一种单宁酸交联聚吡咯导电聚合物水凝胶的制备方法及应用
阅读说明：本技术 一种单宁酸交联聚吡咯导电聚合物水凝胶的制备方法及应用 (Preparation method and application of tannin crosslinked polypyrrole conductive polymer hydrogel ) 是由 钱磊 宁成云 于 2021-11-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种单宁酸交联聚吡咯导电聚合物水凝胶的制备方法及应用,步骤如下：将一定量的单宁酸溶解到纯水中,配制一定质量浓度的单宁酸溶液,然后分别加入一定量的吡咯(Py)单体,形成溶液A；将一定量的FeCl-(3)·6H-(2)O溶解在纯水中,配置一定质量浓度的FeCl-(3)溶液,形成溶液B；将溶液A和溶液B放入冰箱进行降温,随后迅速将两种溶液漩涡震荡充分混匀后倒入模具中,在一定低温温度下继续低温聚合反应后,将形成的导电凝胶从模具中取出；用大量纯水浸泡除去反应残留,获得单宁酸交联聚吡咯导电聚合物水凝胶。该导电聚合物水凝胶不含不导电的聚合物网络,因此获得良好的力学性能和更高的电导率。(The invention discloses a preparation method and application of tannin crosslinked polypyrrole conductive polymer hydrogel, which comprises the following steps: dissolving a certain amount of tannic acid into pure water, preparing a tannic acid solution with a certain mass concentration, and then respectively adding a certain amount of pyrrole (Py) monomers to form a solution A; adding a certain amount of FeCl 3 ·6H 2 Dissolving O in pure water to prepare FeCl with certain mass concentration 3 A solution, forming a solution B; mixing solution A andcooling the solution B in a refrigerator, quickly and uniformly mixing the two solutions by vortex vibration, pouring the mixture into a mold, and taking the formed conductive gel out of the mold after low-temperature polymerization reaction is continued at a certain low temperature; soaking the mixture in a large amount of pure water to remove reaction residues, and obtaining the tannin crosslinked polypyrrole conductive polymer hydrogel. The conductive polymer hydrogel does not contain a non-conductive polymer network, so that good mechanical properties and higher conductivity are obtained.)
技术领域
本发明涉及生物医用材料技术领域，具体涉及一种单宁酸交联聚吡咯导电聚合物水凝胶的制备方法及应用。
背景技术
众所周知脊髓是沿着高电传导神经纤维以电脉冲的形式传导信息，内源性生物电信号对于维持神经元功能、轴突生长和神经再生中起着不可或缺的作用。因此对于神经组织再生支架的设计制备，模拟脊髓的高电传导特性是至关重要的。这一考虑启发研究人员应该设计制备一种具有高电活性支架材料连接脊髓损伤后中断的神经传导回路，以维持内源性电学微环境对神经再生促进作用。
由亲水聚合物交联而成的水凝胶，具有与中枢神经组织相似的模量和高含水量，是一种理想的神经组织工程支架材料。因此，本发明的研究过程中至少发现可以将水凝胶的柔软力学特性与导电聚合物的高电活性结合起来，可有效地解决导电聚合物力学不匹配的问题。
