景技術】
[0002]殼聚糖(Chitosan，CS)來源廣泛，廉價易得，且具有良好的生物相容性、安全性和生物降解性，是制備水凝膠的理想材料。因此，殼聚糖類水凝膠(CS hydrogel)受廣泛關注性能優異的高分子水凝膠，已經廣泛地應用于生物醫學材料領域，如殼聚糖水凝膠藥物釋放系統等。
[0003]目前，應用于生物醫學工程領域的殼聚糖類水凝膠，一般采取添加額外的化學交聯劑，與殼聚糖糖苷環上的2-NH2、3-0H及6-0H等活性位點進行反應化學交聯，構成殼聚糖類水凝膠網絡結構。化學交聯劑一般為戊二醛，京尼平等多功能活性基團的化學物質。如楊旭東等采用戊二醛作為化學交聯劑，在醋酸溶液中成功制備了殼聚糖水凝膠，并優化了制備殼聚糖水凝膠的工藝條件。
[0004]但采用這樣的化學交聯制備水凝膠會帶來一些弊端，具體如下:交聯劑引入，從物理化學性質上會對殼聚糖材料有一定的影響，如細胞毒性等，可能影響殼聚糖材料良好的生物相容性，或因改變了殼聚糖材料攜帶的正電荷，而影響殼聚糖材料具有的抗菌性_L化學交聯制備水凝膠過程，工藝比較冗長，需要較多的物理或化學過程，成本相對較高，不利于殼聚糖水凝膠的產業化。
[0005]因此，還需要一種簡便的工藝用于制備殼聚糖水凝膠，以克服化學交聯法的各個弊端。
【發明內容】
[0006]本發明要解決的技術問題在于克服化學交聯法制備殼聚糖水凝膠時，因交聯劑的引入對殼聚糖性質的不利影響，提供一種改進的方法制備殼聚糖水凝膠。
[0007]本發明的技術方案包括一種殼聚糖水凝膠的制備方法，包括步驟:S1將殼聚糖溶于稀酸溶劑中，配制殼聚糖溶液；S2在氧化劑存在下，使所述殼聚糖溶液發生氧化反應，得到預聚體溶液；S3在酸性條件，使所述預聚體溶液發生自交聯反應，得到殼聚糖水凝膠。
[0008]一些實施例中，所述制備方法還可以包括用水洗滌去除可溶性雜質，以純化殼聚糖水凝膠的步驟。
[0009]所述稀酸溶劑可以為稀醋酸、稀鹽酸，等等，或是它們的任意組合。
[0010]所述殼聚糖溶液的濃度可以為l_20wt%。
[0011]所述氧化劑可以為高碘酸類氧化劑、高錳酸類氧化劑、氯酸類氧化劑，或它們的任意組合，例如可以為高碘酸鈉、高錳酸鉀、氯酸鉀，或它們的任意組合。所述氧化劑的用量可以為使得殼聚糖糖苷環與氧化劑的摩爾比為1:(0.5-2)。
[0012]所述氧化反應可以在40_80°C進行。
[0013]步驟S3中所述酸性條件的pH可以為1-6。[0014]本發明還提供一種根據以上制備方法得到的殼聚糖水凝膠。
[0015]本發明采用本體自交聯法制備殼聚糖水凝膠，制備過程簡便、成本低廉，可以通過調控工藝條件調節水凝膠的理化性質。由于未引入化學交聯劑，得到的殼聚糖水凝膠保持了殼聚糖材料的優異特性，和良好的生物相容性。且殼聚糖水凝膠內部通過共價鍵結合，穩定性佳。提高了殼聚糖水凝膠的應用價值。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1示出根據本發明的殼聚糖類水凝膠制備流程圖。
【具體實施方式】
[0017]本發明涉及新型殼聚糖水凝膠的制備，具體制備方案參見圖1。利用殼聚糖主鏈糖苷環上存在特異結構，脫乙酰基后的糖苷環上2、3號相鄰位置上存在相鄰的2-NH2和3-0H，該特別結構存在一定的還原性。在合適氧化劑作用下，可以使糖苷環斷裂，形成兩個活性醛基基團，然后自身利用醛基和羥基在在酸性環境的催化作用下，共價形成新型的殼聚糖本體構建殼聚糖水凝膠。
