阅读说明：本技术 大体积且不易破碎的晶胶材料及其制备方法与应用 (large-volume and non-breakable crystal glue material and preparation method and application thereof ) 是由 张旭锋 孙丽芬 于 2019-09-06 设计创作，主要内容包括：本发明涉及晶胶材料技术领域,公开了一种大体积且不易破碎的晶胶材料及其制备方法与应用。以丙烯酰胺和/或甲基丙烯酸羟乙酯为聚合物基质,通过对普通的预冻法进行改良,确保形成孔径大小均匀的大体积晶胶。同时,通过将纳米纤维素作为一种增强剂引入体系中增强其机械性能。成功地制备出体积达500mL且保持良好机械性能的大体积晶胶,为大规模的分离工程/生物技术应用提供了优越的条件。此外,将聚乙烯亚胺接枝到晶胶上得到功能性材料,该材料对胆红素具有良好的吸附性能。(The invention relates to the technical field of crystal glue materials, and discloses a large-volume crystal glue material which is not easy to break, and a preparation method and application thereof. Acrylamide and/or hydroxyethyl methacrylate are/is used as a polymer matrix, and a common prefreezing method is improved to ensure that the large-volume crystal gel with uniform pore size is formed. Meanwhile, the mechanical property of the nano-crystalline cellulose is enhanced by introducing the nano-crystalline cellulose into a system as a reinforcing agent. The large-volume crystal gel with the volume of 500mL and good mechanical property is successfully prepared, and excellent conditions are provided for large-scale separation engineering/biotechnology application. In addition, the polyethyleneimine is grafted to the crystal glue to obtain a functional material, and the material has good adsorption performance on bilirubin.)

大体积且不易破碎的晶胶材料及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及晶胶材料技术领域，更具体地，涉及大体积且不易破碎的晶胶材料及其制备方法。

背景技术

大孔整体材料以其独特的相互连通的大孔结构，具有传质速度快、通透性强和性能稳定等优势，广泛应用于组织工程、细胞支架、生物反应器和色谱分离，是下一代高性能生物分离色谱介质的替代材料。大孔整体材料中的孔洞可以通过不同的方法来产生：使用致孔剂、泡沫致孔、冷冻干燥和晶体凝胶法。与其它制备方法相比，冷冻晶胶法更容易产生高度互穿的三维大孔，制备具有独特性能的坚固材料，在许多生物医学应用中更受欢迎。大孔整体材料通常由合成聚合物(例如聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸酯、聚苯乙烯)、天然聚合物(例如琼脂糖、纤维素)或无机材料(例如二氧化硅)组成，现已广泛应用于蛋白质和小分子的分离。冷冻晶胶整体材料的大孔孔径为10-100μm，能够处理非澄清、粘性的样品，包括血液、血浆和发酵液，以及植物和动物提取物，这为血液灌流产品的设计提供了机会。另外，由于孔壁的聚合物浓度较高，大孔整体材料具有较高的机械强度、高压缩性和高弹性。

但是，到目前为止所做的工作都是在实验室或者小规模进行的，生产的凝胶尺寸依然很小(体积为几毫升)，并且样品上具有不均匀的孔径分布。在制备较大样品的过程中，由于传热不均匀使得冷冻动力学和冰晶形成条件难以确定，制备大体积凝胶依然是一个很大的挑战。但对于更大规模的分离或工程/生物技术应用，大体积晶胶是不二选择，因此有必要提供一种大体积的晶胶材料及其制备方法。

