高临界溶解温度型温敏水凝胶膜及其制备方法
阅读说明：本技术 高临界溶解温度型温敏水凝胶膜及其制备方法 (High critical solution temperature type temperature sensitive hydrogel film and preparation method thereof ) 是由 陈捷 凌一 黄明骏 周呈 于 2021-06-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高临界溶解温度型温敏水凝胶膜及其制备方法,通过预辐射接枝改性、部分脱水等工艺制备具有高临界溶解温度(UCST)温敏水凝胶特性的聚丙烯膜表面接枝聚丙烯酰胺-co-聚丙烯腈。本发明以电子束为辐射源,对聚丙烯膜进行预辐射接枝丙烯酰胺,然后将接枝层的聚丙烯酰胺部分脱水形成聚丙烯腈,最终得到具有UCST温敏水凝胶特性的PP-g-P(AAm-co-AN)膜。本发明方法在制备过程中无需使用额外的引发剂,而且原料成本较低,后处理步骤简单,所得产物在25-50℃范围具有UCST温敏水凝胶特性且“相转变温度”可调,接枝层对细胞无生物毒性,有望用于细胞膜的培养、转移与收获。(The invention discloses a high critical solution temperature type temperature-sensitive hydrogel membrane and a preparation method thereof, wherein polyacrylamide-co-polyacrylonitrile grafted on the surface of a polypropylene membrane with the characteristic of high critical solution temperature (UCST) temperature-sensitive hydrogel is prepared by the processes of pre-irradiation grafting modification, partial dehydration and the like. According to the invention, AN electron beam is used as a radiation source to carry out pre-radiation grafting on the polypropylene film, then the polyacrylamide part of a grafting layer is dehydrated to form polyacrylonitrile, and finally the PP-g-P (AAm-co-AN) film with the UCST temperature-sensitive hydrogel characteristic is obtained. The method does not need to use additional initiator in the preparation process, has lower raw material cost and simple post-treatment step, the obtained product has the characteristics of UCST temperature-sensitive hydrogel at the temperature of 25-50 ℃, the phase transition temperature is adjustable, and the grafted layer has no biological toxicity to cells and is expected to be used for culturing, transferring and harvesting cell membranes.)
技术领域
发明涉及材料加工技术领域，发明了一种无需额外引发剂、高效便捷、具有较高强度的UCST型温敏水凝胶膜及其制备方法。
背景技术
组织工程的概念提出至今已有30多年，其目的是从机体获取少量的活体组织，用特殊的酶或其他方法将细胞，又称种子细胞，从组织中分离出来,在体外进行培养扩增，然后将扩增的细胞与具有良好生物相容性、可降解性和可吸收的生物材料(支架)按一定的比例混合，使细胞黏附在生物材料(支架)上形成细胞-材料复合物；将该复合物植入机体的组织或器官病损部位，随着生物材料在体内逐渐被降解和吸收，植入的细胞在体内不断增殖并分泌细胞外基质，最终形成相应的组织或器官，从而达到修复创伤和重建功能的目的。
