一种高强度抗菌马齿苋水凝胶及其制备方法

技术领域

本发明属于水凝胶材料领域，特别涉及一种高强度抗菌马齿苋水凝胶及其制备方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

水凝胶是通过一定交联方式形成的具有三维网络状结构的含有大量水分的材料。其按照原料的来源，可分为天然高分子水凝胶和合成高分子水凝胶，而由两者结合制备的水凝胶为杂化水凝胶。天然高分子水凝胶可由天然多糖及其衍生物、天然蛋白、DNA、核酸和聚多肽等来制备。其中，天然高分子水凝胶不仅来源丰富，还具有优异的生物相容性，因此在组织工程、药物释放、再生医学等领域具有广阔的发展和应用前景。

然而，大多数天然高分子水凝胶的机械性能差，限制了它们在高强度机械性能领域的应用。具有高强度的水凝胶已经成为国内外研究的热点。为了提高水凝胶的机械性能，研究者们做了许多工作，提出了几种增强水凝胶的方法，包括茶叶蛋启发的高强度天然聚合物水凝胶，高强度和高导电性水凝胶用于可穿戴应变传感器。

尽管改善水凝胶的机械性能已经取得了一些进展，但是目前报道的大部分水凝胶存在着强度与韧性不能兼顾或需要复杂步骤和高成本合成等的不足，这都限制了水凝胶的应用范围。因此，用一种简单、快捷的方法来制备高强度水凝胶仍是一个巨大的挑战和紧迫任务。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种高强度抗菌马齿苋水凝胶以及制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面，提供了一种高强度抗菌马齿苋水凝胶的制备方法，包括：

将用以形成双网络凝胶的第一重网络的单体、用以形成双网络凝胶的第二重网络的单体、引发剂、交联剂、水混合均匀，紫外线光源辐照，引发聚合反应，得到双网络水凝胶；

将马齿苋粉碎、醇提，取滤液，浓缩、脱色、抽滤，得到马齿苋提取液；

将所述双网络水凝胶烘干后，浸渍在马齿苋提取液中，溶胀完全，即得。

本发明的第二个方面，提供了上述的方法制备的马齿苋水凝胶。

本发明的第三个方面，提供了上述的马齿苋水凝胶在组织工程、药物释放、再生医学领域中的应用。

本发明的有益效果

(1)本发明一方面生产工艺简单易行，制备工艺耗时短，能耗小，凝胶的制备只需30min-1h就可以完成，原料简单易得，生产成本低，无需经过复杂的改性处理，制备过程绿色安全，并且所制备的高强度抗菌马齿苋水凝胶对人体无害，也不会对环境造成二次污染；另一方面制备的水凝胶具有高强度抗菌的特点，其可见光透过率为97％，其拉伸强度为0.46MPa，拉伸应变达到400-1200％，马齿苋水凝胶对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的生长表现出了极好的抗菌活性，与空白对照相比，马齿苋水凝胶中没有发现细菌生长，对细菌有良好的抗菌能力。

(2)本发明制备方法简单、实用性强，易于推广。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示例性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施时具体实施流程图。

图2为本发明实施例2制备的水凝胶紫外可见光分光光度计测试的可见光透过率曲线图。

图3为本发明实施例1-3制备的水凝胶拉伸试验的应力-应变曲线图。

图4为本发明实施例2制备的水凝胶大肠杆菌和金黄葡萄球菌的实物图。

图5为本发明实施例2制备的水凝胶吸水性和结构稳定性测试图。

图6为本发明对比例1制备的水凝胶表面图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

一种高强度抗菌马齿苋水凝胶，其特征在于高强度抗菌马齿苋水凝胶由以下质量分数物质构成：用以形成双网络凝胶的第一重网络的单体约70％-80％，用于聚合形成双网络水凝胶的第二重网络的单体20％-30％，引发剂0.1％-0.11％，交联剂0.2％-0.22％，余量为去离子水，用于形成马齿苋水凝胶的马齿苋液等同于所用去离子水含量。

进一步的，所述的用以形成双网络凝胶的第一重网络的单体为丙烯酸，丙烯酰胺和γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷中的一种或任意两种及以上的组合，且当为两种以及两种以上组合时，各原料间混合比例为1:1。

为了使水凝胶在高效吸附马齿苋的同时，不影响其机械性能和润湿特性。本申请制备了基于具有三维网络结构的水凝胶，可以在水中形成水凝胶状态。同时，随着NVP等单体含量的增加，水凝胶在水中的吸水率增加。本发明的高吸水能力的水凝胶材料可应用在伤口敷料，有利于伤口渗出液的吸收，维持正常的湿润环境，有利于伤口愈合。由于硅烷偶联剂KH570中Si-O-Si链的存在，其吸水率＝206.67％，在吸水后还保持一定的结构稳定性。在实际应用时，具有良好的吸水性和结构稳定性的水凝胶不会导致过分溶胀而破裂变形。如下图5，水凝胶在干燥后再次溶胀，仍然保持良好的结构稳定性。因此水凝胶材料负载马齿苋液后不会导致过分溶胀而破裂变形，在实际应用中可以保持结构稳定性。

