一種微波-超聲波耦合場(chǎng)中明膠基水凝膠的制備方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種微波?超聲波耦合場(chǎng)中明膠基水凝膠的制備方法。本發(fā)明采用具有優(yōu)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(lián)劑，對(duì)明膠進(jìn)行交聯(lián)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(zhì)量比為1:10~1:4混合，加入明膠質(zhì)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(diào)節(jié)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(yīng)場(chǎng)中；（3）設(shè)置微波?超聲波耦合場(chǎng)中微波的頻率為300MHz~1000MHz、超聲波頻率為500~1500MHz，70~95℃條件下反應(yīng)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(yīng)的官能團(tuán)較多，因此得到的水凝膠對(duì)重金屬、染料有較好的吸附性。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種微波-超聲波耦合場(chǎng)中明膠基水凝膠的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種微波-超聲波耦合場(chǎng)中明膠基水凝膠的制備方法，屬于功能高分 子領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 水凝膠是一種在水中能顯著溶脹，但是又不會(huì)溶解的三維網(wǎng)格狀的聚合物凝膠， 其通過(guò)分子纏結(jié)、氫鍵、疏水鍵、靜電作用、Ji-JT堆疊等非共價(jià)鍵或亞氨鍵、雙硫鍵、離子鍵等 作為交聯(lián)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)其優(yōu)異的保水性、生物相容性和化學(xué)物理性質(zhì)。因其含水量高、材質(zhì)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(yī)療、醫(yī)藥、人工器官、環(huán)保等 方面[Hoffman AS. Hydrogels for biomedical applications[J] . Advanced Drug Delivery Reviews, 2002，43:3-12.]。在過(guò)去的幾十年里，水凝膠的研究已取得了很大的 進(jìn)展，已經(jīng)成為材料科學(xué)的一個(gè)重要研究方向。雖然已經(jīng)有一部分研究成果在社會(huì)生產(chǎn)生 活中得以應(yīng)用，但是目前距離真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化及應(yīng)用普及階段尚有一段距離。例如幾類(lèi)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(duì)人體有致 畸、致癌等缺點(diǎn)，無(wú)法滿(mǎn)足其在醫(yī)學(xué)上的實(shí)際應(yīng)用[王揚(yáng).聚乙二醇基多重響應(yīng)的高強(qiáng)度智 能水凝膠的制備及性能研究[D].東華大學(xué)，2014.]。制備智能水凝膠材料的聚合物必須具 備以下兩個(gè)條件:高分子有適當(dāng)?shù)慕宦?lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并且在其主鏈或側(cè)鏈上有大量的親水基 團(tuán)[李富蘭，周雪松，顏杰，張承紅.NIPA系溫敏凝膠的制備及應(yīng)用研究進(jìn)展[J].化學(xué)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(lái)基于多肽和蛋白質(zhì)的水凝 膠體系受到廣泛的關(guān)注，其凝膠化機(jī)制既可以是側(cè)基之間的物理組裝和聚集，也可以是反 應(yīng)性殘基之間的可控反應(yīng)。現(xiàn)在關(guān)于這方面的研究多集中在多肽-高分子水凝膠，蛋白質(zhì)-高分子水凝膠體系，而對(duì)于大多數(shù)體內(nèi)應(yīng)用來(lái)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(zhì)的水凝膠體系成為一個(gè)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(zhì)的水凝膠研究進(jìn)展[J].高分子通報(bào)，2014, 27 (8): 44-55 .]。天然膠原是細(xì)胞外最重要的水不溶性纖維蛋白，其最普遍的結(jié)構(gòu)特征是三 股螺旋結(jié)構(gòu)，基本結(jié)構(gòu)單元為原膠原，其一級(jí)結(jié)構(gòu)具有(Gly-X-Y)重復(fù)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(lài)氨酸，這些氨基酸通過(guò)酰胺鍵/肽鍵鏈接而成，同時(shí) 由于構(gòu)成膠原蛋白的氨基酸側(cè)鏈中含有大量的親水及疏水性基團(tuán)，具備聚N-異丙基丙烯酰 胺的基本結(jié)構(gòu)。
[0003] 明膠為膠原的降解產(chǎn)物，屬于一種天然多肽聚合物，其分子側(cè)鏈中含有大量羥基、 羧基、胍基、酰胺鍵等，故而生物活性較強(qiáng)，可作為水凝膠的基體，然而未經(jīng)修飾的明膠穩(wěn)定 性和機(jī)械性較差，可通過(guò)交聯(lián)的方法進(jìn)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(lèi)常見(jiàn)的高分子有機(jī)物，來(lái)源豐富且可 再生，同時(shí)其可生物降解，可實(shí)現(xiàn)在自然界中的循環(huán)，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(chǎn)物是氨基葡萄糖單體，對(duì)人體無(wú)不良反應(yīng)，具有優(yōu)良的生物相 容性、無(wú)毒性及抗菌等作用。
