一种多糖基湿态凝胶体的制备方法

本发明属于新材料制备方法领域，涉及一种多糖基湿态凝胶体的制备方法。

背景技术：

1、由单糖分子或其衍生物通过糖苷键结合而成的聚合物称为多糖，可用通式(c6h10o5)n表示。多糖耐水性差，限制了其在液体环境下的使用。目前对多糖凝胶体改性以提高其耐水性及力学性能的方法主要有共聚改性、接枝改性、交联等。共聚及接枝法，都是在多糖中引入了其它高分子物质，虽然提高了多糖的耐水性或力学强度，但是多糖本身的高吸水性及优异的生物相容性等被破坏，从而限制了多糖材料的使用。

2、对多糖的交联是提高其耐水解性能的有效方法。所使用的交联剂可以是化学交联剂，如环氧氯丙烷、戊二醛等；也可以是物理交联法，如电子束辐照、紫外光辐照和冻融循环。虽然物理方法可避免一些有毒交联剂的使用，避免外源性物质残留在材料中，但是交联度较低，随着放置时间的延长或在高温环境时，分子间的相互作用变弱。化学交联作为有效改性的主要方法，但交联剂环氧氯丙烷、戊二醛有毒性，因此使用受限制。

3、在交联剂的选择上，三偏磷酸钠(stmp)是一种水溶性的环状三磷酸钠，无毒。stmp与多糖发生交联反应的交联温度需要在40～50℃(carbohydr.polym.,2007,67:201-212)，甚至是更高的70～90℃的温度下才能进行(polym.bull.2009,62:525-538)，因此一般制备stmp交联多糖的步骤为多糖溶解在水中后加入stmp，将温度升高到反应温度下交联(cn108503861 a，cn 105617448a)。高温交联反应机理为：多糖分子链在溶液中充分伸展开，同时stmp在碱性环境下开环，在高温条件下分子运动剧烈，使得stmp与多糖分子链活性基团的碰撞几率增加，从而发生交联反应。然而，由于高温交联反应需要不断的搅拌，无法制备得到凝胶体。

4、冷冻-解冻方法是一种常见的凝胶制备方法，但是其原理是通过冰晶生长过程中使得基团和分子链间发生更紧密的相互作用而形成交联，该情况下即使在材料中具有-cooh、-oh和-nh2基团，也只能通过非共价间形成相互作用。相比于共价键，非共价键的相互作用小，因此会导致得到凝胶的力学性能下降。

5、因此研究一种在不引入其他高分子物质的情况下能够提高耐水解、力学性能以及复吸性能的多糖基湿态凝胶体的制备方法具有重要的意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有技术中存在的上述问题，提供一种多糖基湿态凝胶体的低温交联制备方法。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种多糖基湿态凝胶体的制备方法，以多糖为原料，三偏磷酸钠(stmp)为交联剂，在碱性溶液(优选为naoh溶液)条件下进行反应得到混合液，再将混合液置于4℃的温度条件下得到预反应液，将预反应液在-2～0℃的温度条件下固化后，在压力为0.01～0.02mpa、温度为-40～-10℃的条件下进行交联反应，最后于室温条件下融化解冻制得多糖基湿态凝胶体；在低温状态下，分子的运动受到限制，因此基团间的碰撞概率下降。然而通过加大压力可以使得基团间的碰撞概率提升。但是，在初期反应液具有较好的流动性，此时增大压力对于反应基团在一定空间范围内增加碰撞概率的作用不大。但是当反应液在一定温度下冰晶形成，可以将多糖限制在一定空间范围内后，在通过负载重物给予一定压力以及进一步降低温度使得冰晶进一步生长挤压多糖分子到限制空间，提高其反应几率，使得stmp与多糖发生交联。

4、现有技术通常为高温交联，按照配方混合好溶液之后，直接进行升温反应，而本发明要将混合液在4℃条件下存放一定时间，目的是让混合液中的多糖分子链有充分时间做规整排列，以形成均匀的冰晶。现有技术的高温交联反应，是交联剂与多糖的活性基团之间在高温下活性增强，碰撞几率增加，从而发生交联反应；而本发明的低温反应是在冷冻条件下冰晶的形成压缩了多糖分子链的空间，使得狭小的空间内多糖分子链与交联剂的浓度增加，从而发生交联反应，本发明的交联反应机理与现有技术有着实质性差异。本发明通过大量实验发现预反应液在-40～-10℃的温度条件下能够进行交联反应，而如果温度低于-40℃无法发生交联反应，这是因为温度过低，形成的晶核较多，晶体生长受限制，聚合物链无法紧密接触，因此未发生交联反应；而如果温度高于-10℃则无法形成凝胶，这是因为多糖溶液在高于-10℃的时候，不能完全冷冻结冰，而是“冰水混合物”的状态，结合冷冻交联的机理可知，不能发生交联反应。

5、多糖基湿态凝胶体的强度为0.02～0.03mpa；本发明的强度是使用instron 5969电子万能材料试验机测试多糖基湿态凝胶体(直径20mm，高度10mm)在10mm/min载荷下的循环压缩性能得到；

6、多糖基湿态凝胶体具有较好的耐水性，浸泡在去离子水中7天仍保持其原始形状和强度；

7、多糖基湿态凝胶体还具有较好的复吸性能，在40％应变下，循环压缩5次后能够恢复至原始尺；在循环压缩的过程中，湿态凝胶体中的水被反复挤出，在压力释放后湿态凝胶体会吸水并恢复到最初的形貌；其表征方法为：使用instron 5969电子万能材料试验机测试湿态凝胶体(直径20mm，高度10mm)在10mm/min载荷下的循环压缩性能，在40％应变下测量五个压缩循环。

