CN112940287B

CN112940287B - 一种形状记忆壳聚糖水凝胶及其制备方法

Info

Publication number: CN112940287B
Application number: CN202110152190.9A
Authority: CN
Inventors: 施晓文; 齐鲁荷; 邓红兵; 杜予民
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Chengdu Yikangde Medical Technology Co ltd
Priority date: 2021-02-03
Filing date: 2021-02-03
Publication date: 2022-05-13
Anticipated expiration: 2041-02-03
Also published as: CN112940287A

Abstract

本发明公开了一种形状记忆壳聚糖水凝胶及其制备方法，首先在酸性条件下溶解壳聚糖以获得壳聚糖溶液；之后使用均质器高速搅拌壳聚糖溶液，同时利用碱液使壳聚糖去质子化向凝胶态转变，完成初步组装，搅拌后获得稳定的白色乳状壳聚糖纤维束悬浊液；在搅拌的同时加入交联剂，获得交联壳聚糖纤维束悬浊液；浓缩后得到浓缩悬浊液，将浓缩悬浊液注入所需形状的模具中，放置一段时间使壳聚糖与交联剂充分反应；之后置于冰箱冷冻得到冷冻体，在低温条件下冰晶生长进行二次组装；将冷冻体解冻以得到具有形状记忆功能的壳聚糖水凝胶。本发明所制备的壳聚糖水凝胶，机械性能好，吸水性能好，制备工艺简单，容易大规模制备。

Description

一种形状记忆壳聚糖水凝胶及其制备方法

技术领域

本发明属于材料化学及天然高分子技术领域，涉及一种凝胶材料，具体涉及一种形状记忆壳聚糖水凝胶及其制备方法。

背景技术

壳聚糖是自然界中资源丰富、来源广泛的天然高分子聚合物，它具有可再生性、生物可降解性、生物相容性、抗菌性、多功能基团反应活性、促进伤口愈合等优良特性。水凝胶是一类具有三维网络结构、含水量丰富的柔性物质，具有优异的吸水保水性和凝胶稳定性，可以作为功能性软材料的良好基质、载体或骨架。基于上述优势，以壳聚糖为基础开发的凝胶、支架以及海绵等广泛的应用于吸附回收、油水分离、以及众多生物医用领域，包括医用止血敷料、药物缓释材料、组织工程载体材料、医用可吸收材料、基因转导载体、医疗以及药物开发等。并且，作为柔软和具有多功能基团反应活性的智能的材料，其在生物传感器、超级电容器、柔性穿戴电子设备等领域中也具有重要的功能。

然而，壳聚糖基水凝胶力学性能较差，机械强度和韧性仍然存在一定局限，这极大地限制了其在各个领域的应用。因此，提高其机械性能显得尤为重要。另外，进一步设计优化凝胶力学性能，使其具有仿生的力学性能、超级弹性、形状记忆性、高膨胀性能等特殊功能也是凝胶的重要发展方向。

发明内容

本发明的目的在于优化常规的壳聚糖冷冻凝胶的制备方法，进一步提高冷冻凝胶的力学性能，提供一种形状记忆壳聚糖水凝胶及其制备方法。

依据本发明，提出了一种形状记忆壳聚糖水凝胶的制备方法，包括：酸性条件下溶解壳聚糖以获得壳聚糖溶液，高速剪切条件下加入碱液，在碱性条件下壳聚糖去质子化由溶液向凝胶方向转变，并且在强剪切力的作用下，促使壳聚糖分子链进行初步组装，获得稳定性良好的壳聚糖纤维束（直径约50纳米，长度在几微米左右）（图1）悬浊液。加入交联剂，搅拌混合均匀后，通过浓缩得到不同浓度的交联浓缩壳聚糖纤维束悬浊液，将其置入所需形状的模具中。放置一段时间使壳聚糖与交联剂充分反应，然后置于低温环境进行二次组装，冰晶生长促使微相中壳聚糖与交联剂浓缩，促进交联反应，进一步形成强韧的凝胶。随后解冻，可以得到水触发的形状记忆壳聚糖水凝胶。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种形状记忆壳聚糖水凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤（1）制备壳聚糖溶液：在酸性条件下溶解壳聚糖以获得壳聚糖溶液；