[0004] 制備水凝膠的方法很多，常見(jiàn)的有:單體交聯(lián)聚合、預(yù)聚體交聯(lián)聚合、接枝共聚和 聚合物互穿網(wǎng)絡(luò)。前三者多是在交聯(lián)劑存在的條件下，通過(guò)輻射或引發(fā)劑引發(fā)單體或預(yù)聚 體，使之交聯(lián)聚合而得到；而互穿網(wǎng)絡(luò)是由兩種或兩種以上聚合物通過(guò)溶劑法各自交聯(lián)、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(wǎng)絡(luò)pH敏感水凝膠的制備及性能研究[J].材料導(dǎo)報(bào)， 2009，23(2): 46-57.]。近年來(lái)，采用超聲波輔助化學(xué)反應(yīng)的方法已有報(bào)道，該方法是化學(xué)法 與物理法的有機(jī)結(jié)合，超聲波，是指頻率在20~IOOkHz的聲波，其對(duì)化學(xué)反應(yīng)和過(guò)程有明顯 的促進(jìn)作用，主要是借助于超聲波的機(jī)械分散及"空化"作用，如強(qiáng)烈的震動(dòng)、分散、產(chǎn)生自 由基等。而微波是指頻率在300MHz~300GHz的電磁波，其基本性質(zhì)通常呈現(xiàn)穿透、反射和吸 收三個(gè)特性，應(yīng)用在化學(xué)反應(yīng)方面主要是精確升溫。因此本研究以聚乙烯醇或透明質(zhì)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(chǎng)中制備明膠基水凝膠，通過(guò)改變 反應(yīng)參數(shù)對(duì)水凝膠的性能進(jìn)行調(diào)控，在保留其優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)克服各自缺點(diǎn)，通過(guò)冷凍干燥法 制備明膠基水凝膠。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種在微波-超聲波耦合場(chǎng)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(chǎng)中，通過(guò)調(diào)節(jié)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(yīng)時(shí)間，反應(yīng)溫度，耦合場(chǎng)參數(shù)等變量制備明膠基水凝膠。
[0006] -種微波-超聲波耦合場(chǎng)中明膠基水凝膠的制備方法，具體的技術(shù)方案如下： 按殼聚糖衍生物/明膠質(zhì)量比為1:10~1:4混合，加入明膠質(zhì)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(diào)節(jié)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(yīng)場(chǎng)中，70~95 °C條件下反 應(yīng)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(yīng)場(chǎng)的微波頻率為300MHz~1000MHz，超聲波的頻率為 500~1500MHz〇
[0009] 相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、制備了一種無(wú)毒且可生物降解的明膠 基水凝膠，解決了現(xiàn)有技術(shù)中水凝膠基體的致畸致癌等生物毒性的問(wèn)題。2、本發(fā)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(guò)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(yīng)條件(如用量比、溫度、時(shí)間、微波頻率、超聲波頻率等） 來(lái)調(diào)控水凝膠的力學(xué)性能及其最大吸水性，從而增加其強(qiáng)度及溶脹率，拓寬了應(yīng)用范圍，具 有廣闊的應(yīng)用前景。
【具體實(shí)施方式】
[0010] 為了加深對(duì)本發(fā)明的理解，以下結(jié)合具體實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳述，但不 以任何方式限制本發(fā)明。
[0011] 實(shí)施例1 稱(chēng)取一定量的明膠加入到三頸瓶中，加入明膠質(zhì)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(diào)節(jié)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(yīng)場(chǎng)中，調(diào)節(jié)微波頻率為300MHz、超聲波 頻率為500MHz，于70°C條件下反應(yīng)Ih，后冷凍干燥得水凝膠樣品。
[0012] 實(shí)施例2 稱(chēng)取一定量的明膠加入到三頸瓶中，加入明膠質(zhì)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(diào)節(jié)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(yīng)場(chǎng)中，調(diào)節(jié)微波頻率為300MHz、超聲波 頻率為500MHz，于70°C條件下反應(yīng)Ih，后冷凍干燥得水凝膠樣品。
[0013] 實(shí)施例3 稱(chēng)取一定量的明膠加入到三頸瓶中，加入明膠質(zhì)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(diào)節(jié)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(yīng)場(chǎng)中，調(diào)節(jié)微波頻率為300MHz、超聲波 頻率為500MHz，于70°C條件下反應(yīng)Ih，后冷凍干燥得水凝膠樣品。
[0014] 實(shí)施例4 稱(chēng)取一定量的明膠加入到三頸瓶中，加入明膠質(zhì)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(diào)節(jié)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(yīng)場(chǎng)中，調(diào)節(jié)微波頻率為300MHz、超 聲波頻率為500MHz，于70°C條件下反應(yīng)Ih，后冷凍干燥得水凝膠樣品。
