一种改性羟丙基壳聚糖粘附自愈水凝胶及其制备方法和应用
阅读说明：本技术 一种改性羟丙基壳聚糖粘附自愈水凝胶及其制备方法和应用 (Modified hydroxypropyl chitosan adhesive self-healing hydrogel and preparation method and application thereof ) 是由 何广华 宁校庆 陈晓静 陈秀昊 卢昆 樊李红 郭远东 于 2021-08-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种改性羟丙基壳聚糖粘附自愈水凝胶及其制备方法和应用,先用咖啡酸对羟丙基壳聚糖进行化学改性,然后复合丙烯酰胺改性,接着通过氧化魔芋葡甘露聚糖和N,N’-亚甲基双丙烯酰胺混合交联剂进行交联,最后保温即得。该水凝胶具有优异的粘附、自愈、力学和溶胀性能。丙烯酰胺的引入使粘附自愈水凝胶的粘附性能提升至2.66倍,力学性能提升至2.4倍。本发明解决了传统羟丙基壳聚糖水凝胶粘附、自愈和力学性能不足的问题。(The invention discloses a modified hydroxypropyl chitosan adhesive self-healing hydrogel and a preparation method and application thereof. The hydrogel has excellent adhesion, self-healing, mechanical and swelling properties. The introduction of the acrylamide improves the adhesion performance of the adhesive self-healing hydrogel to 2.66 times and the mechanical performance to 2.4 times. The invention solves the problems of insufficient adhesion, self-healing and mechanical properties of the traditional hydroxypropyl chitosan hydrogel.)
技术领域
本发明涉及功能高分子技术领域，具体涉及一种改性羟丙基壳聚糖粘附自愈水凝胶及其制备方法和应用。
背景技术
水凝胶作为一种功能材料，在生物医用材料、化学工程、环境工程和农业领域都具有广阔的应用前景。然而，水凝胶一般没有粘附性，致使在某些特定场合使用不便，例如，在外科手术中，创面的闭合与修复是关键问题之一，而传统的缝合方法存在较多不足，当今采用粘附性水凝胶的方法成为具有潜力的发展方向，引起了全世界的广泛关注，其市场前景巨大。
此外，水凝胶通常容易破损，造成材料的功能失效，需要频繁更换，因此，研发具有自愈功能的水凝胶，延长其使用寿命，已成为当前一个功能高分子材料的研究热点与前沿。
羟丙基壳聚糖是一种重要的壳聚糖衍生物，不仅拥有优异的吸湿、保湿和生物相容性，而且还具有良好的抗菌、生物降解和促进细胞增殖的特性，因此，非常适用于伤口或组织的生长与修复。但是，羟丙基壳聚糖水凝胶质地较脆，易破损，且自身也没有粘附性，因此，研发一种同时具有粘附和自愈功能的改性羟丙基壳聚糖水凝胶具有重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供了一种改性羟丙基壳聚糖粘附自愈水凝胶及其制备方法和应用，本发明先将咖啡酸键合到羟丙基壳聚糖上，然后复合丙烯酰胺，接着通过氧化魔芋葡甘露聚糖和N,N’-亚甲基双丙烯酰胺混合交联剂进行交联，最后保温即得。丙烯酰胺的引入可同时提高改性羟丙基壳聚糖水凝胶的粘附性能和力学性能。氧化魔芋葡甘露聚糖和N,N’-亚甲基双丙烯酰胺双重交联可以提升改性羟丙基壳聚糖水凝胶的稳定性。
为实现上述目的，本发明所设计的一种改性羟丙基壳聚糖粘附自愈水凝胶，该粘附自愈水凝胶的原料包括咖啡酸改性羟丙基壳聚糖衍生物水溶液、丙烯酰胺溶液、过硫酸铵和混合交联剂，其中，所述丙烯酰胺溶液的体积为咖啡酸改性羟丙基壳聚糖衍生物水溶液体积的33.3％；所述丙烯酰胺溶液中丙烯酰胺用量为咖啡酸改性羟丙基壳聚糖衍生物质量的10％～50％；
