CN109721744B - 一种基于硼酸酯键的自修复抗菌水凝胶 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于硼酸酯键的自修复抗菌水凝胶。所述自修复抗菌水凝胶由PEG衍生物与聚乙烯醇制备得到，PEG衍生物按照包括如下步骤的方法制备：PEG‑COOH、含有醛基的硼酸化合物、含有羟基的有机胺和异腈经Ugi反应即得；PEG‑COOH为两端羧基封端的聚乙二醇。本发明通过Ugi反应制备了含有硼酸基团和酚结构的聚乙二醇衍生物(PEG‑Ugi)。当PEG‑Ugi的水溶液与PVA水溶液混合后，二者通过硼酸基团与PVA结构中的羟基反应生成硼酸酯键，快速形成水凝胶。由于硼酸酯键属于动态化学键，酚结构具有抗菌功能，因此得到的水凝胶具有自修复能力并具有抗菌性，是一类新型的抗菌性自愈性水凝胶。本发明方法使用安全且廉价易得的原料制备水凝胶，制备方法简单，成胶条件温和，具有较好的应用价值。

Description

一种基于硼酸酯键的自修复抗菌水凝胶

技术领域

本发明涉及一种基于硼酸酯键的自修复抗菌水凝胶，属于材料领域。

背景技术

自修复水凝胶是一种新型智能材料，在食品、生物医药、农业、工业涂料等多个领域具有巨大的潜在应用价值，这些领域均对材料的抗菌性有一定需求，因此具有抗菌能力的自修复水凝胶具有更好的附加值和应用前景。传统方法制备抗菌水凝胶主要是将抗菌化合物(小分子药物、金属盐/纳米粒子等)包埋于水凝胶中，通过抗菌化合物的缓释实现抗菌。然而，抗菌化合物释放后易导致环境危害，以释放重金属盐/纳米颗粒实现抗菌功能的水凝胶更面临严格的环境管理要求。因此，发展新型抗菌性自愈性水凝胶具有一定的迫切性。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于硼酸酯键的自修复抗菌水凝胶，本发明采用安全且廉价易得的原料制备水凝胶，制备方法简单，成胶条件温和，具有较好的应用价值。

本发明首先提供一种PEG衍生物(PEG-Ugi)的制备方法，包括如下步骤：

PEG-COOH、含有醛基的硼酸化合物、含有羟基的有机胺和异腈经Ugi反应即得到所述PEG衍生物；

所述PEG-COOH为两端羧基封端的聚乙二醇。

上述的制备方法中，所述PEG-COOH由酸酐与聚乙二醇反应得到；

不同链段的PEG(聚乙二醇)都适用于本发明，具体地，所述聚乙二醇(PEG)的分子量可为1000～4000，如PEG1000、PEG2000、PEG3000、PEG4000等。

上述的制备方法中，所述酸酐可为邻苯二甲酸酐、丁二酸酐或马来酸酐等。

上述的制备方法中，所述含有醛基的硼酸化合物可为含有醛基的苯硼酸；具体可为4-醛基苯硼酸。

上述的制备方法中，所述含有羟基的有机胺可为含有氨基的苯酚；具体可为4-氨基-2-甲氧基苯酚。

所述异腈可为异氰环己烷。

上述的制备方法中，所述Ugi反应的温度可为25～60℃，时间可为6～24小时，如在60℃的条件下反应10小时；

所述Ugi反应可采用甲醇作为溶剂；反应结束后采用***沉淀后收集所述PEG衍生物。

上述的制备方法中，所述PEG-COOH、所述含有醛基的硼酸化合物、所述含有羟基的有机胺与所述异腈的摩尔比可为1：1.5～3：1.5～3：2～5，如1：3：3：5。

通常制备多功能聚合物需要通过多步反应，不仅步骤繁多，而且分离提纯过程较为复杂，产率较低且成本较高。多组分反应使用两个以上反应底物，通过一步反应快速得到多功能化合物，大幅简化了合成多功能化合物的步骤与成本。本发明利用Ugi反应，将硼酸基团与酚结构通过一步反应接到PEG端基，快速制备了多功能PEG衍生物(PEG-Ugi)。

