專(zhuān)利名稱(chēng)：一種離子型納米復(fù)合水凝膠及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水凝膠的制備方法，具體涉及一種離子型納米復(fù)合水凝膠的制備方法。
背景技術(shù)：
水凝膠是一種類(lèi)似生命組織的高分子材料，由在水中不溶解但可溶脹的高分子網(wǎng)絡(luò)及水組成，具有可成型性、吸濕性、成膜性、粘結(jié)性、熱容量大等性能，廣泛應(yīng)用于生物支架、細(xì)胞培養(yǎng)、藥物控釋、組織工程和創(chuàng)傷、燒傷治療及止血等生物醫(yī)用領(lǐng)域。但是，水凝膠本身脆弱的力學(xué)性能制約了其進(jìn)一步的應(yīng)用。而納米復(fù)合水凝膠的誕生則克服了傳統(tǒng)水凝膠的種種缺點(diǎn)，給這一領(lǐng)域帶來(lái)了突破。納米復(fù)合水凝膠是以無(wú)機(jī)納米粒子作為物理交聯(lián)劑，與單體在溫和的條件下(室溫、無(wú)需攪拌)通過(guò)原位自由基聚合制備而成的。因?yàn)榧{米復(fù)合水凝膠特有的有機(jī)(聚合物)/無(wú)機(jī)(納米粘土)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使其具有優(yōu)異的力學(xué)性能和透明度，以及良好的快速響應(yīng)性。鋰藻土(Iaponite)是一種人工合成的無(wú)機(jī)納米粒子，由硅酸鹽、鋰鹽和鎂鹽在礦化劑存在下通過(guò)水熱法合成。其結(jié)構(gòu)與天然蒙脫土類(lèi)似，為2:1層狀硅酸鹽結(jié)構(gòu)，即在鎂氧八面體的兩邊各有一個(gè)同用氧原子的硅氧四面體，其中部分二價(jià)的鎂原子被一價(jià)的鋰原子置換，使離子表面帶有永久負(fù)電荷，電荷密度約為1.4e/nm2。鋰藻土在水溶液中容易被水化，均勻分散成圓盤(pán)狀粒子，圓盤(pán)狀粒子的直徑為25 30nm，厚度約為lnm，并且粒子具有很好的單分散性。當(dāng)水溶液PH低于11時(shí)，Mg-OH質(zhì)子化而使粒子邊緣帶有幾個(gè)到幾十個(gè)單位電荷量的正電荷。鋰藻土通常分為凝膠(Gel)型和溶膠(Sol)型兩類(lèi)。凝膠型鋰藻土在水中分散速度比較慢且分散液凝膠化速度快，溶膠型鋰藻土在水中分散快且分散液可以在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定。本發(fā)明使用的是laponite RDS，這是一種溶膠型鋰藻土，具有分散性好、粒度小、結(jié)構(gòu)明確和可控性好等特點(diǎn)。鋰藻土在納米復(fù)合水凝膠的形成過(guò)程中扮演了一個(gè)多功能交聯(lián)劑的角色，能夠有效地提高凝膠的機(jī)械性能、光學(xué)性能和溶脹度等。到目前為止，只有含有酰胺基團(tuán)的水溶性單體(如N-異丙基丙烯酰胺(NIPAm)、 N, N-二甲基丙烯酰胺(DMA)、丙烯酰胺(AAm))才能同鋰藻土通過(guò)原位自由基聚合反應(yīng)制備出具有良好機(jī)械性能和光學(xué)性能的納米復(fù)合水凝膠，而酰胺類(lèi)的納米復(fù)合水凝膠普遍存在的缺點(diǎn)是環(huán)境響應(yīng)性差，唯一具有環(huán)境響應(yīng)性的是N-異丙基丙烯酰胺(NIPAm)類(lèi)納米復(fù)合水凝膠。Tong, Z.等(Colloid and Polymer Science. 2007，285，479-484.)用線(xiàn)性羧甲基殼聚糖(CMCS)與PNIPAm和鋰藻土制備了一種具有溫度和pH響應(yīng)性的半互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(IPN)納米復(fù)合水凝膠，但是由于CMCS與PNIPAm不相容，使得所制備的IPN納米復(fù)合水凝膠透明度低，且拉伸強(qiáng)度相對(duì)于Haraguchi，K.等(Macromolecules. 2002, 35，10162-10171.)最初制備的納米復(fù)合水凝膠降低了很多。最近，離子型的單體，如丙烯酸鈉(Macromolecules. 2009，42，3811-3817.)或甲基丙烯酸鈉(Polymer. 2009， 50，1933-1938.)