【技術(shù)領(lǐng)域】

本發(fā)明屬于天然高分子材料領(lǐng)域，特別涉及殼聚糖交聯(lián)2，5-呋喃二甲醛水凝膠的制備方法。

背景技術(shù)：

水凝膠是具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的聚合物，在水中能夠吸收大量水分而溶脹，并在溶脹之后能夠繼續(xù)保持其原有結(jié)構(gòu)而不被溶解。近年來對水凝膠的研究和開發(fā)工作異常活躍，尤其是對具有生物相容性水凝膠已成為研究熱點并獲得了許多喜人的成就，己廣泛應(yīng)用于細(xì)胞分離與培養(yǎng)、組織工程、固定化酶、藥物的控制釋放和靶向藥物等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

已知市場上常見的水凝膠可由諸如殼聚糖、淀粉以及聚乙烯醇多羥基類聚合物制備。其中，殼聚糖水凝膠被認(rèn)為是可生物降解和生物相容，這增加了其用于醫(yī)療、制藥、化妝品和組織構(gòu)建領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。殼聚糖是商業(yè)可得的天然的高分子聚合物，見于諸如甲殼動物、蝦、蟹、真茵等生物的細(xì)胞骨架和硬殼中，每年的生物合成量達(dá)1000億噸，是除纖維素之外的又一大類重要多糖。殼聚糖具有優(yōu)異的凝膠特性，通過殼聚糖分子鏈中基團(tuán)的特殊靜電力、親疏水作用和氫鍵作用，能夠與一些膠凝劑產(chǎn)生復(fù)合，形成能夠保持大量水分的膠態(tài)物質(zhì)，具有很強(qiáng)的吸濕、保濕性能及生物相容性。

雖然殼聚糖水凝膠具有優(yōu)異的環(huán)境敏感性，但是它們在凝膠強(qiáng)度以及凝膠尺寸的穩(wěn)定性均無法令人滿意，可喜的是殼聚糖分子鏈上存在c-nh2和c-oh兩種活性官能團(tuán)，可通過雙官能團(tuán)化合物(如戊二醛等)進(jìn)行修飾反應(yīng)，增強(qiáng)其凝膠性能。其中戊二醛價格低廉，是最常見的殼聚糖交聯(lián)劑，它可以與殼聚糖分子中的氨基發(fā)生反應(yīng)生成具有雙schiff堿的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而極大地增加凝膠的機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性。但是戊二醛易使組織硬化、鈣化，具有非常強(qiáng)的細(xì)胞毒性，會降低正常細(xì)胞的存活率和破壞大分子藥物的完整性，這導(dǎo)致了使用戊二醛進(jìn)行交聯(lián)處理的生物組織在植入人體以后在一定程度上影響了受體正常組織的生長，進(jìn)而影響了創(chuàng)口的愈合和功能的恢復(fù)。

2，5-呋喃二甲醛是5-羥甲基糠醛的氧化衍生物，具有與糠醛相似的結(jié)構(gòu)，并具有兩個活性－c＝o基團(tuán)，是一種潛在的交聯(lián)劑。其中，5-羥甲基糠醛可由廉價的、可再生的六碳糖、低聚糖、高聚糖等生物質(zhì)原料催化脫水得到，是一種重要的化工中間體，在國際上被視為一種介于生物基糖化學(xué)和石油基化學(xué)之間的關(guān)鍵橋梁化合物。