目前对温敏性聚合物在细胞转移收获方面的运用主要集中于低临界溶解温度(LCST)型温敏聚合物。日本生物医用材料专家Okano.T的研究团队将一种具有LCST温敏特性的聚N-异丙基丙烯酰胺(PIPAAm)接枝到培养皿表面并成功培养出心肌细胞膜。他们在37℃，即高于LCST(32℃)的条件下培养细胞，此时培养皿表面呈疏水性，有利于细胞膜贴壁生长，然后将温度降低到LCST以下，培养皿表面迅速变为亲水性，于是细胞膜自动脱落。这种表面接枝LCST水凝胶的培养皿使细胞膜的培养与收获变得非常简便。
通常LCST型表面只适用于一次性培养单种细胞膜，为此有人设想将一种具有UCST特性的温敏水凝胶与之配合进行细胞膜的收获和转移，以实现多种细胞复合膜的培养。首先在LCST型水凝胶改性的培养皿进行第一种水凝胶的培养，由于温度高于LCST而表面疏水，细胞可紧贴培养皿表面生长，完成细胞膜的培养后，将温度降低至LCST与UCST以下，原先疏水的LCST表面变成了亲水表面，也可理解为细胞所贴的壁溶解，细胞膜便会自动从原表面脱离，此时的UCST型的材料，在该温度下是疏水的，则细胞从亲水的LCST材料表面脱离的同时会黏附到相对疏水的UCST材料表面，然后，移动搭载着细胞膜至新的具有LCST表面特性的培养皿中，将温度升高至培养细胞所需的温度，UCST水凝胶材料的表面由疏水变为亲水，而培养皿表面的LCST是疏水的，细胞膜就可能从UCST材料表面脱出，黏附到LCST表面，进行另一种细胞的培养。
到目前为止，关于UCST系统的大多数研究都仅涉及溶液的合成方法和表征，至今尚未见有通过表面接枝改性制备UCST水凝胶膜的相关报道。根据Jan Seuring等人的研究结果，丙烯酰胺-丙烯腈体系是目前发现的最理想的UCST型温敏聚合物体系，该体系凝胶的UCST相变现象明显，温敏特性的重复性也较好。目前尚未见有通过表面接枝改性制备UCST温敏水凝胶膜的报道。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种高临界溶解温度型温敏水凝胶膜及其制备方法，本发明提供的UCST型温敏水凝胶膜制备工艺，由预辐照接枝和部分脱水两部分组成。本发明所述预辐照接枝材料为聚丙烯(PP)膜、丙烯酰胺(AAm)、七水合硫酸亚铁(FeSO4·7H2O)、浓硫酸(H2SO4)及超纯水(H2O)。本发明所述的脱水剂原料为氯化亚砜(SOCl2)与N,N-二甲基甲酰胺(DMF)。本发明通过对聚合物膜预辐射接枝改性，然后部分脱水制备UCST水凝胶膜。本发明方法制备的水凝胶膜在25℃-50℃范围具有UCST水凝胶特性且“相转变温度”可调，是一种对细胞无生物毒性，有望用于细胞膜的培养、转移与收获的温度敏感性水凝胶膜。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高临界溶解温度型温敏水凝胶膜的制备方法，通过预辐照聚丙烯表面接枝丙烯酰胺后部分脱水，制备高临界溶解温度型(UCST)温敏水凝胶膜，包括如下步骤：
a.将预辐照后的聚丙烯膜置于含七水合硫酸亚铁及浓硫酸的丙烯酰胺水溶液中，在接枝反应物溶液中进行接枝共聚反应，接枝反应物溶液中浓硫酸的浓度不低于0.1mol/L；
b.将在所述步骤a中进行接枝共聚反应后所得产物洗净，烘干，然后置于脱水剂中，在0℃冰水浴下进行部分脱水反应，反应结束后，将产物洗净烘干，得到高临界溶解温度型温敏水凝胶膜。
优选地，在所述步骤a中，接枝共聚反应的方法为：将预辐照后的聚丙烯膜置于含有丙烯酰胺(AAm)、七水合硫酸亚铁(FeSO4·7H2O)及浓硫酸(H2SO4)的水溶液的安培瓶中，向容器内通入氮气后放入预热好的不低于60℃的油浴锅中进行反应至少6h。
优选地，在所述步骤a中，所述预辐照聚丙烯膜的方法为：将聚丙烯膜用清水漂洗干净，然后用超纯水在超声的条件下清洗至少30分钟并重复至少两次，再用丙酮在超声的条件下再次清洗至少两次，然后放入不低于40℃恒温干燥箱中进行干燥后备用；然后将聚丙烯膜单层放置在移动的平台上，在空气氛中辐照处理，采用剂量率不低于200Gy/S，辐射源为地拉米电子束加器，束流不低于2mA，能量不低于2MeV，得到经过预辐照的聚丙烯膜。
优选地，在所述步骤a中，所述七水合硫酸亚铁在接枝反应物溶液中的浓度为(1～3)×10-2mol/L。进一步优选地，所述七水合硫酸亚铁在接枝反应物溶液中的浓度为(2.5～3)×10-2mol/L。