，被引入到丙烯酰胺(AAm)與鋰藻土的原位自由基聚合反應(yīng)中，微量的 N, N’-亞甲基雙丙烯酰胺(BIS)作為輔助交聯(lián)劑，可以提高溶膠型鋰藻土在體系中的穩(wěn)定性，所制得的PH響應(yīng)性離子型納米復(fù)合水凝膠具有較好的機(jī)械性能和透明度。離子型納米復(fù)合水凝膠為高機(jī)械性能和響應(yīng)性水凝膠的制備提供了一個(gè)新方向。 不過(guò)，以合成聚合物為基質(zhì)的水凝膠普遍需要提高其生物相容性才能夠滿(mǎn)足其在生物醫(yī)藥材料方面的應(yīng)用。而傳統(tǒng)的PAAm水凝膠已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于蛋白質(zhì)分離，超級(jí)吸附劑和細(xì)胞培養(yǎng)等，可以看出其具有良好的生物相容性、優(yōu)異的保形性、較低的滯后性和超高的拉伸性，這主要是因?yàn)镻AAm分子具有較高的親水性和柔韌性。因此，我們計(jì)劃將天然高分子膠原的水解產(chǎn)物明膠(gelatin)引入到PAAm-laponite納米復(fù)合水凝膠中，通過(guò)AAm在 Iaponite和明膠的混合溶液中原位自由基聚合反應(yīng)，制備一種新型的蛋白質(zhì)/聚合物基納米復(fù)合水凝膠；由于明膠是一種兩性聚電解質(zhì)，具有確定的等電點(diǎn)(IEP)，以明膠作為環(huán)境響應(yīng)因子替代丙烯酸鈉或甲基丙烯酸鈉，不僅可以賦予這種離子型納米復(fù)合水凝膠響應(yīng)性，而且可以改善合成高分子基水凝膠的生物學(xué)性能，更適用于生物醫(yī)用材料。目前為止，尚未有專(zhuān)利和文獻(xiàn)對(duì)PAAm/laponite/gelatin離子型納米復(fù)合水凝膠研究進(jìn)行報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明擬解決的技術(shù)問(wèn)題是設(shè)計(jì)一種新型的離子型納米復(fù)合水凝膠，該凝膠既具有良好的生物相容性和細(xì)胞親和性，又具有優(yōu)異的力學(xué)性能和高透明性。該凝膠可用于組織工程、細(xì)胞培養(yǎng)和創(chuàng)傷輔料等領(lǐng)域。本發(fā)明提供了一種離子型納米復(fù)合水凝膠，其制備方法如下
(1)將丙烯酰胺、納米無(wú)機(jī)粘土和明膠分別溶于去離子水中，其中丙烯酰胺的質(zhì)量百分比濃度為(5 10)%，納米無(wú)機(jī)粘土的質(zhì)量百分比濃度為(廣5)%，明膠的質(zhì)量百分比濃度為 (廣5)%，然后在惰性氣氛中攪拌1(Γ30分鐘；
(2)加入輔助交聯(lián)劑和催化劑，在惰性氣氛中攪拌5 10分鐘后，再加入引發(fā)劑得混合溶液，其中輔助交聯(lián)劑的加入量為丙烯酰胺質(zhì)量的(0. Γ0. 5)%，催化劑的加入量為丙烯酰胺質(zhì)量的(0.廣2)%，引發(fā)劑的加入量為丙烯酰胺質(zhì)量的(0. Γ )%；
(3)將上述混合溶液在(T30°C的溫度下進(jìn)行自由基聚合反應(yīng)12 36小時(shí)；
(4)反應(yīng)產(chǎn)物浸泡于2(T60°C的去離子水中，每隔5、小時(shí)更換去離子水，持續(xù)48 72 小時(shí)，制得離子型納米復(fù)合水凝膠。在上述技術(shù)案中，所述納米無(wú)機(jī)粘土為合成的粘土 laponite RDS，是一種三八面體蒙脫土。在上述技術(shù)案中，所述明膠的制備方法如下以清潔新鮮的健康家畜動(dòng)物皮或腱為原料，經(jīng)過(guò)丙酮脫脂、干燥、加工成小塊，10重量份的小塊浸泡在10(Γ150重量份的1%氫氧化鈉溶液中2壙48小時(shí)，過(guò)濾，用去離子水洗滌后將原料置于50°C下水浴4、小時(shí)，過(guò)濾取濾液，再經(jīng)過(guò)透析、凍干制得明膠干品。 在上述技術(shù)案中，所述輔助交聯(lián)劑為N，N-亞甲基雙丙烯酰胺。在上述技術(shù)案中，所述催化劑為N，N，N’，N’ -四甲基乙二胺或亞硫酸氫鈉。在上述技術(shù)案中，所述引發(fā)劑為過(guò)硫酸鉀或過(guò)硫酸銨。在上述技術(shù)案中，所述離子型納米復(fù)合水凝膠可用于生物支架、細(xì)胞培養(yǎng)、藥物控釋、組織工程、創(chuàng)傷和燒傷治療。