发明内容

有鉴于此，本发明为克服上述现有技术所述的至少一种不足，提供一种大体积且不易破碎的晶胶材料，解决现有晶胶材料不能满足大规模的分离或工程/生物技术应用的问题。

为了解决上述存在的技术问题，本发明采用下述技术方案：

一种大体积且不易破碎的晶胶材料，所述晶胶材料由烯烃类液体在含冰晶的蒸馏水中预冻后于-12℃下共聚制得，所述晶胶材料的体积可以达到500ml。

本发明首次提出了一种大体积且不易破碎的晶胶材料，通过对普通预冻法进行改进，在预冻过程中保留了大部分的冰晶，使得传热相对较快，最终可以形成孔径分布均匀的大体积晶胶，避免了由于传热极度不均匀使大样品内部孔径过大造成内部坍塌的问题。所述烯烃类液体为丙烯酰胺和/或甲基丙烯酸羟乙酯。

为进一步提高晶胶材料的机械强度，所述晶胶材料由烯烃类液体在含冰晶的蒸馏水中预冻后加入纳米纤维素作为增强剂于-12℃下共聚制得，由此将纳米纤维素作为一种增强剂引入到聚合物基质中增强晶胶的机械强度。所述纳米纤维素包括细菌纤维素、微纤化纤维素、纤维素纳米晶中一种或多种。通过实验证明加入少量的细菌纤维素就可以使晶胶的机械性能得到明显的提高，主要是因为细菌纤维素表面的羟基与聚合物基质之间形成了强烈的氢键，因此，优选细菌纤维素作为增强剂加入到聚合物基质中。

本发明还提供了上述大体积且不易破碎的晶胶材料的制备方法，包括如下步骤：

S1.将烯烃类液体、与交联剂溶于含冰晶的蒸馏水中；

S2.将步骤S1得到的混合液冷冻至结冰；

S3.在室温下往步骤S2得到的结冰混合液中加入引发剂和催化剂，搅拌后除气泡，在-12℃下反应，反应结束后在室温下解冻并用大量蒸馏水洗涤，得到所述晶胶材料。

本发明首次提出了一种制备大体积且不易破碎的晶胶材料的方法。对普通的预冻法进行了改进，在预冻的过程中保留了大部分的冰晶，使得传热相对较快，最终可以形成孔径分布均匀的大体积晶胶，避免了由于传热极度不均匀使大样品内部孔径过大造成内部坍塌的问题。

步骤S2中，往步骤S1得到的混合液中加入烯丙基缩水甘油醚，搅拌至完全溶解，再冷却至结冰。通过烯丙基缩水甘油醚引入环氧基作为功能性基团，引入后可以便于后面的修饰及其应用。

步骤S2中，冷冻前加入纳米纤维素再冷冻至结冰。将纳米纤维素作为一种增强剂引入到聚合物基质中增强晶胶的机械强度。所述纳米纤维素包括细菌纤维素、微纤化纤维素、纤维素纳米晶中一种或多种。通过实验证明加入少量的细菌纤维素就可以使晶胶的机械性能得到明显的提高，主要是因为细菌纤维素表面的羟基与聚合物基质之间形成了强烈的氢键。

步骤S3中，先用0.5mol/L的NaCl洗涤再用蒸馏水洗涤。高盐浓度下有利于促进晶胶材料上的一些杂离子被洗脱，改善洗涤效果。

所述烯烃类液体为丙烯酰胺和/或甲基丙烯酸羟乙酯，所述交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺，所述引发剂为过硫酸铵或过硫酸钾，所述催化剂为N,N,N,N-四甲基乙二胺。

作为上述大体积且不易破碎的晶胶材料的进一步细化，本发明还提供了一种大体积且不易破碎的聚乙烯亚胺晶胶，所述聚乙烯亚胺晶胶由烯烃类液体在含冰晶的蒸馏水中预冻后与烯丙基缩水甘油醚于-12℃下共聚、再与聚乙烯亚胺在70℃下反应制得，所述晶胶材料的体积可以达到500ml。

在预冻过程中保留大部分冰晶最终制得形成孔径分布均匀的大体积晶胶材料的基础上，借助烯丙基缩水甘油醚引入的环氧基接支聚乙烯亚胺制得大体积且不易破碎的聚乙烯亚胺晶胶。所述烯烃类液体为丙烯酰胺和/或甲基丙烯酸羟乙酯。

