申请/专利权人：武汉理工大学

申请日：2018-11-19

公开（公告）日：2021-03-16

公开（公告）号：CN109517193B

主分类号：C08J3/075(20060101)

分类号：C08J3/075(20060101);C08J3/24(20060101);C08L5/08(20060101);C08L29/04(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2021.03.16#授权;2019.04.19#实质审查的生效;2019.03.26#公开

摘要：本发明涉及一种羧乙基壳聚糖聚乙烯醇自愈合水凝胶及其制备方法和应用，主要解决现有壳聚糖基水凝胶质地较脆易破碎、所使用的交联剂生物安全性不够好等问题。该水凝胶以羧乙基壳聚糖为基质，与聚乙烯醇共混后采用氧化海藻酸钠‑硼酸复合交联体系进行交联，由此构建了一种新型多重交联网络结构，其不仅具有优异的自愈合性能、溶胀性能、平衡含水量、pH响应性和力学性能，而且降解性、平衡含水量、凝胶时间和溶胀性等参数均可以灵活调控，能够满足不同应用场景和用途需求。

主权项：1.一种羧乙基壳聚糖聚乙烯醇自愈合水凝胶，其特征在于该自愈合水凝胶由羧乙基壳聚糖与聚乙烯醇在水溶液中复合后，再通过氧化海藻酸钠和硼酸共同交联而成。

全文数据：一种羧乙基壳聚糖聚乙烯醇自愈合水凝胶及其制备方法和应用技术领域本发明涉及生物医用材料技术领域，具体涉及一种羧乙基壳聚糖聚乙烯醇自愈合水凝胶及其制备方法和应用。背景技术水凝胶在医疗、组织工程和农业等领域应用广泛。常见的水凝胶材料在使用过程中通常伴随着断裂或破损，这会严重影响其性能，并大大缩短了材料的使用寿命。自愈合水凝胶是指在被破坏断裂或破损后能自我修复，且自我修复后性能可以完全恢复或恢复到接近破坏前状态的一类水凝胶。自愈合水凝胶一方面可以延长材料的使用寿命，另一方面由于水凝胶中含有大量的水，与生物组织相近，其破碎成小碎片后依然可以自愈的特性，使其可以应用于微创或注射植入等医用领域。壳聚糖作为一种含氮的天然多糖类物质，具有独特的生物相容性、无毒和易于降解等优点。为了赋予壳聚糖更多功能特性，可对其进行衍生化改性。壳聚糖衍生物不仅保留了原有优点，还增强了其自身的某些性质如保湿性、抗菌性、吸水性等。因此，壳聚糖及其衍生物已成为一类理想的水凝胶材料和生物医用材料。在众多壳聚糖衍生物中，羧乙基壳聚糖的制备工艺绿色、简单，只需通过迈克尔加成反应一步合成。另外，羧乙基壳聚糖由于对原有的部分氨基进行了改性，在保留一部分氨基的同时又显著改善了其水溶性。由于壳聚糖分子中含有大量氨基，因此在利用其制备水凝胶时通常采用戊二醛等进行交联，但是戊二醛具有一定毒性，在生物医用材料方面受到限制。另一方面，现有技术制得的壳聚糖水凝胶如CN103769062A、CN105288704A等力学性能不足，表现为质地较脆、容易破碎，基本不具备自愈合能力，严重影响了使用效果。上述问题在一定程度上限制了壳聚糖水凝胶在生物医药材料方面的应用，急需开发一种性能更好、具备自愈合能力的壳聚糖基水凝胶。发明内容本发明的目的在于解决现有壳聚糖基水凝胶质地较脆、容易破碎等问题，提供一种新型羧乙基壳聚糖聚乙烯醇自愈合水凝胶，该水凝胶具有优异的自愈合能力、溶胀性能、平衡含水量、pH响应和力学性能，且降解性、平衡含水量、凝胶时间和溶胀性等参数均可以灵活调控。为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种羧乙基壳聚糖聚乙烯醇自愈合水凝胶，由羧乙基壳聚糖与聚乙烯醇在水溶液中复合后，再通过氧化海藻酸钠和硼酸共同交联而成。上述羧乙基壳聚糖聚乙烯醇自愈合水凝胶的制备方法具体如下：首先将聚乙烯醇和羧乙基壳聚糖溶于水中，得到羧乙基壳聚糖聚乙烯醇复合溶液；接着利用氧化海藻酸钠和硼酸配制混合交联剂溶液；最后将羧乙基壳聚糖聚乙烯醇复合溶液与混合交联剂溶液混合进行交联反应，得到目标产物——羧乙基壳聚糖聚乙烯醇自愈合水凝胶。