一种基于席夫碱的聚氨酯/壳聚糖自愈合水凝胶及其制备方法
阅读说明：本技术 一种基于席夫碱的聚氨酯/壳聚糖自愈合水凝胶及其制备方法 (Polyurethane/chitosan self-healing hydrogel based on Schiff base and preparation method thereof ) 是由 吉晓莉 易曌 吴力立 于 2020-05-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于席夫碱的聚氨酯/壳聚糖自愈合水凝胶,以醛基化聚氨酯和壳聚糖为原料,通过亚胺键交联制备而成；所述醛基化聚氨酯中醛基和壳聚糖中氨基的摩尔比为1:1-3；所述自愈合水凝胶的固含量为8%-12%。本发明所述基于席夫碱的聚氨酯/壳聚糖自愈合水凝胶具有良好的力学性能和优越的抗菌性能,以及良好的自愈合性能、溶胀性能以及pH响应性,既可方便使用,又可延长其使用寿命。(The invention discloses polyurethane/chitosan self-healing hydrogel based on Schiff base, which is prepared by taking aldehyde polyurethane and chitosan as raw materials and cross-linking through imine bonds; the molar ratio of aldehyde groups in the aldehyde polyurethane to amino groups in the chitosan is 1: 1-3; the solid content of the self-healing hydrogel is 8-12%. The polyurethane/chitosan self-healing hydrogel based on the Schiff base has good mechanical property, excellent antibacterial property, good self-healing property, swelling property and pH responsiveness, and can be conveniently used and prolong the service life.)
技术领域
本发明属于高分子材料技术领域，也属于生物医用材料技术领域，具体涉及一种基于席夫碱的聚氨酯/壳聚糖自愈合水凝胶及其制备方法。
背景技术
水凝胶是一种具有三维微结构的聚合物，不仅能够在水中溶胀而不失去其结构的完整性，而且具有优良的柔软性、生物相容性和渗透性，是目前生物医用领域中最具有前景的材料之一。但是，水凝胶在加工和使用过程中容易受到外界因素的综合破坏，内部会产生微裂纹，从而导致使用寿命缩短。因此，将自愈合功能引入水凝胶材料，有利于延长材料使用寿命并提高其安全性。自愈合水凝胶的性质是基于动态共价键或非共价键，其中，由于动态共价键结合了非共价键的可逆性和共价键的稳定性，所以通过动态共价键设计和制备自愈水凝胶的研究越来越受到重视，目前以苯硼酸酯、二硫键、酰肼、亚胺为基础的自愈水凝胶都已被报导。在这些动态共价键中，亚胺键可以在温和条件下简单高效地在氨基和醛基之间形成，因此，基于席夫碱的自愈合水凝胶具有广泛的生物医学应用潜力。
壳聚糖是目前已知的唯一带有正电荷的碱性多糖，由甲壳素在热碱液中脱去乙酰基得到。与其他天然多糖相比，壳聚糖具有生物相容性好，细胞毒性低，抗菌性能好，加速凝血，创面修复等优点，在生物医用领域发展十分迅速。壳聚糖固有的反应性氨基使得基于席夫碱交联的壳聚糖自愈合水凝胶的制备易于实现。最近，基于席夫碱的壳聚糖水凝胶常使用小分子二醛或多聚醛作为交联剂，前者因为其毒性限制了生物方面的应用，而后者以醛基化的聚乙二醇最具有代表性，但因为力学性能较差多用于可注射水凝胶。