步骤（2）制备稳定性良好的壳聚糖纤维束悬浊液：使用均质器高速搅拌步骤（1）中壳聚糖溶液，同时滴加一定体积的碱性溶液；搅拌一段时间以获得稳定的壳聚糖纤维束悬浊液；

步骤（3）浓缩步骤（2）所得壳聚糖纤维束悬浊液，得到浓缩悬浊液，将浓缩悬浊液注入所需形状的模具中，放置一段时间使壳聚糖与交联剂充分反应；

步骤（4）将步骤（3）中放置后的模具置于冰箱冷冻一定时间得到冷冻体；

步骤（5）将步骤（4）所得冷冻体解冻以得到具有形状记忆功能的壳聚糖水凝胶，即为形状记忆壳聚糖水凝胶。

作为优选，步骤（1）中，所述聚糖溶液中壳聚糖的质量分数为0.2%~4%。

作为优选，步骤（2）中，所述均质器高速搅拌的速度为2000~18000rpm。

作为优选，步骤（2）中，所述搅拌时间为3~30min。

作为优选，步骤（2）中，所述碱性溶液为NaOH、K(OH)₂、Na₂CO₃、NaHCO₃中任意一种或几种。

作为优选，步骤（2）中，加入碱性溶液后悬浊液pH达到7~14。

作为优选，步骤（3）中，在悬浊液浓缩前，在壳聚糖纤维束悬浊液中加入交联剂得到交联壳聚糖纤维束悬浊液，之后将交联壳聚糖纤维束悬浊液进行浓缩得到浓缩悬浊液。

作为优选，步骤（3）中，所述交联剂为戊二醛、香草醛、甲醛、对苯二甲醛、环氧氯丙烷、环硫氯丙烷、京尼平等中的任意一种或几种组合，交联剂与壳聚糖质量比为0.001~3:1。

作为优选，步骤（3）中，所述浓缩的方法包括利用离心机、旋转蒸发仪、抽滤机、过滤装置等强制浓缩，及自然蒸发浓缩。

作为优选，步骤（3）中，所述浓缩的方法为采用离心机离心浓缩，离心速度为500~10000rpm，离心后撇去上清液可得到离心浓缩的悬浊液。

作为优选，步骤（3）中，浓缩后悬浊液固含量为0.4-5%。

作为优选，步骤（3）中，放置交联的温度范围为0~80℃，时长0~24h。

作为优选，步骤（4）中，冷冻的温度＜0℃，冷冻时间为在悬浊液结冰的基础上延长0~24h。

作为优选，步骤（5）中，解冻为室温下自然解冻。

本发明还保护一种形状记忆壳聚糖水凝胶，采用上述任意一项所述制备方法所制备。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）从壳聚糖溶液到凝胶的过程是分级组装的过程，首先高速搅拌同时加碱形成纤维束，进行初步组装，之后对悬浊液进行初步浓缩，然后在低温条件下冰晶生长挤压，物料进一步浓缩并发生交联反应进行二次组装。初步组装形成壳聚糖纳米纤维束，是提高凝胶机械强度和弹性的关键环节之一，是对现有的冷冻凝胶法的一个改进和优化。较之传统的从溶液态开始的冷冻凝胶化过程，本发明以纤维束为起始状态，为有机高分子的冷冻凝胶化提供新思路。

（2）本发明制备了具有连通大孔结构的壳聚糖凝胶，具有优异的吸水性（吸水率为15~40倍）。化学交联作用改善壳聚糖不耐酸性的缺点，并且改善了凝胶的力学性能。使本发明中的水凝胶具有超弹性（图3）、循环压缩抗疲劳性（水相中2000次循环压缩后塑性形变低于10%）（图4）、可塑性高、形状记忆性（压缩脱水后置于水中3s内可基本恢复形状）（图5）的优势。

（3）本发明中的壳聚糖凝胶通过一次冷冻-解冻即可获得，存在冰晶生长冷冻浓缩过程，降低交联剂的使用量，制备过程十分简单；制备周期短，非常容易实现大规模制备。为获得制备过程简单、成本大幅降低的壳聚糖气凝胶提供基础。

附图说明

图1为本发明实施例步骤（2）获得壳聚糖纤维束的透射电镜图，其中图1（a）、图1（b）、图1（c）分别为低速、中速和高速搅拌得到壳聚糖纤维束的高倍数透射电镜图，图1（d）、图1（e）、图1（f）分别为低速、中速和高速搅拌得到壳聚糖纤维束的低倍数透射电镜图。

