一種微波-超聲波耦合場中明膠基水凝膠的制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種微波?超聲波耦合場中明膠基水凝膠的制備方法。本發明采用具有優良生物相容性的聚乙烯醇、羧甲基纖維素為支架，殼聚糖衍生物為交聯劑，對明膠進行交聯改性制備明膠基水凝膠，其包括如下所述的制備步驟：（1）按殼聚糖衍生物/明膠質量比為1:10~1:4混合，加入明膠質量50%~150%的聚乙烯醇或羧甲基纖維素，添加適量高純水保證溶液固含量為20%~50%；（2）調節溶液pH為3.5~5.0，并于50~95℃水浴中加熱使之呈透明溶液，放入到微波?超聲波耦合反應場中；（3）設置微波?超聲波耦合場中微波的頻率為300MHz~1000MHz、超聲波頻率為500~1500MHz，70~95℃條件下反應1~3h；（4）冷凍干燥得水凝膠樣品。因明膠及殼聚糖分子中可反應的官能團較多，因此得到的水凝膠對重金屬、染料有較好的吸附性。
【專利說明】
一種微波-超聲波耦合場中明膠基水凝膠的制備方法
技術領域
[0001] 本發明涉及一種微波-超聲波耦合場中明膠基水凝膠的制備方法，屬于功能高分 子領域。
【背景技術】
[0002] 水凝膠是一種在水中能顯著溶脹，但是又不會溶解的三維網格狀的聚合物凝膠， 其通過分子纏結、氫鍵、疏水鍵、靜電作用、Ji-JT堆疊等非共價鍵或亞氨鍵、雙硫鍵、離子鍵等 作為交聯點來實現其優異的保水性、生物相容性和化學物理性質。因其含水量高、材質柔 軟、具有橡膠般的粘彈性和良好的生物相容性而被廣泛用于醫療、醫藥、人工器官、環保等 方面[Hoffman AS. Hydrogels for biomedical applications[J] . Advanced Drug Delivery Reviews, 2002，43:3-12.]。在過去的幾十年里，水凝膠的研究已取得了很大的 進展，已經成為材料科學的一個重要研究方向。雖然已經有一部分研究成果在社會生產生 活中得以應用，但是目前距離真正實現產業化及應用普及階段尚有一段距離。例如幾類典 型的溫敏型水凝膠主要采用聚N-異丙基丙烯酰胺及其衍生物體系，雖然該體系水凝膠的低 臨界溶液溫度與人體生理溫度(37°C)接近，但是由于N-異丙基丙烯酰胺單體對人體有致 畸、致癌等缺點，無法滿足其在醫學上的實際應用[王揚.聚乙二醇基多重響應的高強度智 能水凝膠的制備及性能研究[D].東華大學，2014.]。制備智能水凝膠材料的聚合物必須具 備以下兩個條件:高分子有適當的交聯網絡結構，并且在其主鏈或側鏈上有大量的親水基 團[李富蘭，周雪松，顏杰，張承紅.NIPA系溫敏凝膠的制備及應用研究進展[J].化學與生 物工程，2011,28(7):5-9.]。除了聚N-異丙基丙烯酰胺外，近年來基于多肽和蛋白質的水凝 膠體系受到廣泛的關注，其凝膠化機制既可以是側基之間的物理組裝和聚集，也可以是反 應性殘基之間的可控反應。現在關于這方面的研究多集中在多肽-高分子水凝膠，蛋白質-高分子水凝膠體系，而對于大多數體內應用來講，合成高分子的生物相容性及可降解性仍 需慎重考慮，而完全基于多肽或蛋白質的水凝膠體系成為一個非常誘人的方向[王曉威，王 曉曼，冉隆豪，張文彬.基于多肽和蛋白質的水凝膠研究進展[J].高分子通報，2014, 27 (8): 44-55 .]。天然膠原是細胞外最重要的水不溶性纖維蛋白，其最普遍的結構特征是三 股螺旋結構，基本結構單元為原膠原，其一級結構具有(Gly-X-Y)重復序列，其中Gly為甘氨 酸，X常為脯氨酸，Y常為羥脯氨酸或羥賴氨酸，這些氨基酸通過酰胺鍵/肽鍵鏈接而成，同時 由于構成膠原蛋白的氨基酸側鏈中含有大量的親水及疏水性基團，具備聚N-異丙基丙烯酰 胺的基本結構。
