一种基于壳聚糖的透明水凝胶及其制备方法

技术领域

本发明属于水凝胶技术领域，尤其涉及一种基于壳聚糖的透明水凝胶及其制备方法。

背景技术

随着生物材料与生物技术的发展，基于生物高分子的水凝胶的研究应运而生。生物高分子水凝胶结合了生物高分子与水凝胶的优点：生物高分子具有较好的生物相容性，而水凝胶的机械性能和灵活的加工性较为出众。许多自然界存在的高分子(称为天然高分子)都已在细胞培养、组织工程、可植入器件等领域得到应用。基于生物高分子的水凝胶材料也逐渐进入研究者们的视野。发展更接近生物组织、更绿色环保的新型生物高分子水凝胶，并将其应用到生物医药领域，是生物材料界未来的重点方向之一。

壳聚糖是一种天然多糖，又名去乙酰基甲壳素，由甲壳素部分脱乙酰基得到。甲壳素是地球上含量第二丰富的天然高分子(仅次于纤维素)，因此壳聚糖简单易得、产量巨大且成本低廉，适合用作生物高分子水凝胶。并且，壳聚糖的分子链上具有丰富的氨基和羧基，这些氨基和羧基能够与其他高分子交联或者自身交联。另外，壳聚糖的降解产物是无毒的寡糖，对人体和环境都较为友好。这些特性使壳聚糖成为生物医药应用的理想材料。

由于基于壳聚糖的水凝胶材料具有较好的生物相容性，且原料简单易得，提供了制备生物高分子水凝胶的新思路。近年来，一些壳聚糖水凝胶材料已经被用于生物医药领域，大多为壳聚糖与其他高分子形成的多组分水凝胶，例如卡拉胶或者聚丙烯酰胺。制备壳聚糖水凝胶主要有两种交联方式：物理交联和化学交联。反复冻融其他高分子与壳聚糖的混合物能够使壳聚糖的分子链与其他高分子的分子链相互缠结，从而形成网状结构，这种物理法制备的壳聚糖水凝胶通常具有较差的化学稳定性。化学交联虽然能够得到相对稳定坚韧的壳聚糖水凝胶，但是方法往往更为复杂，而且向材料中加入其他种类的高分子和交联剂也会损害材料的生物相容性和透明度。考虑到生物医药应用，壳聚糖水凝胶应该有很好的生物相容性、较高的含水量以及与人体组织相似的强度。然而，水凝胶通常很难同时做到较高含水量和较好的机械性能：现有的高含水量壳聚糖水凝胶通常很软，而机械强度高的又大概率含有生物相容性差的组分。

Ziliang Wu课题组设计制备了具有高强度的卡拉胶-壳聚糖水凝胶薄膜(Ultrathinκ-Carrageenan/Chitosan Hydrogel Films with High Toughness andAntiadhesion Property.ACS Appl.Mater.Interfaces 2018,10,10,9002–9009)，其利用物理法使壳聚糖分子链与卡拉胶分子链缠结，得到的水凝胶含水量在48％～88％，拉伸强度为2～6.7kPa。这种水凝胶薄膜的生物相容性比较好，但是含水量低，且由于薄膜厚度的限制，可操作性不强。

Decheng Wu课题组设计一种双网络壳聚糖水凝胶(Yang,Y.Y.；Wang,X.；Yang,F.；Wang,L.N.；Wu,D.C.Highly Elastic and Ultratough Hybrid Ionic-CovalentHydrogels with Tunable Structures and Mechanics.Advanced Materials 2018,30(18).)，其利用离子-共价交联得到由壳聚糖和聚丙烯酰胺组成的双网络水凝胶，具有非常好的机械性能，断裂拉伸应力可以达到5.6MPa，并且能够反复拉伸数十次。然而，在用硫酸盐溶液处理凝胶使其机械性能强化的过程中，该凝胶体系由透明变为了不透明，损失了透明度，在提高机械性能的同时也降低了含水量。另外，先化学交联再利用离子处理的过程中引入了大量反应物，降低了体系的生物相容性，合成过程繁琐。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种同时具有超高含水量、高透明度和较好的机械性能的基于壳聚糖的透明水凝胶及其制备方法。