为进一步提高聚乙烯亚胺晶胶的机械强度，所述聚乙烯酰胺晶胶由烯烃类液体在含冰晶的蒸馏水中预冻后依次加入烯丙基缩水甘油醚、纳米纤维素于-12℃下共聚、再与聚乙烯亚胺在70℃下反应制得，由此将纳米纤维素作为一种增强剂引入到聚合物基质中增强晶胶的机械强度。所述纳米纤维素包括细菌纤维素、微纤化纤维素、纤维素纳米晶中一种或多种。通过实验证明加入少量的细菌纤维素就可以使晶胶的机械性能得到明显的提高，主要是因为细菌纤维素表面的羟基与聚合物基质之间形成了强烈的氢键，因此，优选细菌纤维素作为增强剂加入到聚合物基质中。

本发明还提供了上述大体积且不易破碎的聚乙烯亚胺晶胶的制备方法，除了包括制备上述大体积且不易破碎的晶胶材料的制备步骤外，还包括步骤S4：将步骤S3制得的晶胶材料用碳酸钠缓冲液浸泡，然后加入聚乙烯亚胺溶液，在70℃下反应，反应结束后用蒸馏水洗涤，得到所述聚乙烯亚胺晶胶。

步骤S4中，反应结束后用蒸馏水清洗，然后在0.5mol/L的HCl溶液中浸泡后用蒸馏水洗至中性，最后在0.5mol/L的NaOH溶液中浸泡后用蒸馏水洗至中性。

本发明还提供了上述大体积且不易破碎的聚乙烯亚胺晶胶在吸附胆红素上的应用，对胆红素具有良好的吸附性能。

本发明与现有技术相比较有如下有益效果：本发明首次提出了一种制备大体积且不易破碎的晶胶的方法。首先，通过对普通的预冻法进行了改进，在预冻的过程中保留了大部分的冰晶，使得传热相对较快，最终可以形成孔径分布均匀的大体积晶胶，避免了由于传热极度不均匀使大样品内部孔径过大造成内部坍塌的问题。其次，通过将纳米纤维素(细菌纤维素，微纤化纤维素，纤维素纳米晶)作为一种增强剂引入到聚合物基质中增强晶胶的机械强度。并且通过实验证明加入少量的细菌纤维素就可以使晶胶的机械性能得到明显的提高，主要是因为细菌纤维素表面的羟基与聚合物基质之间形成了强烈的氢键。最终，成功制备出了大体积且保持良好机械性能的样品，并且对其进行了表征，从扫描电镜的结果看细菌纤维素的加入使孔壁增厚；压缩测试的结果表明随着细菌纤维素量的增加其机械性能明显增加。此外，通过与晶胶上的环氧基团反应将聚乙烯亚胺(PEI)固定上，并将该材料用于吸附生理盐水中的胆红素，结果表明该材料对胆红素的吸附行为符合Langmuir吸附和拟二级动力学模型，说明该吸附为单分子层吸附，最大吸附量高达76mg/g。

附图说明

图1是方法实施例3制得的晶胶材料的扫描电镜图。

图2是方法实施例4制得的晶胶材料的扫描电镜图。

图3是方法实施例5制得的晶胶材料的扫描电镜图。

图4是对比例3制得的晶胶材料的扫描电镜图。

图5是方法实施例3、4、5的应力-应变变量关系图。

图6是不同细菌纤维素分散液(BC)用量下制得的产品实施例4晶胶材料的吸附曲线图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步阐述。对本发明实施例中的技术方案是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

产品实施例1

一种大体积且不易破碎的晶胶材料，所述晶胶材料由烯烃类液体在含冰晶的蒸馏水中预冻后于-12℃下共聚制得。

产品实施例2

一种大体积且不易破碎的晶胶材料，所述晶胶材料由烯烃类液体在含冰晶的蒸馏水中预冻后加入纳米纤维素作为增强剂于-12℃下共聚制得。

产品实施例3

一种大体积且不易破碎的聚乙烯亚胺晶胶，所述聚乙烯亚胺晶胶由烯烃类液体在含冰晶的蒸馏水中预冻后加入烯丙基缩水甘油醚于-12℃下共聚、再与聚乙烯亚胺在70℃下反应制得。

