阅读说明：本技术 一种双交联聚硫氨酯及其作为水凝胶敷料的应用 (Double-crosslinking polythiourethane and application thereof as hydrogel dressing ) 是由 汤杰 于 2019-10-04 设计创作，主要内容包括：本发明属于新材料领域。一种双交联聚硫氨酯及其作为水凝胶敷料的应用,该方法以含环氧树脂、丙烯酸、壳聚糖、多元胺等为原料,分别经过壳聚糖的酰胺化反应、环氧树脂的开环与成环反应、巯基-烯点击反应等多步骤反应完成,通过分子结构设计,调整聚合物结构以及优化聚合工艺,合成了一种双交联聚硫氨酯。该双交联材料不仅有效解决目前聚硫氨酯材料亲水性差,力学性能不足的缺陷,同时兼具抗菌抑菌的效用,可大大拓宽其应用领域。(The invention belongs to the field of new materials. The method takes epoxy resin, acrylic acid, chitosan, polyamine and the like as raw materials, and is finished by multi-step reactions such as amidation reaction of chitosan, ring opening and cyclization reaction of epoxy resin, sulfydryl-alkene click reaction and the like respectively, and the double-crosslinking polythiourethane is synthesized by molecular structure design, adjustment of polymer structure and optimization of polymerization process. The double-crosslinking material not only effectively overcomes the defects of poor hydrophilicity and insufficient mechanical properties of the conventional polythiourethane material, but also has antibacterial and bacteriostatic effects, and can greatly widen the application field of the double-crosslinking material.)

一种双交联聚硫氨酯及其作为水凝胶敷料的应用

技术领域

本发明涉及一种双交联聚硫氨酯及其作为水凝胶敷料的应用。本发明属于新材料领域。

背景技术

聚氨酯是指在分子结构中含有大量氨基甲酸酯的一类聚合物，也被称为聚氨基甲酸酯，英文缩写PU。基本原料为异氰酸酯、多元醇、催化剂和扩链剂等。异氰酸酯构成PU中的硬段结构，常用的有芳香族的MDI和TDI、脂环族的IPDI和脂肪族的HDI等。多元醇构成PU结构中的弹性部分，常用的为聚醚多元醇和聚酯多元醇，其含量的多少决定所制备PU的软硬程度、柔顺性和刚性。PU具有很多优异的性能，如：弹性、韧性和加工性优良。

聚氨酯(PU)是一种具有优异生物学性能的高分子，其衍生物聚硫氨酯无毒副作用、具有优异的生物相容性、较好的机械性能、加工性能等，符合医用要求。同时，聚硫氨酯结构中含有大量的硫元素，因此聚硫氨酯具有较高的折射率，在人工角膜上有很大的应用前景。

鉴于目前聚硫氨酯的大多数产品亲水性差、力学强度不足，且合成多采用聚氨酯的合成方法，巯基与异氰酸酯的反应，伴随着制备成本高的缺陷。因此制备一种力学性能优良的聚硫氨酯材料具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中亲水性差、力学强度不足且制备成本高的不足，提供了一种双交联聚硫氨酯及其制备方法，其使用环氧树脂为基体，经过硫化、交联等多步骤反应得到了一种双交联聚硫氨酯，在有效改善现有聚硫氨酯材料力学性能不足、亲水性差且制备成本高等缺陷的同时，兼具抗菌抑菌的效用，在生物材料等领域有很大的应用前景，大大丰富其应用领域。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种双交联聚硫氨酯，其结构式如下所示：

