可降解自愈合壳聚糖复合醛基化瓜尔胶水凝胶及其制备方法和应用与流程

本发明属于水凝胶材料技术领域，具体涉及一种可降解自愈合壳聚糖复合醛基化瓜尔胶水凝胶及其制备方法和应用。

背景技术：

水凝胶是一种具有三维网络结构可吸收大量水或生物液体的高分子聚合物，它可以是化学稳定的，也可以降解并最终分解或溶解。水凝胶在生物医学领域如生物传感器、组织工程支架、药物载体、人工植入物和细胞或离子生长模板等有很广泛的应用及前景。

自愈合水凝胶是指能够使材料从本质上自动愈合损伤，恢复其正常的特性的水凝胶。自愈合通常发生在准备好的材料中，这种材料没有促进自愈合发生的外部刺激的干涉。研制出具有良好生物相容性、生物可降解性和一定的自愈合性能的水凝胶，是当前生物医学领域的一个重要课题。

中国专利cn110628090a公开了一种阳离子瓜尔胶/壳聚糖复合水凝胶及其制备方法，该方法采用壳聚糖和阳离子瓜尔胶作为反应原料，首先将壳聚糖、阳离子瓜尔胶和高碘酸钠同时加入乙酸溶液中，得到混合溶液a，随后将a溶液室温静置得到阳离子瓜尔胶/壳聚糖复合水凝胶。该水凝胶通过壳聚糖中引入的羰基与阳离子瓜尔胶分子上的羟基发生缩合反应形成环状缩醛,而阳离子瓜尔胶中引入的羰基与壳聚糖分子上的氨基则形成了schiff碱,实现分子间交联。该制备方法所用原料修饰过多，且该方法未讨论水凝胶的自修复性和可降解性。本发明采用高碘酸钠氧化瓜尔胶，所用原料未经二次修饰，得到的水凝胶具有良好的自修复性和可降解性，在生物医用领域具有更多应用潜力。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可降解自愈合壳聚糖复合醛基化瓜尔胶水凝胶及其制备方法和应用。本发明通过简单易得的原料、温和而不繁杂的反应程序，最终制的了具有较好自愈合能力和有一定可降解性的水凝胶材料。该水凝胶材料能够自主、循环响应外来刺激所造成的结构损伤，且在一定条件下可实现高效降解，在生物医用领域具有广阔的应用前景。

本发明所提供的技术方案如下：

一种可降解自愈合壳聚糖复合醛基化瓜尔胶水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

1)获取壳聚糖(chi)的溶液；

2)制备醛基化瓜尔胶(agg)的溶液；

3)将醛基化瓜尔胶的溶液与壳聚糖的溶液反应，制备得到可降解自愈合壳聚糖复合醛基化瓜尔胶水凝胶。

上述技术方案中，利用agg链上的醛基和chi链上的氨基进行席夫碱反应形成亚胺键，以亚胺键为交联点，得到chi/agg水凝胶。由于动态交联机理，该水凝胶能够再5min内实现自愈合，并能在中性环境附近实现可降解。