目前，2，5-呋喃二甲醛可通過對5-羥甲基糠醛進(jìn)行選擇性氧化制備，具體過程需要先將更容易氧化的醛基保護(hù)起來，再對羥基進(jìn)行氧化。最初研究人員主要是直接采用傳統(tǒng)的氧化劑(kmno4、naclo等)進(jìn)行氧化，但是該氧化反應(yīng)選擇性低。需要高溫、高壓、堿性環(huán)境以及有機(jī)溶劑的大量使用，容易對環(huán)境造成影響。此外，由于在2，5-呋喃二甲醛的制備過程中，因原料5-羥甲基糠醛的分離和純化技術(shù)難關(guān)尚未得到有效解決，導(dǎo)致其價格昂貴，從而限制了其衍生物2，5-呋喃二甲醛的進(jìn)一步研究及工業(yè)應(yīng)用，因此直接由糖類化合物如果糖、葡萄糖以及蔗糖等生物質(zhì)，通過“一鍋法”酸解、氧化制備2，5-呋喃二甲醛，并在反應(yīng)混合物未經(jīng)分離的基礎(chǔ)上，合成高附加值的2，5-呋喃二甲醛衍生物成為了解決該問題的有效途徑。鑭鈮酸是一種具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的層狀金屬氧化物，它顯示出比其他同類金屬氧化物材料更強(qiáng)的br&onsted酸性，可以在水溶液體系中催化糖類化合物脫水分解。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)所存在的問題，本發(fā)明提供了一種殼聚糖交聯(lián)2，5-呋喃二甲醛水凝膠的制備方法，利用“一鍋法”催化糖類化合物制備2，5-呋喃二甲醛，在反應(yīng)產(chǎn)物混合溶液未經(jīng)分離的條件下與殼聚糖發(fā)生反應(yīng)，制備具有網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)結(jié)構(gòu)的高附加值的殼聚糖交聯(lián)2，5-呋喃二甲醛水凝膠。本發(fā)明工藝簡單，生產(chǎn)成本低，極具工業(yè)化生產(chǎn)潛力。

為解決上述問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：殼聚糖交聯(lián)2，5-呋喃二甲醛水凝膠的制備方法，包括以下步驟：

(1)按重量份數(shù)計，將3～30份糖類化合物、0.2～1份金屬鹽以及100份去離子水倒入高壓反應(yīng)釜中，迅速密封后以300r/min的轉(zhuǎn)速攪拌均勻，形成清澈的溶液；

(2)繼續(xù)保持300r/min的攪拌速度，將二氧化碳和氧氣的混合氣體通入高壓反應(yīng)釜至釜內(nèi)壓力為0.2～0.5mpa，隨后將高壓反應(yīng)釜的溫度升至120～180℃，反應(yīng)60～240min后停止反應(yīng)，自然冷卻至室溫，反應(yīng)溶液過0.45μm孔徑的濾膜，即得澄清的降解混合液a；

(3)按重量份數(shù)計，將100份降解混合液a和1～2份氧化酶倒入高壓反應(yīng)器中，密封后抽真空，充入0.1～0.2mpa氮氣，在溫度為20～60℃、攪拌速度為300r/min的條件下反應(yīng)6～12h，即得澄清的降解混合液b；

(4)按重量份數(shù)計，將100份降解混合液b和20～50份質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2％的殼聚糖醋酸溶液放入反應(yīng)器中，以300r/min的轉(zhuǎn)速攪拌均勻后，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2％的氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)體系的ph值，然后升溫至42℃，反應(yīng)45min后即得水凝膠。

在本發(fā)明中，作為進(jìn)一步說明，步驟(1)所述的糖類化合物為果糖、蔗糖、葡萄糖、淀粉以及纖維素中的任意一種，優(yōu)選果糖和蔗糖。

在本發(fā)明中，作為進(jìn)一步說明，步驟(1)所述的金屬鹽為鑭鈮酸鉀。

進(jìn)一步地，所述的鑭鈮酸鉀具有片層結(jié)構(gòu)，其化學(xué)式為klanb2o7。

在本發(fā)明中，作為進(jìn)一步說明，步驟(2)所述的二氧化碳和氧氣的混合氣體中的二氧化碳和氧氣的體積比為5～8：1。

在本發(fā)明中，作為進(jìn)一步說明，步驟(3)所述的氧化酶為香蕉多酚氧化酶、蘋果多酚氧化酶、水蜜桃多酚氧化酶以及龍眼多酚氧化酶中的任意一種，優(yōu)選香蕉多酚氧化酶。