[0018]具體地，根據本發明制備殼聚糖水凝膠的方法主要包括三個步驟。
[0019]首先在步驟SI，將殼聚糖溶于稀酸溶劑中，配制殼聚糖溶液。在稀酸溶劑中殼聚糖分子鏈可以充分伸展。稀酸溶劑例如可以是稀醋酸、稀鹽酸，等等，其濃度例如可以為lwt%。殼聚糖溶液的濃度可以為l_20wt%。該過程可以伴隨適當加熱，以促使溶解充分并加速溶解過程。例如可以水浴加熱到80°C，維持I小時。
[0020]殼聚糖溶液的濃度會對產物的性能具有一定影響，例如直接決定水凝膠交聯的孔隙率及流變性能。
[0021]之后是步驟S2，在氧化劑存在下，使所述殼聚糖溶液發生氧化反應，得到預聚體溶液。氧化劑可以選用高碘酸類氧化劑，如高碘酸鈉；高錳酸類氧化劑，如高錳酸鉀；氯酸類氧化劑，如氯酸鉀，等等，或者多種氧化劑的組合。氧化劑的量根據需要確定，通常可以使殼聚糖糖苷環與氧化劑的摩爾比在1:(0.5-2)的范圍。
[0022]氧化反應可以在升高的溫度進行，例如可以使反應體系在40_80°C之間的溫度，反應例如3小時。能明顯觀察到溶液的粘度降低，溶液清澈。說明糖苷環在氧化劑作用下發生斷裂，得到活性醛基基團。
[0023]氧化劑類型和用量的不同，以及反應溫度和時間的不同，均會對殼聚糖糖苷環的氧化斷鏈程度產生影響。因此實踐中，可以通過調節所用氧化劑的類型、氧化劑的用量、反應溫度，以及反應時間，實現對產物殼聚糖水凝膠理化性質的調節。
[0024]例如，當使用足夠量、足夠氧化能力的氧化劑，在較高的反應溫度反映較長時間時，可以使幾乎所有的殼聚糖糖苷環氧化斷鏈，經隨后的交聯反應，得到的殼聚糖水凝膠相應地具有相對較高的硬度和粘彈性。或者，調節氧化劑的用量和類型，以及反應溫度和時間，以使適量的殼聚糖糖苷環斷鏈，并經隨后交聯反應，制備得到的殼聚糖水凝膠可以具有適當的硬度和粘彈性。
[0025]最后在步驟S3，在酸性條件，使所述預聚體溶液發生自交聯反應，得到殼聚糖水凝膠。該酸性條件的PH可以在1-6的范圍。例如可以使用濃鹽酸、稀硫酸、稀硝酸等等，或是它們的任意混合物，實現對反應體系PH的調節。通過選擇合適醛基與羥基交聯體系pH值，促使主鏈上醛基和羥基反應，獲得不同性能的殼聚糖水凝膠。
[0026]自交聯反應可以在室溫進行，為使糖苷環上的醛基與羥基充分反應，反應時間可以在10-36小時的范圍。
[0027]采用Perkin-Elmer公司型號為DMA-7的動態力學分析儀來對獲得的水凝膠流變性能進行檢測，獲得儲存模量(G’ )和損耗模量(G’ ’)。
[0028]根據本發明的制備方法還可以對得到的殼聚糖水凝膠進一步純化，例如，用水浸泡洗滌，以去除可溶性雜質。
[0029]該方法操作簡單，工藝簡易，降低成本，并提高了殼聚糖水凝膠的應用價值。利用殼聚糖生物材料進行本體聚合，共價化學交聯形成殼聚糖類新型水凝膠，制備過程中未引入化學交聯劑等化學物質，保持了殼聚糖材料的優異特性，具備良好的生物相容性及可降解特性。很好地填補了目前國內外殼聚糖水凝膠材料存在的缺點。
[0030]本方法獲得的新型殼聚糖水凝膠，采用共價鍵結合構造，穩定性良好，同時可以通過調控工藝條件，可以獲得一系列不同理化性質的水凝膠，硬度和粘彈性可以在較寬的范圍內調控。例如，可以通過調節原始殼聚糖材料溶液的濃度及氧化劑與殼聚糖材料糖苷環的摩爾比例，來調控殼聚糖材料斷鏈程度，從而控制殼聚糖新型水凝膠的性能。或者通過選擇合適醛基與羥基交聯體系pH值，促使主鏈上醛基和羥基反應，獲得不同性能的殼聚糖水凝膠。