具体的，步骤2)中，采用高碘酸钠氧化瓜尔胶(gg)得到醛基化瓜尔胶。

上述技术方案中，利用氧化反应得到醛基化的agg，agg链上具有醛基。

具体的，步骤3)中，醛基化瓜尔胶与壳聚糖进行席夫碱反应，制备得到降解自愈合壳聚糖复合醛基化瓜尔胶水凝胶。

具体的，该方法包括以下步骤：

a)、将壳聚糖溶解于酸性溶液中，经透析袋透析后旋蒸，然后冻干，得到固态壳聚糖，并溶于水，得到壳聚糖溶液，；

b)、将瓜尔胶溶解于去离子水中，并进行磁力搅拌至完全溶解，得到瓜尔胶溶液；

c)、将高碘酸钠溶解于去离子水中，再逐滴加入到瓜尔胶溶液中搅拌均匀，将混合后的溶液避光搅拌，进行氧化反应，得到反应溶液；

d)、向步骤c)得到的所述反应溶液中加入乙二醇并搅拌以终止反应，得到醛基化瓜尔胶初品，并将其倒入透析袋中透析；

e)、将透析得到的醛基化瓜尔胶初品进行旋蒸，得到固态醛基化瓜尔胶，并将其溶于水，得到醛基化瓜尔胶溶液，备用；

f)、将壳聚糖溶液和醛基化瓜尔胶溶液混合，形成水凝胶，得到所述的可降解自愈合壳聚糖复合醛基化瓜尔胶水凝胶。

具体的：

步骤a)中，所述酸性溶液为ph＝3～5的盐酸溶液；

步骤a)中，所述的透析的时间为7～14天，透析液为去离子水；所述的旋蒸的时间为1天；所述的冻干的时间为3～10天；冻干的温度为小于或等于-50℃；

步骤a)中，所述的溶解的温度为0～30℃；

步骤a)中，得到的壳聚糖溶液的质量分数为5％～7％；

具体的，步骤b)中，所述的溶解的温度为0～30℃。

具体的：

步骤c)中，所述高碘酸钠的质量分数为0.4％～2％；

步骤c)中，所述瓜尔胶溶液的质量分数为12％～25％；

步骤c)中，所述高碘酸钠与所述瓜尔胶的摩尔比为(0.1:1)～(1:1)；

步骤c)中，所述避光搅拌的时间为6～24h。

具体的：

步骤d)中，所述乙二醇与所述瓜尔胶的摩尔比为(0.1:1)～(1:1)；所述搅拌的时间为0.5～6h；

步骤d)中，所述透析所用的透析液为去离子水。

具体的：

步骤e)中，所述旋蒸时间为1天，所述冻干时间为5～10天；

步骤e)中，得到的所述醛基化瓜尔胶溶液的质量分数为10％～20％；

具体的，步骤f)中，所述壳聚糖溶液和所述醛基化瓜尔胶溶液的混合体积比为(2:1)～(1:5)。

本发明还提供了上述可降解自愈合壳聚糖复合醛基化瓜尔胶水凝胶的制备方法制备得到可降解自愈合壳聚糖复合醛基化瓜尔胶水凝胶。

本发明还提供了上述可降解自愈合壳聚糖复合醛基化瓜尔胶水凝胶的应用，作为生物医用材料。

与现有技术相比，本发明具有以下预料不到的有益效果：

1)完全采用天然多糖作为反应原料。瓜尔胶取自瓜尔豆的胚乳，具有良好的溶解性、柔和性和生物相容性。壳聚糖是一种具有良好生物相容性、低细胞毒性和生物体内可降解等特性的聚多糖天然高分子。选用这两种天然高分子使得制备的水凝胶具有良好的生物相容性，避免了聚合高分子带来的潜在危害。

2)采用动态共价交联作为自愈合机理，代替了传统的化学交联，避免化学交联机带来的化学污染，也为该水凝胶在生物医用领域的应用提供更多的可能性。

3)水凝胶制备方法简单，易于操作，反应条件温和，原料易得成本低。所得水凝胶能够自主重复地修复外界刺激造成的微观到宏观尺度的损伤，且具有可降解性，在生物医用领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为gg的氧化过程(a)和chi/agg水凝胶的制备机理(b)图；

图2为gg和agg的核磁氢谱图；

图3为实施例3所得到的两块染过不同颜色的水凝胶(a)放置在一起使接口完全解除(b)一定时间后能够承载自身重量(c)，经拉伸也未断裂(d)，之后将其切碎(e)后放入螃蟹形模具中得到完整自愈合的水凝胶(f)示例图；