图2为制得的壳聚糖水凝胶的扫描电镜图。

图3为实施例1中制备的形状记忆壳聚糖水凝胶在水相的压缩应力-应变图。

图4为实施例1中制备的形状记忆壳聚糖水凝胶在水相的循环压缩2000次的应力-应变图。

图5为实施例1中制备的形状记忆壳聚糖水凝胶固定形状和恢复形状的照片。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述，但本发明的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。

实施例1

（1）将0.2g壳聚糖加入到装有99.8g去离子水的烧杯中，在磁力搅拌过程中滴加0.2ml冰醋酸，继续搅拌2h，得到壳聚糖溶液；

（2）制备稳定性良好的壳聚糖纤维束悬浊液。使用均质器以2000rpm的速度搅拌步骤（1）中的壳聚糖溶液，同时滴加一定体积的Na₂CO₃溶液(0.5mol/L)使pH达到7；搅拌5min时间以获得稳定的白色乳状壳聚糖纤维束悬浊液；

（3）向步骤（2）所述的白色乳状壳聚糖纤维束悬浊液中加入浓度为20%的戊二醛（戊二醛与壳聚糖质量比为1：1），混合均匀，获得交联壳聚糖纤维束悬浊液；

（4）通过离心机以500rpm的转速离心浓缩步骤（3）所得悬浊液，除去上清液，得到浓缩的交联壳聚糖纤维束悬浊液，将其注入12孔聚四氟乙烯板摸具中，模具的每个孔的形状即为所需制备水凝胶的形状，每孔加入量为5ml，4℃放置8h一段时间；

（5）将注入悬浊液的12孔聚四氟乙烯板摸具置于-10℃冰箱冷冻12h得到冷冻体；

（6）将步骤（5）所得冷冻体于室温下解冻，得到形状记忆壳聚糖水凝胶。

实施例2

（1）将4g壳聚糖加入到装有96g去离子水的烧杯中，在磁力搅拌过程中滴加1.5ml浓盐酸，继续搅拌16h，得到壳聚糖溶液；

（2）制备稳定性良好的壳聚糖纤维束悬浊液。使用均质器以18000rpm的速度搅拌步骤（1）中的壳聚糖溶液，同时滴加一定体积的K(OH)₂溶液(0.5mol/L)使pH达到12；搅拌6min以获得稳定的白色乳状壳聚糖纤维束悬浊液；

（3）通过离心机以10000rpm的转速离心浓缩步骤（2）所得白色乳状壳聚糖纤维束悬浊液，除去上清液，得到浓缩的壳聚糖纤维束悬浊液，将其注入6孔聚四氟乙烯板模具中，模具的每个孔的形状即为所需制备水凝胶的形状，每孔加入量为6ml。

（4）将注入悬浊液的6孔聚四氟乙烯板模具置于-80℃冰箱冷冻1h得到冷冻体；

（5）将步骤（4）所得冷冻体于室温下解冻，得到形状记忆壳聚糖水凝胶。

实施例3

（（1）将1g壳聚糖加入到装有99g去离子水的烧杯中，在磁力搅拌过程中滴加0.45ml冰醋酸，继续搅拌4h，得到壳聚糖溶液；

（2）制备稳定性良好的壳聚糖纤维束悬浊液。使用均质器以5000rpm的速度搅拌步骤（1）中的壳聚糖溶液，同时滴加一定体积的NaOH溶液(1mol/L)使pH达到14；搅拌8min以获得稳定的白色乳状壳聚糖纤维束悬浊液；

（3）向步骤（2）所述的白色乳状壳聚糖纤维束悬浊液中加入环氧氯丙烷（环氧氯丙烷与壳聚糖质量比为3:1），混合均匀，获得交联壳聚糖纤维束悬浊液；

（4）通过离心机以3000rpm的转速离心浓缩步骤（3）所得交联壳聚糖纤维束悬浊液，除去上清液，得到浓缩的交联壳聚糖纤维束悬浊液，将其注入硅胶模具中，80℃放置8h一段时间；

