本發(fā)明涉及智能高分子材料、生物醫(yī)用和環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域，具體涉及一種均勻多孔性水凝膠的制備方法及應(yīng)用。

背景技術(shù)：

水凝膠是一種具有高親水性但不溶于水的高分子聚合物。在液體中吸收液體達(dá)到溶脹平衡后，水凝膠的體積會(huì)發(fā)生脹大，但其宏觀外形仍然保持原有形狀，其內(nèi)部仍然維持著三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。水凝膠是一類集吸水、保水及緩釋于一體的功能高分子材料，因其獨(dú)特的特性，水凝膠被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、材料、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域中。

傳統(tǒng)水凝膠的孔洞僅為微米甚至納米尺度大小，在溶脹介質(zhì)中達(dá)到溶脹平衡通常需要數(shù)十小時(shí)甚至數(shù)天時(shí)間。但是，在水凝膠中引入多孔結(jié)構(gòu)后，可以制備得到多孔性水凝膠。在多孔水凝膠中，含有大量微米至毫米尺度的貫通孔洞，溶脹介質(zhì)可以通過(guò)毛細(xì)效應(yīng)更加快速地在水凝膠表面及內(nèi)部發(fā)生擴(kuò)散及滲透。并且，大量孔洞結(jié)構(gòu)增大了水凝膠的比表面面積因此，相比傳統(tǒng)水凝膠，多孔水凝膠可以達(dá)到很快的溶脹速度與刺激響應(yīng)速度

多孔水凝膠的常用制備方法有發(fā)泡法、致孔法、相分離法、模板法等。在這些方法中，發(fā)泡法利用某些物質(zhì)與酸反應(yīng)或高溫下產(chǎn)生氣體的特性，在水凝膠內(nèi)產(chǎn)生氣泡，但步驟繁瑣且難以大規(guī)模生產(chǎn)。致孔法利用可溶于溶劑的致孔劑對(duì)水凝膠摻雜后再對(duì)致孔劑進(jìn)行去除，此法需要較長(zhǎng)制備時(shí)間，且水凝膠內(nèi)部的致孔劑難以徹底去除。相分離法利用某些聚合物在聚合溶劑中的不相容性，在聚合物相與溶劑相分離后進(jìn)行干燥，溶劑揮發(fā)留下氣泡，此方法溶劑不易徹底去除且具有一定毒害性。模板法使用特制模板制備出多孔水凝膠材料，此方法適用于大量生產(chǎn)但模板制作較繁瑣。chen等人利用小蘇打與酸反應(yīng)生成二氧化碳?xì)馀葜苽涞玫蕉嗫姿z，其孔洞為300μm左右(j.biomed.material.res.,1999,44:53)。中國(guó)專利cn102702559a利用酵母菌發(fā)酵產(chǎn)生氣泡而制備出多孔水凝膠，其特征在于未加入任何有害添加劑，利用微生物活動(dòng)產(chǎn)生的二氧化碳?xì)馀葜苽涠嗫姿z，可用于生物醫(yī)藥等領(lǐng)域。中國(guó)專利cn1757662a公開(kāi)了一種由不飽和烯烴或線性多糖分子與交聯(lián)劑反應(yīng)制備多孔水凝膠的方法，可用于蛋白質(zhì)多肽口服給藥系統(tǒng)。由上可知，多孔水凝膠正不斷應(yīng)用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域中，其制備方法也不斷得到改良。

聚氨基酸材料中的γ-聚谷氨酸和ε-聚賴氨酸均為可通過(guò)微生物發(fā)酵法制備的氨基酸均聚物，二者均有優(yōu)良的體內(nèi)降解性與生物相容性，相較傳統(tǒng)凝膠材料優(yōu)勢(shì)明顯。γ-聚谷氨酸分子鏈中含有大量羧基，可作為聚陰離子，ε-聚賴氨酸分子中含有大量氨基，可作為聚陽(yáng)離子。二者交聯(lián)形成的聚電解質(zhì)水凝膠中含有大量羧基與氨基，這使得水凝膠不僅具有γ-聚谷氨酸水凝膠的高吸附特性，還具有ε-聚賴氨酸的廣譜抗菌特性，而且這種帶有相反電性基團(tuán)的水凝膠常常具有ph敏感性。但是，聚氨基酸類水凝膠應(yīng)用時(shí)其達(dá)到平衡時(shí)的溶脹時(shí)間及刺激響應(yīng)時(shí)間太長(zhǎng)。本發(fā)明使用交聯(lián)體系本身的副反應(yīng)生成均勻且密集的氣泡制備多孔性γ-聚谷氨酸/ε-聚賴氨酸水凝膠，使其響應(yīng)速率提高。