优选地，所述浓硫酸在接枝反应物溶液中的浓度为0.1～0.5mol/L。进一步优选地，所述浓硫酸在接枝反应物溶液中的浓度为0.2～0.5mol/L。
优选地，所述丙烯酰胺在接枝反应物溶液中的质量百分比浓度不低于10％(w/w)。进一步优选地，所述丙烯酰胺在接枝反应物溶液中的质量百分比浓度不低于10-25％(w/w)。
进一步优选地，接枝反应最佳条件为：丙烯酰胺(AAm)浓度为25％(w/w)，FeSO4·7H2O浓度为2.5×10-2mol/L；H2SO4浓度为0.2mol/L,反应温度60℃，反应时间6h，预辐照PP膜的吸收剂量为200kGy。预辐照聚丙烯膜的制备方法为：将聚丙烯膜用清水漂洗干净。用超纯水在超声的条件下清洗30分钟，重复两次，用丙酮在超声的条件下再次清洗两次，放入40℃恒温烘箱中干燥。PP膜单层放置于移动的平台上，在空气氛条件下进行辐照，辐射源为电子加速器。
优选地，在所述步骤b中，所述脱水剂采用氯化亚砜与N,N-二甲基甲酰胺的混合溶液，其中氯化亚砜在脱水剂中的质量分数为20-80％。进一步优选地，氯化亚砜在脱水剂中的质量分数为30-60％。
一种高临界溶解温度型温敏水凝胶膜，利用本发明高临界溶解温度型温敏水凝胶膜的制备方法制备而成，所述制备的温敏水凝胶膜在25-50℃范围具有高临界溶解温度型水凝胶特性且相转变温度可调。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明采用预辐照PP膜接枝丙烯酰胺(AAm)，后部分脱水制备聚丙烯酰胺-co-聚丙烯腈[P(AAm-co-AN)]UCST型温敏水凝胶膜；本发明制备的P(AAm-co-AN)水凝胶的UCST相变现象明显，温敏特性的重复性也较好；预辐照接枝无需额外的引发剂，接枝链与基材以共价键相连，结合力较强；
2.本发明选用氯化亚砜与N,N-二甲基甲酰胺作为脱水剂条件温和、后处理过程简便、成本较低；
3.本发明方法在制备过程中无需使用额外的引发剂，而且原料成本较低，后处理步骤简单，所得产物在25℃-50℃范围具有UCST温敏水凝胶特性且“相转变温度”可调，接枝层对细胞无生物毒性，有望用于细胞膜的培养、转移与收获。
附图说明
图1为本发明实施例1UCST温敏水凝胶PP-g-P(AAm-co-AN)膜的实物照片图。
图2为本发明实施例1UCST温敏水凝胶PP-g-P(AAm-co-AN)膜在20℃和40℃下的表面形貌图。
图3为本发明实施例1UCST温敏水凝胶PP-g-P(AAm-co-AN)膜在20℃和40℃下的接触角图。
图4为本发明实施例1与实施例2UCST智能水凝胶PP-g-P(AAm-co-AN)膜细胞毒性测试结果图。
具体实施方式
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
实施例1
在本实施例中，一种高临界溶解温度型温敏水凝胶膜的制备方法，通过预辐照聚丙烯表面接枝丙烯酰胺后部分脱水，制备高临界溶解温度型(UCST)温敏水凝胶膜，包括如下步骤：
取一洁净的接枝反应瓶，依次注入20ml的超纯水(H2O)、0.218ml(0.2mol/L)浓硫酸(H2SO4)、2.8g七水合硫酸亚铁(FeSO4·7H2O)、5g丙烯酰胺(AAm)并震荡，完全溶解后放入0.3mm×20mm×20mm的聚丙烯薄片；
然后盖上盖子，鼓氮气20分钟以除去溶液中的氧气，关闭气阀；将反应瓶放入60℃的水浴中，6小时后取出；
然后将接枝后的样品用清水漂洗直至去除表面的单体与均聚物并在50℃下真空干燥；选取500ml单口圆底烧瓶，注入SOCl2比例为40％的SOCl2/DMF混合溶液，并投入磁力搅拌转子；将清洗干净的样品置入圆底烧瓶中，用封口膜包裹住瓶口，之后将圆底烧瓶放置于0℃的冰水浴中边搅拌边反应4个小时；反应完毕后，先用清水冲洗PP膜表面，洗去反应溶剂，之后再放入丙酮中浸泡0.5小时，在50℃真空环境下干燥12小时，得到高临界溶解温度型温敏水凝胶膜。
本实施例方法制备出的UCST型温敏水凝胶膜，丙烯酰胺接枝率为101％，部分脱水后丙烯腈摩尔含量为23％，相变温度为32.5℃。
测定了本实施例得到的UCST型智能水凝胶膜在20℃和40℃下的接触角，图2(A)显示的是水凝胶膜在20℃时的接触角，图2(B)显示的是水凝胶膜在40℃时的接触角。
测定了本实施例得到的UCST型智能水凝胶膜在20℃和40℃下的表面形貌，图3(A)显示的是水凝胶膜在20℃时的表面形貌，图3(B)显示的是水凝胶膜在40℃时的表面形貌。