本發(fā)明與已有技術(shù)相比，具有多方面的積極效果和優(yōu)點(diǎn)，具體可歸納概括如下
(1)本發(fā)明中選擇生物相容性良好的明膠作為第二組分，納米無(wú)機(jī)粘土作為物理交聯(lián)劑，采用原位自由基聚合制備納米復(fù)合水凝膠，同時(shí)具有優(yōu)異的生物相容性、較高的透明度和良好的機(jī)械性能，可用于組織工程、細(xì)胞培養(yǎng)和創(chuàng)傷敷料等領(lǐng)域；
(2)本發(fā)明制備工藝簡(jiǎn)單，易于控制，無(wú)需特殊設(shè)備，常溫常壓下操作，成本低廉；
(3)本發(fā)明所制備的納米復(fù)合水凝膠，可以通過(guò)改變反應(yīng)物組分和納米無(wú)機(jī)粘土用量來(lái)調(diào)節(jié)其生物相容性和力學(xué)性能。本發(fā)明還具有一些其他方面的優(yōu)點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式下面給出本發(fā)明的三個(gè)實(shí)施例，通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體描述。有必要在此指出的是，實(shí)施例只用于對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的說(shuō)明，不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，該領(lǐng)域的技術(shù)熟練人員可以根據(jù)上述本發(fā)明的內(nèi)容做出一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整。實(shí)施例1
取2ml質(zhì)量百分比濃度5%的Iaponite溶液和2ml質(zhì)量百分比濃度5%的明膠溶液于 IOml離心管中混合形成均勻透明溶液，加入0. 25g丙烯酰胺單體，通入氮?dú)?，攪?0分鐘。 隨后再加入44 μ 1質(zhì)量百分比濃度1. 25%的N，N-亞甲基雙丙烯酰胺溶液，125 μ 1質(zhì)量百分比濃度10%的N，N，N’，N’ -四甲基乙二胺溶液，混合均勻后繼續(xù)通入氮?dú)?分鐘，再加入 110 μ 1質(zhì)量百分比濃度0. 4%的過(guò)硫酸胺溶液，然后迅速密封，置于20°C水浴中反應(yīng)24小時(shí)后，反應(yīng)物取出切段，浸泡于50°C去離子水中48小時(shí)，每隔8小時(shí)換一次去離子水，即得到彈性好透明度高生物相容性的納米復(fù)合水凝膠。實(shí)施例2
取3ml質(zhì)量百分比濃度5%的Laponite溶液和Iml質(zhì)量百分比濃度5%的明膠溶液于IOml離心管中混合形成均勻透明溶液，加入0. 25g丙烯酰胺單體，通入氮?dú)?，攪?5分鐘。隨后再加入44 μ 1質(zhì)量百分比濃度1. 25%的N，N-亞甲基雙丙烯酰胺溶液，125 μ 1質(zhì)量百分比濃度10%的N，N，N’，N’ -四甲基乙二胺溶液，混合均勻后繼續(xù)通入氮?dú)?分鐘，再加入110 μ 1質(zhì)量百分比濃度0. 4%的過(guò)硫酸胺溶液，然后迅速密封，置于20°C水浴中反應(yīng)24 小時(shí)后，反應(yīng)物取出切段，浸泡于40°C去離子水中48小時(shí)，每隔8小時(shí)換一次去離子水，即得到彈性好透明度高生物相容性的納米復(fù)合水凝膠。實(shí)施例3
取Iml質(zhì)量百分比濃度5%的Iaponite溶液和3ml質(zhì)量百分比濃度5%的明膠溶液于IOml離心管中混合形成均勻透明溶液，加入0. 25g丙烯酰胺單體，通入氮?dú)猓瑪嚢?0分鐘。隨后再加入44 μ 1質(zhì)量百分比濃度1. 25%的N，N-亞甲基雙丙烯酰胺溶液，125 μ 1質(zhì)量百分比濃度10%的N，N，N’，N’ -四甲基乙二胺溶液，混合均勻后繼續(xù)通入氮?dú)?分鐘，再加入110 μ 1質(zhì)量百分比濃度0. 4%的過(guò)硫酸胺溶液，然后迅速密封，置于20°C水浴中反應(yīng)24 小時(shí)后，反應(yīng)物取出切段，浸泡于去20°C離子水中48小時(shí)，每隔8小時(shí)換一次去離子水，即得到彈性好透明度高生物相容性的納米復(fù)合水凝膠。