本发明提供了一种基于壳聚糖的透明水凝胶，其特征在于，由壳聚糖与醛类小分子交联剂形成；所述醛类小分子交联剂包含羧基。

优选的，所述醛类小分子交联剂选自乙醛酸；所述壳聚糖的粘度大于等于400mPa·s。

优选的，所述壳聚糖与醛类小分子交联剂的物质的量比为1：(0.5～1.5)。

优选的，所述透明水凝胶经溶胀后的含水量大于99％。

优选的，所述透明水凝胶经溶胀后的断裂压缩应力为19～45kPa；断裂压缩应变为16％～30％。

本发明还提供了一种基于壳聚糖的透明水凝胶的制备方法，包括：

S)将壳聚糖与醛类小分子交联剂在水中混合，加热反应，得到基于壳聚糖的透明水凝胶。

优选的，混合后体系中壳聚糖的质量浓度为2％～4％；混合后体系中醛类小分子交联剂的质量浓度为1.4％～2％。

优选的，所述步骤S)具体为：

将壳聚糖分散在水中，然后在加热的条件下加入醛类小分子交联剂的水溶液，搅拌混合，得到粘性溶液；

将所述粘性溶液加热反应，得到基于壳聚糖的透明水凝胶。

优选的，所述壳聚糖与水的比例为(0.15～0.2)g：3ml；所述醛类小分子交联剂的水溶液中醛类小分子交联剂的浓度为0.03～0.04g/mL；所述加热的温度为45℃～50℃；所述搅拌混合的时间大于等于10～60min。

优选的，所述粘性溶液经除泡处理后，再进行加热反应，得到基于壳聚糖的透明水凝胶；所述加热反应的温度为70℃～80℃；加热反应的时间为4～6h。

本发明提供了一种基于壳聚糖的透明水凝胶，由壳聚糖与醛类小分子交联剂形成；所述醛类小分子交联剂包含羧基。与现有技术相比，本发明提供的基于壳聚糖的透明水凝胶以壳聚糖为水凝胶中唯一的高分子，利用含有羧基的醛类小分子交联剂进行交联，从而使得到的水凝胶同时具有超高含水量、高透明度和较好的机械性能。

进一步本发明还提供了上述基于壳聚糖的透明水凝胶的制备方法，在此方法中，壳聚糖在醛类小分子的作用下二次交联形成水凝胶，且该水凝胶的机械强度和饱和含水量均能通过调节初始投料比和投料浓度的方式来调节，是一种较为实用和灵活的制备方法。

实验表明，本发明制备的CSG水凝胶的含水量能够高达99.7％～99.9％，在可见光范围内透明度接近100％；同时，CSG水凝胶的断裂压缩强度在20～45kPa，这一强度与动物的肌腱相近。这种水凝胶的超高含水量、高透明度以及能够媲美生物组织的强度使其能够应用于生物医药领域。

附图说明

图1为本发明实施例1中基于壳聚糖的透明水凝胶制备过程及成品照片；

图2为本发明实施例1中冷冻干燥处理后的水凝胶的描电镜照片；

图3为本发明实施例1～实施例4中不同组分的CSG水凝胶的压缩曲线图；

图4为本发明实施例1中得到的CSG水凝胶的紫外-可见光光谱图；

图5为本发明实施例1中得到的CSG水凝胶的照片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种基于壳聚糖的透明水凝胶，由壳聚糖与醛类小分子交联剂形成；所述醛类小分子交联剂包含羧基。

所述壳聚糖优选为高粘度壳聚糖；所述壳聚糖的粘度优选大于等于400mPa·s，再优选为400mPa·s～800mPa·s；所述醛类小分子交联剂优选为乙醛酸。

所述壳聚糖与醛类小分子交联剂的物质的量比优选为1：(0.5～1.5)，更优选为1：(0.7～1.5)，再优选为1：(0.78～1.4)；在本发明提供的一些实施例中，所述壳聚糖与醛类小分子交联剂的物质的量比具体为1：1.05、1：0.78或1：1.4。

本发明提供的基于壳聚糖的透明水凝胶胶经溶胀后的含水量优选大于99％，且含水量还可通过投料比及投料浓度做相应调整；在本发明提供的实施例中，所述基于壳聚糖的透明水凝胶经溶胀后的含水量具体为99.7％、99.2％、99.4％或99.9％。

本发明提供的基于壳聚糖的透明水凝胶经溶胀后的断裂压缩应力优选为19～45kPa；在本发明提供的实施例中，所述基于壳聚糖的透明水凝胶经溶胀后的断裂压缩应力具体为45kPa、23kPa、21kPa或19kPa；其断裂压缩应变优选为16％～30％；在本发明提供的实施例中，所述基于壳聚糖的透明水凝胶经溶胀后的断裂压缩应变具体为26％、19％、30％或16％。

本发明提供的基于壳聚糖的透明水凝胶以壳聚糖为水凝胶中唯一的高分子，利用含有羧基的醛类小分子交联剂进行交联，从而使得到的水凝胶同时具有超高含水量、高透明度和较好的机械性能。