[0003] 明膠為膠原的降解產物，屬于一種天然多肽聚合物，其分子側鏈中含有大量羥基、 羧基、胍基、酰胺鍵等，故而生物活性較強，可作為水凝膠的基體，然而未經修飾的明膠穩定 性和機械性較差，可通過交聯的方法進一步改善明膠的性能[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.]。聚乙烯醇及羧甲基纖維素一類常見的高分子有機物，來源豐富且可 再生，同時其可生物降解，可實現在自然界中的循環，是理想的綠色高分子材料。殼聚糖是 天然的高分子聚合物，降解產物是氨基葡萄糖單體，對人體無不良反應，具有優良的生物相 容性、無毒性及抗菌等作用。
[0004] 制備水凝膠的方法很多，常見的有:單體交聯聚合、預聚體交聯聚合、接枝共聚和 聚合物互穿網絡。前三者多是在交聯劑存在的條件下，通過輻射或引發劑引發單體或預聚 體，使之交聯聚合而得到；而互穿網絡是由兩種或兩種以上聚合物通過溶劑法各自交聯、相 互貫穿形成的共混物[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.李鳳娟，林諱，程慶，穆 暢道.新型膠原/聚丙烯酸互穿網絡pH敏感水凝膠的制備及性能研究[J].材料導報， 2009，23(2): 46-57.]。近年來，采用超聲波輔助化學反應的方法已有報道，該方法是化學法 與物理法的有機結合，超聲波，是指頻率在20~IOOkHz的聲波，其對化學反應和過程有明顯 的促進作用，主要是借助于超聲波的機械分散及"空化"作用，如強烈的震動、分散、產生自 由基等。而微波是指頻率在300MHz~300GHz的電磁波，其基本性質通常呈現穿透、反射和吸 收三個特性，應用在化學反應方面主要是精確升溫。因此本研究以聚乙烯醇或透明質酸為 支架，殼聚糖衍生物和明膠為主體，在微波-超聲波耦合場中制備明膠基水凝膠，通過改變 反應參數對水凝膠的性能進行調控，在保留其優點的同時克服各自缺點，通過冷凍干燥法 制備明膠基水凝膠。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是提供一種在微波-超聲波耦合場中明膠基水凝膠的制備方法，選 用可生物降解的聚乙烯醇或羧甲基纖維素為支架，以明膠及殼聚糖衍生物為主體，將其置 于微波與超聲波的耦合場中，通過調節聚乙烯醇或羧甲基纖維素、明膠、殼聚糖衍生物三者 的比例，反應時間，反應溫度，耦合場參數等變量制備明膠基水凝膠。
[0006] -種微波-超聲波耦合場中明膠基水凝膠的制備方法，具體的技術方案如下： 按殼聚糖衍生物/明膠質量比為1:10~1:4混合，加入明膠質量50%~150%的聚乙烯醇或 羧甲基纖維素，添加適量高純水保證溶液固含量為20%~50%;調節溶液的pH為3.5~5.0，并于 50~95 °C水浴中加熱使之呈透明溶液，放入到微波-超聲波耦合反應場中，70~95 °C條件下反 應1~3h;冷凍干燥得明膠基水凝膠樣品。
[0007] 所述的殼聚糖衍生物為氧化堿化殼聚糖、氧化殼聚糖中的一種。
[0008] 所述的微波-超聲波耦合反應場的微波頻率為300MHz~1000MHz，超聲波的頻率為 500~1500MHz〇
[0009] 相比于現有技術，本發明具有以下優點：1、制備了一種無毒且可生物降解的明膠 基水凝膠，解決了現有技術中水凝膠基體的致畸致癌等生物毒性的問題。2、本發明的明膠 基水凝膠以聚乙烯醇或羧甲基纖維素為支架，可通過改變聚乙烯醇或羧甲基纖維素與明膠 的比例、殼聚糖衍生物與明膠的反應條件(如用量比、溫度、時間、微波頻率、超聲波頻率等） 來調控水凝膠的力學性能及其最大吸水性，從而增加其強度及溶脹率，拓寬了應用范圍，具 有廣闊的應用前景。