所述过硫酸铵的用量为咖啡酸改性羟丙基壳聚糖衍生物质量的4.7％～7.8％；
所述混合交联剂由氧化魔芋葡甘露聚糖和N,N’-亚甲基双丙烯酰胺组成，混合交联剂用量为咖啡酸改性羟丙基壳聚糖衍生物质量的3.9％～15.3％。
进一步的，所述混合交联剂中，氧化魔芋葡甘露聚糖的浓度为0.06g·mL-1，N,N’-亚甲基双丙烯酰胺的浓度为0.01g·mL-1。
本发明还提供了一种改性羟丙基壳聚糖粘附自愈水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
(1)将羟丙基壳聚糖溶于水，得到羟丙基壳聚糖溶液；
(2)将咖啡酸溶于乙醇的水溶液，得到咖啡酸溶液；
(3)将1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐加入至咖啡酸溶液中活化；
(4)将加有1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐的咖啡酸溶液加入至羟丙基壳聚糖溶液反应；
(5)将步骤(4)的粗产品透析，干燥得到咖啡酸改性羟丙基壳聚糖衍生物；
(6)将咖啡酸改性羟丙基壳聚糖衍生物溶于水，得到咖啡酸改性羟丙基壳聚糖衍生物溶液；
(7)将丙烯酰胺溶于水，再加入过硫酸铵、氧化魔芋葡甘露聚糖和N,N’-亚甲基双丙烯酰胺混合交联剂；
(8)将步骤(7)得到的溶液加入至步骤(6)溶液中，保温交联得到改性羟丙基壳聚糖粘附自愈水凝胶。
进一步的，所述步骤(1)中，原料羟丙基壳聚糖溶液的浓度为0.01g·mL-1，pH为5.6；
所述步骤(2)中，乙醇的水溶液由去离子水和无水乙醇按体积比1:1配置而成，咖啡酸溶液的浓度为0.025g·mL-1。
再进一步的，所述步骤(3)中，1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐的用量为羟丙基壳聚糖质量的200％，加入至咖啡酸溶液中的活化时间为2小时；
所述步骤(4)中，反应需避光进行，氮气保护，反应时间为24小时。
再进一步的，所述步骤(5)中，透析时间为3天，干燥为烘干或冷冻干燥。
再进一步的，所述步骤(7)中，丙烯酰胺溶液体积为咖啡酸改性羟丙基壳聚糖衍生物溶液体积的33.3％；丙烯酰胺用量为咖啡酸改性羟丙基壳聚糖衍生物质量的10％～50％。
再进一步的，所述步骤(7)中，先加入过硫酸铵，20分钟后加入氧化魔芋葡甘露聚糖和N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，其中，所述过硫酸铵的用量为咖啡酸改性羟丙基壳聚糖衍生物质量的4.7％～7.8％；所述氧化魔芋葡甘露聚糖和N,N’-亚甲基双丙烯酰胺组成的混合交联剂，混合交联剂用量为咖啡酸改性羟丙基壳聚糖衍生物质量的3.9％～15.3％，且氧化魔芋葡甘露聚糖的浓度为0.06g·mL-1，N,N’-亚甲基双丙烯酰胺的浓度为0.01g·mL-1。
再进一步的，所述步骤(8)中，保温温度为45～55℃，反应时间为1～3小时。
本发明还提供了一种上述改性羟丙基壳聚糖粘附自愈水凝胶在制备创面修复、组织粘合、堵漏密封和物品粘合材料中的应用。
本发明改性羟丙基壳聚糖粘附自愈水凝胶的制备机理：
本发明的改性羟丙基壳聚糖粘附自愈水凝胶为一种新型微观结构，首先将咖啡酸键合到羟丙基壳聚糖上，接着将丙烯酰胺与上述衍生物复合，然后通过氧化魔芋葡甘露聚糖和N,N-亚甲基双丙烯酰胺进行交联，其中，氧化魔芋葡甘露聚糖交联咖啡酸改性羟丙基壳聚糖衍生物与聚丙烯酰胺，N,N’-亚甲基双丙烯酰胺对聚丙酰胺进一步交联(即复合后的咖啡酸改性羟丙基壳聚糖衍生物为单交联，而聚丙烯酰胺为双交联)，最终生成咖啡酸改性羟丙基壳聚糖衍生物/聚丙烯酰胺粘附自愈水凝胶。另外，氧化魔芋葡甘露聚糖、咖啡酸改性羟丙基壳聚糖衍生物和聚丙烯酰胺之间存在多种相互作用，包括共价键、氢键和分子链缠绕，进而显著提高了水凝胶的稳定性。
本发明的有益效果：
1.本发明提供的水凝胶同时具有优异的粘附和自愈性能，解决了传统羟丙基壳聚糖水凝胶没有粘附性且容易破碎的问题。