本发明还提供了一种上述基于壳聚糖的透明水凝胶的制备方法，包括：S)将壳聚糖与醛类小分子交联剂在水中混合，加热反应，得到基于壳聚糖的透明水凝胶。

其中，本发明对所有原料的来源并没有特殊的限制，为市售即可；所述壳聚糖与醛类小分子交联剂的种类及比例均同上所述，在此不再赘述；在本发明中，如无特殊说明，所述壳聚糖的物质的量按其单链节进行计算。

将壳聚糖与醛类小分子交联剂在水中混合；在本发明中优选先将壳聚糖分散在水中，然后在加热的条件下加入醛类小分子交联剂的水溶液，搅拌混合；所述壳聚糖与水的比例优选为(0.15～0.2)g：3ml；所述醛类小分子交联剂的水溶液中醛类小分子交联剂的浓度优选为0.03～0.04g/mL；所述加热的温度优选为45℃～50℃；所述搅拌混合的时间优选大于等于10min，更优选为20～30min；混合后体系中壳聚糖的质量浓度优选为2％～4％，更优选为2.39％～3.17％；混合后体系中醛类小分子交联剂的质量浓度优选为1.4％～2％，更优选为1.43％～1.91％。

混合后得到粘性溶液，将所述粘性溶液加热反应，得到基于壳聚糖的透明水凝胶；在本发明中优选先将所述粘性溶液经除泡处理后，再进行加热反应，得到基于壳聚糖的透明水凝胶；所述除泡处理的方法为本领域技术人员熟知的方法即可，并无特殊的限制，本发明中优选为静置或超声处理；除泡后的粘性溶液优选被吸到注射器中再进行加热反应；所述注射器的体积视粘性溶液的体积进行选择；所述加热反应的温度优选为70℃～80℃；所述加热反应的时间优选为4～6h。

加热反应后，优选在水中或含水溶液中经充分溶胀，可得到具有超高含水量、高透明度和较好的机械性能的透明水凝胶，且该透明水凝胶的强度可比拟肌腱。

本发明通过壳聚糖与乙醛酸反应使壳聚糖分子链上的氨基反应变为羰基，生成的羰基再与壳聚糖链上自身含有的其他氨基再次交联从而得到透明水凝胶，一方面乙醛酸具有酸性，能帮助壳聚糖在水中更好地分散溶解，另一方面，乙醛酸与壳聚糖上的氨基反应，将其变为羰基，利于下一步交联，使壳聚糖形成交联度较低、含水量较高的透明水凝胶；并且本发明避免了在合成水凝胶时引入其他高分子或者毒性交联剂，采用一步法合成，过程简单无害，同时解决了高含水量和高机械强度不能共存的问题，还可根据需求调节投料比，得到强度与含水量各异的透明水凝胶。

为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种基于壳聚糖的透明水凝胶及其制备方法进行详细描述。

以下实施例中所用的试剂均为市售。

实施例1

(1)取0.12g一水合乙醛酸，室温溶于3mL去离子水，得到溶液A。

(2)将0.2g高粘度壳聚糖(>400mPa s)分散于3mL去离子水中，50℃加热并磁力搅拌条件下加入全部体积的溶液A，继续加热搅拌20min，得到澄清微黄有粘性的溶液B。

(3)取溶液B超声处理一分钟，去除小气泡，吸取到1mL注射器中，盖好注射器盖子，放置在70℃的烘箱内。

(4)4h后，取出注射器，推出凝胶，浸泡在过量的去离子水中，溶胀后得到基于壳聚糖的透明水凝胶(CSG水凝胶)。

其中，在这个反应体系中，壳聚糖的投料质量浓度为3.16％，乙醛酸的投料质量浓度为1.90％，壳聚糖与乙醛酸的投料物质的量比为1:1.05(壳聚糖按单链节计算)，得到的凝胶命名为CSG-HH。

实施例2

(1)取0.09g一水合乙醛酸，室温溶于3mL去离子水，得到溶液A。

(2)将0.2g高粘度壳聚糖(>400mPa s)分散于3mL去离子水中，50℃加热并磁力搅拌条件下加入全部体积的溶液A，继续加热搅拌20min，得到澄清微黄有粘性的溶液B。

(3)取溶液B超声处理一分钟，去除小气泡，吸取到1mL注射器中，盖好注射器盖子，放置在70℃的烘箱内。

(4)4h后，取出注射器，推出凝胶，浸泡在过量的去离子水中，溶胀后得到CSG水凝胶。

其中，在这个反应体系中，壳聚糖的投料质量浓度为3.17％，乙醛酸的投料质量浓度为1.43％，壳聚糖与乙醛酸的投料物质的量比为1:0.78(壳聚糖按单链节计算)，得到的凝胶命名为CSG-HL。

