一种天然高分子基超分子自愈合水凝胶及其制备方法与应用与流程

本发明属于水凝胶技术领域，具体涉及一种天然高分子基超分子自愈合水凝胶及其制备方法与应用。

背景技术：

近年来，自愈合型材料因为其受到损伤后可以自我愈合和修复，可以大大的延长材料的使用寿命降低使用成本，而备受人们的关注。尤其是自愈合水凝胶材料，在人工智能、生物传感、组织工程和伤口敷料等领域应用越来越广泛。现有的自愈合水凝胶材料大部分是通过引入动态键来实现其自愈合性能，包括动态共价键(酰腙键、二硫键、席夫键键等)和动态非共价键(金属配位键、氢键、主客体作用等)。动态共价键的引入一般需要复杂的合成步骤，制备条件苛刻，需要依赖光刺激、高温或者引发剂的引入；而以动态非共价键制备的自愈合性水凝胶一般存在着机械性能差的不足，这都大大地阻碍了自愈合水凝胶的应用。

金属配位作用因为其一方面具有可以与共价键相媲美的力学性能，一方面大部分的金属螯合作用是动态可逆被广泛地引入到超分子水凝胶的制备中。目前，大部分的超分子水凝胶主要是以合成高分子材料为框架制备的，基于纯天然高分子基的水凝胶的研究较少。这主要是因为天然高分子材料一般存在着较多的亲水基团，如氨基、羧基和羟基等，他们与金属离子可以较快的螯合，这使得纯天然高分子与金属离子会形成局部快速成胶，时间长，成胶快以及分散不均匀的问题，使得纯天然高分子基超分子水凝胶的一直停在研究的初始阶段。

因此，开发一种简便制备超分子自愈合水凝胶的方法是具有意义的。

技术实现要素：

为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种天然高分子基超分子自愈合水凝胶的制备方法。本发明采用绿色安全、来源丰富、价格便宜的壳聚糖及其衍生物为水凝胶骨架，金属纳米颗粒为螯合剂，制备了同时含有席夫键键作用和金属螯合作用的天然高分子基自愈合水凝胶。该方法制备的超分子水凝胶具有无需外界任何刺激的快速愈合能力和优异的抑菌能力。在组织工程修复、创面修复、药物控释释放、药物制备和生物传感等领域中具备良好的应用前景。

本发明的另一个目的在于提供上述方法制得的一种天然高分子基超分子自愈合水凝胶。

本发明的再一目的在于提供上述一种天然高分子基超分子自愈合水凝胶在药物制备和生物传感领域中的应用。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种天然高分子基超分子自愈合水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

(1)室温及氮气或惰性气体保护下，将对醛基苯甲酸、4-二甲氨基吡啶(dmap)和二环己基碳二亚胺(dcc)依次加入到壳聚糖溶液中，反应，纯化，干燥，透析，得到醛基化壳聚糖；

(2)将醛基化壳聚糖分散于水中，然后加入到羧甲基壳聚糖或海藻酸钠溶液中，混合均匀，得到醛基化壳聚糖混合溶液；

(3)在搅拌状态下，将纳米和/或微米铜悬浊液或氯金酸溶液加入到醛基化壳聚糖混合溶液中，继续搅拌，静置成凝胶状态，凝固后，得到天然高分子基超分子自愈合水凝胶；

步骤(3)中，羧甲基壳聚糖、醛基化壳聚糖和纳米和/或微米铜或氯金酸的质量比为(5～200):(1～30)：(2～16)。

优选的，步骤(1)所述对醛基苯甲酸、4-二甲氨基吡啶(dmap)和二环己基碳二亚胺(dcc)和壳聚糖的质量比为(450.39～900.75)：(1.22～12.2)：(0.21～20.6)：1000；更优选为600：4：2：1000。