其中：x＝1-3、y＝10-15、m＝3-6、n＝10-40；壳聚糖平均分子量＝5kDa；R₁为丁基、环己基、己基或乙基。

一种双交联聚硫氨酯及其制备方法，包含以下步骤：

步骤1)：丙烯酸与壳聚糖酰胺化反应，得到丙烯酸改性壳聚糖，记为A；

步骤2)：环氧树脂与二硫化碳的开环成环反应，得到五元硫代碳酸盐，记为B；

步骤3)：五元硫代碳酸盐B与多元胺的开环反应，得到聚硫氨酯，记为C；

步骤4)：聚硫氨酯C与丙烯酸改性壳聚糖A的巯基-烯点击反应，得到壳聚糖改性聚硫氨酯，记为D；

步骤5)：壳聚糖改性聚硫氨酯D与丙烯酸的巯基-烯点击反应，得到双交联聚硫氨酯，记为F。

以下均以反应官能团摩尔分数表示

作为优选，所述步骤1)具体为：

将0.1-0.3份丙烯酸加入到0.1wt％的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺的混合溶液中，4℃冰浴活化羧基4h，然后将溶液置于溶有1份壳聚糖的乙酸溶液中，4℃反应10-24h，室温静置10-24h，将反应产物经多次抽滤、真空干燥，得到丙烯酸改性壳聚糖，记为A；

所述1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺的质量比为5:1，所述乙酸浓度为0.1mol/L，所述丙烯酸与壳聚糖按羧基/氨基的摩尔比为0.1-0.3。

作为优选，所述步骤2)具体为：

将1份环氧树脂、2-4％催化剂、1-1.1份二硫化碳溶于40份有机溶剂a中，冰浴，搅拌2h。室温搅拌4-24h后，减压蒸馏浓缩，加入30份去离子水，振荡，再加入40份有机溶剂b萃取，分液，无水硫酸钠干燥，过滤，得到黄色产物溶液，记为B；

所述催化剂用量为环氧树脂摩尔数的2-4％。

作为优选，所述步骤3)具体为：

在1份B中加入1.0-1.2份多元胺并在室温下搅拌0.5-2h，减压蒸馏，真空干燥得到黄色产物，记为C。

作为优选，所述步骤4)具体为：

在1份C中，加入0.05-0.15份A，0-3wt％的光引发剂PI混合均匀，置UV光照下0.5-5min，引发巯基-烯的点击反应，得到目标产物，记为D；

所述光引发剂用量为A质量的0-3wt％。

作为优选，步骤5)具体为：

在1份D中，加入0.9-1.0份丙烯酸，0-3wt％的光引发剂PI混合均匀，置UV光照下0.5-5min，引发巯基-烯的点击反应，得到目标产物，记为F；

所述光引发剂用量为丙烯酸质量的0-3wt％。

作为优选，所述环氧树脂为711、CY-183、6206或6269。

作为优选，所述催化剂为碘化钠、碘化锂、溴化锂或氯化锂。

作为优选，所述有机溶剂a为四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺、丙酮或乙腈；有机溶剂b为乙酸乙酯、乙酸丁酯、己烷或氯仿。

作为优选，所述光引发剂PI为184、1173、BP、2959、TPO或ITX。

一种双交联聚硫氨酯敷料，其制备方法包括如下步骤：

(1)将聚硫氨酯材料置于有机溶剂c中，洗涤3-5次后，过滤，干燥；使用去离子水洗涤3-5次，过滤，干燥；

(2)将干燥产物配制浓度为10wt％聚硫氨酯材料水溶液，经-20--4℃冻干处理10-24h，获得聚硫氨酯材料水凝胶敷料。

作为优选，所述有机溶剂c为四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺、丙酮或丁酮。

本发明的提供的双交联聚硫氨酯材料，其制备流程如下：

本发明的有益效果：

(1)本发明提供了一种双交联聚硫氨酯，通过分子设计，调整聚合物结构，以环氧树脂为原料，经环氧基开环杂化、巯基-烯点击反应等制备了一种双交联聚硫氨酯，摆脱了传统聚氨酯或聚硫单一材料性能不足的缺陷，兼具聚氨酯耐磨、耐撕裂和聚硫高强度的性能优势。同时避免使用有毒的异氰酸酯结构，作为生物材料使用，整个反应过程安全环保。

(2)本发明提供了一种双交联聚硫氨酯的制备方法，采用环氧树脂，一方面提供刚性基团，提升机械强度；另一方面，生成的醚键提供柔性基团，最终达到刚性与柔性的有效搭配。

(3)本发明提供了一种双交联聚硫氨酯的制备方法，采用壳聚糖作为原材料之一，首先，壳聚糖为自然界中广泛存在的天然高分子，来源广泛；其次，壳聚糖结构，分子链中提供大量的羟基，醚键，可形成氢键；最后，壳聚糖具有天然的抗菌性，确保15％左右酰化度以保证抗菌性，且生物相容性好。

