CN112625649B - 一种由芬顿试剂引发的明胶基水凝胶粘合剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种由芬顿试剂引发的明胶基水凝胶粘合剂，采用明胶(Gel)和丙烯酰化的环糊精(ACD)为原料，加入2,3,4‑三羟基苯甲醛(THB)，利用芬顿试剂(H2O2和Fe2+)引发ACD自由基聚合，并借此引入Fe3+，从而得到一种对于多种基质材料具有广泛粘附性的水凝胶粘合剂。该水凝胶粘合剂对于PMMA、玻璃、猪皮等基质材料都具有广泛粘附性，在生物医学领域有着巨大的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及水凝胶材料技术领域，特别是涉及一种由芬顿试剂引发的明胶基水凝胶粘合剂及其制备方法和应用。
背景技术
水凝胶是指聚合物分子链通过物理、离子或者共价键的相互作用交联在一起，形成的含有大量水的三维网络聚合物材料。由于其结构的特殊性，尤其是它高含水量的特点，决定了水凝胶材料拥有独特的性能，并且在生物医学领域有着广阔的应用前景。
急慢性皮肤创伤是临床当中常见的问题，伤口敷料通常起到预防伤口感染、快速闭合伤口、促进伤口愈合以及减少瘢痕形成的作用。水凝胶伤口敷料具有能够维持潮湿的伤口环境、吸收组织渗出液、透氧、冷却伤口表面从而减缓疼痛等的优势，各种功能性水凝胶伤口敷料相继被报道。凝胶伤口敷料通常需要具有一定的组织粘附性，使其能够贴合、固定在创伤部位，并且具有机械顺应性，可以自发地适应、贴合于动态非线性表面，适应人体的肢体动作。
被囊动物能够自发愈合被囊处所受的损伤，究其原因，在于被囊蛋白当中含有大量的3,4-二羟基苯丙氨酸和3,4,5-三羟基苯丙氨酸，而其中起关键作用的结构是邻苯二酚以及邻苯三酚单元。受此启发，连苯三酚结构可应用到水凝胶材料中，赋予凝胶材料粘附性。
芬顿试剂属于一种氧化还原引发体系，在许多研究当中作为乙烯基单体聚合或接枝过程中的自由基引发剂。芬顿试剂由H2O2和和亚铁盐所组成，其主要作用机理在于，H2O2与Fe2+反应可生成羟基自由基和Fe3+，而羟基自由基可继续引发乙烯基单体中的双键进行自由基聚合。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种由芬顿试剂引发的明胶基水凝胶粘合剂，采用明胶(Gel)和丙烯酰化的环糊精(ACD)为原料，加入2,3,4-三羟基苯甲醛(THB)，利用芬顿试剂(H2O2和Fe2+)引发ACD自由基聚合，并借此引入Fe3+，从而得到一种对于多种基质材料具有广泛粘附性的水凝胶粘合剂。该水凝胶粘合剂对于PMMA、陶瓷、铁金属、玻璃、猪皮等基质材料都具有广泛粘附性，在生物医学领域有着巨大的应用前景。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种由芬顿试剂引发的明胶基水凝胶粘合剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：分别配制FeCl2或FeSO4水溶液和明胶水溶液；
步骤2：将所述FeCl2或FeSO4水溶液加入到加热55-65℃的明胶水溶液中，充分溶解得溶液A；
步骤3：配制2,3,4-三羟基苯甲醛(THB)和丙烯酰化环糊精(ACD)的混合水溶液，并加入H2O2，混合均匀得溶液B；
步骤4：将溶液B加入至溶液A中，充分混合均匀，静置成胶，得到明胶基水凝胶粘合剂。
在上述技术方案中，在步骤1中，所述FeCl2水溶液或FeSO4水溶液的浓度为0.2-0.3mol/L，优选0.2mol/L；所述明胶水溶液中明胶的质量与水的体积比例为(0.1-0.2)：400，明胶质量单位为g，体积单位为ul，(0.1-0.2g明胶与400μL去离子水溶胀之后体积约为500-600μL)。
在上述技术方案中，在步骤2中，所述FeCl2水溶液或FeSO4水溶液的体积与所述明胶水溶液中水的体积比为1：4。
在上述技术方案中，步骤3中，所述混合水溶液中2,3,4-三羟基苯甲醛、丙烯酰化环糊精和去离子水的质量比为(1.54-30.8)：(10-100)：200，优选15.4：(50-100)：200，其中每份质量单位为mg；所述H2O2水溶液的浓度为30wt％，所述H2O2水溶液与所述混合水溶液的体积比为3：300。
在上述技术方案中，步骤4中，所述溶液B与所述溶液A的体积比为3：7。