实施例3

(1)取0.12g一水合乙醛酸，室温溶于3mL去离子水，得到溶液A。

(2)将0.15g高粘度壳聚糖(>400mPa s)分散于3mL去离子水中，50℃加热并磁力搅拌条件下加入全部体积的溶液A，继续加热搅拌20min，得到澄清微黄有粘性的溶液B。

(3)取溶液B超声处理一分钟，去除小气泡，吸取到1mL注射器中，盖好注射器盖子，放置在70℃的烘箱内。

(4)4h后，取出注射器，推出凝胶，浸泡在过量的去离子水中，溶胀后得到CSG水凝胶。

其中，在这个反应体系中，壳聚糖的投料质量浓度为2.39％，乙醛酸的投料质量浓度为1.91％，壳聚糖与乙醛酸的投料物质的量比为1:1.40(壳聚糖按单链节计算)，得到的凝胶命名为CSG-LH。

实施例4

(1)取0.09g一水合乙醛酸，室温溶于3mL去离子水，得到溶液A。

(2)将0.15g高粘度壳聚糖(>400mPa s)分散于3mL去离子水中，50℃加热并磁力搅拌条件下加入全部体积的溶液A，继续加热搅拌20min，得到澄清微黄有粘性的溶液B。

(3)取溶液B超声处理一分钟，去除小气泡，吸取到1mL注射器中，盖好注射器盖子，放置在70℃的烘箱内。

(4)4h后，取出注射器，推出凝胶，浸泡在过量的去离子水中，溶胀后得到CSG水凝胶。

其中，在这个反应体系中，壳聚糖的投料质量浓度为2.40％，乙醛酸的投料质量浓度为1.44％，壳聚糖与乙醛酸的投料物质的量比为1:1.05(壳聚糖按单链节计算)，得到的凝胶命名为CSG-LL。

图1为实施例1中基于壳聚糖的透明水凝胶制备过程及成品照片，其中图1a为分散在去离子水中的壳聚糖；图1b为加入乙醛酸水溶液之后的混合溶液B，为呈现微黄色的粘性液体；图1c展示了交联后形成了水凝胶，将反应瓶倒置，凝胶不会流动；图1d和1e展示了溶胀后的CSG凝胶，此时凝胶的含水量很高，呈现透明的颜色，且能够一定程度地弯曲。

将实施例1中得到的基于壳聚糖的透明水凝胶进行冷冻干燥处理(在-20℃冷冻24小时，之后将凝胶放入冷冻干燥机，在压强低至1Pa，冷阱温度低至-55℃的条件下冻干8小时)后，利用扫描电子显微镜对冷冻干燥处理后的水凝胶进行分析，得到其扫描电镜照片如图2所示。由图2可看出交联的壳聚糖分子链形成了亚单元。由图2a内图可看出，水分子被去除之后，凝胶呈现海绵状；图2a和2b展示了由壳聚糖分子链组成的片状的亚单元；图2c和2d中，片为几百纳米厚，堆叠在一起组成了CSG水凝胶。在片与片之间存在空隙，因此当CSG水凝胶溶胀时能够包含大量的水分子。

对实施例1～实施例4中得到的CSG水凝胶的机械性能进行测试。CSG水凝胶从蒸馏水中取出，擦干表面的水，取高9～11mm，底面直径10mm的CSG水凝胶圆柱体，用压缩机测其力学性能，得到不同组分的CSG水凝胶的压缩曲线如图3所示。由图3可知，CSG水凝胶在断裂前最大可以压缩到原长的30％，可承受最大应力约为45kPa。

将不同组分的断裂压缩应力、断裂压缩应变和含水量绘制成表格，如表1。由表1可知，当含水量上升时，断裂压缩应力会部分下降，断裂压缩应变也会下降，但在含水量在99.7％时，即CSG-HH，断裂压缩应力达到最大值，同时断裂压缩应变也维持在较好的水平，这一条件是实施例1～实施例4中结果最好的一组。

表1不同组分水凝胶的断裂压缩应力、断裂压缩应变以及含水量

图4为实施例1中得到的CSG水凝胶的紫外-可见光光谱图。由图4可以看出，在400～800nm范围内，CSG水凝胶的吸收几乎为0，因此接近100％透明。

图5为实施例1中得到的CSG水凝胶的照片，由图5实际展示可说明CSG水凝胶的高透明度。图5a和5b中，CSG水凝胶分别立放、倒放于图案上，可以看到红色的数字“1958”透过CSG水凝胶清晰可见。图5c和5d展示了研究人员将水凝胶从水中捞起的过程。图5c的水中并不能看到凝胶的存在，但图5d中研究人员将凝胶捞起，才能肉眼看到，说明CSG水凝胶具有非常好的透明度，这一点对于CSG水凝胶在细胞培养和组织工程中的应用是非常有益的。