一種改性殼聚糖基超吸水凝膠及其制備和應用的制作方法

本發明屬于功能高分子技術領域，具體涉及一種改性殼聚糖基超吸水凝膠及其制備方法和應用。

背景技術：

超吸水凝膠具有突出的吸水性能，因此廣泛應用于化工、材料、制藥、環境和食品等各行業，且用量巨大。其中，在生物醫用材料與生理衛生等領域，對超吸水凝膠的性能有一定的特殊要求，如生物相容性、抗菌性以及生物降解性等。因此，一些天然高分子作為超吸水凝膠的原材料逐漸引起了研究者的關注。目前，研究的天然高分子改性超吸水凝膠一般以天然高分子為改性組分，加入至丙烯酸、丙烯酰胺類等合成高分子中進行接枝聚合形成超吸水凝膠，這樣可以一定程度改進其生物降解性以及生物相容性。然而，完全以純天然高分子為原材料的超吸水凝膠，至今研究和應用相對較少。

甲殼素是僅次于纖維素的全球第二儲量的天然高分子材料，有望成為一種重要的可再生化學資源。殼聚糖是甲殼素的脫乙酰產物，來源廣泛，生物相容性良好，是作為生物醫用材料的理想原材料。但是由于殼聚糖自身氫鍵作用導致不溶于水，其應用也受到了一定的限制。為了解決這個問題，殼聚糖各類水溶性衍生物也在不斷的研發中，主要用作藥物緩控釋和組織工程等材料。

技術實現要素：

本發明針對現有技術的不足，目的在于提供一種具有優異的吸水、ph敏感性和抑菌性能的改性殼聚糖基超吸水凝膠及其制備方法和應用。

為達到上述目的，采用技術方案如下：

一種改性殼聚糖基超吸水凝膠，由兩種殼聚糖衍生物通過共混和交聯制備而成；所述兩種殼聚糖衍生物為琥珀酰殼聚糖與殼聚糖季銨鹽。

上述方案中，所述琥珀酰殼聚糖的用量為兩種殼聚糖衍生物總質量的25～90％。

上述方案中，所述殼聚糖季銨鹽的用量為兩種殼聚糖衍生物總質量的10～75％。

上述方案中，交聯劑為環氧氯丙烷；所述交聯劑的用量大于兩種殼聚糖衍生物總質量的59％。

上述改性殼聚糖基超吸水凝膠的制備方法，包括如下步驟：

1)將琥珀酰殼聚糖與殼聚糖季銨鹽充分溶解于堿性水溶液中；

2)加入交聯劑環氧氯丙烷，在30℃下恒溫攪拌20分鐘；

3)升溫到80℃并保溫反應2小時；

4)洗滌和干燥后即得到改性殼聚糖基超吸水凝膠。

上述方案中，所述堿性水溶液為氫氧化鈉水溶液。

上述方案中，所述干燥方式為冷凍干燥或低溫烘干，低溫烘干的溫度低于60℃。

上述改性殼聚糖基超吸水凝膠在生物醫用和個人衛生材料領域的應用。

由于琥珀酰殼聚糖含有親水性羧基，在溶液中可以去質子化形成羧酸根離子，有助于增大其吸濕性能；而殼聚糖季銨鹽則因為分子鏈中含有正電荷的季銨鹽基團，對細菌的生長具有一定的抑制效果。通過兩種殼聚糖衍生物的復合，實現將琥珀酰和季銨鹽基團同時引入殼聚糖水凝膠結構中，制備了一種以純殼聚糖衍生物為基質的天然高分子抗菌超吸水凝膠。交聯劑環氧氯丙烷與琥珀酰殼聚糖和殼聚糖季銨鹽均會發生交聯反應，生成一種新型微觀結構的超吸水凝膠。

本發明的有益效果：

本發明以兩種殼聚糖衍生物(琥珀酰殼聚糖和殼聚糖季銨鹽)為原料，通過共混和交聯反應獲得一種新型改性殼聚糖基超吸水凝膠，所述超吸水凝膠具有優異的吸水、ph敏感性和抑菌性能；

本發明所述改性殼聚糖基超吸水凝膠的吸水、ph敏感性和抑菌性能受到制備工藝參數的影響，可根據不同使用需要，通過調節琥珀酰殼聚糖和殼聚糖季銨鹽的用量，以及交聯劑用量加以調控；

本發明所述改性殼聚糖基超吸水凝膠采用純天然高分子(殼聚糖衍生物)為基材，因基材具有良好的生物降解性，從而有效避免了污染環境；

本發明所述改性殼聚糖基超吸水凝膠原料全部采用殼聚糖衍生物。超吸水凝膠市場需求和用量巨大，當前應用主要為合成類高分子為基材。殼聚糖是甲殼素的脫乙酰產物，而甲殼素是僅次于纖維素的全球第二儲量的天然高分子材料，來源廣泛，為一種重要的可再生化學資源，符合可持續發展的要求；

