一種均勻多孔性水凝膠的製備方法及應用與流程

2023-05-21 17:11:42 1

本發明涉及智能高分子材料、生物醫用和環境保護領域，具體涉及一種均勻多孔性水凝膠的製備方法及應用。

背景技術：

水凝膠是一種具有高親水性但不溶於水的高分子聚合物。在液體中吸收液體達到溶脹平衡後，水凝膠的體積會發生脹大，但其宏觀外形仍然保持原有形狀，其內部仍然維持著三維空間網絡結構。水凝膠是一類集吸水、保水及緩釋於一體的功能高分子材料，因其獨特的特性，水凝膠被廣泛應用於工業、農業、材料、生物醫藥等領域中。

傳統水凝膠的孔洞僅為微米甚至納米尺度大小，在溶脹介質中達到溶脹平衡通常需要數十小時甚至數天時間。但是，在水凝膠中引入多孔結構後，可以製備得到多孔性水凝膠。在多孔水凝膠中，含有大量微米至毫米尺度的貫通孔洞，溶脹介質可以通過毛細效應更加快速地在水凝膠表面及內部發生擴散及滲透。並且，大量孔洞結構增大了水凝膠的比表面面積因此，相比傳統水凝膠，多孔水凝膠可以達到很快的溶脹速度與刺激響應速度

多孔水凝膠的常用製備方法有發泡法、致孔法、相分離法、模板法等。在這些方法中，發泡法利用某些物質與酸反應或高溫下產生氣體的特性，在水凝膠內產生氣泡，但步驟繁瑣且難以大規模生產。致孔法利用可溶於溶劑的致孔劑對水凝膠摻雜後再對致孔劑進行去除，此法需要較長製備時間，且水凝膠內部的致孔劑難以徹底去除。相分離法利用某些聚合物在聚合溶劑中的不相容性，在聚合物相與溶劑相分離後進行乾燥，溶劑揮發留下氣泡，此方法溶劑不易徹底去除且具有一定毒害性。模板法使用特製模板製備出多孔水凝膠材料，此方法適用於大量生產但模板製作較繁瑣。chen等人利用小蘇打與酸反應生成二氧化碳氣泡製備得到多孔水凝膠，其孔洞為300μm左右(j.biomed.material.res.,1999,44:53)。中國專利cn102702559a利用酵母菌發酵產生氣泡而製備出多孔水凝膠，其特徵在於未加入任何有害添加劑，利用微生物活動產生的二氧化碳氣泡製備多孔水凝膠，可用於生物醫藥等領域。中國專利cn1757662a公開了一種由不飽和烯烴或線性多糖分子與交聯劑反應製備多孔水凝膠的方法，可用於蛋白質多肽口服給藥系統。由上可知，多孔水凝膠正不斷應用於生物醫藥領域中，其製備方法也不斷得到改良。

聚胺基酸材料中的γ-聚穀氨酸和ε-聚賴氨酸均為可通過微生物發酵法製備的胺基酸均聚物，二者均有優良的體內降解性與生物相容性，相較傳統凝膠材料優勢明顯。γ-聚穀氨酸分子鏈中含有大量羧基，可作為聚陰離子，ε-聚賴氨酸分子中含有大量氨基，可作為聚陽離子。二者交聯形成的聚電解質水凝膠中含有大量羧基與氨基，這使得水凝膠不僅具有γ-聚穀氨酸水凝膠的高吸附特性，還具有ε-聚賴氨酸的廣譜抗菌特性，而且這種帶有相反電性基團的水凝膠常常具有ph敏感性。但是，聚胺基酸類水凝膠應用時其達到平衡時的溶脹時間及刺激響應時間太長。本發明使用交聯體系本身的副反應生成均勻且密集的氣泡製備多孔性γ-聚穀氨酸/ε-聚賴氨酸水凝膠，使其響應速率提高。

專利申請cn102321256a公布了《生物相容性γ-聚穀氨酸水凝膠製備方法》，以γ-聚穀氨酸為原料，採用殼寡糖為交聯劑，在水溶液中進行製備反應，利用碳化二胺和n-羥基琥珀醯亞胺活化聚穀氨酸上的羧基使其同殼寡糖的游離氨基形成醯胺鍵，進而形成三維網狀結構的水凝膠體系；具體製備方法包括：將聚穀氨酸及殼寡糖溶解於蒸餾水中形成均一水溶液，之後，加入碳化二胺和n-羥基琥珀醯亞胺；其中，聚穀氨酸濃度為4.76％-6.25％，以聚穀氨酸為投料比例基準，聚穀氨酸∶殼寡糖∶碳化二胺∶n-羥基琥珀醯亞胺的投料摩爾比例範圍為1∶0.25-0.5∶0.25-4∶0.25-4；4℃冰浴10～15min，之後室溫反應2～4h形成水凝膠；其中，碳化二胺優選1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺。