聚氨酯材料因分子结构可裁剪，性能易于调控，生物相容性、机械性能良好，细胞毒性较低，柔韧性和透气性适宜，近年来在生物医用领域的研究应用中占据了重要的地位。但聚氨酯水凝胶的较差的抗菌性能和自愈合性能是其在应用时亟待解决的问题，使用无机纳米粒子复合赋予聚氨酯水凝胶抗菌性能目前报导的较多，如纳米银、纳米二氧化钛等，但无机纳米粒子的形状和粒径分布不易控制，而且难以达到高分散度要求等问题仍然存在。而针对自愈合性能，基于席夫碱交联的聚氨酯水凝胶也较为少见。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种基于席夫碱的聚氨酯/壳聚糖自愈合水凝胶及其制备方法，以获得具有良好力学性能、优越的抗菌性能和自愈合性能的水凝胶。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：
一种基于席夫碱的聚氨酯/壳聚糖自愈合水凝胶，以醛基化聚氨酯和壳聚糖为原料，通过亚胺键交联制备而成；所述醛基化聚氨酯中醛基和壳聚糖中氨基的摩尔比为1:1-3；所述自愈合水凝胶的固含量为8％-12％。
本发明还提供一种基于席夫碱的聚氨酯/壳聚糖自愈合水凝胶的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)将聚乙二醇和异佛尔酮二异氰酸酯在55℃-60℃下溶解于丙酮中，充分溶解后滴加有机锡催化剂，保持55℃-60℃继续反应20-40分钟，得到无色透明的聚氨酯预聚体溶液；
(2)将2,4-二羟基苯甲醛的丙酮溶液加入步骤(1)中制备的聚氨酯预聚体溶液，2,4-二羟基苯甲醛充分溶解后向反应体系中滴加碱性催化剂的丙酮溶液，升温至60℃-80℃反应4-6小时，反应过程中不断加入丙酮降低反应体系粘度，得到橘红色粘稠液体，然后在45℃-55℃下真空干燥至恒重，得到醛基化聚氨酯固体；
(3)将步骤(2)中制备的醛基化聚氨酯用去离子水在室温下溶解2-3天，得到黄色透明的醛基化聚氨酯溶液；将壳聚糖用乙酸溶液在室温下完全溶解，得到无色透明的壳聚糖溶液；
(4)将步骤(3)中制备的醛基化聚氨酯溶液和步骤(3)制备的壳聚糖溶液搅拌混合，得到淡黄色透明粘稠液体，然后滴加氢氧化钠水溶液调节pH至5.0-6.5，再注入模具中室温固化6-12小时，脱模得到基于席夫碱的聚氨酯/壳聚糖自愈合水凝胶。
按上述方案，所述聚乙二醇分子量为1500-3000。
按上述方案，步骤(1)中，所述聚乙二醇与异佛尔酮二异氰酸酯的摩尔比为1:1-1.5；聚乙二醇与异佛尔酮二异氰酸酯在丙酮中的总固含量(以质量百分比计)为60-80％。
按上述方案，步骤(1)中，所述有机锡催化剂为二月桂酸二丁基锡，用量为单体总质量(即聚乙二醇和异佛尔酮二异氰酸酯的总质量)的0.01％-0.02％。
按上述方案，步骤(2)中，2,4-二羟基苯甲醛的加入量与步骤(1)所述异佛尔酮二异氰酸酯的摩尔比为1:2-3.5；2,4-二羟基苯甲醛的丙酮溶液的质量百分浓度为5％-10％。
按上述方案，步骤(2)中，碱性催化剂为1,8-二氮杂二环[5.4.0]十一碳-7-烯，用量为单体总质量的0.6％-0.65％；碱性催化剂的丙酮溶液的质量百分浓度为1％-2.5％。
按上述方案，步骤(1)和步骤(2)中，丙酮总用量占反应体系总质量的50％-80％。
按上述方案，步骤(3)中，所述醛基化聚氨酯溶液的质量分数为10％-15％；壳聚糖溶液的质量分数为2％-3.5％。其中，配制壳聚糖溶液时，乙酸溶液的质量分数为1％-3％，壳聚糖的脱乙酰度≥95％，分子量为200000-5000000。