專利申請(qǐng)cn102321256a公布了《生物相容性γ-聚谷氨酸水凝膠制備方法》，以γ-聚谷氨酸為原料，采用殼寡糖為交聯(lián)劑，在水溶液中進(jìn)行制備反應(yīng)，利用碳化二胺和n-羥基琥珀酰亞胺活化聚谷氨酸上的羧基使其同殼寡糖的游離氨基形成酰胺鍵，進(jìn)而形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的水凝膠體系；具體制備方法包括：將聚谷氨酸及殼寡糖溶解于蒸餾水中形成均一水溶液，之后，加入碳化二胺和n-羥基琥珀酰亞胺；其中，聚谷氨酸濃度為4.76％-6.25％，以聚谷氨酸為投料比例基準(zhǔn)，聚谷氨酸∶殼寡糖∶碳化二胺∶n-羥基琥珀酰亞胺的投料摩爾比例范圍為1∶0.25-0.5∶0.25-4∶0.25-4；4℃冰浴10～15min，之后室溫反應(yīng)2～4h形成水凝膠；其中，碳化二胺優(yōu)選1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺。

專利申請(qǐng)cn103656729a公布了《一種基于γ-聚谷氨酸與ε-聚賴氨酸交聯(lián)聚合物的水凝膠及其制備方法》，所述制備方法包括如下步驟：(1)將含ε-聚賴氨酸的2-(n-嗎啡啉)乙磺酸緩沖液滴加至含γ-聚谷氨酸的2-(n-嗎啡啉)乙磺酸緩沖液中，攪拌混合均勻；(2)將交聯(lián)劑加入到步驟(1)得到的反應(yīng)體系中，冰浴反應(yīng)10～120min，再室溫反應(yīng)2～24h形成水凝膠；(3)將步驟(2)形成的水凝膠放在透析袋中，置于去離子水中透析至溶脹平衡，之后采用冷凍干燥或者真空干燥，得到海綿狀敷料；步驟(2)中，所述交聯(lián)劑為1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺和n-羥基琥珀酰亞胺的組合，或者為1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺和n-羥基硫代琥珀酰亞胺的組合，或者為1-環(huán)己基-2-嗎啉乙基碳二亞胺對(duì)甲苯磺酸鹽，或者為伍德沃德氏試劑k。

但上述技術(shù)中穩(wěn)定劑和活化劑的混合加入會(huì)導(dǎo)致試劑的溶解擴(kuò)散更為緩慢，從而產(chǎn)生凝膠交聯(lián)不均勻并且孔隙分布也不均勻的技術(shù)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種均勻多孔性水凝膠的制備方法及應(yīng)用，此方法制備過(guò)程簡(jiǎn)單快捷，無(wú)溶劑排放，不添加發(fā)泡劑及致孔劑，反應(yīng)設(shè)備簡(jiǎn)單，是一種節(jié)能、簡(jiǎn)便、環(huán)保無(wú)污染、低成本、易于控制的制備方法。本發(fā)明方法所制備的均勻多孔性γ-聚谷氨酸/ε-聚賴氨酸水凝膠可應(yīng)用于染料吸附、重金屬離子回收、生物醫(yī)藥及組織工程領(lǐng)域。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種均勻多孔性水凝膠的制備方法，包括如下步驟：

①聚氨基酸混合溶液的配制：將γ-聚谷氨酸和ε-聚賴氨酸分別溶解于0.01-10mol/l2-(n-嗎啡啉)乙磺酸緩沖液中配制為均勻溶液，在攪拌條件下，將配置好的ε-聚賴氨酸溶液滴加至配置好的γ-聚谷氨酸溶液中，得到均質(zhì)聚氨基酸混合溶液；

②水凝膠預(yù)聚液的配制：在冰浴條件下向步驟①形成的均質(zhì)聚氨基酸混合溶液中加入n-羥基琥珀酰亞胺，攪拌均勻后再加入1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺，形成均質(zhì)水凝膠預(yù)聚液；