进一步的，所述的用以聚合形成双网络水凝胶的第二重网络的单体为N-乙烯基吡咯烷酮和氯化锌，各原料混合比例为1：1。

进一步的，所述的用于形成马齿苋水凝胶的马齿苋液来源于新鲜野生马齿苋。

进一步的，所述的引发剂为2，2-二乙氧基苯乙酮，2-羟基-4’-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮，1-羟基环己基苯丙酮，2-氧代戊二酸中的任一种。

进一步的，所述的交联剂为N，N-亚甲基双丙烯酰胺，乙二醇二甲基丙烯酸酯，二甲基丙烯酸二乙二醇酯，聚乙二醇二丙烯酸酯中的任一种。

一种高强度抗菌马齿苋水凝胶制备方法包括以下步骤：

第一步，混料。首先将去离子水添加到反应釜内，然后依次将用以形成双网络水凝胶的第一重网络的单体，用以聚合形成双网络水凝胶的第二重网络的单体，引发剂，交联剂添加到去离子水中，通过搅拌设备单向匀速搅拌10-30分钟，静置可得澄清混合液，其中搅拌速度为200-800转/分钟；

第二步，反应釜预制。将反应釜内空气通过负压泵排出，使反应釜内形成真空度为0.1-0.5MPa的真空环境，然后通入常温惰性气体，使反应釜内气压与外界环境气压保持一致，并重复该操作至少三次，使得反应釜内氧气含量不大于1％；

第三步，完成第二步作业后，向第二步制备得到的澄清混合液分装到成型模具中；

第四步，引发反应，完成第三步作业后，对模具中的澄清混合液进行405nm的紫外线光源辐照作业，且连续辐照30分钟-1小时即可得到成品水凝胶产品。

第五步，称取新鲜马齿苋，用粉碎机粉碎成马齿苋浆液，加入乙醇，搅拌提取，过滤掉马齿苋残渣得到滤液，将滤液进行旋转蒸发，加入活性炭搅拌脱色将所得脱色液抽滤，即得马齿苋提取液。

第六步，复配马齿苋液，完成第四步作业后，对水凝胶产品进行烘干处理，完全除去水分，然后浸泡在马齿苋溶液中，完全吸收溶胀后既得马齿苋水凝胶。

本申请采用浸渍法制备，一方面可以避免马齿苋有效成分在与其他单体共聚反应后活性失效，影响其抗菌能力，另一方面，可以使水凝胶内负载马齿苋最大化，相反的，马齿苋作为抗菌剂直接与其他单体混合反应，其用量也会影响水凝胶的力学性能和抗菌性能，另外，在反应过程中，也会不可避免的水凝胶与马齿苋液内多种活性物质共聚，影响水凝胶的网络结构，水凝胶力学性能上可能会有所减弱。

进一步的，所述的惰性气体为氮气或氩气中的任意一种。

进一步的，所述的新鲜马齿苋提取茎叶汁液，搅拌用乙醇萃取后，旋蒸过滤，脱色处理。

进一步的，所述的新鲜马齿苋提取茎叶汁液，提取所用乙醇浓度50％-75％，提取温度为50℃-70℃，提取时间为1h-2h。

进一步的，所述的新鲜马齿苋提取茎叶汁液，活性炭作脱色剂，脱色时间为30min-1h，脱色温度为20℃-80℃。

下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。

以下实施例中，按照GB/T 1040.3-2006，从水凝胶中提取多组哑铃试样用于机械强度测试，除非另有说明，否则拉伸测试是在环境条件(20℃，RH 40％)下使用CMT4204试验机上测定应力-应变曲线，为了避免夹具附近的系统性故障，将试样切成哑铃形样品，力学试验样品为哑铃型，拉伸速度为50mm/min，测试一式三份进行，记录平均值。

采用平板计数法验证水凝胶对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌活性。简言之，将细菌悬液(2×10

实施例1

第一步，混料。首先将去离子水添加到反应釜内，在去离子水(20g)中依次加入丙烯酸40.52％，丙烯酰胺39.97％，N-乙烯基吡咯烷酮15.62％和氯化锌3.83％，加入γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷0.06％，然后依次将用以聚合形成双网络水凝胶的引发剂0.22％，交联剂0.11％添加到去离子水中，通过搅拌设备单向匀速搅拌20分钟，静置可得澄清混合液，其中搅拌速度为400转/分钟；

第二步，反应釜预制。将反应釜内空气通过负压泵排出，使反应釜内形成真空度为0.3MPa的真空环境，然后通入常温惰性气体，使反应釜内气压与外界环境气压保持一致，并重复该操作至少三次，使得反应釜内氧气含量不大于1％；