基于上述物料比例，FeCl2或FeSO4在明胶基水凝胶粘合剂中的浓度为20-30mmol/L，优选20mmol/L；明胶在明胶基水凝胶粘合剂中的质量分数为10-20wt％；2,3,4-三羟基苯甲醛在明胶基水凝胶粘合剂中的浓度为0.01-0.2mol/L，优选0.1mol/L；丙烯酰化环糊精在明胶基水凝胶粘合剂中的质量分数为1-10wt％，优选5-10wt％。
在上述技术方案中，步骤3中，所述静置成胶的温度为30-40℃，优选37℃；所述静置成胶的时间为3-5min。
本发明的另一个目的，利用上述制备方法制备的明胶基水凝胶粘合剂。
在上述技术方案中，当2,3,4-三羟基苯甲醛浓度为0.1mol/L时，所述明胶基水凝胶粘合剂的粘附强度为20-140KPa。
在上述技术方案中，所述明胶基水凝胶粘合剂的粘附强度随丙烯酰化环糊精的浓度增加而增大。
本发明的另一个目的，上述明胶基水凝胶粘合剂在生物医学领域的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明提供的由芬顿试剂引发的明胶基水凝胶粘合剂的制备方法，通过芬顿试剂，可以在温和条件下完成聚合反应，不需要光、热等条件的刺激，用于制备水凝胶时，可简单通过控制芬顿试剂的用量来控制成胶时间。
2.本发明提供的明胶基水凝胶粘合剂随着ACD含量的提高，凝胶对于各种基材的粘附强度逐渐增大，这主要是由于ACD含量提高，分子链交联密度增大，凝胶内部交联网络更加密集，凝胶本体强度增大，使得体现出来的凝胶粘附强度增大。
3.采用明胶(Gel)和丙烯酰化的环糊精(ACD)为原料，加入2,3,4-三羟基苯甲醛(THB)，利用芬顿试剂(H2O2和Fe2+)引发ACD自由基聚合，并借此引入Fe3+，从而得到一种对于多种基质材料具有广泛粘附性的水凝胶粘合剂。该水凝胶粘合剂对于PMMA、陶瓷、铁金属、玻璃、猪皮等基质材料都具有广泛粘附性，在生物医学领域有着巨大的应用前景。
附图说明
图1所示为凝胶(Gel-THB-ACD-20-0.1-10)的流变学时间扫描图。
图2所示为不同ACD含量的凝胶对于不同基质材料的粘附强度。
其中，a为凝胶(Gel-THB-20-0.1)，b为凝胶(Gel-THB-ACD-20-0.1-5)，c为凝胶(Gel-THB-ACD-20-0.1-10)。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明中水凝胶的制备原料中，明胶、THB、FeSO4·7H2O和H2O2水溶液均为购买试剂。
其中，明胶来源于美国Sigma-Aldrich公司(规格：Type A,from porcine skin)；THB来源于天津希恩思生化科技有限公司(纯度97％)；FeSO4·7H2O来源于上海阿拉丁生化科技股份有限公司(分析纯)，过氧化氢溶液(双氧水)来源于上海麦克林生化科技有限公司(30wt.％in H2O)。
丙烯酰化环糊精(ACD)为实验室制备。制备方法参考文献“MechanicallyResilient,Injectable,and Bioadhesive Supramolecular Gelatin HydrogelsCrosslinked by Weak Host-Guest Interactions Assist Cell Infiltration and InSitu Tissue Regeneration”，具体操作如下：
将10gβ-环糊精、130mL DMF、7mL三乙胺加入至放在冰水浴中的500mL圆底烧瓶中，搅拌使其完全溶解，随后在冰水浴的环境下将恒压滴液漏斗中溶有5mL丙烯酰氯的20mLDMF溶液缓慢逐滴加入到圆底烧瓶中并搅拌，滴加完成之后保持冰水浴的低温环境，继续反应12h。反应完成后进行抽滤，取滤液，在60℃条件下真空旋蒸至剩余约20mL浓缩液，将其用600mL丙酮进行沉降，最后进行抽滤、干燥，得到的白色粉末即为丙烯酰化环糊精(ACD)。
实施例1
制备明胶、THB、ACD含量分别为20wt％、0.1mol/L、10wt％的凝胶(Gel-THB-ACD-20-0.1-10)。
用电子天平称取0.2g明胶于4mL离心管中，用移液枪准确移取400μL去离子水加入其中，随后放置于60℃下，使明胶充分溶解得明胶水溶液。
用电子天平称取0.0556g FeSO4·7H2O溶于1mL去离子水中，涡旋使其完全溶解，配制成0.2mol/L的FeSO4水溶液，放在一旁备用。
用移液枪准确移取100μL上述FeSO4水溶液，趁热加入至溶解好的明胶溶液中，涡旋使分散均匀得溶液A。
