一种POSS杂化海藻酸钠基刺激响应水凝胶的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种具有强度、高溶胀度及刺激响应性的POSS杂化海藻酸钠基水凝胶，该凝胶由双网络构成，其中第一网络为P（DMAMEA‑AAc）有机交联网络，第二网络为POSS离子交联的海藻酸纳凝胶，两者比例介于80：20‑60：40之间。该凝胶具有优异的力学性能，良好的生物相容性、显著的温度/PH值双响应性、快速的响应速率，可应用于生物医药领域。

Preparation of a POSS Hybrid Sodium Alginate-based Stimulation Response Hydrogel

【技术实现步骤摘要】
一种POSS杂化海藻酸钠基刺激响应水凝胶的制备方法
本专利技术属智能水凝胶的制备方法，特别是涉及一种具有高强度的，高溶胀度且具有明显温度、pH值双响应性的生物质基水凝胶的制备方法。
技术介绍
高分子凝胶是指三维网络结构的高分子化合物与溶剂组成的体系，其中的高分子以范德华力，化学键力，物理缠绕力，氢键力等连接。由于它是一种三维网络立体结构，它不溶解于溶剂，但可溶胀。凝胶的制备和构成主要为合成的聚合物材料以及生物质材料，其中生物质材料包括纤维素、壳聚糖、甲壳素、海藻酸钠、明胶、透明质酸等。生物质凝胶具有合成凝胶所没有的优势，如具有良好的生物相容性，低细胞毒性、可降解性等，但同时，生物质凝胶和合成聚合物凝胶相比，也具有力学性能较差、不具备明显响应特性，功能性不足等缺陷。而针对以上的缺陷，多种不同的策略被用于改善。如在凝胶增强上，采用纳米物质复合增强，双网络的构建等，如加入纳米纤维素、纳米蒙脱土、纳米粘土等均被用于增强，而在双网络构建中，多个弱电解质网络被应用。响应型高分子凝胶是其结构、物理性质、化学性质可以随外界环境改变而变化的高分子凝胶。当这种凝胶受到环境刺激时其结构和特性(主要是体积)会随之响应，如当溶剂的组成、pH值、离子强度、温度、光强度和电磁场等刺激信号发生变化时，或受到特异的化学物质的刺激时，凝胶的体积会发生突变，呈现体积相转变行为。即当凝胶受到外界刺激时，凝胶网络内的链段有较大的构象变化，呈现溶胀相或收缩相，因此凝胶系统发生相应的形变：一旦外界刺激消失时，凝胶系统有自动恢复到内能较低的稳定状态的趋势。在响应型凝胶中，应用最为广泛的为温敏敏感凝胶和pH值敏感凝胶，因其刺激源容易实现，尤其是温度和pH值是人体内环境的指标，故常被应用于药物缓释及组织工程领域。在本专利技术中，所涉及的海藻酸钠是从褐藻类的海带或马尾藻中提取碘和甘露醇之后的副产物，其分子由β-D-甘露糖醛酸（β-D-mannuronic，M）和α-L-古洛糖醛酸（α-L-guluronic，G）按（1→4）键连接而成，是一种天然多糖。传统上，海藻酸钠用作片剂的粘合剂或速释片的崩解剂。但近年来，海藻酸纳在不同的生物医药领域的应用不断扩展，利用海藻酸纳在pH小于3时产生凝胶或在氯化钙的存在下发生离子交换从而产生凝胶的特性，海藻酸钠凝胶已经被越来越广泛的应用，如作为三维支架、模拟皮肤组织等。但其强度和响应性的确实仍对应用带来了困难。在本专利技术中，采用了一种新型的纳米POSS电解质，作为氯化钙的替代品。多面体低聚倍半硅氧烷(Polyhedraloligomericsilsesquioxane,POSS)是一种新型的有机无机纳米颗粒,于1946年首次合成。POSS的分子通式为(RSiO1.5)8,式中的R是有机取代基,可以为H、烷基、芳基等惰性基团和乙烯基、氨基等活性基团,同时分子具有无机骨架且分子尺寸在1~3nm之间。惰而近年来，POSS已被广泛应用于生物领域，并发现具有非常好的生物相容性。同时，POSS也被运用于水凝胶中被用于提高凝胶的力学性能、解溶涨速率或将功能性引入水凝胶中。而对于响应性的提高，本专利技术中采用了DMAMEA为温敏和pH响应单体，构成双网络凝胶，既有利于强度的增加，也为凝胶带来响应性。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了提供一种水凝胶的制备方法，尤其是提供一种具有良好生物相容性的，具有高强度的，具有明显温度、pH值双响应性的海藻酸钠基水凝胶的制备方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：（1）称取一定量海藻酸纳溶于pH=8的弱碱性水中，制备得到质量浓度为3-5%的海藻酸钠水溶液，将一定质量的单体甲基丙烯酸二甲氨基乙酯、丙烯酸、交联剂二乙二醇二甲基丙烯酸酯，光引发剂2959，促进剂四甲基乙二胺加入以上海藻酸钠水溶液中并在冰水浴中搅拌30分钟得到均匀水溶液A，其中甲基丙烯酸二甲氨基乙酯、丙烯酸、交联剂二乙二醇二甲基丙烯酸酯、光引发剂2959、促进剂四甲基乙二胺的质量浓度分别达到10-16%、3-5%、0.6-1.2%、0.3-0.6%，0.05-0.1%；（2）将水溶液A暴露在紫外光源照射下引发6小时，后放置于-20oC中冷冻聚合48小时得到预聚凝胶A；（3）将预聚凝胶A于-40oC中冷冻真空干燥24小时，得到预聚气凝胶B；（4）20oC下将一定量八氨盐基笼状倍半硅氧烷加入去离子水中，超声振荡并搅拌至均匀分散，得到水溶液B，在水溶液B中加入缓冲液调解水溶液pH值至8-8.5之间，水溶液B中八氨盐基笼状倍半硅氧烷的质量浓度为1.5-2%；（5）将预聚气凝胶B在20oC下完全浸入水溶液B中浸置48小时，后取出浸入大量pH=3的醋酸水溶液中浸泡12小时，得到最终凝胶。进一步，所述海藻酸钠在20oC下的质量分数为1%水溶液粘度介于500-600mPa之间。进一步，所述pH=8的弱碱性水采用纯水加入氢氧化钠的方式制备。进一步，水溶液B和醋酸水溶液质量均超过预聚气凝胶B质量的30倍。进一步，所述单体甲基丙烯酸二甲氨基乙酯（DMAEMA）为温度、pH敏感性单体，其分子结构如下所示：其中的叔胺基可在低温下与水产生氢键，使得分子链在水中呈舒展状态，而高温下氢键破坏，使得分子链在水中呈收缩状态，这使得DMAEMA制备的水凝胶呈现温度响应性。同时，当DMAEMA在酸性环境中（pH＜7），叔胺基将质子化形成离子而变得亲水，碱性条件下（pH＜7）这种质子化被抑制，从而导致此种凝胶的pH响应性。而具有类型性质的大分子，如乙基丙烯酸二甲氨基乙酯，甲基丙烯酸二甲氨基丙酯等均适用与本专利所描述的制备方法。进一步，所述单体丙烯酸（AAc）为阳离子型单体，其分子结构如下所示：其中的酸基可解离成离子从而使得凝胶产生更大的溶胀特性。进一步，所述八氨盐基笼状倍半硅氧烷(OaPOSS)为POSS的改性产物。此POSS单体因为有大量氨盐基的存在，使得单体具有良好的水溶性。其结构式如下：其中，OaPOSS角落的八个氨盐基在一定酸碱度环境下更容易解离，形成正离子，在和海藻酸钠混合后起到类似钙离子的作用，通过离子交换形成交联效果，从而形成凝胶，这种交联方式除了有离子交换作用外，也存在一定的物理交联效果。进一步，所述光引发剂2959为2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮）。进一步，所述紫外光源的发光波长峰值介于250-300nm之间。进一步，所述水溶液D和醋酸水溶液的质量均超过气凝胶B的30倍，水溶液D的质量为保证有足够的POSS离子进入气凝胶B中实现海藻酸钠的离子交换交联；醋酸水溶液的质量是用于保证足够的酸度以完善海藻酸钠的交联以实现内部结构均匀。进一步，本专利技术的技术特点的实现和优势如下：（1）以P（DMAMEA-AAc）为柔性网络，以OaPOSS交联的海藻酸纳为刚性网络，双网络的配合从而形成更好的力学承载结构；尤其是纳米OaPOSS在凝胶中更起到了应力分散点的效果，进一步强化了凝胶的机械性能；（2）在PDMAMEA网络中引入AAc共聚一方面可以提高凝胶的亲水性和溶胀能力，另一方面由于其亲水性及酸性则有利于POSS粒子溶液进入预聚气凝胶B以实现完全交联；亲水性网络加入有效提高了传统海藻酸钠凝胶的溶胀度；（3）采用了冷冻聚合的方式使得预聚凝胶内部充满孔洞结构，有利于OaPO本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种POSS杂化海藻酸钠基刺激响应水凝胶的制备方法，其特征为：凝胶按以下步骤制备：（1）称取一定量海藻酸纳溶于pH=8的弱碱性水中，制备得到质量浓度为3‑5%的海藻酸钠水溶液，将一定质量的单体甲基丙烯酸二甲氨基乙酯、丙烯酸、交联剂二乙二醇二甲基丙烯酸酯，光引发剂2959， 促进剂四甲基乙二胺加入以上海藻酸钠水溶液中并在冰水浴中搅拌30分钟得到均匀水溶液A，其中甲基丙烯酸二甲氨基乙酯、丙烯酸、交联剂二乙二醇二甲基丙烯酸酯、光引发剂2959、促进剂四甲基乙二胺的质量浓度分别达到10‑16%、3‑5%、0.6‑1.2%、0.3‑0.6%，0.05‑0.1%；（2）将水溶液A暴露在紫外光源照射下引发6小时，后放置于‑20

