抗菌性高强度壳聚糖/肝素钠离子复合物自组装水凝胶膜的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种抗菌性高强度壳聚糖/肝素钠离子复合物自组装水凝胶膜的制备方法，先配制CS水溶液、HAS水溶液和醋酸水溶液，再将CS溶液和HAS溶液滴加进醋酸溶液中实现自组装过程，恒温蒸干水分得到干燥薄膜。将薄膜在去离子水中溶胀平衡，即得CS/HAS水凝胶薄膜。一方面，CS分子链可与HAS分子链通过静电吸引作用形成离子复合物；另一方面，CS分子链上多余的游离氨基之间可以形成氢键。由于静电吸引作用和氢键的协同作用，使形成的水凝胶薄膜具有高强度与韧性，同时，得到的CS/HAS水凝胶薄膜还具有良好的抗菌性。本发明专利技术的制备过程操作简便，可用作伤口敷料或生物表皮组织替代品，具有广阔的应用前景。

Preparation of Self-assembled Hydrogel Films of Antibacterial High Strength Chitosan/Heparin Sodium Ion Complexes

The invention discloses a preparation method of self-assembled hydrogel film of anti-bacterial high-strength chitosan/heparin sodium ion complex. Firstly, CS aqueous solution, HAS aqueous solution and acetic acid aqueous solution are prepared, then CS solution and HAS solution are dripped into acetic acid solution to realize self-assembly process, and drying film is obtained by steaming and drying water at constant temperature. CS/HAS hydrogel films were prepared by equilibrium swelling of the films in deionized water. On the one hand, CS molecular chains and HAS molecular chains can form ionic complexes by electrostatic attraction; on the other hand, hydrogen bonds can be formed between the redundant free amino groups on CS molecular chains. Because of the synergistic action of electrostatic attraction and hydrogen bond, the hydrogel film formed has high strength and toughness. At the same time, the CS/HAS hydrogel film obtained also has good antimicrobial properties. The preparation process of the invention is simple and convenient, and can be used as wound dressing or bioepidermal tissue substitute, and has broad application prospects.

【技术实现步骤摘要】
抗菌性高强度壳聚糖/肝素钠离子复合物自组装水凝胶膜的制备方法
本专利技术属于高分子材料
，具体的说是一种抗菌性高强度离子复合物水凝胶膜的制备方法。
技术介绍