在本發(fā)明中，作為進(jìn)一步說明，步驟(4)所述的殼聚糖為o-羧甲基殼聚糖、羥丙基殼聚糖以及殼聚糖季銨鹽中的任意一種，優(yōu)選o-羧甲基殼聚糖。

進(jìn)一步地，所述的殼聚糖醋酸溶液中醋酸的濃度0.5～2wt％的醋酸溶液。

在本發(fā)明中，作為進(jìn)一步說明，步驟(4)所述的ph值為7～10，優(yōu)選ph值為7.2。

本發(fā)明具有以下有益效果：

1.2，5-呋喃二甲醛是由糖類化合物經(jīng)由催化水解、定向氧化生成的一種重要平臺化合物，但因該反應(yīng)存在眾多副反應(yīng)，導(dǎo)致2，5-呋喃二甲醛的分離純化變得異常復(fù)雜而難以現(xiàn)實資源化利用。本發(fā)明直接以未經(jīng)分離純化的糖類化合物脫水反應(yīng)、酶催化氧化后的混合液作為2，5-呋喃二甲醛來源與殼聚糖發(fā)生縮合反應(yīng)制備殼聚糖-5-羥甲基糠醛組合物，制備具有網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)結(jié)構(gòu)的殼聚糖交聯(lián)2，5-呋喃二甲醛水凝膠，通過避免2，5-呋喃二甲醛繁雜的分離步驟，得到高附加值的水凝膠產(chǎn)品，具有較高的利潤空間。

2.在本發(fā)明整個的工藝流程中，均沒有涉及使用有機(jī)溶劑，可以有效降低成本，且更符合綠色化學(xué)的目標(biāo)。

3.2，5-呋喃二甲醛是一個具有活性羥基的呋喃環(huán)剛性小分子。相對殼聚糖交聯(lián)戊二醛類常見的水凝膠，殼聚糖交聯(lián)2，5-呋喃二甲醛水凝膠的殼聚糖分子鏈將具有較大的間距和較低分子鏈纏繞度。故一些諸如水分子、金屬鹽等活性化合物可以更加容易的與殼聚糖交聯(lián)2，5-呋喃二甲醛水凝膠發(fā)生相互作用，這對增加其諸如水化度、及金屬配合能力、機(jī)械強(qiáng)度等性質(zhì)是有利的。

【附圖說明】

圖1是實施例1中殼聚糖交聯(lián)2，5-呋喃二甲醛水凝膠的掃描電鏡圖；

圖2是實施例1中降解液的高效液相色譜圖；

圖3是實施例1中鑭鈮酸鉀的掃描電鏡圖。

圖2中字符含義的說明：hmf為5-羥甲基糠醛，dff為2，5-呋喃二甲醛，fdca為2，5-呋喃二甲酸。

【具體實施方式】

實施例1：

殼聚糖交聯(lián)2，5-呋喃二甲醛水凝膠的制備方法，包括以下步驟：

(1)按重量份數(shù)計，將6份果糖、0.4份鑭鈮酸鉀以及100份去離子水倒入高壓反應(yīng)釜中，迅速密封后以300r/min的轉(zhuǎn)速攪拌均勻，形成清澈的溶液；

(2)繼續(xù)保持300r/min的攪拌速度，將二氧化碳和氧氣的混合氣體通入高壓反應(yīng)釜至釜內(nèi)壓力為0.35mpa，其中二氧化碳和氧氣的混合氣體中的二氧化碳和氧氣的體積比為6：1，隨后將高壓反應(yīng)釜的溫度升至150℃，反應(yīng)90min后停止反應(yīng)，自然冷卻至室溫，反應(yīng)溶液過0.45μm孔徑的濾膜，即得澄清的降解混合液a；