按上述方案，步骤(4)中，醛基化聚氨酯溶液和壳聚糖溶液的比例以壳聚糖中氨基和醛基化聚氨酯中醛基的摩尔比为1:1-3来计。
按上述方案，步骤(4)中，氢氧化钠水溶液的浓度为20g/100mL-30g/100mL。优选地，在滴加氢氧化钠水溶液之前先加入一定量的颜料进行染色，可以便于观察。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明所述基于席夫碱的聚氨酯/壳聚糖自愈合水凝胶以醛基化聚氨酯和壳聚糖为原料，所制得的水凝胶被赋予了良好的力学性能和优越的抗菌性能，适用于生物医用材料(如伤口敷料)。
(2)本发明所述水凝胶通过亚胺键交联制备而成。作为动态共价键，亚胺键结合了非共价键的可逆性和共价键的稳定性，同时，亚胺键的合成简单高效。因此，本发明制备得到的水凝胶具有良好的自愈合性能、溶胀性能以及pH响应性，既可方便使用，又可延长其使用寿命。
附图说明
图1为实施例1所得基于席夫碱的聚氨酯/壳聚糖自愈合水凝胶在25℃的去离子水中的溶胀曲线。
图2为实施例2所得基于席夫碱的聚氨酯/壳聚糖自愈合水凝胶的应力应变曲线。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。
下述实施例中，聚乙二醇的分子量为2000；乙酸溶液质量浓度为2.1％；壳聚糖的脱乙酰度≥95％，分子量为200000-5000000。
实施例1
一种基于席夫碱的聚氨酯/壳聚糖自愈合水凝胶，以醛基化聚氨酯和壳聚糖为原料，通过亚胺键交联制备而成；所述壳聚糖中氨基和醛基化聚氨酯中醛基的摩尔比为1:1；所述自愈合水凝胶的固含量为10.5％。
上述基于席夫碱的聚氨酯/壳聚糖自愈合水凝胶的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)称取40g聚乙二醇和5.34g异佛尔酮二异氰酸酯在60℃下溶解于20g丙酮中，充分溶解后滴加0.009g有机锡催化剂，保持60℃继续反应30分钟，得到无色透明的聚氨酯预聚体溶液。
(2)称取1.1g 2,4-二羟基苯甲醛分散于20g丙酮中，将分散液加入步骤(1)中制备的聚氨酯预聚体溶液，2,4-二羟基苯甲醛充分溶解后向反应体系中滴加20.28g质量百分浓度为1.38％的碱性催化剂的丙酮溶液，升温至60℃反应6小时，反应过程中不断加入丙酮降低反应体系粘度(该反应过程又加入了30g丙酮，此时反应体系中丙酮总量为90g)，得到橘红色粘稠液体，然后在45℃真下真空干燥24小时，得到醛基化聚氨酯固体。
(3)称取12g步骤(2)中制备的醛基化聚氨酯用去88g离子水在室温下溶解2-3天，得到黄色透明的醛基化聚氨酯溶液。
(4)称取2g壳聚糖用98g乙酸溶液在室温下溶解2小时，得到无色透明的壳聚糖溶液。
(5)称取步骤(3)中制备的醛基化聚氨酯溶液24g和步骤(4)制备的壳聚糖溶液4g搅拌混合，得到淡黄色透明粘稠液体；向该粘稠液体中滴加0.25mL浓度为20g/100mL的氢氧化钠水溶液，调节pH至5.0-6.5，然后注入模具中，室温固化6小时，脱模得到基于席夫碱的聚氨酯/壳聚糖自愈合水凝胶。
采用称重法测试水凝胶的溶胀性能。如图1所示，本实施例制备的水凝胶在25℃的去离子水中溶胀性能显著，溶胀率可达到1294％。
实施例2
一种基于席夫碱的聚氨酯/壳聚糖自愈合水凝胶，以醛基化聚氨酯和壳聚糖为原料，通过亚胺键交联制备而成；所述壳聚糖中氨基和醛基化聚氨酯中醛基的摩尔比为3:1；所述自愈合水凝胶的固含量为8.7％。
上述基于席夫碱的聚氨酯/壳聚糖自愈合水凝胶的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)称取40g聚乙二醇和5.56g异佛尔酮二异氰酸酯在60℃下溶解于20g丙酮中，充分溶解后滴加0.009g有机锡催化剂，保持60℃继续反应25分钟，得到无色透明的聚氨酯预聚体溶液。