用电子天平称取0.0154g THB、0.1g ACD于4mL离心管中，用移液枪准确移取200μL去离子水加入其中，经涡旋使其溶解，再用移液枪移取3μL H2O2水溶液(30wt％)加入其中，涡旋使其分散均匀得溶液B。
将所得溶液B加入至上述溶液A当中，迅速涡旋使两者充分混合，随后37℃将其静置一段时间，即可得到凝胶(Gel-THB-ACD-20-0.1-10)1g，体积为1mL。其中，FeSO4在凝胶(Gel-THB-ACD-20-0.1-10)中的浓度为20mmol/L；明胶在凝胶(Gel-THB-ACD-20-0.1-10)中的质量分数为20wt％；2,3,4-三羟基苯甲醛在凝胶(Gel-THB-ACD-20-0.1-10)中的浓度为0.1mol/L；丙烯酰化环糊精在凝胶(Gel-THB-ACD-20-0.1-10)中的质量分数为10wt％。
须在明胶溶液趁热状态下，将Fe2+加入，并迅速将加入H2O2的ACD、THB混合溶液加入其中，避免Fe2+被提前氧化。
芬顿试剂由H2O2和Fe2+组成，其作用机理在于，两者反应可生成羟基自由基和Fe3+，而羟基自由基可继续引发ACD中的双键进行自由基聚合，从而与明胶分子组成互穿网络；静置成胶过程中，THB中的醛基与明胶中的氨基可发生希夫碱反应，从而形成亚胺键使THB的邻苯三酚结构修饰到明胶分子链上，另外，Fe3+一方面可氧化邻苯三酚，促进共价偶联，另一方面可与明胶中的羧基络合，形成离子交联，从而促进分子链间的交联与缠结，形成凝胶网络。环糊精中的环状空腔结构可与明胶、THB中的苯环发生主客体相互作用，从而增大凝胶内部交联密度，使交联网络更加密集。
实施例2
制备明胶、THB、ACD含量分别为20wt％、0.1mol/L、5wt％的凝胶(Gel-THB-ACD-20-0.1-5)。
用电子天平称取0.2g明胶于4mL离心管中，用移液枪准确移取400μL去离子水加入其中，随后放置于60℃下，使明胶充分溶解得明胶水溶液。
用电子天平称取0.0556g FeSO4·7H2O溶于1mL去离子水中，涡旋使其完全溶解，配制成0.2mol/L的FeSO4水溶液，放在一旁备用。
用移液枪准确移取100μL上述FeSO4水溶液，趁热加入至溶解好的明胶溶液中，涡旋使分散均匀得溶液A。
用电子天平称取0.0154g THB、0.05g ACD于4mL离心管中，用移液枪准确移取200μL去离子水加入其中，经涡旋使其溶解，再用移液枪移取3μL H2O2水溶液(30wt％)加入其中，涡旋使其分散均匀得溶液B。
将所得溶液B加入至上述溶液A当中，迅速涡旋使两者充分混合，随后37℃将其静置一段时间，即可得到凝胶(Gel-THB-ACD-20-0.1-5)。
对比例1
制备明胶、THB含量分别为20wt％、0.1mol/L的凝胶(Gel-THB-20-0.1)。
用电子天平称取0.2g明胶于4mL离心管中，用移液枪准确移取400μL去离子水加入其中，随后放置于60℃下，使明胶充分溶解得明胶水溶液。
用电子天平称取0.0556g FeSO4·7H2O溶于1mL去离子水中，涡旋使其完全溶解，配制成0.2mol/L的FeSO4水溶液，放在一旁备用。
用移液枪准确移取100μL上述FeSO4水溶液，趁热加入至溶解好的明胶溶液中，涡旋使分散均匀得溶液A。
用电子天平称取0.0154g THB于4mL离心管中，用移液枪准确移取200μL去离子水加入其中，经涡旋使其溶解，再用移液枪移取3μL H2O2水溶液(30wt％)加入其中，涡旋使其分散均匀得溶液B。
将所得溶液B加入至上述溶液A当中，迅速涡旋使两者充分混合，随后37℃将其静置一段时间，即可得到凝胶(Gel-THB-20-0.1)。
实施例3
本实施例是在实施例1、2和对比例1的基础上介绍其性能。
图1为实施例1中凝胶(Gel-THB-ACD-20-0.1-10)的流变学时间扫描图，其中芬顿试剂H2O2和Fe2+均为20mM，表征其成胶时间以及凝胶强度，测试条件确定为频率1Hz、应变1％、温度37℃。将明胶/Fe2+溶液与加入H2O2的THB、ACD溶液混合后，马上进行流变学时间扫描，测试结果表明，该组分凝胶成胶时间约为3min，并且随着熟化时间的延长，G’数值增大，即凝胶强度增大，且1h内凝胶强度变化并未趋于平稳，依然有增大的趋势。
将混合液迅速涡旋使其混合均匀后，在其凝胶化之前的粘性流体状态下，将其涂抹于各种基材的表面，通过分子渗透以及与邻苯三酚单元相关的各种物理化学相互作用(如共价偶联、氢键、金属离子配位等)，可使原位固化的水凝胶材料粘附于所用基材的表面。将两片基材的表面通过该水凝胶粘合剂粘合到一起，利用搭接剪切粘附测试来测定其粘附强度。