【具體實施方式】
[0010] 為了加深對本發明的理解，以下結合具體實施方案對本發明做進一步詳述，但不 以任何方式限制本發明。
[0011] 實施例1 稱取一定量的明膠加入到三頸瓶中，加入明膠質量10%的氧化堿化殼聚糖、50%的聚乙 烯醇，添加適量高純水保證混合溶液的固含量為20%，調節混合液pH至3.5并于95°C水浴中 加熱使之呈透明溶液，放入到微波/超聲波耦合反應場中，調節微波頻率為300MHz、超聲波 頻率為500MHz，于70°C條件下反應Ih，后冷凍干燥得水凝膠樣品。
[0012] 實施例2 稱取一定量的明膠加入到三頸瓶中，加入明膠質量20%的氧化堿化殼聚糖、50%的聚乙 烯醇，添加適量高純水保證混合溶液的固含量為20%，調節混合液pH至3.5并于95°C水浴中 加熱使之呈透明溶液，放入到微波/超聲波耦合反應場中，調節微波頻率為300MHz、超聲波 頻率為500MHz，于70°C條件下反應Ih，后冷凍干燥得水凝膠樣品。
[0013] 實施例3 稱取一定量的明膠加入到三頸瓶中，加入明膠質量25%的氧化堿化殼聚糖、50%的聚乙 烯醇，添加適量高純水保證混合溶液的固含量為20%，調節混合液pH至3.5并于95°C水浴中 加熱使之呈透明溶液，放入到微波/超聲波耦合反應場中，調節微波頻率為300MHz、超聲波 頻率為500MHz，于70°C條件下反應Ih，后冷凍干燥得水凝膠樣品。
[0014] 實施例4 稱取一定量的明膠加入到三頸瓶中，加入明膠質量10%的氧化堿化殼聚糖、50%的羧甲 基纖維素，添加適量高純水保證混合溶液的固含量為20%，調節混合液pH至3.5并于65 °C水 浴中加熱使之呈透明溶液，放入到微波/超聲波耦合反應場中，調節微波頻率為300MHz、超 聲波頻率為500MHz，于70°C條件下反應Ih，后冷凍干燥得水凝膠樣品。
[0015] 實施例5 稱取一定量的明膠加入到三頸瓶中，加入明膠質量25%的氧化堿化殼聚糖、50%的羧甲 基纖維素，添加適量高純水保證混合溶液的固含量為20%，調節混合液pH至3.5并于65 °C水 浴中加熱使之呈透明溶液，放入到微波/超聲波耦合反應場中，調節微波頻率為300MHz、超 聲波頻率為500MHz，于70°C條件下反應Ih，后冷凍干燥得水凝膠樣品。
[0016] 實施例6 稱取一定量的明膠加入到三頸瓶中，加入明膠質量10%的氧化堿化殼聚糖、100%的聚乙 烯醇，添加適量高純水保證混合溶液的固含量為20%，調節混合液pH至3.5并于95°C水浴中 加熱使之呈透明溶液，放入到微波/超聲波耦合反應場中，調節微波頻率為300MHz、超聲波 頻率為500MHz，于70°C條件下反應Ih，后冷凍干燥得水凝膠樣品。
[0017] 實施例7 稱取一定量的明膠加入到三頸瓶中，加入明膠質量10%的氧化堿化殼聚糖、150%的聚乙 烯醇，添加適量高純水保證混合溶液的固含量為20%，調節混合液pH至3.5并于95°C水浴中 加熱使之呈透明溶液，放入到微波/超聲波耦合反應場中，調節微波頻率為300MHz、超聲波 頻率為500MHz，于70°C條件下反應Ih，后冷凍干燥得水凝膠樣品。
[0018] 實施例8 稱取一定量的明膠加入到三頸瓶中，加入明膠質量10%的氧化堿化殼聚糖、50%的聚乙 烯醇，添加適量高純水保證混合溶液的固含量為20%，調節混合液pH至4.0并于95 °C水浴中 加熱使之呈透明溶液，放入到微波/超聲波耦合反應場中，調節微波頻率為300MHz、超聲波 頻率為500MHz，于70°C條件下反應Ih，后冷凍干燥得水凝膠樣品。