在所述PEG衍生物(PEG-Ugi)的基础上，本发明进一步提供了一种具有自修复能力的抗菌水凝胶，由所述PEG衍生物与聚乙烯醇(PVA)制备得到，是利用所述PEG衍生物中的基团与所述PVA中的羟基反应生成硼酸酯键实现连接；

具体地，所述PVA的聚合度可为500～1700，醇解度为88～99％，如PVA1788、PVA1799、PVA0588等均使用于成胶。

具体地，所述PEG衍生物的溶液与所述聚乙烯醇的溶液混合，经震荡后即得到所述水凝胶，成胶时间可为10～60秒；

可采用PBS溶液配制所述PEG衍生物的溶液和所述聚乙烯醇的溶液；

所述PBS溶液的pH值为7～8；

所述PEG衍生物的溶液的质量浓度可为5～12％，如8～12％、8～10％、10～12％、8％、10％或12％；

所述聚乙烯醇的溶液的质量浓度可为5～10％，如8％；

所述PEG衍生物的溶液与所述聚乙烯醇的溶液的体积比可为1：0.5～2，如1：1。

本发明利用廉价易得的材料快速制备水凝胶。聚乙烯醇(PVA)是一种广泛应用于纺织、食品、医药、建筑、造纸、农业、高分子化工等行业的水溶性材料，廉价易得且具有较好的生物安全性。PVA结构中的羟基可以与硼酸结合生成硼酸酯键，本发明利用这一反应将PVA与制备的多功能PEG-Ugi混合，通过PEG-Ugi结构中的硼酸根与PVA结构中的羟基反应生成硼酸酯，从而实现了两种高分子的交联并得到水凝胶。硼酸酯是动态化学键且形成速度较快，故利用这一反应制备的水凝胶具有自修复能力和较快的成胶速度(受到外界损伤时会自我修复从而恢复原来的功能和结构)。

本发明上述提供的具有自修复能力的抗菌水凝胶，即为一种具有抗菌功能的自修复水凝胶材料为抗菌水凝胶提供一种新思路。传统的抗菌水凝胶大多是通过在水凝胶内包埋抗菌化合物获得抗菌功能，抗菌化合物释放后易造成未知的环境危害。同时，抗菌化合物释放后，水凝胶的抗菌能力也会显著下降。相比而言，本发明使用大分子抗菌材料(PEG-Ugi)作为成胶因子，抗菌基团直接连接在水凝胶骨架中，因此这种水凝胶安性较好且具有持续稳定的抗菌能力。

本发明通过Ugi反应制备了含有硼酸基团和酚结构的聚乙二醇(PEG)衍生物(PEG-Ugi)。当PEG-Ugi的水溶液与聚乙烯醇(PVA)水溶液混合后，二者通过硼酸基团与PVA结构中的羟基反应生成硼酸酯键，快速形成水凝胶。由于硼酸酯键属于动态化学键，酚结构具有抗菌功能，因此得到的水凝胶具有自修复能力并具有抗菌性，是一类新型的抗菌性自愈性水凝胶。本发明方法使用安全且廉价易得的原料制备水凝胶，制备方法简单，成胶条件温和，具有较好的应用价值。