[0031]可見，本發明的制備方法擴大了殼聚糖水凝膠的應用范圍，解決了目前殼聚糖水凝膠面臨的困難，為其在生物醫學工程領域的應用奠下堅實的基礎。
[0032]下面結合具體實施例對本發明作進一步詳細說明。實施例中所用的殼聚糖材料為Sigma product, N0.C3646 (來源于奸殼，75% 脫乙酰度).實施例
[0033]實施例1
[0034]取0.5g殼聚糖材料，溶解于IOmL濃度為1%的醋酸溶液中，殼聚糖濃度為5wt%，水浴加熱到80°C，維持I小時；待充分溶解，降低溫度并維持在60°C，加入高碘酸納(NaIO4)作為氧化劑，殼聚糖糖苷環/NaIO4摩爾比為1:0.5，攪拌并持續3小時，停止反應，溶液色澤明顯觀察到清澈；然后加入適量的濃鹽酸(HCl)調節pH為2，靜置過夜，獲得殼聚糖水凝膠，采用蒸餾水浸泡3到5次進行純化。
[0035]采用Perkin-Elmer公司型號為DMA-7的動態力學分析儀,檢測獲得的殼聚糖水凝膠的流變性能，獲得儲存模量(G’ )和儲存模量(G’ ’ )分別為417Pa和179Pa。
[0036]實施例2
[0037]取0.1g殼聚糖材料，溶解于IOmL濃度為1%的醋酸溶液中，殼聚糖濃度為lwt%，水浴加熱到80°C，維持I小時；待充分溶解，降低溫度并維持在60°C，加入高碘酸納(NaIO4)作為氧化劑，殼聚糖糖苷環/NaIO4摩爾比為1:0.5，攪拌并持續3小時，停止反應，溶液色澤明顯觀察到清澈；然后加入適量的濃鹽酸(HCl)調節pH為2，靜置過夜，獲得殼聚糖水凝膠，采用蒸餾水浸泡3到5次進行純化。
[0038]采用流變儀檢測流變性能，獲得儲存模量(G’ )和儲存模量(G’ ’ )分別為256Pa和102Pa。
[0039]實施例3
[0040]取Ig殼聚糖材料，溶解于IOmL濃度為1%的醋酸溶液中，殼聚糖濃度為10wt%，水浴加熱到80°C，維持I小時；待充分溶解，降低溫度并維持在60°C，加入高碘酸納(NaIO4)作為氧化劑，殼聚糖糖苷環/NaIO4摩爾比為1:0.5，攪拌并持續3小時，停止反應，溶液色澤明顯觀察到清澈；然后加入適量的濃鹽酸(HCl)調節pH為2，靜置過夜，獲得殼聚糖水凝膠，采用蒸餾水浸泡3到5次進行純化。
[0041]采用流變儀檢測流變性能，獲得儲存模量(G’ )和儲存模量(G’ ’ )分別為587Pa和202Pa。
[0042]實施例4
[0043]取2g殼聚糖材料，溶解于IOmL濃度為1%的醋酸溶液中，殼聚糖濃度為20wt%，水浴加熱到80°C，維持1小時；待充分溶解，降低溫度并維持在60°C，加入高碘酸納(NaIO4)作為氧化劑，殼聚糖糖苷環/NaIO4摩爾比為1:0.5，攪拌并持續3小時，停止反應，溶液色澤明顯觀察到清澈；然后加入適量的濃鹽酸(HCl)調節pH為2，靜置過夜，獲得殼聚糖水凝膠，采用蒸餾水浸泡3到5次進行純化。
[0044]采用流變儀檢測流變性能，獲得儲存模量(G’ )和儲存模量(G’ ’ )分別為613Pa和233Pa。
[0045]實施例5