[0019] 實施例9 稱取一定量的明膠加入到三頸瓶中，加入明膠質量10%的氧化堿化殼聚糖、50%的聚乙 烯醇，添加適量高純水保證混合溶液的固含量為20%，調節混合液pH至5.0并于95 °C水浴中 加熱使之呈透明溶液，放入到微波/超聲波耦合反應場中，調節微波頻率為1000MHz、超聲波 頻率為1500MHz，于95°C條件下反應3h，后冷凍干燥得水凝膠樣品。
[0020] 實施例10 稱取一定量的明膠加入到三頸瓶中，加入明膠質量20%的氧化堿化殼聚糖、100%的聚乙 烯醇，添加適量高純水保證混合溶液的固含量為20%，調節混合液pH至5.0并于95 °C水浴中 加熱使之呈透明溶液，放入到微波/超聲波耦合反應場中，調節微波頻率為1000MHz、超聲波 頻率為1500MHz，于95°C條件下反應3h，后冷凍干燥得水凝膠樣品。
[0021] 實施例11 稱取一定量的明膠加入到三頸瓶中，加入明膠質量25%的氧化堿化殼聚糖、150%的聚乙 烯醇，添加適量高純水保證混合溶液的固含量為20%，調節混合液pH至5.0并于95 °C水浴中 加熱使之呈透明溶液，放入到微波/超聲波耦合反應場中，調節微波頻率為1000MHz、超聲波 頻率為1500MHz，于95°C條件下反應3h，后冷凍干燥得水凝膠樣品。
[0022] 對比例 稱取一定量的明膠加入到三頸瓶中，加入適量的殼聚糖衍生物、聚乙烯醇或羧甲基纖 維素，添加適量高純水，調節混合液PH，并水浴加熱使之呈透明溶液，機械攪拌條件下于水 浴中反應一定時間，后冷凍干燥得水凝膠樣品。
備注：對比{列為與頭"11i PU TH口：J yiv ΠΤΙ L· Wi]兄 TT、Λ?νη=ΓΛ?μ Λ?Φ1」符口：J/JVi 挑隊樣品 O
[0023]水凝膠平衡溶脹度的測定:常溫下，將一定質量的干凝膠樣品（其質量記為Wd)放 入蒸餾水中溶脹，隔一定時間取出并用濾紙拭去其表面的水滴，用電子天平稱重，之后再放 回蒸餾水中溶脹，再取出稱重直至質量恒定，此時的質量記為W e，其平衡溶脹度SRe算式如 下： 測試結果如下：
【主權項】
1. 一種微波-超聲波耦合場中明膠基水凝膠的制備方法，其特征在于，步驟如下： (1) 按殼聚糖衍生物/明膠質量比為1:10~1:4混合，加入明膠質量50%~150%的聚乙烯醇 或羧甲基纖維素，添加適量高純水保證溶液固含量為20%~50%; (2) 調節溶液pH為3.5~5.0，并于50~95°C水浴中加熱使之呈透明溶液，放入到微波-超 聲波耦合反應場中，70~95 °C條件下反應1~3h; (3) 設置微波-超聲波耦合場中微波的頻率為300MHz~1000MHz、超聲波頻率為500~ 1500MHz； (4) 冷凍干燥得樣品。2. 根據權利要求1所述的使用微波-超聲波耦合場制備明膠基水凝膠的方法，其特征在 于，所述的耦合場由微波與超聲波組合而得。3. 根據權利要求1所述的使用微波-超聲波耦合場制備明膠基水凝膠的方法，其特征在 于，所用的殼聚糖衍生物為氧化堿化殼聚糖或氧化殼聚糖。4. 根據權利要求1或2所述的使用微波-超聲波耦合場制備明膠基水凝膠的方法，其特 征在于:微波的頻率為300MHz~1000MHz，超聲波的頻率為500~1500MHz。
【文檔編號】C08L5/08GK105860099SQ201610259359
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月25日
【發明人】王亞娟, 狄肖麟, 張鑫, 李亞, 蔣嵐, 邵雙喜
【申請人】寧波工程學院