附图说明

图1为邻苯二甲酸酐与PEG合成PEG-COOH的反应路线。

图2为PEG-Ugi的合成反应路线(图2a))和PEG-Ugi的¹H-NMR和¹¹B-NMR谱图(图2b))。

图3为水凝胶的形成示意图。

图4为水凝胶的流变分析及SEM图，其中，图4a)为水凝胶的流变分析，图4b)为水凝胶的SEM图。

图5为水凝胶的自修复图片。

图6为水凝胶自修复能力分析，其中，图6a)为水凝胶线性粘弹区范围扫描，图6b)为交替应变下水凝胶的模量变化图。

图7为成胶因子PEG-Ugi对大肠杆菌的最小抑菌浓度分析。

图8为成胶因子PEG-Ugi对金黄葡萄球菌的最小抑菌浓度分析。

图9为水凝胶的抗菌性能分析，其中图9a)为大肠杆菌抗菌图，图9b)为金黄葡萄球菌抗菌图片；对照组为明胶。

具体实施方式

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实施例1、PEG-Ugi的制备

1、PEG-COOH的制备

合成路线如图1所示。

将PEG3000溶于甲苯后旋蒸除去甲苯，如此重复三次，除去PEG中的水分。

上述无水PEG溶于超干四氢呋喃中，再加入两倍量的邻苯二甲酸酐，一当量三乙胺。在反应瓶上接干燥管，室温反应3小时左右。将反应液倒入***中沉淀，抽滤收集得到白色固体。将白色固体置于真空干燥器中干燥至恒重，即可获得PEG-COOH。

2、PEG-Ugi的制备

合成路线图如图2a)所示。

将PEG-COOH溶于甲醇，再依次加入3当量4-醛基苯硼酸、3当量4-氨基2-甲氧基苯酚、5当量异氰环己烷。反应液在45℃下保持10小时。在反应液中加入***生成沉淀，离心(6000转/分钟，4分钟)后收集固体沉淀。得到的固体沉淀在真空干燥器中干燥至恒重，得到PEG-Ugi。

由图2b)所示的¹H-NMR和¹¹B-NMR(内插图)谱图可知，本实施例得到了目标PEG衍生物PEG-Ugi。

实施例2、水凝胶的制备

1、PVA溶液的制备

将PBS溶液(pH值为7.4)加热至90℃左右，再加入一定量的PVA粉末，搅拌过夜，得到PVA的PBS溶液，质量浓度为8％。

2、PEG-Ugi溶液的制备

将一定量的PEG-Ugi加入PBS溶液中，震荡使其完全溶解，得到PEG-Ugi的PBS溶液，质量浓度为8％。

3、水凝胶的制备

取相同体积的PVA的PBS溶液与PEG-Ugi的PBS溶液，二者混合后迅速剧烈震荡约2～5s，如图3所示。。

按照上述方法将PEG-Ugi的PBS溶液中PEG-Ugi的浓度调整为10％和12％制备水凝胶。

实施例3、水凝胶性质测试

1、水凝胶胶强测试

制备圆饼状水凝胶样品(直径～20mm，室温～25℃)，静置约1小时后将其放在平行板的下板测试台上，修整其形状使之与测试平行板吻合。在设置条件下采集数据(剪切模量-频率扫描测试模式；应变1％；频率扫描范围：0.1rad/s至100rad/s)。结果如图4a)所示，随着PEG-Ugi固含量的增加，水凝胶的胶强呈现出增长的趋势，说明水凝胶胶强具有可调节性。

取少量水凝胶，冻干后通过SEM观察其微观结构。如图4b)所示，水凝胶失水坍缩后，其表面依旧可以看到有孔隙残留，说明水凝胶具有网状结构。

2、水凝胶自修复性能的测试

定性表征：将实施例2制备的水凝胶(PEG-Ugi质量浓度为12％，PVA质量浓度为8％)制备成直径约3厘米的圆饼，在其中间打孔(模拟损伤，孔径～1厘米)。将水凝胶静置，每隔一段时间观察所打圆孔的变化。结果如图5所示，可见圆孔逐渐缩小直至完全消失，证实该水凝胶具有自修复能力。

定量表征：水凝胶是否具有剪切变稀性质是其是否具有自修复能力的基础。本发明利用流变仪定量表征该水凝胶的剪切变稀性质，测试过程如下：对水凝胶施加大应变破坏其三维网络结构，再采用小应变观察水凝胶的三维网络是否得以恢复。通过交替改变应变的大小，测试水凝胶三维网络的破坏-恢复过程，验证水凝胶的三维交联网络结构在被破坏后的可逆恢复特性。