[0046]取0.5g殼聚糖材料，溶解于IOmL濃度為1%的醋酸溶液中，殼聚糖濃度為5wt%，水浴加熱到80°C，維持I小時；待充分溶解，降低溫度并維持在60°C，加入高碘酸納(NaIO4)作為氧化劑，殼聚糖糖苷環/NaIO4摩爾比為1:1，攪拌并持續3小時，停止反應，溶液色澤明顯觀察到清澈；然后加入適量的濃鹽酸(HCl)調節pH為2，靜置過夜，獲得殼聚糖水凝膠，采用蒸餾水浸泡3到5次進行純化。
[0047]采用流變儀檢測流變性能，獲得儲存模量(G’ )和儲存模量(G’ ’ )分別為523Pa和191Pa。
[0048]實施例6
[0049]取0.5g殼聚糖材料，溶解于IOmL濃度為1%的醋酸溶液中，殼聚糖濃度為5wt%，水浴加熱到80°C，維持I小時；待充分溶解，降低溫度并維持在60°C，加入高碘酸納(NaIO4)作為氧化劑，殼聚糖糖苷環/NaIO4摩爾比為1:2，攪拌并持續3小時，停止反應，溶液色澤明顯觀察到清澈；然后加入適量的濃鹽酸(HCl)調節pH為2，靜置過夜，獲得殼聚糖水凝膠，采用蒸餾水浸泡3到5次進行純化。
[0050]采用流變儀檢測流變性能，獲得儲存模量(G’ )和儲存模量(G’ ’ )分別為556Pa和211Pa。
[0051]實施例7
[0052]取0.5g殼聚糖材料，溶解于IOmL濃度為1%的醋酸溶液中，殼聚糖濃度為5wt%，水浴加熱到80°C，維持I小時；待充分溶解，降低溫度并維持在60°C，加入高碘酸納(NaIO4)作為氧化劑，殼聚糖糖苷環/NaIO4摩爾比為1:0.5，攪拌并持續3小時，停止反應，溶液色澤明顯觀察到清澈；然后加入適量的濃鹽酸(HCl)調節pH為I，靜置過夜，獲得殼聚糖水凝膠，采用蒸餾水浸泡3到5次進行純化。[0053]釆用流變儀檢測流變性能，獲得儲存模量(G’ )和儲存模量(G’ ’ )分別為455Pa和196Pa0
[0054]實施例8
[0055]取0.5g殼聚糖材料，溶解于IOmL濃度為1%的醋酸溶液中，殼聚糖濃度為5wt%，水浴加熱到80°C，維持I小時；待充分溶解，降低溫度并維持在60°C，加入高碘酸納(NaIO4)作為氧化劑，殼聚糖糖苷環/NaIO4摩爾比為1:0.5，攪拌并持續3小時，停止反應，溶液色澤明顯觀察到清澈；然后加入適量的濃鹽酸(HCl)調節pH為4，靜置過夜，獲得殼聚糖水凝膠，采用蒸餾水浸泡3到5次進行純化。
[0056]采用流變儀檢測流變性能，獲得儲存模量(G’ )和儲存模量(G’ ’ )分別為388Pa和171Pa。
[0057]實施例9
[0058]取0.5g殼聚糖材料，溶解于IOmL濃度為1%的醋酸溶液中，殼聚糖濃度為5wt%，水浴加熱到80°C，維持I小時；待充分溶解，降低溫度并維持在60°C，加入高碘酸納(NaIO4)作為氧化劑，殼聚糖糖苷環/NaIO4摩爾比為1:0.5，攪拌并持續3小時，停止反應，溶液色澤明顯觀察到清澈；然后加入適量的濃鹽酸(HCl)調節pH為6，靜置過夜，獲得殼聚糖水凝膠，采用蒸餾水浸泡3到5次進行純化。
[0059]采用流變儀檢測流變性能，獲得儲存模量(G’ )和儲存模量(G’ ’ )分別為369Pa和146Pa。
[0060]實施例10
[0061]取0.5g殼聚糖材料，溶解于IOmL濃度為1%的鹽酸溶液中，殼聚糖濃度為5wt%，水浴加熱到80°C，維持I小時；待充分溶解，降低溫度并維持在40°C，加入高碘酸納(NaIO4)作為氧化劑，殼聚糖糖苷環/NaIO4摩爾比為1:0.5，攪拌并持續3小時，停止反應，溶液色澤明顯觀察到清澈；然后加入適量的濃鹽酸(HCl)調節pH為2，靜置過夜，獲得殼聚糖水凝膠，采用蒸餾水浸泡3到5次進行純化。