采用搭接剪切粘附测试表征凝胶对于各种基质材料的粘附强度，具体操作步骤如下，将约200μL还未凝胶完全的黏性前体溶液均匀涂抹于片状基材(基质材料规格为70×20×2mm)表面，随后立即错位搭接另一块同样的基材(搭接面积约为15×20mm)，轻轻按压使凝胶在基材中间更加贴合，随后将搭接好的粘附样品密封放置于37℃恒温箱中2h。采用万能拉力试验机进行测试，拉伸速率固定为50mm min-1，粘附强度(AS)按照F/S进行计算，其中F为搭接样品拉伸时的最大载荷(N)，S为搭接面积(m2)。
图2为不同ACD含量的凝胶对于不同基质材料(PMMA、玻璃、猪皮)的粘附强度，其中的明胶与THB含量分别确定为20wt％、0.1M不变。测试结果表明，在测试范围内，随着ACD含量的提高，凝胶对于各种基材的粘附强度逐渐增大，这主要是由于ACD含量提高，分子链交联密度增大，凝胶内部交联网络更加密集，凝胶本体强度增大，使得体现出来的凝胶粘附强度增大。
依照本发明内容进行工艺参数调整，均可制备本发明的明胶基水凝胶，并表现出与实施例1基本一致的性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (12)
1.一种由芬顿试剂引发的明胶基水凝胶粘合剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：分别配制FeCl2或FeSO4水溶液和明胶水溶液；
步骤2：将所述FeCl2或FeSO4水溶液加入到加热55-65℃的明胶水溶液中，充分溶解得溶液A；
步骤3：配制2,3,4-三羟基苯甲醛和丙烯酰化环糊精的混合水溶液，并加入H2O2水溶液，混合均匀得溶液B；
步骤4：将溶液B加入至溶液A中，充分混合均匀，静置成胶，得到明胶基水凝胶粘合剂。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤1中，所述FeCl2水溶液或FeSO4水溶液的浓度为0.2-0.3mol/L；所述明胶水溶液中明胶的质量与水的体积比例为（0.1-0.2）：400。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述FeCl2水溶液或FeSO4水溶液的浓度为0.2mol/L。
4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在步骤2中，所述FeCl2水溶液或FeSO4水溶液的体积与所述明胶水溶液中水的体积比为1：4。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述混合水溶液中2,3,4-三羟基苯甲醛、丙烯酰化环糊精和去离子水的质量比为（1.54-30.8）：（10-100）：200，优选15.4：（50-100）：200；所述H2O2水溶液的浓度为30 wt%，所述H2O2水溶液与所述混合水溶液的体积比为3：300。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述混合水溶液中2,3,4-三羟基苯甲醛、丙烯酰化环糊精和去离子水的质量比为15.4：（50-100）：200。
7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤4中，所述溶液B与所述溶液A的体积比为3：7。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述静置成胶的温度为30-40℃，优选37℃；所述静置成胶的时间为3-5min。
9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述静置成胶的温度为37℃。
10.利用权利要求1-9任一项所述的制备方法制备的明胶基水凝胶粘合剂。
11.如权利要求10所述的明胶基水凝胶粘合剂，其特征在于，当2,3,4-三羟基苯甲醛浓度为0.1 mol/L时，所述明胶基水凝胶粘合剂的粘附强度为20-140KPa。
12.如权利要求10所述的明胶基水凝胶粘合剂，其特征在于，所述明胶基水凝胶粘合剂的粘附强度随丙烯酰化环糊精的浓度增加而增大。
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