③均勻多孔性水凝膠的制備：將步驟②制得的均質(zhì)水凝膠預(yù)聚液攪拌均勻后注入模具中，冰浴反應(yīng)一段時(shí)間后在室溫下靜置反應(yīng)一段時(shí)間，水凝膠中形成均勻密集的氣泡，γ-聚谷氨酸/ε-聚賴氨酸均勻多孔性水凝膠交聯(lián)成型。

進(jìn)一步地，所述的聚氨基酸混合溶液中γ-聚谷氨酸：ε-聚賴氨酸的摩爾比為1:(0.1-0.4)。

進(jìn)一步地，所述的水凝膠預(yù)聚液中γ-聚谷氨酸：ε-聚賴氨酸：n-羥基琥珀酰亞胺：1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺的摩爾比為1:(0.1-0.4):(0.1-2):(0.1-2)。

進(jìn)一步地，步驟②所述的冰浴條件的溫度為-15-4℃。

進(jìn)一步地，所述的模具包括各類不與水凝膠預(yù)聚液發(fā)生反應(yīng)的不限形狀的模具。

進(jìn)一步地，步驟③所述的冰浴反應(yīng)的時(shí)間為0.5-4小時(shí)。

進(jìn)一步地，步驟③所述的室溫下靜置反應(yīng)的時(shí)間為0.5-48小時(shí)。

本發(fā)明的原理是：一方面，制備γ-聚谷氨酸/ε-聚賴氨酸水凝膠時(shí)，將γ-聚谷氨酸和ε-聚賴氨酸溶解于2-(n-嗎啡啉)乙磺酸緩沖液，形成的-coo^-和-nh4⁺分別帶負(fù)電和正電。帶負(fù)電的γ-聚谷氨酸與帶正電的ε-聚賴氨酸之間會(huì)產(chǎn)生靜電吸附形成膠束，加入的ε-聚賴氨酸達(dá)到一定量時(shí)，形成膠束增多。當(dāng)ε-聚賴氨酸/γ-聚谷氨酸摩爾比>0.5時(shí)，形成的膠束濃度超過(guò)臨界膠束濃度(cmc)，膠束會(huì)發(fā)生聚集產(chǎn)生沉淀，形成非均質(zhì)水凝膠。當(dāng)ε-聚賴氨酸/γ-聚谷氨酸摩爾比<0.5時(shí)，在聚氨基酸混合溶液中加入活化劑1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺，首先，γ-聚谷氨酸的羧基與1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺發(fā)生反應(yīng)形成o-?；愲逯虚g物。之后，加入的穩(wěn)定劑n-羥基琥珀酰亞胺會(huì)與o-酰基異脲中間物反應(yīng)生成n-羥基琥珀酰亞胺酯中間產(chǎn)物，最后，ε-聚賴氨酸與n-羥基琥珀酰亞胺酯中間物發(fā)生反應(yīng)形成酰胺鍵產(chǎn)生交聯(lián)。期間，過(guò)量的o-?；愲逯虚g物與n-羥基琥珀酰亞胺酯中間產(chǎn)物未能進(jìn)入下一階段反應(yīng)后便會(huì)發(fā)生水解并產(chǎn)生羧酸。并且，過(guò)量的交聯(lián)劑會(huì)降低羧酸與氨基反應(yīng)的活化能，使氨基與羧酸發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生尿素及其衍生物，最終在水凝膠中形成大量氨氣氣泡，得到均勻多孔性γ-聚谷氨酸/ε-聚賴氨酸水凝膠。因此，水凝膠中氣泡的生成只利用了交聯(lián)體系本身的副反應(yīng)，并未添加其他成分。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

1、本發(fā)明制備過(guò)程簡(jiǎn)單快捷，反應(yīng)設(shè)備簡(jiǎn)單，是一種節(jié)能、簡(jiǎn)便、環(huán)保無(wú)污染、低成本、易于控制的制備方法。

2、本發(fā)明制備過(guò)程中無(wú)溶劑排放，不添加發(fā)泡劑及致孔劑，只依靠交聯(lián)劑、穩(wěn)定劑與物料之間的副反應(yīng)得到均勻的氣泡。