2.本发明的改性羟丙基壳聚糖粘附自愈水凝胶同时存在物理和化学粘附机理，适用于皮肤、金属和高分子等多种材料的粘合。
3.本发明的改性羟丙基壳聚糖粘附自愈水凝胶具有良好的力学性能。
4.丙烯酰胺的引入使本发明的改性羟丙基壳聚糖水凝胶粘附性能提升至2.66倍，力学性能提升至2.4倍。
5.本发明的改性羟丙基壳聚糖粘附自愈水凝胶具有良好的溶胀性能。
6.本发明的改性羟丙基壳聚糖粘附自愈水凝胶为双重交联、双网络结构，比传统单交联网络更稳定。
7.本发明的改性羟丙基壳聚糖粘附自愈水凝胶以天然高分子为基材，具有良好的可降解性。
8.本发明的改性羟丙基壳聚糖粘附自愈水凝胶的制备工艺简单易操作，易于产业化。
附图说明
图1为改性羟丙基壳聚糖粘附自愈水凝胶的粘附性能(a:皮肤、b:拉伸、c:钢、d:树叶、e:橡胶、f:纸、g:塑料、h:牛皮纸)；
图2为改性羟丙基壳聚糖粘附自愈水凝胶的自愈性能。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细描述，以便本领域技术人员理解。
实施例1
1)称取1g羟丙基壳聚糖溶于100mL去离子水中，室温下磁力搅拌至均匀溶解，调节pH至5.6。
2)另称取1g咖啡酸溶于40mL乙醇的水溶液中(去离子水:无水乙醇＝1:1)，磁力搅拌至溶解均匀，接着加入2g 1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐进行活化2小时，然后加入至上述羟丙基壳聚糖溶液中，在氮气保护下避光进行反应24小时。
3)将得到的粗产品在去离子水中透析3天，烘干得到咖啡酸改性羟丙基壳聚糖衍生物。
4)称取267mg咖啡酸改性羟丙基壳聚糖衍生物于烧杯中，加入3mL去离子水，磁力搅拌至溶解均匀。
5)称取80mg丙烯酰胺于另一烧杯中，加入1mL去离子水，同时加入12.5mg过硫酸铵进行引发，20分钟后加入250uL混合交联剂氧化魔芋葡甘露聚糖和N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，其中，氧化魔芋葡甘露聚糖的浓度为0.06g·mL-1，N,N’-亚甲基双丙烯酰胺的浓度为0.01g·mL-1。
6)将步骤5)得到的混合溶液加入步骤4)得到的咖啡酸改性羟丙基壳聚糖衍生物溶液中，快速搅拌均匀，最后于50℃保温2小时即得改性羟丙基壳聚糖粘附自愈水凝胶1。
上述方法所得改性羟丙基壳聚糖粘附自愈水凝胶1的粘附性能如图1所示，不同基材包括：新鲜的树叶、钢材、橡胶、皮肤、塑料、牛皮纸等，进行粘附后都可以牢牢粘附在物体表面，说明改性羟丙基壳聚糖粘附自愈水凝胶可以与多种材质进行粘附，该水凝胶中存在多种粘附基团，并且粘附机理也有所不同，同时存在物理粘附和化学粘附，所以适用于生物医用和工业领域。
水凝胶1的自愈性能如图2所示，将得到的染色后凝胶进行切块，切成相同形状，将不同颜色切开的凝胶拼接在一起。6小时后拼接处裂缝模糊并且消失，此外，用甲基蓝染色的半圆凝胶中甲基蓝分子充分向罗丹明B染色的半圆凝胶进行扩散，说明水凝胶已经自愈合。
用水凝胶1将两块猪皮(模拟人类皮肤)进行粘合，通过测试两块猪皮之间的粘结面被拉破时的受力，来表征水凝胶的粘附强度(下同)。水凝胶1对皮肤的粘附强度为18.12kPa，若不引入丙烯酰胺时，在工艺完全相同的条件下，水凝胶对皮肤的粘附强度仅为6.8kPa，即引入丙烯酰胺后，粘附强度提升至2.66倍。水凝胶在去离子水中的平衡溶胀率为511％。
实施例2
1)称取1g羟丙基壳聚糖溶于100mL去离子水中，室温下磁力搅拌至均匀溶解，调节pH至5.6。
2)另称取1g咖啡酸溶于40mL乙醇的水溶液中(去离子水:无水乙醇＝1:1)，磁力搅拌至溶解均匀，接着加入2g 1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐进行活化2小时，然后加入至上述羟丙基壳聚糖溶液中，在氮气保护下避光进行反应24小时。
3)将得到的粗产品在去离子水中透析3天，烘干得到咖啡酸改性羟丙基壳聚糖衍生物。
4)称取160mg咖啡酸改性羟丙基壳聚糖衍生物于烧杯中，加入3mL去离子水，磁力搅拌至溶解均匀。