（5）将注入悬浊液的硅胶模具置于-20℃冰箱冷冻12h得到冷冻体；

实施例4

（1）将2g壳聚糖加入到装有98g去离子水的烧杯中，在磁力搅拌过程中滴加0.85ml冰醋酸，继续搅拌6h，得到壳聚糖溶液；

（2）制备稳定性良好的壳聚糖纤维束悬浊液。使用均质器以8000rpm的速度搅拌步骤（1）中的壳聚糖溶液，同时滴加一定体积的NaOH(1mol/L)溶液使pH达到8；搅拌10min以获得稳定的白色乳状壳聚糖纤维束悬浊液；

（3）向步骤（2）所述的悬浊液中加入苯二甲醛（苯二甲醛与壳聚糖质量比为0.5：1），混合均匀，获得交联壳聚糖纤维束悬浊液；

（4）通过旋转蒸发仪处理2小时（温度为30℃）浓缩步骤（3）所得交联壳聚糖纤维束悬浊液，除去上清液，得到浓缩的交联壳聚糖纤维束悬浊液，将其注入有机玻璃容器中，25℃放置24h一段时间；

（5）将注入悬浊液的机玻璃容器置于-10℃冰箱冷冻24h得到冷冻体；

实施例5

（1）将3g壳聚糖加入到装有97g去离子水的烧杯中，在磁力搅拌过程中滴加1.25ml浓盐酸，继续搅拌12h，得到壳聚糖溶液；

（2）制备稳定性良好的壳聚糖纤维束悬浊液。使用均质器以13000rpm的速度搅拌步骤（1）中的壳聚糖溶液，同时滴加一定体积的NaHCO₃溶液(0.5mol/L)使pH达到7；搅拌15min以获得稳定的白色乳状壳聚糖纤维束悬浊液；

（3）向步骤（2）所述的悬浊液中加入京尼平（京尼平与壳聚糖质量比为0.001:1），混合均匀，获得交联壳聚糖纤维束悬浊液；

（4）通过抽滤机抽滤10分钟(中速定性滤纸)浓缩步骤（3）所得交联壳聚糖纤维束悬浊液，除去上清液，得到浓缩的交联壳聚糖纤维束悬浊液，将其注入玻璃容器中，20℃放置1h一段时间；

（5）将注入悬浊液的玻璃容器置于-20℃冰箱冷冻12h得到冷冻体；

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种形状记忆壳聚糖水凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤（5）将步骤（4）所得冷冻体解冻以得到具有形状记忆功能的壳聚糖水凝胶，即为形状记忆壳聚糖水凝胶；

步骤（1）中，所述聚糖溶液中壳聚糖的质量分数为0.2%~4%；

步骤（2）中，所述均质器高速搅拌的速度为2000~18000rpm；加入碱性溶液后悬浊液pH达到7~14；

步骤（3）中，在悬浊液浓缩前，在壳聚糖纤维束悬浊液中加入交联剂得到交联壳聚糖纤维束悬浊液，之后将交联壳聚糖纤维束悬浊液进行浓缩得到浓缩悬浊液，所述交联剂为戊二醛、香草醛、甲醛、对苯二甲醛、环氧氯丙烷、环硫氯丙烷、京尼平中的任意一种或几种组合，交联剂与壳聚糖质量比为0.001~3:1；放置交联的温度范围为0~80℃，时长0~24h。

2.如权利要求1所述形状记忆壳聚糖水凝胶的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，所述碱性溶液为NaOH、K(OH)₂、Na₂CO₃、NaHCO₃中任意一种或几种。

3.如权利要求1所述形状记忆壳聚糖水凝胶的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，所述浓缩的方法包括利用离心机、旋转蒸发仪、抽滤机、过滤装置进行强制浓缩，及自然蒸发浓缩。

4.如权利要求1所述形状记忆壳聚糖水凝胶的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，所述浓缩的方法为采用离心机离心浓缩，离心速度为500~10000rpm，离心后撇去上清液可得到离心浓缩的悬浊液。

5.如权利要求1所述形状记忆壳聚糖水凝胶的制备方法，其特征在于：步骤（4）中，冷冻的温度＜0℃，冷冻时间为在悬浊液结冰的基础上延长0~24h。

6.一种形状记忆壳聚糖水凝胶，其特征在于：采用权利要求1-5任意一项所述制备方法所制备。