图4为水凝胶动态时间交替扫描图；

图5为水凝胶降解示意图。

具体实施方式

以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

步骤(1)：将chi(5g)溶解于ph＝3的100ml盐酸溶液中，于透析袋透析7d后冻干，得到可溶于去离子水的质子化chi；

步骤(2)：将2ggg溶解于100ml去离子水中，室温下进行磁力搅拌至完全溶解；

步骤(3)：将0.44g高碘酸钠溶解于10ml去离子水中，逐滴加入gg溶液中搅拌均匀；

步骤(4)：将混合后的溶液于室温下避光搅拌12h，氧化反应发生，生成agg；

步骤(5)：向步骤(4)所述溶液中加入1ml乙二醇搅拌1h以终止反应。将agg倒入透析袋中透析7d，旋蒸后冻干3d备用；

步骤(6)：将质量分数为7％的质子化cs溶液和质量分数为15％的agg于室温下分别以1:3的体积比均匀混合至形成chi/agg水凝胶。

实施例2

步骤(1)：将chi(5g)溶解于ph＝4的100ml盐酸溶液中，于透析袋透析10d后冻干，得到可溶于去离子水的质子化chi；

步骤(2)：将2ggg溶解于100ml去离子水中，室温下进行磁力搅拌至完全溶解；

步骤(3)：将1.2g高碘酸钠溶解于10ml去离子水中，逐滴加入gg溶液中搅拌均匀；

步骤(4)：将混合后的溶液于室温下避光搅拌10h，氧化反应发生，生成agg；

步骤(5)：向步骤(4)所述溶液中加入1.5ml乙二醇搅拌1.5h以终止反应。将agg倒入透析袋中透析15d后旋蒸，将旋蒸得到的溶液冻干5d备用；

步骤(6)：将质量分数为5％的质子化chi溶液和质量分数为10％的agg于室温下分别以1:1的体积比均匀混合至形成chi/agg水凝胶。

实施例3

步骤(1)：将chi(5g)溶解于ph＝5的100ml盐酸溶液中，于透析袋透析14d后旋蒸，将旋蒸液冻干，得到可溶于去离子水的质子化chi；

步骤(2)：将2ggg溶解于100ml去离子水中，室温下进行磁力搅拌至完全溶解；

步骤(3)：将2.3g高碘酸钠溶解于10ml去离子水中，逐滴加入gg溶液中搅拌均匀；

步骤(4)：将混合后的溶液于室温下避光搅拌6h，氧化反应发生，生成agg；

步骤(5)：向步骤(4)所述溶液中加入2ml乙二醇搅拌6h以终止反应。将agg倒入透析袋中透析14d后旋蒸，将旋蒸液冻干3d备用；

步骤(6)：将质量分数为6％的质子化cs溶液和质量分数为18％的agg于室温下分别以1:5的体积比均匀混合至形成chi/agg水凝胶。

实施例4

步骤(1)：将chi(5g)溶解于ph＝3的100ml盐酸溶液中，于透析袋透析7d后冻干，得到可溶于去离子水的质子化chi；

步骤(2)：将2ggg溶解于100ml去离子水中，室温下进行磁力搅拌至完全溶解；

步骤(3)：将0.44g高碘酸钠溶解于10ml去离子水中，逐滴加入gg溶液中搅拌均匀；

步骤(4)：将混合后的溶液于室温下避光搅拌12h，氧化反应发生，生成agg；

步骤(5)：向步骤(4)所述溶液中加入1ml乙二醇搅拌1h以终止反应。将agg倒入透析袋中透析1周后冻干3d备用；

步骤(6)：将质量分数为7％的质子化cs溶液和质量分数为20％的agg于室温下分别以2:1的体积比均匀混合至形成chi/agg水凝胶。

实施例5

步骤(1)：将chi(5g)溶解于ph＝3的100ml盐酸溶液中，于透析袋透析7d后旋蒸，将旋蒸液冻干，得到可溶于去离子水的质子化chi；

步骤(2)：将2ggg溶解于100ml去离子水中，室温下进行磁力搅拌至完全溶解；

步骤(3)：将0.8g高碘酸钠溶解于10ml去离子水中，逐滴加入gg溶液中搅拌均匀；

步骤(4)：将混合后的溶液于室温下避光搅拌10h，氧化反应发生，生成agg；

步骤(5)：向步骤(4)所述溶液中加入1.5ml乙二醇搅拌2h以终止反应。将agg倒入透析袋中透析13d后冻干3d备用；

步骤(6)：将质量分数为6％的质子化cs溶液和质量分数为15％的agg于室温下分别以1:5的体积比均匀混合至形成chi/agg水凝胶。

实施例6

步骤(1)：将chi(500g)溶解于ph＝3的10l盐酸溶液中，于透析袋透析14d后旋蒸，将旋蒸液冻干10d，得到可溶于去离子水的质子化chi；

步骤(2)：将200ggg溶解于10l去离子水中，室温下进行磁力搅拌至完全溶解；

步骤(3)：将44g高碘酸钠溶解于1l去离子水中，逐滴加入gg溶液中搅拌均匀；

步骤(4)：将混合后的溶液于室温下避光搅拌12h，氧化反应发生，生成agg；

步骤(5)：向步骤(4)所述溶液中加入100ml乙二醇搅拌12h以终止反应。将agg倒入透析袋中透析14d后旋蒸，冻干10d备用；

步骤(6)：将质量分数为7％的质子化cs溶液和质量分数为20％的agg于室温下分别以1:5的体积比均匀混合至形成chi/agg水凝胶。

如图1所示，形成的产物可降解自愈合壳聚糖复合醛基化瓜尔胶水凝胶具有特征的碳氮双键。

如图2所示，agg的核磁图谱显示，在8.2处出现一个新峰，这表明存在醛基质子。5.3处出现的新峰是由于氧化gg上的部分醛基与羟基形成了半缩醛，以上结果均表明该氧化过程成功得到agg，产物中形成了该特征的碳氮双键。

从图3可以看出当将2块不同颜色的chi/agg5水凝胶放在一起使其接口充分接触，静置5min后，2块水凝胶完全愈合形成一个整体。用镊子夹起其中一端，水凝胶能完全支撑自身重量不断裂及掉落。用镊子夹起水凝胶两端向两端拉伸，水凝胶不断裂并能拉伸至原长的1.5倍。将愈合的水凝胶切成不规则碎片，将这些碎片填充进螃蟹形状的模具中，再用保鲜膜将模具包裹至于湿润环境中静置，30min后将水凝胶取出，水凝胶完全愈合成一个整体。以上现象表明，该壳聚糖复合醛基化瓜尔胶水凝胶具有优异的自愈合能力。

从图4可以看出，当给水凝胶加载5％的恒定应变3min，水凝胶的储能模量(g’)高于损耗模量(g”)。此时，当给水凝胶施以600％的高应变时，水凝胶g”高于g’，呈现出动态流体特性，这表明改水凝胶网络结构被破坏。给水凝胶5min的愈合时间之后，重复上述操作，继续给水凝胶施以5％的应变，水凝胶动态流变性能恢复，g’大于g”，这表明，该水凝胶内部网络结构恢复，水凝胶愈合。该过程重复3遍，水凝胶依旧呈现良好的自修复性能。

从图5可以看出，壳聚糖复合醛基化瓜尔胶水凝胶能够在1周内在中性环境附近即ph为6.8到7.4的pbs溶液中进行降解，最高降解率可达65％

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。