權(quán)利要求
1.一種離子型納米復(fù)合水凝膠，其特征是制備方法包括以下步驟(1)將丙烯酰胺、納米無(wú)機(jī)粘土和明膠分別溶于去離子水中，其中丙烯酰胺的質(zhì)量百分比濃度為(5 10)%，納米無(wú)機(jī)粘土的質(zhì)量百分比濃度為(廣5)%，明膠的質(zhì)量百分比濃度為 (廣5)%，然后在惰性氣氛中攪拌1(Γ30分鐘；(2)加入輔助交聯(lián)劑和催化劑，在惰性氣氛中攪拌5 10分鐘后，再加入引發(fā)劑得混合溶液，其中輔助交聯(lián)劑的加入量為丙烯酰胺質(zhì)量的(0. Γ0. 5)%，催化劑的加入量為丙烯酰胺質(zhì)量的(0.廣2)%，引發(fā)劑的加入量為丙烯酰胺質(zhì)量的(0. Γ )%；(3)將上述混合溶液在(T30°C的溫度下進(jìn)行自由基聚合反應(yīng)12 36小時(shí)；(4)反應(yīng)產(chǎn)物浸泡于2(T60°C的去離子水中，每隔5、小時(shí)更換去離子水，持續(xù)48 72 小時(shí)，制得離子型納米復(fù)合水凝膠。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子型納米復(fù)合水凝膠，其特征是所述納米無(wú)機(jī)粘土為合成粘土 laponite RDS，是一種三八面體蒙脫土。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子型納米復(fù)合水凝膠，其特征是所述明膠的制備方法如下以清潔新鮮的健康家畜動(dòng)物皮或腱為原料，經(jīng)過(guò)丙酮脫脂、干燥、加工成小塊，10重量份的小塊浸泡在10(Γ150重量份的1%氫氧化鈉溶液中2Γ48小時(shí)，過(guò)濾，用去離子水洗滌后將原料置于50°C下水浴4、小時(shí)，過(guò)濾取濾液，再經(jīng)過(guò)透析、凍干制得明膠干品。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子型納米復(fù)合水凝膠，其特征是所述輔助交聯(lián)劑為 N, N-亞甲基雙丙烯酰胺。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子型納米復(fù)合水凝膠，其特征是所述催化劑為 N, N，N’，N’ -四甲基乙二胺或亞硫酸氫鈉。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子型納米復(fù)合水凝膠，其特征是所述引發(fā)劑為過(guò)硫酸鉀或過(guò)硫酸銨。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子型納米復(fù)合水凝膠，其特征是所述離子型納米復(fù)合水凝膠可用于生物支架、細(xì)胞培養(yǎng)、藥物控釋、組織工程、創(chuàng)傷和燒傷治療。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種離子型納米復(fù)合水凝膠及其制備方法，具體包括如下步驟將丙烯酰胺單體、納米無(wú)機(jī)粘土和明膠溶于去離子水中，在惰性氣氛中攪拌10~30分鐘；加入輔助交聯(lián)劑、催化劑，在惰性氣氛中攪拌5~10分鐘，然后加入引發(fā)劑；于0~30℃溫度下進(jìn)行自由基聚合反應(yīng)12-36小時(shí)；反應(yīng)產(chǎn)物浸泡于20-60℃去離子水中，每間隔5~8小時(shí)更換去離子水，持續(xù)48~72小時(shí)，制得所述的離子型納米復(fù)合水凝膠。該方法制備工藝簡(jiǎn)單，條件可控，而且制備的凝膠同時(shí)具有良好的生物相容性、力學(xué)性能和光學(xué)性能，可廣泛應(yīng)用于組織工程等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)C08J3/075GK102321255SQ201110173289
公開(kāi)日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月25日
發(fā)明者李德富, 李昌朋, 林煒, 穆暢道 申請(qǐng)人:四川大學(xué)