产品实施例4

一种大体积且不易破碎的聚乙烯亚胺晶胶，所述聚乙烯亚胺晶胶由烯烃类液体在含冰晶的蒸馏水中预冻后依次加入烯丙基缩水甘油醚、纳米纤维素于-12℃下共聚、再与聚乙烯亚胺在70℃下反应制得。

方法实施例1

一种制备产品实施例2所述大体积且不易破碎的晶胶材料的方法：取5g丙烯酰胺和1.5g N,N-亚甲基双丙烯酰胺，溶于95mL含冰晶的蒸馏水中(预冻)，加入1.8mL烯丙基缩水甘油醚，置于高速搅拌器下搅拌至完全溶解(转速600r/min)，加入5mL细菌纤维素分散液(BC)，搅拌3-5min(转速600r/min)，置于低温试验箱中(-20℃)冷冻至结冰，取出在室温下加入0.1g过硫酸铵和0.1mL N,N,N,N-四甲基乙二胺，搅拌5min(转速600r/min)，超声除气泡，倒入模具中置于低温试验箱中(-12℃)反应24h。取出在室温下解冻，并用大量蒸馏水洗涤。

方法实施例2

一种制备产品实施例2所述大体积且不易破碎的晶胶材料的方法：取5g甲基丙烯酸羟乙酯和1.5g N,N-亚甲基双丙烯酰胺，溶于85mL含冰晶的蒸馏水中(预冻)，加入1.8mL烯丙基缩水甘油醚，置于高速搅拌器下搅拌至完全溶解(转速600r/min)，加入15mL细菌纤维素分散液(BC)，搅拌3-5min(转速600r/min)，置于低温试验箱中(-20℃)冷冻至结冰，取出在室温下加入0.1g过硫酸铵和0.1mL N,N,N,N-四甲基乙二胺，搅拌5min(转速600r/min)，超声除气泡，倒入模具中置于低温试验箱中(-12℃)反应24h。取出在室温下解冻，并用大量蒸馏水洗涤。

方法实施例3

一种制备产品实施例2所述大体积且不易破碎的晶胶材料的方法：取2.5g丙烯酰胺，2.5g甲基丙烯酸羟乙酯和1.5g N,N-亚甲基双丙烯酰胺，溶于95mL含冰晶的蒸馏水中(预冻)，加入1.8mL烯丙基缩水甘油醚，置于高速搅拌器下搅拌至完全溶解(转速600r/min)，加入5mL细菌纤维素分散液(BC)，搅拌3-5min(转速600r/min)，置于低温试验箱中(-20℃)冷冻至结冰，取出在室温下加入0.1g过硫酸铵和0.1mL N,N,N,N-四甲基乙二胺，搅拌5min(转速600r/min)，超声除气泡，倒入模具中置于低温试验箱中(-12℃)反应24h。取出在室温下解冻，并用大量蒸馏水洗涤。

方法实施例4

一种制备产品实施例2所述大体积且不易破碎的晶胶材料的方法：取2.5g丙烯酰胺，2.5g甲基丙烯酸羟乙酯和1.5g N,N-亚甲基双丙烯酰胺，溶于85mL含冰晶的蒸馏水中(预冻)，加入1.8mL烯丙基缩水甘油醚，置于高速搅拌器下搅拌至完全溶解(转速600r/min)，加入15mL细菌纤维素分散液(BC)，搅拌3-5min(转速600r/min)，置于低温试验箱中(-20℃)冷冻至结冰，取出在室温下加入0.1g过硫酸铵和0.1mL N,N,N,N-四甲基乙二胺，搅拌5min(转速600r/min)，超声除气泡，倒入模具中置于低温试验箱中(-12℃)反应24h。取出在室温下解冻，并用大量蒸馏水洗涤。