8、多糖基湿态凝胶体的上述性能，打破了传统天然材料耐水性差和不能重复利用的限制，具有制备方法简单、可反复使用、无二次污染等优点。本发明使用stmp交联多糖，stmp与多糖结构中的羟基反应形成交联结构，提高了多糖的耐水解性能，同时保留了亲水性的羧基官能团。

9、本发明采用低温交联工艺：在室温(20℃)进行溶液混合制备出混合液；混合液在4℃存放一定时间作为预反应液，在此过程中混合液中多糖分子链做规整排列，以形成均匀的冰晶；再在-40～-10℃条件下进行冷冻，在冷冻过程中形成的均匀的冰晶将多糖分子链压缩到狭小的空间内，使得狭小的空间内多糖分子和stmp的浓度增加，从而发生化学交联反应形成凝胶，最后在室温下融化解冻，形成多糖基湿态凝胶体。

10、作为优选的技术方案：

11、如上所述的一种多糖基湿态凝胶体的制备方法，多糖为羧甲基纤维素、羧甲基淀粉、羧甲基壳聚糖和海藻酸钠的一种以上。

12、如上任一项所述的一种多糖基湿态凝胶体的制备方法，具体步骤如下：

13、(1)将多糖加入去离子水中，并于室温搅拌混合均匀，形成多糖溶液；

14、(2)向多糖溶液中依次加入naoh、三偏磷酸钠和丙三醇(加入的丙三醇是为了保证一定的柔韧性)，在室温继续搅拌得到混合液；

15、(3)将混合液于4℃的温度条件下放置20～30min，得到预反应液；再于-40～-10℃的温度条件下放置12～24h进行交联反应，形成凝胶；

16、(4)将步骤(3)形成的凝胶于室温下融化解冻制得多糖基湿态凝胶体。

17、如上所述的一种多糖基湿态凝胶体的制备方法，步骤(1)中搅拌的速率为300～500rpm，搅拌的时间为3～6h。

18、如上所述的一种多糖基湿态凝胶体的制备方法，步骤(1)中多糖溶液的浓度为2～3wt％。当浓度低于2wt％，湿态凝胶体基体支撑力不够，成形性不好，易塌陷。当浓度大于3wt％时，多糖溶液粘度过大，分子运动受限，不利于凝胶化的进行。而当浓度为2～3wt％时，湿态凝胶体具有完整均匀的外观形貌。

19、如上所述的一种多糖基湿态凝胶体的制备方法，步骤(2)中搅拌的速率为300～500rpm，搅拌的时间为0.5～2h。

20、如上所述的一种多糖基湿态凝胶体的制备方法，步骤(2)中多糖、naoh、三偏磷酸钠和丙三醇的质量比为1:0.02～0.2:0.2～0.3:0.2～0.4。当交联剂浓度较低时，无法发生交联反应，当交联剂浓度控制在本发明的范围内时，形成的湿态凝胶体外观形貌良好，具有一定的力学强度和复吸性能。

21、本发明的原理是：

22、stmp可作为多糖的交联剂，但多用于淀粉以及改性淀粉的交联，且在目前的淀粉交联工艺中，需要在高温条件下(40～50℃或70～90℃)才能形成交联键。本发明创造性地采用低温交联工艺，使多糖分子链上的羟基与stmp在-40～-10℃温度范围发生交联反应。室温下进行溶液混合制备出混合液；将混合液在4℃温度条件下存放一定时间作为预反应液，目的是让混合液中的多糖分子链有充分时间做规整排列，以形成均匀的冰晶；将预反应液在-2～0℃使其固化后，在0.01～0.02mpa压力下，在低温状态下，分子的运动受到限制，因此基团间的碰撞概率下降。然而通过加大压力可以使得基团间的碰撞概率提升。但是，在初期反应液具有较好的流动性，此时增大压力对于反应基团在一定空间范围内增加碰撞概率的作用不大。但是当反应液在一定温度下冰晶形成，可以将多糖限制在一定空间范围内后，在通过负载重物给予一定压力以及进一步降低温度使得冰晶进一步生长挤压多糖分子到限制空间，提高其反应几率，使得stmp与多糖发生交联。在后续低温冷冻过程中，预反应液中形成的均匀的冰晶将多糖分子链压缩到狭小的空间内，使得狭小的空间内多糖分子和stmp的浓度增加，促进了化学交联反应的进行(多糖和stmp反应的机理示意图如图2所示)，从而形成凝胶；最后在室温下融化解冻，制得的多糖基湿态凝胶体具有较好的力学强度、耐水性及复吸性能(所选多糖本身是水溶性的，交联的目的是提高多糖的耐水解性能，并形成凝胶骨架结构，交联高分子只溶胀，不溶解，因此耐水性和力学性能好；湿态凝胶体中的水可以分成3部分——在多糖分子中与亲水基团形成的结合水，在分子链之间的自由水，凝胶孔隙结构中的自由水。通过挤压的方式可以脱除凝胶孔隙结构中的自由水，凝胶骨架结构不受影响，因此解除外界压力后又可以复吸)。

23、有益效果：

24、(1)本发明以多糖为原料，以stmp为交联剂，通过低温冷冻交联法制备得到的多糖基湿态凝胶体具有较好的力学强度、耐水性及复吸性能；

25、(2)本发明所用原料、交联剂均安全无毒，符合环保和可持续发展需求；

26、(3)本发明经特定条件，采用低温交联工艺制得多糖基湿态凝胶体，相应的可以调整器皿的形状将其制备成颗粒、球、膜、棒等各种形状；也可添加一些功能粒子(例如药物、修复因子等)，将上述方法制得的多糖基湿态凝胶体应用于贵金属/衡量物质富集、生物给药、生物支架等应用领域。