进一步的，羧乙基壳聚糖聚乙烯醇复合溶液中羧乙基壳聚糖与聚乙烯醇的质量比为X:1－X，其中0.25≤X≤0.75。进一步的，羧乙基壳聚糖聚乙烯醇复合溶液中羧乙基壳聚糖与聚乙烯醇的总浓度为50-100gL，配制时需将水加热至80-90℃，优选为90℃。进一步的，混合交联剂溶液中氧化海藻酸钠与硼酸的质量比为48-52:1，优选为50:1。进一步的，混合交联剂溶液中硼酸的浓度为1.9-2.1gL，优选为2gL。进一步的，混合进行交联反应时，羧乙基壳聚糖聚乙烯醇复合溶液与混合交联剂溶液的体积比为1:0.02-0.1。进一步的，混合交联反应的温度为25-35℃，反应时间为20-28h。上述羧乙基壳聚糖聚乙烯醇自愈合水凝胶用作生物医用材料的应用。本发明选用氧化海藻酸钠-硼酸复合交联剂，其中氧化海藻酸钠用于交联羧乙基壳聚糖，硼酸用于交联聚乙烯醇，在羧乙基壳聚糖与聚乙烯醇分子间还存在氢键作用，由此形成了新型交联网络结构。与现有技术相比，本发明的有益效果表现在以下几个方面：1本发明提供的水凝胶具有优异的自愈合和力学性能。单纯的壳聚糖水凝胶质地较脆容易断裂，严重影响使用效果，即使通过改性将其制成自愈合水凝胶，其自愈合效果有限且质地依然较脆。本发明通过设计并引入具有愈合功能的聚乙烯醇交联网络，实现双重自愈合作用，显著提升了水凝胶的自愈效果；此外，两种高分子组分的双重交联网络结构又明显增强了水凝胶的力学强度，有效解决了壳聚糖水凝胶质地较脆且容易断裂的问题。2本发明提供的羧乙基壳聚糖聚乙烯醇自愈合水凝胶的平衡含水量显著。壳聚糖自身亲水性不好，引入羧乙基后其亲水性明显改善，致使水凝胶的平衡含水量达到264gg。3本发明提供的羧乙基壳聚糖聚乙烯醇自愈合水凝胶具有良好的溶胀性能、pH响应性，并且通过对工艺参数的调节，可实现溶胀性能、凝胶时间、降解性能的灵活控制，从而满足不同应用领域的需求如原位交联注射用水凝胶需要较短的凝胶时间。此外，通过改变环境的pH值可实现体系的凝胶和溶液相互转变，这种pH诱导的凝胶-溶液转变是可逆的，可多次反复进行。4本发明所使用的氧化海藻酸钠较一般醛类交联剂更安全，不仅无毒而且生物相容性良好。附图说明图1为本发明羧乙基壳聚糖聚乙烯醇自愈合水凝胶的制备示意图；图2为本发明实施例2制得的羧乙基壳聚糖聚乙烯醇自愈合水凝胶的自愈合效果图。具体实施方式为使本领域普通技术人员充分理解本发明的技术方案和有益效果，以下结合具体实施例进行进一步说明。本发明所使用的羧乙基壳聚糖是由壳聚糖与丙烯酸通过加成反应得到的一种兼具-NH2和-COOH的两性壳聚糖衍生物，其不仅改善了壳聚糖水溶性同时也保留了壳聚糖良好的自身特性。本发明所使用的氧化海藻酸钠由海藻酸钠通过高碘酸钠氧化而来，在该过程中海藻酸钠多糖骨架中的双羟基氧化为具有交联活性的双醛基，这样既保持了原来材料优良的生物学性能，又能达到交联反应的目的。实施例1如图1所示，一种羧乙基壳聚糖聚乙烯醇自愈合水凝胶的制备方法，具体过程如下：1将1.0g聚乙烯醇溶于30mL90℃的水中，保持溶液的温度为90℃，再向其中加入1.0g羧乙基壳聚糖，继续搅拌使得固体完全溶解，得到羧乙基壳聚糖聚乙烯醇复合溶液。其中，羧乙基壳聚糖与聚乙烯醇的总浓度为67gL。2将精确计量好的氧化海藻酸钠和硼酸溶解在10mL水中，配制成混合交联剂溶液，其中氧化海藻酸钠的浓度为100.0gL，硼酸的浓度为2.0gL。3将200μL混合交联剂溶液加入到5mL羧乙基壳聚糖聚乙烯醇复合溶液中，快速搅拌均匀，将反应液升温至30℃恒温反应24小时，得到羧乙基壳聚糖聚乙烯醇自愈合水凝胶。实施例21将1.0g聚乙烯醇溶于30mL90℃的水中，保持溶液的温度为90℃，再向其中加入1.0g羧乙基壳聚糖，继续搅拌使得固体完全溶解，得到羧乙基壳聚糖聚乙烯醇复合溶液。