优选的，步骤(1)所述壳聚糖的分子量为1000～5000；更优选为5000。

优选的，步骤(1)所述壳聚糖溶液中，壳聚糖和溶剂的比例为(0.6～4.8)g：(5～40)ml；更优选为2.5g/40ml。

优选的，步骤(1)所述壳聚糖溶液的溶剂为二氯甲烷、吡啶、二甲基亚砜、四氢呋喃和二甲基甲酰胺中的至少一种。

优选的，步骤(1)所述反应的时间为12～36h。

优选的，步骤(1)所述纯化的方法为：将水加入到步骤(1)的反应产物中使产物沉淀，过滤，然后水洗多次。

优选的，步骤(1)所述干燥为本领域常规干燥操作。

优选的，步骤(1)所述透析的方法为：采用分子量为1000的透析袋将反应产物在水中透析3天，得到醛基化壳聚糖。

优选的，步骤(2)所述醛基化壳聚糖通过超声分散于水中，超声时间为10～30min；更优选为15min。

优选的，步骤(2)所述醛基化壳聚糖与水的比例为0.06g：(1～10)ml；更优选为0.06g：4ml。

优选的，步骤(2)所述羧甲基壳聚糖或或海藻酸钠溶液的溶剂为水，羧甲基壳聚糖或海藻酸钠与水的比例为(0.1～1)g：(10～40)ml；更优选为0.4g：10ml。

优选的，步骤(2)所述醛基化壳聚糖与羧甲基壳聚糖或海藻酸钠的质量比为(0.2～1.5)：(1～10)，更优选为1.5：10。

优选的，步骤(2)所述醛基化壳聚糖混合溶液中，羧甲基壳聚糖或海藻酸钠与溶剂的比例为(0.1～1.2)g:(1～20)ml；醛基化壳聚糖与溶剂的比例为(0.006～0.3)g:(1～4)ml。

优选的，步骤(2)所述搅拌混合均匀的转速为800～1200rpm，时间为1～3h。

优选的，步骤(3)所述纳米和/或微米铜悬浊液中铜的粒径为1nm～500um，更优选为1～500um/nm。

优选的，步骤(3)所述纳米铜悬浊液中铜来源于碳载铜和纳米铜中的至少一种；所述微米铜悬浊液中铜来源于碳载铜和微米铜中的至少一种。

优选的，步骤(3)所述纳米和/或微米铜悬浊液中铜与水的比例为2～8mg/ml，更优选为2mg/ml；所述氯金酸溶液中氯金酸与水的比例为0.17～7mg/ml。

优选的，步骤(3)所述纳米和/或微米铜悬浊液或氯金酸溶液与醛基化壳聚糖混合溶液的体积比为2：(5～20)；更优选为2：14。

优选的，步骤(3)所述搅拌的转速为500～1200rpm，所述继续搅拌的时间为5～24h；更优选为6～24h。

优选的，步骤(3)所述静置的时间为6～36h；更优选为6～12h。

上述方法制得的一种天然高分子基超分子自愈合水凝胶。

上述一种天然高分子基超分子自愈合水凝胶在药物制备和生物传感领域中的应用。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

本发明采用了金属离子的缓控释技术，弥补现有技术中天然高分子基超分子水凝胶制备速度快、成胶不均匀、难以控制的不足，所述的天然高分子基超分子自愈合水凝胶，具有良好的生物相容性、无需外界条件刺激下可以快速自愈合，优异的抑菌性能，在组织工程修复、创面修复、药物控释释放和生物传感等领域中具备良好的应用前景。

附图说明

图1为实施例1和对比例1-2中铜离子缓释机理图，图1(a)～(d)中的样品分别由左到右依次标记为(1)、(2)、(3)；图1(a)中，(1)为对比例1中的cuso4溶液、(2)为对比例2中的cu(no4)2溶液，(3)为实施例1中的纳米铜溶液；图1(b)中的(1)～(3)分别为对比例1、2和实施例1中步骤(3)cmc和醛基化壳聚糖混合溶液；图1(c)中的(1)～(3)分别为对比例1、2和实施例1中金属离子与cmcs和醛基化壳聚糖混合溶液刚混合时的状态；图1(d)中的(1)～(3)分别为对比例1、2和实施例1中金属离子与cmcs和醛基化壳聚糖混合溶液混合并搅拌6h后的状态。