(2)称取1.38g 2,4-二羟基苯甲醛分散于10g丙酮中，将分散液加入步骤(1)中制备的聚氨酯预聚体溶液，2,4-二羟基苯甲醛充分溶解后向反应体系中滴加20.28g质量百分浓度为1.38％的碱性催化剂的丙酮溶液，升温至60℃反应6小时，反应过程中不断加入丙酮降低反应体系粘度(该反应过程又加入了30g丙酮，此时反应体系中丙酮总量为90g)，得到橘红色粘稠液体，然后在45℃真下真空干燥24小时，得到醛基化聚氨酯。
(3)称取12g步骤(2)中制备的醛基化聚氨酯用去88g离子水在室温下溶解2-3天，得到黄色透明的醛基化聚氨酯溶液。
(4)称取2.5g壳聚糖用97.5g乙酸溶液在室温下溶解2小时，得到无色透明的壳聚糖溶液。
(5)称取步骤(3)中制备的聚氨酯溶液24g和步骤(4)制备的壳聚糖溶液12g搅拌混合，得到淡黄色透明粘稠液体；该粘稠液体中滴加0.75mL浓度为20g/100mL的氢氧化钠水溶液，调节pH至5.0-6.5，然后注入模具中，室温固化6小时，脱模得到基于席夫碱的聚氨酯/壳聚糖自愈合水凝胶。
采用万能试验机测试水凝胶的力学性能。如图2所示，本实施例制备的水凝胶力学性能良好，拉伸强度可达到12MPa，断裂伸长率可达到320％。
实施例3
一种基于席夫碱的聚氨酯/壳聚糖自愈合水凝胶，以醛基化聚氨酯和壳聚糖为原料，通过亚胺键交联制备而成；所述壳聚糖中氨基和醛基化聚氨酯中醛基的摩尔比为1:1；所述自愈合水凝胶的固含量为10.6％。
上述基于席夫碱的聚氨酯/壳聚糖自愈合水凝胶的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)称取40g聚乙二醇和5.56g异佛尔酮二异氰酸酯在60℃下溶解于20g丙酮中，充分溶解后滴加0.009g有机锡催化剂，保持60℃继续反应25分钟，得到无色透明的聚氨酯预聚体溶液。
(2)称取1.38g2,4-二羟基苯甲醛分散于10g丙酮中，将分散液加入步骤(1)中制备的聚氨酯预聚体溶液，2,4-二羟基苯甲醛充分溶解后向反应体系中滴加20.28g质量百分浓度为1.38％的碱性催化剂的丙酮溶液，升温至60℃反应6小时，反应过程中不断加入丙酮降低反应体系粘度(该反应过程又加入了30g丙酮，此时反应体系中丙酮总量为90g)，得到橘红色粘稠液体，然后在45℃真下真空干燥24小时，得到醛基化聚氨酯。
(3)称取12g步骤(2)中制备的醛基化聚氨酯用去88g离子水在室温下溶解2-3天，得到黄色透明的醛基化聚氨酯溶液。
(4)称取2.5g壳聚糖用97.5g乙酸溶液在室温下溶解2小时，得到无色透明的壳聚糖溶液。
(5)称取步骤(3)中制备的聚氨酯溶液24g和步骤(4)制备的壳聚糖溶液4g搅拌混合，得到淡黄色透明粘稠液体；向该粘稠液体中滴加0.25mL浓度为20g/100mL的氢氧化钠水溶液，调节pH至5.0-6.5。然后将混合溶液注入模具中，室温固化6小时，脱模得到基于席夫碱的聚氨酯/壳聚糖自愈合水凝胶。
采用试管倒立法测试水凝胶的pH响应性。向本实施例制备的水凝胶中滴加一定量的乙酸，使得体系pH为2.5-3.5，静置1h后凝胶逐渐变为溶液状态；再向体系中加入一定量氢氧化钠水溶液，使得体系pH在5.5-6.5，静置2h后观察到又形成凝胶状态；此过程可重复5-6次。结果表明，本实施例制备的水凝胶具有良好的pH响应性。
实施例4
一种基于席夫碱的聚氨酯/壳聚糖自愈合水凝胶，以醛基化聚氨酯和壳聚糖为原料，通过亚胺键交联制备而成；所述壳聚糖中氨基和醛基化聚氨酯中醛基的摩尔比为1:1；所述自愈合水凝胶的固含量为10.7％。