3、本發(fā)明制備的均勻多孔性水凝膠的孔洞尺寸、密度、形態(tài)均可由交聯(lián)劑與穩(wěn)定劑的用量以及二者之間的比例來(lái)進(jìn)行控制。

4、本發(fā)明使用γ-聚谷氨酸和ε-聚賴氨酸兩種微生物發(fā)酵生產(chǎn)的氨基酸均聚物作為原料，制得的水凝膠生物相容性好、對(duì)人體無(wú)毒害作用，在生物醫(yī)藥等方面的應(yīng)用限制較小。

5、本發(fā)明所添加交聯(lián)劑的工藝得到優(yōu)化，采用先添加穩(wěn)定劑，完全溶解后再添加活化劑的方法。優(yōu)化工藝所制備的水凝膠交聯(lián)度與孔隙分布更均勻，且反應(yīng)過(guò)程更為溫和。

6、本發(fā)明所制備的γ-聚谷氨酸/ε-聚賴氨酸水凝膠比表面積為4.3-8.2m²/g，孔容達(dá)到0.0036-0.0044cc/g，孔徑集中分布在2.0-15.0nm。通過(guò)控制制備條件可以改變水凝膠內(nèi)孔容及孔徑大小。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明制備的均勻多孔性水凝膠照片；

圖2為本發(fā)明制備的均勻多孔性水凝膠截面電子顯微鏡照片；

圖3為實(shí)施例1制備的水凝膠的孔容及孔徑分布圖；

圖4為實(shí)施例2制備的水凝膠的孔容及孔徑分布圖；

圖5為實(shí)施例3制備的水凝膠的孔容及孔徑分布圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，其他的任何未違背本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書所限定的范圍。

實(shí)施例1

①聚氨基酸混合溶液的配制：將1.9355gγ-聚谷氨酸與0.3814gε-聚賴氨酸分別溶于兩份25ml的0.1mol/lmes緩沖液(ph＝3.61)中形成兩份均質(zhì)溶液。在攪拌的條件下，將ε-聚賴氨酸溶液逐滴滴加到γ-聚谷氨酸溶液中形成均質(zhì)聚氨基酸混合溶液。

②水凝膠預(yù)聚液的配制：在4℃冰浴條件下向步驟①形成的均質(zhì)混合溶液中加入0.4320gn-羥基琥珀酰亞胺，攪拌均勻后加入0.7206g1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺，形成摩爾比為γ-聚谷氨酸：ε-聚賴氨酸：n-羥基琥珀酰亞胺：1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺＝1:0.2:0.25:0.25的均質(zhì)水凝膠預(yù)聚液。

③均勻多孔性水凝膠的制備：將步驟②制得的均質(zhì)水凝膠預(yù)聚液攪拌均勻后取20ml注入圓柱形聚苯乙烯模具中，冰浴反應(yīng)2小時(shí)后在室溫下靜置反應(yīng)24小時(shí)，水凝膠中形成均勻密集的氣泡，γ-聚谷氨酸/ε-聚賴氨酸均勻多孔性水凝膠交聯(lián)成型。通過(guò)全自動(dòng)比表面和孔徑分布分析儀對(duì)凝膠樣品的孔洞進(jìn)行測(cè)定后其孔容及孔洞分布圖如圖3所示，其比表面積為4.506m²/g，孔容達(dá)到0.00363cc/g，平均孔徑為2.382nm。

實(shí)施例2

①聚氨基酸混合溶液的配制：將0.9678gγ-聚谷氨酸與0.2861gε-聚賴氨酸分別溶于兩份12.5ml的1mol/lmes(ph＝3.47)中形成兩份均質(zhì)溶液。在攪拌的條件下，將ε-聚賴氨酸溶液逐滴滴加到γ-聚谷氨酸溶液中形成均質(zhì)聚氨基酸混合溶液。

②水凝膠預(yù)聚液的配制：在0℃冰浴條件下向步驟①形成的均質(zhì)混合溶液中加入0.4320gn-羥基琥珀酰亞胺，攪拌均勻后加入0.7206g1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺，形成摩爾比為γ-聚谷氨酸：ε-聚賴氨酸：n-羥基琥珀酰亞胺：1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺＝1:0.3:0.5:0.5的均質(zhì)水凝膠預(yù)聚液。