图2为实施例1所得的天然高分子基超分子自愈合水凝胶在荧光显微镜下的自愈合监测。

图3为实施例1所得的天然高分子基超分子自愈合水凝胶胶生物安全性。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

本发明实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或者制造商建议的条件进行。所用未注明生产厂商者的原料、试剂等，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1

(1)将2.5g壳聚糖(分子量为5000)溶于40ml二甲基亚砜(dmso)中，在氮气保护下加入1.5g对醛基苯甲酸，10mg4-二甲氨基吡啶(dmap)，5mg二环己基碳二亚胺，室温25℃下反应24h，加水沉淀，过滤，水洗多次，干燥后用分子量为1000的透析袋透析3天，得接枝改性的醛基化壳聚糖。

(2)将0.4g羧甲基壳聚糖粉末溶于10ml的去离子水中，搅拌3h完全溶解形成淡黄色溶液。

(3)将0.06g接枝改性的醛基化壳聚糖分散至4ml得去离子水中，超声15min，使其分散均匀，并将其缓缓加入到羧甲基壳聚糖溶液中，1200rpm搅拌3h至均匀溶液，得羧甲基壳聚糖-接枝改性的醛基化壳聚糖溶液。

(4)将4mg纳米铜粉(粒径为1-500nm)溶于2ml水中，超声15min，分散均匀形成悬浊液。

(5)在1200rpm搅拌状态下，将步骤(4)制备好的2ml纳米铜悬浊液加入到14ml羧甲基壳聚糖-接枝改性的醛基化壳聚糖溶液中，800rpm搅拌12h、静置6h后，采用倒置法观察，如图1中标记(3)所示的烧杯中形成均一的凝胶，在荧光显微镜下追踪其自愈合行为，如图2所示，在不添加其他物质和以及外界诱导的条件在，可在90s内自发的完成自愈合；同时探究材料的安全性，将水凝胶制成24孔板一个孔的面积，并放置24孔板内。将体积为50μl的2×10⁵个uc-msc细胞接种到水凝胶上。uc-msc细胞(由干细胞分化所得)，并对水凝胶上的细胞进行cck-8检测及死活染色。(1)、(2)、(3)为接种细胞后1天，3天，5天的细胞死活染色图片，活细胞染色成绿色，死细胞染色成红色，明显活细胞多，结果表明水凝胶细胞毒性少，生物安全性高，(4)cck-8检测结果，明种植在材料表面的细胞能有效的增殖。通过该水凝胶对大肠杆菌(atcc2592)和金黄色葡萄球菌(8325-4)培养基的抑菌圈观察，发现该水凝胶具有抑菌能力。

对比例1

(1)将2.5g壳聚糖(分子量为5000)溶于40ml二甲基亚砜(dmso)中，在氮气保护下加入1.5g对醛基苯甲酸，10mg4-二甲氨基吡啶(dmap)，5mg二环己基碳二亚胺，室温25℃下反应24h，加水沉淀，过滤，水洗多次，干燥后用分子量为1000的透析袋在水中透析3天，得接枝改性的醛基化壳聚糖。

(2)将0.4g羧甲基壳聚糖粉末溶于10ml的去离子水中，搅拌3h完全溶解形成淡黄色溶液。

(3)将0.06g接枝改性的醛基化壳聚糖分散至4ml得去离子水中，超声15min，使其分散均匀，并将其缓缓加入到羧甲基纤维素溶液中，在1200rpm搅拌3h至均匀溶液，得羧甲基壳聚糖-接枝改性的醛基化壳聚糖溶液。

(4)将0.39gcuso4·5h2o粉末溶于100ml的水，溶解充分，配置成cu²⁺浓度为2mg/ml的溶液。

(5)在1200rpm状态下，取步骤(4)制备好的2ml硫酸铜缓慢滴加到到14ml羧甲基壳聚糖接枝改性的醛基化壳聚糖溶液中，搅拌过程中立即局部成胶，如图1中标记(1)的烧杯所示800rpm搅拌12h、静置6h后倾斜法观察无法形成均匀的凝胶状态。