(3)按重量份數(shù)計，將100份降解混合液a和1.8份香蕉多酚氧化酶倒入高壓反應(yīng)器中，密封后抽真空，充入0.15mpa氮氣，在溫度為25℃、攪拌速度為300r/min的條件下反應(yīng)12h，即得澄清的降解混合液b；

(4)按重量份數(shù)計，將100份降解混合液b和50份質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2％的殼聚糖醋酸溶液放入反應(yīng)器中，其中的殼聚糖為o-羧甲基殼聚糖，以300r/min的轉(zhuǎn)速攪拌均勻后，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2％的氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)體系的ph值為7.2，然后升溫至42℃，反應(yīng)45min后即得水凝膠。

經(jīng)檢測，所得殼聚糖交聯(lián)2，5-呋喃二甲醛水凝膠的溶脹度為897.32％。

實施例2：

殼聚糖交聯(lián)2，5-呋喃二甲醛水凝膠的制備方法，包括以下步驟：

(1)按重量份數(shù)計，將25份葡萄糖、0.5份鑭鈮酸鉀以及100份去離子水倒入高壓反應(yīng)釜中，迅速密封后以300r/min的轉(zhuǎn)速攪拌均勻，形成清澈的溶液；

(2)繼續(xù)保持300r/min的攪拌速度，將二氧化碳和氧氣的混合氣體通入高壓反應(yīng)釜至釜內(nèi)壓力為0.45mpa，其中二氧化碳和氧氣的混合氣體中的二氧化碳和氧氣的體積比為8：1，隨后將高壓反應(yīng)釜的溫度升至180℃，反應(yīng)60min后停止反應(yīng)，自然冷卻至室溫，反應(yīng)溶液過0.45μm孔徑的濾膜，即得澄清的降解混合液a；

(3)按重量份數(shù)計，將100份降解混合液a和1.3份蘋果多酚氧化酶倒入高壓反應(yīng)器中，密封后抽真空，充入0.2mpa氮氣，在溫度為60℃、攪拌速度為300r/min的條件下反應(yīng)12h，即得澄清的降解混合液b；

(4)按重量份數(shù)計，將100份降解混合液b和50份質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2％的殼聚糖醋酸溶液放入反應(yīng)器中，其中的殼聚糖為羥丙基殼聚糖，以300r/min的轉(zhuǎn)速攪拌均勻后，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2％的氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)體系的ph值為9，然后升溫至42℃，反應(yīng)45min后即得水凝膠。

經(jīng)檢測，所得殼聚糖交聯(lián)2，5-呋喃二甲醛水凝膠的溶脹度為521.2％。

實施例3：

殼聚糖交聯(lián)2，5-呋喃二甲醛水凝膠的制備方法，包括以下步驟：

(1)按重量份數(shù)計，將3份淀粉、0.2份鑭鈮酸鉀以及100份去離子水倒入高壓反應(yīng)釜中，迅速密封后以300r/min的轉(zhuǎn)速攪拌均勻，形成清澈的溶液；

(2)繼續(xù)保持300r/min的攪拌速度，將二氧化碳和氧氣的混合氣體通入高壓反應(yīng)釜至釜內(nèi)壓力為0.5mpa，其中二氧化碳和氧氣的混合氣體中的二氧化碳和氧氣的體積比為5：1，隨后將高壓反應(yīng)釜的溫度升至160℃，反應(yīng)240min后停止反應(yīng)，自然冷卻至室溫，反應(yīng)溶液過0.45μm孔徑的濾膜，即得澄清的降解混合液a；

(3)按重量份數(shù)計，將100份降解混合液a和2份龍眼多酚氧化酶倒入高壓反應(yīng)器中，密封后抽真空，充入0.15mpa氮氣，在溫度為40℃、攪拌速度為300r/min的條件下反應(yīng)6h，即得澄清的降解混合液b；