方法实施例5

一种制备产品实施例2所述大体积且不易破碎的晶胶材料的方法：取2.5g丙烯酰胺，2.5g甲基丙烯酸羟乙酯和1.5g N,N-亚甲基双丙烯酰胺，溶于75mL含冰晶的蒸馏水中(预冻)，加入1.8mL烯丙基缩水甘油醚，置于高速搅拌器下搅拌至完全溶解(转速600r/min)，加入25mL细菌纤维素分散液(BC)，搅拌3-5min(转速600r/min)，置于低温试验箱中(-20℃)冷冻至结冰，取出在室温下加入0.1g过硫酸铵和0.1mL N,N,N,N-四甲基乙二胺，搅拌5min(转速600r/min)，超声除气泡，倒入模具中置于低温试验箱中(-12℃)反应24h。取出在室温下解冻，并用大量蒸馏水洗涤。

方法实施例6

一种制备产品实施例2所述大体积且不易破碎的晶胶材料的方法：取2.5g丙烯酰胺，2.5g甲基丙烯酸羟乙酯和1.5g N,N-亚甲基双丙烯酰胺，溶于95mL含冰晶的蒸馏水中(预冻)，加入1.8mL烯丙基缩水甘油醚，置于高速搅拌器下搅拌至完全溶解(转速600r/min)，加入5mL微纤化纤维素分散液(MFC)，搅拌3-5min(转速600r/min)，置于低温试验箱中(-20℃)冷冻至结冰，取出在室温下加入0.1g过硫酸铵和0.1mL N,N,N,N-四甲基乙二胺，搅拌5min(转速600r/min)，超声除气泡，倒入模具中置于低温试验箱中(-12℃)反应24h。取出在室温下解冻，并用大量蒸馏水洗涤。

方法实施例7

一种制备产品实施例2所述大体积且不易破碎的晶胶材料的方法：取2.5g丙烯酰胺，2.5g甲基丙烯酸羟乙酯和1.5g N,N-亚甲基双丙烯酰胺，溶于85mL含冰晶的蒸馏水中(预冻)，加入1.8mL烯丙基缩水甘油醚，置于高速搅拌器下搅拌至完全溶解(转速600r/min)，加入15mL微纤化纤维素分散液(MFC)，搅拌3-5min(转速600r/min)，置于低温试验箱中(-20℃)冷冻至结冰，取出在室温下加入0.1g过硫酸铵和0.1mL N,N,N,N-四甲基乙二胺，搅拌5min(转速600r/min)，超声除气泡，倒入模具中置于低温试验箱中(-12℃)反应24h。取出在室温下解冻，并用大量蒸馏水洗涤。

方法实施例8

一种制备产品实施例2所述大体积且不易破碎的晶胶材料的方法：取5g丙烯酰胺，2.5g甲基丙烯酸羟乙酯和1.5g N,N-亚甲基双丙烯酰胺，溶于95mL含冰晶的蒸馏水中(预冻)，加入1.8mL烯丙基缩水甘油醚，置于高速搅拌器下搅拌至完全溶解(转速600r/min)，加入5mL纤维素纳米晶(CNC)，搅拌3-5min(转速600r/min)，置于低温试验箱中(-20℃)冷冻至结冰，取出在室温下加入0.1g过硫酸铵和0.1mL N,N,N,N-四甲基乙二胺，搅拌5min(转速600r/min)，超声除气泡，倒入模具中置于低温试验箱中(-12℃)反应24h。取出在室温下解冻，并用大量蒸馏水洗涤。