(4)本发明提供了一种双交联聚硫氨酯的制备方法，采用多元胺为原材料之一，一方面，多元胺提供了化学交联点；另一方面，可根据体系的刚性和韧性，进行机械强度和弹性之间平衡的调节。

(5)本发明提供了一种双交联聚硫氨酯的制备方法，通过分子设计，引入巯基-烯反应体系，首先，引入巯基-烯反应高效、简单且无体积收缩、无氧阻聚的缺陷；其次，反应过程中添加少量的光引发剂甚至无光引发剂存在的条件下仍可反应；最后，S原子的引入，一定程度上增强体系的韧性，增加了材料的生物相容性，且仍可提供S-H的弱氢键。

(6)本发明提供了一种双交联聚硫氨酯，通过分子设计，调整聚合物结构，使用高效的巯基-烯点击反应，形成双交联体的同时引入羟基、羧基等亲水基团，解决了聚硫氨酯材料力学性能不足、亲水性差且制备成本高等缺陷的同时，兼具抗菌抑菌的效用，在生物材料(包括水凝胶)等领域有很大的应用前景，可以预见，该材料将会迎来广阔的市场空间。

具体实施方式

：

以下结合实施例对本发明进行详细说明。但应理解，以下实施例仅是对本发明实施方式的举例说明，而非是对本发明的范围限定。

实施例1

步骤1)将0.1份丙烯酸加入到0.1wt％的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺的混合溶液中，4℃冰浴活化羧基4h，然后将溶液置于溶有1份壳聚糖的乙酸溶液中，4℃反应10h，室温静置10h，将反应产物经多次抽滤、真空干燥，得到丙烯酸改性壳聚糖(IR：1641cm^-1、811cm^-1：C＝C生成；3400cm^-1：O-H、N-H变宽变弱；1657.92cm^-1：N-H变弱)，记为A；

1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺的质量比为5:1，所述乙酸浓度为0.1mol/L，所述丙烯酸与壳聚糖按羧基/氨基的摩尔比为0.1。

步骤2)将1份环氧树脂6206、2％氯化锂(LiCl)、1份二硫化碳溶于40份四氢呋喃(THF)中，冰浴，搅拌2h，室温搅拌24h后，减压蒸馏浓缩，加入30份去离子水，振荡，再加入40份氯仿萃取，分液，无水硫酸钠干燥，过滤，得到黄色产物溶液(IR：910cm^-1：环氧基消失)，记为B；

LiCl用量为环氧树脂6206摩尔数的2％。

步骤3)在1份B中加入1.2份环己二胺并在室温下搅拌0.5h，减压蒸馏，提纯得到黄色产物(IR：2562cm^-1：-SH生成；3335cm^-1：-N-H的生成；701cm^-1：-C-S生成)，记为C。

步骤4)在1份C中，加入0.05份A，3wt％的光引发剂184混合均匀，置UV光照下0.5min，引发巯基-烯的点击反应，得到目标产物(IR：2562cm^-1：-SH减弱；1641cm^-1、811cm^-1：C＝C消失)，记为D；

光引发剂184用量为A质量的3wt％。

步骤5)在1份D中，加入1.0份丙烯酸，3wt％的光引发剂184混合均匀，置UV光照下0.5min，引发巯基-烯的点击反应，得到目标产物(IR：2562cm^-1：-SH消失；1641cm^-1、811cm^-1：C＝C消失)，记为D；