專利申請cn103656729a公布了《一種基於γ-聚穀氨酸與ε-聚賴氨酸交聯聚合物的水凝膠及其製備方法》，所述製備方法包括如下步驟：(1)將含ε-聚賴氨酸的2-(n-嗎啡啉)乙磺酸緩衝液滴加至含γ-聚穀氨酸的2-(n-嗎啡啉)乙磺酸緩衝液中，攪拌混合均勻；(2)將交聯劑加入到步驟(1)得到的反應體系中，冰浴反應10～120min，再室溫反應2～24h形成水凝膠；(3)將步驟(2)形成的水凝膠放在透析袋中，置於去離子水中透析至溶脹平衡，之後採用冷凍乾燥或者真空乾燥，得到海綿狀敷料；步驟(2)中，所述交聯劑為1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺和n-羥基琥珀醯亞胺的組合，或者為1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺和n-羥基硫代琥珀醯亞胺的組合，或者為1-環己基-2-嗎啉乙基碳二亞胺對甲苯磺酸鹽，或者為伍德沃德氏試劑k。

但上述技術中穩定劑和活化劑的混合加入會導致試劑的溶解擴散更為緩慢，從而產生凝膠交聯不均勻並且孔隙分布也不均勻的技術問題。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種均勻多孔性水凝膠的製備方法及應用，此方法製備過程簡單快捷，無溶劑排放，不添加發泡劑及致孔劑，反應設備簡單，是一種節能、簡便、環保無汙染、低成本、易於控制的製備方法。本發明方法所製備的均勻多孔性γ-聚穀氨酸/ε-聚賴氨酸水凝膠可應用於染料吸附、重金屬離子回收、生物醫藥及組織工程領域。

為實現上述目的，本發明採用以下技術方案：

一種均勻多孔性水凝膠的製備方法，包括如下步驟：

①聚胺基酸混合溶液的配製：將γ-聚穀氨酸和ε-聚賴氨酸分別溶解於0.01-10mol/l2-(n-嗎啡啉)乙磺酸緩衝液中配製為均勻溶液，在攪拌條件下，將配置好的ε-聚賴氨酸溶液滴加至配置好的γ-聚穀氨酸溶液中，得到均質聚胺基酸混合溶液；

②水凝膠預聚液的配製：在冰浴條件下向步驟①形成的均質聚胺基酸混合溶液中加入n-羥基琥珀醯亞胺，攪拌均勻後再加入1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺，形成均質水凝膠預聚液；

③均勻多孔性水凝膠的製備：將步驟②製得的均質水凝膠預聚液攪拌均勻後注入模具中，冰浴反應一段時間後在室溫下靜置反應一段時間，水凝膠中形成均勻密集的氣泡，γ-聚穀氨酸/ε-聚賴氨酸均勻多孔性水凝膠交聯成型。

進一步地，所述的聚胺基酸混合溶液中γ-聚穀氨酸：ε-聚賴氨酸的摩爾比為1:(0.1-0.4)。

進一步地，所述的水凝膠預聚液中γ-聚穀氨酸：ε-聚賴氨酸：n-羥基琥珀醯亞胺：1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺的摩爾比為1:(0.1-0.4):(0.1-2):(0.1-2)。