5)称取80mg丙烯酰胺于另一烧杯中，加入1mL去离子水，同时加入12.5mg过硫酸铵进行引发，20分钟后加入250uL混合交联剂氧化魔芋葡甘露聚糖和N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，其中，氧化魔芋葡甘露聚糖的浓度为0.06g·mL-1，N,N’-亚甲基双丙烯酰胺的浓度0.01g·mL-1。
6)将步骤5)得到的混合溶液加入步骤4)得到的咖啡酸改性羟丙基壳聚糖衍生物溶液中，快速搅拌均匀，最后于50℃保温2小时即得改性羟丙基壳聚糖粘附自愈水凝胶2。
上述方法所得水凝胶2具有良好的力学性能，压缩强度达到41.7kPa，为不引入丙烯酰胺水凝胶压缩强度(17.3kPa)的2.4倍。同时，对皮肤的粘附强度为14.3kPa。
实施例3
1)称取1g羟丙基壳聚糖溶于100mL去离子水中，室温下磁力搅拌至均匀溶解，调节pH至5.6。
2)另称取1g咖啡酸溶于40mL乙醇的水溶液中(去离子水:无水乙醇＝1:1)，磁力搅拌至溶解均匀，接着加入2g 1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐进行活化2小时，然后加入至上述羟丙基壳聚糖溶液中，在氮气保护下避光进行反应24小时。
3)将得到的粗产品在去离子水中透析3天，烘干得到咖啡酸改性羟丙基壳聚糖衍生物。
4)称取160mg咖啡酸改性羟丙基壳聚糖衍生物于烧杯中，加入3mL去离子水，磁力搅拌至溶解均匀。
5)称取120mg丙烯酰胺于另一烧杯中，加入1mL去离子水，同时加入12.5mg过硫酸铵进行引发，20分钟后加入250uL混合交联剂氧化魔芋葡甘露聚糖和N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，其中，氧化魔芋葡甘露聚糖的浓度为0.06g·mL-1，N,N’-亚甲基双丙烯酰胺的浓度为0.01g·mL-1。
6)将步骤5)得到的混合溶液加入步骤4)得到的咖啡酸改性羟丙基壳聚糖衍生物溶液中，快速搅拌均匀，最后于50℃保温2小时即得改性羟丙基壳聚糖粘附自愈水凝胶3。
上述方法所得水凝胶3具有良好的力学性能，压缩强度达到61.2kPa，在去离子水中的平衡溶胀率为645％，对皮肤的粘附强度为17.92kPa。
实施例4
1)称取1g羟丙基壳聚糖溶于100mL去离子水中，室温下磁力搅拌至均匀溶解，调节pH至5.6。
2)另称取1g咖啡酸溶于40mL乙醇的水溶液中(去离子水:无水乙醇＝1:1)，磁力搅拌至溶解均匀，接着加入2g 1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐进行活化2小时，然后加入至上述羟丙基壳聚糖溶液中，在氮气保护下避光进行反应24小时。
3)将得到的粗产品在去离子水中透析3天，烘干得到咖啡酸改性羟丙基壳聚糖衍生物。
4)称取160mg咖啡酸改性羟丙基壳聚糖衍生物于烧杯中，加入3mL去离子水，磁力搅拌至溶解均匀。
5)称取80mg丙烯酰胺于另一烧杯中，加入1mL去离子水，同时加入12.5mg过硫酸铵进行引发，20分钟后加入350uL混合交联剂氧化魔芋葡甘露聚糖和N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，其中，氧化魔芋葡甘露聚糖的浓度为0.06g·mL-1，N,N’-亚甲基双丙烯酰胺的浓度为0.01g·mL-1。
6)将步骤5)得到的混合溶液加入步骤4)得到的咖啡酸改性羟丙基壳聚糖衍生物溶液中，快速搅拌均匀，最后于50℃保温2小时即得改性羟丙基壳聚糖粘附自愈水凝胶4。
上述方法所得水凝胶4的压缩强度为51.6kPa，对皮肤的粘附强度为17.8kPa，在去离子水中的平衡溶胀率达到284％，若将混合交联剂用量改为150uL，其它工艺相同的条件下，在去离子水中的平衡溶胀率提升至578％，即溶胀可提升至2.04倍。
其它未详细说明的部分均为现有技术。尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其它实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。
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