光引发剂184用量为A质量的3wt％。

具体实施例2-8，其他同具体实施例1，不同之处在于下表：

以具体实施例1获得的双交联聚硫氨酯材料作为应用实施例的基础材料，将其加工成双交联聚硫氨酯材料水凝胶敷料。

应用实施例1

一种双交联聚硫氨酯水凝胶敷料的制备方法包括如下步骤：

(1)将聚硫氨酯材料置于四氢呋喃中，洗涤5次后，过滤，干燥；使用去离子水洗涤5次，过滤，干燥；

(2)将干燥产物配制浓度为10wt％聚硫氨酯材料水溶液，经-20℃冻干处理10h，获得聚硫氨酯材料水凝胶敷料。

应用实施例2-5，其他同应用实施例1，不同之处在于下表

应用实施对比例1

一种双交联聚硫氨酯水凝胶敷料的制备方法包括如下步骤：

配制浓度为10wt％双交联聚硫氨酯材料水溶液，经-20℃冻干处理10h，获得双交联聚硫氨酯材料水凝胶敷料。

应用实施对比例2

一种双交联聚硫氨酯水凝胶敷料的制备方法包括如下步骤：

(1)将聚硫氨酯材料置于四氢呋喃中，洗涤5次后，过滤，干燥；使用去离子水洗涤5次，过滤，干燥；

(2)将干燥产物配制浓度为10wt％聚硫氨酯材料水溶液，经-80℃冻干处理10h，获得聚硫氨酯材料水凝胶敷料。

应用实施对比例3

一种双交联聚硫氨酯水凝胶敷料的制备方法包括如下步骤：

(1)将聚硫氨酯材料置于四氢呋喃中，洗涤5次后，过滤，干燥；使用去离子水洗涤5次，过滤，干燥；

(2)将干燥产物配制浓度为10wt％聚硫氨酯材料水溶液，经50℃风干处理10h，获得聚硫氨酯材料水凝胶敷料。

分别测定本发明应用实施例1-5、应用实施对比例1-3制备的壳聚糖-纤维素复合材料敷料的物理性能，包括孔隙率、平衡含水量、透气率、失水率、拉伸强度和抑菌率，结果如下表所示。

其中测试方法如下：

1.孔隙率测定：

1)将样品剪成直径为D的圆形并称重，记m1；

2)用千分尺测量样品的厚度，记H；

3)将样品分别放入10mL无水乙醇中，24h后取出样品擦干表面的乙醇，并称重，记m2。

孔隙率计算公式如下：

孔隙率％＝(m2-m1)/(ρ乙醇×V)*100％，式中，V＝π×(D/2)²×H。

2.平衡含水量(EWC)测试：剪取一定大小的水凝胶，用无尘滤纸轻轻吸干水凝胶表面上的自由水后称重取饱和水含量时的质量W_s，再放入100℃的烘箱中烘干至恒重，取出冷却至室温，称其干态的质量W_d，通过下式计算出水凝胶的平衡含水量W_t％。

W_t％＝(W_s-W_d)÷ W_s × 100％ (1)

3.透气率的测定

1)广口瓶内装一定量的去离子水，用待测材料密封瓶口，室温放置24h。

透气率计算公式如下：

透气率＝24h失水量/对照组失水量×100％。

4.失水率的测定

水凝胶膜的水蒸气透过率测试是根据美国标准局公布的ASTM E96-00方法而测量得到。将已制备好的的水凝胶膜放置在圆柱形塑料杯口(直径36mm)，塑料杯中装有10ml水，塑料杯口边缘用聚四氟乙烯带密封以防止任何水汽从杯口边缘损失。然后在37℃时，把塑料杯放进含有硫酸铵饱和溶液的干燥器中(相对湿度79％)。计算出重量损失随测量间隔时间的变化斜率。按照斜率，水蒸气透过率(WVTR)计算如下：

水蒸气透过率(WVTR)(g/m2/day)＝斜率×24/A；

公式中的A代表测试样本的表面积。

其中，无水凝胶覆盖：3369±143g/m2/day；

失水率＝水凝胶水蒸气透过率/无水凝胶覆盖水蒸气透过率。

5.拉伸强度、断裂伸长率及弹性模量的测定

1)将材料裁剪成相同的规格(长：25mm，宽：2.5mm，厚：2mm)，放在万能试验机上进行测试，并记录拉伸强度、断裂伸长率和弹性模量的数据。

6.抗菌抑菌试验：

参照GB4789.2-2010《食品安全国家标准食品微生物学检验菌落总数测定》，对应用实施例1-5、应用实施对比例1-3制备的壳聚糖-纤维素复合材料敷料进行大肠杆菌抗菌抑菌实验。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。