進一步地，步驟②所述的冰浴條件的溫度為-15-4℃。

進一步地，所述的模具包括各類不與水凝膠預聚液發生反應的不限形狀的模具。

進一步地，步驟③所述的冰浴反應的時間為0.5-4小時。

進一步地，步驟③所述的室溫下靜置反應的時間為0.5-48小時。

本發明的原理是：一方面，製備γ-聚穀氨酸/ε-聚賴氨酸水凝膠時，將γ-聚穀氨酸和ε-聚賴氨酸溶解於2-(n-嗎啡啉)乙磺酸緩衝液，形成的-coo-和-nh4+分別帶負電和正電。帶負電的γ-聚穀氨酸與帶正電的ε-聚賴氨酸之間會產生靜電吸附形成膠束，加入的ε-聚賴氨酸達到一定量時，形成膠束增多。當ε-聚賴氨酸/γ-聚穀氨酸摩爾比>0.5時，形成的膠束濃度超過臨界膠束濃度(cmc)，膠束會發生聚集產生沉澱，形成非均質水凝膠。當ε-聚賴氨酸/γ-聚穀氨酸摩爾比<0.5時，在聚胺基酸混合溶液中加入活化劑1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺，首先，γ-聚穀氨酸的羧基與1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺發生反應形成o-醯基異脲中間物。之後，加入的穩定劑n-羥基琥珀醯亞胺會與o-醯基異脲中間物反應生成n-羥基琥珀醯亞胺酯中間產物，最後，ε-聚賴氨酸與n-羥基琥珀醯亞胺酯中間物發生反應形成醯胺鍵產生交聯。期間，過量的o-醯基異脲中間物與n-羥基琥珀醯亞胺酯中間產物未能進入下一階段反應後便會發生水解並產生羧酸。並且，過量的交聯劑會降低羧酸與氨基反應的活化能，使氨基與羧酸發生反應，產生尿素及其衍生物，最終在水凝膠中形成大量氨氣氣泡，得到均勻多孔性γ-聚穀氨酸/ε-聚賴氨酸水凝膠。因此，水凝膠中氣泡的生成只利用了交聯體系本身的副反應，並未添加其他成分。

本發明與現有技術相比，具有以下顯著優點和有益效果：

1、本發明製備過程簡單快捷，反應設備簡單，是一種節能、簡便、環保無汙染、低成本、易於控制的製備方法。

2、本發明製備過程中無溶劑排放，不添加發泡劑及致孔劑，只依靠交聯劑、穩定劑與物料之間的副反應得到均勻的氣泡。

3、本發明製備的均勻多孔性水凝膠的孔洞尺寸、密度、形態均可由交聯劑與穩定劑的用量以及二者之間的比例來進行控制。

4、本發明使用γ-聚穀氨酸和ε-聚賴氨酸兩種微生物發酵生產的胺基酸均聚物作為原料，製得的水凝膠生物相容性好、對人體無毒害作用，在生物醫藥等方面的應用限制較小。

5、本發明所添加交聯劑的工藝得到優化，採用先添加穩定劑，完全溶解後再添加活化劑的方法。優化工藝所製備的水凝膠交聯度與孔隙分布更均勻，且反應過程更為溫和。

6、本發明所製備的γ-聚穀氨酸/ε-聚賴氨酸水凝膠比表面積為4.3-8.2m2/g，孔容達到0.0036-0.0044cc/g，孔徑集中分布在2.0-15.0nm。通過控制製備條件可以改變水凝膠內孔容及孔徑大小。

附圖說明

圖1為本發明製備的均勻多孔性水凝膠照片；

圖2為本發明製備的均勻多孔性水凝膠截面電子顯微鏡照片；

圖3為實施例1製備的水凝膠的孔容及孔徑分布圖；

圖4為實施例2製備的水凝膠的孔容及孔徑分布圖；

圖5為實施例3製備的水凝膠的孔容及孔徑分布圖。

具體實施方式

下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。應理解，這些實施例僅用於說明本發明而不用於限制本發明的範圍，其他的任何未違背本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容之後，本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落於本申請所附權利要求書所限定的範圍。

實施例1

①聚胺基酸混合溶液的配製：將1.9355gγ-聚穀氨酸與0.3814gε-聚賴氨酸分別溶於兩份25ml的0.1mol/lmes緩衝液(ph＝3.61)中形成兩份均質溶液。在攪拌的條件下，將ε-聚賴氨酸溶液逐滴滴加到γ-聚穀氨酸溶液中形成均質聚胺基酸混合溶液。

②水凝膠預聚液的配製：在4℃冰浴條件下向步驟①形成的均質混合溶液中加入0.4320gn-羥基琥珀醯亞胺，攪拌均勻後加入0.7206g1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺，形成摩爾比為γ-聚穀氨酸：ε-聚賴氨酸：n-羥基琥珀醯亞胺：1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺＝1:0.2:0.25:0.25的均質水凝膠預聚液。

③均勻多孔性水凝膠的製備：將步驟②製得的均質水凝膠預聚液攪拌均勻後取20ml注入圓柱形聚苯乙烯模具中，冰浴反應2小時後在室溫下靜置反應24小時，水凝膠中形成均勻密集的氣泡，γ-聚穀氨酸/ε-聚賴氨酸均勻多孔性水凝膠交聯成型。通過全自動比表面和孔徑分布分析儀對凝膠樣品的孔洞進行測定後其孔容及孔洞分布圖如圖3所示，其比表面積為4.506m2/g，孔容達到0.00363cc/g，平均孔徑為2.382nm。