③均勻多孔性水凝膠的制備：將步驟②制得的均質(zhì)水凝膠預(yù)聚液攪拌均勻后取50ml注入球形聚乙烯模具中，冰浴反應(yīng)30分鐘后在室溫下靜置反應(yīng)2小時(shí)，水凝膠中形成均勻密集的氣泡，γ-聚谷氨酸/ε-聚賴氨酸均勻多孔性水凝膠交聯(lián)成型。通過(guò)全自動(dòng)比表面和孔徑分布分析儀對(duì)凝膠樣品的孔洞進(jìn)行測(cè)定后其孔容及孔洞分布圖如圖4所示，其比表面積為5.062m²/g，孔容達(dá)到0.00397cc/g，平均孔徑為7.049nm。

實(shí)施例3

①聚氨基酸混合溶液的配制：將1.9355gγ-聚谷氨酸與0.1907gε-聚賴氨酸分別溶于兩份25ml的2mol/lmes緩沖液(ph＝3.37)中形成兩份均質(zhì)溶液。在攪拌的條件下，將ε-聚賴氨酸溶液逐滴滴加到γ-聚谷氨酸溶液中形成均質(zhì)聚氨基酸混合溶液。

②水凝膠預(yù)聚液的配制：在-10℃冰浴條件下向步驟①形成的均質(zhì)混合溶液中加入1.7280gn-羥基琥珀酰亞胺，攪拌均勻后加入2.8824g1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺，形成摩爾比為γ-聚谷氨酸：ε-聚賴氨酸：n-羥基琥珀酰亞胺：1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺＝1:0.1:1:1的均質(zhì)水凝膠預(yù)聚液。

③均勻多孔性水凝膠的制備：將步驟②制得的均質(zhì)水凝膠預(yù)聚液攪拌均勻后取20ml注入圓柱形聚氯乙烯模具中，冰浴反應(yīng)1小時(shí)后在室溫下靜置反應(yīng)48小時(shí)，水凝膠中形成均勻密集的氣泡，γ-聚谷氨酸/ε-聚賴氨酸均勻多孔性水凝膠交聯(lián)成型。通過(guò)全自動(dòng)比表面和孔徑分布分析儀對(duì)凝膠樣品的孔洞進(jìn)行測(cè)定后其孔容及孔洞分布圖如圖5所示，其比表面積為8.024m²/g，孔容達(dá)到0.00431cc/g，平均孔徑為13.478nm。

實(shí)施例4

①聚氨基酸混合溶液的配制：將1.9355gγ-聚谷氨酸與0.7628gε-聚賴氨酸分別溶于兩份15ml的8mol/lmes緩沖液(ph＝3.01)中形成兩份均質(zhì)溶液。在攪拌的條件下，將ε-聚賴氨酸溶液逐滴滴加到γ-聚谷氨酸溶液中形成均質(zhì)聚氨基酸混合溶液。

②水凝膠預(yù)聚液的配制：在-15℃冰浴條件下向步驟①形成的均質(zhì)混合溶液中加入3.4560gn-羥基琥珀酰亞胺，攪拌均勻后加入5.7448g1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺，形成摩爾比為γ-聚谷氨酸：ε-聚賴氨酸：n-羥基琥珀酰亞胺：1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺＝1:0.4:2:2的均質(zhì)水凝膠預(yù)聚液。

③均勻多孔性水凝膠的制備：將步驟②制得的均質(zhì)水凝膠預(yù)聚液攪拌均勻后取50ml注入方形聚乙烯模具中，冰浴反應(yīng)4小時(shí)后在室溫下靜置反應(yīng)0.5小時(shí)，水凝膠中形成均勻密集的氣泡，γ-聚谷氨酸/ε-聚賴氨酸均勻多孔性水凝膠交聯(lián)成型。

此外，圖1表示實(shí)施實(shí)例1-4中對(duì)應(yīng)不同摩爾比條件下制備得到的凝膠，從圖中左到右，明顯可以看出由于氣泡的產(chǎn)生，出現(xiàn)明顯的空隙，并且空隙依次增多。圖2表示實(shí)施實(shí)例1-4中對(duì)應(yīng)不同比例摩爾比條件下的電鏡圖，圖中同樣可以得到結(jié)論，隨著摩爾比不同，制備得到凝膠孔徑大小不同，并具有依次增大的趨勢(shì)。