[0062]采用流變儀檢測流變性能，獲得儲存模量(G’ )和儲存模量(G’ ’ )分別為402Pa和171Pa。
[0063]實施例U
[0064]取0.5g殼聚糖材料，溶解于IOmL濃度為1%的鹽酸溶液中，殼聚糖濃度為5wt%，水浴加熱到80°C，維持I小時；待充分溶解，降低溫度并維持在80°C，加入高碘酸納(NaIO4)作為氧化劑，殼聚糖糖苷環/NaIO4摩爾比為1:0.5，攪拌并持續3小時，停止反應，溶液色澤明顯觀察到清澈；然后加入適量的濃鹽酸(HCl)調節pH為2，靜置過夜，獲得殼聚糖水凝膠，采用蒸餾水浸泡3到5次進行純化。
[0065]采用流變儀檢測流變性能，獲得儲存模量(G’ )和儲存模量(G’ ’ )分別為434Pa和197Pa。
[0066]實施例12
[0067]取0.5g殼聚糖材料，溶解于IOmL濃度為1%的鹽酸溶液中，殼聚糖濃度為5wt%，水浴加熱到80°C，維持I小時；待充分溶解，降低溫度并維持在60°C，加入高碘酸納(NaIO4)作為氧化劑，殼聚糖糖苷環/NaIO4摩爾比為1:0.5，攪拌并持續3小時，停止反應，溶液色澤明顯觀察到清澈；然后加入適量的濃鹽酸(HCl)調節pH為2，靜置過夜，獲得殼聚糖水凝膠，采用蒸餾水浸泡3到5次進行純化。
[0068]采用流變儀檢測流變性能，獲得儲存模量(G’ )和儲存模量(G’ ’ )分別為420Pa和183Pa0 發明的【具體實施方式】，并不構成對本發明保護范圍的限定。任何根據本發明的技術構思所作出的各種其他相應的改變與變形，均應包含在本發明權利要求的保護范圍內。
【權利要求】
1.一種殼聚糖水凝膠的制備方法，其特征在于，包括步驟: Si將殼聚糖溶于稀酸溶劑中，配制殼聚糖溶液； S2在氧化劑存在下，使所述殼聚糖溶液發生氧化反應，得到預聚體溶液； S3在酸性條件，使所述預聚體溶液發生自交聯反應，得到殼聚糖水凝膠。
2.如權利要求1所述的制備方法，還包括:用水洗滌去除可溶性雜質，以純化殼聚糖水凝膠的步驟。
3.如權利要求1或2所述的制備方法，其中，所述稀酸溶劑為稀醋酸、稀鹽酸，或它們的任意組合。
4.如權利要求1或2所述的制備方法，其中，所述殼聚糖溶液的濃度為l_20wt%。
5.如權利要求1或2所述的制備方法，其中，所述氧化劑為高碘酸類氧化劑、高錳酸類氧化劑、氯酸類氧化劑，或它們的任意組合。
6.如權利要求5所述的制備方法，其中，所述氧化劑為高碘酸鈉、高錳酸鉀、氯酸鉀，或它們的任意組合。
7.如權利要求1或2所述的制備方法，其中，所述氧化劑的用量為使得殼聚糖糖苷環與氧化劑的摩爾比為1:(0.5-2)。
8.如權利要求1或2所述的制備方法，其中，所述氧化反應在40-80°C進行。
9.如權利要求1或2所述.的制備方法，其中，步驟S3中所述酸性條件的pH為1-6。
10.如權利要求1-9中任一項所述的制備方法得到的殼聚糖水凝膠。
【文檔編號】C08L5/08GK103467754SQ201310416226
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月12日 優先權日:2013年9月12日
【發明者】阮長順, 潘浩波, 蔡青青, 蔣立新 申請人:深圳先進技術研究院