【技术特征摘要】
1.一种POSS杂化海藻酸钠基刺激响应水凝胶的制备方法，其特征为：凝胶按以下步骤制备：（1）称取一定量海藻酸纳溶于pH=8的弱碱性水中，制备得到质量浓度为3-5%的海藻酸钠水溶液，将一定质量的单体甲基丙烯酸二甲氨基乙酯、丙烯酸、交联剂二乙二醇二甲基丙烯酸酯，光引发剂2959，促进剂四甲基乙二胺加入以上海藻酸钠水溶液中并在冰水浴中搅拌30分钟得到均匀水溶液A，其中甲基丙烯酸二甲氨基乙酯、丙烯酸、交联剂二乙二醇二甲基丙烯酸酯、光引发剂2959、促进剂四甲基乙二胺的质量浓度分别达到10-16%、3-5%、0.6-1.2%、0.3-0.6%，0.05-0.1%；（2）将水溶液A暴露在紫外光源照射下引发6小时，后放置于-20oC中冷冻聚合48小时得到预聚凝胶A；（3）将预聚凝胶A于-40oC中冷冻真空干燥24小时，得到预聚气凝胶B；（4）20oC下将一定量八氨盐基笼状倍半硅氧烷加入去离子水中，超声振荡并搅拌至均匀分散，得到水溶液B，在水...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈一，胡嘉炜，
申请(专利权)人：湖南工业大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43