测定了本实施例得到的UCST型智能水凝胶膜的细胞毒性，如图4(A)所示。
本实施例通过对聚合物膜预辐射接枝改性，然后部分脱水制备UCST水凝胶膜。本实施例方法制备的水凝胶膜在25℃-50℃范围具有UCST水凝胶特性且“相转变温度”可调，是一种对细胞无生物毒性，有望用于细胞膜的培养、转移与收获的温度敏感性水凝胶膜。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种高临界溶解温度型温敏水凝胶膜的制备方法，通过预辐照聚丙烯表面接枝丙烯酰胺后部分脱水，制备高临界溶解温度型(UCST)温敏水凝胶膜，包括如下步骤：
取一洁净的接枝反应瓶(自制)，依次注入20ml的超纯水(H2O)、0.218ml(0.2mol/L)浓硫酸(H2SO4)、2.8g七水合硫酸亚铁(FeSO4·7H2O)、5g丙烯酰胺(AAm)并震荡，完全溶解后放入0.3mm×20mm×20mm的聚丙烯薄片；
盖上盖子，鼓氮气20分钟以除去溶液中的氧气，关闭气阀；将反应瓶放入60℃的水浴中，6小时后取出；
然后将接枝后的样品用清水漂洗直至去除表面的单体与均聚物并在50℃下真空干燥；选取500ml单口圆底烧瓶，注入SOCl2比例为35％的SOCl2/DMF混合溶液，并投入磁力搅拌转子；将清洗干净的样品置入圆底烧瓶中，用封口膜包裹住瓶口，之后将圆底烧瓶放置于0℃的冰水浴中边搅拌边反应4个小时；反应完毕后，先用清水冲洗PP膜表面，洗去反应溶剂，之后再放入丙酮中浸泡0.5小时，在50℃真空环境下干燥12小时，得到高临界溶解温度型温敏水凝胶膜。
本实施例方法制备出的UCST型温敏水凝胶膜，丙烯酰胺接枝率为101％，部分脱水后丙烯腈摩尔含量为27％，相变温度为40.5℃。测定了本实施例得到的UCST型智能水凝胶膜的细胞毒性，如图4(B)所示。本实施例制备的UCST型温敏水凝胶膜对细胞无生物毒性，有望用于细胞膜的培养、转移与收获的温度敏感性水凝胶膜。
实施例3
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，在本实施例中，一种高临界溶解温度型温敏水凝胶膜的制备方法，通过预辐照聚丙烯表面接枝丙烯酰胺后部分脱水，制备高临界溶解温度型(UCST)温敏水凝胶膜，包括如下步骤：
取一洁净的接枝反应瓶(自制)，依次注入20ml的超纯水(H2O)、0.218ml(0.2mol/L)浓硫酸(H2SO4)、2.8g七水合硫酸亚铁(FeSO4·7H2O)、5g丙烯酰胺(AAm)并震荡，完全溶解后放入0.3mm×20mm×20mm的聚丙烯薄片；
盖上盖子，鼓氮气20分钟以除去溶液中的氧气，关闭气阀；将反应瓶放入60℃的水浴中，6小时后取出；
将接枝后的样品用清水漂洗直至去除表面的单体与均聚物并在50℃下真空干燥；选取500ml单口圆底烧瓶，注入SOCl2比例为30％的SOCl2/DMF混合溶液，并投入磁力搅拌转子；将清洗干净的样品置入圆底烧瓶中，用封口膜包裹住瓶口，之后将圆底烧瓶放置于0℃的冰水浴中边搅拌边反应4个小时；反应完毕后，先用清水冲洗PP膜表面，洗去反应溶剂，之后再放入丙酮中浸泡0.5小时，在50℃真空环境下干燥12小时，得到高临界溶解温度型温敏水凝胶膜。
本实施例方法制备出的UCST型温敏水凝胶膜，丙烯酰胺接枝率为101％，部分脱水后丙烯腈摩尔含量为31％，相变温度为49.5℃。本实施例制备的UCST型温敏水凝胶膜对细胞无生物毒性，有望用于细胞膜的培养、转移与收获的温度敏感性水凝胶膜。
综上所述，上述实施例通过预辐射接枝改性、部分脱水等工艺制备具有高临界溶解温度(UCST)温敏水凝胶特性的聚丙烯膜表面接枝聚丙烯酰胺-co-聚丙烯腈[PP-g-P(AAm-co-AN)]。上述实施例以电子束为辐射源，对聚丙烯(PP)膜进行预辐射接枝丙烯酰胺(AAm)，然后将接枝层的聚丙烯酰胺(PAAm)部分脱水形成聚丙烯腈(PAN)，最终得到具有UCST温敏水凝胶特性的PP-g-P(AAm-co-AN)膜。所述具有UCST性能的温敏水凝胶膜由聚丙烯膜与丙烯酰胺为原料，先进行预辐射接枝反应，之后以氯化亚砜(SOCl2)与N,N-二甲基甲酰胺(DMF)的混合溶液为脱水剂，在0℃冰水浴条件下进行部分脱水反应所制得。上述实施例方法在制备过程中无需使用额外的引发剂，而且原料成本较低，后处理步骤简单，所得产物在25℃-50℃范围具有UCST温敏水凝胶特性且“相转变温度”可调，接枝层对细胞无生物毒性，有望用于细胞膜的培养、转移与收获。
上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。