一种抗冻保湿的高强度细菌纤维素基水凝胶及其制备方法和应用

本发明属于凝胶生产，特别涉及一种抗冻、保湿的高强度细菌纤维素基水凝胶及其制备方法和应用。

背景技术：

1、皮肤作为人体抵御外界刺激的第一道天然屏障，会面临着各种外界危害，如伤口、烧伤、慢性溃疡等。一旦皮肤受损，就会引起延迟愈合和感染等问题，严重损害皮肤的综合屏障功能和个体健康。近年来，水凝胶作为一种高含水量的网络聚合物，因其良好的生物相容性和易于功能化而被广泛应用于伤口修复领域。然而，使用纯水作为分散介质的传统水凝胶普遍存在两个缺点：第一个缺点是在低温下易结冰，这大大限制了水凝胶在低温下的活性。另一个是由水蒸发引起的结构塌陷，这大大缩短了水凝胶在开放环境中的寿命。因此，开发一种新型的可以同时实现抗冻和保湿功能的水凝胶，有望在一些恶劣的医疗环境中得到应用。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了解决上述技术问题而提供一种具备优异的抗冻和保湿性能、抗拉强度以及良好的生物相容性的抗冻保湿的高强度细菌纤维素基水凝胶及其制备方法和应用。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种抗冻保湿的高强度细菌纤维素基水凝胶，包括以下重量份含量的组分：细菌纤维素5-10份、n-[三(羟甲基)甲基]丙烯酰胺(thma)10-20份、n-丙烯酰天冬氨酸(aasp)20-30份。

3、进一步地，所述的n-丙烯酰天冬氨酸通过以下方法制得：

4、将天冬氨酸和氢氧化钠按质量比8-10:7-9溶于冰冷的去离子水中，反应条件为冰浴；将丙烯酰氯和极性溶剂按体积比7-9:15-19进行充分的混合，并逐滴滴加到上述溶液中，在反应过程中，ph保持在弱碱性，室温下进一步反应3-5h；用浓度为2-5m的naoh将混合物的ph调节至碱性条件，用乙酸乙酯洗涤以除去有机相，用浓度为3-6m的hcl将水相的ph调节至酸性条件，然后用乙酸乙酯再次萃取水相，有机层用硫酸镁干燥，过滤，浓缩，并在正己烷中沉淀，重复沉淀以进一步纯化，收集的产物在真空中干燥。该方法制得的n-丙烯酰天冬氨酸保留了天冬氨酸良好的生物相容性，同时具有碳碳双键，在紫外光的引发下与thma交联形成高分子水凝胶聚合物，此外通过氢键的作用与细菌纤维素牢固键合，具有良好的抗拉强度。

5、进一步地，所述的极性溶剂包括二甲基亚砜、四氢呋喃或二甲基甲酰胺。

6、本发明还提供一种抗冻保湿的高强度细菌纤维素基水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

7、按重量份先将细菌纤维素制备成薄膜，然后将n-[三(羟甲基)甲基]丙烯酰胺、n-丙烯酰天冬氨酸加入甘油和水的混合溶液体系中，加入交联剂和引发剂，充分溶解后将细菌纤维素薄膜浸入上述溶液中，紫外光和无氧的条件下聚合成型，得到抗冻保湿的高强度细菌纤维素基水凝胶。

8、以细菌纤维素、n-[三(羟甲基)甲基]丙烯酰胺、n-丙烯酰天冬氨酸的总质量为100计，交联剂的质量百分比为0.01-0.02％，引发剂的质量百分比为0.02-0.03％；聚合条件为紫外光源和无氧。

9、进一步地，所述的交联剂为聚乙二醇双丙烯酸酯、n,n-亚甲基双丙烯酰胺、环三烯键、三烯丙基异氰脲酸酯中的一种或者多种。

10、进一步地，所述的引发剂为2-羟基-2-甲基苯丙酮、过硫酸铵、α-酮戊二酸中的一种或者多种。

11、进一步地，甘油和水的混合溶液中甘油和水的体积比为1：1。

12、本发明还提供一种抗冻保湿的高强度细菌纤维素基水凝胶的应用，用于生物组织工程及临床治疗领域，尤其是组织的缺损修复。

13、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

14、(1)本发明以细菌纤维素薄膜作为基底模板制备了抗拉强度高达6.75mpa的水凝胶，细菌纤维素纤维是由直径3～4纳米的微纤组合成40～60纳米粗的纤维束，并相互交织形成发达的超精细网络结构，当将细菌纤维素溶液抽滤制备成膜时，细菌纤维素相互交织、堆积变得更加紧密，强度增大，将它浸入水凝胶前驱液中并在紫外光的引发下聚合制备成复合产物，最终的复合产物的抗拉强度增大；