(4)按重量份數(shù)計，將100份降解混合液b和30份質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2％的殼聚糖醋酸溶液放入反應(yīng)器中，其中的殼聚糖為殼聚糖季銨鹽，以300r/min的轉(zhuǎn)速攪拌均勻后，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2％的氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)體系的ph值為7，然后升溫至42℃，反應(yīng)45min后即得水凝膠。

經(jīng)檢測，所得殼聚糖交聯(lián)2，5-呋喃二甲醛水凝膠的溶脹度為447.48％。

實施例4：

殼聚糖交聯(lián)2，5-呋喃二甲醛水凝膠的制備方法，包括以下步驟：

(1)按重量份數(shù)計，將30份纖維素、0.8份鑭鈮酸鉀以及100份去離子水倒入高壓反應(yīng)釜中，迅速密封后以300r/min的轉(zhuǎn)速攪拌均勻，形成清澈的溶液；

(2)繼續(xù)保持300r/min的攪拌速度，將二氧化碳和氧氣的混合氣體通入高壓反應(yīng)釜至釜內(nèi)壓力為0.3mpa，其中二氧化碳和氧氣的混合氣體中的二氧化碳和氧氣的體積比為6：1，隨后將高壓反應(yīng)釜的溫度升至150℃，反應(yīng)140min后停止反應(yīng)，自然冷卻至室溫，反應(yīng)溶液過0.45μm孔徑的濾膜，即得澄清的降解混合液a；

(3)按重量份數(shù)計，將100份降解混合液a和1.3份蘋果多酚氧化酶倒入高壓反應(yīng)器中，密封后抽真空，充入0.1mpa氮氣，在溫度為35℃、攪拌速度為300r/min的條件下反應(yīng)10h，即得澄清的降解混合液b；

(4)按重量份數(shù)計，將100份降解混合液b和20份質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2％的殼聚糖醋酸溶液放入反應(yīng)器中，其中的殼聚糖為羥丙基殼聚糖，以300r/min的轉(zhuǎn)速攪拌均勻后，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2％的氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)體系的ph值為7，然后升溫至42℃，反應(yīng)45min后即得水凝膠。

經(jīng)檢測，所得殼聚糖交聯(lián)2，5-呋喃二甲醛水凝膠的溶脹度為510.28％。

實施例5：

殼聚糖交聯(lián)2，5-呋喃二甲醛水凝膠的制備方法，包括以下步驟：

(1)按重量份數(shù)計，將25份淀粉、1份鑭鈮酸鉀以及100份去離子水倒入高壓反應(yīng)釜中，迅速密封后以300r/min的轉(zhuǎn)速攪拌均勻，形成清澈的溶液；

(2)繼續(xù)保持300r/min的攪拌速度，將二氧化碳和氧氣的混合氣體通入高壓反應(yīng)釜至釜內(nèi)壓力為0.2mpa，其中二氧化碳和氧氣的混合氣體中的二氧化碳和氧氣的體積比為7：1，隨后將高壓反應(yīng)釜的溫度升至140℃，反應(yīng)120min后停止反應(yīng)，自然冷卻至室溫，反應(yīng)溶液過0.45μm孔徑的濾膜，即得澄清的降解混合液a；

(3)按重量份數(shù)計，將100份降解混合液a和1.7份水蜜桃多酚氧化酶倒入高壓反應(yīng)器中，密封后抽真空，充入0.14mpa氮氣，在溫度為50℃、攪拌速度為300r/min的條件下反應(yīng)8h，即得澄清的降解混合液b；

(4)按重量份數(shù)計，將100份降解混合液b和40份質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2％的殼聚糖醋酸溶液放入反應(yīng)器中，其中的殼聚糖為殼聚糖季銨鹽，以300r/min的轉(zhuǎn)速攪拌均勻后，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2％的氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)體系的ph值為10，然后升溫至42℃，反應(yīng)45min后即得水凝膠。