水凝胶是由亲水性聚合物构成的具有三维网状结构的高含水材料，柔软且有较好的弹性。由于这一与生物体软组织相似的特性，水凝胶在组织工程领域有着广泛的潜在应用。近年来，以水凝胶作为医用敷料、人工皮肤等研究成为国内外研究者的热点。然而，传统的水凝胶多以化学交联法制备，机械性能较低，且在凝胶网络发生破坏后难以修复，无法满足生物医学中的应用要求。因此为了赋予水凝胶自修复性能，越来越多地引入物理交联网络。Liu等人Liu,X.,etal.(2017)."Rapidlyself-recoverableandfatigue-resistanthydrogelstoughenedbychemicalcrosslinkingandhydrophobicassociation."EuropeanPolymerJournal89:185-194.通过引入化学交联和物理相互作用，设计出了优异韧性的物理/化学杂化双交联水凝胶。共聚物分子链之间通过化学交联形成的网络可以赋予水凝胶足够的强度，保持稳定的形态，同时引入疏水单体间形成的疏水缔合作用作为动态交联中心，提供了一种有效地能量消耗机制。合成的杂化双交联水凝胶具有良好的韧性和抗疲劳性能，但未见报道其具有良好的拉伸强度。Hu等人Hu,Y.,etal.(2018)"Dual-CrosslinkedAmorphousPolysaccharideHydrogelsBasedonChitosan/AlginateforWoundHealingApplications."MacromolecularRapidCommunications(2018):e1800069.通过Ca2+作为物理交联剂设计了双物理交联复合水凝胶。一方面，聚阳离子聚合物壳聚糖与聚阴离子聚合物海藻酸钠通过静电吸引作用形成物理交联。另一方面，Ca2+与海藻酸钠分子链上的羧基形成配位。通过这种方法合成的水凝胶可以作为表皮生长因子的良好载体，促进细胞增殖和伤口愈合的进程。但是Ca2+与海藻酸钠的配位作用主导而抑制了分子链间的静电吸引作用，这种水凝胶的强度较弱(储能模量小于1.5kPa)，大大限制了其在多种场合的应用。Yu等人Yu,H.C.,etal.(2018)."Ultrathinκ-carrageenan/chitosanhydrogelfilmswithhightoughnessandanti-adhesionproperty."AcsApplMaterInterfaces10(10):9002-9009.采用带相反电荷的壳聚糖(CS)与卡拉胶(κ-CG)制备了具有良好韧性和抗细胞粘附性能的多糖基水凝胶薄膜。除CS与κ-CG分子链之间形成的静电吸引作用之外，CS分子链间和κ-CG分子链间也形成了氢键。通过离子键与氢键的协同作用，赋予了水凝胶薄膜优异的自修复性能(拉伸后静置2h的自修复效率达到90％)。然而，由于CS与κ-CG的均为高分子量多糖(分子量均在10万以上)，这样分子链间无规线团的缠结非常严重，也会抑制了分子链单元配对的静电吸引作用，这样该优选复合比的水凝胶的含水率相对较低(约为60％)，韧性也相对较小(破坏应变约为90％)，限制了其在生物组织修复材料方面的应用。之前的研究表明，多相聚合物之间只有形成适当的拓扑结构才会实现较高的机械性能。传统多相水凝胶多通过自由基聚合制备，难以控制均匀的聚合效果。而通过聚阴、阳离子天然聚合物在适当条件下自组装形成离子复合物高性能水凝胶，已成为一项迫切和重要的工作。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决上述技术问题，提供一种工艺简单、操作易控、原料易得、成本较低、周期较短的高强度、高韧性的离子复合物水凝胶薄膜的制备方法。技术方案的具体步骤如下：1)将壳聚糖(CS)、醋酸(HAc)加入去离子水中，在搅拌溶解后得到透明的溶液；2)将肝素钠(HAS)加入去离子水中，在搅拌溶解后得到透明的溶液；3)将HAc加入去离子水中，在搅拌溶解后得到透明的溶液；4)将步骤(1)和步骤(2)得到的溶液同时滴加到步骤(3)所得溶液中，滴加的同时搅拌，得到均一的白色乳液，将所得乳液倒入模具中，恒温蒸干水分以得到干燥的CS/HAS薄膜，将所得CS/HAS薄膜在去离子水中溶胀平衡，得到CS/HAS水凝胶薄膜。优选地，所述步骤(4)得到的白色乳液中，HAS与CS的质量比为10：(6～10)。优选地，步骤(4)中，同一时间CS与HAS的加入到步骤(3)所得溶液中的质量之比为10：(6～10)。优选地，步骤(4)中，CS与HAS溶液的滴加速度均为0.25～0.5mL/min。优选地，所述步骤(1)得到的混合溶液中，CS的质量分数为：2g/L，HAc的质量分数为6～10g/L。优选地，所述步骤(2)得到的混合溶液中，HAS的质量分数为1.2～2g/L。优选地，所述步骤(3)中，HAc的质量浓度为6～10g/L。