15、(2)本发明制备的抗冻、保湿的高强度细菌纤维素基水凝胶以甘油/水的混合体系作为溶剂，甘油含有羟基，具有亲水性，所以可以溶于水，配成甘油水溶液，当甘油与水混合后，甘油与水分子间形成大量的氢键作用，一方面会破坏水分子间的有序排列，使其冰点降低，另一方面通过氢键的作用会形成大量的结合水，阻止水分的快速蒸发，可以有效地解决传统水凝胶易结冰和易失水等缺点，促使本发明所制备的细菌纤维素基水凝胶能够应用于一些恶劣的环境，有效延长水凝胶的使用寿命，节省一定的经济成本；

16、(3)本发明制备的抗冻、保湿的高强度细菌纤维素基水凝胶通过“氢键簇”的作用(氢键簇的作用是指，aasp单体中的2个羧基与thma单体中的3个羟基可以与组织之间形成氢键作用，当二者以一定的浓度聚合形成水凝胶时，水凝胶中就会存在大量的羧基和羟基，就会形成大量的氢键作用，这些高密度的氢键会以团簇的方式增强水凝胶与组织之间的粘附性能，而不需要任何的化学反应)，能够牢固的粘附在皮肤组织上；

17、(4)本发明制备的抗冻、保湿的高强度细菌纤维素基水凝胶具有良好生物相容性，为组织修复材料的开发打下了良好的基础。

技术特征：

1.一种抗冻保湿的高强度细菌纤维素基水凝胶，其特征在于，包括以下重量份含量的组分：细菌纤维素5-10份、n-[三(羟甲基)甲基]丙烯酰胺(thma)10-20份、n-丙烯酰天冬氨酸(aasp)20-30份。

2.根据权利要求1所述的一种抗冻保湿的高强度细菌纤维素基水凝胶，其特征在于，所述的n-丙烯酰天冬氨酸通过以下方法制得：

3.根据权利要求1所述的抗冻保湿的高强度细菌纤维素基水凝胶，其特征在于，所述的天冬氨酸与氢氧化钠的反应条件为冰浴。

4.根据权利要求1所述的抗冻保湿的高强度细菌纤维素基水凝胶，其特征在于，所述的极性溶剂包括二甲基亚砜、四氢呋喃或二甲基甲酰胺。

5.根据权利要求1所述的抗冻保湿的高强度细菌纤维素基水凝胶，其特征在于，所述混合物用naoh调节ph至碱性，naoh的浓度为2-5m；

6.一种如权利要求1所述抗冻保湿的高强度细菌纤维素基水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求5所述抗冻保湿的高强度细菌纤维素基水凝胶的制备方法，其特征在于，以细菌纤维素、n-[三(羟甲基)甲基]丙烯酰胺、n-丙烯酰天冬氨酸的总质量为100计，交联剂的质量百分比为0.01-0.02％，引发剂的质量百分比为0.02-0.03％；聚合条件为紫外光源和无氧。

8.根据权利要求5所述抗冻保湿的高强度细菌纤维素基水凝胶的制备方法，其特征在于，所述的交联剂为聚乙二醇双丙烯酸酯、n,n-亚甲基双丙烯酰胺、环三烯键、三烯丙基异氰脲酸酯中的一种或者多种。

9.根据权利要求5所述抗冻保湿的高强度细菌纤维素基水凝胶的制备方法，其特征在于，所述的引发剂为2-羟基-2-甲基苯丙酮、过硫酸铵、α-酮戊二酸中的一种或者多种。

10.一种如权利要求1所述的抗冻保湿的高强度细菌纤维素基水凝胶的应用，其特征在于，用于生物组织工程及临床治疗领域，尤其是组织的缺损修复。

技术总结
本发明涉及一种抗冻保湿的高强度细菌纤维素基水凝胶及其制备方法和应用，包括以下重量份的原料：细菌纤维素5‑10、N‑[三(羟甲基)甲基]丙烯酰胺10‑20、N‑丙烯酰天冬氨酸20‑30。通过调配各个组分的含量，在紫外光或者热的条件下聚合制备了高强度的细菌纤维基水凝胶。与现有技术相比，本发明制备得到的水凝胶具备优异的抗冻和保湿性能、抗拉强度以及良好的生物相容性使其在伤口修复领域具有广阔的应用前景。

技术研发人员：陈玉洁,蔡超,袁秀群,章秋韵,李华,刘河洲
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13