經(jīng)檢測，所得殼聚糖交聯(lián)2，5-呋喃二甲醛水凝膠的溶脹度為674.97％。

實施例6：

殼聚糖交聯(lián)2，5-呋喃二甲醛水凝膠的制備方法，包括以下步驟：

(1)按重量份數(shù)計，將18份蔗糖、1份鑭鈮酸鉀以及100份去離子水倒入高壓反應(yīng)釜中，迅速密封后以300r/min的轉(zhuǎn)速攪拌均勻，形成清澈的溶液；

(2)繼續(xù)保持300r/min的攪拌速度，將二氧化碳和氧氣的混合氣體通入高壓反應(yīng)釜至釜內(nèi)壓力為0.3mpa，其中二氧化碳和氧氣的混合氣體中的二氧化碳和氧氣的體積比為5：1，隨后將高壓反應(yīng)釜的溫度升至120℃，反應(yīng)60min后停止反應(yīng)，自然冷卻至室溫，反應(yīng)溶液過0.45μm孔徑的濾膜，即得澄清的降解混合液a；

(3)按重量份數(shù)計，將100份降解混合液a和1份龍眼多酚氧化酶倒入高壓反應(yīng)器中，密封后抽真空，充入0.15mpa氮氣，在溫度為50℃、攪拌速度為300r/min的條件下反應(yīng)7h，即得澄清的降解混合液b；

(4)按重量份數(shù)計，將100份降解混合液b和45份質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2％的殼聚糖醋酸溶液放入反應(yīng)器中，其中的殼聚糖為o-羧甲基殼聚糖，以300r/min的轉(zhuǎn)速攪拌均勻后，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2％的氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)體系的ph值為8，然后升溫至42℃，反應(yīng)45min后即得水凝膠。

經(jīng)檢測，所得殼聚糖交聯(lián)2，5-呋喃二甲醛水凝膠的溶脹度為573.57％。

實施例7：

殼聚糖交聯(lián)2，5-呋喃二甲醛水凝膠的制備方法，包括以下步驟：

(1)按重量份數(shù)計，將3份果糖、0.3份鑭鈮酸鉀以及100份去離子水倒入高壓反應(yīng)釜中，迅速密封后以300r/min的轉(zhuǎn)速攪拌均勻，形成清澈的溶液；

(2)繼續(xù)保持300r/min的攪拌速度，將二氧化碳和氧氣的混合氣體通入高壓反應(yīng)釜至釜內(nèi)壓力為0.32mpa，其中二氧化碳和氧氣的混合氣體中的二氧化碳和氧氣的體積比為8：1，隨后將高壓反應(yīng)釜的溫度升至170℃，反應(yīng)150min后停止反應(yīng)，自然冷卻至室溫，反應(yīng)溶液過0.45μm孔徑的濾膜，即得澄清的降解混合液a；

(3)按重量份數(shù)計，將100份降解混合液a和2份香蕉多酚氧化酶倒入高壓反應(yīng)器中，密封后抽真空，充入0.15mpa氮氣，在溫度為20℃、攪拌速度為300r/min的條件下反應(yīng)11h，即得澄清的降解混合液b；

(4)按重量份數(shù)計，將100份降解混合液b和28份質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2％的殼聚糖醋酸溶液放入反應(yīng)器中，其中的殼聚糖為羥丙基殼聚糖，以300r/min的轉(zhuǎn)速攪拌均勻后，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2％的氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)體系的ph值為9，然后升溫至42℃，反應(yīng)45min后即得水凝膠。

經(jīng)檢測，所得殼聚糖交聯(lián)2，5-呋喃二甲醛水凝膠的溶脹度為682.18％。

上述說明是針對本發(fā)明較佳可行實施例的詳細(xì)說明，但實施例并非用以限定本發(fā)明的專利申請范圍，凡本發(fā)明所提示的技術(shù)精神下所完成的同等變化或修飾變更，均應(yīng)屬于本發(fā)明所涵蓋專利范圍。