优选地，所述步骤(1)和步骤(2)中搅拌溶解的温度为40～50℃，搅拌速度为300～500RPM，搅拌时间为0.5～1.5小时。优选地，所述步骤(3)中控制搅拌时的温度为25℃，搅拌速度为300～500RPM，搅拌时间为0.5～1.5小时。所述步骤(4)中搅拌溶解的温度为室温，搅拌速度为300～500RPM，搅拌时间为8～10小时。所述步骤(4)中控制溶液蒸干时的温度为60～80℃。一种抗菌性高强度壳聚糖/肝素钠(CS/HAS)离子复合物自组装水凝胶薄膜，采用上述方法制备得到。本专利技术还公开了上述抗菌性高强度壳聚糖/肝素钠(CS/HAS)离子复合物自组装水凝胶薄膜在伤口敷料及生物表皮组织替代品中的应用。本专利技术通过聚阳离子电解质CS和聚阴离子电解质HAS之间的静电吸引作用制备离子复合物自组装水凝胶薄膜。在制备过程中，CS分子链上质子化的氨基和HAS分子链上的磺酸基之间通过强的静电吸引作用形成离子复合物，同时CS分子链上还存在游离的质子化氨基。将干燥的薄膜在去离子水中溶胀平衡的过程中，随着薄膜中的HAc不断地被透析出来，CS分子链上的游离氨基之间形成了氢键。静电吸引作用和氢键的协同作用，赋予了该水凝胶薄膜优异的机械性能。在外界应力下，静电吸引作用提供了有效的能量耗散机制，使水凝胶薄膜具有好的韧性，氢键作用则为水凝胶薄膜提供了较高的模量与强度。同时，两种物理交联作用均可以在破坏时自发地重新形成，从而使该水凝胶表现出优异的自修复性能。本专利技术制备的离子复合物水凝胶薄膜无需化学交联剂，也能够有效避免引入化学交联所带来的种种问题。制备工艺简单易控，制备的水凝胶结构均匀，具有自由成型、高强度、高韧性与自修复等优点，这将成为制备一种抗菌性高强度离子复合物自组装水凝胶薄膜的普遍方法。专利技术人在实验中发现：HAS质量分数过低时，制得的CS/HAS水凝胶薄膜强度低，性能不稳定；HAS质量分数过高时，水凝胶薄膜难以成型，不易制备。HAc的作用是提供pH6.3以下的弱酸环境，促进CS分子链上氨基发生质子化，使CS溶解。HAc的质量分数过高，影响CS与HAS分子链间离子复合物的形成；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种抗菌性高强度壳聚糖/肝素钠(CS/HAS)离子复合物自组装水凝胶薄膜的制备方法，其特征在于：具体步骤如下：1)将壳聚糖(CS)、醋酸(HAc)加入去离子水中，在搅拌溶解后得到透明的溶液；2)将肝素钠(HAS)加入去离子水中，在搅拌溶解后得到透明的溶液；3)将HAc加入去离子水中，在搅拌溶解后得到透明的溶液；4)将步骤(1)和步骤(2)得到的溶液同时滴加到步骤(3)所得溶液中，滴加的同时搅拌，得到均一的白色乳液，将所得乳液倒入模具中，恒温蒸干水分以得到干燥的CS/HAS薄膜，将所得CS/HAS薄膜在去离子水中溶胀平衡，得到CS/HAS水凝胶薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种抗菌性高强度壳聚糖/肝素钠(CS/HAS)离子复合物自组装水凝胶薄膜的制备方法，其特征在于：具体步骤如下：1)将壳聚糖(CS)、醋酸(HAc)加入去离子水中，在搅拌溶解后得到透明的溶液；2)将肝素钠(HAS)加入去离子水中，在搅拌溶解后得到透明的溶液；3)将HAc加入去离子水中，在搅拌溶解后得到透明的溶液；4)将步骤(1)和步骤(2)得到的溶液同时滴加到步骤(3)所得溶液中，滴加的同时搅拌，得到均一的白色乳液，将所得乳液倒入模具中，恒温蒸干水分以得到干燥的CS/HAS薄膜，将所得CS/HAS薄膜在去离子水中溶胀平衡，得到CS/HAS水凝胶薄膜。2.如权利要求1所述的水凝胶薄膜的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)得到的白色乳液中，HAS与CS的质量比为10：(6～10)。3.如权利要求1所述的水凝胶薄膜的制备方法，其特征在于：步骤(4)中同一时间CS与HAS的加入到步骤(3)所得溶液中的质量之比为10：(6～10)。4.如权利要求1所述的水凝胶薄膜的制备方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：李学锋，舒萌萌，龙世军，张奕坤，彭雪银，肖龙亚，黎勋，
申请(专利权)人：湖北工业大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42