首先测试该水凝胶的线性粘弹范围。对水凝胶进行剪切模量-应变范围(1～1000％)扫描，当弹性模量G’下降，G’值小于粘性模量G”时，判定为水凝胶的网络结构已经破坏。如图6a)所示，水凝胶在400％应变下凝胶网络结构已经破坏。以此为参考，选用对水凝胶的网络结构有破坏的大应变(400％)和处于线性粘弹区的小应变(1％)，交替施加在水凝胶样品上，进行连续时间扫描(频率1Hz)，测试观察剪切模量的变化。结果如图6b)所示，水凝胶的三维网络在大应变条件下遭到破坏，破损的三维网络在小应变条件下得以重新构建，水凝胶的强度完全恢复至破坏前的水平，证实该水凝胶具有较好的自修复能力。

实施例4、抗菌性测试

1、PEG-Ugi的最小抑菌浓度测试

利用实施例1制备的PEG-Ugi分别配置8mg/mL、4mg/mL、2mg/mL、1mg/mL、0.5mg/mL的营养肉汤溶液。取大肠杆菌或金黄葡萄球菌菌液，用肉汤稀释至约10⁶CFU/mL。将PEG-Ugi溶液与菌液按体积比1：1混合，在620nm下测试溶液的紫外吸光度。24小时后，再次测量，根据紫外吸光度值增长计算最小抑菌浓度。结果如图7(大肠杆菌)和图8(金黄葡萄球菌)所示，可以看出PEG-Ugi浓度分别在2mg/mL以及8mg/mL时，大肠杆菌以及金黄葡萄球菌的生长得到了抑制，表明聚合物PEG-Ugi具有一定的抗菌能力。

2、水凝胶的抗菌性测试

按照实施例2中的方法，在圆形模具中分别制备上述自愈性水凝胶(PEG-Ugi质量浓度为12％，PVA质量浓度为8％)与明胶水凝胶(对照组)。将两种水凝胶分别放在固体培养基的两端，在水凝胶顶部放置一小块琼脂，并取2uL菌液(～10⁶CFU/mL)加在琼脂上，之后将培养基放在37℃培养箱中。每培养24h拍照，观察菌落生长情况。结果如图9所示(图9a)为大肠杆菌；图9b)为金黄葡萄球菌)，明胶水凝胶在加菌液24小时后，大肠杆菌与金黄葡萄球菌均越过水凝胶在固体培养基上向外生长，而PEG-Ugi与PVA混合形成的水凝胶在加菌液48小时后才能在固体培养基上看到有菌生长，表明该自修复水凝胶具有一定的抗菌能力。

Claims (13)

1.一种PEG衍生物的制备方法，包括如下步骤：

PEG-COOH、含有醛基的硼酸化合物、含有羟基的有机胺和异腈经Ugi反应即得到所述PEG衍生物；

所述PEG-COOH为两端羧基封端的聚乙二醇。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述PEG-COOH由酸酐与聚乙二醇反应得到。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述酸酐为邻苯二甲酸酐、丁二酸酐或马来酸酐。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法，其特征在于：所述含有醛基的硼酸化合物为含有醛基的苯硼酸。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述含有羟基的有机胺为含有氨基的苯酚；

所述异腈为异氰环己烷。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述Ugi反应的温度为25~60℃，时间为6~24小时。

7.权利要求1-6中任一项所述方法制备的PEG衍生物。

8.权利要求7所述PEG衍生物在制备抗菌水凝胶中的应用。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征子在于：所述抗菌水凝胶为具备自修复能力的抗菌水凝胶。

10.一种水凝胶，由权利要求7所述PEG衍生物与聚乙烯醇制备得到。

11.根据权利要求10所述的水凝胶，其特征在于：所述PEG衍生物的溶液与所述聚乙烯醇的溶液混合，经震荡后即得到所述水凝胶。

12.根据权利要求11所述的水凝胶，其特征在于：采用PBS溶液配制所述PEG衍生物的溶液和所述聚乙烯醇的溶液；

所述PEG衍生物的溶液的质量浓度为8~12%；

所述聚乙烯醇的溶液的质量浓度为8~12%；

所述PEG衍生物的溶液与所述聚乙烯醇的溶液的体积比为1：0.5~2。

13.权利要求7所述PEG衍生物或权利要求10-12中任一项所述水凝胶在抗菌或制备抗菌产品中的应用。

Images