使用广泛存在于许多植物中的单宁酸作为掺杂剂和交联剂，交联和掺杂导电聚合物聚吡咯，制备具有合适力学性能和高电传导性能的导电聚合物水凝胶。由于单宁酸具有抗氧化、抗菌和抗炎等特性，因此已被广泛用于生物医药领域。此外，单宁酸能够通过包括静电、氢键和疏水等相互作用可以与聚合物或蛋白质进行超分子相互作用。天然交联剂单宁酸交联聚吡咯形成导电聚合物水凝胶用于脊髓损伤修复。
发明内容
本发明的第一个目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种单宁酸交联聚吡咯导电聚合物水凝胶的制备方法。
本发明的另一个目的是为了提供一种单宁酸交联聚吡咯导电聚合物水凝胶的应用。
本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种单宁酸交联聚吡咯导电聚合物水凝胶的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
S1、将一定量的单宁酸溶解到纯水中，配制一定质量浓度的单宁酸溶液，然后加入一定量的吡咯(Py)单体，形成溶液A；
S2、将一定量的FeCl3·6H2O溶解在纯水中，配置一定浓度的FeCl3溶液，形成溶液B；
S3、按一定比例将溶液A和溶液B放入冰箱进行降温一段时间，随后迅速将溶液A和溶液B漩涡震荡充分混匀后倒入模具中，在一定低温温度下继续低温聚合反应12h后，将形成的导电凝胶从模具中取出，用大量纯水浸泡除去反应残留的各种水溶性副产物，获得单宁酸交联聚吡咯导电聚合物水凝胶。
上述技术方案中，优选地，步骤S1中所述单宁酸溶液的质量浓度比例为0.15％～2.5％。TA作为水凝胶中的凝胶因子，因此调节TA的含量可以调节水凝胶的交联网络和理化性能。
使用广泛存在于许多植物中的单宁酸(TA)作为掺杂剂和交联剂，交联和掺杂导电聚合物聚吡咯，制备具有合适力学性能和高电传导性能的导电聚合物水凝胶，与传统的导电水凝胶相比，所制备的单宁酸交联的导电聚合物水凝胶不含不导电的聚合物网络，因此获得良好的力学性能的同时可望表现出更高的电导率。
上述技术方案中，优选地，所述溶液A中吡咯单体的浓度为0.5mol/L～1.5mol/L。吡咯单体可以聚合为聚吡咯，控制浓度对聚吡咯聚合度有较大影响。
上述技术方案中，优选地，步骤S2中所述FeCl3溶液的浓度为1mol/L～2mol/L，所述FeCl3溶液作为离子交联剂。过量的Fe3+在凝胶化过程中也起关键作用，因为Fe3+离子不仅通过氧化吡咯促进其聚合成聚吡咯，而且也作为离子交联剂与TA的相互作用以形成离子交联网络。
上述技术方案中，优选地，步骤S3中所述溶液A与溶液B的混合比例为1:2～2:1。过量Fe3+离子在凝胶交联过程中起到了重要的作用，同时其对聚吡咯的聚合度有影响，两者溶液的混合比例对成胶及性能有较大影响。
上述技术方案中，优选地，步骤S3中低温聚合反应的反应温度区间为2℃～10℃。单宁酸可通过聚吡咯上的质子化氮基团与单宁酸上的酚羟基之间的分子间静电相互作用与聚吡咯链交联。这种相互作用可以平衡聚吡咯链上的电荷，需要在较低温度下进行，保证交联的稳定性。
本发明的另一个目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种由上述方法制备得到的单宁酸交联聚吡咯导电聚合物水凝胶，将该单宁酸交联聚吡咯导电聚合物水凝胶用于脊髓损伤修复。
当本发明制备得到的单宁酸交联聚吡咯导电聚合物水凝胶用于脊髓损伤修复材料时，通过对单宁酸(TA)的含量进行调控，可以调节脊髓损伤修复材料的力学性能和优异的电学性能。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明制备的高电活性的单宁酸交联聚吡咯导电聚合物水凝胶具有天然脊髓相似的力学性能和优异的电学性能，并且这些性能可以通过单宁酸(TA)的含量进行调控。
(2)本发明制备的高电活性的单宁酸交联聚吡咯导电聚合物水凝胶的具有良好的神经干细胞生物相容性，并可以显著促进神经干细胞向神经元的分化，同时抑制星形胶质细胞的增殖分化。
(3)本发明制备的高电活性的单宁酸交联聚吡咯导电聚合物水凝胶可以促进细胞与细胞之间的电信号传导。本发明将为神经组织工程材料的设计制备提供新思路。
(4)本发明的制备方法简单快速且对环境友好。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的高电活性的单宁酸交联聚吡咯导电聚合物水凝胶扫描电子显微镜图；
图2是本发明实施例2制备的高电活性的单宁酸交联聚吡咯导电聚合物水凝胶扫描电子显微镜图；
图3是本发明实施例1制备的高电活性的单宁酸交联聚吡咯导电聚合物水凝胶的红外谱图；