一种基于席夫碱的聚氨酯/壳聚糖自愈合水凝胶的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)称取40g聚乙二醇和5.93g异佛尔酮二异氰酸酯在60℃下溶解于20g丙酮中，充分溶解后滴加0.009g有机锡催化剂，保持60℃继续反应25分钟，得到无色透明的聚氨酯预聚体溶液。
(2)称取1.84g2,4-二羟基苯甲醛分散于10g丙酮中，将分散液加入步骤(1)中制备的聚氨酯预聚体溶液，2,4-二羟基苯甲醛充分溶解后向反应体系中滴加20.28g质量百分浓度为1.38％的碱性催化剂的丙酮溶液，升温至60℃反应6小时，反应过程中不断加入丙酮降低反应体系粘度(该反应过程又加入了30g丙酮，此时反应体系中丙酮总量为90g)，得到橘红色粘稠液体，然后在45℃真下真空干燥24小时，得到醛基化聚氨酯。
(3)称取12g步骤(2)中制备的醛基化聚氨酯用去88g离子水在室温下溶解2-3天，得到黄色透明的醛基化聚氨酯溶液。
(4)称取3.24g壳聚糖用96.76g乙酸溶液在室温下溶解2小时，得到无色透明的壳聚糖溶液。
(5)称取步骤(3)中制备的聚氨酯溶液24g和步骤(4)制备的壳聚糖溶液4g搅拌混合，得到淡黄色透明粘稠液体；将该粘稠液体等量分为两份，分别用罗丹明B和亚甲基蓝染色后，滴加浓度为20g/100mL的氢氧化钠水溶液，调节pH至5.0-6.5，然后将不同颜色的混合溶液注入模具中，室温固化6小时，脱模得到得到两种不同颜色的基于席夫碱的聚氨酯/壳聚糖自愈合水凝胶。
采用观察法测试水凝胶的自愈合性能。把本实验例制备的得到两种不同颜色的凝胶切开，然后将不同颜色的半圆凝胶的切开处拼接在一起，室温静置一段时间后观察到水凝胶断裂面基本消失，自愈合后的水凝胶仍能经受拉伸、弯曲等力学测试。结果表明，本实施例制备的水凝胶具有良好的自愈合性能。
实施例5
一种基于席夫碱的聚氨酯/壳聚糖自愈合水凝胶，以醛基化聚氨酯和壳聚糖为原料，通过亚胺键交联制备而成；所述壳聚糖中氨基和醛基化聚氨酯中醛基的摩尔比为3:1；所述自愈合水凝胶的固含量为9.1％。
上述基于席夫碱的聚氨酯/壳聚糖自愈合水凝胶的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)称取40g聚乙二醇和5.93g异佛尔酮二异氰酸酯在60℃下溶解于20g丙酮中，充分溶解后滴加0.009g有机锡催化剂，保持60℃继续反应25分钟，得到无色透明的聚氨酯预聚体溶液。
(2)称取1.84g2,4-二羟基苯甲醛分散于10g丙酮中，将分散液加入步骤(1)中制备的聚氨酯预聚体溶液，2,4-二羟基苯甲醛充分溶解后向反应体系中滴加20.28g质量百分浓度为1.38％的碱性催化剂的丙酮溶液，升温至60℃反应6小时，反应过程中不断加入丙酮降低反应体系粘度(该反应过程又加入了30g丙酮，此时反应体系中丙酮总量为90g)，得到橘红色粘稠液体，然后在45℃真下真空干燥24小时，得到醛基化聚氨酯。
(3)称取12g步骤(2)中制备的醛基化聚氨酯用去88g离子水在室温下溶解2-3天，得到黄色透明的醛基化聚氨酯溶液。
(4)称取3.24g壳聚糖用97.5g乙酸溶液在室温下溶解2小时，得到无色透明的壳聚糖溶液。
(5)称取步骤(3)中制备的聚氨酯溶液24g和步骤(4)制备的壳聚糖溶液12g搅拌混合，得到淡黄色透明粘稠液体；该粘稠液体中滴加0.75mL浓度为20g/100mL的氢氧化钠水溶液，调节pH至5.0-6.5，然后注入模具中，室温固化6小时，脱模得到基于席夫碱的聚氨酯/壳聚糖自愈合水凝胶。
采用平板菌落计数法测试水凝胶的抗菌性能。结果表明，本实施例制备的水凝胶抗菌活性良好，对大肠杆菌的抗菌率达到96.80±0.45％，对金黄色葡萄球菌的抗菌率达到94.81±0.57％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。