其中，羧乙基壳聚糖与聚乙烯醇的总浓度为67gL。2将氧化海藻酸钠和硼酸溶解在10mL水中，配制成混合交联剂溶液，其中氧化海藻酸钠的浓度为100.0gL，硼酸的浓度为2.0gL。3将500μL混合交联剂溶液加入到5mL羧乙基壳聚糖聚乙烯醇复合溶液中，快速搅拌均匀，将反应液升温至30℃恒温反应24小时，得到羧乙基壳聚糖聚乙烯醇自愈合水凝胶。按照实施例2的方法，将2组相同条件下制得的水凝胶前驱液分别用罗丹明B和亚甲基蓝染色，各自加完交联剂成胶后，平均切开凝胶如图2a，接着将两种不同颜色的半圆凝胶的切开处拼接在一起如图2b，室温保存在封闭的皿器中，12小时后观察愈合情况。图2c和图2d分别为对自愈合后的水凝胶进行拉伸和弯曲时的照片，可以观察到两块不同颜色的半圆凝胶拼接处裂缝模糊甚至消失，从切开的水凝胶内部，肉眼已经观察不出裂缝的存在，弯曲、拉伸测试表明该水凝胶断裂自愈合后依然具备较好的机械强度。采用倾倒法测试水凝胶的凝胶时间。水凝胶制备过程中加完交联剂后立刻开始计时，期间倾斜或倒转制备水凝胶用的烧杯，将混合溶液停止流动的时间作为凝胶化时间。通过称重法测试水凝胶的降解性能。将干凝胶浸泡于pH＝7.4的磷酸缓冲溶液中，并放入恒温振荡箱中于37℃下振荡120转分钟。到达设定时间后将水凝胶取出，用去离子水洗涤后烘干，按照公式1计算水凝胶的质量剩余率：式中，Wt为剩余水凝胶的干重g，W0为初始水凝胶的干重g。以上测试结果表明：该水凝胶具有较短的凝胶时间，仅3分钟就形成了水凝胶；所得水凝胶的稳定性较好，使用10天后质量剩余率仍有85％，且降解性能可以调节。此外，该水凝胶抗压强度达到157KPa，表明其力学性能优异。实施例31将1.0g聚乙烯醇溶于30mL90℃的水中，保持溶液的温度为90℃，再向其中加入1.0g羧乙基壳聚糖，继续搅拌使得固体完全溶解，得到羧乙基壳聚糖聚乙烯醇复合溶液。其中，羧乙基壳聚糖与聚乙烯醇的总浓度为67gL。2将氧化海藻酸钠和硼酸溶解在10mL水中，配制成混合交联剂溶液，其中氧化海藻酸钠的浓度为100.0gL，硼酸的浓度为2.0gL。3将100μL混合交联剂溶液加入到5mL羧乙基壳聚糖聚乙烯醇复合溶液中，快速搅拌均匀，将反应液升温至30℃恒温反应24小时，得到羧乙基壳聚糖聚乙烯醇自愈合水凝胶。对该实施例水凝胶样品进行平衡含水量测试。将制备好的湿态水凝胶样品浸泡在去离子水中，达到含水量平衡后称重，接着将水凝胶取出烘干，按照公式2计算平衡含水量：式中，Ws为含水量达平衡的凝胶质量g，Wd为烘干后的凝胶质量g。此外，对该水凝胶样品进行了pH响应性测试。在已经生成的水凝胶中滴加少量盐酸溶液，振荡使其转变为高分子溶液，然后再滴加少量氢氧化钠溶液并振荡可使高分子溶液重新转变为水凝胶。上述操作可循环重复多次。测试结果表明：该自愈合水凝胶的平衡含水量显著，达到264gg，同时具有良好的pH响应性，可多次、快速的实现凝胶-溶液转换。实施例41将1.5g聚乙烯醇溶于30mL90℃的水中，保持溶液的温度为90℃，再向其中加入0.5g羧乙基壳聚糖，继续搅拌使得固体完全溶解，得到羧乙基壳聚糖聚乙烯醇复合溶液。其中，羧乙基壳聚糖与聚乙烯醇的总浓度为67gL。2将氧化海藻酸钠和硼酸溶解在10mL水中，配制成混合交联剂溶液，其中氧化海藻酸钠的浓度为100.0gL，硼酸的浓度为2.0gL。3将300μL混合交联剂溶液加入到5mL羧乙基壳聚糖聚乙烯醇复合溶液中，快速搅拌均匀，将反应液升温至30℃恒温反应24小时，得到羧乙基壳聚糖聚乙烯醇自愈合水凝胶。选取纯水测定该水凝胶样品的溶胀性能，将干凝胶置于纯水中至溶胀平衡，按照公式3计算凝胶的溶胀度：式中，Wt为溶胀平衡后的凝胶湿重g，W0为干凝胶的初始质量g。测试结果表明：该自愈合水凝胶具有良好的溶胀性能，其溶胀度可达到8.3gg。