[0015] 實(shí)施例5 稱(chēng)取一定量的明膠加入到三頸瓶中，加入明膠質(zhì)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(diào)節(jié)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(yīng)場(chǎng)中，調(diào)節(jié)微波頻率為300MHz、超 聲波頻率為500MHz，于70°C條件下反應(yīng)Ih，后冷凍干燥得水凝膠樣品。
[0016] 實(shí)施例6 稱(chēng)取一定量的明膠加入到三頸瓶中，加入明膠質(zhì)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(diào)節(jié)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(yīng)場(chǎng)中，調(diào)節(jié)微波頻率為300MHz、超聲波 頻率為500MHz，于70°C條件下反應(yīng)Ih，后冷凍干燥得水凝膠樣品。
[0017] 實(shí)施例7 稱(chēng)取一定量的明膠加入到三頸瓶中，加入明膠質(zhì)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(diào)節(jié)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(yīng)場(chǎng)中，調(diào)節(jié)微波頻率為300MHz、超聲波 頻率為500MHz，于70°C條件下反應(yīng)Ih，后冷凍干燥得水凝膠樣品。
[0018] 實(shí)施例8 稱(chēng)取一定量的明膠加入到三頸瓶中，加入明膠質(zhì)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(diào)節(jié)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(yīng)場(chǎng)中，調(diào)節(jié)微波頻率為300MHz、超聲波 頻率為500MHz，于70°C條件下反應(yīng)Ih，后冷凍干燥得水凝膠樣品。
[0019] 實(shí)施例9 稱(chēng)取一定量的明膠加入到三頸瓶中，加入明膠質(zhì)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(diào)節(jié)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(yīng)場(chǎng)中，調(diào)節(jié)微波頻率為1000MHz、超聲波 頻率為1500MHz，于95°C條件下反應(yīng)3h，后冷凍干燥得水凝膠樣品。
[0020] 實(shí)施例10 稱(chēng)取一定量的明膠加入到三頸瓶中，加入明膠質(zhì)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(diào)節(jié)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(yīng)場(chǎng)中，調(diào)節(jié)微波頻率為1000MHz、超聲波 頻率為1500MHz，于95°C條件下反應(yīng)3h，后冷凍干燥得水凝膠樣品。
[0021] 實(shí)施例11 稱(chēng)取一定量的明膠加入到三頸瓶中，加入明膠質(zhì)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(diào)節(jié)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(yīng)場(chǎng)中，調(diào)節(jié)微波頻率為1000MHz、超聲波 頻率為1500MHz，于95°C條件下反應(yīng)3h，后冷凍干燥得水凝膠樣品。
[0022] 對(duì)比例 稱(chēng)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(diào)節(jié)混合液PH，并水浴加熱使之呈透明溶液，機(jī)械攪拌條件下于水 浴中反應(yīng)一定時(shí)間，后冷凍干燥得水凝膠樣品。
備注：對(duì)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(duì)樣品 O
[0023]水凝膠平衡溶脹度的測(cè)定:常溫下，將一定質(zhì)量的干凝膠樣品（其質(zhì)量記為Wd)放 入蒸餾水中溶脹，隔一定時(shí)間取出并用濾紙拭去其表面的水滴，用電子天平稱(chēng)重，之后再放 回蒸餾水中溶脹，再取出稱(chēng)重直至質(zhì)量恒定，此時(shí)的質(zhì)量記為W e，其平衡溶脹度SRe算式如 下： 測(cè)試結(jié)果如下：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種微波-超聲波耦合場(chǎng)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(zhì)量比為1:10~1:4混合，加入明膠質(zhì)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(diào)節(jié)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(yīng)場(chǎng)中，70~95 °C條件下反應(yīng)1~3h; (3) 設(shè)置微波-超聲波耦合場(chǎng)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(jù)權(quán)利要求1所述的使用微波-超聲波耦合場(chǎng)制備明膠基水凝膠的方法，其特征在 于，所述的耦合場(chǎng)由微波與超聲波組合而得。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用微波-超聲波耦合場(chǎng)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(jù)權(quán)利要求1或2所述的使用微波-超聲波耦合場(chǎng)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(hào)】C08L5/08GK105860099SQ201610259359
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年4月25日
【發(fā)明人】王亞娟, 狄肖麟, 張?chǎng)? 李亞, 蔣嵐, 邵雙喜
【申請(qǐng)人】寧波工程學(xué)院