實施例2

①聚胺基酸混合溶液的配製：將0.9678gγ-聚穀氨酸與0.2861gε-聚賴氨酸分別溶於兩份12.5ml的1mol/lmes(ph＝3.47)中形成兩份均質溶液。在攪拌的條件下，將ε-聚賴氨酸溶液逐滴滴加到γ-聚穀氨酸溶液中形成均質聚胺基酸混合溶液。

②水凝膠預聚液的配製：在0℃冰浴條件下向步驟①形成的均質混合溶液中加入0.4320gn-羥基琥珀醯亞胺，攪拌均勻後加入0.7206g1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺，形成摩爾比為γ-聚穀氨酸：ε-聚賴氨酸：n-羥基琥珀醯亞胺：1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺＝1:0.3:0.5:0.5的均質水凝膠預聚液。

③均勻多孔性水凝膠的製備：將步驟②製得的均質水凝膠預聚液攪拌均勻後取50ml注入球形聚乙烯模具中，冰浴反應30分鐘後在室溫下靜置反應2小時，水凝膠中形成均勻密集的氣泡，γ-聚穀氨酸/ε-聚賴氨酸均勻多孔性水凝膠交聯成型。通過全自動比表面和孔徑分布分析儀對凝膠樣品的孔洞進行測定後其孔容及孔洞分布圖如圖4所示，其比表面積為5.062m2/g，孔容達到0.00397cc/g，平均孔徑為7.049nm。

實施例3

①聚胺基酸混合溶液的配製：將1.9355gγ-聚穀氨酸與0.1907gε-聚賴氨酸分別溶於兩份25ml的2mol/lmes緩衝液(ph＝3.37)中形成兩份均質溶液。在攪拌的條件下，將ε-聚賴氨酸溶液逐滴滴加到γ-聚穀氨酸溶液中形成均質聚胺基酸混合溶液。

②水凝膠預聚液的配製：在-10℃冰浴條件下向步驟①形成的均質混合溶液中加入1.7280gn-羥基琥珀醯亞胺，攪拌均勻後加入2.8824g1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺，形成摩爾比為γ-聚穀氨酸：ε-聚賴氨酸：n-羥基琥珀醯亞胺：1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺＝1:0.1:1:1的均質水凝膠預聚液。

③均勻多孔性水凝膠的製備：將步驟②製得的均質水凝膠預聚液攪拌均勻後取20ml注入圓柱形聚氯乙烯模具中，冰浴反應1小時後在室溫下靜置反應48小時，水凝膠中形成均勻密集的氣泡，γ-聚穀氨酸/ε-聚賴氨酸均勻多孔性水凝膠交聯成型。通過全自動比表面和孔徑分布分析儀對凝膠樣品的孔洞進行測定後其孔容及孔洞分布圖如圖5所示，其比表面積為8.024m2/g，孔容達到0.00431cc/g，平均孔徑為13.478nm。

實施例4

①聚胺基酸混合溶液的配製：將1.9355gγ-聚穀氨酸與0.7628gε-聚賴氨酸分別溶於兩份15ml的8mol/lmes緩衝液(ph＝3.01)中形成兩份均質溶液。在攪拌的條件下，將ε-聚賴氨酸溶液逐滴滴加到γ-聚穀氨酸溶液中形成均質聚胺基酸混合溶液。

②水凝膠預聚液的配製：在-15℃冰浴條件下向步驟①形成的均質混合溶液中加入3.4560gn-羥基琥珀醯亞胺，攪拌均勻後加入5.7448g1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺，形成摩爾比為γ-聚穀氨酸：ε-聚賴氨酸：n-羥基琥珀醯亞胺：1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺＝1:0.4:2:2的均質水凝膠預聚液。

③均勻多孔性水凝膠的製備：將步驟②製得的均質水凝膠預聚液攪拌均勻後取50ml注入方形聚乙烯模具中，冰浴反應4小時後在室溫下靜置反應0.5小時，水凝膠中形成均勻密集的氣泡，γ-聚穀氨酸/ε-聚賴氨酸均勻多孔性水凝膠交聯成型。

此外，圖1表示實施實例1-4中對應不同摩爾比條件下製備得到的凝膠，從圖中左到右，明顯可以看出由於氣泡的產生，出現明顯的空隙，並且空隙依次增多。圖2表示實施實例1-4中對應不同比例摩爾比條件下的電鏡圖，圖中同樣可以得到結論，隨著摩爾比不同，製備得到凝膠孔徑大小不同，並具有依次增大的趨勢。