权利要求：1.一种羧乙基壳聚糖聚乙烯醇自愈合水凝胶，其特征在于该自愈合水凝胶由羧乙基壳聚糖与聚乙烯醇在水溶液中复合后，再通过氧化海藻酸钠和硼酸共同交联而成。2.权利要求1所述羧乙基壳聚糖聚乙烯醇自愈合水凝胶的制备方法，其特征在于具体步骤为：首先将聚乙烯醇和羧乙基壳聚糖溶于水中，得到羧乙基壳聚糖聚乙烯醇复合溶液；接着利用氧化海藻酸钠和硼酸配制混合交联剂溶液；最后将羧乙基壳聚糖聚乙烯醇复合溶液与混合交联剂溶液按照一定比例混合，交联反应完成后即得。3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于：羧乙基壳聚糖聚乙烯醇复合溶液中羧乙基壳聚糖与聚乙烯醇的质量比为X:1-X，其中0.25≤X≤0.75。4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于：羧乙基壳聚糖聚乙烯醇复合溶液的总浓度为50-100gL。5.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于：配制羧乙基壳聚糖聚乙烯醇复合溶液时，先将水加热至80-90℃，再加入聚乙烯醇和羧乙基壳聚糖，搅拌使其完全溶解。6.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于：混合交联剂溶液中氧化海藻酸钠与硼酸的质量比为48-52:1。7.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于：混合交联剂溶液中硼酸的浓度为1.9-2.1gL。8.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于：混合进行交联反应时，羧乙基壳聚糖聚乙烯醇复合溶液与混合交联剂溶液的体积比为1:0.02-0.1。9.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于：混合交联反应的温度为25-35℃，反应时间为20-28h。10.权利要求2-9制得的羧乙基壳聚糖聚乙烯醇自愈合水凝胶作为生物医用材料的应用。

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