方法实施例9

一种制备产品实施例2所述大体积且不易破碎的晶胶材料的方法：取5g丙烯酰胺，2.5g甲基丙烯酸羟乙酯和1.5g N,N-亚甲基双丙烯酰胺，溶于85mL含冰晶的蒸馏水中(预冻)，加入1.8mL烯丙基缩水甘油醚，置于高速搅拌器下搅拌至完全溶解(转速600r/min)，加入15mL纤维素纳米晶(CNC)，搅拌3-5min(转速600r/min)，置于低温试验箱中(-20℃)冷冻至结冰，取出在室温下加入0.1g过硫酸铵和0.1mL N,N,N,N-四甲基乙二胺，搅拌5min(转速600r/min)，超声除气泡，倒入模具中置于低温试验箱中(-12℃)反应24h。取出在室温下解冻，并用大量蒸馏水洗涤。

对比例1

除了预冻过程中蒸馏水不含冰晶外，其他同方法实施例1。

对比例2

除了预冻过程中蒸馏水不含冰晶外，其他同方法实施例2。

对比例3

除了不加入细菌纤维素外，其他方法实施例4。取2.5g丙烯酰胺，2.5g甲基丙烯酸羟乙酯和1.5g N,N-亚甲基双丙烯酰胺，溶于100mL含冰晶的蒸馏水中(预冻)，加入1.8mL烯丙基缩水甘油醚，置于高速搅拌器下搅拌至完全溶解(转速600r/min)，置于低温试验箱中(-20℃)冷冻至结冰，取出在室温下加入0.1g过硫酸铵和0.1mL N,N,N,N-四甲基乙二胺，搅拌5min(转速600r/min)，超声除气泡，倒入模具中置于低温试验箱中(-12℃)反应24h。取出在室温下解冻，并用大量蒸馏水洗涤。

测定方法：

1.将方法实施例3～5及对比例3制得的晶胶材料做成试样，分别用扫描电镜测定，测得的扫描电镜图分别如图1～4所示。

2.分别对方法实施例3～5制得的晶胶材料做压缩测试，测试结果如图5所示；

从扫描电镜的结果看细菌纤维素的加入使孔壁增厚；压缩测试的结果表明随着细菌纤维素量的增加其机械性能明显增加。

方法实施例10

一种制备产品实施例4所述大体积且不易破碎的聚乙烯亚胺晶胶的方法：

一、晶胶材料的制备

取2.5g丙烯酰胺，2.5g甲基丙烯酸羟乙酯和1.5g N,N-亚甲基双丙烯酰胺，溶于85mL含冰晶的蒸馏水中(预冻)，加入1.8mL烯丙基缩水甘油醚，置于高速搅拌器下搅拌至完全溶解(转速600r/min)，加入15mL微纤化纤维素分散液(MFC)，搅拌3-5min(转速600r/min)，置于低温试验箱中(-20℃)冷冻至结冰，取出在室温下加入0.1g过硫酸铵和0.1mL N,N,N,N-四甲基乙二胺，搅拌5min(转速600r/min)，超声除气泡，倒入模具中置于低温试验箱中(-12℃)反应24h。取出在室温下解冻，并用大量蒸馏水洗涤。

二、连接聚乙烯亚胺

上述晶胶先用0.5mol/L的NaCl清洗，再用蒸馏水清洗。室温下在0.5mol/L的碳酸钠缓冲溶液(pH＝10.5)中浸泡2h。然后，加入10％的聚乙烯亚胺溶液(pH＝10.6)，在70℃下反应8h。用蒸馏水清洗，在0.5mol/L的HCl溶液中浸泡2h，用蒸馏水洗至中性；然后在0.5mol/L的NaOH溶液中浸泡2h，用蒸馏水洗至中性。

三、聚乙烯亚胺晶胶对胆红素的吸附评估

将上述材料置于冷冻干燥机中冻干，称取一定质量，加入初始浓度为0.1-1mol/L的胆红素溶液，在37℃下振荡2h进行吸附。取上清液，在435nm测试吸光度A。通过Langmuir吸附曲线(如图6所示)计算最大吸附量。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。