第三步，完成第二步作业后，向第二步制备得到的澄清混合液分装到成型模具中；

第四步，引发反应，完成第三步作业后，对模具中的澄清混合液进行405nm的紫外线光源辐照作业，且连续辐照0.8小时即可得到成品水凝胶产品。

第五步，称取新鲜马齿苋，用粉碎机粉碎成马齿苋浆液，按照质量体积料液比1：3加入体积百分比75％为乙醇，在料液温度为70℃下搅拌提取2h，过滤掉马齿苋残渣得到滤液，将滤液进行旋转蒸发，加入质量分数为5％的活性炭脱色剂，在80℃下搅拌脱色2h，将所得脱色液抽滤，并用陶瓷膜过滤掉活性炭，即得马齿苋提取液。

第六步，完成第四步作业后，对水凝胶产品进行烘干处理，完全除去水分，然后将10g水凝胶浸泡在10ml步骤五制备的马齿苋提取液中，完全吸收溶胀后既得马齿苋水凝胶。

实施例2

第一步，混料。首先将去离子水添加到反应釜内，在去离子水(20g)中依次加入丙烯酸39.04％，丙烯酰胺38.51％，N-乙烯基吡咯烷酮15.05％和氯化锌7.38％，加入γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷0.06％，然后依次将用以聚合形成双网络水凝胶的引发剂0.22％，交联剂0.11％添加到去离子水中，通过搅拌设备单向匀速搅拌20分钟，静置可得澄清混合液，其中搅拌速度为400转/分钟；

第二步，反应釜预制。将反应釜内空气通过负压泵排出，使反应釜内形成真空度为0.3MPa的真空环境，然后通入常温惰性气体，使反应釜内气压与外界环境气压保持一致，并重复该操作至少三次，使得反应釜内氧气含量不大于1％；

第三步，完成第二步作业后，向第二步制备得到的澄清混合液分装到成型模具中；

第四步，引发反应，完成第三步作业后，对模具中的澄清混合液进行405nm的紫外线光源辐照作业，且连续辐照0.8小时即可得到成品水凝胶产品。

第五步，称取新鲜马齿苋，用粉碎机粉碎成马齿苋浆液，按照质量体积料液比1：3加入体积百分比75％为乙醇，在料液温度为70℃下搅拌提取2h，过滤掉马齿苋残渣得到滤液，将滤液进行旋转蒸发，加入质量分数为5％的活性炭脱色剂，在80℃下搅拌脱色2h，将所得脱色液抽滤，并用陶瓷膜过滤掉活性炭，即得马齿苋提取液。

第六步，完成第四步作业后，对水凝胶产品进行烘干处理，完全除去水分，然后将10g水凝胶浸泡在10ml步骤五制备的马齿苋提取液中，完全吸收溶胀后既得马齿苋水凝胶。

实施例3

第一步，混料。首先将去离子水添加到反应釜内，在去离子水(20g)中依次加入丙烯酸37.64％，丙烯酰胺37.12％，N-乙烯基吡咯烷酮14.51％和氯化锌10.68％，加入γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷0.06％，然后依次将用以聚合形成双网络水凝胶的引发剂0.21％，交联剂0.1％添加到去离子水中，通过搅拌设备单向匀速搅拌20分钟，静置可得澄清混合液，其中搅拌速度为400转/分钟；

第二步，反应釜预制。将反应釜内空气通过负压泵排出，使反应釜内形成真空度为0.3MPa的真空环境，然后通入常温惰性气体，使反应釜内气压与外界环境气压保持一致，并重复该操作至少三次，使得反应釜内氧气含量不大于1％；

第三步，完成第二步作业后，向第二步制备得到的澄清混合液分装到成型模具中；

第四步，引发反应，完成第三步作业后，对模具中的澄清混合液进行405nm的紫外线光源辐照作业，且连续辐照0.8小时即可得到成品水凝胶产品。

第五步，称取新鲜马齿苋，用粉碎机粉碎成马齿苋浆液，按照质量体积料液比1：3加入体积百分比75％为乙醇，在料液温度为70℃下搅拌提取2h，过滤掉马齿苋残渣得到滤液，将滤液进行旋转蒸发，加入质量分数为5％的活性炭脱色剂，在80℃下搅拌脱色2h，将所得脱色液抽滤，并用陶瓷膜过滤掉活性炭，即得马齿苋提取液。

第六步，完成第四步作业后，对水凝胶产品进行烘干处理，完全除去水分，然后将10g水凝胶浸泡在10ml步骤五制备的马齿苋提取液中，完全吸收溶胀后既得马齿苋水凝胶。

对比例1

与实施例1的不同之处在于，直接将马齿苋液与其他单体共聚，制备的水凝胶表面褶皱(如图6所示)，这会影响水凝胶的应用。

表1为不同比例下水凝胶力学性能。

表2为水凝胶抗菌性能。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。