对比例2

(1)将2.5g壳聚糖(分子量为5000)溶于40ml二甲基亚砜(dmso)中，在氮气保护下加入1.5g对醛基苯甲酸，10mg4-二甲氨基吡啶(dmap)，5mg二环己基碳二亚胺，室温25℃下反应24h，加水沉淀，过滤，水洗多次，干燥后用分子量为1000的透析袋在水中透析3天，得接枝改性的醛基化壳聚糖。

(2)将0.4g羧甲基壳聚糖溶于10ml的去离子水中，搅拌3h完全溶解形成透明溶液。

(3)将0.06g接枝改性的醛基化壳聚糖分散至4ml得去离子水中，超声15min，使其分散均匀，并将其缓缓加入到海藻酸钠溶液中，在1200rpm搅拌3h至均匀溶液，得羧甲基壳聚糖-接枝改性的醛基化壳聚糖溶液。

(4)将0.29gcu(no3)2粉末溶于100ml的水，溶解充分，配置成cu²⁺浓度为2mg/ml的溶液。

(5)在1200rpm搅拌状态下，取步骤(4)制备好的2ml硫酸铜缓慢滴加到到14ml羧甲基壳聚糖-接枝改性的醛基化壳聚糖溶液中，搅拌过程中立即局部成胶，如图1中标记(2)的烧杯所示，800rpm继续搅拌12h、静置6h后倾斜法观察无法形成均匀的凝胶状态。

实施例2

(1)将2.5g壳聚糖(分子量为3000)溶于40ml二甲基亚砜(dmso)中，在氮气保护下加入1.5g对醛基苯甲酸，10mg4-二甲氨基吡啶(dmap)，5mg二环己基碳二亚胺，室温25℃下反应24h，加水沉淀，过滤，水洗多次，干燥后用分子量为1000的透析袋透析3天，得接枝改性的醛基化壳聚糖。

(2)将0.4g羧甲基壳聚糖溶于10ml的去离子水中，搅拌3h完全溶解形成淡黄色溶液。

(3)将0.06g接枝改性的醛基化壳聚糖分散至4ml得去离子水中，超声15min，使其分散均匀，并将其缓缓加入到羧甲基壳聚糖溶液中，转速为1200rpm搅拌3h至均匀溶液，得羧甲基壳聚糖-接枝改性的醛基化壳聚糖溶液。

(4)将4mg纳米铜粉(粒径为1-200nm)溶于2ml水中，超声10min，分散均匀形成悬浊液。

(5)在1200rpm搅拌状态下，将步骤(4)制备好的2ml纳米铜悬浊液加入到14ml羧甲基壳聚糖-接枝改性的醛基化壳聚糖溶液中，800rpm搅拌6h、静置6h后，形成凝胶状态。

实施例3

(1)将2.5g壳聚糖(分子量为5000)溶于40ml二甲基亚砜(dmso)中，在氮气保护下加入1.5g对醛基苯甲酸，10mg4-二甲氨基吡啶(dmap)，5mg二环己基碳二亚胺，室温25℃下反应24h，加水沉淀，过滤，水洗多次，干燥后用分子量为1000的透析袋在水中透析3天，得接枝改性的醛基化壳聚糖。

(2)将0.4g羧甲基壳聚糖溶于10ml的去离子水中，搅拌3h完全溶解形成淡黄色溶液。

(3)将0.06g接枝改性的醛基化壳聚糖分散至4ml得去离子水中，超声15min，使其分散均匀，并将其缓缓加入到羧甲基壳聚糖溶液中，在转速为1200rpm搅拌3h至均匀溶液，得羧甲基壳聚糖-接枝改性的醛基化壳聚糖溶液。

(4)将4mg微米铜粉(粒径为1-500um)溶于2ml水中，超声10min，分散均匀形成悬浊液。

(5)在1200rpm搅拌状态下，将步骤(4)制备好的2ml微米铜悬浊液加入到14ml羧甲基壳聚糖-接枝改性的醛基化壳聚糖溶液中，800rpm搅拌24h、静置12h后，形成凝胶状态。