图4是本发明实施例1制备的高电活性的单宁酸交联聚吡咯导电聚合物水凝胶的导电性能和自修复功能示意图；
图5是本发明高电活性的单宁酸交联聚吡咯导电聚合物水凝胶内部的神经细胞死活染色荧光图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
实施例1：
本实施例公开了一种单宁酸交联聚吡咯导电聚合物水凝胶的制备方法，具体步骤如下：
S1、将一定量的单宁酸溶解到纯水中，配制质量浓度0.6％的单宁酸溶液，然后分别加入最终浓度为1mol/L的吡咯(Py)单体，形成溶液A。
S2、将一定量的FeCl3·6H2O溶解在纯水中，配置为1.8mol/L的FeCl3溶液，形成溶液B。
S3、将溶液A和溶液B以1:1比例混合，放入4℃冰箱进行降温一段时间，随后迅速将两种溶液漩涡震荡充分混匀后倒入模具中，在4℃的温度下继续反应12h后，将形成的导电凝胶从模具中取出。用大量纯水浸泡除去反应残留的各种水溶性副产物，即可获得单宁酸交联聚吡咯导电聚合物水凝胶。
实施例2：
本实施例公开了一种单宁酸交联聚吡咯导电聚合物水凝胶的制备方法，该水凝胶为新型神经递质多巴胺功能化的神经活性水凝胶，具体步骤如下：
S1、将一定量的单宁酸溶解到纯水中，配制质量浓度1.5％的单宁酸溶液，然后分别加入最终浓度为1.4mol/L的吡咯(Py)单体，形成溶液A。
S2、将一定量的FeCl3·6H2O溶解在纯水中，配置为1.5mol/L的FeCl3溶液，形成溶液B。
S3、将溶液A和溶液B以3:2比例混合，放入7℃冰箱进行降温一段时间，随后迅速将两种溶液漩涡震荡充分混匀后倒入模具中，在7℃的温度下继续反应12h后，将形成的导电凝胶从模具中取出。用大量纯水浸泡除去反应残留的各种水溶性副产物，即可获得单宁酸交联聚吡咯导电聚合物水凝胶。
下面结合图1至图5对实施例1和2中制备得到的单宁酸交联聚吡咯导电聚合物水凝胶进行性能分析，图1是实施例1制备得到的高电活性的单宁酸交联聚吡咯导电聚合物水凝胶扫描电子显微镜图，从图1中可以看出，其形貌分布均匀。图2是实施例2制备得到的高电活性的单宁酸交联聚吡咯导电聚合物水凝胶扫描电子显微镜图，从图2中可以看出，与实施例1相近，分布均匀。图3是实施例1制备得到的高电活性的单宁酸交联聚吡咯导电聚合物水凝胶的红外谱图，图3中包括纯聚吡咯(PristinePPy)、单宁酸(TA)和导电聚合物水凝胶(CPHs)，水凝胶的主要组分是聚吡咯，尤其在1174和903cm-1处的出现了分别归属于-C-N+-键和-C＝N+-C-键的伸缩振动峰，这个结果表明导电水凝胶处于高掺杂状态。然而水凝胶中的单宁酸(TA)的吸收峰不明显，这可能是单宁酸(TA)在水凝胶的比例过低。此外，凝胶的吸收峰相对于纯聚吡咯(PristinePPy)发生了红移，充分说明了单宁酸(TA)和纯聚吡咯(PristinePPy)之间具有相互作用。
图4是实施例1制备的高电活性的单宁酸交联聚吡咯导电聚合物水凝胶的导电性能和自修复功能，从图4中可以看出，a-c所示，本研究所制备的TA-PPy导电聚合物水凝胶展现了一定的自粘附性能，被切成两半的水凝胶可以快速地粘合成一个整体，这种自粘附性能可能通过水凝胶中可逆的TA和PPy的静电作用和TA和Fe3+配位作用来实现。水凝胶、LED灯和电源串联组成的完整电路(图4中d)。当施加5V的电压时，LED指示灯成功点亮(图4中e)，说明水凝胶具有一定的导电性能，其导电性能来源于聚吡咯骨架上的共轭轨道，为电子的迁移提供连续的通道。当水凝胶被切成两块时，电路中断，LED指示灯熄灭，当水凝胶自粘附到一起后，LED灯再次点亮(图4中f)，此外，水凝胶自粘附后的I-V曲线几乎与原始样品几乎重合(图4中j)，这说明所制备的水凝胶具有良好的电自恢复能力。通过I-V测试得出了导电水凝胶的电导率为0.05-0.18S/cm，此电导率值大大超过了传统导电复合水凝胶的电导率(10-6-10-5S/cm)。重要的是，这些值处于已报道的天然脊髓组织电导率范围(10-2-10-1S/cm)，这也表明本研究开发的导电聚合物水凝胶适合用于中枢神经组织工程的导电支架。图5是多高电活性的单宁酸交联聚吡咯导电聚合物水凝胶内部的神经细胞死活染色荧光图，水凝胶材料表面分别培养了24h的神经细胞死活染色图片，从图5中可以看出死细胞量较少并且大量活细胞可以很好的粘附到材料表面，说明了材料的细胞毒性很低，具有良好的细胞相容性。这进一步证实的所开发的高电活性的单宁酸交联聚吡咯导电聚合物水凝胶对神经细胞没有明显细胞毒性，可为神经细胞的生长提供了生物相容性导电基底材料。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
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