本發明所述改性殼聚糖基超吸水凝膠可用于生物醫用和個人衛生材料領域；

本發明制備工藝簡單易行，有望實現產業化，應用前景廣闊。

附圖說明

圖1：本發明中改性殼聚糖基超吸水凝膠的分子結構示意圖。

圖2：本發明中改性殼聚糖基超吸水凝膠的掃描電鏡圖。

具體實施方式

以下實施例進一步闡釋本發明的技術方案，但不作為對本發明保護范圍的限制。

實施例1

一種改性殼聚糖基超吸水凝膠，通過如下方法制備得到：

(1)將設定量的琥珀酰殼聚糖與殼聚糖季銨鹽(總質量為2克，其中，琥珀酰殼聚糖與殼聚糖季銨鹽用量分別為75％和25％)溶于20毫升氫氧化鈉水溶液中，充分攪拌，混合均勻；

(2)于上述溶液中加入2毫升交聯劑環氧氯丙烷，在30℃下恒溫攪拌20分鐘；

(3)將所得混合液在80℃下使其發生交聯反應2小時；

(4)反應結束后，將所得超吸水凝膠先用水清洗，之后再用無水乙醇清洗；

(5)最后，冷凍干燥后即可得到改性殼聚糖基超吸水凝膠。

超吸水凝膠的吸水性能采用稱重法進行測試，吸水率按式(1)計算：

we為吸水平衡時的超吸水凝膠質量(g)，w0為吸水前的干態超吸水凝膠初始質量(g)。

本實施例制備得到改性殼聚糖基超吸水凝膠的吸水率達到143g/g，結果表明該超吸水凝膠具有優異的吸水性能。此外，該超吸水凝膠在酸性(ph2)和堿性(ph12)環境中的吸水率分別為23g/g和53g/g，吸水率顯著低于中性環境吸水率，表明改性殼聚糖基超吸水凝膠具有良好的ph敏感性。

本實施例制備得到改性殼聚糖基超吸水凝膠的分子結構示意圖見圖1，改性殼聚糖基超吸水凝膠的掃描電鏡圖見圖2。圖1表明，這兩種殼聚糖衍生物(琥珀酰殼聚糖和殼聚糖季銨鹽)通過共混和交聯，形成了同種和不同高分子間的交聯網絡結構，生成了一種新型分子結構的超吸水凝膠。圖2的改性殼聚糖基超吸水凝膠的掃描電鏡圖顯示，該超吸水凝膠具有良好的孔狀結構。

實施例2

一種改性殼聚糖基超吸水凝膠，通過如下方法制備得到：

(1)將設定量的琥珀酰殼聚糖與殼聚糖季銨鹽(總質量為2克，其中，琥珀酰殼聚糖與殼聚糖季銨鹽用量分別為75％和25％)溶于20毫升氫氧化鈉水溶液中，充分攪拌，混合均勻；

(2)于上述溶液中加入1.5毫升交聯劑環氧氯丙烷，在30℃下恒溫攪拌20分鐘；

(3)將所得混合液在80℃下使其發生交聯反應2小時；

(4)反應結束后，將所得超吸水凝膠先用水清洗，之后再用無水乙醇清洗；

(5)最后，冷凍干燥后即可得到改性殼聚糖基超吸水凝膠。

本實施例制備得到改性殼聚糖基超吸水凝膠的吸水率為101g/g。相對于例1，該結果表明交聯劑環氧氯丙烷的用量可以調節該超吸水凝膠的吸水性能。

實施例3

一種改性殼聚糖基超吸水凝膠，通過如下方法制備得到：

(1)將設定量的琥珀酰殼聚糖與殼聚糖季銨鹽(總質量為2克，其中，琥珀酰殼聚糖與殼聚糖季銨鹽用量均為50％)溶于20毫升氫氧化鈉水溶液中，充分攪拌，混合均勻；

(2)于上述溶液中加入2毫升交聯劑環氧氯丙烷，在30℃下恒溫攪拌20分鐘；

(3)將所得混合液在80℃下使其發生交聯反應2小時；

(4)反應結束后，將所得超吸水凝膠先用水清洗，之后再用無水乙醇清洗；

(5)最后，于40℃下烘干后即可得到改性殼聚糖基超吸水凝膠。

超吸水凝膠的抗菌性能采用吸光度法進行測試，抑菌率按式(2)計算：

a0為未加超吸水凝膠的細菌培養基吸光度，a為加入超吸水凝膠的細菌培養基吸光度。

本實施例制備得到改性殼聚糖基超吸水凝膠的抗菌性能(對大腸桿菌)結果表明，其抑菌率達到81％。

實施例4

一種改性殼聚糖基超吸水凝膠，通過如下方法制備得到：

(1)將設定量的琥珀酰殼聚糖與殼聚糖季銨鹽(總質量為2克，其中，琥珀酰殼聚糖與殼聚糖季銨鹽用量分別為25％和75％)溶于20毫升氫氧化鈉水溶液中，充分攪拌，混合均勻；

(2)于上述溶液中加入2毫升交聯劑環氧氯丙烷，在30℃下恒溫攪拌20分鐘；

(3)將所得混合液在80℃下使其發生交聯反應2小時；

(4)反應結束后，將所得超吸水凝膠先用水清洗，之后再用無水乙醇清洗；

(5)最后，冷凍干燥后即可得到改性殼聚糖基超吸水凝膠。

本實施例制備得到改性殼聚糖基超吸水凝膠的抗菌性能(對大腸桿菌)結果表明，其抑菌性能顯著，抑菌率達到89％。

顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的實例，而并非對實施方式的限制。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而因此所引申的顯而易見的變化或變動仍處于本發明創造的保護范圍之內。