实施例4

(1)将2.5g壳聚糖(分子量为5000)溶于40ml二甲基亚砜(dmso)中，在氮气保护下加入1.5g对醛基苯甲酸，10mg4-二甲氨基吡啶(dmap)，5mg二环己基碳二亚胺，室温25℃下反应24h，加水沉淀，过滤，水洗多次，干燥后用分子量为1000的透析袋透析3天，得接枝改性的醛基化壳聚糖。

(2)将0.4g海藻酸钠溶于10ml的去离子水中，搅拌3h完全溶解形成淡黄色溶液。

(3)将0.06g接枝改性的醛基化壳聚糖分散至4ml得去离子水中，超声15min，使其分散均匀，并将其缓缓加入到海藻酸钠溶液中，在转速为1200rpm搅拌3h至均匀溶液，得海藻酸钠-接枝改性的醛基化壳聚糖溶液。

(4)将4mg纳米铜粉(粒径为1-500nm)溶于2ml水中，超声10min，分散均匀形成悬浊液。

(5)在1200rpm搅拌状态下，将步骤(4)制备好的2ml纳米铜悬浊液加入到14ml海藻酸钠-接枝改性的醛基化壳聚糖溶液中，800rpm搅拌12h、静置6h后形成凝胶状态。

实施例5

(1)将2.5g壳聚糖(分子量1000)溶于40ml二甲基亚砜(dmso)中，在氮气保护下加入1.5g对醛基苯甲酸，10mg4-二甲氨基吡啶(dmap)，5mg二环己基碳二亚胺(dcc)，室温25℃下反应24h，加水沉淀，过滤，水洗多次，干燥后用分子量为1000的透析袋在水中透析3天，得接枝改性的醛基化壳聚糖。

(2)将0.4g羧甲基壳聚糖粉末溶于10ml的去离子水中，搅拌3h完全溶解形成透明溶液。

(3)将0.06g接枝改性的醛基化壳聚糖分散至4ml得去离子水中，超声15min，使其分散均匀，并将其缓缓加入到羧甲基壳聚糖溶液中，1200rpm搅拌3h至均匀溶液，得羧甲基壳聚糖-接枝改性的醛基化壳聚糖溶液。

(4)配置氯金酸溶液，氯金酸和溶剂的比例为0.68mg:1ml。

(5)在800rpm搅拌状态下，将步骤(4)制备好的2ml氯金酸溶液加入到14ml羧甲基壳聚糖-接枝改性的醛基化壳聚糖溶液中，在60℃水浴加热30min，后置于室温800rpm搅拌12h，静置6h后形成凝胶状态。

实施例6

(1)将2.5g壳聚糖(分子量1000)溶于40ml二甲基亚砜(dmso)的，在氮气保护下加入1.5g对醛基苯甲酸，10mg4-二甲氨基吡啶(dmap)，5mg二环己基碳二亚胺，室温25℃下反应24h，加水沉淀，过滤，水洗多次，干燥后用分子量为1000的透析袋在水中透析3天，得接枝改性的醛基化壳聚糖。

(2)将0.4g海藻酸钠粉末溶于10ml的去离子水中，搅拌3h完全溶解形成透明溶液。

(3)将0.06g接枝改性的醛基化壳聚糖分散至4ml得去离子水中，超声15min，使其分散均匀，并将其缓缓加入到海藻酸钠溶液中，1200rpm搅拌3h至均匀溶液，得海藻酸钠-接枝改性的醛基化壳聚糖溶液。

(4)配置氯金酸溶液，氯金酸和溶剂的比例为0.68mg:1ml。

(5)在搅拌状态下，将步骤(4)制备好的2ml氯金酸溶液加入到14ml海藻酸钠-接枝改性的醛基化壳聚糖溶液中，在60℃水浴加热30min,后置于室温搅拌12h，静置6h后形成凝胶状态。

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。